OPTIMIZACION DE LA CANTIDAD DE CARBON PARA EL PROCESOS DE PRE-DESOXIDACION EN EL ACERO

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Dulce M. Martínez Almendariz MC es docente de Ingenierías en el Instituto Tecnológico Superior de Monclova.

(Autor corresponsal)duvatec@hotmail.com

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La MC Adriana Hernández Córdova es docente de Ingenierías en el Instituto Tecnológico Superior de Monclova.

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El MC Jesús Sánchez Montemayor es docente de Ingenierías en el Instituto Tecnológico Superior de Monclova.

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El MC Luis Gerardo Jordán Marmolejo es docente de Ingenierías en el Instituto Tecnológico Superior de Monclova

OPTIMIZACION DE LA CANTIDAD DE CARBON PARA EL

PROCESOS DE PRE-DESOXIDACION EN EL ACERO

Dulce M. Martínez Almendariz MC 1, MC. Adriana Hernández Cordova2,

MC Jesús Sánchez Montemayor3, MC Luis Gerardo Jordán Marmolejo4

Resumen- El siguiente trabajo está enfocado al desarrollo de una práctica de vaciado para obtener un contenido de carbón a partir de l os diferentes grados de acero que existen lo cual no se aplica en las practicas de desoxidación actual. La desoxidación del acero es la operación metalúrgica que se lleva acabo principalmente durante el vaciado del mismo a la olla, con el propósito de disminuir el contenido de oxigeno disuelto en el acero liquido al nivel requerido, según el grado y la acción deseada.

Para fabricar acero bajo carbón, partiendo de un contenido de carbón mayor al especificado se tomaron en cuenta los siguientes parámetros: temperatura, ppm y él % de carbón residual, % C final en la olla, así como del carbón perdido en olla llena y a ¾.

Palabras clave- Optimización, Procesos , Desoxidación, Acero

Introducción

La primer etapa del proceso de producción de acero, consiste en la fusión de una carga metálica constituida principalmente de hierro (Fe), cuyo punto de fusión es superior a 1500C, por lo que se requieren reactores metalúrgicos especiales que suministren la cantidad de calor necesario para alcanzar ciertas temperaturas.

En esta primera etapa, se genera un sistema termodinámica constituido por una fase liquida (baño metálico), una fase pastosa (la escoria), una fase gaseosa (la atmósfera) y una fase sólida (el refractario). Bajo condiciones determinadas, este sistema puede reducirse a dos fases y se le conoce como sistema metal-escoria.

El metal está constituido por el metal en proceso de fabricación y la escoria está representada en función de diversos óxidos. Debido a la menor densidad de los óxidos con respecto al acero, la escoria queda en la parte superior, protegiendo parcialmente al acero de la oxidación provocada por la atmósfera.

El tipo de fusión depende del equipo, o por lo que debido a la necesidad de reducir esta etapa, se utilizan diferentes formas para acelerar la fusión, tales como la inyección de argón y/o oxigeno por la parte superior e inferior del reactor metalúrgico (convertidor. Esto permite obtener una carga metálica sobresaturada de oxigeno, lo cual ocasiona un alto desprendimiento de CO que incrementa las reacciones químicas del proceso.

El oxigeno es uno de los elementos fundamentales en la producción del acero, y aunque generalmente su presencia en el producto final, es indeseable, es vital durante el proceso. En la fabricación de acero mediante el proceso BOF, el oxigeno se utiliza para generar calor mediante reacciones exotérmicas. Dependiendo del tipo de producto final, se requiere mediante técnicas de desoxidación de su eliminación.

Desarrollo teórico Objetivo

El objetivo consiste en la optimización del carbono para pre desoxidar el acero considerándose diferentes alternativas, desde la utilización de la práctica de pre desoxidación normal en donde se utiliza el carbón para eliminar la mitad del oxigeno disuelto, hasta la de utilizar los altos contenidos de carbón residual del baño para la eliminación parcial del mismo oxigeno disuelto en el acero.

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Descripción del Problema

La necesidad de la optimización de las tablas de desoxidación nace a raíz de que existe un rango en la especificación de los grados bajo carbón < 0.13% C y Mn < 0.50% en donde se pueden agrupar dichos grados de acero en virtud de que la especificación de manganeso se da prácticamente en 2 rangos ó sea cantidades estándar de adición de FeMn lo que representa también cantidades de carbón constantes que aporta el FeMn.

La practica anterior agrupaba todos los grados bajo carbono < 0.06% y restringía el contenido de carbón máximo para vaciar teniéndose que resoplar por carbón para cumplir con la especificación del grado de acero, lo anterior incrementaba el contenido de oxigeno disuelto en el acero y en consecuencia el consumo de desoxidantes. En otros casos se intentaba el vaciado de estos grados bajo carbón con altos contenidos de carbón residual sin tenerse una práctica que indicara el contenido de carbono máximo permitido para vaciar y que se cumpliera con la especificación de carbón del grado ya en la olla de acero, el resultado de estos intentos en ocasiones era de coladas desviadas de grado por resultar alto carbón en la olla de acero.

Área de Oportunidad en las prácticas de desoxidación actuales

En la Figura 1 se muestra el área de oportunidad de la práctica de desoxidación para los grados de acero bajo carbón menor de 0.06% de carbón con respecto al contenido de oxigeno disuelto, en la Figura 2, con respecto al contenido de carbón residual.

Figura 1. Practica de pre desoxidación graficando el uso de carboncoque respecto al contenido de oxigeno disuelto en el acero del convertidor en ppm.

Predesoxidacion con CC vs ppmO2 Aceros bajo carbon

0 50 100 150 200 400 600 800 1000 1200 1400 ppmO2 K g C C _{Area de oportunidad}

_{Predesoxidacion con CC vs C res}

Aceros bajo carbon

0 50 100 150 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 %C-res Area de oportunidad kg . C C

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Desarrollo Experimental

Para la optimización del carbono para pre desoxidar, se requiere determinar la cantidad de carbón perdido durante el vaciado del convertidor a la olla de acero considerándose diferentes contenidos de carbón residual con el fin de evitar los resoplados por alto carbón residual, enseguida ver si es posible el manejar esta pre desoxidación con carbón a niveles de ¾ de acero en la olla y por ultimo en caso de niveles altos de oxigeno, agregar carboncoque externo ver Figura 3.

Figura 3. Se muestra la representación de las diferentes pruebas para optimizar el uso de carbón para desoxidar el acero evaluando la perdida de carbón a diferentes niveles del acero en la olla.

Práctica normal de pre desoxidación con carboncoque

Esta práctica usualmente es aplicable cuando los niveles de oxigeno disuelto en el baño de acero son por lo general alto hablando de contenidos superiores a las 750 ppm y el objetivo es el de eliminar solamente la mitad del oxigeno disuelto y el resto del oxigeno disuelto mediante la adición de aluminio.

La secuencia de adiciones al utilizar la práctica normal de pre desoxidación con carboncoque se muestra en la Figura 4.

1.- Hacer colchón de acero y enseguida agregar el carboncoque requerido para la pre desoxidación basándose en el contenido de oxigeno del acero.

2.- Cuando el nivel del acero este a ½ olla se agrega el total de aluminio requerido para la desoxidación completa del acero.

3.- Inmediatamente después del aluminio se agregan las ferroaleaciones. 4.- Después de las ferroaleaciones se adiciona la escoria sintética.

Figura 4 .Representación esquemática del uso de carboncoque en la pre desoxidación.

½ olla (practica normal)

3

/4 olla (optimización

predox.)

Olla llena ( Desox. del acero con Cres ) COQ UE Al Posta Ferroaleacio nes + Esc. Sintética

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Practica del contenido de carbón residual para la desoxidación parcial del acero

El objetivo de esta práctica consiste en aprovechar el carbón residual del mismo acero liquido para eliminar al máximo el contenido de oxigeno disuelto, la importancia de esta práctica consiste en terminar el soplo con contenidos altos de carbón para que la reacción de desoxidación tenga lugar dentro del mismo sistema sin requerir el aporte externo del carbón, considerándose solamente el que aporta el Ferromanganeso.

Para la determinación del máximo carbón permisible para vaciar de acuerdo a la especificación del grado de acero, es importante considerar además del carbón residual, el aporte de carbón del ferromanganeso para conocer el carbón que puede ser eliminado por el oxigeno disuelto y en consecuencia el contenido de carbón esperado en la olla de acero. Para la determinación del carbón perdido durante el vaciado del convertidor a la olla de acero, se llevaron a cabo pruebas utilizando la práctica de vaciado sin agregar aluminio para desoxidar el acero permitiendo que se diera la desoxidación del carbón y oxigeno disueltos dentro del mismo baño del acero liquido El resultado de estas pruebas fue la obtención de una ecuación que describe el comportamiento del carbón perdido a diferentes concentraciones de carbón residual, encontrándose una mayor pérdida cuando se tienen mayores contenidos de carbón residual.

Lo anterior es benéfico ya que altos contenidos de carbón indican: 1. - Un menor contenido de oxigeno disuelto.

2. - Una menor oxidación del baño metálico (menor contenido de FeO). 3. - Un menor consumo de aluminio para la desoxidación completa del acero. 4. - Una mayor durabilidad del refractario al trabajarse con escorias menos oxidadas. 5.- Una mayor durabilidad de la vida del agujero de vaciado, etc.

Kg. "C" perd vs %C resSoplo Convencional

y = 61.649Ln(x) + 218.02 R2 = 0.8948 0 50 100 150 0.02 0.07 0.12 0.17 %C res Kg C perd.

Grafica del carbon perdido

0 50 100 150 0.020 0.070 0.120 0.170 % C res Kg. C

Perdido olla llena

3/4 nivel

Figura 6 Figura 5

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Adecuación De La Práctica De Desoxidación Agrupando Los Grados De Acero

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Impacto sobre el uso de la escoria sintética al utilizar la desoxidación parcial del acero al utilizar el carbón residual.

Al utilizar la práctica de vaciar sin aluminio para poder eliminar parte del carbón residual del acero, se observo que todas las coladas sin excepción presentaban escoria pastosa en la olla de acero (cal sin disolver), tomándose muestras de escoria y analizando su composición química nos encontramos que al consumirse menos aluminio se genera una menor cantidad de alúmina que altera el punto de fusión de la escoria teniéndose siempre un comportamiento pastoso, lo anterior se representa en la Figura 7 .

Se hicieron algunas pruebas disminuyendo la cantidad de escoria sintética agregada lográndose los siguientes resultados:

Kg. Esc. sintética % Al2O3

800 14.7

530 22.8

Contenido de Al2O3 cols. vaciadas sin Al

Usando 800 Kg Cal 8.33 1.72 1.58 5.54 19.53 7.88 16.83 12.92 16.47 16.58 12.75 22.87 0 5 10 15 20 25 1 2 3 4 5 6 7 8 9 % A l2 O3

antes de desox. Al despues desox. Con Al prom.= 14.7 %

prom.= 4.3%

Col. Prueba con 530 kg CaO % C < 0.06Mn < 0.25% ( I ) GRADOS % C < 0.045, Mn < 0.25 % ( II ) GRADOS % C >0.045 <0.065, Mn < 0.25 % ( III ) GRADOS % C >0.065 < 0.13, Mn 0.30 - 0.50 % ANTERIOR ACTUAL Figura7

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CONCLUSIONES DE ESTE TRABAJO:

1.- El los grado de acero .08-.010 % C mayor volumen de producción se confirma que el uso de FeMn ½ C al

vaciar con altos residuales de C < 0.10 no es necesario utilizando el FeMn estándar que es más barato.

2.- Mediante la optimización del carbono para pre desoxidar el acero (eliminar el oxigeno disuelto hasta donde

sea posible), se puede optimizar el consumo de aluminio.

3.- Es importante que aproveche al máximo el beneficio del soplo combinado del convertidor ya que los beneficios son similares al trasladar la desoxidación del acero en la olla.

4.- Es importante que se disponga de tolvas suficientes para el manejo de la escoria sintética al adoptar la práctica de vaciar sin aluminio bien sea para decarburar y/o desfosforar durante el vaciado, ya que la cal sin disolver es cal no aprovechada.

5.- La vida del refractario del convertidor, así como la duración del agujero de vaciado serán beneficiados al tenerse menores niveles de FeO en la escoria del convertidor.

6.- Por último, para lograr los mayores beneficios de la optimización del carbono para la pre desoxidación del acero, es recomendable tratar de vaciar con los contenidos de carbono residual máximos permitidos de acuerdo al grado de acero a procesar. Lo anterior implica la optimización del modelo de cálculo de carga, sistemas de pesaje y un proceso de refinación estable.

Referencias

Nephtali Calvillo “Evaluación de la entrada de Oxigeno y Perdida de Carbón durante el vaciado del convertidor BOF a la olla de hacer” Tesis de Maestría, UAdec, Junio 2003.

F.D. Richardson y J.B.E.”Desoxidation of the steel whit aluminium” Steelmaking shop No. 6 pp 187-281 Conejo Nava. Curso Nacional de la Tecnología de la desoxidación del acero .Junio 21 y 22 1991

Smarin, A.M. “Application of the desoxidation Hungary”. Steelmaking shop 1970, pp 17-23

a) b)

En las Fotos anteriores se muestra el comportamiento de la escoria en la olla, al agregar la misma cantidad de escoria sintética del vaciado normal que cuando se adopta la práctica de vaciar sin aluminio, a) Cal sin disolver, b) Escoria completamente disuelta.