siderurgia ii

1Monografas sobre Tecnologa del Acero. Parte II

METALURGIA SECUNDARIA

Jose Luis Enrquez Berciano

Enrique Tremps Guerra

Monografas sobre Tecnologa del Acero. Parte II

METALURGIA SECUNDARIA

Jos Luis Enrquez BercianoDr. en Ciencias Qumicas

Enrique Tremps GuerraDr. Ingeniero de Minas

Profesores de la Universidad Politcnica de Madrid

noviembre de 2007

ndice general

1. INTRODUCCIN 71.1. Antecedentes histricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.2. Siderurgia moderna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.3. Desventajas de la acera clsica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.4. Objetivos y ventajas de la Metalurgia Secundaria . . . . . . . . . . . 11

2. PROCESOS DE METALURGIA SECUNDARIA 132.1. Procesos vaco sin aportacin trmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.1.1. Desgasificacin en vaco (Vacuum Degassing, VD) . . . . . . . 142.1.2. Circulacin del acero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.2. Procesos vaco con aportacin trmica adicional . . . . . . . . . . . . 142.2.1. Caldeo elctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.2.2. Caldeo por oxgeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.3. Procesos atmosfricos sin aportacin trmica . . . . . . . . . . . . . . 152.4. Procesos atmosfricos con aportacin trmica adicional . . . . . . . . 16

2.4.1. Caldeo elctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.4.2. Caldeo por oxgeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3. EXIGENCIAS, PROCESOS Y APLICACIONES 173.1. Cuadro general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.2. Aplicaciones especficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4. EL DESGASIFICADO Y SUS IMPLICACIONES 234.1. Gases en los aceros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234.2. El hidrgeno en los aceros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244.3. Eliminacin de hidrgeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254.4. El nitrgeno en los aceros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264.5. Eliminacin del nitrgeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274.6. El oxgeno en los aceros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.6.1. Condiciones de equilibrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284.6.2. Influencia de la temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294.6.3. Eliminacin del oxgeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4.7. Desulfuracin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434.8. Modificacin de inclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.8.1. Control de xidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514.8.2. Efecto del calcio en los aceros . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514.8.3. Control de forma de sulfuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3

4 NDICE GENERAL

5. PROCESOS VACO SIN APORTACIN TRMICA 575.1. Desgasificacin esttica en cuchara (Vacuum Degassing VD) . . . . . 575.2. Desgasificacin en chorro (Bochmer Verein AG, BV) . . . . . . . . . 595.3. Elevacin intermitente (Dortmund-Hrder Httenunion AG, DH) . . 64

5.3.1. Descripcin del equipo DH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 645.3.2. Operacin del equipo DH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 665.3.3. Ventajas e inconvenientes del proceso DH . . . . . . . . . . . 67

5.4. Elevacin y recirculacin (Ruhrstahl-Herus AG, RH) . . . . . . . . . 695.4.1. Descripcin del equipo RH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 695.4.2. Operacin del equipo RH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 725.4.3. Posibilidades metalrgicas del reactor RH . . . . . . . . . . . 725.4.4. Fabricacin de acero dulce al vaco . . . . . . . . . . . . . . . 72

5.5. Mezclado pulsatorio (Pulsating Mixing, PM) . . . . . . . . . . . . . 74

6. PROCESOS VACO CON APORTACIN TRMICA 776.1. Proceso ASEA-SKF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

6.1.1. Descripcin general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 776.1.2. Esquema del proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 826.1.3. Ventajas y posibilidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

6.2. Procesos similares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 856.2.1. Horno-cuchara Stein Heurtey-S.A.F.E. . . . . . . . . . . . . . 856.2.2. Hornos-cuchara en cmara de vaco . . . . . . . . . . . . . . . 86

6.3. Vacuum Oxigen Decarburisation VOD . . . . . . . . . . . . . . . . . 906.3.1. Objetivo y fundamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 916.3.2. Descripcin del equipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 926.3.3. Prctica operativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

6.4. Procesos derivados del VOD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 956.5. Proceso Allegheny Vacuum Refining (AVR) . . . . . . . . . . . . . . 966.6. Proceso RH-OB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

6.6.1. Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 976.6.2. Descripcin del equipo RH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 976.6.3. Descripcin del proceso RH-OB . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

7. PROCESOS ATMOSFRICOS SIN APORTACIN TRMICA 1037.1. Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1037.2. Seleccin del proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1057.3. Purga de argn (Argon Purge, AP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1067.4. Mtodo Convencional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1117.5. Capped Argon Bubbling (CAB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1127.6. Composition Adjustement by Sealed Argon Bubbling (CAS) . . . . . 1137.7. Adicin mediante alambre (Cored Wire) . . . . . . . . . . . . . . . . 1147.8. Lanzamiento de proyectiles de aluminio . . . . . . . . . . . . . . . . . 1167.9. Adicin vehiculada de aluminio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1187.10. Inyeccin con lanza IP y TN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

NDICE GENERAL 5

8. PROCESOS ATMOSFRICOS CON APORTACIN TRMICA1218.1. Horno cuchara . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

8.1.1. Calentamiento por arco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1228.1.2. Calentamiento por plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1288.1.3. Calentamiento por electroescoria . . . . . . . . . . . . . . . . 1348.1.4. Horno GRAF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1368.1.5. BBC-CEM-IRSID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1378.1.6. Reacciones del afino en horno cuchara . . . . . . . . . . . . . 142

8.2. Proceso Argon Oxigen Decarburisation (AOD) . . . . . . . . . . . . . 1448.2.1. Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1448.2.2. Oxidacin de carbono y cromo en el bao de acero . . . . . . 1468.2.3. Mtodo operativo clsico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1498.2.4. Fusin de la carga slida en horno de arco . . . . . . . . . . . 1498.2.5. Tratamiento del bao en convertidor AOD . . . . . . . . . . . 1548.2.6. Comparacin entre prcticas operativas HEA y AOD . . . . 1618.2.7. Aceros fabricados en AOD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

8.3. Convertidor CLU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1628.4. Proceso CAS-OB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

Bibliografa 164

6 NDICE GENERAL

Captulo 1

INTRODUCCIN

1.1. Antecedentes histricos

La segunda mitad del siglo XIX contempl el gran salto adelante del desarrollode los mtodos y equipos de fabricacin de acero. Primero haba sido la optimizacindel horno alto, tanto del equipo en s como de la preparacin de cargas, aadida ala sustitucin que se haba producido del carbn vegetal por el coque; optimizacinque comenz a principios de ese mismo siglo.

Casi simultneamente se produjo la aparicin de los convertidores, Bessemer pri-mero y Thomas despus, que hicieron posible la fabricacin masiva de acero a partirdel arrabio elaborado en los hornos altos. Esta pltora de acero gener, como eslgico suponer, grandes cantidades de chatarra. La aparicin casi simultnea de loshornos Siemens-Martin permiti reciclar esa chatarra, a la vez que podan actuarcomo unidades de conversin de arrabio en acero en serie con el horno alto.

De esta forma surgieron las tres vas clsicas de fabricacin de acero:

1. mineral horno alto arrabio convertidor acero lquido

2. mineral horno alto arrabio Siemens acero lquido

3. chatarra (y a veces arrabio y mineral) Siemens acero lquido

A comienzos del siglo XX se produjo el desarrollo y difusin de la electricidadindustrial que propici la aparicin de los hornos elctricos como aparato de fusin,tanto los de arco como los de induccin. Durante la primera mitad de este siglo huboun mejoramiento de estos equipos, junto con aumento de tamao de los mismos. Asse lleg a hornos de arco de hasta 300 t de capacidad.

El costo de fabricacin de acero en horno de arco era bastante elevado, lo queslo les haca adecuados para fabricacin de aceros aleados, de alto valor aadido.El perfeccionamiento que se produjo, tanto en los propios hornos como en su opera-cin, hizo que la acera elctrica llegara a competir con la siderurgia integral (hornoalto-convertidor) no slo en calidad sino en costos. Y esto a pesar de la irrupcin en

7

8 1.2. SIDERURGIA MODERNA

la dcada de los cincuenta de los oxiconvertidores (LD y sus derivados) desarrolladosen Austria.

Paralelamente a estos fenmenos se produjo, a mediados del siglo XX, la desa-paricin paulatina de los hornos Siemens-Martin, que no podan competir en pro-ductividad con los convertidores ni en calidad con los hornos de arco. Por otro lado,los problemas medioambientales que generaban los hornos de llama (lluvia cidaprovocada por el SO

2derivado de combustibles de baja calidad), como es el caso del

Siemens, aceleraron su desaparicin.

1.2. Siderurgia moderna

Durante la segunda mitad del siglo XX se pusieron en juego esfuerzos considera-bles en la exploracin y desarrollo de equipos y procesos de acera elctrica; el hornode arco lleg a cifras inverosmilmente bajas de consumo de energa y electrodos, ascomo a duraciones de colada tap-to-tap que no llegan a una hora, como puedeverse en el baco de la figura 1.1. Hasta entonces la colada se efectuaba ntegramenteen el horno de arco, segn la secuencia normativa:

Carga (chatarra + escorificantes)

Fusin

Perodo oxidante (descarburacin + defosforacin)

Desescoriado

Perodo reductor (desoxidacin + desulfuracin)

Ajuste de composicin

Basculacin del horno a la cuchara

Esta cuchara llena de caldo se traslada hasta la zona de colada donde llenamoldes (fundicin de moldeo), lingoteras (colada de lingotes para grandes forjas) ocolada continua (palanquilla o planchn para laminacin).

En la dcada de los sesenta aparecen los transformadores UHP (ultraalta po-tencia), con lo cual los hornos de arco, al igual que anteriormente lo hicieron losoxiconvertidores se convierten en mquinas de fundir y oxidar, transfiriendo el restode trabajo de la colada a otro equipo; este segundo escaln es el que se ha dado enllamar Metalurgia Secundaria o Metalurgia en Cuchara (figuras 1.2 y 1.3).

1. INTRODUCCIN 9

Figura 1.1: Avances en horno elctrico

Figura 1.2: Procesos

10 1.3. DESVENTAJAS DE LA ACERA CLSICA

Figura 1.3: Procesos de metalurgia secundaria

1.3. Desventajas de la acera clsica

En el caso de acera elctrica:

Reacciones lentas por falta de interfase bao-escoria suficiente.

Trnsito oxidacin-reduccin dificultoso.

Escasa flexibilidad.

Dificultad (por no decir imposibilidad) de hacer vaco.

Rendimiento pobre de las ferroaleaciones.

Adicionalmente se puede decir que no se saca suficiente partido de tecnologasdifundidas como: Quemadores oxifuel, lanza de oxgeno, paneles refrigerados, dise-os EBT y CBT, transformadores UHP, buza de corredera y todo el mundo de laInformtica.

En el caso de acera de oxiconvertidor:

Reduccin imposible en el convertidor.

Omnipresencia de escoria fosforosa contaminante.

Flexibilidad prcticamente nula.

Dificultad de ajustar composicin y temperatura.

Presencia de inclusiones letales para la calidad.

1. INTRODUCCIN 11

1.4. Objetivos y ventajas de la Metalurgia Secun-

daria

Desde el punto de vista de operacin se consiguen mejoras en productividad ycostos, tales como:

1. Productividad:

Optimizacin de las operaciones de acera.

Mayor aprovechamiento de los equipos productivos.

Disminucin de los tiempos de colada tap-to-tap.

Flexibilidad ptima.

Trabajo ms fcil de las mquinas de colada continua.

2. Costos:

Ahorro de energa gracias al mejor control de temperaturas y el aprove-chamiento elctrico que conlleva.

Mayor recuperacin de ferroaleaciones y posibilidad de utilizar ferroalea-ciones ms baratas.

La eficiencia de estos procesos reduce las necesidades de control de cali-dad.

Desde el punto de vista de calidad, estos procesos nuevos aportan mejoras alos aceros fabricados, tanto en calidad qumica como estructural, entre las quese pueden citar:

3. Calidad qumica:

Posibilidad de encajar con precisin la composicin qumica del acerofabricado.

Capacidad de alcanzar contenidos ultrabajos de carbono.

Posibilidad de defosforar a fondo.

Se realizan con gran facilidad las operaciones bsicas (desoxidacin ydesulfuracin) de la segunda etapa (fase reductora) de la colada.

Los equipos nuevos estn en condiciones de obtener una desgasificacincompleta, especialmente de gases tan letales para la vida en servicio comohidrgeno y nitrgeno.

12 1.4. OBJETIVOS Y VENTAJAS DE LA METALURGIA SECUNDARIA

4. Calidad estructural:

La extraccin completa del oxgeno del bao por vaco o por purga congases inertes impide la formacin de xidos (inclusiones no metlicas).

Estos mismos procesos de vaco o purga posibilitan flotacin de las inclu-siones que se hubieran podido formar, envindolas a la escoria donde sonatrapadas.

Si a pesar de todo no se pudiera evitar o flotar las inclusiones, existe laposibilidad de modificar la composicin y morfologa de las mismas parahacerlas menos deletreas.

Todo lo anterior lleva a la obtencin de mejores propiedades transversaleso de tenacidad, tales como las que se deducen de ensayos de resiliencia ode doblado.

Captulo 2

PROCESOS DE METALURGIASECUNDARIA

En este captulo se enlistan los procesos de Metalurgia Secundaria, procesos quepueden realizarse al vaco (figura 2.1) o a presin atmosfrica.

Figura 2.1: Procesos vaco en metalurgia secundaria

Los procesos al vaco consiguen resultados notables, incluso espectaculares, en laconsecucin de los objetivos descritos anteriormente. Los procedimientos realizadosa presin atmosfrica no consiguen resultados tan brillantes. Sin embargo, la rela-cin resultados/inversin obtenida a presin atmosfrica es compensatoria en unaacera que fabrica aceros muy especiales slo en ocasiones contadas que no compen-san una fuerte inversin en equipos y operaciones. Tanto unos como otros puedenrealizarse sin aportacin trmica adicional o con caldeo posterior. Los procesos msimportantes son:

13

14 2.1. PROCESOS VACO SIN APORTACIN TRMICA

2.1. Procesos vaco sin aportacin trmica

Dentro de este conjunto hay dos grupos que son la desgasificacin en vaco y lacirculacin del acero:

2.1.1. Desgasificacin en vaco (Vacuum Degassing, VD)

Pueden ser:

Estticos en cmara desgasificadora, sin agitacin o con agitacin, la cualpuede realizarse por gas o por induccin elctrica.

En chorro de metal (Bochmer Verein fr Gusstahlfabrikation AG, despusFried. Krupp Httenwerke AG, de Bochum) del horno a la cuchara, de sta aotra de colada o de ella a la lingotera (caso de grandes forjas).

2.1.2. Circulacin del acero

Esta circulacin puede ser:

Discontinua (Dortmund Hrder - Httenunion, DH)

Recirculacin (Ruhrstahl - Herus, RH), la cual puede realizarse medianteinsuflacin de gas inerte (Gas Lift) o inductivamente (Induction Lift, Thermo-flow, Proceso Stokes).

2.2. Procesos vaco con aportacin trmica adicio-

nal

La agitacin y ebullicin del acero en los procesos vaco provoca un enfriamientoque en algunos casos puede ser prohibitivo para las operaciones posteriores. Pa-ra obviar esta dificultad se han desarrollado los procesos con aportacin trmicaadicional, la cual puede realizarse por energa elctrica o por inyeccin de oxgeno.

2.2.1. Caldeo elctrico

En este grupo de procesos el calentamiento se hace posicionando la cuchara bajouna bveda de horno de arco de dimetro igual que el de la cuchara, todo ello encondiciones de vaco. Aunque el fundamento de los procesos es el mismo, el diseoparticular vara de unos a otros, especialmente en la forma de mantener el vacodurante la operacin. Puede decirse que todos ellos son variaciones de detalle delprocedimiento ASEA-SKF. Los ms importantes son:

ASEA-SKF.

Desgasificacin por Arco en Vaco (VAD).

Finkl-Mohr, variante del VAD.

2. PROCESOS DE METALURGIA SECUNDARIA 15

Stein Heurtey - S.A.F.E. Electric Steel Works.

Fusin en Vaco (VM).

Diado Ladle Furnace (LF) colaborando Davey McKee, Electromelt y Vacmelt.

2.2.2. Caldeo por oxgeno

En este grupo se aprovecha el carcter fuertemente exotrmico con que en condi-ciones de vaco se desarrolla la reaccin Vacher-Hamilton de combustin del carbonopor el oxgeno inyectado sobre el bao. Entre otros, se pueden citar los siguientesprocesos principales:

Descarburacin por oxgeno en vaco VOD.

Convertidor descarburacin por oxgeno en vaco VODC.

VOD/LD VAC (Edelstahlwerk-Republic Steel).

ASV.

V-R.

AVR (Allegheny Vacuum Refining).

RH-OB (Nippon Steel).

2.3. Procesos atmosfricos sin aportacin trmica

Los efectos de creacin de interfases, aceleracin de reacciones, desgasificacin,desoxidacin, eliminacin de inclusiones, etc, se consiguen mediante inyeccin de ar-gn y otros gases ms o menos inertes, que puede ir acompaada de adicin forzadade escorificantes y ferroaleaciones. Algunos de estos procedimientos que implicaninyeccin de gases inertes, especialmente argn, han sido desarrollados por los fa-bricantes o comercializadores de estos mismos gases, ya que la adopcin de unatecnologa basada en gases lleva a la consecucin de un mercado cautivo bastanteimportante.

Entre stos mtodos se encuentran:

Metalurgia secundaria argn, ASM.

Purga con argn, AP (Union Carbide).

Inyeccin desulfurante por lanza, IP y TN.

Inyeccin entubada o encapsulada.

Alimentacin de hilo de Al, Ca...

Lanzamiento de proyectiles.

162.4. PROCESOS ATMOSFRICOS CON APORTACIN TRMICA

ADICIONAL

Composition Adjustment by Sealed Argon Bubbling, CAS.

Sealed Argon Bubbling, SAB.

Capped Argon Bubbling, CAB.

2.4. Procesos atmosfricos con aportacin trmica

adicional

Al igual que ocurra en el vaco, la inyeccin de gases o de materiales slidosprovoca un enfriamiento del bao de acero que en algunos casos puede imposibilitarlas operaciones posteriores, especialmente en la mquina de colada continua. Estoda lugar a la aparicin de los procesos con aportacin trmica adicional que, al igualque al vaco, puede hacerse mediante caldeo elctrico o caldeo por oxgeno. Los msnotables son:

2.4.1. Caldeo elctrico

-Horno cuchara, Ladle Furnace, LF.

Gas Refining Arc Furnace, GRAF.

Proceso BBC-CEM-IRSID

2.4.2. Caldeo por oxgeno

Argon Oxigen Decarburisation, AOD, (Divisin Linde, Union Carbide).

Creusot-Loire-Uddeholm, CLU.

CAS con inyeccin de oxgeno (CAS-OB)

Captulo 3

EXIGENCIAS, PROCESOS YAPLICACIONES

A continuacin se enuncian los procesos de Metalurgia Secundaria, especialmenteen base a la aplicacin a que irn destinados. Para cada exigencia planteada porclientes o por otras secciones de la fbrica siderrgica se vern en un cuadro-revisingeneral los propsitos a cumplir, operaciones a realizar para conseguirlos, equiposen los que pueden efectuarse y aceros que se beneficiarn de estos esfuerzos. Acontinuacin se detallan y explican algunas aplicaciones especficas a productos ocomposiciones determinadas.

3.1. Cuadro general

Como se ha dicho anteriormente, en primer lugar se revisan las exigencias que seplantean al acerista y los propsitos de las mismas, operaciones a realizar y proce-sos y equipos para ellas y, finalmente, qu productos o equipos se benefician de ellas.

1a Exigencia: Ajuste de composicin

Propsito:

Obtencin segura de un anlisis concreto.

Garantizar intervalos ms estrechos de composicin.

Mejorar rendimiento de adicin de ferroaleaciones.

Operacin:

Adicin exacta de ferroaleaciones.

Mezclado y homogeneizacin correcta del caldo.

Proceso:

DH, RH, VAD, CAS, CAB, LF.

17

18 3.1. CUADRO GENERAL

Aplicacin:

Cualquier tipo de acero.

2a Exigencia: Ajuste de temperatura

Propsito:

Garantizar obtencin de la temperatura exigida.

Operacin:

Enfriamiento mediante chatarra o barboteo de gas.

Caldeo elctrico o por oxgeno.

Proceso:

VAD, RH-OB, LF.

Aplicacin:

Facilitar trabajo de las mquinas de colada continua.

3a Exigencia: Desoxidacin

Propsito:

Eliminar exceso de oxgeno disuelto en el bao.

Obtener acero limpio de inclusiones de xidos.

Operacin:

Generacin de CO acelerada por vaco.

Formacin turbulenta y barrido de Al2O

3.

Proceso:

Empleo de escorias desoxidantes bajas en oxgeno.

Procesos al vaco eliminadores de oxgeno.

Barboteo de gases inertes purgadores de inclusiones.

Reduccin con calcio y modificacin de inclusiones.

Aplicacin:

3. EXIGENCIAS, PROCESOS Y APLICACIONES 19

Aceros calmados.

4a Exigencia: Desulfuracin

Propsito:

Cumplir especificacin de azufre.

Obtener acero limpio de sulfuros.

Operacin:

Estimular las reacciones metal-escoria.

Adicin forzada de CaSi, CaC2, Mg...

Proceso:

Trabajo con escorias sintticas desulfuradoras.

VAD, inyeccin de polvo (IP o TN), LF.

Aplicacin:

Aceros con 0,005 - 0.010% de azufre.

5a Exigencia: Eliminacin o modificacin de inclusiones

Propsito:

Alcanzar caractersticas estructurales y mecnicas.

Operacin:

Tratamiento eliminador al vaco.

Adicin modificadora de Ca, Zr, Ti, tierras raras...

Proceso:

VAD, inyeccin (IP o TN), encapsulado (sica,).

Aplicacin:

Aceros estructurales.

6a Exigencia: Descarburacin

20 3.1. CUADRO GENERAL

Propsito:

Bajar todo lo posible el contenido final de carbono.

Operacin:

Reaccin carbono-oxgeno forzada por vaco o gases.

Proceso:

Procesos vaco (ASEA-SKF, VOD, RH-OB...).

Arrastre por gases diluyentes (AOD, CLU...).

Aplicacin:

Inoxidables o para fleje elctrico (histresis estrecha)

Sustitucin de efervescentes maleables y dctiles.

7a Exigencia: Eliminacin de hidrgeno disuelto en el acero

Propsito:

Evitar formacin de grietas en fro.

Operacin:

Tratamiento en vaco.

Proceso:

Procesos vaco (DH, RH, VAD, RH-OB...).

Aplicacin:

Aceros de alta fiabilidad.

3. EXIGENCIAS, PROCESOS Y APLICACIONES 21

3.2. Aplicaciones especficas

Las exigencias en aceros que justifiquen la desgasificacin en vaco comprendenlos siguientes tipos de productos o composiciones:

Piezas forjadas de grandes dimensiones, an de aceros con carbono medio, y,con mayor motivo, cuando se emplean aceros aleados. Caso de cigeales paragrandes motores marinos o ferroviarios, ejes de rotor para alternadores, turbi-nas de vapor o hidrulicas, cilindros de laminacin, discos de turbina. No sloes necesario desgasificar para evitar la aparicin de grietas internas en grandesmasas de acero sino tambin para disminuir el peligro de inclusiones o rosa-rios de ellas que la forja habr alargado y que aparecen como grietas rellenasde un polvillo blanco. Este polvillo, recogido y analizado, ha demostrado serinclusiones que, en el caso de aceros calmados con aluminio, llega a un 80%de almina y un 20% de xidos y silicatos.

Piezas de acero moldeado (al carbono y aleado) de alta calidad y gran espesorcomo chabotas para prensas y martillos, castilletes para trenes de laminacin,cilindros de apoyo moldeados, etc.. En el caso de grandes martillos de contra-golpe de 25000 a 32000 kgm se han encontrado en mazas de acero moldeado,de 25 a 32 t de peso, roturas prematuras por defectos internos, las cuales hanllegado a determinar la inutilizacin completa de la pieza.

Investigando las causas en colaboracin con las plantas que las haban fabrica-do, se ha visto que las masas obtenidas con aceros sin desgasificar han sufridoroturas poco despus de su puesta en servicio. Estas mismas piezas, fabricadasen Alemania con acero desgasificado, llevan aos trabajando sin que se hayanproducido averas.

Bloques para estampas de matrices, en los que para garantizar vida en serviciose precisa tenacidad y ausencia de defectos. Son aceros aleados en piezas degran seccin; por ello es muy probable la formacin de copos que inutilizaranel bloque. Aunque se tomen medidas para evitarlo, como tratamiento trmicoanticopos, es indefectible que se produzcan roturas tempranas por grietas defatiga; estas grietas han podido iniciarse en inclusiones o rosarios de ellas.

Piezas para automocin y reactores de aviacin, de gran responsabilidad, enaceros de media aleacin. An en el caso de partir de lingotes pequeos lami-nados hasta redondos y cuadrados de 70 u 80 mm de lado o dimetro, existeriesgo de copos.

Aceros para la fabricacin de rodamientos de bolas y rodillos. Disminuyendoel contenido de inclusiones se aumenta la resistencia a la fatiga y se triplica lavida en servicio. Hoy da, en caminos de rodadura partiendo de barra, chapagruesa o tubo, como tambin en barras o alambrn para construccin de bolasy rodillos, hay que eliminar por descortezado la piel de las barras, as como laparte descarburada.

22 3.2. APLICACIONES ESPECFICAS

Pero tambin se exige mxima limpieza y eliminacin de inclusiones. Por elloen las especificaciones modernas figura la exigencia de haber desgasificado elacero en vaco.

En aceros para rodamientos hay que minimizar los contenidos de fsforo yazufre. Para conseguir desulfuracin a fondo hay que mantener ms tiempouna escoria reductora durante la ltima parte de la colada del horno. Peroesta circunstancia, a su vez, promueve la absorcin de hidrgeno. La nicasolucin para disminuir el contenido de hidrgeno, como tambin el riesgo deinclusiones, es la desgasificacin en vaco.

En las fbricas norteamericanas de rodamientos imponen como condicin in-dispensable la desgasificacin, como tambin lo hacen ya algunas marcas eu-ropeas.

Chapa magntica, por la posibilidad de obtener carbonos mucho ms bajos ylimpieza mxima.

Aceros de elevado contenido de carbono, aunque sean de seccin pequea,como carriles, herramientas, etc..

Elementos y chapa para instalaciones nucleares. En los aceros para la industrianuclear, discos de turbinas, reactores de aviacin y en todos aquellos en quese exija el mantenimiento de una buena resistencia a temperaturas de 450 y550 oC . Tambin la desgasificacin en vaco mejora estas caractersticas.

Chapa de alta resistencia para depsitos de presin, bastidores de locomotoras,etc..

Hay referencias no confirmadas de que en aceros Hadfield (12% de manganeso)para cruzamientos de vas, revestimientos de hornos de cemento, molinos, etc..se disminuyen defectos.

Para la obtencin de alambre de alta resistencia, cuerda de piano, muelles, oaquellos que han de sufrir un estirado prolongado hasta dimetros muy finos,como ocurre con algunos tipos de cablecillo para cubiertas de automvil. Enalambres de acero al carbono de alta resistencia, conseguida por sucesivosestiramientos y pasadas por hileras, sin tratamiento trmico intermedio, lamxima limpieza y disminucin de inclusiones en el acero, permite su estiradosin roturas hasta dimetros de 0,25 mm.

Como es sabido, cada reduccin de seccin por estirado en fro eleva la resis-tencia a la traccin de 5 a 6 kg/mm2 pudindose alcanzar as lmites de 180y hasta 250 kg/mm2 de modo que la presencia de alguna inclusin, aunquepequea, disminuye de manera importante la seccin til de trabajo del alam-bre, rompiendo ste, antes de alcanzar tan elevadas resistencias.

Captulo 4

EL DESGASIFICADO Y SUSIMPLICACIONES

Los procesos de Metalurgia Secundaria, que se revisarn ms adelante, tienencomo objetivo ms claro el desgasificado de los baos de acero. En esta operacinvan incluidas las siguientes:

1. Eliminacin de hidrgeno

2. Eliminacin de nitrgeno

3. Eliminacin de oxgeno

4. Eliminacin de inclusiones

5. Descarburacin por desgasificado

4.1. Gases en los aceros

Hidrgeno, nitrgeno y oxgeno son gases que estn frecuentemente en contactocon los aceros fundidos en diversas etapas de los procesos de fabricacin y, en ocasio-nes, son causa de importantes problemas en piezas moldeadas, forjadas o laminadasde acero.

La solubilidad de esos gases en los aceros aumenta con la temperatura, y esasolubilidad es mucho mayor en los aceros lquidos que en los aceros en estado sli-do. El hierro puro y los aceros llegan a contener importantes porcentajes de gasescuando el bao metlico alcanza las mayores temperaturas en los procesos de fabri-cacin. Al enfriarse el acero lquido en el horno, y en especial durante la colada, sevan desprendiendo los gases, sobre todo en el momento de la solidificacin, en quedisminuye mucho y muy bruscamente la solubilidad.

Los principales problemas que se pueden derivar de la presencia de cada uno deestos gases en el acero son:

23

24 4.2. EL HIDRGENO EN LOS ACEROS

El hidrgeno da lugar a la formacin de las llamadas manchas brillanteso copos que reducen la tenacidad y ductilidad de los aceros. De los tresgases, hidrgeno, nitrgeno y oxgeno, que se disuelven en el acero a elevadatemperatura luego, a la temperatura ambiente, slo el hidrgeno aparece libreen el acero slido.

El nitrgeno reduce la ductilidad y comunica fragilidad a los aceros. Se sueleencontrar en forma combinada, formando nitruros.

El oxgeno origina porosidades en los aceros mal desoxidados y facilita la for-macin de inclusiones no metlicas. En los aceros a temperatura ambiente eloxgeno siempre aparece combinado, formando xidos o silicatos. Se encuentraformando inclusiones no metlicas, excepto en el caso de aceros efervescentes,en que puede aparecer en pequeas cantidades en forma de CO en los poros ocavidades que hay en el material.

Para disminuir la accin perjudicial de los gases se suele recomendar colar losaceros a la temperatura ms baja posible compatible con otras limitaciones,evitando siempre que quede algo de acero solidificado (lobos) en el fondo dela cuchara.

4.2. El hidrgeno en los aceros

Este gas crea a veces problemas, sobre todo cuando se fabrican piezas moldeadasde acero de grandes dimensiones. En las piezas de gran dimetro y de responsa-bilidad, la presin de hidrgeno en el acero slido, an en pequeas cantidades,ocasiona defectos denominados flakes, hair lines, cracks, copos, manchasbrillantes, o grietas internas, que son muy perjudiciales y obligan a realizar nu-merosas investigaciones para evitarlos. Estos defectos se manifiestan en las piezasrotas, donde aparecen en la superficie defectuosa, como indica su nombre, en formade manchas brillantes.

En la figura 4.1 se aprecian los contenidos de hidrgeno en equilibrio con el hie-rro a diversas temperaturas. Se observa que el hierro puro fundido a 1539 oC puededisolver 0,0025% de hidrgeno. La solubilidad aumenta al elevarse la temperaturadel metal fundido. Al solidificarse el hierro a 1539 oC disminuye bruscamente la so-lubilidad desde el 0,0025% en estado lquido hasta 0,0008% en estado slido. Si sesigue enfriando, disminuye an ms la solubilidad, que a la temperatura ambientees de slo 0,00012 (1,2 ppm).

Las grietas internas debidas al hidrgeno se forman o consolidan en el curso delenfriamiento, generalmente a unos 200 oC, que es una temperatura ligeramente in-ferior a 290 oC, que es la que corresponde al paso del hidrgeno atmico (que sedifunde bien en el acero) a hidrgeno molecular que no se difunde y al no poder salirqueda en el interior de las piezas o lingotes. La difusin del hidrgeno atmico en elacero es tanto mayor cuanto ms alta sea la temperatura.

4. EL DESGASIFICADO Y SUS IMPLICACIONES 25

Figura 4.1: Solubilidad del hidrgeno en el hierro

En la prctica, por recocido con mantenimiento prolongado del acero a tempe-raturas de 600 oC o ligeramente ms elevadas, es posible reducir el hidrgeno pordifusin y evitar en gran parte la formacin de grietas. A unos 600 oC la mayorparte del hidrgeno que contena en solucin el metal se separa en forma gaseosa yse encuentra como gas, formando pequeas bolsadas en el interior de las piezas olingotes. Con una permanencia prolongada a esa temperatura es posible hacer saliral gas por difusin a travs del metal.

Las pequeas bolsadas que contenan el hidrgeno (ahora ya vacas) desaparecenluego en la forja o laminacin, porque al no estar oxidadas sus paredes sueldan sindificultad por simple presin a las temperaturas de 1200 oC a las que se realiza eltrabajo en caliente de los lingotes o palanquillas.

Este tratamiento tiene el inconveniente de ser bastante complicado y costoso (aveces 100 horas de duracin) y de reducir las propiedades mecnicas del material poraumento de fragilidad. Suele ser necesario, en ocasiones, regenerar posteriormente elacero, en especial cuando se trata de aceros cromonquel. El regenerado del materialse consigue por un normalizado o temple en aceite, seguido de revenido. Hoy da, laeliminacin del hidrgeno se hace por desgasificado.

4.3. Eliminacin de hidrgeno

Ha sido el tema de mayor inters en los primeros aos de desarrollo del desga-sificado. Actualmente la eliminacin del hidrgeno es muy uniforme en todos losprocesos de desgasificado y se obtienen resultados muy regulares y satisfactorios.Por ello, a este problema se le dedica en los talleres menos atencin que antes y

26 4.4. EL NITRGENO EN LOS ACEROS

puede decirse que en la actualidad est prcticamente superado.

La cantidad de hidrgeno que contienen los baos de acero depende de la presinparcial de hidrgeno en la atmsfera situada sobre el metal fundido. La concentracinde hidrgeno en los baos est regulada por la ley de Sievert que indica que esproporcional a la raz cuadrada de la presin parcial del hidrgeno y viene dada porla expresin:

%[H] = Kp(H2)

La presin parcial del hidrgeno suele ser realmente del orden de 0,7 a 1 torr. Secomprende, por tanto, que en los diferentes casos que se puedan presentar el conte-nido de hidrgeno con que queda el acero es inferior al que corresponde tericamentea la presin del medio ambiente, que es la que generalmente se puede medir y seseala como alcanzada en los procesos de desgasificado.

4.4. El nitrgeno en los aceros

El nitrgeno crea en ocasiones dificultades en los aceros por comunicarles fragi-lidad y reducir la ductilidad. En el estado lquido el acero puede llegar a contenerhasta 0,0450% de nitrgeno. El contenido de este gas, en equilibrio con el hierrolquido a 1539 oC es de 0,0390% (figura 4.2). Al bajar la temperatura esta solubili-dad pasa a ser de slo 0,0105%. A 1400 oC es de 0,0080% . En el hierro gamma lasolubilidad es bastante mayor que en el hierro delta; vara de 0,0210 a 0,0255% .

Figura 4.2: Solubilidad del nitrgeno en el hierro


Como tambin ocurre con el oxgeno, el nitrgeno se puede fijar en forma decompuestos complejos por la accin de ciertos elementos como Al, Ti y Zr, queforman nitruros.

4.5. Eliminacin del nitrgeno

El contenido de nitrgeno viene tambin regulado por la ley de Sievert, y en elequilibrio es proporcional a la raz cuadrada de la presin de este gas en la atmsferaen contacto con el acero lquido. En el desgasificado, el nitrgeno es eliminado sloen un pequeo porcentaje, generalmente comprendido entre el 10 y el 25% de lacantidad que contiene el acero. En los aceros altos en nitrgeno la eliminacin puedellegar al 40%, pero eso ocurre slo en pocas ocasiones. En los aceros calmados conaluminio o titanio el nitrgeno est tan fuertemente combiinado con estos elementosque su eliminacin es prcticamente nula.

La baja eliminacin del nitrgeno es probablemente debida a la menor velocidadde difusin del nitrgeno, que es mucho ms baja que la del hidrgeno. Contraria-mente a lo que ocurre con este gas, no se puede conseguir la eliminacin del nitrgenohasta lmites prximos a los sealados por la ley de Sievert.

4.6. El oxgeno en los aceros

El oxgeno, al ponerse en contacto con el acero fundido, se combina con el hierroformando xido ferroso, FeO, que se disuelve en cantidades importantes en el baometlico. La oxidacin del acero en estado lquido se produce principalmente en loshornos de fusin. Tambin puede oxidarse en la basculacin del horno a la cucharay en el momento de colarse el acero de la cuchara a moldes o colada continua. Lacantidad de oxgeno que pueden disolver los aceros aumenta con la temperatura (fi-gura 4.3) y disminuye al aumentar el contenido de carbono (figuras 4.4 y 4.5).

El hierro en estado lquido a 1539 oC y a la presin atmosfrica, puede contenerhasta 0,1600% de oxgeno (figura 4.3). A 1600 oC puede contener hasta 0,2200%. Seobserva que al aumentar la temperatura aumenta la solubilidad y el hierro lquidopuede contener tanto ms oxgeno en disolucin cuanto ms alta sea la temperatura.

Al solidificarse el hierro la solubilidad del oxgeno baja muy bruscamente des-de 0,1600 hasta 0,0030% y no puede, por lo tanto, mantener en disolucin todo eloxgeno que disolva en estado lquido a la misma temperatura. A la temperaturaambiente la solubilidad se hace prcticamente nula. Resumiendo, la solubilidad deloxgeno en los baos de acero depende de:

Temperatura del bao.

Contenido de carbono del mismo.

Presin del ambiente sobre l.

28 4.6. EL OXGENO EN LOS ACEROS

Figura 4.3: Solubilidad del oxgeno en el hierro

El oxgeno que en el enfriamiento se separa de la aleacin hierro-carbono lquidareacciona con el carbono de la misma. La reaccin que se produce en la solidificacinde los lingotes de acero durante los procesos de enfriamiento es la siguiente:

C +O CO

Ese xido de carbono que se forma puede dar lugar a porosidades en el acero.

4.6.1. Condiciones de equilibrio

En los aceros lquidos la relacin entre los contenidos de carbono y oxgeno estrepresentada en la figura 4.4, que se refiere al equilibrio a 760 torr y 1600 oC.Considerando constantes las temperaturas y la presin sobre el bao de acero, laley que regula el contenido en oxgeno, en equilibrio con el carbono de los acerosfundidos, viene dada por la ecuacin:

[C] [O] = K

El valor de la constante K vara con la temperatura y con la presin parcial delCO. Para 1600 oC y a la presin atmosfrica, Vacher y Hamilton hallaron para laconstante K el valor de 0,0025, es decir, que

(%C) (%O) = 0,0025

Otros investigadores han atribuido para K el valor 0,00202. Nielles obtuvo ensus experimentos el siguiente valor de K:


Figura 4.4: Contenido en oxgeno

K = [C] [O] =0,00202

1 + 0,85[O]

En general, el valor 0,0025 de Vacher y Hamilton es el ms utilizado en losestudios relacionados con la desoxidacin de los aceros. De acuerdo con esa ley, parauna temperatura y presin determinadas, cuanto menor sea el contenido de carbonomayor ser la cantidad de oxgeno que normalmente contienen o pueden contenerlos aceros lquidos.

4.6.2. Influencia de la temperatura

Por otra parte, en la figura 4.4 se seala tambin la importancia que tiene latemperatura en el contenido de oxgeno en el acero lquido en el horno de fusin.Para un contenido determinado de carbono, al pasar la temperatura desde 1600 a1650 oC aumenta muy sensiblemente el contenido de oxgeno en equilibrio con elacero.

Se observa y se comprende, por lo tanto, que en los hornos, al final del procesooxidante, los aceros a muy elevada temperatura se encuentran sobreoxidados y con-tienen mucho ms oxgeno que el que corresponde al equilibrio.

En la figura 4.6 se seala el contenido de oxgeno en los aceros en diferentes fasesde fabricacin y se observa, por ejemplo, que para contenidos de 0,04, 0,10, 0,40 y1,00% de carbono, los contenidos de oxgeno al final de la fase oxidante, cuandoestn todava sin desoxidar, son del orden de 0,1000, 0,0550, 0,0120 y 0,0060%.


Figura 4.5: Contenido en oxgeno

4.6.3. Eliminacin del oxgeno

Cuando el acero lquido se pone en presencia de atmsferas con presiones infe-riores a la atmosfrica, disminuye su contenido de oxgeno. Se produce un despren-dimiento de CO como consecuencia de la reaccin

2C + O2 2CO

pero antes de tratar esta nueva tcnica, que comenz a desarrollarse por el ao1960, se revisarn ciertos detalles de la prctica corriente de la desoxidacin delos aceros, desarrollada principalmente a partir del descubrimiento de Sir HenryBessemer en 1856.

Desoxidacin clsica

Al calmar o desoxidar los aceros por el procedimiento clsico con adiciones depequeas cantidades de ferrosilicio, ferromanganeso, aluminio y otros reductores,se considera que la desoxidacin est bien realizada cuando despus de colado elacero no se produce en el lingote ninguna efervescencia y no hay desprendimientode gases en el momento de la solidificacin. En ese caso, por contener el acero unbajo porcentaje de oxgeno, no se produce la reaccin:

2C + O2 2CO

en el enfriamiento y solidificacin, y al no haber desprendimiento de CO no seforman porosidades. En la prctica se ha visto que en la fabricacin de aceros de0,40 a 0,90% de carbono, el acero est calmado cuando el contenido en oxgeno es


Figura 4.6: Diagrama de equilibrio terico

inferior a 0,0030% y, en los aceros de 0,15 a 0,40% de carbono cuando es inferior a0,0050%. Para terminar, los aceros de 0,08% de carbono estn calmados cuando esinferior a 0,0080%.

El poder desoxidante de los elementos ms utilizados en Siderurgia como desoxi-dantes (o aleantes) se indica en la figura 4.7.

Se relacionan los valores de oxgeno y los elementos desoxidantes en equilibrio a1600 oC y 760 torr. Se observa que el orden creciente de poder desoxidante de estoselementos es:

Manganeso < Silicio < Aluminio

En la marcha normal o clsica de fabricacin, esos niveles de oxgeno se consiguengeneralmente empleando para el calmado las siguientes cantidades de desoxidantes:

Mn = 0,60% ; Si = 0,25%, y Al = 0,025%

Al realizarse la desoxidacin de los aceros con esos desoxidantes slidos, las reac-ciones clsicas de desoxidacin son las siguientes:

[Mn] + 12[ O2] (MnO)

[Si] + [O2] (SiO2)

2 [ Al] + 32[ O2] (Al2O3)


Figura 4.7: Contenidos de aleantes en equilibrio con oxgeno en baos deacero a 1600 oC

Se forman pequeas partculas de xidos MnO, SiO2, Al

2O

3y de silicatos com-

plejos de esos metales (inclusiones no metlicas) y disminuye mucho el contenidode oxgeno del acero. Tambin se produce normalmente una cierta desoxidacin porla accin del carbono, con la ventaja de generar un producto gaseoso, el CO, deacuerdo con la siguiente reaccin:

2 [ C] + [O2] 2{CO}

pero, lamentablemente, su accin para bajos valores de carbono es poco enrgica.

En cambio, en el vaco o a bajas presiones, el carbono acta como un desoxi-dante muy enrgico y, en trminos generales, puede considerarse que la accin delcarbono a muy bajas presiones (lneas de trazos) es parecida a la del aluminio conpresin o atmsfera normal. Se comprende que, siempre que sea posible, se prefierala desoxidacin por el carbono, ya que no deja residuos slidos no metlicos en lamasa del acero.

Desoxidacin por desgasificacin

Como se ha visto anteriormente, el valor de la constante de equilibrio K de lareaccin entre carbono y oxgeno es de 0,0025 a presin atmosfrica de 760 torr. Sinembargo, a presin de 100 torr es 0,00025 y si la presin baja hasta ser 10 torr laconstante queda reducida a 0,000035. En la figura 4.6 se muestran los contenidos decarbono y de oxgeno en equilibrio a 1600 oC, con presiones de 760, 100 y 10 torry tambin los contenidos en oxgeno con que quedan los aceros al final, despus de


desgasificados con presiones de 1 a 10 torr.

Si en el desgasificado de los aceros se llegara al equilibrio oxgeno-carbono, sellegara tericamente a porcentajes de oxgeno bajsimos (los correspondientes a pre-siones de 10 torr). En los procesos de fabricacin de acero no se llega a alcanzar lascondiciones de equilibrio, y por ello se obtienen contenidos de oxgeno un poco mselevados, que se indican en la figura, variables generalmente entre 0,0020 y 0,0100% .

Eliminacin de inclusiones

En los primeros aos de utilizacin del desgasificado, en que slo interesaba dismi-nuir el contenido de hidrgeno, se fabricaba el acero por los procedimientos clsicos.Al final del proceso de fabricacin se realizaba la desoxidacin con ferromanganeso,ferrosilicio y aluminio, y a continuacin se haca el desgasificado. Cuando se vi queera posible desoxidar el acero en el desgasificado por la accin del carbono aceleradapor el vaco se han complicado los procesos de trabajo y se han producido numerosascontroversias sobre la mejor forma y momento de realizar el desgasificado. Se puedenseguir diferentes caminos, como los siguientes:

A) El proceso consta de las siguientes fases:

1. Calentamiento.

2. Oxidacin.

3. Desoxidacin con desoxidantes slidos.

4. Desgasificacin.

En este caso se hace el desgasificado al final del proceso despus de una marchanormal de fabricacin en horno elctrico, que consta de las tres fases siguientes:

1. Calentamiento.

2. Oxidacin.

3. Desoxidacin con desoxidantes slidos.

B) Se opera en la siguiente forma:

1. Calentamiento.

2. Oxidacin.

3. Desoxidacin por desgasificado.

En este caso se desgasifica despus de realizar en el horno elctrico slo las dosprimeras fases:


1. Calentamiento.

2. Oxidacin.

Es decir, sin haber realizado la desoxidacin utilizando los desoxidantes slidos.

C) Las fases de la operacin son:

1. Calentamiento.

2. Oxidacin.

3. Desoxidacin parcial con desoxidantes slidos.

4. Desgasificado.

5. Se completa la desoxidacin con manganeso, silicio y aluminio.

El mtodo de trabajo ms eficaz y cmodo es el C).

En general, tericamente, parece que lo ms ventajoso y recomendable es el pro-ceso B, haciendo la desgasificacin de un acero sin haberlo desoxidado antes condesoxidantes slidos, como el ferromanganeso, ferrosilicio y aluminio, que dan lugara la formacin de inclusiones.

Este mtodo tiene la ventaja de que al no realizarse antes con desgasificantes sli-dos, como ferromanganeso, ferrosilicio y aluminio tericamente no hay en la primerafase de la desoxidacin formacin de productos slidos (inclusiones) que rebajan lalimpieza del acero y se obtiene una acero muy limpio de inclusiones, ya que el pro-ducto de la desoxidacin es ahora el CO gaseoso.

Si despus del desgasificado se aade, como se indica en el proceso C, una pe-quea cantidad de los desoxidantes clsicos, para llegar a un calmado del acero mscompleto, como entonces el contenido de oxgeno del acero es ya muy bajo e inferioral inicial del acero, no hay formacin de importantes cantidades de inclusiones y elacero ser ms limpio que desoxidando por el procedimiento clsico. Operando comose indica, y aadiendo luego al final slo una pequea cantidad de desoxidantes, loselementos manganeso, silicio y aluminio, que sirven para complementar la desoxida-cin realizada por desgasificado, se incorporan al acero casi ms como elementos dealeacin que como desoxidantes (como elementos de aleacin se disuelven en el ace-ro, como desoxidantes se hallan combinados con el oxgeno, formando inclusiones).

Si se hace primero el desoxidado clsico, proceso A, y luego el desgasificado enla primera fase de desoxidado clsico se forman las inclusiones (xidos, silicatos dehierro, manganeso y aluminio) y luego el desgasificado, aunque disminuye un pocolos xidos que ya contiene el acero, no mejora sensiblemente la limpieza. El aceroobtenido no es tan limpio como el obtenido desoxidando primero por desgasificado


y haciendo luego un calmado complementario al final del proceso.

Si se desgasifica un acero que ya tiene inclusiones, en esa operacin de desgasifi-cado no se consigue ms que una ligera disminucin (5 al 10%) de las mismas.

Figura 4.8: Rendimiento del desgasificado de diferentes aceros

En la figura 4.8 se indican las cantidades de oxgeno total con que quedan losaceros despus del desgasificado, de acuerdo con el proceso de desoxidacin seguidoanteriormente a recibir ese tratamiento. Se observa que los aceros que han sido cal-mados previamente por el procedimiento clsico son los que contienen ms oxgeno.Esto es lgico, puesto que al calmar con ferromanganeso, ferrosilicio y aluminio, eloxgeno que contiene el acero queda fijado en la masa lquida en forma de inclusionesy aporta oxgeno al anlisis del acero.

En cambio, cuando el acero oxidado es sometido al desgasificado directamente(proceso B) la eliminacin del oxgeno se hace por reaccin con el carbono como COgaseoso y hay una disminucin sensible en el en el contenido de oxgeno total delacero. Esos contenidos de oxgeno sealados en la figura 4.8 son proporcionales a lacantidad de inclusiones en el acero. Se comprende, por lo tanto, que la desoxidacinpor desgasificado disminuye la cantidad de inclusiones presentes en el acero.

Descarburacin por desgasificado

En epgrafe anterior se ha visto que la reaccin de carbono con oxgeno en con-diciones de baja presin permite desoxidar el bao por reaccin con el carbono Lasposibilidades que ofrece el desgasificado para descarburar el acero por medio de esareaccin son de gran inters. En los hornos de arco es difcil fabricar aceros conmenos de 0,06% de carbono debido a que cuando el contenido de carbono es muybajo, inferior a 0,10% , los electrodos recarburan el bao en la fase reductora.


Por desgasificado es posible, en cambio, obtener sin dificultad aceros de 0,03 a0,004% de carbono, que luego quedan perfectamente desoxidados con adiciones muypequeas de desoxidantes, generalmente aluminio. En la reaccin reversible

C +O {CO}

se produce gas CO. En consecuencia, cualquier causa que elimine este CO forma-do, como puede ser el vaco o la dilucin, desplazar hacia la derecha la reaccin,permitiendo desoxidar y descarburar simultneamente.

Figura 4.9: Evolucin de composiciones durante el desgasificado de variosaceros calmados

En la figura 4.9 se ven varios ejemplos de los resultados obtenidos con el des-gasificado de aceros fundidos, de bajo contenido de carbono. Se ha trabajado conpresiones de 1 torr y con ello ha disminuido la cantidad de carbono y oxgeno quecontienen. Tericamente, de acuerdo con la ecuacin C+O = CO, a una disminucinde 12 unidades en peso de carbono corresponde una disminucin de 16 unidades deoxgeno. En la figura se aprecia cmo un grupo de aceros de 0,05 a 0,08% de carbonoquedan despus del desgasificado con unos contenidos de carbono de 0,02 a 0,05%.

Las prdidas de carbono y oxgeno, como consecuencia del desgasificado, sonbastante proporcionales a las tericas que corresponden a la reaccin antes citada yen los ejemplos que se sealan. Los descensos de carbono de los aceros por desgasi-ficado varan de 0,03 a 0,06%.

En estos casos, se fabrican en el horno de arco los aceros con 0,05 a 0,08% decarbono y luego, desgasificando el ba mediante los procesos que ofrece la Metalur-gia Secundaria (que se vern ms adelante) se llega a contenidos de 0,02 a 0,05%,que son porcentajes muy bajos y casi imposibles de alcanzar en las marchas clsicas


de fabricacin en horno elctrico de arco.

Desgasificado de los aceros

El desgasificado de los aceros comenz a realizarse en Alemania Occidental hacia1951. Inicialmente se realiz para eliminar el hidrgeno de los aceros para grandespiezas de forja y la consiguiente prdida de tenacidad y roturas catastrficas queprovocaba este gas. Sobre la marcha de su utilizacin se vi que tambin aportabauna gran posibilidad de eliminar las inclusiones y permitir la obtencin de aceroslimpios, de gran calidad.

El desgasificado tiene tambin gran inters en la fabricacin de aceros de muybajo contenido de carbono, como los inoxidables o para equipos elctricos. En la fa-bricacin de acero en horno elctrico es difcil llegar a contenidos menores de 0,06%porque los electrodos contaminan el caldo al cederle parte de su carbono. Por desga-sificado de los aceros fabricados en hornos elctricos se obtienen sin dificultad acerosextrabajos en carbono, como se ver ms adelante. Tambin se consigue un controlms exacto de la composicin qumica y del rendimiento de las aleaciones que seadicionan.

En lnea con lo dicho para la ferroaleaciones en el prrafo anterior, la posibilidadde descarburar hasta llegar a tasas muy bajas tiene gran inters en algunos aceros,como los inoxidables austenticos. En el proceso clsico (ms bien dirase que anti-guo) de fabricacin en horno de arco se producan, adems, importantes prdidasde cromo, que en el caso del desgasificado se evitan casi completamente.

Ventajas del desgasificado

Entre otras ventajas se consiguen las siguientes:

1. En el desgasificado hay una eliminacin muy importante del contenido dehidrgeno, del orden del 50 al 70%. Con esto se suprimen los largos, engorrososy caros recocidos que hay que dar a las piezas forjadas (o moldeadas) de granespesor. Por ejemplo, un lingote redondo de 500 mm de dimetro necesita serrecocido dos semanas a 600 oC para hacer pasar el contenido de hidrgenodesde 6 cm3/100 g hasta ser 2 cm3.

2. Se reduce el contenido de oxgeno de los aceros y esta reduccin es particular-mente importante en los aceros que no hayan sido desoxidados previamente.En aceros calmados la disminucin viene a ser del 40%, en los semicalmadoses el 60% y en los no calmados (efervescentes) el 75%.

3. Reduccin del contenido de nitrgeno en un 25 a 30% del inicial, con lo quese disminuye as la posibilidad de presencia de nitruros y acritud.

4. Se minimizan las inclusiones no metlicas, tanto en nmero como en tamao.Las mximas ventajas se extraen cuando se desgasifican aceros que no se han


desoxidado previamente por adicin de ferroaleaciones de manganeso, silicio, yaluminio. La disminucin en cantidad puede variar del 20 al 70%. Recurdeseque la desoxidacin provoca reaccin CO con formacin gaseosa de CO. Nose forman inclusiones slidas de MnO, SiO

2y Al

2O

3.

5. Al hacer las adiciones de ferroaleaciones en el bao de acero despus de ladesgasificacin, por tener siempre un bao con muy bajo contenido de oxgeno,hay un rendimiento mucho mayor de las ferroaleaciones y se alcanza granprecisin en la especificacin deseada para cada elemento.

6. Se observan mejoras sensibles en las propiedades transversales (o de tena-cidad) del material, especialmente ductilidad y fatiga, que tienen una grandependencia de la disminucin de cantidad y tamao de las inclusiones nometlicas (xidos, silicatos...).

7. Con el desgasificado se consigue que disminuya la segregacin en los lingotes,tanto la segregacin positiva en V situada en la parte superior del lingote comola segregacin negativa en forma de A situada en la parte inferior.

8. Disminucin de la susceptibilidad de los aceros martensticos a entalladurasproducidas por cambios bruscos de temperatura.

9. Mejora de las propiedades mecnicas, aumentando ductilidad y resistencia ala fatiga, calidad ms uniforme y empleo ms seguro.

10. Eliminacin parcial, por evaporacin, de elementos perniciosos como As, Sb,Bi, Sn, Cu, Pb,...,alguno de los cuales, an en proporciones muy pequeas,disminuyen las caractersticas mecnicas del acero que las contiene.

11. El hervido y agitacin que se produce durante el tratamiento en vaco facilita lahomogeneizacin del acero, producindose una ligera disminucin del contenidode carbono y, posiblemente, de azufre.

12. Mayor uniformidad de los resultados de tratamientos trmicos.

Termodinmica de la descarburacin

En este captulo se estudia la termodinmica de la descarburacin de baos deacero lquido conteniendo cromo. La descarburacin es un problema de primer ordenen la fabricacin de acero inoxidable, especialmente en lo que respecta a la prcticaen horno de arco. El empleo de oxgeno gas en lugar de mineral de hierro ha redu-cido sustancialmente las prdidas previsibles de cromo durante la fase oxidante, yaque temperaturas superiores desplazan el equilibrio carbono-cromo hacia contenidosms altos de cromo en el bao.

Un desplazamiento adicional del equilibrio se alcanza reduciendo la presin par-cial de CO sobre el fundido mediante el empleo de vaco (VOD, VAD, ASEA-SKF,RH-OB) o dilucin por mezclas de gases diversos (AOD, CLU). Ambas innovaciones,que simplemente son aplicaciones de principios termodinmicos bien conocidos, han


resultado en progresos significativos de acera y causado una verdadera revolucinen la fabricacin de aceros inoxidables y, en general, aceros de muy bajo carbono.

La descarburacin de baos que contienen cromo debe proceder prcticamentesin que se produzca oxidacin del cromo hasta que el contenido de carbono llega aquedar por debajo de un valor crtico que est en relacin con el equilibrio carbono-cromo. Es previsible que una descarburacin adicional resulte en prdidas de cromodebido a la oxidacin simultnea de carbono y cromo. Si el contenido de carbonose hace inferior al crtico, comenzar la oxidacin del cromo con el comienzo delsoplado de oxgeno, mientras que la descarburacin comenzar slo despus que sealcance el equilibrio carbono-cromo.

De esta forma, la descarburacin procede slo como una oxidacin simultnea decarbono y cromo que, como es lgico, resulta en elevadas prdidas de cromo, mayorconsumo de ferrocromo, tiempo de colada ms largo, etc. Dado que esta situacinha de evitarse, es evidente que el operador del horno debe estar en capacidad deestimar, basndose en el anlisis qumico y temperatura de la primera muestra decolada, si el contenido de carbono es superior o inferior al crtico, es decir, si l puedecomenzar el soplado con oxgeno o tiene que hacer algunas correcciones.

Hay que saber qu correcciones se precisan y cundo; en qu extensin; cmopueden hacerse. El propsito de este captulo del estudio global es mostrar cmopuede el operador del horno estar en condiciones de responder a las preguntas ante-riores. El empleo de los ordenadores puede ayudar a poner una herramienta potente,cual es la termodinmica, en manos del operador del horno.

1) Equilibrio carbono-cromo

El equilibrio carbono-cromo puede calcularse, basndose en los equilibrios carbono-oxgeno y cromo-oxgeno a partir de las siguientes ecuaciones:

[C] + [O] = [CO] (4.1)

+

14Cr3O4 =

34[ Cr] + [O] (4.2)

[C] + 14Cr3O4 =

34[ Cr] + CO (4.3)

K3 =PCO a

3/4[Cr]

a[C] a1/4Cr

3O4

=(fCr [Cr])

3/4 PCO

fC [C] a1/4Cr

3O4

(4.4)

Usando los valores ms probables de K1 y K2, la constante de equilibrio K3puede expresarse de acuerdo con la ecuacin:


logK3 = 11955

T+ 7,89 (4.5)

El coeficiente de actividad de un elemento x (x = C, Cr, Si...) disuelto en el baopuede determinarse segn la ecuacin:

fx = exp{2,303[exx [ %X] +

k

n=1

(eYnx [ %Yn])} (4.6)

Los parmetros de interaccin eyx suelen darse con referencia a 1600oC de tempe-

ratura. Su valor para otras temperaturas puede deducirse con aproximacin mediantela relacin de Nelson:

eT =1873

Te1873 (4.7)

Y X C Cr Ni Si Mn

C 0,22 0,024 0,008 0,106 0,002Cr 0,118 - 0,009 0,023 -Si 0,243 0,010 - 0,107 -

Cuadro 4.1: Valores seleccionados de los parmetros de interaccin a1600 oC

Combinando las ecuaciones 4.4, 4.5 y 4.6, y empleando los valores de los parme-tros de interaccin dados en el cuadro 4.1, el equilibrio carbono-cromo viene dadoen la forma implcita:

log C3

4log Cr +

1873

T(0,309C + 0,123Si 0,02Mn 0,024Cr + 0,015Ni)+

+ logPCO 1195

T+ 7,89 +

1

4log aCr

3O4= 0

(4.8)

La solucin exacta de la ecuacin anterior es imposible. Sin embargo, puede em-plearse una simple calculadora programable para obtener una solucin numrica.Resulta fcil elaborar un programa para el clculo del contenido crtico de carbonodel bao. Los resultados del anlisis qumico y temperatura de la primera muestra(muestra despus de fusin) del bao se introducen como input en la calculadora.sta determina el contenido crtico de carbono, lo compara con el valor actual y, siste es menor, se calcular la temperatura a la que debe calentarse el lquido antes deiniciar el soplado de oxgeno. La figura 4.10 presenta el contenido crtico de carbonoen funcin de la temperatura y contenido de cromo del lquido.

2) Equilibrio silicio-cromo

Similarmente a como se ha hecho anteriormente, puede deducirse las siguienteecuacin que representa el equilibrio silicio-cromo:


Figura 4.10: Influencia del cromo y la temperatura sobre el carbono

log Si3

2log Cr +

1873

T(0,42C + 0,142Si 0,01Cr + 0,014Ni) log aSiO

2+

+1

2log aCr

3O4+

3050

T+ 0,675 = 0

(4.9)

Este equilibrio silicio-cromo, en dependencia del contenido de carbono del fun-dido, se expresa en las grficas de la figura 4.11 para 1550 o C y 1850 o C, respecti-vamente. Un descenso de la temperatura, asociado a un aumento de la basicidad dela escoria, desplaza el equilibrio hacia valores ms elevados de cromo.

3) Equilibrio carbono-silicio

Este equilibrio viene expresado mediante las ecuaciones:

SiO2 + 2 [C] = [Si] + 2CO (4.10)

logK = 26960

T+ 15,11 (4.11)


Figura 4.11: Influencia del carbono y temperatura sobre el equilibrio Si-Cr

Para empleo en ordenador se deduce la siguiente ecuacin:

log Si 2 log C1873

T(0,20C 0,105Si + 0,038Cr 0,016Ni)+

+2 logPCO log aSiO2+

26960

T 15,11 = 0

(4.12)

El equilibrio carbono-silicio, tal como se calcula mediante la ecuacin 4.12, serepresenta en la figura 4.12 para 1600 oC y 1700 oC, asumiendo que la actividad dela SiO

2es 0,1 y que la presin parcial del CO es 1 bar. Puede observarse que el au-

mento de la temperatura y descenso del contenido de cromo desplazan el equilibriohacia contenidos ms elevados de silicio.

Resumiendo; aunque se ha estudiado el perodo oxidante de la fusin de ace-ro inoxidable en un intento de mejora de la prctica operativa de horno de arco,las ecuaciones deducidas pueden emplearse tambin, por supuesto, en MetalurgiaSecundaria.


Figura 4.12: Equilibrio carbono-silicio

En la figura 4.13 se comparan los potenciales de operacin del horno de arco,AOD y VOD. En ella se dan los contenidos de carbono alcanzables en baos quecontienen, respectivamente, 10, 16 y 18% de cromo, en funcin de la temperaturaal final del soplado de oxgeno. A pesar del hecho de necesitarse datos empricos ytermodinmicos mucho ms extensos y accesibles para el control del proceso, el m-todo propuesto y las relaciones obtenidas hacen posible la prediccin del contenidode cromo del fundido al final del soplado. Los resultados obtenidos pueden conside-rarse como contribucin a la obtencin de unas bases racionales de elaboracin deprcticas ptimas.

4.7. Desulfuracin

Cuando el acero se produce a gran escala el contenido de azufre solamente sepuede reducir de forma limitada. Por ejemplo, en el proceso de horno alto slo sepuede realizar econmicamente una desulfuracin modesta, tras la cual se lleva acabo una desulfuracin externa (figura 4.14) previa a la transferencia del arrabioal convertidor. Para obtener aceros de contenido de azufre extremadamente bajo

44 4.7. DESULFURACIN

Figura 4.13: Comparacin de potenciales operativos de HEA, AOD y VOD

es necesario desulfurar nuevamente el acero en la fase de Metalurgia Secundaria.Lo mismo ocurre en el proceso de horno de arco, ya que la chatarra suele contenercantidades importantes de azufre. La prctica normal es colar el acero lquido delhorno elctrico sin desulfurar y realizar la desulfuracin en el horno-cuchara.

El mtodo bsico consiste en aadir elementos que tienen gran afinidad por elazufre, normalmente cal o compuestos de calcio, aunque en ocasiones tambin seutilizan otras tierras alcalinas. Durante este proceso de afino en el que se trata deconseguir contenidos de azufre del orden de 0,010% e incluso inferiores, se eliminantambin otras impurezas del acero.

La desulfuracin se realiza hoy da casi exclusivamente usando la instalacin dehorno-cuchara, con caldeo elctrico mediante tres electrodos, para lo cual la cucharase coloca debajo de una bveda parecida a la del horno elctrico de arco, aunque mspequea, dotada de tres electrodos que permiten calentar el bao de acero. Simul-tneamente se realiza la agitacin, mediante la inyeccin a travs de tapn porosode gas argn que permite incrementar las reacciones qumicas entre la escoria y elbao de acero.

La desulfuracin tambin se puede realizar durante el vaco, y de hecho los ace-ristas que tienen instalaciones combinadas de horno cuchara y vaco realizan ladesulfuracin en el calentamiento y el proceso de desulfuracin se completa hastavalores muy bajos durante la operacin de vaco. La desulfuracin con calcio provocala formacin de productos esfricos de los compuestos de azufre, que en ocasionesson de interesante aplicacin para ciertos tipos de aceros.


Figura 4.14:Desulfuracin de arrabio con gas natural, para agitar y reducir.

Teniendo en cuenta que en el acero el azufre est en forma pirtica, es decir, comosulfuro, la reaccin tpica de desulfuracin es:

[FeS] + (CaO) (CaS) + [FeO]

La constante de equilibrio de esa reaccin es:

K =(CaS) [FeO]

[FeS] (CaO)

Cuyo valor a 1600 oC es 4 102, valor que decrece al aumentar la temperatura.En consecuencia, termodinmicamente hablando, la reaccin se frenara al crecerla temperatura. No obstante, consideraciones cinticas hacen que la temperaturacreciente favorezca el desarrollo de la reaccin. Si se da por hecho que las actividadesde la cal CaO y el sulfuro de cal CaS valen 1, la frmula anterior quedara como:

K1 =[FeO]

[FeS]


Esto indica que desulfuracin implica la necesidad simultnea de desoxidacin afin de que el sentido de esa reaccin se desplace plenamente hacia la derecha. Lasfiguras 4.15, 4.16, 4.17, 4.18, 4.19, 4.20 y 4.21 muestran grficamente la influencia dediversos elementos sobre la concentracin de oxgeno y, en consecuencia, de azufre,en el bao de acero.

Figura 4.15: Contenidos de silicio y oxgeno en equilibrio, dentro del hierro,con slice slida.

El contenido final de azufre en el bao de acero depende de las cantidades re-lativas de escoria y metal as como del contenido inicial de azufre, pudiendo llegara alcanzar contenidos de azufre tan bajos como 0,001%. Puede tambin asumirseque para ello se precisa alcanzar suficiente contacto entre metal y escoria, as comoevitar la entrada de fuentes inesperadas de oxgeno.

El magnesio ejerce una accin ligeramente diferente. Se ha empleado magnesio ymezclas de Mg y CaO para desulfuracin de acero, pero el equilibrio MgS-MgO esmenos favorable que el CaS-CaO. La reaccin es ahora:

[FeS] + (MgO) (MgS) + [FeO]


Figura 4.16: Contenidos de manganeso y oxgeno en equilibrio, dentro delhierro, con solucin slida o lquida FeO-MnO.


Figura 4.17: Actividad del oxgeno en las aleaciones Fe-Al en equilibrio conescoria CaO-Al

2O

3a 1600o.


Figura 4.18: Contenidos de S y Al de acero en equilibrio con aluminatoclcico saturado en CaS y CaO.


Figura 4.19: Influencia de xidos inestables.

Figura 4.20: Grado de desulfuracin.


Si las actividades de MgO y MgS se consideran unidad el valor de la constantede equilibrio es bastante menor que con CaO, lo que indica que la desulfuracin debaos de acero basada en magnesio slo es viable para actividades muy bajas deoxgeno. De ah su empleo en la desulfuracin del arrabio de horno alto, con el quese trabaja a menor temperatura y con potenciales de oxgeno bastante ms bajos.

4.8. Modificacin de inclusiones

Las inclusiones no metlicas suelen ser de gran dureza, lo que provoca efectos deentalla, fragilidad, prdida de tenacidad y problemas en la laminacin, entre otros.Algunos procesos permiten llegar a una eliminacin casi total de las inclusiones for-madas en un bao de acero, pero la mayora de los procedimientos dejan sin resolversatisfactoriamente el problema de la flotacin y eliminacin de inclusiones.

Una solucin alternativa radica en la modificacin de la composicin y morfologade las inclusiones a fin de que sus efectos sean menos deletreos para las propieda-des y calidad del acero. Los procesos atmosfricos, tanto sin caldeo adicional comocon caldeo, estn especialmente adaptados para la modificacin de las inclusiones,especialmente los que comportan operaciones de inyeccin.

4.8.1. Control de xidos

En muchos casos es conveniente modificar la forma de las inclusiones de xidos.As, la conversin de inclusiones de almina en aluminatos de calcio para mejorarla calidad superficial de los aceros y evitar la obstruccin de buzas en la coladacontinua. La figura 4.22 muestra la forma y tratamiento de las inclusiones que seforman normalmente en los aceros calmados con aluminio. Si hay Al

2O

3presente,

durante la laminacin las dendritas se rompern, dando por resultado la aparicinde una inclusin alargada que originara un serio defecto superficial. En este sentido,es ms favorable la formacin de aluminato clcico.

La almina est slida a la temperatura del caldo en colada continua, en cuyasbuzas se acumula produciendo obstrucciones. Faulring y otros investigadores hanvisto que si se forman aluminatos clcicos lquidos este problema no tiene lugar. Porello es conveniente que se forme aluminato clcico que es lquido a las temperaturasde colada. Estas inclusiones son ricas en CaO y se forman con mayor facilidad si seaade al acero calcio puro o una aleacin de calcio.

4.8.2. Efecto del calcio en los aceros

El calcio, cuando se aade a un acero calmado al aluminio, puede modificar lasinclusiones de xidos, desulfurar y controlar la forma de sulfuros. Es importanteconsiderar cules son las reacciones termodinmicamente preferidas.

52 4.8. MODIFICACIN DE INCLUSIONES

En un acero normal calmado al aluminio el calcio comenzar modificando lasinclusiones de xidos. Es termodinmicamente fcil que se formen inclusiones tipo(CaO)(2Al

2O

3). stas se convertirn en (CaO)(Al

2O

3) y, finalmente, en aluminatos

de calcio lquido ricos en CaO. Despus, el calcio desulfurar al acero hasta nivelesmuy bajos. El control efectivo de la forma de sulfuro y la eliminacin de la mayorparte del MnS se darn slo cuando el contenido de azufre quede por debajo de0,005%.

Si se aade calcio a aceros resulfurados es posible que el calcio reaccione conazufre para formar CaS antes que haya un control completo de la forma del xido.Se formar el tipo (CaO)(2Al

2O

3) y el CaS puede ser ms estable que el Ca o

las inclusiones lquidas. El CaS puede estar en solucin con Mn en cuyo caso suactividad se ve reducida. En consecuencia, puede formarse una inclusin CaS-MnSa niveles menores de Al y S.

4.8.3. Control de forma de sulfuros

Se ha escrito mucho sobre el control de forma de los sulfuros y su influenciasobre las propiedades. Este tema se ha revisado extensamente en tiempo reciente.En resumen, si un acero se desoxida fuertemente y los niveles de manganeso y azu-fre son los que se encuentran normalmente, se formarn inclusiones de MnS. Estossulfuros de manganeso tienen un punto de fusin bajo y se alargan en la direccinde laminacin durante el laminado en caliente dando lugar a las inclusiones llama-das en rosario. Estas inclusiones reducen fuertemente las propiedades mecnicastransversales del acero. Por ejemplo, la ductilidad y la energa necesaria para causarfractura se reducen grandemente cuando este tipo de inclusiones est presente. Portanto, para aplicaciones crticas estas inclusiones tipo rosario deben ser eliminadas.

Es importante comprender porqu se forma MnS y porqu se forma en los bor-des de grano. Clculos termodinmicos indican que para que se forme MnS debecumplirse que a las temperaturas de solidificacin

(%Mn)(%S) > 2

Para la mayora de los aceros los niveles de Mn y S no son suficientemente altoscomo para formar MnS en la masa de lquido. Sin embargo, cuando solidifica elacero el Mn y el S son rechazados del acero lquido dando lugar a un aumento de suconcentracin en el lquido remanente; este fenmeno recibe el nombre de enriqueci-miento interdendrtico. Este lquido interdendrtico aumenta sus contenidos de Mny S, y llegando al final de la solidificacin se forma el MnS.

Hay dos mtodos comunes de conseguir controlar la forma de los sulfuros. y esla adicin de calcio o elementos de las tierras raras. En ambos casos es necesariodesulfurar previamente el acero como mnimo hasta 0,008% y, preferiblemente, has-ta 0,006%. Cuando se adiciona calcio a un acero calmado al aluminio primero seconvierten las inclusiones de almina en aluminatos de calcio. Si el aluminato decalcio que se forma es muy rico en CaO, la inclusin tiene una gran capacidad de


sulfuro y puede absorber cantidades significativas de azufre. Como se sabe, la con-centracin de equilibrio de azufre en inclusiones ricas en CaO puede ser muy grandey absorber la mayor parte del azufre remanente despus de la desulfuracin.

Cuando se enfra el acero la solubilidad del azufre en la inclusin decrece y pre-cipita el CaS, resultando en una inclusin dplex en la que un anillo de CaS rodeael ncleo de aluminato de calcio, tal como se ve en la figura 4.22. Este calcio rema-nente puede reaccionar con azufre en la superficie del aluminato de calcio formandouna inclusin tipo dplex. Sin embargo, la solubilidad del calcio en los aceros quecontienen oxgeno y azufre es muy baja y la contribucin de esta fuente es pequea.Este tipo de inclusin es esfrica, y debido a su elevado punto de fusin no se alargadurante la laminacin en caliente.

No siempre es necesario eliminar completamente el Mn de los sulfuros. La adi-cin de algo de CaS y MnS aumenta significativamente la dureza de la inclusin atemperatura alta. Por ejemplo. La adicin de 10 moles de CaS por ciento al MnSaumenta por 10 la dureza a 600 oC. Estas inclusiones no se alargarn durante lalaminacin en caliente.

Cuando se adicionan tierras raras (TR) al acero para formar un xido, sulfuro oun oxisulfuro:

2 [ TR] + 3 [O] TR2O3

x[TR] + y[S] TRxSy

2 [ TR] + 2 [O] + S TR2O2S

El cerio es el elemento ms abundante en las tierras raras y su qumica es similara la de los otros. Si se emplean correctamente tierras raras para control de forma desulfuros en el enfriamiento se forman continuamente oxisulfuros (TR

2O

2S) en una

fina dispersin de inclusiones esfricas no deformables que no se alargan durantela laminacin. El empleo de las tierras raras se discutir con mayor amplitud mstarde.


Figura 4.21: Desulfuracin por inyeccin de flujos.


Figura 4.22: Inclusiones.

Captulo 5

PROCESOS VACO SINAPORTACIN TRMICA

Ha de tenerse en cuenta que todos los procesos metalrgicos basados en el empleode vaco no han podido desarrollarse mientras no hubo bombas de vaco adecuadasa los volmenes a tratar. Hacia 1930, el profesor Korbers, de la fbrica checa Skda,hizo experimentos de vaco. Sin embargo, aquellas bombas giratorias tipo Gaedeno tenan capacidad suficiente y, por otra parte, perdan toda su eficiencia al atra-par partculas de polvo, escoria o metal entre sus elementos mviles. Hacia 1951 sedesarrollaron las bombas de vaco por eyectores de vapor que, adems de su granpotencia de absorcin, presentaban la importante ventaja de carecer de elementosmviles que se pudieran averiar.

A continuacin se revisan los procesos de desgasificado en vaco ms empleados.Aunque ya se han enlistado anteriormente, los ms usuales son:

Desgasificacin esttica.

Desgasificacin en chorro.

Mtodo de elevacin intermitente.

Mtodo de elevacin y circulacin.

5.1. Desgasificacin esttica en cuchara (Vacuum

Degassing VD)

Es el sistema ms sencillo y que primero se emple. La cuchara llenada en elhorno se introduce en una cmara en la que se hace el vaco de unos 30 torr duran-te 10 minutos. Se origina una ebullicin violenta que eleva el nivel del acero en lacuchara 300 o 400 mm de altura, por lo que es obligatorio emplear cucharas relati-vamente altas.

Previamente al desgasificado hay que eliminar de la cuchara toda la escoria po-sible para que cuando se haga el vaco el acero est recubierto por una capa muy

57

585.1. DESGASIFICACIN ESTTICA EN CUCHARA (VACUUM DEGASSING

VD)

delgada de escoria que no dificulte el escape de los gases.

Este mtodo esttico tiene cuatro desventajas principales:

El derrame producido por el violento desprendimiento de gases antes citado.

La presin ferrosttica impide la formacin de burbujas, excepto cerca de lasuperficie, y de aqu que slo se desgasifique el metal inmediatamente debajode sta.

El proceso debe ser corto para evitar excesiva prdida de temperatura quedificultara la colada posterior de moldes, lingoteras o colada continua.

La debilidad de la difusin y conveccin impide alcanzar una buena homoge-neizacin del metal.

Con el fin de paliar estas dificultades, especialmente la segunda y cuarta, se hanpuesto a punto varios sistemas de agitacin del metal lquido. La primera es la intro-duccin forzada, a travs de tapn poroso (figura 5.1) o lanza de inmersin, de un gasinerte que elimina los gases en solucin por un efecto mecnico de barrido. La mxi-ma purificacin tiene lugar en los primeros cinco minutos, pero los aceros calmadosrequieren por lo menos seis minutos para alcanzar una efectiva desgasificacin.

Figura 5.1:Desgasificado esttico en cmara de vaco con barboteo de argn

La induccin electromagntica es otro procedimiento de agitacin ideado porHammarlund y llevado a la prctica por Harper. Este sistema sustituye la cuchara

5. PROCESOS VACO SIN APORTACIN TRMICA 59

por un horno de induccin sobre el cual se vierte el acero procedente del horno dearco o convertidor. Una bobina de induccin rodea el crisol de aqul y produce co-rrientes de conveccin en el bao que facilitan su desgasificacin.

Este sistema inductivo tiene inconvenientes. En primer lugar es caro de insta-lacin y engorroso de operacin. Por otra parte, est restringido a tratamiento decantidades pequeas de acero. Hoy da slo existe el sistema de agitacin por gas atravs de tapn poroso.

Si se analizan los gases de salida en la desgasificacin se deducen conclusionesinteresantes. Si lo que se desgasifica es un acero sin desoxidar (oxidado, no calmado)el monxido de carbono representa un 83% del total de gases desprendidos. Si elacero a desgasificar se ha calmado previamente (5.2) el CO slo representa el 33%,siendo 39% el hidrgeno, 25% el nitrgeno y 3% el CO

2.

Figura 5.2: Composicin de los gases en la desgasificacin del acero

Esto tiene una explicacin lgica, que ya se ha tratado anteriormente. El acerocalmado tiene gran parte de su oxgeno fijado como xidos de manganeso, silicio yaluminio, quedando poco oxgeno para dar CO con el carbono. Esos xidos son fasesslidas y forman inclusiones no metlicas difciles de eliminar en el desgasificado.

5.2. Desgasificacin en chorro (Bochmer Verein AG,

BV)

Al trmino de la Segunda Guerra Mundial se comenz a experimentar en estesentido, que se proyect para el colado de grandes lingotes en cmara cerrada, ini-cialmente para evitar copos en grandes piezas forjadas, aunque posteriormente seha adoptado el procedimiento de desgasificacin en cuchara cerrada, que lleva un

60 5.2. DESGASIFICACIN EN CHORRO (BOCHMER VEREIN AG, BV)

recipiente en la tapa en forma de pequea cuchara que recibe el acero al bascular elhorno sobre ella.

El peligro de defectos de hidrgeno en lingotes de acero aumenta con la sec-cin y peso de los mismos. Estos lingotes de gran tamao son, precisamente, losdestinados a la obtencin por forja de grandes piezas de alta responsabilidad. Noslo es necesario, en consecuencia, desgasificar, sino tambin evitar posterior con-taminacin del acero por los gases del aire mientras se cuela al molde o a la lingotera.

El fundamento del proceso es la desintegracin espontnea que sufre un cho-rro de acero cuando es vertido a una cmara de vaco. La rapidsima formacin definsimas gotas de acero en el interior de la cmara de vaco facilita el inmediatodesprendimiento de los gases. La gran superficie que representan las gotas de aceropulverizadas facilita mucho el desgasificado.

Todos estos mtodos se basan en que el chorro de acero se fragmenta en peque-as gotitas; cualquier burbuja de gas en una de estas gotitas necesita recorrer unadistancia muy pequea para liberarse, lo que garantiza la eficiencia del tratamiento.Los momentos en que puede realizarse el tratamiento son:

Del horno a la cuchara, que acta como cmara de vaco. La cuchara tiene unatapa con cierre hermtico por medio de junta (figura 5.3). Esta tapa tiene unaboca ancha que, por medio de una tubera fuerte pero flexible le comunica conel sistema extractor de vaco. En algunos casos puede tener tambin una tolvay esclusa para adicin de escorificantes y ferroaleaciones. Sobre la tapa, y unidahermticamente a ella, hay una cuchara intermedia pequea (cuchara "pony")en la cual vierte el horno la colada. En este sentido ha resultado muy favorablela sustitucin de la buza-tapn con accionamiento por vstago y palanca por elsistema corredera-guillotina, ya que se simplifican extraordinariamente todoslos equipos de aislamiento-vaco. La cuchara sirve como equipo desgasificadorpero tambin realiza la colada de los moldes, lingoteras o mquina de coladacontinua.

De la cuchara a otra cuchara, que servir como de colada, emplazada en lacmara de vaco (figura 5.4). Esta cmara, adems de la conexin a las bom-bas de vaco, tiene una tapa con mirillas de observacin y control, as comootra abertura con las esclusas y dosificadores de adicin de ferroaleaciones yescorificantes. Sobre la tapa, y con sistemas hermticos de sellado, se colocala cuchara intermedia que se llenar con el caldo del horno. Esto implica unenfriamiento, que se ve en la grfica de la figura 5.5.

De la cuchara a una gran lingotera situada en una cmara idntica a la descritaen el prrafo anterior (figura 5.6). Al entrar en la cmara de vaco el chorrode la cuchara superior se fragmenta y cae desgasificado en la lingotera. Estemtodo permite obtener piezas forjadas de gran calidad y libres de cualquierdefecto.


Figura 5.3: Desgasificacin durante el llenado de la cuchara desde el horno

62 5.2. DESGASIFICACIN EN CHORRO (BOCHMER VEREIN AG, BV)

Figura 5.4: Desgasificado de cuchara a cuchara en cmara de vaco


Figura 5.5: Enfriamiento del acero en funcin del tiempo en un desgasifi-cado en el chorro de cuchara a cuchara

Figura 5.6: Colada en tanque de vaco de lingotes para grandes forjas

645.3. ELEVACIN INTERMITENTE (DORTMUND-HRDER HTTENUNION

AG, DH)

5.3. Elevacin intermitente (Dortmund-Hrder Ht-

tenunion AG, DH)

Este procedimiento, como el RH que se ver despus, se basa en tomar porcionesde acero lquido, casi siempre oxidado, de la cuchara y someterlas a vaco hasta quetoda la masa de acero contenida en la cuchara ha sido estadsticamente desgasificada.Se hace el vaco en un recipiente cilndrico (figuras 5.7 y 5.8) del que sobresale untubo en forma de trompa (snorkel) que se introduce por debajo de la lnea deflotacin de escoria de la cuchara de colada. Este tubo se equipa con una lminaprotectora de aluminio para evitar entrada de escoria a la cmara de reaccin en elmomento de la inmersin.

Figura 5.7: Proceso DH

5.3.1. Descripcin del equipo DH

La parte fundamental es la cmara de reaccin. Es un recipiente hermtico reves-tido de refractario, la duracin del cual suele ser de 1500 operaciones. Est conectadomediante una tubera de unos 500-600 mm de dimetro a bombas de vaco que tra-bajan mediante eyectores de vapor; se trata normalmente de bombas de 3 o 4 etapasque pueden llegar a conseguir vacos de hasta 1 torr. A la salida del reactor DH se


Figura 5.8: Revestimiento DH

instala un sistema enfriador de los gases de salida.

La cmara est conectada tambin a las tolvas y dosificadores automticos me-diante esclusas de presin. Cuenta con un sistema de calentamiento inicial que puedeser por electrodo calefactor, quemador de oxigs o sistema aluminotrmico, aunqueesta ltima alternativa ha de tomarse con precaucin por el riesgo de inclusiones dealmina. Tambin hay un orificio para inyectar gases, especialmente oxgeno descar-burador.

En la parte inferior la cmara est unida a la trompa (snorkel), que est tam-bin protegida por un revestimiento refractario cuya duracin suele ser de unas 800operaciones. Incrustado en el refractario de la trompa hay un armazn de hierro quele confiere resistencia mecnica. Al comenzar una operacin se pone en el extremodel snorkel una tapa de chapa de aluminio para evitar la entrada de escoria en elmomento en que el snorkel penetra en el acero lquido de la cuchara. Despus esachapa se funde y deja paso libre al acero.

Las cucharas tienen revestimiento bsico para garantizar mejor calidad de pro-ducto obtenido y duracin ms larga. En el caso de tener agitacin por gas tienenuno o ms tapones porosos de inyeccin. Si la agitacin es inductiva la chapa de la

665.3. ELEVACIN INTERMITENTE (DORTMUND-HRDER HTTENUNION

AG, DH)

cuchara ha de ser, lgicamente, de acero inoxidable austentico amagntico.

5.3.2. Operacin del equipo DH

La operacin se inicia cuando el tubo de aspiracin (snorkel), que sobresale porla parte inferior de la cmara de vaco, es introducido en el acero lquido que seencuentra en la cuchara. Si en esta primera fase del proceso la cuchara es fija (nosube ni baja), es la cmara de vaco la que se mueve con la gra y sube o baja hastacolocarla en su lugar.

Inmediatamente despus de introducir el tubo de aspiracin en el acero de lacuchara se ponen en funcionamiento las bombas de vaco y, debido a la diferencia depresin que se alcanza entre la cmara de vaco y la atmsfera o ambiente exterior,el acero lq

siderurgia ii

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