SEPARATA N 14 METALURGIA SECUNDARIA Y TERCIARIA EN APOYO CURSO DE SIDERURGIA II FECHACONTENIDO DE INDICEMETALURGIA SECUNDARIA Y TERCIARIADESARROLLOANTECEDENTES HISTRICOSPor la mitad del s. XIX aparecen mtodos y equipos de fabricacin de acero. Primero la optimizacin del horno alto, equipos y preparacin de cargas, sustitucin del carbn vegetal por el coque.La optimizacin comenz a principios del s. XIX, simultneamente se produjo la aparicin de los convertidores, Bessemer, Thomas despus, esto hizo posible la fabricacin masiva de acero a partir del arrabio de los hornos altos. Esto gener, grandes cantidades de chatarra.Aparecen casi simultneamente los hornos Siemens-Martin permite reciclar esa chatarra, a la vez que podan actuar como unidades de conversin de arrabio en acero en serie con el horno alto.

De esta forma surgieron las tres vas clsicas de fabricacin de acero:1. Mineral Horno Alto Arrabio convertidor Acero lquido.2. Mineral Horno Alto Arrabio Siemens Acero lquido3. Chatarra (y a veces arrabio y mineral) Siemens Acero lquido

Al inicio el s. XX se desarroll la electricidad industrial que propici la aparicin de los EAF y los de induccin. Por la mitad de este siglo se mejoraron estos equipos, junto con aumento de tamao de los mismos. Se lleg a EAF (Hornos Elctricos de Arco) de hasta 300 t de capacidad.Costo de fabricacin de acero en EAF era bastante elevado, esto hace adecuados fabricacin de aceros aleados, de alto valor aadido.El perfeccionamiento producido en los Hornos y operacin, hizo que la acera llegue a competir con la siderurgia integral (horno alto convertidor) no slo en calidad sino en costos. A pesar de la irrupcin en la dcada de los 50s de los oxiconvertidores (LD y sus derivados) desarrollados en Austria.

A mediados del s. XX, empieza a desaparecer paulatinamente los hornos Siemens-Martin, no podan competir en productividad con los convertidores ni en calidad con los hornos de arco. Por otro lado, los problemas medioambientales que generaban los hornos de llama (lluvia cida provocada por el SO2 derivado de combustibles de baja calidad), como es el caso del Siemens, aceleraron su desaparicin.

SIDERURGIA MODERNAPor la segunda mitad del siglo XX se pusieron en juego esfuerzos considerables en la exploracin y desarrollo de equipos y procesos de acera elctrica; el EAF lleg a cifras inverosmiles bajas de consumo de energa y electrodos, as como la duraciones de colada tap-to-tap que no llegan a una hora, puede verse en el cuadro de la figura 1.1.A partir de 1993 la Acera LD de SIDERAR inicia un plan sostenido del incremento de su produccin cuyos parmetros ms sobresalientes se resumen en la siguiente tabla:Ao 1993Ao 2000

Produccin anual(Tn/Ao)900.0002.300.000

Soplo de O2 (Nm3/min)540630

Tap to Tap (min)4534

Horno CucharaNoSi

Principal espesor de colado (mm)180200

Velocidad de colado (m/min)

1,31,65

FIGURA 1.1: AVANCES EN HORNO ELCTRICOHasta entonces la colada se efectuaba ntegramente en el horno de arco, segn la secuencia normativa:Carga (chatarra + escorificantes)

Fusin

Perodo oxidante (descarburacin + defosforacin)

Desescoriado

Perodo reductor (desoxidacin + desulfuracin)

Ajuste de composicin

Basculacin del horno a la cuchara

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

En la dcada de los 60s aparecen los transformadores UHP (ultra alta potencia), con lo cual los hornos de arco, al igual que anteriormente lo hicieron los oxiconvertidores se convierten en mquinas de fundir y oxidar, transfiriendo el resto de trabajo de la colada a otro equipo; este segundo escaln recibe el nombre Metalurgia Secundaria o Metalurgia en Cuchara (figuras 1.2 y 1.3).

FIGURA 1.2: PROCESOS

FIGURA 1.3: PROCESOS DE METALURGIA SECUNDARIA

OBJETIVOS Y VENTAJAS DE LA METALURGIA SECUNDARIADesde el punto de vista de operacin se consiguen mejoras en productividad y costos, tales como:1. Productividad: Optimizacin de las operaciones de acera. Mayor aprovechamiento de los equipos productivos. Disminucin de los tiempos de colada tap-to-tap. Flexibilidad ptima. Trabajo ms fcil de las mquinas de colada continua.COSTOS: Ahorro de energa gracias al mejor control de temperaturas y el aprovechamiento elctrico que conlleva. Mayor recuperacin de ferroaleaciones y posibilidad de utilizar ferroaleaciones ms baratas. La eficiencia de estos procesos reduce las necesidades de control de calidad.

Desde el punto de vista de calidad, estos procesos nuevos aportan mejoras a los aceros fabricados, tanto en calidad qumica como estructural, entre las que se pueden citar:Calidad qumica: Posibilidad de encajar con precisin la composicin qumica del acero fabricado. Capacidad de alcanzar contenidos ultrabajos de carbono. Posibilidad de defosforar a fondo. Se realizan con gran facilidad las operaciones bsicas (desoxidacin y desulfuracin) de la segunda etapa (fase reductora) de la colada. Los equipos nuevos estn en condiciones de obtener una desgasificacin completa, especialmente de gases tan letales para la vida en servicio como hidrgeno y nitrgeno.

Calidad estructural: La extraccin completa del oxgeno del bao por vaco o por purga con gases inertes impide la formacin de xidos (inclusiones no metlicas). Estos mismos procesos de vaco o purga posibilitan flotacin de las inclusiones que se hubieran podido formar, envindolas a la escoria donde son atrapadas. Si a pesar de todo no se pudiera evitar o flotar las inclusiones, existe la posibilidad de modificar la composicin y morfologa de las mismas para hacerlas menos deletreas. Todo lo anterior lleva a la obtencin de mejores propiedades transversales o de tenacidad, tales como las que se deducen de ensayos de resiliencia o de doblado.Deletreas: Que provoca perjuicios, deterioros o daos Uso: formal o literario. Sinnimos: daoso, daino, insalubre, insano, lesivo, malo, malsano, mrbido, morboso, nocivo, peligroso, perjudicial, pernicioso.

PROCESOS DE LA METALURGIA SECUNDARIAA.) TRATAMIENTO DE DESGASIFICACIN. El acero contiene elementos perjudiciales que deben eliminarse entre estos estn los gases disueltos durante el proceso de fabricacin; H2, N2, O2. Para reducir el tamao al mximo del contenido de estos gases se somete al acero lquido al vaco, segn distintos procesos que pueden ser. DESGASIFICACIN DEL CHORRO DE COLADA: Consiste en situar el recipiente receptor del acero lquido (Cuchara o lingotera) en una cmara de vaco, sobre la cual se ajusta la cuchara que contiene el acero lquido. El chorro de acero, por efecto del vaco, se fracciona en gotas que favorecen la eliminacin de los gases. DESGASIFICACIN DEL ACERO EN CUCHARA: La cuchara se sita previamente en una cmara de vaco. Para facilitar la desgasificacin, el acero se remueve por una corriente de gas inerte (Argn) o electromagnticamente. DESGASIFICACIN POR RECIRCULACIN: Consiste en hacer circular repetidas veces el acero por un recipiente que acta de cmara de vaco.

B.) TRATAMIENTO DE AFINO DE LOS ACROS INOXIDABLES: La chatarra se funde en un EAF de induccin. Despus de colada la cuchara con el acero fundido en la cmara y hecho el vaco, se inyecta oxgeno con una lanza situada en la parte superior, que elimina el C con un mnimo de oxidacin metlica. Al mismo tiempo, se pasa Argn a travs de un tapn poroso situado en el fondo de la cuchara para homogenizar la masa del acero lquido.C.) TRATAMIENTO DE HOIMOGENEIZACIN POR BARBOTEO: Consiste en la agitacin del bao mediante la inyeccin de un gas inerte, generalmente Argn, a travs del fondo de la cuchara o por una lanza.D.) TRATAMIENTOS DE DESULFURACIN Y DESOXIDACIN: Se insuflan estos productos en polvo, a travs de una lanza, por medio de un gas inerte. Los productos ms frecuentes para insuflar son el (Si Ca) Silicio Calcio y diversas escorias sintticas. La agitacin del acero por el paso del gas produce excelente homogeneidad de composicin y temperatura del bao y una mejora de la limpieza.E.) DESOXIDACIN DEL ACERO POR EL CARBONO EN EL VACO O (VCD): Al ser tratado el acero en el vaco conteniendo C y O disuelto estos elementos reaccionan entre s, dando origen a CO, de esta forma se elimina el O del acero sin dejar residuos slidos (inclusiones no metlicas). El CO (gas) es eliminado del sistema (Vaco), siguiendo la reaccin hasta prcticamente la eliminacin total del oxgeno. La deshidrogenacin tambin es ms elevada, al ser ayudada por el desprendimiento de burbujas de CO, que facilitan el arrastre del H2.F.) TRATAMIENTOS DE AFINO CON CALENTAMIINETO DE ACRO EN CUCHARA: por ste proceso pueden conseguirse aceros con muy bajo contenido de S y gases, muy limpios y con control de la morfologa de las inclusiones. Tambin se consigue excelente control de la composicin y la temperatura. Las cucharas se montan con tampones porosos por los que se inyectan Argn. Una vez obtenido el grado de desulfuracin deseado se aaden las ferroaleaciones requeridas obtenindose el acero programado.G.) ADICIN DE ALUMNIO Y CALCIO POR MEDIO DE ALAMBRE O DE PROYECTILES: El alambre se introduce a gran velocidad en el acero mediante un mecanismo especial. Al mismo tiempo se remueve el acero de la cuchara inyectando argn. En el caso de adicin por proyeccin, los proyectiles se lanzan a una velocidad controlada para que el almacenen el fondo de la cuchara, por medio de un aparato que funciona como una metralleta de aire comprimido.H.) REFUSIN POR ARCO BAJO VACO (VAR) Y BAJO ESCORIA ELECTROCONDUCTORA (E.S.R.): Por estos mtodos se producen lingotes de acero de gran pureza. Ambos mtodos consisten en la refusin de un electrodo de la composicin qumica deseada, en un crisol enfriado por agua, realizndose simultneamente la fusin del electrodo y la solidificacin del acero.EXIGENCIAS, PROCESOS Y APLICACIONES:1. PRIMERA EXIGENCIA AJUSTE DE COMPOSICIN:PROPSITO:Obtencin segura de un anlisis concreto.Garantizar intervalos ms estrechos de composicin.Mejorar rendimiento de adicin de ferroaleaciones.OPERACIN:Adicin exacta de ferroaleacionesMezclado y homogeneizacin correcta del caldo.PROCESO:DH, RH, VAD, CAS, CAB, LF.APLICACIN:Cualquier tipo de acero2. SEGUNDA EXIGENCIA AJUSTE DE TEMPERATURA:PROPSITO:Garantizar obtencin de la temperatura exigida.OPERACIN:Enfriamiento mediante chatarra o barboteo de gas.Caldeo elctrico o por oxigenoPROCESO:VAD, RH-OB, LF.APLICACIN:Facilitar el trabajo de las mquinas de colada continua.3. TERCERA EXIGENCIA DESOXIDACIN:PROPSITO:Eliminar el exceso de oxgeno disuelto en el bao.Obtener acero limpio de inclusiones de xidos.OPERACIN:Generacin de CO acelerada por vaco.Formacin turbulenta y barrido de Al2O3.PROCESO:Empleo de escorias desoxidantes bajas en Oxigeno.Procesos al vaco eliminadores de xigeno.Barboteo de gases inertes purgadores de inclusiones.Reduccin con Calcio y modificacin de inclusionesAPLICACIN:Aceros calmados.4. CUARTA EXIGENCIA DESULFURACIN:PROPSITO:Cumplir especificacin de azufre.Obtener acero limpio de sulfuros.OPERACIN:Estimular las reacciones metal escoria.Adicin forzada de CaSi, CaC2, Mg.PROCESO:Trabajo con escorias sintticas desulfuradoras.VAD, inyeccin de polvo (IP o TN), LF.APLICACIN:Aceros con 0,005 0, 010% de azufre.5. QUINTA EXIGENCIA ELIMINACIN O MODIFICACIN DE INCLUSIONES:PROPSITO:Alcanzar caractersticas estructurales y mecnicas.OPERACIN:Tratamiento eliminador al vaco.Adicin modificadora de Ca, Zr, Ti, tierras raras.PROCESO:VAD, inyeccin (IP o TN), encapsulado (sica).APLICACIN:Aceros estructurales.6. SEXTA EXIGENCIA DESCARBURACIN:PROPSITO:Bajar todo lo posible el contenido final de carbono.OPERACIN:Reaccin con carbono oxigeno forzada por vaco o gases.PROCESO:Procesos vaco (ASEA SKF, VOD, RH OB..).Arrastre por gases diluyentes (AOD, CLU).APLICACIN:Inoxidables o para fleje elctrico (histresis estrecha).Sustitucin de efervescente maleable y dctil.7. SEPTIMA EXIGENCIA ELIMINACIN DE HIDRGENO DISUELTO EN EL ACERO:PROPSITO:Evitar de formacin de grietas en fro.OPERACIN:Tratamiento en vaco.PROCESO:Procesos vaco (DH, RH, VAD, RH-OB..).APLICACIN:Aceros de alta fiabilidad.

La metalurgia secundaria del acero muestra cmo se hace una recapitulacin de los diferentes procesos existentes y sus aplicaciones, ventajas e inconvenientes. Se ha introducido cambios fundamentales en la siderurgia, posibilitando la FABRICACIN ACEROS A MEDIDA DE CADA ESPECIFICACIN O APLICACIN CONCRETA DE INGENIERA.El acero lquido obtenido en el convertidor LD o en el horno elctrico de arco (HEA) no es todava el producto final. Conocida con el nombre de metalurgia en cuchara, es el conjunto de procesos y operaciones que tienen por objeto transformar el hierro lquido del convertidor o del horno elctrico, sin ningn tipo de ajuste trmico ni de composicin, en un lquido calibrado preparado para pasar a la etapa de solidificacin. Su aplicacin da como resultado un acero que cumple las especificaciones ms estrictas exigidas hoy por la tcnica.Los objetivos de la metalurgia secundaria (aaden algunos elementos que es necesario extraer) son:1. ENCAJE PRECISO DE LA COMPOSICION DEL ACERO. Realizar un ajuste de los elementos de aleacin: C, Mn, Nb, Ti, etc.2. EL CONTROL DE GASES: DESGASIFICACINReduccin de la concentracin de oxgeno, hidrgeno y nitrgeno disueltas en el hierro lquido a la propia de la calidad del acero que se quiere obtener.These elements occupy interstitial sites in the iron lattice and hence, are known as INTERSTITIALS. The principal effect of these impurities in steel is: LOSS OF DUCTILITY, LOWER IMPACT STRENGTH and POORER CORROSION RESISTANCE.

3. ALCANZAR BAJOS CONTENIDOS DE AZUFRE Normalmente menores de 0.010 % y a veces menores de 0.002 %.Ajustar las especificaciones de las impurezas no metlicas (fsforo y azufre) disueltas en el hierro lquido a las propias de la calidad del acero que se quiere obtener.4. CONSEGUIR ACEROS MS LIMPIOSEliminacin de inclusiones no metlicas, fundamentalmente xidos (Al2O3).5. EL CONTROL DE LA MORFOLOGA DE LAS INCLUSIONESDado que no es posible eliminar totalmente los xidos indeseables en el acero, este proceso permite a los aceristas cambiar la composicin y/o la forma de las inclusiones indeseables, residuales en el acero, de manera que sean compatibles con las propiedades mecnicas del acero final.6. Calibrar la temperatura, de cuyo nivel depende la estructura de solidificacin y las propiedades del acero.

Los procesos de metalurgia secundaria se pueden clasificar de acuerdo con el objetivo que tratan de conseguir. En lneas generales se pueden clasificar en: Desulfuracin. Descarburacin.Defosforacin. Homogeneizacin de la temperatura y de la composicin qumica del acero. Ajuste preciso de los elementos de aleacin. Desgasificacin (reduccin de la concentracin de oxgeno, hidrgeno y nitrgeno). Control de la morfologa de las inclusiones [globulizacinde las inclusiones (que tomen forma de pequeos glbulos autnomos sin implicarse en la estructura propia del acero, siendo capaces de deformarse. De esta forma las propiedades mecnicas del material no se ven tan afectadas.)]. Mejora de la limpieza del acero (eliminacin de inclusiones no metlicas).

METALURGIA TERCIARIALa metalurgia terciaria, tambin denominada metalurgia en artesa, tiene por misin alcanzar los siguientes objetivos:1.-Disminuir el nmero de inclusiones en el lquido.2.-Evitar la oxidacin y nitruracin del metal.

3.-Controlar que no se produzcan desviaciones en los porcentajes de los elementos de aleacin ajustados por las operaciones de la metalurgia secundaria.4.-Realizar un seguimiento y si fuera preciso, un ajuste de la temperatura del caldo.Para alcanzar estos objetivos se precisa utilizar:Gases, tales como el argn, para evitar la oxidacin y nitruracin del lquido y activar el mecanismo de flotacin de las inclusiones.Dispositivos de calentamiento por induccin o plasma, con objeto de controlar la temperatura.Mecanismos de agitacin neumtica y electromagntica, que garanticen la homogeneidad trmica y qumica del fundido.Sistemas de filtracin cermica, que permitan retener las inclusiones de menor tamao.

Una inclusin es una partcula no metlica insoluble tanto en el hierro lquido como en el acero. Se distinguen dos tipos:Inclusiones exgenas, que proceden de fases o medios en contacto con el hierro lquido: escoria, refractario, componentes de la carga del horno, etc.Inclusiones endgenas, que se producen por reacciones de tipo qumico o de prdida de solubilidad dentro del hierro lquido.

Aunque durante todo el proceso de elaboracin del acero, el hierro lquido est en contacto tanto con fuentes potenciales de inclusiones endgenas (reacciones de afino del azufre y oxgeno) como de exgenas (escorias y refractarios), es igualmente cierto que, de forma simultnea, trabajan mecanismos de eliminacin tales como:Hervido del metal (desprendimiento de CO).Captacin por la escoria y el refractario.Coalescencia de las inclusiones.Flotacin.

Para eliminar las inclusiones presentes en el hierro lquido y lograr un acero limpio, se pueden emplear los siguientes mecanismos: Flotacin (natural o forzada). Crecimiento de las partculas. Captacin por una escoria o por el refractario. Modificacin y coalescencia.

Las inclusiones estables, que presentan un tamao superior al crtico (mecanismo de nucleacin), constituyen, dentro del hierro lquido, una fase heterognea que se desplaza hacia la interface lquido-gas debido a las fuerzas de flotacin. El equilibrio dinmico de fuerzas sobre una inclusin esfrica en el seno del hierro lquido es igual a: *Ff es la componente de flotacin: donde r es el radio de la inclusin, l, la densidad del metal lquido y g la aceleracin de la gravedad **Fg es la componente gravitatoria: donde i es la densidad de la inclusin ***Fs es la fuerza de rozamiento de Stokes: donde es la viscosidad y, finalmente, v es la velocidad de flotacin de inclusiones esfricas: