Presentación que forma parte del curso Hornos Eléctricos de Arco de metallon; en esta parte se describen algunos aspectos metalúrgicos de la operación de los hornos

1. Curso
HORNOS ELÉCTRICOS DE ARCO
Instructores: Jorge Madias y Francisco Torre
San Nicolás, Pcia. de Buenos Aires, Argentina, 20-21/03/2014

2. Curso Hornos Eléctricos de Arco
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 Contenido
 Introducción
 Metálicos
 Materiales auxiliares
 Operación
 Benchmarking
 Metalurgia en el horno
 Metalurgia en el sangrado

3. Escoria
Defosforación
Decarburación
Metalurgia en el horno3

4. Metalurgia en el horno
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 Escoria
 Funciones
 Protección de los refractarios y paneles refrigerados (vía
espumado)
 Estabilidad del arco eléctrico
 Defosforación del acero líquido
 Aislación térmica del acero líquido
 Transmisión de calor al acero líquido

5. Metalurgia en el horno
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 Escoria
 Componentes
 Adiciones (cal cálcica, cal dolomítica, reciclos)
 Óxidos contenidos en materiales de carga (tierra y
cascarilla en la chatarra, ganga del hierro esponja; cenizas
de los materiales carbonosos)
 Productos de la oxidación de elementos disueltos en el
acero cargado (óxido de hierro, óxido de manganeso, sílice)
 Productos del ataque de los refractarios (óxido de
magnesio)
 Escoria remanente de coladas anteriores

6. Metalurgia en el horno
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 Escoria
 Componentes
CaO SiO2 FeO MgO MnO Al2O3
Cal cálcica X
Cal dolomítica X X
Chatarra X X
Oxidación X X X
Refractarios X
Escoria previa X X X X

7. Metalurgia en el horno
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 Escoria
 Fase líquida o
parcialmente líquida,
constituida por óxidos en
solución, de diferentes
orígenes
 Composición típica:
 CaO, SiO2 y FeO como
componentes principales
 MgO, MnO, Al2O3, P2O5,
CaS como componentes
menores

8. Metalurgia en el horno
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 Escoria
 Balance de masa
 Se puede estimar la composición de la escoria calculando
los aportes de CaO, SiO2, FeO, MgO y Al2O3 de las
diversas fuentes
 Puede ser útil para entender el comportamiento de
espumado, el ataque sobre los refractarios, la capacidad
de defosforación, evaluar la influencia de la adición de
reciclos, detectar las pérdidas de cal como finos, etc.
 Ejemplo

9. Metalurgia en el horno
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 Escoria
 Equilibrio con el acero
 Los elementos dispersos en el acero líquido tienden a estar
en equilibrio con los mismos elementos presentes en la
escoria
 Este equilibrio se representa como (M)/M, donde los
paréntesis indican la escoria y el subrayado indica el acero
 Por ejemplo, (P)/P , (Si)/Si, Mn/Mn, (S)/S, (Cr)/Cr etc.
 Esa relación suele llamarse coeficiente de partición, LM
 El valor de equilibrio del coeficiente de partición depende
de factores como el estado de oxidación del baño, la
basicidad de la escoria, la temperatura, etc.
 Ejemplo: partición de cromo

10. Metalurgia en el horno
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 Escoria
 Si esas condiciones cambian, el coeficiente de partición
cambia y cambia por lo tanto la composición del acero y la
escoria
 Para que se alcance de nuevo el equilibrio puede ser
necesaria la interacción entre el acero y la escoria
 Ese concepto básico es el que se usa para defosforar,
desulfurar, resulfurar, etc., por reacción entre el metal y la
escoria
 También es el que explica cambios no deseados, como la
reoxidación de un acero por contacto con una escoria
oxidada y la reversión de fósforo, silicio, o manganeso de
la escoria al acero

11. Metalurgia en el horno
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 Escoria
 Equilibrio con el acero

12. Metalurgia en el horno
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 Escoria: estructura
El SiO2 puro forma una red
polimerizada de SiO4
4-
SiO2 es un formador de red,
ácido
El CaO agregado, rompe los
puentes entre dos tetrahedros
CaO es un modificador de red,
básico
Silicio Calcio Oxígeno

13. Metalurgia en el horno
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 Escoria
 En la práctica, el índice de basicidad puede ser
expresado por el cociente % CaO / % SiO2
 La capacidad de los óxidos para romper los puentes
entre silicatos sigue el orden CaO  MgO  MnO 
FeO
 Cuanto más alto es el contenido de SiO2, más alto es el
grado de polimerización de la escoria; esto conduce a
un incremento pronunciado de su viscosidad

14. Metalurgia en el horno
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 Escoria
 Balance entre óxidos refractarios y fluidificantes
Óxidos fluidificantes
(Al2O3, FeO, MnO)
Óxidos refractarios
(CaO, MgO)

15. Metalurgia en el horno
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 Escoria
 Representación: Diagrama binario CaO-SiO2

16. Metalurgia en el horno
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 Escoria
 Representación: Diagrama binario CaO-Fe2O3

17. Metalurgia en el horno
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 Escoria
 Representación: Diagrama FeOx-SiO2

18. Metalurgia en el horno
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 Escoria: Diagrama CaO-FeOx-SiO2

19. Metalurgia en el horno
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 Escoria: Representación
100% CaO 100% FeO
100% SiO2
FeO
CaO: 50 %
SiO2: 25 %
FeO: 25 %

20. Metalurgia en el horno
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 Escoria: Cálculo de MgO para la saturación de la
escoria
ISIJ International
November 2010

21. Metalurgia en el horno
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 Escoria
 Espumado
Tipo de arco Eficiencia en la transferencia de
energía eléctrica (%)
Descubierto 26
Parcialmente rodeado de escoria 65
Totalmente rodeado de escoria 93
Escoria casi conductora (poco
arco)
97
Escoria conductora (ningún arco) 100

22. Metalurgia en el horno
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 Escoria: Espumado
 La fuerza necesaria para espumar la escoria la provee
la energía neumática, producida por la generación de
monóxido de carbono (CO) durante la fusión y afino
 Las reacciones responsables son:
 C + (FeO) = CO + Fe (oxidación de C del acero por el
FeO de la escoria)
 C + ½ O2 = CO (reacción entre C en el acero y O
gaseoso)
 (FeO) + C = CO + Fe (reacción directa entre FeO de la
escoria y C inyectado)

23. Metalurgia en el horno
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 Escoria: Espumado
 Que haya suficiente generación de monóxido de carbono y que
la escoria se deje inflar
 Basicidad > 1,8
 Contenido de FeO entre 10 y 28%
 si es bajo, cuando se inyecte carbono no va a haber suficiente
oxígeno en la escoria como para formar CO
 si es alto, como el hierro es pesado, la escoria se hace muy densa
 Balance entre el carbono y el oxígeno agregados
 Si falta carbono puede haber excesiva oxidación del baño
 Si sobra carbono puede haber incorporación al acero
 Tener en cuenta el aumento de temperatura hacia el fin de la
colada, y el posible incremento del tenor de FeO en la escoria

24. Metalurgia en el horno
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 Escoria

25. Metalurgia en el horno
25
 Escoria
 Espumado
 Posicionamiento de las lanzas

26. Escoria
26
 Espumado
1600 oC
Basicidad 1,5
Pretorius, E.B.,
2005

27. Escoria
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 Espumado 1600 oC
Basicidad 2,0
1600 oC
Basicidad 2,5
Pretorius, E.B.,
2005

28. Metalurgia en el horno
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 Defosforación
 Necesidad de defosforación
 El fósforo disminuye la ductilidad y tenacidad en frío del acero
 Cada 0,01% P sube 7oC la temperatura de transición dúctil –
frágil (el acero es frágil a una temperatura más cercana a la
ambiente)
 Favorece la fragilidad de revenido (tratamiento térmico que se
hace luego del temple para mejorar la tenacidad)
 Por estas razones existen aceros con requisitos de fósforo normal,
bajo o muy bajo
 Aceros para barras nervadas, perfiles, ángulos: máximo 0,040%
 Aceros para temple y revenido: máximo 0,025%
 Aceros para pozos de petróleo, refinerías, centrales nucleares, gas
licuado: máximo 0,005%

29. Metalurgia en el horno
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 Defosforación
 Dónde defosforar:
 En el mineral de hierro, mediante trituración hasta
liberación del compuesto que contiene el fósforo y
flotación
 En el arrabio, después de desiliciar, por separación en la
escoria, en condiciones básicas, oxidantes y a baja
temperatura, en el vagón termo o en una cuchara
 En el acero líquido, tanto en la aceración al oxígeno como
en la aceración eléctrica, en condiciones oxidantes
 En algunos aceros inoxidables por inyección de calcio, en
condiciones reductoras (poco usual)

30. Metalurgia en el horno
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 Defosforación
 Reacciones químicas
 Oxidación baño
 2 P + 5 (FeO) = (P2 O5) + 5 Fe (óxidación por FeO líquido de la
escoria)
 2 P + 5 O2 = (P2 O5) (oxidación por O2 gaseoso)
 Interacción baño – escoria
 2 P + 5 (FeO) + n CaO = (P2 O5 . n CaO) + 5 Fe
 n = 3 (ó 4)

31. Metalurgia en el horno
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 Defosforación
 Condiciones requeridas
 De balance de masa
 Fósforo cargado
 Peso de escoria en relación al peso de acero
 De equilibrio
 Alta basicidad
 Alta oxidación del baño
 Por eso es difícil defosforar con carbono alto
 Baja temperatura
 Cinética
 Alta interacción entre la escoria y el acero

32. Metalurgia en el horno
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 Defosforación
 Modelos termodinámicos

33. Metalurgia en el horno
33
 Defosforación
 Utilizar planilla de cálculo basada en modelo de
Healy y balance de masa, para evaluar los cambios en
la defosforación en función de
 Contenido de CaO en la escoria
 Contenido de FeO en la escoria
 Temperatura del baño
 Fósforo cargado
 Peso de la escoria

34. Metalurgia en el horno
34
 Defosforación
 Reversión en parte final del proceso
 Colada 100% DRI

35. Metalurgia en el horno
35
 Defosforación
 Reversíón al final del proceso
 Colada 47% DRI

36. Metalurgia en el horno
36
 Defosforación
 Reversión al final del proceso
 Colada 25% DRI

37. Metalurgia en el horno
37
 Decarburación
 Existen dos estrategias para el objetivo de carbono en
el acero al fin del proceso
 Obtener un tipo de acero único, por ejemplo 0,05% C y
luego ajustar en el sangrado o en el horno cuchara
 Obtener un carbono cercano al final, que llegue al valor
final con la adición de las ferroaleaciones y no requiera un
ajuste importante en el horo cuchara

38. Metalurgia en el horno
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 Decarburación: Equilibrio carbono - oxígeno
[C] + [O] = (CO)g + 2,663 KWh/kg C (1)
Cálculo de energíaco = (%Ci - %Cf) x 26,63 KWh/t acero líquido
(Acero – escoria)
CO + ½ O2 = (CO2)g + 6,652 KWh/kg C
Cálculo de energía co2 = (%Ci - %Cf) x 66,52 KWh/t acero líquido
(Por encima del baño)
(1) log K = aC × aO / pCO = – 1168/T – 2,07
El valor de la constante K varía con la temperatura y con la presión parcial
del CO

39. Metalurgia en el horno
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 Decarburación: de acuerdo a Vacher y Hamilton K
= 0,0025
%C × %O = 0,0025

40. Metalurgia en el horno
40
 Lecturas adicionales
 Pretorius, E.B.; Carlisle, R.C.; López, F.; «Foamy Slag
Fundamentals and their Practical Application to Electric Furnace
Steelmaking». 55th ABM Annual Congress, pp. 987-996.
 Matsuura, H.; Fruehan, R.; «Slag foaming in electric arc furnace».
ISIJ International, Vol. 49 (2009), No. 10, pp. 1530–1535.
 Aranda, V.; Cicutti, C.; Medina, F.; «Comportamiento del fósforo
en el horno eléctrico». 15th IAS Steelmaking Conference, 2005,
San Nicolas, Argentina, pp. 57-66.
 Magalhães Almeida, E.; de Oliveira, Th.A.; Martins Barreto, A.F.;
Chesseret, L.; «Processo de desfosforação no CONSTEEL da
Vallourec Sumitomo Tubos do Brasil». 44º Seminário de Aciaria
da ABM, maio de 103, Araxá, Brasil, p. 386-391.

41. Metalurgia en el horno
41
 Preguntas
 Qué es el coeficiente de partición o reparto de un
elemento?
 Cuáles son los óxidos más estables presentes en las
escorias?

42. Metalurgia en el horno
42
 Preguntas
 Cuáles son las mejores condiciones para la
defosforación?

43. Metalurgia en el horno
43
 Desescoriado