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METALURGIA

SECUNDARIA

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6. METALURGIA SECUNDARIA EN HORNO – CUCHARA

El acero líquido obtenido en el horno eléctrico de arco no puede considerarse acabado

totalmente. Con tiempos de colada a colada de entre 40 a 60 minutos en dicho horno, es

normalmente necesario completar las operaciones de afino, ya que el horno eléctrico se centraúnicamente en las operaciones de fusión y defosforación. ay otras operaciones que deben

reali!arse separadamente en lo que actualmente se denomina metalur"ia secundaria, permitiendo

aumentar la producti#idad de las acerías y obtener #enta$as económicas deri#adas.

%or otra parte, los usuarios del acero han aumentado sus e&i"encias y e&pectati#as, lo que se

traduce en especificaciones ri"urosas en sus contenidos de a!ufre, o&í"eno e inclusiones no

met'licas. (a respuesta a estos requerimientos #iene dada por la incorporación de la metalur"iasecundaria a los procesos de fabricación del acero, en función de lo requerido o e&i"ido por los

clientes o la normati#a y de las peculiaridades de dichos procesos de obtención del acero.

)ctualmente se reali!an muchas operaciones metalúr"icas posteriores a la fusión, incluyendo

entre otras* )$uste preciso de los elementos de aleación, omo"enei!ación y control de la

temperatura y de la composición química, +escarburación +efosforación +eso&idación

+esnitro"enación +eshidro"enación, Esferoidi!ación de las inclusiones

e$ora de la limpie!a del aceroTodas estas operaciones, realizadas con posterioridad a los procesos que tienen lugar en el HEA,

constituyen el conjunto de operaciones que se denominan metalurgia secundaria, que ha

introducido cambios importantes en la tecnología siderúrgica

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%ermite, por e$emplo, fabricar aceros a medida de cada especificación o aplicación in"enieril

concreta sin implicar un aumento considerable del coste. (a -n#esti"ación y +esarrollo redundar'n

en aplicaciones futuras, como por e$emplo la eliminación de elementos residuales hoy imposibles

de retirar.

(as operaciones b'sicas empleadas para reali!ar la metalur"ia secundaria son* %re#enir el paso de

escoria pro#eniente de operaciones anteriores. omo"enei!ación el bao.

Calentamiento. /acío.

Creación de atmósferas inertes en los chorros de colada.

6.. 123E-/15 +E (15 5-5E)5 +E E)(78-) 5EC9+)7-)

(os sistemas o procesos de la metalur"ia secundaria se han establecido para lo"rar di#ersos

ob$eti#os técnicos. +e su aplicación se obtienen aceros que cumplen las especificaciones e&i"idas

por la técnica. ales ob$eti#os :o funciones de la metalur"ia secundaria; comprenden*

El control de los "ases o des"asificación* reducción del contenido de o&í"eno, hidró"eno y

nitró"eno en el acero, mediante la aplicación de #acío.

)lcan!ar ba$os contenidos de a!ufre, normalmente menores al 0,00

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1%E7)C-19E5 +E () E)(78-) 5EC9+)7-)

(os procesos de metalur"ia secundaria se pueden clasificar de acuerdo con los ob$eti#os que

tratan de conse"uir. En líneas "enerales pueden clasificarse en*

+eso&idación

Es una de las etapas imprescindibles en la producción de aceros y supone la eliminación del

o&í"eno residual. Es una operación que se reali!a fundamentalmente después de la colada del

E). %ara conse"uirla, se aaden a"entes y componentes :ferrosilicio y aluminio, por e$emplo;

que reaccionan combin'ndose con el o&í"eno. (os productos de estas reacciones permanecen de

forma completa o parcial en el acero líquido, y al"uno de los procesos de metalur"ia en cuchara

ayudan a separar estas inclusiones que serían per$udiciales para los productos de acero de altacalidad.

Desulfuración En el proceso del horno eléctrico de arco, la chatarra suele contenercantidades importantes de azufre. La práctica normal es colar el acero

líquido en el horno sin desulfurar y realizar la desulfuración en el horno –cuchara. El método ásico consiste en a!adir elementos que tienen "ran a#nidad porel azufre, normalmente cal $%a&' o compuestos de calcio

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+escarburación

(a mayor parte del proceso de descarburación se puede reali!ar durante el proceso de

o&idación del bao en el horno eléctrico. En ocasiones, pero, puede ser necesario fabricar aceroscon contenidos ba$os y ultraba$os de carbono. %ara estas aplicaciones resulta de especial interés el

proceso de inyección de o&í"eno durante el #acío. Estos tratamientos para fabricar aceros de

contenido en carbono ultraba$os son relati#amente lar"os.

+efosforación

(a defosforación se completa durante el proceso en el E), ba$o condiciones o&idantes, ba$a

temperatura y escorias b'sicas. anto en la cuchara como en el horno ? cuchara es teóricamente

posible efectuar una defosforación, pero este proceso es económicamente in#iable. +e hecho,

el acero debe lle"ar a los procesos de metalur"ia secundaria completamente defosforado y

libre de la escoria del proceso anterior para impedir la refosforación del bao a partir del fósforo

de la escoria.

Control del nitró"eno. +esnitro"enación

El control del contenido de nitrógeno tiene dos aspectos fundamentales !ara un gran

número de aplicaciones, como los productos planos de aceros bajos en carbono y los

aceros para estirado

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E@-%15 A %71CE515 +E E)(78-) 5EC9+)7-)

(a metalur"ia secundaria se lle#a a cabo en equipos di#ersos, tales como

cucharas, con#ertidores, hornos ? cuchara con calentamiento eléctrico einstalaciones de #acío.

En "eneral, la metalur"ia secundaria utili!a técnicas #ariadas* ) presión

atmosférica o ba$o #acío

Con calentamiento o sin calentamiento

Con a"itación por "as inerte o con la ayuda de o&í"eno o "asesreacti#os

:procesos de refino especiales;

+ebe tenerse en cuenta que un mismo equipo de tratamiento puede estar

capacitado para utili!ar #arias de estas técnicas, y que incluso dependiendo

de las calidades del acero que se pretenda conse"uir, un mismo proceso debe

reali!arse en diferentes tipos de unidades de tratamiento. %or e$emplo, el

a$uste de composición química y temperatura de colada pueden reali!arse

simult'neamente con la des"asificación o durante las operaciones de

desulfuración.

(rocesos de a#no del acero fuera del horno eléctrico de arco

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(rocesos de a#no del acero fuera del horno eléctrico de arco.

Los procesos de a#no fuera del horno eléctrico, tamiénllamados )secundarios*, están diri"idos a eliminar lasinclusiones, los "ases y la se"re"ación. La metalur"ia de estos

procesos se asa en el a#no en +acío, en la reducción de lapresión parcial del %&, en la refusión y en la solidi#cacióndiri"ida.(ara poder hacer comparaciones metalr"icas, estaleceremosuna clasi#cación por "rupos, se"n que el a#no metalr"ico se

lle+e a efecto en )+acío* o no y que las materias primas seanacero líquido o sólido. -rupo . /e incluyen en este "rupo procesos metalr"ico de a#no que

tienen lu"ar en +acío y en los que parte de la materia prima esacero líquido.

0#no en +acío sin aportación térmica1 23, D4, 54, 6D, -078L.0#no en +acío con aportación térmica1 0/E09/6:, :8;6L.0#no en +acío con &>E;, 395, 0/3, 035.

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-rupo

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Clasificación de los métodos de Afino.

"egn el objeto que tratan de conseguir se clasifican en#

F Tratamiento de desgasificación#

El acero contiene elementos perjudiciales que deben eliminarse Entre éstos están los gases disueltos durante el

proceso de fabricación$ Hidr ógeno$ %&í geno$ 'itr ógeno !ara reducir el tama!o al má&imo del contenido de estos gases,en especial el Hidr ógeno, se somete al acero lí quido al (ací o, segn distintos procesos#"i los gases no se remue(en antes que el acero se solidifique, su presencia o sus con otros elementos en el acero puede

producir defectos tales como# inclusiones )partí culas sólidas de ó&ido*, sopladuras )bolsas de gas*, descascarillamiento)grietas internas* y fragilidad )pérdida de ductibilidad*+a desgasificación del acero fundido se lle(a a cabo e&poniéndolo a un (ací o +a presión enormemente reducida sobrela superficie del lí quido permite que los gases escapenEl acero fundido puede desgasificarse de (arias maneras +as dos más comunes son#

E"-A"./.0A0.%' E' +A %++A E 0%+AA

En este proceso, el acero derretido se desgasifica en la olla de colada "e hace descender un recipiente de (ací ocalentado de modo que su boquilla de absorción quede por debajo del ni(el lí quido del acero fundido+a presión atmosf érica impulsa el acero fundido hacia arriba dentro de la cámara de (ací o, en donde los gases re(ientany se e&traen mediante la bomba de (ací o +a ele(ación del recipiente de (ací o permite que el acero fundido fluya de(uelta, por la fuerza de gra(edad, dentro de la olla de colada Este ciclo se repite (arias (eces hasta que la totalidad el

acero fundido en la olla se ha desgasificado

E"-A"./.0A0.%' !%1 /+23%

En este proceso, el acero fundido se (ierte desde la olla de colada dentro de una lingotera, la cual está completamenteencerrada en una cámara de (ací o 4ientras el flujo de acero fundido cae dentro del (ac í o, se separa en gotitas ebidoa la reducida presión sobre el lí quido, los gases disueltos re(ientan y se e&traen fuera de la cámara por medio de unabomba de (ací o+ibre ya de gases en la lingotera, éste se solidifica en un acero de alta pureza

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0..' Des"asi#cación del chorro de colada1%onsiste en situar el recipiente receptor del acero

líquido $cuchara o lin"otera' en una cámara de+acío, sore la que se austa la cuchara quecontiene el acero líquido. El chorro de acero, porefecto del +acío, se fracciona en "otas quefa+orecen las eliminación de los "ases.

0.

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2.' >ratamiento de a#no de los aceros inoBidales1 La chatarra sefunde en un horno eléctrico de arco de inducción. Después decolada la cuchara con el acero fundido en la cámara y hecho el+acío, se inyecta oBí"eno con una lanza situada en la partesuperior, que elimina el carono con un mínimo de oBidaciónmetálica. 0l mismo tiempo, se pasa 0r"ón a tra+és de un tapónporoso situado en el fondo de la cuchara, para homo"eneizar lamasa del acero líquido.%.' >ratamiento de homo"eneización por aroteo1 %onsiste en la

a"itación del a!o mediante la inyección de un "as inerte,"eneralmente 0r"ón, a tra+és del fondo de la cuchara o por unalanza.D.' >ratamientos de desulfuración y desoBidación1 /e insuGanestos productos en pol+o, a tra+és de una lanza, por medio de un"as inerte. Los productos más frecuentes para insuGar son el

$/8L8%8&9%0L%8&' )/i9%a* y di+ersas escorias sintéticas. Laa"itación del acero por el paso del "as produce eBcelentehomo"eneidad de composición y temperaturadel a!o y unameora de la limpieza.

estos elementos reaccionan entre sí dando ori"en a %& de esta forma se

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estos elementos reaccionan entre sí, dando ori"en a %&, de esta forma seelimina el oBí"eno del acero sin dear residuos sólidos $inclusiones nometálicas'. El %& $"as' es eliminado del sistema $+acío', si"uiendo lareacción hasta prácticamente la eliminación total del oBí"eno. Ladeshidro"enación tamién es más ele+ada, al ser ayudada por eldesprendimiento de uruas de %&, que facilitan el arrastre del

hidró"eno.:.' >ratamientos de a#no con calentamiento de acero en cuchara1 (oreste proceso pueden conse"uirse aceros con muy ao contenido deazufre y "ases, muy limpios y con control de la morfolo"ía de lasinclusiones. >amién se consi"ue eBcelente control de la composición y latemperatura. Las cucharas se montan con tampones porosos por los quese inyecta 0r"ón. Cna +ez otenido el "rado de desulfuración deseado sea!aden las ferroaleaciones requeridas oteniéndose el aceropro"ramado.-.' 0dición de 0luminio y %alcio por medio de alamre o de proyectiles1El alamre se introduce a "ran +elocidad en el acero mediante unmecanismo especial. 0l mismo tiempo se remue+e el acero de la cucharainyectando 0r"ón. En el caso de adición por proyección, los proyectiles se

lanzan a una +elocidad controlada para que almacenen el fondo de lacuchara, por medio de un aparato que funciona como una metralleta deaire comprimido.H* 1efusión por arco bajo (acío )5A1* y bajo escoria electroconductora )E"1*#

!or estos m6todos se producen lingotes de acero de gran pureza Ambos m6todos

consisten en la refusión de un electrodo de la composición química deseada, en un

crisol enfriado por agua, realiz7ndose simult7neamente la fusión del electrodo y la

solidificación del acero

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(resentación para el %ole"io de8n"enieros %8(9Lima

:aricación de acero1

4orno cuchara

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&eti+os del proceso

8 %olar el acero líquido a latemperatura oeti+o.

8 0uste de la composición química

del acero.8 5educir el contenido de azufre#nal.

8 %onse"uir homo"eneidad químicay térmica en el a!o de acero.

8 %onse"uir un acero de calidad)acero limpio*

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&tros requisitos para el éBito delproceso de horno cuchara

8 (recalentamiento de las cucharasantes de colar.

8 5efractarios de las cucharas.8 El )freeoard* o espacio lire en la

cuchara.

8 %omposición química del acero alinicio del proceso.

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8 8denti#cación de la colada.

8 0"itación por "as +isualmentecon#rmada.

8 >iempo inicial de calentamiento.

8 0dición de los elementos formadoresde la escoria de a#no.

8 4omo"eneización térmica y químicadel a!o de acero


Etapas en el proceso de hornocuchara1 era. etapa

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Etapas en el proceso de hornocuchara1 < da. etapa

8 %alentar el a!o apuntando a unatemperatura de a#no deseada

8 0"re"ado de las adiciones formadoras deescoria con el oeto de1 9 8ncrementar su peso y espesor y por

consi"uiente incrementar la capacidad de

0zufre 9 desoBidar la escoria y meorar ladesultfuración

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9 incrementar la Guidez de la escoriapara meorar la desulfuración y la

cinética de remoción de inclusiones.8 Cna típica duración de una < da.

Etapa esta limitada a H a <minutos, incluido el tiempo paratoma de muestras.

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9 incrementar la Guidez de la escoriapara meorar la desulfuración y la

cinética de remoción de inclusiones.8 Cna típica duración de una < da.

Etapa esta limitada a H a <minutos, incluido el tiempo paratoma de muestras.

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Etapas en el proceso de hornocuchara1 A ra. etapa

&eti+os

8 Los oeti+os de esta etapa son1

9 0condicionamiento de una escoriaadecuada

9 %ompletar el sore calentamiento

hasta alcanzar las temperaturas dea#no

9 Desulfurar el a!o hasta alcanzar unaespecí#ca composición de 0zufre

límite

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5equisitos para alcanzar losoeti+os de esta A ra. etapa

8 0condicionamiento de la escoria1 9 ;i+el de oBidación en la escoria

8 0dición de alamre conteniendo /i%a 9 DesoBidantes de la escoria

8 %aruro de calcio $%a%

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5equisitos para alcanzar losoeti+os de esta A ra. etapa

8 >emperatura de a#no oeti+o.

El tiempo de calentamiento

necesario para conse"uir latemperatura de a#no oeti+o seestimará, de acuerdo a los

resultados otenidos $I%Jmin.' yteniendo como referencia la ltimatemperatura tomada al #nal de la

se"unda etapa

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K%omo conse"uir la desulfuración enla A ra. Etapa

8 Desulfuración 9 Durante el tiempo de calentamiento

hasta alcanzar la temperatura dea#no oeti+o incrementar el ratio dea"itación con "as 0r"ón de M a N;@ AJ4

9 Lue"o de transcurrido el tiempo decalentamiento interrumpir la marchay tomar temperatura

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8 Desulfuración 9 0lcanzada la temperatura oeti+o

incrementar el Guo de "as dea"itación, 0r"ón, de

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8 Desulfuración 9 0lcanzada la temperatura oeti+o

incrementar el Guo de "as dea"itación, 0r"ón, de

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8 5educir el Guo de "as dea"itación, 0r"ón, de < a P ;@AJ4

8 0"itar no menos de O minutos8 5ecalentar si fuera necesario

alcanzar la temperatura de salida

oeti+o.

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Etapas en el proceso de hornocuchara1 ta. etapa

8 0quí se realizaran los austes paraalcanzar la temperatura #nal

8 /e adicionaran los elementos altamenteoBidales

8 0ustes #nales en carono y man"anesopueden ser tamién realizados

8 Cn a"itado sua+e durante toda la cuartaetapa deerá ser mantenido

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4&5;& %C%4050

8 Cnidad encar"ada de procesar el acero líquido para elauste de su composición química y temperatura #nal,para tratar el metal directamente en la cuchara detransferencia

8 Equipo metalr"ico cuya fuente de ener"ía es por arcoeléctrico y en el que el a!o de acero se encuentra encontinua a"itación por medio de un "as inerte.

8 Agitación con Argón es la operación que consiste eninyectar ar"ón a tra+és de un tapón poroso situado en

el fondo de la cuchara de transferencia con el oeto dehomo"eneizar temperatura, composición química ypromo+er las reacciones metalr"icas entre escoria y ela!o metálico.

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1791 ? CC)7)

(os métodos de #acío descritos han tenido "ran é&ito porque adem's de ser unose&celentes métodos para eliminar el hidró"eno permiten la homo"enei!ación del acero,

a"re"ar de forma limitada ferroaleaciones y ayudar a la deso&idación y a la

desulfuración del bao. El mayor incon#eniente que implican es, sobre todo para lar"os

tiempos de proceso, una importante caída de temperatura.

)sí se lle"ó a la idea de la metalur"ia en cuchara, pero disponiendo de un método decalentamiento que permitiese compensar la referida caída de temperaturaB dada la

e&periencia del acerista en el empleo del arco eléctrico, se trató de usar este método de

calentamiento.

El horno ? cuchara, desarrollado por +aido 5teel, se ha e&tendido de forma casi "eneral

en las acerías eléctricas y en "ran número de acerías con con#ertidores. Consiste en una

instalación dotada de una bó#eda y tres electrodos que se acoplan a la parte superior dela cuchara, con#irtiendo a la misma en un pequeo horno que permite calentar el acero.

(os principales elementos de funcionamiento son*

Equipo de calentamiento por medio de arco trif'sico con tres electrodos -nyección de

ar"ón por medio de tapón instalado en el fondo de la cuchara Creación de una

atmósfera no o&idante

Figura . Esquema de horno cuchara: carro de transferencia (1), cuchara (2), bóveda

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g q f ( ) ( )

refrigerada (3), brazo ortae!ectrodos ("), sistema de a!imentación e!#ctrica ($), m%sti!

de e!evación de e!ectrodos (&), adición de a!eaciones ('), !anza ()

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(a instalación permite efectuar las si"uientes operaciones metalúr"icas* Calentamiento del acero y

homo"enei!ación de la temperatura del bao +eso&idación

+esulfuración

)dición y enca$e de elementos de aleación. omo"enei!ación de la composición en el bao+ecantación y separación de inclusiones

(a instalación de calentamiento es e&actamente i"ual que la descrita para un E), con la diferencia de que la

cuba ha sido sustituida por la cuchara y de que los transformadores de potencia son notablemente m's pequeos.

%or e$emplo, un horno ? cuchara de 00 toneladas tiene un transformador de ? =0 /), mientras que un E)

de esa capacidad tendría 00 /). En realidad muchas de las instalaciones e&istentes se han reali!ado a partir

de hornos eléctricos pequeos que se han recon#ertido a hornos ? cuchara. (a instalación se completa con

sistemas de tol#as de ferroaleaciones y automatismos para la operación de toma de temperaturas y toma de

muestras. 9ormalmente, los hornos ? cuchara est'n interconectados con los sistemas de an'lisis químicos de las

acerías permitiendo a$ustes de composición casi en tiempo real.Con estos procesos se consi"ue una e&celente homo"enei!ación y control de la composición y de la temperatura.

)simismo, se lo"ra la producción de aceros con muy ba$o contenido en a!ufre y "ases, muy bien deso&idados y

limpios en inclusiones. Efectuando las debidas adiciones, se puede controlar la morfolo"ía de las inclusiones.

)dem's, se lo"ra un ahorro en el consumo de ferroaleaciones y se e#ita la reali!ación del afino reductor en el

horno eléctrico, aumentando con ello la producti#idad de éste. ambién son importantes las me$oras que se

deri#an para la colada continua, al ser#ir el horno ? cuchara como un recipiente colchón entre el horno eléctrico y

la m'quina de colada continua y poderse utili!ar en ocasiones para conse"uir mayor número de coladas en

secuencia en la colada continua.

%or todo esto, aunque estas instalaciones se comen!aron a usar para fabricar aceros especiales, actualmente son de

aplicación uni#ersal en las acerías eléctricas, independientemente del tipo de aceros que fabrican.

(a a"itación del bao líquido mediante una bobina de inducción, propuesta por )5E) ? 5D, ha dado ori"en al

método del mismo nombre que en realidad es muy seme$ante al horno ? cuchara. En la primera se dispone sobre la

cuchara una cubierta que dispone una conducción para el equipo de #acío. En la se"unda estación se dispone de

una bó#eda y un equipo de calentamiento por medio de tres electrodos de "rafito.

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