MET SIDERURGIA II CAPITULO VIII REACCIONES FUNDAMENTALES EN LA PRODUCCION DE ACERO

Transcripción

1 MET SIDERURGIA II CAPITULO VIII REACCIONES FUNDAMENTALES EN LA PRODUCCION DE ACERO

2 INTRODUCCION

3 INTRODUCCION El proceso de producción de acero, cuando se parte de una carga sólida comprende: La fusión de la carga El tratamiento metalúrgico de la fusión a través: Del afino La desoxidación Y la etapa de ajuste de la composición del acero, con la adición de aleantes

4 Proceso de afino El proceso de afino es el proceso metalúrgico más importante del proceso de refinación Se lleva a cabo la remoción de los acompañantes por oxidación El objetivo es ajustar la composición del acero a los rangos previstos por la norma

5 Proceso de afino Las reacciones de oxidación más importantes del proceso son: Del C a CO Del Si a SiO2 Del Mn a MnO Del P a P2O5

6 Proceso de afino Medios de afino Óxidos de hierro como: Mineral fresco Cascarilla Viruta Chatarra

7 REACCIONES DE OXIDACION Proceso de afino Estos se disuelven en el baño, en tanto que sus óxidos no, separándose por ello. La separación del abaño se produce: En función de su composición Su reactividad Su estado físico En la escoria, (SiO2, MnO, P2O5) En la atmósfera del horno, (CO)

8 Transporte de oxígeno Para un proceso efectivo de afino se requiere la presencia en exceso de oxígeno A lo largo del proceso de afino, las concentraciones de C, Si, P disminuyen La adición de medios de afino coadyuva en el cambio

9 Transporte de oxígeno El requerimiento de oxígeno se determina de la cantidad requerida para oxidar los acompañantes Elemento C C MN Si P Fe Producto oxidado CO CO2 MnO 2CaO.SiO2 3CaO.P2O5 FeO Consumo O2 en Kg Consumo de CaO en Kg Producto oxidado en Kg Producto oxidado en m Calor de reacción a 25 C en kj/kg

10 Transporte de oxígeno Las diversas opciones de adición de oxígeno producen una oxidación directa que genera ebullición Gotas, atmósfera del horno

11 Transporte de oxígeno Cuando el oxígeno ingresa de la atmósfera del horno a través de la escoria en el baño, las reacciones de oxidación son: Transferencia de O2 de la fase gaseosa a la escoria Transporte de Fe(II)-molécula de óxido en la capa de la escoria en dirección a la interface escoriametal Paso a través de la interface escoria-metal Transporte de oxígeno (FeO) al baño de acero en el frente de reacción Reacción química Separación del óxido formado del baño de acero

12 Transporte de oxígeno El oxígeno es soluble en el baño de acero sólo como FeO Como el FeO también es soluble en la escoria Por tanto, para una temperatura determinada Se presenta una proporción de solubilidad, (ley de Nernst) La separación del óxido del baño de acero está directamente relacionada al manejo de la escoria y las condiciones existentes En que secuencia se oxidan los elementos, depende de su afinidad por el oxígeno

13 El carbono está presente en el baño de acero proveniente del: Arrabio Portadores de carbono Inicialmente el contenido de carbón en el baño es mayor al final

14 Proceso de oxidación La formación y la separación del CO formado, provoca un movimiento intenso en el baño metálico y en la escoria, proceso de ebullición El proceso de ebullición se presenta por la oxidación del C, (reacción de descarburación) y la formación del CO que no es soluble en el baño

15 Con la intensiva ebullición se favorece al proceso de alcanzar la calidad deseada, desde el punto de vista metalúrgico, por ej.: Homogenización de la concentración Aceleración de las reacciones de otros elementos acompañantes por el transporte rápido de los reactantes al frente de reacción, (difusión) Mejoramiento de la transferencia de calor y de la homogenización de la temperatura Favorecer la separación de no compuestos metálicos Desgasificación y remoción simultánea de hidrógeno y nitrógeno

16 La reacción de descarburación, es una reacción importante en la producción de acero, porque la calidad y pureza del acero dependen de un proceso de ebullición conducido en forma correcta

17 El proceso de descarburación se divide en: Difusión de FeO en el baño de acero (FeO) [FeO] reacción endotérmica (1) La reacción homogénea en el baño metálico [FeO] + [C] [Fe] + [CO] reacción exotérmica (2) El paso del CO a la fase gaseosa [CO] {CO} reacción endotérmica (3) Resumiendo: [FeO] + [C] [Fe] + {CO}

18 La reacción 1 representa un proceso físico La reacción 2, representa la reacción en una fase homogénea, baño de acero, es una reacción química La reacción 3, muestra otra vez un proceso físico Las 3 ocurren al mismo tiempo, por lo que la velocidad del proceso de descarburación está contralada por la etapa más lenta En general la reacción total, al ser endotérmica, es una reacción de requiere calor

19 Cuando se usa oxígeno, se presentan las siguientes reacciones: [O] + 2 [Fe] [FeO ] [FeO ] (FeO) {O2} + 2[C] 2{CO} 2{CO} + {O2} 2{CO2} Se forma FeO, que se disuelve hasta su límite de solubilidad, el resto va a la escoria. Así se presenta un estado de equilibrio entre el contenido de FeO en la escoria y el baño de acero

20 En la descarburación se forma CO que con el exceso de oxígeno combustiona formando CO2 Sin embargo, el oxígeno también puede interactuar con la escoria y oxidar el FeO formado. Este puede entrar en contacto con el baño y reducirse a FeO Por otra parte, el CO formado es muy poco soluble en el baño de acero, por lo que rápidamente se satura, siendo necesario considerar el siguiente equilibrio: [CO] {CO}

21 El proceso de ebullición y con él el de ebullición pueden llegar a su fin, cuando no se tienen las condiciones adecuadas para garantizar la ebullición, las cuales se pueden analizar a partir de la constante de equilibrio de la reacción: [FeO] + [C] [Fe] + {CO} En la constante no está el Fe por ser el mayoritario El objetivo está dado por: el C debe disminuir a través de la oxidación, así se garantiza una ebullición intensa

22 Como el equilibrio es función de la temperatura, concentración y presión. Aumento de temperatura: con el aumento de la temperatura el equilibrio C-O se desplaza más arriba

23 Como el equilibrio es función de la temperatura, concentración y presión. Aumento de concentración: la adición de oxígeno activa la ebullición, porque el aumento de FeO, aumenta el denominador, (ley de acción de masas) y en el numerador, el CO aumenta

24 Como el equilibrio es función de la temperatura, concentración y presión. Disminución de la presión: el CO formado se remueve del sistema, (remoción de un producto)

25 Condiciones adicionales deben tomarse en cuenta en función de la escoria Como la oxidación del baño metálico se da en función también al contenido de oxígeno que contiene la escoria. Tomando en cuenta la ley de distribución de Nernst, la escoria debe ser oxidante El (FeO) corresponde a la presencia de óxido ferroso en la escoria. Este contenido sin embargo está influenciado por otros componentes de la escoria que tienen un efecto en el contexto global

26 Por ejemplo la formación de ferritas, tiene efecto sobre la velocidad de oxidación, (2CaO.Fe2O3), disminuyendo la misma Esto no solo afecta a la descarburación, sino influye también como fundente en la disolución de la caliza Con grados de basicidad bajos, se favorece la formación del silicato de calcio, (2CaO.SiO2), lo cual descompone el silicato de hierro, (2FeO.SiO2), con el aumento del contenido libre de FeO Por otro lado, un contenido alto de Si en la carga, retrasa el proceso de ebullición, porque consume FeO libre

27 Existen límites en el aumento de la basicidad, porque el CaO aumenta la temperatura de fusión de la escoria. La escoria se hace más viscosa y obstaculiza la remoción del CO Es decir, la escoria se torna espumosa y disminuye la ebullición Por ello se hace necesario un nuevo trabajo con la escoria

28 Se concluye por tanto que se deben tomar en cuenta los siguientes aspectos: El contenido de C en la carga debe ser más alto que el final del acero producido El contenido de Si en la carga debe ser bajo El aumento de la temperatura favorece el proceso de ebullición Al momento de la colada el contenido de C debe corresponder al deseado y establecido por la norma para la calidad de acero que se está produciendo

29 INFLUENCIA DE LOS ELEMENTOS SOBRE LAS PROPIEDADES DE LOS ACEROS Propiedades C Mn Si P S N2 H2 Cr Ni Mo Al Ti Ta Nb V Soldabilidad Resistencia al alargamiento Alargamiento de rotura Resilencia Dureza Termoresistencia Maleabilidad Conformabilidad en frio Estirado Límite de fluencia Sensibilidad al calentamiento Fragilidad en caliente Resistencia a la form. de cascarilla y al calor Resistencia a la corrosión Resistencia al desgaste