Materia: Ciencia de los Materiales Complemento (Gráficos) - Clase de Siderurgia

Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman

CIENCIA DE LOS MATERIALES 2010

SIDERURGIA

Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

Ciencia de los Materiales Ingeniería Industrial

MINERALES DE HIERRO

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• Principales Minerales de Hierro Mineral de Hierro

Fórmula Química

Hematita

Fe2O3

Denominación Oxido Férrico

Magnetita

Fe3O4

Oxido Ferroso-Férrico Oxido de Hierro- Titanio

Ilmenita

FeTiO3

Limonita

FeO

Oxido Ferroso

Siderita

FeCO3

Carbonato de Hierro

Pirita

FeS2

Sulfuro de Hierro

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Ciencia de los Materiales Ingeniería Industrial

CICLO METALÚRGICO DEPÓSITO

TRATAMIENTO PREMETALÚRGICO

Mena

ACONDICIONAMIENTO

Minerales

REDUCCIÓN

ACERACIÓN

COLADA

ALTO HORNO

CONVERSIÓN (Inyección aire)

LINGOTERA

•Fundentes •Coque •Mineral de Hierro •Arrabio •C = 3.0 a 4.0 %

ENRIQUECIMIENTO

+

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•Bessemer y Thomas

INYECCIÓN OXÍGENO •LD, LD LD-AC, LD AC KaldoK ld Rotor

Ganga

DEFORMACIÓN PLÁSTICA

DESBASTE

Lingotes

COLADA CONTINUA

SEMIPRODUCTO

Semiproducto

•Plano: Pl chapón h ó •No Plano: palanquilla

REDUCCIÓN DIRECTA AGLOMERACIÓN

•Hierro Esponja •C = 0.5 a 0.9 %

SOLERA •Abierta •Siemens Martin PRODUCTO FINAL

LM Fe ≥ 90 %

HORNO ELÉCTRICO •Arco •Inducción

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PROCESOS PREMETALÚRGICOS • Acondicionamiento • Reducción y Selección de Tamaño de Partícula • Trituración • Molienda

Trituradora de Mandíbulas

Trituradora de Cilindros Trituradora a Rotación Excéntrica

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PROCESOS PREMETALÚRGICOS • Acondicionamiento • Selección de Tamaño de Partícula • Trituración • Molienda

Molino de Bolas

Perfil de caída

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PROCESOS PREMETALÚRGICOS • Enriquecimiento – Vía Mecánica • Separación Magnética

• Se basa en la existencia de compuestos que pueden ser atraídos por campos magnéticos y separados así, del resto del mineral

Separador Rotativo Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

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Separador Magnético Ciencia de los Materiales Ingeniería Industrial

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PROCESOS PREMETALÚRGICOS • Enriquecimiento – Vía Térmica • Calcinación

• Se realiza en minerales a base de Carbonatos CO3Fe + ∅ → CO2 + FeO

LMCO3Fe =

reacción endotérmica

56 = 48 % (12 + 3 * 16 + 56)

LMFeO =

56 56 + 16

= 78 %

Horno de Calcinación Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

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PROCESOS PREMETALÚRGICOS • Enriquecimiento – Vía Térmica • Tostación • Se realiza en minerales a base de Sulfuros SFe + 2 O2 → SO4Fe + ∅

reacción exotérmica

SO4Fe + ∅ → SO2 + ½ O2 + FeO LMSFe = LMFeO =

56 32 + 56 56 56 + 16

= 63 %

= 78 %

SFe (Sulfuro Ferroso) es una impureza que desmejora las propiedades mecánicas y tiende a la fragilización Ciencia de los Materiales Ingeniería Industrial

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PROCESOS PREMETALÚRGICOS • Enriquecimiento – Vía Térmica • Tostación El SO2 es contaminante ∴ hay que tratarlo SO2 + ½ O2 → SO3 + H2O → H2SO4

Horno de Soleras Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

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PROCESOS PREMETALÚRGICOS • Sinterización •

Es un proceso en contracorriente entre gases y sólidos donde la mezcla de minerales de Hierro y Coque se cargan en una parrilla, haciéndolo pasar por un quemador

•

El Coque de la mezcla, se calienta e inflama consumiéndose totalmente

•

El calor producido por la combustión del Coque, funde parcialmente el g material facilitando su aglomeración

•

La combustión del Coque se mantiene por intermedio de la succión de aire, debajo de la parrilla

•

El Sinter formado cae a través de una tolva que va a una trituradora, que rompe la masa en trozos más pequeños Dwight - Lloyd

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PROCESOS PREMETALÚRGICOS • Pelletización •

Es un proceso de cohesión de partículas (esferas ó pelotitas) que se realiza en Tambores de Aglomeración ó Discos de Aglomeración utilizando Bentonita

•

El endurecimiento de las pelotitas se realiza por Trat. Térmico ó incorporación de un aglomerante

Bentonita: Silicato Cálcico (SiO3Ca) ó Sódico (SiO3Na) •

Higroscópica

•

Gran poder de hinchamiento

Disco de Aglomeración

Tambor de Aglomeración Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

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PROCESOS DE REDUCCIÓN • Esquema del Proceso de Reducción

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PROCESOS DE REDUCCIÓN • Combustibles Sólidos

Origen

Naturales

Artificiales

Tipo

Poder Calorífico

Madera

2000 a 3000 Kcal/Kg

Turba

3200 a 3800 Kcal/Kg

Lignito

1800 a 5200 Kcal/Kg

Carbones Bituminosos

7000 a 7500 Kcal/Kg

Antracita

7500 a 8200 Kcal/Kg

Carbón Vegetal

6000 a 7000 Kcal/kg

Coque

7000 a 7500 Kcal/kg

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COQUERÍA • ¿ Qué es la Coquización?

• Es el proceso mediante el cual, se obtiene Coque, como resultado de la combustión en ausencia de aire de un carbón ó mezcla de carbones

Baterías de Hornos de Coquización

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FUNCIONES DEL COQUE DENTRO DEL ALTO HORNO

SUSTITUIBLES

INSUSTITUIBLES

Combustible

Reductor

Carburante

Provee el calor necesario para la fusión de los óxidos ó id de d hierro hi y fundentes

Permite generar el CO necesario para reducir indirectamente i di t t ell mineral (por debajo de los 1000 °C) y para reducir directamente (zona de toberas)

Provee el C que está presente en el Arrabio

El Coque se consume de la siguiente manera: • Pasa al Arrabio aumentando el % C al 3 – 4 % • Se transforma en CO2 y CO Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

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Sostén de Carga

Formador de Intersticios

Permite soportar la mayor parte del peso de la carga del d l AH

Los intersticios son los canales por los que pasa ell gas reductor d t hacia la parte superior del AH, es decir, el coque hace posible la permeabilidad en la zona donde comienza el ablandamiento de los minerales (zona pastosa) Ciencia de los Materiales Ingeniería Industrial

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ALTO HORNO

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• Partes Principales Tragante

m 50

Temp. [°C]

150

600 Cuba

Caja de Viento

20 ∅8m

Vientre

800 1400

Etalaje

2000

Crisol

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ALTO HORNO

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• Detalle del Tragante Tragante de Doble Campana

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ALTO HORNO

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• Entradas y Salidas Fundente Mineral de Hierro Pellet Sinter

Gas de Alto Horno

Coque Metalúrgico

E

Entrada

S

Salida

Aire Caliente por las Toberas

Arrabio Líquido Escorias Líquidas

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ALTO HORNO

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• Principales Reacciones Reacciones de Reducción 3 Fe2O3 + CO → 2 Fe3O4 + CO2 Fe3O4 + CO → 3 FeO + CO2 Corriente gaseosa ascendente de CO

Corriente sólida descendente

FeO + CO → Fe + CO2

Cuba

Vientre Etalaje Crisol

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ALTO HORNO

1. Tubo de entrada de gas al AH 2. Cámara de Combustión 3. Material que absorbe el calor, formado por conductos verticales de ladrillos refractarios 4. Entrada de aire frío 5. Válvula reguladora del aire que activa la combustión del gas 6 Salida de aire caliente del AH 6.

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REDUCCIÓN DIRECTA

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• Horno de Cuba – Proceso MIDREX Gas de Combustión

Mineral de Hierro Pellets

Sistema de Procesamiento de Gas

Gas Natural

Gas de Tope Lavador de Gases

Proceso de Gas Compresores

Horno de Cuba

Reforming Ventilador de Aire Principal

Gas Reductor

Lavador de Gases

Gas Combustible

Gas de Combustión

Gas Natural + O2

Gas de Enfriamiento Compresor

Gas de Alimentación Chimenea

Recuperación de Calor

Aire de Combustión

Gas Natural MIDREX Hierro de Reducción Directa

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ALTO HORNO – MÓDULO DE REDUCCIÓN DIRECTA • Comparación entre los Productos Obtenidos Hierro de Reducción Directa (HRD)

Característica

Arrabio

Estado de Obtención

Líquido

Sólido

Grado de Reducción

100 %

80 a 95 %

Contenido de C

3a4%

1 % (máx. (máx 2 %)

Ganga

se separa vía escoria

queda en el HRD

Elementos Indeseables

partición Arrabio - Escoria

permanecen en el HRD

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PROCESOS DE ACERACIÓN BESSEMER

ÁCIDO

THOMAS

BÁSICO

INYECCIÓN DE AIRE

CONVERSIÓN LD INYECCIÓN DE OXÍGENO

LD - AC

BÁSICO

Aceros Comunes, especialmente de Bajo Carbono (el oxígeno entra en contacto directo con el baño metálico)

KALDO - ROTOR

ABIERTA

SIEMENS - MARTIN

SOLERA

ARCO HORNO ELÉCTRICO INDUCCIÓN DE AF

Aceros de Medio ó Alto Carbono y de Baja Aleación Aceros de Alta Aleación (el medio de aporte térmico es la energía eléctrica ∴ no hay influencia de oxígeno)

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ACERACIÓN

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• Convertidor Bessemer – Año 1850 • Proceso de Afino • Carga con arrabio líquido (posición inclinada) • Inyección de aire por el fondo (posición vertical) • Vaciado de acero líquido (bruto) • Características • Convertidor basculante • Revest. refractario ácido (SiO2) • Proceso de oxidación efectivo para eliminar Si, Mn y C • El arrabio utilizado debe contener bajos porcentajes de PyS Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

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ACERACIÓN

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• Convertidor Thomas – Año 1879 • Proceso similar al Bessemer con introducción de mejoras • Incorporación de un fundente de carácter básico (CaO) que permite el afino de arrabios fundidos a partir de minerales con alto porcentaje de Fósforo (> 1,20 %) • Características • Convertidor basculante • Revest. refractario básico, dolomítico, (Ca,Mg)CO3 • Proceso de oxidación efectivo para defosforar • La oxidación del Fósforo es la principal fuente de calor del proceso, por este motivo, el porcentaje de este, debe ser relativamente elevado Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

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ACERACIÓN

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• Convertidor al Oxígeno Básico (COB) - Año 1952 • Objetivo • Afinar el arrabio producido en el Alto Horno, en acero líquido bruto, que posteriormente podrá ser refinado nuevamente por Metalurgia Secundaria • Principales Funciones • Decarburación • Eliminación de Fósforo del arrabio • Optimización de la temperatura del acero

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ACERACIÓN

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• Convertidor al Oxígeno Básico – LD (Linz – Donawitz / Austria) • Características • Convertidor basculante • Revestimiento refractario básico • Inyección de Oxígeno puro sobre la superficie del baño líquido mediante una lanza • El ambiente oxidante y la escoria básica favorecen la eliminación de Fósforo • Las reacciones exotérmicas de oxidación que ocurren durante el proceso, generan una cantidad importante de energía térmica adicional, que se utiliza para fundir la chatarra y/ó adiciones de mineral de hierro Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

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ACERACIÓN • Convertidor al Oxígeno Básico - LD

Lanza de Oxígeno

Chatarra y Fundente

Cuchara de Carga de Arrabio

Convertidor

Cuchara de Escoria

Cuchara

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ACERACIÓN • Convertidor al Oxígeno Básico – LD • Principales Reacciones

Superficie de intercambio Gas - Metal

C + ½ O2 → CO Si + O2 → SiO2

Escoria

2 P + 5/2 O2 → P2O5

Proyecciones de Metal

Mn + ½ O2 → MnO Fe + ½ O2 → FeO

IB =

CaO SiO2

> 1 ∴ Escoria Básica = 1 ∴ Escoria Neutra < 1 ∴ Escoria Acida

Proyecciones de Metal - Escoria

Metal

Gases

Corte de un Convertidor LD Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

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ACERACIÓN

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• Convertidor LD – AC • Es una variante del Convertidor LD • Características • Inyección simultánea de Oxígeno puro y CaO pulverizado para favorecer la cinética del proceso

Lanza de CaO

Lanza de Oxígeno

• Producción: 160 Tn/25 min.

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ACERACIÓN

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• Horno Siemens - Martin – Año 1840 • Características •

Horno de Solera con ladrillos refractarios (Reverbero)

•

Sistema de recuperación de calor que permite que el aire y los gases empleados para la combustión sean precalentados

•

Las reacciones son menos enérgicas, dado que el aire no atraviesa la masa líquida

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ACERACIÓN

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• Horno Siemens - Martin • Entradas • Arrabio proveniente del Alto Horno • Chatarra y Mineral de Hierro • Caliza • Salidas • Acero líquido • Escoria

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ACERACIÓN

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• Horno Eléctrico de Arco • Características • Posee electrodos de grafito • Utiliza energía eléctrica para generar un arco eléctrico y fundir la carga • Innovaciones I i T Tecnológicas ló i • Desarrollo de nuevos métodos de fusión, como el de la escoria espumosa • Reemplazo de materiales refractarios paneles refrigerados por agua

básicos

por

• Paredes metálicas y bóvedas refrigeradas por agua Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

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ACERACIÓN • Horno Eléctrico de Arco

• Adición de Carbón pulverizado y Oxígeno mediante una lanza • El insuflado de Oxígeno, permite: • Una rápida oxidación de los elementos indeseables, con disminución del contenido de Carbono • Formación de una escoria espumosa • Elevar la temperatura del proceso • Reducir el consumo de energía eléctrica • Disminuir el tiempo de operación • Colada excéntrica por el fondo Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

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ACERACIÓN

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• Horno Eléctrico de Arco

Entrada • Chatarra • DRI ó HRD • Cal para la formación de la escoria básica

Temp. Arco ≅ 3000 °C

Potencia del Tranformador 100 a 700 KVA/t

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ACERACIÓN

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• Horno Eléctrico de Arco

Colada Excéntrica por el Fondo

Colada por Piquera

• Tap to Tap: 45 a 60 min.

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ACERACIÓN • Horno Eléctrico • Principales Reacciones • Formación de la Escoria 2 (CaO) + [Si] + 2 [O] → (2CaO.SiO2) [Mn] + [O] → (MnO) • Decarburación [C] + [O] → CO • Defosforación 2 [P] + 5 [O] + 3 (CaO) → (3CaO.P2O5) (Escoria) ; [Baño Metálico] Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

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METALURGIA DE CUCHARA

COB

A B Acero Base

Horno de Cuchara

•

Desoxidación con Al y Si

•

Desulfuración con Mn

•

Trat. de inclusiones con Ca

•

Aleación y ajuste de composición química

•

Desgasificación con burbujeo de gas inerte (Ar)

•

Homogeneización química y térmica

•

Ajuste de temp. final

HE

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METALURGIA DE CUCHARA • Horno de Cuchara • Principales Reacciones • Desoxidación Ferrosilicio

[Si] + 2 [O] → (SiO2)

Aluminio

2 [Al] + 3 [O] → (Al2O3)

• Desulfuración Ferromanganeso [S] + [Mn] → (MnS) Cal

[S] + [CaO] → (CaS) + [O]

(Escoria) ; [Baño Metálico] Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

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COLADA

• Colada convencional para producción de Lingotes

Colada Directa

Colada Indirecta

Lingote en proceso de p solidificación Lingotera

Placa de Base

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COLADA

• Colada convencional para producción de Lingotes

Abi t sin Abierta i Tapa T

C Con T Tapón ó

Cerrada en el Con Tapón en Fondo el Fondo Lingotera Invertida

Abierta sin Tapa

Lingotera Directa

Paredes Lisas

Paredes Cóncavas Paredes Corrugadas Paredes Acanaladas

Representación esquemática de diversos tipos de formatos de secciones longitudinales y transversales de lingoteras Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires

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COLADA

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• Colada Continua Colada Continua Vertical - Curva

Colada Continua Curva

Cuchara

Distribuidor Molde Sist. de Corte

Rodillos Soporte Enfriamiento con Rociadores de Agua

Tren de Enderezado

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DEFORMACIÓN PLÁSTICA • Laminación

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