Materiales esenciales para la producción de acero en horno de oxígeno básico

Para la producción de acero líquido en el proceso de acería por horno de oxígeno básico (HOB o BOF) se necesitan los siguientes tipos de materiales (Fig 1):

• Materias primas básicas: arrabio caliente, chatarra, cal, etc.
• Materias primas secundarias: desoxidantes y carburantes.
• Gases de servicio: oxígeno, nitrógeno, argón, etc.
• Refractarios y materiales refractarios: material de revestimiento, material de proyección (gunning), materiales de parcheo, etc.
• Sondas consumibles: sondas de temperatura y de muestreo.
• Agua de refrigeración para lanza de soplado de oxígeno y gases de escape.

Fig 1 Materiales necesarios para la producción de acero en horno de oxígeno básico

Materias primas básicas

Incluyen: (i) arrabio caliente del alto horno, (ii) chatarra de acero y/u otra fuente de hierro metálico, (iii) mineral de hierro, (iv) fundentes. La chatarra, cargada desde una caja de chatarra, es el primer material en entrar al HOB. Luego se vierte el arrabio desde la cuchara de carga, iniciándose el soplado con oxígeno. Los fundentes, usualmente en lumps, se cargan mediante sistema de tolvas tras iniciar el soplado; también pueden inyectarse en polvo por tuyères de fondo. La composición y cantidades varían entre acerías según disponibilidad y economía.

Arrabio caliente (hierro líquido)

Fuente principal de unidades de hierro y energía. Recibido del alto horno en vagones torpedo o cucharas abiertas. En cucharas abiertas, se vierte en mezclador de arrabio para mantener temperatura antes del HOB. Composición química típica: 3,8-4,5% C, 0,5-1,5% Si, 0,25-1,5% Mn, 0,05-0,15% P, 0,03-0,08% S.

El azufre puede reducirse a 0,001% en planta de desulfuración de arrabio. La composición depende de práctica y carga del alto horno. Régimen frío del alto horno: disminuye Si, aumenta S en arrabio. Alto P en carga del alto horno aumenta P en arrabio.

Carbono y silicio son los principales aportadores de energía. El Si del arrabio afecta cantidad de chatarra cargable: Si alto = más calor por oxidación = más chatarra. También afecta volumen de escoria, consumo de cal y rendimiento de hierro.

El arrabio suele estar saturado en carbono; su concentración depende de temperatura y solutos (Si, Mn). C aumenta con temperatura y Mn, disminuye con Si.

Es vital conocer temperatura y %C del arrabio al verterse al HOB para control de proceso. Temperatura se mide en cuchara de carga antes de cargar. Típica: 1300-1350 °C.

La desulfuración se favorece a alta temperatura y bajo potencial de oxígeno. La presencia de C y Si aumenta actividad del S, mejorando desulfuración. Así, bajo potencial O₂ y alto C/Si favorecen quitar S del arrabio antes que del acero en HOB. No todo el arrabio se desulfura. Solo el destinado a aceros con especificaciones estrictas de S se trata en planta de desulfuración (S hasta 0,001%, típicamente 0,004-0,005%). Es crucial eliminar eficazmente la escoria de desulfuración mediante escoriado; esta escoria tiene alto S y, si pasa al HOB (condiciones malas para desulfurar), causa recaptura de S en acero líquido.

El pesaje del arrabio se hace en báscula antes de verter al HOB. Precisión crítica: errores causan problemas en química, temperatura y tamaño de carga en HOB. Dato importante para modelo de carga estática.

Chatarra

Segunda mayor fuente de unidades de hierro tras arrabio. Hierro/acero reciclado: generado en planta (recortes CCM, chatarra de laminación, recuperada de residuos de acería, mantenimiento) o comprada externamente.

Importante cargar tipos correctos en cantidades exactas para cumplir mezcla en caja de chatarra. La caja se pesa para conocer peso exacto. Mezcla y peso son parámetros clave; si no, rendimiento final en HOB se afecta.

Generalmente, chatarra ligera al frente, pesada al fondo de la caja. Al volcar, ligera cae primero sobre revestimiento refractario, minimizando impacto y daño. Chatarra pesada, más difícil de fundir, queda arriba, cerca de zona de impacto del chorro de oxígeno, fundiéndose más rápido. Piezas demasiado grandes se cortan (cizallas, corte por llama, lanza oxígeno). Piezas finas/pequeñas (recortes de cizalla, punzonados) se briquetan en prensas hidráulicas. Chatarra no fundida causa problemas graves: temperaturas altas o químicas fallidas al final.

La práctica de soplado combinado en HOB mejora mezcla y fundición de piezas grandes. Ciertos elementos en chatarra (Cu, Mo, Sn, Ni) entran al HOB; no se oxidan ni eliminan durante soplado, se disuelven uniformemente en baño. Otros (Al, Si, Zr) se oxidan totalmente e incorporan a escoria. Intermedios (P, Mn, Cr) se reparten entre metal y escoria. Zn y Pb se eliminan mayormente como vapor. Acerías típicas usan 10-35% chatarra en carga metálica total, según condiciones locales y economía. Técnicamente, relación chatarra/arrabio depende de Si, C, temperatura del arrabio, uso de lanza post-combustión.

Hierro de reducción directa (DRI/HBI)

Usado en algunas acerías como refrigerante y fuente de hierro. Típico: 89-94% Fe total (~88-96% metalización), 0,1-4% C, 2,8-6% Al₂O₃+SiO₂ combinados, 3-8% FeO, pequeñas cantidades CaO, MgO. P: 0,005-0,09%, S: 0,001-0,03%, N bajo (<20 ppm).

Alimentado al HOB en lumps o briquetas (~25-30 mm). Briquetas pasivadas para evitar combustión espontánea, facilitando manejo. Alimentado por sistema de tolvas.

Arrabio en lingotes (Pig Iron)

En algunas acerías usado como fuente de hierro. Requiere calor para fundirse; una vez fundido, se comporta como arrabio en HOB. Cargado por caja de chatarra con mezcla.

Mineral de hierro

Cargado usualmente en lumps como refrigerante y sustituto de chatarra. Contiene menos elementos residuales (Cu, Zn, Ni, Mo). Efecto refrigerante ~3 veces mayor que chatarra. Reducción de óxido de hierro es endotérmica; requiere más arrabio y menos chatarra al usarse para enfriar. Debe cargarse temprano en soplado cuando %C en baño es alto para reducir eficazmente óxidos. Reducción genera mucho gas, aumentando tendencia a espumado y derrame de escoria. Adición tardía perjudica rendimiento de hierro y química final de escoria. Si usado solo como refrigerante justo antes de vaciado, escoria se vuelve muy oxidada y fluida, aumentando arrastre a cuchara. Retraso en reacción de enfriamiento causa caída brusca de temperatura o reacción violenta en cuchara por sobre-oxidación.

Escama de laminación (Mill Scale)

Posible uso como refrigerante en cantidades adecuadas. Muy efectiva para aumentar relación arrabio/chatarra. Pero causa derrames (slopping) intensos. Escama y otros óxidos se reducen durante soplado principal liberando Fe y O₂. Oxígeno adicional acelera descarburación. Slopping por aumento volumen escoria (más arrabio = más Si y C generan más SiO₂ y CO) y mayor velocidad reacción.

Cal cinerada (Cal viva)

Consumo depende de Si en arrabio, relación arrabio/chatarra, contenidos inicial/final de S y P. Producida calcinando piedra caliza. Calidad necesaria descrita en artículo aparte (enlace).

Al cargar gran cantidad en poco tiempo, selección cuidadosa de calidad mejora disolución en escoria. Generalmente, lumps pequeños con alta porosidad = mayor reactividad = formación rápida de escoria. Problemas comunes: núcleos sin calcinar, hidratación, exceso de finos, reactividad demasiado baja.

Dolomita calcinada

Cargada con cal para saturar escoria en MgO y reducir disolución de MgO de refractarios a escoria. Típica: 36-40% MgO, 54-58% CaO. Adición debe mantener MgO de escoria por encima de saturación. Escoria con MgO > saturación = menos corrosiva, reduce/elimina ataque químico a refractarios.

En algunas acerías se añade dolomita cruda directamente: actúa como refrigerante y fuente MgO, pero efecto retardado (calcinación en HOB). Al calentarse, reacción endotérmica baja temperatura.

Dolomita calcinada también para acondicionar escoria antes de slag splashing. Importante controlar química y tamaño.

Piedra caliza / Dolomita cruda como refrigerante

En algunos talleres HOB se usan frecuente como refrigerantes más que fundentes. Piedra caliza común para enfriar baño si temperatura final > objetivo. Al calentarse, calcinación endotérmica produce CaO + CO₂, bajando temperatura. Caída depende de tamaño carga y estado escoria. Ej: carga 150 t, 1 t piedra caliza baja ~12 °C.

Fluorita (CaF₂)

Fluidificante de escoria: reduce viscosidad. Promueve disolución rápida de cal al disolver capa de silicato dicalcico (2CaO·SiO₂) alrededor de partículas de cal que retarda disolución. Hoy se usa muy poco por ataque corrosivo severo a todos refractarios (HOB y cuchara). Fluoruros forman ácidos fuertes en sistema captación gases, corroen estructuras y son emisiones indeseables.

Materias primas secundarias

Desoxidantes y carburantes. Normalmente añadidos en cuchara de vaciado durante vaciado del HOB.

Desoxidación

Última etapa de acería. Baño de acero al vaciado contiene 400-800 ppm actividad oxígeno. Desoxidación durante vaciado añadiendo ferroaleaciones o desoxidantes especiales a cuchara.

Desoxidantes habituales: ferroaleaciones a granel (ferrosilicio, silicomanganeso, ferromanganeso). Usados para desoxidar e introducir elementos de aleación. Forma más económica de alear. Ferroaleaciones confieren cualidades distintivas a aceros.

También para control de grano y mejora propiedades mecánicas. Según proceso y tipo acero, requerimiento de ferroaleaciones varía ampliamente. Añadidos aumentan resistencia corrosión/oxidación, templabilidad, resistencia tracción alta temperatura, desgaste/abrasión (con C), fluencia, etc. Vitales para producir todos los aceros. Materia prima para aceros aleados e inoxidables.

Recarburación

Si al final soplado %C está bajo especificación, se recarburiza añadiendo carburantes controlados en cuchara. Carburantes comunes: brisa de coque, coque de petróleo. Grandes adiciones en cuchara afectan negativamente temperatura acero líquido.

Gases de servicio

En HOB, lanza refrigerada por agua inyecta oxígeno a velocidad supersónica sobre baño líquido. Con demandas de aceros de mayor pureza, O₂ debe ser muy pura: mínimo 99,5%, ideal 99,7-99,8%. Resto: 0,005-0,01% N₂, resto Ar.

En HOB, O₂ sale a velocidad supersónica (Mach>1) por boquillas convergente-divergentes (Laval) en punta de lanza. Chorro penetra escoria e impacta superficie baño para refinar. Hoy la mayoría HOB operan con puntas de 4-5 boquillas, caudales 640-900 Nm³/min.

Nitrógeno

Usado en HOB para soplado combinado y slag splashing. Para mejorar mezcla baño, soplado por tuyères fondo o elementos permeables. Agitación con N₂ en rango alto carbono del baño. Caudales fondo <0,2 Nm³/t·min. Práctica típica: N₂ por fondo en primer 60-80% soplado O₂. Rápida evolución CO en primera parte evita captura N₂ en acero.

También para slag splashing: proyección de escoria acondicionada sobre paredes HOB tras vaciado, creando capa protectora sobre refractarios.

Argón

Usado para soplado combinado. Mejora mezcla baño por tuyères fondo/permeables. Agitación con Ar en rango bajo carbono del baño. Caudales fondo <0,2 Nm³/t·min. Práctica típica: Ar por fondo en último 20-40% soplado O₂.

Refractarios y materiales refractarios

Tres tipos para HOB: (1) ladrillos básicos usualmente magnesia-carbono (MgO-C), (2) compuesto de proyección base magnesia para reparar zonas dañadas, (3) material de parcheo (ladrillos usados rotos) para fondo erosionado. Descritos en artículo enlace.

Sondas consumibles

Sondas desechables para muestreo acero para análisis tras soplado y medición temperaturas: arrabio en cuchara carga y acero líquido en HOB tras soplado.

Agua de refrigeración

Para refrigerar lanza y boquilla O₂ y gases escape. Evita quemadura lanza en HOB. Boquilla cobre y lanza acero refrigeradas por agua recirculante ~6 kg/cm². Canales refrigeración: agua fluye por centro boquilla, sale por tubo exterior. Diseñada para máxima velocidad agua en zona boquilla (mayor temperatura). Crítica para vida larga lanza. Caudales deben mantenerse en diseño. Temp. salida agua no >60-65 °C.

Gas rico CO de convertidor se enfría primero en campana indirectamente por agua o sistema evaporativo (ECS) para bajar de 1600-1700 °C a ~900 °C. En ECS se necesita agua desmineralizada (se recupera calor como vapor).

En algunas acerías, cono superior HOB es refrigerado por agua. Componentes beneficiados: cáscara cónica y anillo labio en esquina superior cono.

Calidad agua parámetro importante. Si contaminada con óxidos/suciedad, depósitos en tuberías afectan negativamente transferencia calor.