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Afinamiento del acero parte 1 - Monografía



 
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Industriales. Mecánica. Afino. Crisol abierto. Horno eléctrico. Vacío



AFINO DEL ACERO.


UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA
Facultad de Ingeniería Mecánica.
Septiembre de 2001.

INTRODUCCIÓN.



En los procesos de fabricación del acero, ¿ se obtiene en la colada la calidad, pureza y composiciones deseadas?. La respuesta a esta pregunta, en general, es no.

Cualquiera que sea el proceso de obtención del acero, siempre trae consigo la presencia de impurezas, gases, incrustaciones y segregaciones que hacen necesario la implementación de procesos de refinación posterior, comúnmente conocidos como “afino” del acero.

Aunque casi todo el hierro y acero que se fabrica en todo el mundo se obtienen a partir de arrabio producido en altos hornos, hay otros métodos de refinado del hierro que se han practicado de forma limitada. Uno de ellos es el denominado método directo para fabricar hierro y acero a partir del mineral, sin producir arrabio. En este proceso se mezclan mineral de hierro y coque en un horno de calcinación rotatorio y se calientan a una temperatura de unos 950 ºC. el coque caliente desprende monóxido de carbono, igual que en un alto horno, y reduce los óxidos del mineral a hierro metálico. Sin embargo, no tienen lugar las reacciones secundarias que ocurren un alto horno, y el horno de calcinación produce la llamada esponja de hierro, de mucha mayor pureza que el arrabio. También puede producirse hierro prácticamente puro mediante electrólisis, haciendo pasar una corriente eléctrica a través de una disolución de cloruro de hierro. Ni el proceso directo ni el electrolítico tienen importancia comercial significativa.

Finalmente, las técnicas y procedimientos de refinación del acero, no se encuenntran fácilemente en la litereatura técina, por cuanto constituyen secretos industriales, que son la base de la competitividad.

En el presente trabajo se hará una descripción de los proecsos de obtención del acero, una clasificación de los metódos de afino y su descripción y, además el proceso de afino del acero fuera del horno eléctrico de arco.


1. Generalidades de la Obtención del Acero.



El acero se obtiene a partir de dos materias primas fundamentales: el arrabio obtenido en horno alto y la chatarra.
La fabricación del acero en síntesis se realiza eliminando las impurezas del arrabio y añadiendo las cantidades convencionales de Mg, Si y de los distintos elementos de aleación.
Los métodos más importantes de fabricación de aceros son los siguientes:
Métodos antiguos: Hornos de Reverbero (Siemens-Martin); Convertidor Bessemer.
Métodos modernos: Convertidor L.D.; Hornos eléctricos de arco H.E.A.; Convertidor A.O.R.; Horno de inducción.
Métodos actuales: Metalurgia secundaria en cuchara.
La metalurgia secundaria se lleva a cabo en equipos diversos, tales como cucharas, convertidores u hornos especiales.

1.1    PROCESO DE CRISOL ABIERTO.



Cualquier proceso de producción de acero a partir de arrabio consiste en quemar el exceso de carbono y otras impurezas presentes en el hierro. Una dificultas para la fabricación del acero es su elevado punto de fusión, 1400 ºC, que impide utilizar combustibles y hornos convencionales. Para superar la dificultad se desarrolló el horno a crisol abierto, que funciona a altas temperaturas gracias al precalentado regenerativo del combustible gaseoso y el aire empleados para la combustión. En el precalentamiento regenerativo los gases que escapan del horno se hacen pasar por una serie de cámaras llenas de ladrillos, a los que ceden la mayor parte de su calor. A continuación se invierte el flujo a través del horno, y el combustible y el aire pasan a través de las cámaras y son calentados por los ladrillos, con este método, los hornos de crisol abierto alcanzan las temperaturas de hasta 1.650 ºC.
El horno propiamente dicho suele ser un crisol de ladrillo plano y rectangular de unos 6×10 m, con un techo de unos 2,5 m de altura. Una serie de puertas da a una planta de trabajo situada delante del crisol. Todo el crisol y la planta de trabajo están situados a una altura determinada por encima del suelo, y el espacio situado bajo el crisol lo ocupan las cámaras de regeneración de calor del horno. Un horno del tamaño indicado produce unas 100 toneladas de acero cada 11 horas.
El horno se carga con una mezcla de arrabio (fundido o frío), chatarra de acero y mineral de hierro, que proporciona oxígeno adicional. Se añade caliza como fundente y fluorita para hacer que la escoria sea mas fluida. Las proporciones de la carga varían mucho, pero una carga típica podría consistir en 60.000 Kg de chatarra de acero, 11.000 Kg de arrabio frío, 45.000 Kg de arrabio fundido, 12.000 Kg de caliza, 1.000 Kg de mineral de hierro y 200 Kg de fluorita. Una vez cargado el horno, se enciende, y las llamas oscilan de un lado a otro del crisol a medida que el operario invierte su dirección para regenerar el calor.
Desde el punto de vista químico la acción del horno de crisol abierto consiste en reducir por oxidación el contenido de carbono de la carga y eliminar impurezas como silicio, fósforo, manganeso y azufre, que se combinan con la caliza y forman la escoria. Estas reacciones tienen lugar mientras el metal del horno se encuentra a la temperatura de fusión, y el horno se mantiene entre 1.550 y 1.650 ºC durante varias horas hasta que el metal fundido tenga el contenido de carbono deseado. Un operario experto puede juzgar el contenido de carbono del metal a partir de su aspecto, pero por lo general se prueba la fundición extrayendo una pequeña cantidad del metal del horno, enfriándola y sometiéndola a examen físico o análisis químico. Cuando el contenido en carbono de la fundición alcanza el nivel deseado, se sangra el horno a través de un orificio situado en la parte trasera. El acero fundido fluye por un canal corto hasta una gran cuchara situada a ras del suelo, por debajo del horno. Desde la cuchara se vierte el acero en moldes de hierro colado para formar lingotes, que suelen tener una sección cuadrada de unos 50 cm de lado, y una longitud de 1,5 m. Estos lingotes, la materia prima para todas las formas de fabricación de acero, pesan algo menos de 3 toneladas. Recientemente se han puesto en práctica métodos para procesar el acero en forma continua sin tener que pasar por el proceso de fabricación de lingotes.

1.2 PROCESO BASICO DE OXIGENO.



El proceso más antiguo para fabricar acero en grandes cantidades es el proceso Bessemer, que empleaba un horno de gran altura en forma de pera, denominado convertidor de Bessemer, que podía inclinarse es sentido lateral para la carga y el vertido. Al hacer pasar grandes cantidades de aire a través del metal fundido, el oxígeno del aire se combinaba químicamente con las impurezas y las eliminaba.
En el proceso básico de oxígeno, el acero también se refina en un horno en forma de pera que se puede inclinar en sentido lateral. Sin embargo, el aire se sustituye por un chorro de oxígeno casi puro a alta presión. Cuando el horno se ha cargado y colocado en posición vertical, se hace descender en su interior una lanza de oxígeno. La punta de la lanza, refrigerada por agua, suele estar situada a unos 2 m por encima de la carga, aunque esta distancia se puede variar según interese. A continuación se inyectan en el horno miles de metros cúbicos de oxígeno a velocidades supersónicas. El oxígeno se combina con el carbono y otros elementos no deseados e inicia una reacción de agitación que quema con rapidez las impurezas del arrabio y lo transforma en acero. El proceso de refinado tarda 50 minutos o menos, y es posible fabricar unas 275 toneladas de acero en una hora.

1.3 ACERO DE HORNO ELECTRICO.



En algunos hornos el calor para fundir y refinar el acero procede de la electricidad y no de la combustión de gas. Como las condiciones de refinado de estos hornos se pueden regular más efectivamente que las de los hornos de crisol abierto o los hornos básicos de oxígeno, los hornos eléctricos son sobre todo útiles para producir acero inoxidable y aceros aleados que deben ser fabricados según unas especificaciones muy exigentes. El refinado se produce en una cámara hermética, donde la temperatura y otras condiciones se controlan de forma rigurosa mediante dispositivos automáticos. En las primeras fases de este proceso de refinado se inyecta oxígeno de alta pureza a través de una lanza, lo que aumenta la temperatura del horno y disminuye el tiempo necesario para producir el acero. La cantidad de oxígeno que entra en el horno puede regularse con precisión en todo momento, lo que evita reacciones de oxidación no deseadas.
En la mayoría de los casos, la carga está formada casi exclusivamente por material de chatarra. Antes de poder utilizarla, la chatarra debe ser analizada y clasificada, porque su contenido en aleaciones afecta a la composición del metal refinado. También se añaden otros materiales, como pequeñas cantidades de mineral de hierro y cal seca, para contribuir a eliminar el carbono y otras impurezas. Los elementos adicionales para la aleación se introducen con la carga o después, cuando se vierte a la cuchara el acero refinado.
Una vez cargado el horno se hacen descender unos electrodos hasta la superficie del metal. La corriente eléctrica fluye por uno de los electrodos, forma un arco eléctrico hasta la carga metálica, recorre el metal y vuelve a formar un arco hasta el siguiente electrodo. La resistencia del metal al flujo de corriente genera calor que, junto con el producido por el arco eléctrico, funde el metal con rapidez. Hay otros tipos de horno eléctrico donde se emplea una espiral para generar calor.

2. Clasificación de los métodos de Afino.



Según el objeto que tratan de conseguir se clasifican en tres grandes categorías:

A.)    Tratamiento de desgasificación:

El acero contiene elementos perjudiciales que deben eliminarse. Entre éstos están los gases disueltos durante el proceso de fabricación; Hidrógeno; Oxígeno; Nitrógeno. Para reducir el tamaño al máximo del contenido de estos gases, en especial el Hidrógeno, se somete al acero líquido al vacío, según distintos procesos, que pueden agruparse en tres técnicas principales:

A.1.) Desgasificación del chorro de colada:

Consiste en situar el recipiente receptor del acero líquido (cuchara o lingotera) en una cámara de vacío, sobre la que se ajusta la cuchara que contiene el acero líquido. El chorro de acero, por efecto del vacío, se fracciona en gotas que favorecen las eliminación de los gases.

A.2.) Desgasificación del acero en la cuchara:

La cuchara se sitúa previamente en una cámara de vacío. Para facilitar la desgasificación, el acero se remueve por una corriente de gas inerte (Argón) o electromagnéticamente.

A.3.) Desgasificación por recirculación:

Consiste en hacer circular repetidas veces el acero por un recipiente que actúa de cámara de vacío.

B.) Tratamiento de afino de los aceros inoxidables:

La chatarra se funde en un horno eléctrico de arco de inducción. Después de colada la cuchara con el acero fundido en la cámara y hecho el vacío, se inyecta oxígeno con una lanza situada en la parte superior, que elimina el carbono con un mínimo de oxidación metálica. Al mismo tiempo, se pasa Argón a través de un tapón poroso situado en el fondo de la cuchara, para homogeneizar la masa del acero líquido.

C.) Tratamiento de homogeneización por barboteo:

Consiste en la agitación del baño mediante la inyección de un gas inerte, generalmente Argón, a través del fondo de la cuchara o por una lanza.

D.) Tratamientos de desulfuración y desoxidación:

Se insuflan estos productos en polvo, a través de una lanza, por medio de un gas inerte. Los productos más frecuentes para insuflar son el (SILICIO-CALCIO) “Si-Ca” y diversas escorias sintéticas. La agitación del acero por el paso del gas produce excelente homogeneidad de composición y temperaturadel baño y una mejora de la limpieza.

E.) Desoxidación del acero por el carbono en el vacío o (VCD):

Al ser tratado el acero en el vacío conteniendo carbono y oxígeno disueltos estos elementos reaccionan entre sí, dando origen a CO, de esta forma se elimina el oxígeno del acero sin dejar residuos sólidos (inclusiones no metálicas). El CO (gas) es eliminado del sistema (vacío), siguiendo la reacción hasta prácticamente la eliminación total del oxígeno. La deshidrogenación también es más elevada, al ser ayudada por el desprendimiento de burbujas de CO, que facilitan el arrastre del hidrógeno.

F.) Tratamientos de afino con calentamiento de acero en cuchara:

Por este proceso pueden conseguirse aceros con muy bajo contenido de azufre y gases, muy limpios y con control de la morfología de las inclusiones. También se consigue excelente control de la composición y la temperatura. Las cucharas se montan con tampones porosos por los que se inyecta Argón. Una vez obtenido el grado de desulfuración deseado se añaden las ferroaleaciones requeridas obteniéndose el acero programado.


G.) Adición de Aluminio y Calcio por medio de alambre o de proyectiles:

El alambre se introduce a gran velocidad en el acero mediante un mecanismo especial. Al mismo tiempo se remueve el acero de la cuchara inyectando Argón. En el caso de adición por proyección, los proyectiles se lanzan a una velocidad controlada para que almacenen el fondo de la cuchara, por medio de un aparato que funciona como una metralleta de aire comprimido.


H.) Refusión por arco bajo vacío (VAR) y bajo escoria electroconductora (E.S.R.):

Por estos métodos se producen lingotes de acero de gran pureza. Ambos métodos consisten en la refusión de un electrodo de la composición química deseada, en un crisol enfriado por agua, realizándose simultáneamente la fusión del electrodo y la solidificación del acero.

3. Proceso de la Fábrica Gerdau AZA.



Como se mencionó en la introducción, pocas empresas describen en detalle o con alguna profundidad, el proceso que realizan para obtener el acero bajo especifícaciones deseadas.

Transcribo a continuación el proeco Gerdau AZA.

El proceso metalúrgico que se desarrolla atraviesa por dos etapas, denominadas: fusión y afino.

Durante la fusión, toda la carga pasa de estado sólido a líquido.

En el afino, ocurre un conjunto de reacciones químicas en la masa líquida, las que permiten obtener la composición y purezas deseadas. Durante esta etapa, se inyectan al horno, importantes cantidades de oxígeno para remover y extraer las impurezas. Las diferentes calidades del acero Gerdau AZA se obtienen así, de un cuidadoso control en la composición química y mediante la adicción de ferroaleaciones.

Cuando el acero líquido cumple con las especificaciones requeridas,se retira mediante una cuchara  en la nave de Acería. La cuchara con su contenido de acero líquido a 1.700ºC, es luego trasladada a la máquina de colada continua. Con este equipo, se aplica un proceso distinto al convencional para transformar el acero líquido, en un producto semiterminado: la palanquilla.

El acero líquido que se encuentra en la cuchara de colada, es transferido a una artesa o distribuidor llamado TUNDISH, desde donde pasa a las vías de colada. Desde el TUNDISH el acero cae dentro de tres lingoteras de cobre de doble pared, refrigeradas por agua. Las lingoteras, tienen una sección cuadrada que puede medir 130×130 mm de lado, en ellas comienza la solidificación del acero, con la formación de una delgada cáscara superficial solidificada que contiene un núcleo de metal aún líquido.

Para ayudar a acelerar la formación de dicha cáscara, las lingoteras tienen un movimiento de oscilación vertical.
Después de dejar las lingoteras, el acero superficialmente sólido, es tomado por juegos de rodillos refrigerados con chorros de agua a alta presión. Durante el paso por los rodillos, el acero se solidifica completamente y ya convertido en palanquilla, es enderezado y cortado automáticamente a la medida deseada, por medio de sopletes cortadores.

3.1 PROCESO DE VACIO (DESGASIFICACIÓN) DEL ACERO FUNDIDO.



Después de ser producido en cualquiera de los hornos de fabricación de acero, el acero derretido puede refinarse aún más para producir acero de alza pureza y homogeneidad. Esto se logra removiendo los gases (oxígeno, hidrógeno y nitrógeno) en el acero derretido que fueron absorbidos o formados durante el proceso de fabricación.

Si los gases no se remueven antes que el acero se solidifique, su presencia o sus con otros elementos en el acero puede producir defectos tales como: inclusiones (partículas sólidas de óxido), sopladuras (bolsas de gas), descascarillamiento (grietas internas) y fragilidad (pérdida de ductibilidad).

La desgasificación del acero fundido se lleva a cabo exponiéndolo a un vacío. La presión enormemente reducida sobre la superficie del líquido permite que los gases escapen.

El acero fundido puede desgasificarse de varias maneras. Las dos más comunes son:

DESGASIFICACION POR FLUJO
DESGASIFICACION EN LA OLLA DE COLADA.
DESGASIFICACION POR FLUJO

En este proceso, el acero fundido se vierte desde la olla de colada dentro de una lingotera, la cual está completamente encerrada en una cámara de vacío. Mientras el flujo de acero fundido cae dentro del vacío, se separa en gotitas. Debido a la reducida presión sobre el líquido, los gases disueltos revientan y se extraen fuera de la cámara por medio de una bomba de vacío.

Libre ya de gases en la lingotera, éste se solidifica en un acero de alta pureza.

3.2 DESGASIFICACION EN LA OLLA DE COLADA.



En este proceso, el acero derretido se desgasifica en la olla de colada. Se hace descender un recipiente de vacío calentado de modo que su boquilla de absorción quede por debajo del nivel líquido del acero fundido.

La presión atmosférica impulsa el acero fundido hacia arriba dentro de la cámara de vacío, en donde los gases revientan y se extraen mediante la bomba de vacío. La elevación del recipiente de vacío permite que el acero fundido fluya de vuelta, por la fuerza de gravedad, dentro de la olla de colada. Este ciclo se repite varias veces hasta que la totalidad el acero fundido en la olla se ha desgasificado.

4.     Procesos de afino del acero



fuera del horno eléctrico de arco.

Los procesos de afino fuera del horno eléctrico, también llamados “secundarios”, están dirigidos a eliminar las inclusiones, los gases y la segregación. La metalurgia de estos procesos se basa en el afino en vacío, en la reducción de la presión parcial del CO, en la refusión y en la solidificación dirigida.

Para poder hacer comparaciones metalúrgicas, estableceremos una clasificación por grupos, según que el afino metalúrgico se lleve a efecto en “vacío” o no y que las materias primas sean acero líquido o sólido.

Grupo 1. Se incluyen en este grupo procesos metalúrgico de afino que tienen lugar en vacío y en los que parte de la materia prima es acero líquido.

Afino en vacío sin aportación térmica: BV, DH, RH, KD, GAZIL.

Afino en vacío con aportación térmica: ASEA-SKF, FINKL.

Afino en vacío con O2: WITTEN, V-R, ASV, AVR.

Grupo 2. Comprende los procesos metalúrgicos de afino que tienen lugar en vacío partiendo de materia prima sólida.
-    Refusión por haz de electrones: EB (elcetron beam).
-    Refusión por electrodo en vacío VAR (vacuum arc-remelting).
-    Fusión y afino en alto vacío con aportación térmica: H de I en V (VIM) AIRCO-TEMESCAL.

Grupo 3. Comprende los procesos metalúrgicos de afino que tiene lugar sin vacío partiendo de materia prima sólida.

-    Descarburación por argón-oxígeno: AOD.
-    Descarburación por vapor de agua-oxígeno: UDDERHOLM.
-    Descarburación por argón-nitrógeno-oxígeno: AOD-N2.

Grupo 4.  Comprende el proceso metalúrgico que tiene lugar sin vacío partiendo de la materia prima sólida.

-    Refusión de electrodo bajo escoria electroconductura: ESR o ESU.

4.1 GRUPO 1.



Efecto del vacío en los gases disueltos en el acero.

La ley de acción de masas se aplica a los equilibrios

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La eliminación del H2 es fácil, pues no forma compuestos estables en el acero, mientras que la del N2 es más difícil, ya que forma nitruros estables.

La afinidad de los elementos desoxidantes corrientes, como el Si, Ti, Al, Etc. (fig 1), no depende de la presión.

El carbono es el único elemento de utilización industrial que origina una fase de desoxidación gaseosa y constituye un enérgico desoxidante, igual que el Al o el Ti, pero al ser sensible a las variaciones de presión, resulta más versátil que éstos. A 1600oC, el AL2O3 es reducido por el C ( a < 2.3 Torr de  presión). Los óxidos de Si y Mg son igualmente reducidos por el C en vacío y, mientras que el Al y el Si pasan al acero, el Mg se volatiliza.

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El examen de las energías libres de las reacciones de formación de los óxidos evidencia la posibilidad de la reducción de los óxidos metálicos por el C (fig. 2). Este es el fundamento del afino por vacío en muchos nuevos procesos, consiguiéndose con ellos aceros mucho más limpios, al hacerse desoxidación vía CO.

La metalurgia del vacío se introdujo hacia el año 1955. Las roturas catastróficas que se produjeron en varias centrales eléctricas de Estados Unidos aceleraron la puesta en marcha de los procesos alemanes de desgasificación por vacío (eliminación del H2). La ley de Siebert rige el fenómeno y basta un vacío menor de 10 Torr para bajar el O2 a niveles inocuos. El vacío elimina parcialmente el H2, O2 y el N2.

El acero fabricado en horno eléctrico convencional con escoria básica y reductora (calmado en horno) contiene:
H2   4 a 80 ppm 0.0004 - 0.0008 %
N2  80 a 100 ppm 0.0080 - 0.0100 %
O2 50 a 80 ppm 0.0050 - 0.0080 %
El acero fabricado en horno eléctrico convencional y desgasificado en vacío contiene:
H2   1 a 2 ppm 0.0001 - 0.0002 %
N2  40 a 80 ppm 0.0040 - 0.0080 %
O2  20 a 50 ppm 0.0020 - 0.0050 %

El caero desgasificado en alto vacío (10-2 a 10-4 Torr) contiene:
Con contenidos de H2 inferiores a 2 ppm no hay problemas de “copos” y la segregación disminuye de forma importante.
El vacío se emplea con objetivos diferentes:

a)    Eliminación parcial de gases en el acero. Se elimina en parte más o menos importante de los gases disueltos en el acero.
b)    Desoxidación del acero por el C en vacío. Se puede eliminar la mayor parte del oxígeno disuelto en el acero (unas decenas de ppm).
c)    Descarburación del acero por O2 en vacío. . Se puede descarburar a fondo el acero sin oxidarlo apreciablemente, lo que requiere eliminar unos millares de ppm de gases.





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