Tema4.FabricacionAcero.AceriaElectrica

ELECTRIC ARC FURNACE STEELMAKING
Figure 19.5.- Vertical section of an electric arc furnace shop
ELECTRIC ARC FURNACE STEELMAKING
The Electric Arc Furnace (EAF) is today the most common
way to recycle steel from scrap.
There is a broad variety of steel scrap, both in terms of
composition (from plain carbon steel through to highly
alloyed tool steel) and geometry (from finely shredded
sheet through to large beams).
By melting the scrap in a furnace with the help of
electrodes and an electrical current, new, functional steel
can be produced from old products. Instead of deploying
raw material resources, basic steel elements and valuable
alloys can be reused, which is beneficial from both an
economic and environmental point of view.
The history of EAF steelmaking is marked by continuous
improvements in efficiency and productivity.
While earlier EAFs were mostly between 10 t and 50 t, today
200-250 t EAFs are common and 400-500 t EAFs are available.
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•
•
After the scrap has been melted, the temperature is normally increased so that refining
reactions can be carried out.
Oxygen and carbon may be injected (TO ACHIEVE A FOAMING SLAG) into the steel and
slag phases respectively. However, the reactions can also create products which are
detrimental to the steel quality and which therefore need to be handled carefully. To do
that, a slag is formed with the help of slag forming agents, such as lime, dolomite and
fluorspar.
Slag, having a lower density than steel, normally floats on the steel surface. In addition
to absorbing impurities from the steel, the slag also protects the steel from the
atmosphere. Furthermore, it protects the furnace walls from the arcs, thereby
increasing the electrical efficiency. It is therefore of great importance to maintain a high
slag quality and provide it with foaming properties
Once the scrap has been melted and refined to the desired composition and temperature, the contents are tapped into a ladle for secondary treatment and
casting. Tapping can either be via a spout, or through a taphole positioned at the bottom of the furnace.
En el año 1900, la demanda de acero en el mundo alcanzó los
27 millones de toneladas. Una década más tarde se triplicaba la
producción de acero y, como consecuencia, la irrupción de la
chatarra en el mercado de materias primas siderúrgicas fue un
hecho inevitable.
Las alternativas que se propusieron para APROVECHAR LAS
CHATARRAS fueron dos:
• Acería Martin-Siemens
• Acería eléctrica.
A partir del año 1914, se fue imponiendo, dentro de la industria
siderúrgica, el horno eléctrico como una de las alternativas más
eficientes para la producción de acero. Así como en la acería
BOF la temperatura del metal fundido se mantiene por la
oxidación de los elementos disueltos en el arrabio, en el horno
eléctrico se utiliza la energía eléctrica como instrumento de
control térmico del proceso.
7.1.- Esquema del proceso CSP de una acería compacta
La energía empleada para la fusión no es de origen químico sino que proviene de un arco eléctrico que se hace saltar entre unos electrodos, que
se introducen por la parte superior del horno, y la chatarra cargada, en el caso de un horno de corriente alterna, y entre el electrodo superior, la
chatarra y los electrodos inferiores en el caso de un horno de corriente continua. The electrical power of normal EAFs lies in the range of
50-120 MW, depending on the size of the furnace. Melting of the scrap occurs at a temperature range of 1500-1550 °C, depending upon the
composition of the steel scrap.
La fabricación de acero mediante el
Horno Eléctrico de Arco (HEA) se basa en
la fusión de chatarras. Además de
chatarra se emplean prerreducidos y, en
ocasiones, algo de arrabio. Aunque no es
lo habitual, en algunas acerías el
porcentaje de arrabio puede llegar a
alcanzar el 50 % de la carga.
La acería eléctrica no precisa de las
instalaciones pertenecientes al proceso
siderúrgico integral que se han descrito
hasta ahora (baterías de cok, planta de
sinterización y horno alto). Cuando se
llevan a cabo en la propia acería
procesos de transformación se denomina
miniacería, y si además posee la
tecnología CSP (Continuous thin Slab
casting Process) o similar, que permite
laminar el planchón según sale de la
colada continua, se habla de acería
compacta. Procesos similares al CSP son
los denominados ISP, FTSR y el DSC
(Direc Strip Casting), del que se obtiene
una banda-bobina de acero por colada y
solidificación directa, en continuo, del
acero líquido.
La energía empleada para la fusión no es de origen químico sino que proviene de un arco eléctrico que se hace saltar entre unos electrodos, que
se introducen por la parte superior del horno, y la chatarra cargada, en el caso de un horno de corriente alterna, y entre el electrodo superior, la
chatarra y los electrodos inferiores en el caso de un horno de corriente continua.
El calor generado por el arco eléctrico (directo o indirecto), conforme el progreso tecnológico fue incorporándose al sector siderúrgico, se ha
controlado de manera mucho más eficaz superando incluso al que se pudiera obtener por la oxidación del fuel o de los metales activos aleados
con el hierro.
El calentamiento del metal tiene lugar preferentemente en la parte superior del baño pudiendo alcanzarse localmente temperaturas muy
elevadas. Se necesita, por lo tanto, un estricto control del proceso al objeto de evitar un excesivo calentamiento del revestimiento del horno.
Recientemente, desde el año 1970, se contempla un paulatino aumento de la potencia y capacidad de producción de los hornos eléctricos de
arco directo trifásicos alcanzando consumos específicos de 550 kWh/t de hierro líquido (utilizando exclusivamente, como carga férrica, la
chatarra).
Aunque en sus orígenes la producción de acero en el HEA se aplicaba principalmente a la fabricación de aceros especiales, la situación ha
cambiado con el aumento del tamaño de las coladas y las altas cotas de productividad horaria que se han alcanzado con el empleo de enormes
capacidades de energía eléctrica para el proceso de fusión (productividades mas altas y menores consumos energéticos). Esta situación ha
permitido decisivas reducciones en el coste, al disminuir el consumo específico de energía, electrodos y refractarios. En la actualidad el horno
eléctrico, combinado con la metalurgia secundaria, permite fabricar una parte muy importante de la producción mundial de acero sobre la base
del reciclaje masivo de la chatarra.
La capacidad de producción de un HEA es distinta en cada planta según la capacidad de carga y la energía empleada. Varía por lo general entre las
50 y las 150 t, y el tiempo entre colada y colada puede ir desde los 45 minutos hasta las 2 horas.
A pesar de que en los EE.UU. se produce hoy en día mas acero a partir de chatarra reciclada que a partir de mineral de hierro, en 2005 la
producción mundial anual mediante el HEA se situó en el 33.1 %,mientras que el método BOF alcanzo el 63.6 %.
La acería eléctrica evoluciona hacia el uso de tecnologías destinadas a la reducción del consumo específico de energía eléctrica tales como:
• Precalentamiento de la chatarra.
• Utilización de quemadores auxiliares en los hornos.
• Utilización del carbón pulverizado como combustible.
• Sustitución de la corriente alterna por la continua. El número de electrodos de grafito del horno ya no serán habitualmente tres sino uno.
• Cargas formadas por arrabio (30 %), chatarra (40 %) y prerreducido (30 %) o bien por carburo de hierro, chatarra y prerreducido.
Todo hace pensar que el horno eléctrico del futuro no será un mero instrumento de fusión de chatarra y se parecerá más a un reactor químico de
mezcla completa. Incorporará sofisticados sistemas para el control del afino y la colada. La agitación del metal se realizará por medio de la
inyección de gas por lanza o bien con tapones porosos (toberas) situados en la solera del horno
Ventajas
Las razones que explican la rápida expansión de este método en los últimos años son varias,
entre las que destacan:
• FLEXIBILIDAD: Fabricación de cualquier tipo de acero, con los únicos límites de la calidad de la
materia prima.
• Posibilidad de emplear todo tipo de cargas: chatarra, prerreducidos, arrabio, lingote de hierro,
etc.
• Alta productividad: con sólo un horno es posible mantener una máquina de colada continua
produciendo de forma ininterrumpida.
• Baja inversión inicial respecto a la ruta del horno alto. Tamaño pequeño relativo
• Los hornos eléctricos permiten una sencilla extracción de la escoria, ya sean basculantes
(horno clásico antiguo) o posean el sistema EBT (en el que la piquera esta situada en el fondo
del horno, excéntrica).
• Es posible programar y automatizar el proceso de fusión.
• Se pueden sincronizar varias hornadas diferentes para hacer grandes lingotes destinados a
forjas especiales, de capacidad mayor que el acero que puede producir un horno en una sola
colada
• El proceso es de alta eficiencia.
Desventajas
Como inconvenientes del HEA deben
señalarse:
• Fuerte dependencia del mercado de la
chatarra.
• Posibilidad de contaminar el acero con
elementos residuales atrapados en la
chatarra.
• Altos contenidos finales en nitrógeno.
• Se requiere inversión para paliar el alto
nivel de ruido en este tipo de instalaciones
(dog-houses).
7.2. Horno eléctrico de arco
COMPONENTES DE UN HORNO ELÉCTRICO
Los componentes más importantes de un horno eléctrico son:
• La cuba del horno, con el dispositivo de colada y el sistema de cierre.
• El sistema de vuelco que permite la salida del caldo a la cuchara.
• Las paredes, en las que actualmente casi todos los HEA tienen paneles
refrigerados por agua, fabricados de chapa o tubulares de acero y en la línea de
escoria de cobre.
• La bóveda, refrigerada por agua y dotada de un sistema giratorio que permite
la apertura total de la parte superior del horno.
• Los electrodos de grafito, con tubería para enfriamiento con agua, que
atraviesan la bóveda y establecen el arco eléctrico, a partir del paso de la
corriente eléctrica.
• Lo brazos portaelectrodos.
• El sistema de regulación electrónica y el de accionamiento hidráulico que
mueve los electrodos a gran velocidad para regular el arco eléctrico,
manteniendo constante la corriente en el arco.
• El sistema de cables flexibles que llevan la corriente a los brazos y que están
refrigerados por agua.
• El embarrado de cobre que conecta los cables flexibles al transformador.
• El transformador eléctrico que transforma la corriente eléctrica de alta tensión,
25000-50000 V, a los voltajes que se necesitan en el arco eléctrico, que están
entre 400 y 1000 V.
•Además hay que añadir un conjunto de sistemas de aparellaje y control eléctrico: interruptor, transformadores de medida, etc.
•La instalación se completa con una captación de humos a través de un agujero practicado en la bóveda; los humos se conducen a la
instalación de depuración con lo que se evita contaminar la atmósfera tanto del interior de la acería como del exterior. En algunos casos dicha
captación se ve complementada con una campana superior que aumenta el grado de captación de humos, particularmente durante las
operaciones de carga de chatarra del horno y vuelco del acero a la cuchara.
Electrodos
Los electrodos, elementos característicos del horno eléctrico por ser los que hacen saltar el arco, están fabricados de grafito de alta pureza (carbono prácticamente
puro). Se emplea grafito porque soporta altas temperaturas y es buen conductor eléctrico. Los electrodos tienen un papel muy importante, ya que transportan la
energía eléctrica dentro del horno. Entran en éste por un orificio de gran diámetro, hecho de refractario, que recibe el nombre de bovedilla, delta o corazón de
bóveda. Cuando se encuentran cerca de la chatarra se genera un arco y se forma un circuito eléctrico. El arco proporciona la energía térmica necesaria para fundir la
chatarra.
Los hornos de corriente alterna cuentan con tres electrodos, mientras que en los que utilizan corriente rectificada suele haber un electrodo o, en algunos casos, dos.
Los tamaños habituales oscilan entre los 600 y los 800 mm de diámetro (según la energía del arco) y 1.5 y 3 m de longitud. Según se van quemando se va añadiendo
longitud adicional, colocando un nuevo electrodo en el extremo de la cabeza remanente, para lo que se interrumpe la corriente. Esta operación se llama “niplar”.
Before the length of an electrode becomes too small for operation, another electrode is joined to it at the top. In order to do this, each electrode has internal
threading at the ends and the threaded ends of the two electrodes are connected by a threaded graphite nipple.
Existen habitualmente unos brazos portaelectrodos, que los soportan. Para su
accionamiento se tiene un sistema de regulación electrónica y de accionamiento hidráulico,
que mueve los electrodos a gran velocidad para regular el arco eléctrico, manteniendo
constante la corriente o la impedancia, que es lo habitual en los de alterna.
El consumo de los electrodos se mide en kilogramos de grafito por tonelada de carga
fundida, y es menor si se emplea el método metalúrgico de escoria simple (en torno a 1-2
kg de grafito/t de carga fundida).
The electrodes need to be handled carefully, due to their limited mechanical toughness. If the furnace
is filled with an excessive amount of coarse scrap, the electrodes need to be lowered very carefully in
order to avoid expensive breakages.
The electrodes progressively wear during heating and melting and measures have to be taken to avoid
‘short electrodes’. The electrical power is distributed among the three electrodes, which will melt the
scrap by creating and arc between themselves and the scrap. The electrodes are consumed during the
process with a progressive wear by individual rate during power on. Some adjustments of the
electrode positions need to be done to make sure that all three are in contact with the material
so that energy is efficiently transferred.
LANZA
Cuba del horno
Generalmente es cilíndrica y recubierta de refractario. Su diámetro determina el peso de la colada, que puede oscilar entre las 50 y las 150 t.
La puerta del horno, para permitir operar durante el proceso de fusión y también desescoriar, está colocada en el lado correspondiente a la
planchada de operación del horno (frente a la zona de colada). Contrariamente la zona de colada del horno está colocada enfrente de la puerta.
La colada del horno se puede efectuar mediante el vuelco, con un sistema de piquera o más modernamente mediante un agujero colocado en
la parte inferior excéntricamente en una nariz del horno. Esta última práctica muy extendida se denomina EBT. La escoria sale por una puerta
situada en el lado contrario a la piquera
Refractarios
El revestimiento de material refractario, para proteger la chapa o los paneles tubulares que constituyen la coraza del horno, presenta el problema de su
irregularidad en el desgaste: las paredes laterales aguantan alrededor de 1.000 coladas, mientras que las bóvedas sólo alrededor de 400.
Esto es así porque el desgaste de la bóveda no sólo se debe a la radiación del arco, sino también a la erosión del polvo arrastrado hacia el sistema de escape y a las
tensiones causadas por el enfriamiento repentino al desplazar la bóveda para la carga y calentamiento rápido posterior en la siguiente colada.
Los crisoles, que sirven para varios miles de hornadas, se construyen
de ladrillos básicos impregnados con alquitrán, con una capa de
magnesia apisonada.
Para las paredes se pueden usar ladrillos de magnesia o de cromomagnesia.
También se admiten los de alto contenido en alúmina o bien carbón
ligado con magnesia, con un 20-30 % de alquitranes o resinas. Los
refractarios de las bóvedas son de alúmina de alta pureza.
La coraza de las paredes se hace de chapa de acero, si bien por debajo
de la línea de escorias se emplea cobre, por su mayor conductividad.
Se ha generalizado la práctica de cubrir las paredes con paneles
tubulares de agua, como refrigerante. Éstos se enclavan en el
refractario, especialmente detrás de los puntos calientes.
Este sistema ha probado ser bueno si se usa agua “blanda”,
desmineralizada, a fin de prevenir depósitos internos en las tuberías.
También la bóveda se refrigera por paneles tubulares de agua.
EQUIPAMIENTO ELÉCTRICO
El primer elemento del equipamiento eléctrico es una subestación
transformadora, situada a la entrada del horno, que toma la corriente
eléctrica de líneas de muy alta tensión (132-220 kV) y la baja hasta 25-50
kV, que es el voltaje del primario del transformador del horno. En el
transformador del horno este voltaje es reducido hasta valores de entre
400 y 1000 voltios, que es la tensión del secundario, y la que llega a los
electrodos.
Para hacer saltar el arco se puede emplear corriente alterna o corriente
continua. En el caso de corriente continua se requiere un único electrodo
superior, mientras que con corriente alterna se utilizan tres fases y se
necesitan tres electrodos, conectando así cada fase a uno de los tres
electrodos de grafito.
En los hornos de corriente alterna se utiliza el factor de potencia (cos ϕ)
para medir la eficiencia. El factor de potencia de la instalación es la
relación entre potencia activa y potencia aparente (suma de la activa y de
la reactiva). Interesa que sea lo mas próxima a 1, y se asume como valor
bueno a partir de 0.72.
Se debe señalar que el consumo de energía eléctrica también tiene que
ver con posibles inyecciones de oxigeno que se hagan en el horno,
llegando algunos hornos eléctricos a unos niveles de consumo de este
elemento comparables a los del convertidor LD a cambio lógicamente de
un consumo de potencia mucho menor que en los hornos eléctricos sin
inyección de oxigeno.
El movimiento vertical de los
electrodos se consigue ajustando
las posiciones de los brazos
portadores de los mismos, que
están controlados por
retroalimentación desde el
sistema eléctrico, que supervisa
constantemente el
comportamiento eléctrico con el
objetivo de conseguir la
aportación óptima de energía en
un punto de consigna prefijado.
El objetivo es mantener siempre
un nivel constante de consumo de
la energía suministrada. Por ello,
los electrodos deben ser elevados
o bajados en función de la lectura
de la tensión del arco.
La operación de un EAF requiere una cuidadosa supervisión de los parámetros eléctricos
del horno en todo momento. Ajustando la configuración de la toma de energía, es decir,
las combinaciones predefinidas de tensión/corriente, las características eléctricas pueden
ser alteradas para adecuarlas a las condiciones de funcionamiento en cada momento.
Existe un tope máximo de corriente admitida para los electrodos, lo que en la práctica
significa que el parámetro principal de regulación al cambiar la configuración de la toma
de energía es la tensión en el secundario. La tensión en el secundario es directamente
proporcional a la longitud del arco en el interior del horno
EQUIPAMIENTO ELÉCTRICO
Los hornos que utilizan corriente continua, además de las
instalaciones ya comentadas, disponen también de
rectificadores para transformar la corriente alterna
(que es la de la red) en continua. El número de rectificadores
necesarios depende del número de electrodos de fondo que
existan (si hay 3 electrodos, 3 rectificadores; si hay 4, 4, etc.).
El proceso HEA requiere un riguroso control de los parámetros
eléctricos del horno en todo momento. Ajustando las
combinaciones predeterminadas de voltaje y corriente se
pueden alterar las características eléctricas a fin de ajustarse a
las actuales condiciones de operación.
Por otra parte, los electrodos tienen un tope sobre la máxima
corriente permitida que hace que, en la práctica, el parámetro
regulador en el control de potencia sea el voltaje secundario,
puesto que es directamente proporcional a la longitud del
arco dentro del horno. Las mejores condiciones se obtienen
generalmente empleando arcos no excesivamente largos.
MATERIAS PRIMAS EN EL HEA
Selección y manejo de la chatarra
Existe una amplia gama de chatarras que se pueden emplear en el HEA. La chatarra
ha de ser especial y cuidadosamente clasificada. Esta necesidad se acentúa en los
hornos de arco que fabrican aceros aleados. Lo habitual es tener muchos depósitos
de chatarra separados, para lograr la utilización máxima de elementos no oxidables
(cobre, níquel, estaño, molibdeno y, parcialmente, cromo). Cuando sea posible se
utilizará la opción de menor coste (normalmente chatarra pesada), siempre que la
composición química se mantenga dentro de los requerimientos.
Empleo de prerreducidos
En muchos hornos eléctricos, y cada vez en mayor proporción, se
emplean como materia prima los prerreducidos o esponja de hierro,
también llamados “hierro de reducción directa” (HRD). Se trata de una
fuente de hierro de composición relativamente uniforme y
prácticamente libre de elementos residuales.
De cara a su empleo en el horno de arco eléctrico, los prerreducidos
tienen las siguientes características:
El modo en que se haga la carga de la chatarra en las cestas afecta profundamente a
la eficiencia del horno y a la vida de los electrodos. La chatarra no aleada ha de
separarse en ligera y pesada. Por lo general se cargará en el fondo chatarra
“esponjosa” liviana (virutas, etc.) para que amortigüe la caída de la chatarra cargada
en el centro de la cesta.
• Forma pequeña y uniforme (pellets o briquetas), lo que los hace
adecuados para la carga continua mediante algún alimentador
mecánico.
• Contienen aproximadamente un 2 % de carbono, que actúa como
fuente de energía adicional.
El control de calidad de la chatarra que se carga ha de ser estricto. Algunos
parámetros a controlar son: densidad mínima, tiempo máximo de duración de la
hornada y peso requerido. Hoy en día el control por ordenador está muy extendido.
El empleo de prerreducidos se utiliza cada vez mas para diluir
contaminantes presentes en la chatarra. El porcentaje adecuado en la
carga esta entre un 30 % y un 70 %.
Empleo de arrabio líquido
Como es claro, el uso de fundición en la carga del horno eléctrico reduce el consumo de energía. Se puede emplear hasta un 40 % de arrabio líquido de contenido bajo
en silicio, a costa de una alta erosión del refractario, causada por la prolongada inyección de oxígeno para “quitar” el carbono de la masa metálica.
Se llega a un proceso casi mixto entre el de horno eléctrico de arco “puro” y el de convertidor LD.
No obstante, no es conveniente que la proporción de arrabio supere un 30 % o 40 % del total de la carga, porque el soplado prolongado de oxigeno afecta
fuertemente a los refractarios y, además, la cantidad de escoria generada es tanta que requiere de hasta dos o tres eliminaciones de escoria. Esto aumenta el tiempo
del proceso de forma a veces prohibitivo.
El uso del EAF está basado en el reciclaje de la chatarra de acero junto con cantidades limitadas de
ferroaleaciones. con la finalidad de alcanzar una composición determinada en el momento de la
colada. La chatarra de acero se divide en dos tipos principales:
• Chatarra de proceso
• Chatarra comercial
Chatarra de proceso
Se origina en los diversos procesos dentro de la acería y representa la fracción del material producido que
no forma parte del producto final comercializado. En la mayoría de las operaciones, un pequeño porcentaje
del acero tratado se pierde como chatarra interna del proceso por motivos de márgenes de seguridad.
eliminación de elementos de baja calidad, manipulación errónea, etc. La cantidad de chatarra interna varia
con el tipo y el número de etapas de proceso en la acería antes de enviar el material al cliente y se refleja en
el rendimiento metálico total de la acería.
Chatarra comercial
La fabricación de aceros en horno eléctrico necesita grandes cantidades de chatarra. doméstica e
importada. La chatarra se clasifica primordialmente según varias propiedades:
• Composición química del acero. por ejemplo de baja aleación e inoxidable;
• Niveles de impurezas. por ejemplo S, P y Cu;
• Forma y tamaño;
• Homogeneidad, es decir, los niveles de variación dentro de la especificación dada.
Chatarra interna
Una chatarra de alta calidad esta bien definida:
• Tiene un bajo nivel de impurezas
• Su tamaño ha sido controlado y/o modificado por medios mecánicos.
Este tipo de chatarra es la mas cara, y se utiliza únicamente en las últimas etapas del proceso de
fabricación del acero, por ejemplo en las operaciones en cuchara.
Chatarra comercial
ADICIONES
Los elementos de aleación se añaden en el horno o durante la colada por varias razones:
• Para ajustar la composición final del acero
• Para desoxidar el acero mediante su reacción con oxigeno y formando óxidos que serán
absorbidos por la escoria.
• Para ajustar la composición de la escoria obteniendo una escoria más efectiva en la
desulfuración o la defosforación.
En condiciones oxidantes algunos de los elementos de aleación se oxidan y son
transferidos a la escoria. Dichos elementos deben ser reincorporados al acero, ya que
representan un alto valor y además, en ciertos casos, son nocivos para el medio
ambiente si acaban en la escoria de desecho. La mayor parte de la oxidación de
elementos de aleación tiene lugar durante la etapa de fusión, en la que se encuentran
altas concentraciones localizadas de los mismos en la carga.
El oxigeno se introduce en el horno partiendo de dos fuentes principales:
•
•
Aire aspirado a través del horno por el sistema de evacuación de gases
Materias primas en forma de óxidos, por ejemplo óxido de molibdeno, polvo de EAF
reciclado, etc.
La forma más simple de evitar una succión excesiva de aire es hacer funcionar el horno bajo una
ligera sobrepresión. En la práctica esto es difícil de conseguir debido a las
grandes fluctuaciones de presión en el horno, los grandes volúmenes de gases evacuados y la
necesidad de mantener un entorno de trabajo aceptable para los trabajadores de la acería.
Throughout the whole melting and refining process you
are able to add materials to increase the content of
alloying elements, deoxidize the steel, desulfurize the
steel or increase the slag mass. The full list of additives
can be seen in Table 7-2.
FUSIÓN
La etapa de fusión en el EAF se inicia cuando el operador tras cargar la primera canasta enciende
el horno. A partir de este momento, las condiciones de funcionamiento del EAF cambian a lo largo
de la hornada, empezando por la fusión de la chatarra fría y terminando con acero liquido
sobrecalentado a una temperatura por encima de 1650 oC.
El operador, ajustando la configuración de la toma de energía desde el transformador, puede ajustar
la entrada de energía según las condiciones de funcionamiento del momento, estableciendo así un
equilibrio entre velocidades máximas de fusión y de calentamiento y una carga térmica aceptable
para el equipo, en particular el techo y las paredes del horno.
The arc temperature is above 4000 °C and is used to heat the bath by radiative heat
transfer.
En un esfuerzo para nivelar el desequilibrio
térmico en el horno se pueden introducir
quemadores en áreas de baja carga térmica
("puntos fríos"). Los quemadores
incrementan la entrada total de energía en
el horno, calentando los puntos fríos y
equilibrando las diferencias de temperatura
en el baño por convección.
La potencia máxima es utilizada durante la mayor parte de los periodos de fusión. La potencia reducida se utiliza en las etapas iniciales
tras la carga de chatarra desde la canasta, cuando los arcos se encuentran cerca de la sección delta del techo del horno y durante el
periodo de afino cuando se está operando bajo condiciones de "baño plano” a fin de alcanzar la temperatura final deseada.
Ajustando la tensión del secundario del transformador (seleccionando a toma adecuada), la longitud del arco se puede cambiar para
obtener las condiciones óptimas de funcionamiento en cada momento.
La disposición de los electrodos en un horno de CA es triangular, vista desde arriba. La
distancia desigual entre los electrodos y sus diferentes posiciones a lo largo del perímetro de
las paredes del horno implican una carga térmica asimétrica.
Además, las fuerzas electromagnéticas procedentes de los arcos provoca la deflexión de
éstos hacía afuera desde el centro El resultado es un desequilibrio de la carga térmica en las
paredes del horno, es decir, ciertas áreas -"puntos calientes"- estarán más expuestas a la
radiación del arco que otras.
En un esfuerzo para nivelar el desequilibrio térmico en el horno se pueden introducir quemadores
en áreas de baja carga térmica ("puntos fríos"). Los quemadores incrementan la entrada total de
energía en el horno, calentando los puntos fríos y equilibrando las diferencias de temperatura en el
baño por convección.
Un quemador típico en un EAF utiliza combustible liquido
o gaseoso, y es efectivo únicamente en tanto que las
llamas impacten la chatarra.
Aunque esto resulte en un tiempo de actividad
relativamente corto, la adición de energía es suficiente
para nivelar en gran parte el desequilibrio térmico.
Las roturas de electrodos ocurren en ocasiones en el EAF, de forma predominante
durante el proceso de fusión. Esto debería ser evitado debido al alto coste que
conlleva una rotura.
Además del coste del electrodo de grafito de alta densidad -que es un material
bastante caro- el tiempo de parada equivale a pérdida de producción, lo que supone
altos valores.
Normalmente se cambia un electrodo roto dentro de un plazo de 10 minutos, pero
en casos difíciles cabe esperar tiempos de inactividad considerablemente más largos.
La rotura de electrodos es generalmente el resultado de una sobrecarga mecánica
del electrodo por parte de la chatarra circundante:
• La chatarra se está desmoronando desde los lados a medida que el electrodo
penetra en la pila de chatarra en el interior del horno. Si algunos fragmentos
pesados impactan directamente en el lateral del electrodo puede producirse la
rotura de éste.
• Los electrodos están descendiendo sin detectar que existe algún material no
conductor bajo la punta del electrodo. Al continuar descendiendo el electrodo
puede producirse su rotura.
La combinación de longitud de arco y la chatarra es también importante al considerar
la probabilidad de una rotura de electrodo. El operador del horno necesita entonces
equilibrar la configuración de la toma de energía (tensión e intensidad) con la
necesidad de la máxima potencia posible y la longitud adecuada del arco.
DESESCORIADO
Objetivos:
• Entender el papel de la escoria en el procesamiento del acero en el EAF.
• Aprender como se espuma la escoria y los momentos adecuados en el EAF.
• Saber cuando y como proceder al desescoriado
El espumado de la escoria se utiliza para incrementar la eficiencia térmica del horno durante el
período de afinado, cuando las paredes laterales están totalmente expuestas a la radiación del
arco. La espuma de la escoria crece y cubre los arcos eléctricos, lo que permite seleccionar una
mayor potencia para la toma de energía, sin incrementar por ello la carga térmica en las
paredes del horno.
Además, un arco cubierto por la espuma de la escoria transferirá más eficientemente la
energía a la fase acero.
El espumado de la escoria se obtiene INYECTANDO OXIGENO EN EL ACERO LIQUIDO, donde se oxida principalmente el hierro,
según la siguiente reacción:
O2+ 2Fe  2(FeO )
Simultáneamente se INYECTA POLVO DE CARBÓN EN LA FASE ESCORIA, lo que reduce el óxido de hierro:
(FeO)+ C  Fe+ CO(gas)
El CO (gas) resultante es un componente critico para la obtención de una escoria espumada.
La puerta de escoria está ubicada en una de las paredes de la parte posterior del horno. Esta abertura es utilizada por el operador para la
inspección del interior del horno, la inyección de oxígeno y carbono utilizando lanzas consumibles y para el desescoriado.
Durante el espumado de la escoria, ésta se derrama continuamente a través de la puerta de escoria, lo que logra un desescoriado parcial
CARBON AND OXYGEN INJECTION
During and after the melt down of the materials, several compounds
and elements begin to react with each other. In order to reach the
required quantities of the respective elements in the steel, the reaction
processes can be facilitated by
INJECTION OF OXYGEN INTO THE STEEL PHASE THROUGH THE LANCE.
One of the oxide reactions forms carbon monoxide, CO (g), which is
especially important for the formation of a foaming slag.
CARBON INJECTION INTO THE SLAG PHASE THROUGH THE LANCE
creates CO bubbles through a reaction with oxygen. These bubbles then
help to cause the slag to "foam".
A foaming slag protects the molten steel from reacting with the
atmosphere and also increases the electrical efficiency by burying the
arc from the electrodes. This provides thermal efficiency and allows the
furnace to operate at higher voltages without damaging the furnace
walls and roof. Burying the arc also helps to prevent nitrogen from being
exposed to the arc where it can dissociate and enter into the steel.
FOAMING SLAG
By injecting carbon into the slag phase and oxygen into the steel phase CO bubbles are formed and a foaming slag is created.
The following reaction takes place:
C   O 
CO  g 
(9.9)
 pCO 
pCO


K C O  
 

  hC   hO  eq   % C  % O  eq
Ln  KC O   2.07 
% C % O  
1168
T
pCO
K C O
(9.10 /1)
(9.12)
pCO

10

1168 
 2.07 
T 

(9.13)
It is also important to maintain a slag basicity between 1.2 and 2.5 to
facilitate foaming slag. Other restraints are that you cannot have too
much solid (maximum 5 tonnes) or too little liquid, at least 50 tonnes.
Figure 9-3.- Equilibrium [C] and [O] concentrations at different pressures.
Basicity is calculated using the following equation:
B  Basicity 
 % CaO 
 % SiO2 
(9.14)
ESPUMABILIDAD
Para obtener escoria espumada, la espumabilidad de la misma es un factor tan critico como lo es la generación de CO.
La espumabilidad la controlan las propiedades de viscosidad, tensión superficial y densidad de la fase escoria.
Dichas propiedades varían de acuerdo a la composición de la escoria.
Debido a la naturaleza del EAF - con grandes variaciones en la temperatura y la composición en diferentes partes del horno - puede ocurrir que la
escoria esté parcialmente sólida en algunos puntos durante las etapas de la operación. Una escoria que no sea totalmente liquida, pero que
contenga un porcentaje de material sólido, como por ejemplo cal no disuelta, también influye en la espumabilidad, ya que se produce un cambio
en la viscosidad aparente:
n
  0 1   f
donde:
η = viscosidad aparente del baño que contiene los sólidos
η0 = viscosidad del baño libre de sólidos
f = fracción de volumen de partículas sólidas en el baño
n = constante


Aunque la oxidación de elementos de aleación se evite en la medida de lo posible, las operaciones en el horno implican la presencia de algunos
valiosos elementos, como el Cr, en la fase escoria al final de la operación. Es necesario, por razones económicas, recuperarlos por adición de
reductores (como el ferrosilicio) a la escoria, de manera que se fundan y reaccionen con los óxidos en la escoria, según:
(MeOx) + (x/2)(Si)  (Me)+ (x/2) (SiO2)
REMOVAL OF PHOSPHORUS AND SULFUR
Por las condiciones de trabajo del horno eléctrico, no existe la necesidad de mantener elevados potenciales oxidantes durante el proceso de
fusión y calentamiento del metal (etapa del proceso que genera una escoria oxidante). Controlando adecuadamente el potencial en oxígeno
del sistema se puede crear un ambiente ligeramente reductor que logre retener en el hierro elevados porcentajes de los elementos de aleación
fácilmente oxidables. Por otra parte, si la última etapa del proceso de afino (proceso con doble escoria) se realiza con una escoria reductora
para eliminar azufre o incorporar al caldo elementos de aleación valiosos retenidos en la escoria oxidante, sólo se necesitarán pequeñas
cantidades de desoxidantes para calmar el acero lo que reduciría notablemente la cantidad de inclusiones en el mismo (aceros limpios).
Unfortunately, conditions favorable for removing phosphorus are the opposite of those promoting the removal of sulfur. Therefore, even
after these elements have been transferred into the slag phase, they may revert back into the steel.
Phosphorus
Phosphorus retention in the slag is dependent on liquid steel temperature and oxygen activity of the liquid steel , slag basicity and lime,
magnesia and iron oxide (FeO) content in the slag. Having low FeO contents or higher temperatures will cause the phosphorus to revert back
to the liquid steel. On the other hand, having a high basicity will is beneficial for phosphorus removal but care must be taken not to saturate
the slag with lime. An increase of lime content in the slag results in an increased viscosity and eventually in a dramatically increased liquidus
temperature leading to a solid slag. Fluorspar can be added to fluidize the slag, i.e. lower the melting point.
Therefore, phosphorus removal is usually carried out as early as possible in the heat when the temperature is low.
Sulfur
In order to remove sulfur from the liquid steel, it is necessary to use a sulfide-forming agent such as a calcium compound. The sulfideforming reactions are promoted in a reducing atmosphere, at a low oxygen level, high slag mass and high temperature. All of these are
usually obtained later in the heat.
EL PROCESO
Proceso con una sola escoria
La carga de la chatarra en el horno se realiza por la parte superior después de la apertura total de su bóveda, inclinando ligeramente el horno
hacia atrás o hacia el frente. La chatarra se transporta hasta el horno en “cestas” que se pueden abrir por la parte inferior. La operación se debe
realizar en escasos minutos para minimizar las pérdidas de energía y productividad. Para ello se coloca sobre el horno la cesta precargada con
chatarra preparada para su descarga en el momento adecuado. Se disminuye el consumo de energía eléctrica por tonelada de hierro líquido si se
trabaja con cargas precalentadas o si en las mismas están presentes cantidades variables de arrabio o de carburo de hierro.
Además de chatarra o hierro prerreducido, las cestas incluyen fundentes y agentes carbonosos (cal, carbón, cok, electrodos rotos) que aportarán
el carbono necesario para la fusión. No se debe colocar cal sobre la carga, puesto que no se formaría arco eléctrico y el electrodo, en su descenso
hacia la carga, no la reconocería y continuaría descendiendo, empujándolo y pudiendo llegar a provocar la rotura del electrodo. Para asegurar una
buena ignición, la parte superior ha de estar constituida por chatarra ligera.
La fusión se inicia una vez colocada la bóveda en su sitio después de cargar la primera cesta de chatarra. Los electrodos se bajan hasta tocar la
chatarra ligera de la parte superior y luego se ponen bajo control automático para establecer los arcos. A medida que la chatarra se funde y
desciende el nivel de la carga, deben descender también los electrodos. El movimiento vertical y el ajuste de la posición se realizan a través de los
brazos portaelectrodos, controlados por realimentación del sistema eléctrico. Aunque durante la mayor parte de la fusión se utiliza la potencia
máxima, en la etapa inicial (tras la carga de la chatarra) y en la de afino se emplea una potencia media.
Los electrodos en un HEA de corriente alterna están situados, en una vista en planta, de forma triangular. Dado que la cuba no es cilíndrica, la
distancia de los electrodos a las paredes será variable a lo largo del perímetro y se tendrá una distribución de calor desigual. Para compensar la
carga térmica irregular en las paredes se pueden emplear quemadores de gas o fuel que reducen las diferencias de temperaturas en las zonas
frías. Los quemadores se utilizan inmediatamente después de cada carga de chatarra.
Las condiciones de operación varían a lo largo del calentamiento. Cuando la chatarra funde y cae, los arcos se extinguen, con lo que se han de
restablecer los controles automáticos de operación de los electrodos. Esta fase de caída de la chatarra en los hornos de gran potencia es causa de
un ruido notable, que requiere medidas de insonorización en caso de estar situada la acería eléctrica en las cercanías de un núcleo de población.
Antes de fundir totalmente la carga inicial ya se ha desocupado un volumen considerable en el horno, por lo que son habituales las recargas con
nuevas cestas de chatarra. Dependiendo del volumen del horno y de la densidad aparente de la chatarra se repetirá esta operación en una
tercera o incluso una cuarta ocasión.
La primera carga se hace de chatarra ligera, que sirve como colchón al fondo, mientras que las piezas mas pesadas se deben colocar en el centro,
bajo el circulo de los electrodos. La chatarra mediana y ligera se coloca alrededor de las piezas pesadas, para proteger el refractario de los arcos
tan intensos que van a saltar entre las piezas pesadas y los electrodos.
Cuando todas las cestas de chatarra han sido fundidas, el calentamiento continua durante lo que se denomina el periodo de afino, periodo en el
que se superan los 1650 oC. El afino consiste en una fase de oxidación y defosforación mediante la inyección de oxigeno que produce FeO. Este
actuara como oxidante del silicio, manganeso, carbono y fosforo. Si la escoria es suficientemente básica, se completara la defosforación con el
paso de fosfato tricacico y tetracalcico a la escoria.
Se ha extendido en los últimos tiempos el uso de
escoria espumosa, que protege las paredes del
horno del arco eléctrico cuando la chatarra se ha
fundido por completo. Este proceso se basa en la
formación de CO mediante la inyección de oxígeno y
cok.
El carbono reduce el FeO de la escoria, recuperando
así parte del hierro.
El CO que se forma produce el hervido del baño y la
espumación de la escoria.
Por lo general, en el horno eléctrico se realiza la
decarburación y defosforación, dejando el resto del
afino para la metalurgia secundaria.
Por último se realiza la colada del acero líquido, ya
sea volcando el horno (hornos tradicionales) o
mediante el sistema EBT.
7.5.- Colada del acero
mediante el sistema BDT
Proceso con doble escoria
Este es el procedimiento que hace más interesante al HEA para la producción de aceros de calidad, con alta aleación.
Una vez completado el período oxidante (por soplado de oxígeno, por ejemplo), con todo el fósforo oxidado en la escoria y el nivel de carbono
algo por debajo de lo deseado en el acero final, se quita toda la escoria oxidante basculando el horno y rableando hacia afuera.
Una vez limpia la superficie del baño se agrega una mezcla de fundentes adecuados (cal entre ellos) y cok.
Primero se adiciona la cal y después el cok se esparce sobre ella (más o menos una parte de cok por cada siete de cal) en forma de fracción fina
(polvillos), especialmente bajo los electrodos. Así se inicia la formación de carburo de calcio (reductor).
La escoria blanca (rica en cal) se vuelve color café, que se torna negro una vez que los óxidos reducibles en el baño se reducen y pasan a la escoria
como carburos.
Por debajo de los arcos se forma carburo de calcio (CaC2), que proporciona condiciones muy reductoras. Aunque el contenido de la escoria en
óxido ferroso (FeO) es pequeño (1 %), esto no es ningún problema, puesto que antes ya se ha retirado la vieja escoria, con lo que no hay peligro
de que el fósforo del pentaóxido de fósforo (P2O5), presente en la escoria oxidante, revierta al baño.
La misión del carburo de calcio (o de silicio) es la pronta formación de una escoria reductora. La reacción de formación del carburo de calcio es:
3C + CaO = CaC2 + CO
Como el monóxido de carbono (CO) escapa, la reacción es irreversible, con lo que se produce una formación grande de carburo de calcio. Este
compuesto es un fortísimo reductor, que descompone casi cualquier óxido que se le ponga por delante, en particular los presentes en la escoria,
en la forma:
3FeO + CaC2 = 3Fe + CaO + 2CO
3SiO2 + 2CaC2 = 3Si + 2CaO +4CO
Reacciones que hacen que los elementos hierro y silicio queden libres, con lo que se van a reintegrar al baño metálico.
Como el CO se escapa, las reacciones son irreversibles, de modo que una vez disuelto el elemento reducido en el baño, el CaO (la cal) queda libre
para reaccionar con nuevas adiciones de cok, con lo que se formaría más carburo de calcio, disponible para continuar con el proceso. Con el
manganeso, vanadio y wolframio ocurre algo similar.
Si algo de pentaóxido de fósforo (P2O5) hubiera quedado en la escoria, por una remoción (“quitado”) defectuosa de la escoria oxidante, el fósforo
(P) volvería al baño de acuerdo con:
3P2O5 + 5CaC2 = 6P + 5CaO + 10CO
Ello muestra la importancia de un buen desescoriado en la fase anterior.
La potencia durante esta etapa reductora ha de mantenerse alta, ya que las reacciones de formación de carburos son poderosamente
endotérmicas, esto es, precisan aportes notables de calor para tener lugar, el cual les debe ser proporcionado por la potencia del arco eléctrico.
La escoria final es normalmente blanca, a no ser que el contenido de cromita (oxido de cromo, Cr2O3) sea muy grande, en cuyo caso toma una
coloración verdosa. En esta practica de doble escoria, se puede introducir algo de aluminio dentro del baño, en forma de discos gruesos (donas)
con una barra.
Gases en los aceros de horno eléctrico de arco
En la zona próxima al arco tiene lugar una importante disociación de los gases.
El hidrógeno y el nitrógeno monoatómicos resultantes se difunden en los aceros más fácilmente que sus formas habituales, que son
diatómicas.
H2 = 2H
N2 = 2N
Ello lleva a que el contenido de estos aceros en nitrógeno monoatómico sea superior al caso de los aceros elaborados por otros métodos. En
general, la cantidad de nitrógeno disuelto en el baño disminuye si hay cantidades importantes de elementos formadores de nitruros, como
vanadio y/o aluminio, por lo que, según las características finales que se pretenda proporcionar al acero, en presencia de estos elementos
puede ser necesario añadir N.
Los contenidos de nitrógeno monoatómico en el acero final están para este proceso (HEA) en 0.008-0.016 %, en el caso de operar con escoria
final reductora. Si ésta es oxidante, los porcentajes están entre 0.004 y 0.012 %.
En el proceso LD (el convertidor soplado por oxigeno) los contenidos habituales están en torno a 0.002-0.006 %. La diferencia es notable.
En cuanto a los niveles de hidrogeno, son también algo mas elevados en el acero del proceso HEA que en el de convertidor. En el horno
eléctrico los contenidos en hidrogeno del acero final son en parte función de la humedad de las materias primas; es decir, de la chatarra, los
aditivos y también de la atmosfera.
En un día de humedad los aceros salen con contenidos de hidrogeno superiores a los producidos en un día seco. Por ello mismo conviene que
los aditivos del periodo reductor sean secados antes de ser añadidos. Igualmente la cal debe secarse por sus propiedades higroscópicas
(retiene la humedad).
De todas formas los procedimientos de metalurgia secundaria, en especial la desgasificación al vacío y la agitación con argón, se han
perfeccionado de manera que se consigue que el contenido de gases en los aceros colados sea muy pequeño.
COLADA
la colada del horno es iniciada por el operador Una vez finalizado el procesamiento de la carga y
alcanzada la temperatura fijada. la colada debe ser lo más rápida posible para ahorrar tiempo.
Hay dos tipos de diseño de hornos que tienen configuraciones de colada distintas.
• Hornos de colada excéntrica por el fondo (EBT)
• Hornos de piquera
Hornos de colada excéntrica por el tondo (EBT)
Tienen el orificio de colada en una posición excéntrica en la sotera del
horno. Esta configuración permite una colada libre de escoria. En tales
casos se mantiene en el horno un remanente del baño (pequeña
cantidad de metal y escoria) entre hornada y hornada.
Hornos de piquera:
Se usan para ciertos tipos de acero. Colando por una piquera causa que también se
traslade la escoria a la cuchara, donde se mezcla a fondo con el acero. En estos casos
se vierte el metal íntegramente, sin dejar ningún remanente en la solera del horno.
Fabricación de acero
Si las acerías BOF alcanzan rendimientos muy satisfactorios en la producción de
aceros al carbono, no sucede lo mismo cuando se trata de fabricar aceros
altamente aleados o inoxidables que necesitan cantidades importantes de
cromo, manganeso, silicio, niobio, titanio, vanadio, molibdeno, wolframio o boro.
La acería eléctrica es la única que puede fabricar aceros de alta aleación y
competir en la producción de aceros al carbono con las plantas integrales BOF.
En la figura 2.8 se muestra un esquema de las operaciones de trabajo, colada y
descarga de la escoria en un horno eléctrico.
No obstante, la operación de colada del horno se tiende a realizar actualmente a
través de una buza situada en la solera del horno, a la altura de la piquera de
colada. Esta operación permite colar al horno en la posición de trabajo (figura
2.8) facilitando el acoplamiento de buzas, para la protección del chorro de
colada, y evitando la reoxidación o renitruración del metal.
Figura 2.8.- Esquema de las operaciones que se suceden
en el horno eléctrico durante la elaboración del acero.
En la producción de aceros de alta aleación es
necesario considerar en el análisis de los
equilibrios metal-escoria-gas los parámetros
de interacción de los solutos en el metal.
Normalmente, la actividad de Henry de los
solutos en el hierro líquido no se puede
identificar con la concentración expresada en
tanto por ciento. Por lo menos, se deben tener
en cuenta las interacciones de primer orden
con el fin de obtener resultados identificables
con los valores experimentales.
En el cuadro 2.4 se muestran los parámetros
de interacción de la Ley de Henry, eij, para los
elementos de aleación más comunes en los
aceros especiales.
CUADRO 2.4
Parámetro de interacción, eij, en el hierro líquido a 1600 °C
Considerando el diagrama SiO2-FeO-CaO, la composición
de una escoria oxidante de afino de acería eléctrica se
especifica por el punto B de la figura 2.9. En la etapa
oxidante de fusión-afino, las condiciones termodinámicas
son favorables para la escorificación del silicio y el fósforo.
Inicialmente, la carga de escorificantes está formada por
mineral de hierro, cascarilla de laminación y cal (punto A en
el diagrama ternario).
Conforme progresa el proceso de afino se escorifica el
silicio y se forma la escoria (punto B del diagrama ternario
de la figura 2.9). Durante el proceso de formación de la
escoria, el lugar geométrico de todos los productos
intermedios (o escorias intermedias de afino) se sitúa a lo
largo de la línea AB.
Se puede simular, en el diagrama ternario de dicha figura,
cual sería la composición, temperatura de liquidus,
cantidad de sólido por disolver y fases de equilibrio
existentes durante el proceso de formación de la escoria.
Figura 2.9.- Situación de las escorias de afino oxidantes de horno
eléctrico en el sistema SiO2-FeO-CaO (según Levin, 1964)
Ferroaleaciones
Las ferroaleaciones son productos metálicos impuros
que, además del metal activo valioso, contienen
considerables proporciones de hierro.
Constituyen unas materias primas de especial
importancia en la producción de aceros al carbono y
especiales. Se utilizan bien como desoxidantes,
desulfurantes o bien como elementos de adición para
la elaboración de aceros especiales.
Ferromolibdeno
El contenido en carbono de los aceros inoxidables es
tan reducido que, si la ferroaleación utilizada procede
de reducción carbotérmica, aportará carbono que es
una impureza indeseable.
Por tanto, las ferroaleaciones especiales, con bajo
contenido en carbono, deberán prepararse por
métodos distintos al carbotérmico: reducción
metalotérmica o electrólisis de sales fundidas.
Ferrosilicio
Ferromanganeso
La obtención del ferrosilicio puede realizarse en horno eléctrico utilizando el cuarzo como materia prima:
SiO2 (s,l) + 2C (s) = Si (dis; hierro) + 2CO (g)
[2.12]
La temperatura es siempre superior a la de fusión de la sílice con el propósito de favorecer la cinética del proceso.
No obstante, además de las fases condensadas de silicio metal, carbono y óxido de silicio, se puede formar la de carburo de silicio, SiC, y en el gas
el compuesto volátil de subóxido de silicio (óxido de silicio II), SiO. En un sistema de tres componentes, silicio-oxígeno-carbono, el número de
libertades, L, es igual a: L = 5 - F (fases en equilibrio), L vale cero cuando, a presión total constante (PT ≈PCO + PSiO), se establecen los equilibrios
siguientes:
(a).-Entre las fases sólidas SiO2, SiC y C con el gas.
(b).- Entre las fases condensadas SiO2, SiC y Si con el gas.
El equilibrio entre las fases sólidas SiO2, SiC y C y el gas puede expresarse por la siguiente reacción:
3C (s) + SiO2(s) = SiC(s) + 2CO (g)
Mientras que el equilibrio entre las fases condensadas SiO2, SiC y Si con el gas puede representarse por:
3SiO2 (l) + 2SiC (s) = Si (dis; hierro) + 4SiO (g) + 2CO(g)
[2.13]
Para la producción de ferrosilicio interesa desplazar hacia la derecha la reacción [2.13], por lo que se han de considerar las siguientes variables:
1.-Trabajar a temperaturas superiores a 1850 °C.
2.-Con la presencia de hierro líquido, el carburo de silicio se disuelve en el metal: SiC (s) = Si(dis; hierro) + C(dis; hierro)
3.-Con la presencia de hierro líquido, la actividad del silicio disminuye notablemente (coeficiente de actividad de Raoult inferior a la unidad).
No obstante, a pesar de los efectos favorables de la temperatura y del hierro líquido sobre la reacción [2.13], siempre se van a producir pérdidas
de subóxido de silicio, SiO, en el gas. Éstas van a ser mayores en tanto aumente la cantidad de silicio en la ferroaleación.
La materia prima para la obtención de ferromanganeso es la pirolusita, MnO2. Al ser los óxidos de manganeso de valencia superior a dos (MnO2, Mn2O3 y Mn3O4)
inestables a bajas temperaturas, se descomponen según las reacciones:
2MnO2 (s) = Mn2O3 (s) + (½)O2 (g)
3Mn2O3 (s) = 2Mn3O4 (s) + ( ½)O2 (g)
Mn3O4 (s) = 3MnO (s) + ( ½)O2 (g)
o resultan fácilmente reducibles a MnO con gases de alto potencial en oxígeno; el MnO es el óxido que tendrá que considerarse para la obtención carbotérmica de
la ferroaleación.
MnO (dis; escoria) + C (s) = Mn (dis; hierro) + CO (g)
[2.14]
Los ferromanganesos obtenidos por reducción carbotérmica presentan altos contenidos en carbono (8% C). Las alternativas que existen para obtener
ferromanganesos bajos en carbono son:
1.-Tratar el ferromanganeso alto en carbono con una escoria oxidante procedente de la carborreducción de la pirolusita, con la siguiente composición seudoternaria
(figura 2.10): 38 % de MnO; 19 % de CaO y 4 3% de SiO2. Entonces, el carbono disuelto en la ferroaleación o el carburo de manganeso, Mn7C3, disperso en el metal
reaccionan con el MnO de la escoria liberando C en forma de CO:
C (dis; hierro) + MnO(dis; escoria) = CO (g) + Mn (dis; hierro) [2.15]
Mn7C3(s) + 3MnO (dis; escoria) = 3CO (g) + 10Mn (dis; hierro) [2.16]
2.-Por reducción metalotérmica del mineral de manganeso con un Fe-Mn (35 %)-Si (40 %), siguiendo un proceso semejante al indicado en la figura 14.3 (ver más
adelante) para la obtención de ferrocromo de bajo carbono (% C < 0.10%).
3.-Utilizando inyección de gases inertes (Ar) u oxidantes (CO2) en ferromanganesos afinados previamente con escorias oxidantes según mecanismos descritos por las
reacciones [2.15] y [2.16] Un gas oxidante, como el CO2, decarbura el metal según la reacción:
C (dis; hierro) + CO2 (g) = 2CO (g)
[2.17]
4.- Utilizando técnicas de desgasificación por vado en aquellos ferromanganesos afinados por alguno de los mecanismos mencionados anteriormente. La solubilidad
del carbono y del oxígeno en la ferroaleación disminuyen al reducir la presión total del sistema con el vacío:
C (dis; hierro) + O (dis; hierro) + CO (g) [2.18]
El equilibrio [2.18] se desplaza hacia la formación de monóxido de carbono al reducir la presión total del sistema.
Figura 2.10.- Escoria procedente de la reducción carbotérmica
del ferromanganeso en el sistema SiO2-MnO-Ca0
(según Levin, 1964).
La producción de ferrocromo por reducción carbotérmica del óxido de cromo conduce a una aleación con un 70 % de cromo y un 8 % de carbono. Una parte
considerable del carbono puede liberarse oxidando el metal con aire a 2100 K:
Cr2O3 (dis; escoria) + 3 C (dis; hierro) = 2 Cr (dis; hierro) + 3CO (g)
Se alcanzan así niveles de carbono en el entorno del 0.10 % C. Para obtener cantidades de carbono inferiores a las cien milésimas por ciento será preciso proceder
según el esquema indicado en la figura 14.3.
Igualmente, es posible obtener ferrotitanio, ferrovanadio, ferromolibdeno, ferroniobio y ferrowolframio por reducción carbotérmica. El contenido en carbono de
las ferroaleaciones de titanio y vanadio es importante habida cuenta de la afinidad de los metales por el carbono, mientras que disminuye en las correspondientes
al ferromolibdeno y ferrowolframio (figura 14.2).
FIGURA 14.2.- Afinidad de los metales por el carbono (según datos
termodinámicos y sin considerar cambios de pendiente asociados
a las variaciones de los estados de agregación de productos y
reactivos)
FIGURA 14.3.-Diagrama de
flujo para la producción de
ferrocromo de bajo
contenido en carbono
mediante reducción
silicotérmica.
Reacciones en el horno eléctrico
Se pretende llevar a cabo un análisis
detallado de los fundamentos
termodinámicos y cinéticos de las
reacciones más importantes que se
pueden realizar en el horno
eléctrico: fusión, afino de impurezas
y reducción.
Cuando se estudiaron las reacciones
en el BOF únicamente se analizaron
las características termodinámicas
más importantes. Se aprovecha la
descripción de las reacciones de
afino en el horno eléctrico para
introducir aquellos aspectos
cinéticos más relevantes aún no
considerados y realizar un estudio
comparado de los procesos de
oxidación de las impurezas en
convertidor y en horno eléctrico.
A.- Fusión
Una de las funciones del horno eléctrico es fundir la carga de óxidos y
materiales metálicos. La entalpía asociada al proceso de fusión de la parte
metálica de la carga se estima mediante la regla de las mezclas:
[2.23]
 fus H fase metálica   xi  fus H i
Cuadro 2.5.- Entropías molares parciales, ΔfusSi, asociadas
al proceso de fusión de distintos óxidos metálicos
i
siendo xi la fracción molar del metal i y ΔfusHi la entalpía de fusión asociada a
la cantidad unidad de metal puro, la cual es función de la energía del enlace
metálico y, por tanto, de la temperatura de fusión:
 fus H i / J .mol 1  10.4T fus / K
[2.24]
Para la parte no metálica de la carga, al no poder hablar de un punto de fusión definido sino de una temperatura de formación de primeras fases
líquidas, Tf,i, y de una temperatura de liquidus, Tl,i , se utiliza la siguiente expresión:
 fus H  Tm  fus S
donde:
Tm 

1
T T
2 f ,i l ,i

y
 fus S
es la entropía asociada al proceso de fusión—solidificación de la carga no metálica estimada a partir de las entropías molares parciales de cada
uno de los óxidos del sistema  S
(cuadro 2.5):
fus i
 fus S   xi  fus Si
i
En este caso, las entropías molares parciales de cada uno de los óxidos de la escoria resultan inferiores a las correspondientes a los óxidos puros
perfectamente ordenados. Téngase en cuenta que se quiere estimar la energía asociada al proceso de fusión de unos sólidos que, al formar parte
de una escoria, tienen una entropía molar parcial de fusión que no se corresponde con el compuesto puro altamente ordenado a gran distancia.
Por otra parte, la versatilidad del horno eléctrico es tal que puede crear un ambiente reductor con el propósito de conseguir:
(a).- La escorificación del azufre;
(b).- La recuperación de metales existentes en la escoria.
La eliminación del azufre disuelto en el líquido se realiza mediante una escoria básica-reductora:
CaO (dis; escoria) + S (dis; hierro) = SCa (dis; escoria) + O (dis; hierro)
[2.30]
El equilibrio [2.30] se desplaza hacia la derecha cuando se dispone de una escoria básica en un medio de bajo potencial oxidante.
Igualmente, en el horno eléctrico, se puede alcanzar la recuperación del cromo oxidado durante la fusión de la chatarra de acero
inoxidable. La adición de ferrosilicio crea un ambiente reductor que facilita la reincorporación del cromo al hierro líquido:
Cr2O3 (dis; escoria) + (3/2)Si (dis; hierro) = (3/2) SiO2 (dis; escoria) + 2Cr (dis; hierro)
[2.31]
La producción del acero inoxidable con 18 % de Cr y 8 % de Ni
se realiza en el horno eléctrico debido a la capacidad que
tiene de trabajar indistintamente con potenciales oxidantes o
reductores.
Las crecientes limitaciones de los contenidos en carbono del
acero inoxidable han supuesto la paulatina sustitución de la
tradicional fusión en horno eléctrico con doble escoria por el
afino en convertidor AOD (figura 2.11). En este caso, la misión
del horno eléctrico es fundir la chatarra, mientras que la del
AOD, es recuperar el cromo y disminuir los porcentajes en
carbono del fundido.
La decarburación en el AOD tiene lugar al desplazarse hacia la
derecha la reacción:
C (dis; hierro) + O (dis; hierro) = CO (g) [2.32]
por el efecto del argón en la creación de la interfase gasmetal, con presiones parciales de CO muy alejadas de los
valores de equilibrio.
Figura 2.11.- Convertidor AOD (Argon-Oxygen¬Decarberisation).
Reducción
Las reacciones de reducción que pueden llevarse a cabo en el horno
eléctrico son, fundamentalmente, dos:
1.- La reducción carbotérmica de materias primas para obtener
ferroaleaciones:
MeO (dis; escoria) + C (dis; hierro) = CO (g) + Me (dis; hierro)
2.- La recuperación metalotérmica de metales valiosos de escorias
generadas durante procesos de reducción, o de afino térmico oxidante,
de metales:
MeO (dis; escoria) + M (dis; metal) = MO (dis; escoria) + Me (dis; metal)
En el cuadro 2.6 se completan los datos termodinámicos de las tablas
por cuanto se indican las energías libres estándar de formación asociadas
a las materias primas de los metales de algunas ferroaleaciones.
Cuadro 2.6.- Energías libres estándar de formación
para la fabricación de ferroaleaciones dentro de un
determinado rango de temperaturas