Desoxidación del Acero

Desoxidación del acero

  El proceso de fabricación de acero consiste en la refinación de metal caliente en acero que se realiza en una atmósfera oxidante. Durante el proceso de refinación, el oxígeno se disuelve en el acero. Las siguientes son las principales fuentes de oxígeno en el acero.

• Soplado de oxígeno
• Uso de escorias oxidantes y mineral de hierro durante los procesos de fabricación de acero
• Recogida de oxígeno atmosférico por parte del acero líquido durante la operación de llenado
• Refractarios oxidantes del revestimiento
• Chatarra oxidada y mojada.

La desoxidación es la última etapa en la fabricación de acero. Durante la fabricación de acero, el baño de acero en el momento de la colada contiene de 400 a 800 ppm de actividad de oxígeno. La desoxidación se lleva a cabo durante el colado agregando al cucharón rebosante cantidades apropiadas de ferroaleaciones u otros desoxidantes especiales. Si al final del golpe el contenido de carbono del acero está por debajo de las especificaciones, el acero líquido también se recarbura en la cuchara hirviente. Sin embargo, las grandes adiciones en la cuchara hirviendo tienen un efecto adverso sobre la temperatura del acero líquido.

La solubilidad del oxígeno en el acero es insignificantemente pequeña. Durante la solidificación del acero fundido, el acero en solidificación rechaza el exceso de oxígeno. La solubilidad del oxígeno en el acero líquido es del 0,23 % a 1700 °C. Disminuye durante el proceso de enfriamiento y luego cae bruscamente durante la solidificación del acero líquido, alcanzando el 0,003 % en el acero sólido.

El exceso de oxígeno liberado de la solución sólida oxida los componentes del acero, como el C, el Fe y los elementos de aleación, lo que da como resultado orificios e inclusiones no metálicas atrapadas dentro de la estructura de acero fundido. Tanto los orificios de ventilación como las inclusiones tienen un efecto considerable en las propiedades mecánicas y afectan negativamente a la calidad del acero.

Para evitar la oxidación de los componentes de acero durante la solidificación, es necesario reducir el contenido de oxígeno del acero líquido. Esto se hace mediante la desoxidación del acero, que es una operación tecnológica de fabricación de acero, en la que la concentración (actividad) de oxígeno disuelto en el acero líquido se reduce al nivel requerido. Además de la producción de acero sólido mediante la eliminación de orificios nasales y la minimización de inclusiones no metálicas, la desoxidación también se emplea para el control del tamaño de grano para mejorar la tenacidad del acero.

Se han desarrollado varias estrategias para la desoxidación del acero. Esto se puede lograr mediante la adición de agentes desoxidantes metálicos al acero líquido antes o después de roscarlo, o mediante un tratamiento al vacío, en el que el carbono disuelto en el acero es el desoxidante. Además de la desoxidación por desoxidantes metálicos y la desoxidación por vacío, a veces se emplea otro método de desoxidación, a saber, la desoxidación por difusión.

Según el grado de desoxidación, existen cuatro tipos de desoxidación que van desde totalmente desoxidada hasta ligeramente desoxidada. Ninguno de los diversos tipos es mejor que el otro, pero cada uno es útil en su propio sentido. Según el grado de desoxidación, los aceros al carbono se pueden subdividir en cuatro grupos.

• Aceros de borde:estos aceros son aceros con bajo contenido de carbono parcialmente desoxidados o no desoxidados que generan una cantidad suficiente de monóxido de carbono durante la solidificación. Los lingotes de aceros con borde se caracterizan por una buena calidad superficial y una cantidad considerable de orificios nasales. Los aceros con borde generalmente se roscan sin haber hecho adiciones de desoxidantes al acero en el horno o solo pequeñas adiciones al acero líquido en la cuchara hirviendo, para tener suficiente oxígeno presente para dar la evolución de gas deseada al reaccionar en el molde con carbono. . Los procedimientos exactos seguidos dependen de si el acero tiene un contenido de carbono en los rangos más altos (C=0,12 % a 0,15 %) o en los rangos más bajos (C =0,10 % máx.). Cuando el acero líquido en la lingotera comienza a solidificarse, se produce una rápida evolución del gas monóxido de carbono (CO), lo que da como resultado una capa exterior del lingote de acero relativamente limpio con bajo contenido de carbono y otros solutos. Dichos lingotes son los más adecuados para la fabricación de varillas de electrodos y láminas de acero.
• Aceros revestidos:la práctica del acero revestido es una variación de la práctica del acero revestido. Se permite que la acción de bordeado comience normalmente, pero luego se termina después de un minuto o más sellando el molde con una tapa de hierro fundido. Esta práctica se suele aplicar en aceros con contenido de carbono superior al 0,15 %. La práctica del lingote tapado generalmente encuentra aplicación en la producción de láminas, tiras, alambre y barras.
• Aceros semiapagados:estos aceros son aceros desoxidados de forma incompleta que contienen una cierta cantidad de exceso de oxígeno, que reacciona con el carbono y forma una cantidad suficiente de monóxido de carbono durante la solidificación del acero líquido para contrarrestar la contracción de la solidificación. Estos aceros generalmente tienen un contenido de carbono dentro del rango de 0,15 % a 0,30 % y encuentran una amplia aplicación en formas estructurales
• Aceros calmados :estos aceros se desoxidan hasta tal punto que durante la solidificación no hay formación ni evolución de monóxido de carbono. Los lingotes y piezas fundidas de acero calmado tienen una estructura homogénea y no tienen porosidad por gas (espiráculos). El aluminio se utiliza para la desoxidación, junto con ferroaleaciones de manganeso y silicio. En ciertos casos se utilizan siliciuro de calcio u otros desoxidantes fuertes especiales. Con el fin de minimizar las tuberías, casi todos los aceros calmados se vierten en moldes de cabeza grande con la parte superior caliente. Para la colada continua, el acero líquido se debe matar por completo para que la colada no tenga defectos. Los aceros calmados se utilizan generalmente cuando se requiere una estructura homogénea en los aceros acabados. Son de este tipo los aceros aleados, los aceros para forja y los aceros para cementación, cuando la cualidad esencial es la solidez. Al producir ciertos aceros de embutición extra profunda, se mata un acero con bajo contenido de carbono (C=0,12 % máx.), generalmente con una cantidad sustancial de aluminio que se agrega en la cuchara, en el molde o en ambos. Aunque la desoxidación del acero por el aluminio suprime la formación de monóxido de carbono durante la solidificación y, por lo tanto, suprime los agujeros de soplado, hay muchas operaciones de procesamiento de acero en las que no es deseable matar el acero con aluminio.

Hay principalmente tres elementos utilizados en la desoxidación del acero. Estos son manganeso (Mn), silicio (Si) y aluminio (Al). El manganeso y el silicio se añaden en forma de ferroaleaciones con alto o bajo contenido de carbono o como aleaciones de silico-manganeso (Si-Mn). El aluminio que se agrega para la desoxidación tiene un nivel de pureza de alrededor del 98 %. A veces, el calcio (Ca) también se usa para la desoxidación.

El calcio es el desoxidante más eficiente y el Si no es tan eficiente en comparación con el Ca. Al es también un fuerte elemento desoxidante en comparación con Si. Aunque Ca y Al son desoxidantes muy eficientes, se oxidan muy rápido y, además, su densidad es mucho más baja que el acero. Además, Ca tiene un punto de ebullición de 1485 grados C, lo que significa que Ca está en fase gaseosa a la temperatura de fabricación del acero. Son necesarios métodos de inyección o métodos de adición adecuados para la desoxidación con Ca.

La desoxidación puede llevarse a cabo por un solo elemento como Si, Al, Mn, etc. o por una mezcla de elementos como Si + Mn, Ca-Si-Al, etc. La desoxidación por un solo elemento se conoce como desoxidación simple.

Mientras que la desoxidación por una mezcla de elementos se conoce como desoxidación compleja. Tanto en la desoxidación simple como en la compleja, se forma óxido; por lo tanto, también se denomina desoxidación por precipitación. La desoxidación también se lleva a cabo por carbón al vacío; que se llama desoxidación al vacío. Los elementos se agregan en forma de ferroaleaciones Fe-Si, Fe-Mn o Fe-Si + Fe-Mn, etc. En la desoxidación compleja donde se usa una mezcla de Si + Mn, Ca + Si, Ca + Si + Al, se utiliza lo siguiente se reportan ventajas en comparación con uno simple.

• El oxígeno disuelto es menor.
• Debido a la formación del producto líquido de desoxidación, la aglomeración del producto en un tamaño grande puede obtenerse fácilmente y flotar fácilmente.

Desoxidación con Fe-Mn

Cuando el acero se desoxida parcialmente con Mn, el hierro también participa en las reacciones, formando Mn (Fe) O líquido o sólido como producto de la desoxidación.

[Mn] + [O] =MnO

[Fe] + [O] =FeO

El estado de equilibrio del acero con el producto de desoxidación Mn (Fe) O se muestra en la figura 1.

Fig. 1 Contenido de manganeso y oxígeno del hierro en equilibrio con una solución líquida o sólida de FeO-MnO

  Desoxidación con Si y Mn

La desoxidación del Si es mucho más completa que la del Mn y la desoxidación simultánea de estos dos elementos da mucho menos oxígeno residual en solución, debido a la reducción de la actividad del Si. Según la concentración de Si y Mn que se agregue al acero en la cuchara llena, el producto de desoxidación será silicato de manganeso fundido (MnO.SiO2) o sílice sólida (SiO2).

[Si] + 2[O] =SiO2        (1)

[Mn] + [O] =MnO      (2)

Uno de los primeros estudios pioneros de los equilibrios de reacción escoria-metal es el atribuido a Korber y Oelsen por su medición de la distribución de equilibrio de Mn y Si entre el hierro líquido y la escoria de MnO-FeO-SiO2 saturada con SiO2. Los resultados de sus experimentos a 1600 ± 10 grados C se muestran en la Fig. 2.

Fig. 2 Concentración de Mn, Si y O en hierro líquido equilibrado con SiO2. El silicato de manganeso saturado se funde a 1600 ± 10 °C

Desoxidación con Si, Mn y Al

Los aceros semiapagados con oxígeno residual disuelto en el rango de 40 a 23 ppm se fabrican mediante la desoxidación del acero en la cuchara hirviendo con la adición de una pequeña cantidad de aluminio junto con silico-manganeso o una combinación de ferrosilicio y ferromanganeso. En este caso, el producto de desoxidación es un aluminosilicato de manganeso líquido que tiene una composición similar a 3MnO.Al2O3.SiO2. Con una pequeña adición de aluminio, p. unos 15 kg por 100 t de calor junto con Si/Mn casi todo el aluminio se consume en esta desoxidación combinada con Si y Mn. El aluminio residual disuelto en el acero será inferior a 10 ppm. Los equilibrios de desoxidación con Si y Mn en comparación con Al, Si y Mn para el producto de desoxidación saturado con Al2O3 se muestran en la Fig. 3.

Fig. 3 Equilibrios de desoxidación con Si y Mn comparados con Al, Si y Mn para el producto de desoxidación saturado con Al2O3

  Desoxidación con Al

El aluminio es un desoxidante muy eficaz que se utiliza en la mayoría de las operaciones de fabricación de acero. Por lo general, la desoxidación del aluminio se lleva a cabo en una cuchara hirviendo. En determinados casos, las adiciones de Al también se realizan en el molde durante la colada continua o de lingotes. Las relaciones de equilibrio aparentes para los productos de desoxidación:Al2O3 puro y aluminato de calcio fundido con una relación CaO/Al2O3 de 1 se muestran en la Fig. 4.

Fig. 4 Desoxidación con Al en equilibrio con Al2O3 o aluminato de calcio líquido con CaO/Al2O3 siendo 1

Cuando el acero calmado con Al se trata con Ca-Si, las inclusiones de alúmina se convierten en aluminato de calcio fundido. Para la relación CaO/Al2O3 de 1, la actividad del Al2O3 es de 0,064 con respecto al Al2O3 puro a temperaturas en el rango de 1500 - 1700 °C.