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• Jorge Ayala

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EXAMEN PARCIAL DE SIDERURGIA 1. FABRICACION DEL ACERO EN HORNO ELECTRICO DE ARCO .PROCESO El horno eléctrico de arco sirve para fundir diferentes tipos el acero, ya sea al carbono o aceros aleados. Los diferentes tipos de aceros que se funden en este tipo de horno son de gran calidad debido a la alta temperatura desarrollada de 3,200ºC en el núcleo del arco eléctrico y así poder desfosforizar y eliminar azufre ya que se puede fundir con escoria de alta basicidad Preparar el horno Consiste en resanar las partes deterioradas del revestimiento refractario. Carga Se carga con una canasta: chatarra, prerreducidos y para aumentar el % de C, se introduce arrabio o pedazos de electrodo o coque. Además se agrega la cal para desulfurar y desfosforizar. Fusión del metal Bajo el efecto del calor producido por el arco eléctrico se funde el metal, trabajando el transformador en su máximo potencia. Durante la fusión se forma “pozos” cuyo diámetro es de 1.4-1.6 (diámetro de electrodo) y los electrodos mantienen constante la longitud del arco ya que tienen reguladores automáticos de tal manera que se elevan cuando aumenta el líquido metálico y el resto se funde por conducción del calor.Durante la fusión se oxida el silicio (casi el 100%) el Mn (50-60%) y parcialmente el carbono y Fe. Oxidación El objetivo del proceso de oxidación consiste en: Disminuir el contenido de P en el metal hasta 0.01%-0.03%. Disminuir el contenido de H2 y N2 Calentar el metal hasta la temperatura cercana a la colada 120-140º por encima del liquidus. La oxidación se realiza mediante el uso de cascarilla, pellets u oxígeno gaseoso. Inicialmente se evacua un 65-75% de la escoria formada en la fusión, inclinando el horno 1020º hacia la puerta. También se produce la desfosforación debido a la basicidad de la escoria y las temperaturas relativamente bajas. Durante la efervescencia el CO elimina junto a las burbujas, el hidrógeno y nitrógeno. La escoria formada se evacua por la puerta del horno,la cual contiene el fósforo PERIODO DE AFINO (Horno cuchara) Durante el periodo de afino se desoxida el metal y se pone a punto de composición química del acero en todos sus elementos de acuerdo a las especificaciones técnicas, se elimina el azufre debido a que se agrega cal y espato flúor produciendo así una escoria básica El afino termina cuando el acero se encuentra listo para la colada, aunque en la cuchara se pueden hacer los últimos aditamentos de ferroaleaciones y el ajuste del carbono.

2. PROCESO DE FABRICACION DEL ARRABIO EN ALTO HORNO El alto horno, es un horno de cuba que trabaja en forma continua y se usa para producir arrabio (Hierro fundido) a partir de mineral de hierro; los minerales de hierro que actualmente más se emplean son la Hematita (Fe2O3) y la magnetita (Fe3O4). Como reductor se usa el coque y como fundente la caliza, para la combustión del coque se inyecta aire precalentado por las toberas, actualmente se usa aire enriquecido con oxígeno, además se inyecta petróleo, gas natural o carbón pulverizado para optimizar el uso del coque. A la temperatura superior a 570 ºC, se cumple que: Fe2O3  Fe3O4  FeO  Fe No es, desde luego, un esquema preciso, ya que en la realidad se forman las soluciones sólidas de Fe3O4 en FeO (Wustita) y Fe2O3 en Fe3O4. En calidad de reductores de los óxidos de hierro en el alto horno sirven el carbono y el hidrógeno. La reducción por carbono se llama reducción directa y la reducción por gases, reducción indirecta. Sin embargo, la interacción directa del carbono con los óxidos sólidos está limitada por el contacto imperfecto entre los pedazos del material. La reducción directa: reacción del carbono del coque con los óxidos. 2FeO + C = 2Fe + CO2 El proceso de dos etapas: la reducción indirecta (CO) y la reducción entre CO2 y el carbono, formando el CO. MeO + CO = Me + CO2 CO2 + C = 2CO La reducción de los óxidos de hierro por el óxido de carbono transcurre por las reacciones siguientes: -1-

A una temperatura superior a 570 ºC: 1. 3Fe2O3 + CO =2 Fe3O4 + CO2 + 12,835 cal 2. Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 - 8.760 cal 3. FeO + CO = 3Fe + CO2 + 3,835 cal A una temperatura inferior a 570º C: 4. 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 + 12,835 cal 5. 1/4Fe3O4 + CO = 3/4 Fe + CO2 + 685 cal.

3. PROCESO DE CONCENTRACION DE LA MAGNETITA. El alto horno, es un horno de cuba que trabaja en forma continua y se usa para producir arrabio (Hierro fundido) a partir de mineral de hierro; los minerales de hierro que actualmente más se emplean son la Hematita (Fe2O3) y la magnetita (Fe3O4). Como reductor se usa el coque y como fundente la caliza, para la combustión del coque se inyecta aire precalentado por las toberas, actualmente se usa aire enriquecido con oxígeno, además se inyecta petróleo, gas natural o carbón pulverizado para optimizar el uso del coque. la temperatura superior a 570 ºC, se cumple que: Fe2O3  Fe3O4  FeO  Fe No es, desde luego, un esquema preciso, ya que en la realidad se forman las soluciones sólidas de Fe3O4 en FeO (Wustita) y Fe2O3 en Fe3O4. En calidad de reductores de los óxidos de hierro en el alto horno sirven el carbono y el hidrógeno. La reducción por carbono se llama reducción directa y la reducción por gases, reducción indirecta. Sin embargo, la interacción directa del carbono con los óxidos sólidos está limitada por el contacto imperfecto entre los pedazos del material. La reducción de los óxidos de hierro por el óxido de carbono transcurre por las reacciones siguientes: A una temperatura superior a 570 ºC: 1. 3Fe2O3 + CO =2 Fe3O4 + CO2 + 12,835 cal 2. Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 - 8.760 cal 3. FeO + CO = 3Fe + CO2 + 3,835 cal A una temperatura inferior a 570º C: 4. 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 + 12,835 cal 5. 1/4Fe3O4 + CO = 3/4 Fe + CO2 + 685 cal.

4. CONVERTIDOR LD PROCESO? 1.- Carga de la chatarra, de la fundición liquida y enderezado del convertidor. 2.- Introducción de la lanza, comienzo del soplado y adición de parte de la cal. 3.- Oxidación de las impurezas y adiciones (según convenga ) de pequeñas cantidades de cal o caliza durante el avance de la operación . 4.- Fin de soplado, giro y toma de muestras para análisis y de temperatura. 5.- Colada del acero a la cuchara. 6.- Adición de desoxidantes y recarburantes. 7.- Colada del acero alas lingoteras o colada continua. 8.- Inspección del convertidor y reparación del refractario cuando es necesario.

5. SOPLO COMBINADO El régimen de suministro del oxígeno al baño de convertidor ejerce gran influencia sobre la duración del soplado, la marcha de la escorificación, el rendimiento del acero líquido y su calidad, así como la resistencia del revestimiento del convertidor. Los parámetros importantes del régimen de soplado son la presión e intensidad de suministro del oxígeno, la cantidad de chorros de oxígeno determinada por la estructura de la cabeza de la tobera, la profundidad de introducción de los chorros en el baño y la pureza del oxígeno. La presión del oxígeno suministrado a la tobera, se encuentra generalmente dentro de los límites de (6 a 14 atm.) según muestra la práctica, tal presión se necesita para obtener la suficiente energía cinética del chorro de oxígeno y la introducción requerida de este chorro en el baño del convertidor, asegurando la asimilación completa del oxígeno por el metal y la circulación completa del oxígeno por el metal y la circulación intensa del metal y la escoria en el convertidor. El consumo de oxígeno se determina por la cantidad de componentes del metal líquido que se oxidan durante el soplado; en los convertidores de oxígeno se consumen de 40 a 57 m3 de oxígeno por una tonelada de acero producido; el consumo de oxígeno por unidad de tiempo crece al aumentar la capacidad del aparato y en los convertidores modernos varían entre 100 a 1500 m3/min. Esta intensidad es de 2.5 a 5.0 m3/(t,min) y en algunos casos se llegan hasta 6-7 m3(t,min). La relación existente entre la duración del soplado (minutos) y la intensidad de suministro de oxígeno Para elevar el rendimiento de los convertidores se procura aumentar constantemente a intensidad del soplado -2-

6. REFRACTARIOS EN HORNO ELECTRICO PARTES DEL HORNO ELECTRICO DE ARCO EL CRISOL O CUBA y SOLERA. Esta constituido por el cuerpo del horno que también se le llamada cuba y tiene la forma cilíndrica y en la parte inferior se denomina solera que tiene la forma semiesférica y es el lugar donde se deposita el acero líquido al final de la fusión Exteriormente es un recipiente de forma cilíndrica y esferoidal en su base construida de plancha de acero resistente al envejecimiento. Está recubierta interiormente por ladrillos refractarios ácidos o básicos y varían su espesor según la capacidad del horno. Actualmente los ladrillos refractarios en la cuba han sido reemplazados por paneles refrigerados por agua. LA BOVEDA Se encuentra en la parte superior del horno, y esta suspendida por estructuras de acero y tienen un movimiento de giro para poder realizar la carga. Esta revestida por ladrillos refractarios, generalmente sílico-aluminosos debido a un bajo peso específico y resistente al choque térmico debido a la radiación térmica que soporta. Los anillos que sujetan la bóveda están refrigerados por agua. Actualmente se usan paneles de agua.

7. PORQUE SE AGREGA CHATARRA EN EL CONVERTIDOR. Los convertidores LD trabajan en un proporción de 90% con arrabio líquido y 10% de chatarra como material de carga metálica. El arrabio es transportado del alto horno a la acería por medio de dos carros torpedos con temperaturas de 1220 a 1280ºC; el líquido es vaciado en un depósito de 800 Tn llamado mezclador para uniformar la composición química y mantener la temperatura. Inicialmente con el convertidor vacío e inclinado, se carga el arrabio líquido y la chatarra. Enseguida se gira y es colocado en posición vertical, en esta posición, la lanza es introducida dentro del horno y simultáneamente se abre la válvula de entrada de oxígeno con pureza de 99.0 a 99.5% con una presión de 5 a 6 Kg/cm2 y un caudal de 5200 m3/h quedando en 100 cm sobre el nivel del baño. Carga de chatarra, 1 min; carga de arrabio líquido, 2 min; soplado, 18 min; muestreo y medición de la temperatura, 10 min; colada 4 min; inspección de refractario, 2 min.; operaciones de basculamiento, 3 min; total 40 minutos

8. QUE USOS DARIA LA ESCORIA EN EL ALTO HORNO. Además del arrabio, en el alto horno se forma la escoria, la cual esta formada por óxidos como CaO, Al2O3, SiO2, y una pequeña cantidad de MnO , FeO, MgO. Primeramente se forma la escoria primaria que contiene una cantidad elevada de FeO y MnO. A medida que desciende y se calienta la escoria primaria, varían la composición y la cantidad de la misma.La escoria final se compone, en 85%-95% de SiO2, Al2O3 y CaO y además contiene de 2 a 10% de MgO, 0.2 a 0.6% de FeO, 0.3-3% de MnO y 1.5 a 2.5% de S, principalmente en forma de CaS La escoria se usa para fabricar Cemento, concreto, como agregado, aislante como lana de escoria, etc.

9.-LIMPIEZA Y USOS DE LOS GASES DEL ALTO HORNO. Junto con el gas se arrastra del alto horno gran cantidad de polvo cuyo contenido es de 2 a 40 g/m3. El gas ensuciado de polvo no se puede usar como combustible en muchos quemadores y dispositivos modernos, por eso gas se somete a la purificación de modo que la concentración residual del polvo sea de 0,002 a 0,015 gr/m3 al final del proceso de la limpieza. Para transportar el gas y depurarlo junto al alto horno se instala un sistema de gasoductos y dispositivos purificadores por los cuales el gas se somete a tres etapas de depuración: basta, semi-fina y fina. Durante la depuración basta, el polvo se deposita como resultado de aumento del volumen de gas y disminución de su velocidad cuando el gas pasa de un producto de menor sección a un equipo de sección mayor, esto tiene lugar en los recogepolvos con suministro radial del gas En estos recoge-polvos se deposita cerca del 80% de todo el polvo y el contenido de polvo en el gas disminuye hasta 1-2g/m3. La depuración semi-fina del gas se lleva a cabo en los lavadores de gas llamados scrubbers que no son más que una torre cilíndrica de unos 30 m., de alto provisto de regaderas en su parte superior. En el lavador (scrubber) como resultado del aumento de su volumen, la velocidad del gas disminuye bruscamente y, además se le inyecta el agua. Las partículas mas gruesas se depositan en el agua formando un lodo y el gas con partículas menudas de polvo se elevan hacia arriba. En algunos casos, se coloca en el interior del lavador un enrejado de materiales (empacado) el enrejado divide el flujo de gas en numerosos chorros, creando de este modo una gran superficie de humectación. 10.-HIERRO ESPONJA . PROCESO SL / RW MIDREX. Cuando la eliminación del oxigeno de los óxidos de hierro se efectúa sin llegar a la fusión, el producto conserva la forma original del mineral pero con mayor porosidad, por esta condición recibe el nombre de “Hierro esponja”.También se le denomina DRI (direc reduccion Iron) -3-

En algunos procesos se emplea mineral de hierro en pequeñas partículas, éstas son briqueteadas luego de reducidas, con lo cual el producto final resulta muy compacto y denso, en este caso se denominan briquetas “metalizadas”. Al hierro esponja, que procede del mineral en trozos o en pellets se aplica también las denominaciones de mineral o pellets “metalizados” y de mineral o pellets “prerreducidos” Las briquetas metalizadas Son igualmente llamadas briquetas prerreducidas. El empleo de hierro esponja o de minerales prereducidos en forma de briquetas o de pellets ha sido ensayado como adición de enfriamiento en el convertidor al oxígeno. Efectuar la fusión de forma perfectamente regular en HE a plena potencia y utilizando del mejor modo posible el transformador e incrementando la estabilidad del arco. Disminuir de este modo las pérdidas térmicas y eléctricas, por consiguiente, mejorar el balance térmico de la operación .Y, finalmente, hacer resaltar las ventajas en cuanto al desgaste de los refractarios y, en general, la reducción de los costos de fabricación.

PROCESO SL/RN Este proceso de reducción directa de Hierro fue desarrollado por la Steel Company of Canadá Limited, Lurgy Chemic and Hutteutechnik, Republic Steel Corporation y la National Leac Company. Usa como reductor carbón antracita de bajo contenido de azufre y bajo contenido de cenizas, la granulometría del reductor sólido es de granos menores de 12 mm lo cual es muy importante debido a que los finos de carbón existen en grandes cantidades en el país. Las reacciones de reducción son: C + O2 = CO2 C + CO2 = 2CO 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 Fe3O4 + CO = 3FeO +CO2 FeO + CO = Fe + CO2 1/4 Fe2O3 +CO = 3/4Fe + CO2 Como desulfurante se usan los finos de caliza o dolomita menores de 4 mm de diámetro y desulfura al mineral según la siguiente ecuación. FeS + CaO + CO = Fe + CaS + C02

PROCESO MIDREX Fue diseñado por Midland Ross Corporation en E.U, actualmente este proceso pertenece a la Midrex Corporation Subsidiaria de la Korf Industries INC. Este proceso combina la tecnología del horno de cuba y el generador de gas para la reducción de los minerales de hierro, usando reductores gaseosos producidos por el gas natural u otro combustible

Calcular la cantidad de chatarra para obtener una temperatura de colada de 1580°C si el convertidor es de 30 Ton. El arrabio ingresa a 1250°C, el peso de la escoria es el 8% del arrabio: arrabio acero 0,3%P 0,04%P 4,0%C 0,10%C 0,2%Si 0,01%Si 0,2%Mn 0,01%Mn Solución: temperatura alcanzada al oxidarse P:0,3 – 0,04=0,26%....78KgP….(30 000Kg) C:4,0-0,10 =3,9% …..1170KgC Si:0,2-0,01 =0,19% 57KgSi Mn: 0,2-0,01=0,19%......57KgMn Kcal P: 78x5350Kcal/KgP= 417 300 Kcal KcalC :1170x2600Kcal(CO)/KgC=3 042 000Kcal kcalSi : 57x6090 kcal/kgSi = 347 300 Kcal Kcal Mn:57x1660Kcal/KgMn = 94 620 Kcal total 3 904 050 Kcal Calculo ; Kg de chatarra

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T 

Q Pm.Ce.m  Pesc.Ce.esc T 

3904050 30000(0,22 Kcal / Kg  2400(0,34 Kcal / Kg ) T  526,43 Tfinal  1250  526,43  1776,43C Kgchatarra 

Q1 0,17(1500  20)  65Kcal / kg  0,2(1580  1500) Kgchatarra  Q1 / 332 Q1  (1776,43  1580)0,2 Kcal / kg.C (30000) Q1  1176189,3 Kgcatarra  1176189,3 / 332  3536 Kg

Un alto horno usa 3250m3 de aire por Ton. de arrabio, él aire se precalienta en una estufa que tiene una eficiencia térmica del 58%.El horno produce 950 Ton por día, la temperatura del aire es de 1000ºC. La composición del gas es: 24.0%CO, 13.4%CO2 ; 3.0%H2O ; 59,6%N2 a) calcular el % de gas que se usa en la estufa b)Calcularla temperatura en toberas Solución: base 1 Ton arrabio N2 del aire:3250x0,79=2567m3 vol gas=2567/0.596 =4307m3 gas contenido calorífico del aire=3250(0.302+ 0,000022x1000) 1000 = 1´053 000 Kcal. Calor suministrado por el gas=1053 000/0,58 = 1´815 517 Kcal. Poder calorífico del gas/m3= 0,24m3COx3031Kcal/m3co = 727Kcal/m3 volumen de gas = 1’815 517 / 727 = 2497m3 % uso gas =2497 / 4307 x100=57.97% B) temperatura en toberas: O2: 3250x0,21x32/22,4=975 Kg. O2 C quemado en toberas: C+1/2O2=CO 975x12/16 =731 Kg. Volumen de gases en toberas: Vco=731x22,4/12= 1365 m3 VN2=3250x0,79= 2567 m3 Vgas toberas: 3932 m3 En toberas: reaccionantes= productos Q coque-precaliente+Q aire+Qcoque quemado=QCO+QN2 731(0.2+0.00011(T-300))+ 3250(0.302+0.000022x1000)(1000)+ +731x2430=(3932)(0.302+0.000022T)T T=2525°C

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