3 4

MÓDULO 2 FABRICACIÓN DEL ACERO

MATERIALES Y SU COMPORTAMIENTO

FABRICACIÓN DEL ACERO

1. Los métodos de fabricación del material base son de relativa

importancia en el conocimiento de materiales.

2. Por ejemplo en los aceros interesa el contenido en gases

disueltos, especialmente el Nitrógeno (N).

3. Cuando el contenido en N es relativamente elevado el acero

presenta baja ductilidad.

4. Otras impurezas que no gaseosas, como azufre y fósforo,

ejercen efectos perjudiciales en los aceros, por lo que se les

limita a un cierto rango de composiciones (< 0,05 % en peso).

1 2

FABRICACIÓN DEL ACERO FABRICACIÓN DEL ACERO

6. Para la obtención del acero se pueden seguir dos caminos:

a) Partiendo de los minerales de hierro, o

b) A partir de la chatarra (reciclando el acero)

7. A partir del mineral de hierro, es que se obtienen la mayor parte

de los aceros que utiliza la industria. Básicamente aceros al

carbono como: perfiles, planchas, barras corrugadas, etc.

8. Mediante la refusión de la chatarra, generalmente, se producen la

mayor parte de los aceros especiales: aceros de mediana aleación

(AISI 4043), aceros de alta aleación (AISI 304).

alto horno convertidor máquina de colada continuaMINERAL de Fe →⎯⎯ ARRABIO →⎯⎯⎯⎯ ACERO

→⎯⎯⎯⎯ LAMINACIÓN

reducción oxidación palanquilla o planchones

horno eléctrico máquina de colada continuaCHATARRA →⎯⎯⎯⎯⎯⎯ ACERO

→⎯⎯⎯⎯⎯⎯ LAMINACIÓN

oxidación-reducción palanquilla o planchones

ALT

O H

OR

NO

ALT

O H

OR

NO

FABRICACIÓN DEL ARRABIO

5 6

TRAGANTE

CUBA

VIENTRE

ETALAJE

CRISOL

gases gases

SECADO

REDUCCIÓN INDIRECTA

CO

REDUCCIÓN DIRECTA

C

FORMACIÓN GAS REDUCTOR

ESCORIA

ARRABIO

AIRE CALIENTE

200 ºC

600 ºC

1 200 ºC

1 900 ºC

1 500 ºC

ALTO HORNO1. Consiste en un cuerpo casi cilíndrico de plancha de acero con

espesor: 25 mm – 40 mm.

2. Revestido interiormente por material refractario (cerámico).

3. Su diámetro varía de 2 m a 5 m; su altura de 30 m a 70 m.

4. Por la parte superior, tragante, se carga al alto horno.

5. Las toberas se encuentran por encima del crisol a través de las cuales se inyecta aire caliente (800 °C).

6. LA REDUCCIÓN LA PRODUCE EL CARBÓN DEL COQUE O CARBÓN VEGETAL.

7. La parte inferior: CRISOL de forma circular, sirve de depósito para

7 el ARRABIO y la escoria. 8

11 12

FABRICACIÓN DEL ACERO MATERIAS PRIMAS

1. Minerales de hierro en forma de Pellets: 1 cm a 2 cm de φ• Magnetita (Fe3O4), 74 % de Fe

• Hematita (Fe2O3), 40 a 65 % de Fe

• [Piritas (FeS2), 46 % de Fe, NO SE EMPLEA]

2. Coque (carbón mineral). Es el agente reductor y combustible.

3. Fundentes: CaCO3 (caliza), CaO (cal) y MgO. Producen una escoria fluida de bajo punto de fusión.

4. Aire precalentado a 700 °C – 800 ºC u oxígeno.

5. PARA OBTENER UNA TONELADA DE ARRABIO SE EMPLEAN

11 12

COMPONENTES COQUE CARBÓN VEGETAL

% CARBONO 85 – 90 80 – 90

% AZUFRE 0,5 – 2,0 0

% HUMEDAD 5 – 10 (10 – 12 % de: H + O + N)

% CENIZA 10 – 13 0,6 – 1,0

PODER CALORÍFICO (kcal/kg) 7 000 – 8 000 6 500 – 8 000

σAPLASTAMIENTO (kg/mm2) 1,40 0,20

9 APROXIMADAMENTE 1600 kg DE MINERAL DE HIERRO. 10

COMBUSTIBLE

Tabla 1. Componentes presentes en el coque y en el carbón vegetal

ALT

O H

OR

NO

- REA

CC

ION

ESREACCIONES

¾ REDUCCIÓN INDIRECTA

Fe3O4 + 4 CO → 3 Fe + 4 CO2

¾ REDUCCIÓN DIRECTA: agente reductor es el C

9 Alta temperatura

9 Contacto íntimo entre el oxido de hierro y el coque

FeO + C → Fe + CO

13 14

1. ARRABIO

PRODUCTOS TIPOS DE ARRABIO

Tabla 2• Es un material químicamente complejo, contiene hasta 10 % de

otros elementos: C, Si, Mn, P y, bajo contenido de S

• El contenido de C varía usualmente entre 3 % y 4 %

• ARRABIO GRIS: alto Si, el C en forma de grafito

• ARRABIO BLANCO: bajo Si, el C en forma de Fe3C

2. Subproductos

• ESCORIA: fabricación de cemento y asfalto

• GASES: precalentar el aire que ingresará a través de las

ARRABIO % C % Si % Mn % P % S

Acero 3,0 – 4,0 0,2 – 1,0 0,8 – 1,3 < 1,5 < 0,07

Fundición 3,4 – 4,5 1,0 – 6,0 0,7 – 1,5 0,5 – 2,0 < 0,06

Ferromanganeso > 2,0 < 2,0 30 – 90 < 0,5 < 0,04

Ferrosilicio > 2,0 9 – 90 < 3,0 < 0,4 < 0,04

M.S. = proceso Martin and Siemens

L.D. = proceso LD (Linz and Donawitz)

toberas 15 16

19 20

FABRICACIÓN DEL ACERO

1

FABRICACIÓN DEL ACERO

1. La fabricación del acero implica: eliminar las impurezas del arrabio o de la chatarra y controlar los contenidos de los elementos queinfluyen en sus propiedades.

OBTENCIÓN DEL ACERO

17

2. Los materiales que se utilizan para la fabricación del acero son:

9 Carga metálica: arrabio, chatarra, ferroaleaciones

9 Fundentes: ácido o básico (caliza o cal)

9 Aire u oxígeno

9 Desoxidantes (Si, Al o Mn)

3. El proceso básico emplea fundente básico (CaO) y un refractario también básico (MgO).

FABRICACIÓN DEL ACERO CONVERTIDORES – REACCIONES DE OXIDACIÓN4. Aparte del tipo de refractario, la fabricación del acero se diferencia

en función del origen del calor requerido en el proceso:

¾ Procesos en los que el calor necesario se obtiene mediante

gas, combustibles derivados de petróleo o energía eléctrica:

HORNOS (carga principal CHATARRA)

¾ Procesos donde el calor se consigue por medio de una

reacción directa entre el O2 e impurezas tales como Si, P,

METAL FUNDIDO Y ESCORIA

02

1/2 02

1/2 02

5/2 0

ELEMENTOS EN EL METAL

FUNDIDO

Si

C

Mn+

P

A LA ESCORIA, METAL FUNDIDO O

GAS

SiO2

CO← MnO→ P OQ

+ (calor)

2 2 5Mn, S, C, etc. contenidas en el arrabio (elementos

termógenos):

CONVERTIDORES (carga principal ARRABIO)

02 S

1/2 02 Fe

SO2

FeO

23 24

ÍNDICE TÉRMICO CONVERTIDOR BESSEMER: ÁCIDO

ELEMENTO Q (kcal/kg)ÍNDICE TÉRMICO

1 300 ºC 1 500 ºC

Si (SiO2) 7 000 205 170

P (P2O5) 6 000 152 125

Mn (MnO) 1 600 55 45

S (SO2) 2 200 35 17

Fe (FeO) 1 200 35 25

C (CO) 2 400 25 13

21 22

CONVERTIDOR BESSEMER : ÁCIDO CONVERTIDOR BESSEMER : ÁCIDO

1. Su explotación se inició en Gran Bretaña: Bessemer fue el primero en idear un procedimiento mediante la inyección de aire al arrabio fundido.

2. Tiene forma de pera

3. Mucho menor que el AH (relativamente grandes)

4. Montado en un soporte basculante

5. Por la caja de viento, ubicado en la parte inferior, ingresa el aire a través de una gran cantidad de toberas.

6. Emplea un arrabio con alto Si (elemento termógeno). También el carbono.

27 28

CONVERTIDOR BESSEMER : ÁCIDO CONVERTIDOR BESSEMER : ÁCIDO

8. No elimina P y S (proceso ácido)

9. Tiempo de operación de 20 a 30 minutos

10. Capacidad de 15 a 45 toneladas

11. % N: 0,01 – 0,02; lo que le da baja ductilidad

12. Por lo tanto, para llevar a cabo el proceso Bessemer se requiere

de un arrabio de bajo contenido de:

9 azufre y fósforo

9 su contenido en silicio debe ser elevado (1,5 a 2,5 %).25 26

CONVERTIDOR THOMAS: BÁSICO CONVERTIDOR THOMAS: BÁSICO

1. Es una versión del convertidor Bessemer pero con revestimiento y

fundente básico.

2. También desaparecida, ya no se emplea.

4. La oxidación del fósforo va acompañada de un gran

desprendimiento de calor y un aumento considerable de la

temperatura:

3. El proceso Thomas propuesto en 1878, se empleaba para arrabios

ricos en fósforo.Luego el P O

2 P + 5 FeO ⎯→ P2O5+ 5 Fe + Calor

formado se une con la cal:

4. El calor se produce a consecuencia de la combustión del fósforo.

2 5

P2O5 + 4 CaO ⎯→ (CaO)4.P2O5

27 28

(escoria)

PROCESO MARTIN-SIEMENS (HORNO) PROCESO MARTIN-SIEMENS

1. Emplea combustible: gaseoso o líquido

2. Carga:

9 Puede soportar chatarra hasta un 85 %

9 Arrabio: sólido o líquido

9 Mineral de hierro: pellets

3. El oxigeno proviene de la chatarra o del mineral (FeO)

4. Los modernos emplean una lanza de oxigeno (hornos Ajax)

5. Empleo de recuperadores de calor

6. Capacidad hasta 500 toneladas

29 30

PROCESO MARTIN-SIEMENS

8. Tiempo de afino de 6 a 8 horas. Esta es la razón fundamental por

la que están siendo reemplazados por los procedimientos LD y

horno eléctrico.

9. En este proceso el S y P pueden reducirse a niveles inferiores

al 0,04 %.

10. La tendencia actual de este procedimiento es la de desaparecer.

Siendo la causa fundamental el gasto en energía, pues en

necesario un aporte muy elevado de calor para obtener acero.

32

CONVERTIDOR LD CONVERTIDOR LD

1. El nombre proviene de las iniciales de las ciudades austriacasLinz y Donawitz.

2. Opera sin aporte de combustible o potencia eléctrica.

3. Acero al oxígeno.

4. Por medio de una lanza refrigerada con agua se sopla oxígeno:

9 Alta velocidad y presión

9 Pureza > 99 %

5. Emplea:

9 Chatarra: 10 % – 35 %

9 Arrabio líquido

9 Fundente: cal (CaO) y refractario básico33 34

CONVERTIDOR LD REDUCCIÓN DE CONTENIDO DE IMPUREZAS

6. Tiempo: 20 a 50 minutos, capacidad 35 a 300 toneladas

7. El acero es de alta calidad: %N: 0,002 – 0,005

35 36

439

CONVERTIDOR LD OTROS CONVERTIDORES

37 38

HORNO ELÉCTRICO TIPO ARCO HORNO ELÉCTRICO TIPO ARCO1. El horno trifásico, posee en la parte superior tres electrodos de

grafito, dispuestos en los vértices de un triángulo equilátero.

2. La tensión eléctrica oscila entre 100 V y 500 V.

3. La intensidad entre 10 000 A y 50 000 A (amperios).

4. Los electrodos operan como grandes sistemas de soldadura

dirigiendo el arco eléctrico directamente a la parte superior de la

carga, ascendiendo y descendiendo automáticamente para

controlar la corriente del arco.

5. El calor se concentra en la parte superior de la carga, siendo necesario en general usar bobinas electromagnéticas a fin de inducir una agitación.

HORNO ELÉCTRICO TIPO ARCO HORNO ELÉCTRICO TIPO ARCO

6. La carga del horno está constituida fundamentalmente por chatarra.

7. Se alcanzan temperaturas de hasta 3 500 ºC.

8. Se empleaban para la fabricación de aceros de alta calidad:

9 aceros inoxidables

9 aceros para herramientas, etc.

9. En las siderurgias modernas se fabrican aceros ordinarios, empleando cargas:

9 hasta 100 % de chatarra

9 puede admitir hasta 50 % de arrabio41

10. En la actualidad existen hornos con capacidad mayor a las 300

toneladas

11. Ventajas:

9 Menores costos de instalación

9 Rendimiento superior a los otros procesos

9 Manejo fácil, amplia regulación y ocupa menos espacio

9 El empleo de temperaturas mas elevadas favorecen la

combustión y reducen, casi, totalmente el contenido de

azufre y fósforo42

PERIODO DE OXIDACIÓN PERIODO DE REDUCCIÓN

Durante el periodo de oxidación se oxidan todas las impurezas (excepto el azufre) debido al oxígeno del mineral o del óxido de hierro:

2 FeO + Si ⎯→ SiO2 + 2 Fe

FeO + Mn ⎯→ MnO +

Fe

5 FeO + 2 P ⎯→ P2O5 + 5

Fe

Después se agrega un poco de cal y coque desmenuzado para

eliminar el azufre, mediante un proceso de reducción:

FeS + CaO + C ⎯→ Fe + CaS + CO

MnS + CaO + C ⎯→ Mn + CaS +

CO

La presencia de cal asegura la reacción:

P2O5 + 4 CaO ⎯→ (CaO)4 P2O5 ⇒ escoria

43 44

COLADA A LA CUCHARA

COLADA Y SOLIDIFICACIÓN

45 46

COLADA Y SOLIDIFICACIÓN

1. Después de la conversión del arrabio en acero ordinario y el

vaciado en las CUCHARAS se procede al acabado, antes de

emplearla en las lingoteras o en las máquinas de colada continua

DESOXIDACIÓN

La desoxidación se realiza con la finalidad de eliminar el oxígeno o

sus compuestos disueltos en el baño metálico. Consiste en la

adición de determinados elementos desoxidantes, de los cuales el

aluminio es el más efectivo:

2. El acabado se refiere a tres aspectos:O (disuelto en el hierro) + Al ⎯→ Al

O

⇒ escoria

2 3

9 ADICIÓN DE ELEMENTOS ALEANTES: Mn, Si, Cr, Mo

9 DESOXIDACIÓN: para eliminar el oxígeno o sus compuestos

disueltos en el baño

9 LA CARBURIZACIÓN: aumento del contenido de carbono

para obtener los diversos tipos de acero

47

Aunque menos efectivo, la desoxidación por Si y Mn, también es

posible. El silicio es el que se añade generalmente para calmar

(desoxidar) al acero:

2 FeO + Si ⎯→ 2 Fe + SiO2

FeO + Mn ⎯→ Fe + MnO48

52

CO

LAD

A C

ON

TIN

UA

CO

LAD

A C

ON

TIN

UA

DESOXIDACIÓN COLADA Y SOLIDIFICACIÓN

¾ ACERO CALMADO

9 Se ha eliminado el oxigeno totalmente

9 La solidificación en la lingotera es tranquila

¾ ACERO SEMICALMADO

9 Se ha eliminado el oxigeno parcialmente

¾ ACERO EFERVESCENTE

9 No se ha eliminado el oxigeno

9 Hay una gran agitación del metal líquido cuando solidifica en

cucharaCOLADA DEL CONVERTIDOR U HORNO A LA CUCHARA

PalanquillasPlanchones

Lingoteras → lingote Moldes → fundiciónla lingotera 49 COLADA DESDE LA CUCHARA 50

Artesa

Palanquillas

Planchones

Palanquilla

51

COLADA CONTINUA COLADA CONTINUA – PLANCHONES

1. Permite obtener directamente PALANQUILLAS o productos

planos (PLANCHAS) partiendo del acero fundido, en longitud

teóricamente ilimitada.

2. El acero fundido se vierte desde la cuchara a una artesa

intermedia, de esta manera pasa continuamente a la lingotera (sin

fondo) donde adopta su sección.

3. Comienza a solidificar en la periferia, luego un segundo

enfriamiento (con agua directa) completa el proceso.

4. Por ultimo se efectúa el corte por oxicorte o guillotina.53 54

FABRICACIÓN DEL ACERO – RESUMENACERO

PLANTA DE ARRABIO PLANTA DE ACERO

ALTO HORNO CONVERTIDOR HORNO ELÉCTRICO

- PELLETS - ARRABIO - CHATARRA

- Coque - Chatarra - Arrabio

- Fundente - Fundente - Fundente

- Aire - Oxígeno

Proceso de:

Proceso de: Proceso d e : OXIDACIÓN y

REDUCCIÓN OXIDACIÓN REDUCCIÓN55