45016685 unidad-2-hornos-industriales

Universidad Nacional de Cuyo

Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria

Alumno: Cristian González

Legajo N° 3149

Industrias mineras de base metálica - 2010 Página 1

Metalurgia Extractiva

Unidad N° 2 “Hornos Industriales”

Contenido

Alto horno (Blast furnace) ........................................................................................................ 3

Generalidades ....................................................................................................................... 3

Descripción ........................................................................................................................... 5

Cuerpo del alto horno (1) .................................................................................................. 5

Playa de colado (2) ............................................................................................................ 5

Estufas Cowper (3) ............................................................................................................ 5

Circuito de gas de Alto Horno (4) ....................................................................................... 6

Soplantes (5) ..................................................................................................................... 7

Estructura del alto horno ...................................................................................................... 7

Funcionamiento .................................................................................................................... 7

Materias Primas .................................................................................................................. 10

Fundentes ....................................................................................................................... 10

Coque ............................................................................................................................. 10

Mineral de hierro-Pellets-Sinter ...................................................................................... 12

Mineral de manganeso .................................................................................................... 13

Síntesis gráfica .................................................................................................................... 13

Convertidores ......................................................................................................................... 15

Convertidor Bessemer – Thomas .................................................................................... 15

Horno Siemens-Martin (Open heart furnace) .................................................................. 16

Convertidor LD (Basic Oxygen Steel Making) ................................................................... 17

Hornos Eléctricos .................................................................................................................... 18

Clasificación ........................................................................................................................ 18

Hornos eléctricos de resistencia ......................................................................................... 18

Hornos eléctricos de resistencia de calentamiento directo .............................................. 18

Hornos eléctricos de resistencia de calentamiento indirecto ........................................... 19

Hornos eléctricos de inducción ....................................................................................... 20

Hornos eléctricos de arco ............................................................................................... 23




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Clasificación .................................................................................................................... 23

Principales componentes de la instalación....................................................................... 24

Ventajas de la utilización de hornos eléctricos .................................................................... 29

Materiales Refractarios .......................................................................................................... 29

Introducción ....................................................................................................................... 29

Clasificación ........................................................................................................................ 30

Propiedades químicas y físicas de los materiales refractarios y breves explicaciones sobre

métodos de control ............................................................................................................. 30

Uso de los materiales refractarios en los distintos hornos ................................................... 31

Alto horno ....................................................................................................................... 31

Convertidor LD ................................................................................................................ 33

Horno eléctrico ............................................................................................................... 34

Bibliografía ............................................................................................................................. 36




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En la unidad anterior se mencionaron algunos hornos industriales utilizados en las

operaciones de secado, calcinación y tostación principalmente, por lo que no se hará

demasiado hincapié aquí en ellos. Nos centraremos en los restantes de mayor importancia en

la industria metalúrgica.

Alto horno (Blast furnace)

Se describió vagamente en la unidad anterior, lo cual sirve como introducción. Aquí se

entrará en mayor detalle.

Generalidades

Es el horno destinado dentro de la siderurgia a realizar la primera transformación de

los minerales de hierro hacia su forma de productos semielaborados de acero, que luego serán

manufacturados por la industria metalmecánica para darle sus múltiples y diferentes acabados

para ser utilizados por el hombre. Se trata del primer eslabón del proceso tradicional

(reducción indirecta) que elabora el acero por la vía de materiales líquidos fundidos.

Es un horno de cuba, a combustión y continuo, que funciona en contracorriente entre

la carga sólidos que desciende y el gas reductor que asciende.

El horno se carga con materiales sólidos:

a) Carga metálica (aportante de hierro), que está constituida por una mezcla de

minerales de hierro calibrados, sinter y pellets, en proporciones variables según las

condiciones técnico-económicas de la operación en cada planta.

b) Coque, que actúa como combustible, generador del gas reductor (CO) y sostén

de carga.

c) Fundente, cuya función es reaccionar con la ganga para eliminarlas en forma

de escoria.

Usualmente es caliza ya que la ganga es de características ácidas.

También por las toberas se inyecta aire caliente para producir la combustión del

coque.

Los productos obtenidos son líquidos:




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a) Arrabio o hierro de primera fusión (material con elevado tenor de carbono).

b) Escoria, de menor densidad que el arrabio, que sobrenada a este último.

En la figura siguiente uno puede verse un esquema simplificado del alto horno y sus

instalaciones complementarias.




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Descripción

Cuerpo del alto horno (1)

Construido en chapas de acero recubierto en su interior por ladrillos refractarios,

esencialmente consiste en dos troncos de cono unidos por su base mayor, constituyendo la

cuba, etalaje y vientre, más un sector inferior cilíndrico, el crisol, en el cual se acumula el

arrabio y la escoria hasta su colado secuencial (aproximadamente cada hora). En los grandes

altos hornos el colado se realiza casi continuamente pues tienen varias piqueras y pasados 10

15 minutos después de cerrar una piquera se abre la otra.

Playa de colado (2)

Esta es una superficie que se construye unos metros elevada por sobre el terreno, a

nivel de las piqueras de colado del horno, y es la que permite el laboreo frente a las piqueras,

tanto el taponamiento de las mismas como su perforado en el momento del colado; además

tiene pre moldeados los canales por donde corre el arrabio hacia los carros torpedos durante

la sangría del horno y otros por lo que corre la escoria que saliendo de las escorieras es llevado

a través de estos canales hacia una gran pileta con agua en donde se produce su granulado.

Este proceso se realiza con la escoria para que luego pueda ser usado en la fabricación del

cemento, otorgando así un mayor valor a este subproducto.

Estufas Cowper (3)

Son los elementos destinados a precalentar el aire que se insufla por las toberas del

horno hasta una temperatura de alrededor de 1200°C -1300°C. Son grandes cuerpos cilíndricos

cerrados en forma de cúpula esférica en su parte superior, construidos de chapas de acero de

hasta 30 mm de espesor. Sus medidas son de hasta 11m de diámetro por 50 a 55m de altura,

para los grandes altos hornos de 5000 m3 de volumen y hasta 11.000 t/día de producción de

arrabio.




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En su interior, una estructura de ladrillos refractarios en forma especial, ahuecados,

con celdas de 45 x 45mm y paredes interceldas de 40 mm, ocupa el 80% de la superficie

transversal de la estufa y su misión es

acumular el calor que le ceden los gases de

combustión que se queman en un

quemador en la cámara de combustión

que ocupa el 20% de la superficie restante.

Este quemador funciona con gas de alto

horno (luego se explica el origen y el

circuito de este gas) que al quemarse

origina gases de combustión a alta

temperatura que asciende por la chimenea

y luego desciende por entre la estructura

de ladrillos refractarios, que a tal efecto

tiene una tobera central que beneficia el

movimiento descendente de esto gases

calientes entregando estos su calor y

saliendo finalmente por los conductos a

una chimenea externa. Cuando se alcanza

una temperatura estipulada se hace

ingresar aire frío a través del conducto

impulsado por los soplantes (número 5);

este aire asciende a través de la estructura

tobera caliente, toma su calor y desciende

por la chimenea hasta un conducto que los dirige a las toberas de inyección del alto horno.

Durante este ciclo se habrá cerrado, desde luego el conducto (4) del quemador y los conductos

(6) de salidas de gases. El calentamiento de la estufa Cowper dura dos veces más que el

calentamiento del aire. Por ello para el suministro continuo de aire al horno debe haber no

menos de 3 estufas de aire. Muchas veces se instalan 4 con una en reserva o siete para dos

hornos. Como a medida que el aire se va calentando, se van enfriando los refractarios de las

estufas que les están cediendo calor, lo que se hace es aprovechar el calentamiento hasta un

valor superior al requerido para el normal funcionamiento del horno y luego se lo mezcla con

aire frío antes de su inyección al horno; cuando este valor de operación ya no es alcanzado se

pasa a otra estufa que se encontraba en ciclo de calentamiento del refractario.

Circuito de gas de Alto Horno (4)

Los gases calientes que se colectan en el tope del alto horno, tienen un poder

energético remanente importante, ya que durante la reducción y fusión del mineral de hierro

no es posible, que realicen una combinación físico-química de rendimiento perfecto, como

ocurre en todo proceso real.

Así, estos gases que arrastran un contenido de polvos y partículas deben seguir un

circuito de purificación que se esquematiza con el N°4. Estos gases luego alimentarán a

diversos sectores de la planta: como antes se dijo, a las estufas Cowper y a la coquería

principalmente, y los sólidos irán a la planta de sinterizado.




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Soplantes (5)

Son los encargados de impulsar el aire a través de que las estufas. El volumen

específico requerido por un alto horno moderno alcanza a 2,4 m3 /min por cada m

3 de

volumen del horno. De tal manera para aún al torno de 5.000 m3 de volumen se requiere

suministrar 12.000 m3/min de aire.

En una planta siderúrgica se cuenta con una planta especial de soplantes para el alto

horno. Esta está constituida por máquinas centrífugas turbosoplantes, accionadas por turbinas

de gas o turbinas de vapor, y son de varias etapas, con velocidades de rotación del orden de

3.000 rpm. Una máquina puede suministrar hasta 7.000 m3 /min con una sobrepresión de

0,45Mpa.

Estructura del alto horno

La figura siguiente muestra las partes principales del alto horno. Ellas son:

• Tragante

• Cuba

• Vientre

• Etalaje

• Crisol

Se llama tragante a la

zona por donde se cargan

las materias primas.

Se llama cuba al cono

truncado superior.

Vientre es la parte más

ancha, donde se

empalman los conos

superior e inferior.

Etalaje es el tronco de

cono inferior.

Crisol es la parte

cilíndrica inferior donde

se reúnen escoria y

arrabio para separarse

por densidad.

Funcionamiento

Se carga por el tragante el mineral o sus aglomerados, el fundente y el coque. El aire

caliente ingresa a presión por las toberas de la parte inferior. Actualmente, con miras a reducir

el gasto de coque, en esa misma zona de toberas se realiza la inyección de gas natural o fuel

oil. Estos últimos sirven también para una mejor regulación de temperaturas en el horno.




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Durante el proceso se acumulan en el crisol en estado líquido, el arrabio y la escoria,

que flota sobre él por su menor densidad: 2,7 contra 7,8 kg/ dm3.

Por el tragante, escapan los gases que arrastran consigo una cantidad de polvo entre

10 y 50 g/m3, que hay que recuperar para poder utilizar los gases como combustible en otras

instalaciones.

Para sacar la fundición se pincha el horno perforando la piquera de colada cada más o

menos 3 h. Por tanto se sacan 6 a 10 coladas /día que salen a 1.400 ºC y luego se vuelve a

tapar el agujero con pasta refractaria. La escoria se extrae cada 2 – 2,5 horas y sale a 1.450 ºC

(50 +). La piquera por la que se extrae está más arriba. Los mayores hornos cuentan hasta 4

piqueras para cada cosa.

La fundición pasa luego a los convertidores. En estado líquido se carga en los torpedos

para su transporte a la acería (lógicamente cuando están en el mismo complejo).

Los pesos de las materias primas y productos obtenidos varían mucho de un caso a

otro, dependen de la instalación, el mineral, el coque, sistemas de carga, granulometría, etc.

Como concepto importa destacar que en 1ª instancia, la reacción entre el oxígeno del

aire y el carbono del coque es:

� + �� → ��

Luego ante la insuficiencia del aire:

� + �� → 2��

Prácticamente 2/3 del CO2 original se convierte en CO, el resto queda como tal.

El CO es el responsable de la reducción de los óxidos y como se genera en exceso a la

salida hay una cantidad disponible que sirve como combustible gaseoso para la fábrica o

poblado cercano, porque pro-duce la siguiente reacción exotérmica.

2�� + �� → 2�� + ��

La figura, presenta un balance de masa (entrada versus salidas) con valores típicos, no

se ha valorizado el polvillo, que está más o menos en 100kg.

Nótese la magnitud de la masa de aire y gases, frente al resto de las cargas.




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Las temperaturas más importantes, en sentido descendente son:

1. Precalentamiento y secado de las cargas (200ºC)

2. Reducción indirecta del mineral de hierro ( 500 – 1.000ºC)

3. Descomposición de carbonatos de hierro( si hubiera) (600ºC)

4. Descomposición de las calizas (800ºC)

5. Reducción directa de los óxidos de hierro (1.050 – 1.350ºC)

6. Carburación del hierro (1.200ºC)

7. Formación y fusión de escorias (1.000 – 1.350ºC)

8. Reducción de óxidos de Mn y P (1.350ºC)

9. Combustión del coque (1.500 – 2.000ºC)

10. Separación de la fundición y la escoria en el crisol (1.400 – 1.500ºC)




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Materias Primas

El alto horno se carga básicamente con mineral de hierro y coque, a estos deben

adicionárseles los fundentes.

Fundentes

Estos son materiales destinados a:

1) Reducir la temperatura de fusión de la ganga del mineral de hierro o de los

aglomerados (sinter y pellets).

2) Reducir la temperatura de fusión de las cenizas del coque.

3) Facilitar la creación de una escoria fusible y fluida que pueda ser evacuada

fácilmente del horno.

La composición química del fundente se determina en función de la composición de la

ganga y de la ceniza del combustible. Si en la ganga y la ceniza hay demasiada sílice, o sea,

componente ácido y la ceniza tiene impurezas de azufre, en el horno se introduce un fundente

básico. Si en la ganga del mineral hay óxidos de calcio y magnesio, se debe agregar un

fundente ácido, con sílice; se emplean las cuarcitas.

El fundente más utilizado para la fabricación de arrabio en alto horno es la caliza, cuyo

componente principal es el CaCO3; al calentarse se descompone generando cal y gas

carbónico. El tamaño de los trozos de caliza deberá estar comprendido entre los 25 y los

60mm, ser resistente, no generar finos y no contener impurezas nocivas como azufre, fósforo y

sílice.

Coque

El coque es el resultado de la destilación, por calcinación a alta temperatura y en

ausencia de aire de una mezcla seleccionada y finalmente dividida de carbones minerales

(básicamente hullas de alto, medio y bajo volátil). Durante esta calcinación se elimina buena

parte de los volátiles y se obtiene un sinterizado, poroso, de alta resistencia mecánica

principalmente a la compresión.

La planta de coquización está ubicada dentro de la planta integrada y consiste en una batería

de hasta 80 hornos unitarios, en forma de celdas de 0,5m de ancho, 5m de alto y 16m de largo.




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En estas celdas se coloca la mezcla de carbones a coquizar y al cabo de 15 horas, se

produce el deshornado del material que incandescente, es transportado sobre un vagón

especial que luego es llevado debajo de una torre de enfriamiento que produce su apagado

por lluvia de agua, obteniendo mediante nitrógeno, o sea un apagado en seco, que permite

una mejor calidad del coque y acumular su calor para producir vapor y energía eléctrica.

Los gases que provienen de los hornos de coquización se colectan en su parte superior

a través del conducto (barrilete) y luego se los aprovecha para obtener de ellos en plantas

auxiliares, alquitrán, nitrato de amonio y ácido sulfúrico.

El coque obtenido se encuentra entre tamaños: <15mm, de 15 a 25mm y > 25mm. Esta

última fracción es la que tiene uso metalúrgico y por lo tanto antes de la entrada al alto horno

se criba el coque para seleccionar este tamaño adecuado.

Las características más importantes que normalmente posee el coque, son las siguientes:

1) Gran resistencia a la compresión, que es necesaria para poder soportar, sin romperse,

el peso de los materiales que se cargan en el alto horno. Su resistencia a la compresión

a la temperatura ambiente es siempre superior a 100 Kg/cm2.

2) Gran porosidad debida a su gran superficie por unidad de peso. EI coque se caracteriza

por una gran reactividad debida a su típica estructura celular, que permite una fácil

penetración de los gases hacia el interior del coque, que favorece la rapidez de las

reacciones que se deben de producir en los altos hornos.

3) Gran resistencia a la abrasión y al desgaste para poder soportar el rozamiento que

debe sufrir el coque contra las paredes y contra otras materias que se introducen en el

horno, sin que se rompa a se forme polvo de coque.




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Mineral de hierro-Pellets-Sinter

El mineral de hierro se puede cargar al horno en diferentes formas: mineral

propiamente dicho, pellets y/o sinter.

Si el mineral contiene más 50% de Fe se introduce en partículas de 0,5 a 1.5”. En

cambio, si contiene menos del 50% se producen pellets (<1/4”) de 60 a 65% de contenido de

hierro por medio de chancado, molienda, roleo y calentamiento.

El sinter se produce con mezcla de mineral fino, coque, caliza – sílice y desecho de

hierro siderúrgico. Esta mezcla de materiales cruda se coloca en una banda (correa

transportadora de acero) de sinterización, donde se funde y forma pedazos más grandes 0,5 a

2,0”. La siguiente figura muestra el esquema de preparación del mineral de hierro para la

carga.




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Las características principales de una carga para la buena marcha del alto horno son:

Mineral de manganeso

Este se agrega a la carga del alto horno sólo si se han decidido una marcha del horno a

alta temperatura para producir la desulfuración dentro del mismo horno, pero ello lleva

aparejado un mayor consumo de coque. Entonces muchas plantas optan por desulfurar el

arrabio fuera del horno, agregándole soda cáustica (Na2CO3).

Síntesis gráfica

A modo de síntesis presentamos las siguientes figuras:




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Convertidores

En los convertidores se realiza el afino o refinación del arrabio. El problema del arrabio es

poseer un exceso de impurezas, tales como C, Si, S y P que lo vuelven frágil y poco adecuado

para su uso.

Se deben eliminar esas impurezas y también para incorporar ciertos elementos beneficiosos

que le otorgan propiedades especiales. Algunos son: Cr, Ni, V, Mo, Co, etc.

Las materias primas para fabricar acero son arrabio y chatarra, además hay que agregar:

ferroaleaciones que contengan los elementos de aleación nombrados, fundentes, y aire u

oxígeno puro. Este último es para lograr reacciones de oxidación, como la siguiente:

�� + 1/2�� → ��

Justamente, esta reacción, demuestra cómo se elimina el exceso de carbono, de modo similar

se elimina Si, Mn, Mg, etc.

Convertidor Bessemer – Thomas

Es el convertidor más antiguo. Fue

inventado en la década de 1850 por Henry

Bessemer y luego mejorado por Thomas en 1877.

Consiste en un reactor que posee un fondo

perforado por el que se insufla aire a presión. La

corriente de aire atraviesa la masa de arrabio

produciendo la oxidación de los metaloides que el

mismo contiene (C, Si, Mn). Los óxidos resultantes

se escorifican o escapan a la atmósfera como

gases.

El calor necesario para mantener el baño

metálico líquido se genera solamente

con las mismas reacciones exotérmicas

de oxidación y escorificación, es decir

que no necesita aporte calórico externo.

Bessemer utilizó un

revestimiento refractario sílico-

aluminoso que luego fue reemplazado

por uno básico (dolomítico) por Thomas.

De esta manera, podía adicionar cal

dentro del convertidor para permitir la

desfosforación y desulfuración. Asimismo

el fósforo utilizado como elemento termógeno beneficiaba el balance térmico del reactor, lo




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que permitía la incorporación de pequeñas cantidades de chatarra doméstica, reciclando de

esta manera los desperdicios de la planta.

Sin embargo, debido a su carácter de procedimiento neumático, el inconveniente seguía

siendo el elevado contenido de nitrógeno en el acero obtenido (varía entre 0.01 y 0.02 % de

N), que le confería gran fragilidad y predisposición al envejecimiento, afectando de esta

manera la soldabilidad, aptitud al embutido profundo y deformación en frío.

Se dejó de utilizar en la década del 60’ y fue reemplazado por el convertidor LD.

Horno Siemens-Martin (Open heart furnace)

Es un horno de reverbero. Está formado por un recipiente rectangular con puertas

para combustible y gases en ambos extremos. Estas puertas pueden responder a diversos

diseños, pero en todo caso deben dirigir los gases hacia abajo, hacia la carga o baño del metal.

La llama y los gases calientes pasan por encima del baño y salen por el extremo opuesto del

horno. Los gases de la combustión atraviesan uno o dos regeneradores antes de perderse en la

chimenea; frecuentemente se colocan calderas después de los regeneradores para recuperar

el calor perdido y conseguir la mejor recuperación posible de los productos de la combustión

mediante válvulas refrigeradas con agua y entonces al horno se le calienta desde el extremo

opuesto.

Los hornos Martin-Siemens pueden ser fijos o basculantes, prefiriéndose los últimos

para el afino de arrabios altos en fósforo. Para fabricar aceros de calidad se emplean

generalmente los hornos Martin-Siemens con revestimiento básico, aunque aún se utilizan en

algunos lugares los con revestimiento ácido para obtener aceros de muy buena calidad

partiendo de materias primas muy selectas.

La capacidad de estos hornos oscila de 15 a 200 t de metal. Se calienta con gas, fuel oil

o brea, y las llamas salen primero por un extremo del horno y luego por el otro. Los gases

producidos pasan por recuperadores equivalentes a los empleados en los hornos altos. Cuando




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se invierte la marcha de los gases, los recuperadores a través de los cuales han estado pasando

los gases calientes calientan al aire y el gas que entra en el horno, mientras que los situados en

el otro extremo comienzan a calentarse por el paso a través de los mismos gases quemados.

El horno Siemens-Martin tiene la ventaja de eliminar el fósforo, producir

composiciones de acero más exactas y utilizar chatarra, lo cual es cada vez más útil dada la

importancia que ha alcanzado el reciclaje.

Fue desplazado totalmente en la década del 90’ por el convertidor LD y los hornos

eléctricos.

Convertidor LD (Basic Oxygen Steel Making)

Es una versión refinada del convertidor Bessemer – Martin donde la corriente de aire

se reemplazó por oxígeno puro.

Este proceso, surgido en 1952, prácticamente desplazó a los de Bessemer - Thomas y

Siemens Martín. En los procesos previos se oxidaba el baño metálico con oxígeno del aire, y de

los óxidos de la chatarra.

El proceso LD se caracteriza porque emplea convertidores de revestimiento básico

cerrados por debajo, con una lanza vertical que se introduce por la boca del convertidor y por

la que se inyecta oxígeno puro a velocidad supersónica sobre la superficie de la fundición que

se va a afinar.

El oxígeno debe tener presión suficiente para atravesar la capa superficial de escoria.

Se suele usar 10 bar y el consumo es

de aprox. 75 kg de oxígeno por

tonelada de acero. La inyección se

realiza a una altura comprendida

entre 1 y 2 m sobre la superficie del

metal líquido.

De esta forma se logró bajar el

nitrógeno a un contenido entre 0,0020

y 0.0050 %, con lo cual aumentaba su

ductilidad y la facilidad de embutición

demandada por la industria

automotriz para fabricar carrocerías.

Su calidad igualaba a los aceros de

Siemens Martín, pero con mayor

productividad.

Recordemos que el aire es una

mezcla de 4 partes de nitrógeno y 1 de

oxígeno, y al no usar aire, no hay nitrógeno.




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El crisol tiene forma de mate, con la boca centrada. El cuerpo es de chapa de acero de

30 a 50 mm de espesor. Puede girar 360º. La carga ocupa sólo el 20 % de su capacidad. Las

temperaturas son del orden de 1.700 ºC.

Está revestido con ladrillos refractarios básicos de dolomita y magnesia, que sirven

para la eliminación del P y S.

Sus capacidades están entre 30 y 300 toneladas, la operación dura, según el tamaño,

entre 20 y 45 minutos.

Hornos Eléctricos

Clasificación

Los hornos eléctricos pueden ser de 3 tipos:

� Hornos de resistencia

� Hornos de inducción

� Hornos de arco eléctrico

Para la fabricación de aceros, el horno de arco eléctrico es el tipo más utilizado; le

siguen los hornos de inducción. Los hornos de resistencia no se utilizan debido a las altas

temperaturas involucradas pero si para el calentamiento de otros metales.

Hornos eléctricos de resistencia

Se definen como hornos de resistencia aquellos que utilizan el calor disipado por

efecto Joule en una resistencia óhmica, que puede estar constituida por la carga misma a ser

calentada (hornos de calentamiento directo) o por resistencias adecuadas independientes de

la carga (hornos de calentamiento indirecto), por las cuales circula corriente eléctrica.

Hornos eléctricos de resistencia de calentamiento directo




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En los hornos de calentamiento directo, el material se coloca entre dos electrodos (en

contacto directo con ellos), ofreciendo una resistencia al paso de la corriente, y calentándose.

Estos hornos encuentran aplicación generalmente en el tratamiento térmico de metales.

Hornos eléctricos de resistencia de calentamiento indirecto

En los hornos de calentamiento indirecto, el material es calentado por radiación, por

convección y/o por conducción mediante resistencias colocadas de forma adecuada. La carga a

calentar y las resistencias se encuentran contenidas en una cámara aislada térmicamente por

medio de materiales refractarios y aislantes.

Entre las aplicaciones metalúrgicas de estos hornos se encuentran la fusión y

mantenimiento de temperatura de metales, generalmente de bajo punto de fusión (aluminio,

plomo zinc, estaño, cobre, etc.) y el tratamiento térmico de metales.

Los materiales para las resistencias deben poseer, entre otras características, una

elevada resistividad eléctrica, alta temperatura de fusión, y resistencia a la oxidación en

caliente y a la corrosión en el ambiente gaseoso producto de las reacciones químicas en juego.

El tipo de resistencia a escoger para un horno determinado se vincula principalmente a la

temperatura de trabajo de éste. Se tienen:




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a) Resistencias metálicas

1. Aleaciones austeníticas. Son aleaciones Ni-Cr-Fe para temperaturas de hasta

850°C, dependiendo de los contenidos de estos elementos.

2. Aleaciones ferríticas. Son aleaciones Cr-Fe-Al (Kanthal, etc.) para temperaturas

de 1100 a 1300°C.

b) Resistencias no metálicas 1. Tubos a base de carburo de silicio para temperaturas de hasta 1500 °C.

2. Silicato de molibdeno para temperaturas de hasta 1700 °C.

3. Grafito y molibdeno (en pastillas, cilindros o granulados en tubos) para

temperaturas de hasta1800°C.

Las resistencias metálicas se utilizan en forma de hilos con diámetros variables de

fracción de mm a unos 6 mm, comúnmente enrollados en forma helicoidal.

Las resistencias no metálicas están constituidas por tubos fijados horizontalmente

entre dos paredes del horno o verticalmente entre el piso y la cubierta.

Hornos eléctricos de inducción

La circulación de la corriente eléctrica en cualquier conductor genera un campo

electromagnético a su alrededor. En el caso que este conductor tenga forma de bobina

(solenoide), el campo electromagnético generado está concentrado y con sentido único en el

interior de la bobina, mientras que en el lado externo tiene tendencia a dispersarse.

Si en el interior de esta bobina existe un núcleo de material metálico, éste será sede de

corrientes parásitas (corrientes de Foucault), las cuales lo calientan. Para evitar que haya

sobrecalentamiento de las estructuras metálicas externas a la bobina por la acción del campo

electromagnético disperso, la bobina es circulada por núcleos constituidos de acero al silicio

que conducen el campo externo evitando su dispersión y actuando como blindaje.

Colocando en el interior de la bobina, un crisol de material refractario con una carga

metálica, se puede aumentar la potencia de la bobina al punto de que las corrientes inducidas

fundan esa carga.

Se puede decir que la bobina actúa como el primario de un transformador y el sólido

metálico en su interior representa el secundario. Las transformaciones de energía en este tipo

de horno son:

o En el primario: de energía eléctrica en magnética.

o En el secundario: de energía magnética en eléctrica y, finalmente, de energía

eléctrica en calor.




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El calentamiento por inducción utiliza las propiedades del campo magnético para la

transferencia de energía eléctrica en energía calorífica, sin recurrir al contacto directo. La

bobina de los hornos de inducción es de cobre. Se consigue un mayor rendimiento en la fusión

del material, producto del campo eléctrico, cuanto más delgada sea la pared refractaria.

Debido a esto, la bobina debe ser refrigerada internamente con agua. La temperatura de la

bobina no debe pasar los 45 °C, ya que a los 60 °C se favorece la formación de incrustaciones

que tienden a cerrar los canales.

La intensidad de las corrientes inducidas es función de la potencia de la bobina, que a

su vez es proporcional al volumen de material a ser fundido.

La frecuencia de alimentación de la bobina es uno de los parámetros importantes de

los hornos a inducción, cuya definición está íntimamente ligada a la aplicación del horno.

Los hornos de inducción se pueden clasificar por su frecuencia de trabajo, como:

o Hornos de baja frecuencia o frecuencia de línea si esta corresponde a

la frecuencia de la corriente suministrada exteriormente: 50 ó 60 Hz.

o Hornos de media frecuencia: 200 a 10000 Hz.

o Hornos de alta frecuencia: sobre 10000 Hz.

Los hornos de inducción específicamente utilizados para la fusión de metales se

subdividen en:

o Hornos de canal

o Hornos de crisol

Los primeros operan siempre a la frecuencia de la red (50-60 Hz), mientras que los

segundos, en función del tamaño del equipo, de la aplicación y la potencia, pueden ser de baja

frecuencia (50-60 Hz), de media frecuencia (150 a 10.000 Hz) y, en casos muy especiales, de

alta frecuencia (más de 10 kHz).

Hornos de canal

Los hornos de canal se utilizan preferentemente para mantenimiento de la

temperatura de un baño de metal líquido. El principal elemento del horno es un canal cerrado

de revestimiento cerámico, que es llenado con metal procedente del baño del horno.




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El horno de canal está constituido básicamente por:

o Un inductor compuesto por un núcleo magnético cerrado, una bobina

primaria y un anillo secundario de metal fundido que llena un canal de

material refractario.

o Un cuerpo de horno situado encima o a un lado del inductor cuya

capacidad de metal es netamente superior a la del canal.

El principio de funcionamiento es el mismo de los transformadores eléctricos: el paso

por el primario de una corriente alterna de frecuencia normal produce un campo magnético,

también alternativo, que se canaliza por el núcleo de chapa magnética y da lugar a una

corriente inducida en la espira única de metal fundido. Dicha corriente eléctrica inducida se

transforma en calor por efecto Joule, elevando consiguientemente su temperatura.

Hornos de crisol

Los hornos de crisol no requieren núcleo ni canal con metal fundido, siendo la bobina primaria

tubular, refrigerada y enrollada alrededor del crisol.




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Este tipo de horno se utiliza con preferencia para la producción de aceros y aleaciones

especiales.

Generalmente son de media o alta frecuencia y el equipo eléctrico requiere de un

motor generador de alta frecuencia, además de un equipo de condensadores para regular la

corriente, junto con un transformador para reducir el voltaje.

En un sistema de fusión inductiva los parámetros que están íntimamente ligados son:

o Material a ser fundido, determinado por el usuario.

o Tamaño del horno, determinado, generalmente, por el tamaño de la

mayor pieza producida.

o Potencia, según la producción por hora necesaria.

o Frecuencia, de acuerdo con los tres parámetros anteriores.

En función de dichos parámetros, el fabricante podrá determinar la mejor combinación

y suministrar el equipamiento más adecuado.

Los hornos de baja frecuencia normalmente son de gran capacidad, de unas 6 a 60 ton.

Con potencias de 1000 a 17000 KW.

Los hornos de media frecuencia varían desde pocos kilogramos (Ej. 2 Kg.) a 10000 Kg.,

con frecuencias entre 200 Hz a 10000 Hz, y potencias desde unos pocos KW (Ej. 3 KW) a 3000

KW o más.

Hornos eléctricos de arco

Clasificación




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� Arco directo

� De solera no conductora

� De solera conductora

� Arco indirecto

Principales componentes de la instalación

A continuación, se indican las partes más importantes necesarias para el

funcionamiento de un horno eléctrico de acero:

a) Instalación de alta tensión

b) Transformador de horno y elementos complementarios

c) Sistema de regulación automática de la corriente eléctrica

d) Horno propiamente dicho




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Instalación de alta tensión

La energía eléctrica se recibe en las fábricas a alta tensión, generalmente entre 33 kV y

220 kV c.a. A la llegada se dispone, en ocasiones, de una central de transformación fuera de la

acería que reduce esa alta tensión a otra más baja al nivel de distribución de la fábrica, que

suele ser de 13 a 33kV c.a. La instalación posee interruptores automáticos que desconectan la

corriente cuando alcanza valores peligrosos aislando el circuito eléctrico del horno de la red

exterior.

Transformador de horno

En las proximidades del horno se encuentra su transformador con sus elementos

complementarios.

Las entradas de corriente se suelen hacer a 13 o a 33 kV.c.a. La salida tiene tensiones

variables de 80 a 850 V, que son las más adecuadas para el proceso. Por lo tanto se puede

trabajar durante la colada de diferentes tensiones según convenga.

La potencia de los transformadores varía de 1 a 120 MVA, según la capacidad

productiva de los hornos.




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Dentro de la subestación propia del horno los elementos principales son:

o Los seccionadores de entrada con fusibles, (1) para la instalación

eléctrica del horno y (2) para la puesta a tierra de la línea de entrada.

o El interruptor general (3), de diseño específico para hornos de arco,

que permite un alto número de maniobras de desconexión del horno

en carga. Los dos tipos más utilizados son el interruptor de vacío y el

de aire comprimido, quedando para bajas potencias el interruptor

magnético al aire.

o El transformador de horno (4) para reducir la tensión de entrada (10 a

40kV y muy frecuentemente 30kV) a las tensiones requeridas para el

funcionamiento del horno.

o Es frecuente, en algunos casos, el sistema de protección (5) con

pararrayos autoválulas de ZnO.

A ambos lados del interruptor general (3) se disponen los transformadores de medida

de tensión (6) e intensidad (7) en alta tensión. Asimismo, en el lado secundario del

transformador principal se disponen los transformadores reductores de tensión y de medida

de intensidad (8), cuyas señales van al panel de control y al equipo electrónico de regulación

de electrodos.




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Por las intensidades muy altas del circuito secundario a tensiones del orden de 1.000 V

y las elevadas tensiones del primario del transformador (normalmente 10 a 40kV pero

pudiendo llegar en ocasiones a 110-220kV), es extremadamente importante cuidar al máximo

los detalles del embarrado y cableado correspondiente para asegurar un funcionamiento

continuo, en muchos casos de 24 horas/día, 7 días/semana.

Sistema de regulación automática

Para conseguir una adecuada marcha de los hornos eléctricos de arco, es fundamental

contar con una correcta regulación de los electrodos. Durante el proceso varía la distancia

entre los electrodos y la chatarra o entre los electrodos y el baño y es necesario disponer de

mecanismos reguladores de esas distancias para conseguir uniformizar la intensidad o la

potencia del arco.

En la actualidad, se utilizan sistemas electro-hidráulicos automáticos de respuesta

rápida. Se procura conseguir una potencia constante en función de la intensidad de corriente y

la tensión.

Horno propiamente dicho

Sus partes principales son: cuba, bóveda, paredes y solera; electrodos y mecanismos

de basculación.

Cuba

La cuba del horno se construye con chapa de acero soldada revestida interiormente

con material refractario. Posee una puerta que en los primeros hornos se empleaba para la

carga de chatarra.

Posteriormente al hacerse la carga por la bóveda, se utiliza para el control de la colada

y agregado de ferro-aleaciones. Los hornos grandes tienen un canal de colada o piquera en la

zona opuesta a la de la puerta de trabajo. Por el canal de colada sale el acero que se cuela en

la cuchara cuando se bascula el horno.

Bóveda, paredes y solera

La bóveda se construye con ladrillos refractarios de formas especiales sobre un anillo

metálico generalmente refrigerado, que luego se apoya sobre la cuba. Suele tener 3 agujeros

simétricos para que pasen a través de ellos los electrodos y en ocasiones, hay otro agujero

para la extracción de gases que van a la instalación de depuración.




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Todos los hornos de más de 2 t son de bóveda móvil y la chatarra se carga con cesta

por la parte superior. Durante el cargado, se levanta la bóveda con los electrodos y luego este

conjunto gira, dejando la

cuba dispuesta para que

se introduzca la cesta.

Electrodos

Su diámetro varía

desde 60mm para hornos

de 5t hasta 800mm para

hornos de 350t. Su

longitud varía de 2 a 3m y

se usan con otros, a

medida que se van

gastando, por medio de

piezas troncocónicas

roscadas que se colocan

entre cada dos electrodos.

Los electrodos se

sujetan con mordazas de

cobre refrigeradas por

agua, a barras

horizontales.

Mecanismos de

basculación

Cuando se termina

la colada, es necesario bascular el horno para transferir el acero a la cuchara. Se utilizan

mecanismos hidráulicos o electromecánicos que, haciendo girar al horno, permiten que salga

el acero a través del agujero de colada y caiga a la cuchara que se encuentra a un nivel inferior.




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Ventajas de la utilización de hornos eléctricos

El horno eléctrico ha mostrado una gran adaptación para el consumo de hierro

esponja, por lo que se lo ha ligado a los procesos de reducción directa. Por otro lado, el óptimo

control de la temperatura y del análisis químico lo ligan estrechamente a la colada continua.

Así han surgido en los últimos años, usinas siderúrgicas integrales que se basan en la unión de

los tres procesos: reducción directa, horno eléctrico y colada continua.

Sus ventajas sobre Hornos Siemens y Convertidores:

a) Menor inversión / tn capacidad instalada.

b) Menores gastos de mantenimiento, refractarios y mano de obra.

c) Hasta 80% de mayor rendimiento respecto de un horno Siemens-Martin.

d) Admite mayor flexibilidad en la carga metálica, puede funcionar con 100%

chatarra, presenta mayores posibilidades de afinación y por lo tanto pueden

obtenerse aceros de alta aleación a menor costo.

e) Ocupa menos espacio, no necesita depósito de combustión, hogares ni cámaras

recuperadoras.

Materiales Refractarios

Introducción

Los refractarios son materiales, que en condiciones de servicio resisten elevadas

temperaturas, erosión, abrasión, impacto, ataque químico, acción de gases corrosivos y otras

experiencias no menos recias.

Estos materiales se usan para el recubrimiento de hornos, hogares conductos

chimeneas, etc.; eligiéndose alguno de los materiales existentes, según sean las condiciones

reinantes en determinadas zona.

La mayor parte de los refractarios son materias cerámicas fabricadas con óxidos de

elevado punto de fusión (SiO2, Al2O3, Mg, y Cr2O3). No obstante, el carbón es actualmente un

refractario importante.

Algunos metales, como el molibdeno (Mo) (punto de fusión = 2600°C) y el Wolframio

W (punto de fusión 3400°C) son refractarios y encuentras aplicación en aparatos de

investigación. Incluso estos se pueden fundir en envases de cobre abundantemente

refrigerados por agua, los cuales si bien no están clasificado s como refractarios, ciertamente

los reemplazan.




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A continuación se indican los puntos de fusión de los óxidos y compuestos más

utilizados en esta industria:

a) Óxidos

1. Sílice (SiO2) 1723 ºC

2. Alúmina (Al2O3) 2050 ºC

3. Cromo (Cr2O3) 2250 ºC

4. Periclasa (MgO) 2800 ºC

5. Zirconio (ZiO2) 2700 ºC

b) Compuestos

1. Espinela (Mg. Al2O3) 2135 ºC

2. Foresterita (Mg.SiO2) 1900°C

3. Mullita (3Al2O3.2SiO2) 1850°C

Clasificación

1) ÁCIDOS: son aquellos que no son atacados por compuestos ácidos, son fabricados por

materias primas sílico –aluminosas.

2) BÁSICOS: son aquellos que reaccionan con escorias ácidas. Su contenido se basa en

magnesita, dolomita, y magnesita -cromo.

3) NEUTROS: son relativamente inertes, tanto las escorias silíceas como calizas. En este

grupo se incluyen los refractarios de carbón, alúmina (Al2O3), Cromita (FeO.Cr2O3) y

Foresterita (2MgO.SiO2)

Existiría un cuarto grupo que es el de los refractarios especiales que son materiales

nuevos, o muy caros, por su pro ceso de fabricación como los de ZiO2 y BeO y se destinan

únicamente para fines de investigación y otros usos aislados, tales como energía atómica, o

tecnología de turbinas de gas.

Propiedades químicas y físicas de los materiales refractarios y breves

explicaciones sobre métodos de control

Para poder escoger el revestimiento refractario adecuado para los hornos, es preciso

conocer con la mayor exactitud posible las características de los materiales refractarios por

una parte y por otra las cargas del material en servicio. Como es imposible llegar al valor ideal

de todas las características, se tiene que ajustar el material refractario a los conceptos de

mayor importancia para su utilización y escogerlo con arreglo a los mismos.

Para determinar las características de los ladrillos y especialidades se hace uso de

diversos métodos de control que en la mayoría de los casos están normalizados.

La relación entre cargas de servicio en hornos industriales y los aspectos

fundamentales de utilización de los ladrillos refractarios viene indicada en la siguiente tabla:




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Uso de los materiales refractarios en los distintos hornos

Alto horno




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En la zona del tragante, la principal solicitación es la abrasión mecánica. La silimanita

es lo más conveniente para ello.

En el tragante y la parte superior de la cuba, se produce la siguiente reacción (a

temperaturas de 500º C):

2CO → CO� + C

El carbono se deposita en los poros del ladrillo, se va acumulando y provoca tensiones

que agrietan el mismo.

Para esta zona se utilizan ladrillos sílico aluminosos de 45% Al2O3, con una porosidad

de 18 a 20%.

En la parte inferior de la cuba, vientre y etalaje las solicitaciones principales son:

o Abrasión y corrosión por parte de la escoria y arrabio líquido.

o Corrosión por álcalis (Na2O y K2O)

o Erosión por los gases.

El ataque del álcalis es uno de los efectos más perjudiciales, pues ataca al refractario

formando compuestos diversos, en general de baja refractariedad. Entran en el Alto Horno

como silicatos complejos, en la ganga del mineral y en las cenizas del coque. Penetran en los

poros de los ladrillos como vapores, que se condensan dentro de los mismos provocando la

corrosión del ladrillo. En esta zona se utilizan ladrillos de alta alúmina (90% Al2O3), con muy

baja porosidad (11 a 15%). La tendencia actual es utilizar ladrillos de carburo de silicio, muy

resistentes a los vapores alcalinos, sumado al hecho de tener mu y buena conductividad

térmica. El problema es que se degrada frente a los vapores de H2O, teniendo en cuenta que se

utilizan en la zona de refrigeración. La zona de toberas está sometida a choque térmico. Para

ello lo más conveniente son ladrillos de silimanita.

En el crisol las solicitaciones son:

o Corrosión por escoria.

o Erosión por escoria y arrabio liquido.

o Variación dimensional generada por tensiones térmicas y mecánicas.

Los bloques de carbono son los más adecuados para esta zona, ya que poseen baja

humectabilidad frente a los líquidos, baja permeabilidad, gran estabilidad volumétrica y alta

conductividad térmica.




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Convertidor LD

El revestimiento de seguridad (para contrarrestar eventuales perforaciones), está

formado por ladrillos de magnesita cocida.

El revestimiento de trabajo debe ser cuidadosamente balanceado, a efectos de

obtener un desgaste homogéneo del mismo.

De esta manera varía la calidad o el espesor de los materiales refractarios utilizados,

en función de las solicitaciones en cada una de las regiones del LD. Hoy en día el

balanceamiento del revestimiento LD se hace exclusivamente por calidad.

• En la zona de impacto, se vuelca el arrabio líquido y la carga

sólida constituida básicamente por chatarra. Por lo tanto el

refractario, se ve sometido primero al impacto y luego a la

erosión por deslizamiento tanto de la chatarra como del

arrabio. Se debe tener en cuenta, que este ultimo al tomar

contacto con el revestimiento, hace que el mismo eleve su

temperatura por encima de los 800º C. El refractario requiere

alta resistencia mecánica por encima de los 800º C. En estas

condiciones, el refractario debe tener un bajo módulo de

elasticidad (E) para absorber los impactos y elevada resistencia

mecánica a temperaturas superiores a los 800º C, para resistir

la abrasión provocada por el deslizamiento de la chatarra. El

refractario más conveniente para ello, es de magnesita cocida

impregnada en alquitrán.

• Debido al basculamiento del convertidor entre colada y

colada, las zonas de los muñones son las que se encuentran

continuamente expuestas a la atmósfera oxidante. Esta

oxidación destruye la matriz del ladrillo, causando su

desintegración. Se suma a ello, el esfuerzo mecánico

transmitido al refractario cuando el convertidor bascula,

esfuerzo éste que es transmitido fundamentalmente por el

muñón traccionado. Ello indica que el refractario debe tener

baja porosidad, baja permeabilidad y bajo modulo de

elasticidad. Normalmente en esta zona, se utilizan ladrillos de

magnesita cocida impregnada en alquitrán. Hoy en día la

tendencia es utilizar ladillos de magnesio –carbono (15% de C)

que son muy resistentes al ataque químico, pero su resistencia

es inferior al de los magnesianos cocidos.




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Horno eléctrico




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El revestimiento de seguridad de la solera, está constituido por varias filas de ladrillos

de magnesita cocida (95% de MgO).

El revestimiento de trabajo de la solera, está formado por una masa apisonada de

oxido de magnesio (más de 95% de MgO), enérgicamente compactada en varias capas con un

vibrador. La solera se encuentra sometida a las siguientes solicitaciones:

Impacto de chatarra, erosión del acero liquido y ataque de la escoria durante el

basculamiento del horno.

Para que la solera recién constituida no sea dañada durante el primer cargamento, es

necesario tomar los siguientes recaudos:

� Cubrir toda la extensión de la solera con chapas finas.

� Evitar la chatarra pesada en la primera carga.

Durante las cargas subsiguientes siempre se deja un resto líquido, para que sirva de

amortiguante de las cargas posteriores.

En las paredes laterales el ataque de la escoria sigue siendo el responsable del

desgaste de los refractarios, aunque en menor medida que la pared lateral inferior.

También es atacado por los humos provenientes de la aceración, cuyo principal agente

de corrosión es el FeO que transportan. La perdida de material refractario se debe a rajaduras

originadas por el spalling, por las cuales se introduce la escoria y los humos ocasionando su

degradación.

El refractario entonces deberá tener baja porosidad y resistencia al choque térmico.

Por eso las paredes se conforman con ladrillos de magnesita ligada en alquitrán.

La bóveda de un horno eléctrico tiene forma de cúpula y contiene electrodos, para la

salida de humos y en algunos casos, para la carga continua de materias primas. La existencia

de estas aberturas debilita la bóveda.

La bóveda está sometida a: Temperaturas elevadas causada por la radiación del arco,

ataques químicos por parte de la escoria y por los humos y por las tensiones termomecánicas

que ocasiona en enfriamiento repentino, que ocurre cuando se desplaza la bóveda para la

carga, seguida de un calentamiento rápido.

Las bóvedas de los hornos generalmente están conformadas con ladrillos de 70 -85%

de Al2O3 y en el centro de la bóveda se utiliza un hormigón de 90% de Al 2O3 con liga fosfórica.

Una nueva tendencia es la de utilizar ladrillos de magnesia -carbón. Su resistencia a

corrosión y erosión es muy buena, sumada a su gran resistencia al shock eléctrico.




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Debido a que su conductividad térmica es alta, su vida se puede incrementar,

mediante un enfriamiento intenso desde el exterior con paneles refrigerados por agua, para

reducir la temperatura de la superficie en servicio.

Bibliografía � Quevron, L.; Oudine, L. “Curso de metalurgia”. 7ma Edición. Ed. Aguilar, S.A. de

ediciones. Madrid, España. Año 1963.

� Barreiro, J.A. “Fabricación de hierro, aceros y fundiciones”. Tomos I y II. Ed. Urmo S.A.

Ediciones. Bilbao, España. Año 1984.

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� www.wikipedia.org

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Internet

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