Gunnar Nordberg
Ocurrencia y usos
El hierro es el segundo en abundancia entre los metales y el cuarto entre los elementos, solo superado por el oxígeno, el silicio y el aluminio. Los minerales de hierro más comunes son: hematita o mineral de hierro rojo (Fe2O3), que es 70% hierro; limonita o mineral de hierro marrón (FeO(OH)·nH2O), que contiene 42% de hierro; magnetita o mineral de hierro magnético (Fe3O4), que tiene un alto contenido en hierro; siderita o mineral de hierro espático (FeCO3); pirita (FeS2), el mineral sulfurado más común; y pirrotita o pirita magnética (FeS). El hierro se utiliza en la fabricación de fundiciones de hierro y acero, y se alea con otros metales para formar aceros. El hierro también se utiliza para aumentar la densidad de los fluidos de perforación de pozos de petróleo.
Aleaciones y Compuestos
El hierro en sí no es particularmente fuerte, pero su resistencia aumenta considerablemente cuando se alea con carbono y se enfría rápidamente para producir acero. Su presencia en el acero explica su importancia como metal industrial. Ciertas características del acero, es decir, si es blando, templado, medio o duro, están determinadas en gran medida por el contenido de carbono, que puede variar de 0.10 a 1.15 %. Alrededor de otros 20 elementos se utilizan en combinaciones y proporciones variadas en la producción de aleaciones de acero con muchas cualidades diferentes: dureza, ductilidad, resistencia a la corrosión, etc. Los más importantes son el manganeso (ferromanganeso y spiegeleisen), el silicio (ferrosilicio) y el cromo, que se analizan a continuación.
Los compuestos industriales de hierro más importantes son los óxidos y el carbonato, que constituyen las principales menas de las que se obtiene el metal. De menor importancia industrial son los cianuros, nitruros, nitratos, fosfuros, fosfatos y carbonilo de hierro.
Peligros
Los peligros industriales están presentes durante la extracción, el transporte y la preparación de los minerales, durante la producción y el uso del metal y las aleaciones en la siderurgia y en las fundiciones, y durante la fabricación y el uso de ciertos compuestos. La inhalación de polvo o vapores de hierro ocurre en la extracción de mineral de hierro; soldadura por arco; esmerilado, pulido y trabajo de metales; y en incrustaciones de calderas. Si se inhala, el hierro es un irritante local para los pulmones y el tracto gastrointestinal. Los informes indican que la exposición a largo plazo a una mezcla de hierro y otros polvos metálicos puede afectar la función pulmonar.
Es probable que ocurran accidentes durante la extracción, el transporte y la preparación de los minerales debido a la pesada maquinaria de corte, transporte, trituración y tamizado que se utiliza para este propósito. También pueden surgir lesiones por el manejo de explosivos utilizados en las operaciones mineras.
La inhalación de polvo que contiene sílice u óxido de hierro puede provocar neumoconiosis, pero no hay conclusiones definitivas sobre el papel de las partículas de óxido de hierro en el desarrollo del cáncer de pulmón en humanos. Sobre la base de experimentos con animales, se sospecha que el polvo de óxido de hierro puede actuar como una sustancia “co-cancerígena”, lo que aumenta el desarrollo del cáncer cuando se combina simultáneamente con la exposición a sustancias cancerígenas.
Los estudios de mortalidad de los mineros de hematites han mostrado un mayor riesgo de cáncer de pulmón, generalmente entre los fumadores, en varias áreas mineras como Cumberland, Lorraine, Kiruna y Krivoi Rog. Los estudios epidemiológicos de los trabajadores de fundición de hierro y acero generalmente han observado riesgos de cáncer de pulmón elevados de 1.5 a 2.5 veces. La Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer (IARC) clasifica la fundición de hierro y acero como un proceso cancerígeno para los humanos. No se han identificado los agentes químicos específicos implicados (p. ej., hidrocarburos aromáticos polinucleares, sílice, vapores metálicos). También se ha informado una mayor incidencia de cáncer de pulmón, pero de manera menos significativa, entre los pulidores de metales. Las conclusiones sobre el cáncer de pulmón entre los soldadores son controvertidas.
En estudios experimentales, no se ha encontrado que el óxido férrico sea cancerígeno; sin embargo, los experimentos no se llevaron a cabo con hematites. Se ha sugerido que la presencia de radón en la atmósfera de las minas de hematites es un importante factor cancerígeno.
Pueden ocurrir accidentes graves en el procesamiento del hierro. Pueden ocurrir quemaduras en el curso del trabajo con metal fundido, como se describe en otra parte de este Enciclopedia. El polvo de hierro recién reducido finamente dividido es pirofórico y se enciende al exponerse al aire a temperaturas normales. Se han producido incendios y explosiones de polvo en conductos y separadores de plantas de extracción de polvo, asociados con muelas abrasivas y pulidoras y bandas de acabado, cuando las chispas de la operación de pulido han encendido el polvo fino de acero en la planta de extracción.
Las propiedades peligrosas de los compuestos de hierro restantes generalmente se deben al radical con el que se asocia el hierro. Por lo tanto arseniato férrico (FeAsO4) y arsenito férrico (FeAsO3·Fe2O3) poseen las propiedades venenosas de los compuestos arsenicales. Carbonilo de hierro (FeCO5) es uno de los carbonilos metálicos más peligrosos, ya que tiene propiedades tóxicas e inflamables. Los carbonilos se analizan con más detalle en otra parte de este capítulo.
sulfuro ferroso (FeS), además de su presencia natural como pirita, ocasionalmente se forma de manera no intencional cuando los materiales que contienen azufre se tratan en recipientes de hierro y acero, como en las refinerías de petróleo. Si se abre la planta y se expone al aire el depósito de sulfuro ferroso, su oxidación exotérmica puede elevar la temperatura del depósito hasta la temperatura de ignición de los gases y vapores de la vecindad. Se debe rociar agua finamente sobre dichos depósitos hasta que los vapores inflamables hayan sido eliminados por purga. Problemas similares pueden ocurrir en las minas de pirita, donde la temperatura del aire aumenta por una oxidación lenta y continua del mineral.
Medidas de seguridad y salud
Las precauciones para la prevención de accidentes mecánicos incluyen el cercado y el control remoto de la maquinaria, el diseño de la planta (que, en la siderurgia moderna, incluye el control computarizado) y la capacitación en seguridad de los trabajadores.
El peligro que surge de los gases, vapores y polvos tóxicos e inflamables se contrarresta con la extracción local y la ventilación general junto con las diversas formas de control remoto. Debería proporcionarse ropa protectora y protección ocular para proteger al trabajador de los efectos de las sustancias calientes y corrosivas y del calor.
Es especialmente importante que los conductos de las máquinas de esmerilado y pulido y de las bandas de acabado se mantengan a intervalos regulares para mantener la eficiencia de la ventilación de extracción y reducir el riesgo de explosión.
Ferroaleaciones
Una ferroaleación es una aleación de hierro con un elemento distinto del carbono. Estas mezclas metálicas se utilizan como vehículo para introducir elementos específicos en la fabricación del acero para producir aceros con propiedades específicas. El elemento puede alear con el acero por solución o puede neutralizar las impurezas dañinas.
Las aleaciones tienen propiedades únicas que dependen de la concentración de sus elementos. Estas propiedades varían directamente en relación con la concentración de los componentes individuales y dependen, en parte, de la presencia de trazas de otros elementos. Aunque el efecto biológico de cada elemento de la aleación se puede utilizar como guía, existe suficiente evidencia de la modificación de la acción de la mezcla de elementos para garantizar una precaución extrema al tomar decisiones críticas basadas en la extrapolación del efecto de un solo elemento.
Las ferroaleaciones constituyen una lista amplia y diversa de aleaciones con muchas mezclas diferentes dentro de cada clase de aleación. El comercio generalmente limita la cantidad de tipos de ferroaleaciones disponibles en cualquier clase, pero los desarrollos metalúrgicos pueden resultar en adiciones o cambios frecuentes. Algunas de las ferroaleaciones más comunes son las siguientes:
- ferroboro: 16.2 % de boro
- ferrocromo: 60 a 70 % de cromo, que también puede contener silicio y manganeso
- ferromanganeso: 78 a 90 % de manganeso; 1.25 a 7% de silicio
- ferromolibdeno—55 a 75% de molibdeno; 1.5% de silicio
- ferrofósforo: 18 a 25 % de fósforo
- ferrosilicio: 5 a 90 % de sílice
- ferrotitanio: 14 a 45% de titanio; 4 a 13% de silicio
- ferrotungsteno: 70 a 80 % de tungsteno
- ferrovanadio—30 a 40% de vanadio; 13% de silicio; 1.5% de aluminio.
Peligros
Aunque ciertas ferroaleaciones tienen usos no metalúrgicos, las principales fuentes de exposición peligrosa se encuentran en la fabricación de estas aleaciones y en su uso durante la producción de acero. Algunas ferroaleaciones se producen y utilizan en forma de partículas finas; El polvo en el aire constituye un peligro potencial de toxicidad, así como un peligro de incendio y explosión. Además, la exposición ocupacional a los humos de ciertas aleaciones se ha asociado con serios problemas de salud.
Ferroboro. El polvo que se produce en el aire durante la limpieza de esta aleación puede causar irritación de la nariz y la garganta, lo que posiblemente se deba a la presencia de una película de óxido de boro en la superficie de la aleación. Algunos estudios en animales (perros expuestos a concentraciones atmosféricas de ferroboro de 57 mg/m3 durante 23 semanas) no encontró efectos adversos.
Ferrocromo. Un estudio realizado en Noruega sobre la mortalidad general y la incidencia de cáncer en trabajadores que producen ferrocromo ha demostrado una mayor incidencia de cáncer de pulmón en relación causal con la exposición al cromo hexavalente alrededor de los hornos. También se encontró perforación del tabique nasal en algunos trabajadores. Otro estudio concluye que el exceso de mortalidad por cáncer de pulmón en trabajadores de la fabricación de acero está asociado con la exposición a hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) durante la producción de ferrocromo. Otro estudio que investigó la asociación entre la exposición ocupacional a los humos y el cáncer de pulmón encontró que los trabajadores de ferrocromo demostraron un exceso de casos de cáncer de pulmón y de próstata.
Ferromanganeso se puede producir reduciendo minerales de manganeso en un horno eléctrico con coque y agregando dolomita y piedra caliza como fundente. El transporte, almacenamiento, clasificación y trituración de los minerales producen polvo de manganeso en concentraciones que pueden ser peligrosas. Los efectos patológicos resultantes de la exposición al polvo, tanto del mineral como de la aleación, son prácticamente indistinguibles de los descritos en el artículo “Manganeso” en este capítulo. Se han observado intoxicaciones tanto agudas como crónicas. Las aleaciones de ferromanganeso que contienen proporciones muy altas de manganeso reaccionarán con la humedad para producir carburo de manganeso, que, cuando se combina con la humedad, libera hidrógeno, creando un riesgo de incendio y explosión.
Ferrosilicio la producción puede dar lugar tanto a aerosoles como a polvos de ferrosilicio. Los estudios en animales indican que el polvo de ferrosilicio puede causar el engrosamiento de las paredes alveolares con la desaparición ocasional de la estructura alveolar. Las materias primas utilizadas en la producción de aleaciones también pueden contener sílice libre, aunque en concentraciones relativamente bajas. Existe cierto desacuerdo sobre si la silicosis clásica puede ser un peligro potencial en la producción de ferrosilicio. Sin embargo, no hay duda de que la enfermedad pulmonar crónica, cualquiera que sea su clasificación, puede resultar de una exposición excesiva al polvo o aerosoles que se encuentran en las plantas de ferrosilicio.
ferrovanadio. La contaminación atmosférica con polvo y humos también es un peligro en la producción de ferrovanadio. En condiciones normales, los aerosoles no producirán una intoxicación aguda, pero pueden causar bronquitis y un proceso proliferativo intersticial pulmonar. Se ha informado que el vanadio en la aleación de ferrovanadio es apreciablemente más tóxico que el vanadio libre como resultado de su mayor solubilidad en fluidos biológicos.
Acero con plomo se utiliza para chapas de acero para automóviles con el fin de aumentar la maleabilidad. Contiene aproximadamente un 0.35% de plomo. Siempre que el acero con plomo se somete a altas temperaturas, como en la soldadura, siempre existe el peligro de generar vapores de plomo.
Medidas de seguridad y salud
El control de humos, polvo y aerosoles durante la fabricación y uso de ferroaleaciones es esencial. Se requiere un buen control del polvo en el transporte y manejo de los minerales y aleaciones. Las pilas de mineral deben humedecerse para reducir la formación de polvo. Además de estas medidas básicas de control de polvo, se necesitan precauciones especiales en el manejo de ferroaleaciones específicas.
El ferrosilicio reacciona con la humedad para producir fosfina y arsina; en consecuencia, este material no debe cargarse en tiempo húmedo y deben tomarse precauciones especiales para garantizar que permanezca seco durante el almacenamiento y el transporte. Siempre que se envíe o manipule ferrosilicio en cantidades importantes, se deben colocar avisos advirtiendo a los trabajadores sobre el peligro, y se deben implementar procedimientos de detección y análisis a intervalos frecuentes para verificar la presencia de fosfina y arsina en el aire. Se requiere un buen control de polvo y aerosoles para la protección respiratoria. El equipo de protección respiratoria adecuado debe estar disponible para emergencias.
Los trabajadores que participen en la producción y el uso de ferroaleaciones deberían recibir una cuidadosa supervisión médica. Su ambiente de trabajo debe ser monitoreado continua o periódicamente, dependiendo del grado de riesgo. Los efectos tóxicos de las diversas ferroaleaciones difieren lo suficiente de los de los metales puros como para justificar un nivel más intenso de supervisión médica hasta que se obtengan más datos. Cuando las ferroaleaciones den lugar a polvo, humos y aerosoles, los trabajadores deben someterse a exámenes periódicos de rayos X del tórax para la detección temprana de cambios respiratorios. También se pueden requerir pruebas de función pulmonar y monitoreo de concentraciones de metales en la sangre y/u orina de los trabajadores expuestos.