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Aceración Hornos

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acero

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Page 1: Aceración Hornos

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Page 2: Aceración Hornos

Contenido

1. Introducción.

2. Fases de Aceración.

3. Etapas de Solidificación.

4. Tipos de hornos.

Page 3: Aceración 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.

Page 4: Aceración Hornos

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.

Page 5: Aceración Hornos

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.

Page 6: Aceración Hornos

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.

Page 7: Aceración Hornos

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.

Page 8: Aceración Hornos

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.

Page 9: Aceración Hornos

Procesos en Ternium

Page 10: Aceración Hornos

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.

Page 11: Aceración Hornos

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

Page 12: Aceración Hornos

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

Page 13: Aceración Hornos

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

Page 14: Aceración Hornos

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

Page 15: Aceración Hornos

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

Page 16: Aceración Hornos

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

Page 17: Aceración Hornos

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

Page 18: Aceración Hornos

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.

Page 19: Aceración Hornos

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

Page 20: Aceración Hornos

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

Page 21: Aceración Hornos

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

Page 22: Aceración Hornos

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

Page 23: Aceración Hornos

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

Page 24: Aceración Hornos

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

Page 25: Aceración Hornos

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

Page 26: Aceración Hornos

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

Page 27: Aceración Hornos

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

Page 28: Aceración Hornos

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

Page 29: Aceración Hornos

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.

Page 30: Aceración Hornos

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

Page 31: Aceración Hornos

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

Page 32: Aceración Hornos

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)

Page 33: Aceración Hornos

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)

Page 34: Aceración Hornos

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

Page 35: Aceración Hornos

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

Page 36: Aceración Hornos

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

Page 37: Aceración Hornos

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

Page 38: Aceración Hornos

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

Page 39: Aceración Hornos

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

Page 40: Aceración Hornos

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

Page 41: Aceración Hornos

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