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Afinamiento del acero parte 2 - Monografía



 
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Afino en Vacío sin Aportación Térmica.



Procedimiento Bochumer Verein (BV).

Consiste en una desgasificación dinámica o en chorro que sea realiza en cuchara o en tanque; el acero entra en el tanque o en la cuchara y se rompe en multitud de pequeñas gotas. Este procedimiento se emplea fundamentalmente en la desgasificación del acero para grandes lingotes (figs. 3 y 4).
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Procedimiento Dortmund Holder (DH).

La desgasificación se lleva a cabo en una vasija especial que se introduce parcialmente en una cuchara; al hacer el vacío en la vasija, el acero penetra en la misma y se desgasifica (fig. 5); ésta operación se repite varias veces. A través de una esclusa se pueden efectuar también adiciones.

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Procedimiento Ruhr-Heraus (RH).

Es una variante del anterior; en vez de un tubo, la vasija donde se hace el vacío tiene dos; por medio del argón se hace circular el acero de la cuchara a la vasija, por la que la desgasificación se realiza en una sola operación.

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Procedimiento KD.

  Desoxidación del acero por vacío. Este procedimiento se lleva a cabo en un tanque de vacío; el acero procedente del horno eléctrico o LD, con un contenido de Si inferior 0.07% y sin Al u otro desoxidante, se cuela en una lingotera de baja presión; el C y el O del acero se combinan, desoxidándose el acero por el C a  la vez que se eliminan el H2 y el N2.

Procedimiento GAZIL.

  Desgasificación del acero por vacío en cuchara, en la que el argón se insufla por el fondo a través de un tapón poroso.

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Afino en vacío por aportación térmica.



Procedimiento  ASEA-SKF

. El acero procedente de un horno eléctrico de arco se trasvasa a una cuchara básica de acero inoxidable austenítico para poder emplear la bobina agitadora. Según se desgasifica, el acero se calienta, empleándose un tapa de vacío o una tapa con tres electrodos. El proceso no descarbura y, por lo tanto, no hay eliminación de P. Este procedimiento se emplea para obtener aceros de alta y media aleación con bajos contenidos de H y alto grado de pureza.

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La característica fundamental del procedimiento ASEA-SKF es que se consiguen contenidos de S muy bajos, empleando en la desoxidación del acero aluminio en polvo y mischmetal. Un equipo ASEA-SKF comprende:
-    Cuchara de acero inoxidable austenítico con revestimiento neutro y básico.
-    Bobina agitadora de inducción.
-    Equipo de calentamiento eléctrico trifásico de arco.
-    Tapa de vacío.
-    Tapa para calentamiento por arco.

El tiempo del tratamiento es de 2 h 45 min y la marcha del proceso se esquematiza en la figura 8.

Procedimiento FINKL (VAD). El acero procedente de un horno eléctrico se trasvasa a una cuchara básica con buza deslizante y tapón poroso para agitación por argón. La cuchara se introduce en un tanque de vacío y se cierra con una tapa especial que lleva tres electrodos para calentamiento por arco eléctrico; a la vez se hace un vacío para desgasificar el acero y afinar. La desulfuración se efectúa igual que en el horno eléctrico de arco, pero con la ventaja de una agitación continua por argón y vacío. Las adiciones de elementos aleantes y reductores se realizan en vacío a través de una esclusa.

Este procedimiento se emplea para el afino de los mismos aceros que el ASEA-SKF. Los contenidos de H2 son bajos y el grado de limpieza del acero muy bueno. El equpi FINKL comprende:

-    Cuchara básica o neutra con tapón poroso para argón.
-    Instalación de vacío por eyectores.
-    Una tapa de vacío y calentamiento por arco.
-    Equipo eléctrico trifásico para calentamiento por arco.
-    Tanque de vacío.

La marcha del proceso es la que se muestra en la figura 9.
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Afino en Vacío con O2.



Los procedimientos incluidos en este apartado se basan en la misma reacción. Las bajas presiones favorecen el desplazamiento hacia la derecha del equilibrio
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Así mismo la preferencia de ésta reacción sobre la oxidación del Cr,

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hace que sea posible la descarburación de las coladas altas en Cr sin pérdida del mismo, como se ve en el diagrama de equilibrio a presiones reducidas (Fig. 10.a).

A 1 700oC y presión normal una colada con 18% de Cr sólo puede ser descarburada hasta 0.22% de C sin oxidar el cromo (fig. 10.b). A 0.5 atm se puede descarburar 0.12% de C sin perder Cromo y a 0.1 atm hasta 0.02% de C sin pérdida de cromo.
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Procedimientos WITTEN, V-R y ASV.



1.    En un horno eléctrico o similar se funde una colada con un contenido elevado de Cr y Ni y con un contenido de 0.5% a 1% de C.
2.    Al final de la fusión se homogeneiza y agrega el cromo necesario para alcanzar 18.5% de Cr y el níquel pedido en especificación. Se vuelca el acero en una cuchara básica con buza deslizante y se introduce en un tanque de vacío.
3.    Se hace el vacío y se inyecta O2 puro a través de una lanza refrigerada a una velocidad de 14 m3/min, para una carga de 45T, a la vez que por el fondo de la cuchara se inyecta el argón (0.056 m3/min), consumiéndose durante el afino 0.2 m3/T.
4.    Se agrega la mezcla necesaria para la reducción de los óxidos de Cr y Mn de la escoria y el Si necesario para cumplir las exigencias de la especificación.
5.    Se elimina el vacío, se saca la tapa y se hacen las adiciones para ajustar el acero a lo establecido por la especificación, agitando con argón. Si es necesario se agrega cal-espato u otro desulfurante; se elimina así el 50% de S.
6.    Finalmente, si la temperatura es elevada, se puede introducir chatarra de inoxidable para enfriar.

El vacío a que se trabaja es generalmente de 20 Torr. Si se quiere fabricar un tipo L, de muy bajo contenido de carbono, se puede bajar el vacío a menos de 10 Torr.

Las diferencias entre los tres procesos residen exclusivamente en los mecanismos de toma de muestras, lanzas de O2 y vacío empleado.
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En la figura 11 puede verse el conjunto del equipo.

La tapa del tanque lleva una esclusa por donde se efectúan las adiciones sin perder el vacío. La lanza refrigerada está situada en el centro de la tapa y con una inclinación determinada va a un tubo para la toma de muestras, que se pueden extraer sin necesidad de reducir el vacío. La temperatura de trabajo se puede controlar perfectamente y no se deben superar los 1 700oC, ya que en caso contrario se elevaría el consumo de refractario.

El rendimiento del Cr es de 98-99%, y el del Mn, del 80%.


Procedimiento ALLEGHENY VACUUM REFINING (AVR).



Este proceso es similar al WITTEN, V-R y ASV, ya que el principio en que se funda es la oxidación del carbono (descarburación del acero) por O2 en vacío, ayudándose de un equipo ASEA-SKF.

El metal procedente de un horno eléctrico de arco se trasvasa a una cuchara de acero inoxidable austenítico que lleva acoplada una bobina agitadora. La cuchara se cubre con una tapa con cierre de vacío; una lanza consumible para soplado con O2 atraviesa la tapa y se sumerge 15 cm por debajo del nivel del acero; el desgaste de la lanza es de 2.5 cm/ min. El proceso se realiza entres etapas.
a)    Soplado con oxígeno. El soplado se lleva a cabo de acuerdo con el contenido de carbono. Se empieza con un vacío de 170 Torr hasta bajar el carbono a 0.40%, después se intensifica el vacío hasta 30 Torr y, cuando se ha conseguido bajar el contenido de carbono a 0.10%, se hace el vacío a 1 Torr hasta finalizar el soplado.
b)    Reducción. La reducción de los óxidos de Cr y Mn se efectúa con Fe-Si-Cr y Fe-Si-Mn, cal y espato; para facilitar la reducción se insufla argón a través de un tapón poroso colocado en el fondo.
c)    Terminado. Generalmente se hace con Fe-Si y Fe-Mn afinados; sólo algunas veces se necesario realizar pequeñas adiciones de aleantes; en este caso, se puede homogeneizar el baño rápidamente por medio de la bobina. Cuando es necesario se puede emplear una tapa con tres electrodos para calentar el acero (ASEA-SKF).

4.2 Grupo II.



Comprende los procesos de afino metalúrgico en vacío partiendo de la fase sólida:

a)    Horno de fusión por haz de electrones (Electron Beam, EB).
b)    Refusión del electrodo en vacío (Vacuum Arc Remelting, VAR)
c)    Fusión y afino en alto vacío. Horno de inducción en vacío (VIM) y AIRCO - TEMESCAL.

Estos procesos trabajan con vacíos de 10-2 a 10-4 Torr.

Procedimiento EB. Es un proceso de fusión por medio de haces electrónicos en el que se puede partir de chatarra, viruta, esponja, etc.

Estos hornos se desarrollaron a partir del año de 1960 al empezar a fabricarse en Alemania Federal las fuentes de emisión de electrones, como son los cañones de difusión de electrones planos, circulares y anulares.

Igual que ocurre en la fusión en horno de inducción al vacío hay volatilización de oligoelementos y además pérdida de Mn.

Procedimiento VAR. Se basa en la refusión de un electrodo de composición química conocida por arco en vacío. La presión de trabajo es de 10-2 a 10-4 Torr; sin embargo, entre el electrodo y el metal líquido la presión es de 1 Torr debido al desprendimiento de gases.

Bajo la influencia del arco eléctrico, el electrodo funde en forma de gotas tan pronto como se alcanza el punto de fusión, por lo cual no hay sobre calentamiento superficial del baño líquido u y la temperatura se mantiene de 15 a 40oC por encima del punto de fusión.

Análogamente al procedimiento ESR, lo ideal es tener un baño líquido lo más plano posible para evitar segregaciones. Este procedimiento permite hacer la refusión en una atmósfera determinada de Ar, N2, etc.; además se puede refundir bajo escoria si se desea.

La eliminación del O2 se realiza por reacción con el C para formar CO o por flotación de los óxidos, no se consigue desulfuración, pero se elimina por vaporización parte de los oligolementos, Pb, Cu, Sn, Sb, Bi, etc.

Proceso de fusión y afino metalúrgico en alto vacío
Con aportación térmica.


Estos proceso se llevan a cabo en vacío de 10-2 a 10-4 Torr, lo cual hace necesarias instalaciones muy costosas. La colada y solidificación se hace también en vacío. Pertenecen a éste apartado los procedimientos: VIM y AIRCO-TEMESCAL.

Procedimiento VIM.

La fusión en horno de inducción en vacío, o procedimiento VIM, consiste en fundir una carga sólida o en trasvasar una carga líquida afinada en un horno eléctrico de arco y desgasificado por vacío a un horno de inducción en vacío, donde se lleva a cabo la aleación y el afino. El problema principal es el revestimiento, ya que, con materiales básicos o neutros, como el Al2O3 o MgO, no es posible bajar el O2 a niveles inferiores de 30 ppm al reaccionar el oxígeno del revestimiento con el carbono contenido en el acero. Los revestimientos de estos hornos se hacen con cal fundida o con cal cristalina.

No hay desfosforación y la eliminación del azufre en fase gaseosa es tanto más difícial cuanto menos es el contenido de O2. Los oligoelementos, Pb, Cu, Sn, Bi, etc., se eliminan parcialmente por vaporización.

Procedimiento AIRCO - TEMESCAL.

Se trata de una combinación de los procedimientos VIM y EB. El acero fundido en horno de inducción al vacío pasa a una cámara de vacío con horno de mantenimiento térmico donde se corrige la composición química; desde allí fluye a un antecrisol de varias soleras planas de Cu en cascada, refrigerado por agua (fig. 12), los cañones de proyección plana de electrones (EB) compensan las pérdidas de temperatura en un vacío de 10-4 Torr.

La parte final del proceso consiste en controlar la solidificación para evitar segregaciones y dar al producto la forma adecuada.

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GRUPO III.



Como se ha indicado, se incluyen en este grupo los procedimientos en los que el afino metalúrgico se hace sin vacío partiendo de fase líquida.

Estos procedimientos se conocen como AOD, UD-DERHOLM, AOD-N2 y se basan en la reacción
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A una temperatura constante una reducción de la presión parcial del Co da lugar a una pérdida de carbono en el baño al reaccionar con el Cr3O4 o con el oxígeno aportado al mismo.

El Co se diluye con argón, N2 o vapor de H2O, según el procedimiento que se emplee, por lo cual y mientras en el sistema existanm C y O reaccionan hasta eliminarse mutuamente.

Procedimiento AOD (Argon-oxygen decarburation). Aunque teóricamente se puede aplicar a toda clase de aceros, este procedimiento solo se emplea industrialmente para descarburar aceros con alto contenido de Cr. El acero líquido, rico en cromo y con un contenido de carbono de 0.5 a 1.0%, procedente de un horno eléctrico, se trasvasa a un convertidor a una temperatura superior a 1 500oC (fig. 13). En el proceso global

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cabe distinguir las siguientes etapas:

1ª Etapa.

Se sopla Ar/O2 en la proporción 3 : 1 hasta subir la temperatura a 1 630oC oxidando el silicio y parte del cromo y del carbono. La elevación de  130oC se efectúa a una velocidad de 8-10 o/min. Durante esta etapa el contenido de carbono disminuye a 0.20-0.25%, el cromo se reduce en un 0.50% y el Si se elimina.

2ª Etapa.

Se baja la proporción Ar/O2 a 2 : 1. Se sopla durante 8-10 min subiendo la temperatura hasta 1 700oC, el carbono baja a 0.09-0.1 % y se oxida un 0.5% de Cr.

3ª Etapa.

Se modifica la relación Ar/O2 a 1 : 2. Para bajar el carbono hasta 0.04% hay que eliminar un 0.06% min. No se produce aumento de temperatura por el efecto refrigerador del argón.

4ª Etapa. Reducción.

Se agrega al convertidor una mezcla reductora para recuperar los óxidos de Cr y Mn que hay en la escoria y para ajustar  a la especificación los contenidos de silicio y manganeso del acero, se insufla argón durante 3-4 minutos para homogeneizar. Si es necesario, la desulfuración se lleva a cabo en esta etapa, para lo que se desescoria, se agrega la cantidad de cal-espato precisa y se agita con argón durante 4-5 minutos; la  tyemperatura baja a unos 30-50oC, lo que hay que tener siempre en cuenta. Un contenido de azufre de 0.020% disminuye a 0.012%. Se pueden hacer varios escalones de desulfuración.

Este procedimiento se emplea en la fabricación de aceros inoxidables, refractarios y para válvulas.

Procedimiento UDDERHOLM.

Este procedimiento se desarrolló en Suecia, y sigue el mismo sistema AOD con la variante de emplear vapor de agua en vez de argón.

El vapor de agua se disocia en oxígeno e hidrógeno, razón por la cual al final del soplado el acero está saturado de H2, que mediante un gas inerte, 1 m3/T, se elimina hasta niveles de 5 cm3 / 100 g.
Este procedimiento presenta la ventaja de sustituir el argón, con lo cual el precio por tonelada de acero debe ser inferior al obtenido con el AOD.

Procedimiento AOD-N2.

Cuando se fabrican aceros L, muy bajos en carbono (C= 0.03%), el argón de la 2ª etapa se puede sustituir por N2, con lo cual es posible reducir gastos.

En los aceros inoxidables austeníticos (aceros al Cr-Ni-Mn) que llevan nitrógeno (0.100-0.2000%) el argón se sustituye totalmente por nitrógeno.

GRUPO IV.



Este grupo se reduce a un único procedimiento, el ESR, que consiste en la refusión de un electrodo consumible bajo escoria electroconductora. Está basado en una patente americana de R.K. Hopkins perfeccionada por los rusos y posteriormente de EE.UU, Inglaterra, Alemania y Austria.

En este procedimiento se emplea el calor originado al pasar la corriente eléctrica a través de una escoria líquida para refundir el electrodo. La instalación responde al esquema que se muestra en la figura 14.
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Debido a la resistencia eléctrica en la fase escoria líquida, la corriente se transforma en calor por efecto Joule, por lo que se funde el electrodo sumergido en la escoria. El intenso calentamiento de la escoria en contacto con el metal líquido repercute favorablemente en la reacción escoria-metal.

El electrodo se funde originando numerosas gotas, por lo que el contacto escoria-metal es muy bueno. Las escorias están formadas por Al2O3, F2Ca , CaO y SiO2.

La desulfuración en fase gaseosa es una característica del procedimiento ESR. El azufre de la escoria se une al O2 del aire para formar SO2. No se elimina H2 y parece ser que en los diámetros superiores a 1 m hay reentrada de H2. Por tales motivos, este sistema exige una eliminación previa de H2 por vacío. Otra precaución a tener en cuenta es que el electrodo que se refunde debe ser homogéneo, es decir, sin segregación.

En el procedimiento ESR puede utilizarse lingotera fija o móvil y es importante que la forma del baño líquido sea siempre lo más plana posible para evitar segregaciones. El acero solidifica rápidamente en una lingotera de cobre refrigerada por agua.

Las ventajas esenciales del procedimiento se pueden sintetizar como sigue:

-    Desulfuración importante y desoxidación notable (fig. 15)
-    Aumento de la pureza del metal por disminución de las inclusiones no metálicas.
-    Mejora sensible de la segregación.
-    Obtención de estructuras de solidificación longitudinales.
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CONCLUSIÓN.



Los modernos métodos de producción del acero utilizan el arrabio como materia prima.

El afino se efectúa por los siguientes métodos: convertidor (hogar abierto), proceso de inyección por oxígeno (soplado) y con horno eléctrico. En el primer método el afino del arrabio se efectúa dentro de un gran recipiente revestido de una materia refractaria y con el fondo perforado. La colada a una temperatura de 1300 ºC se agrega al convertidor que se mantiene en posición horizontal que evita que el líquido alcance los orificios. El convertidor se endereza y comienza el soplado de aire una vez terminada la carga. Con esto se logra una temperatura de 1600ºC. El proceso con el convertidor es muy rápido y dura alrededor de 20 minutos.

Una desventaja de este método se que no permite un control muy exacto del producto. Aquí se emplean tres tipos de procesos: hierro fundido-chatarra, hierro fundido-mineral y sólo con hierro fundido. El método de soplado consiste en introducir un tubo al recipiente justo en la superficie del arrabio, insuflando oxígeno a gran presión, que permite una reducción rápida de los componentes lográndose así un afino en un corto tiempo y con buenos resultados de calidad del acero.

Recientemente ha alcanzado gran difusión el proceso de horno eléctrico, ya sea de arco o de inducción. Con este proceso se obtienen productos de alta calidad. El horno eléctrico está constituido por un horno recubierto de una bóveda, es con frecuencia basculante para facilitar el vaciado y la colada. Se emplean hornos de arco independientes, hornos de arco directo con solera conductora o sin ella, hornos de resistencia , hornos de inducción. Los hornos eléctricos alcanzan fácilmente las 80 toneladas de arrabio y algunos las 200 toneladas, y permiten la utilización de acero homogéneo y bien desoxidado.

Otra ventaja que presentan es la de fácil control de temperatura; así mismo alcanzan rápidamente temperaturas elevadas.

También existe otro proceso para el afino que es el Dúplex, consistente en un primer afinado en el convertidor y luego se completa en el horno eléctrico.

BIBLIOGRAFÍA.



LUENGO, A. Procesos de Afino. Conferencia presentada durante la IV reunión de la sub comisión de Aceros Especiales, Sevilla, 1973-5-16.
MAERSK. Manual Del Ingeniero Mecánico.
www.infoacero.cl/aceros
www.infotrac.galegroup.com./itwen/hnv-itw
www.grippo.com.ar/argentina/english/business/metlurgica.htm
www.monografias.com
www.expoindustria.net/esq-hornocuchara.htm

Autor:

J I Salgado





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