Fabricación y procesamiento del acero


La producción de acero involucra diversas etapas de procesamiento que incluyen la producción de arrabio, metalurgia primaria y secundaria, colada y laminación en caliente. Estos procesamientos derivan en alguno de los siguientes procesos de fabricación: laminación en frío, conformado, forjado, unión, maquinado, revestimiento y/o tratamiento térmico.

Los aceros pueden producirse ya sea a partir de materias primas (por ejemplo, mineral de hierro, carbón y piedra caliza) o de chatarra de acero reciclada.

En respuesta a los requerimientos de la sociedad, el procesamiento del acero está sujeto a innovaciones importantes a fin de reducir costos, mejorar la calidad y minimizar su impacto ambiental.

Estos procesos complejos producen una amplia variedad de composiciones de acero, en muy diferentes formas y tamaños, cada una de ellas a medida de los requerimientos de uso del acero.

Las simulaciones incluidas en steeluniversity.org le permiten recorrer y operar una acería virtual. Las mismas están respaldadas por actividades e-learning que le permiten comprender las reacciones químicas y los principios metalúrgicos que sustentan estos procesos. Usted puede elegir uno de los 4 grados de acero para crear y seleccionar un nivel de dificultad apropiado.

Módulos

  • Generalidades de la ruta del proceso: Luego de una visión general de la ruta del proceso de acería, usted comienza a recorrer una acería integrada, desde el arribo de la materia prima hasta las diferentes etapas de producción. Posteriormente, usted podrá recorrer todo el área y examinar cada una de las unidades de producción, bajo su propia supervisión.
  • Alto horno: En el alto horno el óxido de hierro es reducido por el carbono, en forma de coque, con una inyección de aire caliente. Se agrega piedra caliza para fundir las impurezas en la escoria. El arrabio líquido resultante, conocido como “metal caliente”, tiene una concentración de carbono muy alta para ser útil y se requiere un mayor procesamiento para producir acero partir de este metal caliente.
  • Metalurgia en el convertidor LD: En el Convertidor LD (BOF) la concentración de carbono en el metal caliente es reducida al nivel requerido mediante la inyección de oxígeno a alta presión. También se agrega algo de chatarra de acero reciclada. Otras adiciones también son necesarias. Su rol es controlar la operación del horno, especialmente el soplado de oxígeno y realizar adiciones apropiadas, antes de colar el acero en una cuchara lista para los procesos de metalurgia secundaria.
  • Horno de arco eléctrico: En el horno de arco eléctrico (EAF), la chatarra de acero reciclada es fundida por el calor generado a través de potentes arcos eléctricos para producir acero de alta calidad. Su rol es decidir el tipo de chatarra a agregar, cargarla en el horno, fundirla y refinarla, haciendo adiciones apropiadas, antes de colarla en una cuchara lista para los procesos de metalurgia secundaria.
  • Metalurgia secundaria: En la metalurgia secundaria el acero producido en el BOF ó EAF es refinado para lograr la composición química exacta necesaria para su aplicación. Su rol es decidir cuál de los diversos tipos de equipamiento utilizar, que adiciones realizar y cuando y como hacerlas, como eliminar algunos elementos y enviar el acero a la máquina de colada continua en el tiempo y temperatura requeridos.
  • Colada continua: La colada continua actualmente ha reemplazado ampliamente a la colada en lingotes y es una manera muy eficiente de solidificar acero líquido en la forma requerida, listo para el procesamiento primario. Ahora es posible colar chapas y flejes de sólo unos mm de espesor. Su rol es controlar el flujo de acero líquido a través de una de las tres máquinas de colada (planchón, tocho o palanquillas) para una secuencia de tres coladas y lograr una calidad superior.
  • Laminación en caliente: La laminación en caliente deforma el producto fundido en la forma requerida – fleje, chapa, varilla, barra, sección. En muchos casos el control de temperatura es también sumamente importante a fin de lograr el tamaño de grano y las propiedades requeridas.
  • Tratamiento térmico del acero: En este módulo usted examinará diferentes métodos de Tratamiento térmico, las razones detrás de su uso y sus efectos sobre el acero y sus propiedades. También aprenderá acerca de los principios del tratamiento térmico, que finalmente tiene como propósito mejorar las propiedades de los aceros.

Generalidades de la ruta del proceso

Ruta del Proceso: Introducción

Este módulo presenta las etapas de producción y proceso de ruta a través de una acería integrada, desde la fabricación de hierro y acero a través de la fundición y la formación primaria.

Después de una visión general de la ruta de proceso de fabricación de acero, se inicia el recorrido por el que vuela sobre una acería integrada. Su vuelo comienza en la llegada de las materias primas y sigue la ruta de proceso a través de las diversas etapas de la producción.

Resultados del Aprendizaje en esta Sección

Después de finalizar esta sección, usted podrá:

  • Enumerar y explicar las etapas de producción claves en una acería integrada
  • Identificar los elementos de planta utilizados para cada etapa de producción
  • Describir el orden en que estas etapas de proceso se llevan a cabo
  • Identificar las principales materias primas utilizadas para producir acero
  • Identificar los materiales necesarios y resultantes en cada etapa del proceso
  • Explicar las diferencias entre la metalurgia en el convertidor LD y los procesos de acería en el EAF

La producción de acero a partir de materias primas implica varias etapas:

Fabricación de hierro

El mineral de hierro, coque y cal son las materias primas que ingresan en el alto horno para producir hierro líquido (a menudo llamado “metal caliente”). El hierro que se desprende del alto horno contiene 4-4,5% en peso de carbono y otras impurezas que hace que el metal sea demasiado frágil para la mayoría de aplicaciones de ingeniería.

Siderurgia

La fabricación de acero de oxígeno básico (BOS) este proceso de toma de hierro líquido más chatarra de acero reciclado,  reduce el contenido de carbono de entre 0 y 1,5% por soplado de oxígeno a través del metal en un convertidor para producir acero fundido. Alternativamente, el horno de arco eléctrico (EAF) se utiliza para volver a fundir la chatarra de hierro y acero.

los procesos siderúrgicos secundarios, se aplicaron para hacer ajustes precisos en la composición del acero, la temperatura y la limpieza.

Fundición

Después, el acero se funde continuamente en losas macizas, tochos o palanquillas. La colada continua se ha sustituido en gran medida por el moldeo de lingotes tradicional.

Formación Primaria

Las operaciones de conformación primaria, tales como el laminado en caliente, son las que se aplican a losas de colada continua, bloques, palanquillas y lingotes (tradicionales). El objetivo principal es por lo general para lograr grandes cambios en la forma, en lugar de desarrollar las propiedades del acero, aunque estos también pueden ser alteradas significativamente.

Manufactura, fabricación y acabado

Una amplia variedad de operaciones de conformación “secundarios”, se aplican para dar el componente de acero y las propiedades de su forma final. Estos pueden ser sub-divididas en los siguientes procesos generales:

dar forma (por ejemplo, laminación en frío)
mecanizado (por ejemplo, perforación)
de unión (por ejemplo, soldadura)
recubrimiento (por ejemplo, galvanizado)
tratamiento térmico (por ejemplo, templado)
tratamiento de la superficie (por ejemplo, de carburación)

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Planta virtual – Juego animación

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Resultados del Aprendizaje en esta Sección

Luego de finalizada esta sección, usted podrá:

  • Identifique en qué lugar encaja el alto horno en el proceso total de producción del acero
  • Describa el plano del alto horno y su equipo auxiliar
  • Explique el proceso de alto horno
  • Identifique las materias primas y su preparación
  • Describa el procedimiento de carga y la estructura estratificada del horno
  • Enumere las diferentes zonas y sus estados físicos y químicos
  • Escriba la reacción química principal en diferentes zonas
  • Explique la termodinámica y la kinética de reacción en la reducción de mineral de hierro.
  • Explique las funciones de tobera y dardo (raceway) y la importancia de la combustión de coque.
  • Describa el principio energía y balance de masa del proceso.
  • Explique el rol de la inyección de carbón pulverizado (ICP) y la inyección de otros combustibles.
  • Detalle la influencia de los parámetros de proceso tales como fundentes de escoria, inyectantes de alto horno, temperatura, relación de coque.
  • Identifique los parámetros críticos de control del proceso
  • Describa los productos y subproductos y su control de calidad
  • Enumere otros procesos alternativos de producción de hierro

En la actualidad, casi todo el acero del mundo se produce a través de una de las dos siguientes rutas:

Convertidor LD Horno de arco eléctrico
“Ruta integrada” “Ruta de refusión”
  • 75-80% de “metal fundido” (arrabio) del alto horno
  • 20-25% de chatarra reciclada
  • 100% de chatarra reciclada, arrabio sólido o hierro de reducción directa
64% de la producción global de acero (2005) 33% de la producción global de acero (2005)

Por lo tanto es evidente que el proceso de los altos hornos continúa siendo la ruta dominante de la siderurgia para suministrar las materias primas para la producción de acero. Este dato pone de manifiesto dónde se ubican los altos hornos dentro de todo el proceso de producción de hierro.

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Ilustración esquemática de la producción de hierro y acero

El alto horno utiliza mineral de hierro como materias primas que contienen hierro, coque y carbón pulverizado como elementos reductores y cal o caliza como elementos fundentes. El objetivo principal de la producción de hierro en altos hornos es producir arrabio con calidad consistente para el proceso de oxigeno básico LD (BOS, por sus siglas en inglés). Típicamente, la especificación de la acería requiere arrabio con con 0,3–0,7% Si, 0,2–0,4% Mn, y 0,06–0,13% P, y temperatura tan elevada como sea posible (1480–1520 °C en la sangría). Un alto horno grande moderno posee un diámetro de crisol de 14–15 m, y una altura de 35 m con un volumen interno de alrededor de 4500 m3. Un alto horno con estas características puede producir 10.000 toneladas de arrabio por día.

Dado que los procesos de alto horno consumen una gran cantidad de coque metalúrgico, están surgiendo otros procesos de producción de hierro como procesos futuros alternativos: reducción directa y reducción por fusión donde el coque metalúrgico se puede reemplazar por carbón pulverizado u otros elementos reductores de gases. Son ejemplos de procesos comerciales: Midrex (reducción directa) y Corex (reducción por fusión).

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Experimentos de fundición en la Edad de Hierro por Jake Keen y estudiantes de arqueología de la Universidad de Bournemouth. Fotografía cortesía del Dr Kate Welham, Universidad de Bournemouth.

La primera evidencia de las herramientas de hierro proviene del antiguo Egipto, alrededor de 4000 AC y el origen de las herramientas de hierro es probablemente el hierro meteorítico. El primer objeto del hierro fundido data de alrededor de 2000 AC, el cual fue posiblemente un subproducto de la fundición de cobre. Alrededor de 1000 AC las herramientas y armas de hierro habían empezado a reemplazar las de bronce.

Los altos hornos existentes más antiguos fueron construidos en China 200 AC. Los altos hornos deben diferenciarse de los hornos de lupias, en los cuales se evitaba la fusión y el hierro salía del horno como una masa esponjosa, llamada lupia (hierro esponja). Luego el hierro esponja era recalentado y martillado repetidas veces para forzar la salida de la escoria. Normalmente el término “alto horno” se reserva para los hornos que producen metal fundido que puede sangrarse del horno, en los que se refina el hierro del mineral.

En la antigüedad, en Europa, el hierro era hecho en hornos de lupias por los griegos, los celtas, los romanos y los cartagineses. En el siglo VIII se usaba el horno catalán en España, el cual dependía de un fuelle para bombear el aire en lugar de una corriente de aire natural. Los altos hornos más antiguos que se conocen en el oeste fueron construidos en Durstel, Suiza, Markische Sauerland, Alemania y Lapphyttan, Suecia alrededor del 1100. El predecesor directo de los hornos que hoy se usan en Europa provino de la región de Namur, Bélgica. El diseño se había extendido desde la región a fines del siglo XV y fue introducido en Inglaterra en 1491. La industria del hierro alcanzó su mejor momento en 1590, y la mayoría del arrabio de estos hornos se llevaba a forjas de afino para la producción de hierro en barra.

La próxima evolución en la tecnología siderúrgica tuvo lugar en Gran Bretaña, en donde Abraham Darby introdujo exitosamente el coque en 1709. El combustible que se usaba antes en los altos hornos era el carbón vegetal. Al principio el hierro fabricado en un horno de coque se usaba sólo para fundiciones, siendo un sector minoritario de la industria. Sin embargo, pronto se tornó más barato producir arrabio al coque que producir arrabio al carbón vegetal. La eficacia del proceso se mejoró aún más al cambiar por el viento caliente, desarrollado por James Beaumont Neilson en 1828. Dentro de unas décadas, se empezó a usar la estufa, en la cual se quemaban los gases de escape. Luego se usaba el calor para precalentar el aire que se inyectaba al horno.

Los altos hornos continúan siendo una parte importante de la producción moderna del hierro. Los hornos modernos son altamente eficaces. Incluyen las estufas Cowper para precalentar el aire soplado y usan sistemas de recuperación para extraer el calor de los gases calientes que salen del horno. La competencia que hay en la industria impulsa índices de producción más altos. Un alto horno grande tiene un volumen de 5500 m3 y produce alrededor de 80.000 toneladas de hierro por semana, en comparación con los primeros altos hornos que promediaban alrededor de 400 toneladas de hierro por año.

Blast Furnace No. 1 2 3 4 5 6 7
Size blast-furnace-evolution
Año de construcción 1924 1926 1930 1958 1961 1967 1972
Diámetro del crisol / m 5.6 5.6 5.9 8.5 9.0 11.0 13.8
Volumen de trabajo / m3 3 519 519 598 1413 1492 2328 3790
Productividad inicial (tpd) (tpd) 280 280 360 1380 1700 3000 5000
Productividad actual/final (tpd) (tpd) 1000 1000 1100 3500 3700 7000 10500
Año de demolición 1974 1974 1991 1997 1997
Última renovación 2002 1991

Desarrollo de altos hornos en las fábricas de acero en Corus IJmuiden, los Países Bajos.

En la actualidad, los hornos muy grandes alcanzan niveles de producción de 12.000 tpd de mineral o más. Por ejemplo, el alto horno Oita Nro. 2 (Nippon Steel Corporation) tiene un crisol con un diámetro de 15,6 metros y una capacidad de producción de 13.500 tpd de arrabio. El alto horno Thyssen-Krupp Schwelgern Nro. 2 tiene un crisol con un diámetro de 14,9 metros y una capacidad de producción de 12.000 tpd de arrabio.

El viento caliente reacciona con el coque y el carbón pulverizado en el vientre y en el etalaje del alto horno para formar una mezcla de monóxido de carbono y nitrógeno. Esta mezcla asciende por el horno mientras intercambia calor y reacciona con las materias primas que descienden de la parte superior del horno.

Finalmente los gases se descargan por el tragante del horno y se recuperan para ser usados como combustible en la planta siderúrgica.

Durante este proceso, la relación capa-espesor de los materiales que contienen hierro y el coque cargados por el tragante del horno y su distribución radial se controlan con el fin de que el viento caliente pueda pasar con una correcta distribución radial.

Durante el descenso de la carga en el horno, los materiales que contienen hierro se reducen indirectamente por el gas de monóxido de carbono en la zona de baja temperatura de la parte superior del horno.

En la parte inferior del horno, el dióxido de carbono producido por la reducción del mineral de hierro restante por el monóxido de carbono se reduce al instante por el coque (C) a monóxido de carbono que nuevamente reduce el óxido de hierro.

La secuencia completa puede considerarse como una reducción directa del mineral de hierro por el carbono sólido en la zona de alta temperatura de la parte inferior del horno.

El hierro reducido se funde, gotea y junta simultáneamente como arrabio en el crisol. Luego se descarga el arrabio y la escoria fundida a intervalos fijos (por lo general 2-5 horas) abriendo las piqueras de arrabio y de escoria en la pared del horno.

Las fuerzas motrices de un alto horno

Plano y Equipo

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La principal estructura de un alto horno consta de un blindaje vertical cilíndrico de chapa de acero grueso, revestido en la parte interior con ladrillos refractarios. La capa refractaria es enfriada por componentes metálicos refrigerados por agua llamados placas de enfriamiento, interpuestas entre el blindaje y los ladrillos refractarios.

El cuerpo del horno está compuesto por:

  • la cuba, que se ensancha en forma de cono desde la parte superior
  • el vientre, que es un cilindro derecho
  • el etalaje, que se achica en forma de cono hacia el fondo y se ubica inmediatamente debajo del vientre, y
  • el crisol, en el fondo del horno.

Por lo general la cuba, el vientre y el etalaje están forrados con ladrillos de arcilla refractaria y ladrillos de carburo de silicio, mientras que el crisol está forrado con ladrillos al carbono. Dependiendo del tamaño del horno, la pared lateral del crisol está ubicada radialmente y tiene de 20 a 40 boquillas de soplado de aire refrigeradas con agua denominadas toberas, que se usan para inyectar el aire caliente proveniente de las estufas Cowper al horno a través de la tubería principal de aire caliente y las morcillas.

También se instalan piqueras para descargar el arrabio y piqueras para descargar la escoria en la sección del crisol.

En la actualidad los altos hornos más grandes tienen alrededor de una altura total de 80 m , con una altura del cuerpo del horno de 35 m y un diámetro interno máximo de alrededor de 16 m, y un volumen interno de alrededor de 5,200 m3. Un horno de este tamaño puede producir aproximadamente 10,000 toneladas de arrabio por día.

Equipo Auxiliar

EsquemaAltoHorno

Además de la estructura principal del alto horno, existen los siguientes equipos auxiliares:

  • Cintas transportadoras para trasportar las materias primas (mineral y coque) al tragante del alto horno
  • Tolvas para almacenar temporalmente estas materias primas
  • ICP (inyección de carbón pulverizado) con equipo para pulverizar el carbón e inyectarlo bajo presión.
  • Con un equipo de carga de campana, las materias primas entran en el horno a través del espacio creado al bajar una pequeña campana invertida. Esta campana se cierra y una campana más grande (ancha por abajo) se abre para permitir que las materias primas caigan en la cuba que se encuentra abajo.
  • Con un equipo de carga sin campana, las materias primas se cargan en el horno a través de una rampa giratoria.
  • Máquinas soplantes para impulsar el aire
  • La estufa Cowper para calentar el aire. Es un horno cilíndrico de alrededor 12 m de diámetro y unos 55 m de altura y tiene una cámara llena de ladrillos cuadriculados de sílice. La estufa Cowper es un tipo de intercambiador de calor en el cual el calor producido por la combustión del gas de alto horno se almacena en la cámara de recuperación del calor, después de lo cual se sopla aire frío a través del recuperador de calor para producir el aire caliente precalentado para el horno. Dos o más estufas funcionan en ciclos alternos, proporcionando una fuente continua de aire caliente al horno.
  • Turbina de recuperación de la presión del tragante del alto horno: Por lo general un alto horno funciona con una presión del tragante de alrededor de 250 kPa. Para recuperar la energía del gran volumen de los gases de escape de alta presión, el alto horno está equipado, después de la eliminación del polvo, con una turbina de recuperación de la presión del tragante para generar energía eléctrica usando la diferencia de presión entre el tragante del horno y el gasómetro de almacenamiento de gas.
  • Equipo para la eliminación del polvo y recuperación

División de Zonas I

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Los altos hornos tienen una forma cónica y se subdividen en varias zonas de acuerdo al estado físico y químico de las materias primas y de los productos.

De la dirección vertical, un alto horno podría dividirse en 5 zonas:

  1. Tragante: superficie de carga en la parte superior del horno
  2. Cuba: donde los minerales se calientan y comienzan las reacciones de reducción
  3. Vientre: corta sección vertical
  4. Etalaje: donde se completa la reducción y se funden los minerales
  5. Crisol: donde los materiales fundidos (escoria y arrabio) se acumulan y salen por las piqueras.

División de Zonas II

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De acuerdo con el estado interno de las materias primas, se puede observar varias otras zonas en los altos hornos:

  1. Zona de reducción primaria: zona superior de la cuba, donde se reducen los óxidos de hierro de alta valencia (hematita y magnetita (Fe2O3, Fe3O4). La temperatura oscila entre los 400 a 1000 °C.
  2. Zona de reserva térmica: zona inferior de la cuba, donde la temperatura se mantiene a alrededor de 1000–1200 °C. En esta zona, tiene lugar la reducción de la wustita (FeO) a hierro metálico.
  3. Zona cohesiva: se extiende desde arriba del etalaje cerca de la pared hasta la mitad de la cuba en el centro del alto horno. En la zona cohesiva, los materiales alcanzan alrededor de 1200 °C y comienzan a ablandarse y fundirse con excepción de las partículas de coque.
  4. Zona de coque activo/zona de goteo: debajo de la zona cohesiva, donde se completa la reducción final del hierro metálico. La escoria fundida y el hierro fundido forman gotas a través de la capa de coque.
  5. Hombre muerto: lecho compacto y poroso de partículas de coque sin reaccionar que se sientan o flotan en el crisol. La carburación del arrabio tiene lugar dentro del hombre muerto.

Reacciones Químicas: Reducción Directa

Los estados relevantes de la alimentación de mineral de hierro se indican en el orden de la hematita, la magnetita, la wustita y a través de FeO0.5 a hierro metálico. El proceso de reducción de las partículas de mineral de hierro (pélets o sínter) es un proceso de eliminación del oxígeno de los óxidos de hierro.

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Reducción directa y reducción indirecta

La reducción de los óxidos de hierro se realiza mediante los gases de CO y H2, así como también por las partículas de coque sólido. El gas de CO se genera a través de la combustión del coque en el dardo (raceway) y de la reacción de la gasificación denominada reacción Boudouard a una temperatura por encima de los 1100 °C.

Reducción directa

El óxido de hierro de baja valencia (FeO) reacciona directamente con las partículas de coque en la zona caliente por encima del dardo (raceway), generando hierro metálico y gas de CO. En realidad, ocurre en 2 procesos consecutivos: reducción de CO del FeO y conversión inmediata de CO2 a CO en contacto con el coque:

(1) FeO + CO = Fe + CO2

(2) CO2 + C = 2CO

Total FeO + C = Fe + CO

En un alto horno moderno, la reducción directa elimina alrededor de 1/3 del oxígeno de la carga, dejando que el 2/3 restante sea eliminado por la reacción de reducción del gas (reducción indirecta). La reducción directa usa carbono (coque) como reductor y genera gas de CO extra. La reducción directa cuesta mucha energía. La reducción directa también se llama pérdida de solución (definida como la cantidad de coque que se usa para la reducción) y puede calcularse y monitorearse en línea.

Reacciones Químicas: Reducción Indirecta

Reducción indirecta

También se denomina reducción del gas. La reducción del gas tiene lugar entre el CO o el H2 y los materiales sólidos de la carga de los óxidos de hierro. Elimina alrededor de 2/3 del total de oxígeno en el mineral de hierro. A continuación se muestran las reacciones de la reducción directa con CO:

Hematita: 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2

Magnetita: Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2

Wustita: 2FeO + CO = 2FeO0.5 + CO2

Siguiendo la carga que desciende del tragante, la reducción de hematita a magnetita comienza a alrededor de los 500 °C. La reducción de magnetita a wustita ocurre en la zona de temperatura de los 600 a los 900 °C. La reducción de wustita a FeO0.5 ocurre a los 900 -1100 °C. Al comienzo de la temperatura de fusión (1100–1150 °C) todo el FeO se convierte a FeO0.5. La reducción de FeO0.5 ocurre por reducción directa en forma de una reacción líquida-sólida.

El gas de CO en la reducción indirecta se genera en el dardo (raceway), en donde las partículas de coque son quemadas por el viento caliente:

C + 0,5O2 = CO + 111 kJ mol-1 calor

La energía de combustión se usa para calentar la carga y el gas de CO generado se usa para reducir los óxidos de hierro. La reducción indirecta es controlada por la temperatura y la presión parcial de CO.

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Reducción directa con hidrógeno

El hidrógeno se forma de la humedad del viento y de los inyectantes en el dardo (raceway). La reducción de los óxidos de hierro con hidrógeno es comparable a la reducción con monóxido de carbono. El hidrógeno es más eficaz para la reducción por encima de los 900 °C. El coeficiente de utilización de hidrógeno medido del gas del tragante es de alrededor del 40%, mientras que el coeficiente de utilización de CO es de alrededor del 50%.

Productos obtenidos del Alto Horno

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Cuchara torpedo

 

Los materiales descargados del alto horno son arrabio a 1.803 K (1.530 °C), alrededor de 300 kg de escoria fundida por tonelada de arrabio y gases de escape que contienen polvo descargados por el tragante del horno.

  • Arrabio: Es vertido en una cuchara torpedo donde se lo somete a un tratamiento previo y luego se transfiere a una acería.
  • Escoria fundida: Es triturada después del enfriamiento y reciclada como material para firme de carreteras y para la fabricación de cementos.
  • Gas del Tragante: Después de la eliminación del polvo, se usa como combustible para las estufas Cowper para precalentar el aire soplado o para hornos de recalentamiento.

Arrabio

El arrabio es el producto principal del proceso de los altos hornos. Es hierro saturado en carbono con una cantidad de impurezas tales como silicio, manganeso, azufre y fósforo. Se descarga por el crisol del alto horno a una temperatura de 1480 °C y 1520 °C. En la siguiente tabla puede verse la composición típica del arrabio.

Elemento Típico (wt%)
Hierro Fe 94.5
Carbono C 4.5
Silicio Si 0.40
Manganeso Mn 0.30
Azufre S 0.03
Fósforo P 0.07

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Hechos importantes

  • Las acerías requieren arrabio de una calidad consistente.
  • El Si, Mn y Ti en el arrabio y la temperatura son fuentes importantes de energía en el proceso de los convertidores y ejercen influencia sobre la formación de la escoria.
  • El P en el arrabio tiene una importante influencia en el proceso de producción de acero. El 97-98% de P en el alto horno va al arrabio.
  • El S en el arrabio a un nivel del 0.03% o mayor es un problema para la producción de acero, que requiere un máximo de S de 0.008% para obtener acero de alta calidad.

Silicio en el arrabio

Es un indicador sensible del estado térmico del horno. Los óxidos de silicio provienen principalmente del coque y de las cenizas del carbón y se reducen mediante la reducción directa en 2 pasos:

  1. formación de SiO gaseoso en el dardo (raceway) a muy alta temperatura;
  2. reducción de SiO por el C disuelto en gotitas de hierro líquido.

SiO(g) + [C]Fe = [Si]Fe + CO(g)

El silicio en el arrabio está en equilibrio con la escoria, lo que implica que puede ser reoxidado por FeO en la escoria.

Reacciones del silicio en el alto horno.

Azufre en el arrabio

Se rige por los siguientes parámetros:

  1. El azufre proviene principalmente del coque y de los reductores auxiliares tales como el carbón o el aceite con un aporte total de 2,5-3,5 kg t-1 de arrabio.
  2. La división de S entre la escoria y el arrabio, relación (S)/[S], es muy sensible a la basicidad de la escoria y al estado térmico del horno.

Una basicidad más alta de la escoria y un contenido más alto de silicio reducen el contenido de S en el arrabio.

Escoria

La escoria se forma a partir del material de la ganga de la carga, las cenizas del coque y de otros reductores auxiliares. Durante el proceso del alto horno, la escoria primaria se convierte en escoria final. Cuatro componentes principales (SiO2, CaO, MgO and Al2O3) constituyen alrededor del 96% de la escoria. En la siguiente tabla se muestran las composiciones típicas de la escoria y los rangos. Los componentes menores son MnO, TiO2, K2O, Na2O, S and P.

Componente Típico Rango
CaO 40% 34-42%
MgO 10% 6-12%
SiO2 36% 28-38%
Al2O3 10% 8-20%
Sulfuro 1%

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Composición de la escoria de pélets típicas y calidades de sínter

Escoria Primaria y Escoria Final

La escoria primaria se forma durante el proceso de fusión de la carga antes de la solución de los componentes de las cenizas del coque en la escoria. La temperatura de fase líquida es mucho más baja debido al alto contenido de FeO. El gráfico de abajo muestra la influencia del contenido de FeO sobre la reducción en la temperatura de fase líquida de la escoria primaria. A cerca de 1200 °C.

Escoria Final e Interacciones entre la Escoria y el Metal

La escoria final se forma después de la reducción directa de FeO en la escoria primaria y de la disolución de SiO2 de la ceniza. La temperatura de fusión de la escoria final es de alrededor de 1300 °C. La formación de la escoria final se completa en la zona de combustión. La escoria final circula junto con el hierro fundido hacia el crisol. Gotitas de hierro pasan a través de la capa de escoria para formar la pileta de metal fundido. Durante este pasaje, la escoria reacciona con el metal y ocurre una transferencia de Si, Mn y S entre el metal y la escoria, tendiendo a obtener el equilibrio. La naturaleza, la composición y la cantidad de la escoria final en el crisol controlan la composición del arrabio y la productividad del alto horno.

Propiedades importantes de la escoria:

  1. Temperatura de fusión (rango);
  2. Basicidad de la escoria;
  3. Viscosidad;
  4. Capacidad del sulfuro.

La temperatura de fase líquida del alto horno es de alrededor de 1300 °C, como se ilustra en el diagrama de fase de SiO2-CaO-MgO con 10% Al2O3.

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Cinética de la Reducción del Mineral de Hierro

La reducción del mineral de hierro por los gases de carbono y de hidrógeno es un proceso muy complicado. Para una mejor comprensión de los factores que influencian la reductibilidad de los minerales, sínters y pélets a continuación figura una vista muy simplificada de las reacciones de control de la velocidad. En la mayoría de los casos, el mineral de hierro se encuentra en la forma de hematita, y la reducción comienza de la hematita y procede en el siguiente orden: hematita (Fe2O3) > magnetita (Fe3O4) > wustita (FeO) > hierro metálico (Fe).

3Fe2O3 + CO (H2) = 2Fe3O4 + CO2 (H2O)

Fe2O3 + CO (H2) = 3FeO + CO2 (H2O)

FeO + CO (H2) = 2Fe + CO2 (H2O)

Proceso de reducción: Comenzando con una esfera densa de hematita (similar a los pélets), una reducción inicial con CO o H2 produce una capa de hierro metálico en contacto con la wustita. Hacia adentro desde la wustita hay una capa de magnetita que rodea el centro de la hematita. Tal estructura en capas es típica del gas topoquímico: relaciones sólidas en las que la interfase de reacción entre los reductores sólidos y los productos sólidos se mueve en forma paralela a la superficie sólida original.

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La reducción del óxido de hierro es un proceso de eliminación del oxígeno de los minerales de hierro por etapas. La reducción gas-sólido del mineral de hierro ocurre en los siguientes 3 pasos:

  1. Difusión de los reductores gaseosos (CO o H2) a través de las capas límite de gas-sólido hacia adentro a través de capas porosas de hierro, wustita y magnetita,
  2. El reductor gaseoso es absorbido en las superficies sólidas y los iones de oxígeno se difunden a través de las capas para reaccionar en la interfase. Reducción de todos los óxidos simultáneamente en todas las interfases de acuerdo con las tres reacciones arriba explicadas de manera simular,
  3. Los productos gaseosos (CO2 or H2O) se difunden hacia afuera de las capas de los productos porosos.

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Si la capa de los productos es densa, la reductibilidad del mineral será pobre y presentará una velocidad mínima. La velocidad de reducción total se determina por el paso más lento en una cadena de estos procesos.

Diagrama esquemático de la reducción gaseosa de óxido férrico esférico

Materias primas

Mineral y coque: Para producir una tonelada de arrabio, se requiere alrededor de 1,600 kg de materiales que contienen hierro, tales como mineral sinterizado, mineral granular y pelets, y se consume alrededor de 380 kg de coque como reductor. El mineral y el coque se cargan en capas alternas desde el tragante del alto horno.

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Partículas de coque: 25-70 mm Sínter: 5-50 mm
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Mineral granular: 10-30 mm Pélets: 10-25 mm

ICP: Recientemente se ha tornado práctica común inyectar alrededor de 90-120 kg de carbón pulverizado por tonelada de arrabio como parte de los reductores desde las toberas en la parte inferior del horno. En la actualidad, raramente se usa la inyección de aceite pesado por motivos económicos.

Viento caliente: 1,000 Nm3 de aire caliente por tonelada de arrabio también es forzado a través de las toberas después del precalentamiento a 1150-1250 °C en las estufas Cowper. También se controlan la humedad y la concentración de oxígeno en el viento caliente.

Preparación de las Materias Primas: sínter
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La producción de sínter es un método de fusión de los finos de mineral de hierro para convertirlos en partículas más grandes que sean adecuadas para ser cargadas en el alto horno. Se usa desde principios del siglo XX y comenzó como una manera de reusar los materiales producidos en las propias instalaciones tal como el polvo del alto horno proveniente del gas de escape. En la actualidad, es la fuente predominante del hierro en muchos procesos de altos hornos. Las grandes líneas de sinterización tienen 5 m de ancho, y con un área de 400 m2, son capaces de producir 30–45 t/m2/día.

La alimentación del sínter es una mezcla homogénea de finos de mineral de hierro, caliza, sínter de retorno y finos de coque. Se mezcla en un tambor rotativo y se agrega 5–7% de agua para ligar la mezcla. La mezcla se carga en la línea de sinterización en una capa de 35–65 cm de grosor. En el fondo hay una pequeña capa de sínter para evitar que el frente de llama llegue a la línea de sinterización. Al principio de la línea de sinterización, el combustible en el lecho se enciende aspirando aire calentado a través de la capa. El combustible genera el calor para fundir parcialmente el lecho. Mientras el lecho se mueve por encima de las cajas de viento, se aspira aire continuamente y el frente de llama se mueve hacia abajo hasta que la capa esté completamente sinterizada. Al final de la línea de sinterización el material se rompe y se sigue procesando hasta obtener el rango deseado del tamaño.

La cal (CaCO3, CaO) en el sínter se agrega como fundente en el alto horno y el sínter se categoriza como ácido, sínter autofundente y súper fundente. El sínter autofundente contiene la cal requerida para fundir sus componentes ácidos; el sínter súper fundente agrega cal al alto horno.

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Planta de sinterización

La calidad del sínter se juzga teniendo en cuenta cuatro propiedades:

  • Tamaño y distribución del tamaño: Los tamaños promedio del sínter oscilan entre los 15 y 25 mm en la planta de sinterización. Durante el transporte posterior el sínter se degrada y se requiere un cribado para eliminar los finos antes de cargarse al alto horno.
  • Resistencia en frío: La baja resistencia en frío resulta en un alto consumo de finos. La resistencia se determina por la cantidad de combustible usado; más combustible genera un sínter más resistente. Generalmente, la resistencia en frío se mide mediante un ensayo en el tambor de volteo.
  • Propiedades de reducción-desintegración: La reducción de hematita a magnetita genera tensiones internas dentro de una partícula de sínter. Un sínter más fuerte ofrece una mejor resistencia a estas tensiones. Las propiedades de reducción-desintegración mejoran con una estructura más densa, la cual puede obtenerse usando más finos de coque. En contenido de FeO aumenta cuando se usa más finos de coque y las correlaciones experimentales demuestran que hay propiedades mejoradas de reducción-desintegración cuando se usa mayor contenido de FeO.
  • Propiedades de fusión: La fusión del sínter se determina por la composición química. El sínter comienza a ablandarse y fundirse a 1200–1250 °C. El sínter muy básico se funde a temperaturas más altas de ~1300 °C y si el contenido de FeO es muy bajo, las temperaturas de fusión pueden superar los 1500 °C.

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Perfil de temperatura de la mezcla durante la sinterización

Preparación de las Materias Primas: pélets

Los pélets se producen con mineral de hierro muy fino generado por métodos de enriquecimiento del mineral. El método más común de la producción de pélets consiste en usar parrillas viajeras. La producción de pélets puede dividirse en cuatro secciones:

  • • Etapa 1, Pélets verdes: La mezcla homogénea de minerales finos y finos de coque (<1%) se mezcla en un tambor rotativo o disco. Se agrega agua y aglomerante lo que hace que los finos se adhieran los unos a los otros mediante una carga líquida suspendida. Cuando las partículas ruedan, recogen los finos y crecen. Se usa el cribado para seleccionar la fracción del tamaño requerido y se regresan los finos.
  • • Etapa 2, Secado: Los pélets verdes se cargan en la parrilla viajera en la cual el primer paso es secarlos. Los pélets se calientan gradualmente a 300–350 °C, eliminando el enlace de agua y permitiendo al agente aglomerante, tal como la bentonita, formar los enlaces químicos.
  • • Etapa 3, Caldeo: El calentamiento de los pélets secos continúa hasta los 1250–1350 °C, fusionando el mineral de hierro en una reacción denominada endurecimiento por calor. El calor es suministrado por quemadores y los finos de coque.
  • • Etapa 4, Enfriamiento: Los pélets se enfrían lentamente y el gas de enfriamiento calentado se vuelve a usar en la etapa 3.

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Planta de peletización

Los principales tipos de pélets son ácidos, de olivino, básicos y autofundentes. Los últimos dos tienen una basicidad alta y los pélets de olivino contienen MgO en lugar de CaO. Los pélets ácidos son resistentes pero tienen una reductibilidad pobre. Los pélets básicos o autofundentes tienen una buena reductibilidad pero requieren energía extra debido a la reacción de descarburación de la caliza. Los pélets de olivino tienen una resistencia a la compresión más baja.

Generalmente los pélets permanecen intactos en el alto horno y su calidad se basa en lo siguiente:

  • • Resistencia en frío: Medida como resistencia a la compresión y finos generados durante el pulido.
  • • Propiedades de hinchamiento: Con una composición incorrecta de la escoria los pélets pueden exhibir propiedades extremas de hinchamiento.
  • • Propiedades de reducción-desintegración:Es una preocupación menor en comparación con el sínter y el mineral granular.
  • • Ablandamiento y fusión: Los pélets tienden a fundirse a temperaturas más bajas que el sínter.
  • • Nivel de humedad:La humedad en los pélets puede interferir con el proceso.

Preparación de las Materias Primas: mineral granular

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Los minerales granulares se usan directamente de las minas, las cuales generalmente producen mineral granular y finos de mineral de hierro. Son más baratos que los pélets y se usan mucho pero en general tienen propiedades más pobres. En comparación con los pélets, el mineral granular:

  • Genera más finos durante el transporte y el manipuleo
  • Tiene propiedades más pobres de reducción-desintegración
  • Tiene una temperatura de fusión más baja

Los requisitos para el mineral granular son similares a los del sínter.

Preparación de las Materias Primas: coque

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Desde el siglo XVIII el coque ha sido la fuente de carbono más importante en el proceso de los altos hornos. Desde la década de 1960 parte del coque utilizado ha sido reemplazado por reductores auxiliares inyectados por las toberas, tales como el aceite, el alquitrán, el carbón y el gas natural. La figura a continuación muestra la reducción del uso de coque en el proceso del alto horno debido a mejoras en el proceso y a reductores auxiliares.

Las influencias más importantes del coque son las siguientes:

  • El coque es la fuente del gas de CO que se usa para reducir los óxidos de hierro a hierro metálico.
  • El coque se consume y genera el calor que se usa para fundir la carga.
  • La carga en capas alternas de mineral y coque crea una estructura de coque a través de la cual se distribuye el gas reductor y penetra en las capas de mineral. Cuando el mineral se funde la carga consiste sólo de coque, la carga del alto horno es soportada por esta estructura que también se requiere que sea permeable para permitir que se acumule el hierro y la escoria en el crisol.
  • El coque provee el carbono para la carburación del arrabio.

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El consumo de coque a través de los años

El coque se produce calentado una mezcla homogénea de carbones a aproximadamente 1200°C en un ambiente libre de aire. La materia volátil en el carbón se escapa cuando aumenta la temperatura y se forma una matriz de carbón sólido, proceso denominado carburación del carbón. El carbón se calienta de las paredes hacia el centro, formando la zona de plasticidad. Después de 16-24 horas la zona de plasticidad alcanza el centro y se completa el proceso de coquización. El coque es empujado de la cámara de coquización y templado para asegurarse de que el coque caliente no reaccione con el oxígeno.

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La calidad del coque se describe por su composición y resistencia. Las propiedades importantes de la composición son la ceniza (generalmente 8-11%), la humedad, el azufre y el contenido alcalino. Las propiedades físicas relevantes del coque son las siguientes:

  • • Tamaño y distribución del tamaño: El tamaño promedio típico es de 45-55 mm. La distribución debe ser pequeña para asegurar una alta permeabilidad.
  • • Resistencia a la degradación física: Durante el transporte y manipuleo el tamaño y la distribución del tamaño cambian debido a la degradación física.
  • • Resistencia a la abrasión: La abrasión ocasiona la generación de finos.
  • • Reactividad del coque: El coque reacciona con el CO2 cambiando su matriz lo que lleva a un mayor consumo de coque en el horno. El coque con una reactividad baja y una mayor resistencia después de la reacción tiene una mayor resistencia mecánica en la parte baja del horno.

Gas de Alto Horno y Estufas para Precalentamiento de Aire

El aire insuflado en el alto horno es precalentado a 1000–1250 °C en las estufas Cowper. Las estufas trabajan en ciclos, primero se calientan los ladrillos refractarios en la estufa mediante quemadores usando gas de alto horno. Luego se insufla el aire frío y el calor almacenado en los ladrillos se transfiere al gas. El aire caliente se envía al alto horno a través de la tubería principal de aire caliente, la morcilla y las toberas.

En la parte superior del horno, el gas del tragante es caliente y contiene una gran cantidad de partículas finas. Para removerlas, el gas es enviado a un colector de polvo y a un sistema de limpieza por vía húmeda a través del tubo de bajada del gas del tragante.

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Balance de Masa y Energía

Consumo diario de un alto horno grande (10.000 toneladas/día de arrabio)

  • 16.000 – 20.000 toneladas de mineral de hierro
  • 4.000 – 6.000 toneladas de coque (y carbón pulverizado)
  • 2.000 – 4.000 toneladas de fundente
  • 11.000 kNm3 de aire comprimido

Genera:

  • 4.000 – 5.000 toneladas de escoria + polvo del tragante
  • 15.000 kNm3 de gas del tragante

Esta figura muestra un balance de masa general para el proceso de alto horno, en base a 1 tonelada por producción de arrabio.

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Toberas, Dardos (raceway), Crisoles y Hombre Muerto

El aire caliente se inyecta en el horno a través de las toberas, que son alimentadas desde la morcilla que rodea al alto horno. Una tobera es un tubo cónico de cobre, y la cantidad de toberas oscila de 12 en un alto horno pequeño hasta 42 en un alto horno grande. El viento caliente gasifica los coques en frente de las toberas así como también el reductor auxiliar inyectado por la tobera, creando una cavidad denominada dardo o raceway. El oxígeno en el viento se convierte a monóxido de carbono gaseoso, el gas resultante tiene una temperatura de llama de 2100–2300 °C.

El crisol es la zona inferior del alto horno donde se acumula el material fundido. Contiene una capa de escoria que flota sobre la capa de arrabio. La carga de coque puede descansar en el fondo del horno o puede flotar en la capa de arrabio. Una zona de coques casi estancados esta presente en el centro del crisol del horno, denominada hombre muerto.

La imagen que se muestra aquí ilustra dónde se encuentran las toberas, el dardo (raceway) y el hombre muerto en el alto horno, y una vista detallada de estas áreas especiales.

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Inyección de Carbón Pulverizado (ICP)

La inyección de reductores auxiliares como el carbón, el aceite y el gas natural se usa para bajar el costo del arrabio. Comúnmente, el carbón es más usado y permite los ahorros de costo disminuyendo el consumo de coque. La inyección de carbón reduce la cantidad requerida de coque caro. También permite que se use temperaturas más altas del viento lo que también conduce a un menor consumo de coque. La inyección de carbón conduce a una mayor productividad al usar viento enriquecido con oxígeno.

Antes de que el carbón sea inyectado en el alto horno, se requiere varios pasos de preparación:

  • Trituración: A fin de inyectar el carbón a las toberas tiene que triturarse en tamaños pequeños. Comúnmente se usa carbón pulverizado con 60% por debajo de 75 µm. El carbón granular es un tanto más grueso y de 1-2 mm.
  • Secado: El carbón contiene de 8 a más de 10% de humedad.

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El carbón para inyección se categoriza por su contenido de materia volátil, 6-12% se clasifica como carbón poco volátil, 12-30% como carbón medio volátil y más del 30% como carbón rico en volátiles. Las propiedades más importantes para determinar la calidad del carbón son las siguientes:

  • Coeficiente de reemplazo: la cantidad de coque reemplazado por el carbón depende de la composición y del contenido de humedad.
  • Composición: es probable que un alto contenido de fósforo y azufre aumenten los costos en la acería.
  • Materia volátil: el carbón rico en voláltiles tiene un coeficiente de reemplazo bajo pero se gasifica con facilidad en el dardo (raceway).
  • Contenido de humedad: la humedad en el carbón puede ocasionar problemas de adherencia y manipuleo.

El carbón se inyecta en cantidades iguales a través de todas las toberas por medio de lanzas según se muestra en la figura a continuación.

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Inyección de carbón en las toberas
Posición de las lanzas

Desulfurización y Desfosforilación de Arrabio

Cuchara torpedo

Las propiedades de calidad cada vez más estrictas han aumentado la demanda de aceros con muy bajos niveles de impurezas tales como fósforo, azufre, hidrógeno, nitrógeno y oxígeno e inclusiones no metálicas tales como MnS, SiO2, and Al2O3. Una pureza tan alta no puede obtenerse en el convertidor LD mediante el soplado para la decarburación debido a que su capacidad de afino es limitada. El arrabio producido en el alto horno se transfiere a una cuchara o a un recipiente denominado cuchara torpedo y luego se carga en el convertidor LD. El proceso de soplado de oxígeno en el cual el arrabio es decarburado y convertido en acero generalmente se realiza en un convertidor LD, conocido también como horno de oxígeno básico. Sin embargo, se ha puesto en práctica un método para dividir la capacidad de afino y destinar la función dividida a los procesos antes y después del convertidor LD.

Los procesos en los cuales se quitan las impurezas del hierro fundido antes de ser llevado al convertidor LD se denominan pretratamiento del arrabio. En la actualidad, un proceso integrado de fusión en el alto horno, pretratamiento del arrabio, decarburación en el convertidor LD y afino secundario se ha convertido en el proceso de producción estándar para los aceros de alta calidad.

El precalentamiento del arrabio incluye la desiliciación, la desfosforación y la desulfurización. El silicio en el arrabio es oxidado en el convertidor LD, en donde reacciona con la cal agregada (CaO) y el óxido de hierro (FeO) para formar una escoria de CaO-FeO-SiO2. Si el contenido de silicio del arrabio es bajo, esta reacción se acorta en el convertidor LD, se mejora la eficacia de la producción y el volumen de escoria generado es pequeño; por lo tanto, decarburizar con una alta producción de hierro es posible. Por lo tanto, la desiliciación se lleva a cabo como un proceso de pretratamiento agregando óxidos de hierro tales como la cascarilla de hierro y los finos sinterizados del mineral al arrabio en los canales de la casa de colada del alto horno en el recipiente de transferencia.

Generalmente la desfosforación se realiza inyectando un agente desfosforante que contenga cal, óxido de hierro, fluorita, etc. en el hierro fundido en la cuchara de transferencia o cuchara torpedo junto con un gas. Esto promueve la transferencia del fósforo del hierro fundido a la fase de la escoria, la cual luego se descarga. Por lo general, la desfosforación se lleva a cabo después de la desiliciación, porque la reacción de la desfosforación actúa más rápido a bajos contenidos de silicio. A pesar de que el arrabio es desulfurado hasta cierto punto por el tratamiento de desfosforación, los aceros con muy bajo contenido de azufre requieren una desulfurización más a fondo, la cual se realiza mediante una inyección separada de agentes desulfurizantes tales como CaO, Na2CO3, CaC2 y Mg en el arrabio.

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Dichos tratamientos pueden tornarse más eficaces identificando y mejorando los pasos básicos que controlan los procesos de desfosforación y desulfurización. Una buena comprensión de termodinámica y del fenómeno del transporte es indispensable para lograr estos objetivos.

Instrumentación del Alto Horno y Control de Procesos I

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Sala de control

La instrumentación de los altos hornos ha avanzado drásticamente en los últimos 50 años. Como lo demanda la productividad, los altos hornos aumentaron su rendimiento y los consumos de reductores disminuyeron; por lo tanto, se tornó indispensable monitorear y comprender más datos para el proceso. Se inventaron e instalaron nuevos instrumentos mejorados en toda la industria. El conocimiento compartido ha permitido a los operadores de los altos hornos y a los ingenieros obtener aumentos espectaculares de la producción, bajar el consumo de reductores, introducir nuevos tipos de reductores y finalmente obtener mejores diseños y un mejor control del proceso de los altos hornos.

El sistema de control moderno de los altos hornos puede dividirse en varias capas diferenciadas para conocer la información y controlar el proceso del alto horno, según se describe a continuación:

  • La primera capa de la arquitectura comprende los dispositivos de campo, denominada Nivel 0. Son los instrumentos reales, válvulas, motores, etc. los que miden y controlan las presiones, los flujos, las temperaturas, las posiciones y los análisis del proceso,
  • La segunda capa es el controlador lógico programable o sistema de control distribuido, denominada Nivel 1. En este nivel se procesa, al principio, los datos crudos de campo. La información a los dispositivos de campo y desde ellos se conecta con esta área donde lleva a cabo la secuenciación, el control lógico, el monitoreo de los instrumentos, la alarma, el diagnóstico de primer nivel y la operación de las diferentes área del proceso del alto horno. Los operadores se comunican con el Nivel 1 a través de la interfase hombre-máquina que generalmente son computadoras personales y paneles de control. Algunas veces se denomina Nivel 1.5 a las interfases hombre-máquina ya que podrían conectarse tanto con los sistemas del Nivel 1 y del Nivel 2. Con las interfases hombre-máquina basadas en una PC o estación de trabajo, soportadas por modernos programas de control y la muy usada interconexión de redes TCP/IP así como también UDP/IP (Protocolo de Diagramas de Usuario), los operadores pueden acceder a todas las áreas del alto horno a través de pantallas gráficas que permiten la operación y el monitoreo del proceso en las salas de control remoto.
  • La tercera capa, denominada Nivel 2, es donde se ubica el conocimiento básico del proceso. En esta área se encuentra los modelos para controlar y optimizar el proceso a través de algoritmos basados en reglas y cambios de los parámetros. Los modelos típicos del proceso que se encuentran en los sistemas de Nivel 2 en los altos hornos incluyen la distribución de la carga, los cálculos de la carga de materiales, la predicción de silicio, la predicción del nivel de hierro en el crisol, el análisis del desgaste del material refractario, la optimización de las estufas, los balances de calor y masa.
  • El nivel más alto asociado a los altos hornos es el Nivel 3, que forma parte de todo el sistema de información de la planta. La función principal consiste en las funciones de negocios tales como el mantenimiento de la documentación, la entrada de órdenes, los requerimientos de calidad, el estado de las órdenes y las funciones de gestión. Asimismo, se ha desarrollado la inteligencia artificial y el sistema experto para el diagnóstico en línea del estado real del horno, lo cual da las recomendaciones para mantener el alto horno a su punto óptimo de operación.

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Instrumentación del Alto Horno y Control de Procesos II

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  1. Los ladrillos refractarios tienen instalados termopares en distintos lugares para minimizar el deterioro del material refractario.
  2. En la morcilla hay tomas de presión para monitorear la presión del viento y también hay tomas de presión a distintas alturas de la cuba del horno para monitorear la permeabilidad de la carga y la ubicación de la zona cohesiva o de fusión.
  3. Se inserta una probeta retráctil debajo de la carga para monitorear la temperatura y la composición del gas en la cuba del horno. Estos datos se usan para modificar los cambios de la distribución de la carga y el rendimiento del horno.
  4. Se usa probetas fijas por encima de la carga para medir la temperatura del gas a fin de monitorear los patrones del gas a través de la carga.
  5. Un medidor radial y transversal del perfil mide la superficie superior de los materiales de carga después de la carga inicial por el tragante del horno.
  6. Sensores de movimiento de los materiales, ya sea sensores de pesos mecánicos o sensores de ondas de radio, monitorean el descenso de la carga y fundamentalmente hacen lugar para cargar materiales adicionales en el horno.

Una planta de altos hornos es una colección de subsistemas únicos: el sistema de manipuleo y carga de las materias primas, el estado del material refractario del horno y el sistema de enfriamiento, el sistema de estufas, el sistema del viento caliente y frío, el sistema de limpieza y distribución de gases, el sistema de colada y el sistema de fundición del proceso de fundición.

El avance de la tecnología asociado con la mayor aceptación de la confiabilidad de la instrumentación y de la lógica de control está moviendo el control del proceso de la producción de hierro a sistemas de niveles cada vez mayores. Estos sistemas avanzados no sólo monitorean el proceso sino que también cambian los parámetros, alertan a los operadores de condiciones indeseables y del área potencial de inspección y recomiendan cambios al proceso.

Operación del Horno: Carga, Colada y Muestreo de Arrabio

Carga

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La distribución de la carga en el alto horno ejerce mucha influencia sobre su operación y rendimiento. Se determina por las propiedades de los materiales de la carga y por los equipos usados. El flujo de gas en el horno puede controlarse por la distribución de la carga. Los dos tipos principales de equipos de carga se describen a continuación. En el sistema de campana doble los materiales se cargan por la campaña superior pequeña ubicada sobre la campana inferior grande que está cerrada. La campana pequeña se cierra y la campana grande se abre para cargar los materiales en el horno. Para aumentar el control sobre la distribución de la carga puede equiparse al alto horno con un blindaje movible. El segundo tipo es el tragante sin campana en el cual los materiales se cargan a través de una rampa movible, permitiendo un mejor control de la distribución de los finos y de la relación coque/mineral sobre el diámetro del horno.

Colada

El crisol del alto horno se llena con una capa de arrabio y una capa de escoria que flota por encima. Para sacar el material el horno se cuela 8-14 veces por día a través de piqueras. Cada colada dura en promedio 90-180 minutos. Los altos hornos modernos tienen hasta 4 piqueras a través de las cuales se cuela la escoria y el arrabio. La mayoría de los altos hornos de alta productividad se cuelan en forma continua a través de piqueras alternas para permitir niveles bajos constantes de líquido en el crisol asegurando una operación uniforme. Para comenzar la colada las piqueras se abren con un taladro o retirando un tapón de arcilla que se coloca para cerrarlas. Una piquera se cierra tapándola con arcilla usando un cañón de arcilla. Los líquidos se cuelan en un canal de colada del arrabio y se separaran por un desescoriador permitiendo que el arrabio siga fluyendo pero desviando la escoria a su canal de colada. El arrabio se recolecta en cucharas denominadas cucharas torpedo y se transporta al convertidor LD. Generalmente la escoria se granula con agua o se descarga en los fosos de escoria.

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Muestreo

Primero se toman muestras del arrabio antes de que se lleve al convertidor LD para analizar el contenido de silicio, azufre, manganeso, fósforo y oxígeno. Las muestras se analizan rápido y brindan al operador del convertidor LD un análisis exacto del arrabio que se va a cargar a fin de optimizar el proceso de producción de acero. En la mayoría de las plantas también se analiza una muestra de la escoria en cada colada.

Operación del Horno: Encendido y Purga

Puesta en marcha

El proceso de poner en funcionamiento un alto horno se denomina puesta en marcha y consiste de varios pasos:

  • Secado: El agua está presente en el alto horno debido al lodo usado para la mampostería y por la absorción de los ladrillos. Puede dañar el revestimiento por choque térmico o enfriar el horno evitando que el crisol alcance la temperatura requerida y provocando que el metal y la escoria se frisen. Generalmente el secado se obtiene insuflando aire caliente proveniente de las estufas, comenzando a una temperatura baja de aprox. 200 °C y aumentando lentamente hasta los aproximadamente 425 °C
  • Carga: Luego el alto horno se carga con la carga de puesta en marcha que generalmente consiste de solo coque y fundente en la parte baja y de coque, fundente y una cantidad cada vez mayor de mineral en la parte superior.
  • Encendido: El método más común para encender el alto horno consiste en usar un bajo volumen de viento caliente de aproximadamente 550-650 °C para encender el coque en frente de las toberas. El volumen del viento se aumenta cada pocas horas y después de aproximadamente 24 horas se obtiene el 40-50% del viento total. Durante los siguientes días el viento aumenta hasta que se obtiene todo el viento necesario.

Soplado a fondo

El proceso general para parar un alto horno, por ejemplo, para renovarlo, consiste en dos pasos principales:

  • Soplado a fondo: Durante el soplado a fondo el horno se opera sin cargarlo hasta que el nivel de carga alcanza aproximadamente el nivel de las toberas. Se instalan rociadores de agua en la parte superior del horno para controlar la temperatura del gas del tragante y uno o más niveles de rociadores de vapor en los niveles bajos para enfriar y mantener la presión. Los rociadores de vapor se activan cuando se pasa el nivel de carga. Se reduce la velocidad del viento y la temperatura cuando se baja el nivel de carga para controlar la temperatura del gas del tragante y su contenido de oxígeno e hidrógeno.
  • Drenaje del lobo: El lobo es el hierro presente en el crisol debajo de las piqueras y generalmente se drena. Si se solidifica, se requiere el granallado para eliminar los pedazos de hierro sólido. El lobo se cuela a través de un agujero que se taladra en los ladrillos del fondo del horno y la última parte del lobo se saca con una lanza de oxígeno.

Operación del Horno: Irregularidades del Alto Horno

Durante la operación del alto horno pueden ocurrir irregularidades, las cuales generan una preocupación considerable y puede conducir a un problema serio si no se manejan correctamente. Las irregularidades más comunes que ocurren son:

Deslizamiento

Cuando el material de carga se cuelga o suspende, el material que se encuentra debajo de la carga colgada continúa moviéndose hacia abajo creando un vacío que se llena con el gas caliente. El vacío crece hasta que se torna muy grande y la carga colgada colapsa. El repentino movimiento de la carga hace subir con gran fuerza al gas caliente provocando que las válvulas de seguridad se abran para liberar la presión. El deslizamiento distorsiona severamente la estructura en capas de la carga y por ende, el flujo de gas. La colgadura ocurre por una permeabilidad reducida de la carga debido a que el material obstruye los vacíos entre las partículas y los adhiere sin apretar. Existen muchas condiciones en las cuales esto puede ocurrir.

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Andamiaje

Las acreciones y costras pueden acumularse en las paredes del horno en la cuba, distorsionando el flujo de gas y reduciendo la sección trasversal del horno. Esto puede originar una capacidad reducida de producción y una pobre eficiencia de combustible. Los grandes andamios se pueden soltar de la pared y descender hasta el crisol provocando derrames y metal de calidad defectuosa, y si son lo suficientemente grandes podría causar el congelamiento del horno.

Canalización

Si no se distribuye la carga en forma adecuada, una alta concentración de finos puede aparecer en un área específica causando la inducción del flujo de gas alrededor de la carga. Esto afecta los procesos de calentamiento y reducción y el arrabio no tendrá la composición deseada.

Tendencias Futuras de la Producción de Hierro de Alto Horno

Se ha producido hierro en los altos hornos por más de 500 años. Durante ese tiempo, los altos hornos evolucionaron y se convirtieron en reactores de alto rendimiento. En la actualidad, el alto horno es todavía la unidad dominante de producción de arrabio, y hay varios centenares de unidades funcionando en todo el mundo. Los altos hornos tienen una larga historia y los modernos son reactores altamente eficaces y de bajo consumo de energía.

Sin embargo, los altos hornos requieren coque y las plantas de coque son caras y tienen muchos problemas ambientales relacionados con su operación. Por lo tanto, ahora hay otras técnicas disponibles que presentan un desafío a la ruta de los altos hornos para la producción de arrabio, tales como los procesos de reducción directa y de reducción por fusión.

La inyección de reductores que contienen carbono por las toberas ha dado un nuevo impulso a la práctica operativa de los altos hornos para reducir el consumo de coque de manera significativa. No sólo se puede inyectar carbón pulverizado, sino que también reductores gaseosos tales como el gas natural, los plásticos de desecho y la biomasa se usan como reductores que se inyectan por las toberas. Asimismo, se puede usar aire rico en oxígeno para aumentar el rendimiento y mantener una temperatura relativamente alta del dardo (raceway). Sin embargo, no se puede reemplazar por completo el coque en un alto horno debido a su función de soporte de la carga. El consumo mínimo de coque en un alto horno es de aproximadamente 200 kg/t de arrabio.

Los siguientes aspectos ejercen presión sobre la ruta de producción de los altos hornos para la producción de acero:

  • Aspectos ambientales de las plantas de sinterización;
  • Aspectos ambientales y económicos de la planta de coquización;
  • Rigidez relativa y escala de la producción de arrabio;
  • Creciente competencia de la ruta de producción de acero en un horno de arco eléctrico basado en chatarra o en hierro de reducción directa.

Tecnologías Alternativas de la Producción de Hierro

Se encuentran disponibles dos tipos principales de los procesos comerciales alternativos de producción de hierro:

  1. Reducción directa (RD): La reducción directa consiste en la producción de hierro sólido a partir de minerales de hierro y de un agente reductor (por ej. el gas natural). El producto sólido se denomina hierro de reducción directa (HRD) y se usa principalmente como material de carga en los hornos de arco eléctrico. El proceso de reducción directa ha sido comercializado desde la década de 1970 y se han desarrollado una variedad de procesos.
  2. Reducción por fusión (RF): Este proceso combina la reducción del mineral de hierro con la fusión en un reactor, sin usar coque. El producto es arrabio líquido, el cual puede tratarse y refinarse de la misma manera que el arrabio de un alto horno. En la actualidad, sólo una variante de RF ha demostrado ser comerciable (COREX), pero una cantidad de variantes se encuentran en un estado avanzado de desarrollo.

La producción mundial de hierro de reducción directa ha crecido constantemente, y en el 2006 la producción total alcanzó casi 60 millones de toneladas (Mt).

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Dentro de los varios procesos de HRD, MIDREX dominó el mercado con casi el 60 % de la producción total de HRD. La participación total del HRD en la producción mundial de acero crudo fue de alrededor del 4 %, mientras que el arrabio de los altos hornos representó el 61 % y la chatarra de acero el 36 % en el 2005.

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Producción Mundial por proceso HDR 2006

Tecnologías Alternativas: Procesos Hierro de Reducción Directa y MIDREX

Procesos de HRD

Varios métodos se han usado durante los últimos 50 años para producir hierro de reducción directa. En la práctica, funcionan tres procesos principales: MIDREX, HyL (I, II y III) y FIOR. Sólo recientemente se han desarrollado cinco técnicas nuevas: FASTMET, IRON CARBIDE, CIRCORED, INMETCO y FINMET. Aproximadamente el 92% del HRD se produce usando gas natural (reformado) como combustible. En una cantidad limitada de plantas, se usa carbón como combustible. Como material de carga, se usa pélets de mineral de hierro y mineral granular en los procesos que utilizan un horno de cuba (MIDREX, HyL), se usa finos y concentrados en los procesos que utilizan un lecho fluidizado (CIRCORED, FINMET, IRON CARBIDE) o un horno de crisol rotativo (FASTMET, INMETCO). El horno de cuba ha evolucionado y se convirtió en el reactor de reducción para los procesos basados en gas. Funcionan dos procesos principales: MIDREX y HyL III. La unidad de FIOR en Venezuela, pequeña en comparación, usa un lecho fluidizado para la reducción del mineral de hierro. HyL I y HyL II usan reactores por lotes para reducir el mineral de hierro.

Proceso MIDREX

Los procesos de reducción directa basados en gas son particularmente adecuados para las zonas donde el gas natural está disponible en abundancia y a un precio económico. El proceso MIDREX es un proceso de reducción directa en un horno de cuba en el cual los pélets de mineral de hierro, el mineral granular o una combinación se reducen en una cuba vertical (horno de reducción) a hierro metálico por medio de un gas reductor.

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El gas reductor se produce por una mezcla de gas natural (por lo general metano) y gas reciclado proveniente del horno de reducción. La mezcla fluye a través de tubos catalizadores donde se convierte químicamente a un gas que contiene hidrógeno y monóxido de carbono. La temperatura deseada del gas reductor es de alrededor de los 900 °C. El gas asciende por la columna del material en contracorriente y elimina el oxígeno de los transportadores de hierro. El producto, hierro de reducción directa, generalmente tiene un contenido total de hierro que oscila del 90% al 94% de Fe. Después de que el hierro de reducción directa sale por el fondo de la cuba, puede comprimirse en el estado caliente a hierro briqueteado en caliente (HBC) para un almacenaje y transporte seguros. El HRD y el HBC son fuentes de hierro virgen libre de elementos extraños y se usan cada vez más en los hornos de arco eléctrico para diluir los contaminantes presentes en la chatarra.

La primera planta de reducción directa MIDREX a nivel comercial comenzó a funcionar en 1969 en Oregon Steel Mills en Portland, Oregon, Estados Unidos de América. En la actualidad hay más de 60 Módulos MIDREX® en operación, en construcción o por contrato en 20 países. La escala de plantas MIDREX continúa creciendo y hoy MIDREX ha construido la planta de reducción directa de módulo único más grande del mundo en Hadeed, Arabia Saudita, con una capacidad nominal de 1,76 millones de toneladas por año.

Tecnologías Alternativas: Reducción de Fundición y COREX

Varios procesos de reducción por fusión se encuentran en desarrollo pero solo un proceso está funcionando comercialmente: COREX. Otras variantes del proceso difieren en la cantidad de reactores, la cantidad de gas calorífico producido, la alimentación de mineral (pélets, mineral granular o finos), ejemplo de las cuales son: HIsmelt, DIOS, AISI-DOE/CCF y ROMELT.

El proceso Corex es un proceso que consiste en dos etapas. En el primer paso, el mineral de hierro se reduce a hierro esponja en un horno de cuba por medio de un gas reductor. En el segundo paso, el hierro reducido se funde en el gasificador fundidor. El gas reductor (CO y H2) usado en la cuba de reducción es suministrado por la gasificación del carbón por medio del oxígeno, formando un lecho fijo o fluidizado en el gasificador fundidor. La combustión parcial del carbón en el gasificador fundidor genera el calor para fundir el hierro reducido. El hierro líquido y la escoria se descargan por el fondo, mediante un procedimiento convencional de colada similar al que se usa en la operación de los altos hornos.

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Debido a la separación de la reducción del hierro y la fusión del hierro/gasificación del carbón en dos pasos, se obtiene un alto grado de flexibilidad y se puede usar una gran variedad de carbones. El proceso está diseñado para funcionar a una presión elevada, hasta 5 bar. La carga del carbón y del mineral de hierro se realiza por medio de un sistema de tolvas de alimentación. El gas reductor contiene 65-70 % de CO, 20-25 % de H2 y 2-4 % de CO2. Después de salir del gasificador fundidor, el gas caliente se mezcla con gas de enfriamiento para nivelar la temperatura a aproximadamente 850 °C. Luego el gas se limpia en ciclones calientes y se alimenta al horno de cuba como gas reductor. Cuando el gas sale del horno de cuba, todavía tiene un valor calorífico relativamente alto y puede usarse como gas de exportación cuando exista la oportunidad.

El proceso COREX se desarrolló a fines de 1970 en Alpine Industrieanlagenbau (VAI, ahora Siemens-VAI)), y su viabilidad fue confirmada durante la década de 1980. Después de la primera aplicación industrial de una planta Corex C-1000 (producción nominal de 1.000 THM/día) en Iscor Pretoria, Sudáfrica, se pusieron en operación cuatro plantas C-2000 (producción nominal de 2.000 THM/día) en Posco/Corea, Mittal Steel/Sudáfrica y JSW Limited/India. A principios de noviembre del año 2007, se puso en marcha la primera planta COREX C-3000 en Baosteel, China. Tiene una capacidad de producción nominal de 1,5 millones THM/año .

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Vista esquemática del reactor Corex

Recientemente VAI y Posco desarrollaron en forma conjunta una variante del proceso COREX, FINEX, para la producción de arrabio basada en el uso directo de finos de mineral de hierro y carbón no coquizado. El mineral de hierro se carga en una serie de reactores de lecho fluidizado junto con los fundentes. Los finos de mineral de hierro pasan en dirección descendente a través de cuatro reactores donde son calentados y reducidos a hierro de reducción directa por medio de un gas reductor, que deriva de la gasificación del carbón y que fluye en contracorriente al mineral. La primera planta comercial FINEX con una capacidad de 1,5-millones-tonelada/año comenzó a funcionar en Pohang Works a principios del año 2007.

Simulación de Alto Horno

En esta simulación usted desempeñará el rol de un metalúrgico de planta a cargo de operaciones de alto horno. Su meta es optimizar la producción de arrabio desde su Alto Horno mediante la selección de materias primas adecuadas, estadísticas de producción y relaciones de carga. Sus resultados se muestran en términos del balance entre masa y temperatura logrados con ese entorno.

Empezar la simulación >> aquí.

Con esto finaliza la presente sección. Si fuera necesario, por favor asegúrese de haber alcanzado los objetivos de aprendizaje previstos para esta sección:

  • Identifique en qué lugar encaja el alto horno en el proceso total de producción del acero
  • Describa el plano del alto horno y su equipo auxiliar
  • Explique el proceso de alto horno
  • Identifique las materias primas y su preparación
  • Describa el procedimiento de carga y la estructura estratificada del horno
  • Enumere las diferentes zonas y sus estados físicos y químicos
  • Escriba la reacción química principal en diferentes zonas
  • Explique la termodinámica y la kinética de reacción en la reducción de mineral de hierro.
  • Explique las funciones de tobera y dardo (raceway) y la importancia de la combustión de coque.
  • Describa el principio energía y balance de masa del proceso.
  • Explique el rol de la inyección de carbón pulverizado (ICP) y la inyección de otros combustibles.
  • Detalle la influencia de los parámetros de proceso tales como fundentes de escoria, inyectantes de alto horno, temperatura, relación de coque.
  • Identifique los parámetros críticos de control del proceso
  • Describa los productos y subproductos y su control de calidad
  • Enumere otros procesos alternativos de producción de hierro

Producción de acero en convertidores LD: Introducción

En el Convertidor LD (BOF) la concentración de carbono en el metal caliente es reducida al nivel requerido mediante la inyección de oxígeno a alta presión. También se agrega algo de chatarra de acero reciclada. Otras adiciones también son necesarias. Su rol es controlar la operación del horno, especialmente el soplado de oxígeno y realizar adiciones apropiadas, antes de colar el acero en una cuchara lista para los procesos de metalurgia secundaria.
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LD (BOS)

El procesamiento en el convertidor LD (BOS) tiene por objeto afinar el metal caliente – arrabio producido en el alto horno – en acero líquido bruto, que luego podrá ser nuevamente afinado por metalurgia secundaria.

Las principales funciones del Convertidor LD (BOF) son la decarburación y la eliminación del fósforo del arrabio y la optimización de la temperatura del acero, para que cualquier otro tratamiento, previo a la colada, pueda realizarse con el mínimo recalentamiento o enfriamiento del acero.

Las reacciones exotérmicas de oxidación que ocurren durante el proceso en el convertidor LD (BOS) generan gran cantidad de energía térmica – más de la necesaria para lograr la temperatura final del acero. Este calor adicional se utiliza para fundir chatarra y/o adiciones de mineral de hierro.

Las composiciones y temperaturas típicas de la carga de arrabio y del acero colado son las siguientes:

%C %Mn %Si %P %S %O Temperatura / °C
Arrabio 4.7 0.2-0.3 0.2-1.5 0.06-0.12 0.02 0.0 1350-1400
Acero 0.05 0.1 0.0 0.01-0.02 0.01-0.02 0.06 1620-1720

Resultados del Aprendizaje en esta Sección

Luego de finalizada esta sección, usted podrá:

  • Describir el proceso LD (BOS)
  • Enumerar y explicar las principales reacciones químicas que tienen lugar durante el proceso LD (BOS), especialmente en lo que respecta a la decarburación, la formación y el control de escoria, y la defosforación
  • Tomar control de una planta de metalurgia en el convertidor LD (BOS) virtual y convertir, a un costo mínimo, el arrabio del alto horno o de la planta de desulfuración en acero listo para la metalurgia secundaria
  • Decidir durante la simulación: que adiciones realizar y en que momento; cuando soplar O2 y cuando parar; que parámetros de proceso medir y monitorear; como responder a los eventos que pueden ocurrir; cuando colar
  • Describir el horno LD (BOS) y algunos de los equipos auxiliares
  • Explicar los diversos parámetros de control de proceso, sensores y modelos

Operaciones críticas de Acería Básica con Oxígeno

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Historia de la producción de acero

En la antigüedad, el acero se producía martillando en aire el hierro sólido caliente. Los procesos modernos de acería comenzaron alrededor del año 1850 con Bessemer, quien procesó el acero soplando aire por el fondo, a través de un baño de arrabio líquido contenido en un convertidor revestido con materiales refractarios de silicio.

En 1879, Thomas introdujo el uso del revestimiento básico (dolomítico) y de un fundente básico, posibilitando así el uso del método neumático para el afino de arrabios fundidos a partir de minerales de alto contenido de fósforo comunes en muchos lugares de Europa.

El siguiente gran avance fue el reemplazo del aire por oxígeno puro. Este desarrollo tuvo lugar en 1952-53 en Linz y Donawitz (Austria) e implicó el soplado de oxígeno por arriba a través de una lanza vertical, dado que los materiales refractarios del fondo no podían soportar el uso de oxígeno puro. A este proceso se lo conoce como LD, o BOP, y representa la mayor parte de la capacidad instalada actualmente.

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En la década de los setenta fue desarrollado con gran éxito un proceso en el que el oxígeno es soplado por el fondo del convertidor, usando toberas protegidas por un hidrocarburo gaseoso (gas natural o propano) o por fuel-oil. La descomposición de este hidrocarburo enfría el material refractario en la zona de las toberas. A estos procesos se los conoce como OBMQ-BOP y LWS. Una de sus ventajas es la muy eficaz agitación escoria- metal durante el soplado del oxígeno.

El soplado mixto desarrollado hacia fines de la década de los setenta constituye el avance más reciente. Un soplado limitado de un gas neutro (argón o nitrógeno) o de oxígeno a través del fondo en convertidores de soplado por arriba, brinda una agitación efectiva. A estos procesos se los conoce comoLBELETK-BOPK-OBM etc. En la actualidad la mayoría de los convertidores de soplado por arriba traen este equipamiento.

La defosforación del arrabio fue desarrollada en Japón a comienzos de los ochenta. En este tratamiento previo, se retira la mayor parte del P mediante el uso de fundentes oxidantes (mezclas de cal y mineral de hierro) en la cuchara de arrabio antes de cargarlo en el convertidor. Hasta el momento, este tratamiento no ha sido usado excepto en Japón.

Saturación de carbono en el metal caliente

En general, no se analiza el C en el arrabio proveniente del Alto Horno. En cambio, se supone el valor Csaturación para el metal caliente:

%Csaturación = 1.3 + 0.00257 × THM (°C) – 0.27 %Si – 0.33 %P + 0.027 %Mn – 0.36 %S

Sistemas comunes de escoria

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Efecto de la temperatura sobre la extensión del dominio de escorias líquidas en el sistema CaO-SiO2-FeO-2%P2O5-1.5%Al2O3-3%MnO-5%MgO a 1600, 1650 y 1700 °C.

Las escorias comúnmente usadas en el convertidor LD se encuentran, por lo general, cerca del sistema de óxidos ternarios CaO-SiO2-FeO. Dado que las escorias reales constituidas por más de 3 componentes no son estrictamente ternarias, algunas propiedades pueden estimarse, en buena medida, utilizando diagramas multifase de propiedades. A continuación, presentamos un ejemplo de dicho diagrama donde se muestran los cambios en la región líquida con la composición de la escoria respecto de tres óxidos; CaO, SiO2 y FeO.

Diagrama de fase de las escorias de afino

Efecto de componentes secundarios en los límites de solubilidad de los silicatos 2CaO-SiO2 y 3CaO-SiO2:

  • 1% MnO es equivalente a 1% FeO
  • 1% Al2O3 es equivalente a 1.5% FeO (para C3S) y 2.2% FeO (para C2S)
  • 1% CaF2 (o Na2O) es equivalente a 1.5% FeO (para C3S) y 2.2% FeO (para C2S)

Saturación de MgO (escorias al final del soplado):

%MgO(sat) = 8.5 + 0.006(T-1650) + 0.25(%Fe) – 2(%CaO / (%SiO2 + %P2O5))

donde T es la temperatura en °C.

Relación de partición del fósforo

Un aumento de la temperatura de 50 °C lleva a una reducción de LP en una relación de 1.6 (CaO/SiO2=3) a 1.4 (CaO/SiO2=10)

LP = (%P)escoria / [%P]acero (en equilibrio)

CaO-SiO2-FeO-2%P2O5-1.5%Al2O3-3%MnO-5%MgO a 1650 °C
partition_ratio_ternary_P

Relación de partición del azufre

En el dominio de las escorias líquidas, LS es prácticamente independiente de la temperatura.

LS = (%S)escoria / [%S]acero (en equilibrio)

CaO-SiO2-FeO-2%P2O5-1.5%Al2O3-3%MnO-5%MgO a 1650 °C
partition_ratio_ternary_S

Relación de partición del manganeso

Un aumento de temperatura de 50 °C lleva a una reducción de LMn en una relación ~ 1.25.

LMn = (%Mn)escoria / [%Mn]acero (en equilibrio)

 

CaO-SiO2-FeO-2%P2O5-1.5%Al2O3-3%MnO-5%MgO a 1650 °C

partition_ratio_ternary_Mn

Descripción del recipiente

El recipiente (reactor o convertidor) está compuesto por una carcasa de acero, revestida internamente con ladrillos refractarios (magnesita o dolomita), sostenida por un robusto anillo de acero equipado con muñones, cuyo eje es accionado por un sistema basculante o de volcado. El volumen interno del recipiente es entre 7 a 12 veces mayor que el volumen del acero a procesar, para que la mayor parte de las proyecciones de metal generadas por la inyección de oxígeno queden confinadas, conjuntamente con la escoria expandida durante los períodos de espumado.

Esta geometría típica de un convertidor muestra la nariz (N), la lanza de oxígeno (L), el anillo de muñones (B), el muñón (T), el mecanismo basculante (M), y la piquera (H).

La capacidad típica es de 200 a 300 toneladas métricas de acero líquido y el ciclo entre colada y colada es de aproximadamente 30 minutos, con un período de soplado de oxígeno de 15 minutos.

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Vista esquématica de un convertidor LD. Imagen: Cortesía de Association of Finnish Steel and Metal Producers.

Aportes, adiciones y material saliente

Las materias primas que se cargan en el convertidor son:

  • “Metal caliente” líquido, arrabio proveniente del alto horno después de haberlo sometido a tratamientos específicos previos, tales como la desulfuración o la defosforación
  • Otras adiciones que contienen hierro, en especial chatarra y mineral, calculadas para ajustar el balance térmico y obtener la temperatura de acero requerida
  • Las adiciones necesarias para formar una escoria de composición apropiada, que incluyen, principalmente, cal (CaO) y cal dolomítica (CaO-MgO), generalmente en la forma de trozos de 20 a 40 mm
  • Oxígeno puro inyectado ya sea a través de una lanza con múltiples orificios o a través de toberas en el fondo del convertidor

Una vez completada la operación de soplado, los materiales producidos son:

  • Acero líquido
  • Gas de escape rico en CO (entre 80 y 90%), recuperado a través de la campana extractora cerrada o de combustión suprimida y es frecuentemente usado en los quemadores de los hornos de recalentamiento
  • Escoria, vaciada del recipiente después del acero

Tanto el gas como la escoria constituyen valiosos sub-productos, siempre y cuando sean adecuadamente recuperados y almacenados.

Secuencia de las operaciones

Diagrama esquemático de la secuencia de operaciones de carga y soplado de gas durante el proceso de afino en un convertidor LBE

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Secuencia de operaciones en convertidores LD (BOS)

Reacciones químicas

La carga de metal caliente se afina mediante reacciones rápidas de oxidación al contacto con el oxígeno inyectado, en condiciones alejadas del equilibrio termodinámico con los otros elementos presentes:

C + ½ O2 → CO

El CO es parcialmente oxidado a COpor encima del metal fundido (post-combustión). Estos productos de reacción gaseosa son evacuados a través de la campana extractora. La relación CO2/(CO+CO2) es denominada relación de combustión secundaria (PCR).

Otras reacciones de oxidación que se producen durante el proceso de afino incluyen:

Si + O2 → SiO2

2P + (5/2)O2 → P2O5

Mn + ½O2 → MnO

Fe + ½O2 → FeO

2Fe + (3/2)O2 → Fe2O3

Estos óxidos se combinan con los otros óxidos cargados (cal, cal dolomítica) para formar una escoria líquida que flota sobre la superficie del baño de metal

Reacciones al impacto del chorro de oxígeno en convertidores de soplado por arriba

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Reacciones al impacto del chorro de oxígeno
en convertidores soplados por arriba

El diagrama muestra la competencia entre la decarburación y la oxidación del hierro ante el impacto del chorro en un convertidor soplado por arriba. Al momento del impacto, los elementos son oxidados en proporción a su contenido en el metal (Fe, C, Si, etc.). Estos productos de oxidación primaria son luego descartados, principalmente a través del metal (chorro penetrante, lanza baja) o a la escoria (soplado suave, lanza alta). Todo FeO contenido en las gotas que atraviesan el metal es reducido por el C, sólo parcialmente cuando el contenido de Si es alto (al comienzo del soplado) o cuando el contenido de carbono es bajo (al final del soplado). El FeO en gotas eyectado directamente a la escoria aumenta su contenido de FeO. Esta escoria espumante puede reaccionar violentamente ante la presencia de gotas de metal causando un “derrame”.

Reacciones producidas por el impacto del chorro de oxígeno en convertidores soplados por el fondo

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Reacciones producidas por el impacto del chorro
de oxígeno en convertidores soplados por el fondo

El diagrama muestra la competencia entre la decarburación y la oxidación del hierro ante el impacto del chorro en un convertidor soplado por el fondo. Al momento del impacto, los elementos son oxidados en proporción a su contenido en el metal (Fe, C, Si, etc.). Estos productos de oxidación primaria transitan por el metal y son eficazmente reducidos por el C. Sólo al final del soplado el FeO puede llegar a la escoria y acumularse en ella. Es recién en esta etapa cuando se forma una capa de escoria defosforante. Sin embargo, la eliminación del fósforo es muy efectiva debido a la fuerte mezcla metal – escoria.

Balance de masa y balance térmico

El balance de masa y el balance térmico son las herramientas básicas para:

  • el cálculo de carga
  • la simulación del proceso de afino (la evolución de la composición del acero y de la temperatura durante el soplado de oxígeno)
  • el ajuste de la composición de ciertos elementos (escoria,…)
  • el ajuste de la temperatura del acero
  • el diagnóstico para evaluar pérdidas de materiales y de calor

Existen dos tipos extremadamente distintos de prácticas siderúrgicas corrientes. Según las circunstancias económicas (costos relativos del metal caliente y de la chatarra comercial), los agentes de enfriamiento preferidos son el mineral de hierro o la chatarra. Sin embargo, en la mayoría de los casos, una cierta cantidad de chatarra generada internamente debe ser reciclada aún cuando una carga con un máximo de mineral resulta más económica, y se agrega una pequeña cantidad de mineral, incluso cuando la carga de chatarra es máxima, para lograr un ajuste fino de la temperatura.

Los principios para determinar el balance de masa y el balance térmico puede verlo en PDF aquí. Balances de masa y energia

Control del resultado

El cálculo estático de la carga proporciona una estimación de los requerimientos de oxígeno y de agentes de enfriamiento. Los ajustes finales se realizan de 2 a 3 minutos antes del final de soplado previsto. Estas adiciones son calculadas a partir de una medición realizada, por ejemplo, mediante una sub-lanza o una termocupla de inmersión o a partir de una estimación (análisis del gas) del %C y de la temperatura del acero en ese momento.

Estos balances térmicos y de masa constituyen el modelo de la sublanza

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Diseño de la boquilla de los convertidores soplados por arriba

a lanza enfriada por agua es utilizada para inyectar una corriente de oxígeno a gran velocidad en el baño líquido. Los chorros supersónicos son producidos con boquillas convergentes / divergentes y brindan características de penetración bien definidas y controladas, a fin de producir eficientemente las reacciones metalúrgicas deseadas y de maximizar la vida útil de la lanza (típicamente de 200 a 400 coladas). Por lo general, las puntas de lanza presentan de 3 a 5 orificios.
Esquema de una típica punta de lanza de convertidor LD (BOF) de 5 orificios
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Lateral Punta de lanza

Diseño de la tobera de los convertidores soplados por el fondo

El oxígeno es inyectado a través del fondo del recipiente utilizando una serie de 14 a 22 toberas. Éstas están formadas por dos tubos concéntricos, donde el oxígeno fluye a través del conducto central y un hidrocarburo fluido, usado como refrigerante, fluye a través del espacio anular entre ambos tubos. Generalmente, el oxígeno es soplado a una tasa de aproximadamente 4 a 4.5 m³ por minuto por tonelada de acero. Mezclada con el oxígeno, la cal pulverizada es inyectada usualmente a través del baño líquido para mejorar la disolución de la cal y, por lo tanto, la formación de escoria durante el soplado.

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Esquema de una tobera OBM (Q-BOP)

Un hidrocarburo fluido (gas natural, propano, fuel-oil) es mezclado con el oxígeno puro en la punta de la tobera para lograr un efecto de enfriamiento y de ese modo proteger la tobera. El hidrocarburo frío no se quema cuando entra en contacto con el chorro de oxígeno, sólo se descompone a través de reacciones muy endotérmicas. Más tarde, el C y el H liberados se oxidarán, pero bien lejos de la zona sensible.

Parámetros de control de proceso, sistemas y modelos

Principales Parámetros de Control

  • Manejo del soplado de oxígeno (formación de escoria para una buena defosforación, evitar derrames, salpicaduras, pérdidas de hierro, etc.)
  • Determinación precisa del punto final (C,T)
  • Buen manejo de los procesos de carga y de colada y del equipo.

Sensores Principales

  • Mediciones químicas y de temperatura mediante el uso de sublanza y/o termocuplas de inmersión
  • Velocidad de flujo, composición y temperatura de los gases de escape.
  • El análisis de los gases de escape puede ser usado para estimar:
    • El contenido de carbono a partir de la velocidad instantánea de decarburación hacia el final del soplado (el balance acumulativo de masa desde el principio no es lo suficientemente preciso, debido a que no se conoce con exactitud el aporte de carbono)
    • La cantidad de FeO formado en cualquier momento durante el soplado por balance de masa acumulado, calculando la cantidad de oxígeno fijado en la escoria
  • Dispositivo sónico o vibración de la lanza para detectar el espumado de la escoria
  • Medición de la altura de la lanza
  • Detección de la altura del metal y/o del nivel de escoria
  • Pesado preciso de los materiales de aporte y de salida
  • Control y regulación de fluidos y sólidos (O2, N2, mineral, cal,…)
  • Sensor electromagnético de detección de escoria en la piquera
  • Velocidad de flujo y temperatura del agua de enfriamiento de la campana, presión en la campana
  • Inspección del desgaste de refractarios con rayo láser

Principales modelos de uso corriente

  • Modelo estático de carga basado en un completo balance térmico y de masa.
  • Modelos estadísticos y de redes neuronales usados adicionalmente para llevar un mejor registro del estado del convertidor y de sus diversos sensores
  • Modelos dinámicos de control que utilizan mediciones de soplado para una puesta a punto más fina:
    • Basados en el monitoreo de gas de escape
    • Basados en el muestreo de una sublanza (modelo con sublanza)
  • Modelo de “colada rápida” para calcular la composición final del metal (P, Mn) y comenzar la colada sin análisis de muestras que lo confirmen

Agitación por el fondo con nitrógeno y argón

Principales ventajas de los convertidores de soplado mixto:

  • Reducción del contenido de FeO en la escoria con mejoras en el desgaste del refractario y el rendimiento del hierro
  • Reducción del oxígeno disuelto en el metal debido a una mayor decarburación al final del soplado y durante la agitación post-soplado. Esto induce a ahorros de aluminio en la cuchara
  • Incremento del contenido de Mn en el metal al momento del volcado
  • Mayor eliminación de P y S

Reacciones escoria/metal

Las reacciones escoria/metal implican:

Eliminación de Si

Esta reacción es muy rápida y la cantidad total de silicio es transferida a la escoria en el primer tercio del soplado.

Eliminación de P y S

Estas reacciones requieren un control muy preciso de la formación de escoria y de su composición final, a fin de poder garantizar los bajos contenidos buscados para el acero líquido.

De las dos, la defosforación es la más importante y se analiza aquí. Para poder lograrla, en forma eficiente en función de los costos, el acerista debe considerar tanto los aspectos cinéticos como los termodinámicos.

Formación y composición de la escoria

La escoria contiene óxidos que surgen de algunas reacciones de oxidación (SiO2, P2O5, FeO y MnO), de fundentes agregados (CaO, MgO) y del desgaste de refractarios (MgO). Su evolución durante el soplado de oxígeno es la siguiente:

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Evolución de la composición de la escoria durante el soplado:

1-2: Escoria ácida formada a partir del Si y el Fe (Mn) oxidados. La cal es disuelta sólo parcialmente. La temperatura es baja para que se oxide parte del fósforo.

2-3: La cal se disuelve progresivamente enriqueciendo en CaO a la escoria líquida y reduciendo su contenido de FeO a causa de la dilución y de la reducción del FeO durante la decarburación total (en especial, si la lanza está demasiado baja). La escoria es heterogénea y no reactiva respecto del fósforo.

3-4: Escoria reactiva, apropiada para la defosforación final.

Cambios en la composición metálica

Cambios en la composición del metal fundido durante el soplado

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Cambios en la composición de la escoria durante el soplado

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Defosforación en el BOP I

La defosforación en el convertidor LD está regida por la siguiente ecuación:

%Pacero= %PE/ [1 + LP.Qescoria/ (1+ΔPeq/ %Peq)]

donde:

%PE = 100 × (Ptot, in / Macero)

Qescoria= Mescoria / Macero : consumo específico de escoria

LP = %Pescoria / %Peq : relación de partición en equilibrio

ΔPeq = %Pacero – %Peq : desequilibrio escoria/metal

Para poder mejorar las condiciones de defosforación, los diferentes parámetros pueden ser variados de la siguiente manera:

I – Acciones sobre LP

  • LP, en la práctica, es óptimo entre 3 < relación- v < 5
  • Si se pretende relación-v > 6, es necesario aumentar el contenido de hierro en la escoria (es importante destacar que esto probablemente causará un mayor desgaste del refractario) para obtener escorias líquidas y evitar una degradación de la cinética (ΔPeq)
  • LP no aumenta drásticamente cuando se agregan fundentes (CaF2, Al2O3).

Conclusión: el aporte de CaO (cal + cal dolomítica) debe ser tal que 3 < relación-v < 5 para todos los contenidos de Si en el metal caliente.

II – Acciones sobre Qescoria

Principales conclusiones sobre los modos de aumentar en forma eficiente el peso de la escoria (de ser necesario):

  • No sobrecargar sólo con cal (relación-v < 6 !)
  • La adición de cal + fundentes puede ser correcta, pero no tiene gran efecto sobre LP
  • La mejor acción, si el %Simetal caliente es muy bajo, es agregar cal y sílice

III – Acciones sobre el %Pmetal caliente

Esto justificaría el tratamiento previo del metal caliente. Cualquier acción podría tener efectos adversos sobre el reciclado de escoria de convertidor en la planta de sinterización.

IV – Acción sobre la cinética (reducción del ΔPeq)

Esto es la experiencia o “know how” del acerista. De acuerdo con el diagrama de formación de escoria, hay sólo un corto lapso con una escoria bien formada capaz de producir defosforación:

Evolución de la composición de la escoria durante el soplado:

 

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1-2: Escoria ácida

2-3: Escoria heterogénea, no reactiva

3-4: Escoria reactiva, apropiada para la defosforación final

Existen distintas formas para alcanzar los resultados deseados, por ejemplo:

  • Adaptar el patrón de soplado para lograr una óptima evolución del afino
  • De ser necesario, usar fundentes, pero se debe tener cuidado con el desgaste de refractarios, la durabilidad y los efectos sobre la productividad

Experimente sobre cómo el patrón de soplado afectará el %Pacero, seleccionando primero el %Peq, y luego utilice la barra de desplazamiento para ver el efecto de cambiar la velocidad de flujo.

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En la práctica, para una agitación post-soplado de 2 minutos, ΔP / P ~ 1/3

Defosforación en el BOP II

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Materiales refractarios

El revestimiento refractario debe ser resistente a altas temperaturas, a la escoria básica oxidada y al metal líquido.

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Técnicas de protección de materiales refractarios

I. Evitar las escorias más agresivas

  • Evitar contenidos muy altos de FeO a altas temperaturas (los resoplos son particularmente nocivos para el refractario)
  • Usar cal dolomítica como material de aporte para saturar la escoria de MgO

II. Capa protectora de escoria

Mantener una escoria que contenga alrededor de un 20% de sólidos durante el final del soplado (limitando el contenido de FeO para precipitar los silicatos de CaO) y esparcirla sobre el revestimiento refractario, balanceando el convertidor hacia adelante y hacia atrás varias veces antes del desescoriado.

Agregar a la escoria gran cantidad de MgO justo antes del desescoriado y proyectarlo sobre el refractario soplando nitrógeno a través de la lanza de oxígeno. Con esta técnica denominada “salpicadura de escoria”, se pudo mantener el mismo revestimiento por más de 20,000 coladas.

III. Reparaciones locales

Realizar oportunamente reparaciones localizadas proyectando materiales refractarios en las zonas más dañadas.

Colada

Para prevenir el arrastre de escoria hacia la cuchara, se deben mantener en buen estado las piqueras y libres de escoria los dispositivos de colada (tapones tales como bolas y dardos, sensores electromagnéticos de detección de escoria instalados alrededor de la piquera).

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Gas de escape y tratamiento de gases

Por lejos, la mayor masa de humos se genera durante el soplado principal, consistente en:

  • Gases calientes. Alrededor de 80 Nm³ por tonelada métrica de acero compuestos de 80-95% CO y el resto CO2. Se produce también polvo de óxido, alrededor de 12 kg de óxido de hierro por tonelada métrica de acero y también contienen óxidos de metales pesados, por ejemplo, Zn, Pb, y otros, dependiendo de la mezcla de chatarra
  • Cal y partículas de escoria, alrededor de 4 kg por tonelada métrica de acero

Los sistemas de recolección de estos humos son de dos tipos:

  • Campanas abiertas que aspiran suficiente aire para quemar por completo el CO antes de que llegue al sistema de filtrado
  • Campanas cerradas o de combustión suprimida que eliminan o reducen la entrada de aire a niveles muy bajos (< 15%). Después del filtrado, los gases de escape pueden ser recuperados y usados en hornos de recalentamiento. Las acerías de más reciente construcción están empleando sistemas de campana cerrada.

El dispositivo de filtrado más corriente es el depurador Venturi. Este depurador induce el gas/humo a través de un fuerte rociado de agua que lava y separa el humo del gas. Luego de una serie de procedimientos de separación, se procede al secado de la torta de óxidos para su reciclado.

Tratamiento de escoria

En los convertidores LD (BOF), la escoria es generada a una tasa de 60 a 100 kg por tonelada métrica de acero. Una vez realizada la colada del acero, la escoria se vierte en una cuchara de escoria mediante el volcado del convertidor y se descarga en el patio de escoria, desde donde puede ser recuperada.

Actualmente, casi la mitad de esta cantidad se recicla internamente, ya sea en la planta de sinterizado o bien, se la utiliza directamente en el alto horno. Los valiosos elementos así recuperados son Fe y CaO. Este tipo de reciclado de escoria dentro de la misma planta ha ido disminuyendo debido a las demandas de acero de mayor calidad, por ejemplo con menor contenido de fósforo.

Se están explorando otros usos, tales como relleno de tierras, agregados y para fines agrícolas.

Simulación del BOS

En esta simulación usted asumirá el papel del ingeniero de planta a cargo de los procesos en el convertidor LD. Usted deberá decidir sobre la chatarra a utilizar y los materiales de adición, y sobre la cantidad de metal caliente a cargar en el convertidor LD a fin de lograr la composición finaldel grado de acero elegido y realizar la colada dentro de los límites de tiempo y temperatura requeridos.

También deberá tener como objetivo minimizar el costo de toda la operación.

Ver video del simulador

Con esto finaliza la presente sección. Si fuera necesario, por favor asegúrese de haber alcanzado los objetivos de aprendizaje previstos para esta sección:

  • Describir el proceso LD (BOS)
  • Enumerar y explicar las principales reacciones químicas que tienen lugar durante el proceso LD (BOS), especialmente en lo que respecta a la decarburación, la formación y el control de escoria, y la defosforación
  • Tomar control de una planta de metalurgia en el convertidor LD (BOS) virtual y convertir, a un costo mínimo, el arrabio del alto horno o de la planta de desulfuración en acero listo para la metalurgia secundaria
  • Decidir durante la simulación: que adiciones realizar y en que momento; cuando soplar O2 y cuando parar; que parámetros de proceso medir y monitorear; como responder a los eventos que pueden ocurrir; cuando colar
  • Describir el horno LD (BOS) y algunos de los equipos auxiliares
  • Explicar los diversos parámetros de control de proceso, sensores y modelos

Horno de arco eléctrico. Introducción

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En el horno de arco eléctrico (EAF), la chatarra de acero reciclada es fundida y convertida en acero de alta calidad a través de arcos eléctricos de alta potencia. La principal tarea de la mayoría de los hornos de arco eléctrico modernos es convertir las materias primas sólidas en acero crudo líquido lo más rápido posible y luego afinarlas aún más en los sucesivos procesos de la metalurgia secundaria. De todos modos, si se dispone de tiempo, prácticamente cualquier operación metalúrgica podría llevarse a cabo durante el proceso del baño plano (luego de la fusión), que normalmente es realizado como un tratamiento previo a las operaciones de la metalurgia secundaria.Este módulo presenta el equipamiento, materias primas y procesos utilizados para producir acero en el EAF y concluye con la simulación, que le permite poner esto en práctica y fundir su propia colada.

Resultados del Aprendizaje en esta Sección

En el horno de arco eléctrico (EAF), la chatarra de acero reciclada es fundida por el calor generado a través de potentes arcos eléctricos para producir acero de alta calidad. Su rol es decidir el tipo de chatarra a agregar, cargarla en el horno, fundirla y refinarla, haciendo adiciones apropiadas, antes de colarla en una cuchara lista para los procesos de metalurgia secundaria.

Luego de finalizada esta sección, usted podrá:

  • Enumerar y explicar las funciones de los componentes clave del horno de arco eléctrico
  • Describir una planificación energética típica para una operación con 2 canastas
  • Identificar un rango de diferentes tipos de chatarra de acero
  • Explicar las consideraciones clave detrás del proceso de carga de las canastas de chatarra
  • Explicar las ventajas del espumado de escoria y cómo se logra
  • Describir las reacciones químicas importantes que se llevan a cabo durante la etapa de afino del proceso
  • Explicar las estrategias para maximizar el rendimiento de la aleación
  • Ejecutar exitosamente una simulación del horno de arco eléctrico (EAF) seleccionando, fundiendo y refinando materiales de chatarra para obtener una composición y temperatura deseada

Desarrollos en Tecnología EAF

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La ruta de la acería integrada – que produce acero en base al arrabio líquido originado a partir del mineral de hierro – todavía domina la producción mundial del acero, sin embargo la ruta del EAF toma año tras año una participación cada vez más grande. En el año 2004, un tercio de la producción anual mundial del acero era fabricado a través de la ruta del EAF y en los Estados Unidos de América, actualmente se produce más acero a partir de la chatarra reciclada que del mineral de hierro.

El reciclado de la chatarra insume menos materias primas vírgenes y energía, lo que por supuesto es beneficioso tanto desde el punto de vista económico como del ambiental.

Utilizando materiales reciclados, la ruta de proceso del EAF es adecuada para la producción tanto de aceros de baja aleación como de alta aleación, dando como resultado una amplia gama de productos finales, desde motores y grandes herramientas de acero hasta utensilios de acero inoxidable e instrumental médico. La capacidad de producción de un horno EAF varía en las diferentes plantas dependiendo básicamente de la capacidad de carga (normalmente entre 50 y 150 toneladas métricas) y de la energía entrante. El tiempo entre colada y colada, varía entre 45 minutos y 2 horas, y normalmente está diseñado de tal forma que coincida con la velocidad de colada de la planta.

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Equipamiento básico y operación

La instalación básica de un horno de arco eléctrico consiste de una carcasa con un techo encima del mismo. La carcasa está revestida con ladrillos cerámicos (normalmente con ladrillos refractarios de magnesita) que actúan como aislante entre el horno y el acero líquido. En la parte superior de las paredes del crisol y las paredes interiores del techo, elementos de enfriamiento por agua son utilizados en lugar de aislantes cerámicos. Estos paneles enfriados por agua se ubican de tal manera que no exista un contacto directo con el acero líquido.

Previo al comienzo de las operaciones de fusión y calentamiento, el horno es cargado con chatarra de acero reciclado, utilizando una canasta de chatarra que ha sido cuidadosamente cargada en el patio de chatarra. Luego de la carga de la chatarra, se cierra el techo y tres electrodos de grafito descienden hasta la chatarra. La energía eléctrica se enciende y al contacto se transforma en calor cuando se produce el arco eléctrico entre los electrodos y el material de carga sólido. A medida que la chatarra se funde, comienza a formarse un baño de acero líquido en el fondo del horno.

Los electrodos son bajados a medida que la chatarra se funde y se hunde dentro de la misma chatarra. El movimiento vertical de los electrodos se obtiene mediante el ajuste de la posición de los brazos de los electrodos, que son controlados por la realimentación del sistema eléctrico, supervisando constantemente el rendimiento eléctrico y apuntando a un ingreso óptimo de energía en un punto específico predefinido.

A medida que la chatarra se funde, se dispone de mayor volumen dentro del horno y en un determinado momento la energía eléctrica se corta, se abre el techo del horno y otra canasta de chatarra es cargada en el horno. Se enciende otra vez la energía eléctrica y comienza la fusión de la segunda canasta.

Cuando todas las canastas de chatarra (normalmente 2 o 3) han sido fundidas, el calentamiento continúa por cierto tiempo a fin de sobrecalentar el acero hasta la temperatura final de la colada. Durante este período – normalmente denominado período de afino – pueden realizarse algunas operaciones metalúrgicas tales como la desulfuración, la defosforación y la decarburación.

Cuando el acero ha logrado la composición y la temperatura adecuadas, se corta el suministro de energía eléctrica del horno y se procede al colado del mismo.

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Disposición del horno

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Equipamiento eléctrico

El sistema de energía eléctrica consiste de una sección primaria y una sección secundaria. La sección primaria es la parte de alto voltaje que alimenta al horno desde la subestación eléctrica.

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La sección primaria, con un voltaje de 25-50 kV, ingresa a un transformador del horno donde el voltaje es reducido a un nivel adecuado para las condiciones de operación del horno (sección secundaria), normalmente entre los 400-1000 V. En el caso de corriente alterna, se utilizan tres fases y se requieren tres electrodos. Cada una de estas fases se conecta a uno de los tres electrodos de grafito.

Los electrodos de grafito tienen un rol muy importante ya que transportan la energía eléctrica dentro del horno. El grafito es utilizado ya que soporta altas temperaturas y es un buen conductor eléctrico. Cuando el electrodo se encuentra cerca de la chatarra se genera un arco y se forma un circuito eléctrico. Estos arcos brindan la energía térmica necesaria para fundir la chatarra – cuanto mayor sea el voltaje, más largo el arco. El fin es mantener una toma pareja de la energía provista. Así, los electrodos deben elevarse o bajarse dependiendo de la lectura del voltaje.

La operación de un EAF requiere de un cuidadoso monitoreo de los parámetros eléctricos del horno en todo momento. Mediante el ajuste de las posiciones del control de potencia, es decir, las combinaciones predefinidas de voltaje y corriente, las características eléctricas pueden ser alteradas a fin de ajustarse a las actuales condiciones de operación.

Los electrodos tienen un tope sobre la máxima corriente permitida, que en la práctica hace que el voltaje secundario sea el parámetro regulador principal cuando se cambia la posición del control de potencia. El voltaje secundario es directamente proporcional a la longitud del arco dentro del horno.

Fusión

La etapa de fusión en el EAF comienza cuando el operador enciende el horno luego de cargar la primera canasta. Desde ese punto en adelante las condiciones de operación del EAF cambian a lo largo del calentamiento, comenzando por la fusión de la chatarra fría y terminando con el sobrecalentamiento del acero líquido a temperaturas superiores a los 1650 °C.

Mediante el ajuste de la posición del control de potencia del transformador, el operador podrá regular la entrada de energía conforme a las actuales condiciones de operación, logrando así un equilibrio entre la máxima velocidad de fusión y de calentamiento y una aceptable carga térmica en el equipo, especialmente en el techo del horno y las paredes.

La potencia máxima es utilizada durante la mayor parte de los períodos de fusión. Una potencia reducida es utilizada durante las etapas iniciales luego de la carga de chatarra desde la canasta, cuando los arcos se encuentran cerca de la sección delta del techo del horno y durante el período de afino cuando se está operando bajo condiciones de “baño plano” a fin de alcanzar la temperatura final deseada.

Mediante el ajuste del voltaje secundario del horno (es decir, seleccionando la posición del control de potencia) la longitud del arco es modificada para obtener condiciones óptimas de operación.

Quemadores

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Un horno de corriente alterna tiene una disposición triangular de los electrodos cuando se lo visualiza desde arriba. La distancia irregular entre los electrodos en las diferentes posiciones a lo largo del perímetro de la pared del horno resulta en una carga térmica asimétrica. Además, las fuerzas electromagnéticas desde los arcos hacen que los mismos se desvíen hacia afuera desde el centro. Esto da como resultado una carga térmica desbalanceada sobre las paredes del horno, es decir, algunas áreas – puntos calientes – quedarán fuertemente expuestas a la radiación del arco.

En un esfuerzo por nivelar el desequilibrio térmico en el horno, se pueden introducir quemadores en las áreas de baja carga térmica (“puntos fríos”). Los quemadores aumentarán la energía total en el horno emitiendo calor en los puntos fríos así como también nivelando las diferencias de temperatura por medio de la convección.

Un quemador típico del EAF utiliza combustible gaseoso o aceite y sólo será efectivo siempre que las llamas impacten en la chatarra. Si bien esto da un resultado relativamente corto en el tiempo, la adición de energía es suficiente para nivelar en gran parte el desequilibrio térmico.

Materias primas

La operación del horno de arco eléctrico (EAF) está basada en el reciclado de chatarra de acero, junto con adiciones limitadas de (ferro) aleaciones, a fin de alcanzar la composición final al momento de colar. La chatarra de acero se divide en dos tipos; chatarra interna y chatarra comercial.

La chatarra interna se origina a partir de los diferentes procesos dentro de la planta y representa la fracción del material producido que no es parte del producto final. En la mayoría de las operaciones, un porcentaje escaso del acero tratado se pierde como chatarra interna debido a los márgenes de seguridad, a la eliminación de secciones de baja calidad, a los malos manejos, etc. La cantidad de chatarra interna varía de acuerdo al tipo o número de etapas del proceso de planta previo al envío del material al cliente y se refleja en el rendimiento metálico total de la planta.

La chatarra comercial representa toda la chatarra de acero disponible en el mercado. La acería eléctrica requiere de grandes cantidades de chatarra, tanto de producción local como importadas. Básicamente, la chatarra es clasificada conforme a diversas propiedades:

  • Composición química del acero, por ejemplo, de baja aleación e inoxidable;
  • Nivel de impurezas, por ejemplo, S, P y Cu;
  • Tamaño y forma;
  • Homogeneidad, es decir, la variación dentro de la especificación dada.

Una chatarra de alta calidad está bien definida, posee un bajo nivel de impurezas y un tamaño que ha sido controlado y/o modificado por medios mecánicos. Este tipo de chatarra es la más costosa y sólo se utiliza en las etapas más avanzadas del procesamiento del acero, por ejemplo, en las operaciones en cuchara.

A continuación se enumeran 10 tipos diferentes de chatarra que representan sólo unos pocos de los tipos de chatarra disponibles en el mercado. Para facilitar la comercialización entre los vendedores de chatarra y las compañías siderúrgicas, los tipos de chatarra han sido normalizados para los diferentes mercados. Los nombres utilizados aquí tratan de seguir las recomendaciones del Institute of Scrap Recycling Industries (ISRI) con sede en los Estados Unidos de América. Los nombres entre paréntesis corresponden a las especificaciones en el Reino Unido para la chatarra de hierro y de acero de uso siderúrgico.

EAF_plate-and-structural Chapa y estructural (Norma del Reino Unido: Grado OA)Consiste de cortes estructurales y desperdicios predominantemente de 6  mm de espesor en medidas que no superen 1.50 m × 0.60 m × 0.60 m (o según sea acordado) preparado de tal manera que garantice una carga compacta. Puede incluir material acondicionado de vagones con un espesor menor a los 6  mm. No incluye tubos y secciones circulares huecas.
EAF_no1Heavy Pesada No1 (Norma del Reino Unido: Grado 1) Predominantemente de 6  mm de espesor, en medidas que no superen 1.50 m × 0.60 m × 0.60 m (o según sea acordado) preparado de tal manera de garantizar una carga compacta. Puede incluir tubos y secciones circulares huecas, cables de alambre acondicionados de acuerdo con el consumidor y material acondicionado de vehículos comerciales pesados que incluye llantas, pero no incluye carrocerías y llantas de vehículos livianos.
EAF_no2Heavy Pesada No2 (Norma del Reino Unido: Grado 1)Predominantemente de 3  mm de espesor, en medidas que no superen 1 m × 0.60 m × 0.60 m (o según sea acordado) preparado de tal manera de garantizar una carga compacta. Puede incluir material acondicionado de vehículos desguazados, inclusive llantas de vehículos livianos, pero no incluye partes de carrocería ni electrodomésticos.
Demolicion_ligera Interna de baja aleación Chatarra acumulada dentro de la acería que no supera un total de 5 % de elementos de aleación y 1 % de contenido de carbono. El tamaño y la forma varían pero es a menudo compactada para garantizar una carga fácil.
EAF_stainless Interna de acero inoxidable Chatarra acumulada dentro de la acería que contiene un mínimo de 10 % Cr y cantidades variables de níquel, molibdeno, titanio, niobio. El tamaño y la forma varían pero es normalmente compactada hidráulicamente para garantizar una carga fácil.
eaf_No1_Bundles Paquetes No1 Chatarra de chapas nuevas negras de acero, recortes o latas, comprimidas o empaquetadas manualmente y reducidas al tamaño de una caja de carga, y con un peso igual o superior a las 75 libras por pie cúbico. (Los paquetes manuales son fuertemente asegurados para ser manipulados por un imán). Puede incluir bolas Stanley o paquetes compactados por mandril o soportes de bobinas, fuertemente aseguradas. También puede incluir material químicamente desestañado. No incluye carrocerías de automóviles viejos o guardabarros. Libre de revestimiento metálico, encalado, esmaltado vítreo y de chapas para aplicaciones eléctricas que contengan más de 0.5 % Si.
eaf_No2_Bundles Paquetes No2 Chatarra de chapas viejas de acero galvanizado, comprimidas hidráulicamente al tamaño de una caja de carga y con un peso igual o superior a las 75 libras por pie cúbico. No incluye material estañado o emplomado o con esmaltado vítreo.
EAF_dri HRD También conocido como hierro de reducción directa, se trata de una fuente de hierro virgen de composición relativamente uniforme y virtualmente libre de elementos residuales. El HRD está siendo utilizado cada vez más en la acería del EAF para diluir contaminantes presentes en la chatarra de acero. Contiene una determinada cantidad de carbono, aproximadamente 2 %, que actúa como fuente de energía adicional. El HRD puede producirse en diferentes formas y los dos procesos más comunes son Midrex y HYL.
EAF_shredded Triturada (Norma del Reino Unido: Grado 3B)Restos de acero liviano y viejo fragmentado en piezas que no superen los 200 mm en ninguna de sus medidas. Deberán estar libres de suciedad, de metales no ferrosos y de materiales extraños y no poseer excesiva humedad, fundición de hierro, material de incineración o de molienda, virutas y limaduras. Deberían también estar libres de envases de hojalata. Deben cumplir con las siguientes especificaciones: densidad mínima de 0.80 tonelada métrica por m³, concentración máxima de Sn y Cu de 0.03 % y 0.25 %, respectivamente.
Recorte_de_embuticion Recortes No1 (Norma del Reino Unido: Grado 8A) Apta para prensado, libre de revestimientos, estañados, galvanizados, esmaltados y de todo material nocivo (salvo que se hubiese acordado otra cosa desde una fuente específica).

Preparación de materias primas

Como se ha descrito anteriormente, una amplia gama de materias primas es utilizada en el EAF. Cuando sea posible, la alternativa de costo más baja es elegida – generalmente una chatarra gruesa pesada – siempre que el material se mantenga dentro de los parámetros de composición química.

En algunas partes del horno no se recomienda una chatarra gruesa; en cambio deberá utilizarse una chatarra fina más cara. La chatarra más fina es utilizada a fin de evitar problemas operativos en el horno, o bien, problemas prácticos en la manipulación de canastas cargadas de chatarra.

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Rendimiento de la aleación

Bajo condiciones de oxidación, varios de estos elementos de aleación son oxidados y transferidos a la fase escoria. Los mismos deben ser restituidos al acero ya que representan un valor importante y, en algunos casos, son nocivos para el medio ambiente si terminan en la escoria de desecho. La mayor parte de la oxidación de la aleación tiene lugar durante la etapa de fusión, donde altas concentraciones locales de aleantes están presentes en la carga.

El oxígeno ingresa en el horno desde dos fuentes principales:

  • Aire succionado a través del horno por el sistema de gas de escape.
  • Materias primas de óxido, es decir, óxido de molibdeno, polvo reciclado del EAF, etc.

La forma más sencilla de evitar una excesiva captación de aire es operar el horno a una ligera sobre presión. En la práctica, esta tarea es difícil debido a las grandes fluctuaciones en la presión del horno, los grandes volúmenes de gas de escape y la necesidad de mantener un ambiente de trabajo aceptable para el personal de la acería.

¿Qué acción recomienda usted para evitar la oxidación de material de aleación valioso? Si No
Evitar la carga de materiales de óxido: Esto es fundamentalmente correcto pero no es posible en la práctica, ya que los óxidos están presentes en algunos materiales que serán utilizados debido al costo y/o reciclado.
Compensar la carga de oxígeno con agentes reductores, por ej. FeSi y C: Correcto, debería asegurarse que se encuentren disponibles agentes reductores para ‘restituir’ cualquier elemento oxidado de valor desde la escoria hasta la fase acero.
Cargar las materias primas en las canastas de chatarra en un orden estratégico: Correcto, la separación de óxidos y elementos valiosos es una buena manera de aumentar el rendimiento.
Reducir la potencia del horno cuando se funde el material de óxido: Correcto, esto no ayudará.
Limitar la carga de los materiales de óxido: Correcto, esto es consecuencia de lo mencionado anteriormente pero nótese que dos granos de diferente tamaño partidos al azar pueden tener el mismo diámetro Feret dependiendo del plano de la sección.

Rotura del electrodo

La rotura del electrodo ocurre ocasionalmente en el EAF, principalmente durante la operación de fusión. Esto debería evitarse debido a los costos elevados asociados con la rotura. Además del costo de un electrodo de grafito de alta densidad – que es un material bastante costoso – el tiempo en que el horno permanece inactivo resulta en una pérdida de producción, lo que representa altos valores. Normalmente un electrodo roto se cambia en sólo 10 minutos, pero en situaciones complicadas se puede esperar un tiempo de inactividad considerablemente mayor.

La rotura del electrodo es normalmente una consecuencia de sobrecarga mecánica sobre el electrodo desde la chatarra que lo rodea:

  • La chatarra se está desmoronando desde el costado a medida que el electrodo penetra en la pila de chatarra dentro del horno. Si las piezas pesadas golpean directamente en el costado del electrodo, se puede producir una rotura.
  • Los electrodos se están moviendo hacia abajo sin detectar que un material no conductor está presente en la punta del electrodo. A medida que el electrodo continúa empujando hacia abajo, se puede producir una rotura.

La combinación de la longitud de arco y del material de chatarra es también de importancia al considerar la probabilidad de una rotura de electrodo. El operador del horno entonces necesita equilibrar la posición del control de potencia (voltaje y corriente) dada la necesidad de un mayor ingreso de energía y una adecuada longitud de arco.

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Espumado de la escoria

La escoria espumante se utiliza a fin de aumentar la eficiencia térmica del horno durante el período de afino, cuando las paredes laterales están totalmente expuestas a la radiación del arco. Una escoria espumante crecerá y cubrirá los arcos eléctricos, permitiendo de esta forma el uso de posiciones más altas de control de potencia sin necesidad de aumentar la carga térmica en las paredes del horno. Además, un arco eléctrico cubierto por una escoria espumante tendrá una eficiencia mayor en la transferencia de energía en la fase acero.

El espumado de la escoria es logrado por inyección de oxígeno en el acero líquido, donde se oxida fundamentalmente el hierro de acuerdo a la reacción:

O2 + 2 Fe = 2 (FeO)

El polvo de carbono es luego inyectado simultáneamente en la fase escoria donde el óxido de hierro es reducido.

(FeO) + C = Fe + CO (g)

El gas CO resultante es un componente crítico para la obtención de una escoria espumante.

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Espumabilidad de la escoria

La espumabilidad de la escoria es un parámetro tan crítico como la generación de gas CO a fin de obtener espuma. La espumabilidad es controlada por las propiedades físicas de la fase escoria: viscosidad, tensión superficial y densidad. Estas propiedades varían conforme a la composición de la escoria.

Debido a la naturaleza del EAF – con grandes variaciones en la temperatura y la composición en diferentes partes del horno – puede ocurrir que la escoria esté parcialmente sólida en algunos puntos durante las etapas de la operación. Una escoria que no sea totalmente líquida, pero que contenga un porcentaje de material sólido, como por ejemplo cal no disuelta, también influye en la espumabilidad, ya que se produce un cambio en la viscosidad aparente:

eaf_apparent_viscosity

 

donde:

η = viscosidad aparente del baño con contenido sólido

η0 = viscosidad del baño libre de sólidos

f = fracción en volumen de partículas sólidas en el baño

a y n son constantes.

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Si bien la oxidación de aleaciones es evitada siempre que es posible, las operaciones en el horno darán como resultado algunos elementos valiosos tales como el Cr presente en la fase escoria al final de la operación. Por razones económicas, los mismos necesitan ser recuperados mediante el agregado de agentes reductores tales como el FeSi en la escoria que se funden y reaccionan con los óxidos de escoria, conforme a:

eaf_red_eq

 

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Desescoriado

La puerta de escoria está ubicada en una de las paredes de la parte posterior del horno. Esta abertura es utilizada por el operador para la inspección del interior del horno, la inyección de oxígeno y carbono utilizando lanzas consumibles y para el desescoriado.

Durante el espumado de la escoria, la misma es continuamente eliminada a través de la puerta de escoria y de esta forma se va logrando un desescoriado limitado.

Un desescoriado más deliberado es realizado siempre que se necesite una nueva escoria para realizar la próxima operación metalúrgica. El caso típico es cuando se necesita cambiar el potencial de oxígeno, por ejemplo pasar de condiciones de operación altamente oxidantes a condiciones reductoras.

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Colada

El colado del horno es iniciado por el operador cuando el proceso en el mismo ha finalizado y la temperatura final ha sido lograda. El colado debería realizarse lo más rápido posible a fin de ahorrar tiempo.

Existen dos diseños comunes de hornos que poseen diferentes configuraciones de colada.

  1. Los hornos de colada excéntrica por el fondo (EBT) poseen una piquera descentrada en la base del horno. Dicha configuración permite una colada libre de escoria. En estos casos un “fondo líquido” (pequeña cantidad de metal y escoria remanente) es retenido en el horno entre una carga y otra.
  2. Los hornos de piquera son utilizados para algunos grados de acero. El colado por una piquera hace que la escoria sea trasvasada a la cuchara, donde se mezcla completamente con el acero. En estos casos la totalidad del metal es volcada, sin que quede nada de acero líquido en el horno.

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El tiempo de colada a colada en la operación del proceso del EAF está dividido en dos secciones principales:

  • Tiempo de encendido
  • Tiempo de apagado

El operador del horno procura minimizar estos períodos de tiempo a fin de obtener una mayor productividad.

El tiempo de encendido sólo puede reducirse aumentando la cantidad de energía que ingresa en la fase acero. Esto sólo puede lograrse a través de dos vías muy diferentes entre sí:

  1. el aumento de la energía, que es un compromiso entre la energía entrante y la carga térmica en el equipo; o bien
  2. el aumento de la eficiencia de la energía entregada, es decir, reduciendo las pérdidas de calor.

El tiempo de apagado comprende todos los períodos en que el horno no se encuentra operativo, es decir, carga, preparación, colada, mantenimiento, y puede ser acortado mediante un manejo más eficaz de las tareas intermedias.

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Horno de arco eléctrico (EAF). Simulación

En esta simulación usted asumirá el papel del ingeniero de planta a cargo de los procesos en el horno de arco eléctrico (EAF). Usted deberá seleccionar, fundir y afinar chatarra en el EAF a fin de lograr la composición final del grado de acero elegido y realizar la colada dentro del tiempo ytemperatura límite requeridos.

También deberá tener como objetivo minimizar el costo de toda la operación.

Simulación interactiva >>AQUÍ.

Con esto finaliza la presente sección. Si fuera necesario, por favor asegúrese de haber alcanzado los objetivos de aprendizaje previstos para esta sección:

  • Enumerar y explicar las funciones de los componentes clave del horno de arco eléctrico
  • Describir una planificación energética típica para una operación con 2 canastas
  • Identificar un rango de diferentes tipos de chatarra de acero
  • Explicar las consideraciones clave detrás del proceso de carga de las canastas de chatarra
  • Explicar las ventajas del espumado de escoria y cómo se logra
  • Describir las reacciones químicas importantes que se llevan a cabo durante la etapa de afino del proceso
  • Explicar las estrategias para maximizar el rendimiento de la aleación
  • Ejecutar exitosamente una simulación del horno de arco eléctrico (EAF) seleccionando, fundiendo y refinando materiales de chatarra para obtener una composición y temperatura deseada

Metalurgia secundaria: Generalidades

 ssm_thumbnail

Al finalizar la metalurgia primaria (ya sea en el Convertidor LD o bien en el Horno de Arco Eléctrico), el acero líquido es “volcado” en la cuchara y transportado a la máquina de colada. Mientras está en la cuchara, el acero podrá someterse a una serie de tratamientos diferentes, tales como ajustes en la composición, agitación, desgasificación y recalentamiento. En su conjunto, esta etapa dentro del proceso de metalurgia se denomina metalurgia secundaria.

Resultados del Aprendizaje en esta Sección

Luego de finalizada esta sección, usted podrá:

  • Explicar los objetivos generales de la metalurgia secundaria
  • Describir algunos de los equipos y procesos involucrados en la metalurgia secundaria
  • Realizar una simulación en una planta de metalurgia secundaria aplicando los principales principios termodinámicos y cinéticos

Requisitos previos

Antes de comenzar, es importante familiarizarse con los siguientes términos [EN]:  Equilibrio de fases;Desulfuración; Diagrama de Ellingham; Agitación en cuchara; Diagrama de fase;

Usted debe estar familiarizado con los conceptos cubiertos en:

  • Termodinámica y cinética

Ver también

  • Termodinámica y cinética > Termodinámica y cinética
  • Desoxidación > ¿Por qué desoxidar?
  • Decarburación > Introducción a la decarburación
  • Desulfuración > ¿Por qué controlar el contenido de azufre?
  • Eliminación de hidrógeno > Eliminación de hidrógeno
  • Eliminación de nitrógeno > Eliminación de nitrógeno

Operaciones de la metalurgia secundaria

La metalurgia secundaria incluye algunas de las siguientes opciones. La disponibilidad en un establecimiento siderúrgico en particular depende de los tipos de acero que se fabrican y de la disponibilidad de espacio dentro de la acería.

  • Agitación
    • Lanza
    • Tapón poroso en el fondo de la cuchara
    • Agitación electromagnética (EMS)
  • Horno cuchara
  • Inyección en la cuchara
    • Polvo
    • Alambre
  • Degasificación
    • Tanque desgasificador
    • “Stream degasser”
    • Desgasificador RH
    • Desgasificador DH
  • CAS-OB

Agitación y homogeneización

El proceso de agitación en cuchara es una operación fundamental durante la metalurgia secundaria a fin de:

  • homogeneizar la composición química del baño;
  • homogeneizar la temperatura del baño;
  • facilitar los intercambios entre la escoria y el metal que son esenciales para los procesos tales como la desulfuración;
  • acelerar la remoción de inclusiones en el acero

En la práctica, la agitación se logra mediante:

  • Inyección de argón a través del acero líquido, ya sea mediante una lanza sumergida, o por tapones porosos en el fondo de la cuchara.
  • Agitación electromagnética – EMS

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Agitación electromagnética – EMS

Inyección de argón por el tragante a través de una lanza

Ventajas

  • simple
  • buen contacto entre la escoria y el metal, por lo que existe una buena eliminación de azufre y fósforo
  • protege el revestimiento de la cuchara
  • menor inversión y costos de operación que el EMS

Desventajas

  • capa superficial turbulenta
  • absorción de nitrógeno y oxígeno
  • pérdida y oxidación de aleantes
  • reducida limpieza de la aleacion
  • agitación sólo en la estación de agitación
  • efecto de la presión ferrostática levemente menor que la inyección a través del tapón poroso en el fondo de la cuchara.
  • importantes “zonas muertas” (las zonas muertas son las áreas del baño de acero donde la circulación es escasa o nula)

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Inyección de argón por el fondo de la cuchara de acero

Actualmente, la mayoría de las cucharas poseen tapones porosos (situados en el fondo de la misma) para la inyección de argón.

Ventajas

  • “zona muertas” minimizadas (las zonas muertas son las áreas del baño de acero donde existe escasa o nula circulación)
  • acción de agitación uniformemente dispersa
  • efecto de presión ferrostática maximizado
  • fuerte circulación descentrada
  • excelente contacto entre la escoria y el metal, por lo que existe una buena eliminación de azufre y fósforo
  • absorción de hidrógeno y nitrógeno moderada
  • acero más limpio
  • posibilidad de agitar continuamente la cuchara en cualquier parte
  • menor inversión y costos de operación que el EMS

Desventajas

  • fuerte desgaste localizado en el material refractario
  • régimen de construcción más riguroso
  • riesgo de “roturas”

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Agitación electromagnética (EMS)

Ventajas

  • salpicadura mínima, lo que implica una menor exposición del acero a la atmósfera y reducción del borde libre (ej. la altura de la pared de la cuchara por encima de la superficie del baño)
  • flujo uniforme suave
  • flujo reversible – de gran utilidad cuando se efectúan adiciones de aleación
  • “zona muerta” minimizada (las zonas muertas son las áreas del baño de acero donde existe escasa o nula circulación)
  • mínima absorción de nitrógeno e hidrógeno
  • acero más limpio
  • bajo índice de pérdida y oxidación de aleantes
  • capacidad de agitar en cuchara continuamente utilizando el carro porta-cuchara EMS
  • poco desgaste del material refractario
  • máxima seguridad y facilidad de construcción

Desventajas

  • altos costos de operación y capital
  • poco contacto entre la escoria y el metal, por lo que habrá una menor eliminación de azufre y fósforo si se lo compara con el burbujeo de argón.

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Potencia y agitación de tiempos de mezcla

La homogeneización de la composición y temperatura del baño mediante la inyección de argón está causada principalmente por la disipación de la energía ascensional del gas inyectado. La siguiente ecuación es utilizada para calcular la potencia de agitación.

stirring_power_equ

 

donde:

ε = potencia de agitación, W ton -1
V = velocidad de flujo de gas, N m 3 min -1
T = temperatura del baño, K
M = peso del baño, tonelada métrica
H = profundidad de inyección del gas, m
P0 = presión de gas en la superficie del baño, atm

El tiempo de mezcla, τ (ej. el tiempo de agitación para alcanzar una homogeneización del 95%) está dado por:

τ (s) = 116 ε-1/3 D5/3 H-1

donde D es el diámetro de la cuchara, en m.

Desgasificador por recirculación

El desgasificador por recirculación (RH) se utiliza para eliminar el carbono y otras impurezas.

El mismo consta de un par de “snorkels” (pantalones) que se bajan dentro del acero líquido.

La presión en el recipiente se reduce a 1-3 torr (1 torr = 1 mmHg) aproximadamente.

El argón se inyecta a través de toberas en uno de los “snorkels”, forzando así el ascenso del acero en la unidad y de nuevo hacia el exterior a través del segundo “snorkel”.

En algunas unidades, el oxígeno es inyectado a través de una lanza a fin de contribuir a la decarburación.

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CAS-OB

CAS-OB (Ajuste de la composición por burbujeo sellado de argón – Soplado de oxígeno) permite la adición de aleaciones dentro de un ambiente inerte de argón.

Esta unidad se introduce en el acero líquido a través de un “ojo” formado en la escoria por el burbujeo del argón.

En particular, permite la adición simultánea de Al y de O2 gaseoso soplado a través de una lanza situada en la parte superior. Estos gases reaccionan para formar Al2O3 más una considerable cantidad de energía calórica exotérmica – la temperatura del acero puede elevarse hasta 10 °C por minuto.

Por lo tanto, el horno CAS-OB se utiliza para el RECALENTAMIENTO QUIMICO. Sin embargo, nótese que el Al2Odeberá eliminarse subsecuentemente.

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Horno cuchara

El horno cuchara se utiliza para calentar el acero. El burbujeo de argón se aplica para homogeneizar la composición y la temperatura del acero.

Un calentamiento de hasta 3 °C por minuto se logra por un conjunto de electrodos de grafito que se bajan dentro de la capa de la escoria, justo por encima de la superficie del acero líquido.

Otro de los fines del horno cuchara es actuar como recipiente de mantenimiento entre el LD (BOF) y la máquina de colada continua.

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Tanque desgasificador

El tanque desgasificador se utiliza para eliminar del acero los elementos gaseosos y el azufre.

La eliminación de azufre se logra a través de reacciones químicas entre el metal y la escoria, promovidas por un fuerte “lavado” (burbujeo) con argón dentro de la cámara de vacío.

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Alimentación de alambre

Se pueden realizar una cantidad de adiciones de ferroaleaciones, aluminio y calcio a través de un alambre alimentador – es decir, que el aditivo está encerrado en una envoltura de acero.

Esta técnica fue inicialmente desarrollada para las adiciones de calcio, ya que el punto de ebullición del Ca (1491°C) está por debajo de la temperatura del baño.

La alimentación con alambre es también útil para las adiciones que:

  • son menos densas que el acero líquido y que podrían flotar a la superficie;
  • tienen una solubilidad limitada;
  • tienen una alta presión de vapor;
  • tienen una alta afinidad por el oxígeno;
  • son muy costosas y/o se agregan en pequeñas cantidades;
  • son tóxicas;

El aluminio se agrega normalmente por alimentación con alambre para mejorar la tasa de recuperación, controlar la concentración de Al y mejorar la limpieza del acero.

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Inyección de polvos

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Grados de acero utilizados en la simulación

Esta página brinda información sobre los grados de acero utilizados en la simulación de la metalurgia secundaria.

Vigas universales para la construcción

construction

 

 

Microestructura

Ferrita + ~15% Perlita, tamaño de grano promedio 6.6µm

S355JRx200

Composición típica

%C
%Si
%Mn
%P
%S
%Al
%Nb
0.14
0.26
1.22
0.019max
0.018max
0.022
0.033

Propiedades mecánicas

YS 429 MPa
UTS 537 MPa
%El 25

Aceros de ultra-bajo carbono (ULC) con TiNb para chapas de la industria automotriz

door_outer_panel

 

Composición típica

%C
%Si
%Mn
%P
%S
%Nb
%Ti
0.003
0.21
0.75
0.01 max
0.012 max
0.01
0.01

Propiedades mecánicas

YS 180-280 MPa
UTS 310 -375 MPa
n value 0.16 – 0.2
%El 34 – 40

 Acero para tuberías

Las tuberías que transportan gas o petróleo requieren una buena soldabilidad y una alta tenacidad para soportar fisuras. Las tuberías con mayor capacidad condujeron al desarrollo de aceros con un mayor límite de fluencia. La extracción de agua a grandes profundidades (170m) requiere tuberías de paredes gruesas para soportar el pandeo, mientras que condiciones de bajas temperaturas (por ejemplo: en Alaska o Rusia), requieren de una tenacidad especial. El transporte de gas y petróleo ácidos requiere de un acero resistente a la figuración inducida por hidrógeno y a la corrosión.

42_inch_pipes

Composición típica

%C
%Si
%Mn
%P
%S
0.07
0.18
1.05
0.012max
0.003max

Propiedades mecánicas X65

YS 448 MPa
TS 530 MPa
%El 23.5

Acero para construcción mecánica

Un acero de medio carbono, termotratable, para aplicaciones que requieren de alta resistencia combinada con tenacidad, tales como los componentes de motores, dispositivos, equipos, transmisiones, herramientas, etc.

Composición típica

%C
%Si
%Mn
%P
%S
%Al
%Ni
%Cu
%Cr
%Mo
0.415
0.4
0.75
0.035max
0.035max
0.0225
0.3
0.35
1.05
0.225

Propiedades mecánicas

YS 1250 MPa
UTS 1450 MPa
%El 2

Ver también

  • Industria automotriz > Selección y diseño de paneles exteriores de puertas de automóviles
  • Aceros para construcción mecánica > Aceros para construcción mecánica: Generalidades [EN]
  • Procesos de laminación en caliente > Simulación de la laminación de un perfil
  • Laminación de placas > Simulación de la laminación de placas

Simulación de la metalurgia secundaria

En esta simulación usted asumirá el papel del ingeniero de planta a cargo de los procesos de metalurgia secundaria. Usted se encargará de supervisar una cuchara de acero líquido del convertidor LD (BOF), y tratará de entregarla en la máquina de colada apropiada en tiempo, composición, temperatura y contenido de inclusiones (limpieza del acero) adecuados. También deberá tener como objetivo la realización de la simulación a un costo de procesamiento mínimo.

Existen cuatro grados de acero diferentes entre los cuales elegir, cada uno de ellos requiere de un procesamiento distinto. Se recomienda a aquellos usuarios nóveles, un acero para la construcción , de aplicación general para vigas y columnas, como grado relativamente poco exigente. Un acero de ultra bajo carbono (ULC) con TiNb para chapas de acero para la industria automotriz, requiere de un procesamiento diferente a fin de eliminar el carbono. Un acero para tuberías de conducción de petróleo y gas es un grado mucho más exigente ya que requiere niveles muy bajos de azufre e hidrógeno. Finalmente, un acero para construcción mecánica termotratable, de medio carbono, al CrMo es un ejemplo de un grado más altamente aleado. Además, usted puede definir su propio grado de acero.

Para lograr sus objetivos, usted necesitará tomar decisiones en base a la adición de aleaciones y escoria y los procesos de agitación, desgasificación por vacío y recalentamiento. La secuencia, tiempo y cantidad de adiciones y las aplicaciones de las prácticas de agitación, desgasificación y/o recalentamiento serán de fundamental importancia para el éxito de la simulación.

Al finalizar la simulación, se informa al usuario si la composición, temperatura, nivel de inclusión y tiempo de entrega logrados están dentro de los valores especificados, junto con el costo de operación total.

Definiendo su grado de acero

Con esto finaliza la presente sección. Si fuera necesario, por favor asegúrese de haber alcanzado los objetivos de aprendizaje previstos para esta sección:

  • Explicar los objetivos generales de la metalurgia secundaria
  • Describir algunos de los equipos y procesos involucrados en la metalurgia secundaria
  • Realizar una simulación en una planta de metalurgia secundaria aplicando los principales principios termodinámicos y cinéticos

Ver también

  • Industria automotriz > Selección y diseño de paneles exteriores de puertas de automóviles

Introducción a la colada continua

 con-casting_thumbnail

Luego del proceso de metalurgia secundaria, el acero líquido por lo general es colado continuamente a través de un distribuidor en un molde de cobre enfriado con agua provocando la solidificación de una cáscara fina. Esta pieza es posteriormente extraída por una serie de rodillos guía y enfriada con una fina pulverización con agua. La cáscara solidificada continúa engrosándose hasta que la pieza se encuentre totalmente solidificada. Finalmente, la pieza es cortada a las longitudes deseadas y éstas son o bien descargadas en el área de almacenamiento o transferidas al laminador en caliente. Una amplia gama de medidas de piezas puede ser colada dependiendo de la aplicación final: “planchones” para productos planos tales como chapas y flejes, “tochos” para secciones tales como vigas, y “palanquillas” para productos largos como el alambre. También han sido desarrolladas técnicas para colar el acero directamente en chapas y flejes finos (<3 mm de espesor); actualmente la pieza fundida se encuentra comercialmente disponible.

Resultados del Aprendizaje en esta Sección

Luego de finalizada esta sección, usted podrá:

  • Describir los principales componentes y la disposición de las máquinas de colada de planchones, tochos y palanquillas
  • Explicar las funciones del distribuidor y el molde
  • Explicar el propósito de la oscilación del molde y los efectos de la carrera de oscilación, la frecuencia y velocidad de colada
  • Describir y definir perfiles típicos de temperatura para el acero líquido en la cuchara y en el distribuidor
  • Definir los términos “abarrilamiento”, “desalineación” y “deformaciones de curvado y enderezado” y explicar los principales parámetros que afectan a cada uno de ellos
  • Realizar adecuadamente la colada de una secuencia de tres cucharas en una simulación de colada continua

Control de temperatura

Durante el proceso de aceración es importante mantener siempre un buen control de la temperatura en los diferentes recipientes. Más aún cuando se está cerca de la colada ya que la temperatura del acero tiene un enorme impacto en las condiciones de la colada.

En el siguiente ejercicio usted puede ver como las temperaturas del acero en la cuchara y en el distribuidor van variando con el tiempo. El propósito es ordenar cucharas con las temperaturas correctas. Si las temperaturas son muy bajas, existe el riesgo de solidificación en la cuchara o en el distribuidor; si son muy altas, los efectos del sobrecalentamiento pueden provocar resultados no deseados en la calidad final del material, un aumento del desgaste de los refractarios y por supuesto un aumento en el costo de calentamiento del acero en la cuchara.

Usted podrá también examinar el efecto de las velocidades de pérdida de calor en la cuchara. Las cucharas con materiales refractarios muy bien mantenidos perderán calor con mayor lentitud que los materiales refractarios más viejos y, por lo tanto, brindarán un perfil de temperatura más estable.

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Parámetros de oscilación del molde

Cuando el acero ha sido transvasado desde la cuchara al distribuidor y luego desde el distribuidor al molde, el acero comienza a solidificarse dentro del molde de cobre enfriado con agua. Inicialmente, sólo se solidifica una cáscara muy fina y a medida que pasa el tiempo esta cáscara crece hasta ser lo suficientemente gruesa para soportar el peso del acero líquido. Se utiliza un molde oscilante que en la acción de extracción retrocede y se eleva tan rápidamente que el acero solidificado se separa del molde.

Aquí puede examinar el efecto de los parámetros de oscilación del molde, la velocidad de colada y la viscosidad del polvo sobre el tiempo de desmolde negativo, el consumo de polvo colador, la profundidad de la marca de oscilación y la aceleración del molde.

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Flujo de calor en el molde

El flujo de calor, Q es una función de los diversos parámetros de colada, tales como la velocidad de colada (vc), el polvo colador, el sobrecalentamiento, la oscilación y el grado del acero y en especial el contenido de carbono. El flujo de calor puede calcularse mediante la siguiente fórmula:

Q = αeff (TS – TM) Aeff

Donde:

αeff = coeficiente efectivo de transferencia de calor

TS = temperatura de la barra

TM = temperatura del molde

Aeff = área efectiva de enfriamiento del molde

La solidificación comienza en el molde y el flujo de calor es una función de la altura del molde. El gráfico muestra esta variación con la altura y a una serie de distintas velocidades de colada para un planchón de acero de bajo carbono. Nótese que a medida que el planchón se enfría y se contrae, la cáscara solidificada se despega del molde, reduciendo efectivamente el flujo de calor debido a la cámara de aire aislante que se forma.

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Flujo de calor en la zona de enfriamiento secundario

Inmediatamente después de que la cáscara sólida se desprende del molde, ingresa en la zona de enfriamiento secundario. La densidad del flujo de calor, en esta región puede calcularse utilizando la siguiente fórmula y es directamente proporcional al coeficiente de transferencia de calor, α.

q = α (TS – TC)

Donde:

TS = temperatura de la barra

TC = temperatura del medio de enfriamiento

Para un eficaz enfriamiento, α debe ser alto, pero también controlable para mantener la calidad del acero; un método para elevar α es la utilización de chorros de agua como medio de enfriamiento. En este caso, el coeficiente de transferencia de calor depende de la forma/ diseño de la boquilla, la velocidad del agua de enfriamiento y la masa de la misma.

El uso de chorros de agua genera dos regímenes característicos de enfriamiento:

  1. Enfriamiento predominantemente por el propio agua.
  2. Enfriamiento predominantemente por radiación.

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Deformación crítica durante colada continua

La tensión crítica para fisuración interno en el proceso de colada continua, εcr es calculada de la siguiente manera:

cc_criticalStrain

 

donde:

έ = velocidad de deformación
l, m, n = constantes
ΔTB = rango frágil de temperatura

De esta forma, para el gráfico que se muestra a la derecha, el criterio de deformación crítica está definido como:

ε > εcr

La deformación, ε está conformada por una serie de componentes y resumida en una sección más adelante.

El cálculo del rango frágil de temperatura ΔTB se desarrolla en la sección sobre desgarramiento en caliente.

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Deformación de abarrilamiento

Hacia la parte inferior de la longitud metalúrgica, las presiones ferrostáticas extremadamente altas hacen que la barra se expanda y abarrile entre los rodillos. Este abarrilamiento provoca deformaciones en la interfaz sólido-líquido. En este caso, la deformación de abarrilamiento, εB ha sido registrada en el punto de contacto de los rodillos, las deformaciones serán de tracción en esta región.

En la siguiente simulación usted puede observar los efectos de diversos parámetros de colada clave sobre la deformación de abarrilamiento εB.

A fin de calcular εB, se utilizaron las siguientes ecuaciones:

cc_ferrPressFormula

cc_bulgingDeflctFormula

cc_bulgingStrainFormula

 

Donde:

S = k√t

Utilizando el factor de solidificación, k; donde el tiempo desde el comienzo de la colada, t está dado por:

t = h/vc

donde h es la distancia vertical entre el menisco y el punto en cuestión.

Nota: la representación visual del abarrilamiento en esta simulación está muy exagerada (aproximadamente ×25), para que se puedan apreciar los cambios pequeños que ocurren.

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Deformación de curvado y enderezado

Los cambios repentinos de dirección de la ruta de colada durante el procesamiento tienden a inducir grandes deformaciones en el acero colado. Las mismas se evitan cuando es posible, sin embargo, durante la colada el acero debe dar un giro de 90º para fluir en una dirección vertical a una dirección horizontal. Esto se realiza en un radio amplio (9 m en la simulación de la máquina de colada de planchones) para minimizar el efecto. Sin embargo, un cambio tan grande en el radio al entrar y al salir de esta sección es susceptible de provocar deformaciones por flexión y por enderezamiento, εBS. Uno de los métodos utilizados para superar este problema es adoptar un método de enderezamiento multi-punto donde el radio de curvatura aumente gradualmente entre los rodillos, manteniendo las deformaciones por flexión y por enderezamiento en el mínimo valor posible.

En esta simulación usted podrá observar los efectos de varios parámetros clave de colada en la deformación por flexión y por enderezamiento εBS.

Para calcular εBS, las siguientes ecuaciones fueron utilizadas:

Deformación por flexión/ enderezamiento de punto simple (%)

cc_SingPointbendingStrain

 

Deformación por flexión/ enderezamiento de puntos múltiples (%)

cc_MultiPointbendingStrain

 

11-10-2013 23-08-52

La desalineación de los rodillos durante la colada continua provoca deformaciones, denominadas deformaciones de desalineación, εM. Estas deformaciones pueden ser tanto por tracción como por compresión dependiendo de la dirección de la desalineación. En la siguiente simulación las deformaciones positivas indican una deformación por tracción y las deformaciones negativas por compresión.

Mientras que se realiza todo esfuerzo para garantizar la correcta alineación de los rodillos, la magnitud de estas deformaciones dependerá de una serie de factores. En esta simulación usted podrá observar los efectos de varios parámetros de colada clave εM.

A fin de calcular εM, las siguientes ecuaciones fueron utilizadas:

cc_ferrPressFormula

 

cc_misalignStrainFormula

 

 

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Deformaciones combinadas en la línea

Las deformaciones presentes durante el proceso de colada continua consisten en tres mecanismos básicos:

  • Deformaciones de abarrilamiento, εB
  • Deformaciones de curvado/enderezado, εBS
  • Deformaciones de desalineación, εM

Estas deformaciones pueden simplemente combinarse para llegar a la deformación total, ε en el frente de solidificación mediante la siguiente ecuación (tenga en cuenta que el método de enderezamiento de cinco puntos [εBS5] fue utilizado para evaluar la deformación total en este ejercicio):

ε = εB + εBS + εM

Las deformaciones individuales pueden calcularse respectivamente:

cc_bulgingStrainFormula

cc_MultiPointbendingStrain

cc_misalignStrainFormula

 

Este ejercicio muestra el efecto de alterar los diversos parámetros de colada tanto en las deformaciones individuales como totales presentes. Utilice las celdas de ingreso de datos para simular las distintas etapas en la ruta de la colada y evaluar el espaciado requerido entre rodillos en cada punto respectivo a fin de lograr una deformación total mínima en la barra colada. Quizás usted también desee determinar cual sería una tolerancia aceptable para el posicionamiento del rodillo (desalineación del rodillo), dado que las tolerancias muy ajustadas pueden resultar en costos de equipamiento y de mantenimiento mucho más elevados.

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Nota: a fin de calcular la deformación total en este ejercicio, se usó el método de enderezamiento de cinco puntos para evaluar εBS, donde el rodillo 56 representa un radio constante (es decir, deformación de curvado/ enderezado nula) y los rodillos 57-60 son los rodillos de curvado/enderezado.

Donde:

S = k √t

Utilizando el factor de solidificación, k; a partir del cual se contabiliza el tiempo desde el comienzo de la colada, t está dado por:

t = h / Vc

Durante la colada continua de los aceros, suelen ocurrir fisuraciones internas en el rango frágil de temperatura, ΔTbajo un estado de tensión aplicada de tracción. La deformación crítica en la cual ocurren estas fisuras es calculada de la siguiente forma:

cc_criticalStrain

 

El rango frágil de temperatura, ΔTB, está dado por:

ΔTB = LIT – ZDT = TL(fs = 0.9) – TS(f= 0.99)

donde:

LIT = temperatura impenetrable del líquido
ZDT = temperatura de ductilidad cero
fs = fracción sólida

La variación de estos parámetros en la zona pastosa del planchón está ejemplificada en el diagrama. Otros parámetros que pueden encontrarse en el diagrama son la temperatura de resistencia cero, ZST, y la temperatura liquidus, TL.

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Cuando se forman fisuraciones internas, las mismas tendrán una dirección transversal en el material de la colada. La siguiente animación muestra la orientación de la fisura en el planchón colado.

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Fisuración transversal

Los factores principales que influyen en la fisuración transversal son:

  • Elementos de aleación tales como Nb, Ti, Al y N
  • Tiempo de desmolde negativo (profundidad de la marca de oscilación)
  • Enfriamiento secundario
  • Temperatura superficial

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Micro segregación

La segregación de elementos de aleación en la colada continua se denomina micro-segregación cuando la misma ocurre a distancias del orden del espaciado interdendrítico, (normalmente 50–400 µm). La micro-segregación se produce porque la composición de la forma sólida es diferente a la del líquido a partir del cual se forma (generalmente menos rico en solutos). El soluto excedente es por lo tanto rechazado hacia el líquido, dentro de los pequeños espacios entre las ramas dendríticas.

La micro-segregación puede analizarse cuantitativamente utilizando ya sea un modelo analítico o un modelo computacional. A tal efecto, se aplica el modelo Clyne-Kurz que tiene en cuenta la difusión del soluto en la fase sólida.

Modelo Clyne – Kurz

Este modelo puede ser usado para calcular el rango frágil de temperaturaΔTBasí como también las temperaturas liquidus y solidus, TL y TS. El rango frágil de temperatura puede expresarse de la siguiente manera:

ΔTB = LIT – ZDT = TL(fs = 0.9) – TS(f= 0.99)

A fin de determinar la fracción sólida (fs), necesita calcularse la concentración de sólido en equilibrio (cc_solidConcentration)

cc_CSStarformula

 

donde C0 es la concentración inicial, k es el coeficiente de redistribución en equilibrio y Ω es el parámetro que expresa el grado de retrodifusión del elemento soluto descrito como:

cc_backDiffusion

 

α se refiere al espaciado interdendrítico apropiado λ y puede expresarse como:

cc_solidificationPar

 

Des el coeficiente de difusión del soluto en el sólido y tf es el tiempo local de solidificación:

cc_solidificationTime

 

donde ΔTs es el rango de temperatura de solidificación y  cc_Tdot es la velocidad de enfriamiento. El espaciado interdendrítico secundario, λ, es una función de la velocidad de enfriamiento y puede expresarse de la siguiente manera:

cc_dendriteArmSpacing

 

B y n son parámetros experimentales constantes con valores de 319.4 y 0.378, respectivamente. Existen diversas correlaciones entre la velocidad de enfriamiento local y el espaciado interdendrítico secundario: la que se cita aquí es sólo válida para aceros de baja aleación. La temperatura liquidus puede calcularse mediante la siguiente ecuación, teniendo en cuenta la composición química del acero:

cc_TLformula

 

La temperatura del solidus puede calcularse mediante una fórmula empírica:

Ts = Tf – 415.5%C – 12.3%Si – 6.8%Mn – 124.5%P – 183.9*%S

Resumen de parámetros utilizados en la derivación:

Rango frágil de temperatura, ΔTB / °C Coeficiente de espaciado interdendrítico, α
Temperatura liquidus, TL / °C Espaciado interdendrítico secundario, λ /μm
Temperatura solidus, TS / °C Coeficiente de difusión sólida del soluto, Ds / m2 s−1
Fracción sólida, fs Tiempo de solidificación local, tf / s
Concentración sólida en equilibrio, cc_solidConcentration Rango de temperatura de solidificación, ΔTs / °C
Concentración inicial, C0 Velocidad de enfriamiento cc_Tdot, / °C s-1
Coeficiente de redistribución en equilibrio, k Constantes empíricas, B y n
coeficiente de retrodifusión, Ω

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Simulación de la colada continua

En esta simulación usted asumirá el papel del ingeniero de planta responsable de las operaciones de colada continua. El propósito de la simulación es lograr con éxito una colada secuencial de tres cucharas, cumpliendo con los criterios especificados de calidad superficial, calidad interna e inclusiones. Usted debería también apuntar a minimizar el costo de toda la operación.

Previo a la colada, usted necesitará seleccionar cuidadosamente varios parámetros, por ejemplo:

  • Grado de acero
  • Velocidad de colada deseada
  • Enfriamiento secundario
  • Oscilación del molde

Luego de elegir estos parámetros, su tarea es solicitar tres cucharas de acero de la acería de metalurgia secundaria. Esta etapa incluye la determinación de la temperatura del acero líquido y el tiempo estimado de arribo. Una vez que la simulación comienza, usted puede controlar el flujo del acero líquido entre la cuchara, el distribuidor y los moldes. A medida que emergen las barras de acero, usted puede realizar el oxicorte en diferentes medidas. Trate de evitar en todo momento que se derrame líquido del molde!

Con esto finaliza la presente sección. Si fuera necesario, por favor asegúrese de haber alcanzado los objetivos de aprendizaje previstos para esta sección:

  • Describir los principales componentes y la disposición de las máquinas de colada de planchones, tochos y palanquillas
  • Explicar las funciones del distribuidor y el molde
  • Explicar el propósito de la oscilación del molde y los efectos de la carrera de oscilación, la frecuencia y velocidad de colada
  • Describir y definir perfiles típicos de temperatura para el acero líquido en la cuchara y en el distribuidor
  • Definir los términos “abarrilamiento”, “desalineación” y “deformaciones de curvado y enderezado” y explicar los principales parámetros que afectan a cada uno de ellos
  • Realizar adecuadamente la colada de una secuencia de tres cucharas en una simulación de colada continua

Laminación en caliente: Generalidades

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La laminación en caliente es el proceso más eficaz de conformado primario utilizado para la producción masiva de acero. Los principales efectos de la laminación en caliente son la eliminación de los defectos de la estructura del lingote colado y la obtención de la forma, dimensiones y calidad superficial requerida de un producto. El parámetro principal que determina la capacidad de un proceso de laminación de eliminar los defectos de la estructura de colada se conoce como relación de laminación. Se calcula como la relación entre las secciones transversales de la pieza inicial y del producto final. El valor de la relación de laminación requerido para obtener una estructura de acero de buena calidad depende del tipo de acero, por ejemplo, es aproximadamente 2 para los aceros estructurales pero puede alcanzar los 12 para aceros para herramientas.

La primera operación de cualquier proceso de laminación en caliente es el calentamiento de la pieza a la temperatura de deformación correcta. Durante el calentamiento y el laminado en caliente, se forma una cascarilla (capa de óxido) en la superficie de la pieza que debe ser eliminada sistemáticamente. El descascarillado puede realizarse mecánicamente (por aplastamiento durante una operación de trabajado en caliente) o por rociado con agua a alta presión.

Durante la laminación, la deformación del material ocurre entre matrices con forma de rodillos rotatorios e impulsados. Es un proceso estacionario – esto significa que la zona de deformación no cambia su posición en el tiempo. La fuerza transportadora durante la laminación es la fricción entre los rodillos y el material procesado.

La laminación en caliente se realiza mediante el uso de diferentes tipos de laminadores. La elección de la técnica de laminación apropiada se lleva a cabo conforme al producto laminado en caliente en particular.

Para obtener las características geométricas requeridas (tales como forma, dimensiones y calidad superficial), algunas operaciones de terminado y tratamiento térmico (eventuales) son necesarias luego de la laminación en caliente. Las operaciones típicas de terminado son: el enfriamiento, el enderezado, el calibrado y la limpieza superficial. Las siguientes etapas del proceso de producción son: el control de calidad (también puede ser realizado durante la deformación en caliente), el marcado, el apilado y la preparación para almacenado y transporte. Algunos productos laminados en caliente son revestidos para protección y decoración.

La laminación en caliente comprende tecnologías de fabricación para los productos semiterminados y terminados. Los productos siderúrgicos semi-terminados laminados en caliente son los materiales iniciales para los procesos subsiguientes de conformado en caliente. Se pueden distinguir los siguientes principales grupos de productos laminados en caliente:

  • productos planos
  • productos largos
  • tubos sin costura
  • productos especializados tales como, ruedas, aros, barras con el perfil variado periódicamente, etc.

Frecuentemente, los productos laminados en caliente son sometidos a procesamientos ulteriores como laminación en frío, conformado, maquinado y soldadura a fin de lograr una variedad de productos siderúrgicos ofrecidos para la venta.

Laminación de productos semiterminados

Los productos semi-terminados laminados en caliente son obtenidos a partir de lingotes colados convencionales que poseen bordes redondeados, desviaciones dimensionales grandes y superficie irregular. Los productos semi-terminados básicos son planchones, tochos y palanquillas. Se los clasifica en función de su forma y tamaño. Los planchones de sección transversal rectangular son utilizados como material inicial para la laminación de productos planos. Los tochos y las palanquillas pueden presentar secciones transversales tanto cuadradas como rectangulares pero difieren en tamaño – los tochos son más grandes que las palanquillas. Se los utiliza para la laminación de productos largos.

Los lingotes colados de un peso de hasta 20 toneladas métricas son cargados en hornos de fosa donde son calentados o recalentados a la temperatura inicial de laminación (aprox. 1200 °C). Luego, los lingotes son laminados en un laminador de tochos o planchones dúo reversible (que produce tochos o planchones) o en un laminador de planchones reversible universal (donde sólo se producen planchones). El laminador universal de planchones tiene un par adicional de rodillos posicionados verticalmente para ajustar el ancho del planchón.

Los productos semi-terminados son despuntados en ambos extremos y cortados a medida con cizallas de despunte. Luego pueden ser enfriados al aire o cargados en un horno de recalentamiento para procesamiento posterior. Los tochos pueden ser recalentados y laminados a palanquillas en un laminador continuo de palanquillas de cuatro cajas.

Aquí debemos destacar que la colada convencional en lingoteras se practica solamente en casos excepcionales debido al uso común de instalaciones para colada continua, mucho más efectivas. Por lo tanto, el número de laminadores de tochos y planchones disminuye sistemáticamente.

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Laminación de productos largos

Los productos largos son laminados en caliente. Existen tres grupos de productos largos laminados que están esquemáticamente representados en la siguiente figura.

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Laminación de productos planos

Los productos planos laminados en caliente pueden presentar la forma de placas, chapas, láminas y flejes.

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La siguiente figura ilustra los tipos de productos que se pueden obtener mediante el procesamiento de aceros planos laminados en caliente en operaciones aguas abajo.

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Laminación de tubos sin costura

El proceso de producción de tubos sin costura consiste de las siguientes etapas principales:

  • por perforación o extrusión de una barra, obtener un tubo perforado
  • alargar el perforado, reduciendo su diámetro y el espesor de la pared
  • elaborar el tubo final mediante laminación en caliente o en frío

En la siguiente figura se presenta una de las tecnologías para producir tubos sin costura. Primero, una palanquilla redonda de colada continua es calentada en un horno de solera giratoria. La palanquilla caliente es perforada mediante un punzón interno y dos rodillos con forma de barril, cuyos ejes son oblicuos entre sí. El perforado es luego laminado en un laminador sobre mandril. Este paso de la producción genera una reducción en el espesor de pared pero el diámetro exterior permanece constante. Como consecuencia de ello, el tubo se alarga. Luego, el tubo pasa por un laminador terminador (para así reducir ligeramente el espesor de la pared) y un calibrador (para obtener el diámetro exterior deseado). Cuando se requiere una mayor reducción del diámetro exterior y del espesor de la pared, el tubo es recalentado en un horno de inducción y laminado en un laminador reductor estirador. Finalmente, el tubo es sometido a algunos procesos de acabado, tales como enfriamiento por aire en lecho de enfriamiento, enderezado, corte a un largo específico y biselado. Los tubos sin costura terminados son sometidos a una prueba de presión hidráulica, inspección de calidad (corrientes parásitas, ultrasonido, detección magnética de defectos) como así también a una inspección de precisión dimensional.

Los tubos sin costura laminados pueden procesarse más tarde, por ejemplo, en el proceso de trefilado de tubos.

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Colada y laminación integradas

Tradicionalmente, los productos siderúrgicos deformados en caliente son tratados como productos menos rentables, siendo de conocimiento general que la rentabilidad aumenta con el incremento de la velocidad de procesamiento. La mayor eficiencia económica en la producción masiva de productos siderúrgicos deformados en caliente puede lograrse utilizando líneas de producción integradas – sistemas de manufactura complejos que integran las operaciones de acería, colada continua, deformación y tratamiento térmico en un único proceso. El uso del calor proveniente de la etapa de solidificación para el ulterior trabajado en caliente elimina algunas etapas de producción y garantiza una reducción del 30% en los costos de producción a diferencia de las líneas de manufactura convencionales.

Hay una creciente tendencia de colar productos semiterminados próximos a su forma final (tales como planchones delgados para laminación de chapas en caliente o barras de secciones próximas a la forma final para laminación de perfiles). La colada continua de planchones delgados permite prescindir del uso de los grandes laminadores desbastadores que se necesitan para reducir planchones gruesos.

Una de las tecnologías modernas de producción de chapas – el proceso de Producción Compacta de Chapas (CSP) – está presentada esquemáticamente en la siguiente figura. Los planchones delgados de colada continua tienen un espesor de 40–70 mm (cinco veces menor al de planchones convencionales). Después del recalentamiento, son laminados en continuo en 5 a 7 cajas, lo que es suficiente para lograr chapas de 1 mm de espesor. En los procesos de laminación convencional dichos espesores delgados se logran luego de la laminación en frío.

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Laminación de rieles y perfiles

Ejemplos de diseños de pasadas de laminación para rieles y perfiles

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Los perfiles (estructurales, vigas) y los rieles pertenecen a un grupo de productos largos laminados en caliente. La laminación se lleva a cabo entre rodillos acanalados. Dos acanaladuras (canales) opuestas en un par de rodillos forman una pasada, que corresponde a la forma de la sección transversal de la barra que se espera obtener luego de esta pasada. Después de cada pasada, la sección transversal se reduce y su forma se acerca a la del producto final. Se conoce como diseño de pasadas de laminación (calibrado) al desarrollo de la forma de pasadas sucesivas y su correcta ubicación en los rodillos. En la figura se muestran ejemplos de diseño de pasadas para algunos productos largos seleccionados.

Proceso de fabricación de rieles

La siguiente figura ilustra esquemáticamente un proceso moderno de fabricación de rieles. El material de laminación, en forma de tocho, es recalentado a la temperatura de deformación en un horno de vigas galopantes. La cascarilla dura que se forma en el horno durante el calentamiento del tocho puede causar defectos en la superficie de trabajo de los perfiles o de los rodillos. Para evitar esta amenaza, la cascarilla es eliminada con agua a alta presión.

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La laminación se lleva a cabo en dos laminadores dúos reversibles. El primero, un laminador desbastador, transforma la estructura de colada del tocho en la estructura completamente deformada de una barra que se termina en la caja siguiente. En el caso de la producción de rieles, se utiliza además el segundo laminador terminador. La cascarilla de laminación es removida periódicamente para lograr una superficie lisa en el producto. Después de la laminación, los rieles terminados son cortados a medida y luego enfriados en una cama de enfriamiento de viga galopante. Algunos tipos de rieles pueden experimentar también endurecimiento del hongo. Esto se hace para mejorar la dureza de la superficie de trabajo y, por consiguiente, su resistencia al desgaste. Luego, los rieles son enderezados tanto en dirección horizontal como vertical.

Los rieles enderezados son sometidos a inspección de calidad que consiste de ensayos de ultrasonido (para la detección de defectos internos) y de una inspección de precisión dimensional (se presta especial atención a las mediciones de altura del riel, la simetría y planicidad de la superficie de rodaje). Cuando es necesario, los rieles son enderezados aún más con prensas enderezadoras para asegurar un buen acuerdo entre los extremos de dos rieles soldados o unidos posteriormente. Finalmente, cada riel es cortado a la medida especificada. Las operaciones de terminado pueden también consistir del perforado de los agujeros de la eclisa para uniones de vías y endurecimiento de los extremos de los rieles (para incrementar la resistencia al desgaste de las uniones).

Las líneas de laminación modernas permiten fabricar rieles de una longitud mayor a 100m. Las tendencias más nuevas en la fabricación de perfiles y rieles involucran la aplicación de líneas de producción integradas que combinan la colada continua y la laminación en un sólo proceso. Las ventajas más importantes de dicha solución son: ahorro de energía, reducción de costos de manipuleo intermedio, reducción de mano de obra y disminución del tiempo que se necesita para producir perfiles o rieles a partir de acero líquido a 2-4 horas aproximadamente.

Simulación de la laminación de un perfil

 

En esta simulación interactiva usted tomará control de un tocho y lo laminará a una viga I. Para ello, debe tomar el tocho cuando sale del horno de recalentamiento y moverlo por la línea hacia el tren de desbaste. La vista cambiará automáticamente al Laminador Desbastador para permitirle mover y rotar el material de carga de acuerdo al “programa de laminación” exhibido en pantalla. Luego de completar esto, la vista volverá a la Vista de Planta principal y debe llevar el material a la despuntadora y de ahí a las cajas REF (desbaste-canteado-terminado) donde puede laminarlo a su forma final.

Se le requerirá que entregue la viga I dentro de un marco de tiempo dado.

Controles de interfaz de usuario

Vista de planta principal

Esta es una vista del laminador en el que puede recorrer y detenerse por la línea y agrandar/achicar a lo largo de toda su longitud para visualizar todas las partes del proceso de laminación. Esto se puede hacer arrastrando el mouse sobre la grilla, usando los atajos de teclado o simplemente haciendo click sobre los equipos que desea ver. El material sólo puede ser desplazado hacia arriba o hacia abajo de la línea en esta vista (utilizando el controlador de velocidad del material (1).

hr_ubmLayout

 

  1. Controles de velocidad del material. Estos también pueden ser controlados con los atajos de teclado (5). En la vista de caja desbastadora, si hace click sobre la flecha curvada el material rotará a la orientación requerida.
  2. Temporizador. Muestra el tiempo total de laminación transcurrido.
  3. Programa de laminación. Muestra la siguiente etapa de laminación en la vista de planta o paso entre rodillos final en la vista de desbaste. El programa cambiará de color a medida que se completan las acciones:
      • Gris: acción completada
      • Verde: próxima acción (Muestra la siguiente etapa de laminación en la vista de planta o paso entre rodillos final en la vista de desbaste. El programa cambiará de color a medida que se completan las acciones
      • Rojo: próxima acción (solamente vista en planta)
      • Negro: acciones futuras
  4. Botones para agrandar/achicar. Estos también pueden controlarse a través de atajos de teclado (5).
  5. Atajos de teclado. Son solamente visibles en la vista de planta.
  6. Vista general de planta. Esto sólo puede verse en la vista de planta. El casillero sombreado mostrará el área actualmente exhibida. Si se arrastra este casillero, recorrerá la línea y, si hace click en un objeto dado de la planta, recorrerá y se detendrá en ese objeto. La vista general también mostrará la posición actual del material en la línea de laminado.
  7. Acanaladura del rodillo final. Esto sólo se puede ver en la vista de desbaste. Cambiará a color rojo para indicar el próximo calibre a utilizar y luego a verde cuando el material se encuentra alineado correctamente para atravesar el canal.

Vista de caja desbastadora

Esta vista axial se activa cuando el material se acerca al laminador desbastador. No se requiere agrandar o achicar o detenerse en esta vista. El material puede ser movido a lo largo y a lo ancho de la línea de laminado, además de ser rotado para pasar por los rodillos en la acanaladura del rodillo elegido.

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Instrucciones para la caja desbastadora

  1. Utilice los controles de la vista de desbaste para laminar el material de carga de acuerdo al programa de laminación brindado en pantalla.
  2. Use los controles de “izquierda” y “derecha” o las flechas del teclado para alinear el material con la “acanaladura” de rodillo correcta (la etiqueta en el rodillo se tornará verde cuando se posicione correctamente el material).
  3. Rote lo necesario usando el “control de rotación” o la barra espaciadora. Las acanaladuras rotuladas “P” llevan el material de carga en orientación vertical; aquellas rotuladas “F” lo llevan plano.
  4. Una vez alineado, utilice los controles “arriba” y “abajo” o las flechas de teclado para ingresar el material a través de los rodillos.
  5. Procure no pasar el material al rodillo en la posición incorrecta, ya que dañará los extremos. Si el daño es excesivo, no podrá pasar el material por el rodillo y fallará la simulación. Un daño moderado resultará en un rendimiento reducido ya que será necesario cortar un largo mayor para remover el material dañado.
  6. El rodillo superior (el rodillo con ranuras rotuladas) se ajustará automáticamente a la altura requerida (paso entre rodillos) para cada pasada.
  7. Una vez que ha completado el programa de laminación en la caja desbastadora, si mueve el material por la línea alejándose de los rodillos, volverá a la vista de planta principal para completar la etapa REF del proceso.

Vista de cajas de REF

Las cajas de REF (desbaste, canteado, terminado) se encargan de las pasadas de laminación finales en el laminador universal de vigas (siglas en inglés: UBM). Estas tres cajas operan en tándem en un programa de laminación diseñado con precisión y producen la viga I laminada final lista para el corte.

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Desbastador

Este consiste de dos rodillos verticales acompañados de un par de rodillos laterales, que pueden moverse independientemente. Los rodillos en esta caja son perfilados y brindan la forma “hueso de perro” resultante de la viga en la sección. Este desbastador es responsable por la mayor parte de la deformación del material por lo que las mayores reducciones en el área de sección transversal ocurren aquí.

Canteador

Este consiste de dos rodillos verticales de forma compleja. Hay muy poca reducción en área del material en esta caja, que es responsable de controlar la forma de la viga, en especial las alas (los dos extremos verticales del perfil).

Terminador

Esta consiste de dos rodillos verticales y un par de rodillos laterales que pueden moverse independientemente. Los rodillos en esta caja son cilíndricos y responsables de controlar las dimensiones finales de la viga I. El terminador es utilizado solamente en la pasada final por las cajas de REF.

Instrucciones para las cajas de REF

  1. Utilice los controles de vista de planta para laminar el tocho de acuerdo con el programa de laminación dado.
  2. Todos los parámetros de paso entre rodillos se ajustarán automáticamente conforme al programa de laminación.
  3. Luego de una pasada exitosa por las cajas de REF el material se detendrá automáticamente. Necesitará usar el controlador de velocidad del material para que el material comience a moverse nuevamente y tomar la siguiente pasada.
  4. Cuando se han completado todas las pasadas, si se mueve el material hacia las sierras se completará el proceso de laminación.

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Laminación de barras

La laminación de barras se lleva a cabo en varias pasadas. Después de cada pasada, la sección transversal de la barra se reduce y su forma se asemeja cada vez más a la forma del producto final. Normalmente se utilizan diferentes tipos de barras laminadas en caliente. Algunas de ellas se muestran en la siguiente figura:

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Las barras son laminadas en laminadores similares a las primeras secciones de los laminadores de alambrón. Luego de pasar por los trenes de desbaste, intermedio y terminador, el metal laminado es transportado a un lecho de enfriamiento y luego es bobinado o cortado a medida y enderezado. Se ilustra en la figura un ejemplo del diseño de pasadas de laminación para una barra redonda laminada a partir de palanquilla.

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Laminación de alambrón

El alambrón, normalmente de sección transversal circular, es producido en laminadores de una línea o de múltiples líneas (hasta 4). Los laminadores de alambrón modernos pueden producir alambrón en diámetros de 4–25 mm. La velocidad de laminación puede alcanzar inclusive 140 ms-1 en las cajas de laminación final, el peso de la bobina es de 2 toneladas métricas y la capacidad de producción de una línea es de 400,000 toneladas métricas por año.

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Para asegurar una calidad superficial alta del alambrón, los tochos o palanquillas utilizados como material de laminación son inspeccionados y acondicionados (descascarados por llama, granallados o rectificados). Luego son calentados en un horno de vigas galopantes o un horno de empuje a la temperatura inicial de laminación. Una capa fina de cascarilla que se forma en la superficie del material durante el calentamiento es removida por medio de un descascarillador por agua a alta presión.

La laminación del alambrón se lleva a cabo en un laminador continuo que consiste de cuatro trenes: un tren desbastador, dos trenes intermedios y un tren terminador, con cizallas instaladas entre medio. Son utilizadas para cortar puntas deformadas del material de laminación (para facilitar el enhebrado en el próximo tren de laminación) y para cortar el material de laminación en trozos de chatarra en caso de emergencia. Los primeros tres trenes normalmente contienen 6 cajas de laminación. El segundo tren intermedio es precedido por un rodillo de compensación de tensión que debería asegurar una laminación libre de tensiones. Un tren terminador moderno consiste de un laminador en bloque de ocho o diez cajas, zonas de enfriamiento por agua y un cabezal terminador de dos o cuatro cajas. Las cajas de laminación en cada tren de laminación tienen una disposición alternada horizontal-vertical (H–V) por lo tanto, es posible laminar sin torsión. El diseño de pasadas redondo-ovalado es normalmente utilizado excepto en las dos primeras cajas donde se aplican las secuencias de la pasada caja.

La aplicación de zonas de enfriamiento por agua para lograr la temperatura de laminación final requerida permite la utilización de los efectos de tratamiento termo-mecánico y normalizado. Después del calibrado, el alambrón es enrollado en espiras mediante un cabezal enrollador y luego es sometido a enfriamiento controlado en el transportador Stelmor a fin de lograr la microestructura deseada para un posterior procesamiento.

El alambrón puede ser utilizado como materia prima para la producción de una variedad de productos tales como alambre, cables de alambre, resortes, tornillos, tuercas, clavos, pernos, rodamientos, cuerdas de neumáticos, cuerdas para piano, alambre para el núcleo de electrodos recubiertos, etc.

Laminación de placas

Las placas (más de 3 mm de espesor) son producidas a partir de planchones colados en continuo o de planchones obtenidos de lingotes convencionales. Luego de inspección y acondicionamiento superficial, el material es calentado a una temperatura inicial de laminación. El calentamiento debería ser lo suficientemente prolongado para asegurar una temperatura uniforme en todo el volumen del material.

La laminación de placas puede llevarse a cabo en un laminador cuarto reversible o en un laminador tandem de dos cajas. En ambos casos, las canteadoras pueden ser utilizadas para obtener una mejora significativa de la precisión dimensional en la dirección transversal, como así también un incremento en el rendimiento. Debido a la intensa formación de cascarilla, se aplica descascarillado hidráulico durante la laminación. Las etapas de terminación incluyen: enderezado, enfriamiento, refilado, corte en hojas de dimensiones especificadas e inspección de calidad. En casos especiales, se puede realizar un tratamiento térmico de las placas.

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Las placas pueden ser utilizadas como material inicial para la producción de perfiles soldados y tubos fabricados por conformado en prensa y soldadura.

Laminación de chapa en caliente

En la actualidad, se utilizan preferentemente planchones de colada continua como materia prima para la producción de chapas laminadas en caliente; los planchones convencionales son sólo utilizados en casos excepcionales. La aplicación de planchones de colada continua permite mejoras en la pureza del acero, sus propiedades y la calidad superficial del producto.

A fin de ahorrar energía en el recalentamiento, usualmente los planchones son cargados en caliente dentro de un horno de empuje y así, el material caliente (aprox. 600 °C) es recalentado hasta la temperatura inicial de deformación (~1200–1250 °C). El tiempo de calentamiento debe ser lo suficientemente prolongado para asegurar una distribución homogénea de temperatura en todo el volumen del material. Inmediatamente después del calentamiento, la cascarilla de horno (la capa de óxido de hierro que se forma durante el calentamiento en la superficie del planchón) es removida por medio de un descascarillador por agua a alta presión. La laminación también puede estar precedida por el calibrado del ancho del planchón en un calibrador para aumentar la flexibilidad de producción.

En un laminador semi continuo de chapas en caliente, la laminación de desbaste y la intermedia se llevan a cabo en laminadores universales reversibles. Luego de pasar por el laminador intermedio, el material es reducido a una barra de transferencia con un espesor de aprox. 40 mm. En un laminador semi continuo de chapas en caliente, la laminación de desbaste y la intermedia se llevan a cabo en laminadores universales reversibles. Una vez que los extremos deformados son cortados con cizalla, la barra de transferencia es laminada en un tren terminador de siete cajas, logrando un espesor de entre 1 y 3.5 mm. Finalmente, la chapa laminada es enfriada con agua hasta una temperatura apropiada para el bobinado. El control preciso del espesor, el ancho, la planitud y la temperatura de laminado final se lleva a cabo durante el laminado final y el enfriamiento a fin de lograr la calidad y propiedades requeridas de la chapa.

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Dependiendo de los requerimientos, la chapa laminada en caliente puede ser provista en estado de laminación (recubierta con una capa fina de óxido), decapada y aceitada (sin óxido), laminada superficialmente (se aplica una pequeña tensión a lo largo de la chapa), en bobinas, en bobinas de fleje cortado longitudinalmente, cortada a medida (en láminas), con refilado lateral, etc.

La chapa laminada en caliente puede también ser sometida a procesamiento ulterior. Es el material inicial para la producción de chapas laminadas en frío, perfiles conformados con rodillos y tubos soldados longitudinalmente o en espiral.

Laminación de placas

¿Qué es una placa?

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El término ‘placa’ (o plancha o, más comúnmente, chapa gruesa) se utiliza genéricamente en la industria del acero para definir a una pieza rectangular de acero laminado plano.

Las placas se entregan planas (a diferencia de las chapas y flejes que son lo suficientemente finos para ser conformados en bobinas y transportados en esa forma).

Las dimensiones típicas de las placas son:

  • Espesor de 10 a 50 mm
  • Anchos mayores a 2 m y hasta 5 m
  • Longitud de 4 m a 30 m

a pesar que se pueden producir en mayores y menores valores de estas dimensiones.

Las dimensiones requeridas son características de la aplicación de las placas. El límite superior del ancho es una característica del laminador que las produce.

En gran parte las placas son utilizadas en aplicaciones estructurales, lo que implica que deben ser fuertes, tenaces y (normalmente) soldables. La conformabilidad (ductilidad) normalmente es una consideración secundaria y puede ser sacrificada para maximizar las propiedades primarias. Las propiedades de una chapa están determinadas, en parte, por la composición del acero a partir del cual se las produce, pero, también, por la práctica de laminación utilizada en su elaboración. Esta es, invariablemente, un proceso de laminación en caliente.

El proceso de laminación de una placa, por lo tanto, tiene dos objetivos que deben satisfacerse al mismo tiempo:

  • lograr las dimensiones correctas
  • obtener las propiedades mecánicas correctas

Como en cualquier proceso de producción, los requerimientos del producto deben ser combinados con los objetivos comerciales de eficiencia operativa. Esto significa que el desarrollo de un determinado tipo de placa por parte de una compañía siderúrgica involucra la optimización tanto del diseño de la aleación como del diseño del proceso.

Aplicaciones típicas de placas

Las placas son resistentes y pueden soportar cargas, impactos y presiones altas. Esto se ve reflejado en sus aplicaciones. A continuación se detallan algunos importantes sectores de mercado:

Chapa naval – utilizada para formar tanto el casco (la piel que desplaza el agua) como los mamparos internos que le dan rigidez.

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Tubería – utilizada para producir tuberías de acero de diámetros grandes para la extracción de petróleo y gas y transporte primario. Las placas producidas en trenes reversibles de laminación son convertidas en tubos por el método U-O-E o alguna de sus variantes.

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Placa estructural – utilizada en la construcción para una gama de aplicaciones, incluyendo plataformas y vigas soldadas (perfiles que son irregulares o muy grandes para ser laminados).

Otras aplicaciones incluyen:

Línea amarilla (maquinaria pesada) – placas utilizadas para fabricar maquinaria de movimiento de suelos

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Blindaje – placas utilizadas para resistir municiones

Tuberías de aducción – conductos en la generación de energía hidroeléctrica

Marinas – estructuras marinas

Nucleares – estructuras duraderas que proporcionan absorción y contención

Permanentemente surgen nuevas aplicaciones para las placas de acero. Una actual y en crecimiento es la de energía eólica.

Muchas de las aplicaciones para las placas de acero tienen características que demandan gran durabilidad. El mantenimiento puede resultar poco práctico una vez que se completa la construcción. La seguridad pública y la protección ambiental pueden estar implicadas. Por estos motivos, los requerimientos de normas y certificaciones para el acero son muy precisos y regulados por autoridades de aplicación. Por lo tanto, el laboratorio de ensayos es una parte vital de cada acería.

Generalidades sobre el proceso de laminación de placas

Una serie de procesos se llevan a cabo en una planta de laminación para producir placas de acero. A continuación se presenta un diagrama simplificado de un laminador de placas. El material de carga consiste en planchones de acero normalmente producidos por colada continua.

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Horno de recalentamiento

Los planchones son calentados en horno a una temperatura en un rango típico de 1150-1270 °C. El recalentamiento reduce la resistencia a la deformación del acero lo suficiente como para permitir su laminado y garantiza que todos los elementos de aleación están en solución sólida. El horno incorpora mecanismos para mantener un flujo continuo de planchones y es normalmente calefaccionado con quemadores de gas.

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Horno de recalentamiento visto desde el lado de salida
La fotografía es cortesía de Siemens VAI

Descascarillado

Los procesos anteriores y el recalentamiento provocan la formación de una capa de óxido (cascarilla) en las superficies externas del planchón. Se utilizan chorros de agua a alta presión (~200 bar) para removerla.

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Unidad de descascarillado a alta presión
La fotografía es cortesía de Siemens VAI

Laminación

Los trenes para laminado de placas normalmente tienen un diseño de cuarto reversible. Son el tipo más grande de laminador ya que laminan un producto excepcionalmente ancho bajo condiciones altas de torque.

La configuración más sencilla es una única caja, si bien las variantes de dos cajas se usan para mayores producciones. Todos estos trenes son de tipo reversible (reduciendo la luz y, por ende, el espesor del material pasada tras pasada).

En los trenes laminadores de placas, a diferencia de otros laminadores planos, la laminación se lleva a cabo en dos orientaciones del material. La primera dimensión desarrollada es el ancho, laminando a través de la dirección de colada mediante una práctica conocida como laminación transversal. La placa es luego girada 90º y laminada al espesor deseado.

La secuencia de reducciones aplicada se conoce como esquema de laminación. Diferentes restricciones rigen en diferentes puntos del programa. Algunas de estas reflejan límites del laminador (tales como límites de torque cuando el material es grueso o límites de fuerza de separación de rodillos a medida que se acerca el espesor final). Otras involucran la condición del producto (tal como el seguimiento de una trayectoria temperatura-deformación adecuada para el desarrollo de las propiedades requeridas). Las tensiones internas en la chapa deben ser minimizadas compensando la deflexión de los rodillos bajo la acción de las fuerzas de laminación, y el control de espesor requiere una compensación de la deformación elástica de las cajas del laminador. Un laminador moderno incorpora muchos sistemas de control y actuadores para manejar estos factores y asegurar la calidad del producto terminado.

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Laminador de placas
La fotografía es cortesía de Siemens VAI

Enfriamiento

Una vez que se han alcanzado en el laminador las dimensiones y el espesor requeridos, la placa se somete a un enfriamiento. Para muchas aplicaciones y grados de acero, la secuencia de enfriamiento es tan influyente sobre las características metalúrgicas del acero como la secuencia de deformación en el laminador. Los sistemas de enfriamiento controlado utilizados para este fin son conocidos como sistemas de enfriamiento acelerados y se encuentran diseñados para reducir rápidamente la temperatura del material, alcanzando un nivel donde todas las transformaciones microestructurales se han completado. La uniformidad de enfriamiento de toda la superficie es crítica si se ha de evitar el alabeo de la placa.

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Chapa ingresando al sistema de enfriamiento acelerado
La fotografía es cortesía de Siemens VAI

Algunos sistemas de enfriamiento a la salida del laminador (conocidos como sistemas de temple directo) están diseñados para reemplazar el proceso de tratamiento térmico, fuera de línea, de templado y revenido que se utiliza para producir aceros de muy alta resistencia.

Se aplique o no el enfriamiento acelerado, las placas son finalmente enfriadas en aire a medida que son transferidas a un lecho de enfriamiento. En casos especiales, se utiliza el apilamiento de placas para reducir la velocidad de enfriamiento. Esto es para permitir que el hidrógeno se disipe fuera del material y así reducir su efecto fragilizante.

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Placas atravesando el lecho de enfriamiento
La fotografía es cortesía de Siemens VAI

Procesos de terminado

A la salida del lecho de enfriamiento, las placas son inspeccionadas. Si se detecta un daño superficial localizado, se puede aplicar rectificado para corregirlo. En caso de aplicaciones críticas, se aplica ensayo por ultrasonido para asegurar la integridad interna (libre de segregación).

El corte tiene tres propósitos. Además de cortar las placas a medida, también elimina el material de bordes y extremos que se desvía de las propiedades requeridas, debido a una transferencia de calor anormal en los extremos de la chapa. La línea de corte también extrae muestras de ensayos que se utilizan para certificar las propiedades del acero.

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Corte de placas
La fotografía es cortesía de Siemens VAI

El nivelamiento es un proceso de alivio de tensiones llevado a cabo a través de estiramientos bajos y controlados en una máquina de rodillos múltiples donde la chapa experimenta una serie de doblados alternativos. La mayoría de los laminadores de placas incorporan un nivelador en caliente para utilizar en todas las chapas, que se posiciona antes del lecho de enfriamiento. Muchos también utilizan un nivelador en frío en productos seleccionados (aquellos que necesitan mejorar la planitud) en el área de la línea de corte.

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Nivelador de placas
La fotografía es cortesía de Siemens VAI

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Inspección de placas
La fotografía es cortesía de Corus C+I

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Despacho de chapas
La fotografía es cortesía de Corus C+I

Requerimientos de propiedades para las placas

Las tres propiedades más importantes de las placas normalmente son:

  • resistencia
  • tenacidad
  • soldabilidad

Estas propiedades se persiguen en combinación. Como en todos los productos siderúrgicos, las propiedades del acero son una consecuencia de su microestructura.

Resistencia

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En los aceros para placas, los límites de fluencia normalmente superan los 300 MPa y pueden ser aún mayores, alcanzando los 1000 MPa para algunas aplicaciones. La tensión máxima de tracción (UTS) es, preferentemente, un 10% o mayor que el límite de fluencia, permitiendo un margen de seguridad en el diseño.

Tenacidad

La tenacidad es importante no sólo en términos de impacto (inicio de fisuración) sino también en lo que respecta a la resistencia del acero a la propagación de fisuras.

 

El ensayo de impacto Charpy proporciona una medida de la energía requerida para romper un material bajo carga de impacto. Hace 60 años se normalizó la comparación entre los diferentes tipos de acero producidos por una variedad de procesos de producción. El ensayo consiste básicamente de un martillo, con una determinada energía, que golpea una probeta entallada de dimensiones fijas. Se registra la energía requerida para fracturar la probeta a una temperatura específica, evaluando si el modo de fractura fue dúctil o frágil.

La capacidad de detección de grietas de las tuberías se evalúa en el Ensayo Battelle de Impacto por Caída de Peso (del inglés: DWTT). Se extrae una muestra rectangular, con bordes maquinados, de la tubería en la dirección circunferencial, se la entalla en su longitud media y se aplana. Se la somete a un impacto, por caída libre, localizado en la entalla, excediendo la energía de fractura de la probeta y, así, induciendo una propagación rápida de la fisura. Luego, se realiza un análisis metalográfico para determinar las proporciones de fractura frágil y dúctil en esta zona de falla extendida. La resistencia suficiente a la propagación de fisuras está definida convencionalmente como un mínimo promedio de 85% de fractura dúctil. La temperatura Battelle de la tubería es la temperatura más baja en la que se observa una ductilidad adecuada de acuerdo a este criterio y corresponde a la temperatura ambiente más baja y segura para la tubería en su entorno de aplicación.

Soldabilidad

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La soldabilidad puede ser considerada como la retención del acero de su resistencia y tenacidad original alrededor de las juntas soldadas.

Resistencia y tenacidad se obtienen simultáneamente a través del refinamiento de grano (de aquí la importancia de las velocidades de enfriamiento post-laminado en el desarrollo de las propiedades finales). Sin embargo, una amplia gama de mecanismos de endurecimiento son explotados en la producción de placas, incluyendo también el endurecimiento por precipitación y, obviamente, el endurecimiento por solución sólida.

El grado de endurecimiento por solución sólida que puede utilizarse está limitado por cuestiones de soldabilidad. Los aceros para chapas normalmente son categorizados en términos de carbono equivalente o valor PCM, y se especifican los umbrales permitidos para muchas aplicaciones.

CE = C+ Mn/6+ (Cr+Mo+V)/5+ (Si+Ni+Cu)/15 (umbral típico <0.45)

PCM = C + Si/30 + (Mn + Cu + Cr)/20 + Ni/60 + Mo/15 + 5B (umbral típico <0.25)

El uso generalizado de aceros de alta resistencia y baja aleación (HSLA) en la producción de placas está impulsado, en parte, por los requerimientos de propiedades de la aplicación y no simplemente por la búsqueda de costos de materia prima más bajos.

Metalurgia de la laminación termomecánica controlada (TMCR)

Se utilizan tres modos de laminación diferentes para producir chapa de acero.

En estado natural de laminación (del inglés: AR) – adecuado para aceros no aleados, de ferrita y perlita. Además de reducir el espesor del planchón, se aplica la laminación para romper la microestructura bruta de solidificación. La recristalización estática ocurre entre las pasadas de laminación, resultando en un refinamiento progresivo del tamaño de grano austenítico de aproximadamente 40-50 µm. Luego de la laminación, la austenita recristaliza por completo una vez más para producir una estructura equiaxiada que posteriormente se transforma dando lugar a una microestructura ferrítico-perlítica gruesa.

Normalizado-laminación (del inglés: NR) – actualmente usado como una forma de obtener las mismas propiedades producidas por un tratamiento de normalización, mediante un proceso directo de laminación. Al igual que con el modo AR, la fase inicial de desbastado rompe la estructura bruta de solidificación para producir granos austeníticos equiaxiales. Entonces se aplica un tiempo de permanencia durante el cual el acero se enfría, precipitando carbonitruros de Nb en los bordes de grano. Estos precipitados retrasan o suprimen la recristalización durante la segunda fase de terminación en la que se desarrolla una estructura muy deformada, de granos en forma de panqueque. Una vez enfriada, esta se transforma para producir una micro estructura ferrítico-perlítica fina que resulta en niveles más altos de resistencia y tenacidad que los productos AR.

Laminación termomecánica controlada (del inglés: TMCR). Igual que en el modo NR, pero con la fase final extendiéndose por debajo de la temperatura de transformación para producir un mayor refinamiento del tamaño de grano. La TMCR es el modo utilizado para productos tales como las tuberías que requieren una mayor resistencia y tenacidad a temperaturas más bajas.

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Figura que muestra las secuencias de laminación y enfriamiento para las rutas de AR, NR y TMCR. (Cortesía de SiemensVAI)

Programación del laminador

La laminación de placas no es diferente a cualquier otro negocio en cuanto a que debe generar ganancias. Una medida importante del potencial económico de un laminador es la denominada capacidad de producción (a cantidad de acero, en una dimensión y grado determinados que puede producirse en una unidad de tiempo). Si se opera en una combinación típica, un tren laminador moderno de dos cajas, de 5 metros de ancho, puede producir entre 1.5 y 2 millones de toneladas métricas de acero por año.

La capacidad real del laminador no es simplemente la suma de las capacidades de producción individuales. También depende de la secuencia de laminación. Si los productos son laminados en un orden desfavorable, ocurrirán cuellos de botella. Un ejemplo simple se hace evidente con el lecho de enfriamiento – los productos de mayor espesor requerirán de más tiempo para enfriarse y, por lo tanto, si se intercalan todas las chapas de mayor espesor en forma pareja en la secuencia de laminación, la velocidad promedio de llegada a la línea de corte de todas las placas se reducirá a la baja velocidad de producción de las más gruesas. En cambio, es mejor laminar todas las placas gruesas en un lote para que velocidades más altas de producción en el extremo de terminado sean sostenibles por el resto del tiempo.

Los laminadores modernos están equipados con sistemas automatizados que ordenan toda la línea de laminado en la forma más eficaz posible. El paso nominal del proceso se determina para cada producto utilizando modelos matemáticos. Las placas son monitoreadas a medida que se trasladan por el laminador utilizando una variedad de sensores para que los intervalos entre procesos sean cortos mientras se evitan las colisiones. Se considera que estos sistemas maximizan la capacidad de una serie compleja de procesos con mayor eficacia que los operadores manuales.

Intercalado

El TMCR (tratado anteriormente) normalmente requiere que la placa se mantenga en la línea por un período de tiempo significativo entre dos etapas de laminación. Si el laminador está inactivo durante el tiempo en que se enfría la placa, la utilización del equipo cae abruptamente. La necesidad de sostener un uso económico ha dado lugar a la estrategia de comenzar a laminar más placas mientras que se mantiene la primera, en un proceso a veces denominado intercalado.

Se pueden armar los patrones de laminación como el ilustrado aquí. Note que esta secuencia mantiene una velocidad de descarga del horno casi constante para que la trayectoria del procesamiento termomecánico de cada placa sea similar de principio a fin. Esto es importante ya que, de lo contrario, se inducirán variaciones en las propiedades de las placas a pesar del hecho que todas pasaron por la misma secuencia de pasadas de laminación.

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Comparación entre 2 laminadores típicos de placas

En esta simulación se pueden utilizar dos laminadores diferentes para laminar cada producto. Uno de ellos es el típico de laminadores anchos construidos en la década de 1980, con una potencia instalada de 14 MW. El segundo corresponde a los laminadores construidos a partir del año 2000, con una potencia instalada de 20 MW. Ambos laminadores tienen un ancho de 5 metros y están especificados para una fuerza separatriz de rodillos de 10 kilotoneladas (100 kN). Los dos operan a la misma velocidad base de 50 rpm en términos de rodillos de trabajo.

La diferencia entre los dos laminadores está en la capacidad de torque. Ya que el laminador está en el límite de torque cuando el material es grueso, la diferencia principal en los programas de laminación para los dos laminadores está en el número de pasadas necesarias para lograr el espesor de permanencia en TMCR para un producto dado. Esto le da al laminador más poderoso una pequeña ventaja en términos de capacidad de producción cuando los productos son laminados por separado y una ventaja más significativa cuando se practica la intercalación.

Sin embargo, la tendencia hacia mayores potencias en laminadores no se debe solamente a demandas de productividad. Existe también una ventaja de calidad del material en la laminación con altas deformaciones durante las primeras pasadas. Esto se debe a la mejora en la penetración de la deformación que hace que el acero sea deformado más homogéneamente en todo el espesor del planchón. Como resultado, su microestructura será más uniforme y consistente en todo el espesor y las propiedades serán más elevadas.

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Programas de laminación

Un programa de laminación es la secuencia de tiempos y reducciones utilizada para laminar una placa. Los tiempos son importantes ya que fijan el eje de temperatura de la trayectoria de deformaciones y temperaturas que recorre el acero. Ambos parámetros tienen una fuerte influencia en el desarrollo de la micro estructura del acero y, por lo tanto, en las propiedades mecánicas alcanzadas.

El diseño del programa de laminación y la repetibilidad de su ejecución es posiblemente el aspecto más crítico de la producción de placas de acero. En esta simulación se presenta un ejemplo simplificado del diseño de un programa de laminación.

Existe un número de factores que son considerados al momento de generar una programación de laminador:

a. Composición del material

La selección de una composición química es un compromiso entre el costo de las materias primas y el tamaño de la ‘ventana de proceso’ que permite alcanzar las propiedades requeridas. Cuanto menor sea el contenido de aleantes, mayor debe ser la precisión con que se replica la trayectoria deformación-temperatura.

Existe una penalidad adicional por el excesivo agregado de aleantes en muchas aplicaciones de placas – la degradación de la soldabilidad; las propiedades requeridas no son retenidas alrededor de las juntas después de la fabricación. Por este motivo, los valores CE/PCM para la composición del diseño pueden necesitar una verificación.

b. Temperatura de descarga del horno

La temperatura de descarga del horno (y en un análisis más completo, el tiempo de residencia) determina la cinética de solubilización de los aleantes, así como la resistencia en caliente del planchón. Una temperatura muy baja conducirá a propiedades degradadas – en particular una tenacidad pobre a través de precipitados no disueltos – y en caso extremo impedirá la laminación. Una temperatura muy alta es un desperdicio de energía y exacerba la oxidación.

c. Espesor de permanencia

Este valor es un compromiso entre una tenacidad mejorada y una capacidad de producción reducida de un solo producto. Un TMCR útil normalmente requiere un espesor de permanencia de por lo menos el doble del calibre final. Temperaturas de uso más bajas pueden incrementar esta relación hasta cuatro o incluso cinco veces. La práctica de permanencia varía significativamente entre laminadores, con posibilidad de un mayor espesor en los lugares donde la práctica de intercalación está bien desarrollada.

d. Temperatura final de laminación

Generalmente es mas alta donde se utiliza enfriamiento acelerado. Los sistemas de enfriamiento generan un incremento de capacidad de producción de productos de menor especificación, como así también un mejoramiento de las propiedades para especificaciones mayores. De lo contrario, depende de la micro estructura requerida.

e. Dimensiones iniciales del planchón (longitud, ancho y espesor)

El espesor (relativo al espesor final de la chapa) está dictado por la aplicación de la placa y por las propiedades finales. El ancho (relativo al ancho final de la chapa) determina la rectangularidad de la envuelta de la chapa terminada y, por lo tanto, el rendimiento en la línea de corte. Estos dos parámetros tienen reglas empíricas ampliamente utilizadas para su selección.

La longitud del planchón es utilizada como la variable de calibración, ajustando la masa del planchón a la masa de la placa solicitada para optimizar el rendimiento general. En la acería, el punto de corte del planchón en la colada continua se determina a partir de los tamaños solicitados de placas de un grado específico. La masa del planchón puede ser un múltiplo de la masa de la placa final si se solicita más de una pieza, como es generalmente el caso. En la práctica, la mayoría de los laminadores laminan los planchones más grandes dentro del límite de pérdida de calor del proceso reversible para maximizar el uso del equipo y el rendimiento del producto.

La mayoría de los laminadores de placas usan modelos de computadora que analizan los parámetros anteriores junto con los parámetros de trabajo del laminador para producir programas de laminación optimizados. Los programas desarrollados en esta simulación están generados por un modelo de ese tipo.

Especificaciones y normas para el pedido de placas

Las placas son, generalmente, compradas sujetas a una norma de aplicación. La norma está identificada en las especificaciones de la orden de trabajo entregada al laminador.

Ejemplos de autoridades reconocidas que certifican el material incluyen al American Petroleum Institute para tuberías y al American Bureau of Shipping, Lloyd’s Register, etc. en el caso de chapa naval. Una norma general instructiva para placas es EN 10025. Las normas tales como ésta, fijan tolerancias dimensionales permitidas, estipulan condiciones de entrega y definen métodos de ensayo.

 

Algunas normas de aplicación limitan los contenidos de aleantes a utilizar, para reflejar los requerimientos de procesamiento aguas abajo y los ambientes de servicio del producto que son característicos de un sector industrial. Por ejemplo, las tuberías requieren propiedades de resistencia a la corrosión particulares, dependiendo de las condiciones de tendido terrestre o marino así como también de la composición química de los fluidos transportados.

A pesar de esto, todavía existe la suficiente latitud de composiciones para que las empresas siderúrgicas se diferencien significativamente en el diseño de sus aceros. Es más, las normas sólo imponen condiciones de procesamiento en el laminador en unos pocos casos excepcionales, con el resultado que las habilidades técnicas del metalurgista pueden compensar las limitaciones de equipamiento relativas a la competencia.

Simulación de la laminación de placas

Esta simulación ilustra las decisiones técnicas que deben tomarse al convertir un pedido de placas en un producto terminado. Se pueden seleccionar cinco productos diferentes. Para cada uno, se debe elegir una composición de acero adecuada y se debe determinar un tamaño de planchón apropiado. Luego, se definirán algunos parámetros de procesamiento clave y se genera un programa borrador. La simulación continúa y el producto seleccionado es laminado de acuerdo a la práctica de laminación desarrollada.

La simulación será mejorada aún más para mostrar el intercalado de múltiples placas, ilustrar operaciones de ensayo e introducir algunos aspectos de la economía del proceso de producción de placas.

Note que el cálculo del tamaño del planchón se simplifica suponiendo un 100% de rendimiento e ignorando los despuntes de la línea de corte, el refilado de los bordes y el corte de la probeta.

La simulación corre mejor con pantalla completa.

Teoría de laminación

Ángulo de mordida

El ángulo α entre la línea central de los rodillos y el plano de entrada se conoce como ángulo de contacto o ángulo de mordida. Para que la barra que se lamina ingrese en la garganta del rodillo, la componente horizontal de la fuerza de fricción F que actúa hacia la luz entre rodillos, debe ser mayor o igual a la componente horizontal de la fuerza de laminación Pr, que actúa hacia afuera de la luz entre rodillos.

Las condiciones limitantes del ingreso sin ayuda de la barra a la luz entre rodillos son:

hr_unaided1

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hr_unaided3

hr_unaided4

 

La barra no será arrastrada hasta la luz entre rodillos a menos que el coeficiente de fricción exceda la tangente del ángulo de contacto. A medida que aumenta la fricción, aumenta el tamaño de las barras que serán arrastradas a través de una determinada luz entre rodillos.

En este ejercicio usted puede experimentar con diferentes parámetros de laminación para ver si los rodillos morderán o no.

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Para determinar el valor correcto de tan α se necesita conocer el radio del rodillo, R, el espesor de entrada de la barra, h0 y el espesor de salida, hf.

hr_rollgap-diagram

 

La distancia desde la línea central del rodillo y el punto donde la barra se encuentra con los rodillos está indicada como distancia g. Puede ser determinada geométricamente:

hr_unaided5

 

entonces tan α puede determinarse a través de:

hr_unaided6

 

Análisis simplificado de la carga de laminación

Los principales parámetros en la laminación son:

  • El diámetro del rodillo, R
  • La resistencia a la deformación del metal
  • La fricción entre los rodillos y la pieza a trabajar
  • La tensión frontal/posterior en el plano de la barra

La carga de laminación está dada por la presión del rodillo multiplicada por el área de contacto conforme a:

Pr=p×b×Lp

donde

Pr es la carga de laminación
p es la presión específica del rodillo
b es el ancho de la barra y
Lp es la longitud proyectada del arco de contacto

La longitud proyectada del arco de contacto está determinada por:

hr_arc_contact_length

 

donde

R es el radio del rodillo
h0 es el espesor de entrada
hf es el espesor de salida

La presión del rodillo es igual a la tensión de fluencia del material. Suponiendo que no hay un cambio en el ancho, se debería utilizar la tensión plana de fluencia σ’0. Si ocurre un ensanchamiento, entonces debería utilizarse la tensión de fluencia uniaxial. Por lo tanto, la carga de laminación está dada por:

Pr=σ’0×b×√(R×Δh)

En primera aproximación, la laminación es compresión plana de deformación en la que se genera una colina de fricción. De esta manera, la presión media de deformación p está dada por:

hr-roll-pressure

 

donde

hr-roll-pressure-component

 

Utilizando estas ecuaciones, la carga de laminación puede ser calculada de acuerdo con:

hr-rolling-load

 

El factor ‘2/√3’ surge ya que la laminación plana es una situación de deformación plana, por lo que la tensión de deformación utilizada debe ser la tensión de deformación en deformación plana.

Ejercicio: carga de laminación

En este ejercicio usted puede experimentar con diferentes parámetros de laminación y observar el efecto sobre la carga de laminación. Recuerde que primero deberá elegir parámetros que permitan un ingreso sin ayuda de la barra en la garganta del rodillo.

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Torque y potencia

La potencia es suministrada a un laminador ejerciendo un torque sobre los rodillos y aplicando tensión sobre la barra. La potencia se consume principalmente de las siguientes maneras:
  • Energía para deformar el metal
  • Fricción en cojinetes de rodillos
  • Pérdida de energía en el sistema de transmisión de potencia
  • Pérdidas eléctricas en motores, generadores, etc

El consumo de energía para un conjunto dado de parámetros de laminación está determinado por:

W = 2π × Mt

Por lo tanto, se necesita calcular el torque antes de determinar el consumo de energía. La carga total de laminación se distribuye sobre el arco de contacto en una distribución de presión con colina de fricción. Se puede suponer que se concentra en un punto a lo largo del arco de contacto a una distancia a de la línea del centro de los rodillos. Aquí, la dificultad radica en estimar el brazo del momento (MA) a y, por ello, es de práctica considerar la relación entre el brazo del momento a y la longitud proyectada del arco de contacto Lp:

λ = a / Lp

Un valor típico de λ es 0.5 para laminación en caliente y 0.45 para laminación en frío.

El torque Mt es igual a la carga total de laminación multiplicado por el brazo efectivo de momento. Dado que hay dos rodillos de trabajo, el torque está dado por:

Mt = 2 × Pa

Durante una rotación de un rodillo de trabajo, la carga de laminación resultante P se mueve a lo largo de la circunferencia de un círculo igual a 2πa. Dado a que hay dos rodillos de trabajo involucrados, el trabajo realizado es igual a:

Trabajo = 2(2πa)P

La energía se define como la velocidad de hacer trabajo, es decir: 1 W = 1 J s−1. Por lo tanto, la energía necesaria para operar un par de rodillos rotando a N Hz (s−1) está determinada por:

W = 4πaPN

Ejercicio: consumo de potencia

En el siguiente ejercicio usted podrá experimentar con diferentes parámetros de laminación para determinar el consumo de energía durante la misma. Recuerde que primero deberá elegir parámetros que permitan un ingreso, sin ayuda, de la barra a la garganta del rodillo.

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Causas y efectos de los defectos en la laminación

En estas animaciones usted puede apreciar como las distorsiones de los rodillos pueden provocar la ondulación de la chapa laminada en caliente. Esto depende de las fuerzas que el planchón ejerce sobre el rodillo y de cómo la convexidad y elasticidad del rodillo se corresponden con esto. Teniendo en cuenta que la fuerza separatriz que actúa sobre los rodillos es siempre mayor en el centro, los rodillos tenderán a curvarse, resultando en un mayor nivel de deformación en los bordes de la chapa.

Con el propósito de contrarrestar esto, los rodillos son normalmente diseñados con una forma ligeramente convexa para que cuando se apliquen las fuerzas de diseño, la superficie en contacto con la chapa sea recta. Sin embargo, cuando se lamina a menor fuerza que la de diseño, los rodillos convexos causarán una mayor deformación en el centro de la chapa.

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Ensanchamiento del material

El fenómeno de ensanchamiento es complejo y depende de muchos parámetros que afectan la deformación lateral del material de distinta manera en los diferentes tipos de laminación. En este módulo, nos enfocaremos en la laminación en caliente de planchones. La mayor reducción, los rodillos más grandes, la menor fricción entre el planchón y el rodillo y una menor rigidez del planchón incrementan el ensanchamiento. La incidencia de la temperatura es pequeña y muy compleja y, por lo tanto, no se contempla en este análisis.

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Decarburación de la placa

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Aquí puede apreciar como el planchón pierde gradualmente su carbono. Durante el proceso de laminación en caliente, el carbono en el planchón difunde hacia la atmósfera. La fuerza impulsora es la diferencia en el contenido de carbono entre el planchón y la atmósfera. Cuanto más caliente está el planchón mayor es el coeficiente de difusión (C en Fe) para el planchón y más fácil es la difusión del carbono. El contenido de carbono disminuye exponencialmente cuando disminuye la distancia a la superficie.

Efectos de la cascarilla

Aquí puede observar que el rompescamas de óxido no ha funcionado correctamente y ha permitido el ingreso de algunos restos de cascarilla de FeO en el planchón. A diferencia del metal, la cascarilla es imposible de deformar y, por lo tanto, se rompe y se introduce en la superficie del planchón, volviéndolo rugoso. La cascarilla también torna rugosa a la superficie de los rodillos. Este fenómeno es complejo y depende de, por ejemplo, el agua de enfriamiento, la composición del acero, la temperatura y la reducción.

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Un rompescamas tiene dos filas de chorros alternados de agua. Esto contribuye a garantizar que la totalidad de cascarilla sea removida antes de la laminación. La configuración es la siguiente.

Formación de cascarilla

Aquí puede apreciar como se forma una cascarilla de óxido en la superficie del planchón, y sus consecuencias. A diferencia del metal, la cascarilla es imposible de deformar y, por lo tanto, se rompe y se introduce en la superficie del planchón, volviéndolo rugoso. La cascarilla, con el tiempo, también torna rugosa a la superficie de los rodillos. Este fenómeno es complejo y depende de, por ejemplo, el agua de enfriamiento, la composición del acero, la temperatura y la reducción.

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Deformación del marco del laminador

Aquí puede apreciar como el marco de la caja de laminación se deforma durante el proceso de laminación en caliente. Se supone que el marco se deforma elásticamente en forma lineal cuando las cargas sobre los rodillos están activas. Las deformaciones transitorias aparecerán como vibraciones que pueden ser modeladas por ecuaciones diferenciales. La vibración del marco deteriora la calidad de la superficie debido a pequeñas variaciones en el espesor.

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Fabricación de productos laminados en caliente

Laminación de chapa en frío

La laminación en frío permite reducir el espesor de la chapa laminada en caliente hasta espesores entre 0.2–2.2 mm. Una planta de laminación en frío típica comprende diversas secciones: línea de decapado continuo, laminador en frío, horno de recocido, laminador superficial (temple) como así también la línea de inspección y acabado.

El proceso de decapado se lleva a cabo para eliminar la cascarilla de laminación formada en el proceso de laminación en caliente que puede causar defectos superficiales en los productos terminados. El decapado tiene lugar en una línea continua y consiste en pasar la chapa a través de un rompescamas y de un tanque con ácido sulfúrico, clorhídrico o una mezcla de ácido nítrico y fluorhídrico. Luego, la chapa se enjuaga, seca, corta y aceita electrostáticamente para garantizar correctas condiciones de fricción durante la laminación posterior.

Normalmente, la laminación en frío se realiza en laminadores tándem de cuatro o cinco cajas o en laminadores de rodillos múltiples de una caja (por ejemplo, laminadores de seis, doce o veinte rodillos). La chapa laminada en frío, endurecida por trabajado, es sometida a un recocido de recristalización, continuo o en campana, a una temperatura dentro del rango de 600–700 °C.

La chapa recocida es laminada ligeramente en un laminador cuarto reversible donde experimenta una pequeña deformación. La laminación superficial se lleva a cabo para mejorar la planitud de la superficie, desarrollar la rugosidad superficial requerida y suprimir la deformación inhomogénea en el punto de fluencia.

Después de la laminación superficial, la chapa es marcada y sometida a una inspección de calidad. El material es aceitado para protegerlo temporariamente contra la corrosión. De acuerdo a las demandas del cliente, la chapa laminada en frío es bobinada, cortada en flejes o refilada y cortada en láminas de dimensiones especificadas. Se pueden aplicar a la chapa revestimientos protectores y decorativos.

La chapa laminada en frío es, también, una materia prima básica en los procesos de conformado de chapas.

Perfiles conformados por rolado

La principal ventaja de este proceso es la capacidad de obtener secciones complejas en perfiles conformados en frío. Como resultado, se puede lograr un módulo de perfil que posibilita un consumo de acero considerablemente menor en comparación con los perfiles laminados en caliente equivalentes.

Tanto el fleje laminado en frío como en caliente pueden ser utilizados como material para producir perfiles conformados en frío. Pueden ser perforados para reducir el peso del producto.

El conformado en frío de perfiles se lleva a cabo en una línea de conformado por rolado que consiste de una sección inicial para desbobinado y unión de flejes, una sección de rolado de varias cajas con rodillos de perfilado y una sección de salida donde se llevan a cabo el corte a medida, el marcado y el apilado de los productos terminados. Las líneas pueden ser adaptadas para la producción de perfiles abiertos (por ejemplo, ángulos, canales) o huecos. En el caso de perfiles huecos conformados en frío, se pueden soldar a tope luego de la operación de conformado.

Los productos terminados pasan por una inspección de calidad superficial y precisión dimensional. Para proporcionar resistencia a la corrosión, los perfiles terminados pueden ser recubiertos con revestimientos protectores.

Tubos soldados en forma de espiral

Los tubos soldados en espiral son producidos continuamente a partir de fleje laminado en caliente. Esta tecnología permite obtener tubos con un diámetro externo de hasta 2000 mm y un espesor de pared de hasta 16 mm.

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Un fleje laminado en caliente es desbobinado y su frente es unido mediante soldadura al extremo del fleje anterior. Los bordes del fleje son refilados y el fleje es enrollado en forma espiral para formar un tubo del diámetro especificado.

Luego, los bordes del fleje son soldados por arco sumergido, tanto desde el interior como el exterior del tubo. Inmediatamente después del soldado, se lleva a cabo la inspección ultrasónica y se corta el tubo a medida por medio de una cizalla volante.

Los extremos del tubo son roscados y finalmente, cada segmento de tubo pasa por inspecciones minuciosas (ensayos no-destructivos, ensayo hidrostático, inspección de calidad superficial y de precisión dimensional).

Tubos soldados longitudinalmente I

Los tubos soldados longitudinalmente de diámetros pequeños y promedio se fabrican a partir de flejes o bandas (normalmente flejes laminados en caliente de 2.75–5 mm de espesor y 65–300 mm de ancho). A continuación se presentan esquemáticamente dos procesos utilizados para producir tubos soldados longitudinalmente: ERW y CBW.

Soldadura por resistencia eléctrica

Un fleje o banda desenrollada, con sus lados refilados, es conformado en un tubo de costura abierta cuando pasa por una serie de rodillos perfilados. Luego, los bordes se sueldan por resistencia eléctrica . Con posterioridad a la eliminación de la rebaba de soldadura y del tratamiento térmico de la zona soldada, el tubo se somete a algunas pasadas de calibrado, estirado con reducción del espesor de la pared, enderezado, corte a la medida especificada, biselado y roscado. Finalmente, se inspecciona la calidad y la precisión dimensional del tubo.

Soldadura continua a tope

El frente de un fleje desenrollado es soldado al extremo del anterior para asegurar un flujo continuo de material. Luego, el fleje pasa por un precalentador y un horno a un conjunto continuo de cajas de rolado donde se lleva a cabo progresivamente el conformado, la soldadura de alta frecuencia y el calibrado del tubo.

Los tubos terminados pueden ser revestidos para brindar protección anticorrosiva.

Tubos soldados longitudinalmente II

Los tubos de diámetros grandes, soldados longitudinalmente, son producidos a partir de placas mediante el proceso de doblado por prensado en frío. Esta tecnología permite alcanzar diámetros de tubo de aproximadamente 400–1620 mm, espesores de pared de 6–40 mm y longitudes de tubo de hasta 18 m. El proceso de conformado incluye las siguientes operaciones:

  • corte de los bordes laterales de la placa para hacerlos paralelos entre sí
  • corte del bisel de soldadura en los bordes
  • doblado de los bordes laterales con un radio de curvatura correspondiendo aproximadamente al del tubo de costura abierta
  • curvado de la placa en forma de U
  • curvado de la placa en forma de O para lograr un tubo de costura abierta

Los bordes del tubo de costura abierta se puntean con soldadoras MAG automáticas. El tubo es luego transportado a las líneas de soldadura por arco sumergido (SAW) donde se lleva a cabo tanto la soldadura interna como externa. El tubo soldado es transferido al departamento de terminación donde pasa por la primera inspección y por una expansión mecánica o hidráulica, para lograr las tolerancias de diámetro y redondez. Después se realizan el ensayo hidrostático y la inspección precisa de la zona soldada y de los bordes del tubo. Finalmente, los extremos del tubo son sometidos a algunas operaciones de maquinado.

A continuación se muestra un esquema de las principales etapas del proceso UOE.

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Perfiles soldados

Los perfiles soldados son producidos a partir de placas, de 3–32 mm de espesor, cortadas a medida por oxicorte. Las placas son transportadas a una granalladora para realizar la limpieza superficial. Luego, los componentes del perfil son ensamblados correctamente y punteados con soldadura para fijarlos en la posición correcta. El perfil ensamblado es soldado automáticamente por arco sumergido. Finalmente, se realiza el corte de los extremos del perfil.

Los productos terminados pasan por un control de calidad superficial, se verifica la precisión dimensional y el espesor de la soldadura. A los efectos de proporcionar resistencia a la corrosión, se pueden aplicar recubrimientos de protección superficial.

Procesos de revestimiento

Más de un tercio de los productos laminados planos están revestidos con recubrimientos metálicos u orgánicos para mejorar su resistencia a la corrosión y su apariencia. El proceso de revestimiento metálico más común es el galvanizado por inmersión en caliente (inmersión de una chapa en un baño de cinc líquido).

La producción de chapas revestidas por inmersión en caliente se lleva a cabo en una línea continua y comienza con la preparación superficial de la chapa (eliminación electrolítica y mecánica de la emulsión). El quemado de la emulsión residual y el recocido de la chapa a 700–850 °C, como también su enfriado a una temperatura de aproximadamente 470 °C se lleva a cabo en las secciones posteriores de un horno de recocido continuo. La chapa pasa por un baño de cinc a una temperatura de 450 °C. La utilización de chorros de aire asegura un control exacto del espesor del revestimiento. Luego de la eliminación de las flores de cinc (hidrocincita) y del enfriado a temperatura ambiente, la chapa es laminada superficialmente y nivelada por tensión. Las operaciones de acabado consisten en inspección de calidad, aceitado o pasivado, corte y bobinado.

Cuando el material, luego de la inmersión, es sometido a un tratamiento térmico inmediato a una temperatura de 520 °C, la capa de cinc puro es reemplazada por un revestimiento de cinc-hierro como consecuencia de un proceso de difusión. Esta chapa galvano-recocida tiene mejores propiedades de soldadura y adherencia que la galvanizada por inmersión en caliente.

Los cincados con adición de aluminio son aplicados con más frecuencia en los últimos tiempos. Ofrecen una mejor protección anti-corrosiva que la capa de cinc. Gran parte del acero galvanizado también pasa por líneas de revestimiento orgánico.

Un proceso alternativo a la inmersión en caliente es el electrogalvanizado. El mismo se lleva a cabo en una serie de celdas electrolíticas que unen electroquímicamente el cinc a la superficie del metal, brindando una resistencia a la corrosión y una apariencia superior. El estañado y el cromado, mayormente utilizados para latas y envases, son también procesos electrolíticos.

Línea de galvanizado por inmersión en caliente

La chapa con revestimiento orgánico también es producida en una línea de revestimiento continuo. La chapa desenrollada pasa a través de una sección de limpieza y secado. Luego de la nivelación por tensión, la chapa es revestida con los recubrimientos de conversión para asegurar la unión adhesiva correcta. Se aplica entonces la capa primaria de pintura por medio de rodillos en uno o ambos lados de la chapa. Posteriormente es secada y horneada a una temperatura de 250 °C. Luego del enfriado, se aplica un recubrimiento de pintura de terminación y luego se seca y se hornea. La chapa revestida es de nuevo enfriada rápidamente. En algunos casos se utilizan hojas ultra delgadas decorativas en lugar de pinturas. Previo al bobinado se puede aplicar una hoja ultra delgada protectora removible ante un pedido especial del cliente.

Tratamiento térmico del acero

Tratamiento térmico: Introducción

 Generalidades

En este módulo usted examinará los diferentes métodos de Tratamiento Térmico, las razones detrás de su uso y sus efectos sobre el acero y sus propiedades. Usted comprenderá los principios del tratamiento térmico, que en definitiva apunta a mejorar las propiedades del acero.

Introducción

El tratamiento térmico del acero involucra a diversas etapas de procesamiento, incluyendo la austenización y el templado. Estos son normalmente complementados por otros procesos de tratamiento térmico, tales como el recocido y los tratamientos superficiales. Los procesos de tratamiento térmico pueden llevarse a cabo en varios tipos de hornos, que difieren en características tales como presión, atmósfera, cantidad de cámaras, etc.

Los tratamientos térmicos superficiales son métodos utilizados para obtener una superficie dura y durable, pero con un núcleo tenaz. El tratamiento térmico también puede ser beneficioso para las propiedades mecánicas, como resultado de una estructura unificada, menor tamaño de grano, dureza incrementada y mejores propiedades superficiales.

Mientras las aplicaciones modernas se vuelven cada vez más desafiantes, las propiedades mecánicas mejoradas que proporcionan los tratamientos térmicos tienen cada vez mayor demanda. Por ejemplo, los aceros tratados térmicamente son utilizados como herramientas de trabajo en caliente y en aplicaciones diseñadas para diferentes tipos de tensiones aplicadas.

Módulos

  • Austenización
  • Tratamientos superficiales
  • Endurecimiento
  • Recocido
  • Hornos
  • Aceros tratados térmicamente

Resultados del Aprendizaje en esta Sección

Luego de finalizada esta sección, usted podrá:

  • Explicar como mejorar las propiedades mecánicas de los aceros
  • Enumerar los efectos de los elementos aleantes en aceros
  • Describir en que medida las velocidades de enfriamiento o calentamiento afectan la transformación
  • Describir como diferentes composiciones del acero y velocidades de calentamiento/enfriamiento pueden afectar las transformaciones que ocurren durante el tratamiento térmico.
  • Describir los diferentes tipos de horno que se utilizan para el tratamiento térmico de los aceros.

Austenización

Austenita = γ (FCC)

Ferrita= α y δ (BCC)

Cementita = Fe3C

Perlita = α + Fe3C

La austenización es la etapa de un proceso de tratamiento térmico, donde el acero es calentado dentro o por encima del rango de transformación (línea A1), cuando una matriz austenítica comienza a formarse.

La austenita se forma totalmente cuando el acero es calentado por completo por encima de las temperaturas A3 o Acm.

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Acero hipoeutectoide

Los aceros hipoeutectoides (es decir, los aceros que contienen <0.77 %C) tienen una estructura de ferrita + perlita a temperatura ambiente. Cuando se los calienta por encima de la temperatura A1, la perlita se transforma en austenita y por encima de A3, la ferrita se transforma en austenita para producir una matriz totalmente austenítica.

Perlita + Ferrita Austenita + Ferrita Austenita
(superior a la línea A1) (superior a la línea A3)

Acero hipereutectoide

El acero hipereutectoide (>0.77 % C) también tiene una estructura de ferrita + perlita a temperatura ambiente. Sin embargo, al calentarse por encima de la temperatura A1, la perlita se transforma en cementita (Fe3C). Ante un mayor calentamiento por encima de la temperatura Acm, la cementita se transforma en austenita para producir una matriz totalmente austenítica.

Perlita + Ferrita Austenita + Cementita Austenita
(superior a la línea A1) (superior a la línea Acm)

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Recocido

Introducción

El recocido es un método de tratamiento térmico que se realiza como tratamiento posterior a un templado o como tratamiento previo al conformado o al maquinado.

Los métodos de recocido se dividen conforme a seis procesos diferentes:

  • Normalizado
  • Recocido isotérmico
  • Deshidrogenación
  • Recocido de recristalización
  • Recocido de esferoidizado
  • Recocido para alivio de tensiones

El recocido isotérmico puede subdividirse en recocido perlítico isotérmico y recocido de patentado. El recocido de esferoidizado puede subdividirse en recocido subcrítico e inter-crítico.

Resultados del Aprendizaje en esta Sección

Luego de finalizada esta sección, usted podrá:

  • Describir diferentes métodos de recocido
  • Enumerar y explicar las principales reacciones que ocurren durante el recocido

Normalizado

El normalizado de aceros es utilizado fundamentalmente para:

  • Equilibrar la estructura y reducir el tamaño de grano (como método posterior al tratamiento térmico);
  • Mejorar la maquinabilidad y la tenacidad de aceros fundidos;
  • Eliminar la macroestructura generada por conformado y desbaste irregular;
  • Eliminar la macroestructura generada por soldadura;
  • Uniformizar la calidad y la tenacidad luego del conformado en caliente.

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El normalizado es generalmente realizado en aceros hipoeutectoides (con un contenido de carbono menor al 0.8%). Durante este proceso el acero es calentado a 25-50 °C por encima del nivel A3–(UCT = Temperatura crítica superior).

El normalizado también puede aplicarse a aceros hipereutectoides (con un contenido de carbono mayor al 0.8%), en cuyo caso el calentamiento es realizado en el rango de temperaturas Acm y A1. Sin embargo, el normalizado es escasamente utilizado en aceros hipereutectoides.

Para los aceros que poseen un bajo contenido de carbono (contenidos de carbono menores al 0.3%) los componentes pueden estar sujetos a conformados en frío luego del normalizado.

Recocido isotérmico

El recocido isotérmico se realiza para producir una estructura perlítica fina, que es una microestructura adecuada para corte y trefilación. Normalmente se aplica a aceros de alta aleación luego de laminación en caliente y enfriamiento, a fin de transformar cualquier estructura nociva que pudiera haberse formado.

El recocido isotérmico puede dividirse en dos procesos: Recocido perlítico isotérmico y patentado.

Recocido perlítico isotérmico

El maquinado del acero se convierte en un desafío cuando se forma bainita. Para aceros aleados, el riesgo de formación de bainita y aún de martensita aumenta, especialmente luego del conformado en caliente y enfriamiento por aire. Una estructura que contiene bainita o martensita es demasiado dura para el maquinado y provoca un desgaste prematuro de las herramientas de corte. Puede transformarse en una estructura más adecuada para el maquinado si se le aplica un recocido perlítico isotérmico.

A través del recocido isotérmico, el acero se transforma en una estructura de ferrita-perlita.

El proceso de recocido perlítico isotérmico puede dividirse en las siguientes etapas:

  • Primero, el acero es recocido por encima de la línea de temperatura A1;
  • Luego del calentamiento, el acero es enfriado hasta la temperatura de formación de perlita;
  • La temperatura se mantiene estable hasta que la austenita se transforma totalmente en ferrita y perlita.

Recocido de patentado

El recocido de patentado es utilizado cuando se requiere una estructura perlítica controlada. Normalmente el proceso se lleva a cabo en un rango de temperatura de 450–600 °C, sin embargo, esto depende fuertemente de la composición del acero.

El patentado es utilizado específicamente cuando se requiere trefilabilidad en un acero de alto carbono, ya que transforma la microestructura de los alambres en una estructura laminar fina. Una estructura perlítica muy fina se obtiene cuando se permite la transformación isotérmica de la austenita, donde no se produce ferrita proeutectoide.

La estructura obtenida por los procesos de patentado posee:

  • Buenas propiedades de tracción en condiciones de trefilado;
  • Buenas propiedades de resistencia en alambres;
  • Tensión máxima de tracción (UTS) superior a los 2000 MPa;
  • Buenas propiedades de ductilidad para el trefilado.

Deshidrogenización

Entre las impurezas más importantes en un acero se encuentran el oxígeno, el nitrógeno y el hidrógeno. Durante el enfriamiento y la soldadura de laminados o forjados grandes el hidrógeno se disuelve en el acero provocando fragilización, fisuras y sensibilidad a la corrosión bajo tensiones. Estas desventajas pueden ser eliminadas mediante recocidos de deshidrogenación.

El aumento de temperatura eleva la velocidad de difusión del hidrógeno, particularmente en aceros que contienen ferrita. Contrariamente, en las estructuras de acero que contienen austenita, la velocidad de difusión del hidrógeno es significativamente menor. Por lo tanto la deshidrogenación se realiza a temperaturas lo más elevadas posibles, pero por debajo de la línea A1, que normalmente se encuentra entre los 650–700 °C. El tiempo requerido para la deshidrogenación depende del contenido de hidrógeno y del tamaño del componente que está siendo recocido.

Ver también

  • Eliminación de hidrógeno > Eliminación de hidrógeno

Recocido de recristalización

El recocido de recristalización tiene lugar en un rango de temperatura entre los 600 °C y la línea A1.

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La recristalización se utiliza como un tratamiento posterior al conformado en frío a fin de ablandar un acero endurecido por deformación. Durante el recocido de recristalización, la ferrita se recristaliza y las propiedades del acero retornan a aquellas que poseía antes del conformado en frío.

El recocido de recristalización es utilizado relativamente poco para aceros aleados; en los aceros al carbono se aplica solamente a los aceros con bajo contenido de carbono.

Características técnicas del recocido de recristalización:

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Recocido de esferoidización

El recocido de esferoidización (esferoidizado o globulizado) es generalmente aplicado a aceros con contenidos de carbono por encima de 0.5%. Este tipo de acero es normalmente muy duro para ser trabajado en frío (por ejemplo, por estampado) o de cortar, debido a su estructura de perlita y cementita.

Un acero que contiene grandes cantidades de perlita laminar y cementita es demasiado duro para un posterior maquinado. El propósito del proceso de esferoidizado es formar carburos esferoidales y distribuirlos en forma pareja dentro de la estructura del acero, lo que hará al material más blando y tenaz. Normalmente, si se aumenta el tamaño de los esferoides se logra una mejor maquinabilidad del acero.

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Los recocidos sub-crítico e inter-crítico son métodos diferentes para producir carburos esferoidales.

Recocido subcrítico

Se puede obtener una estructura esferoidal ya sea mediante calentamiento a una temperatura baja durante un período de tiempo mayor, o mediante el uso de una temperatura más alta por un período de tiempo menor. El recocido subcrítico está basado en el primer proceso (temperaturas más bajas por más tiempo) y utiliza temperaturas lo más cercanas posible, pero por debajo, de la temperatura A1, que es generalmente de 680 °C. El tiempo de recocido es muy largo; comúnmente varía entre 5 y 20 horas. El resultado del recocido subcrítico depende de la estructura inicial del acero.

Recocido intercrítico

El recocido intercrítico es un proceso de calentamiento que tiene lugar entre las temperaturas A1 y A3. El recocido intercrítico consiste de las etapas de austenización y enfriamiento lento. En el recocido intercrítico la austenita se transforma en una estructura esferoidal durante un enfriamiento continuo o un mantenimiento isotérmico.

Recocido para alivio de tensiones

El recocido para alivio de tensiones es un tratamiento térmico utilizado para reducir tensiones internas luego de diversos procesos productivos, tales como:

  • Conformado en frío
  • Enfriamiento rápido
  • Maquinado de desbaste
  • Fundición
  • Soldadura

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El recocido para alivio de tensiones es realizado dentro del rango de temperaturas de 500–600 °C, con un tiempo típico de permanencia de una hora por pulgada del espesor del material. Luego del mismo, el material se deja enfriar lentamente dentro del horno (enfriamiento en horno).

Recocido: Ejercicio

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Con esto finaliza la presente sección. Si fuera necesario, por favor asegúrese de haber alcanzado los objetivos de aprendizaje previstos para esta sección:

  • Describir diferentes métodos de recocido
  • Enumerar y explicar las principales reacciones que ocurren durante el recocido

Templado

Endurecimiento: Introducción

El endurecimiento puede realizarse por un enfriamiento rápido, que también se conoce como templado. Durante el templado, no existe tiempo suficiente para la descomposición, controlada por difusión, de la austenita en ferrita y perlita y, en cambio, una transformación sin difusión tiene lugar donde se forma martensita.

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Durante el templado se puede utilizar un medio de enfriamiento como aceite, agua, polímero o baño de sales. Otros medios incluyen soluciones de salmuera, soluciones cáusticas, metales o niebla de agua, algunos de los cuales sólo pueden usarse bajo ciertas condiciones.

Agitación Intensidad de diferentes medios de enfriamiento (valor-H)
Aceite Agua Baño de sales
Sin agitación 0.25 – 0.30 0.9 – 1.0 2.0
Suave 0.30 – 0.35 1.0 – 1.1 2.0 – 2.2
Moderada 0.35 – 0.40 1.2 – 1.3
Buena 0.4 – 0.5 1.4 – 1.5
Fuerte 0.,5 – 0.8 1.6 – 2.0
Extrema 0.8 – 1.1 4.0

Resultados del Aprendizaje en esta Sección

Luego de finalizada esta sección, usted podrá:

  • Describir los diferentes métodos de endurecimiento
  • Enumerar y explicar las principales reacciones que ocurren durante el templado

Enfriamiento en Gas

Durante el templado con gas, los componentes son templados en un medio gaseoso. La capacidad de templado de diferentes gases se encuentra descrita por la dependencia del coeficiente de transferencia de calor con el tipo de gas y con la presión. Durante el templado por gas se puede calcular la transferencia de calor conforme a la siguiente ecuación:

q = a (Ts – Tg)

donde q es la densidad del flujo de calor (W m−2), a es el coeficiente de transferencia de calor, Ts es la temperatura superficial y Tg es la temperatura del gas. El coeficiente de transferencia de calor esta dado por:

a = k pi vj

donde los exponentes i y j varían con los parámetros de flujo, tales como la velocidad, geometría y turbulencia, v es la velocidad del gas, p es la presión y la constante k depende del número de Prandtl’s, de la viscosidad cinemática, la capacidad de transferencia de calor del gas, la densidad del gas y la geometría del componente.

Gases

Los gases utilizados en el enfriamiento por gas son helio (He), hidrógeno (H2), argón (Ar) y nitrógeno (N2). El hidrógeno tiene un coeficiente de transferencia de calor relativo elevado, pero es altamente explosivo; si se mezcla con oxígeno, el hidrógeno explota cuando se enciende. La segunda mejor solución basada en un coeficiente relativo de transferencia de calor sería el helio, pero este gas es bastante escaso y costoso, por lo tanto no es utilizado, excepto que pueda ser recuperado y reciclado. El gas de enfriamiento más comúnmente utilizado por su bajo costo es el nitrógeno.

Presión de gas

La presión de gas en el enfriamiento por gas es normalmente de 2, 6, 10 o 20 bar. Se usa una presión de 2 bar cuando no existen requerimientos especiales de capacidad de templado, por ejemplo para aceros rápidos (HSS), aceros para herramientas de trabajo en caliente y en frío, aceros de temple al aire y aceros inoxidables martensíticos. Cuando se los templa a tan baja presión, el espesor de los componentes es limitado y no deben ser cargados en forma compacta. Cuando se trata de aceros para herramientas de trabajo en caliente, la presión típica es de 6 bar, que aumenta la efectividad del templado entre 3.5 a 4 veces en comparación con la presión de 2 bar. Se pueden lograr aún mayores mejoras mediante templados a 10 bar y utilizando nitrógeno como medio de enfriamiento: el coeficiente de transferencia de calor aumenta un 140% comparado con aquel a una presión de 6 bar. El número aumenta al 300% cuando se templa a 20 bar en helio.

Templado en aceite

Inmediatamente después de la etapa de cementación, cuando el componente todavía se encuentra caliente es sumergido en aceite. La primera etapa del enfriamiento por aceite es la evaporación del aceite sobre la superficie del componente. Luego, el aceite comienza a entrar en ebullición más allá de la superficie. La ebullición rompe la capa de vapor y el enfriamiento se torna localmente irregular. Esta es considerada una de las limitaciones del enfriamiento por aceite, aunque la transferencia de calor es más efectiva en la etapa de ebullición. En la etapa de evaporación, la velocidad de enfriamiento es aproximadamente de 30 °C s-1, y en la etapa de ebullición varía entre los 100–150 °C s-1.

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Templado en agua

Utilizar agua como medio de templado es muy beneficioso debido a su naturaleza altamente funcional. El enfriamiento por agua tiene muchas ventajas, tales como: bajo costo, seguridad ambiental y fácil acceso. Desde un punto de vista técnico, el agua brinda la más alta velocidad de enfriamiento de todos los medios líquidos. Las desventajas de usar agua surgen de la alta velocidad de enfriamiento, que puede conducir a la distorsión y aún hasta la fisuración de los componentes.

El agua es comúnmente utilizada para enfriar partes simétricas fabricadas a partir de aceros de “baja templabilidad”. Los aceros que se benefician con el enfriamiento con agua son los aceros al carbono, los aceros de baja aleación y los aceros inoxidables austeníticos.

Templado en Baño (de sales/metal)

Los baños de sales son utilizados para templado y bainitizado.

Los diferentes baños de sales incluyen:

  • Aleación de nitrato alcalino, rango de temperatura 160–500 °C;
  • Aleación de nitrato, rango de temperatura 160–500 °C;
  • Baño de KOH, rango de temperatura 180–500 °C e intensidad de templado 0.2–0.4;
  • Baño de NaOH, rango de temperatura 180–500 °C e intensidad de templado 0.2–0.4;
  • Baño de plomo, rango de temperatura 400–500 °C. Es normalmente utilizado para el patentado de alambre de acero no aleado de alto carbono.

Templado en polímero

Los polímeros pueden ser usados como una alternativa al enfriamiento por agua. Sus características de templado se encuentran dentro del rango de las características del agua y del aceite.

Los polímeros utilizados como medios de enfriamiento son alcohol polivinílico (PVA), glicoles polialquilenos (PAG), polivinilpirrolidona (PVP) y poliacrilato.

Luego del templado, la estructura del acero consiste de martensita y austenita retenida. El revenido es utilizado como un tratamiento térmico posterior al templado para disminuir los efectos perjudiciales (por ejemplo: fragilidad extrema) provocados por una martensita dura. Dependiendo de la aplicación, se utiliza un amplio rango de temperaturas de revenido. Los engranajes carburizados por ejemplo, pueden ser revenidos a una temperatura tan baja como de 180 °C para aliviar las tensiones residuales sin pérdida de dureza. Por otra parte, los aceros de medio carbono pueden ser revenidos a temperaturas de hasta 650 °C a fin de restablecer su tenacidad.

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El revenido ocurre en tres etapas:

  • La primera etapa tiene lugar en un rango de temperatura de 80–160 °C. El carburo-E se forma en las agujas martensíticas;
  • La segunda etapa se denomina la etapa de transformación de austenita retenida y tiene lugar a una temperatura de 250 °C;
  • En la tercera etapa se forma la cementita. La misma ocurre dentro de un rango de temperatura de 260–360 °C.

Revenido austenítico (Austempering)

El revenido austenítico (austempering) tiene lugar a temperaturas situadas entre los rangos de temperatura de formación de perlita y de martensita.

Cuando se lo compara con los métodos tradicionales de templado y revenido, los beneficios del revenido austenítico son: mayores resistencias al impacto y ductilidad mejorada.

Las etapas del revenido austenítico son:

  • Un componente es inicialmente calentado en la región austenítica;
  • Luego del calentamiento el componente es rápidamente enfriado por templado y luego es mantenido en un baño de sales en un rango de temperaturas de 200-420 °C;
  • Luego del baño de templado el componente es enfriado a temperatura ambiente;
  • La estructura resultante del revenido austenítico es 100% bainita.

13-10-2013 22-16-58
La limitación del revenido austenítico es que sólo puede ser aplicado a componentes delgados, que puedan ser enfriados lo suficientemente rápido para suprimir la transformación perlítica.

Endurecimiento: Ejercicio

13-10-2013 22-20-10 13-10-2013 22-22-35

Con esto finaliza la presente sección. Si fuera necesario, por favor asegúrese de haber alcanzado los objetivos de aprendizaje previstos para esta sección:

  • Describir los diferentes métodos de endurecimiento
  • Enumerar y explicar las principales reacciones que ocurren durante el templado

Tratamientos superficiales

Tratamientos superficiales: Introducción

Un componente que experimenta desgaste, por ejemplo un engranaje, se requiere que posea una superficie dura, pero un núcleo tenaz. Los tratamientos superficiales pueden proporcionar este tipo de características bilaterales. El tratamiento superficial crea una capa superficial delgada, pero dura, en un núcleo más blando y tenaz, que produce un material capaz de soportar desgaste y tensiones altas. Se puede generar una capa superficial dura a través de distintos procesos de tratamiento térmico, tales como cementación (carburación), nitruración, temple por inducción o por rayos láser, etc.

 13-10-2013 22-35-07

La cementación puede realizarse utilizando un “portador” de carbono en diferentes estados, como gaseoso, líquido o sólido. Los diferentes métodos de cementación se identifican en base al portador de carbono:

  • Cementación gaseosa
  • Cementación líquida
  • Cementación en caja

Otro método de endurecimiento superficial es la nitruración. Diferentes métodos de nitruración se identifican a partir del portador de nitrógeno:

  • Nitruración gaseosa
  • Nitruración líquida
  • Nitruración bajo plasma

Un tercer proceso de endurecimiento superficial es el endurecimiento por inducción, donde se utiliza una corriente eléctrica como fuente de calor. Diferentes técnicas de endurecimiento superficial dan como resultado diferentes propiedades, tal como se resume a continuación.

Cementación Nitruración Inducción
Espesor de capa típico, mm 0.5 – 2.5 0.2 – 0.5 1.5 – 5
Dureza superficial, HRC 59 – 63 68 – 72 55 – 60
Tolerancia a la presión superficial Excelente Moderada Buena
Tensión de fatiga por flexión Buena Buena Buena
Características de deslizamiento de la superficie Buena Excelente Pobre
Riesgo de desgarramiento durante el procesamiento Menor Mínimo Mayor

Resultados del Aprendizaje en esta Sección

Luego de finalizada esta sección, usted podrá:

  • Influir y mejorar las características de los materiales
  • Describir los diferentes métodos de tratamiento superficial
  • Enumerar y explicar las principales reacciones químicas que ocurren durante los procesos de tratamiento superficial

Cementación I

Durante la cementación, un componente de acero de bajo carbono (contenido de carbono menor a 0.2%) es calentado por encima de su temperatura crítica superior, hasta la región austenítica, en un medio con alto contenido de carbono. Durante el calentamiento, una capa de alto carbono se genera en la superficie.

CO + H2 → C + H2O

13-10-2013 22-57-25

Esta simulación examina el efecto de diferentes parámetros sobre cómo varía la concentración de carbono en profundidad con el tiempo.

13-10-2013 23-02-22

Cementación II

Luego del calentamiento, el componente se enfría rápidamente (templado) colocándolo en un medio adecuado de enfriamiento (aceite, agua o aire). Durante el enfriamiento, la capa de austenita rica en C se transforma en martensita. La etapa final del tratamiento térmico es el revenido, donde el componente es calentado nuevamente, pero esta vez sólo a 200 °C, aproximadamente, para permitir un alivio de tensiones. El revenido es un proceso que alivia tensiones y que disminuye los efectos perjudiciales provocados por la formación de martensita dura, tales como extrema fragilidad.

13-10-2013 23-06-18

El espesor de la capa de alto carbono producida es de aproximadamente 0.3–2.5 mm. El espesor de la capa depende de:

  • La temperatura de cementación
  • La actividad del carbono
  • El tiempo de cementación

La cementación es el método de endurecimiento más eficaz para aceros de bajo carbono (con un contenido de carbono de 0.05%-0.26%).

El contenido de carbono y la profundidad de la capa de carbono tienen un efecto significativo sobre la dureza y las tensiones residuales.

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Cementación gaseosa

Un gas que contiene carbono se utiliza como medio de cementación en la cementación gaseosa. Las diferentes fases del proceso de cementación gaseosa son:

  • El componente es rodeado de gas cementante y calentado hasta la región austenítica a una temperatura de 900–950 °C;
  • Durante el calentamiento los gases se descomponen en gases de carbono y gases de hidrógeno;
  • El carbono es absorbido y difunde a través de la superficie del componente;
  • Transcurrido un tiempo el componente se enfría rápidamente (templado);
  • La etapa final de la cementación gaseosa es el revenido.

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Los gases utilizados en cementación son:

  • Propano, C3H3;
  • Acetileno, C2H2;
  • Metano, CH4;
  • Etileno, C2H4.

Cementación líquida

En la cementación líquida, un componente es cementado utilizando un medio líquido que contiene carbono. Durante la primera etapa de la cementación líquida, el componente es sumergido en un baño líquido rico en carbono. En el baño, el carbono del líquido se absorbe en la superficie del componente y forma una capa rica en carbono en la superficie del mismo.

La cementación líquida, sin embargo, no es un proceso ambientalmente aceptable; la eliminación del medio de cementación, en particular, es una gran cuestión ecológica. Otra gran desventaja de este método es su costo.

13-10-2013 23-14-52

Cementación en caja I

La cementación en caja utiliza medios sólidos como donantes de carbono. Las diferentes etapas de cementación en caja son las siguientes:

  • Un componente es “empaquetado” junto con un polvo de alto contenido de carbono (carbón vegetal);
  • Se calienta hasta 900 °C;
  • Durante el calentamiento, el polvo libera 2CO;
  • El 2CO reacciona con la superficie del acero;
  • El carbono es absorbido a través de la superficie.2CO  →  C + CO2

13-10-2013 23-17-34

Cementación en caja II

Las reacciones de cementación son:

CO2 + C → 2CO

2CO + 3 Fe → Fe3C + CO2

13-10-2013 23-19-30

Nitruración

En este proceso de endurecimiento superficial, se genera una capa que contiene nitruros en la superficie del componente. Las superficies nitruradas son extremadamente duras y junto con un núcleo de acero dúctil y tenaz, hacen que el componente sea adecuado para su exposición a altos niveles de tensiones. Si se la compara con la cementación, la nitruración proporciona una capa superficial más gruesa y más sostenible, a un costo menor.

La reacción de nitruración comienza cuando el componente es calentado en un medio que contiene nitrógeno a una temperatura de 500-590 °C (note que esto es mucho más bajo que para la cementación).

Los medios utilizados en la nitruración son gas rico en nitrógeno, plasma, baño de sal o polvo. Durante el proceso de calentamiento, el medio se descompone en nitrógeno y en diferentes sub-productos a lo largo de la reacción.

El nitrógeno es entonces absorbido a través de la superficie del componente.

13-10-2013 23-21-03

Nitruración gaseosa

La nitruración gaseosa es un método de nitruración tradicional que produce una superficie con dureza, resistencia al desgaste y a la fatiga, mejoradas.

Las etapas de la nitruración gaseosa son:

  • El componente es calentado en un horno con un gas rico en nitrógeno (por ejemplo, amoníaco);
  • El nitrógeno se absorbe a través de la superficie del acero.

13-10-2013 23-22-49

La reacción del amoníaco gaseoso es:

2NH3→ 2N + 3H2

Las ventajas de la nitruración son:

  • Formación de una superficie extremadamente dura (entre 55-70 HRC), con una profundidad de nitruración que varía entre los 0.13-0.5 mm;
  • No se necesitan otros métodos de tratamiento térmico, tales como templado en aceite, agua o aire;
  • Temperaturas de tratamiento térmico menores que en la cementación.

Nitruración bajo plasma

La nitruración por plasma difiere de otros métodos de nitruración por el tipo de medios utilizados y por su naturaleza eléctrica.

Las diferentes etapas de la nitruración por plasma son:

  • Los componentes son cargados en un horno frío y conectados a tierra en una plataforma que actúa como cátodo, mientras que el horno de vacío trabaja como ánodo;
  • Los componentes son limpiados y activados mediante un bombardeo con hidrógeno y argón. Esto requiere de temperaturas de tratamiento menores, entre 400-600 °C y también posibilita la nitruración de aceros inoxidables y de aceros resistentes a ácidos;
  • El tratamiento comienza con el precalentamiento del componente en una atmósfera de gas inerte;
  • Durante el calentamiento, la presión del horno se reduce a 0.1–10 mbar y se cierra el circuito eléctrico;
  • A medida que aumenta el voltaje en el horno a 100–1500 voltios, el gas se ioniza y los componentes son expuestos al bombardeo iónico;
  • Luego de la nitruración, los componentes son efectivamente enfriados en el horno. Durante el enfriamiento los componentes comienzan a brillar;
  • Finalmente los componentes pueden oxidarse mediante gas o vapor de agua.

13-10-2013 23-25-38

El N2 gaseoso es utilizado como un medio en la nitruración por plasma y el tiempo de procesamiento es de alrededor de 10–60 horas.

Los beneficios de la nitruración por plasma provienen de su versatilidad cuando se los compara con la nitruración gaseosa. Brinda posibilidades casi ilimitadas de adecuar el proceso y por lo tanto de controlar las características resultantes. Sin embargo, los componentes de geometría compleja presentan un desafío para la técnica de nitruración por plasma; por ejemplo, agujeros profundos dentro de los componentes serían inalcanzables por el bombardeo iónico.

Photograph to be added

El brillo de los componentes, que se observa durante la nitruración por plasma, ocurre debido al fenómeno de fluorescencia. Durante la nitruración por plasma, se aplica un voltaje a dos electrodos, que son ubicados en una atmósfera sellada de gas. Dependiendo del tipo de gas, los componentes comenzarán a brillar.

Templado por inducción

Durante el templado por inducción se utiliza una corriente eléctrica como fuente de calor.

Las distintas etapas del proceso son:

  • La superficie de un componente es calentado por encima de su temperatura A3 hasta profundidades de 0.5-10 mm utilizando una corriente eléctrica como fuente de calor;
  • Luego del calentamiento, los componentes son inmediatamente templados con agua, o por rociado con emulsión de agua;
  • Finalmente, luego del templado los componentes son revenidos.

13-10-2013 23-29-44

El resultado del proceso es la formación de una capa de una micro estructura dura de tipo martensítica. El componente tendrá capacidad de soportar mayores tensiones debido al volumen de martensita formado en su superficie.

La inducción se ve limitada por el tamaño y la geometría del componente.

La profundidad de la capa superficial depende de la banda de frecuencia utilizada en la inducción.

Frecuencia Banda de frecuencia Profundidad
Baja 1 kHz >10 mm
Media 1 – 50 kHz 2 – 6 mm
Alta 50 – 1000 kHz 1 – 3 mm

Endurecimiento por rayos láser

Los rayos láser pueden ser utilizados para un calentamiento rápido de la superficie hasta la región austenítica. Luego del calentamiento, la superficie se enfría rápidamente. El enfriamiento ocurre a través de un auto-templado sin necesidad de medio de temple. Durante el auto-templado, el calor se transfiere desde la superficie del componente a su núcleo. En el endurecimiento por rayos láser, se pueden definir la cantidad exacta de calor aplicado y el área exacta a ser calentada. Estos beneficios resultan en un aporte de calor mucho menor y una deformación también menor, comparado con los métodos de endurecimiento convencionales. La técnica de endurecimiento por rayos láser es también eficaz en función del tiempo y de la energía aportada, debido a su capacidad de focalizar áreas selectivamente.

Los beneficios del endurecimiento por rayo láser son:

  • Ahorro de material;
  • Ahorro de energía;
  • Ahorro de tiempo;
  • Menor número de fallas durante el proceso;
  • Aporte de calor controlado con precisión;
  • Áreas endurecidas selectivamente.

La profundidad de la capa templada es generalmente de 0.1 mm. Los rayos láser son normalmente utilizados para cilindros de acero y otros componentes cuya geometría no es simétrica, tales como engranajes, etc.

Los rayos láser más adecuados para temple por rayos láser son Nd-YAG y HPDL, que producen un haz convertible y elástico.

Tratamientos superficiales: Ejercicio

13-10-2013 23-35-11 13-10-2013 23-35-45

Con esto finaliza la presente sección. Si fuera necesario, por favor asegúrese de haber alcanzado los objetivos de aprendizaje previstos para esta sección:

  • Influir y mejorar las características de los materiales
  • Describir los diferentes métodos de tratamiento superficial
  • Enumerar y explicar las principales reacciones químicas que ocurren durante los procesos de tratamiento superficial

Hornos: Introducción

 13-10-2013 23-45-31

Dependiendo del tipo de acero y de los resultados requeridos se utilizan diferentes hornos de tratamiento térmico, por ejemplo, hornos de vacío o a gas pueden ser utilizados para cementación.

Los hornos se dividen en dos categorías principales: hornos continuos y hornos de carga simple.

Los hornos también pueden definirse por el número de cámaras que poseen.

La estructura básica de los diferentes hornos de tratamiento térmico es la misma. La estructura básica incluye:

  • Cámara térmicamente aislada;
  • Sistema de calentamiento de la cámara;
  • Sistema de medición de temperatura;
  • Gabinete de control.

Muchos hornos tienen un soplador de aire que se encuentra diseñado para acelerar y controlar el proceso de enfriamiento.

Resultados del Aprendizaje en esta Sección

Luego de finalizada esta sección, usted podrá:

  • Describir diferentes tipos de hornos
  • Enumerar y explicar las principales reacciones químicas que ocurren dentro de los hornos
  • Enumerar y explicar las principales características de distintos tipos de hornos

Horno de vacío

La cementación en vacío es cementación gaseosa a altas temperaturas y por debajo de presión atmosférica (inferior a los 100 kPa). Se lleva a cabo en un horno especialmente diseñado para una cementación a baja presión, que se conoce como horno de vacío. Los rangos de temperatura de operación para la cementación en vacío se encuentran entre 980–1050 °C.

13-10-2013 23-47-23

Los hornos de vacío se utilizan para:

  • Templado al vacío. En el templado en vacío, la austenización y el recocido de solubilización se producen en un horno de vacío, con el uso de nitrógeno gaseoso presurizado para el enfriamiento
  • Unión por vacío
  • Cementación en vacío
  • Nitruración en vacío y bajo plasma
  • Vacío- y unión por vacío

Horno de vacío, gases cementantes

Los gases cementantes son el metano (CH4), propano (C3H8), acetileno (C2H2) y etileno (C2H4). Las reacciones de disociación de estos gases están dadas a continuación:

Metano
CH4 →  CH4
Propano
C3H8 →  C + 2CH4 →  C + 2CH4
C3H8 →  C2H4 + CH4 →  C + 2CH4
C3H8 →  C2H2 + H2 +CH4 →  2C +CH4+ 2H2
Acetileno
C2H2 →  2C + H2
Etileno
C2H4 →  C + CH4

Las diferencias en las características de los gases cementantes conducen a diferencias en su comportamiento. El metano, que es ampliamente utilizado en el proceso de cementación gaseosa estándar, no es adecuado para la cementación en vacío, debido a que no dispersa lo suficientemente rápido. Sólo un 3% del metano se disocia en componentes de cementación a una temperatura de 900-1000 °C. Las desventajas del propano proceden de su alta capacidad de dispersión térmica. De hecho, se disocia en carbono, hidrógeno y metano a temperaturas inferiores a los 600 °C. La disociación ocurre rápidamente y genera negro de humo y alquitrán. A pesar de su efectiva dispersión, el propano es usado para cementar componentes de geometría compleja. Esto ocurre porque el propano se disocia a metano, que no se vuelve a disociar, pero en cambio genera una atmósfera protectora. El acetileno es un hidrocarburo reactivo. A diferencia del propano, cuando se dispersa, el acetileno no produce metano de dispersión lenta. La ventaja del acetileno es que puede ser usado para cementar intersticios angostos y profundos. El acetileno inerte se disocia y forma compuestos aromáticos tipo benceno o formas de etano o metano con hidrógeno disperso. Estos productos pueden potencialmente formar negro de humo, pero debido al flujo de gas en el horno son reemplazados antes de producirse este proceso.

Horno a gas

La atmósfera típica utilizada en un horno de cementación es una mezcla de gases, que consiste de metano (CH4), propano (C3H8) y butano (C4H10) o líquido vaporizado, tal como metanol. El aire carburado utilizado en la cementación consiste de CO, H2, N2, CO2, H2O y CH4.

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Tipos de hornos

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Horno de parrilla
La fotografía es cortesía de Sarlin Furnaces Oy Ab.

Horno continuo

En los hornos continuos la carga y descarga es continua y controlada por un sistema automatizado.

Los tipos de hornos continuos incluyen:

  • Horno de vigas galopantes
  • Horno de parrilla
  • Horno solera sobre rodillos
  • Horno elevador

Horno de carga simple

En los hornos continuos la carga y descarga es continua y controlada por un sistema automatizado. Los mismos son utilizados para:

  • El tratamiento térmico de cantidades menores de componentes;
  • El recocido de componentes con geometría compleja y que por lo tanto son difíciles de mover de manera constante y automática a través del horno;
  • El tratamiento térmico de componentes únicos o extremadamente grandes;
  • La cementación de componentes que requieren grandes profundidades de cementación y tiempos más extensos de tratamiento.

El horno de carga simple más comúnmente utilizado es el horno de cámara. Los demás tipos de horno incluyen:

  • Horno de campana
  • Horno de solera móvil
  • Horno de foso
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Horno de campana
La fotografía es cortesía de Sarlin Furnaces Oy Ab
Horno de solera móvil
La fotografía es cortesía de Sarlin Furnaces Oy Ab

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Hornos: Ejercicio

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Con esto finaliza la presente sección. Si fuera necesario, por favor asegúrese de haber alcanzado los objetivos de aprendizaje previstos para esta sección:

  • Describir diferentes tipos de hornos
  • Enumerar y explicar las principales reacciones químicas que ocurren dentro de los hornos
  • Enumerar y explicar las principales características de distintos tipos de hornos

Acero tratado térmicamente

Aceros tratados térmicamente: Introducción

El tratamiento térmico permite obtener aceros con propiedades tribológicas excelentes y mejoradas.

Los aceros tratados térmicamente incluyen: aceros para herramientas, aceros de fase dual (en inglés, DP), aceros TRIP (de la sigla en inglés: plasticidad inducida por transformación) y aceros maraging. Estos aceros son utilizados en diversas aplicaciones que requieren una durabilidad mecánica alta.

Resultados del aprendizaje en esta sección

Luego de completar esta sección, usted debería poder:

  • Enumerar y explicar las principales características de los diferentes aceros tratados térmicamente.

Aceros para herramientas

Los aceros para herramientas se clasifican conforme a su uso. Arrastre las líneas en los gráficos para descubrir los diversos pasos del proceso:

  • Aceros para herramientas de trabajo en frío, que se utilizan en conformado y en forjado en frío:

14-10-2013 0-21-16

  • Aceros para herramientas de trabajo en caliente que poseen un bajo contenido de carbono. Debido al bajo contenido de carbono, se elimina la tendencia del acero a la fisuración por shock térmico. El rendimiento de los aceros para herramientas de trabajo en caliente puede mejorarse con elementos de aleación, tales como el Cr, Mo, Si, etc. Los aceros para herramientas de trabajo en caliente son utilizados para matrices de fundición y de forjado y también para cilindros y pistones:

14-10-2013 0-22-31

  • Los aceros rápidos poseen un alto contenido de carbono y carburos especialmente duros en su estructura. Los aceros rápidos se usan para maquinado, es decir, desbaste, corte, etc:

14-10-2013 0-23-28

Aceros de fase dual (DP)

Los aceros DP (aceros de fase dual) son aceros de elevada resistencia. Los aceros DP consisten de un 5-30% de “islas” de martensita en una matriz de ferrita, además de un porcentaje bajo de bainita y austenita retenida. Estos aceros se utilizan fundamentalmente en la industria automotriz debido a sus características técnicas.

Las características de los aceros DP son:

  • Límite de fluencia elevado debido a las tensiones concentradas en la ferrita circundante, provocadas por el aumento de volumen y la formación de martensita;
  • Alta tensión máxima de tracción (UTS), en parte debido a la microestructura martensítica;
  • Una relación entre el límite de fluencia y la UTS de ~ 0.6;
  • Gran alargamiento uniforme.

En el procesamiento de los aceros DP, los factores más importantes son la composición, la temperatura y tiempo de recocido y la velocidad de enfriamiento. El contenido de aleantes está determinado por las propiedades mecánicas requeridas y por el tiempo de recocido. La temperatura y el tiempo de recocido afectan la cantidad de austenita producida. La velocidad de enfriamiento crítica está determinada por la transformación austenítica.

Un tratamiento térmico típico de los aceros DP para trabajo en frío podría ser:

  • Recocido a 800 °C, temperatura a la que la estructura consiste en austenita rica en carbono y ferrita de bajo carbono;
  • Templado de la chapa de acero mediante enfriamiento por agua, produciendo la transformación de austenita a martensita. La ferrita retiene una super-saturación de carbono;
  • Precipitación del carbono a través de un tratamiento térmico de sobreenvejecimiento;
  • Una etapa final de estiramiento, que mejora considerablemente el límite de fluencia de los aceros DP.

Aceros TRIP

Los aceros TRIP son utilizados en las industrias automotriz, aeronáutica y espacial. Son producidos mediante una operación de conformado, durante la cual la austenita retenida se transforma en martensita por endurecimiento por trabajado.

Fabricación de aceros TRIP:

  • El acero es calentado en la región de fase dual a una temperatura de 760-780 °C. Durante este tratamiento la chapa de acero laminada en frío recristaliza y el carbono en cementita se disuelve en austenita.
  • Se produce un enfriamiento dentro del rango de temperatura de formación de bainita, de tal forma que se evita la formación de perlita. El carbono particiona entre las fases ferrítica y austenítica y, a velocidades de enfriamiento lentas, el contenido de carbono en la austenita aumenta.
  • Mediante mantenimiento isotérmico a 400-450 °C se produce la transformación a bainita. La formación de cementita se evita debido a las grandes cantidades de silicio, aluminio y fósforo utilizados como elementos de aleación. La austenita es transformada en bainita ferrítica y en austenita retenida rica en carbono que permanece en la estructura.

Aceros maraging

Los aceros maraging tienen contenidos de carbono muy bajos (menores al 0.03 %) y un 18 % de níquel. Debido al alto contenido de níquel, pueden ser endurecidos por enfriamiento en aire, produciendo la transformación completa de la austenita en martensita. Otros elementos de aleación son el cobalto, el molibdeno, el titanio y el aluminio.

El nombre de los aceros maraging remite a su método de producción. El acero es producido a partir de acero martensítico mediante endurecimiento por precipitación.

 Los aceros maraging son normalmente utilizados para:

  • Partes de aeronaves diseñadas para su exposición a tensiones externas
  • Partes de herramientas en prensas hidráulicas
  • Herramientas de conformado en frío
  • Herramientas de conformado
  • Moldes para plástico
  • Herramientas para fundición a presión
  • Herramientas de conformado en caliente
  • Conformado de chapas

Aceros tratados térmicamente: Ejercicio

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Vídeo sobre la fabricación del acero

Contenido extra interactivo

Aprendizaje interactivo sobre las fases de fabricación del acero.

Nota Metfusion: Los artículos serán analizados y perfeccionados, corrigiendo fallos de expresión y enriqueciendo los contenidos para que el entendimiento sea ameno, con nuevas imágenes para obtener una experiencia didáctica satisfactoria. Este articulo ha sido traducido del inglés al castellano lo más fidedignamente posible y reestructurado para la mejor comprensión técnica.
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30 comentarios

  1. FUE DE MUCHA AYUDA MUCHAS GRACIAS……….!!!!!!!!

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    1. Fue un placer e poder ayudarte amigo, esa es mi satisfación 😉

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  2. Haydee Contreras · · Responder

    Estupendo material. Muchas gracias.

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    1. Gracias a ti por agradecer, un abrazo 😉

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  3. un buen trabajo el que realizaste me ayudo mucho en mi investigación gracias.

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    1. Gracias por su consideración David, un abrazo 😉

      Me gusta

  4. Jose Ramon · · Responder

    Muchas felicidades por este trabajo. Soy ingeniero metalúrgico y de nuevo felicidades ,aunque no se puede guardar este trabajo y ver las simulaciones y algunas imágenes y formulas.
    Mi correo es jorasula@yahoo.es.
    Desearía ponerme en contacto con usted

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    1. Muchas gracias Jose Ramón, es un honor sentir que este trabajo le ha servido de gran ayuda, no dude en ponerse en contacto conmigo en cualquier cosa que le pueda ayudar. mi correo electrónico es el siguiente: metfusion@gmail.com un abrazo 😉

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  5. ARTICULO SUPER COMPLETO COMO ESTUDIANTE DE ING. MECANICA FUE DE MUCHA AYUDA!
    GRACIAS…

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    1. Gracias Samuel, fue un placer el poder haber sido de ayuda, fue un duro trabajo en su día, siempre es bueno que se sepa apreciar, muchas gracias 😉

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  6. bruno lopez jurado · · Responder

    la mejor pagina que vi sobre siderurgia sin duda alguna!!!!

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    1. Muchas gracias amigo siempre es un placer poder ayudar lo mejor que se pueda, un abrazo 😉

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  7. disculpe quisiera conocer el proceso de fabricación de aceros de doble fase
    en que variaría la fabricación de este acero de los demas?

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    1. Los aceros Dual Phase se distinguen por un gran equilibrio entre resistencia y estampabilidad. Este equilibrio es obtenido gracias a la microestructura, que consiste en una fase dura (martensita o bainita) dispersa en una matriz ferrítica dúctil. La capacidad de consolidación inducida por la deformación de estos aceros es considerable. Esta propiedad les aporta no sólo una buena aptitud para la distribución de las deformaciones que favorece una buena estampabilidad, sino también unas características en piezas muy superiores a las del metal sin conformar. Este es el caso del límite elástico, entre otras propiedades. Después del tratamiento de cocción de la pintura de las piezas (también llamado proceso Bake Hardening BH), el límite elástico de las calidades Dual Phase aumenta aún más.
      Este elevado nivel de resistencia mecánica que se obtiene en las piezas se traduce en una resistencia a la fatiga excelente y una capacidad de absorción de la energía muy buena, lo que hace que estos aceros sean muy adecuados para piezas estructurales y de refuerzo. Su sólida consolidación, combinada con un efecto BH pronunciado, los hace particularmente aptos para aligerar piezas estructurales. Los aceros de la línea Dual Phase ofrecen un equilibrio excelente entre resistencia y estampabilidad. Esto se debe a su gran ductilidad y su elevada capacidad de consolidación desde el principio de la deformación, que garantiza una distribución homogénea de las deformaciones reduciendo las pérdidas de espesor. el límite elástico puede aumentar en torno a 120 MPa después de una deformación plástica del 2% por tracción uniaxial (fenómeno descrito como “Endurecimiento por deformación”). El límite elástico se puede aumentar aún más por “Endurecimiento al horno” (bake hardening) durante la cocción de la pintura (BH2). La gama de aceros Dual Phase se puede estampar en prensas clásicas optimizando los ajustes. Así, en el caso de un acero Dual Phase 21mm, los esfuerzos de estampación serán en torno a un 20% superiores a los de un acero de tipo microaleado (HSLA) del mismo espesor. Conviene indicar que estos aceros, sobre todo las mejores calidades, son sensibles al fenómeno conocido como “recuperación elástica”. Además, es preciso tener en cuenta el control de la geometría de la pieza durante el diseño (radios de matriz pequeños, refuerzos perpendiculares al pliegue para dar rigidez a las piezas abiertas, etc.) y también durante la definición de la gama de estampación (sobreplegado, calibrado, ataque de los radios, aplicación de fuerzas de retención más altas en la garra de sujeción, etc.).
      Los aceros Dual Phase, aunque están mucho más aleados que los aceros HSLA, se sueldan muy bien por resistencia por puntos con los procedimientos clásicos, mediante una adaptación de los parámetros en condiciones industriales.

      En soldadura por arco MAG (Metal Active Gas) a tope o a solape, la dureza máxima de la zona fundida no supera los 300 HV en el caso del Dual Phase 21mm, independientemente de los parámetros utilizados. Las formas de los cordones de soldadura responden a la calidad B de la norma ISO 25817. Se recomienda utilizar los siguientes consumibles:
      Metal de aportación: Alambre tipo G3Si1 NF EN 440;
      Gas de protección: Ar + 8% CO2.
      Los aceros Dual Phase presentan una resistencia mecánica excelente en la soldadura láser con solapamiento.

      Espero te haya servido y disculpa mi demora en la respuesta, es interesante el proceso en doble fase, ya sea laminados en frió o en caliente. un abrazo 😉

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  8. muchas gracias por este gran aporte.

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    1. Gracias a ti jaime, un abrazo.

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  9. Javier Mauricio Sanchez · · Responder

    EXCELENTE TRABAJO Muchisimas gracias, que contenido tan técnico y tan claro. Es difícil conseguir un documento con ese grado de calidad sobre siderurgia.
    Soy ingeniero mecánico asesor de empresas en Colombia
    Soy asesor de una aceria en Colombia y tengo algunas preguntas especificas. Será posible que nos comuniquemos por favor directamente por su correo personal o wasap por favor ? que pena la molestia
    Gracias y quedo atento

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  10. Javier Mauricio Sanchez · · Responder

    Excelente articulo, es dificil conseguir informacion tan tecnica y tan clara
    Soy ingeniero mecanico en Colombia y asesor de empresas
    Asesoro una siderurgica en Colombia
    Sera posible que me regales un email o wasap por favor ? quisiera hacer una par de preguntas puntuales
    Muchas gracias

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    1. Muchas Gracias Javier!, cualquier cosa que necesites aqui estamos, mi correo es: metfusion@gmail.com un sincero abrazo.

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  11. Miler Ruiz · · Responder

    Ingeniero excelente trabajo!!! gracias por su aportación.

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    1. Gracias 😉

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  12. pfffff Impresionante!….No había encontrado información tan completa, este ha sido de los mejores artículos que he encontrado…Muchas felicidades, te quedo excelente.

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    1. Gracias amigo, sus comentarios animan a seguir por la buena causa de compartir el conocimiento, un abrazo 🙂

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  13. RAFAEL BOTIA · · Responder

    Esta resumido pedagogicamente el proceso siderúrgico.
    Excelente!!. Felicitaciones.

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    1. Muchas gracias Rafael, siempre es grato el poder compartir la información y sobretodo que sea útil, un abrazo 😉

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  14. Material didáctico muy interesante y práctico. Permite un rápido, fácil, y entretenido viaje por el procesamiento completo de materiales ferrosos desde sus menas hasta los productos finales. Los felicito. Atentamente: Ing. Sergio Neumann Klenner

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    1. Muchísimas gracias Sergio por su reconocimiento, siempre es agradable ver que todo sacrificio trae sus recompensas, un abrazo 😉

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  15. Victoria · · Responder

    Muy bueno! Me ayudo mucho a comprender algunas cosas que no me quedaban claras estudiando de los apuntes de la materia que estoy cursando. Muchas gracias por este aporte!

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    1. Me alegro haber sido útil en sus estudios, un abrazo Victoria 🙂

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  16. Muy interesante información…….felicidades

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