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acero
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Procesos de ManufacturaProcesos de ManufacturaProcesos de ManufacturaProcesos de Manufactura
Contenido
1. Introducción.
2. Fases de Aceración.
3. Etapas de Solidificación.
4. Tipos de hornos.
Introducción
El proceso de AceraciónAceraciónAceraciónAceración está destinado a convertir los productos de la etapa de
Reducción en aceroaceroaceroacero líquidolíquidolíquidolíquido.
Este proceso consta de dos etapas principales: Afino primario (fusión) y
Metalurgia Secundaria.
Afino Primario
Es la etapa en donde se funde la carga metálica (materia prima), y se extraen las
impurezas presentes en los materiales de la carga.
Las operaciones a realizar en esta etapa varían dependiendo de la materia prima
a utilizar:
Si la materia prima es arrabio, se realiza en un
convertidor (BOF) donde se le inyecta oxígeno a
presión y fundentes con el objeto de fundir la
carga metálica y causar las reacciones químicas
que separan las impurezas en forma de gases y
escoria.
Si la materia prima es HRD (Hierro de Reducción
Directa), se realiza en el Horno de Arco Eléctrico.
Metalurgia Secundaria
La Metalurgia Secundaria en Horno Cuchara también conocido como Horno Olla,
tiene como objetivos:
• El ajuste final de la composición química del acero a valores especificados
(mediante adición de ferroaleaciones).
• Profundizar la desulfuración del acero.
• Asegurar el tratamiento adecuado para cumplir con las condiciones de calidad
exigidas.
• Despachar el acero a la temperatura adecuada para su posterior colado.
Solidificación
La SolidificaciónSolidificaciónSolidificaciónSolidificación es un fenómeno de nucleación y crecimiento, donde un conjunto
de átomos toman una posición fija llamada núcleo. Es el proceso mediante el cual
se realiza la SolidificaciónSolidificaciónSolidificaciónSolidificación deldeldeldel Acero,Acero,Acero,Acero, que se describe como el cambio de estado de
la materia de líquido a sólido.
Para el caso del Hierro; de cada núcleo, surgen cristales que forman una red
cristalina que aumenta de tamaño. Estas partes de la masa se denominan Granos
de Material de los cuales dependerán las propiedades mecánicas del acero.
En Ternium, la solidificación del acero se realiza utilizando dos técnicas: ColadaColadaColadaColada
ContinuaContinuaContinuaContinua, para producir planchones y palanquillas y VaciadoVaciadoVaciadoVaciado por el fondo para
producir lingotes.
Colada Continua
El proceso de ColadaColadaColadaColada ContinuaContinuaContinuaContinua consiste en solidificar el acero líquido de manera
continua, desde la superficie al centro, obteniendo un planchón en el caso de los
productos planos o una palanquilla en el caso de los productos largos.
Vaciado por el Fondo
Esta técnica fue utilizada antes del desarrollo de la Colada Continua. Esta técnica
se usaba en la planta de Ternium Venezuela (Sidor) para producir lingotes de gran
diámetro (mayores a 500 mm.) que no se pueden obtener por el método de Colada
Continua.
Procesos en Ternium
Fases de Aceración
Los procesos de Aceración se dividen en las siguientes fases:
1. Preparación de la Materia Prima.
2. Fusión en el Horno de Arco Eléctrico.
3. Metalurgia Secundaria.
Preparación de la Materia Prima
El HRD llega desde las Plantas de Reducción
Directa por medio de cintas transportadoras,
para luego ser almacenado en silos de
atmósfera controlada de Nitrógeno para
evitar una reoxidación.
La chatarra es una de las materias primas
que se carga en el Horno de Arco Eléctrico ya
que aporta hierro metálico, este insumo se
recibe e inspecciona en los patios de la
planta, para luego ser transportado a los
hornos eléctricos, mediante cestas.
Las cales son utilizadas como fundentes en
distintas etapas del proceso de Aceración
con el objetivo de formar escorias y eliminar
impurezas, evitando el desgaste del
refractario del Horno en la etapa de Fusión.
Fase 1 Fase 1 Fase 1 Fase 1 ---- AceraciónAceraciónAceraciónAceración
Fusión en el Horno de Arco Eléctrico
Es la etapa en donde la carga metálica (HRD y chatarra) se funde por la descarga de
corriente eléctrica generada en los Hornos de Arco Eléctrico, convirtiéndola en acero
líquido. Antes de fundir la carga, es depositada y precalentada por los gases calientes
que provienen del interior del Horno Eléctrico.
El proceso de fusión en el Horno Eléctrico se realiza en tres importantes fases, las
cuales son:
Inicia cuando se genera el arco eléctrico entre los
electrodos y la carga metálica, produciendo suficiente
energía eléctrica para fundir la carga metálica.
Es la fase en donde se ajusta la temperatura y composición
química del Carbón en el baño de Acero, mediante un
sensor de inmersión.
Es la técnica de verter el acero líquido en un recipiente
denominado Olla, en donde se desoxida y homogeniza
preparándolo para la siguiente etapa.
Fusión
Refinación
Vaciado
Fase 2 Fase 2 Fase 2 Fase 2 ---- AceraciónAceraciónAceraciónAceración
Fusión
FusiónFusiónFusiónFusión 1111:::: Sobre acero fundido en una
colada previa que ayuda a fundir la
carga, se vacía la chatarra por medio de
una cesta hacia el horno, para luego
cerrar la tapa superior.
FusiónFusiónFusiónFusión 2222:::: Luego, los electrodos se
introducen a la bóveda del horno y junto
con una descarga eléctrica se genera el
arco dentro del horno el cual da inicio a
la fusión.
Fase 2 Fase 2 Fase 2 Fase 2 ---- AceraciónAceraciónAceraciónAceración
Fusión
FusiónFusiónFusiónFusión 3333:::: Los electrodos penetran en la
chatarra y el arco eléctrico se estabiliza,
logrando así que la fusión se mantenga.
En este momento, se agrega el HRD y la
cal de forma continua hasta completar la
carga.
FusiónFusiónFusiónFusión 4444:::: El arco eléctrico funde la carga
metálica formando un charco (baño) de
metal fundido. A este baño se le inyecta
Oxígeno y Carbón con lanzas coherentes
para formar la escoria espumosa que
protege a los refractarios de la radiación
del arco eléctrico.
Fase 2 Fase 2 Fase 2 Fase 2 ---- AceraciónAceraciónAceraciónAceración
Refinación
RefinaciónRefinaciónRefinaciónRefinación 5555:::: Al término del periodo de Fusión se obtiene
una muestra de acero para ser analizada en el Laboratorio
Químico y definir las desviaciones contra las
especificaciones requeridas.
RefinaciónRefinaciónRefinaciónRefinación 6666:::: Una vez analizada la muestra se ajusta el
nivel de Carbón del baño de acero inyectando Oxígeno y/o
Carbón. La medición del contenido de Carbón se
determina indirectamente por medio de un sensor de
inmersión que registra el contenido de Oxígeno disuelto en
el acero líquido el cual está en equilibrio con el Carbón.
RefinaciónRefinaciónRefinaciónRefinación 7777:::: Además del Carbón, se ajusta la temperatura
del baño mediante la alimentación del HRD para
disminuirla o a través del arco eléctrico para
incrementarla. La temperatura que alcanza el acero en el
horno eléctrico oscila entre los 1,590°C y 1,630°C.
Fase 2 Fase 2 Fase 2 Fase 2 ---- AceraciónAceraciónAceraciónAceración
Vaciado
VaciadoVaciadoVaciadoVaciado 8888:::: Una vez que se concluye el tratamiento en el
horno, el acero es vaciado a un contenedor denominado
olla, que en lo sucesivo será el medio de transporte del
acero líquido por el resto de las etapas en el proceso de
aceración.
VaciadoVaciadoVaciadoVaciado 9999:::: El proceso de Fusión es altamente oxidante por
lo que el acero producido requiere ser desoxidado. En el
proceso de vaciado del horno a la olla se adiciona
Aluminio como elemento desoxidante junto con
ferroaleaciones, en una cantidad que depende del grado
de acero a fabricar.
Fase 2 Fase 2 Fase 2 Fase 2 ---- AceraciónAceraciónAceraciónAceración
Metalurgia Secundaria
Su propósito es lograr que el acero cuente con las características químicas
específicas y que alcance la temperatura de tratamiento final para su envío a la
Colada Continua, además de flotar las inclusiones para obtener un acero limpio.
El proceso inicia con la inyección de Argón por el fondo de la olla provocando un
agitado controlado para ayudar a la flotación de inclusiones, a desulfuración y la
homogenización térmica.
El control de agitación del Argón, se mantiene durante todo el proceso.
Fase 3 Fase 3 Fase 3 Fase 3 ---- AceraciónAceraciónAceraciónAceración
Etapas de Solidificación
En Ternium México, la solidificación del acero se realiza utilizando la técnica de
Colada Continua para producir planchones y palanquillas.
La secuencia de operaciones en Colada Continua en el proceso de producción de
planchones consta de cuatro etapas.
1.1.1.1. Vaciado de la Olla al Distribuidor.Vaciado de la Olla al Distribuidor.Vaciado de la Olla al Distribuidor.Vaciado de la Olla al Distribuidor.1. Vaciado de la Olla al Distribuidor.
2.2.2.2. Solidificación en Molde.Solidificación en Molde.Solidificación en Molde.Solidificación en Molde.
1. Vaciado de la Olla al Distribuidor.
2. Solidificación en Molde.
3.3.3.3. Enfriamiento del Acero.Enfriamiento del Acero.Enfriamiento del Acero.Enfriamiento del Acero.
1. Vaciado de la Olla al Distribuidor.
2. Solidificación en Molde.
3. Enfriamiento del Acero.
4.4.4.4. Corte en Planchones y Entrega al Horno Túnel.Corte en Planchones y Entrega al Horno Túnel.Corte en Planchones y Entrega al Horno Túnel.Corte en Planchones y Entrega al Horno Túnel.
Vaciado de la Olla al Distribuidor
Es la técnica de descargar el acero líquido proveniente de la Metalurgia
Secundaria en un distribuidor, por medio de un dispositivo llamado Torreta
Giratoria.
Este dispositivo, permite el cambio de Ollas para dar continuidad al proceso de
Colada Continua.
En la carga al distribuidor, la Olla descarga el acero por el fondo a través de tubos
refractarios que protegen el acero líquido del contacto con la atmósfera y evitan así
la reoxidación, ya que la reoxidación generaría inclusiones u óxidos atrapados en el
acero.
Etapa 1Etapa 1Etapa 1Etapa 1---- SolidificaciónSolidificaciónSolidificaciónSolidificación
Solidificación en Molde
La Solidificación se realiza en moldes de cobre de alta pureza recubiertos con
Níquel en su parte inferior. Los moldes definen la forma, dimensiones y calidad
superficial de los planchones a producir.
El proceso de Solidificación se lleva a cabo de la siguiente manera:
Etapa 2Etapa 2Etapa 2Etapa 2---- SolidificaciónSolidificaciónSolidificaciónSolidificación
Colada Continua
El cucharón es llevado por una grúa hasta la Máquina de Colada Continua. El
acero del cucharón fluye al distribuidor y comienza a alimentar las dos líneas de
Colada Continua.
Etapa 3Etapa 3Etapa 3Etapa 3---- SolidificaciónSolidificaciónSolidificaciónSolidificación
Colada Continua
Se cierran los moldes por el fondo, con un dispositivo denominado barra falsa.
Desde el distribuidor, el acero ingresa a los moldes, los cuales definen el ancho y el
espesor que tendrán los planchones al salir.
Etapa 3Etapa 3Etapa 3Etapa 3---- SolidificaciónSolidificaciónSolidificaciónSolidificación
Colada Continua
El acero líquido fluye a molde refrigerado por agua. Para controlar la distribución
se utiliza una barra tapón que se mueve de arriba a abajo, produciendo un flujo
regular.
Etapa 3Etapa 3Etapa 3Etapa 3---- SolidificaciónSolidificaciónSolidificaciónSolidificación
Colada Continua
Continuamente se recubre el acero con un “polvo colador”, que posee
propiedades aislantes, lubricantes y reguladoras de calor. Los moldes se someten a
un movimiento de oscilación vertical, para aumentar el contacto entre el polvo
colador y la superficie del acero.
Etapa 3Etapa 3Etapa 3Etapa 3---- SolidificaciónSolidificaciónSolidificaciónSolidificación
Colada Continua
El acero sale del molde por la acción de rodillos extracto - enderezadores. En el
caso de la primera colada, la barra falsa es extraída por los rodillos y el acero se
adhiere a la punta de la barra falsa, lo cual le permite salir por debajo del molde.
Etapa 3Etapa 3Etapa 3Etapa 3---- SolidificaciónSolidificaciónSolidificaciónSolidificación
Colada Continua
Una vez fuera del molde, el acero es contenido por los segmentos guías para
evitar que la piel solidificada se deforme. A medida que desciende en forma curva y
adopta la posición horizontal, se le aplica un rociado con agua para lograr que
alcance la solidificación.
Etapa 3Etapa 3Etapa 3Etapa 3---- SolidificaciónSolidificaciónSolidificaciónSolidificación
Colada Continua
Al final de cada línea, se utilizan sopletes para cortar el acero solidificado y
obtener planchones con las dimensiones especificadas.
Etapa 3Etapa 3Etapa 3Etapa 3---- SolidificaciónSolidificaciónSolidificaciónSolidificación
Corte de Planchones y Entrega al Horno Túnel
El acero solidificado es cortado con una guillotina mecánica para dividirlo en
planchones, con una longitud predefinida dependiendo del peso final del rollo a
fabricar.
En Ternium México el proceso de Aceración y Solidificación se enlaza
directamente con el proceso de Laminación. Es decir, los planchones pasan
directamente de la Colada Continua al Horno Túnel con la mayor concentración de
calor posible, logrando importantes ahorros de energía.
Etapa 4Etapa 4Etapa 4Etapa 4---- SolidificaciónSolidificaciónSolidificaciónSolidificación
En Ternium México, los procesos de Aceración y Solidificación generan productos
semi-elaborados llamados planchones y palanquillas.
Productos Fabricados
Espesor estándar: 54 mm.
Ancho: 915 – 1,372 mm.
Largo: 24 – 44 m.
Ancho: 130 mm.
Largo: 9 – 15 m.
Es un horno en forma de pera que está forrado con refractario de línea ácida o
básica. El convertidor se carga con chatarra fría y se le vacía arrabio derretido,
posteriormente se le inyecta aire a alta presión con lo que se eleva la temperatura
por arriba del punto de fusión del hierro, haciendo que este hierva. Con lo anterior
las impurezas son eliminadas y se obtiene acero de alta calidad. Este horno ha sido
substituido por el BOF.
Ventajas:
• Reducir el tiempo para refinar hierro.
• No es un proceso costoso (ya que no requiere de combustible).
Desventajas
• Este proceso no elimina todas las impurezas, por ejemplo el azufre y el fósforo.
• El proceso de oxidación se produce muy rápidamente y es difícil de controlar la
composición del producto final.
• El producto final puede resultar no homogéneo en lo que se refiere a su
composición.
Horno Bessemer
Para solventar este problema, Thomas (1887) introdujo una modificación
consistente en cambiar el recubrimiento interior de sílice por uno de dolomita, con
lo que al quemarse el fósforo se forma una escoria de fosfato cálcico. Los factores
indicados hacen que los aceros obtenidos por este procedimiento sean de baja
calidad, pero más barato.
Los productos obtenidos se emplean para la fabricación de viga para la
construcción u otros materiales que no requieran buenos tipos de aceros.
Horno Bessemer
Es un horno en forma de pera que puede producir una cantidad
aproximadamente de 300 toneladas de acero en alrededor de 45 minutos.
El horno se inclina desde su posición vertical y se carga con chatarra de acero fría
(cerca de un 25%) y luego con hierro derretido, después de ser devuelto a su
posición vertical, se hace descender hacia la carga una lanza de oxígeno
refrigerada por agua y se fuerza sobre ella un flujo de oxígeno puro a alta velocidad
durante 20 minutos. Este actúa como fuente de calor y para la oxidación de las
impurezas.
Tan pronto como el chorro de oxígeno comienza, se agrega la cal y otros
materiales fundentes. La reacción química resultante desarrolla una temperatura
aproximada de 1,650º C. El oxígeno se combina con el exceso de carbono
acabando como gas y se combina también con las impurezas para quemarlas
rápidamente. Su residuo es absorbido por la capa flotante de escoria.
Después de haberse completado la inyección de oxígeno, se analiza el contenido
de carbono y la composición química de diversas muestras de la masa fundida.
Horno Básico de Oxígeno (BOF)
Cuando la composición es correcta, el horno
se inclina para verter el acero fundido en una
olla de colada.
Aunque se pueden producir algunos aceros
de aleación con este proceso, el ciclo de
tiempo aumenta considerablemente,
eliminando así su ventaja principal.
Consecuentemente, el proceso de oxígeno
básico, como el del hogar abierto, se emplea
generalmente para producir altos tonelajes de
acero con un bajo nivel de carbono, que son
los de mayor consumo. Estos aceros con bajo
nivel de carbono se utilizan para barras,
perfiles y planchas gruesas y delgadas.
Horno Básico de Oxígeno (BOF)
El Horno de Hogar Abierto semeja un horno enorme, y se le denomina de esta
manera porque contiene en el hogar (fondo) una especie de piscina larga y poco
profunda (6 metros de ancho, por 15 metros de largo, por 1 metro de profundidad,
aproximadamente).
El horno se carga en un 30% a un 40% con chatarra y piedra caliza, empleando
aire pre-calentado, combustible líquido y gas para la combustión, largas lenguas de
fuego pasan sobre los materiales, fundiéndolos. Al mismo tiempo, se quema (o se
oxida) el exceso de carbono y otras impurezas como el fósforo, silicio y manganeso.
Este proceso puede acelerarse introduciendo tubos refrigerados por agua
(lanzas), los que suministran un grueso flujo de oxígeno sobre la carga.
Periódicamente, se revisan muestras de la masa fundida en el laboratorio para
verificar la composición empleando un instrumento denominado espectrómetro.
También se determinan los niveles de carbono.
Horno de Hogar Abierto
Si se está fabricando acero de
aleación, se agregarán los elementos
de aleación deseados. Cuando las
lecturas de composición son correctas,
el horno se cuela y el acero fundido se
vierte en una olla de colada.
El proceso completo demora de
cinco a ocho horas, mientras que el
Horno de Oxígeno Básico produce la
misma cantidad de acero en 45
minutos aproximadamente. Debido a
esto, este horno ha sido virtualmente
reemplazado por el de Oxígeno Básico.
Horno de Hogar Abierto
Estos hornos pueden ser de varios tipos, en realidad puede
ser cualquier horno al que por medio de aire u oxígeno se
obtenga hierro con carbón controlado.
Sin embargo se pueden mencionar dos de los hornos más
conocidos para este fin:
• Horno de Inducción.
• Horno de Aire o Crisol.
Hornos de Refinación
Un Horno de inducción es aquel en el que el calor es generado por calentamiento, por
la inducción eléctrica de un medio conductivo (un metal) en un crisol, alrededor del cual
se encuentran enrolladas bobinas magnéticas.
El principio de calentamiento de un metal por medio de la inducción fue descubierto
por Michael Faraday en 1831 mientras se encontraba experimentando en su
laboratorio.
Una ventaja del horno de inducción es que es limpio, eficiente desde el punto de vista
energético, y es un proceso de fundición y de tratamiento de metales más controlable
que con la mayoría de los demás modos de calentamiento. Otra de sus ventajas es la
capacidad para generar una gran cantidad de calor de manera rápida.
Las fundiciones más modernas utilizan este tipo de horno y cada vez más fundiciones
están sustituyendo los altos hornos por los de inducción, debido a que aquellos
generaban mucho polvo entre otros contaminantes. El rango de capacidades de los
hornos de inducción abarca desde menos de un kilogramo hasta cien toneladas y son
utilizados para fundir hierro y acero, cobre, aluminio y metales preciosos.
Horno de Inducción
Uno de los principales inconvenientes de
estos hornos es la imposibilidad de
refinamiento; la carga de materiales ha de
estar libre de productos oxidantes y ser de una
composición conocida y algunas aleaciones
pueden perderse debido a la oxidación (y
deben ser re-añadidos).
Un horno de inducción en funcionamiento
normalmente emite un zumbido, silbido o
chirrido (debido a la magnetostricción), cuya
frecuencia puede ser utilizada por los operarios
con experiencia para saber si el horno funciona
correctamente o a qué potencia lo está
haciendo.
Los productos son aceros de alta calidad o
con aleaciones especiales.
Horno de Inducción
Es el proceso más antiguo que existe en la fundición, también se le conoce como
horno de aire. Este equipo se integra por un crisol de arcilla y grafito, los que son
extremadamente frágiles, los crisoles se colocan dentro de un confinamiento que
puede contener algún combustible sólido como carbón o los productos de la
combustión.
Los crisoles son muy poco utilizados en la actualidad excepto para la fusión de
metales no ferrosos, su capacidad fluctúa entre los 50 y 100 kgs.
Horno de Aire o Crisol
Son equipos muy económicos y de poco mantenimiento, se utilizan para
hacer fundición de hierros colados.
Consisten en un tubo de más de 4 metros de longitud y pueden tener desde
0.8 a 1.4 metros de diámetro, se cargan por la parte superior con camas de
chatarra de hierro, coque y piedra caliza.
Para la combustión del coque se inyecta aire con unos ventiladores de alta
presión, este accede al interior por unas toberas ubicadas en la parte inferior
del horno. También estos hornos se pueden cargar con pellets de mineral de
hierro o pedacería de arrabio sólido.
Por cada kilogramo de coque que se consume en el horno, se procesan de 8
a 10 kilogramos de hierro y por cada tonelada de hierro fundido se requieren
40 kgs. de piedra caliza.
Horno de Cubilote
Los hornos de cubilote pueden
producir colados de hasta 20
toneladas cada tres horas. Este
tipo de equipo es muy parecido al
alto horno, sólo sus dimensiones
disminuyen notablemente.
El mayor problema de estos
hornos es que sus equipos para el
control de emisiones
contaminantes es más costoso
que el propio horno, por ello no se
controlan sus emisiones de polvo
y por lo tanto no se autoriza su
operación.
Horno de Cubilote