Procesos tecnológicos para la obtención del acero. Hornos para conversión de arrabio

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TEMA 1.4

PROCESOS TECNOLÓGICOS PARA LA OBTENCIÓN DEL ACERO

HORNOS PARA CONVERSIÓN DE ARRABIO

El arrabio se moldea en moldes permanentes por derretido o se lleva en vagones de

cucharón caliente como derretido hacia el horno, donde puede ser refinado para

manufacturar hierro dulce, acero, hierro fundid, hierro maleable ó nodular. Más del 90% del

arrabio producido es transportado a los hornos por este método para la fabricación de acero.

El acero se hace por la refinación ya sea de arrabio o de escoria de acero por la refinación de

una combinación de ambos materiales. En el acero producido a partir de arrabio, el problema

básico es oxidar las impurezas presentes, las cuales se remueven entonces ya sea como

gas (en el caso de la impureza principal, carbono) o en la escoria (en el caso del silicio,

fósforo, y azufre). El oxigeno se suministra ya sea por un soplo de aire (como en la mayoría

de los métodos antiguos) o como oxigeno puro (en los métodos modernos) o mediante

óxidos (como mineral de hierro o chatarra herrumbrosa).

TIPO DE HORNO

COMBUSTIBLE

PRIMARIO

CARGA DE

METAL

ATMÓSFERA

ESPECIAL

PRODUCTO

Reverbero

Carbón

Pulverizado, aceite

Arrabio sólido ó

fundido, chatarra

Fundición gris,

fundición blanca

Oxígeno Básico

Oxígeno

Arrabio Fundido y

chatarra

Acero

Convertidor

Bessember

Aire

Arrabio fundido ó

hierro de cubilote

Materia prima para

hierro forjado y

acero

Crisol

Gas, coque, aceite

Chatarra escogida

Hierro fundido y

acero

Cubilote

Coque

Arrabio y chatarra

Hierro gris ó

nodular

Horno eléctrico

Electricidad

Chatarra

Gas inerte ó vacío

Acero , hierro gris

Inducción

Electricidad

Chatarra

Gas inerte ó vacío

Acero

Hogar Abierto

Gas natural, coque

gas de horno,

carbón

pulverizado, aceite

Arrabio fundido

Acero

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HORNO DE OXIGENO BASICO

El horno de oxígeno básico (HOB) es un proceso que utiliza como materia prima el arrabio

(65 – 80%) de un alto horno. Se le añade chatarra y cal. Como lo indica su nombre la

generación de calor se deberá al oxígeno. El concepto de utilizar oxigeno es un proceso de

fabricación neumático originado por Sir Henry Bessember a mediador de 1800. Ya que el

horno de BOF es una adaptación del convertidor Bessember (que utilizaba una corriente de

aire a través del arrabio fundido, para quemar impurezas) sin embargo utiliza oxigeno puro.

Un recipiente típico del BOF tiene 5 metros de diámetro interior y puede procesar de 150 a

200 toneladas por hornada. El total de la carga es casi el 30% de chatarra, se carga dentro

de una olla forrada de refractario básico; el metal caliente es vaciado dentro de la boca de la

olla inclinada. Una lanza enfriada con agua que conduce oxigeno es bajada de 1 a 3 metros

bañando en esa posición a la olla vertical. Con oxigeno soplado sobre la superficie, comienza

inmediatamente la ignición elevándose la temperatura alrededor de 1650º C. Son oxidados el

carbono, magnesio y silicio. La cal y la fluorita se adicionan al colector de impurezas, así

como el fósforo y sulfuro en forma de escoria.

Los gases CO y CO2 producidos durante la primera reacción escapan a través de la boca del

recipiente del BOF y se recogen en la campana de humos; los productos de otras reacciones

(oxidación de Mn, Mg, Si) se remueven con la escoria, usando la cal como agente fundente.

Cuando el proceso de refinación esta sobre la olla, ésta se inclina para el vaciado. Al

completarse la hornada del acero, el oxígeno se corta y la lanza es retirada a través de la

cubierta. El horno es inclinado para desalojar la escoria y hacia al lado contrario para ser

vaciado al vagón.

Esquema del horno básico de oxigeno mostrando el recipiente BOF durante el

procesamiento de una hornada

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Los recientes avances en la tecnología del proceso de oxígeno básico incluyen el uso de

boquillas en el fondo del recipiente, a través de estas se inyecta el oxígeno en el hierro

fundido, con esto se mejora el mezclado del metal fundido; resultando tiempos de

procesamiento más cortos (3 minutos), más bajos contenidos de carbono y altos

rendimientos.

En las plantas siderúrgicas integradas se traslada el arrabio fundido en vagones llamados

carros cuchara de hierro caliente; en la práctica se le añade alrededor de un 30% de

chatarra. En el siguiente esquema se muestra el horno durante su carga, después de

cargarlo se inserta una lanza en el recipiente de manera que su boca este a 1.5 metros arriba

de la superficie del hierro fundido; se sopla oxígeno puro a alta velocidad a través de una

lanza, provocando la combustión y calentamiento de la superficie de la masa fundida

generando la oxidación del silicio, manganeso y fósforo.

Secuencia durante el ciclo de procesamiento del BOF ; 1) Carga de la Chatarra, 2)

Arrabio, 3) Soplado 4) Sangrado del acero fundido y 5) Vaciado de la escoria.

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HORNO ELECTRICO

Se carga con chatarra de acero bien seleccionada en lugar de arrabio fundido. El horno

eléctrico se usa para el control de carga de cierre, adición de materiales aleantes, vaciado

de aceros inoxidables, herramientas, aceros aleados.

En un principio se contaba con dos tipos de hornos eléctricos. Horno de arco indirecto; en

donde los electrodos están localizados arriba del metal el cual es calentado por radiación y

Horno de arco directo; en donde la corriente pasa por un electrodo sobre la carga o en baño

de fundición que pasa a la parte posterior del otro electrodo. Actualmente los hornos de arco

directo son los únicos que en la actualidad producen acero económicamente.

El horno de arco directo puede ser de línea básica ó ácida. El horno de línea ácida cuenta

con un hogar de grano de arcilla y paredes de ladrillo de sílice se usa de una forma limitada

para producir bajo carbono, aceros de baja aleación, la chatarra debe de ser baja en fósforo

y sulfuro.

El horno de línea básica posee un hogar de magnesita y paredes de ladrillo de magnesita y

aluminio, es utilizado para producir cualquier grado de acero o aleación de acero. En el horno

básico se puede controlar fósforo y reducir azufre, analiza y controla la temperatura. El metal

fundido se puede ensayar para determinar con precisión su composición química antes de

que el metal sea vertido en lingoteras, esto con la finalidad de realizar ajuste de composición.

En un horno eléctrico recircula la chatarra y acero que se cargan en la parte superior,

después el horno separa la cubierta balanceada a un lado. La cubierta es diseñada para

permitir tres electrodos de grafito y asienten arriba del montón de chatarra. Los arcos de

corriente de tres fases de un electrodo pasan a la carga para después regresar a otro

electrodo. El tiempo de vaciado requiere de tres horas y 50 000 kWh de potencia. Los

electrodos de grafito tienen 760 mm de diámetro y con 24 metros de longitud.

Estos hornos cuentan con tapas removibles para cargarlos por arriba; el sangrado se realiza

inclinando el horno entero. Se cargan en el horno la chatarra de hierro y acero junto con los

elementos aleantes (adecuados a la composición deseable) y la piedra caliza (fundente), la

mezcla se calienta por medio de un arco eléctrico que fluye entre los grandes electrodos y la

carga de metal.

El fundido completo requiere de alrededor de dos horas y la capacidad del horno fluctúa

entre las 25 y 100 toneladas por hornada. En este tipo de hornos se obtiene una mayor

calidad en el acero, pero su costo es mayor que un proceso vía BOF; generalmente se

utilizan para la producción de aceros inoxidables y aceros de herramienta.

El procedimiento seguido en la manufactura de acero en horno eléctrico depende del

producto que se va hacer. Sí el acero puede contener un porcentaje apreciable de elementos

de aleación que se oxiden con facilidad como: cromo, tungsteno y molibdeno, durante una

colada se usan dos escorias de cubierta. Una escoria oxidante favorece la oxidación y la

fluencia del carbono, fósforo y silicio.

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Sección Transversal esquemática de un horno Heroult eléctrico

La escoria oxidante se elimina entonces y se reemplaza por una escoria reductora en la cual

el CaO y CaC2 son importantes ingredientes. Esta cubierta de escoria ayuda a la remoción

del azufre y las impurezas del oxido,

...