PROCESOS DE FABRICACION DE METALES FERROSOS

GUIA DE ESTUDIO DE LA UNIDAD III FUNDAMENTOS DE LA REFINACIÓN DEL HIERRO PRIMARIO POR MEDIO DE OXIDACIÓN

3.1 Introducción al proceso de refinación del hierro primario.

Diferentes procesos de producción de hierro y acero

Una vez obtenido el arrabio o el hierro esponja es necesario refinar al hierro para que se transforme en

material útil para diferentes objetos o artefactos, o sea en hierro o acero comercial. A continuación se presentan los

principales procesos de fabricación de los hierros y aceros comerciales.

FIG.1. Diagrama de Refinación del Hierro

Proceso de Pudelado

La pudelación, también llamada pudelado o pudelaje, es una técnica de refinado del hierro que se produce

en los altos hornos, mediante la que se consigue rebajar el contenido de carbono hasta un porcentaje muy bajo y,

sobre todo, eliminar casi todo el azufre, por lo que el hierro resultante ya es hierro forjado. Durante la pudelación,

el metal fundido se remueve o bate dentro de un horno de reverbero, para conseguir airearlo. Así, el carbono y el

azufre consiguen arder, con lo que resulta un metal más puro y de mejores propiedades mecánicas. La torre Eiffel o

el armazón original de la Estatua de la Libertad son algunas de las construcciones realizadas con este material, que

no sería sustituido por el acero hasta finales del siglo XIX. La palabra pudelación procede del inglés puddle, que

significa remover.

El hierro dulce es un metal que contienen menos del 0.01% de carbono y no más de 0.003% de escoria. Para

su obtención se requiere del proceso conocido como pudelado, el que consiste en fundir arrabio y chatarra en un

horno de reverbero de 230 kg, este horno es calentado con carbón, aceite o gas. Se eleva la temperatura lo

suficiente para eliminar por oxidación el carbón, el silicio, y el azufre. Para eliminar todos los elementos diferentes

al hierro, el horno de pudelado debe estar recubierto con refractario de la línea básica (ladrillos refractarios con

magnesita y aluminio). El material se retira del horno en grandes bolas en estado pastoso y el material producido se

utiliza para la fabricación de aleaciones especiales de metales. Existen otros procedimientos modernos como el

llamado proceso Aston, en donde en lugar del horno de reverbero se usa un convertidor Bessemer con lo que se

obtienen mayor cantidad de material.

En la pudelación, el hierro colado o fundición se pasa a un largo horno de reverbero cerrado, antes de que se

enfríe, donde entra en contacto con escorias o chatarra de óxido de hierro. En este horno, el mineral era removido

por unos obreros llamados pudeladores, equipados con largas palas. Las impurezas ardían (carbono, azufre) o eran

arrastradas junto con las escorias.

El esfuerzo requerido por esta labor se desarrollaba en un ambiente sumamente caluroso por la proximidad

del horno, por lo que era un trabajo muy penoso que causaba muchas bajas entre los trabajadores por lo que era

difícil encontrar obreros de más de 35 años.

Al salir del horno de pudelación, la fundición tenía el aspecto de una masa pastosa y había perdido la mayor

parte de las impurezas previas, con excepción del fósforo.

Existen dos tipos de pudelación:

Seca o fría, en el que las escorias se apilaban sobre solera de arena. Es un método más primitivo.

Caliente o húmedo, efectuado sobre solera de fundición refrigerado por aire. Fue desarrollado por Baldwin

Rogers en 1818. Posteriormente, hacia 1825, se recubrió de un revestimiento básico.

FIG.2. Horno de Pudelado

En la década de 1860, el desarrollo del convertidor Bessemer inicia una nueva era en la producción de hierro

y acero.

Hornos de Crisol

El proceso de crisol es el proceso más viejo para la fabricación de acero, pero éste, hoy en día se usa muy

poco excepto en fundiciones no ferrosas. Los crisoles se hacen en general de una mezcla de grafito y arcilla. Son

completamente frágiles cuando se enfrían, debiendo ser manejados con cuidado, poseen resistencia considerable

cuando están calientes. Los crisoles son calentados con coque, aceite o gas natural y deben sujetarse con unas

tenazas especiales ajustadas para prevenir daños. El hierro dulce, metal enjuagado, chatarra de acero, carbón

vegetal y ferroaleaciones constituyen la materia prima para la fabricación de acero por este proceso. Estos

materiales son colocados en crisoles que tienen una capacidad de más o menos 50 kg y son fundidos en un horno

regenerativo.

Por lo regular son hornos que sólo se cargan con chatarra de acero de alta calidad. Son utilizados para la

fusión de aceros para herramientas, de alta calidad, de resistencia a la temperatura o inoxidables. Considerando que

estos hornos son para la producción de aceros de alta calidad siempre están recubiertos con ladrillos de la línea

básica.

FIG. 3. Hornos de Crisol

Horno de Cubilote

Este es un tipo de horno cilíndrico vertical de aproximadamente 6 metros de alto, el cual lleva los metales en

el colocados, hasta el estado líquido y permite su colado, puede ser utilizado para la fabricación de casi todas las

aleaciones de Hierro, tiene ventilación forzada por toberas ubicadas en la parte inferior del mismo.

El material se distribuye en forma de capas de aproximadamente 30 o 40 cm en su interior, alternado con

carbón el cual permite que el proceso sea continuo. Este tipo de horno esta recubierto de material refractario en su

interior, el cual debe ser inspeccionado antes de cada carga ya que debido a la temperatura que se evidencia en su

interior ( aprox. 1500 C) podría perforar la estructura tubular y caer sobre los operarios que se encuentran

realizando el proceso de colado en la base del horno.

Este material refractario esta usualmente constituido por ladrillos refractario que como tales tiene caras lisas,

y son muy resistentes a la temperatura y la abrasión, su precio suele ser superior a 10 veces el del ladrillo

convencional, se los suele clasificar según su composición en 4 grandes grupos; Los ácidos aquellos que contiene

arcilla, sílice y sulfato de aluminio, suelen ser más baratos que el resto y mientras más sílice son más resistentes al

metal.

La segunda clasificación la hace aquellos denominados como Básicos constituidos por Oxido de Manganeso

son más resistentes que los anteriores, pero más costosos, tenemos también los neutros que son elaborados por

elementos neutros como la magnesia. Y aquellos denominados especiales constituidos por carburos y circonio

útiles por su capacidad de lubricación, eventualmente se colocan elementos cerámicos en todas estas mezclas con

el objetivo de mejorar aún más la resistencia mecánica y térmica del conjunto.

Es usual que el colado se realice en moldes de arena en la base del mismo, el proceso comienza con la

elaboración del modelo que es la pieza que se desea reproducir, usualmente es hecha en madera o yeso, pero

cuando la producción es en masa se la maquina en metales ―blandos ―como el aluminio, es evidente que debe ser

ligeramente más grande que la pieza que se desea fabricar ya que existe contracciones del metal cuando se enfría,

son necesarias las previsiones para evacuación de gases, usualmente conocidos como venteos.

Luego se procede a la fabricación de la matriz de arena o molde la cual se comienza compactando la arena

alrededor del modelo, cuando se requiere fabricar una pieza que es hueca se debe provisionar un ―macho‖ que es

un elemento sólido colocado en la matriz para que allí no ingrese el metal fundido, es importante anotar que

siempre se esta trabajando se lo hace en negativo, es decir donde no se requiere metal se coloca el macho y donde

si se lo requiere se lo coloca el modelo que evidentemente deberá ser extraído previo al colado, es usual también

que se coloquen modelos de cera , la cual se derrite conforme ingresa el metal ocupando su lugar para

ulteriormente enfriarse. El personal asignado a este proceso es muy experimentado y debe tener las protecciones

respectivas.

Son equipos muy económicos y de poco mantenimiento, se utilizan para hacer fundición de hierros colados.

Consisten en un tubo de más de 4 metros de longitud y pueden tener desde 0.8 a 1.4 m de diámetro, se cargan por

la parte superior con camas de chatarra de hierro, coque y piedra caliza. Para la combustión del coque se inyecta

aire con unos ventiladores de alta presión, este accede al interior por unas toberas ubicadas en la parte inferior del

horno. También estos hornos se pueden cargar con pelets de mineral de hierro o pedacería de arrabio sólido.

Por cada kilogramo de coque que se consume en el horno, se procesan de 8 a 10 kilogramos de hierro y por

cada tonelada de hierro fundido se requieren 40kg de piedra caliza y 5.78 metros cúbicos de aire a 100 kPa a

15.5°C. Los hornos de cubilote pueden producir colados de hasta 20 toneladas cada tres horas. Este tipo de equipo

es muy parecido al alto horno, sólo sus dimensiones disminuyen notablememnte. El mayor problema de estos

hornos es que sus equipos para el control de emisiones contaminantes es más costoso que el propio horno, por ello

no se controlan sus emisiones de polvo y por lo tanto no se autoriza su operación.

Descripción

Los colados de hierro, se hacen volviendo a fundir chatarra junto con arrabio, en un horno llamado cubilote.

La construcción de este horno es simple, de operación económica y funde hierro continuamente con un mínimo de

mantenimiento. De vez en cuando el metal se funde con el combustible, algunos elementos se aprovechan mientras

otros se pierden. El cubilote es un horno que funciona con combustible sólido y en el cual la carga metálica, el

combustible y el carburante están en íntimo contacto entre sí. Esto permite un intercambio térmico directo y activo,

y por lo tanto, un rendimiento elevado. Sin embargo, por causa de este mismo contacto entre el metal, las cenizas y

el oxígeno, el hierro colado producido no puede ser rigurosamente controlado desde el punto de vista metalúrgico.

Construcción

El cubilote consiste en un tubo de acero vertical con una altura de 10 mts., aproximadamente y un diámetro

que varía entre 4 y 6 mts., recubierto con material refractario: Ladrillo refractario, con la disposición necesaria para

introducirle una corriente de aire cerca del fondo. Todo el cubilote descansa sobre una placa circular que es

soportada arriba del piso mediante cuatro columnas separadas convenientemente para que las puertas abisagradas

puedan caer libremente. Estando en operación, estas puertas se giran hasta una posición horizontal y se mantienen

en su lugar por medio de una estaca vertical.

La puerta de carga esta localizada más o menos a la mitad de la cubierta vertical y la parte superior del

cubilote queda abierta, a excepción de una pantalla de metal o para chispas. Las aberturas para introducir el aire a

la cama de coque se conocen como toberas. La practica común es la de tener sólo una serie de toberas en una

circunferencia de la pared, aun cuando algunos cubilotes grandes tienen dos hileras. Las toberas de forma

acampanada, tienen el extremo mayor en el interior del horno para provocar que el aire se difunda uniformemente,

van distribuidas a distancias muy precisas unas de otras, para obtener la distribución del aire tan uniforme como

sea posible. El número de toberas varía con el diámetro del cubilote, siendo desde cuatro en los cubilotes pequeños

y hasta ocho o más en los cubilotes grandes.

Alrededor del cubilote y en la zona de las toberas, se encuentra una caja, para el suministro del aire. Opuestas

a cada tobera se encuentran unas pequeñas ventanas cubiertas con mica de tal forma que puedan inspeccionarse las

condiciones dentro del cubilote. El aire, suministrado por un ventilador centrífugo entra por un lado de la caja.

Opuesto al vertedero de colada, se encuentra otro vertedor para la escoria, en la parte de atrás del cubilote. Esta

abertura esta colocada debajo de las toberas para evitar un posible enfriamiento de la escoria, provocado por la

corriente de aire.

Funcionamiento

La primera operación al preparar el cubilote consiste en limpiarlo de escoria y de los desechos que quedan en

el refractario en torno a las toberas, de las coladas anteriores. A continuación se repara cualquier zona dañada con

arcilla fina y arena silica refractaria para recubrimiento de hornos. Después de limpiarlo y repararlo se giran las

puertas del fondo a posición de cerrado y se coloca la estaca debajo de ellas. En el piso de la solera se coloca una

capa de arena negra de moldeo, la cual se apisona y se le da una pendiente hacia el vertedero. La altura no debe ser

menor a 10 cms., en el punto mas bajo, se le deja un pequeño agujero para la sangría de aproximadamente 25 mm.,

de diámetro. El encendido del cubilote se hace de 2 a 3 horas para que alcance una temperatura entre los 1200 y

1500 grados centígrados, antes de que se deba tener el primer metal fundido, deberá utilizarse la suficiente cantidad

de leña para quemar la primera cama de coque. Cuando se inicia un tipo natural, se añade coque poco a poco hasta

que la cama crece a una altura conveniente. La altura de la cama de coque es importante, ya que determina la altura

de la zona de fundición y afecta tanto a la temperatura como a la oxidación del metal. Cuando la cama del coque

esta encendida completamente se carga arrabio y la chatarra con una proporción de una parte de coque por 10 de

hierro, esta relación es en masa. Además se suministra alrededor de 34 Kg., de fundente por tonelada de hierro, por

lo general es piedra caliza, cuyo objetivo es eliminar impurezas en el hierro, protegerlo de la oxidación y hacer la

escoria mas fluida para retirarla con mayor facilidad del cubilote. Tanto los cubilotes de aire frío como los de aire

caliente están en uso. En estos últimos, el aire de entrada se precalienta en alguna forma de recuperador, utilizando

los gases calientes del cubilote. El recuperador puede ser una unidad externa o por tubos verticales construidos en

el propio cubilote. El aire de entrada pasa por estos tubos, calentándose así antes de llegar a las toberas.

FIG. 4. Descripción de partes del Horno de Cubilote

FIG. 5. Tipos de Hornos de Cubilote

Hornos Bessemer

El primer paso para lograr la transformación masiva del arrabio en acero lo dio el inglés Henry Bessemer en

1856. La idea de Bessemer era simple: eliminar las impurezas del arrabio líquido y reducir su contenido de carbono

mediante la inyección de aire en un "convertidor" de arrabio en acero. Se trata de una especie de crisol, como el

que muestra en la figura 19, donde se inyecta aire soplado desde la parte inferior, que a su paso a través del arrabio

líquido logra la oxidación de carbono. Así, el contenido de carbono se reduce al 4 o 5% a alrededor de un 0.5 % .

Además el oxígeno reacciona con las impurezas del arrabio produciendo escoria que sube y flota en la superficie

del acero líquido. Como la combinación del oxígeno con el carbono del arrabio es una combustión que genera

calor; Bessemer acertadamente sostenía que su proceso estaba exento de costos por energía. La idea era fantástica.

Figura 6. Convertidor de arrabio en acero inventado por Henry Bessemer. Un flujo de aire se inyecta por la parte inferior

del horno para que elimine gran parte del carbono y otras impurezas del arrabio por oxidación. Este diseño fracasó inicialmente

porque el refractario que cubría las paredes del horno era de tipo "ácido".

Bessemer logró convencer a los grandes señores del hierro de la época victoriana para que aplicaran

industrialmente los procedimientos que él había desarrollado a escala de laboratorio. Se invirtieron enormes

recursos en el proyecto, cuyo resultado fue un escandaloso fracaso. Bessemer fue obligado a reponer el dinero a los

industriales y se hundió en el mayor descrédito. Pero Bessemer no se dio por vencido. Le costó mucho darse cuenta

de que el arrabio que él había empleado en sus experimentos de laboratorio era distinto al que explotaban

industrialmente los fundidores ingleses. Por alguna razón, Bessemer había empleado un arrabio de bajo contenido

de fósforo que contrastaba con el arrabio obtenido de muchos minerales nativos de Inglaterra y Europa que eran

muy ricos en este elemento.

La pared del convertidor de Bessemer estaba recubierta con ladrillos refractarios ricos en óxido de silicio:

sílice. En la jerga de los refractarios a éstos se les llama "ácidos" para distinguirlos de los óxidos metálicos, que se

denominan "básicos". La triste experiencia del primer intento de Bessemer sirvió para demostrar que los

refractarios ácidos entorpecen la eliminación del fósforo del arrabio. Más tarde Thomas y Gilchrist, también

ingleses, probaron que el convertidor de Bessemer transformaba exitosamente el arrabio en acero si la pared del

horno se recubría con refractarios "básicos", de óxido de magnesio por ejemplo. Para quitar el fósforo y el sílice del

arrabio, añadieron trozos de piedra caliza que reacciona con ambos para producir compuestos que flotan en la

escoria. Esto no se podía hacer en el convertidor "ácido" de Bessemer porque la piedra caliza podría reaccionar con

los ladrillos de sílica de sus paredes.

Bessemer instaló su propia acería en Sheffield, pagó sus deudas, pronto logró una producción de un millón de

toneladas por año y amasó una gran fortuna. Lo que nunca pudo recuperar fue la confianza de los industriales

ingleses. De muy mala manera fue rechazado su proyecto para sustituir los rieles de ferrocarril de "hierro" forjado

de esa época por los de acero que ahora todo el mundo utiliza.

La tecnología para producir, arrabio siempre estuvo inmersa en un proceso evolutivo. Un paso de una gran

trascendencia se dio en el siglo XVIII, cuando el carbón mineral sustituyó al carbón de leña en los hornos. El uso

del carbón de leña en las acerías dejó secuelas dramáticas en muchos países. En Inglaterra la devastación fue tan

brutal que para mediados del siglo XVIII los bosques ya se habían agotado. Por más de un siglo Inglaterra tuvo que

importar hierro o arrabio de Suecia, Rusia y de sus colonias americanas, debido a su insuficiencia de carbón de

leña. Para bien de los bosques, en el siglo XVIII se inició el uso del carbón mineral para producir arrabio. El

carbón mineral usualmente contiene sustancias volátiles indeseables para la fabricación del arrabio. Se desarrollo

entonces un método que consiste en triturar y calentar el carbón mineral en hornos para que las sustancias volátiles

sean expelidas, dando lugar a un carbón más refinado llamado coque.

Cuando los convertidores "básicos" de arrabio en acero entraron en operación, ya se producía carbón mineral

coquizado en plantas avanzada donde además de purificar al carbón se, aprovechaban los gases expelidos. Se

obtenían como subproductos amoniaco, benceno, tolueno, nafta aromática y brea de alquitrán.

LOS ACEREROS CLÁSICOS

Una vez desatada la producción masiva de acero durante la revolución industrial, la producción, mundial

creció vertiginosamente, como se indica en la figura 20, impulsada por una fiebre tecnológica sin precedentes y por

una demanda industrial insatisfecha. El fenómeno nunca estuvo limitado al ámbito inglés. Diez años antes de

registrarse la patente de Bessemer, William Kelly había desarrollado la misma idea en Estados Unidos. Asimismo

los hermanos Siemens, alemanes, y posteriormente los hermanos Martin, franceses, dieron grandes pasos en el

desarrollo de convertidores de arrabio en acero que antes de terminar el siglo XIX ya habían superado la

producción a los de Bessemer.

Figura 7. Gráfica de la producción mundial de acero en los últimos siglos. El invento de Bessemer fue el punto de partida del

vertiginoso crecimiento.

Figura 8. Producción de acero en Inglaterra. Los convertidores de Bessemer, "ácidos" o "básicos", dominaron inicialmente.

El sistema Siemens-Martin fue el más utilizado en las primeras siete décadas del presente siglo. Los convertidores BOF cobraron

importancia en los últimos treinta años.

La geografía de la producción de acero también evolucionó. A principios del siglo XVIII Suecia era el primer

productor mundial de arrabio.

Posteriormente Inglaterra tomó su lugar, manteniendo su hegemonía hasta finales del siglo XIX. En 1890

Estados Unidos rebasó a Gran Bretaña y se mantuvo como líder hasta 1971, cuando fue superado por la Unión

Soviética. En la figura 22 se presentan los diez primeros productores del mundo en 1983. La situación reciente

dista de ser estable. De 1976 a 1983 China pasó del octavo al cuarto lugar, Japón desplazó a Estados Unidos del

segundo lugar, la Gran Bretaña pasó del séptimo al décimo y Corea del Sur se movió del lugar 25 y se puso en el

15.

Figura 9. Los diez mayores productores de acero en el mundo en 1983.

El proceso Bessemer fue el primer proceso industrial barato para la fabricación en serie de acero de un metal

en lingotes fundido. El proceso es nombrado por su inventor, Henry Bessemer, que sacó una patente del proceso en

1855.

El proceso fue independientemente descubierto en 1851 por William Kelly.1El mismo también había sido

usado fuera de Europa durante cientos de años, pero no a una escala industrial.3 El principio clave es la retirada de

impurezas del hierro mediante la oxidación producida por el insuflado de aire en el hierro fundido. La oxidación

causa la elevación de la temperatura de la masa de hierro y lo mantiene fundido.

Es un horno en forma de pera que está forrado con refractario de línea ácida o básica. El convertidor se carga

con chatarra fría y se le vacía arrabio derretido, posteriormente se le inyecta aire a alta presión con lo que se eleva

la temperatura por arriba del punto de fusión del hierro, haciendo que este hierva. Con lo anterior las impurezas son

eliminadas y se obtiene acero de alta calidad. Este horno ha sido substituido por el BOF.

FIG. 9. Hornos Bessemer

Horno de Hogar Abierto

El horno de hogar abierto semeja un horno enorme, y se le denomina de esta manera porque contiene en el

hogar (fondo) una especie de piscina larga y poco profunda (6 m de ancho, por 15 m de largo, por 1 m de

profundidad, aproximadamente). El horno se carga en un 30% a un 40% con chatarra y piedra caliza, empleando

aire pre-calentado, combustible líquido y gas para la combustión, largas lenguas de fuego pasan sobre los

materiales, fundiéndolos. Al mismo tiempo, se quema (o se oxida) el exceso de carbono y otras impurezas como el

fósforo, silicio y manganeso.

Este proceso puede acelerarse introduciendo tubos refrigerados por agua (lanzas), los que suministran un

grueso flujo de oxígeno sobre la carga. Periódicamente, se revisan muestras de la masa fundida en el laboratorio

para verificar la composición empleando un instrumento denominado espectrómetro. También se determinan los

niveles de carbono. Si se está fabricando acero de aleación, se agregarán los elementos de aleación deseados.

Cuando las lecturas de composición son correctas, el horno se cuela y el acero fundido se vierte en una olla de

colada.

Es uno de los hornos más populares en los procesos de producción del acero. Un horno de este tipo puede

contener entre 10 y 540 toneladas de metal en su interior. Tiene un fondo poco profundo y la flama da directamente

sobre la carga, por lo que es considerado como un horno de reverbero. Su combustible puede ser gas, brea o

petróleo, por lo regular estos hornos tienen chimeneas laterales las que además de expulsar los gases sirven para

calentar al aire y al combustible, por lo que se consideran como hornos regenerativos.

Los recubrimientos de los hornos de hogar abierto por lo regular son de línea básica sin embargo existen

también los de línea ácida ((ladrillos con sílice y paredes de arcilla). Las ventajas de una línea básica de refractario,

sobre una ácida son que con la primera se pueden controlar o eliminar el fósforo, el azufre, el silicio, el magnesio y

el carbono y con la línea ácida sólo se puede controlar al carbono. El costo de la línea básica es mayor que el de la

ácida.

FIG. 10. Horno de Hogar Abierto

Los hornos de hogar abierto son cargados con arrabio en su totalidad o con la combinación de arrabio y

chatarra de acero. El arrabio puede estar fundido o en estado sólido. La primera carga del horno tarda 10 h en ser

fundida y estar lista para la colada, pero si se agrega oxígeno se logra tener resultados en menos de 7 h, además de

que se ahorra el 25% de combustible.

El objetivo principal del horno para fabricación de acero es quitar al hierro de primera fusión la mayor parte

del carbono. Luego se agrega una cantidad medida de carbono al acero fundido para darle las propiedades

deseadas. También se utiliza desperdicio de acero y se agregan otros elementos para mejorar las propiedades del

acero. Un horno ya obsoleto en la actualidad, se construyeron grandes buques, ferrocarriles, puentes y grandes

edificios con el producto de esta nueva fuente de acero. Sin embargo, muchas de las impurezas quedaban en el

acero y, desde que se usó aire inyectado para quemar el carbono, el nitrógeno de la atmósfera se convirtió también

en una impureza que debilitaba al acero.

El acero en bruto es además algunas veces mejorado en hornos, crisoles, calderos y recipientes para ciertas

aplicaciones. Se involucran pequeños pero crecientes tonelajes. El proceso completo demora de cinco a ocho horas,

mientras que el Horno de Oxígeno Básico produce la misma cantidad de acero en 45 minutos aproximadamente.

Debido a esto, este horno ha sido virtualmente reemplazado por el de Oxígeno Básico.

Horno Básico de Oxígeno (BOF)

Los convertidores de arrabio en acero ya no son como los de Bessemer y sus contemporáneos.

Conocidos generalmente por sus iniciales en inglés, los convertidores BOF (basic oxygen furnace) logran la

refinación del arrabio empleando la misma idea de Bessemer para eliminar las impurezas y el exceso de

carbono por oxidación, además de aprovechar el calor de la oxidación como fuente de energía para la fusión.

En lugar del soplo de aire que utilizaba Bessemer, en los BOF la oxidación se hace directamente con

oxígeno. Esta idea también la tuvo Bessemer porque el aire contiene solamente un 21%, de oxígeno contra

un 78% de nitrógeno. Lo que pasó fue que en los tiempos de Bessemer el oxígeno puro era muy caro, de

modo que no era accesible ni para hacer experimentos en el laboratorio. Cien años después la situación era

otra porque se desarrollaron métodos baratos para producir oxígeno y en la escala necesaria para abastecer a

las grandes siderúrgicas.

Un esquema del convertidor BOF se presenta en la figura 7. Consiste en una olla de acero recubierta

en su interior con material refractario del tipo básico, óxido de magnesio o algo así. A diferencia del

convertidor de Bessemer (Figura 6) donde se soplaba el aire por la parte inferior, en el BOF se inyecta el

oxígeno por una lanza que entra por la parte superior. La lanza se enfría con serpentines de agua, interiores

para evitar que se funda. La carga y la descarga de la olla se hacen también por la parte superior y por eso la

olla está montada en chumaceras que le permiten girar.

Figura 11. Mediante un chorro de oxígeno con polvo de piedra caliza el arrabio es convertido en acero en un BOF, El

oxígeno reacciona con el carbono del arrabio y lo elimina en forma de bióxido (o monóxido) de carbono. La caliza sirve para

eliminar impurezas, entre las que destaca el fósforo.

Originalmente el proceso BOF fue desarrollado en Austria para convertir arrabio con bajo contenido

de fósforo (alrededor del O.3%), y en ese tiempo se bautizó con las iniciales LD, de Linz Düsenverfahren

(lanza de Linz). Luego la técnica se extendió, para arrabios de alto fósforo mediante la adición al chorro de

oxígeno de polvo de piedra caliza. Entonces se logró la producción de acero con arrabio de contenidos de

fósforo tan altos que llegaban incluso al 2%. Una de las grandes ventajas que desde un principio se observó

en los convertidores BOF fue su capacidad para aceptar hasta un 20% de "chatarra junto con la carga de

arrabio líquido.

La diferencia de precios entre la chatarra fría y el arrabio líquido ha motivado la búsqueda de

tecnologías para incrementar lo más posible la carga de chatarra. Algunos éxitos en esta dirección se han

obtenido al adicionar al oxígeno que entra por la lanza combustóleo y carburos de silicio y calcio.

La entrada de los convertidores BOF al mercado mundial fue muy acelerada. En la figura 21 se

muestra cómo los BOF marcaron el fin de los ya obsoletos convertidores de Bessemer y de los Siemens-

Martin que habían dominado por décadas.

La refinación del arrabio en el proceso BOF o aceración al oxígeno se lleva a cabo en un recipiente

que asemeja a una pera, llamada convertidor, mediante el soplo de oxígeno, a través de unas lanzas. La carga

metálica para realizar una colada de acero en un convertidor al oxígeno (en un tiempo que varía de 45 a 55

minutos) consiste en arrabio y chatarra; adicionalmente se cargan fundentes como cal siderúrgica y cal

dolomítica para formar una escoria para refinación.

Una acería BOF está dividida en secciones bien definidas de acuerdo con las operaciones que se

desarrollan en cada una de ellas: nave de convertidores, nave de carga, nave de colada e instalaciones

auxiliares.

Primeramente se le agrega al convertidor la chatarra que se encuentra en cajas previamente pesadas.

Por otra parte, el arrabio obtenido en los altos hornos es transportado a las acerías BOF por medio de carros

termos, los que descargan en una olla midiendo el peso con el objeto de controlar la carga de metal caliente.

Con ayuda de una grúa puente, la olla es vaciada al convertidor donde se lleva a cabo la refinación del

arrabio; además se le adiciona una porción de la cantidad de fundentes necesarios para el proceso; con esto

se da por terminada la carga. Se coloca la lanza de oxígeno en posición de trabajo, iniciando así el soplado

principal del oxígeno que se lleva aproximadamente un tiempo de 15 minutos, durante el cual algunas veces

conviene agregar más fundentes, según la cantidad de arrabio cargado y el grado de eliminación de

elementos de escoria.

Es un horno muy parecido al Bessemer con la gran diferencia que a este horno en lugar de inyectar

aire a presión se le inyecta oxígeno a presión, con lo que se eleva mucho más la temperatura que en el

Bessemer y en un tiempo muy reducido.

El nombre del horno se debe a que tiene un recubrimiento de refractario de la línea básica y a la

inyección del oxígeno. La carga del horno está constituida por 75% de arrabio procedente del alto horno y el

resto es chatarra y cal. La temperatura de operación del horno es superior a los 1650°C y es considerado

como el sistema más eficiente para la producción de acero de alta calidad. Este horno fue inventado por Sir

Henrry Bessemer a mediados de 1800, sólo que como en esa época la producción del oxígeno era cara se

inició con la inyección de aire, con lo que surgió el convertidor Bessemer, el que ya fue descrito.

Convertidores (BOF) - Soplado con Oxígeno

El Horno de Oxígeno Básico es un elemento muy eficaz para convertir los lingotes de hierro en acero

inyectando oxígeno. Carburos Metálicos puede suministrar el gas, los sistemas de control de procesos y el caudal

así como el know-how técnico (por ejemplo, en la colocación de lanzas).

Convertidores (BOF) - Precalentamiento de la Chatarra

Se han desarrollado equipos de control y quemadores para precalentar de forma eficaz la chatarra férrea

mediante quemadores de oxi-combustible no refrigerados por agua. Se suelen conseguir ahorros de combustible del

70% y reducciones del 50% en tiempos de calentamiento.

Convertidores (BOF) - Salpicadura de Escoria

Mediante la inyección de nitrógeno en la zona inferior del horno a través de la misma lanza de oxígeno se

consigue una capa de protección de escoria fundida en la pared del refractario reduciendo el ―gunning

consumption‖ y alargando la campaña.

Convertidores (BOF) - Agitación Inferior

El metal fundido se agita mediante una inyección de gas de alta presión con el fin de incrementar la

producción de acero, la recuperación de los metales de aleación y alargar la duración de la campaña.

FIG. 12. Horno Básico de Oxigeno

Horno de Arco Eléctrico

Un horno de arco eléctrico (siglas en inglés: EAF ('Electric Arc Furnace')) es un horno que se calienta por

medio de un arco eléctrico. Los tamaños de un horno de arco eléctrico van desde la tonelada de capacidad

(utilizado en fundiciones) hasta las 400 toneladas de capacidad utilizado en la industria metalúrgica. Además,

existen hornos de laboratorio y usados por dentistas que tienen una capacidad de apenas doce gramos. La

temperatura en el interior de un horno de arco eléctrico puede alcanzar los 1800 grados Celsius.

FIG. 13. Taller de fundición con dos hornos de arco eléctrico.

El primer horno eléctrico de arco se desarrolló por el francés Paul Héroult, con una planta comercial

establecida en EE.UU. en 1907. En principio, el acero obtenido por horno eléctrico era un producto especial para la

fabricación de máquinas herramienta y de acero resorte. También se utilizaron para preparar carburo de calcio para

las lámparas de carburo.

En el s. XIX, el horno de arco eléctrico se empezó a emplear en la fundición de hierro. Sir Humphry Davy

llevó a cabo una demostración experimental del horno en 1810; el método de soldadura por arco eléctrico fue

investigado por Pepys en 1815; Pinchon itentó crear un horno electrotérmico en 1853; y, en 1878 - 79, Sir William

Siemens patentó el horno de arco eléctrico. El horno eléctrico de Stessano era un horno de arco que rotaba para

mezclar la colada.

Los hornos de arco eléctrico fueron utilizados en la Segunda Guerra Mundial para la producción de

aleaciones de acero, fue después cuando la fabricación de acero por este método comenzó a expandirse. El bajo

coste en relación a su capacidad de producción permitió establecerse nuevas acerías en Europa en la postguerra, y

también permitió competir en bajo coste con los grandes fabricantes de Estados Unidos, tales como Bethlehem

Steel y U.S. Steel, con productos de viguería, embarrados, cables y laminados para el mercado estadounidense.

El hecho de que un horno de arco eléctrico use acero procedente de chatarra como materia prima tiene un

impacto en la calidad de un producto laminado, debido al control de calidad limitado sobre las impurezas que

contienen un acero procedente de chatarra.

El horno de arco eléctrico para acería consiste en una recipiente refractario alargado, refrigerada por agua

para tamaños grandes, cubierta con una bóveda también refractaria y que a través de la cual uno o más electrodos

de gráfico están alojados dentro del horno. El horno está compuesto principalmente de tres partes:

El armazón, que consiste en las paredes refractarias y la cimentación.

El hogar, que consiste en el lecho refractario que bordea la cimentación.

La bóveda o cubierta, de aspecto esférico o de frustrum (de sección cónica), cubre el horno con material

refractario. Puede estar refrigerada con agua. La bóveda está construida con materiales de alta resistencia

piroscópica (generalmente hormigón refractario) para soportar grandes choques térmicos y en el cual entran

los electrodos de grafito que producen el arco eléctrico.

FIG. 14. Un esquema de la sección transversal de un horno de arco eléctrico. Tres electrodos, material fundido, desembocadura a la

izquierda, bóveda extraíble de ladrillo refractario, paredes de ladrillo y un hogar con forma de tazón y de material refractario.

El hogar puede tener una forma hemiesférica u ovoidal. En talleres de fundición modernos, el horno suele

levantarse del suelo, así la cuba y los vertederos y las cucharas de colada pueden maniobrar sobre la base del

horno. Separado de la estructura del horno está el sistema eléctrico y el soporte del electrodo, además de la

plataforma basculante sobre la que descansa el horno.

Un horno típico de corriente alterna tiene tres electrodos. Los electrodos tienes una sección redonda y, por lo

general, en los segmentos con acoplamientos roscados, de modo que a medida que se desgastan los electrodos, se

pueden agregar nuevos segmentos.

El arco se forma entre el material cargado y el electrodo, así la carga se calienta tanto por la corriente que

pasa a través de la carga como por la energía radiante generada por el arco. Los electrodos suben y bajan

automáticamente mediante un sistema de posicionamiento, que puede emplear ya sean montacargas eléctricos o

cilindros hidráulicos.

El sistema de regulación mantiene aproximadamente constante la corriente y la potencia de entrada durante la

fusión de la carga, a pesar de que la chatarra puede moverse debajo de los electrodos a medida que se derrite. Los

brazos del mástil de sujeción de los electrodos llevan pesados embarrados, los cuales pueden estar huecos con

tuberías de cobre refrigeradas por agua llevando corriente eléctrica a las sujeciones de los electrodos.

Los modernos sistemas utilizan "brazos calientes", donde el brazo entero conduce la corriente, aumentando el

rendimiento. Éstos se pueden fabricar de acero revestido de cobre o de aluminio. Puesto que los electrodos se

mueven arriba y abajo de forma automática para la regulación del arco y se levantan para permitir quitar la bóveda

del horno, cables refrigerados por agua pesada conectan el haz de tubos y brazos con el transformador situado junto

al horno. Para proteger el transformador del calor, éste se instala en una cámara acorazada.

El horno está construido sobre una plataforma basculante para que el acero líquido se vierta en otro recipiente

para el transporte. La operación de inclinación del horno para verter el acero fundido se conoce como "tapping".

Originalmente, todos los hornos de producción de acero tenían un caño para verter que estaba revestido de

refractario que aliviaban cuando estaban inclinados, pero a menudo los hornos modernos tienen una

desembocadura excéntrica en la parte inferior (EBT) para reducir la inclusión de nitrógeno y de escoria en el acero

líquido. Estos hornos tienen una abertura que pasa verticalmente a través del hogar y el armazón, y se encuentra

fuera del centro en la estrecha "nariz" del hogar ovalado.

Las plantas modernas pueden tener dos armazones con un solo sistema de electrodos que se pueden transferir

entre las dos armazones; un armazón precalienta la chatarra mientras que el otro armazón se utiliza para la fusión.

Otros hornos basados en corriente continua tienen una disposición similar, pero tienen electrodos para cada

armazón y un solo sistema electrónico.

Existen hornos de CA que por lo general exhiben un patrón de calor y puntos fríos alrededor del perímetro

del hogar, con los puntos fríos situados entre los electrodos. Hay hornos modernos donde montan quemadores de

combustible de oxígeno en la pared lateral y los utilizan para proporcionar energía en esos puntos fríos,

consiguiendo un calentamiento del acero más uniforme.

La energía química adicional se proporciona mediante la inyección de oxígeno y carbono en el horno;

históricamente esto se hacía a través de lanzallamas en la puerta de la escoria, ahora esto se hace principalmente a

través de múltiples equipamientos de inyección empotrados en la pared.

Un moderno horno de fabricación de acero de tamaño mediano que tiene un transformador de 60 MVA de

capacidad, con una tensión secundaria entre 400 y 900 voltios y una corriente secundaria de más de 44.000

amperios. En un taller moderno, un horno debería producir una cantidad de 80 toneladas métricas de acero líquido

en aproximadamente 60 minutos de carga con chatarra fría para aprovechar el horno.

FIG. 15. Sistema de Funcionamiento de un Horno de Arco Eléctrico.

En comparación, los hornos básicos de oxígeno pueden tener una capacidad de 150-300 toneladas por lote, y

pueden producir un lote entre 30 y 40 minutos. Existen enormes variaciones en los detalles del diseño y el

funcionamiento del horno, dependiendo del producto final y las condiciones locales, así como los últimos estudios

para mejorar la eficiencia del horno, el mayor horno dedicado a chatarra (en términos de capacidad y de tamaño de

transformador) se encuentra en Turquía, con una capacidad de 300 toneladas métricas y un transformador de 300

MVA.

Producir una tonelada de acero en un horno de arco eléctrico requiere aproximadamente de 400 kilovatios-

hora de electricidad por tonelada corta, o alrededor de 440 kWh por tonelada métrica; la cantidad mínima teórica

de energía requerida para fundir una tonelada de chatarra de acero es de 300 kWh (punto de fusión

1520°C/2768°F). Por lo tanto, dicho horno de arco eléctrico de 300 toneladas y 300 MVA requeriría

aproximadamente de 132 MWh de energía para fundir el acero, y un "tiempo de encendido" (el tiempo que el acero

se funde con un arco) de aproximadamente 37 minutos. La fabricación de acero con arco eléctrico es sólo rentable

donde hay electricidad abundante, con una red eléctrica bien desarrollada.

Los hornos eléctricos de inducción utilizan una corriente inducida para fundir la carga. La energía es del tipo

de inducción sin núcleo dada por una corriente de alta frecuencia que suministra a la bobina primaria, enfriada por

agua que circunda al crisol. La corriente de alta frecuencia es alrededor de 1000 Hz, suministrada por un conjunto

motor-generador o un sistema de frecuencia con arco por vapor de mercurio.

El crisol es cargado con una pieza sólida de metal, chatarra o virutas de operaciones de mecanizados, al cual

se le induce una alta corriente secundaria. La resistencia de esta corriente inducida en la carga se hace en 50 o 90

min, fundiéndola en grandes crisoles que contienen arriba de 3.6 Ton de acero.

FIG. 16. Tipos de Hornos de Arco Eléctrico.

Los hornos de inducción, con crisoles aprovechables desde pocos kilogramos hasta 3.6 Ton son

relativamente bajos en costo, casi libres de ruido y por lo mismo producen poco calor. Puesto que la temperatura

no necesita ser más alta que la requerida para fundir la carga, la chatarra aleada puede ser para refundir sin que sea

"quemada" la calidad del material. Por estas razones a menudo son encontrados en laboratorios experimentales o

fundiciones. En hornos de arco eléctrico, la temperatura alta del arco puede refinar el metal, siendo una desventaja

de la fundición.

El tipo más sencillo tiene la cámara de fusión unida a un canal que, como ya se ha dicho, forma un circuito

eléctrico secundario cerrado en el cual se genera el calor. Al poner el horno en marcha, el canal está lleno de

material metálico sólido en íntimo contacto para permitir el cierre del anillo. Primeramente se funde el contenido

del anillo (sección más estrecha) y luego, poco a poco, se propaga la fusión a toda la carga. La mezcla del liquido

queda favorecida por la acción electrodinámica de la corriente.

Para facilitar las coladas subsiguientes conviene dejar siempre una cierta cantidad de metal liquido en el

fondo del horno de forma que el canal esté siempre lleno, es decir, cebado. Éste es uno de los inconvenientes que

hay que poner en el pasivo de esta clase de hornos. A pesar de todo, tuvieron mucha aceptación en el campo de la

fusión. del bronce, cobre, aluminio y aleaciones derivadas, y, mas recientemente, incluso para la fusión de la

fundición gris.

La limpieza del canal es difícil: para comodidad de funcionamiento estos hornos han sufrido modificaciones

importantes en su desarrollo, y se les han añadido dos cámaras, una para la carga y otra para la descarga; de este

modo:

a. Quedan eliminados los tiempos improductivos, porque la temperatura del metal se mantiene constante en la

cámara de descarga b incluso cuando se añade metal al vaso de carga a;

b. El metal de la cámara de descarga está siempre limpio, porque las escorias permanecen en la cámara de

carga. El sistema actúa a modo de sifón.

c. Dado que los canales tienden a estrecharse por las incrustaciones de óxidos que se forman durante el

funcionamiento, cada 24 horas, con el horno caliente, se efectúa la limpieza que dura media hora

aproximadamente.

d. Los hornos son siempre rebatibles mecánica o hidráulicamente, y llevan el perno de rotación bajo la piquera

de colada.

e. Los hornos emplean corriente monofásica si son de poca cabida, y corriente trifásica, con más canales, si

son grandes.

f. El factor de potencia es, aproximadamente, 0,70, lo que obliga, en la mayoría de los casos, a acoplar uno o

más condensadores para aumentarlo a 0,80.

g. Las pérdidas de material por oxidación son mínimas y el funcionamiento resulta económico.

h. El recubrimiento está constituido por materiales refractarios cuya composición varia según los metales que

hay que fundir.

El horno de baja frecuencia no puede alcanzar las elevadas temperaturas necesarias para fundir el acero, por

lo que se emplea casi exclusivamente para aleaciones de cobre-niquel, con más del 30 % de este último metal.

Puede fundir también el hierro colado y metales y aleaciones ligeras. El consumo de corriente (kWh/ton) varia

según el metal: funcionando continuamente es de 300 a 450 kWh/ton para el bronce, 600 a 700 kWh/ton para el

hierro colado y 400 a 450 kWh/ton para el cobre.

Normalmente, para completar la instalación del horno o de varios hornos se prepara un tambor de reserva,

como se ha indicado anteriormente. Siendo estos hornos monofásicos, la instalación de uno solo desequilibra la

línea, por lo que es preferible instalar dos o tres con transformadores de toma Scott.

FIG. 17. Secciones Transversales de la construcción de los Hornos de Arco Eléctrico.

Hornos de inducción de Alta Frecuencia.

Los hornos de inducción sin núcleo se basan en la ley física según la cual los cuerpos metálicos sometidos a

la acción de un campo magnético de corriente alterna se calientan tanto más cuanto más intenso es el campo

magnético y cuanto más elevada es la frecuencia.

Están constituidos por una espiral cilíndrica (enfriada por circulación interior de agua) de tubo de cobre de

sección rectangular o cuadrada, dentro de la cual va instalado un crisol que contiene el metal que se ha de fundir.

Por efecto del campo magnético generado por la espiral se induce una corriente a la masa metálica y la energía

eléctrica absorbida se transforma en calor. El crisol refractario no impide la acción del campo magnético.

Mientras que en los hornos de baja frecuencia se emplea la corriente industrial de 42 a 50 Hz, en los hornos

de alta frecuencia puede variar de 500 a 3000 Hz, pudiendo llegar a 20000 y más en pequeños hornos

experimentales.

En los hornos de tipo industrial, la corriente de alta frecuencia es obtenida con grupos giratorios motor-

alternador de alta frecuencia. Siendo bajísimo, sin embargo, el factor de potencia, hace falta disponer en serie o en

paralelo una batería de condensadores de capacidad tal que equilibren la corriente desfasada, como puede

apreciarse en el esquema de instalación de un horno de alta frecuencia que se representa en la figura.

El revestimiento del horno se forma con una masa de granalla de cuarcita en diversas gradaciones de tamaño,

que se hace plástica con la adición del 6 al 8 % de caolín. Se debe poner un gran cuidado al efectuar el

revestimiento y el secado que le sigue, que será muy lento para evitar resque-brajaduras. También se puede

efectuar el revestimiento usando granos de cuarcita y ácido bórico en la proporción del 1,5 al 3 %.

La capacidad de esta clase de hornos puede variar desde unos pocos kilogramos hasta 10 a 12 toneladas con

potencias que alcanzan los 2000 kW y frecuencias de 500 a 600 Hz.

Aplicaciones: Los hornos de inducción de alta frecuencia poseen notables ventajas: su producción es de gran

calidad, con oxidaciones muy reducidas y análisis constantes. Se obtiene también la supresión de los electrodos,

una economía en los gastos de funcionamiento y un menor consumo de corriente eléctrica. Sin embargo, los gastos

de instalación son muy elevados. Se emplean particularmente en las fundiciones de aceros aleados especiales o de

aleaciones de hierro colado y en menor escala en las fundiciones de hierro colado gris.

FIG. 18. Hornos de Inducción de Alta Frecuencia.

3.2 Aplicación del estado estándar del 1% en peso al proceso de aceración.

Estado estándar o normal : El estado estándar de una sustancia, es la forma pura más estable de la misma, a la

presión de 1 bar y a la temperatura especificada. Si la sustancia es un gas a esa presión y temperatura, el estado

estándar se elige como aquel en el que el gas se comporta como gas ideal.

En el caso de disoluciones líquidas ideales (o disoluciones sólidas ideales) el estado estándar de cada

componente se elige como el líquido (o el sólido puro) a la T y P de la disolución (o a P=1bar, realmente hay poca

diferencia si la presión no es muy alta). En el caso de disoluciones diluidas ideales el estado estándar del disolvente

se elige como el líquido (o el sólido puro) a la T y P de la disolución, sin embargo el estado estándar del soluto es

un estado ficticio a la T y P de la disolución, que resulta de extrapolar las propiedades del soluto en las

disoluciones muy diluidas al caso límite en el que su fracción molar fuera 1.

En el caso de disoluciones no ideales hay dos convenios diferentes, uno supone elegir el estado estándar de

las disoluciones ideales, y el otro el de las disoluciones diluidas ideales

Por lo que en los procesos de reducción en el alto horno, el arrabio recién producido contiene demasiado

carbono y demasiadas impurezas para ser provechoso. Por lo cual este debe ser refinado, porque esencialmente, el

acero es hierro altamente refinado que contiene menos de un 2% de carbono.

En el arrabio. el oxígeno ha sido removido, pero aún contiene demasiado carbono (aproximadamente un 4%)

y demasiadas impurezas (silicio, azufre, manganeso y fósforo) como para ser útil, para eso debe ser refinado,

porque esencialmente el acero es hierro altamente refinado que contiene menos de un 2% de carbono.

Dicha refinación puede ser lograda mediante diversos procesos, por ejemplo, mediante el horno de arco

eléctrico, el horno de crisol abierto y el horno básico de oxigeno. Estos permiten reducir el contenido de impurezas

mediante la oxidación de las mismas, con lo cual las proporciones de estas se reducen a niveles adecuados.

La fabricación del acero a partir del arrabio implica no sólo la remoción del carbono para llevarlo al nivel

deseado, sino también la remoción o reducción de las impurezas que contiene.

Como sabemos, el acero es una aleación de hierro y carbono, donde el carbono no supera el 2,1% en peso1 de

la composición de la aleación, alcanzando normalmente porcentajes entre el 0,2% y el 0,3%. Porcentajes mayores

que el 2,0% de carbono dan lugar a las fundiciones, aleaciones que al ser quebradizas y no poderse forjar —a

diferencia de los aceros—, se moldean.

Por dichos motivos, las fundiciones con alto contenido de carbono, resultan de poco valor técnico en

comparación con los aceros, los cuales debido a su ductilidad poseen mayor número de aplicaciones al ser mas

versátiles en los procesos de conformado. Desde un 0,05% hasta menos de un 2%.

Algunas veces otros elementos de aleación específicos tales como el Cr (Cromo) o Ni (Níquel) se agregan

con propósitos determinados. Ya que el acero es básicamente hierro altamente refinado (más de un 98%), su

fabricación comienza con la reducción de hierro (producción de arrabio) el cual se convierte más tarde en acero.

El hierro puro es uno de los elementos del acero, por lo tanto consiste solamente de un tipo de átomos. No se

encuentra libre en la naturaleza ya que químicamente reacciona con facilidad con el oxígeno del aire para formar

óxido de hierro - herrumbre.

El óxido se encuentra en cantidades significativas en el mineral de hierro, el cual es una concentración de

óxido de hierro con impurezas y materiales térreos.

3.3 El baño metálico como una solución multicomponente y coeficientes de interacción.

Muchos sistemas de interés práctico en ingeniería de materiales son aquellos que contienen dos o más

especies químicas diferentes. Debido a que la composición de estos sistemas varía frecuentemente como resultado

de los procesos de transferencia de masa o reacciones químicas, la descripción termodinámica del sistema debe

tener en cuenta la influencia de la composición de cada especie sobre las propiedades termodinámicas del sistema,

es decir sobre sus variables intensivas.

En siderurgia, la composición de las inclusiones presentes en el acero puede afectar la marcha del proceso de

elaboración del mismo y tener un fuerte impacto en las propiedades finales del producto obtenido. Por lo tanto,

para optimizar las prácticas utilizadas en el proceso industrial, resulta de gran importancia contar con herramientas

termodinámicas que ayuden a comprender cuantitativamente los fenómenos involucrados.

Es importante describir un modelo que permita determinar la composición de las inclusiones resultantes

cuando el acero es desoxidado con aluminio, silicio y manganeso. A partir de la composición total del acero y la

temperatura del proceso, se calcula como se reparten los distintos elementos (Al, Si, Mn, O) entre el acero líquido

y las inclusiones minimizando la energía libre del sistema.

En general, las inclusiones formadas durante la desoxidación inicial del acero no son completamente

eliminadas en las etapas posteriores del proceso de elaboración. Estas inclusiones remanentes pueden tener un

efecto nocivo, tanto para la marcha del proceso como para las propiedades del producto final.

En ciertos casos, este efecto perjudicial puede evitarse si se obtienen inclusiones con una composición

adecuada. Se ha mostrado que, para ciertas aplicaciones, un diseño apropiado de la composición de las inclusiones

puede no sólo evitar los problemas mencionados sino también colaborar en la precipitación de fases que mejoran

las propiedades finales del material. Para todos estos casos, resulta de gran utilidad la aplicación de herramientas

termodinámicas que permiten predecir la composición de las inclusiones resultantes en el acero.

Los elementos presentes en el acero líquido pueden estar disueltos en el baño o formando parte de

inclusiones (principalmente óxidos o sulfuros). La forma en que se reparten dichos elementos dependerá de las

condiciones termodinámicas del sistema.

Hoy en día se pueden determinar estas condiciones a partir de la composición total del acero y la temperatura

del proceso, la composición de las inclusiones formadas y la concentración de los elementos disueltos en el acero.

Se supone inicialmente un sistema formado por N elementos (Fe, Al, Si, Mn, Ca, Mg,…, O y S), los cuáles pueden

estar formando parte de la fase metálica o de las inclusiones.

Existe un modelo que permite calcular el equilibrio acero-inclusiones en sistemas multicomponentes. El

modelo es aplicado para analizar la formación de inclusiones en el sistema Al2O3-SiO2-MnO. Para ello, se

desarrolló un procedimiento que permite estimar la composición de las fases en equilibrio y las actividades de los

óxidos en este sistema.

Los resultados del modelo fueron comparados con mediciones reportadas en la literatura y en pruebas

industriales. En general, se observó un buen acuerdo entre los valores medidos y calculados. Finalmente, se

realizaron cálculos para analizar el efecto de la composición del acero en las inclusiones formadas.

Se encontró que, para una cantidad fija de oxígeno, es posible predecir el porcentaje de Al2O3 esperado en

las inclusiones en función de la cantidad de aluminio adicionada al acero. Por otro lado, el porcentaje de MnO de

las inclusiones es principalmente afectado por el tenor de Mn presente en el acero.

3.4 Aplicación de la teoría de escorias al proceso de aceración.

ESCORIA Las escorias son un subproducto de la fundición de la mena para purificar los metales. Se pueden

considerar como una mezcla de óxidos metálicos; sin embargo, pueden contener sulfuros de metal y átomos de

metal en forma de elemento. Aunque la escoria suele utilizarse como un mecanismo de eliminación de residuos en

la fundición del metal, también pueden servir para otros propósitos, como ayudar en el control de la temperatura

durante la fundición y minimizar la reoxidación del metal líquido final antes de pasar al molde.

En la naturaleza, los minerales de metales como el hierro y otros metales se encuentran en estados impuros, a

menudo oxidados y mezclados con silicatos de otros metales. Durante la fundición, cuando la mena está expuesta a

altas temperaturas, estas impurezas se separan del metal fundido y se pueden retirar. La colección de compuestos

que se retira es la escoria.

Los procesos de fundición ferrosos y no ferrosos producen distintas escorias. Por ejemplo, la fundición del

cobre y el plomo, no ferrosa, está diseñada para eliminar el hierro y la sílice que suelen darse en estos minerales, y

se separa en forma de escoria basada en silicato de hierro. Por otro lado, la escoria de las acerías, en las que se

produce una fundición ferrosa, se diseña para minimizar la pérdida de hierro y por tanto contiene principalmente

calcio, magnesio y aluminio.

La escoria tiene muchos usos comerciales y raramente se desecha. A menudo se vuelve a procesar para

separar algún otro metal que contenga. Los restos de esta recuperación se pueden utilizar como balasto para el

ferrocarril y como fertilizante. Se ha utilizado como metal para pavimentación y como una forma barata y duradera

de fortalecer las paredes inclinadas de los rompeolas para frenar el movimiento de las olas.

A menudo se utiliza escoria granular de alto horno en combinación con el mortero de cemento pórtland como

parte de una mezcla de cemento. Este tipo de escoria reacciona con el agua para producir propiedades cementosas.

El mortero que contiene escoria granular de alto horno desarrolla una gran resistencia durante largo tiempo,

ofreciendo una menor permeabilidad y mayor durabilidad. Como también se reduce la unidad de volumen de

cemento pórtland, el mortero es menos vulnerable al álcali-sílice y al ataque de sulfato.

Espumación de la escoria

Recientemente la espumación de las escorias ha cobrado interés. La espumación de la escoria está causada

principalmente por la generación de burbujas de gas monóxido de carbono, dióxido de carbono, vapor de agua,

dióxido de azufre, oxígeno e hidrógeno en el interior de la escoria, que se hace espumosa como si fuera agua

jabonosa.

En un horno básico de oxígeno (HBO), la espumación de la escoria está causada por la combustión del

carbono del propio metal, y es un inconveniente del proceso; la escoria espumosa puede eyectarse violentamente,

quitando metal del horno y creando un humo denso y marrón que puede causar problemas en el sistema de

eliminación de humo o causar un problema de salud y seguridad. La espumación se puede controlar mediante la

inyección de gas en la base del horno, o introduciendo partículas finas de coque en la escoria.

Sin embargo, en un horno de arco eléctrico (HAE), la espumación de la escoria está causada por la

combustión deliberada de partículas grandes de coque introducidas en la escoria. La espumación es vital para el

funcionamiento de los HAEs modernos, ya que la espuma envuelve a los arcos, protegiendo las paredes y el techo

del horno del calor radiante de los arcos y transfiriendo una mayor cantidad del calor del arco a la fundición,

mejorando así la eficiencia del horno. La espumación de la escoria también se utiliza en la fundición del cobre,

níquel, cromo y (experimentalmente) del hierro. Se está llevando a cabo mucha investigación para comprender

mejor la espumación de la escoria y para aplicar ese conocimiento a las plantas metalúrgicas de todo el mundo

Metalúrgicamente hablando la escoria es una mezcla fundida de diferentes óxidos los cuales pueden formar

diferentes compuestos, diversas soluciones liquidas y sólidas y también mezclas eutécticas. Así las escorias pueden

contener sales intencionalmente introducidas como cloruros, piedra caliza, fosfatos.

La función principal de una escoria es remover los compuestos de la ganga durante la fusión, compuestos de

impurezas del proceso de refinación y lograr la separación del baño metálico u otras fases (separación de la mata).

Características y funciones de las escorias

- Es el sitio de diferentes reacciones (oxido – reducción) por ejemplo.

Durante la fundición reductora del plomo, los silicatos de este metal son reducidos a escoria.

- La escoria gobierna la eficiencia del proceso debido a la interacción en la interfase metal - escoria.

- A veces la escoria puede constituir un producto valioso por contener elementos de alto valor.

- La escoria protege la superficie del metal de la atmósfera gaseosas del interior del horno.

Los óxidos formadores de escoria se dividen en:

Oxidos básicos: NaO, CaO, MgO, FeO, PbO, Cu2O, BaO, etc.

Oxidos ácidos: SiO2, P2O5, SO3.

Oxidos anfotéricos: Al2O3, ZnO.

Los primeros dos tipos forman entre ellos compuestos como sulfatos y fosfatos y los metales de óxidos

anfotéricos pueden existir en forma de cationes y aniones. Por ejemplo, aluminatos, silicatos, ferritos, etc.

Las escorias industriales están constituidas por los siguientes compuestos:

SiO2 Al2O3 CaO

MgO FeO

todos los óxidos de las impurezas.

En los diagramas de equilibrio de los sistemas de óxidos se puede ver que los óxidos puros tienen puntos

de fusión que los compuestos formados entre ellos por ejemplo, en el sistema ( CaO - SiO2 ) tenemos un punto de

fusión 1813 K mientras que los óxidos puros tienen los siguientes puntos de fusión CaO (2843 K), SiO2 (1983 K)

Comportamiento de las Escorias

En la práctica las escorias son policomponentes y en sus sistemas existen eutècticas policomponentes, a

veces, con bajo punto de fusión y es por eso que podemos describir el comportamiento de las escorias debido a la

postulación de dos teorías.

3.4.1 Teoría molecular.

Definiendo la Teoría molecular tendremos lo siguiente:

- Supone la existencia de moléculas

- Es importante determinar el equilibrio de disociación del silicato ( SiO2 ) y se utiliza la siguiente

expresión:

MeO- SiO2 = MeO + SiO2

La gran importancia de la Sílice en la formación de las diversas escorias es :

- En base a su estructura se ha encontrado que existen una unión tetraédrica entre el silicio y el oxigeno y

forman una configuración tridimensional.

a )

a) Unión Tetraédrica simple de la Sílice

FIG. 19. Esquema estructural de la asociación de la sílice.

b) Unión Tetraédrica doble de la Sílice

b )

3.4.2 Teoría iónica.

- El grado de disociación depende de la temperatura y de la cantidad de óxidos libres en la escoria.

- La presencia de óxidos fuertes pueden influir en la descomposición, debido a que los óxidos fuertes

desplazan a los más débiles.

Esto se interpreta mediante la siguiente reacción:

2 Fe – SiO2 + 2 CaO = 2 CaO – SiO2 + 2 FeO

- Los óxidos fuertes son:

Na2O K2 O CaO

- Los óxidos débiles son:

FeO MnO PbO Cu2O NiO

- Cuando el óxido tiene el valor G ° de su formación más negativo es más fuerte.

La conductividad eléctrica de los sistemas policomponentes depende principalmente de la concentración

de los cationes y de su movilidad. Las escorias solidificadas evidencian un grado menor en la propiedad de

transportación de corriente. Cuando los óxidos cambian de estado de agregación al fundirse, la rigidez de los

enlaces se pierde. Los aumentos de temperatura provocan la disminución del tamaño de los iones complejos y

como consecuencia de las vibraciones atómicas se destruyen los enlaces. Debido a esta transición se da lugar a que

la sílice no presente un punto de fusión exacto sino que esta ocurre suave y paulatinamente por etapas, por lo que

presenta una alta viscosidad. La interacción que existe en la escoria entre los óxidos ácidos y básicos, parte de la

sílice pura, a la cual se le añade cierta cantidad de cal, donde ocurre el rompimiento de la cadena de tetraedros

como se indica en la sig. Ecuación:

O – Si – O – Si – O – Si – O + Ca 2 +

+ O 2 =

Ca 2 +

+ O – Si – O – Si – O Si – O

FIG. 16 Rompimiento de Enlaces del SiO

Aumentando las adiciones de CaO, el numero de rompimientos aumenta.

Estos rompimientos los causa el oxigeno proveniente de los óxidos básicos llegando hasta la unidad

básica, entonces se dice que la escoria esta neutralizada y un mol de silicio es neutralizado por dos moles de CaO,

por lo que:

SiO2 + 2 CaO = SiO 4 -

4 + 2 Ca 2 +

Entonces cuando CaO / SiO2 = 2 la escoria estará totalmente neutralizada sin la presencia de iones

libres O-2. Por lo tanto:

SiO2 + 3 CaO = SiO 4 -

4 + 3 Ca + +

+ O 2 -

La tensión superficial y la viscosidad de las escorias son fuertemente investigadas pues son muy

importantes en los procesos pirometalúrgicos ya que gobiernan el transcurso de las reacciones, perdidas de metal,

etc. Considerando el concepto de acidez y basicidad, se dice generalmente que una escoria es básica, cuando

contiene iones de oxigeno libres y en caso contrario se dice que es ácida. En la práctica, a partir del análisis

químico se puede evaluar estas propiedades matemáticamente. Estas relaciones se pueden expresar en porcientos o

en moles pero no considera la interacción ácido – base.

Las relaciones que se usan con más frecuencia en la práctica para determinar la basicidad de las escorias son:

% CaO % CaO CaO + MgO

B = ------------ ; ----------------- ; ---------------- % SiO2 % CaO + Al2O3 SiO2 + P2O5

También se puede expresar más exactamente por la siguiente expresión:

Iones de Oxigeno Libres

B = ------------------------------ Moles de Escoria

O bien:

nCaO + n MnO - ( 2n SiO2 + 4n P2O5 + 22n Al2O3 + nFeO

B = ------------------------------------------------------ ∑ n MeO

Los procesos de refinación se caracterizan por sus condiciones oxidantes donde la escoria tiene un papel

determinante por que a través de ella se suministra el oxigeno y en ella se alojan las impurezas oxidadas. Lo

anterior se puede ilustrar con una escoria que contienen Iones Férricos y Ferrosos. El oxígeno en la atmósfera del

horno puede existir en forma en O2, CO2 y H2O. Este oxígeno pasa a la escoria en forma de anión de acuerdo con

la relación:

½ ( O2 ) + 2 e ( O 2 -

)

Para mantener la neutralidad eléctrica, esta reacción va a provocar la oxidación de los cationes:

2 ( Fe2+

) 2 ( Fe2+

) + 2 e

La suma de las reacciones:

½ ( O2 ) + 2 ( Fe2+

) = 2 ( Fe2+

) + ( O 2 -

)

En esta interfase se efectúa la disolución del oxígeno en el baño metálico:

2 ( Fe2+

) + ( O 2 -

) = 2 ( Fe2+

) + ( O )

El oxigeno disuelto en forma atómica en el baño metálico es transportado hasta la zona de reacción de las

impurezas.

Equilibrio Metal - Escoria

La escoria absorbe las impurezas contenidas en el metal, así como también algunos elementos aleantes,

por eso es importante conocer el tipo de interacción metal – escoria. En este caso son útiles las consideraciones

termodinámicas en las condiciones de equilibrio. De acuerdo con la Teoría Iónica, el paso de un elemento del metal

a la escoria se puede expresar:

[ Me 2 + ] ( Me ’

2 + ) + 2 e

Para mantener la electroneutralidad debe existir la reacción para lela:

( Me ’ 2 +

) + 2 e [ Me 2 + ]

Cuando se considera la interacción en la interfase metal – escoria se pueden escribir dos reacciones para

los mismos componentes en la fase metálica y en la escoria:

[ MeO ] + [ Me ‘ ] = [ Me

‘ O ] + [ Me ]

( MeO ) + ( Me ‘ ) = ( Me

‘ O ) + ( Me )

Además de sus correspondientes constantes de equilibrio.

Cuando se tienen informaciones sobre los valores de las actividades de los óxidos en la escoria e

informaciones de las actividades de los metales en el baño metálico, entonces se puede calcular diferentes

relaciones como por ejemplo:

- Se puede calcular la concentración de la impureza en el baño metálico[ Me ‘ ]se obtiene su

concentración dada en la escoria ( MeO ).

- Conociendo las actividades de los óxidos en función de sus concentraciones en la escoria y las mismas

relaciones para los metales, se puede escoger las concentraciones óptimas del baño.