Proceso De Fabricacion

1.4 Procesos tecnologicos para la obtencion del acero BOF, horno electrico, converitdores bessemer

Introducción:

Hace muchísimos años, el hierro era un metal raro y precioso. En la actualidad, el acero, una forma purificada del mineral del hierro, se ha convertido en uno de los servidores más útiles de la humanidad. La naturaleza proporcionó las materias primas como son: mineral de hierro, el carbón mineral y la piedra caliza y el ser humano lo convirtió en un incontable número de productos, con el paso de el tiempo el hombre a buscado varios métodos de tranformar el hierro para su propia satisfacción y para poder cumplir sus necesidad para cumplir esas necesidades se han creado tres tipos fundamentales de procesos:

1) Por soplado, en el cual todo el calor procede del calor inicial de los materiales de carga, principalmente en estado de fusión.

2) Con horno de solera abierta, en el cual la mayor parte del calor proviene de la combustión del gas o aceite pesado utilizado como combustible

3) Eléctrico, en el cual la fuente de calor más importante procede de la energía eléctrica (arco, resistencia o ambos); este calor puede obtenerse en presencia o ausencia de oxígeno;

Al fabricar un acero se pretende eliminar de la fase hierro los elementos perjudiciales en acceso y añadir los que faltan para conseguir el análisis final previsto.

Todo el proceso de obtención de acero consta de un primer período oxidante o de afino, en el que se elimina el Carbono en fase gaseosa.

Los períodos pueden tener mayor o menor duración e importancia y realizarse netamente separados o entrelazados, y a mayor o menor velocidad en unos procesos que en otros.

Desarrollo

cada proceso tiene funciones específicas según el tipo de afino que puede efectuar

Horno básico de oxígeno (BOF)

Un horno de oxígeno básico o BOF (por sus siglas en inglés) crea el acero de la fundición en bruto producida a partir de mineral de hierro en un alto horno, junto con un máximo de 25 por ciento de la chatarra de acero. Este horno funciona mediante la inyección de oxígeno a alta presión en el hierro fundido para quemar el exceso de carbono y otras impurezas combustibles. Los compuestos fundentes añadidos a la masa fundida eliminan las impurezas no combustibles que flotan a la parte superior de la masa fundida como escorias. El BOF obtiene la energía necesaria para convertir el hierro en acero del calor original del hierro fundido junto con el calor generado por la quema de exceso del carbono y otras impurezas en la presencia de oxígeno puro.

Es un horno muy parecido al Bessemer con la gran diferencia de que a este horno en lugar de inyectar aire a presión se le inyecta oxígeno a presión, con lo que se eleva mucho más la temperatura que en el Bessemer y en un tiempo muy reducido. El nombre del horno se debe a que tiene un recubrimiento de refractario de la línea básica y a la inyección del oxígeno. La carga del horno está constituida por 75% de arrabio procedente del alto horno y el resto es chatarra y cal. La temperatura de operación del horno es superior a los 1650°C y es considerado como el sistema más eficiente para la producción de acero de alta calidad. Este horno fue inventado por Sir Henrry Bessemer a mediados de 1800, sólo que como en esa época la producción del oxígeno era cara se inició con la inyección de aire, con lo que surgió el convertidor Bessemer.

Horno de arco eléctrico

Un horno de arco eléctrico fabrica (EAF, por sus siglas en inglés) nuevo acero de la chatarra vieja de acero. Se trata de una caldera de acero con una tapa gigante forrada con material refractario de cerámica resistente al calor. Su tapa se levanta para la carga con chatarra. La tapa también contiene los tres electrodos de grafito que crean el arco eléctrico para fundir la chatarra en acero nuevo. Después de la carga, se bajan los electrodos en la chatarra y se alimenta de energía al horno. La electricidad se arquea entre los electrodos generando el calor necesario para fundir la chatarra de acero. Los compuestos fundentes eliminan las impurezas. Para obtener más calor, las siderúrgicas inyectan carbón pulverizado y el oxígeno para complementar el calor eléctrico. Aproximadamente un tercio del calor en los hornos de arco eléctrico proviene de la inyección de combustible y del oxígeno.

Por lo regular son hornos que sólo se cargan con chatarra de acero de alta calidad. Son utilizados para la fusión de aceros para herramientas, de alta calidad, de resistencia a la temperatura o inoxidables. Considerando que estos hornos son para la producción de aceros de alta calidad siempre están recubiertos con ladrillos de la línea básica.

Existen hornos de eléctrico que pueden contener hasta 270 toneladas de material fundido. Para fundir 115 toneladas se requieren aproximadamente tres horas y 50,000 kwh de potencia. También en estos hornos se inyecta oxígeno puro por medio de una lanza. Los hornos de arco eléctrico funcionan con tres electrodos de grafito los que pueden llegar a tener 760mm de diámetro y longitud de hasta 12m. La mayoría de los hornos operan a 40v y la corriente eléctrica es de 12,000 A. Estos equipos tienen un crisol o cuerpo de placa de acero forrado con refractario y su bóveda es de refractario también sostenida por un cincho de acero, por lo regular enfriado con agua. Para la carga del horno los electrodos y la bóveda se mueven dejando descubierto al crisol, en el que se deposita la carga por medio de una grúa viajera.

Estos equipos son los más utilizados en industrias de tamaño mediano y pequeño, en donde la producción del acero es para un fin determinado, como varilla corrugada, aleaciones especiales, etc

CONVERTIDOR

Variantes del invento de Bessemer. Convierte arrabio líquido en acero. Se sopla aire a través del arrabio líquido para oxidar las impurezas (carbono, silicio y manganeso) cuya combustión produce el calor suficiente para la conversión del arrabio al acero. El aire se sopla frío a una presión de 2 o 3 Kg/cm2. Al oxidar las impurezas se aumenta la temperatura para mantener el metal líquido, hasta 1600° al finalizar la inyección de aire.

Convertidores (BOF) - Soplado con Oxígeno El Horno de Oxígeno Básico es un elemento muy eficaz para convertir los lingotes de hierro en acero inyectando oxígeno. Carburos Metálicos puede suministrar el gas, los sistemas de control de procesos y el caudal así como el know-how técnico (por ejemplo, en la colocación de lanzas).

Convertidores (BOF) - Precalentamiento de la Chatarra

Se han desarrollado equipos de control y quemadores para precalentar de forma eficaz la chatarra férrea mediante quemadores de oxi-combustible no refrigerados por agua. Se suelen conseguir ahorros de combustible del 70% y reducciones del 50% en tiempos de calentamiento.

Convertidores (BOF) - Salpicadura de Escoria

Mediante la inyección de nitrógeno en la zona inferior del horno a través de la misma lanza de oxígeno se consigue una capa de protección de escoria fundida en la pared del refractario reduciendo el “gunning consumption” y alargando la campaña.

Convertidores (BOF) - Agitación Inferior

El metal fundido se agita mediante una inyección de gas de alta presión con el fin de incrementar la producción de acero, la recuperación de los metales de aleación y alargar la duración de la campaña.

Convertidores bessemer:

El método Bessemer o de converción ácida, se obtiene en un convertidor que está revestido de ladrillos Dinas, lo que hace un revestimiento ácido. Este es un material refractario que contiene de un 90 a un 97% de SiO2. El revestimiento se corroe por las escorias, por lo que por este método solo se pueden tratar arrabios silíceos, y el hierro que se transforma debe tener contenidos mínimos de fósforo y azufre.

Henry Bessemer.

Henry Bessemer.

El convertidor se coloca horizontal, se calienta y se carga con arrabio líquido; se suministra aire y se lleva a la posición vertical o de trabajo.

En un primer periodo comienza la oxidación de las impurezas de hierro por la reacción entre el óxido de hierro formado y el silicio y manganeso que hay en el hierro. La oxidación del silicio desprende grandes cantidades de calor, aumentando la temperatura de la fundición.

El segundo periodo se caracteriza por un aumento de temperatura de hasta 1500°C, creándose una combustión intensa del carbono, hasta formarse CO2.

En el tercero y último periodo, se produce un humo pardo que indica la oxidación del hierro. Aquí termina el proceso; se lleva el horno a la posición horizontal, reduciéndose el suministro de aire

En 1855, Henry Bessemer desarrolló el horno o convertidor que lleva su nombre y en el que el proceso de refinado del arrabio se lleva a cabo mediante chorros de aire a presión que se inyectan a través del metal fundido. En el proceso Siemens-Martin, o de crisol abierto, se calientan previamente el gas combustible y el aire por un procedimiento regenerativo que permite alcanzar temperaturas de hasta 1.650 ºC .

El procedimiento consiste en hacer atravesar el baño de arrabio líquido por una corriente de aire frio.

El arrabio se introduce líquido a 1250°C aproximadamente en el convertidor; se sopla aire frio que oxida las impurezas dando un desprendimiento de calor suficiente para elevar la temperatura y mantener el metal en estado líquido, a pesar de la elevación de su punto de fusión (1500°C).

La oxidación es tan energética que, aunque el tiempo de contacto entre el aire y el baño sea de la centésima de segundo, el gas que sale del convertidor prácticamente no contiene oxígeno libre.

Cada elemento oxidable puede ser caracterizado por su poder termógeno que es la elevación de la temperatura del baño producida por la combustión neutra y sin perdida de calor de 1% de este elemento.

• Características del procedimiento Bessemer

En el procedimiento ácido de afino por aire, o procedimiento Bessemer, el revestimiento del convertidor es de sílice.

Oxidaciones._ El orden de separación de la impurezas depende, principalmente, de su afinidad por el oxigeno.

o El Silicio se oxida desde el principio, y forma una escoria de silicato de hierro y manganeso que sube a la superficie. Esta oxidación es la principal reacción que eleva la temperatura, y por eso debe de ser suficiente en el arrabio.

o El manganeso se oxida igualmente desde el principio, pero se quema con menor rapidez que el silicio. Desempeña un papel regulador oponiéndose a una oxidación demasiado fuerte del hierro, gracias al equilibrio:

Mn+FeO ↔MnO+Fe

o El carbono se quema rápidamente al cabo de algunos minutos, mientras que el contenido de los elementos precedentes ya ha disminuido y la temperatura se ha elevado, de la siguiente manera:

C+FeO ↔7CO+Fe

Fe3C+FeO ↔CO+4Fe

Reducciones._ Al no utilizar combustibles este procedimiento, la reducción debe ser muy rápida para evitar la solidificación del acero.

o La desulfuración es imposible, puesto que la escoria no contiene cal. El contenido de manganeso debe ser suficiente para que al final quede lo bastante para combatir los efectos del azufre.

o La desoxidación del baño se hace por medio de spiegel (aproximadamente 20% de Mn y 5% de C) o de ferromanganeso (aproximadamente 78% de Mn y 6.5% de C). Esta adición también sirve para ajustar la composición del acero.

Método Thomas

Fue creado en 1878 por el inglés Thomas y se usa para hierros ricos en fósforo. El revestimiento de este convertidor se hace de dolomita, que es un material refractario compuesto de MgCO3.CaCO3.

La capacidad de estos convertidores es mayor que la de los Bessemer, pues a la materia prima empleada hay que agregarle cal. En este caso, el convertidor se calienta y se carga con la cal, después se vierte el arrabio y se suministra el aire.

En el procedimiento básico de afino por aire, o procedimiento Thomas, el revestimiento del aparato es a base de dolomita (carbonato doble del calcio y manganeso de formula CaCO3, MgCO3) y con el arrabio se introduce cal viva.

Oxidaciones._ El silicio debido a su pequeña proporción desaparece muy rápidamente; la sílice formada se une a los óxidos de hierro y de manganeso y también a las bases del revestimiento, y después a la cal, dando silicatos muy fluidos que se eliminan rápidamente por decantación fuera del metal.

El arrabio debe ser pobre en silicio para reducir a un mínimo el ataque del revestimiento básico.

• El manganeso se elimina rápidamente durante los primeros minutos mientras que la escoria es muy acida, oponiéndose así a una oxidación demasiado fuerte del hierro; a continuación la oxidación del manganeso prosigue lentamente, porque esta en competencia con la desfosforación, y cuando esta es máxima, hacia el fin de a operación, el contenido en manganeso crece momentáneamente por retorno del manganeso de la escoria el baño.

• El carbono desaparece mas rápidamente que en el procedimiento Bessemer, porque el silicio es poco abundante y la separación del manganeso es mas lenta.

• El fosforo arde lentamente al principio, porque la mayor parte de anhídrido fosfórico, que no puede ser saturado por la cal, es reducido inmediatamente por el carbono. La separación del fosforo no se hace mas que hasta el final de la operación cuando ha sido eliminado la mayor parte de carbono y la escoria se ha hecho lo suficientemente básica para fijar el P2O5 (la proporción molar CaO/SiO2 debe ser superior a 2). Entonces la combustión es tan rápida que aunque se aumente el suministro de aire, el oxigeno soplado no basta, hay desoxidación parcial del baño y reducción del oxido de manganeso de la escoria.

Reducción._ La desoxidación del acero se hace como en el procedimiento Bessemer. Sin embargo, aquí es necesario evacuar previamente la escoria, porque el carbono de la ferroaleación atacaría a los fosfatos e incorporaría una parte del fosforo al acero; por otra parte, pasaría manganeso a la escoria en pura perdida.

• El azufre se elimina muy ligeramente durante la oxidación, sobre todo en forma de sulfuro de calcio disuelto en la escoria básica. El contenido del azufre permanece casi constante en tanto que la escoria es acida, y no disminuye hasta después de la formación de la escoria básica.

Dosificación._ Como la desfosforación no se efectúa convenientemente más que después de la separación de los otros elementos, el grado al que se llega normalmente por este procedimiento es el acero suave. Pero por adiciones recarburantes, se pueden obtener todos los otros grados de acero.

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