Metalurgia del tundish: Optimizando la transferencia de acero para colada continua

Metalurgia del tundish

Para transferir acero líquido de un cucharón de vaciado (teeming ladle) a la máquina de colada continua, se usa un recipiente intermedio llamado tundish. Es un recipiente rectangular, boca arriba, revestido de refractario, que puede tener tapa refractaria. El fondo tiene uno o más puertos con compuertas deslizantes (slide gates) o varillas tapón (stopper rods) para controlar el flujo. A menudo se divide en dos secciones: (i) sección de entrada, con caja de vertido (pour box) donde se alimenta acero del cucharón, y (ii) sección de salida desde donde se alimenta a los moldes. Varios dispositivos de control de flujo (diques, aliviaderos, tabiques con agujeros) pueden disponerse a lo largo. Trayecto más largo es preferible para prolongar tiempo de residencia y promover flotación de macro-inclusiones. Elementos importantes de metalurgia del tundish en Fig 1.

Funciones del tundish en colada continua

El tundish sirve como búfer y enlace entre el proceso discontinuo de acero secundario en cucharón y el proceso continuo en molde. Actúa como depósito durante cambios de cucharón y continúa suministrando acero al molde cuando se detiene la entrada, permitiendo colada secuencial por varios cucharones. Las causas principales de formación de inclusiones y contaminación: reoxidación por aire y escoria oxidante de cucharón arrastrada, arrastre de escoria de tundish y cucharón, y emulsificación de estas escorias en el acero. Estas inclusiones deben flotar fuera durante el flujo por el tundish antes de vaciarse al molde.

En el pasado, cuando la metalurgia de cucharón (ej. horno de cucharón, LF) no estaba desarrollada, se esperaba que el tundish funcionara como refinador de acero desoxidado transferido donde inclusiones no estaban completamente removidas. Sin LF, el acero desoxidado tenía macro-inclusiones y gran número de micro-inclusiones indígenas que podían aglomerarse formando macro-inclusiones durante transferencia. Un tundish puede reducir fracción de macro-inclusiones, ajustar composición química y controlar temperatura a nivel apropiado para alimentar molde. Con uso de LF y/o desgasificador, la limpieza del acero ha mejorado significativamente para cumplir demandas crecientes, y el tundish ahora se ve más como contaminador que refinador. Contaminación apreciable ocurre generalmente durante períodos transitorios (no estado estable) de colada secuencial: apertura de cucharón, transición entre dos heats (cambio de cucharón), y vaciado de cucharón.

Durante transitorios, el chorro de acero entrante y salpicaduras se reoxidan fuertemente por aire ambiente y escoria oxidante arrastrada. El chorro golpea y emulsiona agresivamente la escoria de cucharón y tundish flotando en superficie, que eventualmente se arrastra al acero. Tanto reoxidación como arrastre de escoria generan macro-inclusiones de óxido dañinas. El acero desoxidado con Al, incluso tras remoción de partículas grandes de producto de desoxidación en LF, contiene gran número de partículas finas de alúmina suspendidas. Estas se aglomeran por flujo turbulento durante transferencia cucharón-tundish-molde, formando grandes racimos de alúmina.

Las macro-inclusiones y grandes racimos de alúmina son causa mayor de problemas en procesamiento posterior y defectos en hilos y productos finales. Clientes exigen acero más limpio con menor tamaño de macro-inclusiones y racimos para mejor desempeño. Por tanto, diseño y operación del tundish deben dirigirse a minimizar formación de macro-inclusiones y racimos de alúmina, y removerlos una vez formados. De lo contrario, todos los esfuerzos de limpieza en LF y otros pasos no valen.

En etapas iniciales, el tundish se consideraba solo depósito para mantener suficiente acero para cabeza constante sobre molde y permitir cambio de cucharón sin interrumpir colada secuencial. Con énfasis continuo en calidad superior, es cada vez más claro que el tundish tiene función mucho más importante como reactor continuo de lo pensado. El tundish, acoplador crítico en colada continua de acero de alta calidad, ha sido reconocido verdaderamente como reactor metalúrgico crítico. Como tal, es un recipiente donde ocurren series de operaciones requiriendo control químico, térmico y físico.

Tecnologías como boquilla larga o tubería de shrouding con gas inerte se han implementado para reducir reoxidación por aire y emulsificación de escoria. Dispositivos de control de flujo de fundido se han usado para mejorar flotación de inclusiones formadas. Implementación de control activo de temperatura en tundish también ha contribuido a colada de acero limpio. Estas medidas han probado ser bastante exitosas, al menos durante operación en estado estable, pero pueden no ser suficientes para operación no estable. La operación no estable es parte integral de colada secuencial larga para mejor rendimiento metálico. Aunque es deseable colar acero de alta calidad, siempre se ha buscado compromiso entre calidad y costo en cualquier operación de tundish.

La calidad del acero entregado del tundish al molde depende altamente del grado y control de interacción de fases escoria, gas y refractario con el acero. Un tundish moderno está diseñado para dar máxima oportunidad para operaciones metalúrgicas: separación y flotación de inclusiones, aleación, modificación de inclusiones por tratamiento con calcio, control de sobrecalentamiento, homogeneización térmica y de composición, llevando al desarrollo de área separada de acero secundario llamada metalurgia del tundish.

Roles y funciones del tundish

El tundish tiene varios roles: (i) eslabón crítico en cadena de calidad de acería, (ii) refinador continuo, (iii) transmisor de señales metalúrgicas. El núcleo: un tundish sin control se convierte en contaminador más que refinador. Es innegable que el tundish es tan parte de prácticas de acero limpio como el cucharón antes y el molde después. Si la calidad construida en acero en operaciones primarias y secundarias se pierde en tundish, la capacidad de producir producto de calidad depende totalmente de recuperación en molde. Tarea mucho más ardua, considerando el tiempo limitado que el acero reside en el molde, que da capacidad finita para limpiar en última etapa antes de solidificación completa.

Muchos operadores han estudiado sus tundishes para maximizar beneficios del tiempo de residencia para flotación y asimilación de productos de reacción del acero a fase de escoria. Estos pueden ser productos de desoxidación, reoxidación, precipitación, emulsificación y/o arrastre de componentes refractarios, abarcando inclusiones indígenas y exógenas. Basado en elección sólida de diseño, la operación debe orientarse a:

• Promover flotación de inclusiones maximizando tiempo de residencia
• Asegurar asimilación por escoria cautiva y no corrosiva
• Reducir pérdidas térmicas y químicas del acero
• Minimizar cortocircuitos y zonas muertas
• Ofrecer al operador diseño óptimo para calidad y rendimiento

Eliminación de contaminación por aire y/o fases refractarias y tecnologías para prácticas de acero limpio es parte de operaciones sólidas. Criterios de diseño, modelado, controles de flujo, escorias, control de temperatura y mejoras de limpieza, así como operaciones no estable, son aspectos importantes. Una vez finalizado diseño para aplicación específica, operadores pueden maximizar mejoras cuando el tundish se considera y opera como refinador continuo. El operador debe ser consciente de que desviaciones de prácticas establecidas pueden tener resultados desastrosos.

Con énfasis en mayores tasas de productividad por velocidades de colada mayores, mayor disponibilidad y mejor rendimiento, tundishes más grandes y profundos se han vuelto norma. Esto ha dado efecto beneficioso en limpieza, ya que separación de inclusiones se facilita en recipiente más alto y volumétrico, especialmente si se cuida que inclusiones no sean arrastradas físicamente a niveles innecesariamente profundos.

La búsqueda de mayores profundidades operativas no solo añadió tiempo de residencia, sino que también redujo potencial de vórtex de escorias, especialmente durante transitorios como cambios de cucharón. Esto es cierto independientemente del tipo de dispositivos dosificadores tundish-molde: orificios simples, control por varilla tapón, mecanismos de compuerta multi-placa o válvulas de control de precisión. Para utilizar tundish como recipiente refinador, deben satisfacerse:

• Eliminación de fuentes de contaminación: erosión refractaria, reoxidación, arrastre de escoria de cucharón, emulsificación de escoria de tundish.
• Promoción de flotación y separación de inclusiones por dispositivos modificadores de flujo (FMDs), filtros y escoria diseñada.
• Introducción de tecnologías: control térmico, transferencia libre de escoria y sistemas optimizados de entrega de metal al molde.

Resumen: rol y funciones del tundish

• Enlaza cucharón con molde. Acepta acero y lo entrega a moldes con mínima contaminación, uniformemente y a caudal y temperatura deseados.
• Recipiente revestido de refractario con secciones de entrada/salida y dispositivos de control de flujo (diques, aliviaderos, tabiques con agujeros). Puede tener tapa refractaria y puertos de fondo con compuertas o varillas tapón.
• Reoxidación por aire del chorro entrante prevenida con boquilla larga inmersa en acero o tubería shrouded con flujo de argón.
• Boquilla larga y tubería shrouded también reducen emulsificación de escoria en acero.
• Dispositivos de control de flujo aumentan tiempo de residencia y ayudan a reducir macro-inclusiones por reoxidación y emulsificación. Al mismo tiempo, reducen racimos de alúmina aglomerada por flotación.