ACEROS CHILE

APUNTES SOBRE FUSION
DE ACEROS
HORNOS DE ARCO
PABLO DURAND BERGERET
Ingeniero Metalúrgico
1.- INTRODUCCIÓN
Dentro de los procesos necesarios para producir una pieza metálica fundida,
la preparación de la aleación líquida, o proceso de fusión, es solo una operación
más, como se puede apreciar en el siguiente esquema, pero debido a su
importancia, es la que caracteriza a este tipo de industria.
ESQUEMA BASICO DE UNA FUNDICION
ADM IN ISTRACION
A
B
A
S
T
E
C
I
M
I
E
N
T
O
V
E
N
T
A
S
INGENIERIA - CONTROL DE CALIDAD - DESARROLLO
2.- HORNOS DE FUSIÓN
Para obtener la aleación líquida se utilizan los Hornos de Fusión, que son
recipientes diseñados para transferir energía a la carga metálica, soportar altas
temperaturas y permitir el manejo de la chatarra y metal líquido producido, todo en
forma eficiente y segura. La eficiencia del equipo es un factor fundamental, puesto
que los costos en insumos y energía son muy elevados, razón por la cual los
tiempos deben reducirse al mínimo.- Por otra parte, el hecho de tener que operar
con altas temperaturas y energía hace que el nivel de riesgos sea elevado, razón por
la cual éstos deben ser muy bien conocidos y controlados.
Los únicos hornos a escala industrial capaces de operar eficientemente a
temperaturas superiores a los 1.550 ºC necesarios para procesar aceros son los
alimentados con energía eléctrica, de los que existen dos tipos principales:
2.1.- HORNOS DE INDUCCIÓN SIN NÚCLEO.Como podemos ver en la figura, el horno es una bobina cubierta con material
refractario acorde con las aleaciones a fundir.- Esta bobina es alimentada con
potencia eléctrica de alta frecuencia proveniente de una fuente de poder, la que
genera un poderoso campo electromagnético que induce altas corrientes en la
chatarra y luego en el metal líquido.- Esta elevada corriente inducida es la que
genera el calor necesario para el proceso de fusión.- Eléctricamente es similar a un
transformador cuyo primario es la bobina y la carga el segundario en cortocircuito.
Refractario de
trabajo
Apisonable
Piquera
Bobina
inductora
Chatarra y
Metal Líquido
Fondo refractario
2.2.- HORNOS DE ARCO DIRECTO (HAE).La energía en estos hornos se transmite a la carga a través de los arcos eléctricos
producidos entre ella y los electrodos de grafito.
Conexión de potencia Eléctrica
Electrodos de grafito
Piquera
Puerta de
carga y
escoriado
Escoria
Metal
Horno volteado para colar
Crisol
Cuchara
Este tipo de hornos es el más ampliamente usado en la producción de piezas
fundidas de mediano y gran tamaño.- Es un horno rápido que permite un trabajo de refino
de la carga.
Consiste en un crisol recubierto con ladrillos refractarios, cuya naturaleza
química dará las características de operación, un techo, también recubierto, desplazable
para permitir el carguío de la chatarra y con tres orificios para el paso de los electrodos.
El horno completo pivotea para vaciar su contenido a la cuchara.
Los tres electrodos, uno por cada fase de la electricidad, tienen un mecanismo
para su movimiento vertical, de manera de poder elevarlos para cargar el horno y
posteriormente regular su descenso según el procedimiento de operación de la colada,
puesto que según el momento se va usando largos de arco diferentes.
2.3.-RECUBRIMIENTO DE LOS HORNOS DE ARCO (HAE).El recubrimiento refractario de los HAE determina la manera de usarlo.
Originalmente se recubrían con ladrillos y morteros de sílice y arcilla, por ser los
únicos disponibles, y como la sílice tiene un comportamiento químico ácido, sólo se
podía efectuar operaciones (marchas) que generaran escorias y manejaran aleaciones de
comportamiento ácido, puesto que en caso contrario (escorias y aleaciones de
comportamiento químico básico) el revestimiento se destruiría o gastaría aceleradamente
por reacción química con la carga o la escoria.- Estos revestimientos ácidos permiten la
producción de todos los aceros al carbono, de baja aleación y fierros fundidos.
Posteriormente se desarrollaron los ladrillos y morteros en base a magnesita y
cromita, los que tienen un comportamiento básico y los refractarios de alto contenido de
alúmina, que sirven para ambos comportamientos.
Estos nuevos materiales refractarios ampliaron el uso de estos equipos a
prácticamente todas las aleaciones ferrosas.
Cubierta
enfriada
Electrodos de grafito
por agua
Ladrillos de
Ladrillos
alta Alúmina
de Sílice
Ladrillos
Ladrillos
Magnesita/Cromita
de Arcilla
Ladrillos de
Ladrillos
Magnesita
de Sílice
Mortero
de Sílice
Apisonable alto
Revestimiento Acido
Revestimiento Básico
en Magnesita
3.-TIPOS DE MARCHAS.Como hemos visto, existen dos maneras de operar un HAE, según su
revestimiento refractario, ambas de características muy diferentes:
3.1.- MARCHA ACIDA.Horno recubierto con ladrillos de Sílice, morteros de arcilla y alúmina.
Solo se puede usar una escoria ácida, por lo que se fabrica con sílice, con el
mínimo contenido de cal (CaO) y magnesia (MgO).
Con este tipo de marcha es fácil eliminar los gases e inclusiones, así como el
control del contenido de Carbono de la aleación que se está fabricando o refundiendo.
El costo de estos recubrimientos es bajo, pero a pesar de eso su uso es limitado
por lo siguiente:
No se puede controlar el Fósforo y el Azufre y no se pueden usar
para aleaciones de comportamiento químico básico, como los aceros de
alto contenido de Manganeso.
Estas restricciones son graves, puesto que los aceros de calidad solo permiten un
bajísimo contenido de S y P (< 0.05%) por su nefasta influencia sobre sus propiedades
mecánicas y soldabilidad.- Por otra parte, los aceros al Mn son de los que mas se
producen como repuestos para chancadores en la minería.
3.2.- MARCHA BÁSICA.Horno recubierto con ladrillos de magnesita, cromita y alúmina, morteros de
estos mismos materiales.
Se utilizan escorias básicas mediante la adición de cal y magnesia.
Con el manejo de la escoria (oxidante / reductora) se logra controlar el contenido
Azufre, Fósforo y prácticamente todos los elementos aleantes.
4.-REQUERIMIENTOS DE LA ALEACIÓN LÍQUIDA.El Área de Fusión es la responsable de proveer al proceso de fabricación de la
aleación que va a ser colada en los moldes.- Para cumplir con este objetivo, se debe
satisfacer las siguientes condiciones:
4.1.- TEMPERATURA ADECUADA.Debe estar perfectamente especificada, considerando todas las pérdidas de
temperatura que ocurren entre la piquera del horno y la cavidad del molde.- Dependerá de
varios factores, entre los que cabe mencionar:
- Tipo de Aleación.Dependiendo de su composición química, cada aleación
tiene una temperatura específica a la cual comienza a solidificar, la cual es la base para
especificar la temperatura con debe salir el metal del horno.
- Espesor de la pieza a fundir.Mientras mas delgada sea una pieza, mayor
deberá ser la temperatura del metal, pues perderá mucho calor en el transcurso del
llenado de la cavidad del molde, haciéndole perder fluidez al líquido y arriesgando una
solidificación prematura que impediría el llenado completo, o defectos de uniones frías
por llenado de esa zona con metal proveniente de recorridos mas largos.
- Tamaño de la pieza.Las piezas de mayor tamaño necesitarán tiempos
mayores de llenado del molde, por lo que necesitarán mayor temperatura en la cuchara.
- Cantidad de moldes por cuchara.A mayor cantidad de moldes a fundir en
cada cuchara, mayor deberá ser la temperatura en el primer molde para asegurar una
temperatura adecuada en el último.- Si la temperatura en el primer molde es demasiado
alta para asegurar esto, se deberá usar cucharas mas pequeñas y colar menos cantidad de
moldes a menos temperatura, puesto que se pueden presentar problemas severos en las
piezas fundidas a muy altas temperaturas, tanto por fallas de los moldes, como por
defectos en el metal mismo.
- Tecnología disponible.Influye en la determinación de la temperatura de
salida del horno factores tecnológicos propios de cada planta, que determinan la
velocidad de manejo del metal líquido y la pérdida de temperatura, como ser la velocidad
del puente grúa, tipo de revestimiento de las cucharas y la capacidad de precalentamiento de éstas.
Es fundamental el control de la temperatura mediante pirómetros de
inmersión a la salida del horno y en la entrada al molde, así como su registro para
apoyar el análisis de defectos y mejoramiento del proceso.
4.2.- COMPOSICIÓN QUIMICA ESPECIFICADA.Toda aleación está compuesta por varios elementos, cada uno de los cuales debe
estar presente en una cantidad especificada dentro de un rango, en porcentaje en peso.Estas especificaciones pueden ser según Normas Internacionales o Internas de cada
Fundición y se deben cumplir estrictamente para asegurar la obtención de una aleación
con las propiedades físicas y mecánicas que el cliente requiere.
Lo anterior se logra con lo siguiente:
- Selección de la chatarra.Por razones económicamente obvias, se debe
utilizar chatarra con la composición química lo mas cercana posible a la que se desea
obtener y en lo posible a la que se tenga que agregar elementos aleantes y no quitar, pues
esto alarga el proceso de fusión y el elemento que se quita se pierde.- Esta chatarra debe
estar libre de humedad y elementos orgánicos como aceites, grasas, pinturas y plásticos,
puesto que adicionan Hidrógeno al baño, el que deberá sacarse pues tiene efectos nocivos
sobre la aleación y pueden generar fuertes explosiones con graves daños al personal y a
los equipos (sobretodo al recargar habiendo metal líquido en el horno).
- Adición de elementos.Los elementos que no se encuentran en la chatarra se
deben adicionar como ferro-aleaciones (Cromo, Manganeso, Silicio, Molibdeno) o como
metales puros (Níquel, Cobre).
Es muy importante adicionarlos en el momento adecuado para no perderlos
como óxidos en la escoria o en los humos.
La composición de la aleación debe ser controlada mediante análisis
químicos, tanto preliminares como finales, en cada colada.
4.3.- NO CONTENER ELEMENTOS INDESEABLES.La eliminación o control bajo el máximo especificado de los elementos
indeseables como Fósforo, Azufre, Manganeso, Silicio, Aluminio y exceso de Carbón, se
logra mediante su Oxidación con el oxígeno presente en la carga como óxido de fierro,
con el de la atmósfera, o con el intencionalmente agregado.- Los óxidos formados se
eliminan con la escoria al ser atrapados por ella, o por los humos.- Los detalles de esta
operación los veremos mas adelante.
4.4.- DISPONIBILIDAD.Todas las operaciones deben estar coordinadas con las otras etapas del proceso
de fabricación de manera de colar en cuanto esté listo el metal del horno, ya que éste no
puede esperar pues implica un altísimo costo, consumo de refractarios y riesgo de cambio
de composición de la aleación por oxidación de algunos elementos muy afines al
oxígeno.
5.- OPERACIÓN.El proceso se inicia con el carguío de chatarra al horno, el que se realiza
corriendo el techo del horno para depositar en su interior la chatarra transportada en un
capacho.
Este capacho proviene del Área de Preparación de Cargas, donde ha sido
preparado de acuerdo a la aleación que se fundirá.- Esta etapa es fundamental para el
buen desempeño del proceso.
Con la carga dentro del horno se cierra el techo y se hace descender los tres
electrodos de grafito, conectando la energía, produciéndose un arco eléctrico entre la
carga fría y cada electrodo, liberándose gran cantidad de calor, el que hace subir la
temperatura del horno y de la chatarra, hasta que se comienza a formar una poza de metal
líquido en el fondo.
Cuando se ha derretido chatarra suficiente como para dar cabida a otra carga, se
corta la energía, se suben los electrodos, se corre el techo y se deposita un nuevo
capacho.- Se repite el proceso y comienza la fusión del segundo capacho.
Una vez que se ha derretido toda la chatarra (dos o tres capachos), el baño se
torna plano, el arco de estabiliza y se le continúa subiendo la temperatura hasta alcanzar
la de colada.
En esta etapa se pueden realizar las operaciones metalúrgicas de desulfuración,
desfosforización y descarburización.
Lograda la temperatura de colada, se corta la energía, se extrae la escoria y se
vacía el metal a la cuchara.
6.- ETAPAS DEL PROCESO.6.1.- PREPARACIÓN DE LA CARGA.El proceso se debe considerar desde la preparación del capacho de carguío.La chatarra debe estar seleccionada según la aleación a
fundir, sin contenido de orgánicos y sin humedad.- La proveniente
de retornos internos deberá tener la menor cantidad de arena
posible si, como en nuestro caso, se usan marchas básicas, pues la
arena silícica es ácida.
Chatarra Mediana
El ordenamiento dentro del capacho es el mismo que va a
tener dentro del horno, por lo cual es necesario que se cargue según
su tamaño o densidad aparente y según sea el orden de carguío del
Chatarra Delgada
capacho.
Es habitual agregar en el capacho fundentes o escorificadores
como la cal para apurar la formación de escoria y proteger el interior
de horno contra la radiación del arco.- En este caso se coloca
Chatarra Gruesa
en las paredes laterales del capacho, para que al caer
Cordel
queden cerca de las paredes del horno, cerca de los
puntos calientes.
Si el capacho va a ser cargado en primer lugar con horno vacío, es recomendable
poner en el fondo la chatarra delgada o esponjosa (viruta, etc.) para que proteja el
refractario del piso ante la caída de los trozos gruesos.
La chatarra más liviana o delgada se carga encima porque se funde con mayor
rapidez, facilitando así la formación de la poza líquida, la que mejora la transferencia de
calor en la carga y acelera su proceso de fusión.
Si el capacho va a ser usado como recarga sobre metal líquido, la disposición más
conveniente es la mostrada en la figura, que asegura una fusión más rápida de la carga
gruesa y disminuye los riesgos de rotura de electrodos por golpes de trozos grandes al
descendiendo y acomodándose la carga a medida que avanza su fusión.
6.2.- CARGUÍO.-
Primera carga.- Se abre el techo y se
carga el primer capacho.
Fusión inicial.- Se cierra el techo,
descienden los electrodos y se da la energía.
Comienza la fusión de la chatarra de más
arriba, escurriendo el metal líquido y formándose la
poza en el piso.
Se utiliza un voltaje intermedio y el arco es
muy inestable, con rápido movimiento de los
electrodos, el que es controlado automáticamente
por un servomecanismo que obedece a parámetros
eléctricos del arco.
Recargas.- Se abre el techo luego de
cortar la energía y retirar los electrodos.
Se carga nuevo capacho sobre el metal
líquido, o con mayoría de líquido.
Re-Carga de
chatarra
6.3.- FUSIÓN.Fusión completa.- El proceso de
recarga se repite hasta completar la capacidad
de horno.- Los capachos se diseñan para no
tener que necesitarse mas de dos recargas.
Se continúa suministrando potencia
aumentando el voltaje del arco, el que se torna
mas largo, en la medida de que se tenga
suficiente cantidad de escoria y chatarra para
Fusión de carga
proteger las paredes y el techo de la radiación
del arco, hasta tener toda la chatarra en estado
acero
líquido, momento en que se tiene un baño plano
y arco largo y estable.- En este punto, para proteger las paredes y el techo de la radiación
del arco se debe reducir el voltaje, fabricar escoria protectora y realizar un control de
temperatura y composición química del baño.
Según estos resultados, se tomarán las
medidas a seguir.
6.4.- ESCORIA.La fabricación de escoria, con el agregado de Cal o Sílice según el
caso, es una parte fundamental del proceso, pues cumple las siguientes funciones:
 Protege las paredes y el techo de la radiación del arco, puesto que por su menor
densidad, forma una capa que siempre está flotando sobre el metal líquido.
 Optimiza la transferencia de energía al metal ya que disminuye las pérdidas por
radiación.
 Permite refinar el baño metálico al atrapar los óxidos y sulfuros de elementos
indeseables y dejarlos fuera del metal.
 Impide la formación de Nitrógeno en la atmósfera del horno al aislarla del arco
eléctrico.
Como hemos visto, la naturaleza química (ácida o básica) de la escoria
a utilizar depende de la naturaleza del refractario con que está recubierto el horno, de
manera que no exista reactividad química entre ellos.- Por otra parte, según su
composición pueden ser oxidantes o reductoras, lo que se usa para el manejo metalúrgico
del metal.
6.5.- REFINO.Esta etapa de refino tiene como objetivo controlar los elementos
químicos indeseables presentes en el metal y disminuir su contenido a los niveles
especificados.- Estos elementos son básicamente Azufre (S), Fósforo (P), Aluminio (Al),
Silicio (Si), Manganeso (Mn), Carbono (C), Nitrógeno (N) e Hidrógeno (H).
ESCORIA
Lanza
Carbón
Si bien siempre existe una
cantidad de oxígeno en el baño
proveniente de la chatarra y de la
atmósfera, es necesario inyectar una
mayor cantidad a través de una lanza
sumergida en el metal.
Este oxígeno reaccionará con los
elementos de la aleación líquida
formando óxidos de menor densidad
que quedarán atrapados en la escoria.
Lanza
oxígeno
Es una operación delicada y
debe ser muy bien controlada para
evitar la oxidación de elementos valiosos.- Esto se logra con el control de la temperatura,
de la basicidad (comportamiento químico), agregando productos oxidantes o reductores y
con el cambio de escorias.
METAL
Las reacciones de oxidación son exotérmicas, esto es, generan calor, lo que hace
subir la temperatura del baño y es una fuerte energética importante que colabora con la
eléctrica.
En ciertas operaciones se inyecta carbón a la escoria a través de otra lanza, el cual
reacciona con el óxido de fierro Fe O presente en ella proveniente del soplado con
oxígeno, trasformándolo en fierro metálico Fe que vuelve al baño (proceso de
recuperación) y produciendo monóxido de carbono CO, que queda en la escoria,
volviéndola “espumante”.- Se le llama así pues es una verdadera espuma que cubre los
arcos eléctricos, protegiendo fuertemente de la radiación y permitiendo el uso de mayores
potencias sin dañar el revestimiento.
La recuperación de otros elementos valiosos, como el Cromo (Cr), que se hallan
ido como óxidos a la escoria se logra con la adición de agentes reductores (contrario a
oxidantes) ,como el Ferro-Silicio, los que reaccionan con los óxidos de esos elementos,
quitándoles el oxígeno y dejándolos como elementos metálicos que vuelven recuperados
al baño.
Eliminación del Fósforo.Este elemento, altamente pernicioso en los aceros, está presente en el baño en
forma de elemento (P) y se elimina haciéndolo formar un compuesto llamado Fosfato
Tricálcico (3CaO·P2O5) que se va a la escoria formando una película líquida que debe
ser removida fuera del horno.
El fosfato tricálcico se forma según la siguiente reacción química:
2 P + 5 FeO + 3 CaO  3 CaO·P2O5 + 5 Fe
Para que esta reacción ocurra se requiere alto contenido de CaO y FeO en la
escoria, es decir, debe ser básica y oxidante y la temperatura debe estar bajo los
1.540ºC.- Si el contenido de FeO en la escoria baja mucho y la temperatura se eleva, la
reacción se invierte y el Fósforo vuelve al baño.- Esta es la razón por la que tiene que ser
extraído fuera del horno.
Cuando el contenido de CaO en la escoria es muy elevado, ésta se vuelve viscosa y
difícil de manipular, por lo que se debe mejorar su fluidez agregándole Fluorita (CaF2).
Debido a la utilización de escoria básica, esta operación no se puede realizar en
hornos con marcha ácida.
Eliminación del Azufre.Este elemento, que se encuentra en el baño como Sulfuro de Fierro (FeS), se
elimina haciéndole formar el compuesto Sulfuro de Calcio (CaS), mediante la siguiente
reacción química:
CaO + FeS  FeO + CaS
En este caso también se requiere una escoria básica, alta en CaO, pero reductora,
baja en FeO, por lo que al igual que el fósforo, solo se puede eliminar en hornos con
marcha básica.- Se requiere de alta temperatura y bajo contenido de oxígeno.
El sulfuro de calcio queda atrapado establemente en la escoria.
6.6.- VACIADO.Una vez que se ha terminado la etapa de refino y ajustada
la composición química, se elimina la escoria y se da y controla la temperatura de
vaciado.
Mediante la inclinación del
horno, el metal fluye a través de la
piquera hacia la cuchara de colada, la
que debe estar limpia y precalentada lo
suficiente para que las pérdidas de
temperatura en el trasvasije y en la
cuchara no afecten a la temperatura de
colada al molde.
En esta etapa final se le
agregan desoxidantes en la cuchara,
como aluminio, ferro-silicio o siliciuro
cálcico (SiCa), para tenerlo totalmente
Vaciado
a
cuchara.
Se
agregan
desoxidado y reducir el oxígeno que se puede atrapar en el chorro del trasvasije.
desoxidantes
(Al, Si)Sey agregan
Vaciado
a cuchara.
Se vuelve
a eliminar
la escoria remanente o producida en la desoxidación final y
eventualmente
Ferro-aleaciones
eventualmente
se (Al,
le fabrica
desoxidantes
Si) y una nueva que disminuye las pérdidas de calor,
principalmente por radiación y aísla el metal del oxígeno y humedad del aire.
eventualmente Ferro-aleaciones
Hecho esto, el metal está listo para ser colado en el molde.
6.- CONCLUSIONES.Luego de esta somera mirada al proceso de fabricación de una aleación ferrosa,
podemos concluir lo siguiente:
 Es una etapa compleja y fundamental dentro del Proceso de Producción de
las piezas fundidas;
 Requiere de una alta especialización del personal;
 Implica el manejo de equipos delicados y costosos;
 Las operaciones a realizar son de alto riesgo si no se las controla;
 Requiere de una alta coordinación con todas las demás etapas del Proceso
Productivo.