REDUCCION DIRECTA

Es una alternativa eventualmente favorable del alto horno en la producción de hierro primario y/o un medio de lograr un producto que complementa o sustituye a la siempre escasa chatarra.

Hoy en día la reducción directa no es competitiva en líneas generales, con el proceso de reducción convencional usado en el alto horno. Sin embargo, condiciones locales, particularmente adecuadas pueden hacer de la reducción directa la solución más ventajosa desde el punto de vista económico, por los menores costos de inversión que requiere. La elección de un proceso de reducción directa depende esencialmente de las materias primas disponibles y del tipo de reductor usado.

Se suele llamar reducción directa a todo proceso de reducción de los óxidos de hierro distinto del que se conduce en el alto horno. Esta definición se apoya en la evolución de la tecnología siderúrgica, pues con los primitivos procesos se obtenía un hierro pastoso, mezclado con escoria, muy poco carburado y suceptible de trabajarse directamente para convertirse en objetos (hierro pudelado), mientas que el aparecer el alto horno, cuyo producto es el arrabio, fue necesario un procedimiento ulterior de afino para eliminar la mayor parte del carbono absorbido por el hierro y convertido en un metal trabajable (acero). En este último caso el proceso de reducción, por no conducir directamente al producto buscado fue considerado indirecto.

Sin embargo, al proceso que se realiza en los hornos eléctricos de cuba baja y que sería por definición de reducción directa, no podría aplicársele la fundamentación expuesta, puesto que el producto es arrabio como el del alto horno.

La razón, entonces, para considerar de reducción directa al proceso del horno eléctrico de cuba baja fue otra: ocurre que en el alto horno la mayor parte del coque entra en combustión con el soplado formándose el CO que es el que efectúa principalmente la reducción. En el horno eléctrico de cuba baja, casi toda la reducción se hace por el coque directamente, resultando ser un proceso de reducción directa.

Sin embargo, aquí surge otra vez la contradicción: en los llamados procesos de reducción directa con reductor sólido (coque o carbón) para la producción del hierro-esponja, es relativamente pequeña la reducción que se produce por acción directa del reductor. Actúa éste más bien indirectamente regenerado, mediante la reacción de BOUDUARD:

CO2 + C Õ 2 CO

el coque que reacciona con el mineral.

Para sostener entonces la definición de que todos los procesos de reducción de los minerales de hierro, con excepción del que se realiza en el alto horno, son de reducción directa, debiéramos decir que el reductor para actuar como tal, no requiere transformarse mediante adición de otro elemento en el horno o reactor, como es el caso del alto horno en el que se le inyecta aire para constituir el principal agente reductor.

Pero aún esta argumentación podría invalidarse si, como consecuencia de nuevos desarrollos, se adoptara la inyección de gases reductores calientes en la cuba del alto horno, en cuyo caso podría ocurrir la reducción directa y no quedaría otro proceso de reducción indirecta.

Parece pues, que no resta otra salida que recurrir a una definición meramente convencional, en el que se considera la reducción directa a todos aquellos procesos en que la reducción se efectúa sin llegarse a la fusión. Con esta definición se clasifican los procesos de reducción por sus productos. Los directos conducen a pre-reducidos y hierro-esponja, y los indirectos a arrabio.

Podría además apoyarse está posición considerándose de que el hierro esponja es una ruta directa del mineral al acero y que el arrabio en cambio pasa todavía por una reducción de otros óxidos no ferrosos y a la descarburación del hierro, que exige luego un proceso de oxidación en la acería.

HIERRO ESPONJA Y PRE-REDUCIDOS.- Cuando la eliminación del oxígeno de los óxidos de hierro, se efectúa sin llegar a la fusión, el producto conserva la forma original del mineral, pero con notable mayor porosidad. Por esta última condición recibe el nombre de hierro-esponja o esponja de hierro. En la práctica industrial, la reducción en el estado sólido nunca es completa, de ahí que el producto se le suele llamar pre-reducido. Sin embargo, convendría lograr con los términos existentes una mayor precisión de conceptos, y así, aplicar la designación de pre-reducidos a los minerales de hierro cuyo grado de metalización se ha limitado a un nivel inferior al que se suele alcanzar como mínimo para su empleo en reemplazo de la chatarra.

Este grado de metalización límite es de 85%. Entonces, por debajo de 85% se trata de pre-reducidos y con 85% o más el producto es hierro-esponja. Unos y otros, pueden provenir de partículas pequeñas de mineral que luego del proceso de reducción directa convenga briquetear un producto de alta densidad y muy resistente a la reoxidación.

GRADOS Y REDUCCION.- No es más que la relación entre el oxígeno removido (Or) de los óxidos de hierro y el oxígeno total (Ot) de éstos antes de la reducción. Multiplicando esta relación por 100 se expresa esta relación en porcentaje:

R = Or x 100

Ot

GRADO DE METALIZACION.- Es la relación (M) entre el hierro metálico (Fem) y el hierro total (Fet) del mineral empleado:

M = Fem x 100

Fet

FUNDAMENTOS DE LA REDUCCION DIRECTA

Los minerales de hierro que se someten el proceso de reducción están constituidos principalmente por óxido férrico y óxido ferroso (Hematita y magnetita). Se requiere por lo tanto de reductores adecuados para obtener la deseada metalización, es decir, para liberar el hierro del oxígeno con el que se encuentra combinado en la naturaleza.

Los reductores usuales son: el carbono, el hidrógeno, el monóxido de carbono, o una mezcla de estos dos últimos.

REACCIONES FUNDAMENTALES.- Cuando se emplea carbón (en forma de carbón o coque), reacciona éste a temperatura adecuada directamente con el mineral al contacto superficial, el cual será tanto mayor cuanto menor sea el tamaño de la partículas presentes. La reacción que se produce es:

FemOn + nC Õ mFe + n CO

lo que se logra en esta reacción es relativamente poco, resultando mucho más importante las que tienen lugar con el CO producido y regenerado. Las ecuaciones respectivas son:

FemOn + nC Õ mFe + n CO2

CO2 + C Õ 2 CO

El principal efecto del carbón en la carga, es pues, el de producir la atmósfera reductora que ha de rodear al mineral para su reducción, convirtiendo en CO el CO2. La reacción con el hidrógeno es:

FemOn + n H2Õ mFe + n H2O

Cuando el reductor es una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono, se produce las reacciones con uno u otro en las proporciones que la situaciones de equilibrio químico y la cinética determinan.

REQUISITOS QUE DEBEN LLENAR LOS MATERIALES PARA LA REDUCCION

MINERAL DE HIERRO.- Puede ser éste de muy diversa granulometría, teniendo las fina aplicación en reactores del hecho fluidizado y los trozos mayores y los pelets, en retortas y horno de cuba. Los hornos rotativos son más flexibles en cuanto a tamaño, permitiendo no sólo pelets, briquetas y trozos, sino también su ciertas condiciones finos de mineral.

Una característica muy importante del mineral de hierro es su reducibilidad. El riesgo de sinterización a las temperaturas a que conviene conducir a los procesos de reducción directa, impone restricción al empleo de pequeñas partículas que, como ya lo hemos indicado contribuyen a acelerar el proceso. Cuando alcanzado un mínimo de tamaño, todavía la velocidad de reducción no permita instalaciones de rentabilidad suficiente, tendría que admitirse que el mineral respectivo, no es apto para el proceso elegido de reducción directa. El criterio de decisión a este respecto, tendría que basarse en las

alternativas y necesidades de uno del mineral en cuestión. En algunos casos se procede a oxidar la magnetita con el propósito de cambiar su estructura poco porosa y hacerle más reactiva.

Con el mismo proceso oxidante se persigue a veces una conveniente desulfuración, pues como otro de los requisitos de apropiado mineral de hierro pasa su conversión a hierro-esponja se encuentra el bajo contenido de azufre. La cantidad admisible de azufre en el hierro - esponja depende de la proporción y del proceso que emplea ésta.

Importa también que el mineral no decrepite, ni sufra un gran hinchamiento durante la reducción, particularmente cuando se efectúa ésta en retorta u hornos de cuba en que los finos que se producirían pueden bloquear al flujo normal de los gases a través de la carga.

         MINERAL DE HIERRO.- Con cierta ligereza su suele afirmar que casi cualquier sustancia carbonífera se puede utilizar como sustancia reductora en los hornos rotativos. Esto lamentablemente está lejos de ser cierto. Lo que si es verdad es que en toda la gama de carbones, desde los lignitos hasta las antracitas y los finos de coque, pueden encontrarse reductores apropiados.

Las características más importantes que determinan la aplicabilidad de un carbón a la reducción directa son:

1. Fusibilidad de las Cenizas2. Composición de las Cenizas3. Reactividad4. Materias volátiles5. Contenido de azufre6. Contenido de Cenizas

La primera limita la temperatura a alcanzarse en el proceso pues debe mantenerse ésta a unos 100°C por debajo del pronto de fusión de las cenizas para evitar encostramientos en el horno. Dada la influencia de la temperatura y su velocidad de reacción y son consecuencia en el tamaño del horno, resulta está característica capital importacia.

Si la composición de las cenizas es tal que da lugar a la formación de compuestos de bajo punto de fusión, se presenta también una desfaborable limitación en la temperatura que hace inaceptable el carbón respectivo.

El tamaño del horno y la economicidad de la planta dependen de la reactividad del carbón a emplearse, pues la concentración suficiente del CO que domina la reducción es función de la velocidad con que reacciona el carbón y el CO2 para regenerar al CO.

La reactividad del carbón suele ser paralela del contenido de materias volátiles. Sin embargo, un muy alto contenido de estas últimas pueden superar la cantidad utilizable dentro del horno y habría que contarse con alguna instalación de recuperación del excedente; a menos que sea muy bajo el precio del carbón. Una solución al problema del carbón con demasiado contenido de volátiles, sería reemplazarlo parcialmente por carbón de pocas materias volátiles si pudiera contarse con éste económicamente.

El contenido de azufre es importante, sobre todo si, como es lo común, las cenizas del carbón son ácidas, es decir que no tienen capacidad para retenerlo como lo hacen las cenizas básicas. El azufre obliga al empleo de desulfurantes tales como la dolomita y la caliza para evitar su absorción por el hierro-esponja. En condiciones ordinarias resulta alto un contenido de azufre mayor que 1.5%.

Muy grande cantidad de cenizas propicia la formación de anillos en el horno rotativo, aún cuando no sea demasiado bajo su punto de fusión. Es de desear que el contenido de cenizas esté por debajo de 20%.

Para los hornos rotativos conviene emplear el carbón entre 1 y 10 mm. y para los hornos de cuba, tamaño lo más uniformemente posible y entre 10 y 30 mm.

         REDUCTOR GASEOSO.- Como ya se a indicado los gases reductores son el CO, H2, o una mezcla de ambos, y pueden proceder del craqueo del gas natural o de otros hidercarburos líquidos o gaseoso, o de la gasificación o destilación del carbón. El más empleado es la mezcla de CO y H2, proveniente del craqueo catalítico del gas natural con vapor de agua o gases ya usados en la reducción y conteniendo CO2 como fuente de oxígeno necesario.

Así, el metano, principal constituyente del gas natural se descompone:

CH4 + H2O Õ CO + 3 H2

CH4 + CO2Õ 2 CO + 2 H2

PROCESOS DE REDUCCION DIRECTA

1. PROCESOS EN BASE AL REDUCTOR SOLIDO:

Proceso NP (Nuevo Proceso).- Es este un proceso que se conduce en una cuba con calentamiento exterior. Se ha derivado del proceso de Echevarría (España) que se practicó en una planta de 20,000 ton en los años 1958 - 1965.

Cada cuba viene a ser un reactor vertical calentado exteriormente con petróleo a gas, y cargada con el mineral a reducir en trozos o pelets, el reductor sólido (coque o carbón) y la caliza o dolomita como desulfurante. El proceso es continuo y la carga desciende a medida que se va extrayendo por la parte inferior mediante un gusano en caja refrigerada.

Proceso en Hornos Rotativos.- En estos procesos el reductor sólido (finos de coque o carbón) se cargan conjuntamente con el mineral en trozos o pellets y con el desulfurante caliza o dolomita en un horno rotativo e inclinado en cuya boca de salida se dispone de un quemador de gas petróleo - carbón. Cuando se cuenta con carbón con alto contenido de materias volátiles, se le proyecta desde la boca de salida del horno a varios puntos en el interior de éste de modo que los volátiles que se desprenden resultan convenientemente distribuidos para hacer uniforme el calentamiento con la combustión de los mismos y del CO proveniente de las reacciones en la carga. El aire necesario para esta combustión es aportado por ventiladores montados en la carcasa del horno a lo largo del mismo.

La descarga se efectúa en un cilindro rotativo refrigerado interiormente por agua, y en cuyo interior se aplica también agua para el enfriamiento del producto. Sale éste a una temperatura menor que 200°C, con lo que se evita su reoxidación y es sometida luego a zarandeo y separación magnética para obtener el hierro - esponja y el excelente reutilizable del combustible sólido empleado y para eliminar el residuo constituido por cenizas y el desulfurante.

En actual aplicación industrial existen dos procesos con pequeñas diferencias entre si: El KRUPP - hierro-esponja y el SLRN. El primero de ellos se distingue por tener boquillas de aire con el interior del horno rotativo orientados en sentidos del flujo de gases, a diferencia del otro en que las boquillas descargan el aire en sentido contrario al que siguen los gases. Además, el SLRN recurre a la inyección auxiliar de combustible conjuntamente con el aire a través de la carcasa del horno cuando no emplea carbón proyectado desde la boca de descarga, en tanto que el proceso KRUPP - hierro-esponja no considera quemadoras auxiliares en ningún caso.

El producto obtenido hierro esponja tiene una metalización superior a 93%.

1. METODOS DE REDUCCION DE MINERALES DE HIERRO POR LOS GASES:

Comprenden dos tipos:

1.- La Reducción de minerales de hierro con gases en hornos de cuba.

2.- La Reducción en lecho fluidizado

1.- Reducción con Gases en Hornos de Cuba.- Existe toda una serie de esquemas posibles que difieren:

PROCESO H y L .-

Sea porque en uno de los procedimientos de carga de mineral está inmóvil, es decir el horno se llena al principio de la operación y se descarga de una sola vez al final de la reducción, que: el proceso H - L (Hojalata y Lámina).

El gas natural reformado pasa por tus reactores en los que el mineral permanece estático, correspondiendo al primero la etapa de enfriamiento, la de reducción final de segundo y la pre-reducción al tercero. Hay un cuarto reactor, el cual habiendo completado el proceso, es sometido entre tanto a las operaciones de descarga y nueva carga, así, en cada uno de los reactores se repiten las sucesivas operaciones de carga, pre-reducción, reducción final, enfriamiento descarga. A cada reactor acompaña un enfriador y un calentador. Los enfriadores tienen por objeto eliminar del gas el contenido de agua proveniente de la reducción por hidrógeno. Para elevar luego la temperatura del gas antes de la siguientes etapa de reducción se usan los calentadores indicados siendo todavía necesario quemar una pequeña parte de reductor con aire caliente a la entrada del reactor para conseguir la más alta temperatura que permite al mineral sin aglomerarse.

El hierro-esponja así obtenido no exige tratamiento alguno para evitar su reoxidación durante los períodos normales de almacenamiento hasta su empleo en la misma planta.

El grado de metalización en este proceso se mantiene en el nivel de 8.5 a 90%. Se ha logrado capacidades en este tipo de instalación hasta 420,000 ton. de hierro-esponja por año y se están diseñando actualmente unidades de 500,000 ton/año.

Otros procedimientos de reducción con gas de hornos de cuba son los conocidos como continuos donde los gases pueden ser generados en diferente forma, principalmente:

Gas natural reformado por CO2, gas de tragante del horno de cuba (procedimiento MIDREX y PUROFER, en su 2da versión).

Reformación con aire mediante combustión parcial (1era versión del procedimiento PUROFER).

Reformación estequiométrica al vapor (procedimiento ARMCO) Gasificación del carbono (procedimiento WIBERG).

La característica esencial de todos estos procedimientos consiste en que el gas reductor caliente trabaja en contracorriente con la carga del mineral en forma de pellets y eventualmente, en algunos casos de transferencias de masa, más exactamente la transferencia del oxigeno del sólido al gas.

PROCESO MIDREX. Es un proceso continuo según el cual la reducción del mineral de hierro en trozos o en pellets tiene lugar en un horno de cuba por el que se hace pasar en contracorriente al gas reductor caliente. La carga del mineral por arriba se efectúa mediante varios conductos de alimentadores. Para luego pasar sucesivamente por las zonas de reducción, de enfriamiento y de salida.

El gas reformado a una temperatura cercana a los 1,000°C y conteniendo un 95% de CO más H2, es enfriado parcialmente y luego inyectado en el horno por la parte inferior de la zona de reducción. En éste el proceso se realiza a temperatura de 760 y 800°C. El producto sale del horno a unos 40°C.

La temperatura, relativamente, a la que se conduce al proceso hace que el producto resulte con una reactividad mayor que la permisible para ser expuesto al ambiente durante el tiempo de almacenamiento hasta su uso. Medida por la cantidad de oxígeno que el producto fresco absorba de una atmósfera con determinado contenido de oxigeno, la reactividad del hierro - esponja MIDREX es de 5, lo cual significa que por tonelada de hierro absorbe 5 pie3 de oxígeno por hora. Después de tres días de almacenamiento en solo con atmósfera neutra la reactividad se reduce a 0.03. Si se tuviera que someter a un período largo de transporte de recurre a aplicarle una pasivación especial, consistente en un almacenamiento previo en cuba con atmósfera y temperatura controladas de modo de producir una muy delgada capa superficial a un nivel de 0.001.

El grado de metalización que se obtiene es de 90 a 95%. En capacidad el módulo mayor es de 400,000 ton. de producto por año, pero en la actualidad se están ofreciendo unidades de 500,000 ton/año.

REDUCCION CON GASES EN LECHO FLUIDIZADO. Igual que en todos los procedimientos de reducción en el horno de cuba, existe toda una serie de posibilidades, por ejemplo; el procedimiento HIB, el procedimiento NOVALFER que emplea oxígeno

puro. En todos estos casos, los fenómenos de fluidización imponen ciertas características a los finos del mineral empleadas las que pueden expresarse:

Sea como porcentaje de la fracción de partículas muy finas, el cual no debe exceder cierto nivel.

Sea fijando la dimensión promedio de las partículas, la que debe situarse dentro de cierta zona que depende de la velocidad del gas.

Otra característica común a todos estos procedimientos es que existe una gran variación en los tiempos de permanencia de las diferentes partículas que sales de un determinado reactor.

FABRICACION DEL ACERO

El arrabio y el acero son ambos aleaciones de hierro y carbono. La principal diferencia entre ellos es la cantidad de carbono presente en la aleación. Aproximadamente el 93% del acero producido es el acero al carbono común, consistente únicamente de Fe y C con un mínimo de impurezas como azufre, silicio y fósforo. El acero de aleación difiere del acero al carbono en que se le agregan cantidades controladas de elementos aleantes, como níquel, cromo, tungsteno, etc; para dar características especiales al producto final. El acero con 18% de Cr y 8% de Ni, por ejemplo: es inoxidable y se utiliza para instrumentos de cirugía o maquinaria para alimentos.

El acero se obtiene del arrabio, de la chatarra y últimamente del hierro esponja empleando principalmente los siguientes métodos:

1. Procedimientos de Hornos Siemens - Martín2. Procedimientos Neumáticos3. Procedimientos de Hornos Eléctricos

SIEMENS - MARTÍN.- Llamado también de crisol abierto porque el crisol o piso del horno que tiene la forma de un platillo alargado, está expuesto al barrido de las llamas que funde el acero. Los hornos Siemens - Martín eran originalmente de dos tipos: básico o ácido, según la naturaleza del revestimiento del ladrillo refractario. Al principio los hornos tenían una capacidad de 4 a 5 toneladas, pero los tamaños fueron creciendo hasta llegar a hornos de 600 ton. por colada.

El calentamiento de estos horno se efectúa mediante combustibles gaseosos o líquidos naturales o artificiales, inyectados a presión por medio de inyectores (quemadores) y pulverizados con aire o vapor.

Para lograr la temperatura requerida, el aire para la combustión se introduce previamente calentado utilizando los gases de cálida, en regeneradores o cámaras de regeneración para ello. Los regeneradores son aparatos intercambiadores o acumuladores del calor, consistente en recintas, conteniendo un empilado o emparrillado de ladrillos refractarios y trabajando al calentamiento y al enfriamiento.

El horno mismo consta de las siguientes partes:

1.- El crisol cuya base es la solera y que contiene el metal y la escoria líquidos.

2.- Los menos o paredes frontal, posterior y laterales.

3.- La bóveda o cubierta del horno.

4.- Las puertas de carga y de trabajo.

5.- El recinto libra entre el crisol y la bóveda.

6.-Los conductos ascendentes de gas y aire.

7.- El orificio de colada o piquera y el escoriadero.

8.- El dispositivo de inversión que comprende las válvulas y el mecanismo para operarlo.

9.- Las cámaras de polvo o de escoria que forman parte de los regeneradores.

Entre los accesorios más importantes de estos hornos son de mencionarse:

a-) Las máquinas cargadoras sobre plataforma y rieles o suspendidos de una guía puente.

b-) Las cucharas o caja de carga.

c-) La planta de calderas si se usa vapor de atormización.

d-) Las compresoras si se usa aire comprimido para la misma.

e-) Las bombas, tanques y torres de enfriamiento para el agua da refrigeración.

f-) Los instrumentos de medición y tableros respectivos para medir y controlar: temperatura, presiones, consumo de aire, combustibles, gases, etc.

Los hornos Siemens - Martín pueden ser fijos o basculante, estos últimos pueden voltearse.

El proceso de aceleración en estos hornos puede ser básico o ácido según se requiera o no eliminar P y S. Como en la gran mayoría de los casos se hace necesaria dicha eliminación, el proceso más usado es el básico, y el producto así obtenido se denomina acero básico, para diferenciarlo del acero producido en horno ácido.

El ladrillo usado en los hornos básicos es de magnesita y cromo - magnesita así como magnesita y dolomita granuladas. En los hornos ácidos se usa ladrillos de sílice y cuarzo granulado apizanados.

Durante el proceso se distinguen los siguientes períodos:

1.- Fusión de la carga sólida.

2.- Carga de arrabio.

3.- Ebullición con Mineral.

4.- Ebullición con Caliza.

5.- Desescoriado o extracción de la escoria.

6.- Interrupción de la ebullición con desoxidantes.

7.- Desoxidación y afinación final con recarburación eventual.

8.- Prueba de la temperatura del acero en forma práctica o con pirómetros.

9.- Colada (verter el acero del horno a la cuchara de colada).

10.- Vaciada (verter el acero de la cuchara a los lingoteras o a los moldes).

El tiempo total para producir una colada es de 10 horas , sin oxígeno y empleando oxígeno de 9 a 9 ½ horas.

Estos hornos tienen la ventaja de poseer gran versatilidad, es decir que se puede usar desde carga sólida a líquida posando por todas las combinaciones posibles.

Leyenda:

1. Solera o piso2. Puerta de Carga3. Bóveda4. Entrada de gas yain (quemados)5. Canales de gas y aire6. Cámaras o regeneradores7. Conductores de humos8. Válvulas de conversión9. Crisol con baño líquido (escoria)10. Escape de humos (chimenea)

HORNOS ELECTRICO DE FUSION PARA ACEROS.- Se clasifican en: hornos de resistencia, hornos de arco y hornos de inducción de baja y alta frecuencia.

HORNOS ELECTRICOS DE RESISTENCIA.- Para fundir se usan barras horizontales de grafito como resistencia; siendo de forma rectangular los pequeños hasta de 1 ton. y cilíndrica los mayores de hasta 2 a 3 ton. de capacidad.

Los hornos de Nico utilizan electrodos verticales de grafito y son los más usados en la industria siderúrgica.

En los hornos de inducción el calentamiento se efectúa por la resistencia que éste presenta al paso de una corriente inducida en el metal dentro del crisol, por una o varias bobinas primarias. Son usados generalmente para fundir metales no ferrosos y hierro colado, rara vez aceros al carbono.

HORNOS ELECTRICOS DE ARCO. - Antes de la 2da Guerra Mundial, la producción de lingotes en hornos eléctricos se limitaba casi totalmente a aceros de alta calidad y se hacían para coladas muy pequeñas debido al tamaño del horno y al largo tiempo la fusión que requería el acero. Tratándose de coladas mayores de aceros corrientes al carbono, el horno eléctrico no podía competir económicamente con el Siemens - Martín. La tendencia actual es de ir hacia grandes unidades, equipadas con transformadores de alta capacidad para la fusión acelerada y sistemas de Piro basculante y para la carga rápida.

La capacidad máxima de los hornos eléctricos que se construyen actualmente está alrededor de las 300 ton/colada, y producen calidad comunes de acero y especiales.

El uso del horno eléctrico tiene varias ventajas:

1.- El arco eléctrico es capaz de generar temperaturas extremadamente altas muy rápidamente.

2.- La atmósfera dentro del horno no necesitó oxígeno para sostener la combustión y es menos oxidante que la de un horno calentado con combustible. Más aún, la cantidad de oxígeno que entra al horno puede ser controlada, disminuyendo así, algunas de las impurezas indeseables del oxigeno en aceros finos. Además, los costosos elementos de aleación pueden agregarse al acero fundido sin pérdidas importantes por oxidación.

El cuerpo de un horno eléctrico es una envoltura cilíndrica de acero parecida a una enorme tetera. Está montado sobre una cuna, de manera que puede inclinarse para verter metal fundido o escoria. Tiene dos aberturas, una para la colada y otra con puertas para cargar materias primas y para tomar temperaturas (medida) y muestras.

La mayoría de los hornos modernos están equipados para cargar por el techo. Después que se retira el techo, una gran canasta cargada de chatarra se suspende por el horno, se abre el fondo de aquella y la chatarra cae adentro. Se vuelve a girar la tapa a su posición, se baja los electrodos y se da corriente. Los electrodos son cilíndricos, generalmente 3 y penetran por la tapa del horno. Pueden tener de 4 a 24 pulgadas de diámetro según el tamaño del horno y la intensidad de corriente.

En la mayoría de los casos, la carga del horno eléctrico consiste enteramente de chatarra, pudiendo trabajar con arrabio líquido. Si hay que agregar aleaciones se cargan en el horno usualmente antes de la fusión total.

Un período de fusión en el horno eléctrico es operativamente más costoso porque el consumo de energía y electrodos son en él más elevados. Frecuentemente se usa oxígeno de alta pureza en los hornos eléctricos, ahorrando electricidad por el calor generado, disminuyendo el tiempo de la colada y economizando por ello electrodos y corriente.

Los electrodos van fundiendo un camino a través de la chatarra acercándose al fondo del horno. A este punto, se eleva la potencia a la capacidad máxima del transformador. Entonces la carga se funde desde el fondo hacia arriba, por radiación desde el baño de metal fundido que se forma en el piso, por el calor del arco y por la resistencia de la chatarra al pasaje de la corriente. Esto continúa hasta que toda la carga

está fundida. Durante este período el fósforo, el silicio, el manganeso y el carbono se oxidan.

Cuando la fusión está sustancialmente completa, se vierte parte de la escoria fundida por la puerta del frente del horno, lo que remueve la mayoría de las impurezas. El ciclo total de tiempo del horno eléctrico varía de acuerdo al tipo de carga y potencia de los transformadores y puede estar entre 2 a 8 hs. Para colar, se elevan los electrodos a su altura máxima después de haber cortado la corriente, se abre entonces el agujero de colada y el horno se inclina para vaciar el acero por debajo de la escoria hacia la cuchara colocada en la fosa del horno. La escoria sigue al acero y sirve como manto aislador.

Las partes esenciales o principales de los hornos eléctricos se arco son:

1.- El casco de plancha de acero.

2.- La bóveda o tapa formada por un anillo de plancha de acero y ladrillo refractario.

3.- Los portaelectrodos que constan de los postes o columnas verticales, los brazos

horizontales y los mordazas que sujetan los electrodos.

4.- El mecanismo de volteo.

5.- Las puertas de carga y de trabajo.

6.- El canal de colada.

7.- El equipo eléctrico que comprende:

a. a.          Los transformadores de voltajeb. b.          Los tableros con aparatos de medición y de control manual y automáticoc. c.            El sistema de regulación del arco manual o automático.

8.- En un interior el horno comprende las siguientes partes:

a. La solera o pisob. El crisolc. Paredes o muros

9.- Los electrodos de grafito

10.- Los ladrillos refractarios del horno, que pueden ser:

a. Básico: de magnesita, cromomagnesita y dolomita.b. Ácido: de sílice.

PERIODOS DE TRABAJO DE EL HORNO ELECTRICO. - Entre colada y colada hay diferentes períodos de trabajo que no siempre son fijos, algunas veces el

primer período no ha terminado, pero el otro puede ser comenzado. Los períodos de trabajo son los siguientes:

1. Carga2. Fusión3. Oxidación4. Reducción o afino5. Período de adiciones al horno y la cuchara6. Desoxidación7. Colada8. Reparación del horno

1. CARGA.- La preparación de la carga tiene gran importancia para la buena marcha de la operación. Para evitar tiempos largos durante el proceso, la chatarra debe ser seleccionada de tal manera que después de la fusión se pueda oxidar por lo menos 0.20% C hasta el análisis final.

Si la chatarra está muy oxidada se debe colocar al fondo una parte de cal junto con el arrabio sólido para que el FeO de la chatarra no ataque la solera.

Si la carga consiste de una chatarra con alto carbón, como por ejemplo: material de fundición, se debe cargar también en la mitad de la canasta, mineral bien repartido para que el acero no salga después de la fusión con alto porcentaje de carbón.

2. FUSION.- Muy importante es que la chatarra esté bien compartida en el horno. En los primeros minutos del arranque es mejor no trabajar con toda la capacidad del transformador porque se pueden presentar algunas dificultades son en su mayoría porque la chatarra no está bien repartida o hay cal o caliza que forma un aislamiento.

En el inicio de la fusión es conveniente que los electrodos bajen con cuidado para que no se rompan y si se han roto es necesario quitar las puntas para evitar sobrecarburación de la carga.

3. OXIDACIÓN.- Al final del período de fusión se puede comenzar con la oxidación del baño con la ayuda de la escama, a veces con oxigeno gaseoso, de tal manera que después de una agitación del baño el contenido de carbón baja y se produce una desgasificación, limpiando de esta manera el acero de las suspenciones. Esta oxidación del baño se puede efectuar hasta cerca del análisis final. Al final de la oxidación se debe evacuar la escoria y sacar la primera muestra.

4. REDUCCION Y AFINO.- El período de afino comienza con una pre-desoxidación del baño, después que se ha escoriado adicionando solamente ferromanganeso en caso de acero tipo extra dulce, en caso de otros tipos de acero con mayor contenido de silicio en el análisis final, se puede también trabajar con ferrosilicio. Después de estas adiciones se debe formar una nueva escoria. Esta escoria tiene la función principal de desulfurar, por eso la escoria debe ser bien reactiva, para esto la cal debe entrar en el baño con fundente: espato o bauxita, si hay mucho azufre en la carga se debe trabajar con la escoria reductora.

La cantidad de escoria reductora debe ser más o menos 4% de la carga, esta escoria está bien formada si después de solidificarse fuera del horno se convierte en polvo. De esta manera el azufre del baño forma el sulfuro de calcio según la reacción:

Fe S + Ca O Õ Ca S + Fe O

La temperatura deseada final debe alcanzarse poco a poco durante el proceso de afino pero de ninguna manera se debe subir la temperatura final en un tiempo corto con mucha energía, porque traería como consecuencia malograr el revestimiento del horno por las fuentes radiaciones.

5. ADICIONES AL HORNO Y LA CUCHARA.-

Manganeso.- Debe entrar una parte al horno después del proceso de oxidación una vez retirada la escoria oxidante y la otra parte a la cuchara, esta última es para ajustar el análisis final.

Silicio.- Solamente debe ser adicionado en la cuchara.

Carbón.- Se es necesario una recarburación del acero mediante adiciones en las siguientes formas:

a. a.          Después que se ha retirado la escoria se puede colocar carbón en forma de grafito molido sobre el baño limpio.

b. b.          Adición de arrabio sólido o ferromanganeso con alto contenido de carbono en el baño durante el proceso de afino.

c. c.            Adición de polvo de electrodos o coque molido directamente en la cuchara.

De ninguna manera se debe recarburar con los electrodos por cuanto sube el consumo de los mismos y por tanto el costo del acero.

1. DESOXIDACION.- Aparte de la mencionada predesoxidación en el horno se debe efectuar una desoxidación final en la cuchara para bajar el oxígeno del baño del acero que todavía se encuentra desde el período de oxidación y que al final este contenido se incrementa por el ambiente atmosférico al calor en al cuchara.

Materiales desoxidantes son los siguientes: aluminio, calciosilicio, ferrosilicio, etc. Se debe controlar que estas adiciones entren bien directamente al chorro de acero para que con la turbulencia se mezclan en la cuchara y reaccionen con el acero, pero que no floten sobre la escoria por su menor peso específico.

2. COLADO.- Si una nueva muestra de control de temperatura y análisis final del acero indican que la colada está terminada y se debe colar el acero. Se debe limpiar bien al piquera y controlar que la cuchara también esté limpia. Las adiciones en la cuchara deben entrar cuando el acero está colado más o menos la cuarta parte de la cuchara. En tal forma que primero entran los desoxidantes y después de la adiciones, al final de la colada no debe entrar mucha escoria sobre

el acero. La superficie del baño debe ser cubierta con pajilla de arroz para evitar la pérdida de calor.

3. REPARACION DEL HORNO.- La reparación del horno debe comenzar después de vaciar toda la escoria para que la solera quede limpia y seca. Si es necesario se deben hacer reparaciones parciales en la solera con dolomita alquitramada.

Reacciones principales.- La separación de las impurezas tiene lugar en el período de oxidación, en la misma forma que en el proceso Siemens - Martín, según las siguientes reacciones:

2 Fe O + Si Õ 2 Fe + Si O2

Fe O + Mn Õ Fe + Mn O

5 Fe O + 2 P Õ 5 Fe + Pe O5

P2 O5 + 3CaO Õ 3 CaO + P2 O5

2 P + 5FeO + 3CaO Õ 3 CaO P2 O5 + 5Fe

P2 O5 + 3CaO Õ 3 CaO + P2 O5

Mn O + Si O2Õ Mn Sio3

Ca O + Si O2Õ Ca Sio3

Una pequeña cantidad de azufre se separa del metal durante este período de reducción acuerdo con la siguiente reacción:

Fe S + Ca O Õ Ca S + FeO

Fe S + Mn O Õ Mn S + FeO

Los sulfuros de calcio y manganeso ascienden a través del metal y entran a formar parte de la escoria.

Con la formación de la escoria reductora empieza la verdadera fase de afino. El baño, está formando ahora con muy pequeñas impurezas disueltas a excepción de óxido de hierro y óxido de carbono, pero tiene en suspensión pequeña cantidad de óxidos de Si y Mn. La nueva escoria separa estas últimas impurezas. Los óxidos se reducen, el hierro y manganeso resultantes vuelven el baño. El espatofluor se añade principalmente para mantener fluida la escoria pero también contribuye a la separación del azufre de acuerdo a la siguiente reacción:

2 Fe S + 2 Ca F2 + Si Õ 2 Fe + 2 CaS + Si F2

El ferrosilicio de una aleación de hierro y silicio. Es un purificador o limpiador que quita el oxigeno al acero y lo pasa a la escoria. El ferrosilicio penetra en la escoria, la desoxida y la pone en condiciones para que pueda reaccionar después con las impurezas del metal. También contribuye a la separación del S según la siguiente reacción:

Fe S + Si Õ Fe + Si S

La temperatura de colado es 1,600°C, pero la temperatura cuando ha terminado la fusión es 1,670°C.

PROCEDIMIENTOS NEUMATICOSHay varios tipos de hornos siderúrgicos neumáticos: el básico de oxígeno, el

Kaldo y el Rotor. Hoy día existen muy pocos hornos Kaldo en funcionamiento y ninguno del tipo Rotor. Además, hay el procedimiento ácido de soplado por el fondo, generalmente llamado Bessermer.

De 1,870 a 1,910, el procedimiento Bessemer produjo la mayor parte del abastecimiento mundial de acero. Pero éxito del método Bessemer depende del mineral de hierro de alta pureza y del coque metalúrgico igualmente alta. A medida que se fueron agotando los minerales de elevada pureza, los otros tipos de hornos empezaron a reemplazar al Bessemer hasta que éste se transformó en un procedimiento siderúrgico menor en todo el mundo. Hoy prácticamente ha desaparecido. La ventaja principal de todos los procedimientos siderúrgicos neumáticos es el acortamiento del tiempo que lleva la creada. Por ejemplo, el procedimiento Bessemer puede producir acero tan rápidamente como el convertidor de oxígeno, pero se requiere de materias primas seleccionadas y las propiedades de ese acero limitan estrictamente su aplicación.

Estos procedimientos no deben ser confundidos con el uso de oxígeno para intensificar la combustión y acelerar la eliminación del carbono en los hornos Siemens - Martín y eléctricos.

COMVERTIDOR BESSEMER.- El convertidor Bessemer es un recipiente de acero en forma de pera, revestido interiormente con ladrillos refractarios. El fondo es una placa refractaria hecha de material compacto dejando numerosos huecos pequeños llamados toberas, que conectan el interior del convertidor con una cámara de aire en la otra cara de la placa. El aire, proporcionado por una soplante, pasa de la mencionada cámara por la toberas a través de la carga de arrabio líquido que se ha puesto en el convertidor para su refinación y conversión en acero. El proceso se conduce en pocos minutos. El convetidor no necesita combustible alguno, pues el proceso de oxidación es tan rápido que la temperatura se eleva lo suficiente para mantener el metal bastante por encima de su punto de fusión a pesar de que ésta es considerablemente mayor en el acero obtenido que en el arrabio cargado. Un mecanismo para bascular el convertidor facilita su carga y descarga. Cuando el arrabio contiene en demasía azufre o fósforo es necesario recurrir a cargar cal para poder eliminar estas impurezas en una escoria similar a la que se forma en los hornos Siemens - Martín. Pero para poder operar con dicha escoria se requiere un revestimiento refractario distinto del empleado por el Convertidor Bessemer en su concepción original. El nuevo refractario, introducido por G.Thomas, es químicamente

básico, de allí que en tal caso se le llame convertidor Bessemer Básico o simplemente convertidor Thomas.

Como en estos convertidor, Bessemer o Thomas, el calor para subir la temperatura del metal al nivel conveniente procede de las reacciones de oxidación, es necesario que el arrabio contenga elementos oxidables es cantidad suficiente, lo cual introduce ciertas limitaciones y hace que no puedan aplicarse en todos los casos aparte de que la calidad del acero obtenida en ellos no alcanza los grados más altos que si se logran en otros procesos.

Fe + ½ O2Õ FeO + 64,300 Calorías

2Fe + Si Õ 2Fe + SiO2 + 78,900 Calorías

FeO + Mn Ö Fe + MnO+ 32,290 Calorías

C + FeO Ö CO + Fe + 34,460 Calorías

Fe3C + FeO Ö CO + 4Fe

PROCESO L - D (Básico de Oxígeno).- El procedimiento básico de oxígeno es un método de conversión de arrabio y chatarra en el cual se le inyecta el oxígeno hacia abajo contra un baño de metal. Fue hecho funcionar por primera vez en escala comercial por dos empresas siderúrgicas austriacas de Linz y Donawitz, por eso se le llama L - D.

La principal ventaja que se le adjudica a este método es el tiempo de unos 35 a 45 minutos de colada a colada. Se están haciendo coladas de hasta 400 toneladas y el acero resultante tiene las mismas características que los obtenidos del proceso Siemens - Martín. Se pueden producir aceros efervescentes, semicalmados y calmados de cualquier porcentaje de carbono. Aunque se han fabricado con este método aceros de aleación y también inoxidables, el tiempo de permanencia en el convertidor para asegurarse de la composición química deseada elimina en gran medida de ventaja del ciclo corto y en general, sólo se producen aceros al carbono. Como se necesita una gran cantidad de arrabio líquido para iniciar la reacción oxidante, el consumo de chatarra esta limitado a un máximo de un 30% de la carga del convertidor.

El procedimiento del horno básico de oxígeno se dirige mediante una lanza un chorro de oxígeno de alta pureza a elevada velocidad contra el hierro fundido contenido en el convertidor. El convertidor puede inclinarse 180° hacia cualquiera de los lados de carga y de colada.

Después de cargar el convertidor se introduce la lanza de oxígeno y se abre el flujo de este gas. Colocada la lanza en una posición determinada, empiezan las reacciones del soplado. La acción del chorro de oxígeno es en parte química y en parte física. Golpeando la superficie del baño, el oxígeno inicia inmediatamente reacciones que llevan a la formación de óxido de hierro, parte del cual se dispersa rápidamente por el baño. Se desprende óxido de carbono, que produce un vigoroso hervor y acelera las reacciones metalúrgicas de afino.

Inmediatamente después que empieza el chorro de oxígeno, cantidades controladas de fundente para formar escoria (principalmente cal, fluorita y escamas). Luego de estos aditivos el soplado continúa ininterrunpidamente hasta el final. Este final se alcanza cuando hay una caída visual de la llama y un cambio de sonido en el convertidor. Se cierra entonces el oxígeno y se retira la lanza del convertidor. Luego se gira éste hacia el lado de carga hasta que la escoria queda al nivel del ----- de descarga. La cantidad de escoria, unos 110 kgs/ton. de acero, hace necesario descargarla en esta etapa. Se toma en seguida la temperatura del baño y se verifica el tenor del carbón . Si ambos son correctos, se inclina el convertidor hacia el lado de colada hasta que la escoria remanente se acerca al labio y el metal fluye a la cuchara por el agujero de colada sin mezcla de escoria. De ahí en adelante, prosigue de la misma manera que para las similares calidades de acero obtenidas en otros tipos de procesos.

Después que el convertidor ha sido vaciado, es a veces necesario limpiar algunos restos que quedan sobre la nariz de la lanza, peso generalmente la carga siguiente puede pesarse inmediatamente.

REACCIONES METALURGICAS EN LA FABRICACION DEL ACERO EN EL PROCESO L - D

Para su mejor conocimiento del proceso es necesario explicar algunos conceptos químicos. Al contrario del proceso físico, el proceso químico siempre está acompañado de un cambio de las materias que reaccionan, por ejemplo; en la combustión del carbono, el carbono reacciona con el oxígeno formando un nuevo cuerpo: el anhídrido carbónico.

Este nuevo cuerpo es muy diferente de los elementos que lo han formado, de estado gaseoso, es más pesado que el gas de oxígeno y no inflamable. Si este nuevo cuerpo entra en acción con el agua, forma un ácido débil.

La reacción de conexión de elementos a una composición, peor también la descomposición de los cuerpos en elementos o en otros compuestos, se caracteriza por su respectiva reacción química.

Durante el afino de arrabio, la mayor cantidad de calor se produce por la combustión de sílice y fósforo que se encuentran solubles en el hierro (por ejemplo: la oxidación de 28 gr. de sílice produce 210 Kcal).

REACCIONES DURANTE EL AFINO:

El arrabio producido en el alto horno tiene aparte de hierro, elementos que hacen imposible laminarlo o forjarlo como el acero. El arrabio contiene cerca de 90% de hierro, el resto consiste de elementos acompañados de C, Si, Mn, P, S, trazos de Cu, Ni, Cr, Etc.

De acuerdo a las necesidades se producen diferente calidades de arrabio en el alto de horno. Para las necesidades de las acerías se producen normalmente un tipo de arrabio del siquiente análisis; C: 4 a 4.3%, Si: 0.2 a 1%, Mn: 1 a 3%, P: 0.1 a 0.3% y S: 0.02 a 0.005%.

El trabajo principal de las acerías es bajar el porcentaje de estos elementos hasta límites que permitan al metal su posterior utilización en laminados o forjados.

Esta transformación se efectúa principalmente por oxidación, esto quiere decir que los elementos (C, Si, P) se transforman en óxidos por medio del oxígeno. Estos óxidos son insolubles en el hierro líquido, se eliminan en forma gaseosa o líquida durante la colada. El proceso de la oxidación mismo como el afino.

En el proceso L -D se sopla oxígeno puro sobre la superficie del arrabio.

El arrabio no puede solubilizar todo el oxígeno que se inyecta a la zona central del baño, por eso se forma inmediatamente una escoria que consiste de FeO, este óxido de hierro se hace soluble una parte en el hierro líquido y la otra parte reacciona con los elementos del arrabio. El óxido de hierro encuentra alternativamente entre la escoria y el baño.

Las reacciones que se producen durante esta etapa son de carácter exotérmico, llegando a conseguir temperaturas controladas hasta 1,700°C al terminar el soplo, cuya duración es aproximadamente, 15 minutos.

C + O Õ CO Si + O2Õ Si O2

C + O2Õ CO2 2 S + 2O2Õ 2SO2

Mn + O Õ MnO Fe + O Õ Fe O

2P + 5O Õ P2O5

Durante el soplo junto con escama o pellets, bauxita, espatofluor, se agrega cal de 90% de óxido de calcio desde el inicio, la que forma una escoria básica reactiva que sirve para ---ver los elementos como S, P, Si y Mn, siempre bajo la presencia de óxido de hierro, el cual se encuentra en la escoria en un porcentaje de 1.0 a 25 %.

DESCARBURACION.- Una de las más importante reacciones del afino es la eliminación del carbono del arrabio líquido. El anhídrido carbónico no se puede formar en esta reacción por que este gas no es estable a alta temperatura, que es la que existe en la fabricación del acero ( 1,600°C ). Si hay exceso de oxígeno sobre el baño hasta la chimenea, este oxígeno puede reaccionar con el CO y completar así la combustión ( se forma CO2).

La reacción: C + O Õ CO, no es total. Por eso un acero con alto contenido de carbono sólo puede fijar poco oxígeno, o al revés, menos contenido de carbono corresponde a alto contenido de oxígeno. Los contenidos que se presentan técnicamente en el proceso siempre se encuentran en esta línea de equilibrio, esto es que la reacción del CO no puede completarse por diferentes causas ( falta de suficiente turbulencia, etc ). Por eso en el proceso de soplado la turbulencia en el baño tiene una gran importancia para la buena maraca de esta reacción.

ESCORIFICACION DEL SILICIO, MANGANESO Y FOSFORO.- El afino de los elementos: Si, Mn y P, marcha según las siguientes reacciones:

[ Si ] + 2(FeO) + 2(CaO) Õ 2(CaO. SiO2) + 2[ Fe ]

[ Mn ] + (FeO) Õ 2(MnO) + [ Fe ]

2[ P ] + 5(FeO) + (CaO) Õ (CaO. P2O5) + 5[ Fe ]

[ ] ←elemento que se encuentra solubilizado en el hierro.

( ) ←cuerpo presente en la escoria.

Estas tres reacciones son las principales que producen calor en el proceso (exotérmicas). Un kg de sílice (en forma de SiO2), produce 7,810 Kcal, y un Kg de fósforo (P2O5), produce 6,050Kcal. Para controlar esta sobreproducción de calor se puede utilizar en el proceso adiciones de cargas frías (pellets, mineral, chatarra, etc).

La intensidad de la oxidación del hierro y sus elementos acompañantes dependen principalmente de las diferentes presiones de la desoxidación de los óxidos, de la temperatura del baño y de las proporciones de las concentraciones en el sistema baño - escoria.

La base de una buena desfosforización es una cal de buena calidad y reactiva.

DESULFURACION.- Es la eliminación del azufre y se produce de dos maneras, una parte por combustión con el oxígeno en forma de anhídrido sulfuroso (gas, que sale a la atmósfera con los humos) y por otra parte mediante las siguientes reacciones:

S + (CaO) Õ (CaS) + O

[ FeS ] + (CaO) Õ (FeO) + (CaS)

En general la desulfuración en el proceso L - D tiene, según la atmósfera oxidante su límite, por ejemplo no es posible desulfurar más del 50% del azufre que ha entrado en la carga. Por esta razón los porcentajes de azufre en el arrabio no deben ser altos.

La desulfuración se realiza mejor a alta temperatura (la desfosforación con bajas temperaturas). Esto significa que la desulfuración principal se realiza al final del soplo.

ESCORIA.- Para escorificar la sílico, fósforo y azufre se necesita una cierta cantidad de cal. Las reacciones correspondientes se efectúan mejor si hay más cal libre soluble en la escoria.

La basicidad, que es la relación entre la cal y el óxido de silicio, debe ser alta. No se debe trabajar con exceso de cal por que la solubilidad de la escoria por la cal tiene su límite. La cal que se encuentra en exceso en la escoria, queda en forma sólida y por esta razón la escoria es densa y no reactiva, además los costos de fabricación suben sin ningún beneficio. Por eso la basicidad debe ser alrededor de 3.

REACCION DE LA ESCORIA "REBALSE".- Un gran rebalse (salida de la espuma) por la boca del convertidor no es conveniente por las pérdidas de hierro, metalización de las lanzas, chimenea y el proceso metalúrgico no trabaja correctamente. Estas reacciones violentas no se pueden evitar completamente, pero se pueden reducir según las siguientes acciones en la operación del convertidor:

1. 1.          Trabajando con buena calidad de cal y reactiva.2. 2.          El contenido de sílice en el arrabio no debe ser alto, máximo 1.2%.3. 3.          Evitar el enfriamiento del Convertidor por interrupciones. 4. 4.          Evitar entradas de agua es el convertidor.5. 5.          La temperatura del arrabio no debe ser baja.

DESOXIDACION DEL ACERO.- Al fin del fino, antes de colar, el baño tiene gran cantidad de oxígeno que resulta según la contrareacción de los óxidos de hierro de la escoria, por eso la cantidad de oxígeno en el baño líquido depende de la constitución de la escoria y de la temperatura.

El contenido de oxígeno en el acero líquido siempre es más alto, si los contenidos de C, Mn y P son bajos, y el contenido de FeO en la escoria es alto, así como temperaturas altas.

El oxígeno en el acero tiene una gran influencia en la solidificación y en la calidad. Si se cuela el acero sin adiciones desoxidantes, el carbón en el acero baja el contenido de oxígeno a límites mínimos formando el CO, el equilibrio del producto carbono y oxígeno durante el tiempo de solidificación baja a valores muy pequeños además la formación de CO se hace más intensiva por la segregación del carbono y oxígeno en el resto del acero líquido, al solidificar el acero en la lingotera, hay una segregación del carbono u oxígeno en la parte líquida que va con la frontera de sólido a líquido). Este fenómeno de hervido se llama efervescencia.

Todas las coladas no se pueden colar efervescentemente, según su composición química, por tal motivo son desoxidadas en la cuchara durante la colada por medio de desoxidantes que secan el oxígeno del baño en forma de óxidos insolubles.

Los desoxidantes más usados son: Al y Si, también se utilizan Ca, Mn y C o combinación entre ellos.

Las reacciones químicas durante la desoxidación son las siguientes:

[ Si ] + 2[ O ] Õ ( SiO2 )

[ Si ] + [ Mn ] + 3[ O ] Õ ( Mn O. SiO2 )

2 [ Al ] + 3[ O ] Õ ( Al2O3 )

[ Ca Si ] + 3[ O ] Õ ( CaO. SiO3 )

La desoxidación, como las reacciones de afino no son completas, siempre se queda en el acero una cierta cantidad de oxígeno, este resto de oxígeno es más bajo según el desoxidante usado.

Los desoxidantes se adicionan normalmente al acero durante la colada en la cuchara, por la razón de que durante la colada, el chorro de acero del convertidor forma una fuerte turbulencia y por eso entran bien las adiciones en el acero y por la turbulencia suben más fácilmente los óxidos de la desoxidación a la superficie de la cuchara por su menor peso específico y por no ser solubles en el acero.

 

DESCRIPCION DEL CONVERTIDOR PROPIAMENTE DICHO

El convertidor L - D es de forma similar al Bessemer, pero carece de cámara de aires y toberas por que en él la combustión de los elementos oxidables del arrabio se efectúa mediante el soplo de oxígeno sobre el metal cargado empleando para ello, un tubo refrigerado por agua llamado lanza que se introduce por la boca del convertidor.

El convertidor es basculante y tiene una boquilla de colada cerca de la boca. Las partes del convertidor son las siguientes: recipiente, los ejes donde se apoya el convertidor, las soplantes, los motores y el revestimiento fractario.

El recipiente es de acero soldable. Algunos convertidores son equipados con fondos cambiables con el objeto de ganar tiempo en la demolición y construcción, en este caso existe un fondo adicional con su refractario listo para entrar en operación.

MATERIAL REFRACTARIO.- Los convertidores L -D se construyen normalmente con revestimiento básico. El revestimiento permanente consiste de magnesita y para el desgaste se puede usar de acuerdo a las condiciones de trabajo, magnesita, dolomita o combinación de las dos. Normalmente los revestimientos son de ladrillo, y entre el permanente y de desgaste se apisona magnesita o dolomita, así como en la parte del fondo y en el hueco de colada.

FACTORES QUE INFLUYEN A LA MAYOR DURACION DE UN REVESTIMIENTO.-

1.- El diseño y el volumen del convertidor

2.- El peso de la carga

3.- El tipo del arrabio (componente químicos)

4.- El tipo de escoria

5.- El programa de producción y el tiempo de soplo

6.- La temperatura de la colada

7.- La distancia de la lanza al baño

8.- La carga del convertidor

4.- EL TIPO DE LA ESCORIA.- La basicidad no debe bajar de 2.5. Un alto contenido de FeO en la escoria es peligroso y más si el revestimiento es de dolomita. El tiempo que podría estar la escoria en el convertidor debe ser el menor posible.

5.- EL PROGRAMA DE PRODUCCION Y EL TIEMPO DE SOPLO.- Se debe efectuar en el menor tiempo de tal manera que la escoria no tenga mucho tiempo para atacar el revestimiento, Además los tiempos de carga a carga deben ser muy cortos para evitar los choques térmicos.

6.- LA TEMPERATURA DE COLADA.- El sobrecalentamiento se debe evitar al máximo y más en el revestimiento de dolomita. Interrupciones largas son peligrosas para el revestimiento ya que produce choques térmicos (magnesita) y además el oxígeno de la atmósfera tiene tiempo para difundirse en los ladrillos y que contienen carbón. En estos ladrillos la duración disminuye por la oxidación del carbón.

7.- LA DISTANCIA DE LA LANZA AL BAÑO.- Muy importante es que la lanza esté bien centrada, porque el chorro de oxígeno es mejor repartido en el baño, por esta razón el soplo es más suave y produce menos turbulencia en el baño, hay menos proyecciones metálicos, la formación de la escoria es mejor debido a que la cal reacciona más rápido.

8.- La vida de un revestimiento se puede prolongar con reparaciones y utilizando máquinas proyectoras.

SOLIDIFICACION DEL ACERO.- Puede realizarse por dos métodos:

1. Colada en lingotes.2. Colada continua.

1-) COLADA EN LINGOTES.- Los moldes para lingotes son de fundición, hondos, de paredes gruesas, de formas y tamaños variables, y de un peso que suele ser igual al del acero al que ha de contener. Sus paredes deben ser fuertes para resistir la presión ferrostática del acero fundido, y de suficiente espesor para que el enfriamiento del mismo sea bastante rápido. La forma de los moldes es importante para regular ciertos aspectos de calidad del acero. Los más importantes son en orden de preferencia: los rectangulares, cuadrados, poligonales y redondos. Los moldes cuadrangulares y rectangulares tienen siempre las esquinas redondeadas. Su radio de curvatura (R) debe ser estudiado con el fin de asegurar un enfriamiento regular y evitar que se produzcan grietas internas y superficiales. Muchos moldes (lingoteras) poseen ondulaciones interiores, cuyo objeto es aumentarla superficie del lingote y producir una corteza más resistente, lo mismo que reduce al mínimo los grietas superficiales.

Durante la solidificación ocurren untos procesos físicos y químicos. Entre los procesos físicos tenemos: la conductibilidad del calor por las paredes al medio ambiente y la bajada de volumen del lingote (contracción). El acero líquido tiene una cierta cantidad de calor que resulta parcialmente del arrabio líquido y del calor de las reacciones que —producen durante el afino. Durante la solidificación del acero esta cantidad de calor debe evacuarse (extracción), una parte de este calor se va durante la colada y el tiempo de espera en la cuchara, pero la mayor parte del calor se va durante la colada en los lingotes por las paredes de la misma. La solidificación del metal se dirige hacia el centro del lingote.

El acero solidificado tiene un peso especifico de aproximadamente 7% más que el acero líquido, por tal motivo es que el lingote solidificado tiene volumen que el lingote líquido.

TIPOS DE COLADA EN LINGOTES.- La colada en lingotes se puede realizar en dos formas: la llamada colada directa y la colada indirecta.

1.- COLADA DIRECTA.- Esta se efectúa directamente de la cuchara a la lingotera. La colada directa depende de la velocidad y puede ser: lenta ó rápida.

a. Colada Lenta.- Se cuelan todos los aceros y más los que son sensibles a las grietas, éstos son los aceros con alto contenido de carbón y aceros aleados. Su velocidad es de aproximadamente 1 ton/ min.

b. Colada Rápida.- Se una si se tiene grandes capacidades de hornos que obligan que grandes cantidades de acero líquido deban ser coladas en el tiempo previsto. Este factor juega un papel mucho más importante en el tipo de acero efervescente. La velocidad de colada rápida es de 10 ton/min.

2.- COLADA INDIRECTA.- El acero líquido se vierte sobre una lingotera llamada madre, llenándose las demás lingoteras a través de conductos refractarios de abajo hacia arriba. Aplicando este sistema se puede colar varias lingoteras a la vez.

La lingotera madre distribuye el acero a diferentes canales que alimentan las lingoteras.

TIPOS DE ACEROS

Los factores que gobierna la estructura del lingote de acero están influenciadas, en grado y extensión, por una o varias condiciones entre las cuales figuran la temperatura y composición química del metal y de la escoria, la velocidad de colada y el tamaño y la forma de los lingotes.

La fabricación del acero es un proceso de oxidación, y el metal fundido tal como viene del horno, contiene oxígeno en forma de óxidos disueltos, cuya cantidad varía con la composición deseada y con ciertas condiciones particulares de la fabricación.

Si al metal fundido se le agrega en cantidades suficientes elementos desoxidantes, tales como: Mn, Si o Al, bien sea en el horno, en la cuchara o en las lingoteras, aquel solidificará tranquilamente y sin desprendimiento de gases. Si conoce como acero calmado al lingote que solidifica en el molde tranquilamente y con pequeño o ningún desprendimiento de gases, a causa de la adición de desoxidante en cantidades suficientes. Cuando el proceso de desoxidación es incompleto, resulta un tipo de acero que se conoce como semicalmado.

El acero calmado o acero completamente desocidado, es el de composición química homogénea y contiene pequeñas cantidades de inclusiones no metálicos bien distribuidas. El hecho de contener poco oxígeno libre permite utilizar, sin grandes pérdidas, elementos oxidantes de aleación de precio elevado, y además se puede regular entre estrechos limites, el carbono y manganeso.

Desde el punto de vista de composición química y de estructura general de lingotes, es la mejor calidad que se produce. Casi todos los aceros aleados y grandes cantidades de aceros al carbono pasa servicios de seguridad, están completamente desoxidandos. Tratado térmicamente, da la estructura más uniforme, tanto en su sección

longitudinal como transversal y, por lo tanto, posee propiedades mecánicas y físicas superiores a la de los aceros semicalcados o efervescentes.

El acero semicalmado o semidesoxidado no es tan químicamente homogenio como el calmado. No obstante está completamente libre de inclusiones producidas por un exceso de Si a Al, porque las cantidades utilizadas de estos elementos no satisfacen por completo la cantidad total de oxígeno presente.

Los elementos de aleación oxidables, de elevados precio, no pueden usarse en el acero semicalmados porque se malgastaría en gran proporción, y el carbono y el manganeso no pueden regularse dentro de los estrechos límites que son posibles en el acero calmado.

El acero semicalmado contiene sopladuras próximas a la superficie del lingote y, generalmente, carece de un aspecto superficial tan bueno como los aceros calmados o fervescentes. Sin embargo, constituyente un productos de buena cantidad para su transformación en planchas, perfiles para estructuras y otras piezas pesadas.

Otro tipo de acero es el conocido como efervescente. En su fabricación se emplean cantidades limitadas de desoxidantes, que deben regularse para obtener lingotes de características definidas. El oxígeno excedente se combina con el carbono del metal, formando un gas que, en unión de otros, se separa en grandes cantidades durante le enfriamiento del lingote. En el transcurso de la fase efervescente, los gases descienden y la solidificación progresa de fuera a dentro. Antes que ésta termine, solidifica la cabeza del lingote, evitando el ulterior escape del gas.

Las interacciones físicas y químicas dan lugar a tres zonas, claramente definidas en la sección transversal:

1.- Una pared de metal limpio sólido, con menos carbón que en las zonas internas.

2.- Una zona intermedia que contiene sopladuras variables en tamaño y extensión, los cuales se sueldan durante la laminación.

3.- Una zona central con gran concentración de metaloides.

No todos los aceros pueden solidificarse en forma efervescente tal procedimiento queda reducido a aquellos que no contienen más de 0.20 de carbono a 0.60 de manganeso. Estos aceros no pueden usarse corrientemente, en estado de temple y revenido, porque no son lo suficientemente homogéneos en toda su sección transversal.

A pesar de que el acero efervescente contiene segregaciones en el centro, y de los únicos elementos de aleación que se pueden usar son los no oxidables, posee muchos virtudes que lo hacen eminentemente adecuados para la fabricación de alambres, planchas y flejas. Reúne características, tanto en la superficie como en la zona intermedia, que está formada por metal limpio, pobre en carbono, y casi libre de inclusiones no metálicas. Esta zona intermedia es muy dúctil y por consiguientes adecuada para la fabricación de productos poe estirado, prensado o estampado. La superficie del metal fluye uniformemente y con suavidad bajo la acción de la matriz, y por ello son pocas, o ninguna, las inclusiones no metálicas presentes, que actuarían como concentradoras de tensiones, y no se abren o rasgan durante la conformación.

2-) COLADA CONTINUA.- Una innovación tecnológica relativamente nueva en la Siderurgia, consiste en eliminar el lingote en la conversión en acero semiterminado mediante el empleo de la colada continua.

La idea de la colada continua fue concebida en 1,860 por Enrique Bessemer. Sin embargo, lo inadecuado de los materiales mecánicos de aquella época, motivaron el fracaso del principio en la práctica. Desde hace varios años la colada continua está siendo introducida con éxito en muchas acerías y tiene como propósito principal mejorar el rendimiento del acero semiterminado y eliminar el gasto en hornos de foso de calentamiento, laminadores primarios (de planchones y tochos) y laminadores de palanquillas.

El acero que debe pasar por la máquina de colada continua se cuela en una cuchara precalentada y se transporta con una guía a la máquina. Al abrir la tobera de la cuchara el acero fluye a una artesa revestida de refractario o " tundish" (repartidor) que actúa como un depósito inmediatamente encima de la lingotera y protege el metal líquido de la oxidación.

A medida que el acero fundido fluye de la artesa a la lingotera, se enfría, formando una costra de ¼ a ½ pulgada de espesor. Una serie de rodillos atrapan y tiran hacia abajo el planchón o la palanquilla, precedidos por un falso planchón o palanquilla insertada en el fondo de la lingotera. Un mecanismo sincronizado hace oscilar la lingotera verticalmente dentro de la cámara de enfriamiento. Esta oscilación elimina práticamente la adhesión de colada o lingotera (de metal a lingotera). La solidificación que se desarrolla en la lingotera es pequeña y luego chorros de agua debajo de la lingotera enfrían la pieza colada (planchón, tocho o palanquilla). A medida que la pieza colada desciende, pasa por una serie de pequeños rodillos, que retienen y soportan todas sus caras.

Debajo de estas cámaras de enfriamiento hay sopletes oxiacetileno o propano montados de manera que pueden entrar en acción a intervalos deseados para cortar la pieza colada en las longitudes requeridas.

Los largos cortados descienden luego a una plataforma de enfriamiento. Hasta hace poco tiempo sólo se podían colar una variedad restringida de tipos de acero, por ejemplo; el acero efervescente se colaba con poco éxito debido al hervor que tiene lugar en la lingotera. Ha habido, por el contrario, un amplio éxito en la colada continua de aceros calmados y de varias calidades de aceros aleados.

Básicamente hay cuatro tipos de máquinas de colada continua:

a. Vertical.b. Vertical con doblado de la barra en posición horizontal.c. Molde recto y posterior a la lingotera, la barra es doblada por medio de rodillos.

d. Molde curvo.

Cualquiera que sea el tipo de máquina empleada, una de las grandes ventajas del proceso es su elevado rendimiento metálico referido al acero líquido, que oscila entre 95 a 98%, además tal como se muestra en el siguiente gráfico, el proceso de colada continua,

comparado con el proceso de colada convencional, ahorra un total de 5 pasos en la operación hasta llegar a productos semiterminados.