18-06-2015

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Siderurgia

Refinacin del Arrabio

Refinacin del Arrabio Fabricacin de Acero

Una vez obtenido el Arrabio en el Alto Horno es necesario eliminar el

exceso de carbono para transformarlo en acero. Desde fines del siglo XVIII

todas las invenciones siderrgicas que se efectuaron tuvieron por objeto

transformar la fundicin producida por el Alto Horno.

En los primeros intentos de transformar el Arrabio en acero se utiliz un

Horno de Reverbero. Se mova la masa fundida de arrabio en presencia de

una corriente de aire superficial. Adems del carbono se eliminaba silicio,

manganeso y fsforo. En hornos de 250 kg era posible producir 4 t en 24

horas.

Este horno es llamado as porque el hogar lateral no calienta la carga, sino

que a la bveda, que "reverbera" o irradia el calor hacia el bao metlico.

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Horno de Reverbero

Proceso Bessemer

Todo el concepto del acero cambi drsticamente en el siglo XIX. Un material de construccin totalmente dctil, tenaz, no posible de endurecer por temple pero capaz de ser producido y conformado por trabajo mecnico en forma barata en gran escala. La era moderna del acero se haba iniciado.

El punto de partida fue un experimento hecho por Henry Bessemer en Inglaterra, 1855, independientemente por William Kelly en E.E.U.U.

Tratando de mejorar el proceso del Horno de Reverbero por aplicacin de un flujo de aire caliente al arrabio hizo dos descubrimientos.

Primero, el aire remova rpidamente el carbono y silicio del hierro.

Segundo, y ms sorprendente, el calor liberado por la oxidacin de las impurezas del hierro fue suficiente para mantener al hierro en estado lquido y an ms aumentar su temperatura hacia el rango de la fabricacin de acero (1600-1650C).

Inmediatamente se vio la importancia de esto y desarroll su convertidor que anunci a la Asociacin Britnica en 1856.

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Convertidor Bessemer

El convertidor es un recipiente revestido de material refractario capaz de contener

varias toneladas de hierro lquido. Se carga por la parte superior, en la parte inferior

tiene toberas para introducir el aire a una presin de 15 libras y puede ser rotado

hacia la posicin vertical de modo que el arrabio fundido descansa sobre la corriente

de aire que entra por las toberas que atraviesan el ladrillo.

Despus de 15 - 20 minutos, el convertidor se vuelve a la posicin horizontal, se

corta el aire y el acero est listo para ser vaciado. Su contenido es vaciado a una olla

con la cual se llenan moldes o lingoteras. La olla esta construida de acero de 4 pies

de profundidad y 42 de dimetro, esta revestida con arena, y tiene un tapn de

arena. Cuando se saca el tapn el acero fundido fluye dentro del molde, y los

lingotes cuando son enfriados estn listos para ser desmoldados. La olla se levanta

con poder hidrulico con las mismas bombas que dan el giro al convertidor.

Convertidor Bessemer

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Ventajas

Es un proceso de bajo costo.

El recipiente es sencillo.

No requiere combustible, ya que utiliza el calor entregado por

las impurezas del mineral.

Se obtienen grandes cantidades de acero en poco tiempo, por

ejemplo, 25 t de acero en 20 minutos.

Convertidor Bessemer

Desventajas

El producto original de Bessemer no pudo ser colado satisfactoriamente en

moldes de lingote, contena demasiado oxgeno.

El oxgeno se combinaba con el carbono en el metal al enfriarse y las

burbujas de CO as formadas hacan que el metal hirviera en el molde.

Este problema fue resuelto en 1857 por Robert Mushet, que desoxid el

acero agregndole un poco de manganeso en forma de hierro - manganeso

(80% Mn, 5% C, 1% Si), antes de colar.

Este proceso no se puede utilizar en Arrabio que contenga fsforo, ya que

resulta un acero frgil.

Convertidor Bessemer

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Proceso Thomas o Bessemer Bsico

El problema no fue resuelto hasta 1878, cuando Thomas y Gilchrist usaron revestimiento bsico

de dolomita calcinada (MgO-CaO) para formar una escoria rica en CaO y as remover el fsforo

en forma de fosfato de calcio.

As se hizo popular el proceso Thomas o proceso Bessemer bsico.

El convertidor es cargado con arrabio fundido a una temperatura de 1350C y se debe suministrar

calor durante el refino para elevar la temperatura del metal y asegurar que est lo suficientemente

fluido para vaciarlo cuando se terminen las reacciones.

Adems se debe suministrar energa trmica para los siguientes requerimientos del proceso:

Elevar la temperatura del aire de soplado desde temperatura ambiente (25C) hasta la del

metal fundido.

Fundir los slidos que se agregan para formar la escoria.

Compensar las prdidas de calor.

La energa trmica se obtiene desde las reacciones exotrmicas entre las impurezas disueltas en

el metal y el oxgeno contenido en el aire de soplado. Las principales impurezas son carbono,

silicio y manganeso.

En el proceso Bessemer la mayor parte del calor necesario es suministrado por la oxidacin del

silicio, por eso el arrabio debe tener a lo menos 2% de Si.

Proceso Thomas o Bessemer Bsico

Secuencia de eliminacin de los elementos durante el proceso:

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Proceso Siemens Martin

El proceso Siemens-Martin fue desarrollado aplicando el principio de regeneracin

de precalentamiento del horno de reverbero.

Las temperaturas ms altas que podan obtenerse alcanzaban a mantener en forma

lquida an el acero de bajo carbono. En este proceso el gas y el aire son

precalentados separadamente en dos cmaras de ladrillos refractarios y los gases

calientes pasan a travs de otras dos cmaras. Luego se invierte el proceso. En

algunos hornos se usa petrleo en vez de gas.

Este proceso fue muy utilizado en la dcada del 60, un 80% del acero se produca de

esta forma.

Produce principalmente "acero al carbono" con una composicin de 0.1 - 1.7% C,

0.2% Si, 0.4% Mn, 0.05% S y 0.05% P.

Tena la ventaja, comparado con el del convertidor Bessemer, que se poda usar

gran cantidad de carga fra o sea chatarra de acero (50% de chatarra y 50% de

arrabio) que en 1870 ya era abundante.

Proceso Siemens Martin

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Los H.S.M. ms grandes hacen 500 t de acero por carga .

El proceso es lento, 5 horas para cargar, 4 para fusin y formacin de la escoria y 3

para el refino, finalizado y descarga.

Es ms caro que el proceso Bessemer por la lentitud del proceso y el costo de la

planta.

Por otro lado por su lentitud hay tiempo para efectuar anlisis qumico de las

muestras de metal tomadas del bao y generalmente permite un control ms preciso

de la fabricacin del acero.

El bao poco profundo, con su gran superficie, permite el contacto necesario entre el

metal y la escoria.

El proceso de refino es similar al proceso del convertidor, primero se oxida el Si y el

Mn y se van a la escoria. Despus viene el "hervido" del bao durante el cual se

oxida el carbono y se forman burbujas de CO que irrumpen en la superficie del bao

dando la impresin de hervor. El bao se aquieta nuevamente cuando la mayor parte

del carbono se ha ido.

El ajuste final se hace con coque o arrabio para llevar el carbono al nivel requerido.

Proceso Siemens Martin

Horno Elctrico

Alrededor de un cuarto del acero producido mundialmente hoy en da se lleva a cabo

en el horno de arco elctrico.

Este mtodo usa arcos de alta corriente elctrica para fundir chatarra de acero y

convertirlo en acero lquido de una composicin qumica y temperatura especfica.

El calentamiento externo del arco permite un mejor control trmico que el proceso

bsico al oxgeno, en donde el calentamiento es acompaado por la oxidacin

exotrmica de los elementos contenidos en la carga. Esto permite fabricar aceros de

calidad y aceros especiales a partir de chatarra por que es posible la adicin de ms

aleantes que los posibles en la acera bsica al oxgeno, tales como; Ni, Cr, Mn, V,

Mo, W, Nb, Ti, que son agregados en forma de ferro-aleaciones.

La mayora de estos elementos son ms oxidables que el hierro. Luego sera

imposible hacer la mayora de estos aceros de aleacin bajo las condiciones

oxidantes que existen en el convertidor o en el Siemens-Martin.

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Horno Elctrico

Horno al Oxgeno

Ms de la mitad del acero producido mundialmente se lleva a cabo en el

proceso bsico al oxgeno (basic oxygen process, BOP), el cual usa

oxgeno puro para convertir la carga lquida del alto horno de hierro y

chatarra en acero.

El horno bsico al oxgeno esta enladrillado con refractario, puede voltear

verticalmente, una lanza refrigerada con agua inyecta el soplado de

oxgeno a travs de orificios a una alta velocidad sobre la carga

El uso de oxgeno a altos flujos de soplado produce una rpida oxidacin

de los elementos contenidos en el arrabio en alrededor de 20 minutos y

suministra todo el calor requerido para refinar la carga. Los tamaos de los

convertidores son variables y se operan para refinar desde 30 a 360 t.

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Horno Bsico al Oxgeno

El convertidor bsico al oxgeno es un reactor cilndrico con un cono

abierto en la parte superior. Para los convertidores ms grandes de

360 t, la coraza es de 8 m de dimetro y 11 m de alto.

Las lanzas de oxgeno miden 300 mm de dimetro y 21 m de largo.

Sus puntas tienen tres boquillas, que producen el chorro

supersnico de oxgeno.

El agua para enfriamiento de las lanzas es vital. Una gra especial

mueve las lanzas hacia arriba y hacia abajo y ajusta la distancia con

respecto al bao. Las lanzas duran alrededor de 150 refinos antes

que sus puntas sean reemplazadas.

Horno Bsico al Oxgeno

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Horno Bsico al Oxgeno

Cuando el oxgeno contacta el arrabio, se genera una gran cantidad de

calor debido a las reacciones exotrmicas, especialmente la oxidacin del

silicio a slice, de este modo la oxidacin de la sola carga de arrabio

resultara en una temperatura muy alta para la colada. Por esta razn se

agrega carga fra (chatarra).

La fusin de la chatarra consume alrededor de 340 kcal/kg, lo cual enfra

eficientemente el proceso.

Una carga BOP tpica, se compone de alrededor de 75 % de arrabio lquido

y 25 % de chatarra. Esto requiere de un suministro confiable de arrabio a

bajo costo con una composicin qumica uniforme, lo cual es obtenible solo

manteniendo las condiciones de operacin del alto horno lo ms constante

posible.

Horno Bsico al Oxgeno Carga

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Con el convertidor volteado en 45, se carga la chatarra dentro del horno con una

gra o con una mquina de carguo especial que cuenta con un buzn o dos grandes

cajas llenas de chatarra por la boca del convertidor.

El metal caliente es cargado dentro del convertidor mediante una olla especial de

carguo de arrabio, esta olla recibe arrabio desde una estacin de transferencia de

transporte de ollas, las cuales traen el arrabio desde el alto horno.

La composicin qumica, temperatura y peso de la carga de hierro estn

automatizados en un sistema de control por computador.

Los flujos de oxgeno, altura de la lanza, y adicin de cal son controladas

automticamente. Los flujos de oxgeno en los convertidores grandes exceden los

800 metros cbicos por minuto, y el consumo de oxgeno es alrededor de 110 metros

cbicos por t de acero.

Al inicio del soplado generalmente se agrega, alrededor de 70 kilogramos de cal por t

de acero; esta se combina con slice y otros xidos para formar alrededor de

150kilogramos de escoria por t de acero.

Horno Bsico al Oxgeno Proceso

Entre descarga y descarga el horno BOF toma entre 30 y 45 minutos y

puede soplar ms de 30 refinaciones por da. Las aceras BOF ms

grandes con tres convertidores pueden producir sobre 5 millones de t de

acero lquido por ao.

Un enladrillado del convertidor dura 1500 a 3000 refinaciones, despus de

lo cual se quiebran y se necesita instalar nuevamente el refractario

mediante una operacin mecanizada. El enladrillado toma al menos una

semana.

Horno Bsico al Oxgeno Proceso

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Es una variante del BOF, fue desarrollado en Luxemburgo, permite

tratar arrabios ricos en fsforos.

Consiste en inyectar cal pulverizada junto con el chorro de oxgeno.

La cal junto con el oxgeno va al centro de las reacciones de

oxidacin dada la temperatura en alta y el FeO en alta

concentracin. De este modo el P puede ser eliminado desde el

principio del soplado.

El proceso LD, debido a su simplicidad, economa y la habilidad de

tratar con un amplio rango de arrabios ha tenido gran xito.

Proceso LD

Convertidor CAP

CAP utiliza un Convertidor LD de 5m de dimetro, 9 m de alto y

boca de 2m de dimetro, capacidad de 100 t.

Esta suspendido y se puede voltear mediante un mecanismo de

engranajes. La carcaza alcanza una temperatura de 300 a 400C .

El convertidor tiene un revestimiento constituido en 270 t de ladrillo

refractario de Magnesita teniendo un espesor de 24 pulgadas en la

parte lateral y en el fondo el espesores de 36 pulgadas.

La duracin de un revestimiento se estima en 300 hornadas a un

ritmo de 26 t por da. El cambio de revestimiento de un convertidor

demora 5 das.

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Convertidor CAP

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Mezclas de Hierro - Carbono

Hierro + C < 0.008% Hierro

Hierro + 0.008% < C < 2.1 % Acero

Hierro + 2,1% < C Fundicin

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Aceros al Carbono

Aceros de Aleacin

Aceros de baja aleacin Ultrarresistentes

Clasificacin de los aceros segn Composicin Qumica

CLASIFICACIN SAE

Comunes o no aleados 10xx Al Carbono

Corte rpido 11xx

Manganeso 1,75 % Mn 13xx

3,5 % Ni 23xx Nquel

5 % Ni 25xx

1,25 % Ni; 0,65-0,80 % Cr 31xx

3,5 % Ni; 1,55 % Cr 33xx

Cromo-Nquel

Resistentes al calor y a la corrosin 303xx

Molibdeno 0,25 % Mo 40xx

Cromo-Molibdeno 0,5-0,95 % Cr; 0,20-0,25 % Mo 41xx

1,55-1,8 % Ni; 0,2-0,25 % Mo 46xx Nquel-Molibdeno

3,5 % Ni; 0,25 % Mo 48xx

1,8 % Ni; 0,5-0,8 % Cr; 0,25 %Mo 43xx

0,55 % Ni; 0,5 % Cr; 0,2 %Mo 86xx

0,55 % Ni; 0,5 % Cr; 0,25 %Mo 87xx

3,25 % Ni; 1,2 % Cr; 0,12 %Mo 93xx

0,45 % Ni; 0,4 % Cr; 0,12 %Mo 94xx

0,55 % Ni; 0,17 % Cr; 0,2 %Mo 97xx

Nquel-Cromo-Molibdeno

1 % Ni; 0,8 % Cr; 0,25 %Mo 98xx

Bajo Cr: 0,27 y 0,65 % Cr 50xx

Bajo Cr: 0,8; 0,95 1,05 % Cr 51xx

Bajo Cr: 0,5 % Cr 501xx

Mediano Cr: 1 % Cr 511xx

Alto Cr: 1,45 % Cr 521xx

514xx

Cromo

Resistente al calor y a la corrosin

515xx

Cromo-Vanadio 0,95 % Cr; 0,15 % mn V 61xx

Silicio-Manganeso 1,4 y 2 % Si; 0,65 y 0,85 % Mn 92xx

Resistentes a la corrosin 60xxx

Resistentes al calor 70xxx

0x0 Al carbono con bajo % de aleacin

00xx

Aceros fundidos

Alta resistencia mecnica 01xx

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Aceros Estructurales

Aceros Inoxidables o Especiales

Clasificacin de los aceros segn Aplicacin

Aceros para Herramientas

Aceros para Herramientas

Los principales tipos de aceros para herramientas son:

Aceros al carbono

Para la fabricacin de herramientas los aceros al carbono deben ser templados para conseguir mxima dureza. El porcentaje de carbono vara entre 0.5 a 1.4 %.

Aceros Rpidos

La caractersticas fundamental de estos aceros es conservar su filo en caliente, pudindose trabajar con las herramientas al rojo, aproximadamente 600 C.

Aceros Indeformables

Reciben este nombre los aceros que despus de ser templados las dimensiones quedan prcticamente idnticas a las que tenan antes del tratamiento. Esto se consigue principalmente agregando cromo y manganeso como elementos de aleacin.

Aceros al corte no rpidos

Se agrupan varios aceros aleados, principalmente con cromo y wolframio (tungsteno), muy empleados en herramientas de corte que no deben trabajar en condiciones muy forzadas. Se consideran de una calidad intermedia entre los aceros rpidos y los aceros al carbono.

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Aceros Estructurales

Los aceros empleados en estructuras son del tipo Aceros al Carbono y Aceros

de alta resistencia y baja aleacin.

Los requisitos fundamentales que deben cumplir estos aceros, son los

siguientes:

Ductilidad y homogeneidad.

Valor elevado de la relacin resistencia mecnica/lmite de fluencia.

Soldabilidad.

Apto para ser cortado por llama, sin endurecimiento.

Resistencia a la corrosin, razonable.

Propiedades mecnicas del Acero

Los aceros se clasifican de acuerdo con la NCh 204 of 2006, su nomenclatura se designa de acuerdo:

Su resistencia a la traccin.- Estos valores se expresan en Megapascales y referidos a sus puntos de ruptura (primera cifra), y fluencia (segunda cifra).

1 Megapascal [MPa] =10 [Kg/cm] = 0,1 [Kg/mm]

El uso para el que ha sido formulado

H = Para hormign armado.

T = Trefilado

E = Para estructuras.

S = Soldabilidad garantizada.

Tracciones [Megapascales] Perodo plstico Punto de fluencia Punto de ruptura Perodo elstico Deformaciones

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Segn la anterior norma NCh 204 of 78 las denominaciones eran en [Kg/mm2]

Por lo tanto en denominacin antigua, A-63-42-H en [Kg/mm2] equivale a A-630-420-

H en [Megapascales] e indica sus puntos de ruptura y fluencia de 6300 y 4200

[Kg/cm2] respectivamente.

Fuente: catlogo Aza

Aceros Inoxidables Deben contener como mnimo un 11% de cromo

Clasificacin:

Serie Estructura

Cristalina

Composicin

Qumica

Ejemplos ms

comunes

Propiedades

400

Martensticos C (0,2 1,2) %

Cr (12 18) %

410

420

431

Alta dureza

Resistencia moderada a la corrosin

Ferrticos C < 0,2 %

Cr (12 18) %

430

409

434

Menor dureza

Buena resistencia a la corrosin

300 Austenticos

Cr (16 18) % N

(3.5 22) % Mo (1.5

a 6) %

304, 304L, 316,

316L, 310 y 317

Excelente resistencia a la corrosin

Fciles de transformar

Excelente soldabilidad

Se pueden utilizar en temperaturas muy

altas o muy bajas.