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Materiales Metálicos – 2do. Ingeniería Mecánica
FABRICACION DE ACERO
Ing. Víctor Gómez
U. T. N
Facultad Regional Tucumán
OBTENCION DE ACEROS
Acero: Se denomina acero a la aleación Hierro / Carbono que tiene un contenido de C de hasta 2,1%, exclusive.
Fundamentos de la fabricación: Se fundamenta en la reducción de C, hasta obtener valores por debajo de
2,1%.
► Aceros Obtenidos al estado sólido
Los métodos para la obtención de aceros en Hornos de Pudelar y al Crisol, fueron los primeros que se aplicaron
a este fin. Tenían una producción de unos 4.000 Kg. de acero por día. Estos métodos ya no se utilizan. Solo en
el caso del horno a crisol, llega todavía utilizarse para conseguir un acero muy especial, pero en poca cantidad.
► Aceros obtenidos por procedimiento al aire o al Convertidor
Convertidor Bessemer (1865)|
1.Recipiente
2. Cavidad interior
3. Entrada de aire 4. Caja de cierre
5. Toma de aire
6. Mecanismo basculante
7. Boca
El convertidor estaba revestido por refractario tipo
silicoso, por eso, al convertidor Bessemer se lo
conoce, como proceso ácido. Exteriormente, está
construido por chapas de acero y posee una
forma similar a la de una pera. Este procedimiento
no emplea combustible. Se basa en el insuflado
de aire a temperatura ambiente y a una presión =
2,5 kg./cm². EL O del aire reacciona con los
elementos termógenos a reducir que contiene el
arrabio. Estas reacciones, producen el calor
necesario para la conversión del arrabio en acero.
Se alcanza temperaturas de unos 1.700 ℃.
Emplea arrabio de una temperatura de 1.300 a 1.500 ℃, de carácter ácido, con un contenido en silicio entre 2 a
2,5% (Elevado % de silicio) y un contenido en fósforo inferior a 0,08% (Bajo % de P), debido a que el refractario
es de carácter ácido. Un arrabio con alto % de P deteriora al refractario del convertidor, a su vez, este
procedimiento no permite eliminar P ya que debe agregarse Oca y al ser este básico, destruiría el
revestimiento. En 1.879, fue Thomas quién descubrió la manera de tratar los arrabios que contenían demasiado
P, para ser tratados en el proceso ácido, de esta manera, tenemos:
PROCESOS ACIDO Y BASICO
► Convertidor Bessemer: Con revestimiento refractario ácido en base a sílice.
► Convertidor Thomas: Con revestimiento refractario básico en base a calcio y magnesio.
Carga p/ Bessemer
C = 3,5 a 4 %
Si = 1,2 a 2 %
Carga p/ Thomas
Elementos
termógenos
Mn = 1,5 a 3 %
C=3a4%
Si = 0,4 a 0,7 %
Mn = 1,5 a 2 %
S = 0,005 %
Elementos
S = 0,03 a 1 %
P = 0,005 %
nocivos
P = 1,7 a 2,2 %
En ambos casos, se utiliza un aparato llamado Mezclador que tiene la finalidad de homogeneizar las cargas
de arrabio, provenientes de diferentes AH, manteniendo la temperatura y con posibilidad de agregar
elemento químicos para correcciones.
Fases del convertidor Bessemer
1era Etapa. Oxidación y escorificación: Duración ~ 5 min.
2 da Etapa. Oxidación del C (descarburación): Duración ~ 8 min.
3era Etapa. Colado de escoria y agregados: Duración ~ 4 min.
1era Etapa:
Etapa El aire insuflado, atraviesa la masa líquida, EL O comienza oxidando al
Si y al Mn y termina por el C. Primero se oxida el Fe.
Fe + ½ O ₂ ⇛ FeO + 64 Kcal. (Exoté
(Exotérmica)
Este FeO, reacciona con el Si y el Mn:
Si + 2 FeO ⇛ SiO ₂ + 2 Fe + 66 Kcal.
Mn + FeO ⇛ MnO + Fe + 26 Kcal.
Kcal
El SiO ₂ y el MnO, pasan a la escoria, que sobrenadan en forma de silicatos.
SiO ₂ + FeO ⇛ SiO ₃ Fe + 6 Kcal.
SiO ₂ + MnO ⇛ SiO ₃ Mn + 8 Kcal.
Si la cantidad de sílice SiO ₂ por la oxidación del Si contenido en el arrabio no es
suficiente, pasa a la escoria la sílice del revestimiento del convertidor. Estas
reacciones levantan la temperatura del baño y se pasa a la segunda etapa.
2 da Etapa:
Etapa Dada la alta temperatura del baño, comienza a quemarse el C.
C + FeO ⇛ CO + Fe – 35 Kcal.
Kcal Así se elimina el C. Este proceso se realiza con
absorción de calor.
(Continuación Bessemer) El CO que se produce, genera una fuerte ebullición del metal y al salir a la superficie
se quema con el aire atmosférico, formando CO ₂. Al finalizar la descarburación, la masa metálica se hace mas
densa y con una ebullición violenta indica la finalización de la conversión. Se continúa insuflando aire hasta que
el contenido de C se reduce a un 0,03% y el baño se calma.
3era Etapa: Se suspende la entrada de aire ya que si lo continuamos insuflando y al haber poco C, se
comenzara a oxidar el propio Fe a FeO, con las consiguientes perdidas de metal. Se lleva al Convertidor a la
posición horizontal para realizar la desoxidación y la carburación del acero. Se elimina el O en exceso disuelto
como FeO, agregando (Fe Si y Fe Mn) ferro silicio y ferromanganeso y el aluminio. Para aumentar el C se utiliza
una fundición especial. Una carga usual para estos convertidores estaba entre las 15 y 18 tn.
Deficiencias: a) Imposibilidad de eliminar el P y el S. b) Elevada perdida de Fe por oxidación (8 a 18%).
C) Saturación del acero con N y FeO que empeora la calidad.
CONVERTIDOR THOMAS
Trata arrabios con mayores % de P, que se encuentra como
Se elimina el P
fosfuro de Fe: P Fe ₃.
de la siguiente manera:
2 P Fe ₃ + 5 FeO ⇛ P ₂ O ₅ + 11 Fe + 40 Kcal.
Kcal
El anhídrido fosfórico reacciona con la cal que se agrega:
P ₂ O ₅ + 3 CaO ⇛ (PO ₄)₂ Ca ₃
este fosfato tri cálcico va a la escoria. En este proceso, el CaO,
también escorifica a los silicatos de Fe y Mn. El azufre, se
encuentra como sulfuro, se elimina con el CaO:
S Fe + CaO ⇛ S Ca + FeO + 5 Kcal.
Es un horno similar al del procedimiento Bessemer, pero su
revestimiento refractario es de carácter básico. Se emplea arrabio
con contenido elevado de fósforo y bajo contenido de silicio. En
ambos procedimientos el nitrógeno del aire proporciona al acero
obtenido una cierta fragilidad con el tiempo, lo que se denomina
envejecimiento del acero. Las fases de trabajo del Thomas, son
similares a las del Bessemer. Actualmente, estos procedimientos,
ya no se utilizan por que la calidad de los aceros obtenidos, no era
buena.
PROCESO SIEMENS MARTIN
Procedimiento ácido
PROCEDIMIENTO BASICO
Características del proceso
1.- La carga puede ser sólida, líquida o mixta. Depende del acero que se quiera conseguir.
2.- La acción oxidante de la atmosfera es muy lenta, por consiguiente el proceso puede ser controlado con precisión. AFINADO: De
arrabios a aceros. ⃟ ⃟ ⃟ REFINADO: De aceros a aceros de mayor calidad.
3.- La mezcla puede prepararse con proporciones variadas obteniéndose un producto bien definido.
4.- Se puede tratar todo tipo de fundición o chatarra debido a que la solera del horno puede se ácida, básica o neutra.
5.- La llama ejerce sobre la carga una acción térmica y una acción química por que el horno es calentado con gas de gasógeno.
Variando la proporción entre el aire y gas, se podrá conseguir una atmósfera oxidante, reductora o neutra.
La operación es lenta y dura entre 6 y 9 hs.
A. Espacio activo (fusión)
1. Puerta de carga
Cualquiera sea el procedimiento, dada la
2. Válvulas (gas y aire)
3.4.5.6. Re- generadores de calor
lentitud de la operación y a las altas
B. Conductos.
temperaturas, es inevitable la oxidación del
baño, a pesar de la protección de las escorias.
El silicio y el manganeso son las
ferroaleaciones empleadas para desoxidar el
baño, también se añade oxígeno, se reduce el
consumo de combustible y se eleva el
rendimiento térmico. La calidad del acero
obtenido es superior a los métodos visto antes,
debido a la ausencia de nitrógeno. Aunque este
procedimiento va siendo reemplazado por los
procedimientos al oxígeno.
Las solera pueden ser: Acida (sílice), Básica
(magnesita) o Neutra (cromita, dolomita y
magnesita). Espesor: 20 a 30 cm
HORNOS ELECTRICOS
Producen temperaturas muy elevadas y son los mas indicados para la desulfuración y desfoforación de la fundición y para la obtención de aceros
especiales, el metal que se elabora en estos hornos, se halla libre de elementos extraños a los deseados ya que no utilizan combustibles (líquido,
sólido o gaseoso) ni tampoco aire. La potencia en los H E, se expresa en Kw.
Los H E, pueden ser a Resistencia, de Arco y de Inducción
1.- Hornos eléctricos a resistencia. Son hornos que alcanzan temperaturas de 1.000℃ y se utilizan para tratamientos térmicos y en los
Laboratorios. En general son llamados Muflas.
2.- Horno de arco eléctrico.(Heroult, Fiat, Girod, Stasano)
La posición de los electrodos, determina dos tipos de hornos, con arco formado sobre el baño (imagen de la derecha) y con arco que atraviesa el
baño. Es el más versátil de todos los hornos para fabricar acero. No solamente puede proporcionar altas temperaturas, hasta 1.930ºC, sino que
también puede controlarse eléctricamente con un alto grado de precisión. Debido a que no se emplea combustible alguno, no se introduce ningún
tipo de impurezas. El resultado es un acero más limpio. Al aplicarse la corriente eléctrica, la formación del arco entre los electrodos produce un
calor intenso. Cuando la carga se ha derretido completamente, se agregan dentro del horno cantidades medidas de los elementos de aleación
requeridos. Se utilizan con mayor intensidad en los países donde se produce energía eléctrica a bajo costo. Este procedimiento tiene la ventaja de
permitir un calentamiento rápido a temperaturas muy elevadas y fácilmente regulables. Debido a la ausencia de aire, para descarburar se emplean
óxidos sólidos, por lo que en el acero obtenido, hay ausencia de óxidos. La ausencia de aire, permite regular la atmósfera del baño, por lo que se
consigue a voluntad, condiciones oxidantes, reductoras o neutras, esto, permite realizar una importante y regulada eliminación de azufre, de
impurezas metálicas y de gases ocluidos. El revestimiento, puede ser ácido, básico o neutro, permitiendo tratar distintos tipos de materia prima.
Características generales
Carga sólida: Fundente, Mineral, Chatarra de acero o de fundición. Carga líquida: Arrabio de A H o Fundición
de cubilotes.
Duración del refractario: Entre 120 y 150 coladas.
Tiempo de operación de refino: 3 a 4 horas
Consumo de energía para carga sólida: 700 a 900 Kw./h por Tn de acero.
Consumo de energía para carga líquida: 300 a 450 Kw./h por Tn de acero.
Tensión de trabajo: 80 a 220 Voltios
Intensidad de corriente: 5.000 a 10.000 Amp.
Capacidad: De 2 a 60 Tn. La carga puede estar constituida por 80% de sólido y
el resto líquido.
Empleo de los hornos eléctricos
A) Para afino de arrabio con el fin de producir acero.
B) Para elaboración de aceros a partir de la
chatarra de acero y de las fundiciones.
C) Para refino del acero proveniente de otros procedimientos.
D) Para fabricar aceros especiales.
Transformador (1),
conexión de cable
(2), flexible brazos
de los electrodos
(3), sujeción de los
electrodos (4),
pórtico con brazos
(5), salida de humos
refrigerada (6),
paneles refrigerados
(7), estructura (8),
estructura oscilante
(9), cremallera (10),
bóveda refrigerada
(11), dispositivo de
volteo (12), grupo
hidráulico (13)
Hornos eléctricos a Inducción de baja frecuencia
•El calentamiento, se origina por las corrientes parásitas de Foucault. Para
iniciar el ciclo, se deja una pequeña cantidad de material en el crisol, estos
hornos se basan en el principio de inducción electro magnética, es decir en el
principio de las corrientes inducidas por variación de campo magnético, la
frecuencia es de 50 a 60 Hz, si consideramos un núcleo ferromagnético
formado por láminas de acero, donde se devana un circuito primario y uno
secundario, alimentando el primer circuito con corriente alterna, se produce un
campo magnético variable que atraviesa el circuito secundario y se genera
una corriente inducida de igual frecuencia.
Primario: N ₁ I ₁ Secundario: N ₂ I ₂
⇛ N ₁ I ₁ = N ₂ I ₂ Si se adopta
un gran número de espiras en el primario y una reducida en el secundario, se
consigue una corriente de gran intensidad en el secundario esto produce un
calentamiento capaz de fundir una masa metálica. En estos hornos, el
secundario esta formado por el propio metal de la carga a fundir o por el crisol,
que debe ser construido de un material conductor, de esta manera, el
secundario, está conformado por una sola espira y la corriente inducida que
corre será: I ₂ = N ₁ I ₁ / N ₂
Si I ₁ = 100 Amp. y N ₁ = 100 espiras ⇛ I ₂ = 10.000 Amp.
El campo magnético genera un movimiento enérgico en la masa fundida
debido a que el campo magnético obra como el inducido de un motor eléctrico.
Pero corre el riesgo de producir oclusiones de escorias, debido a este
movimiento de metal, por eso son poco usados. Carga: Puede ser fundición
líquida o sólida
Horno eléctrico a inducción de alta frecuencia
Posee un crisol rodeado por la espira de la bobina y es alimentado por
corriente alterna de alta frecuencia 1.500 a 3.000 Hz, la bobina está formada
por espiras de tubo de cobre refrigeradas por agua. El crisol no necesita ser
conductor ya que la carga si lo es.
En el caso de bajas frecuencias la corriente,
circula por la masa y en el caso de los hornos de
alta frecuencia, la corriente circula por las
paredes del crisol, construido en material
refractario en base a cuarcita, magnetita o
grafito. Por el efecto SKIN
Principales reacciones químicas en el afino
Elemento
Forma de eliminación
Carbono
Al combinarse con el oxigeno se quema
dando lugar a la formación de CO y CO2
gaseoso que se elimina através de los
humos.
Manganeso
Se oxida y pasa a la escoria.
Combinado con sílice da lugar a silicatos
Silicio
Se oxida y pasa a la escoria.
Forma silicatos
Fósforo
Azufre
Reacción química
En una primera fase se oxida y pasa a la
escoria. En presencia del C y a altas
temperaturas puede regresar al baño.
Para fijarlo a la escoria se añade cal para
que forme fosfato de calcio.
Su eliminación debe realizarse mediante el
aporte de cal, pasando a la escoria en forma
de sulfuro de calcio. La presencia de
manganeso favorece la desulfuración.
Desoxidación: El oxigeno en exceso que puede quedar en el baño liquido es eliminado agregando ferroaleaciones que
contengan Si, Mn, Al, que forman, Mn O , Si O2 , Al + O → Al2 O3
Una escoria básica favorece la reducción de S: S + Ca O → S Ca + O
CUADRO DE LA APLICACIÓN DE LOS DIFERNTES CONVERTIDORES
CONVERTIDORES AL OXIGENO
CONVERTIDOR L D
Linz - Dona Witz: Ciudad de Austria atravesada por el río Danubio.
Donde se empleó por primera vez este horno. 1.949. Dispositivo
que permite obtener acero por soplado de oxígeno con un 99,5% de
pureza, mediante una lanza refrigerada por agua.
Fases:
Llenado: Se carga en primer lugar, él arrabio líquido procedente del
A H; luego, la chatarra de acero y, finalmente, el fundente
encargado de formar y arrastrar la escoria.
Afino: Se inyecta oxígeno mediante la lanza (refrigerada a una
presión de 12atm.).Esto produce una reacción que reduce el
contenido de carbono (proceso muy rápido y a altas
temperaturas).Al mismo tiempo, se elimina el exceso de fósforo,
azufre y silicio. Al final del proceso, se añaden distintos aleantes
dependiendo de las propiedades que queramos obtener en ese
acero.
Vaciado : Se elimina la escoria (mezcla de óxidos metálicos,
aunque puede contener sulfuros) y se vacía el acero. Obtención de
aceros comunes de baja aleación, denominado acero LD. Son
aceros aptos para tratamientos térmicos que aumentan su
resistencia, tenacidad y dureza. Aplicaciones generales en la
Ingeniería de construcción. En cada proceso entrega unas 300 Tn
de acero. Los gases desprendidos en el Afino tienen temperaturas
de 1.700 ℃. El material refractario puede ser ácido o básico, según
el arrabio que se emplee. La lanza es hueca construida en acero
refractario y recubierta con material refractario, suspendida a unos
10 cm del baño. Para evitar un aumento excesivo de la temperatura,
por ausencia de nitrógeno, se agrega a la carga hasta un 30% de
chatarra de acero. Las operaciones para una carga de 40 Tn, duran
unos 25 minutos. La instalación es simple y se logra una buena
calidad de acero.
Datos medios:
► Para el procedimiento básico se utiliza unos 40 kg de fundente por Tn de acero.
► Producción 3 turnos: 30 a 35 cargas por día.
► Altura baño metálico: 50 a 70 cm.
► Presión O: 10 a 12 atm.
► Tiempo de soplado: 15 a 20 minutos.
► Nitrógeno en el acero: 0,002 a 0,006 %.
► Cantidad de mineral en la carga: 3,5% del peso de la chatarra.
► Longitud de la lanza: 2,8 metros.
► Mas del 55% del acero producido en el mundo se lo fabrica con este procedimiento.
Convertidor: Procedimiento BOF
INTERNATIONAL IRON AND STEEL INSTITUTE
STEEL MAKING
CONTINUOS CASTING