Materiales Metálicos 2do. Ingeniería Mecánica FABRICACION DE ACERO Ing. Víctor Gómez U. T. N Facultad Regional Tucumán
OBTENCION DE ACEROS Acero: Se denomina acero a la aleación Hierro / Carbono que tiene un contenido de C de hasta 2,1%, exclusive. Fundamentos de la fabricación: Se fundamenta en la reducción de C, hasta obtener valores por debajo de 2,1%. Aceros Obtenidos al estado sólido Los métodos para la obtención de aceros en Hornos de Pudelar y al Crisol, fueron los primeros que se aplicaron a este fin. Tenían una producción de unos 4.000 Kg. de acero por día. Estos métodos ya no se utilizan. Solo en el caso del horno a crisol, llega todavía utilizarse para conseguir un acero muy especial, pero en poca cantidad. Aceros obtenidos por procedimiento al aire o al Convertidor Convertidor Bessemer (1865) 1.Recipiente 2. Cavidad interior 3. Entrada de aire 4. Caja de cierre 5. Toma de aire 6. Mecanismo basculante 7. Boca El convertidor estaba revestido por refractario tipo silicoso, por eso, al convertidor Bessemer se lo conoce, como proceso ácido. Exteriormente, está construido por chapas de acero y posee una forma similar a la de una pera. Este procedimiento no emplea combustible. Se basa en el insuflado de aire a temperatura ambiente y a una presión = 2,5 kg./cm². EL O del aire reacciona con los elementos termógenos a reducir que contiene el arrabio. Estas reacciones, producen el calor necesario para la conversión del arrabio en acero. Se alcanza temperaturas de unos 1.700. Emplea arrabio de una temperatura de 1.300 a 1.500, de carácter ácido, con un contenido en silicio entre 2 a 2,5% (Elevado % de silicio) y un contenido en fósforo inferior a 0,08% (Bajo % de P), debido a que el refractario es de carácter ácido. Un arrabio con alto % de P deteriora al refractario del convertidor, a su vez, este procedimiento no permite eliminar P ya que debe agregarse Oca y al ser este básico, destruiría el revestimiento. En 1.879, fue Thomas quién descubrió la manera de tratar los arrabios que contenían demasiado P, para ser tratados en el proceso ácido, de esta manera, tenemos:
PROCESOS ACIDO Y BASICO Convertidor Bessemer: Con revestimiento refractario ácido en base a sílice. Convertidor Thomas: Con revestimiento refractario básico en base a calcio y magnesio. Carga p/ Bessemer Carga p/ Thomas C = 3,5 a 4 % C = 3 a 4 % Elementos Si = 1,2 a 2 % Si = 0,4 a 0,7 % termógenos Mn = 1,5 a 3 % Mn = 1,5 a 2 % S = 0,005 % Elementos S = 0,03 a 1 % P = 0,005 % nocivos P = 1,7 a 2,2 % En ambos casos, se utiliza un aparato llamado Mezclador que tiene la finalidad de homogeneizar las cargas de arrabio, provenientes de diferentes AH, manteniendo la temperatura y con posibilidad de agregar elemento químicos para correcciones. Fases del convertidor Bessemer 1era Etapa. Oxidación y escorificación: Duración ~ 5 min. 2 da Etapa. Oxidación del C (descarburación): Duración ~ 8 min. 3era Etapa. Colado de escoria y agregados: Duración ~ 4 min. 1era Etapa: El aire insuflado, atraviesa la masa líquida, EL O comienza oxidando al Si y al Mn y termina por el C. Primero se oxida el Fe. Fe + ½ O ₂ FeO + 64 Kcal. (Exotérmica) Este FeO, reacciona con el Si y el Mn: Si + 2 FeO SiO ₂ + 2 Fe + 66 Kcal. Mn + FeO MnO + Fe + 26 Kcal. El SiO ₂ y el MnO, pasan a la escoria, que sobrenadan en forma de silicatos. SiO ₂ + FeO SiO ₃ Fe + 6 Kcal. SiO ₂ + MnO SiO ₃ Mn + 8 Kcal. Si la cantidad de sílice SiO ₂ por la oxidación del Si contenido en el arrabio no es suficiente, pasa a la escoria la sílice del revestimiento del convertidor. Estas reacciones levantan la temperatura del baño y se pasa a la segunda etapa. 2 da Etapa: Dada la alta temperatura del baño, comienza a quemarse el C. C + FeO CO + Fe 35 Kcal. Así se elimina el C. Este proceso se realiza con absorción de calor.
(Continuación Bessemer) El CO que se produce, genera una fuerte ebullición del metal y al salir a la superficie se quema con el aire atmosférico, formando CO ₂. Al finalizar la descarburación, la masa metálica se hace mas densa y con una ebullición violenta indica la finalización de la conversión. Se continúa insuflando aire hasta que el contenido de C se reduce a un 0,03% y el baño se calma. 3era Etapa: Se suspende la entrada de aire ya que si lo continuamos insuflando y al haber poco C, se comenzara a oxidar el propio Fe a FeO, con las consiguientes perdidas de metal. Se lleva al Convertidor a la posición horizontal para realizar la desoxidación y la carburación del acero. Se elimina el O en exceso disuelto como FeO, agregando (Fe Si y Fe Mn) ferro silicio y ferromanganeso y el aluminio. Para aumentar el C se utiliza una fundición especial. Una carga usual para estos convertidores estaba entre las 15 y 18 tn. Deficiencias: a) Imposibilidad de eliminar el P y el S. b) Elevada perdida de Fe por oxidación (8 a 18%). C) Saturación del acero con N y FeO que empeora la calidad. CONVERTIDOR THOMAS Trata arrabios con mayores % de P, que se encuentra como fosfuro de Fe: P Fe ₃. Se elimina el P de la siguiente manera: 2 P Fe ₃ + 5 FeO P ₂ O ₅ + 11 Fe + 40 Kcal. El anhídrido fosfórico reacciona con la cal que se agrega: P ₂ O ₅ + 3 CaO (PO ₄)₂ Ca ₃ este fosfato tri cálcico va a la escoria. En este proceso, el CaO, también escorifica a los silicatos de Fe y Mn. El azufre, se encuentra como sulfuro, se elimina con el CaO: S Fe + CaO S Ca + FeO + 5 Kcal. Es un horno similar al del procedimiento Bessemer, pero su revestimiento refractario es de carácter básico. Se emplea arrabio con contenido elevado de fósforo y bajo contenido de silicio. En ambos procedimientos el nitrógeno del aire proporciona al acero obtenido una cierta fragilidad con el tiempo, lo que se denomina envejecimiento del acero. Las fases de trabajo del Thomas, son similares a las del Bessemer. Actualmente, estos procedimientos, ya no se utilizan por que la calidad de los aceros obtenidos, no era buena.
PROCESO SIEMENS MARTIN Procedimiento ácido
PROCEDIMIENTO BASICO Características del proceso 1.- La carga puede ser sólida, líquida o mixta. Depende del acero que se quiera conseguir. 2.- La acción oxidante de la atmosfera es muy lenta, por consiguiente el proceso puede ser controlado con precisión. AFINADO: De arrabios a aceros. REFINADO: De aceros a aceros de mayor calidad. 3.- La mezcla puede prepararse con proporciones variadas obteniéndose un producto bien definido. 4.- Se puede tratar todo tipo de fundición o chatarra debido a que la solera del horno puede se ácida, básica o neutra. 5.- La llama ejerce sobre la carga una acción térmica y una acción química por que el horno es calentado con gas de gasógeno. Variando la proporción entre el aire y gas, se podrá conseguir una atmósfera oxidante, reductora o neutra. A. Espacio activo (fusión) 1. Puerta de carga La operación es lenta y dura entre 6 y 9 hs. 2. Válvulas (gas y aire) 3.4.5.6. Re- generadores de calor Cualquiera sea el procedimiento, dada la lentitud de la operación y a las altas B. Conductos. temperaturas, es inevitable la oxidación del baño, a pesar de la protección de las escorias. El silicio y el manganeso son las ferroaleaciones empleadas para desoxidar el baño, también se añade oxígeno, se reduce el consumo de combustible y se eleva el rendimiento térmico. La calidad del acero obtenido es superior a los métodos visto antes, debido a la ausencia de nitrógeno. Aunque este procedimiento va siendo reemplazado por los procedimientos al oxígeno. Las solera pueden ser: Acida (sílice), Básica (magnesita) o Neutra (cromita, dolomita y magnesita). Espesor: 20 a 30 cm
HORNOS ELECTRICOS Producen temperaturas muy elevadas y son los mas indicados para la desulfuración y desfoforación de la fundición y para la obtención de aceros especiales, el metal que se elabora en estos hornos, se halla libre de elementos extraños a los deseados ya que no utilizan combustibles (líquido, sólido o gaseoso) ni tampoco aire. La potencia en los H E, se expresa en Kw. Los H E, pueden ser a Resistencia, de Arco y de Inducción 1.- Hornos eléctricos a resistencia. Son hornos que alcanzan temperaturas de 1.000 y se utilizan para tratamientos térmicos y en los Laboratorios. En general son llamados Muflas. 2.- Horno de arco eléctrico.(heroult, Fiat, Girod, Stasano) La posición de los electrodos, determina dos tipos de hornos, con arco formado sobre el baño (imagen de la derecha) y con arco que atraviesa el baño. Es el más versátil de todos los hornos para fabricar acero. No solamente puede proporcionar altas temperaturas, hasta 1.930ºC, sino que también puede controlarse eléctricamente con un alto grado de precisión. Debido a que no se emplea combustible alguno, no se introduce ningún tipo de impurezas. El resultado es un acero más limpio. Al aplicarse la corriente eléctrica, la formación del arco entre los electrodos produce un calor intenso. Cuando la carga se ha derretido completamente, se agregan dentro del horno cantidades medidas de los elementos de aleación requeridos. Se utilizan con mayor intensidad en los países donde se produce energía eléctrica a bajo costo. Este procedimiento tiene la ventaja de permitir un calentamiento rápido a temperaturas muy elevadas y fácilmente regulables. Debido a la ausencia de aire, para descarburar se emplean óxidos sólidos, por lo que en el acero obtenido, hay ausencia de óxidos. La ausencia de aire, permite regular la atmósfera del baño, por lo que se consigue a voluntad, condiciones oxidantes, reductoras o neutras, esto, permite realizar una importante y regulada eliminación de azufre, de impurezas metálicas y de gases ocluidos. El revestimiento, puede ser ácido, básico o neutro, permitiendo tratar distintos tipos de materia prima. Características generales Carga sólida: Fundente, Mineral, Chatarra de acero o de fundición. Carga líquida: Arrabio de A H o Fundición de cubilotes. Duración del refractario: Entre 120 y 150 coladas. Tiempo de operación de refino: 3 a 4 horas Consumo de energía para carga sólida: 700 a 900 Kw./h por Tn de acero. Consumo de energía para carga líquida: 300 a 450 Kw./h por Tn de acero. Tensión de trabajo: 80 a 220 Voltios Intensidad de corriente: 5.000 a 10.000 Amp. Capacidad: De 2 a 60 Tn. La carga puede estar constituida por 80% de sólido y el resto líquido. Empleo de los hornos eléctricos A) Para afino de arrabio con el fin de producir acero. B) Para elaboración de aceros a partir de la chatarra de acero y de las fundiciones. C) Para refino del acero proveniente de otros procedimientos. D) Para fabricar aceros especiales. Transformador (1), conexión de cable (2), flexible brazos de los electrodos (3), sujeción de los electrodos (4), pórtico con brazos (5), salida de humos refrigerada (6), paneles refrigerados (7), estructura (8), estructura oscilante (9), cremallera (10), bóveda refrigerada (11), dispositivo de volteo (12), grupo hidráulico (13)
Hornos eléctricos a Inducción de baja frecuencia El calentamiento, se origina por las corrientes parásitas de Foucault. Para iniciar el ciclo, se deja una pequeña cantidad de material en el crisol, estos hornos se basan en el principio de inducción electro magnética, es decir en el principio de las corrientes inducidas por variación de campo magnético, la frecuencia es de 50 a 60 Hz, si consideramos un núcleo ferromagnético formado por láminas de acero, donde se devana un circuito primario y uno secundario, alimentando el primer circuito con corriente alterna, se produce un campo magnético variable que atraviesa el circuito secundario y se genera una corriente inducida de igual frecuencia. Primario: N ₁ I ₁ Secundario: N ₂ I ₂ N ₁ I ₁ = N ₂ I ₂ Si se adopta un gran número de espiras en el primario y una reducida en el secundario, se consigue una corriente de gran intensidad en el secundario esto produce un calentamiento capaz de fundir una masa metálica. En estos hornos, el secundario esta formado por el propio metal de la carga a fundir o por el crisol, que debe ser construido de un material conductor, de esta manera, el secundario, está conformado por una sola espira y la corriente inducida que corre será: I ₂ = N ₁ I ₁ / N ₂ Si I ₁ = 100 Amp. y N ₁ = 100 espiras I ₂ = 10.000 Amp. El campo magnético genera un movimiento enérgico en la masa fundida debido a que el campo magnético obra como el inducido de un motor eléctrico. Pero corre el riesgo de producir oclusiones de escorias, debido a este movimiento de metal, por eso son poco usados. Carga: Puede ser fundición líquida o sólida Horno eléctrico a inducción de alta frecuencia Posee un crisol rodeado por la espira de la bobina y es alimentado por corriente alterna de alta frecuencia 1.500 a 3.000 Hz, la bobina está formada por espiras de tubo de cobre refrigeradas por agua. El crisol no necesita ser conductor ya que la carga si lo es. En el caso de bajas frecuencias la corriente, circula por la masa y en el caso de los hornos de alta frecuencia, la corriente circula por las paredes del crisol, construido en material refractario en base a cuarcita, magnetita o grafito. Por el efecto SKIN
Principales reacciones químicas en el afino Elemento Carbono Manganeso Silicio Fósforo Forma de eliminación Al combinarse con el oxigeno se quema dando lugar a la formación de CO y CO2 gaseoso que se elimina através de los humos. Se oxida y pasa a la escoria. Combinado con sílice da lugar a silicatos Se oxida y pasa a la escoria. Forma silicatos En una primera fase se oxida y pasa a la escoria. En presencia del C y a altas temperaturas puede regresar al baño. Para fijarlo a la escoria se añade cal para que forme fosfato de calcio. Reacción química Azufre Su eliminación debe realizarse mediante el aporte de cal, pasando a la escoria en forma de sulfuro de calcio. La presencia de manganeso favorece la desulfuración. Desoxidación: El oxigeno en exceso que puede quedar en el baño liquido es eliminado agregando ferroaleaciones que contengan Si, Mn, Al, que forman, Mn O, Si O2, Al + O Al2 O3 Una escoria básica favorece la reducción de S: S + Ca O S Ca + O
CUADRO DE LA APLICACIÓN DE LOS DIFERNTES CONVERTIDORES
CONVERTIDORES AL OXIGENO CONVERTIDOR L D Linz - Dona Witz: Ciudad de Austria atravesada por el río Danubio. Donde se empleó por primera vez este horno. 1.949. Dispositivo que permite obtener acero por soplado de oxígeno con un 99,5% de pureza, mediante una lanza refrigerada por agua. Fases: Llenado: Se carga en primer lugar, él arrabio líquido procedente del A H; luego, la chatarra de acero y, finalmente, el fundente encargado de formar y arrastrar la escoria. Afino: Se inyecta oxígeno mediante la lanza (refrigerada a una presión de 12atm.).Esto produce una reacción que reduce el contenido de carbono (proceso muy rápido y a altas temperaturas).al mismo tiempo, se elimina el exceso de fósforo, azufre y silicio. Al final del proceso, se añaden distintos aleantes dependiendo de las propiedades que queramos obtener en ese acero. Vaciado : Se elimina la escoria (mezcla de óxidos metálicos, aunque puede contener sulfuros) y se vacía el acero. Obtención de aceros comunes de baja aleación, denominado acero LD. Son aceros aptos para tratamientos térmicos que aumentan su resistencia, tenacidad y dureza. Aplicaciones generales en la Ingeniería de construcción. En cada proceso entrega unas 300 Tn de acero. Los gases desprendidos en el Afino tienen temperaturas de 1.700. El material refractario puede ser ácido o básico, según el arrabio que se emplee. La lanza es hueca construida en acero refractario y recubierta con material refractario, suspendida a unos 10 cm del baño. Para evitar un aumento excesivo de la temperatura, por ausencia de nitrógeno, se agrega a la carga hasta un 30% de chatarra de acero. Las operaciones para una carga de 40 Tn, duran unos 25 minutos. La instalación es simple y se logra una buena calidad de acero. Datos medios: Para el procedimiento básico se utiliza unos 40 kg de fundente por Tn de acero. Producción 3 turnos: 30 a 35 cargas por día. Altura baño metálico: 50 a 70 cm. Presión O: 10 a 12 atm. Tiempo de soplado: 15 a 20 minutos. Nitrógeno en el acero: 0,002 a 0,006 %. Cantidad de mineral en la carga: 3,5% del peso de la chatarra. Longitud de la lanza: 2,8 metros. Mas del 55% del acero producido en el mundo se lo fabrica con este procedimiento.
Convertidor: Procedimiento BOF INTERNATIONAL IRON AND STEEL INSTITUTE
STEEL MAKING
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