Berciano&Temps - Monografías sobre Tecnología del Acero - Pt I - Acería Eléctrica

7/30/2019 Berciano&Temps - Monografas sobre Tecnologa del Acero - Pt I - Acera Elctrica

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Monografas sobre Tecnologa del Acero. Parte I

ACERA ELCTRICA

Jose Luis Enrquez Berciano

Enrique Tremps Guerra

Susana de Elo de Bengy

Daniel Fernndez Segovia


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Monografas sobre Tecnologa del Acero. Parte IACERA ELCTRICA

Jos Luis Enrquez Berciano

Enrique Tremps Guerra

Daniel Fernndez Segovia

Susana de Elo de Bengy

Universidad Politcnica de Madrid

noviembre de 2009


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Paracontactarconlosautores:[email protected]@upm.es


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I

ndice

1 INTRODUCCIN .................................................................................... 1

1.1 VAS SIDERRGICAS ...................................................................................... 1

1.1.1 Siderurgia basada en mineral .................................................................. 1

1.1.2 Siderurgia basada en chatarra ................................................................. 5

1.2 PROCESOS DE ACERA .................................................................................... 9

1.2.1 Afino en convertidor ............................................................................... 9

1.2.2 Afino en piquera ................................................................................... 19

1.2.3 Afino sobre solera (Siemens-Martin) ................................................... 21

1.2.4 Hornos de arco elctrico ....................................................................... 24

1.2.5 Simple refusin ..................................................................................... 26

2 HORNO ELCTRICO DE ARCO .......................................................... 34

2.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO ................................................................ 34

2.2 MATERIALES DE CARGA .............................................................................. 34

2.2.1 Chatarra ................................................................................................ 34

2.2.2 Prerreducidos ........................................................................................ 35

2.2.3 Otros materiales de carga ..................................................................... 35

2.2.4 Instalaciones de transporte.................................................................... 36

2.3 NAVE DE HORNOS......................................................................................... 36

2.3.1 Instalacin elctrica de alta................................................................... 37

2.3.2 Equipo elctrico del horno .................................................................... 37

2.3.3 Caseta de bombas hidrulicas ............................................................... 51

2.3.4 Cabina de control y mando ................................................................... 52

2.3.5 Horno propiamente dicho ..................................................................... 53

2.3.6 Equipos auxiliares ................................................................................ 53

2.3.7 Tolvas y dosificadores .......................................................................... 56

2.3.8 Zona de cucharas .................................................................................. 57

2.4 DESCRIPCIN DEL HORNO DE ARCO........................................................... 572.4.1 Cuba del horno ..................................................................................... 57


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II

2.4.2 Bveda del horno .................................................................................. 65

2.4.3 Electrodos ............................................................................................. 84

2.4.4 Equipo conductor y soporte .................................................................. 90

2.5 HORNO DE ARCO DE CORRIENTE CONTINUA ............................................. 94

2.5.1 Caractersticas del horno ...................................................................... 95

2.6 REFRACTARIOS .......................................................................................... 103

2.6.1 Generalidades ..................................................................................... 103

2.6.2 Clasificacin ....................................................................................... 105

2.6.3 Refractarios arcillosos (silico-aluminosos) ........................................ 105

2.6.4 Refractarios aluminosos ..................................................................... 107

2.6.5 Refractarios siliciosos ......................................................................... 108

2.6.6 Refractarios magnsicos ..................................................................... 109

2.6.7 Refractarios especiales ....................................................................... 113

2.7 MATERIAS PRIMAS DE ACERA ELCTRICA ............................................. 116

2.7.1 Carga metlica .................................................................................... 116

2.7.2 Oxidantes ............................................................................................ 121

2.7.3 Escorificantes y fundentes .................................................................. 122

2.7.4 Agentes de hervido ............................................................................. 124

2.7.5 Desulfurantes ...................................................................................... 125

2.7.6 Reductores .......................................................................................... 128

2.7.7 Recarburantes ..................................................................................... 134

2.7.8 Aleantes .............................................................................................. 134

2.8 FABRICACIN DE ACERO EN HORNO DE ARCO ........................................ 138

2.8.1 Nmero de escorias segn carga y producto final .............................. 139

2.8.2 Marcha de colada segn proceso bsico ............................................. 141

2.8.3 Cronologa de colada en horno elctrico de arco ............................... 157

2.8.4 Marchas especiales ............................................................................. 161

2.8.5 Horno elctrico con revestimiento cido ............................................ 170

3 HORNO ELCTRICO DE INDUCCIN ............................................... 178

3.1 FUNDAMENTO Y EQUIPO ............................................................................ 178

3.1.1 Clasificacin segn diseo ................................................................. 182

3.1.2 Clasificacin segn frecuencia de la corriente ................................... 187


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IV

6.3 OPERACIN ................................................................................................ 215

6.4 VENTAJAS Y APLICACIONES ...................................................................... 215

7 HORNO PLASMA (PLASMA ARC REMELTING,P.A.R.) .................. 2177.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO .............................................................. 217

7.2 EQUIPO ....................................................................................................... 219

7.2.1 Electrodos ........................................................................................... 119

7.2.2 Subsistemas del plasma ...................................................................... 220

7.3 OPERACIN ................................................................................................ 221

7.4 VENTAJAS Y APLICACIONES ...................................................................... 222

Bibliografa..............................................................................................................227


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V

ndice de Figuras

Figura 1 Siderurgia a partir de mineral .................................................................. 1

Figura 2 Acera del siglo XXI. Siderurgia sin coque .............................................. 2

Figura 3 Procesos principales de fabricacin de aceros ......................................... 3

Figura 4 Evolucin de composicin y temperatura que se produce en lasiderurgia integral y en la reduccin directa en estado slido ............ 3

Figura 5 Proceso N.R.I.M (Japn) de acera continua (C.S.M) ............................ 4

Figura 6 Siderurgia a partir chatarra ..................................................................... 5

Figura 7 Alternativas europeas para la siderurgia (CECA).................................. 6

Figura 8 Rutas alternativas europeas para fabricacin de acero ......................... 7

Figura 9 Tendencias futuras en acera basada en chatarra .................................. 8

Figura 10 Evolucin de la importancia cuantitativa de los procesos de aceraen la siderurgia moderna mundial ......................................................... 9

Figura 11 Convertidor Bessemer ........................................................................... 10

Figura 12 Convertidor Trppenas de soplado lateral ........................................... 11

Figura 13 Convertidor LD ...................................................................................... 12

Figura 14 Fases de colada en el oxiconvertidor LD .............................................. 13Figura 15 Convertidor Kaldo ................................................................................. 15

Figura 16 Convertidor Rotor ................................................................................. 16

Figura 17 Tobera doble para soplado por el fondo en convertidor .................... 17

Figura 18 Detalle esquemtico convertidor Q-BOP ............................................. 17

Figura 19 Esquema de convertidor de soplado combinado ................................. 18

Figura 20 Esquema del convertidor KMS ............................................................. 19

Figura 21 Proceso IRSID de afino continuo .......................................................... 20Figura 22 Fundamento del afino continuo ............................................................ 20

Figura 23 Esquema del proceso IRSID de fusin y acera continua en hornoelctrico de arco ..................................................................................... 21

Figura 24 Combustin en horno Siemens-Martin ................................................ 22

Figura 25 Quemador de combustible fuel-oil y comburente aire en Siemens-Martin ..................................................................................................... 23

Figura 26 Quemador fuel-oil en Siemens-Martin ................................................. 23

Figura 27-a Horno de arco tipo Stassano .............................................................. 24


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VI

Figura 27-b Horno de arco tipo Girod .................................................................. 25

Figura 27-c Horno de arco tipo Hroult ................................................................ 26

Figura 28 Esquema de horno de induccin ........................................................... 27

Figura 29 Horno de Induccin de Crisol sin Ncleo ............................................ 28

Figura 30 Horno de Induccin de Canal con Ncleo ........................................... 28

Figura 31 Hornos de canal de colada automtica en moldeo ABB ..................... 29

Figura 32 Hornos de induccin al vacio Balzers ................................................... 29

Figura 33 Horno elctrico de arco con electrodo consumible bajo vacio(VAR) ...................................................................................................... 30

Figura 34 Esquema del proceso de refusin y afino bajo electroescoria ............ 31

Figura 35 Electrodo para arco-plasma no transferido ........................................ 32

Figura 36 Tipos de arco plasma ............................................................................. 32

Figura 37 Horno de Electron Beam ....................................................................... 33

Figura 38 Nave de hornos ....................................................................................... 37

Figura 39 Vista simplificada de horno de arco ..................................................... 38

Figura 40 Esquema de instalacin del horno de arco .......................................... 38

Figura 41 Caractersticas y estabilidad del arco elctrico en el H.E.A............... 40

Figura 42 Relacin entre la potencia del transformador, capacidad y

duracin en horno elctrico de arco (H.E.A.) ..................................... 42Figura 43 Potencia especfica del transformador en hornos de arco .................. 42

Figura 44 Corte esquematizado del rel electro-hidrulico de regulacinHR ........................................................................................................... 46

Figura 45 Funcionamiento del rel electro-hidrulico HR, (1) Posicin dereposo ...................................................................................................... 46

Figura 46 Funcionamiento del rel electro-hidrulico HR. (2) Subida deelectrodo. ................................................................................................ 47

Figura 47 Funcionamiento del rel electro-hidrulico HR. (3) Bajada deelectrodo. ................................................................................................ 47

Figura 48 Relacin magnetohidrulica TW. (1) Posicin de reposo. .................. 48

Figura 49 Relacin magnetohidrulica TW. (2) Subida del electrodo. .............. 49

Figura 50 Relacin magnetohidrulica TW. (3)Bajada del electrodo. ............... 49

Figura 51 Panel de control del horno de arco ....................................................... 52

Figura 52 Quemadores oxi-gas Badische Stahl Engineering (B.S.E.) paraahorro de energa elctrica y aceleramiento de la fusin en

horno de arco ......................................................................................... 55


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VII

Figura 53 Quemador oxi-combustible ................................................................... 56

Figura 54 Cuba de horno de arco, piquera frontal, no refrigerado .................... 60

Figura 55 Fusin y oxidacin del acero en el horno de arco y desescoriado yescoria segunda reductora en la cuchara ............................................ 60

Figura 56 Cuba de horno de arco E.B.T. con refrigeracin por agua ................ 61

Figura 57 Fusin y oxidacin del acero en el horno de arco y retencin de laescoria primera oxidada en el propio horno por coladaexcntrica por el fondo. ......................................................................... 61

Figura 58 Mtodo del taponado. Sistema de retencin de escoria negraoxidada dentro del horno, evitando su cada a la cuchara. ................ 62

Figura 59 Bveda y parte superior de la cuba del horno de arco ....................... 66

Figura 60 Bvedas de horno de arco ...................................................................... 67

Figura 61 Bveda fija y carga por la puerta de trabajo ...................................... 69

Figura 62 Carga de horno por bveda desplazable .............................................. 70

Figura 63 Carga de horno por bveda pivotante ................................................. 71

Figura 64 Desplazamiento de la bveda en horno elctrico de arco VOESTALPINE .................................................................................................. 72

Figura 65 Cestas de carga ....................................................................................... 74

Figura 66 Cesta de carga de horno de arco pequeo o medio. (1) Cesta

descarga. ................................................................................................. 75Figura 67 Cesta de carga de horno de arco pequeo o medio. (2) Cesta

llenndose. .............................................................................................. 75

Figura 68 Pellets prerreducidos. Diagrama del aparato IRSID de cargacontinua al horno elctrico de arco ...................................................... 76

Figura 69 Pellets prerreducidos. Diagrama del aparato Stelco de cargacontinua al horno elctrico de arco ...................................................... 77

Figura 70 Pellets prerreducidos. Diagrama del aparato TAMSA de carga

continua al horno elctrico de arco ...................................................... 77Figura 71 High temperature quenching (HTQ) , sistema badische stahl

engineering (BSE) para depuracin del gas de salida de la bvedadel horno elctrico de arco. ................................................................... 79

Figura 72 Precalentamiento de chatarra acera ................................................... 80

Figura 73 SMS Verticon. Precalentamiento de chatarra ..................................... 80

Figura 74 SMS Verticon para precalentamiento de la carga de hornoelctrico de arco ..................................................................................... 81

Figura 75 Balance de energa, KWh/T. Verticon Schloemann- Siemag AG ...... 82


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VIII

Figura 76 Horno de arco y cuba baja Fuchs Systemtechnik en SheernessSteel ........................................................................................................ 83

Figura 77 Cuba electroltica para aluminio .......................................................... 85

Figura 78 Horno de cuba abierta y solera conductora para fabricacin de

ferroaleaciones ....................................................................................... 85

Figura 79 Electrodo Sderberg .............................................................................. 86

Figura 80 Fabricacin de electrodos de grafito Genosa- Pechiney- Sers ........... 89

Figura 81 Horno elctrico de arco Voest-Alpine. Dideo "corto". Brazosportaelectrodos conductores en caja de acero, cerrada, chapadaen cobre vaco, y refrigerada interiormente por circulacin deagua. ........................................................................................................ 92

Figura 82 Mordaza porta-electrodos. Horno de arco corriente continua

V.A.I. ....................................................................................................... 93Figura 83 Esquema elctrico del horno de arco de corriente continua

V.A.I. ....................................................................................................... 95

Figura 84 Horno de arco, corriente continua, nodo de aletas. DeutscheVoest Alpine Industrieanlagenbau GMBH ......................................... 96

Figura 85 Horno de arco de corriente continua sistema DVAI (nodo dealetas) ...................................................................................................... 97

Figura 86 Horno de arco de corriente continua. Sistema ABB. .......................... 97

Figura 87 Horno de arco de corriente continua. Sistema NKK-GHH ............... 98

Figura 88 Horno de arco de corriente continua. Sistema CLECIM. .................. 99

Figura 89 Tapa corredera de colada, accionada neumticamente, en hornode arco de corriente continua. ............................................................ 100

Figura 90 Regulacin electrohidrulica de electrodo en horno de arco decorriente continua V.A.I ..................................................................... 101

Figura 91 Proceso ELRED ................................................................................... 102

Figura 92 Sistema de refrigeracin en horno arco, corriente continua. ........... 104

Figura 93 Influencia de las condiciones de la escoria sobre el grado dedefosforacin del bao de acero ......................................................... 147

Figura 94 Clulas galvnicas usadas en sensores de oxgeno ............................ 149

Figura 95 Influencia de las condiciones de la escoria sobre el grado dedesulfuracin del bao de acero. ........................................................ 151

Figura 96 Fases de una colada en horno de arco ................................................ 155

Figura 97 Evolucin de la composicin de la escoria durante una colada

de acero en H.E.A., marcha bsica, dos escorias. ............................. 156Figura 98 Eliminacin de fsforo, azufre y oxgeno en H.E.A. ......................... 156


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IX

Figura 99 Eliminacin de impurezas del bao metlico en una coladade acero en H.E.A., marcha bsica, dos escorias .............................. 157

Figura 100 Cronologa de marcha en H.E.A. bsico, dos escorias. ................... 161

Figura 101 Lingote. Acero efervescente. Acero semicalmado ........................... 162

Figura 102 Evolucin de la composicin de la escoria durante una coladade acero en horno de arco, segn marcha cida. .............................. 175

Figura 103 Permanencia de impurezas del bao metlico en una colada deacero en horno de arco, segn marcha cida. ................................... 176

Figura 104 Evolucin de la composicin del bao metlico en una coladade acero en horno de arco, segn marcha cida. .............................. 176

Figura 105 Cronologa de marcha en horno de arco en cido. ......................... 177

Figura 106 Influencia de la capacidad del horno y del proceso en laduracin de las coladas en horno elctrico de arco. ......................... 177

Figura 107 Perfiles de bobina inductora en hornos de induccin de crisol ..... 179

Figura 108 Horno Junker, Crisol. Induccin sin ncleo. Frecuencia de lared ......................................................................................................... 180

Figura 109 Horno de induccin de crisol insertec, media frecuencia ............... 181

Figura 110 Esquema Horno de Induccin ........................................................... 182

Figura 111 Esquema idealizado de principio del inductor ................................ 183

Figura 112 Evolucin historica de los inductores en los hornos de canal ........ 183Figura 113 Representacin de un inductor ......................................................... 184

Figura 114 Hornos de induccin de canal. Tipos de cuba para hierro ............. 185

Figura 115 Horno de induccin de canal, tipo basculante ................................. 185

Figura 116 Horno de induccin de canal y tambor ............................................ 186

Figura 117 Horno de induccin de canal vertical ............................................... 186

Figura 118 Proceso DH, desgasificacin por elevacin intermitente bajovaco Dortmund-Hrder Httenunion AG., HoeschHttenwerke AG, Dortmund .............................................................. 191

Figura 119 Mtodo ASEA-SKF ............................................................................ 192

Figura 120 Proceso de colada continua horizontal ............................................. 192

Figura 121 Hornos de induccin para dplex de colada continua .................... 193

Figura 122 Acera compacta. Compact strip production (CSP). Sistema decolada continua de slab fino disponibles actualmente en elmercado ................................................................................................ 194

Figura 123 Fusin discontinua, en una sola etapa, con varios hornos deinduccin de crisol ............................................................................... 195


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X

Figura 124 Esquema de proceso dplex para fabricacin de fundicinsinttica a partir de pellets prerreducidos ......................................... 196

Figura 125 Dplex cubilote-antecrisol de induccin de canal ........................... 196

Figura 126 Duplex. Dos hornos de crisol para fusin primaria y un horno

de canal para mantenimiento ............................................................. 197

Figura 127 Vacuum Arc Remelting, (V.A.R.) ...................................................... 199

Figura 128 Electroslag Remelting, (E.S.R.) Lingotera fija y lingotedeslizante .............................................................................................. 204

Figura 129 Esquema de conjunto del horno de refusin por electroescoria.Lingotera deslizante y lingote fijo ...................................................... 205

Figura 130 Sistema Inteco-S.C.E. de calentamiento de acero en cucharamediante la tecnologa de electroescoria............................................ 212

Figura 131 Sistema Inteco-S.C.E., esquema de una maquina de coladacontinua horizontal con calentamiento por electroescoria,purga de argn y presin constante de gas sobre la superficiedel bao ................................................................................................. 213

Figura 132 Interfase horno-reactor/plasma ........................................................ 217

Figura 133 Electrodo para arco-plasma tranferido ........................................... 218

Figura 134 Esquema de horno plasma, arco transferido .................................... 220

Figura 135 Daido Seel. Horno de crisol a induccin con calentamiento

adicional por arco-plasma ................................................................... 222

Figura 136 Horno cuchara con calentamiento por arco-plasma ....................... 224

Figura 137 Horno-cuchara KRUPP a plasma mostrando el sistema decaptacin y anlisis de los gases .......................................................... 225


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ACERAELCTRICA 3

En la figura 3 se comparan los procesos de siderurgia integral (horno alto)y reduccin directa en estado slido. La figura 4 muestra la diferenteevolucin de composicin y temperatura que se produce en ambos procesos.

Figura 3 Procesos principales de fabricacin de aceros.

Figura 4 Evolucin de composicin y temperatura que se produce en la siderurgiaintegral y en la reduccin directa en estado slido.

Captulo1Introduccin


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ACERAELCTRICA 4

El hierro esponja puede cargarse en un cubilote en el que adems defundirse se recarbura a expensas del carbono del coque. En la figura 5 sepresenta el esquema de un proceso combinado desarrollado por el Instituto

Nacional de Investigacin Metalrgica (NRIM) de Japn. Este proceso vadesde el mineral hasta la mquina de colada continua. Se obtiene unafundicin lquida que, una vez ajustada su composicin, podra emplearsepara obtener piezas moldeadas de hierro fundido; tambin puede seguir sucamino para obtener acero lquido en los mismos hornos que los citados envas anteriores.

A ZONA DE FUSIN PRIMARIA

B ZONA DE REFINO DESCARBURADOR

1 Tolvas de Coque y de Caliza2 Bscula de Pesada de Cargas3 Horno de Cubilote4 Unidad Desulfuradora5 Horno de canal para Mantenimiento6 Unidad Alimentadora7 Horno de Refino Descarburador

C ZONA DE CALMADO Y AJUSTE DE LACOMPOSICIN

D ZONA DE COLADA

8 Cuchara para Desoxidacin9 Horno de Induccin de Canal para ajuste final de

Composicin10 Tolvas de ferroaleaciones11 Mquina de Colada Continua12 Sistema colector de Polvo

Figura 5 Proceso N.R.I.M (Japn) de acera continua (C.S.M).

Captulo1Introduccin


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ACERAELCTRICA 6

La primera alternativa consiste en fundir la chatarra en cubilote, tal comose vi en el proceso japons NRIM, desulfurando posteriormente la fundicinlquida obtenida. El producto obtenido se pasa a otras unidades para su

descarburacin y conversin en acero. Ha de hacerse notar que el horno EOF(Energy Optimizing Furnace) se encuentra todava en fase de planta piloto de5 t de capacidad.

La segunda va sera la fusin de la chatarra en horno EOF (como se hadicho, todava a escala de equipo piloto) o en horno de reverbero-soleraSiemens Martin. Este horno ha durado casi un siglo, desde mediados del XIXa mediados del XX. Despus ha desaparecido casi totalmente por razones debaja productividad o lluvia cida derivada del empleo de combustibles altosen azufre.

La tercera va, y ms utilizada, consiste en fundir la chatarra en horno

elctrico de arco. El acero lquido obtenido se pasa a lo que se ha dado enllamar Metalurgia Secundaria o en cuchara donde adems de ajustar sucomposicin y temperatura se mejora extraordinariamente su calidad.

Las figuras 7 y 8, procedentes de un estudio auspiciado por la antiguaComunidad Europea del Carbn y el Acero (CECA), as como el cuadropresentado en la figura 9, muestran cmo se ve en la actualidad el futuro delas materias primas y los procesos siderrgicos.

Figura 7 Alternativas europeas para la siderurgia (CECA).

Captulo1Introduccin


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ACERAELCTRICA 7

RUTAS:

a) Rutas Basadas en Mineral de Hierro1

Horno Alto + Oxiconvertidor + Refrigerante (Mineral de

Hierro o Chatarra)2 Fusin Reductora + Desulfuracin + +Oxiconvertidor

3Fusin Reductora + Desulfuracin Continua ++Oxiconvertidor

4 Fusin Reductora + Desulfuracin Continua + +AceraContinua

b) Rutas Basadas en Chatarra5 Horno Elctrico de Arco

6Cubilote Viento Caliente + Desulfuracin+ Horno deOptimizacin de Energa

7 Horno de Optimizacin de Energac) Rutas Mineral de Hierro/Chatarra

8 Horno Alto + Oxiconvertidor + Chatarra9 Horno Elctrico de Arco + Hierro de Reduccin Directa

10 Horno de Optimizacin de Energa + Fundicin Lquida

SMBOLOS:COK Batera de CoqueSIN Planta de Sinterizacin

PEL Planta de PeletizacinBF Horno AltoSR Planta de Fusin ReductoraHC Cubilote de Viento CalienteDR Planta de Reduccin DirectaDS Desulfuracin

CDS Desulfuracin ContinuaCSM Acera ContinuaEOF Horno de Optimizacin de EnergaEAF Horno Elctrico de ArcoBOF Oxiconvertidor LD

Fundicin Lquida y Materias Primas- - - - Chatarra Hierro de Reduccin Directa- - - - Ruta de Fusin con Cubilote

Figura 8 Rutas alternativas europeas para fabricacin de acero.

Captulo1Introduccin


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ACERAELCTRICA 8

Figura 9 Tendencias futuras en acer

a basada en chatarra.

Captulo1Introduccin


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ACERAELCTRICA 9

1.2 P

mente, sobre todo en Espaa, la importanciadel horno elctrico de arco sustituyendo paulatinamente a la siderurgia integralb

Figura 10 Evoluci e los procesos de acera enla siderurgia moderna mundial.

1.2.1

s convertidoreses un oxiconvertidores.

a) Con

rocesos de acera

En las pginas que siguen se revisan los procesos modernos o actuales de

acera, describiendo y comparando sus caractersticas y posibilidades. En lagrfica de la figura 10 se compara la importancia relativa de los procesos deacera en la segunda mitad del siglo XX. Ha de hacerse notar que en los ltimostiempos ha aumentado extraordinaria

asada en horno alto y convertidor.

n de la importancia uantitativa d

c

Afino en convertidor

El convertidor de acera no es un horno de fusin en el sentido literal de laexpresin, ya que no tiene sistema autnomo de calentamiento. Estacircunstancia le obliga a partir de carga lquida (arrabio de horno alto ofundicin de cubilote) que se oxida mediante el paso de una corriente deoxgeno. Si este oxgeno est como aire se tienen loneumticos. Si se sopla oxgeno puro

vertidores neumticos

En la segunda mitad del siglo XIX surgieron los convertidoresneumticos para hacer frente a la masiva produccin de arrabio enlos ya grandes hornos altos de entonces. El primero de ellos fue elconvertidor desarrollado por Sir Henry Bessemer (figura 11) en elque se soplaba aire a travs de unas toberas situadas en el fondo. Eloxgeno del aire soplado atravesaba la fundicin lquida existente enel convertidor, quemando su carbono, silicio y manganeso. Estasreacciones convertan la fundicin (arrabio) en acero y su efecto

Captulo1Introduccin


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ACERAELCTRICA 10

trmico positivo elevaba la temperatura hasta llegar a la necesariacolada satisfactoria del acero.

Figura 11 Convertidor Bessemer.

ucin del problema dedefo

ran lo que en agricultura secon

e las del Bessemer, por lo que no se hacemencin especial de l.

Los convertidores resolvieron el problema del tratamientomasivo del arrabio fabricado en los nuevos hornos altos. Despus sevio que su revestimiento cido (slice) no permita defosforar nidesulfurar arrabios fosforosos obtenidos a partir de minerales conelevada concentracin de este metaloide. El fsforo comunicabaelevada fragilidad en caliente a los aceros fabricados con estosarrabios, por lo que se hizo acuciante la resol

sforacin de arrabios altos en fsforo.

Sydney Gilchrist Thomas resolvi este problema. Instal unrevestimiento bsico en el convertidor Bessemer, lo que le permititrabajar con marchas bsicas de colada que hacan posible laeliminacin con la escoria de los anhdridos procedentes de lacombustin de los metaloides. Por si fuera poco, se generabangrandes cantidades de una escoria rica en fsforo y nitrgeno queconstitua un fertilizante excepcional, sobre todo para elenmendado de terrenos cidos. E

ocan como escorias Thomas.

Las caractersticas estructurales del convertidor Thomas eran

prcticamente iguales qu

Captulo1Introduccin


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ACERAELCTRICA 11

Los convertidores Bessemer y Thomas resolvieron lafabricacin masiva y econmica de grandes cantidades de aceropara colada en lingoteras y laminacin posterior de los lingotes

obtenidos. Sin embargo, su rendimiento trmico, an siendo grande,no era ptimo. El monxido de carbono CO formado en laoxidacin del carbono se quemaba en el exterior del horno hastaCO2 con el consiguiente desprendimiento de calor y luminosidad(los hornos de Baracaldo que alumbran todoBilbao, que deca lacancin). Este calor escapa a la atmsfera, no se recupera, lo que setraduce en una temperatura relativamente baja que invalida esteacero para colar piezas moldeadas de seccin pequea.

El convertidor Trppenas de soplado lateral (figura 12) resolvieste problema de aprovechamiento trmico. Para ello el soplado sehace por tobera situada justamente sobre el nivel del caldo. El aire

quema superficialmente el carbono hasta monxido CO. El excesode aire quema el CO producido hasta CO2. El calor generado en estacombustin queda confinado en el interior del convertidor, que paraello tiene forma alargada. Las llamas producidas recalientan el aceroformado, llegndose a temperaturas superiores a 1700C. Estacircunstancia favorable hace adecuado el convertidor para fabricaracero destinado a piezas moldeadas de pequeo espesor. Durantemuchos aos se funda chatarra en cubilote y este caldo se tratabaen convertidor Trppenas para colar moldes. Hoy das ha sidosustituido por los hornos de induccin.

Figura 12 Convertidor Trppenas de soplado lateral.

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Figura 14 Fases de colada en el oxiconvertidor LD.

Sobre la denominacin LD algunos la atribuyen a las dos

ciudades austriacas (Linz y Donawitz) en las que se desarroll elproceso. Otros la atribuyen al nombre inicial de Linzer DsenVerfahren (procedimiento de las toberas de Linz). En los pasessajones reciben el nombre de Basic Oxigen Proccess o BasicOxigen Furnace.

Poco despus de la aparicin del LD surgieron otrosoxiconvertidores cuyos objetivos primordiales fueron aumentar laproductividad y eficiencia trmica, adems de obtener unadefosforacin que permitiera tratar arrabios muy fosforados.Algunos de estos procesos son:

i. Proceso LDP (LD Acieries de Pompey)Ms que un equipo nuevo es una variante de la marcha

normalmente seguida en el convertidor LD. Se realizan dossoplados, con sendas adiciones de mineral (Fe2O3) y cal,separados por un desescoriado. La escoria obtenida sirve comofertilizante, al igual que en el Thomas.

ii. Proceso LDACDesarrollado en colaboracin entre el Centre Nacionales

de Recherches Metallurgiques (CNRM) de Lieja (Blgica) y laacera ARBED de Dudelange (Luxemburgo). Su caracterstica

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principal consiste en que hasta un 70% de la cal se introduce enpolvo a travs de la misma lanza utilizada para inyectaroxgeno. El 30% restante se carga en trozos. Como en el caso

anterior hay dos perodos de soplado y adiciones de cal ymineral separados por un desescoriado.

iii. Proceso OLP (Oxigen Lance Poudre)Desarrollado por el Institute de Recherches Metallurgiques

(IRSID) de Pars. Se diferencia del LDAC en que toda la cal seaade inyectada por la lanza de oxgeno. Por lo dems, hay dosperodos de soplado separados por un desescoriado.

iv. Proceso KaldoDesarrollado por el Profesor Kalling, de Domnarvet

(Suecia). Este proceso se caracteriza por emplear unconvertidor con el fondo cerrado, que gira continuamentealrededor de su eje y que, durante la operacin, se encuentrainclinado unos 17 sobre la lnea horizontal (figura 15). Seutilizan velocidades de giro de 5 a 30 rpm. Este soplado con elconvertidor inclinado presenta la ventaja de que el CO sequema (postcombustin) dentro del convertidor, con elconsiguiente aprovechamiento de la energa, lo que permiteemplear cantidades sustanciales de chatarra, que pueden llegarhasta el 50 %.

Debido a la continua rotacin del convertidor las paredesde la cmara de combustin transmiten al metal el calor quereciben, homogeneizndose continuamente la temperatura delbao.

Normalmente en el proceso se trabaja con dos soplados(escorias) separados por un desescoriado, aunque a veces setrabaja con tres escorias. Se producen aceros de excepcionalcalidad, bajsimos en hidrgeno, nitrgeno, fsforo y azufre,an a costa de elevados costos de mantenimiento generados por

la rotacin de grandes masas.

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Figura 16 Convertidor Rotor.

vi. Soplado por el fondoSon los procesos que recibieron los nombres de OBM

(Oxigen Bottom Max-Chtte) y Q-BOP (Quiet Basic Oxigen

Process). Emplean la vieja idea, que Bessemer intent poner enprctica, de inyectar oxgeno puro por las toberas del fondo.Bessemer fracas con esta idea porque el oxgeno puroprovocaba reacciones muy exotrmicas que arruinaban losrefractarios.

En estos procesos se inyecta oxgeno y gas natural portoberas concntricas (figuras 17 y 18). El calor generado en elfondo del convertidor descompone los hidrocarburos que lleganpor la tobera envolviendo al oxgeno. Esta descomposicin,(una especie de cracking), que es endotrmica, produce unafuerte refrigeracin del refractario prximo a las toberas,evitando su destruccin.

En este proceso las reacciones metal-escoria son muyrpidas gracias a la agitacin generadora de interfases, y laoperacin slo dura unos 15 a 20 minutos.

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Figura 17 Tobera doble para soplado por el fondo en convertidor.

Figura 18 Detalle esquemtico convertidor Q-BOP.

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Figura 20 Esquema del convertidor KMS.

1.2.2 Afino en piqueraDesarrollado por el Institute de Recherches Siderurgiques (IRSID) deFrancia, elimina el convertidor pues efecta la descarburacin en un reactor

situado en serie con la piquera del horno alto. El conjunto consta (figuras 21 y22) de la zona de llegada de caldo y el reactor en el que adems de soplaroxgeno y cal se hacen las adiciones refrigerantes (chatarra) y se separa laescoria. El acero oxidado cae a un horno de induccin de canal en el que serealiza la desoxidacin (calmado) y el ajuste final de composicin ytemperatura del acero (mise en nuance).

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Hearth (hogar abierto).

Cuando se trabaja con combustible y comburente fros la temperatura enla cmara de fusin es de slo 1000 a 1200 C. La elevacin de la temperatura

del aire y del gas combustible hasta 1200 C en las cmaras de regeneracinpermite elevar la temperatura de llama varios cientos de grados y obtener enel hogar temperaturas del orden de 1650 C, suficientes para afrontar la fusinde acero.

En la figura 24 se tiene el esquema de la disposicin y funcionamiento deun horno Siemens. El aire y gas combustible (gas pobre de gasgeno) secalientan al paso por sendas cmaras rellenas de ladrillo refractario quepreviamente han sido recalentadas por los gases de combustin. Hay cuatrocmaras, dos para calentamiento de gas combustible y otras dos paracalentamiento de aire comburente. Unas vlvulas especiales (de mariposa,

campana o guillotina) alternan peridicamente los sentidos de flujo de loscomponentes gaseosos de la combustin. La utilizacin de combustibles deelevado poder calorfico, como gas natural, gas-oil o fuel-oil ha eliminado lanecesidad de calentarlos. Esto ha permitido suprimir las dos cmaras decalentamiento de combustible y quedarse slo con las de calentamiento deaire comburente (figura 24).

Figura 24 Combustin en horno Siemens-Martin.

Las figuras 25 y 26 ilustran el diseo y funcionamiento de quemadorespara combustible lquido. Se ve que se necesita aire para atomizacin del

combustible adems del aire de combustin.

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1.2.4 Hornos de arco elctricoEl horno de arco actual puede definirse como un horno de solera en el que

los quemadores de combustible han sido sustitudos por electrodos conectados

a la corriente elctrica.A finales del siglo XIX Wilhem Siemens desarroll los primeros hornos

de arco elctrico para fusin de diversos metales. Despus Paul Hroult y PaulGirod en Francia y Stassano en Italia los pusieron a punto hasta casi llegar a loque son en la actualidad. A comienzos del siglo XX comenz la sustitucin delos hornos de crisol por los de arco; tambin el tamao de stos, que los llevhasta 400 t de capacidad. Hoy da se ha visto que es ms rentable y adecuadoel de 100 - 150 t de capacidad.

Al principio slo eran rentables para aceros aleados, de alto valoraadido. Su desarrollo y optimizacin hizo que desde mediados del siglo XX

entraran en competencia con la siderurgia integral en el campo de los aceroscorrientes no aleados.

Hay tres tipos bsicos de hornos de arco:

a) Arco indirecto con electrodos horizontales:Es el sistema que se llama calentamiento en Stassano. El

arco salta entre dos electrodos horizontales sin tocar bao yescoria. El calentamiento es indirecto, por radiacin del arco albao. Algunos hornos son rotativos (Arctal, por ejemplo), con locual el calor acumulado en la bveda es devuelto al bao al girar y

ponerse en contacto con l. Hay hornos Stassano con electrodosinclinados y que estn provistos de una cuba superior paraprecalentamiento de las cargas. Puede decirse que son unacombinacin de horno alto y de arco. Se utilizan bsicamente parareduccin carboelctrica de xidos y subsiguiente obtencin deaceros y ferroaleaciones. Los hornos de arco indirecto se hanempleado tambin para colada de aleaciones no frreas ofundiciones para moldeo, aunque en este papel han sidosustitudos por los hornos de induccin (Figura 27-a).

Figura 27-a Horno de arco tipo Stassano.

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preferencia a cualquier otro tipo de hornos, tanto en acera comoen metalurgia extractiva (reduccin directa, ferroaleaciones...).Hoy da estn siendo sustituidos por los hornos de arco de

corriente continua en acera de laminacin y por los de induccinen fundicin de moldeo (Figura 27-c).

Figura 27-c Horno de arco tipo Hroult.

1.2.5 Simple refusinConstituyen un grupo de hornos en los que se refunde la carga sin que se

haga qumica. Como mucho, se persigue depurar las aleaciones, cargando unacero determinado y obteniendo la misma composicin pero libre de gases,azufre, fsforo, etc. Hay dos grandes grupos, como son los hornos deinduccin y los que se podran denominar especiales.

a) Hornos de induccinDesde el punto de vista elctrico el horno de induccin puede

considerarse como un transformador cuyo primario es una bobinainductora refrigerada por agua y cuyo secundario, que seencuentra en cortocircuito, es la propia carga a fundir (figura 28).

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Figura 28 Esquema de horno de induccin.

Desde el punto de vista de diseo pueden ser de crisol sinncleo (figura 29) o de canal (figura 30). En cuanto a la corrienteque llega a la carga pueden ser de frecuencia de la red, media,alta y ultraalta (radiofrecuencia). Respecto a la operacinpueden ser de revestimiento cido, bsico o neutro.

Los hornos de crisol sin ncleo suelen emplearse para fusinprimaria de aleaciones de punto de fusin alto; los de canal seemplean en procesos dplex para mantenimiento y ajuste decomposicin y temperatura. Pueden trabajar, segn aplicacionesespecficas, a presin atmosfrica, presurizados (figura 31) o al

vaco (figura 32).

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Figura 29 Horno de Induccin de Crisol sin Ncleo.

Figura 30 Horno de Induccin de Canal con Ncleo.

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Figura 31 Hornos de canal de colada automtica en moldeo ABB.

Figura 32 Hornos de induccin al vacio Balzers.

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b) Hornos especialesConstituyen un grupo de equipos de alta calidad y

sofisticacin que se emplean para refusin de aceros, metales y

aleaciones especiales (titanio, zirconio...) tanto para mejorar suscaractersticas (aleacin, desgasificacin, desulfuracin, cambioestructural...) como para ponerlos en forma de lingotes aptos paraforja o laminacin. Entre ellos estn como principales los quesiguen a continuacin que, al igual que los de arco e induccin, setratarn exhaustivamente en sus captulos respectivos:

i. Refusin por arco en vaco (VAR)Es un horno elctrico de arco con electrodo consumible bajo

vaco (Vacuum Arc Remelting, V.A.R.). El equipo estconstitudo por una cmara con el electrodo y una lingotera con

circulacin de agua refrigerante (figura 33). Todo el conjunto(lingotera y electrodo consumible) est bajo vaco. El arco saltaentre el electrodo y la lingotera, y el lquido resultante solidificaen la misma. Se produce una desgasificacin del metal en fusingracias al vaco, a la vez que el enfriamiento rpido provoca unaestructura slida muy favorable.

Figura 33 Horno elctrico de arco con electrodo consumible bajo vacio (V.A.R.)

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iv. Refusin por haz de electrones (EBR)En los procesos de haz de electrones (Electron Beam

Remelting, E.B.R) la energa cintica de los electrones

acelerados se transforma en calor. El chorro de electrones segenera y controla mediante un can de electrones, equipoelectromagntico de guiado del chorro y sistemas de alta tensin(figura 37). Los electrones impactan, dentro de la cmara devaco, sobre el metal a fundir (nodo) al que transmiten suenerga en forma de calor. Es lo que se llama bombardeo deelectrones.

Como en los procesos anteriores las gotas de metal lquidocaen a una lingotera refrigerada por agua en la que solidificaninstantneamente. Al igual que ocurra en electroescoria funciona

como una lingotera de colada continua. El material de arranqueno necesita en este proceso ser un lingote compacto; puedentratarse hierro esponja, materiales pulverulentos o, incluso,chatarra.

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Figura 37 Horno de Electron Beam.


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Captulo 2

HORNO ELCTRICO DE ARCO

2.1 Principio de funcionamiento

ga

El horno de arco pertenece, desde el punto de vista de diseo y operacin, algrupo de los procesos de afino sobre solera. Podra considerarse como un hornoSiemens-Martin de planta circular y en el que el calentamiento mediante

quemadores se ha sustituido por arco elctrico entre los tres electrodos (horno decorriente alterna trifsica) o entre electrodo nico y bao (horno de corrientecontinua).

El elemento fundamental del equipo, desde el punto de vista defuncionamiento, es el transformador. ste cambia la corriente de alta tensin ybaja intensidad que llega a la planta a corriente de baja tensin y alta intensidadque resulta adecuada para aprovechar el efecto Joule en el calentamiento y fusinde la carga.

2.2 Materiales de car2.2.1 Chatarra

Es el componente bsico de la carga. Cualidades deseables son, entreotras:

- Lo ms gruesa y masiva posible. En este sentido la mejor puede ser laprocedente de astilleros, desguace de buques, maquinaria, caldererapesada y ferrocarriles.

- Son preferibles aceros al carbono o de muy baja aleacin para acortarla duracin oxidante de las coladas y evitar problemas en lalaminacin derivados de la presencia de elementos trampa.

- A pesar de lo anterior algunas chatarras (inoxidable, Hadfield)

Captulo2HornoElctricodeArco


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pueden ser tiles para fabricar los mismos aceros.

- Es favorable que estn limpias y libres de xido, suciedad, pinturas,aceites, taladrinas, etc. En este sentido es preferible la chatarra

desmenuzada a la compactada.- En las instalaciones antiguas la chatarra se carga fra porque no

resulta fcil la implantacin de equipos de precalentamiento. En lasnuevas instalaciones se implantan hornos con sistemas deprecalentamiento de chatarras mediante recuperacin yaprovechamiento de los calores sensible y qumico (postcombustin)de los gases de colada.

2.2.2 PrerreducidosLos prerreducidos (pellets, briquetas, hierro esponja) son los productos

obtenidos por reduccin directa en estado slido, mediante carbn ohidrocarburos, de minerales muy puros y lo ms exentos posible de ganga. Hade tenerse en cuenta que la ganga produce en la colada una escoria pocoreactiva, viscosa y difcil de manipular.

Aportan la ventaja de que son hierro prcticamente puro exento decualquier elemento contaminante o de aleacin. Por ello su presencia en lacarga es favorable como diluyente de elementos (Ni, Sn, Cu) perjudiciales eimposibles de eliminar en las marchas de colada en acera.

Los prerreducidos pueden cargarse de cinco formas:

-

Discontinua, aadindolos en la cesta de carga.- Continua, mediante agujeros practicados en bveda o cuba del

horno.

- Inyectados en la cuba mediante equipos especiales.- En hornos de corriente continua que tienen electrodo hueco, a travs

de ste.

- Si la acera est al lado de la reduccin directa cargarlos calientes, ala salida de los hornos de reduccin, para aprovechar su calorsensible.

2.2.3 Otros materiales de carga- A veces se carga arrabio o fundicin (3-5 % de carbono) o carbn

(preferiblemente coque) para aumentar el contenido de carbono quefavorezca el hervido y la escoria espumosa.

- Cuando el horno est situado en serie con instalaciones de reduccindirecta en estado lquido (fusin reductora, Corex, D.I.O.S) lafundicin carburada producida puede formar parte de la cargaadoptando los medios de transporte que sean necesarios.

- Puede emplearse tambin arrabio producido en mini-horno alto comocomplemento o sustitucin de los convertidores de siderurgiaintegral.



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2.2.4 Instalaciones de transporteLa acera es uno de los escalones de la industria siderrgica. Tiene dos

caractersticas bsicas. La primera es que la diferencia entre los costos de

materias primas y el precio de venta del producto final (perfiles de acero) esmuy pequea. La segunda, y consecuencia de la primera, es que han demanipularse grandes cantidades de productos por lo que los costos demanutencin (transporte interno) repercuten drsticamente sobre losbeneficios. Es fundamental, por tanto, tener un lay-out (distribucin enplanta) correcto y bien dotado de medios de transporte superpuestos ycomplementarios como puentes gra, carros sobre rales, etc.

En una acera, desde el punto de vista de diagramas de operacin y deflujo de materiales, hay varias secciones escalonadas que pueden estar juntasbajo la misma nave o bajo techados diferentes:

1) Parques de materiales. Pueden estar a la intemperie en el caso demateriales poco sensibles a la corrosin como son las chatarras.Materiales ms delicados, como refractarios, electrodos,escorificantes, ferroaleaciones, han de estar bajo techado. En elparque de chatarras se encuentran los equipos de llegada ydescarga de las mismas como vas de ferrocarril, gras prtico,semiprtico o puntes gra, electroimanes, cangrejos. Tambinestn los sistemas de carga y pesada de las cestas que llevarn lachatarra y otros materiales metlicos hasta los hornos. En elexterior se encuentran tambin las instalaciones de depuracin yreciclado de aguas de refrigeracin, as como de evacuacin depolvos de filtros de gases de combustin.

2) Nave de hornos en la que se encuentran los hornos de arco parafusin primaria, tolvas y dosificadores automticosinformatizados de escorificantes, aditivos, ferroaleaciones.Tambin sistemas de evacuacin de cucharones (potas) deescoria y cucharas de acero, llegada de electrodos y refractarios,casetas de control y de instalacin elctrica.

3) En la misma nave de hornos de fusin primaria o en otra aledaaestn los hornos y otros equipos de Metalurgia Secundaria querealizan la segunda fase de la marcha de acera, junto con losmedios (tolvas, dosificadores automticos, controles) paracumplimentarla.

4) Nave de colada continua con las mquinas de colada y susrepuestos, as como medios de llegada y extraccin de lascucharas de colada procedentes de la nave anterior. El correctofuncionamiento resulta crtico en el caso de trabajo en coladasecuencial.

2.3 Nave de hornosAl igual que se mencion sobre el parque de materiales esta nave, en la que

se encuentran los hornos y sus equipos auxiliares, ha de estar suficientemente



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dotada de sistemas de movimiento como puentes gra a distintas alturas, prticoso semiprticos, carretones autotransportados, cintas transportadoras, caminos derodillos y dosificadores, as como sistemas de captacin y depuracin de humos

y otras emisiones. En ella se encuentran, entre otros, los elementos que sedescriben a continuacin (figura 38).

Figura 38 Nave de hornos.

2.3.1 Instalacin elctrica de altaA la entrada de corriente en la fbrica suele haber una caseta o centro de

transformacin que cambia la tensin, que es del orden de decenas o centenasde kilovoltios en la entrada, al nivel de trabajo (unos 20 kV). Esta casetacuenta con los transformadores y comandos para dar corriente a todas y cadauna de las secciones de la fbrica. La caseta de alta cuenta con seccionadoresque permiten dejar la instalacin sin corriente cuando hay que efectuar

cambios o reparaciones. Esto implica la necesidad de enclavamientos deseguridad.

2.3.2 Equipo elctrico del hornoEst encerrado en una caseta, vecina al horno (figuras 39 y 40), a la que

slo pueden acceder, por motivos de seguridad del trabajo, electricistas ypersonal autorizado. La corriente entra a la caseta a travs de pasamurosaisladores. Primero se encuentran los seccionadores. Estos elementos abren ocortan la entrada de corriente al resto de equipos elctricos del horno. Si seabrieran o cerraran estando energizado el circuito se produciran seriosproblemas de viento elctrico, chispas, etc. Para evitar estas falsas maniobresexisten unos enclavamientos elctricos de seguridad que impiden elaccionamiento de los seccionadores si el sistema est en carga.



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Figura 39 Vista simplificada de horno de arco.

1 Cuba y Bveda del horno2 Electrodos3 Brazos Porta electrodos4 Cunas de Apoyo5 Fosa de Colada y Escoria8 Cables Flexibles

9 Pasamuros

10 Pletina de Cobre11 Transformador12 Reactancias13 Interruptor principal14 Mandos de Basculacin y Elevacin16 Cilindro Hidrulico de Basculacin

17 Columnas porta electrodos

Figura 40 Esquema de instalacin del horno de arco.



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En los hornos antiguos la caseta elctrica, emplazada junto al horno, tenaen su pared exterior los controles y mandos. Actualmente hay un puesto decontrol, climatizado e insonorizado, en el que estn los mandos a distancia de

los equipos situados en la caseta. Entre otros elementos, estn los que sedescriben a continuacin.

2.3.2.1. Interruptor principalEs un mando automtico tambin llamado interruptor en bao de

aceite. Los movimientos de apertura y cierre han de ser rapidsimos paraevitar averas por chisporroteo y viento elctrico. Esto se consigue haciendoque el movimiento de ida o vuelta de los contactores sea hecho por unaespecie de can neumtico que dispara un contactor contra el otro. Paramayor rigidez dielctrica los contactores estn sumergidos en un bao deaceite (de ah su nombre) que en los equipos actuales ya no es tal aceite sino

una resina sinttica casi lquida.As como los seccionadores se cierran o abren solamente al iniciar o

terminar un turno de trabajo, el interruptor se acciona mltiples vecesdurante la colada para elevacin de electrodos, cambio de tensiones en eltransformador, colada, etc. Su fallo hara que se quemaran la reactancia o eltransformador, o provocara otras averas en la regulacin de electrodos,transformadores de seal, etc.

Este interruptor en bao aislante, de intensidad de ruptura superior a lade la instalacin, tiene rels temporizados regulables para proteccin contrasobreintensidades. En hornos pequeos el accionamiento del interruptor es a

mano; en las unidades grandes es por mando a distancia.2.3.2.2. Bobina de reactancia

En algunas instalaciones (GE-Lectromelt) la reactancia y eltransformador se encuentran en un solo conjunto, en una sola caja. En otros(Demag-AEG) est en recipientes separados, que es lo ms difundido. Lareactancia es una autoinduccin que realiza dos funciones durante la colada:

Por un lado absorbe y neutraliza las variaciones de intensidad y tensindel arco elctrico cuando al principio de la fusin los electrodos tocan o seseparan de trozos slidos de chatarra. Las puntas de potencia producidasincidiran fuertemente sobre el resto de la instalacin de la fbrica e, incluso,lneas exteriores a la misma.

Por otro lado aumenta la impedancia del circuito y garantiza unamarcha estable en el arco. En ste disminuye la tensin cuando aumenta laintensidad, cosa que ocurre cuando los electrodos descienden y se acercan albao. Para conseguir la estabilizacin del arco a una determinada tensinhace falta conseguir que a una elevacin de tensin corresponda unaelevacin de intensidad. Esto se consigue intercalando una reactancia enserie con el arco. Hay una zona en las curvas de trabajo en la que alaumentar la tensin aumenta la intensidad y, por tanto, la estabilidad delarco (figura 41).

La reactancia slo se intercala al principio de la fusin, en el perodo detiempo en que la carga est slida. Despus, cuando los electrodos han



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hecho pozo y estn sobre acero lquido el arco se estabiliza y puedeeliminarse la reactancia mediante un interruptor, similar al principal, que sellama eliminador de reactancia.

Figura 41 Caractersticas y estabilidad del arco elctrico en el H.E.A.

2.3.2.3. Transformador del hornoEs una parte fundamental de la instalacin, ya que debe alimentar

adecuadamente al horno adaptndose a las variaciones que puedanproducirse. Los transformadores de los hornos de arco tienen varias tomasde corriente a diferentes tensiones para que se pueda trabajar en el hornocon potencias que respondan a las fases especficas de cada momento de laoperacin. Durante el principio de la fusin se emplean las potenciasmayores y luego, durante el afino, se conectan potencias menores. Debenestar muy bien dimensionados para que no haya calentamientos quedisminuyan la sobreintensidad admisible.

Los transformadores de horno tienen un sistema de enfriamiento delaceite. Una temperatura de 70 C no debe mantenerse ms de media hora.

Hay rels que cortan el funcionamiento en caso de calentamiento anormal(rels trmicos). Tambin suelen y tener sistemas de filtrado y



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Figura 42 Relacin entre la potencia del transformador, capacidad y duracin enhorno elctrico de arco (H.E.A.).

Figura 43 Potencia especfica del transformador en hornos de arco.



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2.3.2.4. Transformadores de sealLa medida de la potencia consumida se hace normalmente en la lnea

que alimenta al primario del transformador del horno, emplendose dos

transformadores de medida de tensin y dos de medida de intensidad, con elobjeto de transformar las caractersticas de tensin e intensidad de lacorriente, adaptndose a los instrumentos de medida colocados en el cuadro.Los transformadores (trafos) de tensin van convenientemente protegidospor medio de cortacircuitos fusibles, tanto en alta como en baja tensin.

La corriente llega a los electrodos en alta intensidad y baja tensin. Parala medida de intensidad por electrodo hay tres trafos de intensidad (uno porelectrodo) de construccin especial, cuyo primario lo forman las mismasbarras, pletinas o tubos de cobre que llevan la corriente desde eltransformador hasta los cables flexibles de los brazos porta-electrodos. As

se evitan empalmes de barras a unos conductores por los que circulancorrientes de alta intensidad cuyas prdidas hmicas daran lugar acalentamientos y cadas de tensin. Los rels Bcholz complementan losseguros contra sobrecargas en las lneas. Los transformadores de seal detensin se conectan entre los electrodos y el bao.

Los tres trafos de intensidad y tensin tienen una doble misin. Enprimer lugar alimentan a los ampermetros y voltmetros que indican aloperador las variaciones de la corriente que llega al horno. En segundo lugaractan sobre la regulacin de electrodos para responder y corregir esasvariaciones de corriente.

2.3.2.5. Regulacin de electrodosLa distancia entre electrodo y bao, es decir, la longitud del arco

elctrico, determina la impedancia del mismo y, en consecuencia, el resto deparmetros elctricos de la operacin. Es obligatorio decir que se trabaja deforma que se extraiga del arco la mayor potencia posible. Hasta mediadosdel siglo XX el mando de subida-bajada de los electrodos se haca a manopor el operador, respondiendo a las lecturas instantneas de las seales quelos trafos de intensidad y tensin mandan a los ampermetros y voltmetrosas como a las lmparas indicadoras. Despus se han desarrolladoregulaciones automticas que comandan los equipos de subida y bajada enfuncin de las seales enviadas por esos trafos de intensidad y tensin.

Caractersticas de las regulaciones son, como ms notables:

a) El mecanismo medidor, si bien se puede construir con gransensibilidad, tiene siempre masas y rozamientos con sus inerciascorrespondientes.

b) Hay que acelerar o frenar las masas de los electrodos yelementos variadores, como los engranajes reductores y rotordel motor (caso de regulacin elctrica).

c) El mecanismo medidor ha de quedar en posicin de reposodespus de eliminar la discordancia de la regulacin.



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agua. Aunque se regula por intensidad hay un control automticode tensin que hace que el electrodo, tan pronto contacta conchatarra o caldo, ascienda de nuevo. La intensidad marcada por

el trafo de intensidad montado sobre las barras de cobre de salidadel transformador del horno influye sobre la bobina de intensidaddel regulador pulsatorio, de forma que se acta sobre una ruedadentada que cierra el circuito de los electroimanes que mueven elmartillo del rel de doble tobera.

En las figuras se ve que este martillo tapona la salida delagua a 3 atm procedente de la cmara de agua de maniobra,aumentando la presin en la cmara taponada, con lo que lamembrana elstica y su aguja solidaria (taponcillo) retroceden.As se conecta el cilindro del electrodo con la presin de 6 atm,con lo que el electrodo sube, o con el desage, con lo que el

electrodo desciende.

Si bien los movimientos de conjunto de este rel hidrulicoactan con rapidez, la orden al mando del electrodo no setransmite rpidamente, debido a las masas de elementosintermedios (balancn del regulador pulsatorio, martillo de lavlvula doble tobera, etc.). Esto trae consigo una ciertasobrerregulacin, tanto mayor cuanto ms rpido se mueve elelectrodo; en consecuencia hay que conformarse con velocidadeslimitadas de electrodo. Por ello este sistema fue siempre msadecuado para hornos pequeos.

Estas regulaciones hidrulicas fueron las primeras que seimplantaron en hornos de arco. Despus casi desaparecierondebido a los problemas planteados por las membranas elsticas(entonces de cuero) y otros elementos en contacto con agua quepoda estar cargada de sales. Fueron sustitudas por lasregulaciones basadas en corriente continua generada en gruposconvertidores Ward-Leonard que se tratarn ms adelante. En laactualidad, resueltos los problemas de mantenimiento queplanteaban, se estn volviendo a implantar.



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Figura 44 Corte esquematizado del rel electro-hidrulico de regulacin HR

Figura 45 Funcionamiento del rel electro-hidrulico HR, (1) Posicin de reposo.



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Figura 46 Funcionamiento del rel electro-hidrulico HR. (2) Subida de electrodo.

Figura 47 Funcionamiento del rel electro-hidrulico HR. (3) Bajada de electrodo.



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2) Regulacin magnetohidrulica TW (Figuras 48, 49 y 50):Tiene una bobina de regulacin magntica y un cilindro de

regulacin de electrodo, o sea, que lleva distribuidor previo de

aceite. El mando elctrico es semejante al empleado en elsistema de amplificadores magnticos, es decir, la bobina deregulacin magntica es comandada por la diferencia deintensidad en el arco y por la tensin del sistema (trabaja porimpedancia).

Con este sistema de regulacin se consigue una elevadavelocidad de los electrodos y una mejora grande en elrendimiento del horno, ya que no hay contactos, quedando elnico elemento mvil (el pistn) conectado directamente alregulador hidrulico. Este sistema acorta la duracin de la fusin,

aumenta la produccin, mejora el consumo especfico expresadoen kWh/t y el cos , reduce gastos de mantenimiento y eliminarevisiones.

Figura 48 Relacin magnetohidrulica TW. (1) Posicin de reposo.



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Figura 49 Relacin magnetohidrulica TW. (2) Subida del electrodo.

Figura 50 Relacin magnetohidrulica TW. (3)Bajada del electrodo.



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3) Regulacin por contactores:Puede hacerse tanto con mando manual como en forma

automtica, bastando un simple cambio de conmutador para

pasar de una forma a otra.El movimiento de los electrodos se realiza mediante tres

tornos accionados por sendos motores de corriente continua;estos motores de excitacin compuesta tienen el campo dederivacin permanentemente conectado a la lnea. El circuito delinducido est controlado por contactores, los cuales en posicinde reposo ponen al inducido cortocircuitado sobre una resistenciade frenado; la regulacin manual se realiza mediante tresinversores sensitivos, los cuales al actuar sobre ellos cierran elcontactor de ascenso o descenso, segn se desee, guindose el

operador por las lecturas de los tres ampermetros.En regulacin automtica son los rels de regulacin los que

controlan los contactores de ascenso y descenso de loselectrodos; est concebida para mantener constante la potenciadel arco, constando de tres rels, uno por electrodo, provistos deelementos de tensin y elementos de intensidad, obrando porinduccin sobre un metal mvil. El elemento de tensin de esterel est conectado entre el electrodo que ha de controlar y lacuba del horno, y por lo tanto est sometido a la tensin del arco;el elemento de intensidad de este rel est conectado alsecundario del trafo de medida de intensidad, colocado en lapletina de cobre de alimentacin del electrodo al que ha decontrolar.

De esta forma la accin del elemento de tensin sobre elelemento mvil del rel se hace en sentido opuesto a la queproduce el elemento de intensidad. Cuando ambas acciones sonde igual magnitud se anulan y el elemento mvil permanece ensu posicin de reposo con los contactos de mando abiertos.

Si este equilibrio es alterado por un aumento de la intensidaden el electrodo (y al mismo tiempo una disminucin de la tensinen el mismo) ambos efectos se suman debido a la reactancia delcircuito, desplazndose el elemento mvil hasta cerrar el circuitoque controla el contactor de ascenso del electrodo; el electrodosube hasta que se restablece el equilibrio. En caso dedisminucin de la intensidad, el funcionamiento es a la inversa.

4) Regulacin Leonard-TirrilDesarrollada por AEG que durante mucho tiempo construy

el aparellaje elctrico de los hornos DEMAG. Es una variante dela de contactores. Un motor trifsico mueve a un generadorWard-Leonard que a su vez est conectado elctricamente al

motor de continua que mueve el torno del electrodo. Laexcitacin en el generador Leonard determina la intensidad y



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sentido de la corriente que ste enva al motor, y con ella fijatambin la velocidad y sentido de giro de ste.

El generador Leonard (una dnamo) tiene su excitacin en

dos devanados K y V; el devanado K produce un campomagntico constante k y el V un campo variable v de amplitudmxima doble. El campo v se grada en dependencia de lamagnitud de la regulacin por medio de la conexin ydesconexin de una resistencia por medio de los contactos TKTirril; con la resistencia intercalada en el campo, v llega a cero,obtenindose un campo resultante cuya magnitud es la de k (k +0 = k); con la resistencia puenteada el campo v alcanza sumximo, es decir, el mismo valor pero en sentido contrario a K(k 2k = - k).

Estas variaciones de los campos se traducen en variacionesde la corriente que llega al motor del torno de electrodos que, asu vez, inciden en la velocidad y sentido de giro de ste y, enconsecuencia, en subida o bajada del electrodo a velocidadvariable.

5) Otras regulaciones elctricas:Basndose en el sistema Ward-Leonard de generacin de

corriente continua se han desarrollado otras regulaciones que sonsimples variaciones de detalle. Entre ellas se pueden citar lasmquinas Amplidina y Rototrol as como las regulaciones por

Amplificador Magntico o Motores Trifsicos.La SecometVastelStein es ligeramente diferente. Es una

regulacin por motor elctrico y sin contactos; se suprimetambin el grupo generador de corriente continua, emplendoseen su lugar un motor trifsico de anillos rozantes de forma que seconsigue una regulacin rpida y segura.

Finalmente, la difusin del estado slido (tiristores,semiconductores, rectificadores) y la informtica (programa decontrol lgico PLC) ha llevado al desarrollo de regulacionesms sencillas que incorporan sistemas limitadores que evitan

saltos de bloque de contador que encareceran duramente lafactura elctrica de la fbrica.

2.3.3 Caseta de bombas hidrulicasAparte de los aparatos de la regulacin hidrulica en cualquier horno de

arco hay movimientos o trabajos que tambin se efectan por medioshidrulicos. Por ejemplo, la elevacin, descenso y giro pivotante de la bveda,apertura y cierre de la puerta de trabajo, apertura y cierre del tapnautomtico, si lo hay, del orificio de colada de acero, basculacin del hornopara desescoriar o para verter el acero a la cuchara. Esto supone la existenciaen la zona de hornos de una caseta en la que se encuentran los grupos depresin, motobombas, calderines, depsitos, sumideros, presostatos, etc.



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- Un conmutador para mando simultneo de los tres electrodos queobra tanto en marcha manual como automtica.

- Tres conmutadores manualautomtica, uno por electrodo.- Tres reostatos (uno por electrodo) de ajuste de la intensidad o

potencia en marcha automtica.

- Linternas de sealizacin del cambiador de tensiones y delinterruptor en bao de aceite.

Actualmente las magnitudes que se miden o sobre las que se acciona,siguen siendo las mismas. Sin embargo ha cambiado la forma, ya que en lugarde relojes hay monitores de televisin y lectores digitales.

2.3.5 Horno propiamente dichoComprende la estructura del horno en s (que se tratar en captuloposterior), con su fundacin y planchada de trabajo. En la planchada estn los

silos de aditivos, si los hay, las lanzas de inyeccin de carbn y oxgeno,equipos de pirometra y toma de muestras; tolva presurizada y can degunitado de refractario, etc. Debajo de la planchada se encuentra el fosodividido en dos partes; una anterior, que constituye el foso de cucharas deacero y otra posterior, en el que se encuentra la pota de recogida de escoria.En algunos hornos hay un foso nico que soporta ambas funciones.Ambosfosos han de tener acceso a puente gra para el movimiento de cucharas yescorieros. En hornos grandes hay carros autotransportados que sacan lacuchara o pota hasta dejarlas bajo la vertical del puente gra.

2.3.6 Equipos auxiliaresAunque no forman parte del horno propiamente dicho coadyuvan

activamente en el desarrollo de la colada. Algunos de ellos son:

1) Inyecciones- En la actualidad se inyecta oxgeno y carbn en

polvo. La inyeccin de oxgeno tiene variosobjetivos:

- Hace de soplete para cortar y desmenuzar los trozosgrandes de chatarra que estorban el paso de loselectrodos y retardan la fusin.

- Quema las impurezas, especialmente carbono yfsforo, y ayuda a la marcha qumica del proceso.

- Realiza postcombustin exotrmica al quemar elmonxido de carbono CO producido en la oxidacindel carbono.

- En combinacin con la inyeccin de carbn en polvoproduce monxido CO originando hervido yescoria espumosa defosforadora.

- Realiza postcombustin exotrmica al quemar el



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monxido de carbono CO formado en el hervido.

El oxgeno se inyectaba en los primeros tiempos a travs detubos de fontanera (caas) que se introducan a travs de la

puerta de carga. Esto planteaba un problema y es que las caas seponen al rojo con el calor del horno y comienzan a arder,gastndose rapidsimamente. El problema se resolvi recurriendoa la prctica de empleo de lanza refrigeraba por agua, sistema queya se haba desarrollado en los oxiconvertidores de aceraintegral.

Polvo de carbn. Es el otro producto que se inyecta por lanzaal horno a travs de la puerta de carga. En tiempo pasado en lacesta de carga se aadan trozos de arrabio o de carbn de coquea fin de aumentar el contenido de carbono que hiciera posible

hacer hervido defosforador del bao; esta prctica eraespecialmente importante cuando la chatarra de acero cargadatena poco carbono.

Actualmente se ha sustitudo la carga de estos elementos enla cesta por inyeccin de polvo de carbn por lanza. sta tieneuna va para el oxgeno y otra para el carbn; de esta manera seinyectan simultneamente los dos elementos necesarios paraobtener la escoria espumosa defosforadora. Dado el peso de losequipos, el conjunto se dispone sobre una base articulada y conpantalla de proteccin antiproyecciones.

2) Quemadores oxi-combustibleHace algunos aos la difusin y abaratamiento del empleo

de oxgeno hizo posible el desarrollo de los quemadores cuyocombustible era un hidrocarburo, preferentemente gas natural, yel comburente oxgeno puro. As se suprimi la necesidad deprecalentar el comburente en los quemadores cuyofuncionamiento est basado en aire. El rendimiento trmico delos quemadores con oxgeno puro era sensiblemente mayor ytambin, en consecuencia, el calor y temperatura aportados(Figuras 52 y 53).

A partir de 1965 la acera Toshin Steel Co.Ltd de Japnimplant quemadores oxifuel (oxicombustibles) en hornos dearco. Como resultado su productividad pas a ser 2,5 veces la delas aceras europeas. Se colocaron tres quemadores, conkeroseno como combustible, dispuestos de forma que el dardo dellama no impactara contra los electrodos. Los resultadosalcanzados en un horno de 50 t de capacidad fueron:

- Consumo de oxgeno 50 Nm3/t- Consumo de electricidad 350 kWh/t- Consumo de combustible keroseno 6 t- Consumo de electrodos 4,5 kg/t



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- Consumo de refractario (refrigerado) 1,2 kg/t- Agua de refrigeracin 162 m3/h- Nmero de coladas 20 coladas/da- Tiempo tap to tap 70 min

El consumo especfico de energa elctrica antes deinstalar los quemadores era de 500 kWh/t, ya de por s bajo.

Figura 52 Quemadores oxi-gas Badische Stahl Engineering (B.S.E.) para ahorro deenerga elctrica y aceleramiento de la fusin en horno de arco.



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resultados de anlisis el ordenador de proceso calcula las cantidades aadicionar y controla al dosificador automtico. Los productos a adicionar sedetallarn y describirn en captulo posterior.

2.3.8 Zona de cucharasEn este espacio de la nave se reparan y acondicionan las cucharas que se

han vaciado en la mquina de colada continua.

En primer lugar hay que arrancar las acreciones de escoria y metal(lobos) adheridas al refractario. Para ello se emplean cinceles neumticos,aunque en el caso de cucharas muy grandes se emplean cinceles montadossobre trenes de oruga. En este sentido es favorable tener dos capas derefractario en la cuchara, pues puede ser ms rpido y econmico quitar lacapa de revestimiento de trabajo, est como est, que arrancar las adherencias

y parchear despus.Despus se coloca un nuevo revestimiento de trabajo y se implanta un

nuevo conjunto buza-tapn, si el actual se hubiera inutilizado al arrancar lasadherencias, as como los sistemas mecnicos de accionamiento y la conexinpara barboteo de gases. Con esto la cuchara queda lista.

El tercer paso es el precalentamiento de la cuchara reparada. Para evitar laformacin de porosidad ha de eliminarse totalmente la humedad delrefractario de la cuchara. Adems, sta ha de calentarse casi a 1000 C paraevitar enfriamiento del acero lquido y as garantizar funcionamiento correctode la mquina de colada continua.

El precalentamiento se suele hacer con mecheros de gas, que puedenemplear aire u oxgeno puro como comburente. Hay tres disposicionesposibles de precalentamiento. La primera con la cuchara en posicin verticaldirecta con el quemador situado en una tapa que se coloca en posicinsuperior. La segunda es con el quemador en el suelo apuntando hacia arriba yla cuchara invertida sobre l. La tercera es con la cuchara en posicinhorizontal, la tapa en posicin vertical y el quemador horizontal.

2.4 Descripcin del Horno de Arco2.4.1 Cuba del horno

Est constituda por una virola vertical y un fondo en forma de casqueteesfrico. Formada por planchas de acero dulce, antiguamente remachadas,ahora atornilladas o soldadas. Cubas muy grandes se montan y ensamblan insitu. La relacin entre el dimetro del bao y su profundidad ha de ser tal quehaya buena superficie de interfase metal-escoria para que las reacciones deoxidacin sean rpidas y eficaces. La altura de la cuba sobre la lnea deflotacin de escoria debera ser lo suficientemente elevada para que el hornopueda cargarse de una vez, sin necesidad de recargues adicionales que daranlugar a demoras y prdidas trmicas. Hoy da esto no es tan fcil, toda vez quelas chatarras suelen tener una densidad global bastante pequea.

Los hornos pequeos (cada vez ms escasos, sustitudos por los deinduccin) tienen una sola puerta de carga que sirve como piquera y puerta de

Captulo

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Berciano&Temps - Monografías sobre Tecnología del Acero - Pt I - Acería Eléctrica