Siderurgia

Procesos siderometalúrgicos. Integral. Convertidor. Horno eléctrico. Proceso de afino. Hierro. Carbón de coque. Fundentes. Altos hornos. Solidificación y conformación del acero. Colada

  • Enviado por: Raúl Pérez Mauriz
  • Idioma: castellano
  • País: España España
  • 13 páginas
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Introducción

Se denomina siderurgia al conjunto de operaciones mediante las cuales se obtiene un metal ferroso. El proceso abarca desde la extracción del mineral de hierro hasta su posterior transformación en acero con una presentación comercial determinada.

Dentro de la siderurgia existen dos tipos, la siderurgia integral y la siderurgia no integral.

(Fig. 1)

Siderurgia no integral

Agrupa todos los procesos dedicados a la fabricación de acero a partir de chatarra, ferroaleaciones y, en algunos casos, arrabio. Para transformar la chatarra en acero es necesario fundirla en hornos especiales. Los hornos más antiguos, pero que todavía se pueden encontrar en algunas acerías, son:

  • El cubilote. Ha sido un horno muy empleado para la obtención de hierro de segunda fusión, pero en la actualidad ya casi no se emplea. Su materia prima es la chatarra y, algunas veces, arrabio del alto horno. (Fig. 2)

  • El horno Martin-Siemens.

  • El convertidor Bessemer. Se alimenta casi exclusivamente de arrabio, raras veces con arrabio y chatarra (de ser así, la chatarra debe de ser seleccionada previamente para evitar que contenga estaño, cobre, etc.). Para eliminar las impurezas, se suministra aire y/o oxígeno por la parte inferior del horno, que atraviesa todo el hierro líquido en sentido ascendente. La reacción química del oxígeno con las impurezas produce grandes desprendimientos de calor y fuertes llamaradas. (Fig. 3)

Actualmente los hornos más empleados en la actualidad son el convertidor LD y el horno eléctrico.

'Siderurgia'
Convertidor LD.

Se trata de un horno, de creación bastante reciente, que permite la obtención de aceros de excelente calidad. También se le conoce con el nombre de horno de oxígeno básico.

    • Materia prima que emplea.

· Arrabio líquido procedente del alto horno (es la materia principal). Se tratan en un convertidor LD los arrabios que son demasiado pobres en fósforo y silicio para ser afinados en el convertidor Bessemer.

· Chatarra.

· Fundente (cal), para que reaccione con las impurezas y de lugar a la formación de escoria que flota sobre el material fundido.

· Ferroaleaciones.

    • Características del horno.

· La parte interior está recubierta de ladrillo refractario (de composición química básica).

· Bajo la lanza de oxígeno, el metal alcanza fácilmente 3000 ºC, con gran turbulencia, debido al óxido de carbono desprendido.

· Cada hornada dura entre 30 y 40 minutos, obteniéndose unas 300 TM de acero por cada hornada. El acero obtenido es de una extraordinaria calidad.

    • Funcionamiento.

El proceso de carga se efectúa colocando el horno en posición inclinada. Se añade el arrabio líquido. Luego se introducen los fundentes y/o la chatarra. Se pone el horno vertical y se baja la lanza de oxígeno (doble tubo refrigerado con agua) y se inyecta oxígeno en el metal fundido. Las impurezas se queman desprendiendo calor. Posteriormente, se inclina el horno y se saca la escoria que flota sobre la masa líquida. Finalmente, se vierte el acero sobre la cuchara y se añaden elementos tales como carbón (para aumentar el contenido en carbono), níquel, cromo, etc.… para conseguir el tipo de acero que se desee.

'Siderurgia'
Horno eléctrico

Mediante este procedimiento se obtienen aceros finos de gran pureza y calidad. Ello se debe a que el baño no queda expuesto a la acción sulfurante de los gases de caldeo, ni a al del oxígeno, ya que se puede lograr una atmósfera neutra, con una temperatura exacta. Es un horno especialmente indicado para la fabricación de aceros para la construcción de herramientas o aceros que vayan a estar sometidos a condiciones de trabajo especiales. También se emplea para el fundido simultáneo de varios metales que van a formar una aleación y cuyo punto de fusión es muy alto, tales como wolframio, tántalo, molibdeno, etc.

    • Materia prima que emplea

· Se carga, principalmente, con chatarra de acero seleccionada.

· Materiales de aleación, tales como Ni, Cr, Mo, etc.

    • Características del horno

· Interiormente tiene un revestimiento de ladrillo refractario.

· Dentro de este horno se pueden llegar a alcanzar temperaturas de hasta 3500 ºC.

· Estos hornos se suelen construir para una carga de 100 Tm, donde la operación de afinado suele durar entre 50 minutos y 1 hora.

· El oxígeno necesario para la oxidación de las impurezas que contiene la masa líquida procede del aire que está en contacto con el baño, elementos de adición (fundentes) y la chatarra añadida (en forma de óxido).

    • Funcionamiento

Se introduce en el horno la chatarra más el fundente (cal). Mediante tres cilindros de grafito, llamados electrodos, se funde el metal introducido. Posteriormente, una vez efectuada la fusión se vierte en la cuchara, cuya finalidad es transportar el líquido al proceso de horno-cuchara. Este proceso, comienza con un análisis del contenido que es necesario ajustar a la composición del acero. Los elementos que se añaden son aleaciones metálicas de ferrosilicio, ferromanganeso, sílice y cal en abundancia para eliminar el azufre.

'Siderurgia'
Tratamientos posteriores al proceso de afino

'Siderurgia'
En los procesos anteriores se dejó el acero, en estado líquido, en la cuchara. Para su transformación en productos útiles es preciso solidificarlo. Sin embargo antes de realizar estos procesos es necesario realizar una desgasificación del acero fundido. La desgasificación es tanto más eficaz cuanto más cerca de la solidificación se realiza, ya que la manipulación del acero líquido implica riesgo de oclusiones gaseosas. La desgasificación se puede realizar en el horno, en la cuchara(a), en el chorro(c), en la lingotera (b) o en la colada continua. El vacío se genera mediante bombas mecánicas y bombas de difusión.

Las bombas mecánicas consisten en dos cilindros colocados excéntricamente uno en el interior del otro, de manera que el cilindro de menor diámetro va provisto de sendas zapatas longitudinales y las cavidades que quedan a ambos lados de las zapatas están en contacto con la cámara de vacío y con el exterior. Comoquiera que estas cavidades se cumple la ley de Boyle, con una vuelta completa del cilindro interior se crea, en dos ocasiones, un aumento progresivo de volumen en la cavidad que esta en contacto con la cámara de vacío y, por tanto, una disminución de la presión.

Un vacío mas intenso se consigue con la bomba difusora de aceite, que consiste en un tubo vertical, en cuyo extremo inferior existe una resistencia que volatiliza el aceite o el mercurio, que condensan en el surtidor de la parte superior, de modo que las gotas condensadas arrastran a las moléculas de aire creando una depresión.

Siderurgia integral

Se entiende como siderurgia integral el conjunto de operaciones que permiten obtener un primer producto denominado arrabio. En este proceso estudiaremos desde la preparación de las principales materias primas, hasta la obtención del arrabio en el alto horno. (Fig. 4)

'Siderurgia'
Obtención y tratamiento de las materias primas

    • Mineral de hierro

El mineral de hierro se extrae de minas. A pesar de la abundancia de mineral de hierro en la naturaleza, solo se aprovechan dos tipos en la industria: los óxidos y el carbonato. Normalmente, el mineral, no se encuentra en estado puro, sino combinado con otros elementos químicos. De este modo se requieren una serie de procesos para la separación de la ganga (parte despreciable) y mena (parte útil).

El primer tratamiento al que se debe someter el mineral de hierro, una vez extraído, consiste en una trituración y molienda con el fin de adoptar un tamaño que permita una mejor selección. Posteriormente se realiza la separación de la ganga mediante magnetismo, flotación, tamizado, etc. Finalmente una vez separada la mena se procederá a su clasificación, siendo el método mas empleado el que la clasifica por su aspecto. (Tabla 1)

Por ultimo se procede al lavado y se aglomera la mena en pelets, nódulos, sinters o briquetas, con el fin de mejorar su manipulación.

    • Carbón de coque

La misión del carbón de coque es:

· Producir, por combustión, el calor necesario para las reacciones químicas de reducción (eliminación del oxigeno) así como fundir la mena dentro del horno alto

· Soportar las cargas (mezcla de carbón de coque, fundente y mineral de hierro) dentro del alto horno.

· Producir un gas reductor (CO) que transforme los óxidos en arrabio.

· Dar permeabilidad a la carga del alto horno y facilitar el paso del gas.

El coque de los altos hornos debe de tener una dimensión de ocho a doce centímetros, con un contenido de cenizas 9,8% al 10,2% y del 0,9% a 1,2% de azufre.

    • Fundentes

Pese a que el mineral de hierro ya ha sufrido un tratamiento preliminar en el que se he reducido la ganga existente, siempre quedan impurezas unidas al mineral que es preciso eliminar. Estas impurezas van a reaccionar químicamente con el fundente y formar la escoria, que flotara sobre el metal fundido.

La función principal del fundente, formado por piedra caliza, es la siguiente:

· Bajar el punto de fusión de la ganga haciendo que la escoria se mantenga liquida.

· Reaccionar químicamente con las impurezas (ganga) que contiene la mena, en el momento en que se encuentre en estado liquido dentro del alto horno, arrastrándolas hacia la parte superior, y formando lo que se denomina escoria.

'Siderurgia'
Funcionamiento del alto horno

La función del alto horno es reducir el mineral de hierro, principalmente sus óxidos, mediante el monóxido de carbono que se forma por combustión del carbono del coque y el oxigeno de la corriente de aire que se introduce en el horno. Este se carga con mena de hierro, coque y fundentes en proporción de:

1.- Mineral de hierro……………. 2 Tm

2.- Carbón de coque…………….. 1 Tm

3.- Fundente…………………….. ½ Tm

Los altos hornos, una vez encendidos, están funcionando ininterrumpidamente hasta que sea necesario hacerles una reparación. Para evitar el escape de humos a la atmósfera (con la consiguiente contaminación) en el momento de introducir las cargas por la parte superior, disponen de unos sistemas de apertura especiales. El aire necesario para el trabajo del horno alto entra por las toberas y procede de un cinturón de viento que recibe este de maquinas sopladoras. Los gases escapan por conductos laterales.

A medida que baja la carga, su temperatura aumenta hasta que llega al etalaje donde se llegan a producir temperaturas del orden 1.650ºC, suficientes para que al mineral de hierro (mena) se transformen gotas de hierro que se depositan en el fondo (crisol), cuya temperatura ronda los 1.600ºC.

La caliza (fundente) reacciona químicamente con las impurezas formando la escoria, que flota sobre el hierro fundido. Por un agujero, llamado bigotera o piquera de escoria, se extrae, aproximadamente, cada dos horas.

Periódicamente se sangra el horno, es decir, se vacía el crisol por un orificio practicado en la parte baja del mismo, denominado piquera de arrabio. El hierro liquido (arrabio) se conduce por unas regueras de arena hasta colarlo en las cucharas, que pueden ser abiertas o cerradas (cuchara torpedo). Estas últimas permiten conservar el calor del caldo durante el transporte o durante los tiempos de espera.

Al producto que se obtiene del alto horno se le denomina arrabio, hierro colado o hierro de primera fusión. El problema que tiene el arrabio es que posee un exceso de impurezas, que lo hacen demasiado frágil y poco adecuado para el uso industrial en la fabricación de diferentes piezas.

Finalmente, y dependiendo del uso que se le quiera dar, el arrabio puede seguir varios caminos:

  • A los hornos de afinado: debido al exceso de impurezas, el arrabio tiene unas características mecánicas deficientes. La solución consiste en eliminar, esas impurezas en hornos de afinado y convertirlo en acero. Para ello, se transporta el arrabio en el interior de la cuchara torpedo para que no se enfríe. La cuchara torpedo se desplaza por unos raíles hasta las proximidades del convertidor donde introduce su carga y comienza su tratamiento.

  • A la zona de lingoteras: si por cualquier causa no interesase transformar el arrabio en acero, se llevará a la zona de lingoteras para su solidificación. Existen dos tipos de lingoteras:

  • 1.- Máquina de colar: consiste en un moderno sistema que consiste en una cinta transportadora de acero, con recipientes, en los que se va introduciendo el arrabio. Dado que la cinta es larga y avanza lentamente, poco tiempo después el arrabio estará solidificado.

    2.- Lingoteras permanentes: consisten en moldes en tronco de pirámide de base cuadrada, sin tapa ni fondo, en los que se introduce, por la parte superior, el arrabio y se deja solidificar. Para extraer el molde se tira de el hacia arriba. En este proceso se producen rechupes, por lo que se hace necesario cortar la parte superior del lingote eliminando, al mismo tiempo, impurezas que salieron a flote. (Fig. 4)

    Procesos de solidificación del acero

    En los procesos anteriores se dejo el acero, en estado liquido, en la cuchara. Para su transformación en productos útiles es preciso solidificarlo. Existen tres métodos de colada:

    • Colada convencional.

    Consiste en verter el acero líquido sobre moldes con la forma de la pieza que se quiere obtener. Posteriormente se deja solidificar el metal y luego se extrae la pieza. Por medio de este método podemos fabricar y obtener piezas de formas muy diversas, siendo ampliamente utilizado en el campo de los recipientes de productos y carcasas de maquinas, con el fin de conseguir aspectos mas agradables, llamativos y funcionales, sin necesidad de retocar posteriormente el producto. Por regla general, este proceso trae consigo un ahorro importante de material en la fabricación del producto final en comparación con otros métodos.

    En muchos casos, y en es especial cuando se requieren acabados de precisión, se realiza un proceso de mecanizado sobre la superficie obtenida por colada.

    Durante el proceso de colada hay que tener en cuenta los siguientes aspectos:

      • Realizar moldes que soportan bien las altas temperaturas del material fundido sin que lleguen a deformarse. Además, deben permitir la solidificación de una manera homogénea, con objeto de evitar deformaciones o alteraciones en el producto final, así como disponer de los orificios necesarios para la salida del aire cuando se introduce el metal fundido.

      • Vaciar el metal a la temperatura idónea; ni demasiado alta, porque se oxida con facilidad, ni demasiado baja, porque apenas estaría en estado liquido con lo cual no penetraría en las cavidades con facilidad.

    Existen varios tipos de colada: colada sobre moldes de arena, colada sobre moldes permanentes y colada a la cera perdida.

    • Colada sobre lingoteras

    Aquí el acero se introduce en el interior de lingoteras (moldes prismáticos de fundición, con forma troncocónica y sección transversal cuadrada). Una vez solidificado, el acero se extrae y se almacena hasta que se vaya a utilizar.

    El llenado de las lingoteras se puede realizar de dos maneras posibles:

  • De manera directa. La cuchara se coloca encima de la lingotera y se abre una boquilla que deja caer un chorro de acera líquido sobre la lingotera.

  • Mediante sifón. La cuchara se sitúa sobre un conducto central y vertical del que parten unos canales horizontales de distribución a cada lingotera.

  • Como los lingotes se solidifican rápidamente en la superficie, pero lentamente en el centro, deben colocarse en un horno especial donde se recalientan hasta conseguir que toda la masa se solidifique uniformemente. Se procura que no existan grandes diferencias de temperatura entre distintos puntos del lingote para evitar posibles roturas internas.

    • Colada continua

    El proceso consiste en llenar un recipiente de metal fundido procedente de uno de los hornos de la fundición. El metal cae por un orificio refrigerado (molde), se solidifica obteniéndose una tira continua de sección semejante a la del molde denominada palanquilla. Esta tira cae en vertical y, al apoyarse sobre unos cilindros, a medida que avanza, se va colocando horizontal para ser cortada mediante sopletes que se mueven a la misma velocidad que la plancha.

    Las ventajas que aporta la colada continua son:

      • Eliminación de gastos tan importantes como lingoteras, preparación de desmolde, etc.

      • Importante reducción del consumo de energía, al no ser necesario los hornos de recalentamiento de lingotes.

      • Disminución, del orden del 50 por 100, de la mano de obra necesaria respecto a la colada sobre lingoteras.

    (Fig. 5)

    Procesos de conformación del acero

    La deformación de materiales hasta conseguir la forma deseada es una técnica muy utilizada en la industria como procedimiento de fabricación. Se puede realizar a temperatura ambiente (deformación en frío) o elevando la temperatura del material (deformación en caliente).

    Por norma general, elegiremos un procedimiento de deformación en frío si el material y la pieza a realizar lo soportan, pues mejoramos algunas de sus propiedades, el acabado es mejor y las medidas mas exactas. Además se evita tener que calentar las piezas y disponer de maquinas herramientas que soporten esas temperaturas sin dañarse, lo cual supone un ahorro. Por el contrario, se precisan maquinas mas potentes para realizar las operaciones. En la mayoría de los casos se necesitan varios procedimientos de deformación para obtener la forma final, pidiéndose combinar.

    • Deformación en caliente

    Los procesos básicos por deformación en caliente son: laminación y forja.

  • Laminación

  • 'Siderurgia'
    La temperatura del material a laminar esta comprendida entre 800 y 1250 ºC. La laminación consiste en hacer pasar el material entre dos rodillos o cilindros que giran a la misma velocidad pero en sentido contrario. De esta manera se reduce la sección transversal, mediante la presión ejercida por estos, alargando su longitud y comprimiendo los poros y las pequeñas fisuras.

    En la laminación se aprovecha la ductilidad y maleabilidad del acero, que aumenta a medida que lo hace su temperatura.

    Existen varios tipos de maquinas, cada una adecuada a la fabricación de un determinado producto:

      • Tren desbastador.

    Este tren convierte los lingotes en:

    · Bloom: sección transversal cuadrada y gran longitud.

    · Slab: sección transversal rectangular y gran longitud.

      • Tren de perfiles estructurales

    Se utilizan blooms para obtener diferentes tipos de perfiles que, posteriormente, serán utilizados en la fabricación de maquinaria, estructuras de barcos y naves industriales, torres eléctricas, etc.

      • Tren de bandas en caliente

    Aquí se emplean los slabs para obtener chapa de distintos tamaños y espesores. Con objeto de mejorar las características de la chapa fabricada, se suelen introducir en un tren de laminación en frío.

    Figuras y Tablas

    'Siderurgia'
    Fig. 1

    Tabla 1:


    Mineral

    Nombre

    Clasificación

    Proporción en hierro del mineral puro (%)

    Características

    Óxidos

    Magnetita Fe3O4

    Mena negra

    72,4

    Color gris-negro magnético

    Hematites Fe2O3

    Mena roja

    70

    Color rojizo, gris hasta negro

    Limonitas Fe2O3·H2O

    Mena parda

    60