ALTO HORNO,
El alto horno es la construcción para efectuar la fusión y la reducción de minerales de hierro, con vistas a elaborar la fundición.
Un alto horno típico está formado por una cápsula cilíndrica de acero de unos 30 metros de alto forrada con un material no metálico y resistente al calor, como asbesto o ladrillos refractarios. El diámetro de la cápsula disminuye hacia arriba y hacia abajo, y es máximo en un punto situado aproximadamente a una cuarta parte de su altura total. La parte inferior del horno está dotada de varias aberturas tubulares llamadas toberas, por donde se fuerza el paso del aire que enciende el coque.
PARTES DE UN ALTO HORNO
• La cuba: Tiene forma troncocónica y constituye la parte superior del alto
horno; por la zona más estrecha y alta de la cuba (llamada tragante) se
introduce la carga. La carga la componen...
- El mineral de hierro: magnetita, limonita, siderita o hematite.
- Combustible: que generalmente es carbón de coque. Recuerda
que este carbón se obtiene por destilación del carbón de hulla y tiene
alto poder calorífico. El carbón de coque, además de actúar como
combustible provoca la reducción del mineral de hierro, es decir,
provoca que el metal hierro se separe del oxígeno.
El carbono, en su forma industrial de coque, se mezcla con el mineral,
con cuyo oxígeno se combina, transformándose, primero en
monóxido de carbono (CO) y luego en dióxido carbónico (CO2).
FeO + C → Fe + CO (reducción del mineral de hierro – FeO – en metal hierro con CO)
FeO + CO → Fe + CO2 (reducción del mineral de hierro – FeO – en metal hierro con CO2)
- Fundente: Puede ser piedra caliza o arcilla. El fundente se combina
químicamente con la ganga para formar escoria, que queda flotando
sobre el hierro líquido, por lo que se puede separar. Además ayuda a
disminuir el punto de fusión de la mezcla.
El mineral de hierro, el carbón de coque y los materiales fundentes se
mezclan y se tratan previamente, antes de introducirlos en el alto horno.
El resultado es un material poroso llamado sínter. Las proporciones del
sínter son:
1. Mineral de hierro .........2 Toneladas.
2. Carbón de coque ..........1 Tonelada.
3. Fundente........................½ Tonelada
se introducen por la parte más alta de la cuba. La mezcla arde con la
ayuda de una inyección de aire caliente (oxígeno), de forma que, a
medida que baja, su temperatura aumenta hasta que llega al
• etalaje: Está separada de la cuba por la zona más ancha de esta última
parte, llamada vientre. El volumen del etalaje es mucho menor que el de la
cuba. La temperatura de la carga es muy alta (1500 ºC) y es aquí donde el
mineral de hierro comienza a transformarse en hierro.La parte final del
etalaje es más estrecha.
• Crisol: Bajo el etalaje se encuentra el crisol, donde se va depositando el
metal líquido. Por un agujero, llamado bigotera o piquera de escoria se
extrae la escoria, que se aprovecha para hacer cementos y fertilizantes. Por
un orificio practicado en la parte baja del mismo, denominada piquera de
arrabio sale el hierro líquido, llamado arrabio, el cual se conduce hasta
unos depósitos llamados cucharas
Productos obtenidos del alto horno
• Humos y gases residuales.- Se producen como consecuencia de la combustión del
coque y de los gases producidos en la reducción química del mineral de hierro que, en un elevado porcentaje, se recogen en un colector situado en la parte superior del alto
horno. Estos gases son, principalmente, dióxido de carbono, monóxido de carbono y óxidos de azufre.
• Escoria.- Es un residuo metalúrgico que a veces adquiere la categoría de subproducto,
ya que se puede utilizar como material de construcción, bloques o como aislante de la humedad y en la fabricación de cemento y vidrio. La escoria, como se comentó anteriormente, se recoge por la parte inferior del alto horno por la piquera de escoria.
• Fundición, hierro colado o arrabio.- Es el producto propiamente aprovechable del alto horno y está constituido por hierro con un contenido en carbono que varía entre el 2% y el 5%. Se presenta en estado líquido a 1800 ºC. En ocasiones, a este metal se le denomina hierro de primera fusión.
HORNO BESSEMER
El procedimiento Bessemer fue el primer proceso de fabricación químico que sirvió para la fabricación en serie de acero, fundido en lingotes, de buena calidad y con poco coste a partir del arrabio. Este procedimiento fue llamado así en honor deHenry Bessemer, quien obtuvo la patente en 1855 y la utilizó a través de la Henry Bessemer and Company, sociedad implantada en Sheffield, ciudad del Norte de Inglaterra.
El procedimiento fue descubierto de forma independiente en 1851 por William Kelly.1 2 El mismo también había sido usado fuera de Europa durante cientos de años, pero no a una escala industrial.3 El principio clave es la retirada de impurezas del hierro mediante la oxidación producida por el insuflado de aire en el hierro fundido. La oxidación causa la elevación de latemperatura de la masa de hierro y lo mantiene fundido.
El convertidor es un horno giratorio en forma de retorta, de cuello ancho. En él se lleva a cabo el procedimiento.
Este aparato es de palastro, y está revestido interiormente de ladrillos refractarios. Estos ladrillos, para la marcha ácida del convertidor, se hacen de cuarcita,arcilla y una pequeña cantidad de arcilla refractaria, que si son mezcladas y sometidas a calcinación.
Para la marcha básica se hacen de dolomía calcinada (óxido de calcio y magnesio), reducida a polvo y aglomerada con alquitrán. Después se llevan a a la prensa hidráulica, donde son fuertemente comprimidos. Otras veces se comprimen en matrices metálicas y después se calcinan.
HORNO BASICO DE OXIGENO (BOF)
El nombre del horno se debe a que tiene un recubrimiento de refractario de la línea básica y a la inyección del oxígeno.
Este horno fue inventado por Sir Henrry Bessemer a mediados de 1800
El Proceso BOF se origino en Austria en 1952, fue hecho para convertir arrabio con bajo contenido de fosforo (0.3%) se bautizo con las iniciales LD Lanza de Linz, Luego la técnica se extendió para arrabios de alto fosforo, mediante la adición al chorro de oxigeno de polvo de piedra caliza. Entonces se logro la producción de aceros con arrabio de contenidos con alto fosforo que llegan al 2%.
PARTES
• Cámara de Acero, recubierta por dentro con material refractario, montada en chumaceras que le permiten girar
• Lanza de oxigeno enfriada con agua
¿QUE SE LE AGREGA?
• 75% de Arrabio (Metal Caliente)
• Chatarra (que se encuentra en cajas previamente pesada)
• *Carbono
• *Ferroaleaciones
• A través de la lanza se le inyecta oxigeno y polvo de piedra caliza
PROCESO:
1. Se inclina el horno Con ayuda de una grúa puente y se añade el arrabio, el fundente y a veces chatarra
2. Se pone el horno en vertical y se baja la lanza para inyectar oxigeno (se lleva aproximadamente un tiempo de 15 minutos). En el metal fundido las impurezas se queman; el oxigeno reacciona con el carbono del arrabio y lo elimina en forma de bióxido/ monóxido de carbono.
3. Se inclina el horno y se saca la escoria que flota sobre el acero
4. Se vierte el acero sobre la cuchara y se añaden carbono y ferroaleaciones
QUE RESULTA
• Acero fundido
• Refinación del arrabio
NOTA
•La carga y descarga de la olla se hace por la parte superior
•La temperatura de operación del horno es superior a los 1650°C y
• Es considerado como el sistema más eficiente para la producción de acero de alta calidad.
• La carga metálica para realizar una colada de acero en un convertidor al oxígeno (en un tiempo que varía de 45 a 55 minutos) consiste en arrabio y chatarra; adicionalmente se cargan fundentes como cal siderúrgica y cal dolomítica para formar una escoria para refinación.
• Una acería BOF está dividida en secciones bien definidas de acuerdo con las operaciones que se desarrollan en cada una de ellas: nave de convertidores, nave de carga, nave de colada e instalaciones auxiliares.
• La razón de la inyección de oxígeno es que éste actuará como agente oxidante, ya que al entrar en contacto con la carga se combina químicamente con los elementos de la misma, eliminando en gran parte el contenido de impurezas tales como carbón, fósforo, azufre, silicio, etc.
* El gas monóxido formado es reunido por una chimenea que se encuentra sobre la boca del convertidor y conducido a un depurador de gases, donde es llevado, ya limpio, a la atmósfera.
* El acero procesado en el convertidor se vacía en una olla en la que se le adicionan las ferro-aleaciones necesarias según el tipo de acero a obtener.
* El convertidor se inclina solo hasta vaciar todo el acero, y en otra olla se vacía la escoria que se formó durante el proceso.
HORNO DE HOGAR ABIERTO
El HORNO DE HOGAR ABIERTO semeja un horno enorme, y se le denomina de esta manera porque contiene en el hogar (fondo) una especie de piscina larga y poco profunda (6m de ancho, por 15 m de largo, por 1 m de profundidad, aproximadamente).
El horno se carga en un 30% a un 40% con chatarra y piedra caliza, empleando aire pre-calentado, combustible líquido y gas para la combustión, largas lenguas de fuego pasan sobre los materiales, fundiéndolos. Al mismo tiempo, se quema (o se oxida) el exceso de carbono y otras impurezas como el fósforo, silicio y manganeso.
Este proceso puede acelerarse introduciendo tubos refrigerados por agua (lanzas), los que suministran un grueso flujo de oxígeno sobre la carga.
Periódicamente, se revisan muestras de la masa fundida en el laboratorio para verificar la composición empleando un instrumento denominado espectrómetro. También se determinan los niveles de carbono.
Si se está fabricando acero de aleación, se agregarán los elementos de aleación deseados. Cuando las lecturas de composición son correctas, el horno se cuela y el acero fundido se vierte en una olla de colada.
El proceso completo demora de cinco a ocho horas, mientras que el Horno de Oxígeno Básico produce la misma cantidad de acero en 45 minutos aproximadamente. Debido a esto, este horno ha sido virtualmente reemplazado por el de Oxígeno Básico.
HORNO DE ARCO ELECTRICO
Es el más versátil de todos los hornos para fabricar acero. No solamente puede proporcionar altas temperaturas, hasta 1.930ºC, sino que también puede controlarse eléctricamente con un alto grado de precisión.
Debido a que no se emplea combustible alguno, no se introduce ningún tipo de impurezas. El resultado es un acero más limpio.
Consecuentemente, puede producir todo tipo de aceros, desde aceros con regular contenido de carbono hasta aceros de alta aleación, tales como aceros para herramientas, aceros inoxidables y aceros especiales para los cuales se emplea principalmente. Otras ventaja sobre el Horno de Oxígeno Básico es que puede operar con grandes cargas de chatarra y sin hierro fundido.
El Horno de Arco Eléctrico se carga con chatarra de acero cuidadosamente seleccionada. El arrabio fundido se emplea raramente. Si la carga de chatarra es muy baja en carbono, se agrega coque (el cual es casi puro carbono) o electrodos de carbono de desecho, para aumentar así su nivel.
Al aplicarse la corriente eléctrica, la formación del arco entre los electrodos gigantes produce un calor intenso. Cuando la carga se ha derretido completamente, se agregan dentro del horno cantidades medidas de los elementos de aleación requeridos.
La masa fundida resultante se calienta, permitiendo que se quemen las impurezas y que los elementos de aleación se mezclen completamente.
Para acelerar la remoción del carbono, el oxígeno gaseoso se introduce generalmente en forma directa dentro de acero fundido por medio de un tubo o lanza. El oxígeno quema el exceso de carbono y algunas de las impurezas, mientas otras se desprenden como escoria por la acción de varios fundentes.
Cuando la composición química de la masa fundida cumple con las especificaciones, el horno se inclina para verter el acero fundido dentro de una olla de colada.
Este horno puede producir una hornada de acero en un período de dos a seis horas, dependiendo del horno individual.
HORNO DE REFINACION
Cualquier proceso de producción de acero a partir del Arrabio consiste en quemar el exceso de carbono y otras impurezas presentes en el hierro.
Una dificultad para la fabricación del acero es su elevado punto de fusión, 1.400ºC aproximadamente, que impide utilizar combustibles y hornos convencionales.
Para superar esta dificultad, se han desarrollado 3 importantes tipos de hornos para el refinamiento del Acero, en cada uno de estos procesos el oxígeno se combina con las impurezas y el carbono en el metal fundido. El oxígeno puede introducirse directamente mediante presión dentro o sobre la carga a través del oxígeno en el aire, o en forma de óxidos de hierro o herrumbre en la chatarra. Esto oxidará algunas impurezas, las que se perderán como gases, mientras otras impurezas reaccionarán con la piedra caliza fundida para formar una escoria que será colada posteriormente.
HORNO DE INDUCCION
Un Horno de inducción es un horno eléctrico en el que el calor es generado por la inducción eléctrica de un medio conductivo (un metal) en un crisol, alrededor del cual se encuentran enrolladas bobinas magnéticas.
El principio de calentamiento de un metal por medio de la inducción fue descubierto por Michael Faraday en 1831 mientras se encontraba experimentando en su laboratorio.1
Una ventaja del horno de inducción es que es limpio, eficiente desde el punto de vista energético, y es un proceso de fundición y de tratamiento de metales más controlable que con la mayoría de los demás modos de calentamiento. Otra de sus ventajas es la capacidad para generar una gran cantidad de calor de manera rápida. Los principales componentes de un sistema de calentamiento por inducción son: el cuerpo de bobinas , conformado por las bobinas de fuerza (donde como están dispuestas físicamente es donde hay mayor agitación del baño líquido) y por las bobinas de refrigeración , la fuente de alimentación, la etapa de acoplamiento de la carga, una estación de enfriamiento, el material refractario que protege a las bobinas del baño líquido y la pieza a ser tratada.1
Las fundiciones más modernas utilizan este tipo de horno y cada vez más fundiciones están sustituyendo los altos hornos por los de inducción, debido a que aquellos generaban mucho polvo entre otros contaminantes. El rango de capacidades de los hornos de inducción abarca desde menos de un kilogramo hasta cientoneladas y son utilizados para fundir hierro y acero, cobre, aluminio y metales preciosos. Uno de los principales inconvenientes de estos hornos es la imposibilidad de refinamiento; la carga de materiales ha de estar libre de productos oxidantes y ser de una composición conocida y algunas aleaciones pueden perderse debido a la oxidación (y deben ser re-añadidos).
El rango de frecuencias de operación va desde la frecuencia de red (50 ó 60 Hz) hasta los 10 kHz, en función del metal que se quiere fundir, la capacidad del horno y la velocidad de fundición deseada - normalmente un horno de frecuencia elevada (más de 3000 Hz) es más rápido, siendo utilizados generalmente en la fundición de aceros, dado que la elevada frecuencia disminuye la turbulencia y evita la oxidación. Frecuencias menores generan más turbulencias en el metal, reduciendo la potencia que puede aplicarse al metal fundido.
En la actualidad los hornos de frecuencia de línea (50 ó 60 Hz, según país) han quedado en desuso, ya que los mismos poseían muy poca eficiencia energética y además cargaban con un alto coste de mantenimiento, dado que contenían una gran cantidad de elementos electromecánicos. En las últimas décadas (aproximadamente desde finales de la década de 1970) se han incorporado equipos de estado sólido, conformados en su etapa de potencia con componentes tales como tiristores (diodos SCR) y transistores de potencia tipo IGBT, con lo que el rendimiento y eficiencia de estos equipos ha aumentado considerablemente.
Un horno para una tonelada precalentado puede fundir una carga fría en menos de una hora. En la práctica se considera que se necesitan 600 kW para fundir una tonelada de hierro en una hora.
Un horno de inducción en funcionamiento normalmente emite un zumbido, silbido o chirrido (debido a la magnetostricción), cuya frecuencia puede ser utilizada por los operarios con experiencia para saber si el horno funciona correctamente o a qué potencia lo está haciendo.
HORNO DE AIRE O CRISOL
El proceso más antiguo
que existe en la fundición, también se le conoce como horno de aire. Este
equipo se integra por un crisol de arcilla y grafito, los que son
extremadamente frágiles, los crisoles se colocan dentro de un confinamiento que
puede contener algún combustible sólido como carbón o los productos de la
combustión.
Los crisoles son muy
poco utilizados en la actualidad excepto para la fusión de metales no ferrosos,
su capacidad fluctúa entre los 50 y 100 kg.
El proceso de fundir los metales en crisol es uno de los más antiguos y sencillos. Se emplea todavía mucho en la funderías, modernas, y probablemente se seguirá usando porque el costo inicial es barato y el metal se funde fuera del contacto con el combustible
Horno de crisol fijo
Horno de crisol inclinable.
HORNO
DE CRISOL FIJO.
Horno
de crisol fijo de coque o fuel-oil (gas), este tipo mas sencillo de horno, y
todavía se encuentra en algunas pequeñas fundiciones que trabajan aleaciones de
metales no férreos. En las fundiciones que trabajan con hierro fundido puede
tener empleo para coladas pequeñas y urgentes. No se emplea para el acero, a
pesar de que es un hecho cierto que los mejores aceros ingleses del siglo
pasado eran obtenidos en baterías de este tipo de hornos. Están constituidos de
un crisol de grafito apoyado sobre ladrillos refractarios y rodeados por todas
partes de coque partido que se enciende y alcanza la incandescencia por la
inyección de aire. El crisol alcanza de este modo temperaturas muy elevadas y
la carga metálica que contiene se funde sin entrar en contacto directo con los
gases de la combustión.
El
elemento más importante es el crisol, compuesto de grafito
con la adición eventual de un carburante, mezclado con aglutinantes adecuados,
por ejemplo, arcilla o alquitrán. Los crisoles se construyen con estampas de
acero sobre la cual es fuertemente prensado el material de aquellos. Se acaban
en el torno y después de secados se introducen en cajones de material refractario
y se someten a acción en hornos adecuados a temperaturas elevadas.
HORNOS
DE CRISOL INCLINABLEHorno de crisol inclinable, con
precalentamiento de aire. Los hornos de crisol fijo tienen el grave
inconveniente de que el metal debe ser extraído en pequeñas cantidades con
cucharas, a menos de que la colada se efectúe directamente en alguna forma.
Para evitar este inconveniente y para utilizar el calor
sensible de los gases de combustión, se construyeron los hornos de crisoles
inclinables mecánica o hidráulicamente y que pueden tener un sistema de
precalentamiento de aire.
HORNO DE CUBILOTE
Descripción
Los colados de hierro, se hacen volviendo a fundir chatarra junto con arrabio, en un horno llamado cubilote. La construcción de este horno es simple, de operación económica y funde hierro continuamente con un mínimo de mantenimiento. De vez en cuando el metal se funde con el combustible, algunos elementos se aprovechan mientras otros se pierden.
El cubilote es un horno que funciona con combustible sólido y en el cual la carga metálica, el combustible y el carburante están en íntimo contacto entre sí. Esto permite un intercambio térmico directo y activo, y por lo tanto, un rendimiento elevado. Sin embargo, por causa de este mismo contacto entre el metal, las cenizas y el oxígeno, el hierro colado producido no puede ser rigurosamente controlado desde el punto de vista metalúrgico.
Construcción
El cubilote consiste en un tubo de acero vertical con una altura de 10 mts., aproximadamente y un diámetro que varía entre 4 y 6 mts., recubierto con material refractario: Ladrillo refractario, con la disposición necesaria para introducirle una corriente de aire cerca del fondo.
Todo el cubilote descansa sobre una placa circular que es soportada arriba del piso mediante cuatro columnas separadas convenientemente para que las puertas abisagradas puedan caer libremente. Estando en operación, estas puertas se giran hasta una posición horizontal y se mantienen en su lugar por medio de una estaca vertical.
La puerta de carga esta localizada más o menos a la mitad de la cubierta vertical y la parte superior del cubilote queda abierta, a excepción de una pantalla de metal o para chispas. Las aberturas para introducir el aire a la cama de coque se conocen como toberas. La practica común es la de tener sólo una serie de toberas en una circunferencia de la pared, aun cuando algunos cubilotes grandes tienen dos hileras. Las toberas de forma acampanada, tienen el extremo mayor en el interior del horno para provocar que el aire se difunda uniformemente, van distribuidas a distancias muy precisas unas de otras, para obtener la distribución del aire tan uniforme como sea posible. El número de toberas varía con el diámetro del cubilote, siendo desde cuatro en los cubilotes pequeños y hasta ocho o más en los cubilotes grandes.
Alrededor del cubilote y en la zona de las toberas, se encuentra una caja, para el suministro del aire. Opuestas a cada tobera se encuentran unas pequeñas ventanas cubiertas con mica de tal forma que puedan inspeccionarse las condiciones dentro del cubilote. El aire, suministrado por un ventilador centrífugo entra por un lado de la caja.
Opuesto al vertedero de colada, se encuentra otro vertedor para la escoria, en la parte de atrás del cubilote. Esta abertura esta colocada debajo de las toberas para evitar un posible enfriamiento de la escoria, provocado por la corriente de aire.
Funcionamiento
La primera operación al preparar el cubilote consiste en limpiarlo de escoria y de los desechos que quedan en el refractario en torno a las toberas, de las coladas anteriores. A continuación se repara cualquier zona dañada con arcilla fina y arena silica refractaria para recubrimiento de hornos. Después de limpiarlo y repararlo se giran las puertas del fondo a posición de cerrado y se coloca la estaca debajo de ellas. En el piso de la solera se coloca una capa de arena negra de moldeo, la cual se apisona y se le da una pendiente hacia el vertedero. La altura no debe ser menor a 10 cms., en el punto mas bajo, se le deja un pequeño agujero para la sangría de aproximadamente 25 mm., de diámetro.
El encendido del cubilote se hace de 2 a 3 horas para que alcance una temperatura entre los 1200 y 1500 grados centígrados, antes de que se deba tener el primer metal fundido, deberá utilizarse la suficiente cantidad de leña para quemar la primera cama de coque.
Cuando se inicia un tipo natural, se añade coque poco a poco hasta que la cama crece a una altura conveniente. La altura de la cama de coque es importante, ya que determina la altura de la zona de fundición y afecta tanto a la temperatura como a la oxidación del metal.
Cuando la cama del coque esta encendida completamente se carga arrabio y la chatarra con una proporción de una parte de coque por 10 de hierro, esta relación es en masa. Además se suministra alrededor de 34 Kg., de fundente por tonelada de hierro, por lo general es piedra caliza, cuyo objetivo es eliminar impurezas en el hierro, protegerlo de la oxidación y hacer la escoria mas fluida para retirarla con mayor facilidad del cubilote.
Tanto los cubilotes de aire frío como los de aire caliente están en uso. En estos últimos, el aire de entrada se precalienta en alguna forma de recuperador, utilizando los gases calientes del cubilote. El recuperador puede ser una unidad externa o por tubos verticales construidos en el propio cubilote. El aire de entrada pasa por estos tubos, calentándose así antes de llegar a las toberas.
