INTRODUCCIÓNLa siderurgia es una rama de la metalurgia que se encarga de las tecnologías del hierro, su producción y la de sus aleaciones, principalmente con carbono. Las aleaciones de hierro-carbono, se denominan de dos formas, dependiendo el contenido de carbono. Se denomina arrabio o fundición a aquella aleación que contiene de 1,7 a 6,67% de carbono; y acero a aquella que posee no más de 1,7% de carbono.El acero no es una aleación hierro-carbono totalmente pura, pues contiene otros elementos en su composición, en algunos casos introducidos involuntariamente (impurezas), y en otros voluntariamente, para mejorar sus propiedades (elementos de aleación).El presente trabajo trata de la producción de acero, sus etapas, materia prima, maquinarias necesarias, reacciones producidas, métodos de mejoramiento de sus propiedades.

HIERRO Propiedades.

El hierro químicamente puro es un metal blanco plateado, magnético, maleable, tenaz, soldable, dúctil.Propiedades físicas

El hierro se presenta en cuatro formas alotrópicas distintas, estables, dentro de límites de temperaturas determinados, que tienen diferentes estructuras cristalinas y también diferentes propiedades:

Las temperaturas de cambio de estructura corresponden a puntos críticos del hierro, en donde este sufre cambios de propiedades físicas, como la resistencia eléctrica, el calor especifico, coeficiente de dilatación, etc.El hierro es un metal activo, entre sus propiedades químicas cabe mencionar su combinación con el oxigeno, formando óxidos; además con los halógenos, el azufre, fósforo, carbono y silicio. Reacciona con algunos ácidos, desplazando al hidrogeno y formando la sal de hierro correspondiente. El acido sulfúrico concentrado oxida al metal a iones Fe+3, pero con acido nítrico concentrado el metal se vuelve pasivo porque se forma una capa fina de Fe3O4 en su superficie. El hierro, en presencia de agua y oxigeno, se corroe, en una serie de reacciones muy complejas y no conocidas aún en su totalidad, formando óxido de hierro hidratado (Fe2O3.xH2O), conocido como orín o herrumbre. Este proceso hace el hierro, un metal inútil para los fines a que fue destinado. Estado natural.

El hierro no se encuentra libre en la naturaleza, debido a que es un metal activo; pero se ha encontrado hierro libre en algunos meteoritos. Es uno de los elementos más abundantes en la corteza terrestre ocupando el 5,6% de ella, y se presume que existe en mayor porcentaje en el núcleo terrestre.Se encuentra en forma de diferentes compuestos como:

Yacimientos.

Se consideran yacimientos utilizables a aquellos en los cuales existe una mena que contiene, en este caso, hierro en un porcentaje mayor a 25% y aprovechable a largo plazo (10 años como mínimo).los yacimientos se clasifican, según la profundidad en la que se halla la mena, en:

Poco profundo o a cielo abierto: son yacimientos que se encuentran a poca profundidad, pocos metros del suelo. Se llega a ellos retirando la capa de tierra que los cubre, mediante el empleo de grandes excavadoras y palas mecánicas

Profundos: son yacimientos que se encuentran a una profundidad mayor y se debe llegar a ellos elaborando túneles y galerías, y mediante explosivos.

Minerales de hierro (usados en siderurgia).Se consideran minerales de hierro utilizables en la siderurgia a aquellos que contienen hierro en una proporción considerable (25% en peso), y en una forma tal que su extracción sea factible y económica.Los minerales de hierro utilizados en siderurgia son los óxidos de hierro como la hematita Fe2O3 y la magnetita Fe3O4.sin embargo, los sulfuros y carbonatos no son muy utilizados en pues la extracción del hierro se hace difícil y antieconómica.Evolución de la siderurgiaSabemos que el hierro se corroe en presencia de oxigeno y agua, por lo que no quedan piezas muy antiguas para conocer con exactitud la fecha de su explotación.como combustible.

Tabla nº 1. Cronología de los antecedentes del acero.

Fabricación del aceroLa fabricación del acero se puede dividir en dos partes importantes: Obtención de arrabio. Obtención de acero (afino del arrabio). Obtención de arrabio.

En este trabajo tomaré como método de obtención de arrabio al método conocido como el del Alto Horno.El esquema de obtención es el siguiente:

A continuación, se detallan cada uno de los ítems del esquema:

Extracción del mineral de hierro.El método de la extracción del mineral de hierro depende del yacimiento en que se encuentra. Si se encuentra en un yacimiento a cielo abierto la extracción es fácil, basta con fragmentar la capa de tierra que lo cubre, mediante explosivos y luego removerla para llegar al mineral de hierro, el cual se extrae con excavadoras, posteriormente se procede a transportarlos a las tolvas de almacenamiento.Si se encuentra en un yacimiento profundo, la extracción se hace más compleja, pues se necesita construir túneles para llegar donde se encuentra el mineral y luego, a través de montacargas apropiados, transportarlos al exterior, donde se cargan en trenes, a veces, arrastrados por locomotoras electicas, para llevarlos a las tolvas. Cuando el terreno presenta baches pronunciados o es imposible transportar el mineral por el suelo, se procede mediante rieles aéreos y vagonetas.

Preparación del mineral de hierro.El mineral de hierro extraído, trae consigo impurezas (tierra, restos fósiles), denominadas"ganga", además posee tamaños variables; y otros aspectos que hacen que el mineral no sea apto para ser introducido al Alto Horno. Para paliar esto, es necesario someterlo a una serie de procesos, los que se detallan a continuación:

Concentración: los minerales de hierro extraídos se concentran, eliminando parte de la ganga y obteniendo un mineral sobre más rico en hierro. La concentración se puede llevar a cabo mediante los siguientes métodos:

Por lavado: esta operación hace posible eliminar las sustancias terrosas que componen la ganga. Se lleva a cabo haciendo pasar el mineral sobre una cinta transportadora y una corriente de agua arrastra las sustancias terrosas.

Por separador rotativo magnético: este método hace posible clasificar el mineral en ricos, pobres y ganga, mediante un tambor giratorio imantado; el mineral cae en este, la parte más rica en hierro queda

adherida al imán, la ganga cae y a medida q el tambor gira va cayendo luego el mineral más pobre que no queda bien adherido a él.

Reducción de tamaño: para ser introducido al Alto Horno, el mineral de hierro debe tener un tamaño adecuado, que depende de cada horno; para ello se lo tritura usando máquinas destinadas a tal uso, como ser cilindros trituradores, trituradores a rotación excéntrica, trituradores a mandíbula.

Aglomeración o briquetado: así también, el mineral no puede tener un tamaño menor del adecuado, por lo que si es muy pulverulento es necesario aglomerarlo o formar ladrillos o briquetas. Esto se puede hacer de tres formas: formando una pasta con un cemento, con cal y/o por absorción.

Calcinación: he dicho anteriormente que los minerales de hierro formado por carbonatos no son aptos para su utilización en la siderurgia; pero si tomamos en cuenta de que es el único mineral disponible, en el área a tratar, y prepararlo es más económico que importar óxidos de hierro, se lo puede utilizar. Para ello es condición necesaria calcinarlo, antes de su introducción al Alto Horno. La calcinación se realiza al aire libre, no muy utilizada actualmente, o en horno de cuba.

Fabricación del mineral de coque.El coque se obtiene a través de la destilación de las hullas grasas. Para su obtención se utilizan hornos de diferentes tipos: hornos de coque, de colmena, de coquización modernos.Su principio de trabajo consiste prácticamente en la combustión incompleta de la hulla en cámaras cerradas, aprovechando los gases (subproductos) para calentar aire.Las condiciones que debe cumplir un buen coque metalúrgico son: 1º debe ser denso; 2º muy poroso; 3º libre de azufre; 4º resistente y poco quebradizo; 5º resistente a la compresión. Extracción del mineral de caliza.La caliza es muy importante, y en algunas regiones existen sierras formadas casi totalmente de este mineral.Su extracción se realiza a cielo abierto, a través de excavadoras, luego de hacer algunas explosiones de dinamita para fragmentar el lugar.

Aire.El aire se inyecta al alto horno, a través de toberas, para poder activar la combustión, para ello debe tener una temperatura de alrededor de 900ºC, una presión de un poco más de 1 atm y un volumen adecuado a la cantidad de materia prima que entra.

Alto horno. Descripción del aparato.

El Alto Horno es una instalación de eje vertical de, entre 30 hasta 80m. y sección circular de, entre 10 y 20m. Está revestido por ladrillos refractarios, llegando a medir, sus paredes, un diámetro variable a lo largo del horno y hasta 2m.; por cajas de refrigeración. Está forrado con una plancha de acero en sus partes más expuestas al calor, como el crisol y el etalaje. Posee una estructura metálica de sostén (13) para la cuba, lo que hace que se pueda rehacer todo el revestimiento del etalaje, en caso necesario. Es importante destacar que el Alto horno debe estar construido sobre una base de hormigón resistente.El Alto Horno trabaja de forma continua durante varios años, y solo se apaga para realizar mantenimientos. Para calentar un Alto Horno por primera vez se necesita grandes cantidades de carbón y combustible.

Figura Nº1 .Corte vertical de un Alto Horno acotando sus dimensiones.

El Alto Horno consta de las siguientes partes:

Plataforma de carga: está situada en la parte superior del Alto Horno, en ella se encuentran:

Aparatos de carga: está constituido por los ascensores, que permiten elevar las materias primas, de las tolvas de almacenamiento, en de un vagonetas(12) por medio de un plano inclinado; por el dispositivo de carga o cierre de doble campana, en la cual se descarga de las vagonetas las materias primas que caen en una tolva que tiene como fondo una pequeña campana, la superior, la que luego se deja descender para que la materia prima baje a una cámara, entre la superior y la inferior, y cuando se haya reunido dos o más cargas de la materia prima, la campana inferior se dejas descender, abriendo paso a esta para que ingrese al Alto Horno(este dispositivo de doble campana permite que los gases no escapen al exterior del Alto Horno); y por los tubos de escape de gases(11), estos captan los gases emitidos por el Alto Horno, y lo conducen a depuradores, los cuales extraen el polvo que contiene; a recuperadores de calor, que aprovechan la energía calorífica para calentar el aire que va a ser introducido al Alto Horno.

Tragante (1): es la parte en la que ingresa la materia prima, después de haber pasado por el dispositivo de doble campana.

Cuba (2): de forma de tronco de cono, su diámetro asciende de arriba hacia abajo. Su forma se justifica por el aumento de volumen de las materias al reaccionar.

Vientre (3): es la parte de mayor diámetro, une a la cuba con el etalaje. En este sitio el hierro empieza a fundirse.

Etalaje (4): de forma de tronco de cono inversa, su diámetro desciende de arriba hacia abajo. Su forma permite que el hierro fundido se deslice sin depositarse en ningún lado. Colocado aproximadamente a 3m. del piso. Aquí, además, se encuentra la zona de maniobras relacionadas

con el Alto Horno y se vigilan las toberas (9) de aire, la marcha de combustión, la colada de arrabio y de escoria.

Crisol (5): es la parte más baja del Alto Horno, es como un depósito de arrabio y escoria, esperando a ser descargados por la piquera (6) y la bigotera (7), respectivamente. El fondo de este debe estar

construido en ladrillos refractarios de tierra refractaria o de carbón prensado y de gran tamaño.Referencias.

1. Tragante. 2. Cuba. 3. Vientre. 4. Etalaje. 5. Crisol. 6. Piquera. 7. Bigotera. 8. Manga de tobera. 9. Tobera. 10. Anillo de viento. 11. Escape de gases. 12. Vagoneta. 13. Soporte metálico de sostén.

Figura Nº2 .Partes de un Alto Horno..

Resumen del proceso.La carga (mineral de hierro, caliza y coque) acondicionada se introduce por el tragante, el aire a la temperatura adecuada (900-1000ºC) se introduce por la tobera. Mientras la carga desciende a través del Alto Horno reacciona gracias al calor proporcionado por el aire, que asciende (las reacciones se explican más abajo); formándose arrabio (hierro fundido) y escoria (material indeseable) que se extraen por la piquera y la bigotera.La extracción del arrabio por la piquera se denomina colada o sangría, se practica a intervalos regulares, en unos grandes recipientes, llamados cucharas de colada.En cuanto a la extracción de la escoria, ésta llega al nivel de la bigotera cuando la cantidad de arrabio presente en crisol asciende y las eleva hasta allí, alcanzando el nivel de salida. El escurrimiento de la escoria sigue regularmente, hasta que por efecto de una sangría, este nivel desciende.

Zonas y reacciones.En el proceso de un Alto Horno se pueden diferenciar seis zonas con sus respectivas reacciones cada una:

Zona I (150º a 400ºC).En esta etapa, se produce la eliminación del agua higroscópica, y quizás los óxidos hidratados de transforman en anhidros.

Zona II (400º a 700ºC). Reducción indirecta de los óxidos de hierro.Se realiza por la acción del

monóxido de carbono en los óxidos de hierro, obteniéndose oxido ferroso y hierro libre:

La parte superior del horno, cuya altura es de unos 30 metros, 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 la carga en el horno.El aire que se inyecta, que ha sido precalentado hasta los 1.030º C aproximadamente, es forzado dentro de la base del horno para quemar coque. El coque en combustión genera el intenso calor requerido para fundir el mineral y produce los gases necesarios para separar el hierro del mineral.En forma muy simplificada las reacciones son:

Carbono (Coque)

2C

+Oxígeno (aire)

O2

Calor

Calor+

Monóxido de Carbono gaseoso

2CO

Oxido de hierro

Fe2O3

+Monóxido de Carbono

3CO

Hierro fundido

2Fe Hierro+

Dióxido de Carbono gaseoso

3CO2

Impurezas en el mineral derretido +

Piedra caliza Escoria

Los altos hornos funcionan de forma continua. La materia prima que se va a introducir en el horno se divide en un determinado número de pequeñas cargas que se introducen a intervalos de entre diez y quince minutos. La escoria que flota sobre el

metal fundido se retira una vez cada dos horas, y el arrabio se sangra cinco veces al día.El aire insuflado en el alto horno se precalienta, como dijimos, a una temperatura aproximada de 1.030ºC. El calentamiento se realiza en las llamadas estufas, cilindros con estructuras de ladrillo refractario.El ladrillo se calienta durante varias horas quemando gas de alto horno, que son los gases de escape que salen de la parte superior del horno. Después se apaga la llama y se hace pasar el aire a presión por la estufa. El peso del aire empleado en un alto horno supera el peso total de las demás materias primas.

Esencialmente, el CO gaseoso a altas temperaturas tiene una mayor atracción por el oxígeno presente en el mineral de hierro (Fe2O3) que el hierro mismo, de modo que reaccionará con él para liberarlo. Químicamente, entonces, el hierro se ha reducido en el mineral. Mientras tanto, a alta temperatura, la piedra caliza fundida se convierte en cal, la cual se combina con el azufre y otras impurezas. Esto forma una escoria que flota encima del hierro derretido.Después de la II Guerra Mundial se introdujo un importante avance en la tecnología de altos hornos: la presurización de los mismo. Estrangulando el flujo de gas de los respiraderos del horno es posible aumentar la presión del interior del horno hasta 1,7 atmósferas o más.La técnica de presurización permite una mejor combustión del coque y una mayor producción de hierro. En muchos altos hornos puede lograrse un aumento de la producción del 25 por ciento. En instalaciones experimentales también se ha demostrado que la producción se incrementa enriqueciendo el aire con oxígeno.Cada cinco o seis horas, se cuelan desde la parte interior del horno hacia una olla de colada o a un carro de metal caliente, entre 150 a 375 toneladas de arrabio. Luego se transportan a un horno de fabricación de acero. La escoria flotante sobre el hierro fundido en el horno se drena separadamente. Cualquier escoria o sobrante que salga del horno junto con el metal se elimina antes de llegar al recipiente. A continuación, el contenedor lleno de arrabio se transporta a la fábrica siderúrgica (Acería).Los altos hornos modernos funcionan en combinación con hornos básicos de oxígeno o convertidores al oxígeno, y a veces con hornos de crisol abierto, más antiguos, como parte de una única planta siderúrgica. En esas plantas, los hornos siderúrgicos se cargan con arrabio. El metal fundido procedente de diversos altos hornos puede mezclarse en una gran cuchara antes de convertirlo en acero con el fin de minimizar el efecto de posibles irregularidades de alguno de los hornos.El hierro recién colado se denomina "arrabio". El oxígeno ha sido removido, pero aún contiene demasiado carbono (aproximadamente 4 por ciento) y demasiadas impurezas (silicio, azufre, manganeso y fósforo) como para ser útil, para eso debe ser refinado, porque esencialmente el acero es hierro altamente refinado que contiene menos del 2 por ciento de carbono.

La fabricación del acero a partir del arrabio implica no sólo la remoción del carbono para llevarlo al nivel deseado, sino también la remoción o reducción de las impurezas que contiene.Se pueden emplear varios procesos de fabricación de acero para purificar o refinar el arrabio; es decir, para remover sus impurezas. Cada uno de ellos incluye el proceso básico de oxidación.Refinación del arrabioEn el alto horno, el oxígeno fue removido del mineral por la acción del CO (monóxido de carbono) gaseoso, el cual se combinó con los átomos de oxígeno en el mineral para terminar como CO2 gaseoso (dióxido de carbono). Ahora, el oxígeno se empleará para remover el exceso de carbono del arrabio. A alta temperatura, los átomos de carbono (C) disueltos en el hierro fundido se combinan con

el oxígeno para producir monóxido de carbono gaseoso y de este modo remover el carbono mediante el proceso de oxidación. En forma simplificada la reacción es:

2C + O2 ⇛ 2CO

El silicio presente en la ganga y en el mineral, forma con los distintos óxidos, silicatos:

Zona VI (1300º a 1550ºC)En esta zona se separa por diferencia de densidad la escoria y el arrabio, quedando el primero (menos denso) arriba y el segundo (más denso) abajo. Se retiran del alto horno por la bigotera y la piquera respectivamente.

Figura Nº3. Zonas de reacciones de un Alto Horno.

Escoria.La escoria está formada por sílice, alúmina y cal, con pequeñas cantidades de otros elementos provenientes de la ganga y las cenizas.La escoria es un subproducto del alto horno, que se obtiene en grandes cantidades y es necesario aprovecharla. Para ello, se puede recoger en vagonetas para llevar al lugar de utilización, osino, se la trata inmediatamente para convertirla en escoria granulada, haciendo pasar u chorro de agua líquida fría por ella, para hacer así más fácil su transporte y utilización.Utilización.La escoria es utilizada en la fabricación de cementos, vidrio, fertilizantes, lana mineral, materiales de construcción, balastro de rutas y vías férreas y construcción de pavimentos.

Arrabio.El arrabio es el principal producto y objeto de la construcción del Alto Horno, está formado por hierro y carbono, y en menores proporciones por silicio, manganeso, fósforo y azufre.La colada del arrabio se realiza utilizando las cucharas de colada, que se desplazan en vagonetas sobre rieles, ya sea, a los mezcladores (maquinas que homogeneízan el contenido de arrabio), o a los convertidores o a unos dispositivos especiales que permiten el colado del arrabio en lingoteras, donde se enfrían para solidificarlos y trasladarlos a otro lugar.

Obtención de acero (afino del arrabio).El arrabio extraído del Alto Horno, contiene exceso de carbono y vestigios de otras impurezas indeseadas (como azufre, manganeso, fosforo, silicio), que lo hacen

inservible para fines comerciales; por lo tanto debe ser depurado, obteniendo así Acero (hierro con un porcentaje de carbono máximo de 1,7%).Los procedimientos de afino del arrabio se pueden clasificar según el estado del arrabio que va a ser depurado: pastoso, líquido o sólido; como se observa en la tabla Nº 2 . Para el afino se requiere de hornos que son denominados convertidores. El principio de trabajo de los convertidores es oxidar el exceso carbono, ya sea, por la inyección de aire u oxigeno a presión, por una serie de reacciones o a través del paso de electricidad.

Tabla Nº 2. Clasificación de los procedimientos de afino del arrabio según estado de éste.

1. DEFINICION DE ACERO.El acero es una aleación de hierro con pequeñas cantidades de otros elementos, es decir, hierro combinado con un 1% aproximadamente de carbono.Productos ferrosos cuyo porcentaje de carbono está comprendido entre 0.05% y 1.7%; el acero sumergido en agua fría adquiere por el gran temple dureza y elasticidad y una vez templado, tiene la propiedad de que si se calienta de nuevo y se enfría lentamente, disminuye su dureza y elasticidad. El acero funde entre los 1400 y 1500°C, y se puede moldear con más facilidad que el hierro.Existen aceros especiales que además contienen pequeñísimas proporciones, Cromo,

Níquel, Titanio, Vanadio o Volframio. Se caracteriza por su gran resistencia, contrariamente a lo qué ocurre con el hierro. (El hierro es resistente con poca

deformación plástica por estar constituida con cristales de Ferrita; Cuando se alea con carbono, se forman estructuras cristalinas diferentes, que permiten un gran Incremento

de su resistencia). Ésta cualidad del acero y la abundancia de hierro colocan en un

lugar preeminente, constituyendo el material básico de los próximos siglos.

Aceros se pueden clasificar según se obtengan en estado sólido: en soldados, batidos o forjados; o, en estado líquido, en hierros o aceros de fusión y homogéneos. También se clasifican según su composición química, en aceros originarios, al carbono y especiales.Por ejemplo el 0.5% para el silicio, el 0.08% para el molibdeno, el 10.5% para el cromo. De esta manera una aleación del 17% de cromo mas 8% níquel constituye un acero inoxidable. Y por eso no hay un acero sino múltiples aceros.Convertidor metalúrgico o sencillamente convertidor: Es un equipo utilizado en metalurgia extractiva para la operación de conversión.

Producción del aceroDentro de la metalurgia ferrosa, se han utilizado varios equipos para la conversión del arrabio, es decir, eliminar carbono e impurezas por oxidación para producir CO2 y volatilización. Uno de los equipos que ha destacado es el convertidor Bessemer (ya en desuso) el cual tenía una forma de pera, y las toberas localizadas en el fondo del reactor. Su descendiente, el Horno Básico de Oxígeno es el equipo que reina por mucho en la metalurgia moderna del acero como el principal equipo de conversión.

RECORRIDO DEL ARRABIO PARA LA OBTENCIÓN DEL ACERO

Transporte del arrabio: Existen recipientes estacionarios o móviles para el alojamiento de arrabio, son recipientes estacionarios intermediarios para el arrabio entre el alto horno y la instalación de fusión de acero, mezcladores de rodillos o calderos móviles, por ejemplo calderos torpedo, estos recipientes intermediarios sirven por ejemplo para transportar el arrabio, para la consecución de una composición homogénea del arrabio, para la recogida y conservación del arrabio en exceso, que no se sigue transformando inmediatamente, así como para mantener caliente el arrabio. Estos recipientes están revestidos habitualmente con ladrillo de magnesita, Dolomita o alúmina elevada, por que las temperaturas de servicio en recipientes habituales de este tipo no sobrepasan los 1400°C el desgaste depende principalmente del ataque de

las escorias. (La mayoría de las veces en más del 60% en peso) con una proporción en peso de CaO /SiO2 de aproximadamente 0,6 a 1,4. Y tiene la mayoría de las veces un contenido considerable de óxidos de metales alcalinos (hasta 15% en peso). Los ladrillos de magnesita sobre todo en mezcladores estacionarios, muestran una buena adecuación, mientras que los ladrillos de dolomita tienen buenas estabilidades en los calderos de transporte. Los ladrillos de alúmina elevada son muy sensibles frente a escorias con elevado contenido de CaO y con contenidos de óxidos de metales alcalinos, por consiguiente son poco utilizados.

El arrabio se vierte en la cuchara torpedo para conducirlo a dos sitios posibles:

A los hornos de afinado. A la zona de lingoteras. Si no interesase transformar el arrabio en acero se llevaría aquí para solidificarlo.Existen dos tipos de lingoteras:

El mezclador: El mezclador es un recipiente intermedio y regulador entre el Horno Alto y el convertidor.

Tiene forma cilíndrica y está sentado sobre unos rodillos para que pueda bascular. Está revestido interiormente con ladrillos refractarios. Su capacidad debe ser suficiente para admitir como mínimo el arrabio producido por el Horno Alto en un día.

Se carga mediante cuchara y se descarga basculando. El caldeo se realiza mediante quemadores para compensar la pérdida de calor y mantener el arrabio líquido. Se inicia el afino y se homogeniza la carga

Producción del arrabio

El arrabio es el primer proceso que se realiza para obtener acero<, los materiales básicos empleados son mineral de hierro, coque y caliza. El coque se quema como combustible para calentar el horno, y al arder libera monóxido de carbono, que se combina con los óxidos de hierro del mineral y los reduce a hierro metálico. La ecuación de la reacción química fundamental de un alto horno es:Fe2O3 + 3 CO => 3 CO2 + 2 Fe

La caliza de la carga del horno se emplea como fuente adicional de monóxido de carbono y como sustancia fundente. Este material se combina con la sílice presente en el mineral (que no se funde a las temperaturas del horno) para formar silicato de calcio, de menor punto de fusión. Sin la caliza se formaría silicato de hierro, con lo que se perdería hierro metálico. El silicato de calcio y otras impurezas forman una escoria que flota sobre el metal fundido en la parte inferior del horno.El arrabio producido en los altos hornos tiene la siguiente composición química:

Elementos por ciento

Fierro (Fe) 93,70

Carbono (C) 4,50

Manganeso (Mn) 0,40

Silicio (Si) 0,45

Fósforo (P) 0,110

Azufre (S) 0,025

Vanadio (V) 0,35

Titanio (Ti) 0,06

Temperatura en Alto Horno : 1.460º C

Un alto horno es virtualmente una planta química que reduce continuamente el hierro del mineral. Químicamente desprende el oxígeno del óxido de hierro existente en el mineral para liberar el hierro.Está formado por una cápsula cilíndrica de acero forrada con un material no metálico y resistente al calor, como ladrillos refractarios y placas refrigerantes. El diámetro de la cápsula disminuye hacia arriba y hacia abajo, y es máximo en un punto situado aproximadamente a una cuarta parte de su altura total.La parte inferior del horno está dotada de varias aberturas tubulares llamadas toberas, por donde se fuerza el paso del aire. Cerca del fondo se encuentra un orificio por el que

fluye el arrabio cuando se sangra (o vacía) el alto horno.Encima de ese orificio, pero debajo de las toberas, hay otro agujero para retirar la

escoria.

COLADA:Introducción:El presente trabajo practico fija su estudio en los procesos que preceden en la fundición y preparación del acero, es decir, el sacado del acero del horno, ya sea para formar bloques de acero sólido llamados lingotes, o bien sacándolo de una manera distinta y en forma continua por una especia de tubería especial, para formar barras o productos mas elaborados, con una sección transversal.Además se hará un estudio sobre todos los problemas que se pueden presentar en el proceso mas difícil, que es la formación de un lingote de calidad, analizando el por que se causan los defectos en estos, si son perjudiciales o problemáticos o no, y como se pueden solucionar estos problemas o reducirlos lo máximo posible. Evaluando también la forma de las lingoteras, y el por qué de su estructura.

Desarrollo:Colada de aceros

¿Qué es la colada?

La colada es el proceso posterior al fundido y preparado del acero, el cual consiste en el sacado del acero del horno y transportado mediante recipientes especiales, llamados cucharas, a las lingoteras, para formar bloques de acero sólido de formas y tamaños que se deseen, o bien se pueden transportar mediante las cucharas a otros tipos de recipientes del cual se dejará caer el acero liquido por una tubería, del que se obtendrán lingotes largos de una forma contínua, como son las vigas, barras, etc. Estas largas barras luego se cortarán en la medida que se necesite, ya sea para su transporte o por el largo que se va a usar. Los productos obtenidos de una misma colada poseen las mismas propiedades químicas. Según el producto que se vaya a fabricar, una colada tendra las propiedades necesarias. Por ejemplo las coladas destinadas para la fabricación de barras corrugadas son muy diferentes de las coladas para la fabricación de perfiles así como de las destinadas a la fabricación de alambre o barras para herramientas, etc.

Proceso de colada

La solidificación de los materiales metálicos del estado liquido se lleva a cabo en recipientes adecuados que reciben el nombre genérico de moldes. El conjunto de las operaciones destinadas a provocar esta solidificación pertenece a lo que se denomina proceso de colada.El tipo de molde que se va a usar determina la forma del material a obtener al completarse la solidificación.Según la forma obtenida, los materiales se denominan lingotes, productos semielaborados o piezas.Estas ultimas pueden clasificarse en piezas en bruto y piezas terminadas, según se requieran o no operaciones posteriores de elaboración. Difícilmente las piezas definitivas puedan ser obtenidas en forma directa, mediante procesos de colada.Las piezas en bruto no solo pueden fabricarse mediante procesos de colada, sino también por deformación plástica, a partir de lingotes o de productos semielaborados.La obtención de piezas , en bruto o definitivas, por proceso de colada, se conoce con el nombre poco correcto de fundición.Cuando se habla de fundición no solo se hace referencia a las operaciones de solidificación en el molde, sino también a las operaciones de fusión del material usado en dichos procesos, la preparación, etc.Mediante un proceso llamado colada continua se pueden obtener, como ya dijimos, productos semielaborados, como barras, perfiles, alambres, etc. Los cuales tienen un eje longitudinal y una sección transversal constante. Estos materiales se obtienen por lo general mediante procesos de deformación plástica aplicados por presiones, al material casi-sólido, cuando se encuentra en un estado entre el sólido y el liquido.

Colada contínua

Cuando se requiere un material de sección constante y en grandes cantidades se puede utilizas el método de colada continua, el cual consiste en colocar un molde con la forma que se requiera debajo de una cuchara con el acero liquido, el que con una válvula puede ir dosificando material liquido dentro de este molde. Por gravedad el material fundido pasa por el molde, que esta enfriado por un sistema de agua, al pasar el material fundido por el molde frío se convierte en pastoso y adquiere la forma del molde. Este molde tiene un fondo móvil, por lo que una vez que se llena el molde, el fondo va bajando permitiendo el ingreso de mas acero al molde y así permitir que vaya descendiendo al agregar metal liquido.

En este proceso se trata de que el material se mantenga líquido en el centro del mismo(interior) y se forme una capa sólida en contacto con las paredes de la lingotera, de esta manera va descendiendo el producto mientras se agrega material liquido en

forma continua. Se logra así que el material sólido exteriormente y liquido interiormente tome contacto con el aire para recibir chorros de agua que completarán la solidificación del núcleo, mientras el material desciende.Una vez sólido el núcleo, se retira el fondo y el proceso prosigue hasta q se termina el acero liquido en el recipiente de arriba.A una distancia conveniente desde la lingotera se produce el corte del material(cuando se encuentre sólido interiormente) en trozos de longitud adecuada para los procesos posteriores.

Colada para la fabricación de productos por rolado

Para fabricar los diferentes objetos útiles en la industria metálica, es necesario que el acero se presenten barras, láminas, alambres, placas, tubos, o perfiles estructurales, los que se obtienen de los procesos de rolado. El proceso de rolado consiste en hacer pasar al acero en estado pastoso por unos rodillos ubicados de tal forma que por deformación le den al material la forma deseada. El material con el que se alimentará a los rodillos deberá tener una forma mas o menos determinada, esta forma se obtiene al colar el metal en moldes, que luego será procesado, a estos productos se los denomina lingotes o lupias y pueden ser secciones rectangulares, cuadradas o redondas. Los lingotes(cilindros con un extremo menor que el otro) o lupias(lingotes de gran tamaño con secciones rectangulares) pueden tener desde 25kg hasta varias toneladas, todo dependerá del uso que se le va a dar, y por que tipo de rodillos se va a procesar.

Cucharas de colada

Las cucharas de colada son recipientes construidos de chapa de acero, a los que se le da una forma troncocónica cuyo fondo constituye su base menor. El espesor de la chapa con que se construye varia según la capacidad y a la resistencia necesaria para soportar la carga, y a la temperatura elevada que le comunica el metal liquido.Este recipiente se reviste interiormente con ladrillos refractarios de silicio-aluminio, colocado de manera de reducir al mínimo las juntas y evitar las filtraciones de acero líquido.La cuchara tiene un centro de rotación ubicado de cierta manera de hacer mas fácil su vaciado, también posee un par de muñones(uno de cada lado) para que pueda ser elevado y haga de eje de rotación. También esta puede poseer un orificio en su parte inferior para la colada, con un tapón de manera que no tenga perdidas, por si se necesita mantener el metal liquido dentro de la cuchara.

Cuchara de colada con tapón de colada por abajo.

Proceso de vaciado en lingotes:

El vaciado del metal en las lingoteras se puede hacer de dos maneras diferentes:

Colada directa o en caída: este proceso se usa para obtener grandes lingotes, y consiste en ir llenando cada lingotera individualmente, ya se haciendo pasar las lingoteras(unidas una detrás de la otra, guiadas por rieles y pidiéndose moverse los carros que llevan las lingoteras solamente cuando estas estén llenas) por debajo de la cuchara que vuelca el acero fundido, y de esta manera ir llenando cada lingotera. O bien dejando las lingoteras fijas e ir moviendo la cuchara mediante un carro por rieles, volcando el acero fundido dentro de cada recipiente.

Colada fuente: Consiste en alimentar los moldes por el fondo, valiéndose de un canal común y un caño único de colada. Los canales por los que circula el acero están recubiertos con refractarios que están unidos de extremo a extremo cerrando cuidadosamente las juntas con arcilla. El diámetro de los canales y el tubo de ingreso de acero depende del tamaño de los lingotes a obtener.

Defectos en los lingotes de aceroLingoteras

Las lingoteras son recipientes de fundición dentro de las cuales se vuelca el acero líquido con el objeto de producir su solidificación bajo una forma determinada. Las lingoteras pueden ser cerradas o abiertas. En el primer caso es necesario preparar un fondo especial o común, y en el segundo caso, como uno de los extremos debe hacer de fondo, debe ser de menor dimensión, las cuales llevan en su fondo un agujero con tapón extraíble para facilitar el sacado del lingote sólido. Este tipo de moldes por lo general viene provisto de un colar refractario removible o “mazarota caliente” que se coloca en la parte superior del molde. La función de este collar refractario es la de hacer mas lento el enfriamiento en la parte superior del lingote, suministrando así una reserva de metal fundido que pueda alimentar al cuerpo principal del lingote al solidificarse éste y en consecuencia contraerse. La mazarota caliente, reduce así al mínimo al rechupe.Por lo general las lingoteras poseen una forma trapezoidal, con el objetivo de que sea mas fácil su vaciado una vez que el metal está sólido.Las lingoteras poseen orejas a los costados que le permitirán levantarla para desmoldar, o gorrones, y según su capacidad el espesor de sus paredes puede ser de entre 4 y 15 centímetros. Son muy comunes las lingoteras octogonales o hexagonales.También se pueden usar lingoteras cilíndricas si el peso es de unos pocos centenares de kilos, estas lingoteras se usan cuando el producto final se va a usar para torneado.Existen muchos tipos de lingoteras según el uso que se le va a dar al producto, como por ejemplo cilindros huecos para la producción de caños sin costuras, haciendo girar el cilindro a gran velocidad.

Clasificación de los defectos:La formación de lingotes es una de las etapas mas difíciles e importantes de las etapas de la fabricación del acero, y con frecuencia los errores que surjan serán defectos dentro del lingote, que no podrán eliminarse con las operaciones que le siguen aunque sean trabajos en caliente como laminado o forjado.Sobre muestras de semiproductos de colada contínua, se estudian defectos superficiales o internos en productos largos o planos, del tipo grietas, poros, escamas, pliegues, inclusiones, gotas frías, atrapes, etc.Se toman las muestras, se caracterizan los defectos por su apariencia a simple vista, se realizan los estudios metalográficos con uso de reactivos especiales para la determinación del origen de defectos, haciendo uso de una lupa estereoscópica, microscopio óptico y electrónico. Se analiza la información del proceso y se utiliza la bibliografía propia o correspondiente sobre el problema que se esté estudiando.

Los defectos que comúnmente se encuentran en los lingotes de acero se pueden clasificar en dos grupos principales: a)- los que ocurren internamente; y b)- los que se manifiestan sobre o muy cerca de la superficie. Algunos de estos defectos, como por ejemplo el rechupe son inherentes en cualquier tipo de estructura vaciada, y pueden reducirse al mínimo solo si se ejerce un estricto control de los factores que afectan su formación.Otras fallas son resultado de una mala operación y pueden ser eliminadas corrigiendo errores en los procesos de fundido o de vaciado.

Los principales defectos que surgen en los lingotes se dan por la presencia de alguno de estos casos:

Rechupes. Diferentes estructuras del lingote. Sopladuras. Segregación. Inclusión de escoria. Grietas o fisuras.

Rechupes:

Es una cavidad o hueco que se produce en el interior del lingote, debido a que cuando se vierte el metal fundido en el molde, este comienza a solidificarse desde el exterior hacia el interior del lingote, y como el volumen del metal fundido es mayor que el del metal sólido, el metal se contrae exteriormente y su interior cuando empieza a contraerse comienza a formarse un hueco o una cavidad en el centro del lingote, debido a esta contracción. Generalmente ocurre en la porción del lingote superior y central. Para evitar los rechupes internos la lingotera debe poseer la boca superior de mayor tamaño que la boca inferior, así el rechupe se forma en la parte superior del lingote, o comprimiendo el lingote cuando se esta solidificando con grandes prensas hidráulicas.El volumen del rechupe es mayor cuanto mayor es el volumen del lingote, aunque no tiene una relación constante.Las partes que tienen este rechupe son inutilizables, pues las superficies no son soldables y por lo tanto las piezas construidas por esa parte del acero resultan quebradizas y aún peligrosas.

Sopladuras:

Son defectos que se producen en el interior del lingote debido a que se desprenden gases durante la solidificación del lingote. Estos gases pueden salir despedidos en forma de burbujas o pueden quedar atrapados en el interior del lingote por la solidificación. Las sopladuras situadas en las cercanías al núcleo del lingote son menos perjudiciales que las situadas en las cercanías de la superficie, porque estas se alargan durante el laminado en caliente y producen costuras en el acero acabado. Para eliminar estas sopladuras conviene ir vertiendo el acero de forma lenta en la lingotera, de esta forma permitir que estos gases escapen o queden atrapados en la parte superior del lingote que luego conviene cortar. Cuando el acero contiene muchos gases conviene que el enfriamiento sea lento así tienen mas tiempo de escapar las burbujas o sopladuras.

Diferentes estructuras del lingote: El efecto enfriador del molde de hierro frío es también una causa de que la cristalización del material fundido ocurra en forma anormal, esto es, los cristales primero se forman sobre las superficies del molde y crecen hacia adentro para formar una estructura débil, debido a los planos de debilitación así formados. Afortunadamente, en la mayoría de los casos, el enfriamiento no se extiende hasta el núcleo del lingote, y la porción central de este tiene los cristales al azar, así como una estructura resistente. Pero las aristas de este lingote pueden ser débiles, presentándose tres casos:

Estructura dendrítica : Está formada por individuos cristalizados semejantes a los que se encuentran en las mazarotas; ellos poseen un eje principal, y ejes secundarios perpendiculares a los primeros.

Se observa generalmente en todos los lingotes de acero y puede ponérselas en evidencia mediante un examen macrográfico.

Estructura reticular : Está formada por células alargadas, se las obtiene por enfriamiento de los lingotes al aire libre.

Estructura granular : Está caracterizada por individuos de caras mas o menos regulares, pudiendo reflejar la luz. Se obtienen por enfriamiento rápido.

El numero de cristales y por consiguiente su grosor dependen de la velocidad de enfriamiento y de la composición del acero.Un enfriamiento rápido da cristales numerosos y, en consecuencia, poco voluminosos; un enfriamiento lento produce fenómenos inversos.

Segregación: Durante la solidificación la primera porción que se solidifica es relativamente pura en comparación con la ultima que lo hace. Esta solidificación selectiva se traduce en una concentración desigual de los elementos hallados en la aleación. En la fabricación de lingotes, la segregación viene agravada por la acción enfriadora del molde. Las primeras porciones en contacto con el molde se solidifican relativamente puras, mientras que las porciones centrales, las cuales son las ultimas en solidificarse, son mas ricas en los constituyentes de punto de solidificación mas bajos del acero. Ésta es la razón para segar la porción mas alta del lingote, puesto que cortando para quitar el rechupe también se quita parte de las porciones del lingote donde es peor la segregación. Esto crea dificultades de mecanización en ciertas aplicaciones, y desigualdad en las propiedades mecánicas.

Inclusiones de escoria: Se dan de los productos de la desoxidación, siendo las partículas de Al2O3 y SiO2 las mas numerosas. Ambos óxidos son insolubles en el acero fundido y se elevan a la superficie muy lentamente, después de su formación.También se da por la presencia en menor medida de fósforo, azufre, nitrógeno, oxigeno e hidrógeno, y también de sus óxidos.Puesto que la desoxidación se lleva a cabo hacia el final del proceso de fabricación del acero existe un período limitado de tiempo para que lleguen a la superficie. Esto es perjudicialmente cierto cuando se usa aluminio para calmar un acero efervescente que se encuentra ya en la lingotera.Algunos de estos óxidos flotan a la superficie cuando el acero se encuentra en el molde y son finalmente cortados junto con el rechupe; pero aquellos que permanecen como

inclusiones, tienden a segregarse(con frecuencia en los planos débiles) dando lugar a grietas internas en el lingote. La incidencia de las inclusiones se reduce desoxidando la carga lo mas pronto posible antes de vaciar, de manera que los óxidos tengan mayor oportunidad de flotar a la superficie.Pueden presentarse también dificultades debido a partículas de escoria, así como fragmentos de revestimiento refractario ya sea del horno o de la cuchara.Algunos elementos de estos pueden favoreces a las propiedades del acero, por ejemplo la presencia de azufre facilita el mecanizado(en porcentajes adecuados), sobre todo la resistencia al choque transversal.Estas impurezas son mas peligrosas cuando se encuentran como inclusiones que cuando se encuentran formando una solución. Siempre y cuando la distribución de estas impurezas sea la adecuada, no podrán perjudicar las propiedades. Cuando decimos adecuada nos referimos al tamaño, distribución y concentración.Para determinar la presencia de inclusiones se usa el método magnético, el de fractura y el de ataque químico; para determinar el grado de impurezas de los aceros(frecuencia y severidad de las inclusiones, su forma, dureza, plasticidad), Para esto existen valores prefijados, según el uso que se le va a dar al acero, se da el porcentaje de existencia de inclusiones.

Grietas o fisuras: Las grietas aparecen en las superficies laterales de los lingotes, causadas por la contracción del metal al solidificar debido a una superficie del molde rugosa que evita la contracción uniforme del lingote.Cuando los lingotes se cuelan por arriba, puede salpicarse metal a los lados del molde, en donde se solidifica y oxida rápidamente. El metal que se eleva cubre finalmente estas salpicaduras, que forman “costras” sobre la superficie del lingote. Estas se pueden cortar antes de laminar el lingote; pero ocasionalmente, las salpicaduras se encuentran totalmente envueltas por el metal ascendente que las retira de la superficie del molde. Ahí forman discontinuidades subcutáneas que dan lugar a un defecto del metal laminado final.Se las elimina por burilado o cortafrío neumático para poner al descubierto las superficies oxidadas, que perteneciendo de esa manera, no soldarán por la acción del laminado.Estas grietas que se hacen se abren durante el laminado y se convierten eventualmente en surcos alargados en el material acabado.

Conclusión:Sabidos ya los conocimientos sobre el tema, podemos arribar a la conclusión que se debe poner mucha atención a esta parte del proceso de obtención de aceros, ya que un defecto en esta parte del proceso puede ser irreversible, y para solucionar el problema quizás convenga volver a fundir el metal, lo que generaría grandes perdidas de tiempo y dinero. O bien si se nos pasa por alto o no realizamos los estudios debidos, podríamos estar entregando al cliente un lingote de baja calidad, o inservible. Este proceso requiere de que se actúe en forma rápida debido al relativamente poco tiempo que tarda el metal en solidificar, para que se reduzcan al mínimo los defectos en los lingotes.A su vez se requiere de grandes maquinarias, con cuidados muy especiales, para evitar accidentes, como podría llevar a causarse si una cuchara no tiene el revestimiento en buenas condiciones.

REFINACIÓN Y DESGASIFICACIÓN

Cualquier proceso de producción de acero a partir del Arrabio consiste en quemar el exceso de carbono y otras impurezas presentes en el hierro. Una dificultad para la fabricación del acero es su elevado punto de fusión, 1.400ºC aproximadamente, que impide utilizar combustibles y hornos convencionales.

Para superar esta dificultad, se han desarrollado 3 importantes tipos de hornos para el refinamiento del Acero, en cada uno de estos procesos el oxígeno se combina con las impurezas y el carbono en el metal fundido. El oxígeno puede introducirse directamente mediante presión dentro o sobre la carga a través del oxígeno en el aire, o en forma de óxidos de hierro o herrumbre en la chatarra. Esto oxidará algunas impurezas, las que se perderán como gases, mientras otras impurezas reaccionarán con la piedra caliza fundida para formar una escoria que será colada posteriormente.

HORNO DE HOGAR ABIERTO o CRISOL

El HORNO DE HOGAR ABIERTO semeja un horno enorme, y se le denomina de esta manera porque contiene en el hogar (fondo) una especie de piscina larga y poco profunda (6m de ancho, por 15 m de largo, por 1 m de profundidad, aproximadamente).

El horno se carga en un 30% a un 40% con chatarra y piedra caliza, empleando aire pre-calentado, combustible líquido y gas para la combustión, largas lenguas de fuego pasan sobre los materiales, fundiéndolos. Al mismo tiempo, se quema (o se oxida) el exceso de carbono y otras impurezas como el fósforo, silicio y manganeso.Este proceso puede acelerarse introduciendo tubos refrigerados por agua (lanzas), los que suministran un grueso flujo de oxígeno sobre la carga.Periódicamente, se revisan muestras de la masa fundida en el laboratorio para verificar la composición empleando un instrumento denominado espectrómetro. También se determinan los niveles de carbono.Si se está fabricando acero de aleación, se agregarán los elementos de aleación deseados. Cuando las lecturas de composición son correctas, el horno se cuela y el acero fundido se vierte en una olla de colada.El proceso completo demora de cinco a ocho horas, mientras que el Horno de Oxígeno Básico produce la misma cantidad de acero en 45 minutos aproximadamente. Debido a esto, este horno ha sido virtualmente reemplazado por el de Oxígeno Básico.

HORNO DE OXIGENO BASICO

Es un horno en forma de pera que puede producir una cantidad aproximadamente de 300 toneladas de acero en alrededor de 45 minutos.El horno se inclina desde su posición vertical y se carga con chatarra de acero fría (cerca de un 25%) y luego con hierro derretido, después de ser devuelto a su posición vertical, se hace descender hacia la carga una lanza de oxígeno refrigerada por agua y se fuerza sobre ella un flujo de oxígeno puro a alta velocidad durante 20 minutos. Este actúa como fuente de calor y para la oxidación de las impurezas.

Tan pronto como el chorro de oxígeno comienza, se agrega la cal y otros materiales fundentes. La reacción química resultante desarrolla una temperatura aproximada de

1.650º C. El oxígeno se combina con el exceso de carbono acabando como gas y se combina también con las impurezas para quemarlas rápidamente. Su residuo es absorbido por la capa flotante de escoria.

Cuando la composición es correcta, el horno se inclina para verter el acero fundido en una olla de colada.

HORNO DE ARCO ELECTRICO

Es el más versátil de todos los hornos para fabricar acero. No solamente puede proporcionar altas temperaturas, hasta 1.930ºC, sino que también puede controlarse eléctricamente con un alto grado de precisión.

Debido a que no se emplea combustible alguno, no se introduce ningún tipo de impurezas. El resultado es un acero más limpio.Consecuentemente, puede producir todo tipo de aceros, desde aceros con regular contenido de carbono hasta aceros de alta aleación, tales como aceros para herramientas, aceros inoxidables y aceros especiales para los cuales se emplea principalmente. Otras ventaja sobre el Horno de Oxígeno Básico es que puede operar con grandes cargas de chatarra y sin hierro fundido.Si la carga de chatarra es muy baja en carbono, se agrega coque (el cual es casi puro carbono) o electrodos de carbono de desecho, para aumentar así su nivel.Al aplicarse la corriente eléctrica, la formación del arco entre los electrodos gigantes produce un calor intenso. Cuando la carga se ha derretido completamente, se agregan dentro del horno cantidades medidas de los elementos de aleación requeridos.

La masa fundida resultante se calienta, permitiendo que se quemen las impurezas y que los elementos de aleación se mezclen completamente.Para acelerar la remoción del carbono, el oxígeno gaseoso se introduce generalmente en forma directa dentro de acero fundido por medio de un tubo o lanza. El oxígeno quema el exceso de carbono y algunas de las impurezas, mientas otras se desprenden como escoria por la acción de varios fundentes.

Cuando la composición química de la masa fundida cumple con las especificaciones, el horno se inclina para verter el acero fundido dentro de una olla de colada.Este horno puede producir una hornada de acero en un período de dos a seis horas, dependiendo del horno individual.

Una de las principales ventajas de los Hornos Eléctricos de Arco (HEA) es que su instalación es mucho más sencilla y menos costosa que la de cualquier otro horno de los utilizados para fabricar acero. Para cualquier empresa o grupo industrial es mucho más fácil montar HEA que los costosos hornos Siemens o Convertidores. Además que la materia prima es más sencillo de obtener.

Los HEA pueden ser ácidos (Arena Silicosa) o básicos (Magnesia o Dolomita).

La tensión eléctrica de trabajo que se utiliza para producir el arco entre los electrodos y la chatarra, varía de 80 a 500 volts y las intensidades de corriente que circulan por los electrodos varían de 1,000 a 50,000 amperes.

HORNO ELECTRICO DE ARCO HORNO ELECTRICO DE ARCO

INDIRECTO DIRECTO

PARTES DEL HORNO ELÉCTRICO DE ARCO.

LA CUBA

La cuba del horno se construye con chapa de acero dulce, soldada, revestida interiormente con material refractario. Tiene una o dos puertas por donde se realizan alguna maniobra de carga y adición de elementos formadores de escoria, desoxidantes, etc.

LA BÓVEDA

La bóveda se construye con ladrillos refractarios de formas especiales sobre un anillo metálico generalmente refrigerado, que luego se apoya sobre la cuba. Normalmente tiene tres agujeros simétricos, a través de los cuales pasa los electrodos y en ocasiones existe otro orificio para la extracción de los gases.

Al principio se usaban ladrillos de sílice (Refractario Ácido) y después ladrillos de alto contenido de alúmina.

PAREDES

En un principio se utilizaron ladrillos de sílice, después materiales básicos como:

a).- Ladrillos de Magnesia o de Magnesia-Cromo

b).- Ladrillos de dolomía

c).- Bloques apisonados de dolomía.

En la zona de la línea de la escoria se colocan ladrillos de Magnesia, que son los que mejor resisten el ataque químico de las escorias de óxido de hierro.

SOLERA

En los hornos básicos la solera, que suele tener de 400 a 700 mm de espesor se prepara siempre con material básico. Puede ser dolomía de granulometría fina apisonada en seco o dolomía alquitranada o polvo de magnesia fuertemente apisonada, Debajo de la dolomía existe un revestimiento de seguridad de ladrillos de Magnesia. En los hornos ácidos, la solera se prepara con arena de sílice.

ELECTRODOS

Normalmente se emplean electrodos de grafito, cuyo diámetro varía desde 60 mm para hornos de 5 toneladas hasta 800 para hornos de 350 toneladas. Su longitud varía de 2 a 3 metros y se unen unos con otros, a medida que se van gastando por medio de un anillo roscado.

Los electrodos se sujetan con mordazas de cobre refrigeradas con agua. El mantenimiento de la situación de los electrodos y de esas barras se verifica por medios automáticos.

FABRICACIÓN DE ACERO EN HORNO ELÉCTRICO DE ARCO.

De una forma muy resumida, se puede decir que el proceso de doble escoria consiste en ; fundir la chatarra, luego crear una escoria oxidante sobre el baño metálico, que servirá para oxidar el carbono, silicio, manganeso y fósforo hasta que esos elementos queden reducidos a límites muy bajos.

Antes de colar el acero a las lingoteras, es necesario eliminar el oxígeno que contiene el baño metálico que, en el proceso de solidificación crearía porosidades muy perjudiciales. Esto se obtiene por la acción de la segunda escoria reductora añadiendo desoxidantes como el ferromanganeso, el ferrosilicio, aluminio y carburo de calcio, que, empleados en cantidades adecuadas, sirven, además, para obtener exactamente el acero con su composición deseada.

La primera fase de afino oxidante se realiza de acuerdo con las siguientes reacciones:

Fe + 1/2O2 = FeO

Si + 2FeO = 2 Fe + Si O2

Mn + FeO = Fe + MnO

C + FeO = Fe + CO

La eliminación del fósforo se consigue, también por oxidación, en la primera fase del proceso con escoria básica y oxidante. El anhídrido fosfórico formado se combina con la cal para dar fosfato tricálcico, que sale del horno al desescoriar. El afino del fósforo se realiza de acuerdo con las siguientes reacciones:

2P + 5 FeO = P2 O5 + 5 Fe

P2 O5 + 3 CaO = P2 O53 CaO

P2 O5 + 4 CaO = P2 O54 CaO

El azufre se elimina, en cambio, en la segunda fase del proceso con escoria básica reductora. Se combina con la cal y se forma sulfuro de calcio que pasa a la escoria. Esto se produce de acuerdo a las siguientes reacciones:

FeS + CaO + C = CaS + Fe + CO

El oxígeno residual disuelto en el baño metálico se elimina al final del proceso. Una parte es absorbido por la escoria reductora y la otra parte por, por la adición de desoxidantes como el ferrosilicio, ferromanganeso, carbono, aluminio y carburo de calcio. La desoxidación se realiza de acuerdo a las siguientes reacciones:

2 FeO + Si = 2 Fe + Si O2

FeO + Mn = Fe + MnO

FeO + C = Fe + CO

3 FeO + 2 Al = 3 Fe + Al2 O 3

3 FeO + Ca C 2? = 3 Fe + CaO + 2 CO

Como resumen destacaremos que este proceso se caracteriza por trabajarse con dos escorias diferentes; escoria básica y oxidante (CaO = 40%, Si O2 = 15%, FeO = 15%). Trabajando con esta escoria, se oxidan y disminuyen los porcentajes de Si, Mn y C del baño de acero y se elimina parte del fósforo que contienen las cargas. Escoria básica reductora (CaO = 60%, Si O2 = 20%, FeO = 0.5%, Ca C 2 =1.5% ), trabajando con ella, se elimina el azufre y se desoxida el baño metálico.

FASES DE LA OPERACIÓN.

1.- Carga del horno.

2.- Conexión de la corriente eléctrica.

3.- Fusión de la carga.

4.- Período oxidante o de afino

5.- Desescoriado.

6.- Período desoxidante.

7.- Colada del acero

HORNO DE INDUCCIÓN

Utilizan una corriente inducida que circula por una bovina que rodea a un crisol en el cual se funde la carga. La corriente es de alta frecuencia y la bovina es enfriada por agua, la corriente es de aproximadamente 1000Hz, la cual es suministrada por un sistema de motogenerador. Estos hornos se cargan con piezas sólidas de metal, chatarra de alta calidad o virutas metálicas. El tiempo de fusión toma entre 50 y 90 min, fundiendo cargas de hasta 3.6 toneladas. Los productos son aceros de alta calidad o con aleaciones especiales.

HORNO ELECTRICO DE INDUCCIÓN

La idea es eliminar las impurezas del arrabio líquido y reducir su contenido de carbono mediante la inyección de aire en un "convertidor" de arrabio en acero. •El sistema Bessemer permite convertir el hierro en acero mediante un proceso de

descarburación gracias a la introducción de chorros de aire caliente. Este sistema logró mejorar la calidad y la producción del producto consumiendo menos mineral y utilizando además un tipo de mineral no fosfato extraído de las propias minas.

HORNO BESSEMER

Bessemer logró convencer a los grandes señores del hierro de la época victoriana para que aplicaran industrialmente los procedimientos que él había desarrollado a escala de laboratorio. Se invirtieron enormes recursos en el proyecto, cuyo resultado fue un escandaloso fracaso. Bessemer fue obligado a reponer el dinero a los industriales y se hundió en el mayor descrédito. Pero Bessemer no se dio por vencido. Le costó mucho darse cuenta de que el arrabio que él había empleado en sus experimentos de laboratorio era distinto al que explotaban industrialmente los fundidores ingleses. Por alguna razón, Bessemer había empleado un arrabio de bajo contenido de fósforo que contrastaba con el arrabio obtenido de muchos minerales nativos de Inglaterra y Europa que eran muy ricos en este elemento

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FASES DEL PROCESO ESCORIFICACIÓN•Cuando se trata de la primera conversión, primero se limpia y se retiran las cenizas; luego se coloca en sentido horizontal y se carga de fundición hasta 1/5 de su capacidad, la capacidad es de 8 a 15 toneladas.•Se le inyecta aire a presión y enseguida se devuelve al convertidor a suposición normal.•El oxígeno del aire, a través de la masa líquida, quema el silicio y el manganeso que se encuentra en la masa fundente y los transforma en los correspondientes óxidos.•Esta primera fase se efectúa sin llamas dentro de unos 10 min, y recién se termina la operación aparecen chispas rojizas que salen de la boca del convertidor.

DESCARBURACIÓN•Continuando la acción del soplete, el oxígeno empieza la oxidación del carbono, lo que se efectúa con mucha violencia y con salidas de llamas muy largas, debido a las fuertes corrientes del aire y al óxido de carbono en combustión. RECARBURACIÓNQuemándose elcarbono,eloxígenollegaríaaoxidartotalmenteelhierrodejándoloinservible;aestepuntosecortaelaire,seinclinaelconvertidoryseañadealamasaliquidaunaaleacióndehierro,carbonoymanganesoenunacantidadrelacionadaconlacalidaddelaceroquesedeseaobtener.Luegoseenderezaelaparatoysimultáneamenteseleinyectaotravezaireporpocosminutosyporúltimosesacaporsubocaprimerotodaslasescoriasydespuésel acero oel hierro elaborado

Convertidor De Inyección De Oxigeno

Los convertidores de arrabio en acero ya no son como los de Bessemer y sus contemporáneos. Conocidos generalmente por sus iniciales en inglés, los convertidores BOF (Basic Oxygen Furnace) logran la refinación del arrabio empleando la misma idea de Bessemer para eliminar las impurezas y el exceso de carbono por oxidación, además de aprovechar el calor de la oxidación como fuente de energía para la fusión.

En lugar del soplo de aire que utilizaba Bessemer, en los BOF la oxidación se hace directamente con oxígeno. Esta idea también la tuvo Bessemer porque el aire contiene solamente un 21%, de oxígeno contra un 78% de nitrógeno. Lo que pasó fue que en los tiempos de Bessemer el oxígeno puro era muy caro, de modo que no era accesible ni para hacer experimentos en el laboratorio. Cien años después la situación era otra porque se desarrollaron métodos baratos para producir oxígeno y en la escala necesaria para abastecer a las grandes siderúrgicas.

Consiste en una olla de acero recubierta en su interior con material refractario del tipo básico, por ejemplo óxido de magnesio. A diferencia del convertidor de Bessemer donde se soplaba el aire por la parte inferior, en el BOF se inyecta el oxígeno por una lanza que entra por la parte superior. La lanza se enfría con serpentines de agua, interiores para evitar que se funda. La carga y la descarga de la olla se hacen también por la parte superior y por eso la olla está montada en ejes rotatorios.

Mediante un chorro de oxígeno con polvo de piedra caliza el arrabio es convertido en acero en un BOF. El oxígeno reacciona con el carbono del arrabio y lo elimina en forma de bióxido (o monóxido) de carbono. La caliza sirve para eliminar impurezas, entre las que destaca el fósforo.

Una de las grandes ventajas que desde un principio se observó en los convertidores BOF fue su capacidad para aceptar hasta un 20% de "chatarra junto con la carga de arrabio líquido.

La diferencia de precios entre la chatarra fría y el arrabio líquido ha motivado la búsqueda de tecnologías para incrementar lo más posible la carga de chatarra.

Algunos éxitos en esta dirección se han obtenido al adicionar al oxígeno que entra por la lanza combustóleo y carburos de silicio y calcio.

La entrada de los convertidores BOF al mercado mundial fue muy acelerada. En la figura se muestra cómo los BOF marcaron el fin de los cada ves mas obsoletos convertidores de Bessemer y de los Siemens-Martin que habían dominado por décadas.

AFINO DEL ACERO. HORNO DE AFINO MARTIN SIEMENS.

Introducción Los procesos de afino son una serie de operaciones que tienen como objeto la eliminación de impurezas y así purificar el arrabio obtenido en el alto horno y obtener un acero con las especificaciones deseadas en cuanto a composición.

Para llevar a cabo estos procesos es necesaria la utilización de diversos hornos, los cuales se han ido modificando y modernizando a lo largo de los años. En este caso echaremos un vistazo al pasado y nos situaremos alrededor del año 1864, fecha en la cual se crea el horno Martin Siemens.

¿Qué es un horno Martin-Siemens?

Los hornos Martin-Siemens son hornos de reverbero y se utilizan principalmente para la fusión y afino del acero.

El horno Martin-Siemens es calentado con aceite, gas de coquería, gas de gasógenos o una mezcla da gas de alto horno y de coquería, si se dispone de ella. Cuando se emplea un gas de poco poder calorífico, como el gas de gasógeno o la mezcla citada, es fundamental

precalentar el gas en un regenerador. El aire se recalienta siempre para conseguir la máxima economía térmica y lograr una elevada temperatura de llama.

Un poco de historia El procedimiento Siemens es el fruto de una cuidadosa investigación en los distintos métodos de fabricar acero. Los hermanos Siemens descubrieron que el combustible exterior podía arder más convenientemente en un dispositivo separado del horno, denominado generador de gas. F. Siemens introdujo importantísimas mejoras con sus cámaras recuperadoras solucionando así el problema de conseguir la temperatura necesaria para la fusión en el proceso del crisol abierto. Alrededor de 1864, los hermanos Siemens idearon un horno de fusión de crisol, abierto, sometido al efecto de una llama producida fuera del horno, con recuperación del calor de los humos mediante recuperador, con el que se consiguió obtener temperaturas más elevadas. En el 1865 el horno sufrió una importantísima mejora al incorporar el procedimiento del francés P. Martin (sistema ácido).Los hornos Siemens-Martin superaron a los convertidores Bessemer en aspectos como el control de los componentes de la colada (carbono y azufre), el consumo de un “input” barato (chatarra) o algunas cualidades del acero (maleabilidad, ductilidad, laminabilidad). En 1867 era presentado en París un nuevo método (sistema básico) añadiendo hierro hematite, magnetita y cal para conseguir un material aún más puro (con menos carbono y sin apenas fósforo). En 1883 la producción británica de acero Siemens ya alcanzaba las 500.000 toneladas

¿Cómo es un horno Martin-Siemens? El horno propiamente dicho comprende tres partes principales: la solera, el laboratorio y la bóveda. La solera recoge los materiales que se han de afinar y es una especie de cubeta rectangular, cuyo fondo está inclinado hacia el agujero de colada. El laboratorio es la parte comprendida entre la solera y la bóveda, donde se producen las reacciones de afino. Cierto número de aberturas colocadas en la parte anterior del horno, permiten efectuar la carga, y una de ellas está dispuesta de modo que permite la limpieza. La bóveda es de ladrillos silíceos y su misión es dirigir el calor por radiación sobre la solera.

La particularidad del método Martin-Siemens de poder utilizar despuntes de chatarra para fabricar acero es de gran importancia en la industria siderúrgica.

GASES EN LOS ACEROS

Hidrógeno, nitrógeno y oxígeno son gases que están frecuentemente en contacto con los aceros fundidos en diversas etapas de los procesos de fabricación y, en ocasiones, son causa de importantes problemas en piezas moldeadas, forjadas o laminadas de acero. La solubilidad de esos gases en los aceros aumenta con la temperatura, y esa solubilidad es mucho mayor en los aceros líquidos que en los aceros en estado sólido. El hierro puro y los aceros llegan a contener importantes porcentajes de gases cuando el baño metálico alcanza las mayores temperaturas en los procesos de fabricación. Al enfriarse el acero líquido en el horno, y en especial durante la colada, se van desprendiendo los gases, sobre todo en el momento de la solidificación, en que disminuye mucho y muy bruscamente la solubilidad.

Los principales problemas que se pueden derivar de la presencia de cada uno de estos gases en el acero son:

El hidrógeno da lugar a la formación de las llamadas «manchas brillantes» o «copos» que reducen la tenacidad y ductilidad de los aceros. De los tres gases, hidrógeno, nitrógeno y oxígeno, que se disuelven en el acero a elevada temperatura luego, a la temperatura ambiente, sólo el hidrógeno aparece libre en el acero sólido.

El nitrógeno reduce la ductilidad y comunica fragilidad a los aceros. Se suele encontrar en forma combinada, formando nitruros.

El oxígeno origina porosidades en los aceros mal desoxidados y facilita la formación de inclusiones no metálicas. En los aceros a temperatura ambiente el oxígeno siempre aparece combinado, formando óxidos o silicatos. Se encuentra formando inclusiones no metálicas, excepto en el caso de aceros efervescentes, en que puede aparecer en pequeñas cantidades en forma de CO en los poros o cavidades que hay en el material. Para disminuir la acción perjudicial de los gases se suele recomendar colar los aceros a la temperatura más baja posible compatible con otras limitaciones, evitando siempre que quede algo de acero solidificado («lobos») en el fondo de la cuchara.

EL NITRÓGENO EN LOS ACEROS

El nitrógeno crea en ocasiones dificultades en los aceros por comunicarles fragilidad y reducir la ductilidad. En el estado líquido el acero puede llegar a contener hasta 0,0450% de nitrógeno. El contenido de este gas, en equilibrio con el hierro líquido a

1539 °C es de 0,0390% (figura 4.2). Al bajar la temperatura esta solubilidad pasa a ser de sólo 0,0105%. A 1400 °C es de 0,0080%.

En el hierro gamma la solubilidad es bastante mayor que en el hierro delta; varía de 0,0210 a 0,0255%.

Como también ocurre con el oxígeno, el nitrógeno se puede fijar en forma de compuestos complejos por la acción de ciertos elementos como Al, Ti y Zr, que forman nitruros.

ELIMINACIÓN DEL NITRÓGENO

El contenido de nitrógeno viene también regulado por la ley de Sievert, y en el equilibrio es proporcional a la raíz cuadrada de la presión de este gas en la atmósfera en contacto con el acero líquido. En el desgasificado, el nitrógeno es eliminado sólo en un pequeño porcentaje, generalmente comprendido entre el 10 y el 25% de la cantidad que contiene el acero. En los aceros altos en nitrógeno la eliminación puede llegar al 40%, pero eso ocurre sólo en pocas ocasiones. En los aceros calmados con aluminio o titanio el nitrógeno está tan fuertemente combinado con estos elementos que su eliminación es prácticamente nula.

La baja eliminación del nitrógeno es probablemente debida a la menor velocidad de difusión del nitrógeno, que es mucho más baja que la del hidrógeno. Contraria- mente a lo que ocurre con este gas, no se puede conseguir la eliminación del nitrógeno hasta límites próximos a los señalados por la ley de Sievert

DES GASIFICADO DE ACERO CON ARGON

Los tratamientos de Desgasificación forman parte de la aceración secundaria y tienen la finalidad de remover gases e inclusiones perjudiciales a partir del metal fundido y están orientados principalmente a la minimización del contenido de Hidrógeno, al control de Nitrógeno en el baño líquido, así como la eliminación de inclusiones metálicas y no metálicas.

Los métodos comunes de tratamiento suelen utilizar vacío como medio de evacuación de gases, pero estos sólo remueven el gas contenido en la superficie del metal fundido; siendo procesos muy tardados y con una considerable heterogeneidad térmica y química. Es por esto que se han implementado técnicas de vacío auxiliadas con el burbujeo controlado de gas inerte, principalmente Argón.

El Nitrógeno es un aleante necesario en los aceros que puede ocasionar daños en las piezas dependiendo de la forma en la que se encuentre. De forma genérica, el Nitrógeno presenta tres estados en los aceros: soluble, formando nitruros y gaseosa; los dos primeros pueden ser requeridos según las características del acero, sin embargo si se rebasa el límite de solubilidad del Nitrógeno pueden originarse burbujas que darán lugar a porosidades. El límite de solubilidad del Nitrógeno tiene una gran dependencia de la temperatura y de la composición aunque, contrario al Hidrógeno, puede ser controlado en base a composición

El proceso de Desgasificación de aceros consiste en la inyección de un flujo de gas de arrastre (Argón) en el metal fundido; dicha inyección debe llevarse a cabo antes de iniciar la colada del metal fundido. El mecanismo de Desgasificación (ver figura 1), consiste en la difusión del Hidrógeno y/o Nitrógeno hacia el interior de las burbujas del gas de arrastre, esto debido a la diferencia de presiones parciales de Hidrógeno entre el gas de arrastre y el acero líquido.

Fig. 1

VENTAJAS

La Desgasificación de aceros con gas ofrece grandes ventajas sobre otros tratamientos en su tipo como son:

Homogeneidad de la composición en el metal líquido.

Homogeneidad de la temperatura del baño metálico.

Ajuste de elementos aleantes sólidos (polvos).

Promueve un buen contacto escoria-metal incrementando el refinamiento del acero.

Acelera la remoción de inclusiones.

Es más económico en comparación con los tratamientos de desgasificación al vacío y

agitación electromagnética.

Los métodos empleados en la Desgasificación del aluminio, se diferencian en dos

factores: tipo de des gasificante y medio de inyección.

Los medios de inyección (Fig. 2) pueden ser:

Inyección mediante lanzas.

Sistema simple.

Seguro.

Inyección mediante elementos porosos.

Minimiza zonas “muertas”.

Alta limpieza del producto.

Capacidad de arreglo para multiburbujeo.

COMBINACIÓN DE AMBAS - OTROS (TOBERAS).

 

Fig. 2

DESULFURACIÓN

Cuando el acero se produce a gran escala el contenido de azufre solamente se puede reducir de forma limitada. Por ejemplo, en el proceso de horno alto sólo se puede realizar económicamente una desulfuración modesta, tras la cual se lleva a cabo una desulfuración externa (figura 4.14) previa a la transferencia del arrabio al convertidor. Para obtener aceros de contenido de azufre extremadamente bajo es necesario desulfurar nuevamente el acero en la fase de Metalurgia Secundaria. Lo mismo ocurre en el proceso de horno de arco, ya que la chatarra suele contener cantidades importantes de azufre. La práctica normal es colar el acero líquido del horno eléctrico sin desulfurar y realizar la desulfuración en el horno-cuchara.

El método básico consiste en añadir elementos que tienen gran afinidad por el azufre, normalmente cal o compuestos de calcio, aunque en ocasiones también se utilizan otras tierras alcalinas. Durante este proceso de afino en el que se trata de conseguir contenidos de azufre del orden de 0,010% e incluso inferiores, se eliminan también otras impurezas del acero.

La desulfuración se realiza hoy día casi exclusivamente usando la instalación de horno-cuchara, con caldeo eléctrico mediante tres electrodos, para lo cual la cuchara se

coloca debajo de una bóveda parecida a la del horno eléctrico de arco, aunque más pequeña, dotada de tres electrodos que permiten calentar el baño de acero. Simultáneamente se realiza la agitación, mediante la inyección a través de tapón poroso de gas argón que permite incrementar las reacciones químicas entre la escoria y el baño de acero.

La desulfuración también se puede realizar durante el vacío, y de hecho los aceristas que tienen instalaciones combinadas de horno cuchara y vacío realizan la desulfuración en el calentamiento y el proceso de desulfuración se completa hasta valores muy bajos durante la operación de vacío. La desulfuración con calcio provoca la formación de productos esféricos de los compuestos de azufre, que en ocasiones son de interesante aplicación para ciertos tipos de aceros.

Teniendo en cuenta que en el acero el azufre está en forma pirítica, es decir, como sulfuro, la reacción típica de desulfuración es:

[FeS] + (CaO) −→ (CaS) + [FeO]

La constante de equilibrio de esa reacción es:

K=[CaS ] [FeO ][FeS ] [CaO ]

Cuyo valor a 1600°C es4 x10−2 valor que decrece al aumentar la temperatura. En

consecuencia, termodinámicamente hablando, la reacción se frenaría al crecer la temperatura. No obstante, consideraciones cinéticas hacen que la temperatura creciente favorezca el desarrollo de la reacción. Si se da por hecho que las actividades de la cal CaO y el sulfuro de cal CaS valen 1, la fórmula anterior quedaría como:

K1=[FeO ][FeS ]

Esto indica que desulfuración implica la necesidad simultánea de desoxidación a fin de que el sentido de esa reacción se desplace plenamente hacia la derecha. Las figuras 4.15, 4.16, 4.17, 4.18, 4.19, 4.20 y 4.21 muestran gráficamente la influencia de diversos elementos sobre la concentración de oxígeno y, en consecuencia, de azufre, en el baño de acero

El contenido final de azufre en el baño de acero depende de las cantidades relativas de escoria y metal así como del contenido inicial de azufre, pudiendo llegar a alcanzar contenidos de azufre tan bajos como 0,001%. Puede también asumirse que para ello se precisa alcanzar suficiente contacto entre metal y escoria, así como evitar la entrada de fuentes inesperadas de oxígeno.

El magnesio ejerce una acción ligeramente diferente. Se ha empleado magnesio y mezclas de Mg y CaO para desulfuración de acero, pero el equilibrio MgS-MgO es menos favorable que el CaS-CaO. La reacción es ahora:

[FeS] + (MgO) −→ (MgS) + [FeO]

Si las

actividades de MgO y MgS se consideran unidad el valor de la constante de equilibrio es bastante menor que con CaO, lo que indica que la desulfuración de baños de acero basada en magnesio sólo es viable para actividades muy bajas de oxígeno. De ahí su empleo en la desulfuración del arrabio de horno alto, con el que se trabaja a menor temperatura y con potenciales de oxígeno bastante más bajos.

El proceso de fabricación se divide básicamente en dos fases: la fase de fusión y la fase de afino.

FASE DE FUSIÓN

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 repite 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.

LA COLADA CONTINÚA

Finalizado el afino, la cuchara de colada se lleva hasta la artesa receptora de la colada continua donde vacía su contenido en una artesa receptora dispuesta al efecto.

La colada continua es un procedimiento siderúrgico en el que el acero se vierte directamente en un molde de fondo desplazable, cuya sección transversal tiene la forma geométrica del semiproducto que se desea fabricar; en este caso la palanquilla.

La artesa receptora tiene un orificio de fondo, o buza, por el que distribuye el acero líquido en varias líneas de colada, cada una de las cuales disponen de su lingotera o molde, generalmente de cobre y paredes huecas para permitir su refrigeración con agua, que sirve para dar forma al producto.

Durante el proceso la lingotera se mueve alternativamente hacia arriba y hacia abajo, con el fin de despegar la costra sólida que se va formando durante el enfriamiento.

En todo momento el semiproducto se encuentra en movimiento continuo gracias a los rodillos de arrastre dispuestos a los largo de todo el sistema.

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 externos y la longitud obtenida.

La laminación

Las palanquillas no son utilizables directamente, debiendo transformarse en productos comerciales por medio de la laminación o forja en caliente.

De forma simple, podríamos describir la laminación como un proceso en el que se hace pasar al semiproducto (palanquilla) entre dos rodillos o cilindros, que giran a la misma velocidad y en sentidos contrarios, reduciendo su sección transversal gracias a la presión ejercida por éstos. En este proceso se aprovecha la ductilidad del acero, es decir, su capacidad de deformarse, tanto mayor cuanto mayor es su temperatura. De ahí que la laminación en caliente se realice a temperaturas comprendidas entre 1.250ºC, al inicio del proceso, y 800ºC al final del mismo.

La laminación sólo permite obtener productos de sección constante, como es el caso de las barras corrugadas.

El proceso comienza elevando la temperatura de las palanquillas mediante hornos de recalentamiento hasta un valor óptimo para ser introducidas en el tren de laminación.

Alcanzada la temperatura deseada en toda la masa de la palanquilla, ésta es conducida a través de un camino de rodillos hasta el tren de laminación. Este tren está formado por parejas de cilindros que van reduciendo la sección de la palanquilla. Primero de la forma cuadrada a forma de óvalo, y después de forma de óvalo a forma redonda. A medida que disminuye la sección, aumenta la longitud del producto transformado y, por tanto, la velocidad de laminación. El tren se controla de forma automática, de forma que la velocidad de las distintas cajas que lo componen va aumentando en la misma proporción en la que se redujo la sección en la anterior.

El tren de laminación se divide en tres partes:

- Tren de desbaste: donde la palanquilla sufre una primera pasada muy ligera para romper y eliminar la posible capa de cascarilla formada durante su permanencia en el horno.

- Tren intermedio: formado por distintas cajas en las que se va conformando por medio de sucesivas pasadas la sección.

- Tren acabador: donde el producto experimenta su última pasada y obtiene su geometría de corrugado.

Las barras ya laminadas se depositan en una gran placa o lecho de enfriamiento. De ahí, son trasladadas a las líneas de corte a medida y empaquetado y posteriormente pasan a la zona de almacenamiento y expedición.

En el caso de la laminación de rollos, éstos salen del tren acabador en forma de espira, siendo transportados por una cinta enfriadora, desde la que las espiras van siendo

depositadas en un huso, donde se compacta y se ata para su expedición, o bien se lleva a una zona de encarretado, dónde se forman bobinas en carrete.

Durante la laminación se controlan los distintos parámetros que determinarán la calidad del producto final: la temperatura inicial de las palanquillas, el grado de deformación de cada pasada para evitar que una deformación excesiva dé lugar a roturas o agrietamientos del material, así como el grado de reducción final, que define el grado de forja, y sobre todo el sistema de enfriamiento controlado.

FLUJOS DE MATERIA DEL PROCESO DE FABRICACIÓN DEL ACERO

Para producir una tonelada de acero virgen se necesitan 1500kg de ganga de hierro, 225kg de piedra caliza y 750kg de carbón (en forma de coque).

La obtención del acero pasa por la eliminación de las impurezas que se encuentran en el arrabio o en las chatarras, y por el control, dentro de unos límites especificados según el tipo de acero, de los contenidos de los elementos que influyen en sus propiedades.

Las reacciones químicas que se producen durante el proceso de fabricación del acero requieren temperaturas superiores a los 1000ºC para poder eliminar las sustancias perjudiciales, bien en forma gaseosa o bien trasladándolas del baño a la escoria

Ver tabla 5.1.

Por cada tonelada de bloque de acero fabricado se generan: 145kg de escoria, 230kg de escoria granulada, aproximadamente 150 000 litros de agua residual y alrededor de 2 toneladas de emisiones gaseosas (incluyendo CO2, óxidos sulfurosos y óxidos de nitrógeno)

Los valores del

desglose de las emisiones gaseosas de la tabla 5.2 han sido obtenidos a partir de las estadísticas de emisiones de la industria de hierro y acero del Reino Unido en el año 1997 y la producción de acero de dicha industria ese año (datos publicados por el gobierno del Reino Unido y actualizados según los factores de conversión indicados por el mismo).

CONCLUSIÓN:

De lo citado anteriormente podemos resumir que no hay un solo tipo de acero, es más, el acero se divide en varias clases, de acuerdo a las propiedades que han adquirido luego de la introducción de ciertos elementos en él. La producción del acero no es muy compleja, sin embargo necesita mucho calor para poder llegar a la temperatura de fusión del óxido de hierro (su principal materia prima), y así poder, primero, reducir éste y luego, oxidar el carbono (adquirido en la primera fase), hasta dejarlo con un contenido de carbono no mayor a 1,7%.

También he comprobado que la producción, si no de acero, de productos siderúrgicos más carburados, se realiza desde tiempos muy remotos, y fue desarrollándose y mejorando a través del tiempo, hasta llegar a complejas tecnologías de producción que cuidan hasta el menor detalle mediante dispositivos automáticos.

BIBLIOGRAFIA:http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/080/htm/sec_7.htm(acceso: 26/11/2013).http://www.escuelaraggio.edu.ar/MECA/archivos/TECNOLOGIA/2.doc(acceso:27/11/2013).http://www.sapiensman.com(acceso: 27/11/2013).http://www.fisicanet.com.ar(acceso: 27/11/2013).

http://www.infoacero.cl/acero/hornos.htm(acceso: 28/11/2013).http://www.aprendizaje.com.mx/Curso/Proceso1/Temario1_III.html#diez(acceso: 28/11/2013).http://www.tecnologiaindustrial.info/(acceso: 06/12/2013).http://picasa.google.com/(acceso: 06/12/2013)