INYECCION DE MINERAL Mn (MANGANESO) EN ACERO LIQUIDO

M. Vargas- Ramírez, A. Romero-Serrano, M. Ángeles-Hernández y F. Chávez-Alcalá.

Departamento de Ingeniería en Metalurgia y Materiales, IPN-ESIQUE

INTRODUCCIONLos elementos aleantes necesarios para la fabricación de aceros, generalmente, se introducen en el baño metálico en forma de ferro aleaciones, tales como ferrocromo, ferrosilicio y ferromanganeso.

Ferroaleaciones son obtenidas mediante la reducción de mineral con carbón en un horno de arco eléctrico.

Bajo costo del C.

Eficiente agente reductor.

Publicaciones Sustitución de ferromanganeso por mineral de manganeso.

Fab. acero BOF

Eficiencia

La proporción de Mn que pasa a formar parte del acero con respecto a la cantidad agregada.

Ferromanganeso Eficiencia del 88% Mineral de Mn

Eficiencia 80%

ESTUDIO

TEORICO Y EXPERIMENTAL

Velocidad de reducción.

Mineral de Mn

T= 1600oC

Modelo propuesto por Ohguchi.

Mineral MnO-FeO-CaO-

MgO - SiO2

Tamaño de partícula de 74 µm.

Horno de inducción

10Kg acero

0,5 a 2% C

Reacción transitoria

Reacción permanente

Baño metálicoPartículas de metal

÷ ÷Baño metálico

Escoria

MECANISMO DE TRANSFERENCIA DE MASA EN LAS PARTICULAS

El mecanismo de reacción de las partículas se considera como el del modelo topoquìmico, es decir que a medida que la reacción procede, la interfase se moverá desde la superficie exterior hasta el centro de la partícula, formando una frontera bien definida entre la parte que reacciona y la que no.

Calculo del modelo, donde se acoplan las reacciones transitoria y permanente.

PARTE EXPERIMENTAL

Fundir un acero de

bajo carbono

Recarburarlo a contenidos de 0,5, 1 y 2% C.

Finalidad

Determinar su efecto sobre la reacción de reducción del MnO

AISI 1018

Composición química

0.17 % C

0.055% S

0.04% P

0.75% Mn

0.16% Si

Para analizar el cambio de composición del baño metálico, se obtuvieron muestras del acero a diferentes tiempos de tratamiento.

A las cuales se les analizó el porcentaje de Carbono, Silicio, Manganeso.

Características del equipo utilizado Horno de inducción, capacidad 10kg con un

recubrimiento de alùmina.

Dispositivo de alimentación de polvo de mineral, que consiste en un compartimiento cilíndrico con capacidad de 500g.

Una lanza de inyección constituida de carburo de silicio recubierto con material refractario

Diámetro interno de 1.27cm, longitud de inmersión de 0.1m, velocidad de inyección de polvo, 100g/min.

Gas de arrastre Nitrógeno.

Flujo de gas 4.17x 10-5 Nm3/s.

Materiales empleadosAISI 1018

Composición química 0.17 % C0.055% S0.04% P

0.75% Mn0.16% Si

En la superficie del metal una escoria formada por 10% CaF2 con las cantidades requeridas para obtener la relación en masa de CaO/SiO2 de 2 y 3.

El mineral de Mn utilizado, procede de la Compañía Minera Autlàn, México

Finalidad de la experimentación Determinar el efecto del carbono del acero y la basicidad (CaO/SiO2) de la escoria sobre la reducción del MnO.

Parámetros variables: contenido de carbono inicial en el acero (0.5, 1 y 2 % C) y la basicidad CaO/SiO2 = 2 y 3.

Parámetros constantes: masa del acero 10kg, la temperatura (1600oC), el tamaño de los polvos de mineral(74 µm) y la masa de la escoria colada en la superficie del metal (300g)

Tres inyecciones de 100g de mineral de Mn.

1ra. Inicio del tratamiento2da. en el minuto 11

3ra. Minuto 22.

Reposo de 10 min del baño metálico con la finalidad de promover la reacción permanente

Consecuencias de la inyección de material frío al baño provoca

variación en la temperatura entre 1580

y 1620oC

RESULTADOS Y DISCUSIÓNLas figuras 3, 4 y 5 muestran los resultados del efecto del tiempo de reacción sobre la composición del acero, utilizando escorias con basicidades (CaO/SiO2) de 2 y 3 y aceros con contenidos iniciales de carbono de 0.5, 1.0 y 2%C.

Resultados de composición

Mn, C, Si son concentraciones de acero a un instante

dado.

Mno, Co, Sio son concentraciones

iniciales.

Líneas indican valores calculados con el modelo teórico

Puntos representan valores experimentales.

Comportamiento esperadoComportamiento esperado

La relación Mn/Mno debe aumentar y ser mayor a la unidad a lo largo del proceso, mientras que las relaciones de los agentes reductores (C/Co y Si/Sio) deben disminuir.

Tres figuras muestran que se obtuvo una buena concordancia entre los resultados experimentales y los calculados con el modelo, obteniéndose un error promedio menor del 15%.

Muestran que la reducción del MnO se efectúa en forma màs eficiente durante la inyección del mineral (reacción transitoria), comparada con la que se efectúa durante la etapa de reposo del metal (reacción permanente).

Esto se comprueba con los cambios bruscos en las pendientes de las curvas Mn/Mno durante las tres inyecciones de mineral.

La baja eficiencia en la reducción de MnO durante la reacción permanente, puede deberse :

Al tiempo relativamente corto de tratamiento.

Pequeña área de contacto entre la escoria y el metal.

Los resultados indican que la relación de manganeso (Mn/Mno) se incrementa al aumentar el contenido inicial de C en el baño metálico, por lo cual , este proceso puede ser más recomendable para la fabricación de aceros con alto contenido de carbono.

Por otra parte se observa que la reducción de MnO es ligeramente mayor al emplear escorias con elevada basicidad. Para un valor constante de contenido inicial de carbono la relación Si/Sio disminuye conforme la basicidad de la escoria se incrementa.

Por ello la reducción de MnO con silicio es más eficiente a basicidades elevadas.

Eficiencia del proceso se define como la relación entre la cantidad de Mn que entra en el baño metálico y la cantidad de manganeso adicionado en el mineral multiplicada por 100.

Mediante el balance de masa se puede establecer que el incremento en el % Mn en la composición del acero por la adición del mineral de manganeso es de 1.21%.

Entonces el valor máximo de Mn será de 0.75 + 1.21 = 1.96%.

Los mejores resultados se obtienen al incrementar la cantidad inicial de C.

El papel que juega la basicidad es poco importante cuando el % de C es bajo, pero esta ayuda a incrementar la eficiencia del proceso, cuando la cantidad de C es elevada.

Comportamiento del silicio a diferentes basicidades de escoria

Actividades de MnO y SiO en escoria en función de la concentración de MnO y la basicidad.

La actividad de MnO se incrementa con la concentración de MnO, dicha actividad en una escoria con CaO/SiO2 de 2 es ligeramente mayora a una de basicidad igual a 3.

Grafica obtenida mediante un análisis termodinámico.

El efecto de MnO sobre la actividad de SiO2 disminuye casi 10 veces cuando la basicidad aumenta de 2 a 3.

Lo que indica que el silicio podrá oxidarse más fácil cuando se incremente la basicidad, provocando que la relación Si/Sio en el baño metálico sea más pequeña con basicidades elevadas.

La actividad del Mn es independiente del contenido de C, mientras que la actividad del C varia de 0 a 0.14 y la del silicio incrementa de 10-5.4 a 10-5.0.

Se deduce que el silicio disminuye su eficiencia en la reducción de MnO conforme el contenido inicial de carbono se incrementa. Debido al valor del parámetro de interacción

Además el efecto de la basicidad de la escoria sobre la aSiO2 es más importante que sobre aMnO.

Efecto del contenido de carbono en el acero sobre las actividades de C, Si y Mn.

Elevadas basicidades disminuyen aSiO2 , lo que indica que la reacción de oxidación del Si es factible.

Una elevada basicidad mejora la reducción de MnO con silicio.

Una baja basicidad junto con un contenido elevado de C puede mejorar la reducción de MnO con carbono y disminuir la reducción de MnO con silicio.

CONCLUSIONESLos resultados calculados y experimentales muestran:

• La reacción transitoria que tiene lugar durante la inyección produce una mayor reducción de MnO que la que tiene lugar durante la reacción permanente.

• Las mayores eficiencias del proceso se obtienen al incrementar el contenido de carbono en el acero y la basicidad de la escoria.

• La reducción de MnO con silicio es más eficiente que la reducción con carbono, aunque ambas reacciones se llevan a cabo simultáneamente durante el proceso.

• A elevada basicidad disminuye la aSiO2, mejorándose así la reducción de MnO con silicio, mientras que una baja basicidad con un elevado %C puede mejorar la reducción de MnO con carbono.

BIBLIOGRAFIA

Inyección de mineral de manganeso en acero liquido

M. Vargas- Ramírez, A. Romero-Serrano, M. Ángeles-Hernández y F. Chávez-Alcalá.

Publicación: Revista de metalurgia

Trabajo recibido el día 18 de junio de 2002 y aceptado en su forma final el 31 de octubre de 2002.

Departamento de Ingeniería en Metalurgia y Materiales, IPN-ESIQUE, A. Postal 75-874, México D.F. CP 07300.

Pagina Web: www.revistademetalurgia.revistas.csic.es/