Materia: Ciencia de los Materiales Complemento (Gráficos) - Clase de Siderurgia

Transcripción

1 Materia: CIENCIA DE LOS MATERIALES 2010 SIDERURGIA MINERALES DE HIERRO Principales Minerales de Hierro Mineral de Hierro Fórmula Química Denominación Hematita Fe 2 O 3 Oxido Férrico Magnetita Fe 3 O 4 Oxido Ferroso-Férrico Ilmenita FeTiO 3 Oxido de Hierro- Titanio Limonita FeO Oxido Ferroso Siderita FeCO 3 Carbonato de Hierro Pirita FeS 2 Sulfuro de Hierro CICLO METALÚRGICO DEPÓSITO TRATAMIENTO PREMETALÚRGICO REDUCCIÓN COLADA DEFORMACIÓN PLÁSTICA Mena Minerales + Ganga ACONDICIONAMIENTO ENRIQUECIMIENTO ALTO HORNO Fundentes Coque Mineral de Hierro Arrabio C = 3.0 a 4.0 % CONVERSIÓN (Inyección aire) Bessemer y Thomas INYECCIÓN OXÍGENO LD, LD-AC, Kaldo- Rotor LINGOTERA Lingotes COLADA CONTINUA Semiproducto DESBASTE SEMIPRODUCTO Plano: chapón No Plano: palanquilla REDUCCIÓN DIRECTA AGLOMERACIÓN Hierro Esponja C = 0.5 a 0.9 % SOLERA Abierta Siemens Martin PRODUCTO FINAL LM Fe 90 % HORNO ELÉCTRICO Arco Inducción 1 de 15 1

2 Materia: Acondicionamiento Reducción y Selección de Tamaño de Partícula Trituración Molienda Trituradora de Mandíbulas Trituradora de Cilindros Trituradora a Rotación Excéntrica Acondicionamiento Selección de Tamaño de Partícula Trituración Molienda Molino de Bolas Perfil de caída Enriquecimiento Vía Mecánica Separación Magnética Se basa en la existencia de compuestos que pueden ser atraídos por campos magnéticos y separados así, del resto del mineral Separador Rotativo Separador Magnético 2 de 15 2

3 Materia: Enriquecimiento Vía Térmica Calcinación Se realiza en minerales a base de Carbonatos CO 3 Fe + CO 2 + FeO reacción endotérmica 56 LM CO3 Fe = = 48 % ( * ) 56 LM FeO = = 78 % Horno de Calcinación Enriquecimiento Vía Térmica Tostación Se realiza en minerales a base de Sulfuros SFe + 2 O 2 SO 4 Fe + reacción exotérmica SO 4 Fe + SO 2 +½O 2 +FeO LM SFe = 56 = 63 % LM FeO = = 78 % SFe (Sulfuro Ferroso) es una impureza que desmejora las propiedades mecánicas y tiende a la fragilización Enriquecimiento Vía Térmica Tostación El SO 2 es contaminante hay que tratarlo SO 2 +½O 2 SO 3 +H 2 O H 2 SO 4 Horno de Soleras 3 de 15 3

4 Materia: Sinterización Es un proceso en contracorriente entre gases y sólidos donde la mezcla de minerales de Hierro y Coque se cargan en una parrilla, haciéndolo pasar por un quemador El Coque de la mezcla, se calienta e inflama consumiéndose totalmente El calor producido por la combustión del Coque, funde parcialmente el material facilitando su aglomeración La combustión del Coque se mantiene por intermedio de la succión de aire, debajo de la parrilla El Sinter formado cae a través de una tolva que va a una trituradora, que rompe la masa en trozos más pequeños Dwight - Lloyd Pelletización Es un proceso de cohesión de partículas (esferas ó pelotitas) que se realiza en Tambores de Aglomeración ó Discos de Aglomeración utilizando Bentonita El endurecimiento de las pelotitas se realiza por Trat. Térmico ó incorporación de un aglomerante Bentonita: Silicato Cálcico (SiO 3 Ca) ó Sódico (SiO 3 Na) Higroscópica Gran poder de hinchamiento Disco de Aglomeración Tambor de Aglomeración PROCESOS DE REDUCCIÓN Esquema del Proceso de Reducción 4 de 15 4

5 Materia: Combustibles Sólidos PROCESOS DE REDUCCIÓN Origen Tipo Poder Calorífico Naturales Artificiales Madera Turba Lignito Carbones Bituminosos Antracita Carbón Vegetal Coque 2000 a 3000 Kcal/Kg 3200 a 3800 Kcal/Kg 1800 a 5200 Kcal/Kg 7000 a 7500 Kcal/Kg 7500 a 8200 Kcal/Kg 6000 a 7000 Kcal/kg 7000 a 7500 Kcal/kg COQUERÍA Qué es la Coquización? Es el proceso mediante el cual, se obtiene Coque, como resultado de la combustión en ausencia de aire de un carbón ó mezcla de carbones Baterías de Hornos de Coquización FUNCIONES DEL COQUE DENTRO DEL ALTO HORNO SUSTITUIBLES INSUSTITUIBLES Combustible Provee el calor necesario para la fusión de los óxidos de hierro y fundentes Reductor Permite generar el CO necesario para reducir indirectamente t el mineral (por debajo de los 1000 C) y para reducir directamente (zona de toberas) Carburante Provee el C que está presente en el Arrabio El Coque se consume de la siguiente manera: Pasa al Arrabio aumentando el % C al 3 4 % Se transforma en CO 2 y CO Sostén de Carga Permite soportar la mayor parte del peso de la carga del AH Formador de Intersticios Los intersticios son los canales por los que pasa el gas reductor hacia la parte superior del AH, es decir, el coque hace posible la permeabilidad en la zona donde comienza el ablandamiento de los minerales (zona pastosa) 5 de 15 5

6 Materia: Partes Principales ALTO HORNO Tragante m Temp. [ C] 600 Cuba Caja de Viento Vientre 20 8 m 800 Etalaje 1400 Crisol 2000 ALTO HORNO Detalle del Tragante Tragante de Doble Campana Entradas y Salidas Mineral de Hierro Pellet Sinter ALTO HORNO Fundente Coque Metalúrgico Gas de Alto Horno E S Entrada Salida Aire Caliente por las Toberas Escorias Líquidas Arrabio Líquido 6 de 15 6

7 Materia: Principales Reacciones ALTO HORNO Reacciones de Reducción 3Fe 2 O 3 +CO 2Fe 3 O 4 +CO 2 Fe 3 O 4 +CO 3FeO+CO 2 Corriente gaseosa ascendente de CO Cuba Corriente sólida descendente FeO + CO Fe + CO 2 Vientre Etalaje Crisol ALTO HORNO 1. Tubo de entrada de gas al AH 2. Cámara de Combustión 3. Material que absorbe el calor, formado por conductos verticales de ladrillos refractarios 4. Entrada de aire frío 5. Válvula reguladora del aire que activa la combustión del gas 6. Salida de aire caliente del AH Torre de Cowper REDUCCIÓN DIRECTA Horno de Cuba Proceso MIDREX Gas de Combustión Gas Natural Sistema de Procesamiento de Gas Mineral de Hierro Pellets Proceso de Gas Compresores Gas de Tope Lavador de Gases Horno de Cuba Reforming Ventilador de Aire Principal Gas Reductor Gas Combustible Lavador de Gases Gas de Combustión Gas Natural + O 2 Chimenea Gas de Alimentación Aire de Combustión Recuperación de Calor Gas de Enfriamiento Compresor Gas Natural MIDREX Hierro de Reducción Directa 7 de 15 7

8 Materia: ALTO HORNO MÓDULO DE REDUCCIÓN DIRECTA Comparación entre los Productos Obtenidos Característica Arrabio Hierro de Reducción Directa (HRD) Estado de Obtención Líquido Sólido Grado de Reducción 100 % 80 a 95 % Contenido de C 3 a 4 % 1 % (máx. 2 %) Ganga Elementos Indeseables se separa vía escoria partición Arrabio - Escoria queda en el HRD permanecen en el HRD PROCESOS DE BESSEMER ÁCIDO INYECCIÓN DE AIRE CONVERSIÓN THOMAS LD BÁSICO Aceros Comunes, especialmente de Bajo Carbono (el oxígeno entra en INYECCIÓN DE OXÍGENO LD - AC BÁSICO contacto directo con el baño metálico) KALDO - ROTOR ABIERTA SIEMENS - MARTIN Aceros de Medio ó Alto Carbono y de Baja Aleación SOLERA ARCO Aceros de Alta Aleación HORNO ELÉCTRICO INDUCCIÓN DE AF (el medio de aporte térmico es la energía eléctrica no hay influencia de oxígeno) Convertidor Bessemer Año 1850 Proceso de Afino Carga con arrabio líquido (posición inclinada) Inyección de aire por el fondo (posición vertical) Vaciado de acero líquido (bruto) Características Convertidor basculante Revest. refractario ácido (SiO 2 ) Proceso de oxidación efectivo para eliminar Si, Mn y C El arrabio utilizado debe contener bajos porcentajes de PyS 8 de 15 8

9 Materia: Convertidor Thomas Año 1879 Proceso similar al Bessemer con introducción de mejoras Incorporación de un fundente de carácter básico (CaO) que permite el afino de arrabios fundidos a partir de minerales con alto porcentaje de Fósforo (> 1,20 %) Características Convertidor basculante Revest. refractario básico, dolomítico, (Ca,Mg)CO 3 Proceso de oxidación efectivo para defosforar La oxidación del Fósforo es la principal fuente de calor del proceso, por este motivo, el porcentaje de este, debe ser relativamente elevado Convertidor al Oxígeno Básico (COB) - Año 1952 Objetivo Afinar el arrabio producido en el Alto Horno, en acero líquido bruto, que posteriormente podrá ser refinado nuevamente por Metalurgia Secundaria Principales Funciones Decarburación Eliminación de Fósforo del arrabio Optimización de la temperatura del acero Convertidor al Oxígeno Básico LD (Linz Donawitz / Austria) Características Convertidor basculante Revestimiento refractario básico Inyección de Oxígeno puro sobre la superficie del baño líquido mediante una lanza El ambiente oxidante y la escoria básica favorecen la eliminación de Fósforo Las reacciones exotérmicas de oxidación que ocurren durante el proceso, generan una cantidad importante de energía térmica adicional, que se utiliza para fundir la chatarra y/ó adiciones de mineral de hierro 9 de 15 9

10 Materia: Convertidor al Oxígeno Básico - LD Lanza de Oxígeno Chatarra y Fundente Cuchara de Carga de Arrabio Convertidor Cuchara de Escoria Cuchara Convertidor al Oxígeno Básico LD Principales Reacciones C+½O 2 CO Si + O 2 SiO 2 2P+5/2O 2 P 2 O 5 Mn + ½ O 2 MnO Fe + ½ O 2 FeO Superficie de intercambio Gas - Metal Proyecciones de Metal Escoria I B = CaO SiO 2 > 1 Escoria Básica = 1 Escoria Neutra < 1 Escoria Acida Metal Proyecciones de Metal - Escoria Gases Corte de un Convertidor LD Convertidor LD AC Es una variante del Convertidor LD Características Inyección simultánea de Oxígeno puro y CaO pulverizado para favorecer la cinética del proceso Lanza de CaO Lanza de Oxígeno Producción: 160 Tn/25 min. 10 de 15 10

11 Materia: Horno Siemens - Martin Año 1840 Características Horno de Solera con ladrillos refractarios (Reverbero) Sistema de recuperación de calor que permite que el aire y los gases empleados para la combustión sean precalentados Las reacciones son menos enérgicas, dado que el aire no atraviesa la masa líquida Horno Siemens - Martin Entradas Arrabio proveniente del Alto Horno Chatarra y Mineral de Hierro Caliza Salidas Acero líquido Escoria Horno Eléctrico de Arco Características Posee electrodos de grafito Utiliza energía eléctrica para generar un arco eléctrico y fundir la carga Innovaciones Tecnológicas Desarrollo de nuevos métodos de fusión, como el de la escoria espumosa Reemplazo de materiales refractarios básicos por paneles refrigerados por agua Paredes metálicas y bóvedas refrigeradas por agua 11 de 15 11

12 Materia: Horno Eléctrico de Arco Adición de Carbón pulverizado y Oxígeno mediante una lanza El insuflado de Oxígeno, permite: Una rápida oxidación de los elementos indeseables, con disminución del contenido de Carbono Formación de una escoria espumosa Elevar la temperatura del proceso Reducir el consumo de energía eléctrica Disminuir el tiempo de operación Coladaexcéntricaporelfondo Horno Eléctrico de Arco Entrada Chatarra DRI ó HRD Cal para la formación de la escoria básica Potencia del Tranformador 100 a 700 KVA/t Temp. Arco 3000 C Horno Eléctrico de Arco Colada Excéntrica por el Fondo Colada por Piquera Tap to Tap: 45 a 60 min. 12 de 15 12

13 Materia: Horno Eléctrico Principales Reacciones Formación de la Escoria 2 (CaO) + [Si] + 2 [O] (2CaO.SiO 2 ) [Mn] + [O] (MnO) Decarburación [C] + [O] CO Defosforación 2[P]+5[O]+3(CaO) (3CaO.P 2 O 5 ) (Escoria) ; [Baño Metálico] METALURGIA DE CUCHARA Desoxidación con Al y Si Desulfuración con Mn Trat. de inclusiones con Ca Aleación y ajuste de composición química COB Acero Base Desgasificación con burbujeo de gas inerte (Ar) Homogeneización química y térmica HE Horno de Cuchara Ajuste de temp. final Horno de Cuchara METALURGIA DE CUCHARA Principales Reacciones Desoxidación Ferrosilicio [Si] + 2 [O] (SiO 2 ) Aluminio 2 [Al] + 3 [O] (Al 2 O 3 ) Desulfuración Ferromanganeso [S] + [Mn] (MnS) Cal [S] + [CaO] (CaS) + [O] (Escoria) ; [Baño Metálico] 13 de 15 13

14 Materia: COLADA Colada convencional para producción de Lingotes Colada Directa Colada Indirecta Lingote en proceso de solidificación Lingotera Placa de Base COLADA Colada convencional para producción de Lingotes Abierta sin Tapa Con Tapón Abierta sin Tapa Cerrada en el Con Tapón en Fondo el Fondo Lingotera Directa Lingotera Invertida Paredes Lisas Paredes Cóncavas Paredes Corrugadas Paredes Acanaladas Representación esquemática de diversos tipos de formatos de secciones longitudinales y transversales de lingoteras COLADA Colada Continua Colada Continua Vertical - Curva Colada Continua Curva Cuchara Distribuidor Molde Rodillos Soporte Sist. de Corte Enfriamiento con Rociadores de Agua Tren de Enderezado 14 de 15 14

15 Materia: Laminación DEFORMACIÓN PLÁSTICA 15 de 15 15