jueves, 10 de diciembre de 2015

Introducción

La siderurgia integral utiliza la ruta del horno alto para la reducción de los minerales de hierro, eliminando el oxígeno y obteniendo un hierro con contenidos totales superiores al 95 %, que se conoce como arrabio.

La utilización del HA a nivel mundial contribuye aproximadamente al 60 % de la producción total de acero vía LD, siendo los países más desarrollados los que tienen una cuota más alta en esta ruta.

Antiguo Horno Alto de Sagunto, Valencia


Como alternativa está la ruta del horno eléctrico que se basa en el empleo de chatarra, pero la escasez de chatarras limpias ha potenciado la necesidad de encontrar procesos de obtención de prerreducidos de hierro, en base a la reducción directa en fase sólida de minerales de hierro, con agentes reductores, tales como gas natural o carbón.

Resumen HA

FUNCIÓN: transformar el mineral de Fe en arrabio
PROCESO: liberar el Fe del O2 que contiene
MATERIAS PRIMAS: mineral de hierro, cok, fundente, aire, hidrocarburos
  • Mineral de Fe que para facilitar su manejo y mejorar su eficiencia de reacciones se pelletiza o sinteriza
  • Carbón
 mineral
 con 
alto
 contenido 
en 
volátiles
 para
 su 
transformación 
en 
cok:
 actúa 
como 
reductor,
combustible 
o
 soporte 
mecánico
 en
 el 
horno 
alto 
  • Fundentes
 para
 disminuir
 temperaturas 
durante
 la 
reacción 
de 
reducción 
y
 facilitar
 la 
eliminación 
de 
impurezas 
en
 la 
escoria
 (suele ser roca calcárea o arcilla)

PRODUCTOS: arrabio, escoria y gases
VENTAJAS: alta estabilidad de operación, alta velocidad de producción de arrabio
DESVENTAJAS: gran tamaño y altos costes de inversión

Horno Alto

  • Es 
un 
reactor
 vertical, 
de
 cuba
 en
 el 
que
 se 
efectúa 
el
 proceso 
de
 reducción 
directa
 de
 los 
minerales,
 obteniéndose 
un
 producto 
intermedio:
 el 
arrabio
 
  • Este
 arrabio 
será 
tratado 
fuera 
del horno,
 normalmente 
en
 una
 planta 
de
 desulfuración 
y 
será posteriormente 
afinado 
en 
la 
acería
 LD 
para 
obtener 
acero.

  • Posee alta eficiencia, adaptabilidad y capacidad productiva a la vez que reduce los niveles de elementos no deseables en el arrabio (azufre, silicio, etc.) producido previo a su afino.



Equipos HA

  • Sistema 
de 
evacuación 
de 
gases
 
  • Tragante
 
  • Cuerpo
 del
 horno
 
  1. Parte 
inferior:
 crisol
 
  2. Etalajes:
 zona 
de 
inyección
 del 
aire 
caliente

  3. 
 Vientre

  4.  Cuba
 
  • Instalaciones
 auxiliares

  1. Sistemas 
de 
control
 (temperatura, 
presión,
 análisis 
de 
gas)
 
  2. Recuperadores
 de 
calor

 
  3. Zona
 de 
colada

  4.  Depuración
 de 
gases





Proceso HA

1. Poreltragantesecargamineraldehierro,cok, sinterizado, pelletsyfundentes
2. Porlastoberasseinyectaaireycombustiblesauxiliares 
    • Se trabaja a contracorriente: los minerales cargados por el tragante descienden hasta el crisol, mientras que los materiales introducidos por toberas ascienden como gases hasta el tragante  
    3.El aire caliente hace que el cok entre en combustión formando CO2 que al ascenderencontactoconelCsereduceaCO (reacción de Bouduard)

      4.Losmineralesoxidadosquedesciendendesdeeltragantesonreducidosahierro fundidoporlatemperaturadelhorno, queabsorbeciertacantidaddecarbonoy otroselementospresentesenelmineral

    • Las temperaturas varían según la zona del alto horno desde 500ºC hasta 2.000ºC
        5.En el crisol se obtienen fundidos la escoria y el arrabio que son colados periódicamente a través de las piqueras.

    Productos del HA

    Humos y gases residuales: Se producen como consecuencia de la combustión del coque y de los gases producidos en la reducción química del mineral de hierro que, en un elevado porcentaje, se recogen en un colector situado en la parte superior del alto horno. Está constituida por unos gases inertes, como son el vapor de agua, el CO2 y nitrógeno y otros combustibles como hidrógeno, monóxido de carbono y óxidos de azufre.

    Escorias: Es un residuo metalúrgico que a veces adquiere la categoría de subproducto, ya que se puede reutilizar en múltiples operaciones. Su composición es variable, aunque predominan los silicatos

    Fundición o hierro colado: Es el producto propiamente aprovechable del alto horno y está constituido por hierro con un contenido en carbono que varía entre el 2% y el 5%. Dentro de la masa de hierro, el carbono puede encontrarse en tres formas o estados diferentes: en estado libre, formando grafito; en estado combinado, formando carburo de hierro; o disuelto.




    Torpedo de arrabio, el cual transporta el arrabio a procesos de refino

    Obtención de acero a partir de chatarra con horno eléctrico de arco

    Vídeo "Horno eléctrico de arco"

    Ventajas de la fabricación de acero en HEA:
    • Se puede fabricar cualquier acero, lo único que nos va a limitar es la materia prima.
    • Acepta todo tipo de cargas: chatarra, lingote de hierro, arrabio...
    • El proceso de fusión se puede programar y automatizar.
    • Alta eficiencia del proceso.

    Los componentes esenciales del horno eléctrico de arco son:
    • Cuba del horno con dispositivo de colada.
    • Sistema para volcar en la cuchara.
    • Paredes con paneles refrigerados por agua.
    • Bóveda refrigerada por agua, con un sistema giratorio que permita la abertura total de la parte superior.
    • Brazos portaelectrodos.
    • Sistema de accionamiento hidráulico que mueva los electrodos a gran velocidad para regular el arco eléctrico, manteniendo constante la corriente.
    • Sistema de cables flexibles y refrigerados por agua para transportar la corriente eléctrica.
    • Transformador que reciba corriente a alta tensión y la baje hasta el voltaje necesario.
    • Agujero en la bóveda que pueda captar los humos, éstos se conducirán hasta la instalación de depuración.
    La cuba del horno será generalmente cilíndrica y va a estar cubierta de refractario. El diámetro de esa cuba va a definir el peso de colada. El tamaño puede oscilar desde unas pocas toneladas a 300, la mayoría están entre 60 y 150 toneladas.

    La energía necesaria para fundir la chatarra de un horno medio es superior a la que necesita un municipio de 80.000 habitantes, las compañías eléctricas alimentarán las acerías con líneas de muy alta tensión.





    Marcha de una colada:

    La principal función es la fusión de la carga. 
    Suponiendo luego metalurgia secundaria, va a seguir estos pasos:
    • Carga de la chatarra.
    • Fusión.
    • Oxidación y desfosforación.
    • Calentamiento.
    • Colada.
    Las cestas de chatarra van a incluir fundentes y agentes carbonosos. 

    Una vez llenado el horno, se conecta la corriente eléctrica y se inicia el proceso de fusión. Además también se va a inyectar oxígeno para facilitar la fusión.

    La chatarra que se mete, al fundirse ocupa mucho menos, por tanto, podremos meter una segunda e incluso una tercera cesta de chatarra conforme se va fundiendo.

    Después de la fusión, al inyectar oxígeno obtendremos FeO. 

    Si la escoria es básica, el P va a pasar a ella (defosforación).

    El FeO de la escoria se va a reducir gracias a la inyección de oxígeno y cok, para que se forme CO que irá a la atmósfera y el Fe reducido pase al baño.

    El proceso en los hornos más actuales dura menos de 60min, consumiendo 390Kwh, 30Nm^3 de O y 8kg de carbón por tonelada de acero producida.


    Optimización energética:

    En el sistema de aspiración de humos, vamos a necesitar grandes potencias de aspiración, la inversión en estos sistemas puede alcanzar valores del mismo orden que el propio HEA. El calor se puede escapar por estas instalaciones suponiendo pérdidas próximas al 25% del total empleado en la fusión de chatarra.

    Se han desarrollado muchas aplicaciones con el objetivo de recuperar parte de esa energía que se escapa, precalentando la chatarra cuando está en las cestas.


    La importancia de la chatarra, como podemos ver, es muy significativa y por tanto es crucial una buena elección de la misma.

    Obtención de acero a partir de arrabio con convertidor al oxígeno LD

    Vídeo "Aceria convertidores al oxigeno"

    Objetivos:
    • Descarburizar el arrabio.
    • Que los elementos perjudiciales se oxiden y pasen a la escoria.
    • Calmar el acero (desoxidar con aluminio).
    • Ajustar temperatura y composición para obtener un acero de buena calidad (especialmente útil para la fabricación de productos planos).

    Materias primas cargadas al convertidor:
    • Arrabio líquido: Llega transportado en cucharas, normalmente compuesto de un 4,5% de C, y bajos contenidos de Mn, Si, P, S y su temperatura es del orden de 1380ºC.
    • Carga metálica adicional: Puede ser chatarra o mineral que va a tener un efecto refrigerante.
    • Adiciones y fundentes: Necesarios para obtener una adecuada composición y tipo de escoria.
    • Oxígeno de gran pureza inyectado a gran velocidad por la parte superior, mediante una lanza refrigerada por agua.

    Proceso:
    • Se carga la chatarra en el convertidor.
    • Se carga el arrabio.
    • Soplado del oxígeno por la boca del convertidor.
    • Incorporación de adiciones.
    • Soplado final para el ajuste de las características del acero.
    • Se voltea el convertidor para la colada del acero y la escoria, evitando que se contaminen mutuamente.
    La reacción más importante es la descarburación, se producen grandes cantidades de CO y CO2, aporta mucha energía. El CO pasará a CO2 en una reacción de postcombustión.

    En el periodo final del soplado, aumenta el oxígeno disuelto, deberá ser eliminado para que el acero no se deteriore. Será necesario adicionar elementos con gran afinidad con el O como el Al para que se produzca la desoxidación o calmado.

    Es importante que el arrabio contenga bajos niveles de azufre ya que el proceso del convertidos es oxidante y no desulfurante.

    Aunque aquí se utiliza el LD, el mejor método y más utilizado es el soplado LBE, que consiste en un soplado combinado de oxígeno por la boca del convertidor y gases inertes por el fondo, así se reduce la sobreoxidación y optimiza las reacciones por la agitación adicional.


    Instalaciones:

    Partes fundamentales de la acería
    • Nave de materias auxiliares y refractarias.
    • Parque de chatarra.
    • Convertidores y mezcladores.
    • Naves de colada.


    Control del proceso:

    Este control va a influir en la calidad y coste del acero a obtener. 

    Es necesario evaluar y mejorar tanto el balance de materiales como el térmico.

    Se puede introducir una sonda en el baño para conocer la temperatura, contenido en C del acero y extraer una muestra para analizar su composición química.


    Métodos de obtención del acero

    El acero se obtiene a partir de dos materias primas fundamentales, el arrabio y la chatarra de acero.
    • Para fabricar acero a partir de arrabio y algo de chatarra, se utiliza el convertidor al oxígeno LD (esta operación se hizo por primera vez a principios de los 50 en Linz y Donawitz, Austria).
    • Para fabricar acero a partir de chatarra se utiliza el horno eléctrico de arco (HEA).

    Introduccion metalurgia secundaria



    INTRODUCCION METALURGIA SECUNDARIA

    En los procesos de fabricado de acero, en la etapa liquida, normalmente es necesario complementar las operaciones de afino, para aumentar la productividad de las acerías y así obtener ventajas económicas, además de cumplir con los requerimientos que los usuarios del acero exigen, esto se denomina metalurgia secundaria.

    Podemos destacar entre otras operaciones metalúrgicas:

    ·           Ajuste preciso de los elementos
    ·           Eliminación de carburos, sulfuros, óxidos, fósforos, nitrógeno, hidrógeno
    ·           Esferoidización de las inclusiones
    ·           Mejora de la limpieza del acero

    En esta metalurgia secundaria tiene unas operaciones básicas para su funcionamiento:

    ·           Prevenir el paso de escoria proveniente de operaciones anteriores
    ·           Homogenización de baño
    ·           Calentamiento
    ·           Vacío
    ·           Creación de atmósferas inertes en los chorros de colada

    Anteriormente hemos dicho que nos veremos obligados a cumplir una serie de especificaciones, estos objetivos serán: ­­­
    ·            Un control de los gases, desgasificación, con el vacío.
    ·            Alcanzar bajos contenidos de azufre.
    ·            Conseguir aceros más limpios.
    ·            Controlar la morfología de las inclusiones.
    ·            Encaje preciso de la composición del acero

    Destacamos las técnicas de esta metalurgia secundaria utiliza:

    ·           Proceso a presión atmosférica
    ·           En vacío
    ·           Sin calentamiento
    ·           Con calentamiento
    ·           Con agitación por gas inerte
    ·           Con la ayuda de oxigeno o gases reactivos (refino especial)

    Tratamientos posibles. Instalaciones metalurgia secundaria



    TRATAMIENTOS POSIBLES. INSTALACIONES METALURGIA SECUNDARIA
                    
    Un mismo equipo puede utilizar varias técnicas e incluso en un mismo proceso puede realizarse en diferentes unidades de tratamiento. Como indicamos antes, este tipo de metalurgia tiene una serie de objetivos que veremos a continuación,

    ·            Desoxidación
    ·            Desulfuración
    ·            Descarburización. (RH-OB)
    ·            Desfosforación
    ·            Control de nitrógeno
    ·            Reducción de hidrógeno
    ·            Eliminación de elementos residuales



     














               Desgasificación al vacío RH-OB


                
     Expondremos los equipos con lo que se obtienen los aceros libres de gases. En el primero sometemos al acero a un tratamiento de vacío. Este procedimiento se puede agrupar en tres técnicas:

    ·         Desgasificación del chorro de colada.
    ·         Desgasificación del acero en la cuchara, mediante el método VAD.
    ·         Desgasificación por recirculación.

           
     











    Calentamiento al vacío VAD



    El inconveniente son los tiempos largos de proceso y caída de temperatura, a continuación el horno de cuchara, permitirá disponer de un método de calentamiento que compense la caída de temperatura.













             Esquema horno-cuchara






    Es una instalación dotada de una bóveda y de tres electrodos en la parte superior de la cuchara. Este tiene los siguientes elementos de funcionamiento:

    ·         Equipo de calentamiento por medio de arco trifásico con tres electrodos.
    ·         inyección de argón por medio de tapón poroso instalado en el fondo de la cuchara
    ·         Creación de una atmósfera no oxidante

    Permitiéndonos efectuar operaciones como:

    ·         Calentamiento del acero y homogeneización de la temperatura del baño.
    ·         Desoxidación.
    ·         Desulfuración.
    ·         Adición y encaje de elementos de aleación. Homogenización de la composición en el baño.
    ·         Decantación y separación de inclusiones.

    La diferencia entre el horno eléctrico y el de cuchara es que la cuba ha sido sustituida por una cuchara y que los transformadores de potencia son más pequeños.

    ·         Están conectados con sistemas de análisis químicos permitiendo ajustes de composición.
    ·         Excelente homogenización y control de la composición además de la temperatura.
    ·         Producción de aceros con bajos niveles de azufre y gases, desoxidados y libres de inclusiones.
    ·         Ahorro en consumo de ferroaleaciones y evitando afino reductor en el horno eléctrico, aumentando la productividad.
    ·         Mejoras en la colada continua.



    Otro tratamiento es el del acero CAS-OB, consiste en la agitación del baño líquido mediante una bobina, semejante al horno-cuchara. Tiene dos estaciones, la primera por vacío y otra un calentamiento con tres electrones de grafito.













    Tratamiento del acero por CAS-OB


    Una de las instalaciones de la metalurgia secundaria sin equipo específico de calentamiento es el sistema de tratamiento en cuchara CAS. Con un equipo de inyección de gas inerte argón que forma una zona sin escoria permitiendo la adición de aleantes. No usa electrodos ni vacío. Permite la desoxidación del acero, ajuste estricto de su composición y temperatura, y desgasificación al vacío, crea aceros de muy alta pureza.

    Para afinar aceros inoxidables, tendremos, la carburización por oxigeno en vacío (VOD) y la descarburización por inyección de oxigeno-argón (AOD).Se basan en la reducción de la presión parcial del monóxido de carbono formado durante la oxidación del carbono.

    Para casos de metalurgia especial, la dosificación de aluminio y la del calcio puede hacerse mediante un alambre hueco que contiene en su interior la mezcla exacta a proporcionar.

    Si buscamos obtener lingotes de acero de gran pureza, lo hacemos por medio de una redifusión bajo vacío y con escoria electro conductora.
    Por el método de refusión por arco de vacío (VAR) se consigue un acero desgasificado y limpio pero no se puede desulfurar.
    Usando una redifusión bajo escoria electro conductora (ESR) se consigue una desulfuración y limpieza pero no una desgasificación, por lo que se debe eliminar previamente el nitrógeno y el hidrogeno.

    La colada de acero. Lingotera y continua



    LA COLADA DEL ACERO. LINGOTERA Y CONTINUA

    A la salida del horno tendremos acero líquido que necesita tratamientos posteriores con objeto de conformar los productos. Los procesos a usar son:

    ·          Colar el acero sobre moldes con la forma de la pieza. (acero moldeado)
    ·          Colar el acero liquido sobre moldes (lingoteras) para su transformación posterior por deformación en caliente.
    ·          Colada continua, el acero se cuela en un molde abierto del que se extrae de forma continua el producto solidificado.

    LA COLADA EN LINGOTERA
    El acero se cuela en lingoteras, de forma troncocónica. Este llenado de lingoteras puede ser:


    ·          Colada directa o colada por la parte superior de la lingotera
    ·          Colada en sifón, o colada por el fondo. Mayor calidad superficial.









    LA COLADA CONTINUA
    Hasta que no se vacía la cuchara no cesa la producción de semiproducto. El acero liquido se vierte en un molde sin fondo, este tiene la forma geométrica del semiproducto. Se pueden encontrar de forma vertical, curva u horizontal.

    Instalación colada continúa



    INSTALACION COLADA CONTINUA

    Una instalación de colada continua se compone de, cuchara de colada, contiene el acero en posición flexible artesa o distribuidor, recipiente intermedio, recibe el chorro de la cuchara acumulándolo hasta su distribución lingotera o molde, esta refrigerado para la cristalización de la primera capa del acero solidificado genera la forma externa de la pieza oscilador, permite el movimiento de la lingotera para que se desprenda la costra —sistema de refrigeración secundario para evacuar el calor zona de enfriamiento por aire rodillos de arrastre, producen y guían el semiproducto mecanismos de corte que trocean el semiproducto —y los sistemas de manipulación y evacuación.








     Colada continúa




    Condiciones previas para el correcto colado:

    ·          Control de la temperatura.
    ·          Desoxidación completa para evitar defectos que afecten a la solidificación. Adición sílice o aluminio.
    ·          Una desulfuración del acero con bajos niveles de azufre.

    La operación se inicia cerrando el fondo abierto de la lingotera por medio de un cabezal metálico de igual sección. Este esta unido a una falsa barra que tapona el fondo de la lingotera y evita que el acero caiga. Se cuela el metal liquido de la cuchara a la artesa, cuando la cantidad de acero en la artesa permita una alimentación continua se abren los orificios de colada permitiendo que se llenen los moldes.

    Al formarse la costra de acero en el molde, se ponen en marcha los rodillos de arrastre, que llevan al semiproducto a refrigerar para su solidificación y corte.







              Salida colada continua


     
     Destacamos una serie de ventajas, presenta buen acabado superficial, ausencia de defectos internos y ser homogéneo, supone:

    ·          Ahorro del proceso de laminación
    ·          Menos mano de obra
    ·          Mayor productividad
    ·          Eliminación de las lingoteras así como su preparación y operaciones de desmoldeo
    ·          Reducción de energía
    ·          Reducción de tiempos y producto para laminación en caliente
    ·          Mejor calidad superficial
    ·          Control de todos los parámetros

    Es prácticamente el más empleado, para fabricación de productos de gran tamaño para forja, algunos aceros especiales de alta aleación y aceros moldeados.