Hornos Convertidores

Materia: Tecnología de los materiales

Docente: Hernández Aguilar Eliseo

Tema: Hornos Convertidores

Integrantes de equipo A: Arias Arizmendi Cynthia Berenice Bautista Luria Iván González Hernández Ricardo Hernández Sánchez Jesús Antonio Fonseca Jiménez Luis Enrique Fonseca Rosas Luis Enrique Jiménez Uscanga Aleydis Rubí López Zurita Melissa

Minatitlán, Ver a 23 de Noviembre del 2016

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Introducción. Vimos que el arrabio que salía del alto horno fundamentalmente estaba constituido por el hierro metálico, pero que había absorbido entre un 3 a 4,5% de carbono. Eliminando por cualquier método al carbono en su mayor parte, obtendremos lo que se denomina acero. El porcentaje máximo de C en el acero es del 1,7% (o hasta 2,06% según algunos autores). Cuando el contenido de C es muy bajo, en el orden del 0,15% o menos, se lo llama comúnmente hierro dulce. Los métodos utilizados para la obtención del acero son variados, pero fundamentalmente siguen dos líneas definidas: La primera (I), la más conocida, es la descarburación del arrabio, mientras que la segunda (II), es por carburación del hierro esponja, o cualquier otro acero que tenga un contenido de carbono menor del necesario. MÉTODO AL CONVERTIDOR

En el convertidor se carga el metal bruto, obteniéndose el metal afinado por el proceso interno que se desarrolla en su interior. Este acero tiene una composición bien regulada. El convertidor es un recipiente de chapa, el cual está revestido en su interior por un grueso revestimiento refractario de característica ácida o básica, según el tipo de arrabio que se use para producir el acero. El fondo del convertidor está perforado, y por los orificios se insufla aire a presión provisto por potentes compresores. Para la carga y descarga el convertidor puede bascular sobre su eje. Existen tres tipos de convertidores que se detallarán más adelante: Convertidor Bessemer Revestimiento refractario ácido Convertidor Thomas Revestimiento refractario básico (BOF) Convertidor LD Revestimiento refractario básico (BOF) Éste último tipo de convertidor, el más utilizado en la actualidad se denomina así LD, en virtud de su desarrollo en Linz y Donawitz, dos ciudades de Austria. Difiere de los dos anteriores por que en vez de insuflar aire comprimido por el fondo del convertidor, se inyecta oxígeno por medio de una lanza desde la parte superior. Si bien las reacciones interiores son similares a la de los otros convertidores, se acorta el tiempo del proceso y se prescinde de la instalación de los compresores. La construcción es también más sencilla ya que no es necesario disponer de orificios en el fondo del convertidor.

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Índice Convertidor Bessmer

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Convertidor Thomas

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Convertidor de Arco Eléctrico

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Conclusión

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Glosario

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Referencias de Busqueda

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Convertidor Bessemer El primer paso para lograr la transformación masiva del arrabio en acero lo dio el inglés Henry Bessemer en 1856. La idea de Bessemer era simple: eliminar las impurezas del arrabio líquido y reducir su contenido de carbono mediante la inyección de aire en un "convertidor" de arrabio en acero. Se trata de una especie de crisol, como el que muestra en la figura, donde se inyecta aire soplado desde la parte inferior, que a su paso a través del arrabio líquido logra la oxidación de carbono. Así, el contenido de carbono se reduce del 4 o 5% a alrededor de un 0,5%. Además el oxígeno reacciona con las impurezas del arrabio produciendo escoria que sube y flota en la superficie del acero líquido. En las figuras siguientes se muestran cortes típicos de convertidor es Bessemer ó Thomas.

¿Qué tipo de refractario utiliza? La pared del convertidor de Bessemer estaba recubierta con ladrillos refractarios ricos en óxido de silicio: sílice. En la jerga de los refractarios a éstos se les llama "ácidos" para distinguirlos de los óxidos metálicos, que se denominan "básicos". La triste experiencia del primer intento de Bessemer sirvió para demostrar que los refractarios ácidos entorpecen la eliminación del fósforo del arrabio. Más tarde Thomas y Gilchrist, también ingleses, probaron que el convertidor de Bessemer

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transformaba exitosamente el arrabio en acero si la pared del horno se recubría con refractarios "básicos", de óxido de magnesio por ejemplo. Para quitar el fósforo y el sílice del arrabio, añadieron trozos de piedra caliza que reacciona con ambos para producir compuestos que flotan en la escoria. Esto no se podía hacer en el convertidor "ácido" de Bessemer porque la piedra caliza podría reaccionar con los ladrillos de sílice de sus paredes. La figura siguiente muestra las tres etapas desde la carga al soplado en un convertidor tipo BessemerThomas

Materias primas para el proceso 1. Arrabio 2. Chatarra 3. Fundente 4. Ferroaleaciones (al final del proceso) 5. Carbono (al final del proceso) 6. Cal (Solo en el método Thomas)

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Fases del proceso 1. Escorificación  Cuando se trata de la primera conversión, primero se limpia y se retiran las cenizas; luego se coloca en sentido horizontal y se carga de fundición hasta 1/5 de su capacidad, la capacidad es de 8 a 15 toneladas.  Se le inyecta aire a presión y enseguida se devuelve al convertidor a su posición normal.  El oxígeno del aire, a través de la masa líquida, quema el silicio y el manganeso que se encuentra en la masa fundente y los transforma en los correspondientes óxidos.  Esta primera fase se efectúa sin llamas dentro de unos 10 min, y recién se termina la operación aparecen chispas rojizas que salen de la boca del convertidor.

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2. Descarburación Continuando la acción del soplete, el oxígeno empieza la oxidación del carbono, lo que se efectúa con mucha violencia y con salidas de llamas muy largas, debido a las fuertes corrientes del aire y al óxido de carbono en combustión.

3. Re carburación Quemándose el carbono, el oxígeno llegaría a oxidar totalmente el hierro dejándolo inservible; a este punto se corta el aire, se inclina el convertidor y se añade a la masa liquida una aleación de hierro, carbono y manganeso en una cantidad relacionada con la calidad del acero que se desea obtener. Luego se endereza el aparato y simultáneamente se le inyecta otra vez aire por pocos minutos y por último se saca por su boca primero todas las escorias y después el acero o el hierro elaborado.

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Convertidor Thomas A mediados de 1870 los químicos de una fábrica de hierros forjados llevaron a cabo un experimento solventados por ellos mismos en dicha fábrica, desarrollando revestimientos para convertidores Bessemer que podían absorber el fósforo indeseable que quedaba en el acero. Thomas anunció el éxito de los experimentos en Londres año 1878. El revestimiento de este convertidor se hace de dolomita, que es un material refractario compuesto de MgCO3.CaCO3. La capacidad de estos convertidores es mayor que la de los Bessemer, pues a la materia prima empleada hay que agregarle cal. En este caso, el convertidor se calienta y se carga con la cal, después se vierte el arrabio y se suministra el aire. Ventajas del acero logrado en convertidores Alta capacidad de producción No es necesario combustible, pues la temperatura se logra a partir del desprendimiento de calor del proceso de oxidación. Bajo costo del acero obtenido. Desventajas No se pueden transformar grandes cantidades de chatarra. Las fundiciones deben ser de una determinada composición. Hay grandes pérdidas de metal al quemarse. Se hace difícil regular el proceso, obteniéndose aceros con elevados contenidos de óxido de hierro y nitrógeno. ¿Qué se obtiene del convertido Thomas- Bessemer? Acero acido-básico

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Convertidor BOF (Basic Oxigen Furnace) Luego de finalizada la 2da Guerra Mundial, a principios de 1950, comenzaron los ensayos a escala industrial para un nuevo proceso en dos ciudades de Austria, Linz y Donawitz. Debido a ello hoy se conoce con el nombre de Convertidor LD. La diferencia con los métodos anteriores, consistía en el soplado mediante una lanza de oxígeno industrial con gran presión y velocidad sobre el baño de arrabio a afinar, para lograr acero. Las lanzas de inyección usadas son de acero común, pero en su extremo llevan soldada una cabeza de cobre de alta pureza con tres o más toberas calibradas. Todo el conjunto está refrigerado por agua a presión. El diseño de las cabezas, el número de toberas y el diámetro de los orificios, como así también el ángulo respecto del eje longitudinal de la lanza, dependen de la distribución del oxígeno en el baño que su busque lograr. La eficiencia en la velocidad de las reacciones físico químicas y el equilibrio de ellas en la interface metal - escoria, requieren, además, una altura de soplo variable durante el tiempo de soplado. Todos estos parámetros sumados a la más pronta formación de una escoria adecuada y al nivel de oxidación del baño metálico en contacto con el refractario, determinarán el grado de avance de su desgaste, principalmente en la zona de la interfase metal - escoria, lo que finalmente define al vida útil del revestimiento, o sea la duración de la campaña. ¿Qué tipo de refractario utiliza? Los convertidores LD, son de fondo removible y revestimiento refractario de ladrillos de cromomagnesita. Tienen la ventaja de admitir chatarra juntamente con el arrabio líquido. A través de la boca del convertidor en posición vertical, se introduce la lanza por la que se inyecta oxígeno entre 2 y 3 mach (1 mach = velocidad del sonido 333 m/s) lo que provoca que atraviese la escoria que se va generando con la fusión de los fundentes agregados.

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Materias primas para el proceso 1. Chatarra 2. Arrabio 3. Piedra caliza 4. Cal 5. A través de la lanza se le inyecta oxígeno y polvo de piedra caliza Fases del proceso Una vez que al acero fundido se ha introducido en la caldera, se lleva a cabo un proceso de escorificación. Consiste en inyectar aire a presión por los dos agujeros del recipiente al hierro fundido. Lo que da lugar a la oxidificación. En él el silicio y el manganeso, suben a la parte alta y forman lo que llamamos escoria. La segunda etapa es conocida como descarburación. En ella, se intensifica el proceso de oxidación con la ayuda de un soplete. Se añade una aleación de hierro, carbono y manganeso. Se vuelve a inyectar aire por los orificios. Por último, se vuelca la caldera haciendo salir el acero y se echa a otros recipientes, para poder trabajar con él más adelante. La escoria ha sido eliminada anteriormente. QUE RESULTA • Acero fundido • Refinación del arrabio

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Convertidor de arco eléctrico En el siglo XIX, el horno de arco eléctrico se empezó a emplear en la fundición de hierro. El método de soldadura por arco eléctrico fue investigado en 1815 y entre 1878 Siemens patentó el horno de arco eléctrico. Al principio, el acero obtenido por horno eléctrico era un producto especial para la fabricación de máquinas herramienta y de acero resorte. Los hornos de arco eléctrico fueron utilizados en la Segunda Guerra Mundial para la producción de aleaciones de acero, fue después cuando la fabricación de acero por este método comenzó a expandirse. El bajo costo en relación a su capacidad de producción permitió establecerse nuevas acerías en Europa en la posguerra. El hecho de que un horno de arco eléctrico use acero procedente de chatarra como materia prima tiene un impacto en la calidad de un producto laminado, debido al control de calidad limitado sobre las impurezas que contienen un acero procedente de chatarra. Estos hornos producen temperaturas muy elevadas y son los más indicados para la desulfuración y desfosforación de la fundición y para la obtención de aceros especiales, porque en ellos el metal que se elabora se encuentra libre de todo cuerpo extraño (aire, gas, carbón, etc.). Se utilizan también para el afinamiento de la fundición cargándolos de trozos de hierro, virutas, etc. y haciendo luego la adicción de los elementos necesarios. La potencia de los hornos eléctricos se expresa por los kW de corriente absorbida, que en los hornos de gran capacidad sobrepasan el millar. ¿Qué tipo de refractario utilizan? El horno eléctrico está constituido de las siguientes partes principales:  Cuba  Bóveda, paredes y solera  Electrodos  Mecanismo de basculación Cuba: es la parte del horno que contiene la puerta de carga y la colada. Está hecha de planchas de acero dulce de 4mm de espesor.

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Bóveda, paredes y solera: la bóveda es la tapa del horno, construido con anillos metálicos refrigerados y revestidos con material refractario de alúmina. Las paredes del horno, son las que están en contacto con la masa liquida hasta una determinada altura. Están revestidos de ladrillos de magnesita y cromo-magnesita según sea la parte que va estar en contacto con la escoria y la masa fundida. Solera, es la parte que contiene al metal fundido, está revestido de ladrillos refractarios de magnesita o dolomita de 300 a 400mm. Electrodos: son de grafito existen varios diámetros y longitudes por ejemplo. 100mm de diámetro y 2m de longitud, se sujetan con mordazas de cobre, refrigeradas por agua, a las barras longitudinales. Mecanismo de basculación: para efectos de vaciar el acero fundido a la cuchara de colada, se tienen sistemas de basculación o giro hidráulico La mayoría de los hornos operan a 40v y la corriente eléctrica es de 12,000 A. Estos equipos tienen un crisol o cuerpo de placa de acero forrado con refractario y su bóveda es de refractario también sostenida por un cincho de acero, por lo regular enfriado con agua. Para la carga del horno los electrodos y la bóveda se mueven dejando descubierto al crisol, en el que se deposita la carga por medio de una grúa viajera. Materias primas del proceso 1. Chatarra de alta calidad

2. Prerreducidos (pellets, briquetas, hierro esponja) Fases del proceso Fase de fusión Una vez introducida la chatarra en el horno y los agentes reactivos y escorificantes (principalmente cal) se desplaza la bóveda hasta cerrar el horno y se bajan los electrodos hasta la distancia apropiada, haciéndose saltar el arco hasta fundir completamente los materiales cargados. El proceso se repite hasta completar la capacidad del horno, constituyendo este acero una colada.

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Fase de afino El afino se lleva a cabo en dos etapas. La primera en el propio horno y la segunda en un horno cuchara. En el primer afino se analiza la composición del baño fundido y se procede a la eliminación de impurezas y elementos indeseables (silicio, manganeso, fósforo, etc.) y realizar un primer ajuste de la composición química por medio de la adición de ferroaleaciones que contienen los elementos necesarios (cromo, níquel, molibdeno, vanadio o titanio). El acero obtenido se vacía en una cuchara de colada, revestida de material refractario, que hace la función de cuba de un segundo horno de afino en el que termina de ajustarse la composición del acero y de dársele la temperatura adecuada para la siguiente fase en el proceso de fabricación. ¿Qué se acero de obtiene? Acero de la más alta calidad

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Conclusión En años atrás el Horno Bessemer facilito la fabricación de acero para poder fabricar lingotes, hierro para construcciones, vigas laminadas etc., que nos ayudaron

a

tener

una

gran

Industria

Siderúrgica. Actualmente en el mundo solo 2 procesos de aceración son lo que pr oducen latotalidad del acero que es alrededor de 1.2 billones de toneladas. Estos procesos son el BOF(LD) u oxiconvertidor al oxígeno y el HEA o Horno de Arco Eléctrico.

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Glosario Chatarra: Es el componente básico de la carga. Cualidades deseables son, entre otras: - Lo más gruesa y masiva posible. En este sentido la mejor puede ser la procedente de astilleros, desguace de buques, maquinaria, calderería pesada y ferrocarriles. - Son preferibles aceros al carbono o de muy baja aleación para acortar la duración oxidante de las coladas y evitar problemas en la laminación derivados de la presencia de elementos trampa. A pesar de lo anterior algunas chatarras (inoxidable, Hadfield…) pueden ser útiles para fabricar los mismos aceros.

Es favorable que estén limpias y libres de óxido, suciedad, pinturas,

aceites, taladrinas, etc. En este sentido es preferible la chatarra desmenuzada a la compactada. En las instalaciones antiguas la chatarra se carga fría porque no resulta fácil la implantación de equipos de precalentamiento. En las nuevas instalaciones se implantan hornos con sistemas de precalentamiento de chatarras mediante recuperación y aprovechamiento de los calores sensible y químico (postcombustión) de los gases de colada. Prerreducidos: Los prerreducidos (pellets, briquetas, hierro esponja) son los productos obtenidos por reducción directa en estado sólido, mediante carbón o hidrocarburos, de minerales muy puros y lo más exentos posible de ganga. Ha de tenerse en cuenta que la ganga produce en la colada una escoria poco reactiva, viscosa y difícil de manipular. Aportan la ventaja de que son hierro prácticamente puro exento de cualquier elemento contaminante o de aleación. Por ello su presencia en la carga es favorable como diluyente de elementos (Ni, Sn, Cu…) perjudiciales e imposibles de eliminar en las marchas de colada en acería. Siderurgia:

se

denomina siderurgia (del

griego σίδερος, síderos,

"hierro")

o siderometalurgia, a la técnica del tratamiento del mineral de hierro para obtener diferentes tipos de éste o de sus aleaciones. El proceso de transformación del mineral de hierro comienza desde su extracción en las minas. El hierro se encuentra

presente

en

la

naturaleza

en

forma

de óxidos, hidróxidos, carbonatos, silicatos y sulfuros. Los más utilizados por la

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siderurgia son los óxidos, hidróxidos y carbonatos. Los procesos básicos de transformación son los siguientes: Óxidos -> hematita (Fe2O3) y la magnetita (Fe3O4) Hidróxidos -> Limonita Carbonatos -> Siderita o carbonato de hierro (FeCO3)

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Referencias de búsqueda

Lorenzo Martines Gomez. (2000). Hornos Convertidores. 2003, de Biblioteca Digital

Sitio

web:

http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/080/htm/s ec_8.htm Jesus JP. (2001). Hornos conevertidores. 2006, de FRD. EDu Sitio web: http://www.frt.utn.edu.ar/tecnoweb/imagenes/file/mecanica/Acero%20fabrica ci%C3%B3n,%20Alumno.pdf UPM.

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