ESTRUCTURA CONVERTIDOR BESSEMER
Es un horno en forma de pera que está forrado con refractario de línea ácida o básica. El recipiente en el cual se produce se denomina convertidor, y el proceso consiste en una enérgica oxidación con aumento de temperatura. Se mejora la calidad con ferroaleaciones desoxidantes. Fuerte desprendimiento térmico. 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. Como la combinación del oxígeno con el carbono del arrabio es una combustión que genera calor; Bessemer acertadamente sostenía que su proceso estab a exento de costos por energía. Sus partes son las siguientes:
1. Recipiente 2. Cavidad interior 3. Entrada de aire 4. Caja de cierre 5. Toma de aire 6. Mecanismo basculante 7. Boca
PROCESO PRODUCCION DE ACERO HORNO BESSEMER
La operación de conversión se desarrolla en tres periodos: 1.-ESCORIFICACION
El aparato cuando se trata de la primera conversión y se retiran las cenizas; luego se coloca en sentido horizontal y se carga de fundición hasta 1/5 de su capacidad. Se le inyecta aire a presión y enseguida se devuelve al convertidor a su posición normal. El oxígeno del aire, a través de la masa líquida, quema el silicio y el manganeso que se encuentra en la masa fundente y los transforma en los correspondientes óxidos. Esta primera fase se efectúa sin llamas dentro de unos 10 min, y recién al término de la operación aparecen chispas rojizas que salen de la boca del convertidor. 2.-D E S C A R B UR A C IO N
Continuando la acción del soplete, el oxígeno empieza la oxidación del carbono, lo que se efectúa con mucha violencia y con salidas de llamas muy largas, debido a las fuertes corrientes del aire y al óxido de carbono en combustión. 3.-RECARBURACION:
Quemándose el carbono, el oxígeno llegaría a oxidar totalmente el hierro dejándolo inservible; a este punto se corta el aire, se inclina el convertidor y se añade a la masa liquida una aleación de hierro, carbono y manganeso en una cantidad relacionada con la calidad del acero que se desea obtener. Se endereza luego el aparato y simultáneamente se le inyecta otra vez aire por pocos minutos y por último se vierte por su boca ante todo las escorias y después el acero o el hierro elaborado.
Método Thomas (conversión básica)
Características similares en su manifestación térmica producida por la combustión del fósforo.
Convertidor. 1. Posición de carga – 2. Posición de trabajo
Horno Martin-Siemens
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, pero estos han sido sustituidos casi completamente por los hornos eléctricos. 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 eleva da temperatura de llama. El horno es un recipiente rectangular con puertas para combustible y gases en ambos extremos. Estas puertas pueden responder a diversos diseños, pero en todo caso deben dirigir los gases hacia abajo, hacia la carga o baño del metal. La llama y los gases calientes pasan por encima del baño y salen por el extremo opuesto del horno. Los gases de la combustión atraviesan uno o dos regeneradores antes de perderse en la chimenea; frecuentemente se colocan calderas después de los regeneradores para recuperar el calor perdido y conseguir la mejor recuperación posible de los productos de la combustión mediante válvulas refrigeradas con agua y entonces al horno se le calienta desde el extremo opuesto. Si se emplea combustibles de alto poder calorífico, como los aceites o alquitranes de cerosota y aún el gas de coquería, no suele precalentarse el combustible y solo hay que precalentar el aire en cada uno de los extremos del horno. Procedimiento Martin-Siemens
Se carga con arrabio, procedente del alto horno. Este arrabio contiene hasta un 4% de carbono, más ciertos elementos químicos considerados impurezas, algunos de los cuales como el fósforo o el azufre son altamente perjudiciales para el acero, y otros como el silicio o el manganeso, no son deseables en las cantidades contenidas en el arrabio. Junto al arrabio se añaden materiales ricos en oxígeno (como óxidos de hierro) e incluso chatarra, además de materiales fundentes como la caliza, que facilita la formación de escorias, regulando de esa forma el contenido de azufre en la carga. En estos hornos se producen aceros comunes o poco aleados. Los hornos Martin-Siemens pueden ser fijos o basculantes, prefiriéndose los últimos para el afino de arrabios altos 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 con revestimiento ácido para obtener aceros de muy buena calidad partiendo de materias primas muy selectas La capacidad de estos hornos oscila de 15 a 200 t de metal. Se calienta con gas, fueloil o brea, y las llamas salen primero por un extremo del horno y luego por el otro. Los gases producidos pasan por recuperadores equivalentes a los empleados en los hornos altos. Cuando se invierte la marcha de los gases, los recuperadores a través de los cuales han estado pasando los gases calientes calientan al aire y el gas que entra en el horno, mientras que los situados en el otro extremo comienzan a calentarse por el paso a través de los mismos gases quemados. Horno Martin-Siemens básico
El horno Siemens básico 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 ácidos se hace con arena. El frontis del horno situado en la plataforma de carga, tiene de 3 a 7 puertas, refrigeradas con agua y accionadas hidráulicamente, a través de las cuales se carga el horno y se observa el proceso de fusión y afino. En 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 básicos tienen otro orificio al nivel de la escoria, a cuyo través se evacua parte de la escoria formada. Ordinariamente para fabricar los aceros Siemens se emplea una gran cantidad de chatarra de acero. En las grandes acererías donde se fabrican perfiles de construcción, raíles, etc. Se gasta casi el 50% de chatarra, y el resto de la carga está constituido por hierro líquido. Inmediatamente después de efectuada la colada, todas las trazas de acero son rascadas del horno y, a continuación, se echa dolomita calcinada sobre el fondo y paredes laterales para reemplazar las pérdidas ocasionadas en la operación anterior. Después se carga el horno, castina sobre fondo, a continuación mineral y, finalmente la chatarra de acero. Todos los grandes hornos Siemens se cargan en la actualidad mecánicamente.
Después de unas dos horas, la chatarra de acero empieza a fundirse y al llegar a este punto se añade el hierro fundido. La acción del material sobre el lingote origina la ebullición del baño, formándose una escoria clara, parte de la cual se retira. Después que la chatarra está completamente fundida, la castina empieza a descomponerse en anhídrido carbónico, el cuál asciende a través del metal y escoria, y también en óxido cálcico, que va a la superficie y contribuye a formar una escoria mas espesa. La acción del mineral, junto con la de la escoria, hace bajar el contenido de carbono del baño, de tal suerte que en una operación bien conducida queda alrededor de un 1% de carbono cuando la castina se ha descompuesto totalmente. La operación subsiguiente consiste en eliminar mas carbono hasta dejarlo en valor deseado, el cual depende del tipo de acero que se trata de fabricar, y de calentar el baño hasta la temperatura conveniente para poder hacer la colada y llenar las lingoteras. El contenido de carbono se baja gradualmente mediante un calentamiento continuado, pero si por ensayos se encuentra que es demasiado elevado, se añade material; si es demasiado bajo, se añade hierro, ya sea fundido o sólido. El contenido de carbono se juzga por las fractura de las probetas que se cuelan en pequeños moldes, las cuales se enfrían y rompen. Si se fabrica un acero blando o de bajo contenido de carbono, tan pronto como el contenido de carbono del acero que se está fabricando llega al porcentaje deseado y el metal está suficientemente caliente, se cuela en una cuchara, y se añaden a ésta el ferromanganeso y ferrosilicio necesarios para desoxidar y regular la composición química final del acero. Si se fabrica un acero de más porcentaje de carbono, como el empleado para raíles, el contenido de carbono se reduce a un valor comprendido entre 0,15 y 0,25% y se añade suficiente cantidad de hierro fundido un momento antes de hacer la colada, para que el contenido de carbono alcance el valor deseado. El manganeso y silicio se añaden entonces en forma de ferroaleaciones, ya sea en el horno o al acero en el momento de llenar la cuchara. Las cucharas de las cuales se cuela el acero en
las lingoteras son del tipo vaciable por el fondo, con el fin de separar el acero de la escoria, la cual flota en la superficie. En los aceros de bajo contenido de carbono se añaden a menudo pequeñas cantidades de aluminio el colarlo en los moldes para desgasificarlo, impidiendo de ésta manera que parte del mismo hierva sobre los moldes al solidificarse. Hornos Martin-Siemens ácidos
En los hornos Siemens ácidos no se emplea castina, y la escoria está formada por las impurezas del hierro, junto con parte del revestimiento del horno. Cuando se fabrican aceros de alto contenido de carbono, el acero no se suele carburar como se ha explicado antes, sino que se cuela cuando se alcanza el contenido de carbono deseado, el cual se determina mediante análisis químicos rápidos.
Tipos de hornos eléctricos Hornos de inducción
Los hornos de inducción (sin núcleo) funcionan con corriente a una frecuencia de 500 a 2000 Hz. El crisol refractario tiene un arrollamiento de tubo de cobre de sección rectangular, por el que circula el agua de refrigeración. Al pasar por este arrollamiento una corriente de alta frecuencia que es proporcionada por un generador especial, excita en el metal corrientes parásitas que lo calientan hasta su total fusión.
Esquema de horno eléctrico de inducción. En estos hornos se procesan materias primas de gran calidad, y debido a la velocidad del proceso, el metal no se oxida mucho, aunque al final del proceso se añaden cantidades de adiciones y desoxidantes. Los hornos de alta frecuencia tienen una capacidad que no rebasa las 8 t, usándose para producir aceros perfilados y aleaciones de alta calidad, como aceros resistentes a altas temperaturas, inoxidables, etc. Hornos de arco eléctrico
Como su nombre lo indica, estos hornos funcionan con el calor que desprende un arco eléctrico. Dentro de ellos se observan dos tipos: los de calefacción de arco indirecto y los directos.
En los del primer tipo, los electrodos se colocan encima del material a fundir, y los materiales se funden por el calor del arco excitado. En los hornos de calefacción directos, la fusión se logra a partir del arco entre los electrodos y el baño metálico.
Esquema de un horno de arco eléctrico. Partes de los hornos
Los hornos eléctricos constan fundamentalmente de las siguientes partes:
Caja: construida de chapas gruesas de acero.
Revestimiento: en los hornos ácidos, de ladrillos Dinas; en los básicos, con ladrillos de magnesita.
Bóveda móvil: se cubre con ladrillos Dinas.
Patines: tienen forma de arco y ayudan a la descarga del horno.
Piquera: canal para la salida del material fundido.
Transmisión eléctrica o hidráulica: mueve el horno hacia una posición horizontal para facilitar la descarga.
Electrodos: son móviles, y elaborados de grafito o carbono.
Transformador: suministra la corriente necesaria a los electrodos.
Barras colectoras: llevan la corriente del transformador a los electrodos.
Mezclas
En los hornos eléctricos se funde una mezcla compuesta por: Chatarra de acero: es la más importante de las materias primas. Hierro fundido: sirve para carbonizar el metal. Mineral de hierro: se agrega para oxidar las impurezas. Fundentes: se usa cal, con el objetivo de producir escorias básicas. Desoxidantes: se usan ferrosilicio, ferromanganeso, aluminio. Ferroaleaciones: para la obtención de aceros aleados, introduciendo: cromo, níquel, volframio, etc. En los hornos de revestimiento ácido, se obtienen aceros de calidad, pues se emplean materiales con bajos contenidos de fósforo y azufre. En los básicos se logran aceros de construcción con contenidos reducidos de impurezas. Proceso de fundición (básico)
Después de fundir la mezcla cargada en el horno, se añade cal, mineral de hierro u óxido de hierro y se conecta a la corriente. Periodo de oxidación
Debido al oxígeno del mineral o del óxido de hierro, se oxidan todas las impurezas, excepto el azufre. Al descargar las escorias, se carga nuevamente una pequeña cantidad de cal y mineral. Formadas nuevamente las escorias, se toman muestras para determinar la cantidad de fósforo que aún existe en la mezcla, y de nuevo se extraen las escorias. Estas operaciones se repiten hasta eliminar la mayor cantidad del fósforo.
Periodo de reducción
Sobre la superficie del metal se agregan las escorias básicas compuestas de cal y espato flúor, añadiéndose después coque desmenuzado. Se efectúa entonces la desoxidación del metal y la transformación del azufre en escorias. Se descargan las escorias añadiendo nuevamente escoria básica, y este proceso se repite hasta eliminar casi totalmente el azufre.
Clasificación y aplicación del acero. Metales ferrosos. Las tres clases generales de metales ferrosos son el acero, el hierro fundido y el hierro forjado. Los metales ferrosos están constituidos principalmente por hierro, que es magnético. El acero es el metal ferroso más importante que se utiliza en el trabajo del taller mecánico.
Tipos de acero. Acero al bajo carbono. Comúnmente llamado acero de máquina, contiene de .10% a .30% de carbono. Este acero, que se forja, se suelda y se maquina con facilidad, se emplea para hacer cosas como cadenas, remaches, pernos y tornillos, árboles o flechas, etc.
Acero de mediano carbono. Contiene de .30% a .60% de carbono y se utiliza para forja pesada , ejes de vagones, rieles, etc.
Acero al alto carbono. Por lo común llamado acero de herramientas, contiene de .60% a 1.7% de carbono y puede endurecerse y templarse. Los martillos, las barretas, etc., se hacen de acero con .75% de carbono. Las herramientas de corte, como las brocas, machuelos, escariadores, etc., se fabrican con acero que contiene de .90% a 1.0% de carbono.
Aceros de aleación. Son aquellos que tienen ciertos metales (como el cromo, el níquel, el tungsteno, el vanadio) agregados para darles determinadas características nuevas. Mediante la adición de diversas aleaciones, el acero puede hacerse resistente al herrumbre, la corrosión, el calor, la abrasión, el choque y la fatiga.
Aceros de alta velocidad. Contiene varias cantidades y combinaciones de tungsteno, cromo, vanadio, cobalto y molibdeno. Las herramientas hechas con estos aceros se utilizan para maquinar materiales duros a altas velocidades y para realizar cortes profundos. Se notan las herramientas de corte de acero de alta velocidad por mantener una arista de corte a temperaturas a las que la mayor parte de los aceros se rompería.
Aceros de alta resistencia y baja aleación. Contiene un máximo de carbono de .28% y cantidades pequeñas de vanadio, columbio, cobre y otros elementos de aleación. Tienen una resistencia más alta que la de los aceros de mediano carbono y son menos caros que otros aceros de aleación. Estos aceros desarrollan una película protectora al exponerse a la atmósfera y como consecuencia no requieren pintarse.
Elementos químicos que se encuentran en el acero.
El carbono. El acero puede variar del .01% al 1.7%. la cantidad de carbono determinará la fragilidad, dureza y resistencia del acero.
El manganeso. En el acero al bajo carbono hace que el metal sea dúctil y que tenga buenas cualidades para ser doblado. En el acero alta velocidad lo hace más tenaz y eleva su temperatura crítica. Normalmente el contenido de manganeso varía de .39% al .80%, pero puede ser mayor en algunos aceros especiales.
El fósforo. Es un elemento indeseable que vuelve frágil al acero y reduce su ductilidad. En los aceros satisfactorios, el contenido de fósforo no debe ser mayor al .05%.
El silicio. Se agrega silicio al acero para eliminar los gases y los óxidos, evitando así que el acero se vuelva poroso y se oxide. Asimismo vuelve al acero más duro y más tenaz. El acero al bajo carbono contiene alrededor del .20% de silicio.
El azufre. Es un elemento indeseable, provoca la cristalización del acero (fragilidad en caliente) al calentar el metal hasta llevarlo a un color rojo. Un acero de buena calidad no debe contener más del .04% de azufre.
Referencias
http://mariodcpprocesosdfabricacion.blogspot.mx/2011/10/proceso-de-obtenciondel-hierro-y-del.html http://myslide.es/documents/funcionamiento-horno-bessemer.html http://www.quimica.es/enciclopedia/Horno_Martin-Siemens.html http://www.catedu.es/tecnologiautrillas/materiales/web3.htm http://www.ecured.cu/Elaboraci%C3%B3n_de_acero_en_hornos_el%C3%A9ctrico s
