CIENCIA DE LOS MATERIALES 20102010 SIDERURGIA

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Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

CIENCIA DE LOS MATERIALESCIENCIA DE LOS MATERIALES20102010

Ciencia de los MaterialesIngeniería Industrial

Universidad Tecnológica NacionalFacultad Regional Buenos Aires

SIDERURGIASIDERURGIA


MINERALES DE HIERROMINERALES DE HIERRO

• Principales Minerales de Hierro

Mineral de Hierro Fórmula Química Denominación

Hematita Fe2O3 Oxido Férrico

Magnetita Fe3O4 Oxido Ferroso-Férrico

Ilmenita FeTiO3 Oxido de Hierro- Titanio



Limonita FeO Oxido Ferroso

Siderita FeCO3 Carbonato de Hierro

Pirita FeS2 Sulfuro de Hierro


CICLO METALÚRGICOCICLO METALÚRGICO

DEPÓSITO

Mena

Minerales

+

TRATAMIENTO PREMETALÚRGICO

ACONDICIONAMIENTO

ENRIQUECIMIENTO

REDUCCIÓN

ALTO HORNO

•Fundentes•Coque•Mineral de Hierro•Arrabio•C = 3.0 a 4.0 %

ACERACIÓN

CONVERSIÓN (Inyección aire)

•Bessemer y Thomas

INYECCIÓN OXÍGENO

LD LD AC K ld

COLADA

LINGOTERA

Lingotes

COLADA CONTINUA

DEFORMACIÓN PLÁSTICA

DESBASTE

SEMIPRODUCTO

Pl h ó



Ganga

AGLOMERACIÓN

REDUCCIÓN DIRECTA

•Hierro Esponja•C = 0.5 a 0.9 %

LM Fe ≥ 90 %

•LD, LD-AC, Kaldo-Rotor

SOLERA

•Abierta•Siemens Martin

HORNO ELÉCTRICO

•Arco•Inducción

Semiproducto •Plano: chapón•No Plano: palanquilla

PRODUCTO FINAL

Materia: Ciencia de los MaterialesComplemento (Gráficos) - Clase de Siderurgia

SiderurgiaMaterial preparado por: Ing. Diego F. Zalcman 1 de 15

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PROCESOS PREMETALÚRGICOSPROCESOS PREMETALÚRGICOS

• Acondicionamiento

• Reducción y Selección de Tamaño de Partícula

• Trituración

• Molienda



Trituradora de Mandíbulas Trituradora de Cilindros Trituradora a Rotación Excéntrica



• Acondicionamiento

• Selección de Tamaño de Partícula

• Trituración

• Molienda



Molino de Bolas

Perfil de caída



• Enriquecimiento – Vía Mecánica

• Separación Magnética

• Se basa en la existencia de compuestos que pueden seratraídos por campos magnéticos y separados así, delresto del mineral



Separador Rotativo Separador Magnético



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• Enriquecimiento – Vía Térmica

• Calcinación

• Se realiza en minerales a base de Carbonatos

CO3Fe + ∅ → CO2 + FeO reacción endotérmica

56



56LMCO3Fe =

(12 + 3 * 16 + 56)48 %=

56LMFeO =

56 + 1678 %=

Horno de Calcinación




• Tostación

• Se realiza en minerales a base de Sulfuros

SFe + 2 O2 → SO4Fe + ∅ reacción exotérmica

SO4Fe + ∅ → SO2 + ½ O2 + FeO



SFe (Sulfuro Ferroso) es una impureza que desmejoralas propiedades mecánicas y tiende a la fragilización

56LMSFe =

32 + 5663 %=

56LMFeO =

56 + 1678 %=




• Tostación

El SO2 es contaminante ∴ hay que tratarlo

SO2 + ½ O2 → SO3 + H2O → H2SO4



Horno de Soleras



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• Sinterización

• Es un proceso en contracorriente entre gases y sólidos donde la mezcla deminerales de Hierro y Coque se cargan en una parrilla, haciéndolo pasarpor un quemador

• El Coque de la mezcla, se calienta e inflama consumiéndose totalmente

• El calor producido por la combustión del Coque, funde parcialmente elmaterial facilitando su aglomeración



Dwight - Lloyd

g

• La combustión del Coque semantiene por intermedio de lasucción de aire, debajo de la parrilla

• El Sinter formado cae a través deuna tolva que va a una trituradora,que rompe la masa en trozos máspequeños



• Pelletización

• Es un proceso de cohesión de partículas (esferas ó pelotitas) que se realizaen Tambores de Aglomeración ó Discos de Aglomeración utilizandoBentonita

• El endurecimiento de las pelotitas se realiza por Trat. Térmico óincorporación de un aglomerante

Bentonita:



Silicato Cálcico (SiO3Ca) ó Sódico (SiO3Na)

• Higroscópica

• Gran poder de hinchamiento

Disco de Aglomeración

Tambor de Aglomeración


PROCESOS DE REDUCCIÓNPROCESOS DE REDUCCIÓN

• Esquema del Proceso de Reducción





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PROCESOS DE REDUCCIÓNPROCESOS DE REDUCCIÓN

• Combustibles Sólidos

Origen Tipo Poder Calorífico

Naturales

Madera 2000 a 3000 Kcal/Kg

Turba 3200 a 3800 Kcal/Kg

Lignito 1800 a 5200 Kcal/Kg



Naturales

Carbones Bituminosos 7000 a 7500 Kcal/Kg

Antracita 7500 a 8200 Kcal/Kg

ArtificialesCarbón Vegetal 6000 a 7000 Kcal/kg

Coque 7000 a 7500 Kcal/kg


COQUERÍACOQUERÍA

• ¿ Qué es la Coquización?

• Es el proceso mediante el cual, se obtiene Coque, comoresultado de la combustión en ausencia de aire de uncarbón ó mezcla de carbones



Baterías de Hornos de Coquización


FUNCIONES DEL COQUE DENTRO DEL ALTO HORNO

Sostén de Carga

CombustibleFormador de Intersticios

SUSTITUIBLES

Reductor Carburante

INSUSTITUIBLES

Provee el calor necesario para la fusión de los ó id d hi

Permite generar el CO necesario para reducir i di t t l

Provee el C que está presente en el Arrabio

Permite soportar la mayor parte del peso de la

d l AH

Los intersticios son los canales por los que pasa l d t



óxidos de hierro y fundentes

indirectamente el mineral (por debajo de los 1000 °C) y para reducir directamente (zona de toberas)

carga del AH el gas reductor hacia la parte superior del AH, es decir, el coque hace posible la permeabilidad en la zona donde comienza el ablandamiento de los minerales (zona pastosa)

El Coque se consume de la siguiente manera: • Pasa al Arrabio aumentando el % C al 3 – 4 %• Se transforma en CO2 y CO



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Material preparado por: Ing. Diego F. ZalcmanALTO HORNOALTO HORNO

• Partes Principales

m Temp.[°C]150

600

50

Cuba

Tragante



2000

1400

80020

∅ 8 m

Cuba

Vientre

Etalaje

Crisol

Caja de Viento


ALTO HORNOALTO HORNO

• Detalle del Tragante

Tragante de Doble Campana





• Entradas y Salidas

Mineral de HierroPelletSinter

Fundente

Coque Metalúrgico

Gas de Alto HornoE Entrada



Aire Caliente por las Toberas

Arrabio Líquido

Escorias Líquidas

S Salida



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Material preparado por: Ing. Diego F. ZalcmanALTO HORNOALTO HORNO

• Principales Reacciones

Cuba

Corriente gaseosa

ascendente de CO

Corriente sólida

descendente

Reacciones de Reducción

3 Fe2O3 + CO → 2 Fe3O4 + CO2

Fe3O4 + CO → 3 FeO + CO2

FeO + CO → Fe + CO2



Cuba

Vientre

Etalaje

Crisol



1. Tubo de entrada de gas al AH2. Cámara de Combustión3. Material que absorbe el calor, formado

por conductos verticales de ladrillos refractarios

4. Entrada de aire frío5. Válvula reguladora del aire que activa

la combustión del gas6 Salida de aire caliente del AH



6. Salida de aire caliente del AH

Torre de Cowper


REDUCCIÓN DIRECTAREDUCCIÓN DIRECTA

• Horno de Cuba – Proceso MIDREX

Gas Reductor

Mineral de HierroPellets

Lavador de

Gas Natural

Reforming

Horno de Cuba

Gas de TopeLavador de Gases

Gas de Combustión

Sistema de Procesamiento de Gas

Ventilador de Aire Principal

Proceso de GasCompresores



Hierro de Reducción Directa

Gas Natural

Lavador de Gases

Gas de EnfriamientoCompresor

Aire de Combustión

Gas Natural+ O2

Gas de Combustión

Gas de Alimentación

Gas Combustible

Recuperación de Calor

Chimenea

Principal

MIDREX



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ALTO HORNO ALTO HORNO –– MÓDULO DE REDUCCIÓN DIRECTAMÓDULO DE REDUCCIÓN DIRECTA

• Comparación entre los Productos Obtenidos

Característica Arrabio Hierro de Reducción Directa (HRD)

Estado de Obtención Líquido Sólido

Grado de Reducción 100 % 80 a 95 %

Contenido de C 3 a 4 % 1 % (máx 2 %)



Contenido de C 3 a 4 % 1 % (máx. 2 %)

Ganga se separa vía escoria queda en el HRD

Elementos Indeseables

partición Arrabio - Escoria permanecen en el HRD


PROCESOS DE ACERACIÓNPROCESOS DE ACERACIÓN

CONVERSIÓN

BESSEMER

THOMAS

LD

LD - AC

INYECCIÓN DE AIRE

INYECCIÓN DE OXÍGENO

ÁCIDO

BÁSICO

BÁSICO

Aceros Comunes, especialmente de

Bajo Carbono

(el oxígeno entra en contacto directo con

el baño metálico)



SOLERA

KALDO - ROTOR

SIEMENS - MARTIN

ARCO

INDUCCIÓN DE AF

ABIERTA

HORNO ELÉCTRICO

Aceros de Medio ó Alto Carbono y de Baja Aleación

Aceros de Alta Aleación

(el medio de aporte térmico es la energía eléctrica ∴ no hay

influencia de oxígeno)


ACERACIÓNACERACIÓN

• Convertidor Bessemer – Año 1850

• Proceso de Afino

• Carga con arrabio líquido (posición inclinada)

• Inyección de aire por el fondo (posición vertical)

• Vaciado de acero líquido (bruto)



• Características

• Convertidor basculante

• Revest. refractario ácido (SiO2)

• Proceso de oxidación efectivo para eliminar Si, Mn y C

• El arrabio utilizado debe contener bajos porcentajes deP y S



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• Convertidor Thomas – Año 1879

• Proceso similar al Bessemer con introducción de mejoras

• Incorporación de un fundente de carácter básico (CaO)que permite el afino de arrabios fundidos a partir deminerales con alto porcentaje de Fósforo (> 1,20 %)





• Revest. refractario básico, dolomítico, (Ca,Mg)CO3

• Proceso de oxidación efectivo para defosforar

• La oxidación del Fósforo es la principal fuente de calordel proceso, por este motivo, el porcentaje de este,debe ser relativamente elevado



• Convertidor al Oxígeno Básico (COB) - Año 1952

• Objetivo

• Afinar el arrabio producido en el Alto Horno, en acerolíquido bruto, que posteriormente podrá ser refinadonuevamente por Metalurgia Secundaria

• Principales Funciones



Principales Funciones

• Decarburación

• Eliminación de Fósforo del arrabio

• Optimización de la temperatura del acero



• Convertidor al Oxígeno Básico – LD (Linz – Donawitz / Austria)



• Revestimiento refractario básico

• Inyección de Oxígeno puro sobre la superficie del bañolíquido mediante una lanza



líquido mediante una lanza

• El ambiente oxidante y la escoria básica favorecen laeliminación de Fósforo

• Las reacciones exotérmicas de oxidación que ocurrendurante el proceso, generan una cantidad importante deenergía térmica adicional, que se utiliza para fundir lachatarra y/ó adiciones de mineral de hierro



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• Convertidor al Oxígeno Básico - LD

Lanza de Oxígeno

Cuchara de Carga de Arrabio

Chatarra y Fundente



Convertidorde Arrabio

Cuchara de Escoria

Cuchara



• Convertidor al Oxígeno Básico – LD


C + ½ O2 → CO

Si + O2 → SiO2

2 P + 5/2 O2 → P2O5

Superficie de intercambio Gas - Metal

Escoria

Proyecciones de Metal



Mn + ½ O2 → MnO

Fe + ½ O2 → FeO

CaOIB =

SiO2

> 1 ∴ Escoria Básica= 1 ∴ Escoria Neutra< 1 ∴ Escoria Acida

Corte de un Convertidor LD

GasesMetal

Proyecciones de Metal - Escoria



• Convertidor LD – AC

• Es una variante del Convertidor LD

Lanza de OxígenoLanza de

CaO


• Inyección simultánea de Oxígenopuro y CaO pulverizado parafavorecer la cinética del proceso



favorecer la cinética del proceso

• Producción: 160 Tn/25 min.



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• Horno Siemens - Martin – Año 1840


• Horno de Solera con ladrillos refractarios (Reverbero)

• Sistema de recuperación de calor que permite que el aire y losgases empleados para la combustión sean precalentados

• Las reacciones son menos



• Las reacciones son menosenérgicas, dado que elaire no atraviesa la masalíquida



• Horno Siemens - Martin

• Entradas

• Arrabio proveniente del Alto Horno

• Chatarra y Mineral de Hierro

• Caliza

• Salidas



Salidas

• Acero líquido

• Escoria



• Horno Eléctrico de Arco


• Posee electrodos de grafito

• Utiliza energía eléctrica para generar un arco eléctrico yfundir la carga

I i T ló i



• Innovaciones Tecnológicas

• Desarrollo de nuevos métodos de fusión, como el de laescoria espumosa

• Reemplazo de materiales refractarios básicos porpaneles refrigerados por agua

• Paredes metálicas y bóvedas refrigeradas por agua



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• Adición de Carbón pulverizado y Oxígeno mediante unalanza

• El insuflado de Oxígeno, permite:

• Una rápida oxidación de los elementos indeseables, condisminución del contenido de Carbono



• Formación de una escoria espumosa

• Elevar la temperatura del proceso

• Reducir el consumo de energía eléctrica

• Disminuir el tiempo de operación

• Colada excéntrica por el fondo

Material preparado por: Ing. Diego F. ZalcmanACERACIÓNACERACIÓN• Horno Eléctrico de Arco

Entrada

• Chatarra• DRI ó HRD• Cal para la formación de la escoria básica



Temp. Arco ≅ 3000 °CPotencia del

Tranformador

100 a 700 KVA/t






Colada Excéntrica por el Fondo Colada por Piquera

• Tap to Tap: 45 a 60 min.



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• Horno Eléctrico


• Formación de la Escoria

2 (CaO) + [Si] + 2 [O] → (2CaO.SiO2)

[Mn] + [O] → (MnO)



• Decarburación

[C] + [O] → CO

• Defosforación

2 [P] + 5 [O] + 3 (CaO) → (3CaO.P2O5)

(Escoria) ; [Baño Metálico]


METALURGIA DE CUCHARAMETALURGIA DE CUCHARA

• Desoxidación con Al y Si

• Desulfuración con Mn

• Trat. de inclusiones con Ca

• Aleación y ajuste de composición química

• Desgasificación con A B

COB



burbujeo de gas inerte (Ar)

• Homogeneización química y térmica

• Ajuste de temp. finalHorno de Cuchara

Acero Base

HE


METALURGIA DE CUCHARAMETALURGIA DE CUCHARA

• Horno de Cuchara


• Desoxidación

Ferrosilicio [Si] + 2 [O] → (SiO2)

Aluminio 2 [Al] + 3 [O] → (Al2O3)



• Desulfuración

Ferromanganeso [S] + [Mn] → (MnS)

Cal [S] + [CaO] → (CaS) + [O]

(Escoria) ; [Baño Metálico]



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COLADACOLADA

• Colada convencional para producción de Lingotes

Lingote en proceso de

Colada Directa

Colada Indirecta



Placa de Base

Lingotera

psolidificación


COLADACOLADA

• Colada convencional para producción de Lingotes

Abi t i T C T ó Abierta sin Tapa Cerrada en el Con Tapón en



Representación esquemática de diversos tipos de formatos de secciones longitudinales y transversales de lingoteras

Paredes Lisas

Abierta sin Tapa

Lingotera Directa Lingotera Invertida

Con Tapón Abierta sin Tapa

Paredes Cóncavas Paredes Corrugadas Paredes Acanaladas

Cerrada en el Fondo

Con Tapón en el Fondo


COLADACOLADA

• Colada Continua

Cuchara

Distribuidor

Colada Continua Vertical - Curva

Colada Continua Curva



Molde

Sist. de Corte

Enfriamiento con Rociadores de

Agua

Rodillos Soporte

Tren de Enderezado



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DEFORMACIÓN PLÁSTICADEFORMACIÓN PLÁSTICA

• Laminación





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