Fabricacion De Acero 2

Conversión del arrabio Arrabio: • • • • •

Carbono Silicio Fósforo Azufre Manganeso

Acero: • • •

Baja aleación Media aleación Alta aleación

Conversión del arrabio Arrabio: • • • • •

Carbono Silicio Manganeso Fósforo Azufre

Arrabio bajo P y S: • Silicio • Manganeso • Carbono

• Afinidad con oxígeno. • Formación de diferentes óxidos. • Rol ACTIVO de la escoria.

Acero: • Composición limitada • 0,5%C aprox.

Arrabio empleado a escala laboratorio por H. Bessemer (proceso ácido)

Conversión del arrabio Silicio • Elemento con gran afinidad por el oxígeno. • La oxidación es favorecida con un alto índice de basicidad y es una reacción altamente exotérmica. (Si) m + O2 ⇔ (SiO2) e

∆H0= -178 Kcal / mol Si

En el proceso Bessemer, la mayor parte del calor necesario es otorgado por esta reacción.

Debido a su gran afinidad con oxígeno, el Si se emplea en la etapa de desoxidación de la refinación, agregándolo normalmente como ferrosilicio.

Conversión del arrabio Manganeso • Es el segundo elemento que se oxida durante la refinación, siendo su afinidad por el oxígeno menor que la del silicio pero bastante alta. (Mn) m + 1/2O2 ⇔ 2(MnO )e

∆H0= -95.3 Kcal / mol Mn

En el proceso Bessemer, parte del calor necesario es otorgado por esta reacción. Debido a su gran afinidad con oxígeno, el Mn se emplea en la etapa de desoxidación de la refinación, agregándolo normalmente como ferroaleaciones.

Conversión del arrabio Arrabio: • • • • •

Carbono Silicio Manganeso Fósforo Azufre

Cuando el arrabio contiene altos niveles de fósforo se presentan graves problemas en el proceso Bessemer convencional, debido a que este se realiza en convertidores con ladrillos refractarios de sílice (proceso ácido). La remoción de P tiene dos problemas, requiere de ambientes básicos y es posterior a la del carbono en PB.

Conversión del arrabio Fósforo • La extracción de fósforo del arrabio requiere de condiciones distintas a las de Si y Mn. • Para extraer el P, se requiere de una escoria con un alto índice de basicidad (Proceso Básico).

Indice de basicidad: I = ( CaO + 2/3 MnO ) /( SiO2 + P2O5 ) • La basicidad se favorece en presencia de los óxido metálicos como CaO y MnO. • El proceso Thomas o Bessemer básico utiliza revestimientos refractarios de dolomita y CaO en la carga.

Conversión del arrabio Fósforo El fósforo disuelto en el arrabio reacciona con el óxido de calcio y oxígeno para formar fosfato tricálcico según la reacción:

2(P)m + 5/2 (O2)g + 3 (CaO)e = Ca3(PO4)2 e

El óxido de fósforo también reacciona con el CaO según:

(P2O5)e + (O2)g + 5(CaO)e = Ca5(PO6)2 e

Conversión del arrabio Azufre La remoción del azufre mejora notablemente cuando el índice de basicidad de la escoria aumenta y bajo una atmósfera reductora . La remoción del azufre se realiza según la reacción: ( CaO)e + (FeS)m + C = ( CaS) e + (Fe) + [CO],

(Endotérmica)

La desulfuración requiere: • Escoria básica, • Baño metálico reducido, • Alta temperatura.

No todos los procesos poseen estas características.

Proceso Bessemer En 1856, Henry Bessemer introdujo un nuevo método de producción de acero utilizando un horno especial llamado Convertidor.

El sistema consistía esencialmente en insuflar aire desde el fondo del horno para que éste atraviese el arrabio produciendo así su refinación.  El aire removía rápidamente el carbono y el silicio presentes en el arrabio.  El calor liberado por la oxidación de las impurezas era suficiente para mantener el baño metálico en estado líquido e incluso aumentar la temperatura del mismo hacia el rango de 1600-1650ºC.

Proceso Bessemer  Proceso “sencillo”.  No requiere combustible.  Redujo el precio del acero a 1/10 de su valor anterior.  Limitado para arrabios sin fósforo y con elevados contenidos de Si.

Si (disuelto) + O2 (gas) = SiO2 (escoria) ∆H0= -745 kJ/mol Si = -178 kcal/mol Si Mn (disuelto) + 1/2O2 (gas) = MnO (escoria) ∆H0= -399 kJ/mol Mn = -95 kcal/mol Mn C (disuelto) + 1/2O2 (gas) = CO (gas) ∆H0= -133 kJ/mol Mn = -32 kcal/mol Mn

Proceso Bessemer El problema con el fósforo fue resuelto posteriormente empleando revestimientos básicos y empleando en la carga CaO. En este caso, el fósforo es removido en la escoria en forma de fosfato de calcio y no como pentóxido. El proceso con revestimientos básicos se conoce como Proceso

Thomas o Bessemer básico.

El problema con la masificación del proceso básico fue que antes de su desarrollo se había desarrollado otro proceso con un mejor control sobre la composición del acero….

Proceso Siemens Martin • El proceso fue desarrollado en la década de 1860 y hasta la década de 1960 fue el de mayor aplicación en la industria siderúrgica. Ventajas sobre PB y PBB • El proceso SM permite procesar arrabios de diversas composiciones. • Debido a las características del proceso, es posible remover el P tempranamente evitando remover gran parte de C. • Para la carga en este proceso se emplea “carga fría” (chatarra de acero).

Desventajas sobre PB y PBB •5 horas para cargar •4 horas para fusión •3 horas para refino, finalizado y descarga.

Proceso Siemens Martin (Open hearth)

Procesos Siderúrgicos ¿BOF? Basic-Oxygen-Furnace

Convertidores básicos al oxígeno: La misma idea de Bessemer promovida con 100 años de avances tecnológicos que permitieron el empleo de OXIGENO PURO en lugar de aire.

Proceso básico al oxígeno (BOF)

BESSEMER: 21% Oxígeno

BOF: 100% Oxígeno

Proceso básico al oxígeno (BOF) • Creado en Austria para convertir arrabio con bajo contenido de fósforo. • Inicialmente se conoció con el nombre de proceso LD. ( “linz dusenverfahren” o de Linz)

lanza

• Luego la técnica se extendió para arrabios altos en fósforo mediante la adición, al chorro de oxígeno, de piedra caliza. • Además de lo anterior, el BOF permite la carga además del arrabio de CARGA FRIA (20%). •Tamaños desde 30 a 360 toneladas.

Proceso básico al oxígeno (BOF) CARGA: •Cuando el oxígeno contacta el arrabio, se genera una gran cantidad de calor debido a la exotermicidad de las reacciones, de este modo la oxidación de la sola carga de arrabio resultaría en una temperatura muy alta para la colada. Por esta razón se agrega carga fría (chatarra). •La fusión de la chatarra consume alrededor de 340 kcal/kg, lo cual enfría eficientemente el proceso.

CARGA BOF típica: 75 % de arrabio líquido y 25 % de chatarra. Esto requiere de un suministro de arrabio con una composición química uniforme. Existen también ciertas propiedades del acero, como por ejemplo, contenido de Si y S, que se seleccionan para optimizar la operación del alto horno y del BOF y producir un acero al mínimo costo.

Proceso básico al oxígeno (BOF) HORNO •El BOF es un reactor cilíndrico con un cono abierto en la parte superior. •Para los BOF más grandes, la coraza es de 8 m de diámetro y 11 m de alto. • Las corazas están construidas de placas de acero y están montadas en un “trunnion ring” de modo tal que el convertidor puede bascular para su carguío, ensayos, sangrado y descarga escorias.

• El enladrillado esta hecho de ladrillos de magnesita, de diferentes espesores y calidad en ciertas zonas dependiendo del desgaste. •El orificio de sangría esta en la zona superior de cada convertidor, a la derecha del cono.

Proceso básico al oxígeno (BOF) HORNO • Las lanzas de oxígeno miden 300 mm de diámetro y 21 m de largo. Sus puntas tienen tres boquillas, que producen el chorro supersónico de oxígeno. • El agua para enfriamiento de las lanzas es vital. Una grúa especial mueve las lanzas hacia arriba y hacia abajo y ajusta la distancia con respecto al baño. Las lanzas duran alrededor de 150 refinos antes que sus puntas sean reemplazadas.

Proceso básico al oxígeno (BOF) VARIANTES ARRABIOS RICOS EN FÓSFORO: Una variante de este proceso desarrollado en Luxemburgo y Francia es el proceso LD - AC. Consiste en inyectar cal pulverizada junto con el chorro de oxígeno. La cal junto con el oxígeno va al centro de las reacciones de oxidación. De este modo el P puede ser eliminado desde el principio del soplado. El proceso LD - AC, debido a su simplicidad, economía y la habilidad de tratar con un amplio rango de arrabios ha tenido gran éxito.

Proceso básico al oxígeno (BOF) VARIANTES INYECCIÓN DE ARGÓN: Otra variante es la inyección de argón (o lagunas veces nitrógeno) dentro del baño a través de ladrillos porosos ubicados en el fondo del convertidor. La agitación por el fondo favorece las reacciones químicas y disminuye la temperatura del acero en el área de impacto del oxígeno, lo que lleva a una menor oxidación del hierro y un mejor rendimiento.

Otras variantes: La capacidad de estos convertidores fluctúa entre 20 y 200 t. El método más exitoso es el proceso LD.

Proceso básico al oxígeno (BOF) Proceso LD Un simple crisol con una lanza de oxígeno a alta velocidad es insuflada al baño por una boquilla refrigerada con agua. Esto evita el problema del sobrecalentamiento de las toberas tal como en el proceso de Convertidor Bessemer enriquecido en oxígeno y permite producir acero libre de nitrógeno con la misma rapidez que el proceso Bessemer. El chorro de oxígeno penetra profundamente en el baño y produce una rápida oxidación. La pronta formación del óxido de hierro bajo el jet (chorro) permite la formación de la escoria FeO - CaO de modo que se elimina el P a principios del proceso. Debido al uso de oxígeno puro no hay pérdida de calor llevado por el nitrógeno comparado con el proceso Bessemer y permite agregar un 25% de carga fría.

Proceso en Horno Eléctrico ¿Cómo se adicionan al acero elementos con mayor tendencia a la oxidación que el hierro? El reactor que permite el uso de ferroaleaciones para la incorporación de elementos como Ni, Cr, Mn, V, Mo, W, Nb, Ti es el de HORNO ELÉCTRICO. Ventajas:

Desventajas:

• Mejor control térmico que el proceso básico al oxígeno.

• La mezcla baño-escoria no es tan intensa, sólo se emplean para contenidos de C mayores a 0,05%.

• Ambiente reductor que permite la adición de ferroaleaciones sin pérdidas por oxidación.

• Contenidos de N de 40-120 ppm con respecto a 30-50 ppm de BOF.

Proceso en Horno Eléctrico Horno: •Contiene un crisol refractario con forma de plato y tres electrodos que alcanzan el fondo a través de un techo removible con forma de domo . •El diámetro de la coraza es de 2.5, 6 y 9 m para hornos de 10, 100 y 300 t. •La coraza esta ubicada sobre un balanceador hidráulico que bascula el horno para la evacuación de la escoria. •El fondo, es decir, el crisol, esta compuesto por ladrillos de magnesita y tiene en un lado un orificio ligeramente inclinado para vaciar la escoria, y un orificio de sangría vertical en el crisol ovalado.

Obtención de acero sin fabricación de arrabio Procesos de reducción directa

Procesos de reducción directa Los procedimientos utilizados para reducir el mineral de hierro son muchos, pero se pueden clasificar del siguiente modo:

Procesos de reducción directa Ventajas: • Costo de instalación menores que los de un alto horno por tonelada producida. •Se puede usar carbón de menor calidad. • Hornos a gas natural no son contaminantes, ya que el gas no contiene azufre.

Desventajas: • Capacidad limitada de los hornos (500-1000 t. diarias) menor que los altos hornos.