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PROCESO INDUSTRIAL: SIDERURGIA-ACERO Johan Sebastian Choren B​1​.; Ashley Vanessa Umaña M​2​.;Liliana Andrea Vesga R​3​.:Sebastian Camilo Castañeda Mora​4 [email protected]​1​; [email protected]​2​; [email protected]​3 [email protected]​4 1. Consideraciones relativas al sector a nivel mundial y nacional El acero es uno de los materiales de ingeniería más utilizado por la humanidad. El acero engloba una gran gama de materiales que en muchos casos tienen aplicaciones específicas y en general tienen en el tratamiento térmico una etapa necesaria para su utilización. Se le llama acero, a la aleación de Hierro (Fe), Carbono (C) y otros metales en donde el carbono tiene un porcentaje menor del 2% El acero a nivel mundial En la actualidad China se posiciona como el mayor productor de acero a nivel mundial. Este país impulsa las exportaciones a todo el mundo con el fin de mantener la rentabilidad y la cuota de mercado. Pero recientemente se ha visto en dificultades su mercado, ya que sus rivales en Estados Unidos y la Unión Europea denuncian que China inunda el mercado con precios artificialmente baratos y tiene competencia desleal, pero el país asiático afirma que tiene medios de producción y mano de obra más eficientes que les permite obtener un producto de calidad con un bajo costo. Para el año 2015 la capacidad mundial fue de 2370 millones de toneladas, de las cuales China produjo 1140, casi la mitad mundial, según datos de la OCDE (Organización para Cooperación y Desarrollo Económicos, 2016), este nivel de producción es 6,5 veces mayor que el de América Latina. En 2014 China produjo 803,8 toneladas, siendo el 50% de la producción mundial ese año. Otros grandes productores de acero son la Unión Europea, Japón, India, EE.UU., Rusia y Corea del Sur, las producciones de todos estos países suman casi la mitad de la producción china. En América Latina Brasil y México son los mayores productores, con 33,3 y 18,2 millones de toneladas respectivamente. Países como Estados Unidos adoptan medidas proteccionistas poniendo aranceles a las importaciones provenientes de China, y de ese modo buscan proteger su mercado de acero. China busca adoptar medidas para reducir la sobrecapacidad en producción y así disminuir las guerras de precios, las pérdidas y los problemas que puedan llegar a tener los demás competidores como la incapacidad de devolver sus créditos. El acero a nivel nacional: La industria del acero en Colombia según (CAMACERO, 2017) genera 6745 empleos directos y 37098 empleos indirectos. La producción en el 2016 fue de 1.3 millones de toneladas de aceros 1

largos. Se reciclan 963 mil toneladas de chatarra. Se aportan 185 mil millones de peso en impuestos y contribuye al 7% del PIB industrial del país. Colombia está conformada por cinco productores de acero, ubicados en su mayoría en los departamentos de Boyacá y Cundinamarca, y su capacidad instalada se aproxima a los 1.8 millones de toneladas. Esta producción es dirigida en su gran mayoría al sector de la construcción. Diaco y Paz del Río son las principales productoras de acero nacional, las cuales suman en conjunto el 60% del mercado interno. En lo referente a los aceros planos, no se cuenta con producción nacional, consecuentemente, deben ser importados. El acero tuvo precios estables y sin sobresaltos hasta el año 2013, pero el aumento en el precio del dólar ha disparado su costo. Por ejemplo, el kilogramo de acero corrugado figurado tuvo un aumento de más de $600, y en el caso de la malla electro-soldada, la unidad (6 x 2,35) sufrió en el último año un incremento de casi 38 mil pesos; cifras parecidas se encuentran en elementos como alambre negro y barra corrugada.

2. Definición de la(s) materia(s) primas y del(os) producto(s) Acero: Aleación de hierro que contiene carbono (entre 0.05% y un poco menos del 2%), junto con otros elementos; tales como manganeso (Mn), titanio (Ti), cromo (Cr), níquel (Ni), silicio (Si), fósforo (P), azufre (S), entre otros, en proporción variable; esto permite generar aceros para distintas aplicaciones. 2.1. Materias primas ●

Mineral de hierro: Es un compuesto de hierro, oxígeno e impurezas (por ejemplo S, SiO2 (sílice) y P). Los minerales de baja pureza se trituran hasta la formación de polvo, posteriormente, las partículas de hierro se separan magnéticamente, se concentran y se fusionan en pellets con un alto contenido de hierro.

●

Coque: Es un combustible sólido y poroso obtenido por medio de pirólisis o de una destilación destructiva de carbones minerales específicos. Entra en combustión rápidamente bajo una cantidad de calor suficiente con el fin de fundir el mineral; esta combustión produce los gases necesarios para desprender el oxígeno del mineral, además de generar el carbono necesario para la fabricación del acero.

●

Piedra caliza: Es una piedra que contiene carbonato de calcio principalmente. Al pasar a fase líquida purifica el hierro y actúa como fundente, es decir, facilita la fusión absorbiendo el azufre, el fósforo y las impurezas. Esto forma una escoria, que flota sobre el hierro líquido.

●

Aire: Es la sustancia de mayor presencia en la producción de hierro, su función es mantener la combustión y suministrar el oxígeno requerido para llevar a cabo las reacciones químicas. Se debe precalentar hasta aproximadamente 1100ºC para después inyectar a alta presión dentro de la base del horno.

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2.2. Productos Dentro de la gama de los aceros existen muchas aleaciones sometidas a diferentes tratamientos que permiten observar la pluralidad de sus usos, a continuación mostramos algunos de los aceros producidos. Estos se pueden presentar en forma de barras corrugadas, barras lisas, barras cuadradas, mallas y perfiles entre otros. Descripción

Grado

Características

Aplicaciones

Acero de uso general

S355 S355 J2+N St52-3U E36

Rm = 490 - 630 N/mm² Acero de construcción. Proporción de carbono muy pequeña. Acero utilizado en el oxicorte

Plantilla de herramienta. Placas de base para máquinas especiales. Conjuntos mecano-soldados.

Acero para herramientas sin alear

C45 XC48

máx. 223 HB La parte superficial de la placa se puede templar hasta la dureza 55HRc.

Placas de superestructura. Portamoldes y herramientas sujetos a bajas solicitaciones, moldes de soplado, placas de base.

Aceros pretratados

40CrMnMo7

Templado y revenido Rm = 950 - 1100 N/mm² HB 280 - 325 Dureza superficial (0,3mm) mini a 600 HV/3 Kg.

Matrices para moldeos por compresión e herramienta por inyección de plástico. hasta una sección de acero de 400 mm de espesor.

55NiCrMoV7

Templado y revenido Rm = 1190 - 1390 N/mm² HB 355 - 413 Dureza superficial (0,3mm) mini a 600 HV/3 kg.

Acero para trabajar en caliente con excelentes propiedades de templabilidad. Matrices de gran tamaño, matrices de estampa, matrices de hidroconformado, placas de desbarbado, portaherramientas, porta mandriles de prensa y cajas para herramientas, herramientas de plegado.

Aceros para herramientas

X38CrMoV5-1

Recocido máx. 229 HB Acero para el trabajo caliente, resistente al desgaste, dureza total hasta 50 HRc

Herramientas de corte.

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Aceros resistentes a la corrosión

X5CrNi18-10 X2CrNi18-9

Templado y revenido Rm = 950 - 1100 N/mm² HB 280 - 330

Acero para moldes con alta resistencia a la corrosión.

Tabla 1. Productos de acero. Tomado de (Deville rectification, 2017) 3. Comercio internacional y nacional. Cifras indicativas de la economía de la producción. ● Producción mundial Producción y uso de acero: distribución geográfica 2015

Figura 1. a) Producción de acero crudo; b) Uso aparente del acero (productos terminados). Tomado de (World Steel Association, 2016).

● Producción Nacional

Figura 2. Producción nacional de acero crudo. Tomado de (ANDI, 2017)

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4. Procesos industrialmente utilizados. Breve descripción con su(s) diagrama(s) de flujo.

Figura 3. Diagrama de flujo para el proceso siderúrgico del acero (AHMSA, 2015). El procedimiento general para la fabricación de acero se presenta en la figura 3. y consiste básicamente en los siguientes pasos: 1) Recepción de la materia prima (Mineral de hierro, caliza y carbón) 2) Selección, trituración, sinterización y peletización 3) Alto horno: Reducción o sustracción del oxígeno 4) Fundición 5) Desiliciado de Arrabio y Mezclado 6) Convertidor y fertilizantes 7) Fundición de la chatarra en horno eléctrico 8) Afino de la colada 9) Vaciado 10) Laminación Los procesos industrialmente más utilizados son el procedimiento en horno eléctrico (más usual), horno Siemens Martin, proceso BOF y horno Bessemer. El diagrama de flujo será muy similar al de la figura 3 para cualquiera de los hornos, pero se reemplazará el horno eléctrico, dependiendo de la necesidad.

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Figura 4. Tipos de hornos usados en la industria siderúrgica: a) Horno eléctrico, b) horno Siemens Martin, c) Horno Basico de Oxigeno, d) horno Bessemer. Tomado de (AHMSA, 2015). a. Proceso en Horno eléctrico: Es el más versátil de todos los hornos para fabricar acero ya que puede suministrar altas temperaturas, hasta 1930ºC; además puede controlarse eléctricamente con un alto grado de precisión. Dado que no requiere de combustible para su funcionamiento, no se introduce ningún tipo de impurezas, dando como resultado un acero de buena calidad. Generalmente, se emplean para producir herramientas resistentes a altas temperaturas o inoxidables b. Proceso en horno Siemens Martin: Este procedimiento tiene la ventaja de obtener directamente acero de calidad partiendo desde la chatarra. Se utiliza hornos de gas fijo de llama y forma de cuba. En el método de la chatarra, se llena el 70% con chatarra de acero y el resto con hierro y cal para formar escoria. El proceso de afino tiene lugar con exceso de oxígeno. Si se añaden elementos de aleación (cromo, níquel, y otros) antes de terminar el proceso de fusión, se obtienen aceros de baja aleación. c. Proceso BOF (Horno Basico de Oxigeno): Este horno es similar al Bessemer, sin embargo en vez de inyectar aire, se inyecta oxígeno a alta presión. Debido a este cambio, se llega a temperaturas mayores que en el Bessemer durante un periodo de tiempo menor; su temperatura de operación es superior a 1650°C. La carga del horno consta de arrabio procedente del alto horno en un 75% y de chatarra y cal en un 25%. El BOF es considerado el sistema más eficiente para la producción de acero de alta calidad. d. Proceso en horno Bessemer: Es un horno en forma ovalada forrado con material refractario. Se carga con chatarra a temperatura ambiente y se obtiene arrabio derretido, después se inyecta aire a alta presión produciendo un aumento en la temperatura que sobrepasa el punto de fusión del hierro. Gracias a este proceso se logra eliminar las impurezas y se obtiene 6

acero de alta calidad. 5. Empresas en Colombia: Localización – Ubicación, Campo Industrial, Aspectos Económicos relacionados. Las empresas más importantes en Colombia relacionadas la industria siderurgia son: Paz de Rio, Gerdau Diaco S.A., Sidenal S.A, Ternium Internacional de colombia S.A.S. y Sidoc S.A.S.

Empresa

Acerías Paz del Río Página web: http://www.pazdelr io.com.co/es-es/Pa ginas/default.aspx

Ubicación

Campo Industrial

Aspectos Económicos

*Ubalá: En Cundinamarca en donde se encuentra la mina de hierro “El Santuario” *La Planta Industrial ubicada en la Hacienda Belencito. *En Bogotá se encuentran las oficinas admin en la Calle 100 No. 13-21 Piso 6

Explorar, explotar y transformar los minerales de hierro, caliza y carbón en productos de acero y los derivados del proceso siderúrgico para su comercialización y uso a nivel industrial, metalmecánico, construcción y agrícola. Fabrica barras corrugadas, rollos corrugados, Malla Electrosoldada, Grafiles y Acero Figurado, Alambrón Trefilable

Al 31 de diciembre de 2015, el patrimonio de la Compañía alcanzó la cifra de $898.896 millones. La pérdida del año 2015 fue de $35.021 millones mostrando una recuperación del 72% frente al año 2014. Los ingresos operacionales se incrementaron en un 15.7% frente al año anterior originado en el aumento en el precio del acero de un 5.8% frente al 2014 y el aumento en el volumen en un 8.8%.

Cuenta con plantas productivas en Muña, Yumbo, Tocancipá y Tuta

Gerdau es líder en el segmento de aceros largos en las Américas y una de las principales proveedoras de aceros largos especiales del mundo. Fabrica acero figurado, alambre negro recocido, cuadrados, juntas de transferencia, rollos corrugados, ángulos, barras corrugadas, platinas y mucho más.

Al ser una empresa multinacional de origen Brasileño, con sede en Colombia y otras partes del mundo. El informe realizado por esta industria es generalizado y no se concentra específicamente en Colombia

Plantas: *Vereda Tibitó diagonal Autódromo Tocancipá *Parque industrial de Boyacá Oficina: Cl. 134 #7b-83, Bogotá

Líder a nivel nacional, que produce a partir del reciclaje de chatarra productos de acero microaleado con destino a la construcción y la industria metalmecánica para ser comercializados.

No suministran esta informacion gratuitamente.

Gerdau Diaco S.A Página web: https://www.gerda u.com.co/

Sidenal S.A Página web: http://www.sidenal .com.co/

Fabrica barras, barras lisas, barras cuadradas, ángulos, alambron corrugado, acero figurado, grafiles y mallas electrosoldadas

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Sidoc S.A.S http://sidocsa.com/ empresa/mision-yvision

Calle 12 a no. 37-15 Acopi. Yumbo, Valle del Cauca

Empresa a nivel nacional que domina el área de barras de distintos tipos como corrugada, lisa, cuadrada y figurada.

No suministran información.

esta

Ternium Internacional De Colombia S.A.S. http://www.terniu m.com/nuestra-em presa/quienes-som os/?lang=es

Km 2 Vía termales La Enea Manizales, Caldas  

Empresa de gran influencia a nivel internacional que cuenta con planta en colombia con gran cubrimiento en mallas electrosoldadas y perfiles.

Ternium produce actualmente 10 millones de toneladas de acero crudo al año incluyendo las plantas ubicadas en distintos países y tiene ventas netas de 8 mil millones de dólares al año; la mayor cantidad de sus ventas se realizan en colombia, méxico y argentina.

Tabla 2. Principales productores nacionales de acero. Tomado de (Acerías Paz del Rio SA, 2016) y (Ternium, 2016) 6. Descripción detallada del proceso de una industria nacional: diagramas de flujo, equipos utilizados (capacidad, material de construcción, etc.), consideraciones sobre aspectos teóricos (termodinámica, cinética, difusión, solubilidad, etc.), condiciones de adecuación de materias primas, condiciones de operación, reacciones químicas, separación, purificación, adecuación de productos finales PAZ DEL RÍO PROCESO El diagrama de flujo para la producción del acero y todas las etapas a describir fueron tomadas de (Paz del río, 2014)

Figura 5. Proceso productivo en paz del río. Tomado de (Paz del río, 2014) 1) Materia Prima de la mina 8

El proceso siderúrgico se inicia con la explotación de materias primas básicas, entre ellas la caliza explotada en Belencito, Carbón y mineral de hierro que se explotan en Paz del río y Ubalá. El mineral de hierro que se explota en Paz del río bajo tierra es transportado por el cable aéreo a la planta de lavado y trituración; luego son transportados en tren eléctrico que las conduce a la planta industrial de Belencito. La caliza es triturada y dependiendo de su granulometría es transportada en tren a diferentes plantas en Belencito y es aquí donde se inicia todo el proceso siderúrgico.

Figura 6. a) Explotación de la mina, b) Piedra caliza, c) Carbón, d) Transporte de mineral de hierro por cable, e) Transporte del material en tren hacia la planta en Belencito, f) Tamizado de caliza 2) Fabricación primaria Coqueria es una planta donde se produce el coque a través del carbón, para ello se utiliza una batería de 57 hornos que producen 11.3 toneladas por horno; una vez apagado el horno mediante duchas, es enviado al circuito de tamización. De acuerdo a su tamaño es transportada al alto horno o a la planta de sinterización; durante este proceso se genera gran cantidad de gases, los cuales al ser tratados químicamente son empleados para la producción de brea, sulfato de amonio, alquitrán, entre otros. Durante el proceso de explotación de mineral de hierro, se producen grandes cantidades de fino y grueso mineral de hierro, los cuales son utilizados para el proceso de sinterización y alto horno respectivamente. 3) Sinterización Se mezclan aproximadamente 2000 toneladas/día de finos de hierro, finos de caliza y laminilla con agua, cuya función es aglomerar y dar permeabilidad a la mezcla y por medio del coque, que actúa como fundente, transformarlo en una torta llamada “Sinter” que una vez enfriada y cribada es apta para el consumo en el alto horno 9

Figura 7. Torta Sinter sin enfriar 4) Alto Horno La caliza, el grueso de mineral de hierro, el coque y el sinter son almacenados a través de bandas transportadoras en tolvas, estas materias primas son transportadas por la parte superior del horno mediante un sistema de carga, para transformarlas de sólidas a líquidas. Consecuencia final de este procedimiento en el alto horno, es un producto líquido llamado arrabio, rico en hierro. El alto horno es cargado con 1000 toneladas de mineral de hierro, 1200 toneladas de Sinter y 640 toneladas de coque, para obtener 1000 toneladas de arrabio y 840 toneladas de escoria. El arrabio es la materia prima para la fabricación de acero y la escoria es comercializada con las cementeras para la fabricación de cemento; diariamente se sacan 9 coladas. El arrabio líquido es depositado en recipientes llamados cucharas y por vía férrea es transportado al siguiente proceso en el acería.

Figura 8. a) Alto horno, b) Sistema de carga al alto horno, c) Arrabio Líquido en la cuchara 5) Aceración: El arrabio proveniente del alto horno llega a la acería, donde es sometido a desescoriado mecánico, posteriormente es pesado y cargado al mezclador, el cual tiene una capacidad para 800 toneladas y cumple funciones de almacenamiento, lo cual permite obtener un punto adicional para atender cualquier eventualidad en el alto horno. Además conserva la temperatura y homogeneiza químicamente, para entregar a los convertidores un arrabio en mejores condiciones. Actualmente Paz del Rìo cuenta con dos (2) convertidores LWS. Inicialmente se cargan dos toneladas de cal maerz, luego 10 toneladas de chatarra y 33 toneladas de arrabio líquido; luego inicia la fase de soplado donde se inyecta oxígeno y cal pulverizada por las toberas que están montadas en el fondo del convertidor, produciendo la oxidación de los elementos provenientes del arrabio, como el silicio, fósforo, manganeso, azufre, entre otros. Además se 10

obtiene la temperatura adecuada para el colado, la cual es 1550 a 1580 ºC (temperatura de acero en cuchara), el objetivo es obtener una colada de acero con peso de 37 toneladas. La cal escurifica los óxidos para formar una escoria que es transportada en cubas especiales para la planta de fertilizantes, donde se obtiene el abono fosfórico. La acería cuenta con un horno eléctrico para la fabricación del acero a partir de chatarra propia generada y comparada (Parte 2), su capacidad aproximada es de 850 toneladas/dìa . La calidad del acero es ajustada mediante la adición de ferroaleaciones en cuchara, para su posterior proceso en horno cuchara, donde es ajustado térmicamente y químicamente. Luego es llevado a la máquina de colada continua para obtener palanquillas y finalmente al proceso de laminación.

Figura 9. a) Traspaso del arrabio al mezclador, b) Colado con temperatura entre 1550 y 1580 ºC, c) Máquina de Colada produciendo palanquillas, d) Laminación 6) Laminaciòn: La función fundamental que realiza la planta de laminación es la transformación de acero mediante el proceso de deformación en caliente de las barras de sección cuadrada (palanquilla), que se producen en la máquina de colada continua. En el tren de laminación 450 se transforma en barras corrugadas sismo resistentes y en el tren Morgan se transforma la palanquilla en rollos alambre liso o corrugado y en las enderezadoras, mediante fricción mecánica en frío se transforma el rollo en barra. ● Tren Morgan: Inicia con la inspección, recepción y almacenamiento en patio de la palanquilla, para luego llevarla al horno de calentamiento, donde se somete a un aumento progresivo de temperatura en toda su sección y longitud. La temperatura final de calentamiento depende de cada calibre y calidad de acero laminada y en promedio está en 1160ºC. El proceso de laminado inicia cuando la palanquilla es sacada del horno y se lleva a través de caminos de rodillos hacia el tren laminador. Una vez terminados se conduce el material al tubo formador de rollos, pasa por la zona de peluqueo donde se 11

le da homogeneidad y se inspeccionan los rollos para el cumpliento de las exigencia de la normas fisicas y dimencionales. En el tren morgan actualmente se fabrican alambres de 5.5 mm (¼ in), 8 mm (⅜ in), 12 mm (½ in), entre otras. Para la producción de barras de acero se aplica el procedimiento de tren 450 con el cumplimiento de norma colombiana NTC 289.

Figura 9. ​a) Rollos de acero por tren Morgan recién moldeadas b) rollos enfriados, c) y d) Barras de acero por tren 450

PARTE 2 “Chatarra” 7) Recolección de la chatarra: La fuente principal de la chatarra se encuentra en las grandes urbes del país, viene de los residuos que generan los hogares, los supermercados, las empresas, el sector automotriz, desguace de barcos y maquinaria pesada. La tarea de recolección es bastante compleja y puede llegar a hacer un actividad prolongada; las personas encargadas de recolectar estos residuos son los recicladores, van por las calles buscando chatarra para llevarla al depósito de almacenamiento en donde la agrupan en grandes cantidades y le dan un valor por kilo pesado.

Figura 10. a) Recolección de chatarra, b) Zona de agrupamiento de la chatarra 8) Báscula-Clasificación: 12

La chatarra es transportada en camiones hasta la siderúrgica, donde es pesada en báscula y descargadas en patios para luego ser clasificada dependiendo de sus características. Existen tres tipos de chatarra clasificados de la siguiente forma: a) La chatarra liviana mixta es la que tiene un espesor de 1 a 3 mm, b) La chatarra especial que tiene un espesor mayor a 4 mm, c) La chatarra pesada es la que tiene un espesor mayor a 6 mm.

Figura 11. Clasificación de la chatarra 9) Preparación: La chatarra liviana mixta irá directamente a la planta de tratamiento de chatarra (fragmentadora de metales, figura 12), el resto irá a los diferentes patios asignados donde será preparada. La fragmentadora es una maquinaria muy importante en la recuperación de la chatarra férrica y no férrica. Con ella se logra reducir en trozos pequeños un paquete de chatarra y selecciona sus componentes, se separan los diferentes materiales y así se puede facilitar su reutilización. Esta fragmentadora procesa aproximadamente unas 225 toneladas de chatarra liviana al dìa, luego de ser fragmentada pasa por un gran recorrido a través de bandas; durante su trayecto existe un sistema de succión, el cual tiene la función de separar la tierra, el caucho, la espuma y otros elementos livianos ajenos a la chatarra. Más adelante se encuentra un sistema de separación magnético, estos tienen como funciòn separar metales no magnéticos como el cobre, el aluminio y el estaño. De esta forma la chatarra termina bien seleccionada en el patio.

Figura 12. a) Fragmentadora Paz del Rìo, b) Bandas transportadoras de la chatarra, c) Succión de material liviano, d) Separador magnético

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Otra forma de preparar la chatarra es el oxicorte que es la combinación de gas y oxígeno, lo cual permite cortar trozos de chatarra pesada, estos cortes se hacen buscando una medida de 40 x 40 cm​2​, para luego poder ser puestos en las cestas del horno eléctrico. Una técnica para la preparación de las chatarras es por golpe, una manera de preparar el arrabio que sale en grandes tamaños, ya sea porque se ha regado o por el material restante. Se utilizan dos esferas de aproximadamente 5 toneladas de acero, con las que se golpea el arrabio, de esta manera se separa en piezas más pequeñas para poder cortarlo a la medida correcta. Por último existe otra manera de acomodar la chatarra dentro de las medidas de 40 x 40 cm​2 y es con la compactadora, su función es disminuir el volumen de la chatarra, de esta manera se puede ganar más espacio en las cestas mejorando la densidad de la chatarra. Las cestas tienen una capacidad de 12 toneladas y se utilizan para abastecer el horno eléctrico, el cual tiene una producción por colada de 37.5 toneladas, requiere de 4 cargas por colada.

Figura 13. a) oxicorte, b) golpe con bola de 5 toneladas, c) compactadora de chatarra, d) cestas de almacenamiento 10) Horno Electrico: Estas cestas son cargadas con chatarra especial, generación propia y fragmentada; funcionan a través de tres (3) electrodos, los cuales después de que la carga metálica ha sido depositada en el horno, empiezan a fundir la chatarra lentamente mediante el intenso calor del arco eléctrico, que se genera en las puntas de los electrodos. El arco eléctrico es la potencia y la longitud, abarca la energía convertida en calor en el momento de fundir la chatarra. Los electrodos hacen contacto con la chatarra, estos abren tres huecos hasta llegar a una profundidad de 1.5 veces su diámetro, fundiendo la carga desde el fondo hacia arriba. Teniendo el acero líquido a una temperatura de 1600 ºC, se inclina el horno hacia la posición de vaciado, pasando directamente a lingoteras. 14

Figura 14. El 40% de la producción de acero mundial proviene del sistema de hornos eléctricos, que utilizan única y exclusivamente chatarra. 11) Convertidores Mientras llega la chatarra, se inyecta al convertidor oxígeno por la parte inferior para mantener la temperatura del arrabio que viene del alto horno, el cual está a 1600°C. Al llegar la chatarra se utiliza como material refrigerante, de ésta forma se baja la temperatura a 1400°C en el convertidor. La chatarra también es utilizada allí para aumentar la producción, luego se generan diferentes calidades de acero dependiendo del producto deseado; esto se hace manipulando los componentes del acero. En el convertidor se vierten de la siguiente manera: 75% de arrabio y 25% de chatarra. Con 10 toneladas de chatarra y 35 toneladas de arrabio se producen aproximadamente 940 toneladas de acero al día, el cual pasa al área de calidad. Ya en esa área se toma una muestra de cada uno para determinar la calidad, esta llega al laboratorio en dónde se limpia y se quitan las impurezas del mismo. Se toma una muestra que arroja datos de calidad. Actualmente el 60% del acero a nivel mundial es producido en convertidores. Las lingoteras se envían al patio de desmolde, dónde se les da un nuevo tratamiento.

a

b

Figura 15. a) Inyección de oxígeno al convertidor, b) Análisis de calidad y limpieza de impurezas

12) Productos 15

Los moldes se introducen en fosas, donde se les da la temperatura de 1300°C. De esa manera se puede moldear el acero produciendo los diferentes productos como tochos, láminas, alambrón, entre otros.

a

b

c

Figura 16. a) Tochos; b) Láminas; c) Alambrón 7. Especificaciones de materia(s) prima(s) y otros insumos: Mapa de localización y descripción de los yacimientos (minas). Descripción y caracterización físico-química de la(s) materia(s) prima(s) (especificaciones, normas técnicas, etc.). Localizacion y descripcion de los yacimientos:

. Figura 17 .a) Ubalá- Cundinamarca en rojo, b) Mina de hierro “el Santuario”

Caracterización físico-química Materias primas: ​Se da una descripción de la materia prima y productos tomada de (UCM, 2013) -Sólidos (se cargan por la parte alta del horno, continuamente o periódicamente): Óxidos de hierro: Hermetitas y magnetita. ​Ø​>1 cm ● Coque metalúrgico: se compone de 90% de Carbono, de 9 a 9.5% de cenizas y de 1 a 0.5% de azufre. Ø≈2-8 cm. ● Fundente: CaO y MgO. Ø≈2.5-5 cm. Capas alternas coque-fundente-mineral ●

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-Sustancias introducidas a través de las toberas continuamente: ● Aire precalentado: temperatura 950-1350ºC. A veces es enriquecido con oxígeno. ● Hidrocarburos gaseosos o líquidos: Fuel-oil, alquitrán y gas natural. Suministran CO y H2.

Tabla 3. Carga típica de arrabio producido en un horno alto para fusión de minerales de hierro Productos​: -Líquidos: ● Arrabio: C (4-5%), Si (0.3-1%), S (0.3%), P (>1%), Mn (0.1-2.5%). Punto de fusión 1150ºC. ● Escoria: SiO2 (30-40%), Al2O3 (5-15%), CaO (35-45%), MgO (5-15%), Na2O+K2O (0-1%), S(1-2.5%). Relación de basicidad: CaO + MgO/SiO2 + Al2O3=1.1-1.2 -Gases (salen continuamente por la boca del horno): ● ● ● ● ●

CO(23%) CO2(22%) H2 (3%) H2O (3%) N2 (49%)

8. Especificaciones técnicas de producto(s): Descripción y caracterización fisicoquímica de producto(s) (especificaciones, normas técnicas, etc.)

Norma Técnica Colombiana – NTC 2289, ​ (ICONTEC, 2007) Esta norma cubre las barras corrugadas y lisas de acero de baja aleación, rectas o en rollos, para refuerzo de concreto usado en aplicaciones donde las restricciones en las propiedades mecánicas y de composición química son compatibles para la aplicación de propiedades de tracción controladas o requeridas que sirvan para mejorar la soldabilidad. Las barras tienen una única resistencia a la fluencia mínima, conocida como 60 000 psi (420 MPa), designado como grado 60 (420). 17

La norma aplica para barras lisas que tengan diámetros hasta de 2,5 pulgadas, en rollos o barras rectas. Con respecto a las propiedades de ductilidad (alargamiento y doblado), se deben tener en cuenta los requisitos previstos para el diámetro nominal inferior más cercano de la barra a ensayar. También establece las propiedades mecánicas y proporciona la relación tracción/fluencia requerida en las aplicaciones que exigen propiedades de tracción específicas. Además, define la composición química y el carbono equivalente para garantizar la soldabilidad del material. Al soldar el acero, debe emplearse un proceso calificado de soldadura para la composición química del material, teniendo en cuenta el uso o servicio. El análisis químico debe realizarse de acuerdo con la norma ASTM A751 y deben determinarse los porcentajes de C, Mn, P, S, Si, Cu, Ni, Cr, Mo, Nb y V. Se debe realizar la selección y el uso de los elementos aleantes, combinados con C, P y S, para conseguir las propiedades mecánicas. Los elementos que generalmente se agregan son: Mn, Si, Cu, Ni, Cr, Mo, Nb, V, Ti y Zr. En cuanto a ​la caracterización física, ​los resaltes (relieves transversales altos presentes en la superficie de la barra corrugada) deben estar separados a distancias iguales a lo largo de la barra, estas no deben exceder de 7/10 del diámetro nominal de la barra; y los que se encuentran en lados opuestos de la barra deben ser similares en su forma, tamaño y tipo. Norma Técnica Colombiana – NTC 161 Determina los requisitos que deben cumplir y los ensayos a los cuales deben ser sometidas las barras o los rollos lisos y corrugados de acero al carbono, laminados en caliente, empleados como refuerzo para concreto o en aplicaciones metalmecánicas. Esta norma no incluye barras y rollos corrugados de alta resistencia empleados para el refuerzo de concreto, puesto que estos deben cumplir con lo señalado en la Norma Técnica Colombiana 2289. La norma indica que el acero puede ser producido por medio de uno o más de los procesos mencionados a continuación: solera abierta, básico al oxígeno, horno eléctrico o por cualquier proceso aceptado técnica y comercialmente. Por otra parte, las barras y rollos deben ser producidos a partir de palanquillas derivados de lingotes laminados en caliente o de procesos de colada continua, los cuales deben permitir identificar la trazabilidad del producto. Las barras y rollos no deben presentar defectos que afecten su uso. El óxido superficial, las escamas o superficies irregulares no son razón de rechazo siempre y cuando los valores correspondientes a la masa, las dimensiones, el área de la sección transversal y las propiedades de tracción y de doblado, no sean menores a los exigidos por esta norma. Norma Técnica Colombiana – NTC 5806,​ (ICONTEC, 2010) Esta norma establece los requisitos para el alambre de acero y mallas electrosoldadas para refuerzo de concreto producidas a partir de barras laminadas en caliente. El alambre se trabaja en frío por trefilado o laminado, es liso (sin recubrimiento o galvanizado) o grafilado. La malla es hecha a 18

partir de alambre liso, grafilado o una combinación de estos. Los alambres grafilados para refuerzo de concreto deben tener diámetro nominal mayor o igual a 5,5 mm. Los alambres lisos y grafilados para mallas electrosoldadas deben tener diámetro nominal mayor o igual a 4,0 mm. Productos Barras corrugadas, ​(Sidenal, 2015)

Figura 18. Barra corrugada estándar colombiana. Descripción Barras de acero transversales distribuidos uniformemente en sección circular con resaltes para mayor adherencia al concreto, fabricada bajo la norma NTC 2289. Usos Utilizada en el sector de la construcción para refuerzo de concreto en estructuras con diseño sismorresistente. Especificaciones ● Norma NTC 2289 ● Decreto 1513 Composición química Elemento

% Máximo

Carbono (C)

0,33

Manganeso (Mn)

1,56

Fósforo (P)

0,043

Azufre (S)

0,053

Silicio (Si)

0,55

Tabla 4. Composición química barra corrugada. 19

Propiedades mecánicas ●

Requisitos de tracción Resistencia a la tracción mínima MPa

550

Resistencia a la fluencia mínima MPa

420

Resistencia a la fluencia máxima MPa

540

Tabla 5. Requisitos de tracción barra corrugada. ● Alargamiento mínimo (en 200 mm) Número de designación

%

3, 4, 5, 6

14

7, 8, 10

12

Tabla 6. Números de designación barra corrugada Barras lisas, ​(Sidenal, 2015)

Figura 19. Barra corrugada estándar colombiana. Descripción Barras lisas de acero al carbono con sección transversal circular laminadas en caliente. Usos Utilizadas en el refuerzo de concreto y en la industria metalmecánica. Especificaciones ● Norma NTC 243 ● Norma NTC 161 Composición química 20

Elemento

% Máximo

Carbono (C)

0,13 – 0,18

Manganeso (Mn)

0,60 – 0,90

Fósforo (P)

0,03

Azufre (S)

0,050

Tabla 7. Composición química barra lisa. Propiedades mecánicas ● Requisitos de tracción Grado AH-24 Kgf/mm2

MPa

Fluencia

Mínimo

24

235

Resistencia

Mínimo

37

363

Alargamiento %

18 Tabla 8. Requisitos de tracción barra lisa.

La resistencia a la tracción debe ser igual o mayor a 1,1 veces el límite de fluencia mínimo Ángulos, ​(Sidenal, 2015)

Figura 20. Ángulo estándar colombiano. Descripción Perfiles estructurales laminados en caliente de alta soldabilidad con sección transversal en forma de “L” de lasa iguales. Se producen en longitud estándar de 6 metros. Usos Ornamentación, productos arquitectónicos, estructuras metálicas, señalización, etc.

21

Especificaciones ● Norma NTC 1920 Composición química Elemento

%

Carbono (C)

0,26

Manganeso (Mn)

0,8 – 1,2

Fósforo (P)

0,04 – 0,05

Azufre (S)

0,050

Silicio (Si)

0,15 – 0,4

Tabla 9. Composición química angulo. Propiedades mecánicas ● Tolerancias Longitud de ala +/- 1 mm Espesor de ala +/- 0,2 mm Longitud para corte +/- 100 mm Alambron corrugado chipa, ​(Sidenal, 2015) Descripción Acero corrugado laminado en caliente suministrado en longitud continua confirmado en rollos. Usos Utilizada en el sector de la construcción para refuerzo de concreto en estructuras con diseño sismorresistente, obras civiles e infraestructura. Especificaciones ●

Norma NTC 2289

Composición química

22

Elemento

% Máximo

Carbono (C)

0,33

Manganeso (Mn)

1,56

Fósforo (P)

0,043

Azufre (S)

0,053

Silicio (Si)

0,55

Tabla 10. Composición química alambron corrugado chipa. Propiedades mecánicas ● Requisitos de tracción Resistencia a la tracción mínima MPa

550

Resistencia a la fluencia mínima MPa

420

Resistencia a la fluencia máxima MPa

540

Tabla 11. Requisitos de tracción alambron corrugado chipa. ● Alargamiento mínimo (en 200 mm) Número de designación

%

2, 3

14

Tabla 12. Números de designación alambron corrugado chipa. La resistencia a la tracción debe ser igual o mayor a 1,25 veces al punto de fluencia.

9. Revisión del estado del arte sobre mejoras en los materiales, procesos de producción, etc. Biomass applications in iron and steel industry: An overview of challenges and opportunities. La industria siderúrgica utiliza como fuente de energía combustibles fósiles, responsables de emisiones de dióxido de carbono al medio ambiente. El uso de biomasa como como fuente de energía y agente reductor constituye una solución alternativa prometedora para la producción de acero verde. Hace falta un mejor vínculo entre los sectores de la siderurgia y la bioenergía. El presente artículo ofrece una revisión exhaustiva de la investigación reciente que se ha llevado a cabo sobre la mejora de la biomasa y el análisis de las oportunidades y obstáculos para la aplicación 23

de la biomasa en la industria siderúrgica. *Mousa, E., Wang, C., Riesbeck, J. and Larsson, M. (2016). Biomass applications in iron and steel industry: An overview of challenges and opportunities. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 65, pp.1247-1266. Synthesis and Characterization of Iron-Rich Glass Ceramic Materials: A Model for Steel Industry Waste Reuse. Los residuos obtenidos a partir de la industria siderúrgica contienen grandes cantidades de hierro y de metales pesados, generando contaminación en los suelos y las aguas subterráneas. Estos residuos se pueden utilizar como materia prima para la producción de materiales avanzados, como alternativa para reducir el impacto ambiental y los costos de eliminación. Se realiza una investigación que permita la síntesis de materiales cerámicos ricos en hierro. *Carlini, R., Alfieri, I., Zanicchi, G., Soggia, F., Gombia, E. and Lorenzi, A. (2016). Synthesis and Characterization of Iron-Rich Glass Ceramic Materials: A Model for Steel Industry Waste Reuse. Journal of Materials Science & Technology​, 32(11), pp.1105-1110. Efficient energy management measures in steel industry for economic utilization Se busca el ahorro de consumo de energía aplicando máquinas de inducción eficientes. Los resultados del enfoque propuesto promueve la eficiencia económica y reduce la energía y las pérdidas. El método planteado fue verificado experimentalmente. *Grewal, G. and Rajpurohit, B. (2016). Efficient energy management measures in steel industry for economic utilization. ​Energy Reports,​ 2, pp.267-273. A review of energy use and energy-efficient technologies for the iron and steel industry China es el país más influyente en la industria siderúrgica. El gigante asiático es consciente de que la producción de acero implica un alto consumo energético, por esa razón realizó estudios que determinaron que tiene el potencial técnico de reducir su consumo energético total actual. Por lo tanto se presenta una lista de tecnologías y prácticas de eficiencia energética aplicables a la industria siderúrgica, que incluye estudios de casos en todo el mundo e información sobre ahorros de energía y costos cuando están disponibles. *He, K. and Wang, L. (2017). A review of energy use and energy-efficient technologies for the iron and steel industry. ​Renewable and Sustainable Energy Reviews,​ 70, pp.1022-1039. Improvement of wear resistance of some cold working tool steels Mediante un tratamiento mecánico tal como el bruñido o una modificación química tal como la nitruración, es posible mejorar las superficies de aceros para herramientas tratados térmicamente para el trabajo en frío. La modificación química se ve afectada tanto por la naturaleza del agente químico, como por la difusividad de este agente a través del acero. Por medio de experimentos se 24

evalúan las propiedades tribológicas de los aceros Sverker 21 (AISI D2) y Vanadis 6 de trabajo en frío, permitiendo una mejora de sus procedimientos de fabricación que conduce a un reducción significativa del desgaste. *Tobola, D.and Brostow, W. (2017). I​ mprovement of wear resistance of some cold working tool steels. ​Wear, p​ p.​ 2​ 9-39.

10. Bibliografía 25

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