HORNOS METALURGICOS
METALURGIA III
INSTITUTO SUPERIOR TECNOLOGICO JOSE PARDO
2014
HORNOS CONVERTIDORES DE ACERO ESPECIALIDAD
:
METALURGIA III
CURSO
:
HORNOS METALURGICOS
PROFESOR
: TACUCHI
ALUMNO
: DIEGO HUAMANI, LENIN
FECHA
: 1 JULIO 2014
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METALURGIA III
INTRODUCCION: EL PRESENTE TRABAJO TIENE COMO FINALIDAD, ENTENDER EN ASPECTO GENERALES, LOS CONVERTIDORES CONVERTIDORES UTILIZACION EN LOS PROCESOS INDUSTRIALES DE OBTENCION DE ACERO EL ACERO SE ELABORA PRIMORDIALMENTE POR LA TRANSFORMACIÓN DEL HIERRO FUNDIDO EN FORMA DE ARRABIO. LA TAREA DE LA TRANSFORMACIÓN DEL ARRABIO EN ACERO SE REDUCE A LA EXTRACCIÓN DE LAS CANTIDADES SOBRANTES DE CARBONO, SILICIO, MANGANESO Y LAS IMPUREZAS NOCIVAS QUE CONTIENE. ESTA TAREA SE PUEDE LLEVAR A CABO PORQUE EL CARBONO Y LAS OTRAS IMPUREZAS, BAJO LA ACCIÓN DE ALTAS TEMPERATURAS, SE UNEN CON EL OXÍGENO DE UN MODO MAS ENÉRGICO QUE EL HIERRO Y PUEDEN EXTRAERSE CON PÉRDIDAS INSIGNIFICANTES DE HIERRO. EL CARBONO DEL ARRABIO AL REACCIONAR CON EL OXÍGENO SE TRANSFORMA EN GAS MONÓXIDO DE CARBONO (CO) QUE SE VOLATILIZA. PARA LA TRANSFORMACIÓN DEL ARRABIO A ACERO SE UTILIZAN DOS MÉTODOS GENERALES: EL MÉTODO DE LOS CONVERTIDORES Y EL USO DE HORNOS ESPECIALES.
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OBJETIVOS :
DESCRIBIR LOS CONVERTIDOR.
PROCESOS
CARACTERISTICOS
DE
CADA
CONOCER Y ENTENDER ENTENDER LOS USOS Y BENEFISIOS QUE TIENE INDEPENDIENTEMENTE CADA HORNO
CONOCER SUS OTRAS OTRAS APLICACIONES APLICACIONES EN EL AREA INDUSTRIAL INDUSTRIAL
IDENTIFICAR LAS CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE CADA CONVERTIDOR DE ACERO
ESTABLECER LAS PROPIEDADES Y CONDICIONES PARA EL AFINO DEL ACERO.
ANALIZAR LA APLICACIÓN DEL CONVERTIDOR EN EFLUENTES INDUSTRIALES.
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I. MARCO TEORICO A. HORNOS CONVERTIDORES El convertidor metalúrgico o sencillamente convertidor es un equipo utilizado en metalurgia extractiva para la operación de conversión. Consiste esencialmente en un horno que contiene el baño fundido. Sus formas y dimensiones son variables, pero entre los arreglos más comunes se puede mencionar los convertidores horizontales y los verticales. En ambos casos el equipo tiene forma cilíndrica o similar, con una abertura en su parte superior (boca), y es capaz de realizar un movimiento basculante (inclinación o rotación para cada caso), esencial tanto para recibir los diferentes materiales alimentados, como para descargar el metal ya procesado. La conversión puede realizarse por oxidación selectiva de uno o varios componentes del baño fundido, al introducir gas (con frecuencia aire o una mezcla enriquecida del mismo) ya sea a través de una serie de aberturas en su coraza llamadas toberas o por medio de un tubo que se introduce desde su boca hasta el baño fundido, llamado lanza. De esta forma, los elementos indeseables e impurezas son eliminados ya sea por su incorporación en la escoria o por volatilización y/o arrastre en los gases de salida
B. APLICACIONES EN LA METALURGIA METALURGIA FERROSA Dentro de la metalurgia ferrosa se han utilizado varios equipos para la conversión del arrabio, es decir, la eliminación del carbono y otras impurezas por oxidación para producir CO2 y volatilización. Uno de los equipos que ha destacado es el convertidor Bessemer (ya en desuso) el cual tenía forma de pera, y las toberas ensartadas en el fondo del reactor. Su descendiente, el horno básico de oxígenoes el equipo que prevalece en la metalurgia moderna del acero como el principal equipo de conversión. La esencia del método de los convertidores para la obtención del acero consiste en que a través del hierro fundido líquido cargado al convertidor, se inyecta aire, que burbujea dentro de la masa fundida y cuyo oxígeno oxida el carbono y otras impurezas. El convertidor representa un recipiente en forma de pera, soldado con chapas gruesas de acero y revestido interiormente con material refractario. En la parte central del convertidor, exteriormente se hallan dos tetones cilíndricos llamados muñones que sirven de soporte y
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permiten girar el convertidor. Uno de los muñones es hueco y se une con el tubo conductor de aire. Del muñón el aire es conducido por un tubo y por la caja de aire al fondo. En el fondo del convertidor están las toberas a través de las cuales el aire se suministra al convertidor a presión. También se utiliza la insuflación de oxígeno con lo que el proceso se hace más rápido y eficiente. Para cargar el convertidor este se hace girar de la posición vertical a la horizontal, se agrega el arrabio fundido y se regresa el convertidor a su posición vertical, en ese momento se pone en marcha el soplado. El volumen de metal incorporado constituye de 1/5 a 1/3 del volumen de la altura de la parte casi cilíndrica. El calor necesario para calentar el acero hasta las altas temperaturas necesarias se produce a expensas de la oxidación de las impurezas del arrabio, ya que todas las reacciones de oxidación generan calor En dependencia de la composición del arrabio los convertidores se dividen en dos tipos:
Convertidor con revestimiento ácido: (procedimiento Bessemer) utilizado para los arrabios con una cantidad mínima de fósforo (0.07%) y azufre (0.06%). Convertidor con recubrimiento básico: (procedimiento Thomas) utilizado para los arrabios con mayor abundancia de fósforo (hasta 2.5%).
1. HORNOS BESSEMER (ACIDO) Es un horno en forma de pera que está forrado con refractario de línea ácida o básica. El convertidor se carga con chatarra fría y se le vacía arrabio derretido, posteriormente se le inyecta aire a alta presión con lo que se eleva la temperatura por arriba del punto de fusión del hierro, haciendo que este hierva. Con lo anterior las impurezas son eliminadas y se obtiene acero de alta calidad. Este horno ha sido substituido por el BOF.
A.
PROCEDIMIENTO BESSEMER
Para el procedimiento Bessemer el convertidor se reviste interiormente de ladrillos refractarios de sílice (no menos de 94.5% de SiO2) y arena cuarzosa, los que suelen fundirse a 1710°C. Este revestimiento no se corroe por las escorias de carácter ácido, por consiguiente en este convertidor solo pueden tratarse arrabios al silicio. El aire que entra en la masa fundida suministra el oxígeno que en primera instancia interactúa con el hierro para formar óxido ferroso (FeO). Por consiguiente las impurezas comienzan a oxidarse en dos direcciones: por al oxígeno del aire que pasa a través del metal y por el óxido ferroso que se forma y disuelve en el metal fundido. Durante la inyección de aire para hacerlo pasar a través del metal se diferencias tres períodos característicos: La oxidación del hierro, silicio, manganeso y la formación de la escoria. La quema del carbono
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La desoxidación o la desoxidación-carburación
a. Primer período: ESCORIFICACION En esta etapa se oxida el hierro, el silicio y el manganeso generando calor por lo que el metal se calienta. Durante este tiempo se forma la escoria. Las reacciones químicas que se producen son: 2Fe +O2----->2FeO Si+2FeO ---->SiO2+2Fe Mn+FeO---->MnO+Fe
A su vez los óxidos generados entran en combinación según: MnO+ SiO2
----->MnO.SiO2
FeO+SiO2
----->FeO.SiO2
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Y forman la escoria. Si la cantidad de SiO2 por la oxidación del silicio contenido en el arrabio no es suficiente, pasa a la escoria la sílice del revestimiento del convertidor. Todos estos procesos de oxidación han calentado el metal y se produce la segunda etapa.
b. Segundo período : CARBURACION Dada la alta temperatura del metal comienza a quemarse el carbono: C + FeO ---->CO + Fe Este proceso se realiza con absorción de calor, pero el metal no se enfría porque al mismo tiempo se está oxidando el hierro en el convertidor que suple el calor necesario para mantener la temperatura. El monóxido de carbono que se produce, produce una fuerte ebullición del metal y al salir del convertidor se quema con el aire atmosférico, formando dióxido de carbono, el convertidor genera una llamarada clara. A medida que se consume el carbono, la llama comienza a extinguirse hasta desaparecer por completo, esto indica que el carbono se ha quemado casi en su totalidad y marca el fin de la segunda etapa.
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c. Tercer período : DESCARBURACION En este momento se interrumpe la insuflación de aire, ya que con su suministro ulterior y con muy poco carbono comenzará a oxidarse el propio hierro a óxido férrico con las consiguientes pérdidas de metal. Una vez interrumpido el suministro de aire el convertidor se lleva a la posición horizontal para realizar la desoxidación y carburación del acero. El objetivo de este paso es eliminar el oxígeno disuelto como FeO, como desoxidantes generalmente se utilizan las ferroleaciones y el aluminio puro. Para elevar el contenido de carbono en el acero a los valores deseados se utiliza una fundición especial. El material terminado se convierte a grandes lingotes para su uso en los laminadores. El acero Bessemer se utiliza en piezas de uso general, varillas para hormigón armado, vigas laminadas, hierro comercial para construcciones y similares.Las deficiencias de este método son:
La imposibilidad de eliminar del metal el fósforo y el azufre
La elevada pérdida de hierro por oxidación (8-15%)
La saturación del hierro con nitrógeno y óxido de hierro que empeoran su calidad.
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2. CONVERTIDOR THOMAS (BASICO) DEFINICION En este convertidor el interior se reviste de material refractario básico, ladrillos de magnesita en las paredes y el fondo con una mezcla de brea de carbón mineral y dolomita. Como fundente para la formación de la escoria se utiliza la cal viva (CaO) con un contenido mínimo de los óxidos ácidos sílice (SiO 2) y alúmina (Al2O3). Surge de la necesidad de tratar las fundiciones con alto contenido de fósforo, obtenidas de menas ferrosas que se encuentran bastante propagadas en la corteza terrestre. A su vez el contenido de sílice debe ser muy bajo (menos de 0.5%) para evitar el uso excesivo de fundente neutralizador. El proceso de fundición en un convertidor Thomas se efectúa del modo siguiente: primero se carga el convertidor con la cal, después se vierte el hierro fundido, se inicia el viento y se gira el convertidor a la posición vertical. Lo primero que pasa es a oxidación del hierro según la reacción:
Fe + ½O2 ------>FeO el óxido ferroso formado se disuelve en el metal y oxida el resto de las impurezas Si, Mn, C y el fósforo.Se distinguen tres períodos:
Oxidación del silicio y el manganeso.
Combustión intensa del carbono.
Oxidación del fósforo.
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PERIODOS DE FUNCIONAMIENTO a. Primer período La oxidación del silicio produce sílice, la sílice formada SiO2, se une a la cal (óxido de calcio) según la reacción:
2CaO + SiO2 ------> (CaO) 2.SiO2 Y pasa a la escoria.El óxido de manganeso (MnO) y una parte del óxido ferroso (FeO) también pasan a la escoria, en este período el metal se calienta dado que las reacciones producen calor y comienza el segundo período.
b. Segundo período El metal se ha calentado suficiente y el carbono comienza a quemarse de manera intensa según la reacción:
C + FeO------>Fe + CO
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El baño comienza a ebullir por la producción del monóxido de carbono y el horno genera una llamarada clara por la boca debido a la combustión del CO con el oxígeno del aire de la atmósfera. El contenido de carbono se reduce a un valor mínimo y el metal se enfría con lo que comienza el tercer período.
c. Tercer período En este momento comienza la oxidación del fósforo y comienza a elevarse de nuevo la temperatura del metal, las reacciones características de esta etapa son:
2P + Feo----->P2O5 + 5Fe P2O5 +3FeO---->(FeO)3.P2O5+2Fe (FeO)3.P2O5 +4CaO---->(CaO)4.P2O5 +3Fe En la oxidación del fósforo y la subsiguiente reacción de su óxido con otros, se desprende una considerable cantidad de calor y el metal se calienta rápidamente. El fosfato cálcico formado pasa a la escoria.
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Cuando se ha terminado la oxidación del fósforo y su paso a la escoria, el convertidor se gira a la posición horizontal, se interrumpe el aire y se descarga la escoria para evitar que el fósforo y el óxido ferroso que contiene puedan volver al metal.Finalmente se desoxida el metal o se desoxida-cementa. En el proceso Thomas se produce cierta extracción del azufre que pasa a la escoria en forma de sulfuros de manganeso (MnS) y de calcio (CaS). Después de la desoxidación el acero se sangra en la cuchara y se cuela en lingoteras para la producción de lingotes.El acero producido tiene aplicación en el laminado de hierro en chapas, alambres e hierro comercial. El método de los convertidores en general, tiene la ventaja de su alto rendimiento, la simplicidad relativa de la instalación, gastos básicos bajos y la ausencia del consumo de energía para calentar el metal, pero no resuelve de manera óptima la obtención de aceros de diferentes calidades, no sirven para tratar todos los tipos de arrabio nacidos de la infinidad de menas disponibles y en ellos solo puede utilizarse de manera limitada la gran cantidad de chatarra disponible en la industria.
Características del procedimiento Thomas ( BASICO) 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 CaCO 3, 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.
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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 P 2O5 (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. Composición del arrabio Thomas._ Este procedimiento utiliza fundiciones blancas muy fosforosas, pobres en silicio y en azufre cuya composición relativamente constante es la siguiente: Elemento
Concentración en el arrabio (%)
C
3.5 a 3.8
Si
0.25 a 0.5
Mn
0.3 a 1
P
1.7 a 2.2
S
<0.08
El convertidor Es una especie de retorta de cuello corto, móvil alrededor de un eje horizontal que comprende: 1. Una Cuba 2. Una base tronconica 3. Una parte tronconica
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3. CONVERTIDOR LD ( BASICO ACTUAL ) El convertidor LD es un recipiente cuya porción inferior es cilíndrica (denominada barril) y laporción superior es abierta en forma de cono. En uno de sus lados posee un agujero de colada opiquera, encontrándose ésta arriba de la unión del barril y del cono. Sobre la boca, existe una campana de recolección de gases a efectos de minimizar la contaminacióndel aire, pudiendo bajar ésta sobre la boca del convertidor para formar un sello bastante estanco. El oxígeno se sopla desde arriba, por medio de una lanza que baja y se introduce al convertidor. El convertidor está diseñado para girarse hacia delante o hacia atrás. La inclinación hacia atrás, decasi 50°, se hace para cargar y mostrar: la inclinación hasta por debajo de la horizontal se empleapara vaciar la escoria remanente, después de la colada. El giro hacia el frente, de 135° o más, seempleará para vaciar el acero o sea efectuar la colada. La cuchara de acero se ubica debajo del convertidor en un carro que viaja sobre rieles y se retiradesde abajo del convertidor, para que la grúa pueda levantar la cuchara de acero llena.Se usan aparatos complejos para la depuración de los gases que salen del reactor LD. Es difícil lalimpieza del gran volumen de gases (humos), ya que las partículas son menores que un micrón. Lapérdida de polvos en un LD representa normalmente del 0.5 al 2 % de la carga. Las acerías LD están constituidas generalmente por solamente dos convertidores; uno que estáproduciendo acero y el otro en reparación de su revestimiento refractario. La instalación de un tercerconvertido tradicional permitirá, en principio, aumentar al doble la capacidad productiva de la acería. Hoy en día, la capacidad de un convertidor oscila desde las 30 toneladas hasta las 300 toneladas.
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1) Forma de operar un convertidor LD Basculando el convertidor, la carga se inicia con la introducción de la chatarra mediante una batea que un puente grúa inclina frente a la boca del convertidor, permitiendo de esta manera la caída de la carga. Luego, se vierte el arrabio líquido utilizando cucharas cuya parte superior posee un diseño especial(en forma de pico), apropiado al trasvase del líquido. Estando el convertidor en posición vertical, se baja la lanza y se comienza a soplar oxigeno.Simultáneamente a ello, se efectúa la carga, a partir de tolvas especiales, de los escorificantes (cal,caliza, dolomita, espato-flúor, etc.) y del mineral de hierro. Una vez finalizado el soplado, se gira el convertidor en la misma dirección que la de la carga y serealiza la toma de muestras y la medición de temperatura. Siendo correcta la composición y temperatura del baño metálico, se bascula en convertidor en sentido contrario y se realiza la colada de acero a través del agujero de colada (piquera), que el convertidor posee y que permite el vaciado del mismo sin que mucha escoria pase a la cuchara de colada. La cuchara de acero es transportada por un carro automotor hacia el sector de lingoteo o de colada continua.
Durante la colada, en la cuchara, se realizan todas las adiciones necesarias para desoxidar y corregir la composición. La escoria se vuelca girando el convertidor hacia el lado opuesto al de colada,cayendo la misma a un pote soportado en un carro especial que lo lleva fuera del edificio. A continuación se detallan los tiempos insumidos en cada una de las etapas mencionadasanteriormente.
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2) Características metalúrgicas de la conversión de oxígeno puro. Los fenómenos metalúrgicos se desarrollan en tres zonas perfectamente diferenciadas:
La zona 1 es la pequeña zona sometida a la acción directa del chorro de oxígeno. Corresponde a un 3% de la superficie total del baño. Las reacciones de oxidación se producen a temperaturas superiores a los 2500° C. una parte de los óxidos se desprende en forma gaseosa (CO, CO2, SO), mientras quela otra parte de los óxidos, junto con la cal que se agrega, forma un anillo de escoria activa. El oxígeno disuelto en adyacencias de la zona 1 se difunde rápidamente a la zona 2 del baño. Es así como se produce una circulación provocada por el aumento de densidad de la parte del baño de la zona 1, de cual se han eliminado los elementos que acompañan al hierro. Debido a que la densidadrelativa de la zona 1 es aproximadamente 7.1 y 6.5 la de la zona 2, se produce un movimientodescendente del metal líquido, acompañado por un desprendimiento gaseoso provocado por la combustión del carbono. El metal afinado de la zona 1 se mezcla con la el arrabio de la zona 2 y como consecuencia de las altas temperaturas existentes, cede su exceso de oxígeno produciendo en consecuencia una desoxidación. El desprendimiento de CO favorece el descenso del metal afinado de la zona 1, pues las burbujas de CO dentro de la zona 2 acentúan la diferencia de densidades y favorecen el movimiento.
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Los óxidos así formados, son atrapados por la escoria de la zona 3. Dicha escoria de ferrita de calcio, puede fijar el pentóxido de fósforo. El FeO y MnO formados en la zona 1 y absorbidos en la escoria provocan en la zona 3 aparte del afino, una reducción del Mn. Una característica importante del proceso LD, es la regulación automática del afino. Cuando al final de la conversión son menores las necesidades de oxígeno y las velocidades de las reaccionesdisminuyen, la circulación del baño se frena sola. También cesa la ebullición del CO. Por lo tanto, el baño no puede seguir enriqueciéndose en oxígeno, porque tiende a tener unacomposición más homogénea. La operación del LD dura aproximadamente 36 minutos tiempo tap-to-tap, de los cuales 18 minutos corresponden al soplado. Se consumen 57 Nm3 de oxígeno por tonelada de acero, de los cuales 36 Nm3 son necesarios para la combustión del C, 4 Nm3 para la oxidación del Si, 8 Nm3 para la oxidación del Mn, 4 Nm para laescorificación del Fe y 2 Nm3 para la oxidación del P y S. El resto, 3 Nm3, pasa a los humos.
3) Química del afino del proceso LD El afino del arrabio líquido por oxígeno puro está regido por las reacciones clásicas de oxidación de las principales impurezas del arrabio: C, Si, Mn y P, acompañada por la reducción del nivel de azufre. La composición del arrabio cargado y del acero obtenido de una hornada típica es la siguiente:
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El diagrama de Ellingham, abajo indicado, expresa que a la temperatura de fabricación del acero, el carbono, el silicio y manganeso son oxidados con preferencia al hierro. Sin embargo el fósforo y el azufre no pueden ser eliminados por oxidación a menos que la actividad de sus óxidos se reduzca, o sea en el caso del azufre que se forme sulfuro estable.
La reducción necesaria de la actividad del pentóxido de fósforo se alcanza por la formación de una forma básica, que también posibilita la estabilización del azufre en la forma de sulfuro.
4) Reacciones de afino
Dentro del proceso coexisten tres fases distintas: atmósfera, escoria y el baño metálico. Dentro de la nomenclatura generalmente utilizada, las concentraciones de la fase gaseosa se indican entre llaves {}. Las correspondientes a la escoria se indican entre paréntesis ( ), mientras que las concentraciones de baño metálico se representan con una raya debajo. El proceso en sí, comienza cuando el oxígeno soplado se disuelve en el baño metálico según la siguiente reacción: ½ { O2 } -------- ›O Habiéndose disuelto el oxígeno dentro del baño metálico, se combina con el hierro disuelto formando óxido ferroso que va a la escoria:
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Fe + O ------------ › (FeO) Es así como se produce la remoción del carbono, silicio y manganeso, ya sea por acción directa del oxígeno o a través de la escoria altamente oxidada:}
Carbono:
C + O -------------- › {CO} C + (FeO) -------------- › {CO} + Fe
Silicio:
Si + 2 O ---------------- › (SiO2) Si + 2 (FeO) --------------- › (SiO2) + 2 Fe
Manganeso:
Mn + O ------------------› (MnO) Mn + (FeO) -------------- › (MnO) + Fe
Desfosforación
La oxidación del fósforo no se desarrolla preponderantemente en la profundidad del baño metálico, sino en la interfase metal – escoria de acuerdo a la siguiente reacción:
2 P + 5 (FeO) + 3 (CaO) ----------------- (3 CaO . P2O5) + 5 Fe Es así como el fosfato tricálcico se retiene con seguridad en la escoria. En ausencia de cal, el proceso de oxidación del fósforo es posible a temperaturas relativamente bajas (recordar el diagrama de Ellingham antes indicado), formándose fosfato de hierro 3 (FeO) . P2O5. Sin embargo, este compuesto es inestable a elevadas temperaturas y tiene lugar su descomposición y el paso del fósforo al metal. Por eso el papel principal en el traspaso del fósforo a la escoria lo juega el CaO con la condición de presencia del FeO en la escoria en una correlación determinada con el CaO.
Desulfuración
Así como es fósforo, el azufre es una impureza nociva en el acero ya que éste posee una solubilidad ilimitada en el hierro líquido y limitada por el sólido. El acero con alto contenido de S al ser llevadoa la temperatura de laminación, forma fases líquidas en los límites intergranulares ocasionándose desgarraduras y grietas durante el proceso de laminado. La reacción es la siguiente: Fe + S + (CaO) ------------------- › (FeO) + (CaS) siendo ésta fuertemente endotérmica, requiriendo una temperatura elevada para proceder hacia la derecha. También es necesaria una buena agitación, la cual es favorecida en el proceso LD.
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El gran inconveniente es que la solubilidad del CaS en la escoria es limitada, a pesar de que se tenga alta temperatura y buena agitación, por ejemplo, si las muestras consecutivas indican: 0.035, 0.032,0.029, 0.029 % de S; es que se ha alcanzado el límite de saturación de la escoria para el azufre bajo las condiciones dadas de temperatura y oxidación. El único remedio es hacer más escoria para incrementar la capacidad de absorción del azufre, lo que significa una mayor utilización defundentes (cal y fluorita) lo que atenta seriamente contra los refractarios que conforman el revestimiento de trabajo del convertidor. Asimismo el FeO, resulta del lado derecho de la ecuación anterior, es decir que al comienzo la escoria debe ser reductora para crear las condiciones para desulfurar, sin embargo pasa lo contrario ya que LD es básicamente un proceso de oxidación y se genera mucho FEO; así pues, una descarburación eficiente crea condiciones menos favorables para una buena desulfuración. Dicho de otra manera, la decarburación, la desilicación y la desfosforación son incompatibles con la desulfuración. Por otra parte, del diagrama de Ellingham surge que la eliminación del azufre por oxidación no es posible, dado que ningún óxido de azufre existe a las temperaturas de aceración. En conclusión: debe limitarse en lo posible el ingreso de S al LD.
5) Revestimiento refractario para el convertidor LD Durante el periodo de afino tiene lugar una gran agitación del baño metálico, formación de escorias líquidas y espumosas que suben hasta el borde superior del recinto del convertidor, ataque de fluoruro de calcio (Fe2Ca), producción de altas temperaturas (aproximadamente 2600 ° C en los puntos de impacto de los chorros de oxígeno) y salida de gases portadores de partículas sólidas a alta velocidad (1500 ° C a la salida por la parte superior del convertidor) En la figura de la página siguiente se ha graficado la variación de algunos de los elementos que se encuentran dentro del baño metálico durante el soplado de oxígeno.
A continuación se indican las solicitaciones que actúan sobre el revestimiento refractario.
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a) Revestimiento de seguridad : conformado por ladrillos o bloques de magnesita con un espesor promedio de 150 mm, aplicado contra la corteza metálica. b) Revestimiento de trabajo : se aplica sobre el revestimiento de seguridad y es el que está en permanente contacto con el acero líquido. Sobre la calidad a utilizar en el revestimiento o camisa de trabajo existen distintas tendencias bien definidas. La europea, utilizando revestimientos de dolomita con espesores que van desde los 600 mm hasta 900 mm. Se utiliza una vez calcinada, molida, mezclada con alquitrán y prensada en bloques. El gran inconveniente de la dolomita es que es fácilmente hidratable y relativamente resistente a los cambios bruscos de temperatura. El agregado de alquitrán además de ligante, aumenta la resistencia a la hidratación y reduce el ataque de infiltración de la escoria. El consumo específico de los materiales refractarios dolomíticos es menor a los 5 kg/ton de acero. La duración de las campañas de estos revestimientos oscilan entre las 400 y 600 coladas. La tendencia americana es utilizar ladrillos de magnesita (MgO --------- › periclasa) La materia prima para su fabricación es abundante en América del Norte, ya sea bajo la forma de MgCO3 o en su defecto extrayendo la periclasa directamente del agua de mar. Se utilizan bloques de magnesita fabricados según diversos procesos: bloques ligados con alquitrán, bloques cocidos impregnados en alquitrán o ladrillos temperizados (a aproximadamente 200 º C el alquitrán fluye entre la mayoría de los poros y se polimeriza)
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El consumo de refractarios de magnesita en convertidores LD es menor a los 2.5 kg/ton de acero producido. La duración promedio de un revestimiento de este tipo fluctúa entre las 800 y 1600 coladas. Muchas acerías acostumbran a utilizar revestimientos compuestos, o sea formados por diferentes calidades según el desgaste a que está expuesta cada zona del convertidor. Se determina las solicitaciones a que está expuesto el refractario en esa zona y se elige la calidad que más se adapta a esa solicitación. A éste se le llama “revestimiento balanceado”.
. Revestimiento de convertidor mixto. Dolomía – Magnesia
En definitiva los esfuerzos a los que están sometidos los refractarios de un convertidor se clasifican en: 1. Mecánicos 2. Térmicos 3. Químicos En el gráfico siguiente se detallan cada uno de ellos
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4. HORNO FLASH. Convertidor Teniente Convencional.
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Convertidor Teniente con Lanzas Mitsubishi.
Comparación de Procesos de Fusión.
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5 . HORNO DE CONVERSION MARTIN SIEMENS. Introducción
Los procesos de afino son una serie de operaciones que tienen como objeto la eliminación de impurezas y así purificar el arrabio obtenido en el alto horno y obtener un acero con las especificaciones deseadas en cuanto a composición. Para llevar a cabo estos procesos es necesaria la utilización de diversos hornos, los cuales se han ido modificando y modernizando a lo largo de los años. En este caso echaremos un vistazo al pasado y nos situaremos alrededor del año 1864, fecha en la cual se crea el horno Martin Siemens. DEFINICION
Los hornos Martin-Siemens son hornos de reverbero y se utilizan principalmente para la fusión y afino del acero destinado a la fabricación de lingotes, y representaron la forma de fabricación de acero más extendido en Gran Bretaña y Estados Unidos. Su capacidad puede variar entre 25 y 500 toneladas. Hace años se empleaban hornos más pequeños, de 15 a 30 toneladas, sin embargo existen todavía en funcionamiento algunos hornos para fabricar piezas coladas grandes, con pesos de 50 toneladas o más. El horno Martin-Siemens es calentado con aceite, gas de coquería, gas de gasógenos o una mezcla da gas de alto horno y de coquería, si se dispone de ella. Cuando se emplea un gas de poco poder calorífico, como el gas de gasógeno o la mezcla citada, es fundamental precalentar el gas en un regenerador. El aire se recalienta siempre para conseguir la máxima economía térmica y lograr una elevada temperatura de llama.
DISEÑO DE UN CONVERTIDOR MARTIN SIEMENS
El horno propiamente dicho comprende tres partes principales: la solera, el laboratorio y la bóveda. La solera recoge los materiales que se han de afinar y es una especie de cubeta rectangular, cuyo fondo está inclinado hacia el agujero de colada. El laboratorio es la parte comprendida entre la solera y la bóveda, donde se producen las reacciones de afino. Cierto número de aberturas colocadas en la parte
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METALURGIA III
anterior del horno, permiten efectuar la carga, y una de ellas está dispuesta de modo que permite la limpieza. La bóveda es de ladrillos silíceos y su misión es dirigir el calor por radiación sobre la solera.
bóveda solera
aberturas laboratorio
Las dimensiones de este horno suelen ser de unos 10m de largo por 5 m de ancho y de una altura de 35-50 m. Son de placas de acero remachadas sobre traviesas metálicas. A los dos lados de la solera se encuentran los tubos que conducen el gas y el aire, que desembocan en el laboratorio por aberturas conocidas como quemadores, a la salida de los cuales arde el gas. Las cámaras de recuperación colocadas debajo, y que en general son cuatro para cada horno, calientan el aire y el gas de la combustión mediante el aprovechamiento del calor perdido en el horno, al salir al ambiente los gases calientes del laboratorio. Cada media hora se invierte el paso de la mezcla gaseosa combustibles, de modo que cada pareja de cámaras actúan alternativamente como recuperadores y precalentadores, es decir, los precalentadores se convierten en recuperadores de calor al invertir el paso de la mezcla gas-aire, y viceversa. Los hornos más empleados, por los de mayores dimensiones, son los de gasógeno separado. La particularidad del método Martin-Siemens de poder utilizar despuntes de chatarra para fabricar acero es de gran importancia en la industria siderúrgica.
PROCESOS
Dependiendo del revestimiento del horno, ya sea ácido o básico, tendremos dos procesos distintos: -Procedimiento
Martin-Simens ácido :
la solera es a base de sílice. La carga está constituida en su mayor parte de chatarra con pequeñísimas proporciones de azufre y fósforo, ya que no es posible la desulfuración ni la desfosforación en contacto con refractarios ácidos. El afino en este método se limita principalmente a la eliminación del carbono, silicio y manganeso por acción directa del óxido férrico en la escoria que
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aporta el oxígeno a la carga. La separación de estos elementos, como se puede observar en el gráfico siguiente, se hace casi simultáneamente, pero a diferentes velocidades. El óxido del metal actúa sobre el silicio y el manganeso y el revestimiento de sílice retarda la eliminación del silicio y favorece la del manganeso. Por otra parte el manganeso retarda la descarburación y protege al baño de la oxidación, por reducir el óxido ferroso disuelto. Desde el principio de la fusión hasta la desaparición de una parte importante del silicio y del manganeso, el baño permanece en calma y después empieza la descarburación. La eliminación del carbono se realiza principalmente por reacción con el óxido ferroso disuelto en el baño, ya que la elevada temperatura favorece la reacción endotérmica. Esto aparece reflejado en las siguientes reacciones: Si + 2FeO ↔ SiO 2 + 2Fe Mn + FeO ↔ MnO + Fe C+ FeO ↔ CO ↑ + Fe
PROCEDIMIENTO MARTIN-SIEMENS BÁSICO: gracias al revestimiento magnesiano del horno se puede emplear una escoria básica que permite la desfosforación y en cierto grado la desulfuración. El silicio se elimina más rápidamente que en la marcha ácida, porque la sílice formada se fija en seguida en la cal de la escoria. También la presencia de la cal hace que la proporción de óxido férrico en la escoria sea algo mayor que en las escorias ácidas. El manganeso se elimina lentamente, y cuanto más se eleva la temperatura, más se intensifica la reducción parcial del óxido manganoso por el carbono. La descarburación se efectúa por intermedio del óxido ferroso disuelto en el baño, y el contenido de carbono es bastante elevado porque sólo pasa en pequeña proporción a la escoria básica. La desfosforación comienza desde el principio del afino; en general, la proporción de fósforo en el metal es tanto menor cuanto más básica es la escoria. La desulfuración del hierro se origina mediante el manganeso, que tiene una tensión de sulfuro menor que el hierro: FeS + Mn → MnS + Fe. También se puede transformar el azufre en una
forma que sea estable en la escoria y no soluble en el metal. Esta forma es la de sulfuro cálcico, y la eliminación del azufre se puede expresar así: FeS+CaO→ FeO + CaS.
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Tipos de hornos Martin –Siemens y usos más frecuentes.
Estos hornos pueden ser fijos o basculables, prefiriéndose los últimos para el afino de arrabios con alto contenido en fósforo. Para fabricar aceros de calidad se emplean generalmente los hornos Martin-Siemens con revestimiento básico, aunque aún se utilizan en algunos lugares los que tienen revestimiento ácido para obtener aceros de muy buena calidad partiendo de materias primas muy selectas.
CONCLUSIONES FINALES
Podemos cocluir que la siderurgia y sus procesos de obtencion de acero y aleaciones juegan un papel muy importante en el desarollo industial de los pueblos La metodologia que se emplea para la obtencion de acero no esta muy diferenciada de los demas procesos . El cual emplean las mismas reaciones con algunas variables para la separacion de enlaces moleculares Los hornos mas usados de los que se tomo como investigacion vendria ser el ld que tiene una eficacia y rendimiento mucho mayor alos demas que fueron antesores para este.
BIBLIOGRAFÍA http://es.scribd.com/doc/181028295/convertidores-DAC http://es.scribd.com/doc/221961733/Hornos-Convertidores http://es.scribd.com/doc/142869435/Horno-Thomas-Nora http://www.umweltdaten.de/publikationen/fpdf-l/2560.pdf www.codelco.cl/educa/divisiones/salvador/info https://www.codelcoeduca.cl/proceso/fundicion/t-basica.html https://www.u-cursos.cl/ingenieria/2004/1/SD30A/1/material_docente/objeto/3096
