Soplado de oxígeno en la acería por convertidor: Mejorando pureza y eficiencia

El oxígeno (O₂) se sopla sobre el arrabio caliente en el convertidor durante la fabricación de acero para eliminar impurezas: carbono (C), silicio (Si), manganeso (Mn), fósforo (P), etc. Se usa una lanza refrigerada por agua para inyectar oxígeno a altísima velocidad sobre el baño líquido. En los años 50, al comercializarse el proceso convertidor soplado superior y limitarse tamaño convertidor a 50 t máx, se usaba lanza con punta mono-orificio. Con el tiempo, tamaño convertidor aumentó, necesitando más orificios en punta para mejor distribución O₂ sobre mayor superficie baño.

Con demandas crecientes aceros mayor pureza (menores impurezas), O₂ pureza muy alta requerida acería convertidor. O₂ mínimo 99,5% puro, ideal 99,7-99,8%. Resto: 0,005-0,01% N₂, resto Ar.

En convertidores soplado superior, O₂ sale velocidad supersónica por boquillas convergente-divergentes en punta lanza refrigerada. Chorro gas enérgico penetra escoria e impacta superficie baño refinando acero. Hoy mayoría convertidores operan puntas lanza 3-6 boquillas. Incluso puntas 8 boquillas en uso. Ejes cada boquilla en lanza multi-orificio inclinados respecto eje lanza y equiespaciados alrededor punta. Punta lanza cobre, soldada tubo acero lanza.

Caudales diseño y velocidad O₂

Caudales O₂ y velocidad flujo con tamaño tubería lanza para distintos tamaños convertidor en Tabla 1.

Tab 1 Caudales diseño en lanza convertidor
Tamaño carga convertidor (ton)	Caudal O₂ (Nm³/h)	Diám. int. tubería × espesor (mm)	Velocidad O₂ (m/s)
250-300	58000-66000	245×8	43,5-49,5
210	48000-54000	219×8	45,8-51,5
180	39000-44000	194×6	46,3-52,2
150	30000-33000	168×6	48,4-53,3
120	26000-28000	159×6	47,3-50,9
80	18000-20000	133×5	46,8-51,9
60	14000-16000	121×5	44,7-51,0
50	11000-13000	114×5	40,0-47,3

Proceso soplado O₂ en acería convertidor

O₂ velocidad supersónica soplado sobre arrabio eliminar impurezas C, Si, Mn, P. Durante soplado, altura lanza disminuye para hacer O₂ disponible en baño remoción C. Tarda ~15-20 min soplar O₂ refino. Tiempo vaciado-vaciado (tap-to-tap) 50-60 min según caudal O₂, composición arrabio, perfil lanza, química acero. Interesante: tiempo soplado O₂ y tap-to-tap no dependen significativamente capacidad convertidor.

O₂ soplado convertidor través lanza refrigerada (~8-10 m) con boquilla convergente-divergente alta presión (~11-14 kg/cm²) velocidad supersónica (Mach >1). Chorro supersónico O₂ boquilla ayuda mayor arrastre O₂ baño líquido. Durante soplado, dispersión trifásica: gotas escoria/metal / burbujas gas. Parte más importante lanza: punta boquilla. Diseñada producir chorro O₂ libre no coalescente. Funciones boquilla:

• Suministro y distribución oxígeno.
• Producir chorro gaseoso.
• Inducir agitación baño.
• Producir gotas metal.

Tras vaciado carga anterior y drenaje escoria, revestimiento inspeccionado. Carga chatarra y arrabio. Convertidor inclinado posición vertical y lanza bajada en recipiente iniciar soplado O₂. Selección altura inicial lanza: concentración fuerza nivel baño no cause eyección partículas hierro diminutas (chispas) y máxima superficie baño cubierta chorro O₂.

Inicialmente O₂ soplado suave manteniendo lanza alta promover formación escoria evitar eyección partículas pequeñas (arrabio no cubierto escoria). Cal normalmente añadida inicio soplado y durante soplado. O₂ soplado ~15-20 min disminuyendo progresivamente altura lanza: espumado escoria controlado y reacciones oxidación ininterrumpidas.

Suministro O₂ forma chorro gas libre característica importante acería convertidor tanto soplado superior como combinado. En esta forma suministro, tiempo total soplado O₂ casi independiente capacidad convertidor, caudal O₂, agitación fondo. Reflejado evaluando número adimensional tasa momento vs. ratio tiempo soplado / tiempo total soplado para capacidades 30-400 t.

Número adimensional tasa momento describe acción chorro O₂ libre producido caudal volumétrico constante O₂ varias alturas lanza. Número aumenta con disminución altura lanza. Disminución altura = soplado duro; aumento = soplado suave. Perfil lanza genera soplado suave inicio y progresivamente duro avance soplado.

Requisitos fundamentales perfil lanza toda acería convertidor: formación escoria rica FeO (óxido hierro) etapa inicial y luego remoción C y P aumentando progresivamente disponibilidad O₂ baño evitar sobre-oxidación escoria. Primer requisito: «soplado suave» (penetración somera chorro); segundo: endurecer soplado (penetración profunda chorro baño) progresivamente. Soplado suave y duro esenciales refino arrabio impacto chorro O₂ independientemente capacidad convertidor y tipo práctica (puro soplado superior o combinado); resultado tiempo total soplado O₂ permanece más/menos mismo.

Disponibilidad oxígeno

O₂ disponible energéticamente durante refino convertidor. Disponibilidad energética O₂ obtenida pasando caudal determinado O₂ través boquilla.

En acería convertidor O₂ soplado boquillas Laval. Boquilla Laval = boquilla convergente-divergente: sección paso flujo área transversal disminuye dirección flujo, alcanza mínimo (garganta), luego aumenta dirección flujo. Boquilla Laval acelera gas velocidad supersónica (Mach >1). Velocidad gas salida corresponde Mach ~2,0-2,4.

Comportamiento chorro gas libre

Comportamiento gas al salir boquilla Laval simple en entorno aire: gas sale boquilla se expande entorno = «chorro gas libre» (expansión no confinada). Chorro libre caracterizado por longitud núcleo potencial (PCL) y longitud núcleo supersónico (SCL). En núcleo potencial: no arrastre entorno, velocidad gas axial/radial = valor salida. Más allá núcleo potencial: ambas velocidades disminuyen arrastre entorno. Punto alcanzado chorro libre donde velocidad gas valor sónico (M=1). Dentro SCL: velocidad gas supersónica ambas direcciones. Más allá SCL: velocidad subsónica. Expansión radial y decaimiento velocidad axial más allá núcleo potencial = características principales chorro gas libre.

Por expansión, masa chorro aumenta = concentración gas plano P=0 disminuye arrastre entorno. Si O₂ fluye boquilla, concentración O₂ plano P2 < P1 < P=0. Masa chorro (fluido principal + entorno) en P2 > masa P1. Velocidad axial chorro función distancia axial medida desde salida boquilla.

Propiedad importante chorro libre: lleva tasa flujo momento que al golpear líquido convierte fuerza y penetra líquido. Tasa flujo momento dentro chorro conservada. Importante: depende solo variables upstream (presión, número/diámetro boquilla). No depende condiciones downstream.

Comportamiento chorros puntas multi-boquilla depende número boquillas y ángulo inclinación cada boquilla eje lanza. Número boquillas acería convertidor varía capacidad pero generalmente 3-6. Ángulo inclinación cada boquilla punta 3 orificios: 10-12°; 5-6 orificios: 15-16° eje lanza.

Chorros multi libres downstream boquilla coalescen o no dependen ángulo inclinación y número boquillas dado presión/caudal upstream. Chorro coalescente similar chorro simple. Ángulo 10-12° punta 3 orificios: multi-chorros no coalescen cierta distancia downstream. Chorro no coalescente al impactar líquido produce penetración = número chorros.

Decaimiento velocidad axial y expansión radial dependen ratio densidad entorno / densidad chorro O₂. Si densidad chorro O₂ > densidad entorno: chorro se expande lentamente. Velocidad expansión depende valor ratio. Velocidad chorro decae más lento cualquier distancia downstream. Situación: chorro frío descargado entorno metal caliente = longitud núcleo potencial PCL y núcleo supersónico SCL > ratio=1. Si ratio <1: chorro O₂ más ligero entorno = se expande más rápido = menor PCL y SCL. Caso: chorro frío O₂ descargado en escoria.

Acción chorro oxígeno libre

Velocidad chorro libre O₂ importante. Velocidad axial disminuye distancia downstream boquilla aumenta arrastre entorno. Convertidor: inicio soplado, entorno chorro O₂ atmósfera caliente. Continúa soplado, entorno chorro cambia monóxido carbono (CO) a escoria. Mayoría períodos chorro sumergido escoria. Entorno convertidor dinámico. Velocidad chorro depende presión upstream, distancia axial downstream, entorno. Difícil calcular velocidad chorro entorno cambiante, pero tasa flujo momento dentro chorro independiente distancia downstream boquilla y calculable.

Chorro lleva tasa flujo momento que al golpear baño convierte fuerza. Acción chorro libre descrita en términos número adimensional caudal. Número adimensional caudal aumenta con disminución altura lanza. Número adimensional caudal describe variación dinámica altura lanza. Número adimensional tasa momento significa acción chorro O₂ baño a altura lanza contra gravedad.

Penetrabilidad chorro

Número adimensional caudal describe efecto altura lanza penetrabilidad chorro. Penetración somera altura lanza alta = «chorro suave» vs penetración profunda altura lanza baja = «chorro duro».

Significa: caudal volumétrico constante O₂ presión constante descargado boquilla puede hacerse golpear baño «suave» y progresivamente más duro. Método suministro O₂ acería convertidor «chorro libre» muy efectivo términos reacciones fisico-químicas.

Efectos inducidos chorro O₂ reactivo suave impacto baño metal líquido: (i) oxidación Fe, (ii) penetración somera, (iii) reacción escoria/metal, (iv) mejora formación escoria facilitando remoción P. Duración excesiva chorro suave O₂ = slopping escoria por sobre-oxidación.

Efectos chorro O₂ reactivo duro impacto baño: (i) disponibilidad O₂ profundo baño, (ii) mejora oxidación C y deterioro remoción P, (iii) evolución CO profundo baño y escape a través baño agita baño, (iv) generación gotas emulsionadas escoria.

Tipos chorros O₂ y efectos Fig 1.

Fig 1 Tipos de chorros de oxígeno y sus efectos

Reacciones en el convertidor

En acería O₂, arrabio saturado C soplado O₂ puro velocidades supersónicas. Reacciones y mezcla intensas. O₂ reacciona Si disuelto, Mn disuelto, y Fe mismo para hacer escoria líquida contenedora FeO. O₂ reacciona C disuelto liberando gas CO descarburizando hierro. Camino oxidación elementos (C, Si, etc.) refino acero: soplar O₂ solución hierro punto donde concentración baño excede nivel equilibrio permitido impureza particular. O₂ disuelto e impureza disuelta combinan formar gas CO (caso C) o sílice líquida (SiO₂, caso Si). Solubilidad ambos productos [CO (gas) y SiO₂ (líquido)] muy limitada hierro líquido, rápidamente nuclean fases separadas, coagulan, consolidan, flotados por intensa agitación proceso.

Durante intenso soplado O₂ acería, parte hierro líquido oxidado a FeO que se mezcla intensamente baño metal en emulsión y reacciona impurezas disueltas hierro fundido directamente:

• 2Fe (fundido) + O₂ (gas) = 2FeO (escoria líquida)
• FeO (escoria líquida) + C (disuelto solución hierro líquido) = CO (gas) + Fe (fundido)
• 2FeO (escoria líquida) + Si (disuelto solución hierro líquido) = SiO₂ (líquido) + Fe (fundido)

Reacciones oxidación altamente exotérmicas. Calor liberado oxidación Si y otras impurezas, junto entalpía oxidación propio hierro, usado fundir chatarra fría aumentar tamaño carga convertidor y subir T° acero líquido operaciones posteriores. CO₂ nunca producido dentro baño convertidor acería salvo cantidades traza. CO₂ (si formara) rápidamente convertido CO reacción cualquier C disuelto restante. Si no C disuelto tras oxidación baño, CO₂ reducido CO por oxidación Fe mismo. CO₂ es oxidante temperaturas acería. Producto equilibrio reacción oxidación Fe o C disuelto hierro por CO₂ fuertemente hacia CO, traza CO₂ según cálculos energía libre Gibbs. C actúa agente reductor FeO según ecuación arriba, otro factor que puede enlentecer/interferir oxidación hierro.

Durante proceso acería, parte hierro oxidado punto añade % FeO líquido fase escoria líquida coexiste convertidor con metal. Si O₂ soplado más allá punto final oxidación impurezas, oxidación Fe excesiva. Muestra pérdida medible rendimiento Fe escoria, concentraciones predecibles/calculables mayores óxido hierro líquido (FeO) escoria. Una vez C oxidado CO, cualquier O₂ adicional combina Fe producir FeO escoria.