unidad 3 - siderurgia

Universidad Nacional de Cuyo

Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria

Alumno: Cristian González Legajo N° 3149

Industrias mineras de base metálica - 2010 Página 1

Metalurgia Extractiva

Unidad N° 3 “Siderurgia”

Definición ................................................................................................................................. 2

Minerales de hierro .................................................................................................................. 2

Minerales anhidros ............................................................................................................... 2

Minerales hidratados ............................................................................................................ 3

Yacimientos argentinos ......................................................................................................... 3

Producción de arrabio .............................................................................................................. 4

Proceso de alto horno ........................................................................................................... 4

Marcha del alto horno ....................................................................................................... 4

Obtención de aceros ................................................................................................................ 6

Influencia de las impurezas sobre las cualidades del acero .................................................... 7

Procedimiento Bessemer ....................................................................................................... 8

Procedimiento Thomas ........................................................................................................ 10

Proceso de oxígeno básico L-D (BOS en inglés) ..................................................................... 12

Proceso Siemens-Martin (Horno de solera abierta) ............................................................. 15

Marcha del afino ............................................................................................................. 15

Fabricación de aceros en hornos eléctricos .......................................................................... 17

Fundamentos .................................................................................................................. 17

Marcha de los hornos eléctricos ...................................................................................... 17

Resumen de los diversos procedimientos de fabricación de aceros ................................. 18

Obtención de fundiciones ...................................................................................................... 19

Cubilote .............................................................................................................................. 19

Bibliografía ............................................................................................................................. 22





Definición

Se denomina siderurgia (del griego σίδερος, síderos, "hierro") a la técnica del tratamiento

del mineral de hierro para obtener diferentes tipos de éste o de sus aleaciones.

El hierro da con el carbono toda una gama de aleaciones que suelen clasificarse, según su

contenido en C, en dos categorías:

� Fundiciones: son aleaciones de hierro y carbono que contienen de 1,7 a 6,7% de C. El

contenido de 6,7% corresponde a la cementita, el carburo de hierro (Fe3C).

� Aceros: el contenido de carbono es aproximadamente inferior a 2,0%. Éstos pueden

clasificarse en aceros ordinarios o al carbono, que no contienen elementos especiales

de aleación; y en aceros aleados, que contienen elementos especiales de aleación.

(Mn, Cr, Ni, Mo, etc.)

Minerales de hierro

No todas las rocas pueden considerarse minerales, pues el beneficio solo es ventajoso

cuando el contenido en hierro es superior al 25%.

Los minerales pobres suelen tener entre 25 y 30%; los medios, entre 30 y 45% y los ricos,

más del 45%. Así, pueden clasificarse en los 3 tipos que se describen seguidamente.

Minerales anhidros

1) La magnetita o piedra imán es el óxido magnético de hierro (Fe3O4). Es uno de los

minerales más puros, cuyos yacimientos se encuentran en Suecia, Argelia, Estados

Unidos y en los Urales.

2) El Fe2O3 anhidro o hematites se encuentra en yacimientos muy dispersos y en

diferentes variedades que se distinguen por alguna característica. Los depósitos más

importantes se encuentran en los Estados Unidos y también existen en España,

Inglaterra y Norte de África.

3) La siderita o carbonato de hierro (FeCO3), también llamada espato de hierro, se

encuentra en España, Francia, Alemania, Inglaterra y Estados Unidos.





Minerales hidratados

El óxido de hierro hidratado, 2Fe2O3.3H2O, es uno de los minerales de hierro más

extendido. Se encuentra en diferentes variedades, siendo las principales las hematites pardas, la

limonita y la hematíes oolíticas o en gránulos.

La hematites parda se encuentra en Rusia. La limonita contiene hasta 60% de hierro. Se

encuentra en los Pirineos y en sus estribaciones y en el fondo de lagos antiguos de Suecia y

Finlandia. Las hematites oolítica o granular forma un yacimiento muy importante: las minettes de

Lorena y Luxemburgo, que contienen aproximadamente un 35% de hierro y un contenido

relativamente grande de fósforo.

Yacimientos argentinos

Los principales yacimientos argentinos de mineral de hierro son:

� En Sierra Grande, Río Negro existe un depósito de hierro sedimentario, que se manifiesta

como intercalaciones de niveles ferríferos en sedimentitas marinas, los que están

afectados por metamorfismo de contacto. Es la mina subterránea más grande de

Latinoamérica, las reservas medidas alcanzan 80.000.000 t con ley de 54% Fe, 0,44 % S y

1,4% P. Estuvo en explotación hasta 1992. En 2006 se reactivó la explotación por parte de

un grupo inversor chino.

� En 1945, la mina 9 de Octubre, en Palpalá, Jujuy dio origen al primer centro siderúrgico

del país, los Altos Hornos de Zapla. El mineral de hierro contaba con una ley de

aproximadamente 48% de Fe. Su explotación era del tipo subterránea con galerías. El

cierre de la mina se produjo en el año 1997.

� Otra mina importante en el desarrollo siderúrgico fue la mina Puesto Viejo, a 60 km de

Palpalá, con una ley de 43% de Fe que se explotaba a cielo abierto. Hoy en día esta mina

se utiliza para la extracción de piedra caliza.





Producción de arrabio

Para elaborar la fundición de hierro, empleada en la fabricación de piezas coladas, y también

los aceros, se parte de un metal en bruto conocido con el nombre de arrabio.

El arrabio es esencialmente una aleación de hierro y carbono, conteniendo silicio, manganeso y

fósforo, que en la obtención del acero deben considerarse como impurezas pero en la obtención

de la fundición de hierro son requeridos como elementos de aleación.

La obtención del acero partiendo del arrabio consiste en una refinación de éste.

Proceso de alto horno

En este proceso se realiza esencialmente una reducción del mineral de hierro empleando

carbono que se usa a la vez como combustible.

Los minerales utilizados en estos procesos están constituidos por distintos tipos de óxidos de

hierro con un contenido relativamente bajo de impurezas. También se emplean carbonatos que en

la misma operación del alto horno se transforman previamente en óxidos por calcinación.

Los minerales no son en general previamente concentrados, siendo las impurezas de la ganga

en gran parte eliminadas en forma de escoria y productos gaseosos en el mismo horno, por un

proceso de afinado debido a la acción del fundente y la temperatura.

Las impurezas que quedan en el arrabio como consecuencia del proceso anterior, deben ser

eliminadas en procesos posteriores de refinación que involucran una segunda fusión en la cual se

obtiene el acero o la fundición de hierro.

En la unidad anterior se vio la estructura del alto horno y de sus anexos. Ahora nos

centraremos en su operación.

Marcha del alto horno

Los materiales se introducen por la parte superior del horno, llamada tragante, mediante un

dispositivo de carga, que contiene un sistema de doble campana de cierre, el cual permite

introducir los materiales sin que se escapen los gases a la atmósfera, mediante la abertura

alternada de ambas campanas.

El combustible utilizado, coque, ocupa la totalidad de la parte inferior del horno, hasta el

vientre; por encima de esta columna de coque se depositan capas alternadas de mineral y coque,

juntamente con piedra caliza (CaCO3) como fundente.





En la parte superior de del crisol se encuentran las toberas, que son orificios por los que se

insufla aire a presión y a una temperatura de unos 760ºC.

El arrabio líquido se extrae por un orificio colocado en el fondo, y que se abre

aproximadamente cada seis horas para retirar de 100 a 300 toneladas de metal.

La evacuación de gases debe hacerse después de eliminar las partículas sólidas, lo cual se logra

mediante los dispositivos designados: trampa de polvo (en el cual se deposita el polvo por

disminución de velocidad de gases); lavador de gases (en el que se separa polvo por acción de una

lluvia de agua sobre los gases) y precipitador electrónico (que completa la separación del polvo

mediante un depósito en las paredes de tubos condensadores, de las partículas previamente

electrizadas). El polvo separado en estos dispositivos, contiene elevado porcentaje de mineral y

combustible, que pueden ser recuperados mediante operaciones de sinterizado, e introducidos

nuevamente en el horno.

Después de la eliminación de polvo, el gas se utiliza en las estufas Cowper destinadas al

precalentamiento del aire que alimenta el horno; el resto de gas puede utilizarse para alimentar

calderas de máquinas de vapor o para otras aplicaciones dentro de la planta.

Las estufas, cuatro generalmente, desempeñan un papel fundamental en la instalación de un

alto horno. Son cilindros huecos que contienen en su interior material refractario en el que se

almacena el calor producido por la combustión de los gases de escape, una vez alcanzada la

temperatura deseada se interrumpe la entrada de gases y se hace pasar el aire, que de este modo

experimenta un precalentamiento. El aire pasa alternativamente por cada una de las estufas,

mientras las restantes se van calentando, y entra luego al horno por las toberas. El aire es





comprimido por un equipo compresor que puede ser a pistones o a turbinas con accionamiento

por vapor de agua o por gas.

El arrabio obtenido se vierte en cucharas que son recipientes de hierro, interiormente

revestidos de material refractario. Con ellas se lleva el materia a los hornos destinados a la

fabricación del acero, si se hallan en la misma planta, o se lo vierte directamente en lingoteras.

Resumiendo puede decirse que:

1) En el alto horno se introducen mineral, combustible que sirve de reductor,

fundente y aire; se obtienen arrabio, escoria y gases combustibles.

Cuando el alto horno está en marcha es atravesado por dos corrientes de

materiales dirigidas en sentido inverso:

a) Una corriente primero sólida, luego pastosa y, por fin, líquida que va desde

arriba hacia abajo con una velocidad media de 1 cm/s. Está formada por los

elementos de la carga: mineral, combustible y fundente.

b) Una corriente gaseosa que circula desde abajo hacia arriba a una velocidad de

50 cm/s; la inyección de aire por las toberas quema el carbón, produciendo

calor y gases reductores. La corriente gaseosa está formada por CO, CO2, O2,

N2, H2O, etc.

2) La reducción del óxido de hierro por el carbono o por el monóxido de carbono

procedente de su combustión produce el arrabio o aleación de Fe y C, que es más

fusible que el hierro puro.

El arrabio se reúne en estado líquido en el fondo del crisol, encima se encuentra la

escoria formada por la ganga del mineral, que se hace más fusible por adición de

los fundentes.

El alto horno funciona entonces como un gasógeno que produce el monóxido de

carbono, agente reductor principal, y como aparato de fusión del compuesto

metálico y las escorias que se pueden colar fácilmente.

Obtención de aceros

El acero es un producto intermedio entre la fundición (arrabio) y el hierro puro. Se le prepara:

� Por descarburación del arrabio:

o En el convertidor de Bessemer;

o En el convertidor de Thomas;





o En el horno Siemens-Martin ácido o básico;

o En el crisol (antiguo);

o En el horno eléctrico

� Por recarburación del hierro (no se emplea actualmente).

La obtención del acero es un proceso de purificación del arrabio que consiste principalmente

en una refinación por oxidación. Ésta puede lograrse por el oxígeno del aire o por el agregado de

elementos oxidantes, tales como el óxido de hierro.

El carbono se oxida transformándose en CO o CO2 y escapa en forma de gas; el silicio, el

manganeso y el fósforo forman óxidos que se separan en la escoria, siendo en general difícil la

fijación de fósforo.

La desulfuración no se produce por oxidación, sino por acción del manganeso y el calcio sobre

el sulfuro de hierro: el sulfuro de manganeso y el de calcio pasan, en condiciones favorables, a la

escoria.

Influencia de las impurezas sobre las cualidades del acero

El oxígeno existe en el baño y precipita óxido de hierro al solidificar. Éste óxido es perjudicial en

la laminación y la forja.

El silicio desoxida el baño de acero. Aumenta la resistencia a la tracción y el límite elástico.

El manganeso desoxida y desulfura el baño. El sulfuro de hierro, FeS, se transforma en MnS,

que en parte desaparece por oxidación en el baño líquido. El sulfuro de manganeso que queda en

el metal sólido no perjudica a las operaciones de forja y laminación, como lo haría el sulfuro de

hierro. Por la presencia de manganeso aumentan la resistencia a la tracción y el límite elástico.

El fósforo aumenta la fragilidad del acero.

El azufre se combina con el hierro para dar FeS, con un punto de fusión inferior al del acero. El

acero que contiene FeS es difícil de laminar o forjar, porque presenta fragilidad a temperaturas

elevadas.





Procedimiento Bessemer

Usando un convertidor con revestimiento ácido, el proceso de oxidación es efectivo para

eliminar el silicio, el manganeso y el

carbono, pero no el fósforo. Esta

imposibilidad se debe a que el P2O5

no se fija en la escoria ácida que, con

el fin de evitar una rápida

destrucción del revestimiento

refractario, se debe necesariamente

mantener en el proceso.

La falta de óxido de calcio en la

escoria no solamente impide la

fijación de fósforo, sino que también

impide la desulfuración, que

requiere la presencia de calcio. Por

estos motivos, el arrabio utilizado en el proceso Bessemer debe contener muy reducidos

porcentajes de fósforo y azufre.

El calor necesario para el proceso Bessemer se debe principalmente a la oxidación del silicio,

por lo cual este elemento debe hallarse en alta proporción en el arrabio utilizado.

El manganeso se oxida como el silicio desde el principio, pero menos rápidamente, y su

presencia evita una oxidación elevada del hierro debido a su mayor afinidad por el oxígeno.

Además, permite la transformación parcial de sulfuro de hierro en sulfuro de manganeso, que es

una impureza mucho menos peligrosa.

Cuando el porcentaje de Si y Mn ha disminuido bastante, comienza la oxidación del C, que se

transforma principalmente en CO, que escapa formando una llama larga y brillante.

El arrabio requerido para el proceso Bessemer debe tener una composición preferentemente

comprendida entre los siguientes límites:

�: � � �% �: , � � , �% ��: � % �: � 0,05% � � 0,08%

En la siguiente imagen puede verse la marcha de una operación Bessemer:





1) Período de escorificación o de chispas: corresponde a la combustión del silicio y una parte

de manganeso. La duración es de 4 min por un porcentaje de silicio y al final la temperatura

1650 ºC.

2) Período de descarburación o de llamas: corresponde a la combustión del carbono, que

sigue a la del silicio; se produce CO y se quema en el aire con una llama azul y luego

blanquecina, y se oye un ruido característico mientras el convertidor empieza a vibrar. Esta

fase dura unos 12 min.

3) Período de humos: se acorta la llama al disminuir el contenido de carbono, se acaba el

ruido y los humos rojos de óxido indican que el hierro se quema: empieza la oxidación del

hierro. Se para el convertidor, se examina la escoria y se realizan ensayos sobre muestras

del metal. La escoria tomada con una barra de acero es tanto más oscura cuando mayor es

la descarburación. Muestras tomadas del metal se cuelan en coquillas, se forjan

rápidamente y se someten al ensayo de plegado para determinar el ángulo de rotura y el

grano de la fractura. El aspecto de la fractura informa sobre el contenido de silicio y

manganeso.

4) Adiciones finales y colada: es imposible conducir el afino de manera que se envíe la

cantidad de aire justamente necesaria para oxidar las impurezas. Siempre se forman óxidos

de hierro, que son perjudiciales para la forja y el laminado posteriores. Los óxidos se

eliminan añadiendo al baño o a la cuchara de colada los desoxidantes (10% en peso del

acero) en forma de ferroaleaciones (ferromagnesio, spiegels, etc), el manganeso reduce al

óxido de hierro formando otro óxido que escorifica y se decanta lentamente; el carbono de

la ferroaleación recarbura el baño y permite obtener acero más o menos duros. Resulta,

por tanto, que la adición final tiene por objetivo desoxidar el baño y el recarburado para





obtener aceros con el deseado contenido de carbono. La operación Bessemer acaba con la

colada; en total dura de 18 a 20 minutos.

Procedimiento Thomas

El tipo de revestimiento básico empleado en este proceso permite el agregado de cal como

fundente, y de este modo puede obtenerse una escoria que fije pentóxido de difósforo y que

permita la desulfuración por el calcio.

El arrabio a emplear debe contener un bajo porcentaje de silicio. La oxidación de éste, como la

de manganeso, se produce al principio, mientras la escoria es predominantemente ácida; al

aumentar la temperatura aumenta la influencia de la cal en la escoria, que adquiere una reacción

cada vez más básica.

El carbono desaparece más rápidamente que en el proceso anterior, debido a que el silicio se

oxida antes por ser menor su porcentaje.

Solamente cuando el carbono ha sido eliminado en gran parte, comienza a hacerse notar la

oxidación del fósforo, pues antes, teniendo la escoria poca reacción básica, el óxido de fósforo (V)

no puede fijarse en la escoria y es reducido por el carbono.

Al comenzar la oxidación intensa del fósforo, la combustión se hace rápida y el aire resulta

insuficiente para mantener la oxidación de los otros elementos, observándose una reducción de

algunos óxidos de la escoria, sobre todo los de manganeso, debido a la avidez del fósforo, en esas

circunstancias, por el oxígeno.

La oxidación del fósforo es la principal fuente de calor del proceso, por cuyo motivo el

porcentaje de fósforo del arrabio debe ser relativamente elevado.

El azufre puede ser parcialmente eliminado, cuando predomina el óxido de calcio, por la

formación de sulfuro de calcio que pasa a la escoria. Sin embargo, un elevado contenido de óxido

de hierro reduce la efectividad de dicha eliminación.

El arrabio empleado en este proceso debe tener una composición química del tipo siguiente:

�: � − �% �: < 0,5% ��: − , �% �: < 0,0�% �: , � − , %





El afino tiene las siguientes fases:

1. Período de escorificación: más breve que en el Bessemer debido al bajo contenido de

silicio.

2. Período de descarburación o de llamas: corresponde a la combustión del carbono, este

período dura 2 min por cada centésima de carbono. La temperatura baja y el baño se hace

viscoso.

3. Período de sobresoplado o de desfosforación: sólo empieza cuando se ha quemado todo el

carbono, pues antes el fósforo volvería a metal (P2O5 + 5 C ↔ 2 P + 5 CO). El fósforo se

oxida y la temperatura se eleva rápidamente, combinándose el P2O5 con la cal para formar

el fosfato tricálcico que sobrenada. En cuanto aparecen los humos rojos del óxido de hierro

ha terminado la desfosforación. Su duración es de 3 a 5 minutos.

Luego el baño se para, se cuela una muestra de metal en una pequeña lingotera, se martilla

formando un disco, se templa en agua y en ausencia de fósforo debe plegarse a un bloque.

Este período de paro dura 4 minutos.

4. Sigue el período de descoriado, que corresponde a la colada de la abundante escoria (200 a

250 kg por tonelada de acero) que flota sobre el metal. Este descoriado debe realizarse

cuidadosamente.

5. Adición final y colada. Al igual que en la operación Bessemer, se efectúa la adición final

antes de la colada para desoxidar el baño y recarburarlo para obtener el tipo de acero

deseado.





Proceso de oxígeno básico L-D (BOS en inglés)

Es un método de producir acero en el cual el hierro fundido rico en carbono se transforma en

acero. El proceso es una mejora sobre el proceso de Bessemer históricamente importante. El

convertidor L-D es conocido por los topónimos austriacos Linz y Donawitz (un distrito de Leoben).

El proceso es conocido como “básico” debido al pH de los refractarios (CaO y MgO).

Tras la segunda guerra mundial se iniciaron experimentos en varios países con oxígeno puro en

lugar de aire para los procesos de refinado del acero. El éxito se logró en Austria en 1949, cuando

una fábrica de acero situada

cerca de la ciudad de Linz y

de Donawitz comenzó a

desarrollar el proceso del

oxígeno básico o L-D.

Actualmente es el

procedimiento más

empleado en todo el

mundo.

El proceso de oxígeno

básico tiene lugar en un

recipiente de forma

semejante al convertidor

Bessemer. En él se

introduce hierro fundido y

chatarra de acero, y se

proyecta sobre la superficie

un chorro de oxígeno a una

presión muy grande. El

carbono y las impurezas se queman rápidamente.

Un crisol BOS típico sostiene aproximadamente 500 toneladas de acero. El crisol está

recubierto con ladrillos refractarios resistentes al calor que pueden resistir la alta temperatura del

metal fundido.

El proceso de acería de oxígeno básico es como sigue:

1. El hierro fundido de un alto horno se vierte en un contenedor refractario grande llamado

cucharón.

2. El metal en el cucharón es enviado directamente a la acería de oxígeno básica o a una

etapa de pretratamiento. El pretratamiento del metal de alto horno se usa para reducir la





carga de refinado de azufre, silicio, y fósforo. En el pre tratamiento de desulfuración, se

introduce una lanza en el hierro fundido del cucharón y se adhieren varios cientos de

kilogramos de magnesio pulverizado. Las impurezas de azufre se reducen al sulfuro de

magnesio en una reacción exotérmica violenta. El sulfuro se saca del crisol en forma de

escoria. Es posible un pretratamiento similar para la desiliconización y defosforilación que

usan óxido de hierro y cal como reactivos. La decisión de pretratar depende de la calidad

del metal de alto horno y la calidad final requerida del acero BOS.

3. El llenado del horno con los ingredientes se llama cargado. El proceso de BOS es

autotérmico. Es muy importante mantener un equilibrio entre la proporción de arrabio (hot

metal) y de chatarra (scrap). El recipiente BOS está lleno una quinta parte de chatarra de

acero. El hierro fundido del cucharón

se añade de acuerdo a ese equilibrio

de carga. La composición típica del

arrabio cargado al convertidor BOS

es: el 4 % C, 0.2-0.8%Si, 0.08 %-

0.18%P, y 0.01-0.04%S.

4. Entonces el recipiente se pone

derecho y se introduce una lanza

refrigerada por agua. La lanza sopla

oxígeno al 99 % en el acero y el

hierro, haciendo que la temperatura

se eleve hasta aproximadamente

1700°C. Esto funde la chatarra, baja

el contenido de carbono del hierro

fundido y ayuda a remover los

elementos químicos no deseados.

Este uso de oxígeno en vez del aire

es lo que lo mejora con respecto al

proceso de Bessemer. Recordemos

que el acero Bessemer contiene una

cantidad elevada de N2 que afecta

los posteriores tratamientos.

5. Luego se alimentan flujos de cal o

dolomita al contenedor para formar la escoria que absorbe impurezas del proceso de

acería. Durante el soplado, el metal forma una emulsión con la escoria, facilitando el

proceso de refinado (Ver figura siguiente). Cerca del final del ciclo de soplado, que toma

aproximadamente 20 minutos, se mide la temperatura y se toman muestras. Las muestras

se analizan y tras 6 minutos se da un análisis por computadora del acero obtenido. La

composición típica del metal es 0.3-0.6%C, 0.05-0.1%Mn, 0.01-0.03%Si, 0.01-0.03%S y P.





6. El recipiente BOS es inclinado otra vez y el acero es vertido en un cucharón. Este proceso se

llamada sangrado del acero. El acero es refinado posteriormente en el horno de cucharón,

añadiendo materiales de aleación para darle las propiedades especiales requeridas por el

cliente. A veces se burbujea N2 o Ar en el cucharón para asegurar una correcta mezcla de

aleaciones. El acero ahora contiene entre un 0.1-1 % de carbono. Cuanto más carbono haya

en el acero, más duro es, pero también más frágil y menos flexible.

7. Después de que el acero es quitado del

recipiente BOS, la escoria, llena de

impurezas, se vacía y se enfría.

El primer proceso de acería de oxígeno básico

era el proceso de LD desarrollado en 1952 por

VÖEST (predecesora de Voestalpine AG) en Linz,

Austria. Algunas compañías de acería principales

en los EE.UU no se convirtieron a este proceso

durante décadas, con el último convertidor

Bessemer aún operando comercialmente en

1968.

El proceso de LD sustituyó tanto al proceso de

Siemens-Martin, también conocido como el

proceso de hogar abierto, como al proceso

Bessemer.

En la imagen siguiente se

observa la marcha de los elementos

dentro del convertidor a medida

que transcurre el tiempo.





Proceso Siemens-Martin (Horno de solera abierta)

La fabricación del acero Siemens-Martin está basada en uno de los principios siguientes:

� Se transforma el arrabio en acero por dilución añadiendo al arrabio líquido productos

menos carburados para que disminuya el contenido de carbono del conjunto. La

adición es de chatarra de acero. Este proceso se denomina arrabio y chatarra.

� Se produce una oxidación añadiendo al arrabio óxidos de hierro o batiduras. La mayor

parte del oxígeno necesario para la descarburación procede del mineral, y el resto, de

la atmósfera del horno. El proceso se llama de arrabio y mineral.

� Se emplean simultáneamente los dos principios anteriores aplicando la dilución y la

oxidación.

El horno Siemens-Martin es un horno de reverbero cuya solera se exteriormente, pudiéndose

cargar arrabios de cualquier composición. Los elementos termógenos Si y P no son necesarios, y se

pueden tratar arrabios pobres a la vez en silicio y fósforo.

Como en el caso de los convertidores, el proceso puede ser ácido o básico, según la reacción

química del revestimiento del horno. En el procedimiento básico, dicho revestimiento se hace a

base de dolomita y magnesita; en el ácido, a base de sílice de gran pureza. El techo, que no se halla

en contacto con la masa líquida, se hace siempre con sílice, debido a su mayor duración y menor

costo.

El proceso Siemens-Martin permite la obtención de aceros de muy buena calidad. La

posibilidad de regular el proceso y hacer las adiciones necesarias para obtener la composición

química, así como para verificar esta composición periódicamente, constituyen la principal ventaja

del proceso respecto al convertidor.

Marcha del afino

1) Carga: primero se introduce la chatarra (poco C) y luego encima los lingotes de arrabio

(demasiado C). Cuando hay que desfosforar se carga también la necesaria cantidad de cal.

2) Fusión y afino: cuando se acaba la carga se cierran las puestas y se sopla a fondo para

conseguir una atmósfera oxidante. La fusión requiere unas 6 h, pudiendo durar la mitad si

el arrabio se carga líquido.

El afino se hace simultáneo con la fusión añadiendo mineral de tiempo en tiempo.

Como en el convertidor, se oxidan primero el Si y el Mn; el baño permanece en calma.

Luego empieza la decarburación; el C se oxida y se produce un fuerte hervido por

desprendimiento de CO, que agita y mezcla el baño.

En el horno Siemens-Martin básico pasa el fósforo a la escoria en forma de fosfatos.





El azufre pasa a la escoria en forma de CaS. La duración del afino es 2 a 4 h.

3) Adiciones finales: cuando se juzga que el afino es suficiente, se ensayan el metal y la

escoria. Cuando estos ensayos son concluyentes, se desescoria cuidadosamente y se

procede a las adiciones finales (spiegel o ferromanganeso) y luego se realiza la colada.

Las escorias del Siemens-Martin básico contienen menos fosfato que las Thomas y no se

emplean como abono.





Fabricación de aceros en hornos eléctricos

Fundamentos

Se suele llamar acero eléctrico al fabricado en horno eléctrico. Cuando el horno solo hace una

simple fusión (no hay afino) se comporta como uno de crisol, pero con un método de

calentamiento diferente.

En el horno eléctrico se puede realizar un afino como el del horno Siemens-Martin, siendo el

agente oxidante el mineral o batiduras y sirviendo las adiciones finales para desoxidar y recarburar

el baño.

Hay que señalar dos particularidades principales:

a) La atmósfera del horno no desempeña ningún papel; el acero no se contamina ni por el

combustible ni por los humos.

b) El horno eléctrico permite alcanzar temperaturas más elevadas y ejecutar un afino más a

fondo. La adición de una gran cantidad de cal, que daría escorias infusibles en el horno

Siemens-Martin, permite una desfosforación completa en el horno eléctrico. El exceso de

escoria rica en cal permite una mejor eliminación del S en forma de CaS.

Marcha de los hornos eléctricos

El afino en el horno eléctrico tiene por fin una desulfuración más a fondo que por otros

procedimientos. Actualmente se trabaja según 3 procedimientos: marcha de simple fusión,

marcha de afino y marcha de sobreafino.

1. Marcha de simple fusión: se efectúa como en el crisol; las materias funden poco a

poco, se añaden si es necesario fundentes y luego se hacen las adiciones necesarias

para obtener un acero del tipo deseado. La duración de una fusión es de 4 a 5 h.

2. Marcha de afino: se realiza una depuración completa de S y P. El horno se carga con

chatarra, mineral (óxidos) o batiduras y cal para la formación de la escoria.

a) Se procede a la desfosforación por fusión: el fósforo pasa a la escoria y el hierro se

oxida después de eliminarse completamente el fósforo. Se toma una muestra de

metal para comprobar el fin de esta fase.

b) Se corta la corriente y se desescoria cuidadosamente el baño.

c) Se procede a la desoxidación y la desulfuración. Se añade cal; el azufre pasa a CaS,

que se disuelve en la escoria, y el contenido en el baño baja a 0,01%. Se añaden

también trozos de electrodos viejos o coque para desoxidar; la escoria, al principio

negra por el óxido ferroso, se hace cada vez más clara durante la desoxidación.





d) La operación termina ajustando el contenido de C y añadiendo ferroaleaciones

para tener la composición deseada.

El metal se cuela 20 min después de las adiciones, durando la operación total de 6

a 8 h.

3. Marcha de sobreafino: se economiza mucha corriente si se carga el horno con metal

líquido, y la duración de la operación baja a 2 h, 30 min.

Resumen de los diversos procedimientos de fabricación de aceros

Los aceros se designa según el proceso de fabricación: acero Bessemer, acero Thomas, acero

Siemens-Martin, acero eléctrico.

1) El acero de convertidor (Bessemer o Thomas) es un acero de calidad ordinaria, cuyo

contenido de carbono está comprendido entre 0,1 a 0,7 %. Estos aceros comunes se

emplean para fabricar vigas, angulares, carriles y chapas ordinarias.

2) El acero Siemens-Martin posee una calidad intermedia entre el acero de convertidor y el de

horno eléctrico. Se emplea en la fabricación de flejes, herramientas ordinarias, chapas de

caldera, etc.





3) El acero eléctrico presenta calidades mecánicas excepcionales: mayor resistencia y más

alargamiento que los demás aceros. Está casi exento de fósforo y azufre. Se emplea en la

construcción de automóviles y en aeronáutica.

Obtención de fundiciones

El arrabio tiene generalmente un porcentaje demasiado alto de carbono para ser colado

directamente en moldes, y por ello la fundición de hierro se obtiene por un proceso de segunda

fusión, en el que además de reducir el carbono se regulan los porcentajes de otros componentes.

Este proceso se lleva a cabo casi exclusivamente en hornos llamados cubilotes que presentan

gran similitud con los altos hornos, aunque son de mucho menor tamaño.

Las cargas metálicas (que son de arrabio principalmente) se colocan, como en el alto horno, en

forma alternada con cargas de combustible y de fundente.

Cubilote

En la parte inferior del horno está la cámara de aire [5] conectada a un ventilador centrífugo o

rotativo que provee el aire necesario para la combustión; éste no es previamente calentado como

en los altos hornos, sino que introduce a temperatura ambiente, salvo en tipos especiales de

cubilote. El aire llega a través de toberas que pueden hallarse en un solo plano, o repartidas en

dos planos.





La carga metálica del cubilote está constituida por un cierto porcentaje de arrabio en lingotes,

sobrantes de fundición de hierro, trozos de hierro dulce o acero, y ferro aleaciones; no buscándose

la obtención de fundiciones aleadas; las ferro aleaciones que se utilizan son ferro silicio y ferro

manganeso para regular el contenido de silicio y manganeso.

El cromo y el molibdeno se introducen también, cuando son necesarios, en forma de ferro

aleaciones, y el níquel generalmente como metal puro.

Tanto el silicio y el manganeso, como los elementos especiales de aleación pueden también

agregarse al metal fundido una vez que se retira del horno, obteniéndose así las fundiciones

inoculadas en las que además de lograr la introducción de elementos logra una estructura más

conveniente, como se vio al estudiar la estructura de la fundición de hierro.

La cuantía de las cargas metálicas a introducir por vez en el cubilote depende de las

dimensiones de éste. Sobre cada carga metálica se coloca una de coque en cantidad también

relacionada con las dimensiones del cubilote, y se completa la carga con el agregado del fundente,

generalmente piedra caliza, destinado a formar una escoria fluida y a actuar como refinador de la

carga metálica.

1) Tragante 2) Puerta de carga 3) Plataforma de carga 4) Cuerpo 5) Cámara de aire 6) Llegada del aire del

ventilador 7) Diafragma regulador de la

entrada de aire 8) Abertura de acceso 9) Crisol o cuba 10) Mirilla 11) Toberas 12) Agujero de salida de

escorias 13) Agujero de colada 14) Puerta articulada del fondo





Antes de comenzar la carga del horno se coloca coque en el fondo del mismo hasta una altura

determinada; esta cantidad de coque debe mantenerse durante toda la marcha del proceso para

lo cual el que se consume debe ser repuesto por el que se agrega con las cargas.

Los materiales son introducidos al cubilote por la puerta de carga [2] bien a mano o bien, por

medio de dispositivos mecánicos.

Una vez encendido el horno, y conectado el ventilador, se producirá la combustión del carbón,

desarrollándose una temperatura suficiente para fundir el hierro que, en forma líquida, irá

depositándose en el crisol o en la cuba entre los trozos de coque.

El agujero de colada [13] se mantiene cerrado con arcilla hasta que se junta una cantidad

determinada de hierro y entonces se pincha el horno, quitando el tapón de arcilla y recibiendo el

hierro líquido en cucharas, desde las cuales será vertido en moldes. Vaciado el hierro contenido en

la cuba, se tapa nuevamente con arcilla el agujero de colada y re continua el proceso.

El agujero de salida de escorias [12]

tiene por objeto la separación de estas

que en virtud de su menor densidad;

flotan en la masa líquida.

La marcha del proceso puede seguirse

observando través de las mirillas [10] que

son ventanas de vidrio colocadas en la

cámara de viento.

Una vez terminado el proceso, los

materiales son evacuados mediante

abertura de la puerta articulada del

fondo. [14]

La abertura del acceso [8] está destinada a permitir el revestimiento del fondo del cubilote con

material refractario o tierra, material que debe reponerse después de cada proceso; además se

introducen por ella los trozos de leña necesarios para comenzar el encendido del horno.

El material refractario que constituye las paredes del horno debe ser de alto punto de fusión y

se emplean generalmente ladrillos silicosos de elevado contenido de sílice, sobre todo en la zona

de fusión. En el tragante, donde la temperatura es baja, pueden usarse piezas de fundición de

hierro en lugar de ladrillos refractarios, con lo cual se logra una mayor resistencia al efecto de

golpes provocados por la carga al ser introducida.





Bibliografía � Quevron, L.; Oudine, L. “Curso de metalurgia”. 7ma Edición. Ed. Aguilar, S.A. de ediciones.

Madrid, España. Año 1963.

� Abril, E.R. “Metalurgia técnica y fundición”. Librería y editorial Alsina. Buenos Aires,

Argentina, Año 1956.

� Barreiro, J.A. “Fabricación de hierro, aceros y fundiciones”. Tomos I y II. Ed. Urmo S.A.

Ediciones. Bilbao, España. Año 1984.

� Barreiro, J.A. “Tratamientos térmicos de los aceros”. Ed. CIE Inversiones Editoriales.

Madrid, España. Año 1997.

� Morral, F.R.; Jimeno, E.; Molera, P. “Metalurgia General”. Tomo I y II. Ed. Reverté.

Barcelona, España. Año 1982.

� www.wikipedia.org

unidad 3 - siderurgia

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