228 REFINACION DEARRABIO Larefinacindelarrabioparaobteneracerodisueltoenelarrabioenunprimer perodoloselementosindeseablesdisueltosenarrabiotalescomoelfsforo,silicio, manganesoycarbonoesencialmente,yqueseeliminantantoenlafasegaseosa,o fijndolos en la escoria. Cuando se ha alcanzado los niveles deseados de los elementos de aleacin se procede durante el perodo de desoxidacin; a eliminar el oxgeno disuelto enelaceroempleandounreductorenrgicocomoelsilicio,Manganeso,Aluminioo elementos que al oxidarse, se fijan en forma rpida en la escoria. Segn sea la composicin de la escoria durante el perodo de refinacin, se pueden distinguirdostiposdeprocesos:cidoobsico,cuandoelarrabiocontieneungran porcentaje de fsforo, para fijarlo en la escoria es necesario emplear una escoria bsica. Por el contrario, si el arrabio a refinar es alto en silicio y bajo en fsforo la escoria debe ser cida. Desde el punto de vista del mecanismo de oxidacin del bao metlico, se pueden distinguir dos tipos de procesos: 1.-Procesos de solera abierta 2.-Procesos neumticos 1.-PROCESOS DE SOLERA ABIERTA a)Proceso Siemens - martin Esquema de un horno Siemens - Martin 229 El horno de solera abierta empleado en los procesos Siemens - Martin cido y bsico se compone de un crisol abierto de gran superficie, mediante puertas laterales es posible cargar el horno, operacin que se efecta al comienzo o durante la fundida y que consiste de arrabio lquido, chatarra, mineral de hierro y fundente. El calor necesario para fundir la carga y mantener el bao fundido es generado quemando gas o petrleo sobre el bao.Losgasesdeprocesopasanarecuperadores de calor para precalentar el aire de combustin y eventualmente el combustible. Esquema de un horno Siemens - Martin La oxidacin del bao metlico se efecta mediante dos mecanismos : por medio del mineral de fierro o chatarra de oxidada dela carga, o bien con el oxgeno de la fase gaseosa,enesteltimocasolaoxidacinseefectaporintermediodelaescoria.La agitacinproducidaporelCOgeneradoporlaoxidacindelcarbonodisueltofacilitael intercambiodemateria,alrenovarlasinterfasesescoriametalyescoria-atmsfera. Dependiendo de las caractersticas de la carga, cantidad de carga fra a fundir y elementos a oxidar el proceso puede durar de 6 a 12 hrs. b)Hornos de arco Elctrico y de induccin Al igual que el Siemens - Martin, el horno de arco elctrico es unde solera abierta de gran superficie, el calentamiento de la carga se efecta mediante en arco entre los230 231 electrodos de grafito y el bao. La carga consistente de arrabio y/o chatarra ycaliza.Laoxidacin de los elementos de aleacin indeseables, se efectan por medio del mineral de fierro de alta ley, o bien soplando oxgeno a alta velocidad sobre el bao. Elhornodeinduccinenelquelacargasecalientapormediodeuncampo inducidodemediaoaltafrecuencia,engeneralnoseempleapararefinararrabioo produciracero,sinoparafundirmetalespurosyobteneracerosdealtacalidadconun mnimo de impurezas. a) Horno de arco elctrico b) horno de induccin 2.PROCESOS NEUMATICOS a)Procesos que emplean aire LosprocesosdeestetipoestnrepresentadosporlosprocesosBessemer,que empleaunconvertidorrevestidodeladrillosdesliceyelThomasoBessemerThomas que utiliza un convertidor de revestimiento bsico. El convertidor empleado en estos procesos, tiene forma cilndrico - cnica y posee en su parte inferior un fondo perforado para introducir aire al bao. Un eje de giro permite 232 al convertidor tomar distintas posiciones para cargarlo, soplar y sangrar. La carga consiste de arrabio, chatarra y caliza o slice, el contacto entre el aire y el bao lquido es ntimo y bastan 10 a 20 minutos, para oxidar los elementos disueltos en el arrabio.Elcalornecesarioparafundirlacargaesaportadoensumayorparteporla oxidacin del silcio y del fsforo. Esquema del convertidor Bessemer Bessemer Thomas b)Procesos que emplean oxgeno puro Estosprocesosproducenacerosdealtacalidad,exentosdenitrgenos,no necesitan de calor exterior para fundir la carga y sus tipos de sangrado son cortos (30 - 35 min), pero el control de la oxidacin es difcil debido a la gran velocidad con que proceden. En estos procesos se sopla oxgeno sobre y/o dentro del bao. Existen diferentes procesos que difieren entre si en la forma del horno y la forma de soplar oxgeno al bao. 233 1.-Procesos LD, LD - AC y OLP El proceso LD, emplea un convertidor cilndrico que pueden bascular sobre un eje, loquepermitecargarydescargarlo.Surevestimientoesgeneralmentemagnetitao dolomitaimpregnada.Unalanzarefrigeradaconaguapermitesoplaroxgenoaalta presin sobre la superficie del bao, regulando la altura de la lanza y la presin de oxgeno se puede oxidar el metal profundamente o slo en la superficie. Esquema convertidor LD Otrosprocesospermitentrotararrabioaltoenfsforo.EnelprocesoOLDse produceendosetapas,despusdesoplaroxgenoseeliminalaprimeraescoriaque contiene gran parte del fsforo. Empleando una lanza especial se vuelve a soplar oxgeno con CaO en polvo que forma una segunda escoria la que elimina el resto del fsforo. Esta segunda escoria puede emplearse como primera escoria para la carga siguiente. EnelprocesoLD-AClacalizadelasegundaescoriaseagregaentrozos directamente al bao metlico. 234 235 2.-Proceso Kaldo Esteempleaunconvertircilndricoinclinado15-20gradosconlahorizontal, quegirasobresuejea20-30RPM,mientrassesoplaoxgenopuroabajapresin sobre la escoria mediante una lanza refrigerada. La homogeneizacin del bao es muy eficiente debido a la rotacin del convertidor y, aunque el transporte de oxgeno puede sersloatravsdelaescoria,lacontinuarenovacindelainterfaseescoria-metal permiteunaaltavelocidaddetransferenciademasayenerga.Elcontroldelproceso esmejorqueenelprocesoLD,aunqueeltiempoderefinacinalgosuperior(40-60 min). La posicin de la lanza, as como la velocidad de giro del convertidor condicionan la velocidad del proceso. Esquema convertidor Kaldo 3.Proceso Rotor El proceso rotor, de uso muy restringido, emplea un convertidor cilndrico horizontal que gira lentamente (0,5 RPM). Mediante dos lanzas refrigeradas se insufla oxgeno pero dentro del bao de metal y sobre ste, el ltimo para quemar el CO a CO2 y generar calor 236 adicional.ElburbujeodeloxgenoydelCOgeneradoproducebuenaagitaciny homogeneizacin del bao, as como un control eficiente del proceso. Esquema proceso Rotor Salvoalgunasexcepciones,losprincipalesaspectoseconmicos,operativosy metalrgicos de los tres principales procesos de aceracin, se resumen en la tabla 17. Tabla 17. Comparacinde los procesos de aceracin ProcesoHorno Siemens MartinConvertidor bsico de oxgenoHorno de Arco elctrico BsicoInversin inicialAlta Baja o media Variable,perobajasiseincluyela colada continua Tamaomnimo econmico de planta Ton/ao Mas de 2 millones de TonProbablemente milln de Ton Cualquiera,dependedela produccin deseada Flexibilidad de las materias primas Grande,peroespreferibleun mximo de P de 0,2 %, cero arrabio lquido (prctica de metal frio) o 25 a 75% de chatarra incluyendo oxidos Escasa, 65 a 80% de arrabio lquido; restochatarraconpocosxidoso 90% de metal con xidosEscasausualmentecerodearrabio lquido,excepcionalmentehasta 40%,normalmente90a100%de chatarra,restoarrabioenlingotes, 50% hierro de reduccin directa Combustible Liquido o gaseosoNinguno (O2 + metaloides) Ninguno(calentamientoconarco elctrico). Energa elctricaBaja (para auxiliares solamente) Baja (para auxiliares solamente), alto para la planta de oxigeno Alto(450a600Kwh/Ton),altopara la planta de oxigeno, si existe Uso de oxigenoMedioAlto Bajoparaacerosnoaleados,medio para los aceros aleados. Productividad por hora Bajaconcargafria,8a20tphcon arrabio liquido 25 a 70 tph Alta 150 a 550 tph Media20a60tph,50a80tphcon arrabio liquido Flexibilidad de los productos (limites) Acerosdemediocarbonoyaceros aleados Como el Siemens Martin Alta,cualquieracero,inclusodealta aleacin,ningnacerodebajo nitrgeno Exactitud de controlBueno Buenoparabajocarbono,regular para alto carbono Muy bueno Contenido normal de nitrgeno, % 0,003 0,0080,002 0,006 0,008 0.016 0,0040,007parapracticas especiales de N 237 Tabla 17. (continuacin) Tamao del horno, Ton Cargafria:50a180,arrabioliquido 80 a 450 50 - 350 50400(5a50enpracticasde fundiciones, forjas y alta aleacin) Frecuencia de suministro a laminador Intermitenteamenosquehaya muchos hornos Alta, cada hora o menosComo el Siemens Martin EQUILIBRIOS EN REFINACION 1.-Sistema Fe - O Lasolubilidadmximadelporcentajedeloxgenosaturadoenelfierroenequilibrio con FeO puro aumenta con la temperatura y se puede expresar por: C) (T,2,73T6320 -0)sat (% log + = La presencia de un tercer elemento de aleacin modifica el coeficiente de actividad del oxgeno tal como lo muestra la figura. Influencia de la adicin de un segundo soluto en el coeficiente de actividad del oxigeno 238 2.Equilibrio C - O La entalpa libre de disolucin del carbono en el fierro, segn la reaccin: C(C)1% G = 5400 - 10,1 T es siempre negativa a las temperaturas de refinacin. Elcoeficientedeactividaddelcarbonodisueltoenacerovaraconsiderablemente en presencia de un segundo elemento de aleacin como se muestra en la figura. Coeficientedeactividaddelcarbonoenpresenciadeunsegundo soluto, en fierro no saturado con carbono Para el equilibrio entre carbono y oxgeno, disueltos en el metal y el monxidode carbono de la fase gaseosa, segn (C) metal + (0)metal [CO] 239 2,13T1056 ) C f( . ) 0 f( (%C) (%0)pCO log Klog + = = AunaciertaTsielCyeloxgenoseencuentransuficientementediludos,el producto(%C)(%0)dependesolamentedelapresinparcialdeCOenequilibrioconel bao. KpCO (%0) (%C) = InfluenciadelapresindelCOenelcontenidodecarbonoy oxgeno del fierro lquido a 1600 C 3.Equilibrio Silicio - Oxgeno (Si)metal + 2(0)metal

(SiO2)escoria 11,24T29,700K logSi = 240 SiO Si2Ka(%0) Si) (%2= Influencia del oxigeno en el contenido de silicio disuelto en acero en equilibrio con una escoria saturada en slice 4.Equilibrio Mn- 0 El equilibrio entre el Mn y el oxgeno de fase metlica y su xido en la escoria se puede analizar de la reaccin: Mn)metal + (FeO)escoria

(Fe)metal + (MnO)escoria

(%Mn) . N(FeO)N(MnO)

(Fe)f(Mn) * .(MnO)(FeO)KK`metal escoriaescoriametalmetalescoriaescoria= = 241 adems de variar con la T, K` tiene dos valores distintos segn si la escoria sea cida o bsica.Influencia del ndice de basicidad de las escorias de refinacin en la constante aparente Elcoeficientedeparticinentreescoriaymetal.(%MnO/escoria/(%Mn)metal depende de la basicidad de la escoria como su grado de oxidacin y T, a 1600 C, este coeficientequedarepresentadoenfuncindelcontenidodeFeOdelaescoriapordos rectas una para escorias cidas y otra para bsicas. Influenciadelgradodeoxidacindelaescoriaenelcoeficientede particin del manganeso para escorias cidas y bsicas 242 5.Defosforacin Disolucin (P2) 2(P)1%

G = -58500 - 9,1 T (Cal) El fsforo se elimina del acero por oxidacin segn la reaccin: (2(P)metal+5(0)metal

(PeO5)escoria G = -168600 + 133 T(cal) A T 1600 CG > 0 el equilibrio no se desplaza hacia la derecha, a menos que (P2O5)escoriatengavaloresmuybajos,loqueocurrecuandoelP2O5sefijaenla escoria con un xido bsico con el cual forma un fosfato. El xido que acta en forma ms efectiva en la defosforacin es el CaO. 3 CaO + P2O5 Ca3 (PO4)2

G =-172800 + 18,16 T (cal) La reaccin de defosforacin con CaO es : 2(P)metal + 5(0)metal + 3(CaO)escoria Ca3 (PO4)2 G= -341.400 + 151,16T (cal) dondeG1600 C < 0, lo que significa que es posible la defosforacin de un acero. El FeO actacomooxidanteycomobaseenladefosforacin.Lascondicionesadecuadaspara defosforacinson,unaescoriadebastantevolumen,altondicedebasicidad,bao suficientemente oxidado pero no en exceso, y una T lo ms baja posible. Antes de desoxidar el metal es indispensable eliminar la escoria para que no ocurra reversin. 243 InfluenciadelcontenidodeFeOdeunaescoriasobreelcoeficientedeparticindel fsforo, para distintos ndices de basicidad.