SEPARATA N 04 PRINCIPIOS DE REFINACIN POR REACCIONES ESCORIA -METAL EN APOYO CURSO SIDERURGIA IICONTENIDO:1. PRINCIPIOS DE REFINACIN MEDIANTE REACCIONES ESCORIA - METAL2. EL PROBLEMA DE LA ELIMINACIN DEL FSFORO.3. PROCEDIMIENTOS CIDOS Y BSICOS, EL EFECTO NEGATIVO DEL AZUFRE4. IMPOSIBILIDAD DE ELIMINACIN DEL AZUFRE EN EL PROCEDIMIENTO CIDO5. DIFICULTADES Y LIMITACIONES EN LOS PROCEDIMIENTOS BASICOS.DESARROLLO

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3.2 EL PROBLEMA DE LA ELIMINACIN DEL FSFORO DE EL ACERO LQUIDO. INFLUENCIA DEL FSFORO EN EL ARRABIO.El fsforo baja el grado de saturacin del hierro con el carbono, desciende el punto de fusin, endurece las fundiciones, aumenta la fluidez de las fundiciones.

RELACIN DE PARTICIN DEL FSFOROLa defosforacin durante la fase final del proceso de metalurgia en el convertidor LD es muy importante por que las condiciones son favorables comparadas con otros procesos dentro de la metalurgia primaria y secundaria. Por lo tanto es crtico mantener una composicin de escoria que mejore la eliminacin del fsforo.La Figura 8-1 muestra como vara la relacin de particin del fsforo con las distintas composiciones de escoria. Es bastante difcil mantener una alta velocidad porque existe slo en un rango de composicin muy limitado. Adems, un aumento de la temperatura de 50C conduce a una disminucin de LP con un factor de 1.6 a un ndice de basicidad (CaO/SiO2) de 3.

Figura 8-1: LP en el sistema CaO-SiO2-FeO-2%P2O5-1.5%Al2O3-3%MnO-5%MgO a 1650 C

8.2.2 CINETICA DE LA DEFOSFORACION DURANTE LA AGITACION POSTERIOR AL SOPLADOLa velocidad a la que se defosfora el acero durante la agitacin posterior al soplado, por ejemplo, con nitrgeno o argn, es controlada por:

Dnde:Kc = coeficiente de transferencia de masa de P en el acero lquidoA = rea de seccin transversal en la interfaz escoria-metal (m2)V = volumen de acero (m3) = contenido de P en el acero en tiempo t%Peq = contenido de P en equilibrio en tiempo t = coeficiente emprico (~ 500 m-1/2)Dp = coeficiente de difusin de P en el acero lquido (m2 s-1)Q = caudal volumtrico de gas a lo largo de la interfaz (m3 s-1)

4.3 PROCEDIMIENTOS CIDOS Y BSICOS, EL EFECTO NEGATIVO DEL AZUFRE.

III.c. Clasificacin de los modernos procesos de obtencinDesde el punto de vista qumico-metalrgico, todos los procesos de fabricacin de acero se pueden clasificar en CIDOS Y BSICOS (segn el refractario y composicin de la escoria utilizada), y cada proceso tiene funciones especficas segn el tipo de afino que puede efectuar.LOS PROCESOS CIDOS utilizan refractarios de slice, y por las condiciones de trabajo del proceso hay que poder formar escorias que se saturen de slice.Los procesos cidos pueden utilizarse para eliminar carbono, manganeso y silicio; no son aptos para disminuir el contenido en fsforo y azufre, y por esto requieren el consumo de primeras materias seleccionadas, cuyo contenido en fsforo y azufre cumple las especificaciones del acero final que se desea obtener. LOS PROCESOS BSICOS utilizan refractarios de magnesita y doloma en las partes del horno que estn en contacto con la escoria fundida y el metal. La escoria que se forma es de bajo contenido de slice compensada con la cantidad necesaria de cal. El proceso bsico elimina, de manera tan eficaz como el proceso cido, el carbono, manganeso y silicio, pero adems eliminan el fsforo y apreciables contenidos de azufre. De aqu las grandes ventajas del proceso bsico, por su gran flexibilidad par consumir diversas materias primas que contengan fsforo y azufre, y por los tipos y calidades de acero que con l se pueden obtener.

DESDE EL PUNTO DE VISTA TECNOLGICO EXISTEN TRES TIPOS FUNDAMENTALES DE PROCESOS:1) Por soplado, en el cual todo el calor procede del calor inicial de los materiales de carga, principalmente en estado de fusin.2) Con horno de solera abierta, en el cual la mayor parte del calor proviene de la combustin del gas o aceite pesado utilizado como combustible; el xito de este proceso se basa en los recuperadores de calor para calentar el aire y as alcanzar las altas temperaturas eficaces para la fusin de la carga del horno. 3) Elctrico, en el cual la fuente de calor ms importante procede de la energa elctrica (arco, resistencia o ambos); este calor puede obtenerse en presencia o ausencia de oxgeno; por ello los hornos elctricos pueden trabajar en atmsferas no oxidantes o neutras y tambin en vaco, condicin preferida cuando se utilizan aleaciones que contienen proporciones importantes de elementos oxidables.En la fabricacin de acero existen las fases hierro, escoria y gases. Este sistema heterogneo tiende a un estado de equilibrio si se adicionan unos elementos reaccionantes o vara la temperatura o la presin. Al fabricar un acero se pretende eliminar de la fase hierro los elementos perjudiciales en exceso y aadir los que faltan para conseguir el anlisis final previsto. Por las reacciones reversibles entre las tres fases (hierro, escoria y gases) se consigue, al producirse un desequilibrio, la segregacin o paso de elementos, eliminar del hierro la escoria, o viceversa. Es necesario un profundo conocimiento de estas reacciones para fabricar un acero con buen resultado. Todo el proceso de obtencin de acero consta de un primer perodo oxidante o de afino, en el que se elimina el Carbono en fase gaseosa; el silicio y el manganeso se oxidan formando compuestos complejos con la escoria, que puede eliminarse; si la escoria es adems bsica, se elimina el fsforo. El segundo perodo es reductor y debe eliminar el exceso de xido de hierro disuelto en el bao del hierro durante el perodo oxidante, a fn de poder eliminar despus el azufre; o puede tambin recuperar el manganeso oxidado que pas a la escoria. Finalmente, hay un perodo de desoxidacin o refino por accin de las ferroaleaciones de manganeso y silicio, que se adicionan en el bao a la cuchara, y de aluminio metlico, en la lingotera. Estos perodos pueden tener mayor o menor duracin e importancia y realizarse netamente separados o entrelazados, y a mayor o menor velocidad en unos procesos que en otros. El desescoriado puede ser total o parcial en cada perodo, o transformar las primeras escorias oxidantes en reductoras. Todo ello depender del horno o proceso utilizado, de las condiciones de las materias primas, de los elementos que interesa que pasen a la escoria y no retornen de sta al bao de hierro, etc.

IV. APLICACIONES.IV.a. Economa.El acero, producto derivado de uno de los sectores fundamentales del desarrollo econmico, la industria siderrgica constituye una de las bases sobre las que se asienta toda la economa industrial. Su importancia se refleja en el aumento experimentado en el volumen de su produccin en menos de cien aos, aumento de un 91.000/100; frente al total mundial de 508.000 tm de 1870. Se alcanz en 1966 la cifra de 474 millones de tm, y el nmero de pases productores ( 30 en 1938 ) se ha elevado a 75 en la actualidad. Este proceso de desarrollo es debido a la poltica actual de industrializacin, que en lneas generales coincide en considerar la implantacin de una industria pesada como una de las condiciones de la independencia econmica. Ello ha conducido en ciertos pases a una capacidad de produccin que excede las necesidades interiores, al no haberse desarrollado al mismo ritmo las industrias derivadas. As, en 1966 el excedente total de la produccin se evalu en 100 millones de tm, de las que cerca de un 50% corresponden a los EE.UU. La localizacin de la industria siderrgica, tradicionalmente afincada en naciones con recursos de hulla coquificable y de mineral de hierro, va cambiando de siglo debido a la rapidez y baratura de los transportes, que posibilita la creacin de aceras en pases desprovistos de recursos mineros, tendencia que viene incrementada por la fabricacin de acero a partir de chatarra en zonas carentes de carbn.

IV.b. APLICACIONES ARQUITECTNICAS.El hierro como material estructural se usa en arquitectura desde antiguo. Por sus propiedades a la traccin se utilizaba combinando con la madera en las cabriadas que cubren las naves de las iglesias medievales.Se sustituy la madera por el carbn en la extraccin del mineral (1735 ), la fabricacin de las primeras vigas perfiladas de hierro ( 1847 ), la invencin del procedimiento Bessemer que permite producir acero en gran escala ( 1855 ), el uso del hormign armado ( 1890 ) y la patente del acero inoxidable (1916), lo que hace posible llegar a un empleo masivo del acero en la arquitectura. Bsicamente, el acero forma los elementos estructurales: vigas y pilares, planchas superficiales o cables para grandes cubiertas, y barras para el armado del hormign. Se emplea tambin en detalles no estructurales, desde la carpintera de puertas y ventanas hasta recubrimientos, simples manivelas, etc. Dado el gran poder de oxidacin del acero en contacto con la atmsfera, hay que aplicar un proceso de revestimiento de superficie, sea por bao electroltico, pintndolo. Por su resistencia, puede emplearse en estructuras ligeras, necesarias cuando la edificacin pasa de cierto nmero de plantas o cuando cubre una gran luz. En ambos casos la relacin peso propio-resistencia ha de ser baja, lo que se consigue con el empleo del acero. El acero, por presentar unas dispersiones mnimas en sus caractersticas resistentes, con un control de calidad fcilmente alcanzable, plante la necesidad de una revisin de los mtodos de clculo usados normalmente, y pensados para materiales cuya construccin y ejecucin no permitan una determinacin cuantitativa aproximada de sus caractersticas resistentes. La posibilidad de un mayor conocimiento del material permiti la formulacin de hiptesis de clculo mucho ms ajustadas a la realidad y cuyas aplicaciones estaban totalmente justificadas por motivos econmicos. La operatividad de los mtodos basados en estas hiptesis (mtodos elsticos menos simplificados, mtodos plsticos, mtodos fundados en la continuidad de los materiales resistentes, etc. ) se alcanza con la aparicin y uso generalizado de los computadores electrnicos. Actualmente se han desarrollado tcnicas constructivas a base de acero; entre ellas cabe citar los techos suspendidos que se sostienen mediante cables de acero tensados, los cascarones de acero soldado, las enormes cubiertas reforzadas por costillas sobre columnas de hormign armado, etc.

4.4 IMPOSIBILIDAD DE ELIMINACIN DEL AZUFRE EN EL PROCEDIMIENTO CIDO.Imposibilidad de eliminacin del azufre en el procedimiento cido del acero liquido1) Proceso por soplado, Bessemer cido y Thomas bsico.El proceso Bessemer cido ha sido el primero utilizado y el ms sencillo. Desde su inicio permite obtener en una sola operacin, partiendo de hierro lquido, coladas de 10-25 tm al ritmo de 1 tm/ min. Por ser cido, no defosfora ni desulfura y debe utilizar hierro lquido de anlisis adecuado. La gran abundancia de mineral de hierro rico en fsforo, que al ser tratado en horno alto pasan gran parte al hierro lquido, provoca el desarrollo de procesos que pueden desfosforar y ha sido causa de que los procesos bsicos se empleen en Europa mucho ms que el Bessemer cido, limitados stos a utilizar hierro bajo en fsforo. La operacin se realiza en el convertidor, cuba de acero revestida de refractario, con toberas en su fondo y abierta en su parte superior, montada sobre apoyo con mecanismo basculante. La carga de hierro lquido se realiza con el convertidor en posicin horizontal, lo que deja abiertas las toberas. Se insufla el aire necesario a travs de uno de los soportes huecos a la caja de viento, que lo distribuye a travs de las toberas a una presin de 2 kg / cm2. Se inicia el soplado al mismo tiempo que se pone el convertidor vertical; el aire a presin pasa a travs del hierro lquido, introducindose as el oxgeno necesario para el afino. El silicio contenido en el hierro lquido es el factor termoqumico ms importante para regular y obtener la temperatura necesaria. La llama expulsada por la boca del convertidor cambia de color y luminosidad, lo que permite juzgar el desarrollo del afino e interrumpir el soplado en el momento final adecuado; entonces se hace bascular el convertidor y se cuela el acero lquido en una cuchara de transporte. El revestimiento cido de este tipo de convertidores proporciona el exceso de slice indispensable para formar escoria, adems del silicio que contiene el hierro lquido. En el caso del convertidor bsico, llamado proceso Thomas, el revestimiento es de magnesita o doloma calcinada y alquitrn. Por la accin fuertemente oxidante del soplado se elimina primero el carbono y despus se oxida el fsforo, que acta de importante elemento termgeno. La cal necesaria se aade con la carga; se funde durante el soplado y se combina con el fsforo oxidado, formando la escoria Thomas, utilizada como fertilizante. Este proceso ha sido un factor muy importante del desarrollo industrial alcanzado en Europa a fines del siglo pasado. Se controla como el Bessemer por el aspecto de la llama. El tiempo necesario del soplado es slo de 15 minutos, por lo que el xito del proceso depende de la pericia del operario. Tan corto tiempo no permite efectuar control por anlisis de muestras.

2) Proceso sobre solera, bsico y cido.Desde principios de siglo este proceso es el que domina en todos los pases por el tonelaje producido, siempre en aumento; sin embargo, en la actualidad, aunque se perfeccione, puede perder terreno, debido a las mejoras del convertidor y del horno elctrico. Los dos procesos, de afino por soplado y de afino por solera, constituyen la base de la moderna produccin de acero a bajo coste y elevado tonelaje. El rpido auge inicial del proceso Bessemer se debi a su sencillez. El predominio final del proceso sobre solera obedece, a su posibilidad de utilizar con ventaja chatarra para poder fundirla, a su flexibilidad en el uso de otras materias primas y a su cualidad de obtener una gama ms amplia de aceros de muy buena calidad. Se puede trabajar en forma cida o bsica con refractarios adecuados, y en ambos casos son posibles amplias variaciones de trabajo. La solera, en un horno bsico, est revestida con magnesita o dolomita calcinada y en horno cido con refractarios o arenas silicosas. La bveda, que forma un amplio arco de medio punto, se construye de ladrillo de slice, pero en la actualidad se tiende a fabricarla con ladrillos bsicos formando arcos suspendidos. El tipo de refractario de la bveda es independiente del de la solera, ya que la bveda no est en contacto con la escoria fundida en el bao. Los quemadores situados en ambos extremos del horno funcionan alternativamente en ciclo controlado, por lo general de 10-15 min. Los combustibles que se suelen utilizar son gas de hulla, gas natural o aceite pesado; su eleccin depende de lo que se disponga y de su coste, sin ninguna otra condicin. Para conseguir en el horno una temperatura suficiente (superior a 1650 C) con coste mnimo de combustible, se precalienta el aire para la combustin en un sistema de recuperadores de calor reversibles. El rgimen de trabajo del horno es continuo para conseguir un mejor aprovechamiento del calor, un descascarillado mnimo del refractario y una produccin mxima en toneladas de acero (200-300 tm por colada). Los materiales que se cargan fros en el horno son caliza o cal, mineral de hierro y chatarra de acero, y se colocan por este orden en el horno. La chatarra constituye algo ms de la mitad del peso de hierro necesario para una colada. Se forma as una mezcla de material ligero, voluminosa y pesada; distribuido de esta manera, se consigue una rpida absorcin de calor, economa de espacio y que se mantengan en el fondo, durante el mayor tiempo posible, la cal y el mineral. Se calculan las cantidades necesarias de cal y mineral, que dependern del tipo de chatarra y del anlisis de la carga de hierro, con vistas a seguir un correcto anlisis del acero y escoria final. Durante el calentamiento, y conseguida la fusin de la carga, aumenta su oxidacin por la accin de la atmsfera del horno, que debe contener un exceso de oxgeno para mantener una combustin eficaz. Cuando la chatarra est parcialmente fundida, se aade el hierro lquido necesario para completar el peso total de la carga. La accin oxidante tiene su origen en el proceso de afino por solera, en la atmsfera del horno, en el aire y productos de la combustin y en el mineral de hierro que pasa a la escoria fundida en gran cantidad en forma de xido de hierro. Cualquiera que sea el origen del oxgeno, existir suficiente presin del mismo, y el acero lquido disolver, de acuerdo con su temperatura y composicin, una cantidad de oxgeno. ste oxgeno disuelto reacciona a su vez con otros elementos del bao de acero. Para un contenido dado de carbono la cantidad de oxgeno disuelto en el bao aumentar con la temperatura, mientras que para una temperatura determinada los contenidos de carbono y oxgeno del bao estn en proporcin inversa. La escoria es un producto de la calcinacin de la pieza caliza durante el perodo de fusin.3) Proceso del horno elctrico.El progreso de la electricidad permiti, hacia el ao 1900, que el horno elctrico se introdujera a escala industrial para fabricar acero (50 aos despus de los procesos de afino por soplado y por solera). El horno de arco calienta directamente el bao de acero por debajo de la escoria y consigue la alta temperatura necesaria de trabajo. Sin requerir la presencia de oxgeno en su atmsfera, el horno elctrico ocupa una posicin privilegiada para la fabricacin de una amplia gama de calidades de aceros finos aleados, con elevados contenidos de elementos de aleacin oxidables, tales como el carbono, vanadio y wolframio. El horno de tres electrodos ha alcanzado gran auge y perfeccionamiento, no slo por la alta calidad del acero que se obtiene, sino tambin en muchos casos por ser competitivo con el proceso de afino por solera para cualquier calidad de acero; parece que contina aumentando su importancia, incluso para la produccin de grandes tonelajes, merced a la menor inversin necesaria o tambin cuando se dispone de energa elctrica a coste inferior o similar a la calora gas. Existen asimismo las dos variedades, bsico y cido, con los mismos fundamentos que en los procesos anteriores, pero con notable predominio del horno bsico dadas las dificultades y fluctuaciones que experimenta el mercado para poder adquirir primeras materias suficientes para el trabajo cido. El tamao del horno es muy variable, desde 500 tm hasta 200 tm. Los ms pequeos tienden a desaparecer; los de 5 tm y ms se utilizan para el moldeo y aceros aleados, y las grandes unidades para la produccin en serie de lingotes. Normalmente trabajan con carga slida; en algunas aceras lo hacen con carga de acero lquido en proceso duplex, conjunto de convertidor u horno de solera y horno elctrico para el acabado. La carga de los grandes hornos es un factor determinante de su rendimiento; en general se ha adoptado la bveda desplazable para carga por encima del horno abierto, con recipiente metlico de fondo de fcil abertura, o por otros rpidos procesos mecanizados. La marcha de la colada se inicia con la carga slida de mineral, caliza o cal, segn se disponga, chatarra y lingote de afino. Eliminada la escoria, si la especificacin de calidad del acero requiere adiciones de elementos aleables, la siguiente etapa es preparar una escoria reductora, aadiendo cal apagada y electrodos o coque triturados. En todo momento se pueden sacar muestras del bao para su anlisis y ajustar los elementos aleados hasta que se cumpla la especificacin pedida, y tambin regular la temperatura hasta que el bao est a punto para colar. Aunque con menor intensidad que en otros procesos de obtencin de aceros, es necesaria la adicin de desoxidantes en la cuchara.

4.5 DIFICULTADES Y LIMITACIONES EN LOS PROCEDIMIENTOS BASICOS.Desde el punto de vista qumicometalrgico, todos los procesos de fabricacin de acero se pueden clasificar en cidos y bsicos (segn el refractario y composicin de la escoria utilizada), y cada proceso tiene funciones especficas segn el tipo de afino que puede efectuar. Los procesos cidos utilizan refractarios de slice, y por las condiciones de trabajo del proceso hay que poder formar escorias que se saturen de slice. Los procesos cidos pueden utilizarse para eliminar carbono, manganeso y silicio; no son aptos para disminuir el contenido en fsforo y azufre, y por esto requieren el consumo de primeras materias seleccionadas, cuyo contenido en fsforo y azufre cumple las especificaciones del acero final que se desea obtener. Los procesos bsicos utilizan refractarios de magnesita y doloma en las partes del horno que estn en contacto con la escoria fundida y el metal. La escoria que se forma es de bajo contenido de slice compensada con la cantidad necesaria de cal. El proceso bsico elimina, de manera tan eficaz como el proceso cido, el carbono, manganeso y silicio, pero adems eliminan el fsforo y apreciables contenidos de azufre. De aqu las grandes ventajas del proceso bsico, por su gran flexibilidad par consumir diversas materias primas que contengan fsforo y azufre, y por los tipos y calidades de acero que con l se pueden obtener. Desde el punto de vista tecnolgico existen tres tipos fundamentales de procesos: 1) Por soplado, en el cual todo el calor procede del calor inicial de los materiales de carga, principalmente en estado de fusin. 2) Con horno de solera abierta, en el cual la mayor parte del calor proviene de la combustin del gas o aceite pesado utilizado como combustible; el xito de este proceso se basa en los recuperadores de calor para calentar el aire y as alcanzar las altas temperaturas eficaces para la fusin de la carga del horno. 3) Elctrico, en el cual la fuente de calor ms importante procede de la energa elctrica ( arco, resistencia o ambos ); este calor puede obtenerse en presencia o ausencia de oxgeno; por ello los hornos elctricos pueden trabajar en atmsferas no oxidantes o neutras y tambin en vaco, condicin preferida cuando se utilizan aleaciones que contienen proporciones importantes de elementos oxidables. En la fabricacin de acero existen las fases hierro, escoria y gases. Este sistema heterogneo tiende a un estado de equilibrio si se adicionan unos elementos reaccionantes o vara la temperatura o la presin. Al fabricar un acero se pretende eliminar de la fase hierro los elementos perjudiciales en acceso y aadir los que faltan para conseguir el anlisis final previsto. Por las reacciones reversibles entre las tres fases (hierro, escoria y gases) se consigue, al producirse un desequilibrio, la segregacin o paso de elementos, eliminar del hierro la escoria, o viceversa. Es necesario un profundo conocimiento de estas reacciones para fabricar un acero con buen resultado. Todo el proceso de obtencin de acero consta de un primer perodo oxidante o de afino, en el que se elimina el Carbono en fase gaseosa; el silicio y el manganeso se oxidan formando compuestos complejos con la escoria, que puede eliminarse; si la escoria es adems bsica, se elimina el fsforo. El segundo perodo es reductor y debe eliminar el exceso de xido de hierro disuelto en el bao del hierro durante el perodo oxidante, a fn de poder eliminar despus el azufre; o puede tambin recuperar el manganeso oxidado que pas a la escoria. BOF (BASIC OXIGEN FURNACE) Convertidores (BOF) - Soplado con Oxgeno El Horno de Oxgeno Bsico es un elemento muy eficaz para convertir los lingotes de hierro en acero inyectando oxgeno. Carburos Metlicos puede suministrar el gas, los sistemas de control de procesos y el caudal as como el know-how tcnico (por ejemplo, en la colocacin de lanzas). Convertidores (BOF) - Precalentamiento de la Chatarra Se han desarrollado equipos de control y quemadores para precalentar de forma eficaz la chatarra frrea mediante quemadores de oxi-combustible no refrigerados por agua. Se suelen conseguir ahorros de combustible del 70% y reducciones del 50% en tiempos de calentamiento. Convertidores (BOF) - Salpicadura de Escoria Mediante la inyeccin de nitrgeno en la zona inferior del horno a travs de la misma lanza de oxgeno se consigue una capa de proteccin de escoria fundida en la pared del refractario reduciendo el gunning consumption y alargando la campaa. Convertidores (BOF) - Agitacin Inferior El metal fundido se agita mediante una inyeccin de gas de alta presin con el fin de incrementar la produccin de acero, la recuperacin de los metales de aleacin y alargar la duracin de la campaa. 1111