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Curso
HORNOS ELÉCTRICOS DE ARCO
Instructores: Jorge Madias y Francisco Torre
San Nicolás, Pcia. de Buenos Aires, Argentina, 20-21/03/2014
Curso Hornos Eléctricos de Arco 2
Contenido
Introducción
Metálicos
Materiales auxiliares
Operación
Benchmarking
Metalurgia en el horno
Metalurgia en el sangrado
Escoria
Defosforación
Decarburación
Metalurgia en el horno 3
Metalurgia en el horno 4
Escoria
Funciones
Protección de los refractarios y paneles refrigerados (vía
espumado)
Estabilidad del arco eléctrico
Defosforación del acero líquido
Aislación térmica del acero líquido
Transmisión de calor al acero líquido
Metalurgia en el horno 5
Escoria
Componentes
Adiciones (cal cálcica, cal dolomítica, reciclos)
Óxidos contenidos en materiales de carga (tierra y
cascarilla en la chatarra, ganga del hierro esponja; cenizas
de los materiales carbonosos)
Productos de la oxidación de elementos disueltos en el
acero cargado (óxido de hierro, óxido de manganeso, sílice)
Productos del ataque de los refractarios (óxido de
magnesio)
Escoria remanente de coladas anteriores
Metalurgia en el horno 6
Escoria
Componentes
CaO SiO2 FeO MgO MnO Al2O3
Cal cálcica X
Cal dolomítica X X
Chatarra X X
Oxidación X X X
Refractarios X
Escoria previa X X X X
Metalurgia en el horno 7
Escoria
Fase líquida o parcialmente líquida, constituida por óxidos en solución, de diferentes orígenes
Composición típica:
CaO, SiO2 y FeO como componentes principales
MgO, MnO, Al2O3, P2O5, CaS como componentes menores
Metalurgia en el horno 8
Escoria
Balance de masa
Se puede estimar la composición de la escoria calculando
los aportes de CaO, SiO2, FeO, MgO y Al2O3 de las
diversas fuentes
Puede ser útil para entender el comportamiento de
espumado, el ataque sobre los refractarios, la capacidad
de defosforación, evaluar la influencia de la adición de
reciclos, detectar las pérdidas de cal como finos, etc.
Ejemplo
Metalurgia en el horno 9
Escoria
Equilibrio con el acero
Los elementos dispersos en el acero líquido tienden a estar en equilibrio con los mismos elementos presentes en la escoria
Este equilibrio se representa como (M)/M, donde los paréntesis indican la escoria y el subrayado indica el acero
Por ejemplo, (P)/P , (Si)/Si, Mn/Mn, (S)/S, (Cr)/Cr etc.
Esa relación suele llamarse coeficiente de partición, LM
El valor de equilibrio del coeficiente de partición depende de factores como el estado de oxidación del baño, la basicidad de la escoria, la temperatura, etc.
Ejemplo: partición de cromo
Metalurgia en el horno 10
Escoria
Si esas condiciones cambian, el coeficiente de partición cambia y cambia por lo tanto la composición del acero y la escoria
Para que se alcance de nuevo el equilibrio puede ser necesaria la interacción entre el acero y la escoria
Ese concepto básico es el que se usa para defosforar, desulfurar, resulfurar, etc., por reacción entre el metal y la escoria
También es el que explica cambios no deseados, como la reoxidación de un acero por contacto con una escoria oxidada y la reversión de fósforo, silicio, o manganeso de la escoria al acero
Metalurgia en el horno 11
Escoria
Equilibrio con el acero
Metalurgia en el horno 12
Escoria: estructura
El SiO2 puro forma una red
polimerizada de SiO44-
SiO2 es un formador de red,
ácido
El CaO agregado, rompe los
puentes entre dos tetrahedros
CaO es un modificador de red,
básico
Silicio Calcio Oxígeno
Metalurgia en el horno 13
Escoria
En la práctica, el índice de basicidad puede ser
expresado por el cociente % CaO / % SiO2
La capacidad de los óxidos para romper los puentes
entre silicatos sigue el orden CaO MgO MnO
FeO
Cuanto más alto es el contenido de SiO2, más alto es el
grado de polimerización de la escoria; esto conduce a
un incremento pronunciado de su viscosidad
Metalurgia en el horno 14
Escoria
Balance entre óxidos refractarios y fluidificantes
Óxidos fluidificantes
(Al2O3, FeO, MnO)
Óxidos refractarios
(CaO, MgO)
Metalurgia en el horno 15
Escoria
Representación: Diagrama binario CaO-SiO2
Metalurgia en el horno 16
Escoria
Representación: Diagrama binario CaO-Fe2O3
Metalurgia en el horno 17
Escoria
Representación: Diagrama FeOx-SiO2
Metalurgia en el horno 18
Escoria: Diagrama CaO-FeOx-SiO2
Metalurgia en el horno 19
Escoria: Representación
100% CaO 100% FeO
100% SiO2
FeO
CaO: 50 %
SiO2: 25 %
FeO: 25 %
Metalurgia en el horno 20
Escoria: Cálculo de MgO para la saturación de la
escoria
ISIJ International
November 2010
Metalurgia en el horno 21
Escoria
Espumado
Tipo de arco Eficiencia en la transferencia de
energía eléctrica (%)
Descubierto 26
Parcialmente rodeado de escoria 65
Totalmente rodeado de escoria 93
Escoria casi conductora (poco
arco)
97
Escoria conductora (ningún arco) 100
Metalurgia en el horno 22
Escoria: Espumado
La fuerza necesaria para espumar la escoria la provee la energía neumática, producida por la generación de monóxido de carbono (CO) durante la fusión y afino
Las reacciones responsables son:
C + (FeO) = CO + Fe (oxidación de C del acero por el FeO de la escoria)
C + ½ O2 = CO (reacción entre C en el acero y O gaseoso)
(FeO) + C = CO + Fe (reacción directa entre FeO de la escoria y C inyectado)
Metalurgia en el horno 23
Escoria: Espumado
Que haya suficiente generación de monóxido de carbono y que la escoria se deje inflar
Basicidad > 1,8
Contenido de FeO entre 10 y 28%
si es bajo, cuando se inyecte carbono no va a haber suficiente oxígeno en la escoria como para formar CO
si es alto, como el hierro es pesado, la escoria se hace muy densa
Balance entre el carbono y el oxígeno agregados
Si falta carbono puede haber excesiva oxidación del baño
Si sobra carbono puede haber incorporación al acero
Tener en cuenta el aumento de temperatura hacia el fin de la colada, y el posible incremento del tenor de FeO en la escoria
Metalurgia en el horno 25
Escoria
Espumado
Posicionamiento de las lanzas
Escoria 26
Espumado
1600 oC
Basicidad 1,5
Pretorius, E.B.,
2005
Escoria 27
Espumado 1600 oC
Basicidad 2,0
1600 oC
Basicidad 2,5
Pretorius, E.B.,
2005
Metalurgia en el horno 28
Defosforación Necesidad de defosforación
El fósforo disminuye la ductilidad y tenacidad en frío del acero
Cada 0,01% P sube 7oC la temperatura de transición dúctil – frágil (el acero es frágil a una temperatura más cercana a la ambiente)
Favorece la fragilidad de revenido (tratamiento térmico que se hace luego del temple para mejorar la tenacidad)
Por estas razones existen aceros con requisitos de fósforo normal, bajo o muy bajo Aceros para barras nervadas, perfiles, ángulos: máximo 0,040%
Aceros para temple y revenido: máximo 0,025%
Aceros para pozos de petróleo, refinerías, centrales nucleares, gas licuado: máximo 0,005%
Metalurgia en el horno 29
Defosforación
Dónde defosforar:
En el mineral de hierro, mediante trituración hasta liberación del compuesto que contiene el fósforo y flotación
En el arrabio, después de desiliciar, por separación en la escoria, en condiciones básicas, oxidantes y a baja temperatura, en el vagón termo o en una cuchara
En el acero líquido, tanto en la aceración al oxígeno como en la aceración eléctrica, en condiciones oxidantes
En algunos aceros inoxidables por inyección de calcio, en condiciones reductoras (poco usual)
Metalurgia en el horno 30
Defosforación
Reacciones químicas
Oxidación baño
2 P + 5 (FeO) = (P2 O5) + 5 Fe (óxidación por FeO líquido de la
escoria)
2 P + 5 O2 = (P2 O5) (oxidación por O2 gaseoso)
Interacción baño – escoria
2 P + 5 (FeO) + n CaO = (P2 O5 . n CaO) + 5 Fe
n = 3 (ó 4)
Metalurgia en el horno 31
Defosforación
Condiciones requeridas
De balance de masa
Fósforo cargado
Peso de escoria en relación al peso de acero
De equilibrio
Alta basicidad
Alta oxidación del baño
Por eso es difícil defosforar con carbono alto
Baja temperatura
Cinética
Alta interacción entre la escoria y el acero
Metalurgia en el horno 32
Defosforación
Modelos termodinámicos
Metalurgia en el horno 33
Defosforación
Utilizar planilla de cálculo basada en modelo de
Healy y balance de masa, para evaluar los cambios en
la defosforación en función de
Contenido de CaO en la escoria
Contenido de FeO en la escoria
Temperatura del baño
Fósforo cargado
Peso de la escoria
Metalurgia en el horno 34
Defosforación
Reversión en parte final del proceso
Colada 100% DRI
Metalurgia en el horno 35
Defosforación
Reversíón al final del proceso
Colada 47% DRI
Metalurgia en el horno 36
Defosforación
Reversión al final del proceso
Colada 25% DRI
Metalurgia en el horno 37
Decarburación
Existen dos estrategias para el objetivo de carbono en
el acero al fin del proceso
Obtener un tipo de acero único, por ejemplo 0,05% C y
luego ajustar en el sangrado o en el horno cuchara
Obtener un carbono cercano al final, que llegue al valor
final con la adición de las ferroaleaciones y no requiera un
ajuste importante en el horo cuchara
Metalurgia en el horno 38
Decarburación: Equilibrio carbono - oxígeno
[C] + [O] = (CO)g + 2,663 KWh/kg C (1)
Cálculo de energíaco = (%Ci - %Cf) x 26,63 KWh/t acero líquido
(Acero – escoria)
CO + ½ O2 = (CO2)g + 6,652 KWh/kg C
Cálculo de energía co2 = (%Ci - %Cf) x 66,52 KWh/t acero líquido
(Por encima del baño)
(1) log K = aC × aO / pCO = – 1168/T – 2,07
El valor de la constante K varía con la temperatura y con la presión parcial
del CO
Metalurgia en el horno 39
Decarburación: de acuerdo a Vacher y Hamilton K
= 0,0025
%C × %O = 0,0025
Metalurgia en el horno 40
Lecturas adicionales
Pretorius, E.B.; Carlisle, R.C.; López, F.; «Foamy Slag Fundamentals and their Practical Application to Electric Furnace Steelmaking». 55th ABM Annual Congress, pp. 987-996.
Matsuura, H.; Fruehan, R.; «Slag foaming in electric arc furnace». ISIJ International, Vol. 49 (2009), No. 10, pp. 1530–1535.
Aranda, V.; Cicutti, C.; Medina, F.; «Comportamiento del fósforo en el horno eléctrico». 15th IAS Steelmaking Conference, 2005, San Nicolas, Argentina, pp. 57-66.
Magalhães Almeida, E.; de Oliveira, Th.A.; Martins Barreto, A.F.; Chesseret, L.; «Processo de desfosforação no CONSTEEL da Vallourec Sumitomo Tubos do Brasil». 44º Seminário de Aciaria da ABM, maio de 103, Araxá, Brasil, p. 386-391.
Metalurgia en el horno 41
Preguntas
Qué es el coeficiente de partición o reparto de un
elemento?
Cuáles son los óxidos más estables presentes en las
escorias?
Metalurgia en el horno 42
Preguntas
Cuáles son las mejores condiciones para la
defosforación?
Metalurgia en el horno 43
Desescoriado
