”AÑO DEL BUEN SERVICIO AL CIUDADANO”
UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA
INGENIERIA DE MINAS INGENIERIA QUÍMICA “PRODUCCION DE ACERO”
FACULTAD
:
INGENIERÍA DE MINAS
ESCUELA PROFESIONAL: INGENIERÍA QUÍMICA
:
CURSO
ECONOMIA DE LOS PROCESOS QUIMICO Q UIMICOS S
:
DOCENTE
ING. DANTE CASTRO C.
INTEGRANTES
:
- SULLON MOROCHO JUAN CARLOS - UBILLUS SANDOVAL RAMON ALFREDO - ZAPATA BERECHE DIANA CAROLINA 1
INDICE I. INTRODUCCION II. ANTECEDENTES HISTORICOS III. CONCEPTOS GENERALES 3.1. DEFINICION DEL ACERO 3.2. PAPEL DEL CARBONO EN EL ACERO IV. PROPIEDADES FISICO, QUIMICAS Y MECANICAS DEL ACERO V. CLASIFICACION DEL ACERO 5.1. Clasificacion del acero por porcentaje del carbono 5.2. Clasificacion del acero según aditivos VI. MATERIAS PRIMAS PARA LA PRODUCCION DE ACERO 6.1. Mineral de hierro 6.2. Carbón 6.3. Fundentes 6.4. Chatarra 6.5. Arrabio VII. METODOS DE OBTENCION 7.1. Distribución de las planta productoras de acero latinoamericanas 7.2. Proceso siderúrgico integral (alto horno) 7.2.1.Alto horno 7.2.1.1. Definición de las partes principales 7.2.1.2. Proceso de reducción de minerales del hierro en el alto horno 7.2.1.3. Procesos químicos en el alto horno 7.2.1.4. Revestimiento para el alto horno 7.2.2.Convertidores 7.2.2.1. Convertidor LD 7.3. Método moderno (reducción directa con horno eléctrico integrado) 7.3.1.Componentes de un horno eléctrico 7.3.2.Electrodos 7.3.3.Proceso de reducción directa 7.3.4.Proceso de la obtención del hierro esponja 7.3.5.Proceso de acería 7.3.6.Reducción de la escoria 7.3.7.La colada 7.3.8.Laminación 7.3.8.1. Laminación en caliente VIII. CONTAMINACION AMBIENTAL 8.1. Diagrama de flujos de contaminantes y residuos generados por diferentes procesos 2
IX. X.
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BIBLIOGRFIA LINKOGRAFIA
I.
INTRODUCCION
Durante la historia el hombre ha tratado de mejorar sus materias primas para sus construcciones, añadiendo materiales orgánicos como inorgánicos, para obtener así los resultados ideales para sus diversas obras. Dado el caso de que los materiales más usados en la construcción no se encuentran en la naturaleza en estado puro, por lo que para su empleo hay que someterlos a una serie de operaciones metalúrgicas cuyo fin es separar el metal de las impurezas u otros minerales que lo acompañen. Pero esto no basta para alcanzar las condiciones óptimas, entonces para que los metales tengan buenos resultados, se someten a ciertos tratamientos con el fin de hacer una aleación que reúna una se rie de propiedades que los hagan aptos para adoptar sus formas futuras y ser capaces de soportar los esfuerzos a los que van a estar sometidos. El ACERO, como material indispensable de refuerzo en las construcciones, es una aleación de hierro y carbono, en proporciones variables, y pueden llegar hasta el 2% de carbono, con el fin de mejorar algunas de sus propiedades, puede contener también otros elementos. Una de sus características es admitir el temple, con lo que aumenta su dureza y su flexibilidad. En las décadas recientes, los ingenieros y arquitectos han estado pidiendo continuamente aceros cada vez más sofisticados, con propiedades de resistencia a la corrosión, aceros más soldables y otros requisitos. La investigación llevada a cabo por la industria del acero durante este periodo ha conducido a la obtención de varios grupos de nuevos aceros que satisfacen muchos de los requisitos y existe ahora una amplia variedad cubierta gracias a las normas y especificaciones actuales.
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II. ANTECEDENTES HISTORICOS El hierro se encuentra en grandes cantidades en la corteza terrestre formando parte de diversos minerales (óxidos, minerales hidratados, car bonatos, sulfuros, silicatos, etc.). Desde tiempos prehistóricos, el hombre ha aprendido a preparar y procesar estos minerales por medio de operaciones de lavado, triturado y clasificado, separación de la ganga, calcinado, sinterizado y granulado, para fundir los minerales y obtener hierro y acero. A lo largo de la historia, muchos países han desarrollado una próspera industria siderúrgica basada en los suministros locales de mineral y en la proximidad de bosques para obtener carbón vegetal como combustible. A comienzos del siglo XVIII, el descubrimiento de que se podía utilizar coque en lugar de carbón vegetal revolucionó la industria, hizo posible un rápido desarrollo de la misma y sentó las bases para los demás avances de la Revolución Industrial. La fabricación de acero se desarrolló básicamente en el siglo XIX, al inventarse los procesos de fusión; el Bessemer (1855), el horno de hogar abierto, normalmente calentado a base de gas pobre (1864); y el horno eléctrico (1900). Hoy en día, la producción de acero es indicativa de la prosperidad de una nación y constituye la base para la producción en serie de muchas otras industrias, como la construcción naval, la construcción de edificios y la fabricación de automóviles, maquinaria, herramientas y equipamiento doméstico. El desarrollo de los transportes, especialmente del marítimo, ha hecho económicamente rentable el intercambio internacional de las materias primas necesarias (mineral de hierro, carbón, gasóleo, chatarra y aditivos). Durante los últimos decenios, se han desarrollado y alcanzado el éxito los p rocesos conocidos como de reducción directa. Los minerales de hierro, en especial los de ley alta o los enriquecidos, se reducen a hierro esponjoso por extracción del oxígeno que contienen, obteniéndose de este modo un material ferroso que sustituye a la chatarra.
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III. CONCEPTOS GENERALES 3.1 DEFINICION DE ACERO: El acero puede definirse como: "Material en el que e l hierro es predominante y cuyo contenido en carbono es, generalmente, inferior al 2%, conteniendo además otros elementos en diversas proporciones. Aunque un limitado número de aceros puede tener contenidos en carbono superiores al 2% este es el límite habitual que separa el acero de la fundición".
3.2 EL PAPEL DEL CARBONO EN EL ACERO: El acero es, básicamente, una aleación de hierro y de carbono. El contenido de carbono en el acero es relativamente bajo. La mayoría de los aceros tienen menos de 9 átomos de carbono por cada 100 de hierro. Como el car bono es más ligero que el hierro, el porcentaje de masa de carbono en el acero es casi siempre menos del 2%. La forma convencional de expresar el contenido de los elementos en las aleaciones es mediante el porcentaje con que cada uno contribuye a la masa total. El carbono tiene una gran influencia en el comportamiento mecánico de los aceros. La resistencia de un acero simple con 0,5% de carbono es más de dos veces superior a la de otro con 0,1%. Además, como puede apreciarse en la figura 1, si el contenido de carbono llega al 1%, la resistencia casi se triplica con respecto al nivel de referencia del 0,1%.
Figura 1. Efecto del contenido del carbono en la resistencia de los aceros
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El carbono, sin embargo, generalmente reduce la ductilidad del acero. La ductilidad es una medida de la capacidad de un material para deformarse de forma permanente, sin llegar a la ruptura. Por ejemplo, el vidrio no es nada dúctil: cualquier intento por deformarlo, estirándolo o doblándolo, conduce inmediatamente a su fractura. El aluminio, por el contrario, es sumamente dúctil. Un acero del 0,1% en carbono es más de cuatro veces más dúctil que otro con 1% de carbono y dos veces más que un tercero con 0,5% de carbono, como se indica en la figura 2. En esta gráfica, la ductilidad se expresa como un porcentaje. Este se determina estirando una barra de acero hasta llevarla a la fractura para después calcular el incremento porcentual de su longitud.
Figura 2. Efecto del contenido del carbono en la ductilidad de los aceros comunes
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IV.
PROPIEDADES DEL ACERO
Aunque es difícil establecer las propiedades físicas y mecánicas del acero debido a que estas varían con los ajustes en su composición y los diversos tratamientos térmicos, químicos o mecánicos, con los que pueden conseguirse aceros con combinaciones de características adecuadas para infinidad de aplicaciones, se pueden citar algunas propiedades genéricas:
Su densidad media es de 7850 kg/m³.
En función de la temperatura el acero se puede contraer, dilatar o fundir.
Es un material muy tenaz, especialmente en alguna de las aleaciones usadas para fabricar herramientas.
Relativamente dúctil.
Es maleable.
Permite una buena mecanización en máquinas herramientas antes de recibir un tratamiento térmico.
Algunas composiciones y formas del acero mantienen mayor memoria, y se deforman al sobrepasar su límite elástico.
Se puede soldar con facilidad.
La corrosión es la mayor desventaja de los aceros ya que el hierro se oxida con suma facilidad incrementando su volumen y provocando grietas superficiales que posibilitan el progreso de la oxidación hasta que se consume la pieza por completo.
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Posee una alta conductividad eléctrica.
V. CLASIFICACIÓN DEL ACERO 5.1. Clasificación del acero por el porcentaje de carbono Por su contenido de carbono, los aceros se clasifican como de bajo, medio, alto y ultra alto carbono
Aceros de bajo carbono: tienen menos del 0,25% de carbono en su aleación. Ellos son fácilmente deformables, cortables, mecanizables y soldables; en una palabra, son muy "trabajables". Además, con ellos se fabrican las mejores varillas para refuerzo de concreto, estructuras de edificios y puentes, la carrocería de automóviles y las corazas de los barcos.
Los aceros de medio carbono: entre 0,25% y 0,6%, se emplean cuando se desea obtener mayor resistencia, pues siguen manteniendo un buen comportamiento dúctil aunque su soldadura ya requiere cuidados especiales. Con estos aceros se hacen piezas para maquinarias como ejes y engran ajes.
Los aceros de alto carbono: entre 0,6% y 1,2%, son de muy alta resistencia, pero su fragilidad ya es notoria y son difíciles de soldar. Muchas herramientas son de acero de alto carbono: picos, palas, hachas, martillos, cinceles, sierras, etc. Los rieles de ferrocarril también se fabrican con aceros de ese tipo.
Los aceros de ultra alto carbono: contienen alrededor del 1,5% de carbono, puede creerse que son tan frágiles, estos aceros tienen gran tenacidad y Resistencia, lo que permite fabricar infinidad de piezas donde la resistencia al esfuerzo, al impacto o a la fatiga son de vital importancia.
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5.2. Clasificación del acero según sus aditivos Los aceros se clasifican en cinco grupos principales: aceros al carbono, aceros aleados, aceros de Baja aleación ultra resistente, aceros inoxidables y aceros de herramientas.
Aceros al carbono: El 90% de los aceros son aceros al carbono. Estos aceros contienen una cantidad diversa de carbono, menos de un 1,65% de manganeso, un 0,6% de silicio y un 0,6% de cobre.
Aceros de baja aleación ultra resistentes : Estos aceros son más baratos que los aceros convencionales debido a que contienen menor cantidad de materiales costosos de aleación. Sin embargo, se les da un tratamiento especial que hace que su resistencia sea mucho mayor que la del acero al carbono. Este material se emplea para la fabricación de vagones porque al ser más resistente, sus paredes son más delgadas, con lo que la capacidad de carga es mayor. Además, al pesar menos, también se pueden cargar con un mayor peso. También se emplea para la fabricación de estructuras de edificios.
Aceros inoxidables: Estos aceros contienen cromo, níquel, y otros elementos de aleación que los mantiene brillantes y resistentes a la oxidación. Algunos aceros inoxidables son muy duros y otros muy resistentes, manteniendo esa resistencia durante mucho tiempo a temperaturas extremas. Debido a su brillo, los arquitectos lo emplean mucho con fines decorativos. También se emplean mucho para tuberías, depósitos de petróleo y productos químicos por su resistencia a la oxidación y para la fabricación de instrumentos quirúrgicos o sustitución de huesos porque resiste a la acción de los fluidos corporales. Además se usa para la fabricación de útiles de cocina, como pucheros, gracias a que no oscurece alimentos y es fácil de limpiar.
Aceros de herramientas: Estos aceros se emplean para fabricar herramientas y cabezales de corte y modelado de máquinas. Contiene wolframio, molibdeno y otros elementos de aleación que le propo rcionan una alta resistencia, dureza y durabilidad.
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VI. MATERIAS PRIMAS PARA LA PRODUCCION DEL ACERO 6.1. MINERAL DE HIERRO El mineral de hierro es abundante, pero su aislamiento es un proceso que consume intensa energía. Es encontrado principalmente en sus óxidos como la hematita (Fe2O3) y magnetita (Fe 3O4). Los minerales granulares para la industria de la siderurgia se usan directamente de las minas, las cuales generalmente producen mineral granular y finos de mineral de hierro. Son más baratos que los pellets y se usan mucho pero en general tienen propiedades más pobres. En comparación con los pellets, el mineral granular genera más finos durante el transporte y el manipuleo y propiedades más pobres de reducción desintegración La pirita FeS, pirrotina y la calcopirita CuFeS2 no figuran en ella pero también se
explotan. La presencia de azufre los descalifica por ser este elemento, un veneno para el acero, ya que, junto con el fósforo le dan fragilidad.
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Magnetita
Hematita
siderita
Figura 4: mineral de hierro Antes de ser cargados en los hornos sufren operaciones preparatorias que varían de un yacimiento a otro o de un mineral a otro. Su objetivo es aumentar la ley (% pureza) y la porosidad para favorecer la reducción en el horno.
6.2. CARBÓN El carbón o carbón mineral es una roca sedimentaria, muy rica en carbono y con cantidades variables de otros elementos, principalmente hidrógeno, azufre, oxígeno y nitrógeno, utilizado como combustible fósil principalmente, en la industria de la siderurgia es usado como fuente de gas CO para reducir los óxidos de hierro a hierro metálico y provee el carbono necesario para la producción del arrabio. Para producción de coque se calienta una mezcla de carbono(carbón bituminoso) a 1250 0C en una atmosfera libre de oxígeno. Este coque tiene más de 90% de carbono, durante esta fase del proceso de obtención del coque se separan los volátiles (alquitrán, azufre, amoniaco, naftaleno y benceno) estos se eliminan en la fase gaseosa. Este debe ser suficientemente resistente para no pulverizarse con el peso de la columna de la carga, tener poca ceniza y poco azufre. 12
6.3. FUNDENTES El fundente en general es una sustancia que agregamos a los procesos de reducción y/o de fusión de metales para obtener condiciones físicas y químicas favorables. Estas condiciones químicas son por ejemplo eliminar las impurezas del metal fundido, formando el fundente un compuesto químico con las mismas, separándolas de la masa líquida por menor densidad flotando sobre su superficie. También está el caso en que el fundente evita la incorporación de impurezas y reacciones químicas indeseables con el ambiente del proceso (por ej. oxidación) por formar una capa protectora sobre el metal fundido. Esto se aplica por ejemplo en la soldadura y en crisoles y cucharas de colada de metales no ferrosos como ser el aluminio que fácilmente se combina con el oxígeno. Otro caso que al combinarse con la ganga y las impurezas, la separa de la carga y baja su punto de fusión, condición física muy favorable. Para el mineral de hierro la ganga puede ser: Al2O3 Oxido de aluminio. Temp de Fusión: 2000ºC
SiO2 Arena. Temp de Fusión: 1800ºC
CaO
MgO
Los fundentes más utilizados para la fusión de las menas de hierro son:
Piedra caliza: CaCO3 + impurezas
Dolomita: CaCO3. MgCO3 + impurezas % impurezas < 3%
La ganga tiene temperatura de fusión mayor que el hierro (1500ºC). Dentro del Alto Horno, la ganga se mantiene en estado sólido a esa temperatura, siendo por ello que
ello que se agrega el fundente buscando
disminuir la temperatura de fusión de la misma y separarla del hierro en el por diferencia de densidades.
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crisol
6.4. CHATARRA La chatarra es el conjunto de trozos de metal de desech o, principalmente hierro. La chatarra de hierro se utiliza en la producción de acero, y cubre un 40% de las necesidades mundiales. El porcentaje de uso varía según el proceso de fabricación utilizado, se puede utilizar en pocas cantidades en la producción de acero por convertidores pero puede llegar hasta un 100% de utilización en los procesos de fabricación por horno eléctrico. El hierro reciclado es acopiado, después pasa por un proceso de triturado donde es reducido a un tamaño óptimo, después en una faja transportadora pasa por rodillos magnéticos donde se selecciona todo lo metálico desechando lo no metálico y finalmente es apilado para su utilización.
6.5. ARRABIO El arrabio es el producto obtenido por reducción de los minerales de hierro. Es un material intermedio usado para obtener luego acero o fundiciones. No es un producto terminado, porque contiene abundantes, impurezas, y un exceso de C, por lo cual requiere un tratamiento posterior para convertirse en acero, por eso los hornos donde se produce el “afino” del arrabio, se llaman convertidores.
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VII. METODOS DE OBTENCION 7.1.
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Distribución de las plantas productoras de acero latinoamericanas
VÍAS DE FABRICACIÓN DEL ACERO
COQUE
HIERRO
ACERO
MINERAL Y/O AGLOMERADO
ALTO HORNO
REDUCCIÓN DIRECTA
ARRABIO FUNDIDO - ESCORIA
HIERRO ESPONJA PELLET METALICO
ACERIA ELECTRICA
ACERIA AL OXIGENO
ACERO LÍQUIDO
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GAS NATURAL CARBON
CARBÓN
MINERAL Y/O AGLOMERADO
FUSIÓN REDUCCION
7.2.
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METODO CLASICO:PROCESO SIDERURGICO INTEGRAL(ALTO HORNO)
Actualmente hay dos métodos de fabricación del acero:
1. R uta convenci onal de la s iderurg ia integ ral (horno alto + acería LD) 2. Ruta del horno eléctrico de arco (HEA)+Reducción directa (DRI) La fabricación de acero en la acería LD representa en la actualidad el 71.2 % de la producción mundial, siendo gran parte de esta producción dedicada a la fabricación de productos planos de alta calidad, con especificaciones muy estrictas en contenidos de elementos residuales y nitrógeno. La fabricación de acero basada en la fusión de chatarra y en ocasiones de prerreducidos de hierro en horno eléctrico de arco, ha experimentado un crecimiento muy importante en las últimas décadas y supone el 28.2 % de la producción mundial.
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7.2.1. EL ALTO HORNO El alto horno es la instalación industrial dónde se transforma o trabaja el mineral de hierro. Un alto horno típico está formado por una cápsula cilíndrica de acero de unos 30 m de alto forrado con un material no metálico y resistente al calor, como asbesto o ladrillos refractarios. La parte inferior del horno está dotada de varias aberturas tubulares llamadas toberas, por donde se fuerza el paso del aire que enciende el coque. Cerca del fondo se encuentra un orificio por el que fluye el arrabio cuando se vacía el alto horno. Encima de ese orificio, pero debajo de las toberas, hay otro agujero para retirar la escoria. La parte superior del horno contiene respiraderos para los gases de escape, y un par de tolvas redondas, cerradas por válvulas en forma de campana, por las que se introduce el mineral de hierro, el coque y la caliza. Una vez obtenido el acero líquido, se puede introducir en distintos tipos de coladura para obtener unos materiales determinados: la colada convencional, de la que se obtienen productos acabados; la colada continua, de la que se obtienen trenes de laminación y, finalmente, la colada sobre lingoteras, de la que lógicamente se obtienen lingotes.
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7.2.1.1
DEFINICION DE LAS PARTES PRINCIPALES
La figura muestra las partes principales del alto horno. Ellas son:
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Tragante Cuba Vientre Etalaje Crisol
Tragante: lugar donde entra toda la carga –mineral, combustible y fundente ‐ .Tiene un dispositivo para evitar que se escapen los gases a la atmósfera: cuando cae la carga sobre la campana superior, sobrepasada un valor del peso, se abre cayendo la carga sobre la campana inferior que se abre, luego de cerrarse la superior. Nunca se abren las dos campanas simultáneamente. La carga llega mediante cintas transportadoras o vagonetas llamadas “Skip”.
Cuba: Tiene forma tronco‐cónica invertido. Es aquí donde se efectúan las primeras reacciones químicas. El aumento de sección se da porque la carga aumenta de volumen , el mineral al reducirse se transforma en una “esponja” de hierro.
Vientre: Es la parte más ancha, donde se empalman los conos superior e inferior Etalaje: Es la zona más caliente del Alto Horno. El hierro del mineral termina de fundirse y la ganga de escorificarse. Toda la columna de carga está sostenida por el coque incandescente. El fundente y el mineral ya no existen como tales y la escoria, como el metal está en estado líquido, cae hacia el crisol por los espacios que deja libre la carga del coque incandescente. El calor es recibido por convección de los gases, pero más que nada por radiación debido a las altas temperaturas.
Crisol: recipiente del fondo revestido con grafito (carbono amorfo). En el mismo se deposita al fondo el metal fundido (arrabio) que sobrenada la escoria. Mediante separación por diferencias de densidad.
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densidad escoria = 2,5 a 3 kg/dm3
densidad arrabio = 5,5 a 6,8 kg/dm3
7.2.1.2 PROCESO DE REDUCCIÓN DE MINERALES DE HIERRO EN EL ALTO HORNO
En la presencia de un exceso de monóxido de carbono (CO) el óxido de hierro puede ser totalmente reducido alrededor de 900º C, pero como el punto de fusió n del hierro es de 1538º C, el hierro producido así siempre estaba sólido y debía ser removido casi destruyendo el horno. El hierro producido de este modo es blando y maleable ya que absorbió poco carbono. El descubrimiento del hierro fundido debe haber sido muy sorpresivo, cuando al abrir el horno en vez de salir una masa sólida, corrió el líquido. A medida que los hornos fueron haciéndose más eficientes se alcanzaban más altas temperaturas. Así el hierro absorbía más carbono y con ello se bajaba el punto de fusión, luego se licuaba con facilidad. Entonces surgió el problema que el producto dejó de ser forjable ya que se obtuvo arrabio y no hierro dulce o acero de bajo carbono. El arrabio no era utilizable en forma directa y debía ser sometido a una refinación posterior antes de ser utilizable como un material forjable. Hoy en día, sigue utilizándose el proceso de obtener primero el arrabio en el alto horno ya que es el método más económico para minerales de alta ley. La figura 3 muestra un esquema en corte de un alto horno y figura 4 muestra una planta de alto horno. El alto horno tiene alrededor d e 30 a 40 m de alto y un diámetro máximo interno de 7 a 10 m. Está revestido de material refractario, en su mayor parte de arcilla (Al2O3 + SiO2). La zona del horno de mayor temperatura donde se produce la mezcla del aire con el combustible coque, o sea, la zona de las toberas y el crisol es de la mejor calidad de ladrillo refractario, duro, denso y de alta resistencia. Algunos hornos son revestidos por bloques de carbono. El espesor de las capas de refractarios es alrededor de 75 cm sobre las toberas y con serpentines de refrigeración de agua y de 1 a 2 m en la parte de la cuba. 22
La naturaleza del alto horno es tal que pueden hacerse muy pocas reparaciones durante la operación, entonces la vida del horno depende de la duración de los refractarios. Los altos hornos modernos se operan día y noche por 3 a 7 años. Al final de la campaña se puede observar que el revestimiento se ha adelgazado enormemente por erosión y acción de la escoria, los bloques del fondo del crisol han desaparecido y han sido reemplazados por una “salamandra”, que es una masa de hierro solidificado. El aire para la combustión entra por las toberas que son entre 10 y 16 distribuidas alrededor de 1 metro más alto del orificio de escoriado. Cerca del fondo del horno está el orificio de sangría del arrabio y alrededor de 1 metro más abajo al orificio de escoriado.
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Figura 3: Alto Horno (corte)
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Figura 4: Alto horno (planta)
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La carga se efectúa por la parte superior del horno, en la cual existe un sistema de doble campana que permite cargar el horno sin que se escapen los gases. Estos gases están calientes, 180º C, y son ricos en CO, luego son factibles de ser quemados posteriormente, razón por la cual son dirigidos para su combustión a las torres precalentadoras de aire
(Recuperador Cowper, Figura 5)
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CARGA DEL ALTO HORNO El horno se mantiene lleno con cargas de capas alternadas de mineral, fundente y coque. La naturaleza de la carga debe ser tal que permita el paso de los gases ascendentes a través de ella, o sea, debe tener una granulometría uniforme adecuada, no muy gruesa ni muy fina, ya que los polvos son arrastrados con los gases.
Figura 6: Diagrama esquemático mostrando el flujo de materiales en un alto horno.
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7.2.1.3 PROC E S OS QUÍMICOS E N EL ALTO HORNO La reducción del mineral de hierro para producir hierro metálico líquido saturado en carbono en alto horno se cuenta entre los mayores tonelajes de metal que se pueden producir. El alto horno es un equipo en contracorriente en donde se sopla aire desde el fondo y asciende en contra de la carga descendente de mineral de hierro, coque y caliza. En la base del horno, la oxidación del coque a CO calienta el gas ascendente a aproximadamente 2000ºC. El horno tiene que cumplir dos funciones: La remoción del oxígeno del mineral de hierro, que se logra debido a la reacción química entre los óxidos de hierro y el carbón (coque) que produce monóxido de carbono, dióxido de carbono y hierro. La segunda función es que el proceso debe procurar una buena separación del metal producido de la ganga contenida en el mineral, esto se logra fundiendo la carga lo que permite que la diferencia de densidades separe las impurezas en una capa de escoria que flota sobre la fase metálica líquida. Desde el punto de vista económico el proceso debiera operar al mínimo posible de temperatura, compatibilizando con una alta productividad. Como la reducc ión de los óxidos minerales se lleva a cabo casi completamente antes que la carga sea completamente fundida; por lo tanto, la temperatura mínima de operación está dada por la temperatura de fusión del metal y la escoria. El hierro puro funde a 1537ºC, pero este punto disminuye ante la presencia de los solutos. El hierro en el alto horno está saturado en carbono y también contiene manganeso, silicio, fósforo y azufre los cuales son reducidos desde el mineral ante el potencial de oxígeno p revaleciente en el horno. La presencia de estos elementos disueltos en el hierro disminuye el punto de fusión del hierro a 1200ºC. La escoria contiene cal, magnesita, sílice y alúmina, las cuales tienen puntos de fusión mayores a 1200ºC. La mezcla tiene un punto de fusión del orden de los 1400ºC. Claramente la escoria establece la mínima temperatura de operación del alto horno. La temperatura real debe ser un poco mayor que este mínimo, para 28
asegurar que la escoria sea lo suficientemente fluida y evacue libremente el horno. En la práctica la escoria esta entre 1400 a 1500ºC, mientras que la temperatura del metal es 50ºC menor. La carga debe ajustarse de modo de formar una escoria que quede dentro del rango que asegure la formación de un líquido de baja viscosidad a esta temperatura. Al mismo tiempo la composición de la escoria debería ajustarse para presentar una baja concentración de sus componentes en el metal y una alta concentración de los mismos en la escoria. Es raro que la ganga contenida en el mineral más los compuestos del coque, conformen los requerimientos anteriores, por lo cual deben mezclarse dos minerales con ganga de distinta composición para obtener una carga “auto fundente”.
Generalmente es necesario agregar fundente a la carga para ajustar la composición de la escoria. En la práctica la composición de la escoria es un compromiso de trabajo. A la temperatura de operación, el rango de composición en donde se obtiene una adecuada fluidez no es muy grande y la selección de la composición óptima para controlar la composición de los solutos en el metal debe realizarse dentro de este rango. El alto horno se puede dividir estructuralmente en tres zonas (figura 7) donde ocurren distintas reacciones. Las mayores temperaturas se obtienen en el crisol en frente de las toberas donde el oxígeno contenido en el aire de soplado reacciona con el coque dando una temperatura local de 2000ºC. Fuera de la zona de combustión la temperatura cae alcanzando 1600ºC en el centro. Esto es más que suficiente para fundir el metal y la escoria mediante transfere ncia de calor a la carga. Inmediatamente después del sangrado el metal y la escoria fundidos se extienden hacia el fondo del crisol. En un tiempo intermedio el líquido se mueve entre la zona de toberas y el fondo del crisol. Todo el mineral que desciende esta fundido, pero una columna de coque se extiende bajo la superficie superior de la escoria y posiblemente al fondo del horno.
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Sobre el crisol está un cono truncado invertido llamado etalaje y sobre este está la cuba. La temperatura disminuye suave y uniformemente ante el aumento de la altura desde 1100º C en la zona de toberas hasta 800º C en la mitad de la cuba. En este punto la temperatura cae rápidamente hasta los 500 a 600º C y entonces continua descendiendo a menor velocidad, alcanzando los 200 a 250º C en la parte superior del horno. Los gases calientes de la zona de combustión ascienden a través del horno en contracorriente con la carga descendente, y una gran parte de este calor sensible en la fase gaseosa es transferido a la carga. La altura de la cuba es necesaria para obtener una máxima recuperación térmica del gas e idealmente, la altura del horno debería ser tal que el gas salga a la temperatura atmosférica. Sin embargo, al aumentar la altura proporcionalmente tiene que aumentar la carga de materiales dentro del horno, existiendo la probabilidad que parte de la carga sea fracturada generando polvo. Este fino material se empaqueta entre las partículas grandes, obstruyendo el paso del flujo gaseoso ascendente. La altura máxima promedio del horno ha permanecido constante en los últimos 20 años alrededor de 30 m. Durante este tiempo la temperatura del gas de salida ha disminuido a 100º C, gracias a un adecuado control y distribución de la carga en el horno con el objetivo de alcanzar un mejor contacto gas-sólido mejorando así la transferencia de calor. La reducción del mineral se inicia tan pronto entra al horno. Este se reduce por etapas, primero de Fe2O3 a Fe3O4 y luego de Fe3O4 a FeO para terminar como metal. Cuando el mineral alcanza el nivel correspondiente a 750º C, el óxido se redujo a una esponja metálica de hierro. La caliza se descompone a aproximadamente 800º C, con un buen consumo de calor (-41 Kcal). El reductor principal es el gas CO (ec. 1 al 4). El dióxido de carbono producido en cada una de estas reacciones puede reaccionar con el carbono del coque y producir más monóxido de carbono de acuerdo a la ecuación 6.
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Los enormes ventiladores que aseguran el tiro forzado a través de la carga de coque y mineral, suministran por las toberas el aire necesario para la combustión del coque. El carbono se quema, sin complicación, ya que existen dos compuestos oxigenados del carbono, el CO (monóxido de carbono) y el CO2 (anhídrido carbónico o dióxido de carbono). Estos gases, a todas temperaturas comprendidas entre 300 y 1000 º C, están presentes o en equilibrio con el carbono sólido, o sea, estrictamente la ecuación 6 se debe escribir:
Los 41 kilo-calorías que figuran a la derecha de la reacción con el signo menos expresan el hecho de que en el sentido de la reacción que produce CO, es decir de izquierda a derecha, hay simultáneamente consumo de esa cantidad de calor. Viceversa, la descomposición de CO para forma C y CO2 genera 41 Kcal. A partir de esta observación, no es difícil imaginar que si llevamos a una temperatura cada vez más alta la mezcla CO, C, CO2 se favorece la formación de CO a expensas de CO2 y del carbono libre. Esto se produce porque la Ley fundamental de los sistemas en equilibrio es de efectuar espontáneamente la reacción que se opone a una modificación del sistema, impuesto desde el exterior (esto tiene varios nombres, algunos antiguos como “Principio de Le Chatelier” o “Ley de acción de las masas” o más moderno “Equilibrio Químico”). En este caso el sistema C, CO, CO2
reacciona a una elevación térmica de tal manera que absorbe una parte del calor que se le ha suministrado. Fabrica, pues, CO. En suma a toda temperatura comprendida entre 300 y 1000º C, las proporciones relativas de CO y CO2 en los gases son fijados por la temperatura. A 1000º C se completa la reacción y se invierte totalmente, o sea hay casi un 100% de CO. Estos valores, naturalmente se dan sin tener en cuenta el nitrógeno que acompaña al oxígeno del aire. A temperaturas intermedias hay una cierta cantidad de CO y de CO2 simultáneamente. Ver gráfico de Boudouard (Figura 8). 32
Entonces como por encima de 1000º C casi no existe CO2 en presencia del carbono libre, el CO no puede actuar como agente reductor en la parte inferior del horno porque para reducir, el CO debe oxidarse a CO2. Luego la reducción a altas temperaturas se debe a la acción directa del carbono que forma CO (ecuaciones 7 al 12). Nótese que estas reacciones también consumen una gran cantidad de calor.
Figura 8: Diagrama de Boudouard La reacción característica para la reducción del óxido de hierro en el alto horno es la ecuación 4. FeO + CO
Fe + CO2 + 4 Kcal
Sin embargo, si la temperatura es suficientemente alta y la concentración de CO2 es suficientemente grande, se lleva a cabo la reacción reversa. Fe + CO2
33
FeO + CO
Y el Fe es Re oxidado por el CO2. Para prevenir esto, se quema un exceso de carbono en el A.H. para tener presente siempre un exceso de CO. Entonces la reacción general de la reducción del mineral de hierro es del tipo: FeO(S) + 4 CO(g) = Fe(s) + CO2(g) + 3CO(g) Que muestra la cantidad de CO(g) presente en los gases descargados por la parte superior del A.H. Consideraciones del “Equilibrio Químico Termodinámico”,
muestran que la reducción del mineral por CO(g) es una reacción limitada, no se lleva a cabo completamente. Llega a equilibrio antes que todo el óxido de hierro esté reducido y es imposible reducir el óxido de hierro completamente sin tener un exceso de CO(g) presente como lo indica la ecuación. Antes que se tuviera conciencia del “Equilibrio Termodinámico”, se pensaba que el CO(g) presente en
los gases de la chimenea era debido al contacto insuficiente con el óxido y se pensó en remediar el problema construyendo hornos más altos, para aumentar la eficiencia. La saturación de hierro con carbono baja desde el punto de fusión a 1535º C a 1150º C. Es probable que todo el mineral de hierro se reduzca antes que la carga alcance la región en donde prevalece esta temperatura. Operacionalmente la escoria esta entre 1400 a 1500º C, mientras que la temperatura del metal es más baja. Esto se debe a las pérdidas de calor del crisol y a que el eutéctico en los sistemas CaO-SiO2 y CaO-Al2O3 están sobre los 1400º C, y solo un sistema más complejo CaO-SiO2-Al2O3 tiene un eutéctico menor a 1300º C. Por lo tanto, existirá una zona entre los 1000º C y por sobre los 1400º C donde el líquido comenzará a formarse dentro de la carga, y avanzará desde el crisol hacia el fondo del horno. El arrabio y la escoria gotean juntos a través de coque y se acumulan en el crisol donde se separan por densidad. La densidad del arrabio es mayor que la de la escoria, por lo cual las gotas de arrabio se sumergirán a través de la escoria líquida y bajo óptimas condiciones de contacto metal-escoria los elementos reducidos pasan al arrabio y los elementos oxidados se disuelven en la escoria. El arrabio disuelve C, Si, Mn, S y P y la escoria retiene CaO, CaS, SiO2, Al2O3, MgO y algo de MnO. El azufre en forma de FeS es soluble en el hierro, pero como CaS se disuelve en la escoria, algo de S queda en el arrabio.
El horno es “sangrado” periódicamente, 4 a 5 veces en 24 horas y se obtienen
entre 200 y 250 t de arrabio para un horno de 1000 t/día. El arrabio es vaciado en los moldes que producen lingotillos o transferido directamente en una “cuchara” a la sección de las instalaciones donde se produce la Fabricación de
Acero. La composición del arrabio puede ser regulada en cierta medida aumentando o disminuyendo la cantidad de combustible que regula la temperatura de la zona de las toberas. Altas temperaturas promueven las reacciones 7 al 10, el horno caliente produce arrabio con más Si y Mn y menos S. El resto del control de la composición debe lograrse con una selección apropiada del mineral y el resto de la carga.
7.2.1.4
Revestimientos para el alto horno
Refractarios Se trata de ladrillos, polvos y preparados especiales usados para la construcción de paredes, bóvedas, revestimientos, conductos y demás accesorios de los hornos. Estos materiales deben soportar las altas temperaturas que se desarrollan en los hornos, resistir la acción destructora de las aleaciones y metales fundidos, escorias y gases calientes de la fabricación. f abricación. Se llama refractarios a materiales que resisten sin ablandarse, las altas temperaturas. La mayoría son cerámicos fabricados por cocción y están constituidos por óxidos de alta temperatura de fusión, como son: la sílice (SiO 2), la alúmina (Al 2O3) y la magnesia (MgO). Se clasifican en 3 grupos según el tipo de óxido contenido.
Ácidos : sílice, sílico aluminosos (resisten las mayores temp., 1700ºC) 1700ºC)
Básicos: dolomía (CO3Mg), magnesia, cromo magnesia (sirven para minerales con S)
Neutros: cromo grafito
De hecho una mala elección conduce a su destrucción y los ladrillos son la vida del horno. Su composición química cambia según la zona en que se encuentre:
Zona de carg car g a: por estar sometido a choques, se cubren los ladrillos con una chapa de acero, acero, evitando así su fractura. Tener Tener en cuenta que el ladrillo refractario no es estructural, no llega llega a tener la resistencia resistencia a la compresión de materiales estructurales como el ladrillo común, el hormigón o el acero. La estructura resistente del alto horno es de acero (exterior al mismo).
Zona de la la Cuba: C uba: se utilizan ladrillos con un 32% de Al2O3 (Alúmina) y el resto SiO2 (Sílice). De acuerdo al porcentaje de alúmina es su capacidad para resistir las altas temperaturas. Recordar que la alúmina funde por encima de los 2000ºC, además los materiales cerámicos antes mencionados, tienen una gran estabilidad química.
Zona del vientre vi entre : se utiliza ladrillo compuesto por 40 a 80% de Al2O3. Zona del etalaje etalaje: ídem ídem con 90% de Al2O3 (color rojizo) C riss ol: No tiene refrigeración por agua como las anteriores. Se Zona de Cri
usan ladrillos de carbono amorfo (grafito).
REACCIONES QUIMICAS EN EL ALTO HORNO
7.2.2. OBTENCIÓN DEL ACERO (CONVERTIDORES) El problema del arrabio es poseer un exceso de impurezas, tales como C, Si, S y P que lo vuelven frágil y poco adecuado para su uso. Es necesario un tratamiento posterior, llamado afino, para eliminar esas impurezas y también para incorporar ciertos elementos beneficiosos que le otorgan propiedades especiales. Algunos son: Cr, Ni, V, Mo, Co, etc. Las materias primas para fabricar acero son arrabio y chatarra, además hay que agregar: ferroaleaciones que contengan los elementos de aleación nombrados, fundentes, y aire u oxígeno puro. Este último es para lograr reacciones de oxidación, como la siguiente:
CO + 1/2 O2
CO2
Justamente, esta reacción, demuestra cómo se elimina el exceso de carbono, de modo similar se elimina Si, Mn, Mg, etc. La chatarra se usa generalmente en hornos eléctricos de arco o inducción. Generalmente, este proceso se usa para fundir piezas especiales tanto en su forma como composición química. Por tal razón se selecciona la chatarra disponible y se carga aquella que contiene los elementos de aleación necesarios para la fundición que estemos preparando. Lógicamente para lograr la composición requerida final se incorporan ferroaleaciones que contienen los elementos necesarios de cada caso particular, pero el hecho de usar l a chatarra adecuada es de gran ayuda. Hay distintos tipos de hornos para obtener acero:
Convertidor LD
Convertidor Bessemer y Thomas (antiguo)
Horno Siemens Martín (antiguo)
Hornos eléctricos
7.2.2.1Convertidor LD El convertidor es un recipiente de acero revestido interiormente de refractario de carácter básico (magnesia o dolomía), sostenido por un robusto anillo de acero equipado con muñones, cuyo eje es accionado por un sistema basculante o de volcado. Puede girar para el vaciado del acero y de las escorias producidas. Partes del convertidor La imagen muestra una disposición de un convertidor típico, donde:
(N) NARIZ (L) LANZA DE OXIGENO (B) ANILLO DE MUÑONES (T) MUÑON (M)MECANISMO DE VOLCADO (H) ORIFICIO DE COLADA LA CAPACIDAD TIPICA ES DE 200 A 300 TM de acero líquido, y el ciclo entre colada y colada es de aproximadamente 30 minutos con un periodo de soplado de oxigeno de 15 minutos. Diseño de la boquilla para convertidores de soplado por arriba. Se utiliza una lanza refrigerada por agua para inyectar oxígeno a alta velocidad en el baño fundido, los chorros supersónicos son producidos con boquillas convergentes y divergentes y brindan característica de penetración
bien definida y contralada al fin eficientemente las reacciones deseadas para la fabricación de acero y de maximizar la vida útil de la lanza típicamente (200-400 coladas). El impacto de los chorros de oxígeno a velocidad supersónica en el baño de hierro fundido, da como resultado gotitas de metal expulsadas del baño por impacto, aumentando así el área de la superficie del metal y la velocidad de oxidación de las impurezas en el hierro fundido. Justo al comienzo de cada calor, la chatarra se carga en el convertidor junto con metal caliente para actuar como un refrigerante para el calor generado por las reacciones de oxidación. Muy a menudo, el mineral de hierro también se agrega durante el golpe para que la oxidación de silicio, fósforo, manganeso y carbono, que son todas reacciones exotérmicas, hacen no dar lugar a un aumento desproporcionado de la temperatura del baño. Los aceros bajos en carbono (alrededor de 0,03-0,04% de carbono) normalmente se aprovechan de tales convertidores a 1620-1660 ° C. La cal y, a veces, otros agentes formadores de escoria, son añadidos durante el golpe a la escoria forma capaz de "contener" las impurezas en la forma de óxidos complejos Con este proceso puede alcanzarse las mejores productividades, las mejores incluso las 600 TNPH y convertidor en servicio.
MATERIA PRIMA El arrabio líquido, que llega a la acería LD transportado en cucharas torpedo. Su ventana de calidad está definida por su composición química, en el entorno de un 4.5 % de C y contenidos variables de manganeso, silicio, fósforo y azufre y su temperatura del orden de 1380 °C de carga al convertidor y viene fijada para la obtención en la acería LD de un acero de la calidad requerida al mínimo coste. Es la materia prima principal que será convertida en acero en las instalaciones de conversión.
La chatarra, y en su caso el mineral o sinterizado, que constituye la carga metálica adicional con especial incidencia en la regulación térmica del
proceso (efecto refrigerante), con el fin de alcanzar la temperatura de fin de soplado deseada.
Las adiciones o fundentes. Los fundentes tienen la misión de obtener una adecuada composición y tipo de escoria para efectuar el afino. Las sustancias no deseadas en el acero final son atrapadas al reaccionar con los fundentes (que actúan en este caso como escorificantes) y se recogen en la escoria de convertidor. La escoria es, por tanto, un conjunto de óxidos que por su menor densidad flotan sobre el acero.
El oxígeno, debe ser de una pureza superior al 99.99 %, ya que en caso contrario se incorporaría gran cantidad de nitrógeno al baño. Se inyecta a velocidad supersónica (número de Mach igual a 2) por la part e superior a través de una lanza de cobre refrigerada por agua, con suficiente energía para asegurar el contacto y agitación del baño (reacciones metal -escoria).
La carga de metal caliente se refina por oxidación al contacto con el oxígeno inyectado.
C+ ½ O2CO El CO se oxida parcialmente en CO2 por encima de la masa fundida (postcombustión). Estos productos de reacción gaseosos son evacuados a través del extractor Hood.
Eliminación o afino del fósforo
El fósforo en los productos de acero está asociado con propiedades mecánicas deficientes, agrietamiento intergranular y microsegregación durante la solidificación. En general, se requieren contenidos inferiores al 0.015% en peso para la mayoría de los grados de acero, aunque algunos grados especiales de acero pueden requerir un contenido inferior a 0.001%W El fosforo también se oxida, formando pentaoxido de fosforo (P2O5), pero a las elevadas temperaturas a las que se realiza el afino, este compuesto seria reducido por el carbono, pasando de nuevo al baño.
P2O5 + 5C
2P + 5CO
Según esto, no seria posible eliminar el fosforo hasta que la decarburación del arrabio fuera total, es decir, hasta que no existiese carbono, pero esto no es posible sin una importante oxidación del hierro. Como esto no interesa, lo que se hace es añadir cal (CaO). La cal se combina con el pentaoxido de fosforo, fijándolo en forma de fosfato de cal (P2O5.3CaO), que no es reducido por el carbono sino que pasa a la escoria y se elimina con ella. La oxidación del fosforo tiene lugar, en general, a través del oxido ferroso. Añadiendo además cal se obtiene la reacción de eliminación del fosforo:
2P + 5FeO + 3CaO
P2O5.3CaO + 5Fe
En realidad es una reacción reversible, y para que se desplace hacia la derecha debe realizarse en un medio favorable, donde abunden el FeO y el CaO. La reacción es muy exotérmica y para poder desprender el calor de reacción es necesario que la temperatura no sea muy elevada. Mientras se cumplan estas condiciones, el P2O5 permanecerá en la escoria, pero de no ser así, el fosforo puede ser reducido y pasar de nuevo al baño • Temperatura no sea alta
Resumen del proceso La operación LD es parecida a la de otros convertidores. Durante el proceso se gira el convertidor para que presente la boca en la dirección más apropiada para las diferentes fases del proceso. Todas las cargas se realizan por gravedad desde una altura superior a través de canalizaciones. Con el crisol inclinado se carga la chatarra desde “cajones” movidos por puentes grúa y luego arrabio líquido que llega en una “cuchara”, que es u na especie de
balde que también se transporta suspendido de un puente grúa. Luego se endereza, y se baja la lanza, comenzando el soplado de oxígeno. Para formar escoria se agrega cal, aprox. un 5% del peso de la fundición, a veces también se agrega caliza. Estos productos se descargan desde sus respectivos depósitos, ubicados arriba, y se incorporan parte al principio y parte durante el proceso. Los gases que escapan por la parte superior están constituidos por CO y CO2, también arrastran gran cantidad de polvo, por lo cual deben ser tratados.
7.3
METODO MODERNO (REDUCCION DIRECTA CON HORNO ELECTRICO INTEGRADO)
7.3.1 COMPONENTES DE UN HORNO ELÉCTRICO Los componentes más importantes de un horno eléctrico son:
La cuba del horno, con el dispositivo de colada y el sistema de cierre.
El sistema de vuelco que permite la salida del caldo a la cuchara.
Las paredes, en las que actualmente casi todos los HEA tienen paneles refrigerados por agua, fabricados de chapa o tubulares de acero y en la línea de escoria de cobre.
La bóveda, refrigerada por agua y dotada de un sistema giratorio que permite la apertura total de la parte superior del horno.
Los electrodos de grafito, con tubería para enfriamiento con agua, que atraviesan la bóveda y establecen el arco eléctrico, a partir del paso de la corriente eléctrica.
Lo brazos portaelectrodos.
El sistema de regulación electrónica y el de accionamiento hidráulico que mueve los electrodos a gran velocidad para regular el arco eléctrico, manteniendo constante la corriente en el arco.
El sistema de cables flexibles que llevan la corriente a los brazos y que están refrigerados por agua.
El embarrado de cobre que conecta los cables flexibles al transformador.
El transformador eléctrico que transforma la corriente eléctrica de alta tensión, 25000-50000 V, a los voltajes que se necesitan en el arco eléctrico, que están entre 400 y 1000 V.
Además hay que añadir un conjunto de sistemas de aparellaje y control eléctrico: interruptor, transformadores de medida, etc.
La instalación se completa con una captación de humos a través de un agujero practicado en la bóveda; los humos se conducen a la instalación de depuración con lo que se evita contaminar la atmósfera tanto del interior de la acería como del exterior. En algunos casos dicha captación se ve complementada con una campana superior que aumenta el grado de captación de humos, particularmente durante las operaciones de carga de chatarra del horno y vuelco del acero a la cuchara.
7.32
ELECTRODOS
Los electrodos, elementos característicos del horno eléctrico por ser los que hacen saltar el arco, están fabricados de grafito de alta pureza (carbono prácticamente puro). Se emplea grafito porque soporta altas temperaturas y es buen conductor eléctrico. Los electrodos tienen un papel muy importante, ya que transportan la energía eléctrica dentro del horno. Entran en éste por un orificio de gran diámetro, hecho de refractario, que recibe el nombre de bovedilla, delta o corazón de bóveda. Cuando se encuentran cerca de la chatarra se genera un arco y se forma un circuito eléctrico. El arco proporciona la energía térmica necesaria para fundir la chatarra. Existen habitualmente unos brazos porta electrodos, que los soportan. Para su accionamiento se tiene un sistema de regulación electrónica y de accionamiento hidráulico, que mueve los electrodos a gran velocidad para regular el arco eléctrico, manteniendo constante la corriente o la impedancia, que es lo habitual en los de alterna. El consumo de los electrodos se mide en kilogramos de grafito por tonelada de carga fundida, y es menor si se emplea el método metalúrgico de escoria simple (en torno a 1-2 kg de grafito/t de carga fundida).
Los hornos de corriente alterna cuentan con tres electrodos, mientras que en los que utilizan corriente rectificada suele haber un electrodo o, en algunos casos, dos. Los tamaños habituales oscilan entre los 600 y los 800 mm de diámetro (según la energía del arco) y 1.5 y 3 m de longitud. Según se van quemando se va añadiendo longitud adicional, colocando un nuevo electrodo en el extremo de la cabeza remanente, para lo que se interrumpe la corriente. Esta operación se llama “niplar”.
R otura del electrodo La rotura del electrodo ocurre ocasionalmente en el EAF, principalmente durante la operación de fusión. Esto debería evitarse debido a los costos elevados asociados con la rotura. Además del costo de un electrodo de grafito de alta densidad – que es un material bastante costoso – el tiempo en que el horno permanece inactivo resulta en una pérdida de producción, lo que representa altos valores. Normalmente un electrodo roto se cambia en sólo 10 minutos, pero en situaciones complicadas se puede esperar un tiempo de inactividad considerablemente mayor. La rotura del electrodo es normalmente una consecuencia de sobrecarga mecánica sobre el electrodo desde la chatarra que lo rodea: La chatarra se está desmoronando desde el costado a medida que el electrodo penetra en la pila de chatarra dentro del horno. Si las piezas pesadas golpean directamente en el costado del electrodo, se puede producir una rotura. Los electrodos se están moviendo hacia abajo sin detectar que un material no conductor está presente en la punta del electrodo. A medida que el electrodo continúa empujando hacia abajo, se puede producir una rotura. La combinación de la longitud de arco y del material de chatarra es también de importancia al considerar la probabilidad de una rotura de electrodo. El operador del horno entonces necesita equilibrar la posición del control de potencia (voltaje y corriente) dada la necesidad de un mayor ingreso de energía y una adecuada longitud de arco
7.3.2 PR OCES O DE R E DUCCION DIRE CTA Se suele llamar reducción directa a todo proceso de reducción de los óxidos de hierro distinto del que se realiza en el alto horno. Esta definición se apoya en la evolución de la tecnología siderúrgica, pues con los procesos primitivos se obtenía un hierro pastoso, mezclado con escoria, muy poco carburado y susceptible de trabajarse directamente para convertirse en diversos objetos (hierro pudelado); mientras que al aparecer el alto horno, que produce el arrabio, fue necesario un procedimiento adicional de refino para eliminar la mayor parte del carbono absorbido por el hierro y convertirlo en una aleación forjable, el acero. De este modo, el proceso de reducción en el alto horno, por no conducir directamente al producto buscado, fue considerado indirecto. Otra definición consiste en considerar que la reducción directa engloba todos los procesos de reducción que se efectúan sin llegar a la fusión, llegando a un producto que recibe el nombre de pre-reducido o hierro-esponja. El hierro esponja es también una ruta directa del mineral al acero, mientras que la vía pasando por arrabio se puede considerar como una “sobre -reducción”, ya
que además de la reducción del mineral de hierro se produce la reducción adicional de otros óxidos (SiO 2, MnO, etc.) y la carbonización del hierro, que exige luego un proceso contrario a la reducción, o sea, oxidación en la acería.
MA TE R IA S PR IMA S
Selección y manejo de la chatarra
Existe una amplia gama de chatarras que se pueden emplear en el HEA. La chatarra ha de ser especial y cuidadosamente clasificada. Esta necesidad se acentúa en los hornos de arco que fabrican aceros aleados. Lo habitual es tener muchos depósitos de chatarra separados, para lograr la utilización máxima de elementos no oxidables (cobre, níquel, estaño, molibdeno y, parcialmente, cromo). Cuando sea posible se utilizará la opción de menor coste (normalmente chatarra pesada), siempre que la composición química se mantenga dentro de los requerimientos. El modo en que se haga la carga de la chatarra en las cestas afecta profundamente a la eficiencia del horno y a la vida de los electrodos. La chatarra no aleada ha de separarse en ligera y pesada. Por lo general se cargará en el fondo chatarra “esponjosa” liviana (virutas, etc.) para que
amortigüe la caída de la chatarra cargada en el centro de la cesta. El control de calidad de la chatarra que se carga ha de ser estricto. Algunos parámetros a controlar son: densidad mínima, tiempo máximo de duración de la hornada y peso requerido. Hoy en día el control por ordenador está muy extendido.
Empleo de arrabio líquido
Como es claro, el uso de fundición en la carga del horno eléctrico reduce el consumo de energía. Se puede emplear hasta un 40 % de arrabio líquido de contenido bajo en silicio, a costa de una alta erosión del refractario, causada por la prolongada inyección de oxígeno para “quitar” el carbono de la masa
metálica. Se llega a un proceso casi mixto entre el de horno eléctrico de arco “puro” y el de convertidor LD. No obstante, no es conveniente que la proporción de arrabio supere un 30 % o 40 % del total de la carga, porque el soplado prolongado de oxigeno afecta fuertemente a los refractarios y, además, la cantidad de escoria generada es tanta que requiere de hasta dos o tres eliminaciones de escoria. Esto aumenta el tiempo del proceso de forma a veces prohibitivo.
Empleo de prerreducidos
En muchos hornos eléctricos, y cada vez en mayor proporción, se emplean como materia prima los prerreducidos o esponja de hierro, también llamados “hierro de reducción directa” (HRD). Se trata de una fuente de hierro de
composición relativamente uniforme y prácticamente libre de elementos residuales. De cara a su empleo en el horno de arco eléctrico, los prerreducidos tienen las siguientes características:
-
Forma pequeña y uniforme (pellets o briquetas), lo que los hace adecuados para la carga continua mediante algún alimentador mecánico.
-
Contienen aproximadamente un 2 % de carbono, que actúa como f uente de energía adicional. El empleo de prerreducidos se utiliza cada vez más para diluir contaminantes presentes en la chatarra. El porcentaje adecuado en la carga esta entre un 30% y un 70 %.
ADICIONES
Los elementos de aleación se añaden en el horno o durante la colada por varias razones:
-
Para ajustar la composición final del acero
-
Para desoxidar el acero mediante su reacción con oxígeno y formando óxidos que serán absorbidos por la escoria.
-
Para ajustar la composición de la escoria obteniendo una escoria más efectiva en la desulfuración o la defosforación.
En condiciones oxidantes algunos de los elementos de aleación se oxidan y son transferidos a la escoria. Dichos elementos deben ser reincorporados al acero, ya que representan un alto valor y además, en ciertos casos, son nocivos para el medio ambiente si acaban en la escoria de desecho. La mayor parte de la oxidación de elementos de aleación tiene lugar durante la etapa de fusión, en la que se encuentran altas concentraciones localizadas de los mismos en la carga. El oxígeno se introduce en el horno partiendo de dos fuentes principales:
- Aire aspirado a través del horno por el sistema de evacuación de gases
-
Materias primas en forma de óxidos, por ejemplo óxido de molibdeno, polvo de EAF reciclado, etc.
La forma más simple de evitar una succión excesiva de aire es hacer funcionar el horno bajo una ligera sobrepresión. En la práctica esto es difícil de conseguir debido a las grandes fluctuaciones de presión en el horno, los grandes volúmenes de gases evacuados y la necesidad de mantener un entorno de trabajo aceptable para los trabajadores de la acería.
Preparación de materias primas Como se ha descrito anteriormente, una amplia gama de materias primas es utilizada en el EAF. Cuando sea posible, la alternativa de costo más baja es elegida – generalmente una chatarra gruesa pesada – siempre que el material se mantenga dentro de los parámetros de composición química. En algunas partes del horno no se recomienda una chatarra gruesa; en cambio deberá utilizarse una chatarra fina más cara. La chatarra más fina es utilizada a fin de evitar problemas operativos en el horno, o bien, problemas prácticos en la manipulación de canastas cargadas de chatarra.
7.3.4 PR OCES O DE OB TENCION DE HIER RO ESPONJA La reducción directa, una vía alternativa de fabricación de hierro, ha sido desarrollada para superar algunas de estas dificultades de los altos hornos convencionales. DRI es fabricado con éxito en varias partes del mundo a t ravés de gas natural o la tecnología basada en el carbón. El mineral de hierro se reduce en estado sólido a 800 a 1,050 ° C (1,470 a 1,920 ° F) ya sea mediante la reducción de gas (H 2, CO) o carbón. Las inversiones y gastos de funcionamiento específicos de plantas de reducción directa son bajas en comparación con las plantas de acero integradas y son más adecuados para muchos países en desarrollo, donde los suministros de carbón de coque se limitan. El proceso de reducción directa es energía eficiente, pero más competitivo con el Alto horno (BF) cuando se puede integrar con Horno de arco eléctrico (EAF) para aprovechar el calor latente producido por el producto DRI.
Factores que ayudan a hacer económico el proces o de R educción Directa: Hierro de reducción directa tiene aproximadamente el mismo contenido de hierro como Arrabio (MPI), típicamente 90-94% de hierro total (dependiendo de la calidad del mineral en bruto) en contraposición a alrededor de 93% del hierro fundido. .
HIERRO ESPONJA EN FORMA DE PELETS
Por lo que es una excelente materia prima para los hornos eléctricos utilizados por acerías, permitiéndoles usar los grados más bajos de calidad de la chatarra para el resto de la carga o para producir altos grados de acero. Fierro esponja caliente de reducción directa (HDRI) este no se enfría antes de salir del horno de reducción, y es inmediatamente transportado y cargado a un horno de arco eléctrico con el consiguiente ahorro de energía. El proceso de reducción directa puede utilizar gas natural contaminado con gases inertes, evitando la necesidad de eliminar estos gases para otro uso. Sin embargo, cualquier contaminación de gas inerte del gas reductor reduce el efecto (calidad) de esa corriente de gas y de la eficiencia térmica del proceso. Suministros de mineral en polvo y el gas natural en bruto están disponibles en áreas como el norte de Australia, evitando los costos de transporte. En la mayoría de los casos, la planta de DRI se encuentra cerca de la fuente de gas natural, ya que es más rentable para enviar el mineral en lugar del gas. Este método produce 97% de hierro puro.
7.3.5
PROCESO DE ACERIA
La fabricación del acero en horno eléctrico se basa en la fusión de las chatarras por medio de una corriente eléctrica, y al afino posterior del baño fundido. El horno eléctrico consiste en un gran recipiente cilíndrico de chapa gruesa (15 a 30 mm de espesor) forrado de material refractario que forma la solera y alberga el baño de acero líquido y escoria. El resto del horno está formado por paneles refrigerados por agua. La bóveda es desplazable para permitir la carga de la chatarra a través de unas cestas adecuadas. La bóveda está dotada de una serie de orificios por los que se introducen los electrodos, generalmente tres, que son gruesas barras de grafito de hasta 700 mm de diámetro. Los electrodos se desplazan de forma que se puede regular su distancia a la carga a medida que se van consumiendo. Los electrodos están conectados a un transformador que proporciona unas condiciones de voltaje e intensidad adecuadas para hacer saltar el arco, con intensidad variable, en función de la fase de operación del horno. Otro orificio practicado en la bóveda permite la captación de los gases de combustión, que son depurados convenientemente para evitar contaminar la atmósfera. El horno va montado sobre una estructura oscilante que le permite bascular para proceder al sangrado de la escoria y el vaciado del baño. El proceso de fabricación se divide básicamente en dos fases: la fase de fusión y la fase de afino.
FAS E DE FUSION Una vez introducida la chatarra en el horno y los agentes reactivos y escorificantes (principalmente cal) se desplaza la bóveda hasta cerrar el horno y se bajan los electrodos hasta la distancia apropiada, haciéndose saltar el arco hasta fundir completamente los materiales cargados. El proceso se r epite hasta completar la capacidad del horno, constituyendo este acero una colada.
FASE DE AFINO El afino se lleva a cabo en dos etapas. La primera en el propio horno y la segunda en un horno cuchara. En el primer afino se analiza la composición del baño fundido y se procede a la eliminación de impurezas y elementos indeseables (silicio, manganeso, fósforo, etc.) y realizar un primer ajuste de la composición química por medio de la adición de ferroaleaciones que contienen los elementos necesarios (cromo, níquel, molibdeno, vanadio o titanio). El acero obtenido se vacía en una cuchara de colada, revestida de material refractario, que hace la función de cuba de un segundo horno de afino en el que termina de ajustarse la composición del acero y de dársele la temperatura adecuada para la siguiente fase en el proceso de fabricación. Finalmente, se identifican todas las palanquillas con el número de referencia de la colada a la que pertenecen, como parte del sistema implantado para determinar la trazabilidad del producto, vigilándose la cuadratura de su sección, la sanidad interna, la ausencia de defectos e xternos y la longitud obtenida.
60
E s pumado de la escoria La escoria espumante se utiliza a fin de aumentar la eficiencia térmica del horno durante el período de afino, cuando las paredes laterales están totalmente expuestas a la radiación del arco. Una escoria espumante crecerá y cubrirá los arcos eléctricos, permitiendo de esta forma el uso de posiciones más altas de control de potencia sin necesidad de aumentar la carga térmica en las paredes del horno. Además, un arco eléctrico cubierto por una escoria espumante tendrá una eficiencia mayor en la transferencia de energía en la fase acero. El espumado de la escoria es logrado por inyección de oxígeno en el acero líquido, donde se oxida fundamentalmente el hierro de acuerdo a la reacción: O2 + 2 Fe 2 (FeO) El polvo de carbono es luego inyectado simultáneamente en la fase escoria donde el óxido de hierro es reducido. (FeO) + C Fe + CO (g) El gas CO resultante es un componente crítico para la obtención de una escoria espumante.
7.3.6 R educción de la escori a Si bien la oxidación de aleaciones es evitada siempre que es posible, las operaciones en el horno darán como resultado algunos elementos valiosos tales como el Cr presente en la fase escoria al final de la operación. Por razones económicas, los mismos necesitan ser recuperados mediante el agregado de agentes reductores tales como el FeSi en la escoria que se funden y reaccionan con los óxidos de escoria, conforme a:
Desescoriado La puerta de escoria está ubicada en una de las paredes de la parte posterior del horno. Esta abertura es utilizada por el operador para la inspección del interior del horno, la inyección de oxígeno y carbono utilizando lanzas consumibles y para el desescoriado. Durante el espumado de la escoria, la misma es continuamente eliminada a través de la puerta de escoria y de esta forma se va logrando un desescoriado limitado. Un desescoriado más deliberado es realizado siempre que se necesite una nueva escoria para realizar la próxima operación metalúrgica. El caso típico es cuando se necesita cambiar el potencial de oxígeno, por ejemplo pasar de condiciones de operación altamente oxidantes a condiciones reductoras.
7.3.7COLADA El colado del horno es iniciado por el operador cuando el proceso en el mismo ha finalizado y la temperatura final ha sido lograda. El colado debería realizarse lo más rápido posible a fin de ahorrar tiempo. Existen dos diseños comunes de hornos que poseen diferentes configuraciones de colada:
Los hornos de colada excéntrica por el fondo (EBT) poseen una piquera descentrada en la base del horno. Dicha configuración permite una colada libre de escoria. En estos casos un “fondo líquido” (pequeña cantidad de
metal y escoria remanente) es retenido en el horno entre una carga y otra.
Los hornos de piquera son utilizados para algunos grados de acero. El colado por una piquera hace que la escoria sea trasvasada a la cuchara, donde se mezcla completamente con el acero. En estos casos la totalidad del metal es volcada, sin que quede nada de acero líquido en el horno.
7.4. LAMINACION 7.4.1Laminación en caliente La laminación en caliente es el proceso más eficaz de conformado primario utilizado para la producción masiva de acero. Los principales efectos de la laminación en caliente son la eliminación de los defectos de la estructura del lingote colado y la obtención de la forma, dimensiones y calidad superficial requerida de un producto. El parámetro principal que determina la capacidad de un proceso de laminación de eliminar los defectos de la estructura de colada se conoce como relación de laminación. Se calcula como la relación entre las secciones transversales de la pieza inicial y del producto final. El valor de la relación de laminación requerido para obtener una estructura de acero de buena calidad depende del tipo de acero. La primera operación de cualquier proceso de laminación en caliente es el calentamiento de la pieza a la temperatura de deformación correcta. Durante el calentamiento y el laminado en caliente, se forma una cascarilla (capa de óxido) en la superficie de la pieza que debe ser eliminada sistemáticamente. El descascarillado puede realizarse mecánicamente (por aplastamiento durante una operación de trabajado en caliente) o por rociado con agua a alta presión
Durante la laminación, la deformación del material ocurre entre matrices con forma de rodillos rotatorios e impulsados. Es un proceso estacionario – esto significa que la zona de deformación no cambia su posición en el tiempo. La fuerza transportadora durante la laminación es la fricción entre los rodillos y el material procesado. La laminación en caliente se realiza mediante el uso de diferentes tipos de laminadores. La elección de la técnica de laminación apropiada se lleva a cabo conforme al producto laminado en caliente en particular. Para obtener las características geométricas requeridas (tales como forma, dimensiones y calidad superficial), algunas operaciones de terminado y tratamiento térmico (eventuales) son necesarias luego de la laminación en caliente. Las operaciones típicas de terminado son: el enfriamiento, el enderezado, el calibrado y la limpieza superficial. Las siguientes etapas del proceso de producción son: el control de calidad (también puede ser realizado durante la deformación en caliente), el marcado, el apilado y la preparación para almacenado y transporte. Algunos productos laminados en caliente son revestidos para protección y decoración. La laminación en caliente comprende tecnologías de fabricación para l os productos semiterminados y terminados. Los productos siderúrgicos semiterminados laminados en caliente son los materiales iniciales para los procesos subsiguientes de conformado en caliente. Se pueden distinguir los siguientes principales grupos de productos laminados en caliente:
productos planos
productos largos
tubos sin costura
productos especializados tales como, ruedas, aros, barras con el perfil variado periódicamente, etc.
Frecuentemente, los productos laminados en caliente son sometidos a procesamientos ulteriores como laminación en frío, conformado, maquinado y
soldadura a fin de lograr una variedad de productos siderúrgicos ofrecidos para la venta.
LAMINACION DE PRODUCTOS SEMITERMINADOS Los productos semi-terminados laminados en caliente son obtenidos a partir de lingotes colados convencionales que poseen bordes redondeados, desviaciones dimensionales grandes y superficie irregular. Los productos semi-terminados básicos son planchones, tochos y palanquillas. Se los clasifica en función de su forma y tamaño. Los planchones de sección transversal rectangular son utilizados como material inicial para la laminación de productos planos. Los tochos y las palanquillas pueden presentar secciones transversales tanto cuadradas como rectangulares pero difieren en tamaño – los tochos son más grandes que las palanquillas. Se los utiliza para la laminación de productos largos. Los lingotes colados de un peso de hasta 20 toneladas métricas son cargados en hornos de fosa donde son calentados o recalentados a la temperatura inicial de laminación (aprox. 1200 °C). Luego, los lingotes son laminados en un laminador de tochos o planchones dúo reversible (que produce tochos o planchones) o en un laminador de planchones reversible universal (donde sólo se producen planchones). El laminador universal de planchones tiene un par adicional de rodillos posicionados verticalmente para ajustar el ancho del planchón. Los productos semi-terminados son despuntados en ambos extremos y cortados a medida con cizallas de despunte. Luego pueden ser enfriados al aire o cargados en un horno de recalentamiento para procesamiento posterior. Los tochos pueden ser recalentados y laminados a palanquillas en un laminador continuo de palanquillas de cuatro cajas. Aquí debemos destacar que la colada convencional en lingoteras se practica solamente en casos excepcionales debido al uso común de instalaciones para
colada continua, mucho más efectivas. Por lo tanto, el número de laminadores de tochos y planchones disminuye sistemáticamente.
Laminación de productos largos Los productos largos son laminados en caliente. Existen tres grupos de productos largos laminados que están esquemáticamente representados en la siguiente figura.
LAMINACION DE PRODUCTOS PLANOS Los productos planos laminados en caliente pueden presentar la forma de placas, chapas, láminas y flejes .
La siguiente figura ilustra los tipos de productos que se pueden obtener mediante el procesamiento de aceros planos laminados en caliente en operaciones aguas abajo.
LAMINACION DEL ALAMBRON El alambrón, normalmente de sección transversal circular, es producido en laminadores de una línea o de múltiples líneas (hasta 4). Los laminadores de alambrón modernos pueden producir alambrón en diámetros de 4 –25 mm. La velocidad de laminación puede alcanzar inclusive 140 ms -1 en las cajas de laminación final, el peso de la bobina es de 2 toneladas métricas y la capacidad de producción de una línea es de 400,000 toneladas métricas por año.
Para Asegurar una calidad superficial alta del alambrón, los tochos o palanquillas utilizados como material de laminación son inspeccionados y acondicionados (descascarados por llama, granallados o rectificados). Luego son calentados en un horno de vigas galopantes o un horno de empuje a la temperatura inicial de laminación. Una capa fina de cascarilla que se forma en la superficie del material durante el calentamiento es removida por medio de un descascarillado por agua a alta presión.
La laminación del alambrón se lleva a cabo en un laminador continuo que consiste de cuatro trenes: un tren desbastador, dos trenes intermedios y un tren terminador, con cizallas instaladas entre medio. Son utilizadas para cortar puntas deformadas del material de laminación (para facilitar el enhebrado en el próximo tren de laminación) y para cortar el material de laminación en trozos de chatarra en caso de emergencia. Los primeros tres trenes normalmente contienen 6 cajas de laminación. El segundo tren intermedio es precedido por un rodillo de compensación de tensión que debería asegurar una laminación libre de tensiones. Un tren terminador moderno consiste de un laminador en bloque de ocho o diez cajas, zonas de enfriamiento por agua y un cabezal terminador de dos o cuatro cajas. Las cajas de laminación en cada tren de laminación tienen una disposición alternada horizontal-vertical (H –V) por lo tanto, es posible laminar sin torsión. El diseño de pasadas redondo-ovalado es normalmente utilizado excepto en las dos primeras cajas donde se aplican las secuencias de la pasada caja. La aplicación de zonas de enfriamiento por agua para lograr la temperatura de laminación final requerida permite la utilización de los efectos de tratamiento termo-mecánico y normalizado. Después del calibrado, el alambrón es enrollado en espiras mediante un cabezal enrollador y luego es sometido a enfriamiento controlado en el transportador Stelmor a fin de lograr la microestructura deseada para un posterior procesamiento. El alambrón puede ser utilizado como materia prima para la producción de una variedad de productos tales como alambre, cables de alambre, resortes, tornillos, tuercas, clavos, pernos, rodamientos, cuerdas de neumáticos, cuerdas para piano, alambre para el núcleo de electrodos recubiertos, etc.
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IMPACTO AMBIENTAL 8.3 Diagrama de flujos de contaminantes y residuos generados por diferentes procesos
IX.BIBLIOGRAFIA BIBLIOGRAFIA Fabricacion de acero .pdf Metalurgia extractiva y acero .pdf Wikipedia .com Obtencion del acero en el alto horno Reduccion directa de minerales de hierro como alternativa al proceso en el alto horno Nuevas tecnologias de reduccion directa Fabricacion y procesamiento del acero Ventajas del gas natural para la obtencion del hierro Producción del acero Siderurgia directa Metalurgia secundaria X.LINKOGRAFIA
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https://www.google.com.pe/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source= web&cd=2&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwiapdWh1MTXAhXLJ CYKHeVECKcQFggnMAE&url=https%3A%2F%2Fprezi.com%2Fp wq1iwxad92g%2Fpropiedades-fisicas-quimicas-y-mecanicasdel-acero%2F&usg=AOvVaw1tzvczbgF6ADkhhp-5tE4g https://www.google.com.pe/search?rlz=1C1NHXL_esPE760PE76 0&ei=olUOWrvgC8bbmAGJwL2wDA&q=PROPIEDADES+FISICA S+QUIMICAS+Y+MECANICAS+DEL+ACERO&oq=PROPIEDADES +FISICAS+QUIMICAS+Y+MECANICAS+DEL+ACERO&gs_l=psyab.3..0l2j0i22i30k1l4.18924.30540.0.31248.42.31.1.0.0.0.863.4941. 5-3j4.7.0....0...1.1.64.psy-ab..35.7.4083...0i67k1.0.ksrLAXx9BK8 https://www.xuletas.es/ficha/propiedades-mecanicas-y-fisicasdel-acero/ https://es.wikipedia.org/wiki/Acero#Historia http://www.monografias.com/trabajos82/acero/acero2.shtml http://www.monografias.com/trabajos45/hierro-y-acero/hierro-yacero.shtml https://aceroyhierro.wordpress.com/2008/01/28/el-acero-y-suhistoria/ http://wiki.ead.pucv.cl/Proceso_de_fabricaci%C3%B3n_del_acer o http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/cienci a3/080/htm/sec_7.htm http://www.exportapymes.com/documentos/productos/Ie2570_p eru_siderurgia.pdf
