Departamento de Ingeniera Mecnica Agrcola

MATERIALES Y MANUFACTURA

PRESENTA:

M.I PEDRO CRUZ MEZA Chapingo, Edo de Mxico febrero de 2015

Unidad I. Estructura y propiedades mecnicas de los metales 1.4 Produccin de acero

Objetivos Al terminar el tema el alumno ser capaz de: Explicar los principios generales de la produccin de acero. Describir el mtodo de la produccin de acero en convertidores. Describir el mtodo de produccin de acero en hornos Martin. Describir el mtodo de produccin de acero en hornos de arco. Comparar los distintos mtodos de produccin de acero.

Principios generales de la produccin de acero Horno. Son las distintas instalaciones utilizadas para el procesamiento del arrabio y su ulterior transformacin en acero.

Revestimiento de los hornos cidos. El xido de slice (SiO2) es la responsable del carcter cido. Bsicos. El xido de calcio (CaO) es el responsable del carcter bsico.

ndice de basicidadI = % CaO/ % SiO2I > 1 Carcter de la escoria bsicoI < 1 Carcter de la escoria cidoI = 1 Carcter de la escoria neutro

Arrabios Fuente: Malishev et al, 1989Tabla 1 Composicin del arrabio (hierro fundido), segn el mtodo de obtencin.

Mtodo de obtencin Composicin , %Silicio Manganeso Fsforo Azufre Martin (M)0.3 0.51.5 3.50.30.07Bessemer (B)0.9 2.00.6 1.50.070.06Thomas (T)0.2 0.90.8 1.31.6-2.0 0.08

Ferroaleaciones Fuente: Malishev et al, 1989

Tabla 2 Composicin de las ferroaleaciones

Ferroaleaciones Composicin, %Silicio Manganeso Fsforo Azufre Ferrosilicio 9 - 1330.20.04Ferromanganeso 270 - 750.35 0.450.03

Proceso fsico qumico Los procesos de produccin del acero se dividen en las siguientes etapas.Oxidacin-reduccinRefinacin

Oxidacin-reduccinEl hierro presente en el arrabio se oxida en contacto con el oxigeno del aire o de un oxidante adecuado.Fe + O2 FeO + 64.4 kcal (268 kJ) (1)

Este xido es reducido posteriormente en contacto con elementos ms afines al oxigeno, que el hierro a las temperaturas de operacin del horno.2FeO + Si 2Fe + SiO2 + 79 kcal (329 kJ) (2)FeO + Mn Fe + MnO + 32.29 kcal (134 kJ) (3)FeO + C Fe + CO - 34.46 kcal (142 kJ) (4) CO + O2 CO2

5FeO + 2P 5Fe + P2O5 + 46.9 kcal (195 kJ) (5)

Anhdrido fosfrico o pentxido de fsforoxido ferroso

Refinacin Bajo esta denominacin general, se agrupan varios procesos que se realizan en la produccin del acero, con el fin de eliminar compuestos o elementos perjudiciales. Estos procesos son:La desoxidacinLa desfosforacin, yLa desulfuracin

Bao: O2, FeO, CO Escoria: SiO2, MnO, FeO, (CaO)3P2O5, CaS SiMnAlCal P2O5FeSFe

DesoxidacinLuego de la oxidacin del hierro (ecuacin 1), tiene lugar la reduccin del mismo por medio de otros elementos (ecuacin 2 a 5); pero, a causa de las leyes de reparto y equilibrio, siempre queda en el bao y en la escoria algo de xido de hierro. El monxido de carbono tampoco sale completamente del bao. Estos xidos no son convenientes pues, entre otros efectos, provocan porosidades a causa de los gases que no pueden escapar de la masa slida. El objeto de la desoxidacin es eliminar, en lo posible, el oxgeno que se encuentra en el bao despus de la etapa anterior, ya sea libre o combinado. El proceso se basa en la gran afinidad que tienen algunos elementos por el oxgeno, como el silicio y el manganeso por citar los ms comunes.Al aadir al bao un desoxidante adecuado, este reacciona con el xido de hierro (ecuacin 2), para producir hierro metlico. En consecuencia, la concentracin de xido de hierro en el bao disminuye y, para mantener constante el coeficiente de reparto, el xido de hierro de la escoria pasa al bao en la cantidad necesaria, para restablecer el equilibrio. De esta forma no slo se reduce la cantidad de xido presente en el bao sino tambin del presente en la escoria, con recuperacin de mayor cantidad de hierro.

La eleccin del desoxidante adecuado debe tener en cuenta, no slo la mayor afinidad del mismo con el oxgeno, tambin es necesario que el producto de la desoxidacin sea muy poco soluble en el bao para que se concentre en la escoria y se elimine con esta, pues de lo contrario aparecera como inclusiones en el metal, disminuyendo su calidad.Los desoxidantes ms comunes son el ferrosilicio y el ferromanganeso. Cuando la desoxidacin se realiza solamente con ferromanganeso, en el acero queda una cantidad de oxgeno suficiente para reaccionar, durante la colada, con el carbono, formando monxido (ecuacin 4), el cual escapa provocando la ebullicin del metal en la lingotera y, a causa de esto, recibe el nombre de acero efervescente. Cuando la desoxidacin se ha realizado con ferromanganeso y ferrosilicio, el contenido de oxgeno es menor y la reaccin con el carbono es menos violenta; recibe entonces el nombre de acero semicalmado. Cuando adems se utiliza para desoxidar el aluminio, la desoxidacin es completa y la reaccin (ecuacin 4), no se produce apreciablemente y recibe el nombre de acero calmado.

Defosforacin El fsforo es un elemento perjudicial en el acero. El mismo se combina con el hierro para formar la esteadita, que es un compuesto de gran fragilidad, el cual da lugar a la fragilidad del acero en fro. Es por esto que se trata de eliminar mediante la defosforacin.El fsforo forma con el oxgeno el pentxido de fsforo (ecuacin 5) que tiende a reaccionar con el hierro para formar un fosfato complejo que permanece en el bao. La forma de eliminarlo es la adicin de cal al bao para provocar la reaccin:P2O5 + 3CaO (CaO)3P2O5 (6)

Mediante la cual se incorpora el fsforo a la escoria.

Desulfuracin El azufre es otro elemento perjudicial. A semejanza del fsforo, forma con el hierro un compuesto; pero la nocividad del mismo consiste en su bajo punto de fusin. Esto provoca que, cuando el acero es sometido a una alta temperatura, como se hace durante la laminacin o la forja, este compuesto se funde, provocando la disminucin de la resistencia en esa zona. Este efecto se conoce como fragilidad en caliente.La eliminacin del azufre se logra mediante el xido de calcio:FeS + CaO CaS + FeO (7)Pero el sulfuro de calcio es poco soluble en la escoria, lo cual estorba la reaccin y la eliminacin de los productos. Para lograr realizar la desulfuracin en forma conveniente, es necesario asegurar las condiciones necesarias para la marcha del proceso. Estas son, entre otras, un grado adecuado de reduccin que garantice una cantidad mnima de xido de hierro, lo cual permite desplazar el equilibrio de la reaccin hacia la formacin de productos. Se precisa, adems, un ndice de basicidad alto (abundancia de xido de calcio) y una alta temperatura.

Mtodos de obtencin del acero Existen dos mtodos tradicionales de obtencin del acero que son:El afino por vientoEl afino sobre solera

Con posterioridad estos mtodos han cedido el paso a otros ms complejos, que garantizan mayores rendimientos y una mayor calidad. Estos mtodos modernos son en su mayora modificaciones de los dos mtodos referidos.

Elaboracin del acero en convertidoresLos convertidores son los hornos usados en el mtodo de afino por viento. Este es el ms antiguo de los procesos de produccin de acero, ya que data del ao de 1855. En este ao Henry Bessemer logr producir acero en un convertidor con revestimiento cido. Su principal inconveniente era el no poder tratar arrabios ricos en fsforo, a causa del revestimiento cido que impeda el uso de la cal. Posteriormente Sidney Thomas desarroll una variante bsica de este horno, en el cual se poda llevar a cabo la defosforacin. Este mtodo recibe su nombre de afino por viento, a causa de que oxida el exceso de carbono y las impurezas, por medio de una corriente de aire que se hace pasar a travs del arrabio lquido cargado. El calor necesario para el proceso lo proporciona en parte, el arrabio lquido a alta temperatura y en su casi totalidad las reacciones exotrmicas de oxidacin del silicio (ecuacin 2), y del fsforo (ecuacin 5). Una u otra reaccin ser quien proporcione la energa necesaria, en dependencia de que el proceso sea cido o bsico respectivamente. No se utiliza otro combustible.

ConvertidoresFigura 1 Esquema de un convertidor. 1- caja de aire; 2- muones; 3- conducto de aire.Recubrimiento: Bessemer: ladrillos de slice [SiO2] (conversin cida)Thomas: ladrillos de magnesita o dolomita [MgCO3.CaCO3] (conversin bsico)

ConvertidoresEl proceso del convertidor se puede dividir en tres etapas:La carga. Se carga con arrabio lquido a 1/3 de su volumen. El soplado. Dura de 15 a 20 minutos y durante el mismo se lleva a cabo la transformacin del arrabio en acero. En el perodo de soplado pueden distinguirse tres fases:Formacin de escorias.Combustin del carbonoEliminacin de impurezas La descarga.

Oxidacin - reduccin

Convertidor Figura 2 Convertidor en la posicin de carga y trabajo

Proceso BessemerAnlisis del perodo de soplado del convertidor Bessemer

Formacin de escorias (I)Al ponerse en contacto la carga con el oxgeno contenido en el aire del soplo, el hierro se oxida segn la reaccin ya conocida (ecuacin 1). La accin mecnica del soplo sobre el metal lquido provoca el arrastre, fuera del convertidor, de partculas de metal incandescentes, que arden en contacto con la atmsfera, con lo cual se ve en la boca del convertidor un gran nmero de chispas. A continuacin, el xido ferroso formado reacciona con el silicio y el manganeso (ecuacin 2 y 3) y el calor desprendido por estas reacciones, particularmente la del silicio, provoca el incremento de temperatura, necesario para pasar a la segunda fase del perodo de soplado: la combustin del carbono.

Proceso BessemerCombustin del carbono (II)Esta fase tiene lugar cuando la temperatura ha alcanzado alrededor de 1600 C y los elementos que, como el silicio, tienen mayor afinidad por el oxgeno, han desaparecido casi por completo. Es decir, que en estos momentos el nico agente reductor es el carbono. Este reacciona con el xido ferroso (ecuacin 4), y el monxido de carbono formado, al escapar del bao se quema, y produce una llama de color blanco deslumbrante en la boca del convertidor. El bao ebulle grandemente y el convertidor emite un sonido ronco. Hacia el final de la etapa, la llama decrece abruptamente e indica el final de la combustin del carbono. A causa del insuficiente volumen de oxgeno que penetra con el soplo, la reaccin con el carbono la realiza casi en su totalidad, el xido ferroso de la escoria; mientras el del bao reacciona parcialmente.

Proceso BessemerOxidacin de impurezas (III)En esta fase, por la boca del convertidor sale un humo pardo, que indica la oxidacin de los vapores de hierro y manganeso, producidos a causa de la alta temperatura. Esta fase debe ser estrechamente vigilada en la produccin de acero en convertidores Bessemer. Una vez que se llega a ella, se debe de detener el soplo para evitar prdidas de metal y garantizar la composicin deseada.La desulfuracin y defosforacin, que cabe esperar en este tipo de convertidores es sumamente pobre, ya que no es conveniente cargar cal; por ello el contenido de azufre y fsforo en la carga debe ser controlado estrechamente.

Proceso BessemerFigura 3 Grfico de la oxidacin de impurezas y variacin de temperaturas en el convertidor Bessemer.

Proceso Thomas1. La carga. Las porciones de cal que se carga, est entre el 9-18% del total de la carga. La cal asegura una defosforacin efectiva en este horno, sin afectar el revestimiento del mismo, ya que es bsico, compuesto fundamentalmente de dolomita. 2. El soplado. Las fases del soplado son las mismas que las que se presentan en el proceso Bessemer. El proceso dura aproximadamente 20 minutos.Formacin de escorias (I)La escoria se forma en este proceso de forma similar al Bessemer. La diferencia radica en que los arrabios usados en este horno son bajos en silicio, por lo cual el aumento de temperatura, a causa de la oxidacin del silicio y el manganeso ser poco, logrndose el aumento de temperatura mediante la oxidacin del fsforo.

Proceso ThomasCombustin del carbono (II)Al oxidarse el silicio casi por completo, se activa la combustin del carbono y surge en la boca del horno la llama caracterstica a esta fase; pero a diferencia del proceso cido, esta nunca llega a alcanzar la blancura y brillantez de aquel.

Proceso ThomasEliminacin de impurezas (III)Contrariamente al proceso Bessemer, en el Thomas esta etapa se prolonga bastante y se conoce comnmente como sobre soplado. La causa de ello es la eliminacin del fsforo. Para lograr la eliminacin del fsforo es necesario que el carbono haya sido reducido a niveles por debajo del 0.4%. La defosforacin se lleva a cabo entonces mediante la oxidacin del fsforo (ecuacin 5) y su incorporacin a la escoria rica en cal (ecuacin 6). Al igual que en el Bessemer, en esta fase se produce la quema de hierro, por lo que el tiempo de sobre-soplado debe reducirse al mnimo, compatible con las necesidades de la defosforacin. En este proceso es tambin posible la desulfuracin, a causa de que en esta etapa la temperatura aumenta hasta los 1 700 C, como consecuencia de la oxidacin del fsforo, lo cual fluidiza la escoria aun con un alto grado de basicidad.

Proceso ThomasEn este proceso, antes de proceder a la desoxidacin, es necesario retirar la escoria para evitar la refosforacin y la resulfuracin.

Tanto en el Thomas como en el Bessemer, las ferroaleaciones aadidas como desoxidantes, recarburizan algo el metal; pero en el Thomas este detalle no es importante, pues recurdese que el carbono se haba llevado hasta niveles muy bajos.

Proceso ThomasFigura 4 Grfico de la oxidacin de impurezas y variacin de la temperatura en el proceso Thomas.

Tabla 3 Resumen convertidores

Proceso Convertidor BessemerHenry Bessemer, 1855Convertidor ThomasSidney Thomas, 18781) Carga Arrabio Arrabio, cal 9-18% del total de la carga 2) Sopladot= 15-20 min, p = 1.5-2.5 atmt= 20 mina) Formacin de escoriaFe + O2 FeO + 64.4 kcal (268 kJ) (1)2FeO + Si 2Fe + SiO2 + 79 kcal (329 kJ) (2)FeO + Mn Fe + MnO + 32.29 kcal (134 kJ) (3)b) Combustin del carbonoFeO + C Fe + CO 34.46 kcal (142 kJ) (4)CO + O2 CO2 c) Eliminacin de impurezasFeO + Mn Fe + MnO5FeO + 2P 5Fe + P2O5 + 46.9 kcal (5) P2O5 + 4CaO (CaO)4. P2O5 3) Descarga

Proceso BOF (Basic-Oxigen Furnace) o LDEste proceso est muy extendido actualmente en la produccin de acero. El fondo del mismo es compacto. No presenta en su forma diferencias con respecto a los convertidores clsicos. En cuanto a su operacin, su detalle fundamental es el uso de oxigeno puro, en vez de aire para el afino. El oxigeno se insufla al horno por medio de la lanceta (1) que no es ms que un tubo de cobre que est enfriado por agua y cuya altura puede ser regulada. El revestimiento del horno es bsico y su marcha se asemeja bastante a la del convertidor Thomas.

Proceso LDFigura 5 Esquema del convertidor de oxigeno (proceso LD).Carga: 200 ton arrabio y 90 ton chatarra Tiempo : 20 minPresin: 1250 kPa (180psi) 6 a 15 atmT= 4 000 C

En el grfico de la marcha de la oxidacin (figura 6), se puede ver cmo se ha eliminado el perodo de sobre-soplado, ya que el fsforo se oxida conjuntamente con el carbono, de forma tal, que se alcanzan simultneamente las composiciones de fsforo y carbono requeridas.La calidad del acero producido en este convertidor es mayor que la de los convertidores tradicionales, y puede ser comparada con la de los aceros producidos en el horno Martin. Su contenido de azufre y fsforo es bajo.

Proceso LDFigura 6 Grfico de la oxidacin de las impurezas en el convertidor de oxigeno.

DolomitaCa Mg (CO3)2

Proceso OPLEste proceso presenta una capacidad extrema de adaptacin a las ms variadas composiciones de arrabios.La forma general del convertidor (figura 7 ), es similar a las ya vistas. Su particularidad radica en el hecho de que, el soplo se lleva a cabo mediante una lanceta y realmente es una inyeccin de oxgeno como en el LD. Pero en este caso, con el oxgeno se inyecta tambin cal en el horno. Esta cal, finamente pulverizada, ser la responsable, en unin del oxigeno, de la fcil eliminacin del fsforo. Por otro lado, el poder combinar la cal y el oxgeno en las proporciones requeridas, con gran facilidad, hace que se pueda cargar en el horno casi cualquier tipo de arrabio para su procesamiento. En este tipo de horno la oxidacin del fsforo se realiza tambin en forma simultnea con el carbono. Su calidad es alta como la de los aceros del convertidor LD. El contenido de fsforo y azufre es bajo.

Proceso OPLFigura 7 Esquema del convertidor de oxigeno (Proceso OPL).

Elaboracin del acero en hornos MartinEn el ao de 1865 el francs Pierre Martin logr fundir, de forma industrialmente satisfactoria, una mezcla de arrabio y chatarra en un horno. Para lograrlo Martin aplic a un horno comn el principio de la regeneracin, desarrollado por los hermanos Siemens 10 aos atrs y aplicado solamente hasta el momento a hornos industriales de pequeo tamao. El regenerador consiste en un espacio con un enrejado de ladrillos refractarios, que se comunica con el escape del horno. Los gases calientes del horno pasan por el enrejado y lo calientan. Cuando se ha alcanzado una temperatura adecuada en el enrejado, se hace pasar por el mismo la mezcla combustible que absorbe el calor del enrejado, con lo cual, al producirse la combustin, esta es ms eficiente y las temperaturas que se logran son mayores.

Por medio de estos regeneradores se logr aumentar la temperatura en el horno, lo suficiente como para lograr fundir la masa de metal, la cual, al tener un porcentaje de chatarra elevado, no permite utilizar para el proceso, la energa de la oxidacin de los elementos como el silicio y el fsforo, sino que precisa la utilizacin adems de una fuente externa de energa.Hornos Martino de hogar abierto 6 x15x1 m

Afino sobre soleraEl afino sobre solera, nombre genrico de este proceso, demora considerablemente ms tiempo que el afino por viento. Esto se debe, a que las reacciones metalrgicas que deben ocurrir para lograr la transformacin del arrabio en acero, son menos intensas en este proceso que en el afino por viento. La causa de ello est en que el agente principal de estas reacciones es el oxgeno. En el afino por viento, el paso del aire por el interior de la masa de metal garantiza un contacto del oxgeno con los elementos a oxidarse, el cual permite una reaccin activa. En el horno Martin, por el contrario, las reacciones se realizan mediante un intercambio del bao del metal con la escoria que se encuentra sobre l, y esta a su vez, con la atmsfera del horno. Esto limita el paso del oxgeno de la atmsfera del horno al bao, con el consiguiente retardo en el proceso. Por otro lado, el proceso es sumamente flexible en su aplicacin, y es esa su principal ventaja.

Horno MartinFigura 8 Estructura de un horno Martin. 1- ventanas de carga; 2- piquera.

Horno MartinEl periodo de fusin en un horno mediano puede durar unas 8 horas cuando se trabaja con arrabio slido. Durante la operacin del horno los recuperadores pueden alcanzar temperaturas cercanas a los 1 200 C, mientras en el espacio activo del horno las temperaturas llegan hasta los 1 800 C. Los hornos Martin presentan una caracterstica peculiar en su revestimiento refractario. La parte superior, es decir, la parte de la bveda, presenta un revestimiento cido, mientras la parte que se pone en contacto con el metal fundido puede presentar revestimiento tanto cido como bsico. Es comn encontrar revestimientos bsicos en esta parte. La causa de esta peculiaridad es el hecho de que los revestimientos cidos resisten mejor las elevadas temperaturas de la bveda del horno y la zona de los quemadores, que los revestimientos bsicos; y al no existir interaccin entre la escoria del horno y el revestimiento de esta zona, es perfectamente posible utilizar un revestimiento cido en la misma, aun cuando la marcha del horno sea bsica. S es necesario que exista la relacin acostumbrada entre la marcha del horno y el tipo de revestimiento en la solera, es decir, revestimiento bsico para marcha bsica y para la marcha cida, solera cida.

Horno MartinEl proceso Martin resulta sumamente flexible y sobre la base del proceso tpico de este horno, se han desarrollado numerosas variantes que han permitido adaptar el mtodo a las condiciones particulares de cada pas y regin. Por ejemplo, en los pases que son grandes productores de arrabio es posible operar el horno con una gran proporcin del mismo, sea en estado lquido slido. El proceso con arrabio lquido exige que la acera est cercana a los altos hornos.Por el contrario, en los pases no productores de arrabio se trata de disminuir la presencia del mismo en la carga y trabajar con gran contenido de chatarra, la cual redundar en una mayor economa.En el curso se analizar el proceso Martin con marcha bsica y arrabio slido.

Horno MartinFigura 9 Esquema de un horno Martin. 1- quemador ; 2- lnea de combustible; 3- recuperadores; 4- vlvula; 5- chimenea.Gases de combustinT = 1 200 CT = 1 800 CRevestimiento cidoRevestimiento cido o bsico

Funcionamiento del horno MartinDebido al carcter bsico del proceso es posible usar para la carga del horno, materiales con alto contenido de fsforo, de forma similar a lo visto en los convertidores Thomas. El contenido de azufre no debe ser alto y debe ser controlado el silicio. A diferencia del proceso Thomas, en el cual obligatoriamente el fsforo deba presentarse en proporciones elevadas, en el horno Martin no es necesario y la carga puede ser alta en fsforo, pero tambin trabaja perfectamente con arrabios bajos en fsforo.La marcha bsica permite tambin el uso de grandes cantidades de chatarra variada, ya que puede refinarse el metal durante el proceso de obtencin del acero. Con los revestimientos cidos, al no permitir estos la refinacin completa, la chatarra que se carga debe tener una composicin perfectamente controlada, lo cual encarece los costos de produccin.La carga del horno se prepara en el patio de carga. All se disponen las cantidades adecuadas de chatarra, arrabio, etc. La carga se efecta mediante mquinas (ver figura 10), que introducen los materiales en el horno.

El horno trabaja con ambas cabezas alternativamente. Hasta la cabeza de la izquierda llega el aire precalentado y el combustible, producindose la combustin. La llama calienta el techo del horno y el espacio activo del mismo. Los gases escapan por la cabeza del lado derecho y van al recuperador de ese lado, al cual ceden calor. Posteriormente pasan, por la vlvula y la chimenea, al exterior. Aproximadamente a los 20 minutos el recuperador est lo suficientemente caliente para invertir la vlvula. Cuando la vlvula se invierte, la cabeza derecha entra en combustin y los gases escapan por la cabeza izquierda, que ahora est en calentamiento.

La alternancia dura hasta el fin del proceso. En este se cumplen las etapas ya vistas, pero con algunos rasgos distintivos.

Fusin La oxidacin del hierro y su posterior combinacin con el silicio y el manganeso por medio de las reacciones de oxidacin-reduccin se lleva a cabo en la forma ya conocida (ecuacin 1, 2 y 3). Con esto se forma la escoria, a la cual tambin se incorpora la cal cargada, confirindole a la escoria carcter bsico. Esta etapa se corresponde con la etapa que llamamos de oxidacin-reduccin.

Refinacin Durante esta etapa se lleva a cabo la combustin del carbono, segn la ecuacin 4. Al combinarse el oxgeno con el carbono, el CO formado escapa del bao en forma de burbujas que provocan una agitacin notable del metal, con lo que se activa grandemente los procesos de intercambio que ocurren en la masa de metal dentro del horno y la atmsfera del mismo. Es en este momento que se oxidan las impurezas presentes en el metal y pasan a la escoria en la forma ya vista (ecuaciones 5 y 6). En este momento se aade ms cal al horno para favorecer la refinacin. Es posible tambin aadir, en este momento, mineral cuya mena se componga de xidos, para acelerar la oxidacin de las impurezas al introducir ms oxgeno en el bao.La desulfuracin en este horno est limitada por el carcter oxidante de las escorias (ricas en FeO), lo cual entorpece el proceso, provocando que no se logre desulfurar completamente.

Desoxidacin La desoxidacin en los aceros producidos por el proceso Martin se lleva a cabo en el horno y en la cuchara de colada. Al final del proceso se aade ferromanganeso y ferrosilicio al bao, con lo cual se logra en parte, desoxidar el metal. La desoxidacin se completa con la adicin de ms ferrosilicio en la cuchara y, posteriormente, con la adicin de aluminio. El aluminio desoxida completamente el metal y, adems, el producto de la desoxidacin (Al2O3) que se presenta como pequeos cristales sirve de centro de nucleacin durante la solidificacin del metal, con lo cual se logra un afino del grano. La marcha del proceso Martin bsico, con adicin de mineral, se puede ver en la figura 10.

Horno MartinFigura 10 Grfico de la marcha del proceso Martin bsico.

Tabla 4 Resumen horno Martin.

Proceso Horno MartinPierre Martin, 18651) Carga Arrabio (60-80%) + chatarra (40-20%)+ cal 2) FusinFe + O2 FeO + 64.4 kcal (268 kJ) (1)2FeO + Si 2Fe + SiO2 + 79 kcal (329 kJ) (2)FeO + Mn Fe + MnO + 32.29 kcal (134 kJ) (3)3) Refinacin FeO + C Fe + CO 34.46 kcal (142 kJ) (4)CO + O2 CO2Defosforacin 5FeO + 2P 5Fe + P2O5 + 46.9 kcal (5) P2O5 + 4CaO (CaO)4. P2O5 (6)Desulfuracin FeS + CaO CaS + FeO (7) 4) DesoxidacinFeO + Mn Fe + MnO5) Descarga

Elaboracin del acero en hornos elctricos El horno elctrico es relativamente nuevo, en comparacin con los restantes mtodos de produccin de acero. Su caracterstica principal es la produccin de aceros de elevada calidad, en forma econmica. Dentro de esta clasificacin general de hornos elctricos se encuentran:De arcoDe induccin

Dentro de los hornos elctricos, los ms comunes son los de arco.

Hornos de arcoExisten varios tipos de hornos de arco: El horno de arco monofsico, y El horno de arco trifsico.

Atendiendo a las caractersticas de la corriente elctrica que se use: Arco indirecto. El arco se establece entre los electrodos. Arco directo. El arco se establece entre los electrodos y el bao.

En la figura 11 se muestran los esquemas de estos tipos de hornos.

Hornos de arco elctricoFigura 11 Distintos tipos de hornos de arco elctrico.

Horno de arco indirectoEl ms usado de los hornos de arco, es el directo con alimentacin trifsica (figura 12). La bveda del horno posee tres orificios para el paso de los electrodos, los cuales suben y bajan gracias a un mecanismo hidrulico, que no se muestra. La bveda completa puede ser separada del resto del horno, para permitir la carga del mismo. El cuerpo de este est montado sobre segmentos circulares y una cremallera, con lo cual se logra inclinarlo para la operacin de descarga.

Horno elctrico de arco directoFigura 12 Esquema de un horno de arco directo.

Horno de arco directoEn la marcha bsica del horno elctrico es comn, para obtener aceros de calidad, el uso del proceso de doble escoria, llamado tambin de refinacin doble. Se estudiar este proceso con arrabio slido.Las fases de marcha de este proceso son, al igual que en el horno Martin: la fusin, el afino y la desoxidacin; aunque las dos primeras se funden en una sola.

Fusin y afinoEsta etapa se realiza en una atmsfera oxidante y con la adicin de cal. Las reacciones que ocurren en esta etapa son las ya conocidas de oxidacin-reduccin (ecuaciones 1, 2, 3, 4 y 5).Al final de la etapa se obtendr una escoria de color oscuro, que ha incorporado los xidos de silicio, manganeso, fsforo, etc. Antes de continuar, es necesario eliminar esta escoria y formar otra con la presencia de pocos xidos, con lo cual presentar un carcter reductor.Esta nueva escoria se logra aadiendo ms cal al bao y esta nueva parte del proceso se contina en una atmsfera reductora. Para formarla, tambin se aade fluoruro de calcio y algo de coque desmenuzado. La desulfuracin se logra por la siguiente reaccin:C + CaO + FeS CaS + CO + Fe (8)La escoria reductora de esta etapa, es decir, la segunda escoria, presenta un color blanco y es bastante fluida a causa de la elevada temperatura.

Desoxidacin La desoxidacin que se realiza en el horno elctrico no es la ya conocida por precipitacin, sino por difusin. Su principio radica en poner en contacto una escoria reductora (pobre en oxgeno) con el bao oxidado, con lo cual, de acuerdo con el equilibrio que debe mantenerse entre la escoria y el bao, parte de los xidos pasarn a la escoria donde se pueden tratar para separar los iones metlicos, y recuperarlos eliminando el oxgeno. Este tipo de reduccin se puede llevar a cabo en el horno elctrico gracias a poder crear la atmsfera reductora y mantener las escorias fluidas. La calidad del acero producido por este mtodo es alta; pero al depender la desoxidacin de los fenmenos de difusin, el tiempo necesario para el proceso es mayor. Este tiempo se puede acortar agitando el bao por medio de inductores bajo la solera que origina campos magnticos, los cuales crean un flujo en el bao, siguiendo las lneas del campo. En la figura 13 se puede observar un esquema de este dispositivo.Los elementos de aleacin se aaden despus de efectuada la desoxidacin.

Hornos de arco elctrico con calentamiento por induccinFigura 13 Esquema de un dispositivo de calentamiento por induccin para hornos de arco elctrico.

Hornos de induccinClasificacin Segn la frecuencia que usen: Hornos de baja frecuencia Hornos de media frecuencia Hornos de alta frecuenciaLos hornos de baja frecuencia funcionan con corriente de la red y no se emplean para la fusin del acero. En la produccin de acero, generalmente son usados slo como hornos de mantenimiento.Los hornos de media y alta frecuencia se conocen como hornos sin ncleo y son usados para la produccin de aceros especiales.

Ventajas y desventajasEl calentamiento se limita exclusivamente al bao, mantenindose la escoria a una temperatura mucho menor y muy poco fluida, lo que tambin limita el intercambio. A causa de estas limitaciones el horno de induccin se usa prcticamente, slo para fusin y por ello los componentes de la carga deben tener una pureza elevada y una composicin controlada; esto, por otro lado, permite obtener aceros de muy alta calidad. A causa de la casi total ausencia de intercambios y reacciones, pueden usarse como elementos de aleacin metales deficitarios y caros. En estos casos el campo del inductor favorece la unin de todos los elementos, al agitar el bao.

Horno de induccinFigura 14 Esquema de un horno de induccin sin ncleo. 1- crisol; 2- inductor; 3- metal.

Tabla 5 Resumen horno Elctrico

Proceso Horno elctricoEstados Unidos, 19061) Carga Arrabio + cal + hierro u xido de hierro 2) Proceso de oxidacin2FeO + Si 2Fe + SiO2 + 79 kcal (329 kJ) (2)FeO + Mn Fe + MnO + 32.29 kcal (134 kJ) (3)5FeO + 2P 5Fe + P2O5 + 46.9 kcal (5) P2O5 + 4CaO (CaO)4. P2O5 (6)

FeO + C Fe + CO 34.46 kcal (142 kJ) (4)CO + O2 CO23) Proceso de reduccin FeS + CaO + C Fe + CaS + CO (7)MnS + CaO + C Mn + CaS + CO 4) Descarga

Colada del aceroClasificacinSegn la forma en que el metal fundido puede llenar la lingotera:Colada por arriba. El caldero se sita sobre la lingotera a llenar y el metal fluye por gravedad, llenando la cavidad de la lingotera. Mediante este mtodo se puede efectuar la colada con el metal ms fro. Colada por abajo (colada en fuente). Las lingoteras se llenan comenzando por su parte inferior, gracias a un sistema de alimentacin y el bebedero. Este mtodo exige mayor preparacin que el anterior y el mantenimiento tambin aumenta, pero alimenta a la lingotera con mayor uniformidad y necesita un menor movimiento del caldero, pues con un solo bebedero se alimenta varias lingoteras. Colada al vaco. Se utiliza para aceros de alto carbono y especiales (alta aleacin), con el fin de lograr una desgasificacin completa. El vaco que se utiliza es de 5 a 0.1 mm de mercurio y por este mtodo se elimina hasta un 60% del hidrgeno atrapado en el metal. En los aceros colados con este mtodo el nmero y tamao de las inclusiones disminuyen considerablemente.

Colada del acero por arribaFigura 15 Cazuela de colada y lingotera.

Colada del acero por abajoFigura 16 Esquema de colada por el fondo.

Colada al vacoFigura 17 Esquema de una instalacin de colada al vaco, del acero.

Estructura de los lingotesFigura 18 Seccin transversal del lingote de acero. 1- capa fina y compacta de pequeos cristales orientados arbitrariamente; 2- cristales prismticos alargados, dendrticos ; 3- cristales distribuidos sin orden (forma equiaxial).

Actividad Compare los diferentes mtodos de produccin de acero sobre la base de calidad, economa y facilidad de produccin

Acera. Ntese la tonalidad del vertido Muchas Gracias