Siderurgia

Un trabajador en unos altos hornos de hierro y acero

Planta siderúrgica en Luxemburgo.

La siderurgia (del griego σίδερος, síderos, "hierro") o siderometalurgia es la técnica del tratamiento del mineral de hierro para obtener diferentes tipos de este o de sus aleaciones tales como el acero. El proceso de transformación del mineral de hierro comienza desde su extracción en las minas. El hierro se encuentra presente en la naturaleza en forma de óxidos, hidróxidos, carbonatos, silicatos y sulfuros. Los más utilizados por la siderurgia son los óxidos, hidróxidos y carbonatos. Los procesos básicos de transformación son los siguientes:

• Óxidos → hematita (Fe₂O₃) y la magnetita (Fe₃O₄)
• Hidróxidos → Limonita
• Carbonatos → Siderita o carbonato de hierro (FeCO₃)

Estos minerales se encuentran combinados en rocas, las cuales contienen elementos indeseados denominados gangas. Parte de la ganga puede ser separada del mineral de hierro antes de su envío a la siderurgia, existiendo principalmente dos métodos de separación:

• Imantación: consiste en hacer pasar las rocas por un cilindro imantado de modo que aquellas que contengan mineral de hierro se adhieran al cilindro y caigan separadas de las otras rocas, que precipitan en un sector aparte. El inconveniente de este proceso reside en que la mayoría de las reservas de minerales de hierro se encuentra en forma de hematita, la cual no es magnética.
• Separación por densidad: se sumergen todas las rocas en agua, la cual tiene una densidad intermedia entre la ganga y el mineral de hierro. El inconveniente de este método es que el mineral se humedece, lo que resulta perjudicial en el proceso siderúrgico.

Una vez realizada la separación, el mineral de hierro es llevado a la planta siderúrgica donde será procesado para convertirlo primeramente en arrabio y posteriormente en acero.

Siderurgias integrales y acerías

Se denomina siderurgia o siderurgia integral, a una planta industrial, mientras que se denomina acería a la industria dedicada exclusivamente a la producción y elaboración de acero partiendo de otro acero o de hierro.

Proceso de producción

El acero es una aleación de hierro y carbono. Se produce en un proceso de dos fases. Primero el mineral de hierro es reducido o fundido con coque y piedra pómez, produciendo hierro fundido que es moldeado como arrabio o conducido a la siguiente fase como hierro fundido. La segunda fase, la de aceración, tiene por objetivo reducir el alto contenido de carbono introducido al fundir el mineral y eliminar las impurezas tales como azufre y fósforo, al mismo tiempo que algunos elementos como manganeso, cromo, níquel, hierro o vanadio son añadidos en forma de ferro-aleaciones para producir el tipo de acero demandado.

En las instalaciones de colada y laminación se convierte el acero bruto fundido en lingotes o en desbastes cuadrados (blooms, palanquillas) o planos (slabs) y posteriormente en perfiles o chapas, laminadas en caliente.

Descarbonización y electrificación

A partir de la década de 2020, la necesidad de mitigar el impacto ambiental de la industria pesada impulsó la sustitución de los altos hornos tradicionales dependientes del carbón de coque por tecnologías basadas exclusivamente en electricidad renovable.

Al tratarse de un sector con una altísima demanda térmica y picos de consumo muy elevados, la estrategia de descarbonización total se orienta hacia un modelo 100 % eléctrico respaldado por almacenamiento energético masivo (baterías, en especial, batería de sodio):

• Hornos de arco eléctrico con soporte de baterías: El proceso de fundición y afino del acero se realiza de forma totalmente eléctrica mediante hornos de arco alimentados por electricidad renovable. Para gestionar la enorme potencia requerida por estos hornos y garantizar la estabilidad de la red industrial, se integran sistemas masivos de almacenamiento de energía en baterías, los cuales acumulan el excedente renovable y regulan el consumo en tiempo real según las fluctuaciones del mercado eléctrico.
• Electrólisis directa del mineral de hierro (Electrobtención o elobtención): Como objetivo tecnológico para la producción primaria sin combustión, se desarrollan procesos industriales donde el mineral se sumerge en una solución líquida y el hierro puro se separa mediante corriente eléctrica directa. Al depender única y exclusivamente de electricidad renovable y prescindir por completo de la combustión térmica, este sistema elimina de raíz las emisiones de gases de efecto invernadero en la obtención del metal.

Procesos en plantas integrales

Una planta integral tiene todas las instalaciones necesarias para la producción de acero en diferentes formatos.

• Hornos de coque: obtener del carbón coque y gas.
• Hornos altos: convertir el mineral en hierro fundido
• Acería: conversión del hierro fundido o el arrabio en acero
• Moldeado: producir grandes lingotes (grandes piezas de fundición de acero)
• Trenes de laminación desbastadores: reducir el tamaño de los lingotes
• Trenes de laminación de acabado: estructuras y chapas en caliente
• Trenes de laminación en frío: chapas y flejes

Las materias primas para una planta integral son mineral de hierro, caliza y coque. Estos materiales son cargados en capas sucesivas y continuas en un horno alto donde la combustión del carbón ayudada por soplado de aire y la presencia de caliza funde el hierro contenido en el mineral, que se transforma en hierro líquido con un alto contenido en carbono.

Foto del complejo siderúrgico SOMISA, en Argentina.

A intervalos, el hierro líquido acumulado en el alto horno es transformado en lingotes de arrabio o llevado líquido directamente en contenedores refractarios a las acerías. Históricamente el proceso desarrollado por Henry Bessemer ha sido la estrella en la producción económica de acero, pero actualmente ha sido superado en eficacia por los procesos con soplado de oxígeno, especialmente los procesos conocidos como Acerías LD.

El acero fundido puede seguir dos caminos: la colada continua o la colada clásica. En la colada continua el acero fundido es colado en grandes bloques de acero conocidos como tochos. Durante el proceso de colada continua puede mejorarse la calidad del acero mediante adiciones como, por ejemplo, aluminio, para que las impurezas “floten” y salgan al final de la colada pudiéndose cortar el final del último lingote que contiene las impurezas.

La colada clásica pasa por una fase intermedia que vierte el acero líquido en lingoteras cuadradas o rectangulares (petacas) según sea el acero se destine a producir perfiles o chapas. Estos lingotes deben ser recalentados en hornos antes de ser laminados en trenes desbastadores para obtener bloques cuadrados (bloms) para laminar perfiles o planos rectangulares (slabs) para laminar chapas planas o en bobinas pesadas.

Debido al coste de la energía y a los esfuerzos estructurales asociados con el calentamiento y coladas de un alto horno, estas instalaciones primarias deben operar en campañas de producción continua de varios años de duración. Incluso durante periodos de caída de la demanda de acero no es posible dejar que un alto horno se enfríe, aun cuando son posibles ciertos ajustes de la producción.

Las plantas siderúrgicas integrales son rentables con una capacidad de producción superior a los 2.000.000 de toneladas anuales y sus productos finales son, generalmente, grandes secciones estructurales, chapa pesada, redondos pesados, rieles de ferrocarril y, en algunos casos, palanquillas y tubería pesada.

Un grave inconveniente ambiental asociado a las plantas siderúrgicas integrales es la contaminación producida por sus hornos de coque, producto esencial para la reducción del mineral de hierro en el alto horno.

Por otra parte, con el fin de reducir costes de producción las plantas integrales pueden tener instalaciones complementarias características de las acerías especializadas: hornos eléctricos, coladas continuas, trenes de laminación comerciales o laminación en frío.

La capacidad mundial de producción de acero en plantas integrales está cerca de la demanda global, así la competencia entre productores hace que solo sean viables los más eficaces. Sin embargo, debido al alto nivel de empleo de estas instalaciones, los gobiernos a menudo las ayudan económicamente antes de correr el riesgo de enfrentarse a una situación de desempleo masivo. Estas medidas llevan, a escala internacional, a acusaciones de prácticas comerciales incorrectas (dumping) y a conflictos entre países.

Procesos en acerías especializadas

Foto de un laminador de chapas en caliente.

Estas plantas son productoras secundarias de aceros comerciales o plantas de producción de aceros especiales. Generalmente obtienen el hierro del proceso de chatarra de acero, especialmente de automóviles, y de subproductos como sinterizados o pellets de hierro (DRI). Estos últimos son de mayor coste y menor rentabilidad que la chatarra de acero por lo que su empleo se trata siempre de reducir a cuando sea estrictamente necesario para lograr el tipo de producto a conseguir por razones técnicas. Una acería especializada debe tener un horno eléctrico y “cucharas” u hornos al vacío (convertidores) para controlar la composición química del acero. El acero líquido pasa a lingoteras ligeras o a coladas continuas para dar forma sólida al acero fundido. También son necesarios hornos para recalentar los lingotes y poder laminarlos.

Originalmente estas acerías fueron adoptadas para la producción de grandes piezas fundidas (cigüeñas, grandes ejes, cilindros de motores náuticos, etc.) que posteriormente se mecanizan, y para productos laminados estructurales ligeros, tales como hierros redondos de hormigonar, vigas, angulares, tubería, rieles ligeros, etc. A partir de los años 1980 el éxito en el moldeado directo de barras en colada continua ha hecho productiva esta modalidad. Actualmente estas plantas tienden a reducir su tamaño y especializarse. Con frecuencia, con el fin de tener ventajas en los menores costes laborales, se empiezan a construir acerías especializadas en áreas que no tienen otras plantas de proceso de aceros, orientándose a la fabricación de piezas para transportes, construcción, estructuras metálicas, maquinaria, etc.

Las capacidades de estas plantas pueden alcanzar alrededor del millón de toneladas anuales, siendo sus dimensiones más corrientes en aceros comerciales o de bajas aleaciones del rango 200.000 a 400.000 toneladas anuales. Las plantas más antiguas y las de producción de aceros con aleaciones especiales para herramientas y similares pueden tener capacidades del orden de 50.000 toneladas anuales o menores.

Dadas sus características técnicas, los hornos eléctricos pueden arrancarse o parar con cierta facilidad lo que les permite trabajar 24 horas al día con alta demanda o cortar la producción cuando la demanda cae.

Laminadoras

Las laminadoras son las máquinas encargadas de laminar, es decir, de aplanar el acero surgido del proceso de metalurgia y fundición para crear materia prima de acero en forma de planchas o láminas, que pueden ser estampadas, troqueladas y/o enchapadas para obtener productos secundarios del acero como automóviles o autopartes, ferrajes y otros.

Estas solo comprenden las siguientes clases de máquinas para el proceso: trenes de laminación, tren de alambrón, de perfiles comerciales o chapa fría. Para satisfacer las necesidades del proceso, esta clase de acero usado en este proceso contiene un bajo porcentaje de carbono, para darle mayor maleabilidad.

Riesgos en la industria siderúrgica

La industria siderúrgica presenta un entorno laboral de alta criticidad debido a la combinación de procesos físicos y químicos extremos. El riesgo más característico es la exposición al estrés térmico y a radiaciones no ionizantes (infrarrojas y ultravioletas) derivadas de la fusión del metal en hornos de arco eléctrico o convertidores. Además, la presencia de contaminantes atmosféricos, como humos metálicos de óxido de hierro y gases tóxicos como el monóxido de carbono (CO), exige sistemas de ventilación exhaustiva y monitoreo constante para prevenir enfermedades profesionales como las intoxicaciones en espacios confinados.

Desde el punto de vista mecánico, la manipulación de grandes masas de acero, como bobinas y planchones, mediante puentes grúa y sistemas de laminación, conlleva peligros de atrapamiento, aplastamiento y proyecciones de metal fundido o escoria. Estos incidentes pueden resultar en lesiones graves o quemaduras térmicas. El entorno se ve agravado por niveles de ruido elevados producidos por la maquinaria pesada.

Para mitigar estos peligros, las empresas del sector implementan sistemas de gestión de seguridad basados en la jerarquía de controles, priorizando la automatización de procesos peligrosos y el aislamiento de focos de calor. Es fundamental el uso de Equipos de Protección Individual (EPI) especializados, que incluyen vestimenta ignífuga aluminizada, calzado con protección metatarsal y pantallas faciales con filtros de densidad óptica. La formación continua en cultura preventiva y el mantenimiento predictivo de las instalaciones son pilares básicos para reducir la siniestralidad en esta actividad industrial.

Véase también

• Museo de la Siderurgia y la Minería de Castilla y León
• Museo de la Siderurgia de Asturias (MUSI)
• Metalurgia
• Tren de alambrón

Referencias

• Datos: Q2285982
• Multimedia: Steel industry / Q2285982