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1.- Introducción a la fabricación de hierro y acero : ¿Hacia donde vamos?

CAMBIO EN LAS CONCENTRACIONES DE OXIGENOEN LOS ÚLTIMOS 30 AÑOS

EL CONTENIDO DE OXIGENO EN EL ACERO FINAL ES UN INDICATIVO DE LA SALUD INTERNA DEL MATERIAL

FUENTE: TOSHI EMI

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Esquema de Horno de Cuchara

La metalurgia secundaria cumple un papel esencial en

la producción de acero de alta calidad. Se lleva a cabo en diversos equipos, como

hornos de cuchara, convertidores e instalaciones

de vacío.

2.2.- El Proceso de Refinamiento del Acero. La Metalurgia Secundaria, principios y equipos.

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2.2.- El Proceso de Refinamiento del Acero. La Metalurgia Secundaria, principios y equipos.

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¿Por qué desoxidar? Fuentes de oxígeno en el baño. Reduciendo el contenido de oxígeno. Reacciones de desoxidación. Efectividad de los desoxidantes. Cinética de desoxidación. Desoxidación con Mn y Si. Limpieza del acero. Inclusiones. Origen, composición y tamaño de las

inclusiones. Resoluciones finales.

O2

2.2.2.- La Desoxidación

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¿Por qué desoxidar?En la fusión del acero serealiza una inyecciónmasiva de oxígeno albaño

A las altastemperaturas defusión parte deloxígeno puede quedardisuelto

Oxígeno disuelto en elbaño tiende a formarinclusiones ysopladuras en el semi-elaborado final

Es necesario reducir elcontenido de oxígenoen el bañooriginalmente de 400 a1000 ppm hasta 25incluso 10 ppm

¡DESOXIDACIÓN!

2.2.2.- La Desoxidación

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El Oxigeno .Desoxidación del acero.Después del efectuar el proceso de afino, nos encontramos con un bañode acero en el que ha aumentado el contenido de oxígeno hasta límitesde oxidación que harán imposible su empleo una vez solidificado.Es necesario advertir que en el baño de acero, el oxígeno está presenteen forma disuelta y en forma de óxidos precipitados.El oxígeno disueltoseñala el grado de oxidación del baño y el combinado es parte de lo quese considera como pureza.

Eliminación del Oxígeno disuelto. Grado de Oxidación del baño.Aspectos a considerar

- Adición de elementos en forma de ferroaleantes ó solos muy afines conel oxígeno como es el caso del Silicio, el Manganeso,el Aluminio,etc.- Eliminación del oxígeno disuelto por medio de un proceso dedegasificación al vacío.- Eliminación del oxígeno disuelto por medio del carbono, para producirCO2.Este mecanismo se facilita por medio de un proceso dedegasificación al vacío.

2.2.2.- La Desoxidación

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2.2.2.- La Desoxidación

La desoxidación consiste en añadir al bañolíquido un producto que tenga una mayorcapacidad que el Fe para reaccionar con elOxígeno. Dependiendo de los tipos de acero, sepueden usar : Aluminio , Silicio , Manganeso ,Calcio y otros.Al reaccionar cualquiera de esos elementoscon el Oxigeno se pueden formar diversoscompuestos que dependiendo de susvelocidades de nucleación y crecimiento ,densidad y puntos de fusión serán capaces deascender en el baño líquido y formar parte de laescoria. Sin embargo , cabe destacar que notodas las partículas llegan a tener el tamañocrítico para ascender , debido a las fuerzas deroce y alas reacciones propias de desoxidacióny quedan formando microinclusiones de oxidoen el acero.

FeSiFeMnFeCrFeV

AlNi

Ëscoria

Adiciones

Reacción principal :

x [ M ] + y[ O ] = < MxOy >

Acero Líquido

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Velocidad de Desoxidación

La Velocidad de desoxidación depende de:

Agitación con Argón en el Horno Cuchara

Escoria básica, con mínimo contenido de FeO, SiO2

Sin embargo, para la efectiva desoxidación con aluminio es necesaria una escoria con una baja actividad de oxígeno. La escoria producida en los primeros procesos contiene un alto contenido de oxígeno que es necesario reducir.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Tiempo (min)

Oxig

en

o (

10

-3%

) Oxigeno Total

Oxigeno en Inclusiones

Oxigeno disuelto

2.2.2.- La Desoxidación

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Reduciendo el Contenido de Oxígeno

Desoxidantes más utilizados:

Mn (FeMn)

Si(FeSi)

Al

Más económicos

Para algunos aceros existe laopción de desoxidar conCarbono (agregando coque albaño) para aprovechar laenergía de la reacción:

22 COOC →+

2.2.2.- La Desoxidación

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Aceros calmados al Aluminio

Baño Metálico

Escoria

[ O ]

(< Al2O3 >)

[ Al ]

[Al]inicial + [Al] añadido = [Al]final + [Al]eliminado

[Al] añadido = [Al]inicial - [Al]final + [Al]eliminado

2.2.2.- La Desoxidación:2.2.2.1.- El Aluminio. Reacciones fundamentales.

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La alúmina tiene un punto de fusión alto (2023°C) comparado con el de lastemperaturas de proceso (1600°C), por lo que siempre estará en estado sólido.Esto puede causar peligrosos taponamientos en las busas del horno cucharaque pueden causar desde aumentos del tiempo tap to tap, formación declusters de alúmina en el producto final (inclusiones) hasta pérdidas de lascoladas en los casos más severos.

El tratamiento con calcio ayuda aevitar taponamientos en el HC porla formación de aluminatos decalcio

Es necesario mantenerse según el diagrama binarioCaO – alúmina en la zona señalada en rojo, en lacual el contenido de calcio entre un 40 – 60 % y unatemperatura entre 1397 – 1700 °C promoverá unadesoxidación líquida del baño.

2.2.2.- La Desoxidación:2.2.2.1.- El Aluminio. Reacciones fundamentales.

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Modificación de Alúmina. Tratamiento con Calcio. Como el aluminio es un desoxidante más

efectivo que el Mn o el Si, se hacenecesario reducir los óxidos de silicio yde manganeso si están presentes en losrefractarios. Debe evitarse refractariosricos en sílica.

Remover óxidos del acero líquido haciala escoria se hace más fácil si estosóxidos están en fase líquida. Esto sedebe a que las partículas son menosdensas, y pueden coalescer másfácilmente para formar partículas másgrandes y estas flotarán a la superficiemás fácilmente; todo esto de acuerdo ala Ley de Stokes:

ηρν

18

2∂=

gd

donde:

2.2.2.- La Desoxidación:2.2.2.1.- El Aluminio. Reacciones fundamentales.

Para convertir alúmina sólida existe la prácticacomún de agregar Calcio al baño, esto debido ala formación de una fase líquida de aluminatosde calcio de formas CaO.Al2O3, 3CaO.Al2O3,12CaO.7Al2O3 que contribuyen a ladesoxidación del baño y a la limpieza del acerofinal.

La velocidad de Flotación de la Inclusión es directamente proporcional al cuadrado de su

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Inyección de Calcio El Calcio es un potente desulfurante y desoxidante que es frecuentemente utilizado para

añadirlo al baño metálico en forma de varilla que contiene una mezcla de Calcio – Metal, o Ca– Si, y en algunos casos también se utiliza el polvo de Ca – Si. El Calcio tiene un punto deebullición a los 1491ºC el cual es menor que el punto de fusión del acero, de hecho, a latemperatura que se maneja en el baño para la fusión del acero, el Calcio ya es vapor. Por lotanto es necesario introducir el Calcio o sus compuestos lo más profundo que sea posible en elbaño cuando es añadido al acero, de tal forma la presión ferroestática previene la vaporizacióndel mismo en la superficie del baño.La figura muestra un esquema de uno de los métodos dealimentación del Calcio mediante el uso de alambre deCa.

2.2.2.- La Desoxidación:2.2.2.1.- El Aluminio. Reacciones fundamentales.

Tratamiento de Calcio utilizando alambre se lograinyectando entre 0,15 a 0,5 kg de Ca por tonelada ydependiendo del grado de acero. El éxito de este tratamientodepende de la cantidad de inclusiones de alúmina residualque se encuentren en ese momento en el acero.

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Efecto de la modificaciónde la alúmina o adición decalcio al baño a dostemperaturas diferentes:La tendencia es que alaumentar la temperatura yla cantidad de calcioañadido la formación dealuminatos de calcio se vefavorecida, por ende laformación de inclusionesde CaS es menor y elacero es más limpio.

2.2.2.- La Desoxidación:2.2.2.1.- El Aluminio. Reacciones fundamentales.

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Desoxidación con Mn y Si

Hay gran cantidad de aceros para los cuales es muy importante laresistencia a la fatiga, por ejemplo los utilizados para fabricarrolineras o puntas de eje, y no sólo esfuerzos de tracción-compresión

Inclusiones de alúmina o de aluminatos de calcioremanentes en el acero final producen disminución de laresistencia a la fatiga

Se hace necesario buscar otros desoxidantes como Mn o Si

La meta aquí es …. AJUSTAR COMPOSICIONQUÍMICA Y CONTRIBUIR A LADISMINUCION DEL CONTENIDO DEOXIGENO

2.2.2.- La Desoxidación

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Silicio como agente desoxidante

Baño Metálico

Escoria

[ O ]

(FeO)

[ Si ]

(< SiO2 >)

[ Fe ]

[Si]inicial + [Si] añadido = [Si]final + [Si]eliminado

[Si] añadido = [Si]final - [Si]final + [Si]eliminado

Eficiencia en la adición de las Ferroaleaciones

Eficiencia = (P.A.).TAL (36)Kgs F.A. xPureza F.A.

Donde :P.A. = Puntos aportados por la ferroaleaciónTAL = Toneladas de acero líquidoKgs F.A. = Kgas de ferroaleación a añadir.Pureza F.A. = Pureza de la ferroaleación

2.2.2.- La Desoxidación: 2.2.2.2.- El Silicio.Reacciones fundamentales.

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Producir inclusiones de silicatos que estén en formalíquida a las temperaturas normales manejadas en lametalurgia secundaria:

El gráfico representa lainfluencia de lacomposición química dela escoria a una T de1500 ªC. Se observa queaumentando de 0.8 a 1 lafracción de SiO2/CaO sepromueve la formaciónde silicatos líquidos quecontribuyen con lalimpieza del acero.

2.2.2.- La Desoxidación: 2.2.2.2.- El Silicio.Reacciones fundamentales.

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Manganeso como agente desoxidante

Baño Metálico

Escoria

[ O ]

(FeO)

[ Mn ]

(< MnO >)

[ Fe ]

[Mn]inicial + [Mn] añadido = [Mn]final + [Mn]eliminado

[Mn] añadido = [Mn]inicial - [Mn]final + [Mn]eliminado

Eficiencia en la adición de las Ferroaleaciones

Eficiencia = (P.A.).TAL Kgs F.A. xPureza F.A.

Donde :P.A. = Puntos aportados por la ferroaleaciónTAL = Toneladas de acero líquidoKgs F.A. = Kgas de ferroaleación a añadir.Pureza F.A. = Pureza de la ferroaleación

2.2.2.- La Desoxidación: 2.2.2.3.- El Manganeso.Reacciones fundamentales.

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Eliminación del Oxígeno combinado. Aspectos a considerar

El oxígeno combinado es lo que se denomina como inclusiones y suprocedencia se debe a los mecanismos de desoxidación de lasinclusiones endógenas.Su eliminación se puede hacer:- Descomposición de óxidos; para aceros de altos requerimientos senecesitan altos vacíos.- Flotación; es el mecanismo más probable y más posible.-Transformación de los precipitados para obtener inclusiones decomposición y morfología convenientes.

La Desoxidación

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Ejemplos de inclusiones en el producto finalLa Desoxidación