desulfuración en cuchara

Desulfuración en cuchara - Procesos de Fundición 2013

INTRODUCCIÓN

El azufre es un elemento que afecta negativamente la calidad de las fundiciones. Se combina fácilmente con el hierro y forma el FeS que se disuelve en la fundición líquida. Este elemento llega al baño de acero a través de la carga metálica, combustibles y elementos añadidos. El azufre estabiliza los carburos, disminuye la colabilidad y es responsable del origen de sopladuras por formación SO2.

Teniendo en cuenta que los contenidos de azufre en la chatarra no se pueden disminuir por debajo de ciertos límites, el proceso de elaboración tiene que ser llevado de tal manera que el porcentaje de azufre tanto en el horno como en la cuchara sea mínimo.

La absorción del azufre por la fundición en el cubilote, además de la acción del CaO y el MnO, se lleva a cabo de dos maneras:

- Zona de precalentamiento: Contacto entre metal y coque no muy íntimo. Absorción a través del gas SO2.

- Zona de Fusión: Contacto íntimo entre el metal y el coque. Absorción de azufre gaseoso (30-60% S), al igual que en las zonas de combustión, reducción y crisol.

Sin embargo, estas alternativas resultan insuficientes, pues se obtienen fundiciones con contenidos de azufre no deseados, es por eso que después de la colada se realiza un proceso de desulfuración en cuchara, mediante la adicción de agentes desulfurantes que interactúan con el azufre reduciendo su concentración de la fundición.

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1. DESULFURACIÓN

Operación mediante la cual se elimina el azufre, mediante la inyección de una mezcla quimica a una cuchara de colada llena de metal caliente. El azufre queda retenido en la escoria resultante.

El azufre se introduce en la fundición desde el coque y la chatarra durante la fundición en el cubilote, y muy poco puede hacer el industrial siderúrgico para reducir su presencia. Debido a que el exceso de azufre en la fundición dificulta las características para soldar y dar forma, se debe agregar esta etapa en el proceso siderúrgico.

- Porqué desulfurar?

Cuando se desea producir en estos cubilotes fundiciones de alta resistencia, fundiciones con grafito esferoidal vermicular compacto, en las cuales el contenido no debe exceder del 0.3%S.

2. AGENTES DESULFURANTES

Se utilizan compuestos alcalinos y alcalinotérreos, como:

- Sosa caústica: NaOH. Es una sustancia peligrosa y puede gasificar el baño.- Caliza:CaCO3Enfría el metal líquido.

- Carbonato de sodio: Na2CO3 Posee una alta eficiencia de desulfuración, sin embargo disminuye la temperatura de la fundición y produce una escoria muy fluida.

- Cianamida cálcica: CaCN 2 Vehículo de introducción de Nitrógeno.- Cal: CaO Vehículo de introducción de Hidrogeno.- Carburo de calcio: CaC2 Es el desulfurante más adecuado. Se requieren

porcentajes de más o menos 1% para reducir el azufre desde 0,1% al 0,01%.

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Tabla 1. Características principales de los agentes desulfurantes

3. VARIABLES DE DESULFURACIÓN.

- Composición Química (%C, %Si, %S inicial)

Según la teoría de la cinética química, la velocidad de transferencia del azufre de la fase metálica a la escoria es proporcional a la actividad del azufre en el metal fundido, que a su vez está relacionado con el contenido del elemento en la fundición por la expresión:

as = Cs %S

Donde:

Cs : coeficiente de actividad del azufre en el metal.

%S: porcentaje en peso del azufre en el metal.

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Gráfico 1. Influencia del contenido inicial de azufre sobre la velocidad de sulfuración

- Temperatura del metal líquido

Como la cinética del proceso está determinada por la velocidad de transporte de elementos hasta la interfase siendo la difusión un proceso térmicamente efectivo, ae supone que al aumentar la temperatura de baño se aumenta la eficiencia de la desulfuración.

La eficiencia del proceso de desulfuración está guiada por:

E s=%So−% Sx%So

∗100

Donde:

% So: Azufre inicial en la fundición líquida

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%Sx: Azufre al final del tratamiento de desulfuración.

- Condiciones de contacto entre la fundición líquida y la escoria:

Grado de agitación y tiempo de permanencia.

La desulfuración se realiza hoy día casi exclusivamente usando la instalación de horno-cuchara, dotada de tres electrodos que permiten calentar el baño de fundición. Simultáneamente se realiza la agitación, mediante la inyección a través de tapón poroso o lanza de gas nitrógeno que permite incrementar las reacciones químicas entre la escoria y el baño, de esta manera, en un corto tiempo se ponen en contacto todo el metal líquido con el desulfurante.

Velocidad de inyección del gas.

Si la cuchara se inyecta un mayor volumen de gas menoe es el espesor efectivo de la capa de difusión y por lo tanto la velocidad de desulfuración va hacer mayor, pero se que aun determinado flujo de gas el grado de desulfuracion disminuye en virtud de las diferentes densidades entre la fundición y el CaC2.

Gráfica 2. Influencia del flujo de Nitrógeno sobre la eficiencia de la desulfuración.

Tamaño de partículas del agente desulfurante.(CaC¿¿2)¿

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Cal : 1.3 mm

CaC2: rangos de tamaños entre 25 y 100 mallas Tyler.

4. FORMAS DE DESULFURACIÓN.

En el cubilote básico se reúnen las características necesarias para una adecuada desulfuración; alta temperatura, medio básico (escoria fluida) y atmósfera reductora.

El azufre en los hornos cubilote se puede eliminar de dos maneras:

Si existe elevada cantidad de FeO se obtendrá poco CaS, entonces el grado de desulfuración dependerá de la disolución del FeS del metal por la escoria, es decir bajo. De tal forma que se debe reducir la formación del FeO mediante la conducción de una marcha lo menos oxidante posible; en marcha ácida FeO puede aparecer entre 7% y 8% y en marcha básica debe ser menor al 2%.

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A medida que aumenta el área

de contacto entre la fundición

liquida y el agente

desulfurante incrementa la

transferencia de masa

De acuerdo a la granulometría se tiene que si las partículas son finas el área

especifica es mas grandes

Pero si las partículas son

muy finas pueden

aglomerarse

Hasta saturación.FeS(metal) -> FeS (escoria)

Disolución de FeS del metal por la

escoria

En la interfase metal-escoriaFeS + CaO -> CaS + FeOReacción del FeS con

el Cao


5. DESULFURACIÓN EN CUCHARA.

- Uso de reactivos para la disminución del azufre en la fundición.

- Aplicación técnicas y de aditivos para agilizar y mejorar las reacciones con el azufre.

- Obtención de mejores características y propiedades en la fabricación de hierro nodular.

- Homogeneidad química y térmica de las fundiciones.

- Eliminación de las inclusiones no metálicas.

6. MÉTODOS DE DESULFURACIÓN EN CUCHARA.

- Método de la cuchara abierta. Mayor contacto entre el líquido y el desulfurante. Cuchara profunda, con relación h/D entre 2 y 3. Mezclado manual del baño líquido. Pérdidas de temperatura.

- Método de tundish o de cuchara cubierta.

Gráfica 3. Método de tundish o de cuchara cubierta.

Mínimas pérdidas por oxidación. Cubierta de la cuchara Bajas pérdidas por pirotécnia. Mínimas pérdidas de temperatura de la fundición Acumulación de gases de reacción de desulfuración. Sistema de despresurizado.

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Acumulación de escoria en la cuchara.

- Método de inmersión. Uso de una campana refractaria con el desulfurante. Proceso hermético. Mínimas pérdidas por oxidación. Contacto completo con el bano.

Vida de la campana refractaria: Precalentamiento Evitar el enfriamiento en su uso. Cuidado a la inmersión.

Gráfica 4. Método de inmersión

- Método de agitación mecánica. Cuchara Basculante Movimiento del baño Rotación de 180º Aumentar contacto con el desulfurante. Generación de altas presiones.

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- Método inyección gas por tapón poroso y por lanza:

Gráfica 5. Comparación métodos inyección de gas por tapón y por lanza.

Burbujeo de gas inerte para causar movimiento de la fundición y de los elementos desulfurantes.

Asegurar un contacto continuo entre el desulfurante, asi como sus gases con el azufre presente con el hierro.

Sellado hermético para evitar oxidación del desulfurante y del baño. Disminuye las cantidades de desulfurantes.

- Método inyección gas por tapón poroso:

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Gráfica 6. Método inyección gas por tapón poroso Desulfurante

o El desulfurante ingresa al baño por la parte superior.

Soploo El argón ingresa a la cuchara por el tapón poros generando

turbulencia. Interacción

o El soplo eleva las particulas de desulfurante en el fondo

colocándolas en contacto con el baño. Pérdidas

o El burbujeo del argón absorbe calor, bajando la temperatura del

baño.

- Método inyección de gas por lanza.

Uso de un conducto refractario inmerso en la fundición. Inyección de argón para provocar agitación del líquido. Movimiento del líquido y de los elementos desulfurantes en el baño.

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Gráfica 7. Método inyección de gas por lanza

- Otros métodos.

Convertidor G Fisher:

o Convertido horizontal con una cuchara especial.

o Rotación del convertidor.

o Reactor cerrado hermeticamente.

o Vaciado en cuchara.

Ductilador

o Formación de un vórtice.

o Inyección de desulfurantes.

o Uso de gas inerte.

o Proceso en colada.

o Procesos continuos.

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Gráfica 8. Convertidor Horizontal

BIBLIOGRAFÍA

o LAS PROPIEDADES DE FUNDICIÓN, Segunda edición. ARNALDO

ALONSO BAQUERO, Universidad Industrial de Santander, 2009. Paginas: 256 a 264

o “SUBSTECH, substances and technologies”, DESULFURIZATION OF

STEEL, Dr. Dmitri Kopeliovich/ http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=desulfurization_of_steel

o Reference Document on Best Available Techniques in the Smitheries

and Foundries Industry. Mejores Técnicas Disponibles de referencia europea, Forja y Fundición. Ministerio de medio ambiente y de medio rural y marino. Gobierno Espanol. Comisión europea, 2009.

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