PROCESOS DE ACERACIÓN

PROCESOS DE ACERACIÓN

1.- BESSEMER

2.- THOMAS

3.- SIEMENS

4.- LD

5.- H.E.A.

6.- LDP

7.- LDAC

8.- OLP

9.- KALDO

10.-ROTOR

11.-Q-BOP

1.- CONVERTIDOR BESSEMER

En el convertidor Bessemer, la fundición (material frágil e impuro con 3 a 4% de carbono) se transforma en acero de 0.10% de carbono aproximadamente, que es muy tenaz, dúctil y maleable.

El método ideado por Bessemer consistió en hacer pasar un chorro de AIRE a través de la fundición que en estado líquido contenía un gran crisol en forma de pera. Al oxidarse el Silicio, el Manganeso, el Hierro y el Carbono que contiene la fundición se producía una gran cantidad de calor y se elevaba la temperatura del baño metálico de 1250 a 1650ºC. Los óxidos de estos elementos se combinan entre sí dando lugar a silicatos complejos de poca densidad que formaban la ESCORIA. El óxido de carbono se quema al contacto con el aire.

PROBLEMAS DEL PPROCESO.

FÓSFORO: La fundición usada contenía un elevado % de fósforo y se trasmitía completamente al acero, el cual poseía una alta fragilidad.

AZUFRE: En aceros con bajos contenidos de manganeso (0.1 a 0.4%) el azufre ejercía una acción muy perjudicial, aparece en forma de sulfuro de hierro que rodea los granos de hierro, que por su baja temperatura de fusión, durante la forja o laminación se agrieta el material.

OXÍGENO: El oxígeno causaba porosidades y problemas de fabricación en aceros bajos en manganeso. El hierro y los aceros fundidos siempre disuelven a elevadas temperaturas cantidades importantes de oxígeno.

MATERIAL REFRACTARIO UTILIZADO EN EL CONVERTIDOR BESSEMER

Si O 2 = 93%

Al 2 O 3 ? = 4%

Fe 2 O 3 ? = 2%

Espesor de las paredes : 600 mm. (400 coladas)

Espesor del fondo : 600 mm. (20 coladas)

Presión del soplo : 1.5 a 1.75 Kg/cm2 .

ETAPAS DEL PROCESO

1.- Carga del horno

2.- Inicio del soplo y giro

3.- Oxidación del silicio, manganeso y carbono

4.- desoxidación y carburación del baño metálico

5.- Colada.

COMPOSICIÓN DE LA FUNDICIÓN

C = 4%, Si = 2%, Mn = 1%, P < 0.070, S = < 0.050

1.- CARGA DEL HORNO

La operación comienza cuando se carga el arrabio o la fundición líquida en el convertidor, que al comenzar la operación se encuentra en posición horizontal. La fundición, que tiene una temperatura de unos 1250ºC, se acumula en la panza y queda debajo del nivel de las toberas.

2.- COMIENZO DEL SOPLO Y GIRO DEL CONVERTIDOR.

Estando todavía el convertidor en posición horizontal, se comienza a inyectar aire a presión y luego se gira el convertidor hasta la posición vertical. Así se evita que la fundición líquida

se cuele por loa agujeros de las toberas de entrada de aire, que están situadas en el fondo del convertidor.

3.- OXIDACIÓN DEL SILICIO, MANGANESO Y CARBONO.

Una vez en posición vertical el convertidor, se puede considerar que comienza la fase de AFINO de la fundición que dura aproximadamente 15 minutos. En los primeros momentos de esta fase, se produce la oxidación del hierro, por ser el elemento que se encuentra en mayor cantidad, y se inicia la oxidación del silicio que provoca una rápida elevación de la temperatura, pasando el acero en esta fase, que dura unos 5 minutos, de 1250 a 1650ºC aproximadamente. Casi al mismo tiempo que el silicio, pero con un ligero retraso, se realiza también la oxidación y eliminación de parte del manganeso.

Es interesante destacar que en este proceso no se emplea ningún combustible auxiliar para aportar calor a la operación, lo que aporta el calor necesario es el proceso de oxidación de los elementos por acción del oxígeno que está presente en el aire que se sopla por el fondo.

La oxidación de los diferentes elementos se realiza de acuerdo con las siguientes reacciones:

H = - 63.2 kcalFe + 1/2O2 = FeO +63.2 kcal (exotérmica)

H = - 78.0Si + 2FeO = 2 Fe + Si O2 +78.0 kcal (exotérmica) kcal

H = - 32.0 kcalMn + FeO = Fe + MnO +32.0 kcal (exotérmica)

H = + 37.9 kcalC + FeO = Fe + CO −37.9 kcal (edotérmica)

La sílice (Si O2 ) y el óxido de manganeso (MnO) que se forman al oxidarse el silicio y el manganeso, se combinan con el óxido de hierro (FeO) produciéndose una pequeña cantidad de escoria fluida de carácter ácido, de acuerdo con la siguiente reacción:

2 Si O2 + MnO + FeO = (MnO FeO) 2 Si O2

Al final de la operación , el peso de la escoria es aproximadamente de 5 al 10% del peso total de la carga y su composición aproximada es :

Si O2 = 60%, MnO = 20%, FeO = 15%, Al 2 O 3 , CaO y MgO el resto.

El baño de acero al final del proceso de soplado tiene una temperatura de 1650ºC y la siguiente composición:

C = 0.08%, Mn = 0.02% Si = 0.05%

4.- DESOXIDACIÓN Y CARBURACIÓN DEL BAÑO METÁLICO.

DESOXIDACIÓN.- Después del soplo, el acero contiene una alta cantidad de oxígeno (0.07%) y presenta problemas de desprendimiento de gases, sopladuras y agrietamiento durante el proceso de solidificación. Esos defectos se evitan adicionando al acero fundido, al final del proceso Ferro Manganeso ? y Ferro Silicio ? que sirven para realizar la desoxidación del baño.

NOMBRE % C Si % P

Ferro Manganeso normal 7.00 80.00 0.50 0.25

Ferro Manganeso 1.5% de C 1.50 80.00 0.75 0.20




Silico Manganeso normal 1.25% de C 1.25 70.00 20.00 0.05

Silico Manganeso bajo 0.1% de C 0.10 70.00 20.00 0.05

Spiegel 6.50 20.00 2.00 0.05

Sililico-Spiegel 3.00 25.00 5.00 0.05

Ferro Silicio 50, normal 0.50 0.10 50.00 0.05

Ferro Silicio 75 0.50 0.10 75.00 0.05

Ferro Silicio 90 0.50 0.10 90.00 0.05

La acción desoxidante del manganeso y silicio se realiza en la siguiente forma:

Mn + 1/2 O2 = MnO

Si + O2 = Si O2

C + 1/2 O2 = CO

2Al + 3/2 O2 = Al 2 O 3

CARBURACIÓN.- Para dejar el acero con la composición de carbono adecuada, debe añadirse al baño metálico la cantidad de carbono necesaria para alcanzar en cada caso la composición exacta. Ese aumento se consigue con las adiciones de desoxidantes debidamente calculadas.

Cuando se fabrican aceros de bajo carbono, se añade Ferro Manganeso con

C = 7% y Mn = 80%, cuando se fabrican aceros de alto carbono, se añade Spiegel con C = 6.5%, Mn = 20% y Si = 2%. Estas FERROALEACIONES se añaden fundidas para evitar un descenso exagerado de la temperatura del baño metálico.

5.- COLADA.

Después de haber sido desoxidado y carburado el baño metálico, se procede a la colada del acero. Para esto, se coloca la cuchara de colada debajo del convertidor, se gira éste y el acero cae a la cuchara. En algunas ocasiones, en este momento se realizan también adiciones de ciertas ferroaleaciones al chorro del acero.

CONVERTIDOR THOMAS.

Sydney G. Thomas sabía que en el convertidor Bessemer el fósforo de la fundición era oxidado por el aire y formaba P2 O5 . Pensó que este óxido no se podía eliminar mas que combinándolo con una escoria calcárea, que no era posible utilizar con el revestimiento silicoso empleado en los convertidores Bessemer, porque al combinarse la cal con ese refractario ÁCIDO lo destruiría rápidamente. Por ello, consideró que para eliminar el fósforo de los aceros era necesario revestir los convertidores con algún tipo nuevo de refractario que fuera de carácter BÁSICO y que no reaccionara con la cal.

El fondo tiene un espesor de 800 mm y debe ser reemplazado cada 50 coladas. La presión del aire que se emplea es de 1.5 a 2.5 Kg/cm2 .

La composición del material refractario utilizado es:

Dolomía calcinada; CaO = 55% y MgO = 40%

Ladrillos sílico-aluminosos; Al 2 O 3 = 38% y Si O2 = 60%

Composición de la fundición: C = 4%, P =2%, Mn =1%, Si =0.5% y S = 0.10%

En el proceso Thomas es posible eliminar una parte del azufre que contiene la fundición.

El contenido de fósforo debe de ser alto, del orden del 2% por ser el principal elemento termógeno. La presencia del fósforo en estas fundiciones es necesaria porque gracias a este elemento se consigue obtener temperaturas altas. El proceso en el convertidor Thomas comienza cargándose una fundición de 1250ºC y termina colándose a la cuchara un hierro dulce o acero a 1650ºC.

Las principales reacciones de oxidación que se producen en el proceso Thomas son las mismas que en el Bessemer con la diferencia del fósforo.

H = - 63.2 kcalFe + 1/2O2 = FeO +63.2 kcal (exotérmica)

H = - 20.0P + 5/2FeO = 1/2 P2 O5 + 5/2Fe+20.0kcal (exotérmica) kcal

H = - 78.0Si + 2FeO = 2 Fe + Si O2 +78.0 kcal (exotérmica) kcal

H = - 32.0 kcalMn + FeO = Fe + MnO +32.0 kcal (exotérmica)

H = + 37.9 kcalC + FeO = Fe + CO −37.9 kcal (edotérmica)

En el proceso Thomas se carga una cierta cantidad de cal (15% del peso de la fundición), para formar la escoria básica que sirve para eliminar el fósforo que contiene la fundición

Composición de la escoria:

CaO = 60%, P2 O5 = 20%, FeO = 15%, MnO = 4%, MgO = 5%

DESFOSFORACIÓN Y SOBRESOPLADO. Esta fase que no empieza a producirse con intensidad hasta que el carbono caso ha desaparecido y es muy característica del proceso Thomas, recibe el nombre de sobresoplado.

2P + FeO = P2 O5 + 5Fe

P2 O5 + 3CaO = P2 O5 3CaO

P2 O5 + 4CaO = P2 O5 4CaO

DESULFURACIÓN.

La desulfuración es posible en el proceso Thomas y se produce durante el sobresoplado a partir del momento en que la escoria está suficientemente fluida y la cal participa activamente en la reacción. El azufre se elimina mejor cuanto más básica sea la escoria y menos óxido de hierro contenga. Es posible bajar de 0.12 a 0.06%.

Para conseguir todavía mas bajos contenidos de azufre, ha sido práctica frecuente en los procesos Thomas acentuar la desulfuración del arrabio a su salida del Alto Horno; para ello se utiliza la práctica de desulfurar el arrabio en el canal o en la cuchara con sosa o carbonato sódico con lo que se consigue eliminar del 30 al 50% del azufre de la fundición.

HORNO SIEMENS.

William Siemens concibió la idea de fabricar acero con fundición y mineral de hierro. Pensó que los elementos que contenía la fundición podían ser oxidados por el oxígeno del mineral y el oxígeno de los gases del horno. Siemens patentó el procedimiento de fabricación de acero denominado “Pig and Ore Process” (Proceso de Fundición y Mineral).

En este procedimiento, cargaban en el horno mezclas de lingote de hierro y carriles, y el metal fundido que obtenían con alto contenido de carbono, era descarburado por acción del mineral que oxidaba el baño metálico y lo transformaba en acero.

Pierre Martín tenía la idea de fabricar acero a partir de Chatarra y fundición y patentó el proceso llamado “Pig and Scrap Process” (Proceso de Fundición y Chatarra).

Estos hornos fueron construidos con refractarios ácidos con composiciones y posteriormente con refractarios básicos para eliminar el fóforo y el azufre a cantidades de P = 0.020% y S = 0.040%.

HORNOS ÁCIDOS : Si O 2 = 95%

HORNOS BÁSICOS : CaO = 55% y MgO = 40%

DESULFURACIÓN

FeS + CaO = CaS + FeO

FeS + MnO = MnS + FeO

CONVERTIDOR LD (LINZ-DURRER)

Soplando oxígeno puro sobre la superficie del baño metálico (fundición) que contiene el convertidor se podía obtener acero de alta calidad. En los procesos que se emplearon anteriormente al LD para fabricar acero, la oxidación del baño metálico se realizaba por el oxígeno del aire o por el oxígeno que contenían los minerales de hierro o la chatarra.

Aunque Bessemer patentó el empleo de oxígeno puro para la fabricación de acero, como no pudo utilizarlo por no disponer del oxígeno necesario, se atribuye al Profesor Robert Durrer el mérito de haber desarrollado este nuevo proceso.

PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS

El proceso LD se caracteriza porque emplea convertidores de revestimiento básico cerrados por abajo, 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 debe de afinar.

VENTAJAS

1.- La calidad del acero es superior a los métodos Bessemer o Thomas. Es de la misma calidad que los aceros que se fabrican en Siemens y se aproxima a los aceros fabricados en Hornos Eléctricos de Arco. Fósforo = 0.015 a 0.040%, Nitrógeno = 0.0020 a 0.0050%.

2.- El costo de la acería es muy inferior al Siemens y al Eléctrico de Arco, con misma capacidad de producción.

3.- El proceso es de corta duración. Cada colada dura aproximadamente 40 minutos en total. El Siemens dura de 5 a 6 horas y los Hornos Eléctricos de Arco duran de 2 a 4 horas.

4.- Tienen la ventaja de basarse fundamentalmente en el empleo del arrabio líquido obtenidos en los altos hornos. Además tiene la ventaja de cargar del 10 al 35% de chatarra. La adición de cargas de chatarra u óxido de hierro en cantidades importantes sirven para enfriar el baño metálico.

5.- Los aceros fabricados con este método contienen generalmente menos oxígeno.

Todo el convertidor está cubierto por un revestimiento refractario básico (Dolomita calcinada y Magnesita) de espesor variable de 250 a 800 mm de espesor.

RESUMEN DEL PROCESO

Una operación LD es en cierto modo parecida a las que corresponden a los convertidores Bessemer y Thomas. Durante el proceso se gira el convertidor para que presente la boca en la dirección más apropiada para las diferentes fases del proceso.

Con el crisol en posición inclinada, se hace la carga de la chatarra y luego la de la fundición líquida. A continuación se endereza y se baja la lanza comenzando con el soplo del oxígeno. Para formar la escoria se añade cal (5% del peso de la fundición) y en ocasiones también caliza.

En los primeros minutos del soplado comienza la eliminación del silicio y casi al mismo tiempo la del manganeso.

El carbono y el fósforo se eliminan un poco después, pero casi simultáneamente.

A los 20 minutos de comenzado el proceso, cuando se considera que se ha gastado el volumen de oxígeno calculado para la operación, se interrumpe el soplado y se sacan muestras del acero y de la escoria para analizar y se mide la temperatura del baño. Si en ese momento la composición de baño y la temperatura son las adecuadas, se procede a realizar la colada..

COMPOSICIÓN DE LA FUNDICIÓN

C = 3.5–4.5%, Mn = 1.5–2.5%, Si = 0.20–1.0%, P = Menor a 0.30–0.20%, S = <0.060%

SOPLO DE OXÍGENO.

PUREZA = 99%

PRESIÓN = 10 Atmósferas

ALTURA = Primero 2 metros, después 1 metro sobre la superficie del baño metálico.

HORNO ELÉCTRICO DE ARCO.

Una de las principales ventajas de los Hornos Eléctricos de Arco (HEA)es que su instalación es mucho mas sencilla y menos costosa que la de cualquier otro horno de los utilizados para fabricar acero. Para cualquier empresa o grupo industrial es mucho más fácil montar HEA que los costosos hornos Siemens o Convertidores. Además que la materia prima es mas sencilla de obtener. El HEA se carga con chatarra de hierro dulce o de acero, que puede adquirirse en mercados muy diversos.

Como elementos de adición se cargan, también pequeñas cantidades de fundición, de mineral de hierro y de ferroaleaciones. Para la formación de escoria se añade caliza, cal , arena, espato fluor y coque, y al final del proceso se añade ferrosilicio, ferromanganeso, aluminio, carburo de calcio y sílico-calcio como elementos desoxidantes y auxiliares.

Los HEA pueden ser ácidos (Arena Silicosa) o básicos (Magnesia o Dolomita).

La tensión eléctrica de trabajo que se utiliza para producir el arco entre los electrodos y la chatarra, varía de 80 a 500 volts y las intensidades de corriente que circulan por los electrodos varían de 1,000 a 50,000 amperes.

PARTES DEL HORNO ELÉCTRICO DE ARCO.

1.- La cuba.

2.- Bóveda, paredes y solera.

3.- Electrodos.

4.- Mecanismos de basculación.

LA CUBA

La cuba del horno se construye con chapa de acero dulce, soldada, revestida interiormente con material refractario. Tiene una o dos puertas por donde se realizan alguna maniobras de carga y adición de elementos formadores de escoria, desoxidantes, etc.

LA BÓVEDA

La bóveda se construye con ladrillos refractarios de formas especiales sobre un anillo metálico generalmente refrigerado, que luego se apoya sobre la cuba. Normalmente tiene tres agujeros simétricos, a través de los cuales pasa los electrodos y en ocasiones existe otro orificio para la extracción de los gases.

Al principio se usaban ladrillos de sílice (Refractario Ácido) y después ladrillos de alto contenido de alúmina.

PAREDES

En un principio se utilizaron ladrillos de sílice, después materiales básicos como:

a).- Ladrillos de Magnesia o de Magnesia-Cromo

b).- Ladrillos de dolomía

c).- Bloques apisonados de dolomía.

En la zona de la línea de la escoria se colocan ladrillos de Magnesia, que son los que mejor resisten el ataque químico de las escorias de óxido de hierro.

SOLERA

En los hornos básicos la solera, que suele tener de 400 a 700 mm de espesor se prepara siempre con material básico. Puede ser dolomía de granulometría fina apisonada en seco o dolomía alquitranada o polvo de magnesia fuertemente apisonada, Debajo de la dolomía existe un revestimiento de seguridad de ladrillos de Magnesia. En los hornos ácidos, la solera se prepara con arena de sílice.

ELECTRODOS

Normalmente se emplean electrodos de grafito, cuyo diámetro varía desde 60 mm para hornos de 5 toneladas hasta 800 para hornos de 350 toneladas.Su longitud varía de 2 a 3 metros y se unen unos con otros, a medida que se van gastando por medio de un anillo roscado.

Los electrodos se sujetan con mordazas de cobre refrigeradas con agua. El mantenimiento de la situación de los electrodos y de esas barras se verifica por medios automáticos.

HORNO ÁCIDO HORNO BÁSICO

MECANISMOS DE BASCULACIÓN.

Cuando la fusión ha terminado, es necesario bascular el horno para pasar el acero a la cuchara (Carro Termo). Se emplean mecanismos hidráulicos o eléctricos que, haciendo girar el horno, permiten que salga el acero a través del agujero de colada y caiga al carro termo que se encuentra siempre a un nivel inferior. Luego el acero se cuela a las lingoteras.

FABRICACIÓN DE ACERO EN HORNO ELÉCTRICO DE ARCO.

De una forma muy resumida, se puede decir que el proceso de doble escoria consiste en ; fundir la chatarra, luego crear una escoria oxidante sobre el baño metálico, que servirá para oxidar el carbono, silicio, manganeso y fósforo hasta que esos elementos queden reducidos a límites muy bajos.

Por la acción de esa primera escoria oxidante se consigue eliminar una gran parte del fósforo que contienen las cargas y , luego, por la acción de la segunda escoria reductora se puede eliminar gran parte del azufre.

Antes de colar el acero a las lingoteras, es necesario eliminar el oxígeno que contiene el baño metálico que, en el proceso de solidificación crearía porosidades muy perjudiciales. Esto se obtiene por la acción de la segunda escoria reductora añadiendo desoxidantes como el ferromanganeso, el ferrosilicio, aluminio y carburo de calcio, que, empleados en cantidades adecuadas, sirven, además, para obtener exactamente el acero con su composición deseada.

La primera fase de afino oxidante se realiza de acuerdo con las siguientes reacciones:

Fe + 1/2O2 = FeO

Si + 2FeO = 2 Fe + Si O2

Mn + FeO = Fe + MnO

C + FeO = Fe + CO

La eliminación del fósforo se consigue, también por oxidación, en la primera fase del proceso con escoria básica y oxidante. El anhídrido fosfórico formado se combina con la cal para dar fosfato tricálcico, que sale del horno al desescoriar. El afino del fósforo se realiza de acuerdo con las siguientes reacciones:

2P + 5 FeO = P2 O5 + 5 Fe

P2 O5 + 3 CaO = P2 O53 CaO

P2 O5 + 4 CaO = P2 O54 CaO

El azufre se elimina, en cambio, en la segunda fase del proceso con escoria básica reductora. Se combina con la cal y se forma sulfuro de calcio que pasa a la escoria. Esto se produce de acuerdo a las siguientes reacciones:

FeS + CaO + C = CaS + Fe + CO

El oxígeno residual disuelto en el baño metálico se elimina al final del proceso. Una parte es absorbido por la escoria reductora y la otra parte por, por la adición de desoxidantes como el ferrosilicio, ferromanganeso, carbono, aluminio y carburo de calcio. La desoxidación se realiza de acuerdo a las siguientes reacciones:

2 FeO + Si = 2 Fe + Si O2

FeO + Mn = Fe + MnO

FeO + C = Fe + CO

3 FeO + 2 Al = 3 Fe + Al2 O 3

3 FeO + Ca C 2 ? = 3 Fe + CaO + 2 CO

Como resumen destacaremos que este proceso se caracteriza por trabajarse con dos escorias diferentes; escoria básica y oxidante (CaO = 40%, Si O2 = 15%, FeO = 15%). Trabajando con esta escoria, se oxidan y disminuyen los porcentajes de Si, Mn y C del baño de acero y se elimina parte del fósforo que contienen las cargas. Escoria básica reductora (CaO = 60%, Si O2 = 20%, FeO = 0.5%, Ca C 2 =1.5% ), trabajando con ella, se elimina el azufre y se desoxida el baño metálico.

FASES DE LA OPERACIÓN.

1.- Carga del horno.

2.- Conexión de la corriente eléctrica.

3.- Fusión de la carga.

4.- Período oxidante o de afino

5.- Desescoriado.

6.- Período desoxidante.

7.- Colada del acero

8.- Inspección y acondicionamiento del horno.. ---Estoy invitando a todos los maestros y profesionales de esta area y/o carrera a colaborar construyendo este sitio dedicado a esta hermosa y util profesion aportando el material apropiado a cada uno de los mas de 1,000 temas que lo componen.

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