INTRODUCCIÓN
Se denomina acero, a la aleación de Hierro (Fe) y Carbono
(C). A esta aleación básica se suele adicionar otros elementos
que le confieren al acero propiedades especiales, (J.M, 1991). El acero constituye el material más importante en el desarrollo industrial actual y futuro del mundo, el nivel de desarrollo económico de uno u otro estado se determina por la capacidad de acero fabricado, puesto que sin
gricultura, generación eléctrica, etc., (Kundrin, 1981). Por la variedad y disponibilidad es factible su producción en cantidades industriales; su resistencia y propiedades plásticas pueden ser trabajadas por varios métodos (laminados, forjados, estampados, estirados, etc.).
Alrededor de un cuarto de la producción mundial de acero se produce por el método de Horno de Arco Eléctrico, donde se transforma la carga metálica en metal líquido con una composición química y temperatura específica. Luego el metal se vierte a cuchara para su traslado a los diferentes métodos de la metalurgia secundaria como por ejemplo al Horno Convertidor al Oxígeno LD (descarburación con lanza de oxigeno por arriba), donde el calentamiento ocurre a través de las reacciones exotérmica de los elementos químicos, principalmente el carbono o va a la unidad de refinación de acero tipo Horno Cuchara como en la planta de ACINOX Las Tunas,
con calentamiento por arco eléctrico, que permite la formación de una nueva es
Se denomina acero, a la aleación de Hierro (Fe) y Carbono (C). A esta aleación básica se suele adicionar otros elementos que le confieren al acero propiedades especiales, (J.M, 1991). El acero constituye el material más importante en el desarrollo industrial actual y futuro del mundo, el nivel de desarrollo económico de uno u otro estado se determina por la capacidad de acero fabricado, puesto que sin él no puede progresar la industria minera, naval, agricultura, generación eléctrica, etc., (Kundrin, 1981). Por la variedad y disponibilidad es factible su producción en cantidades industriales; su resistencia y propiedades plásticas pueden ser trabajadas por varios métodos (laminados, forjados, estampados, estirados, etc.).
Alrededor de un cuarto de la producción mundial de acero se produce por el método de Horno de Arco Eléctrico, donde se transforma la carga metálica en metal líquido con una composición química y temperatura específica. Luego el metal se vierte a cuchara para su traslado a los diferentes métodos de la metalurgia secundaria como por ejemplo al Horno Convertidor al Oxígeno LD (descarburación con lanza de oxigeno por arriba), donde el calentamiento ocurre a través de las reacciones exotérmica de los elementos químicos, principalmente el carbono o va a la unidad de refinación de acero tipo Horno Cuchara como en la planta de ACINOX Las Tunas,
con calentamiento por arco eléctrico, que permite la formación de una nueva escoria, adicionar ferroaleaciones para el ajuste y homogenización de la composición química y temperatura, desulfuración profunda, decantación de las inclusiones no metálicas del acero y eliminación gases.
Tanto la fabricación de acero al carbono (acero común) como el especial (donde se incluyen los aceros inoxidables) se compone de dos etapas: una primera denominada metalurgia primaria o fusión que se realiza en hornos de arco eléctrico y la denominada metalurgia secundaria, que se inicia durante el vertido del Horno de Arco Eléctrico y finaliza en el Horno Cuchara, (F. J. Ormazábal, Lagarraña Esther y colab.).
La elaboración de aceros bajo y medio carbono en la acería de ACINOX Las Tunas resulta complejo partiendo de un equipamiento para la producción de aceros inoxidables (horno de piquera) y la adaptación de una máquina de vaciado de planchones a un TWIN (dos líneas) con tiempo de vaciado 100 min. /col., que no favorece la calidad del acero vaciado y tener que aumentar las exigencias de calidad del acero elaborado.
La producción de acero bajo y medio carbono en ACINOX Las Tunas está condicionado por la baja disponibilidad y calidad del fondo metálico con que cuenta Cuba, que provoca la introducción en la carga metálica > 5 % de materiales no metálicos, concentraciones de (FeO)esc. > 30 % y formación de escorias de baja basicidad (B < 1,80), con baño metálico muy oxidado con [%C]metal < 0.07 y formación de una escoria de baja calidad, con alto consumo de energía, de refractario y electrodos de 500 mm. Por lo que proponemos la evaluación de aumentar la cantidad de carbón de carga entre cestas y si fuese necesario de carbón de insuflado durante la formación de escoria espumosa y lograr [C]metal > 0.08 % y [C]metal < 0.20 % antes del vertido del metal a la cuchara.
La desoxidación primaria (pre desoxidación) durante el vertido del metal líquido a la cuchara se realizaba en el siguiente orden: adición de aluminio (Al-95%) por su alto poder desoxidante y evitar el "overflow" (derrame metal y escoria de la cuchara), carbón antracita o coque para continuar la desoxidación y ajuste del metal al 50% de la marca y a las ¾ parte del llenado de la cuchara se adicionaba el FeSiMn16-65% para el ajuste del manganeso al 80% y el silicio la mayor parte (60-70 %) continuaba desoxidando el baño metálico por precipitación y el resto se asimilaba al metal. La adición de FeSi-75 % a inicio proceso de Horno Cuchara para la desoxidación de la escoria procedente del horno (FeO) esc. > 7 %, con la formación (SiO2) esc. > 25 % y de escorias con basicidad < 2 (B < 2), con demoras durante el calentamiento y bajas Tasas de Desulfuración (Ls) del acero al final del proceso de Horno Cuchara, con alto consumo de energía eléctrica, refractario de cuchara y electrodos de 300 mm. Los altos tiempos de vaciado en la Máquina de Vaciado Continuo, provocaba obstrucciones de las boquillas de vaciado de la cuchara y artesa a causa de la
decantación de aluminatos (Al2O3), debido al alto contenido de aluminio en el acero
> 0,0045 %.
De acuerdo a lo planteado, es objetivo del presente trabajo evaluar el empleo de materiales desoxidantes más baratos e idóneos para la desoxidación del metal durante el vertido y proceso de afino en sustitución del Al-95 %, así como la formación y evaluación de una nueva escoria, que permitiera satisfacer las exigencias de calidad del acero elaborado en el proceso de Horno Cuchara.
MATERIALES Y MÉTODOS
El desarrollo experimental de este trabajo de investigación consistió en dar seguimiento a las prácticas de desoxidación primaria realizadas en la cuchara de acero durante el vertido y proceso de Horno Cuchara. Es importante señalar, que las adiciones durante la desoxidación primaria se realizaron a inicio del vertido y a las ¾ de llenado de la cuchara. Esta modificación de la práctica convencional, tuvo como objetivo incrementar la cantidad de carbón empleado como desoxidante y eliminar la adición de aluminio. La información estadística de estas prácticas de coladas de grados de acero bajo y medio carbón, se recopilaron para realizar los cálculos de las diferentes variables que intervienen en el proceso. También se recopilaron los datos resultantes de las prácticas donde se agregó más cantidad de carbón y escoria sintética “Sidox-FG o Lugitec-Al” en sustitución del Al-95 %. La selección de los tiempos de medición de las variables de composición química del metal, de las escorias y temperatura se realizó basándose en los tiempos estándar manejados durante el proceso. Estos tiempos fueron, a los 5 minutos antes de iniciado el vertido a la cuchara, a inicio proceso de Horno Cuchara y 10 minutos antes enviar la cuchara a vaciar a la Máquina de Vaciado Continuo. Además, se tomaron, los tiempos de adición de carbón, ferroaleaciones y escoria sintética, con la finalidad de determinar su influencia sobre la práctica de desoxidación primaria desoxidación. Finalmente, se tomaron muestras de escoria y acero, al final proceso del Horno de Arco Eléctrico y al inicio y final del proceso de Horno Cuchara.
En la solución óptima en la investigación, se toman en consideración los siguientes métodos: análisis y síntesis en el procesamiento de la información de las fuentes consultadas y la obtención de regularidades acerca de técnicas de evaluación de datos de medición en el proceso de producción; sistémico-estructural, que permite la comprensión de los pasos que conforman el procedimiento para identificar las magnitudes de influencias; teórico, que aporta herramientas a desarrollar para el diagnóstico del proceso productivo relacionado con todas las contribuciones relacionadas con la etapa de medición del producto.
Metodología en la desoxidación primaria
En la producción de acero al carbono en ACINOX Las Tunas la transformación de la carga metálica (chatarra) se realiza en el Horno de Arco Eléctrico, el afino se lleva a
cabo en el Horno Cuchara y la transformación del acero líquido a producto terminado se ocurre en la Máquina de Vaciado Continuo. Además, se utilizan diversos materiales necesarios para la fabricación del acero como son:
Ferroaleaciones (FeSi-75, FeSiMn, FeCr, FeV, FeB, etc.) y carbón, que se adicionan en la cuchara para la desoxidación y ajuste del acero.
Formadores de escoria como la Cal, el Espato Flúor (CaF2) y escoria sintética Sidox- LFG o Lugitec-Al, procedente de la FIRMA POROSIDER S.A.
En la tecnología de elaboración del acero al carbono se estudiaron las siguientes etapas. Propuestas.
1. A las 3 a 5 t. de metal líquido vertido a la cuchara se adiciona la escoria sintética en sustitución del Al-95 %, para la desoxidación del acero y acondicionamiento de la escoria y evitar las reacciones violentas al adicionar el carbón antracita o coque.
2. Seguidamente, adicionar el carbón antracita o coque con el objetivo de continuar la desoxidación profunda y ajuste del acero según el grado de oxidación del metal procedente del Horno de Arco Eléctrico.
3. A las ¾ parte del metal vertido a la cuchara se adiciona el FeSiMn16-65 %, para el ajuste del por ciento de manganeso al 80 % para continuar la desoxidación del metal por precipitación.
2.2. Toma de muestra de metal y temperatura en el proceso
Las mediciones de temperaturas en el Horno de Arco Eléctrico como en el Horno Cuchara se realizan con termopares de inmersión de longitud de 1500 mm y de 1200 mm respectivamente. El termopar se introduce a través de la escoria hasta hacer contacto con el metal produciéndose la medición de temperatura del metal líquido. La medición se reflejará en el equipo SIDERMES situados en la cabina de mando de ambos agregados. En la imagen 1, 2 y 3 se muestran los equipos de medición de la temperatura, de análisis de composición química del acero y las escorias.
Imágenes 1, 2 y 3: Sidetemp A1-II, Cuantómetro de Emisión
Óptica OBLF para el análisis de la
composición química del acero y Equipo PW 2404 x-ray Spectrometer para el análisis cuantitativo de las
escorias (Laboratorio Instrumental ACINOX Las Tunas).
1.3. Diagrama de Causa y Efecto. Plan de acción
Con la aplicación del Diagrama de Causa y Efecto detectamos las principales causas que afectaban las desviaciones de los principales índices de consumos.
Figura 1
Diagrama de Causa y Efecto
Luego
de conocer las principales causas, confeccionamos el plan de acción.
Tabla 1
Desglose de las causas con su plan de acción
Formación de una nueva escoria
Las escorias blancas de Horno Cuchara de ACINOX Tunas, de acuerdo a los contenidos de sus óxidos mayoritarios, están constituidas por el sistema cuaternario CaO-SiO2-MgO-Al2O3 (de 35 % a 60 % de CaO; de 13 % a 28 % de SiO2; de 3,5 % a 10 % de MgO; de 3,0 a 11 % de Al2O3) (Boza 2011). Estas escorias pueden ser analizadas teniendo en cuenta el sistema ternario CaO-SiO2-MgO con diferentes contenidos de Al2O3 o del sistema CaO-SiO2Al2O3 con diferentes contenidos de MgO (Committe for Fundamental Metallurgy 1981). Al final del proceso de Horno Cuchara en ACINOX Las Tunas la composición química se obtenía una escoria con
% FeO >1 y % SiO2 > 25 y %CaO < 50, que provocaba escorias ácidas, con B < 2 y afectaciones al revistiendo refractario de la líneas de escorias de las cucharas (ver tabla 2); pero con las mejoras en la desoxidación primaria del metal durante el vertido del horno y proceso de afino de Horno Cuchara, se obtiene una escoria básica que favorece la durabilidad de las líneas de escorias de las cucharas > 60 col./campaña (ver tabla 3).
2.5. Ajuste y afino del acero en el proceso de Horno Cuchara.
La desoxidación primaria del metal durante el vertido permitió adicionar carbón coque a inicio proceso de HC (material más barato que el FeSi-75), realizar el ajuste del manganeso con FeSiMn16-65 % y luego adicionar FeSi-75 % para la desoxidación y ajuste del silicio si fuese necesario. Formar una nueva escoria con la adición de 700 kg de Cal (350+350), que permite establecer un correcto régimen eléctrico durante el calentamiento, estabilizar el cosφ > 80, aumentar la velocidad de calentamiento del acero hasta 4,30oC/min. y la disminución del tiempo de proceso
< 60 min. /col. Es muy importante que haya circulación del acero líquido para lograr el intercambio y reacción entre elementos del baño y escoria, lo que se consigue con un flujo de argón o nitrógeno desde el fondo de la cuchara hacia la superficie. En la cuchara se encuentran dos fases distintas: el acero líquido (Fe, C, Si, Mn, P, S, Sn, Cr, O, H, N, etc.), y los óxidos que forman la escoria (CaO, SiO2, MnO, MgO, FeO, P2O5, Al2O3, etc.) en la superficie, debido a su menor densidad. La escoria que llega al afino procede de parte de la escoria negra que inevitablemente pasa a la cuchara durante el vertido, y de los óxidos formados a partir de las reacciones de desoxidación del acero en la cuchara por la adición de carbón y ferroaleaciones.
El silicio realiza desoxidación directa e indirecta, y la obtención de determinada cantidad óptima en el acero que, además de cumplir la norma, garantiza unas adecuadas propiedades
mecánicas minimizándose los problemas de colabilidad y laminación. No obstante, el carbono al ser menos potente como
desoxidante, que el aluminio y el silicio, también lo utilizamos
ampliamente como desoxidante:
La desoxidación final ocurre con el silicio del FeSi75%. La reacción más importante de reducción quizás sea la que permite
recuperar la mayor cantidad de hierro en la escoria
procedente del horno de piquera, evitando el mínimo paso de escoria a la cuchara. Por eso al agregar FeSiMn o FeSi75, el P2O5 de la escoria arrastrada del horno pasa inevitablemente durante el
vertido a la cuchara, se reduce durante la desoxidación, pasando nuevamente al baño de acero. No obstante, si se ha desescoriado
adecuadamente eliminando la mayor parte de la escoria en el horno, la recuperación del fósforo en el proceso de
afino no sobrepasa 0.09 a 0.012 %, por lo que
la cantidad de fósforo que puede revertir al baño en el afino es mínima y no supone un problema:
2.6. Desulfuración
Al final del proceso de afino están creadas las condiciones para que ocurra la desulfuración:
Alta temperatura >1610oC, escoria desoxidada (FeO)esc. < 1 %, alto contenido de (CaO)esc. > 55 % y efectividad en el intercambio de elementos en la interface
escoria-acero, garantizado por una óptima fluidez de la escoria con la adición de espato flúor. Es importante mantener una relación de (CaO)esc. / (SiO2)esc., > 2,2 (Basicidad), ya que una escoria con concentraciones más altas de CaO puede contener una mayor relación de partición de azufre "Ls” (hasta cierto punto de saturación) y por lo tanto es más eficaz en la eliminación del mismo.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Nueva Práctica Operativa durante el vertido y Afino del acero
Figura 2
Procedimientos (mejoras tecnológicas) durante el
vertido y proceso de Horno Cuchara.
Vertido: El rango de la temperatura de vertido será de 1610 a 1645oC en dependencia de la marca de
acero que se está elaborando. A las 3 a 5 t. de metal vertido a la cuchara, se adiciona la escoria sintética, que crea las condiciones desoxidantes del metal, para la adición del carbón antracita o coque, para la desoxidación profunda del metal y
al mismo tiempo el ajuste al 50 a 60 % del carbono
y a las ¾ parte de llenado de la cuchara, se adiciona el FeSiMn16-65 %, que continua con la desoxidación del metal
por precipitación y del ajuste al 80% de la marca
del porciento de manganeso.
Horno Cuchara:
Al recibir la cuchara con acero líquido se toma muestra de metal, que se envía al Laboratorio Instrumental para el análisis de composición química y temperatura. Se
ajusta el flujo de agitación del baño metálico y se inicia el calentamiento del acero con la adición de 350 kg de Cal. Con los resultados de composición química, se realiza primer ajuste en el siguiente orden: carbón coque, FeSiMn16-65 % y si hace falta adicionar FeSi-75 %, ocurriendo una reducción profunda del manganeso de la escoria. Adicionar la 2da Cal hasta completar 700 kg como mínimo (la adición de cal dependerá del grado de oxidación del metal y escoria procedente del horno). Se realizarán tantos ajustes como sean necesarios hasta alcanzar la composición química exigida por el cliente. Al final de proceso de Horno Cuchara se alcanzan las condiciones óptimas de desulfuración: alta basicidad de la escoria (B > 2,2), bajo por ciento de (FeO)esc. < 1 (escoria desoxidada) y alta temperatura del acero (1610 a 1635oC). Depende de la marca de acero que se esté elaborando en ese momento, ocurriendo la desulfuración a través de siguiente reacción (8):
[FeS]metal + 2(FeO)esc. + (CaO)esc. + [Si]metal + [C]metal = 3[Fe]metal + (CaS)esc. + (SiO2) + COgas
Al final del proceso de Horno Cuchara se regula el flujo de agitación (flujo suave) para decantar las inclusiones no metálicas y lograr una óptima limpieza interna del acero. Con las mejoras tecnológicas se logra una escoria básica (B > 2,2), que favorece la desulfuración profunda del acero y la elación [%Mn]acero / [%S]acero > 28, con la disminución de grietas internas durante el proceso de vaciado en la Máquina de Vaciado Continuo, aumentando la calidad del producto terminado. Durante la desulfuración se alcanzaron [%S]metal < 0,015, superando Ls > 70%:
Ls = %Sinic. - %Sfinal / %Sinic. * 100% = 0.050 - 0.012/0.050 * 100 % = 76 %. En el año 2018 se logró un [S]metal = 0.018 para una Ls = 64 (muy buena para las condiciones de ACINOX Las Tunas). En la tabla 3 se observa la desulfuración del acero antes y después de introducir las mejoras tecnológicas.
Figura 3
Contenido de azufre obtenido después del proceso de
desulfuración en el Horno Cuchara
3.2. Análisis de las muestras de escorias antes de aplicar las mejoras:
Tabla 2
Resultados análisis cuantitativos de escorias de
aceros al carbono antes de la aplicación de las
mejoras tecnológicas.
El Índice de Basicidad por debajo 2 (IB < 2), provocaba el deterioro del refractario de las cucharas.
Tabla 3
Resultados análisis cuantitativos de escorias de aceros al carbono después la aplicación de las
mejoras tecnológicas.
El IB > 2,2, favorece la durabilidad del refractario de las cucharas (de 45 coladas a más de 60 col. /cuchara).
3.3. Mediciones del cosφ antes y después
de las mejoras tecnológicas:
Tabla 4: Resultados de las Mediciones Reales del cosφ
Tabla 4
Resultados de las Mediciones Reales del cosφ
Con las mejoras tecnológicas introducidas disminuyó los principales índices de consumos favoreciéndose el costo de la tonelada acero producida.
Tabla 5
Comportamiento de los índices de consumo de los principales
materiales en el proceso de Horno Cuchara después de introducidas las
mejoras tecnológicas.
En el año se realizaron 1738 coladas, con tiempo de proceso de 90 min. /col. y de Interrupción 30 min. /col.; no obstante, el consumo de energía fue inferior al plan.
El 64% (1110 coladas) tuvieron tiempo de proceso de 67 min. /col. para un consumo de energía de: 4 862,53 MW / 69 695,55 t. acero líq. * 1000 = 69,77 kWh/t. para un ahorro de 12,23 kW/t. Además, se realizaron 286 coladas con tiempo de proceso de 47 min. /col., con consumo de energía de: 968,15 MW / 17 160 t. acero líq. * 1000 = 56,42 kWh/t., para un ahorro de 25,58 kW/t.
CONCLUSIONES
Con la aplicación de este trabajo se logra:
1. Disminuir el consumo de energía eléctrica > 20 kWh/t., de ferroaleaciones (7.7 kg/t.), electrodos de 300 mm (0,39 kg/t.) y refractario de cucharas (0,64 kg/t.).
2. Estabilizar el cosφ > 80, aumentar la velocidad de calentamiento del acero 3,5 a 4,3oC/min. y disminuir el tiempo de proceso < 60 min. /col.
3. Aumentar el rendimiento del silicio > 60 % en toda la línea de producción.
4. Aumentar la calidad interna del acero elaborado y vaciado en la Máquina de Vaciado Continuo.
5. Formación de una nueva escoria desoxida y básica, con excelentes propiedades
para ser utilizada como material de construcción en viviendas, programa que en estos momentos es priorizado en la provincia de Las Tunas y el país; así como su empleo en la fabricación de fundente para electrodos de soldar.
Escoria de cuchara.
