1 PROCEDIMIENTO SIEMENS-MARTIN SIEMENS-MARTIN 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 aos. !n este caso echaremos un vistazo al pasado y nos situaremos alrededor del ao 1"#$, fecha en la cual se crea el horno %artin &iemens.
Un poco de historia
!l procedimiento &iemens es el fruto de una cuidadosa investigación en los distintos m'todos de fabricar acero. Los hermanos &iemens descubrieron que el combustible e(terior podía arder m)s convenientemente en un dispositivo separado del horno, denominado generador de gas. *. &iemens introdujo importantísimas importantísimas mejoras con sus c)maras recuperadoras solucionando así el problema de conseguir la temperatura necesaria neces aria para la fusión en el proceso del crisol cr isol abierto. +lrededor de 1"#$, los hermanos &iemens idearon un horno de fusión de crisol, abierto, sometido al efecto de una llama producida fuera del horno, con recuperación del calor de los humos mediante recuperadores, con el que se consiguió obtener temperaturas m)s elevadas. !n el 1"# el horno sufrió una un a importantísima mejora al incorporar el procedimiento del franc's P. %artin -sistema )cido.Los hornos &iemens/%artin superaron a los convertidores 0essemer en aspectos como el control de los componentes de la colada -carbono y azufre, el consumo de un input2 barato -chatarra o algunas cualidades del acero -maleabilidad, ductilidad,
3 laminabilidad. !n 1"#4 era presentado en París un nuevo m'todo -sistema b)sico aadiendo hierro hematites, magnetita y cal para conseguir un material a5n m)s puro -con menos carbono y sin apenas fósforo. !n 1""6 la producción brit)nica de acero &iemens ya alcanzaba las 77.777 toneladas.
¿Qu es un horno Martin-Sie!ens"
Los hornos %artin/&iemens son hornos de reverbero y se utilizan principalmente para la fusión y afino del acero destinado a la fabricación de lingotes. 8epresentaron la forma de fabricación de acero m)s e(tendido en 9ran 0retaa y !stados :nidos. &u capacidad puede variar entre 3 y 77 toneladas. ;ace aos se empleaban hornos m)s pequeos, de 1 a 67 toneladas, sin embargo e(isten todavía en funcionamiento algunos hornos para fabricar piezas coladas grandes, con pesos de 7 toneladas o m)s. !l horno %artin/&iemens 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.
6 ¿Có!o es un horno Sie!ens-Martin"
!l 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 est) inclinado hacia el agujero de colada. !l laboratorio es la parte comprendida entre la solera y la bóveda, donde se producen las reacciones de afino.
0óveda &olera
aberturas laboratorio Las dimensiones de este horno suelen ser de unos 17m de largo por m de ancho y de una altura de 6/7 m. &on de placas de acero remachadas sobre traviesas met)licas. + 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 c)maras 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.
$ 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 m)s empleados, por los de mayores dimensiones, son los de gasógeno separado. La particularidad del m'todo %artin/&iemens de poder utilizar despuntes de chatarra para fabricar acero es de gran importancia en la industria sider5rgica.
¿Có!o se rea#i$a e# proceso de a%ino en un horno Martin-Sie!ens"
;orno %artin/&iemens b)sico !s de revestimiento magnesiano del horno se emplea una escoria b)sica que permite la desfoforacion. !n este el silicio se elimina mas r)pido que en la marcha acida, porque la sílice formada se fija en la escoria. &e produce una o(idación del carbono arrabio liquido, la mayor parte del o(igeno necesario para la descarburación precede del mineral y el resto de la atmosfera del horno. !ste proceso se llama arrabio/mineral. !l horno &iemens b)sico tiene paredes y fondo de gran espesor, de magnesita o dolomita sinterizada, con una bóveda en arcos construida con ladrillo silicioso. La solera de los hornos )cidos se hace con arena. !l frontis del horno situado en la plataforma de carga, tiene de 6 a 4 puertas, refrigeradas con agua y accionadas hidr)ulicamente, a trav's de las cuales se carga el horno y se observa el proceso de fusión y afino. !n el centro de la parte posterior del horno se haya el orificio de sangrado, taponado firmemente en los hornos fijos y cerrados ligeramente en los basculantes. Los hornos b)sicos tienen otro orificio al nivel de la escoria, a cuyo trav's se evacua parte de la escoria formada. >rdinariamente para fabricar los aceros &iemens se emplea una gran cantidad de chatarra de acero.
!l proceso de fabricación en un horno siemens b)sico suele durar de a " horas. &eg5n sea la capacidad del horno y la clase de acero que se fabrica. &e divide en ? etapas= Car&a de# horno •
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%ineral de hierro para acentuar la o(idación.
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•
!spato fl5or en muy pequeas cantidades, para dar fluidez a la escoria.
•
'usión de #a car&a
Aurante la carga de las materias primas se mantiene encendido el horno procurando que haya un cierto e(ceso de aire y la llama sirve para calentar m)s r)pidamente la carga.
# La chatarra menuda y algunos trozos de lingote en contacto con la llama son los primeros en fundir. (er)ido de# !inera#
Para que no se prolongue demasiado el proceso, es necesario acentuar la o(idación de las cargas por adición de diversas cantidades de mineral de hierro. produce el hervido del bao. La o(idación de carbono no se realiza con intensidad hasta que el manganeso y el silicio han sido reducidos a límites muy bajos, generalmente se observa que hasta que el manganeso no baja hasta 7.3@, la eliminación del carbono no es intensa. La ebullición del bao es necesaria para que se realice bien el afino, pues de esta forma se consigue que una mezcla muy homog'nea del bao y la escoria. +sí se favorece las reacciones de o(idación, removi'ndose las capas inferiores del metal y poni'ndolas en contacto con la escoria. +l mismo tiempo, al quedar al descubierto en algunos puntos del bao de acero, se o(ida con los gases del horno y se favorece la eliminación del carbono, durante este hervido se consigue la eliminación de gran parte del ; y B que contiene el acero.
(er)ido de #a ca#i$a
al principio de la operación, el hervido del bao se produce antes, por la acción del o(ido de hierro sobre el carbono, pero luego cuando avanza m)s el proceso y aumente la temperatura, la caliza que se encuentra en el fondo del bao se descompone. La cal pasa a formar parte de la
4 escoria, y el o(ido de carbono que se desprende al subir a la superficie del bao produce un hervido parecido al que al principio se produjo por la o(idación del carbono por el o(ido de hierro. !ste periodo de hervido de caliza dura de 1 a 3 horas y favorece la o(idación del bao met)lico y de la escoria, y el intimo contacto entre ellos, lo que sirve para igualar la temperatura y la composición química en los diferentes niveles de bao.
'or!ación de #a escoria
La formación de la primera escoria en el proceso &iemens es la consecuencia de la o(idación del hierro, silicio y manganeso, que se transforman en ó(idos de hierro, sílice y ó(idos de manganeso. &e forman los silicatos de hierro y de manganeso correspondientes, tambi'n una pequea parte de si se combina con la cal. !stas escorias atacan la dolomía y magnesia del revestimiento, reaccionando y absorbiendo algo de cal y magnesia. !l porcentaje de la cal en la escoria aumenta progresivamente con el transcurso de la operación hasta 7 @ y el o(ido de hierro desde a 37 @ apro(imadamente. !l contenido de silicio en cambio desciende desde 67 @ a 17 @ cuando ya se completa el bao -es la o(idación de carbono porque facilita el contacto entre el metal y la escoria, acelerando las reacciones y la transmisión de las llamas al acero fundido. Para que la escoria desempee durante el periodo de trabajo su función o(idante, debe contener durante todo el proceso suficiente cantidad de o(igeno en forma de o(ido de hierro, si en cualquier momento su poder o(idante no es suficiente para continuar rebajando el contenido de carbono hasta el límite deseado a una velocidad conveniente, debe aadirse mineral de hierro o cascarilla de laminación.
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O*idación de ciertos e#e!entos +ue contiene e# ,ao !et.#ico
!n los hornos siemens se puede considerar que el hierro es el primer elemento que se o(ida, debido a la gran abundancia que hay en este metal, sirviendo luego el o(ido de hierro de vehículo al o(igeno para la o(idación de los dem)s elementos. !l o(igeno tambi'n contribuye a la o(idación del hierro y de los dem)s elementos, el vapor de agua y el anhídrido carbónico que contienen los gases o humos que hay en la c)mara del horno. Aespu's cuando avanza el proceso, la o(idación del hierro del bao se produce por la acción del mineral y del *e> que hay disuelto en la escoria !sta es la fase m)s delicada del proceso en donde se completa la o(idación de los elementos carbono, silicio y manganeso y se procura eliminar el mayor porcentaje posible de fosforo y del azufre. La o(idación de los diversos elementos comienza cuando se ha fundido completamente la carga y se ha formado la primera escoria, suele ser conveniente sacar parte de la escoria con una alta basicidad y muy fluida que es la m)s adecuada para eliminar las impurezas del acero P y & -trabajo del bao. !(isten $ preocupaciones que se deben tener en cuenta en ese momento= 1/ reducir con gran rapidez el porcentaje de < hasta el límite deseado. 3/ eliminar el mayor porcentaje posible de P y & que han traído la chatarra y la fundición. 6/ preparar una buena escoria con la bascosidad, fluidez y grado de o(idación adecuados para que se produzca el afino en la debida forma. $/ elevar la temperatura del bao para conseguir que el momento en que la composición del acero es la conveniente, su temperatura sea unos 17 C < superior a la de fusión del acero. +l no conseguirse la temperatura es un grave contratiempo el bao comienza a espesarse y no trabaja y su calentamiento solo por la superficie es difícil.
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Deso*idación / car,uración
!l proceso &iemens en su primera parte es una operación o(idante al final de la operación hay disuelto en el bao de acero un porcentaje de o(igeno muy elevado que impide la obtención de lingotes sanos. !se o(igeno en e(ceso, disuelto en acero en forma de o(ido de hierro, al solidificarse el acero reacciona con el carbono y se desprende <> originando ese desprendimiento burbujas y poros en el metal, para evitar este problema es necesario hacer adiciones de deso(idantes como son el ferromanganeso y el silicio que reaccionan con el o(igeno formando ó(idos respectivamente y sílice que son sustancias solidas inertes quedando muy reducido el porcentaje de o(igeno. !l ferromanganeso no solo deso(ida el acero tambi'n sirve para impedir que el azufre que se encuentra en el bao aparezca luego solidificado en forma de sulfuro de hierro que es muy perjudicial, hace que el acero se agriete al forjar y laminar.
Co#ada
17 aleados son= níquel, cromo, vanadio, Dolframio, molibdeno, cobalto, cobre, titanio, zirconio.
Reparación de# horno
Aespu's de terminada la colada se procede a observar el interior del horno, cubriendo con dolomía calcinada en polvo las erosiones producidas por el acero y la escoria, en ocasiones se parchan las paredes del horno y se sustituyen algunos ladrillos de las puertas y de los manchones, de forma que al iniciarse la colada, el revestimiento refractario este en las mejores condiciones posibles.
(ornos Martin-Sie!ens .cidos
La solera es a base de sílice, est) constituida por su mayor parte de chatarra con pequeas proporciones de azufre y fosforo, así no es posible la desulfuración ni la desfosforación en contacto con refractarios )cidos. !n los hornos &iemens )cidos no se emplea castina, y la escoria est) formada por las impurezas del hierro, junto con parte del revestimiento del horno.
Tipos de hornos Martin0Sie!ens / usos !.s %recuentes1
!stos hornos pueden ser fijos o basculables, prefiri'ndose los 5ltimos para el afino de arrabios con alto contenido en fósforo. Para fabricar aceros de calidad se emplean generalmente los hornos %artin/&iemens con revestimiento b)sico, aunque a5n se utilizan en algunos lugares los
11 que tienen revestimiento )cido para obtener aceros de muy buena calidad partiendo de materias primas muy selectas.
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PROCEDIMIENTO E2ECTRICO
(orno e#ctrico
!l hierro en estado puro no posee la resistencia y dureza necesarias para las aplicaciones de uso com5n. &in embargo, cuando se combina con pequeas cantidades de carbono se obtiene un metal denominado acero, cuyas propiedades varían en función de su contenido en carbono y de otros elementos en aleación, tales como el manganeso, el cromo, el silicio o el aluminio, entre otros. !l acero se puede obtener a partir de dos materias primas fundamentales=
1$ /
el arrabio, obtenido a partir de mineral en instalaciones dotadas de alto horno
/
chatarras f'rricas, que condicionan el proceso de fabricación.
!n líneas generales, para fabricar acero a partir de arrabio se utiliza el convertidor con o(ígeno, mientras que partiendo de chatarra como 5nica materia prima se utiliza e(clusivamente el horno el'ctrico -proceso electrosider5rgico. !(isten distintos tipos de hornos el'ctricos= de resistencia, de inducción, electrolítico, de arco voltaicoE pero 'ste 5ltimo es el empleado para el afino del acero.
Estructura de# horno e#ctrico
!l horno el'ctrico consiste en un gran recipiente cilíndrico de chapa gruesa -1 a 67 mm de espesor forrado de material refractario que forma la solera que alberga el bao de acero líquido y escoria. !l resto del horno est) formado por paneles refrigerados por agua. La bóveda es desplazable para permitir la carga de la chatarra a trav's de unas cestas adecuadas.
1 La bóveda est) dotada de una serie de orificios por los que se introducen los electrodos, generalmente tres, que son gruesas barras de grafito de hasta 477mm de di)metro. Los electrodos se desplazan de forma que se puede regular su distancia a la carga a medida que se van consumiendo. >tro orificio practicado en la bóveda permite la captación de humos, que son depurados convenientemente para evitar contaminar la atmósfera. !l horno va montado sobre una estructura oscilante que le permite bascular para proceder al sangrado de la escoria y el vaciado del bao.
'unciona!iento de# horno e#ctrico
Los hornos el'ctricos son sobre todo 5tiles para producir acero ino(idable y aceros aleados que deben ser fabricados seg5n unas especificaciones muy e(igentes. La fabricación del acero en horno el'ctrico se base en la fusión de las chatarras por medio de una corriente el'ctrica, y al afino posterior del bao fundido. La carga del horno el'ctrico est) constituida de chatarra principalmente. !n el bao se lleva a cabo una reacción de o(idación F reducción -proceso redo(. Aurante la fusión o(idante se elimina el fósforo y durante la reductora el ó(ido de hierro disuelto en el bao y el azufre. !l control del tipo de atmósfera en el bao es f)cil. !l calor se encuentra en la parte superior de la carga, siendo necesario en general usar bobinas electromagn'ticas a fin de inducir a una agitación en el recipiente para que el material m)s frío
1# del fondo alcance la parte superior igual)ndose de esta forma la temperatura y la composición química. !l refinado se produce en una c)mara herm'tica, donde la temperatura y otras condiciones se controlan de forma rigurosa mediante dispositivos autom)ticos. !n las primeras fases de este proceso de refinado se inyecta o(ígeno de alta pureza a trav's de una lanza, lo que aumenta la temperatura del horno y disminuye el tiempo necesario para producir el acero. La cantidad de o(ígeno que entra en el horno puede regularse con precisión en todo momento, lo que evita reacciones de o(idación no deseadas. Para la generación de escoria se aade cal, caliza, etc. !l contenido en nitrógeno suele ser elevado debido a las altas temperaturas generadas inmediatamente por debajo de los electrodos -677G< aunque se mantiene a un nivel aceptable para la mayoría de los aceros. Las ferroaleaciones se aaden tanto al horno el'ctrico como en cuchara, siendo este proceso el m)s adecuado para la fabricación de los aceros especiales. +unque a veces pueden surgir problemas con el carbono desprendido de los electrodos de alta pureza, cocidos al vacío y de alta conductividad. &eg5n se van quemando se va aadiendo nuevo electrodo a su e(tremo opuesto. !l arco opera de forma similar sobre una masa fría de chatarra o sobre la superficie del metal líquido. !ste hecho y la facilidad de carga del recipiente le convierten en el sistema idóneo para fundir chatarra de baja densidad tales como carrocerías compactas de coches o virutas y desechos procedentes de tornos y talleres mec)nicos.
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3enta4as de# horno e#ctrico
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Hndependencia del arrabio líquido
•
•
*)cil e(tracción de la escoria
•
*)cil control de temperatura
•
%ejor reducción del acero al operar en ausencia de aire
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%enor cantidad de humos
•
Programación y automatización de las tareas
Incon)enientes de# horno e#ctrico5
•
Producción en menor escala que +lto horno
•
Posibilidad de contaminar el acero con elementos residuales de la chatarra
•
!levado consumo el'ctrico= en !spaa la industria del acero la de mayor consumo de energía el'ctrica con un # @ del consumo
+unque el costo de la fabricación de acero en el horno de arco el'ctrico, es generalmente m)s alto que el de los dem)s m'todos de fabricación de acero, se obtiene una calidad de acero superior con el horno el'ctrico. Iste suministra el mejor m'todo para controlar la temperatura y las adiciones de aleación. +dem)s su costo puede justificarse para la fabricación de acero en localidades donde no se cuenta con altos hornos ni con hierros de primera fusión, o en lugares en donde las necesidades intermitentes de acero en cantidades pequeas, no justifiquen una instalación de hogar abierto. +dem)s es muy usado ya que no contamina la atmósfera como muchos otros. +ctualmente, el horno el'ctrico produce un $7 @ de la producción mundial del acero.
1" 6i,#io&ra%7a uti#i$ada
/
;orno siemens/%artin.2 %icrosoftJ &tudent 377" KAAM. %icrosoft
/
%orral *.8., Nimeno !. y %olera P. -1?"3 %etalurgia general. !d. 8evert'
/
Oiipedia
/
http=QQprezi.comQqijqja41$Qhorno/martin/siemensQ
/
/arios autores -1?"$, Enciclopedia de Ciencia y Técnica, &alvat !ditores &.+. H&0B "$/6$ $$?76.
/
R;orno el'ctrico.R %icrosoftJ &tudent 377" KAAM. %icrosoft
/
http=QQDDD.ipac.esQaceroQfabricacion.asp
/
http=QQes.Diipedia.orgQDiiQ+ltoShornoSel@<6@+?ctrico
/
http=QQDDD.mitecnologico.comQ%ainQ+finoAel+cero
/
http=QQDDD.arqhys.comQarquitecturaQelectricos/hornos.html
