Procedimiento Bessemer.
Para el procedimiento Bessemer el convertidor se reviste interiormente de ladrillos refractarios de sílice (no menos de 94.5% de SiO2) y arena cuarzosa, los que suelen fundirse a 1710°C. Este revestimiento no se corroe por las escorias de carácter ácido, por consiguiente en este convertidor solo pueden tratarse arrabios al silicio.
El aire que entra en la masa fundida suministra el oxígeno que en primera instancia interactúa con el hierro para formar óxido ferroso (FeO). Por consiguiente las impurezas comienzan a oxidarse en dos direcciones: por al oxígeno del aire que pasa a través del metal y por el óxido ferroso que se forma y disuelve en el metal fundido.
Durante la inyección de aire para hacerlo pasar a través del metal se diferencias tres períodos característicos:
- La oxidación del hierro, silicio, manganeso y la formación de la escoria.
- La quema del carbono.
- La desoxidación o la desoxidación-carburación.
Para el procedimiento Bessemer el convertidor se reviste interiormente de ladrillos refractarios de sílice (no menos de 94.5% de SiO2) y arena cuarzosa, los que suelen fundirse a 1710°C. Este revestimiento no se corroe por las escorias de carácter ácido, por consiguiente en este convertidor solo pueden tratarse arrabios al silicio.
El aire que entra en la masa fundida suministra el oxígeno que en primera instancia interactúa con el hierro para formar óxido ferroso (FeO). Por consiguiente las impurezas comienzan a oxidarse en dos direcciones: por al oxígeno del aire que pasa a través del metal y por el óxido ferroso que se forma y disuelve en el metal fundido.
Durante la inyección de aire para hacerlo pasar a través del metal se diferencias tres períodos característicos:
El aire que entra en la masa fundida suministra el oxígeno que en primera instancia interactúa con el hierro para formar óxido ferroso (FeO). Por consiguiente las impurezas comienzan a oxidarse en dos direcciones: por al oxígeno del aire que pasa a través del metal y por el óxido ferroso que se forma y disuelve en el metal fundido.
Durante la inyección de aire para hacerlo pasar a través del metal se diferencias tres períodos característicos:
- La oxidación del hierro, silicio, manganeso y la formación de la escoria.
- La quema del carbono.
- La desoxidación o la desoxidación-carburación.
Primer período
La oxidación del silicio produce sílice, la sílice formada SiO2, se une a la cal (óxido de calcio) según la reacción:
2CaO + SiO2 ------> (CaO)2.SiO2
y pasa a la escoria.
El óxido de manganeso (MnO) y una parte del óxido ferroso (FeO) también pasan a la escoria, en este período el metal se calienta dado que las reacciones producen calor y comienza el segundo período.
La oxidación del silicio produce sílice, la sílice formada SiO2, se une a la cal (óxido de calcio) según la reacción:
| 2CaO | + | SiO2 | ------> | (CaO)2.SiO2 |
y pasa a la escoria.
El óxido de manganeso (MnO) y una parte del óxido ferroso (FeO) también pasan a la escoria, en este período el metal se calienta dado que las reacciones producen calor y comienza el segundo período.
Segundo período
El metal se ha calentado suficiente y el carbono comienza a quemarse de manera intensa según la reacción:
C + FeO ------> Fe + CO
El baño comienza a ebullir por la producción del monóxido de carbono y el horno genera una llamarada clara por la boca debido a la combustión del CO con el oxígeno del aire de la atmósfera. El contenido de carbono se reduce a un valor mínimo y el metal se enfría con lo que comienza el tercer período.
El metal se ha calentado suficiente y el carbono comienza a quemarse de manera intensa según la reacción:
| C | + | FeO | ------> | Fe | + | CO |
El baño comienza a ebullir por la producción del monóxido de carbono y el horno genera una llamarada clara por la boca debido a la combustión del CO con el oxígeno del aire de la atmósfera. El contenido de carbono se reduce a un valor mínimo y el metal se enfría con lo que comienza el tercer período.
Tercer período
En este momento comienza la oxidación del fósforo y comienza a elevarse de nuevo la temperatura del metal, las reacciones características de esta etapa son:
2P + FeO -----> P2O5 + 5Fe P2O5 + 3FeO ----> (FeO)3.P2O5 + 2Fe (FeO)3.P2O5 + 4CaO ----> (CaO)4.P2O5 + 3Fe
En la oxidación del fósforo y la subsiguiente reacción de su óxido con otros, se desprende una considerable cantidad de calor y el metal se calienta rápidamente. El fosfato cálcico formado pasa a la escoria.
Cuando se ha terminado la oxidación del fósforo y su paso a la escoria, el convertidor se gira a la posición horizontal, se interrumpe el aire y se descarga la escoria para evitar que el fósforo y el óxido ferroso que contiene puedan volver al metal.
Finalmente se desoxida el metal o se desoxida-cementa.
En el proceso Thomas se produce cierta extracción del azufre que pasa a la escoria en forma de sulfuros de manganeso (MnS) y de calcio (CaS).
Después de la desoxidación el acero se sangra en la cuchara y se cuela en lingoteras para la producción de lingotes.
El acero producido tiene aplicación en el laminado de hierro en chapas, alambres e hierro comercial.
El método de los convertidores en general, tiene la ventaja de su alto rendimiento, la simplicidad relativa de la instalación, gastos básicos bajos y la ausencia del consumo de energía para calentar el metal, pero no resuelve de manera óptima la obtención de aceros de diferentes calidades, no sirven para tratar todos los tipos de arrabio nacidos de la infinidad de menas disponibles y en ellos solo puede utilizarse de manera limitada la gran cantidad de chatarra disponible en la industria.
En este momento comienza la oxidación del fósforo y comienza a elevarse de nuevo la temperatura del metal, las reacciones características de esta etapa son:
| 2P | + | FeO | -----> | P2O5 | + | 5Fe |
| P2O5 | + | 3FeO | ----> | (FeO)3.P2O5 | + | 2Fe |
| (FeO)3.P2O5 | + | 4CaO | ----> | (CaO)4.P2O5 | + | 3Fe |
En la oxidación del fósforo y la subsiguiente reacción de su óxido con otros, se desprende una considerable cantidad de calor y el metal se calienta rápidamente. El fosfato cálcico formado pasa a la escoria.
Cuando se ha terminado la oxidación del fósforo y su paso a la escoria, el convertidor se gira a la posición horizontal, se interrumpe el aire y se descarga la escoria para evitar que el fósforo y el óxido ferroso que contiene puedan volver al metal.
Finalmente se desoxida el metal o se desoxida-cementa.
En el proceso Thomas se produce cierta extracción del azufre que pasa a la escoria en forma de sulfuros de manganeso (MnS) y de calcio (CaS).
Después de la desoxidación el acero se sangra en la cuchara y se cuela en lingoteras para la producción de lingotes.
El acero producido tiene aplicación en el laminado de hierro en chapas, alambres e hierro comercial.
El método de los convertidores en general, tiene la ventaja de su alto rendimiento, la simplicidad relativa de la instalación, gastos básicos bajos y la ausencia del consumo de energía para calentar el metal, pero no resuelve de manera óptima la obtención de aceros de diferentes calidades, no sirven para tratar todos los tipos de arrabio nacidos de la infinidad de menas disponibles y en ellos solo puede utilizarse de manera limitada la gran cantidad de chatarra disponible en la industria.
Producción en hornos.
El uso razonable del hierro fundido y la mas completa utilización de la chatarra ferrosa, se logra al producir aceros en horno.
A diferencia de los convertidores, los hornos de producción de acero son cámaras revestidas con material refractario donde se vierte arrabio en lingotes o líquido y chatarra ferrosa, junto con otros materiales que sirven de fundentes y aportadores de elementos necesarios para los procesos de oxidación. Luego el material se calienta por diversos métodos hasta su fundición con lo que comienzan los procesos de oxidación de las impurezas y del propio hierro y se va formando la escoria.
En estos hornos no se inyecta aire a la masa de metal fundido como en los convertidores, por el contrario los procesos de oxidación de las impurezas se realizan al interactuar los componentes de la escoria con el metal fundido de abajo.
Para lograr acero líquido dentro del horno se necesita una fuente intensa de calor que interactúe con el contenido del horno y pueda fundir el metal. Se distinguen dos tipos generales:
- Los que usan combustible (hornos Martin).
- Los que usan electricidad (de arco eléctrico y de inducción).
El uso razonable del hierro fundido y la mas completa utilización de la chatarra ferrosa, se logra al producir aceros en horno.
A diferencia de los convertidores, los hornos de producción de acero son cámaras revestidas con material refractario donde se vierte arrabio en lingotes o líquido y chatarra ferrosa, junto con otros materiales que sirven de fundentes y aportadores de elementos necesarios para los procesos de oxidación. Luego el material se calienta por diversos métodos hasta su fundición con lo que comienzan los procesos de oxidación de las impurezas y del propio hierro y se va formando la escoria.
En estos hornos no se inyecta aire a la masa de metal fundido como en los convertidores, por el contrario los procesos de oxidación de las impurezas se realizan al interactuar los componentes de la escoria con el metal fundido de abajo.
Para lograr acero líquido dentro del horno se necesita una fuente intensa de calor que interactúe con el contenido del horno y pueda fundir el metal. Se distinguen dos tipos generales:
- Los que usan combustible (hornos Martin).
- Los que usan electricidad (de arco eléctrico y de inducción).
Hornos de combustible
Hornos Martin.
En los hornos Martin se elabora probablemente la mayor parte del acero producido en el mundo. En estos hornos el combustible utilizado puede ser gaseoso, líquido, sólido en polvo o sus combinaciones, la principales características que debe tener el combustible son:
- Que pueda producir una llama muy caliente, 2000°C o más; ya que el metal fundido al final del proceso tiene una temperatura de cerca de 1650°C.
- Que la llama sea lo mas radiante posible para que transmita calor por radiación al interior del horno, y así calentar el contenido de manera rápida y homogénea, y producir gases de escape mas fríos que afecten mínimamente los dispositivos de evacuación de gases.
- Que no introduzca elementos nocivos al proceso.
El horno Martin (Fig2) se compone de las siguientes partes principales:
- El espacio activo o de fundición (5).
- Conductos para manipular los gases de entrada y salida a ambos lados (3) y (4).
- Las cámaras regeneradoras de calor con enrejado refractario (1) y (2).
- Los mecanismos de conmutación de las cámaras de regeneración.
- Los separadores de polvo de los gases finales de escape y la chimenea (no mostrados).
- Los separadores de escoria (no mostrados).
Dentro del espacio activo o de fundición se pueden distinguir:
- La bóveda (7), la parte superior del horno.
- La solera (6), que es la parte inferior del espacio de fundición.
- Las puertas de carga (8). Colocadas en la pared frontal del horno.
- Los orificios para sangrar el acero (no visibles), colocados en la pared trasera del horno.
Si asumimos ahora que el horno Martin mostrado funciona con combustible gaseoso podemos notar que hay cuatro conductos que dan acceso a la zona activa. Por el conducto 4 se insufla aire muy caliente, cuyo calor fue adquirido en el recuperador de la derecha, lo mismo con el conducto 3, pero en este caso se inyecta el gas combustible también muy caliente que ha pasado por el correspondiente regenerador. Al juntarse dentro del espacio activo con el aire, el gas se inflama produciendo la llama que calentará el metal contenido en el horno desde su superficie.
(Fig 2 Horno Martin)
Note que los gases calientes producto de la combustión se retiran del horno por los conductos de la izquierda, estos gases calientan a su paso el enrejado refractario correspondiente a los dos regeneradores de ese lado, cuando los regeneradores de la derecha se han enfriado lo suficiente debido al paso de los gases fríos de entrada (aire y combustible) se giran los mecanismos conmutadores y se invierte el proceso. Ahora los regeneradores de la izquierda (muy calientes) calentarán los gases de entrada y los productos de la combustión calentarán los regeneradores de la derecha, obteniendo de esta manera un calentamiento continuo de los gases que entran al horno.
En los hornos Martin se elabora probablemente la mayor parte del acero producido en el mundo. En estos hornos el combustible utilizado puede ser gaseoso, líquido, sólido en polvo o sus combinaciones, la principales características que debe tener el combustible son:
- Que pueda producir una llama muy caliente, 2000°C o más; ya que el metal fundido al final del proceso tiene una temperatura de cerca de 1650°C.
- Que la llama sea lo mas radiante posible para que transmita calor por radiación al interior del horno, y así calentar el contenido de manera rápida y homogénea, y producir gases de escape mas fríos que afecten mínimamente los dispositivos de evacuación de gases.
- Que no introduzca elementos nocivos al proceso.
- El espacio activo o de fundición (5).
- Conductos para manipular los gases de entrada y salida a ambos lados (3) y (4).
- Las cámaras regeneradoras de calor con enrejado refractario (1) y (2).
- Los mecanismos de conmutación de las cámaras de regeneración.
- Los separadores de polvo de los gases finales de escape y la chimenea (no mostrados).
- Los separadores de escoria (no mostrados).
- La bóveda (7), la parte superior del horno.
- La solera (6), que es la parte inferior del espacio de fundición.
- Las puertas de carga (8). Colocadas en la pared frontal del horno.
- Los orificios para sangrar el acero (no visibles), colocados en la pared trasera del horno.
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| (Fig 2 Horno Martin)
Note que los gases calientes producto de la combustión se retiran del horno por los conductos de la izquierda, estos gases calientan a su paso el enrejado refractario correspondiente a los dos regeneradores de ese lado, cuando los regeneradores de la derecha se han enfriado lo suficiente debido al paso de los gases fríos de entrada (aire y combustible) se giran los mecanismos conmutadores y se invierte el proceso. Ahora los regeneradores de la izquierda (muy calientes) calentarán los gases de entrada y los productos de la combustión calentarán los regeneradores de la derecha, obteniendo de esta manera un calentamiento continuo de los gases que entran al horno.
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