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Avances en la Acería por Horno de Arco Eléctrico: Innovaciones y Mejores Prácticas

El desarrollo de la tecnología de acería se lleva a cabo para cumplir una serie de requisitos. Estos pueden clasificarse en cuatro grupos:

Para entender el horno de arco eléctrico (HAE), es necesario entender qué es un arco eléctrico. Un arco eléctrico es una forma de descarga eléctrica entre dos electrodos, separados por un pequeño espacio (típicamente, aire normal). El ejemplo más conocido es un rayo. Quien haya realizado soldadura por arco también está familiarizado. Si se conecta la pieza de trabajo al lado negativo de una fuente DC y un electrodo al positivo, se toca momentáneamente el electrodo y se separa una pequeña distancia, se forma un arco estable entre el electrodo y la pieza, y el calor de este arco es suficiente para fundir el electrodo y soldar las piezas. La misma idea se usa a mayor escala en un horno de arco eléctrico.

Historia y desarrollos iniciales

La historia de la acería por HAE no es muy antigua. Es solo ligeramente más de un siglo cuando se comisionó el primer horno para fundir acero utilizando energía eléctrica. El desarrollo inicial tuvo lugar, ya que estas unidades permitían alcanzar fácilmente las temperaturas más altas y aseguraban las mejores condiciones para producir aceros aleados de alta calidad y aleaciones. Desde entonces, se han logrado grandes avances en equipos, tecnología, práctica de fundición, materias primas y productos. Los avances han permitido al HAE competir más exitosamente con las plantas integradas que emplean tecnología de horno de oxígeno básico (BOF). Hoy la acería por HAE tiene una contribución sustancial en la producción mundial, aunque aún está lejos de la contribución de la tecnología dominante BOF.

En el siglo XIX, se hicieron varios ensayos para emplear arco eléctrico para fundir hierro. Sir Humphry Davy realizó una demostración experimental en 1810, la soldadura fue investigada por Pepys en 1815, Pinchon intentó crear un horno electrotérmico en 1853, y en 1878–79, Carl Wilhelm Siemens patentó hornos eléctricos de tipo arco.

De Laval patentó un horno eléctrico para fundición y refinación de hierro en 1892 y Paul Heroult demostró fundición por arco de ferroaleaciones entre 1888 y 1892. La tecnología emergente se puso en uso comercial a principios del siglo XX cuando comenzó la generación amplia de energía eléctrica relativamente barata. En 1906, el primer horno de fusión por arco eléctrico en EE. UU. se instaló en la planta Halcomb. Este horno "Old No. 1" de Heroult es ahora un monumento histórico designado por ASM (Sociedad Americana de Materiales) en Station Square, Pittsburgh, Pensilvania (Fig. 1).

Avances en la Acería por Horno de Arco Eléctrico: Innovaciones y Mejores Prácticas

Fig. 1 El primer horno de arco eléctrico Heroult

Inicialmente, la acería por HAE se desarrolló para producir calidades especiales usando formas sólidas de carga como chatarra y ferroaleaciones. Los materiales sólidos se fundían primero por fusión directa de arco, se refinaban mediante adición de fundentes apropiados y se colaban para procesamiento posterior. Los HAE también se usaron para preparar carburo de calcio. La tecnología ha evolucionado desde un proceso lento a uno de fusión rápida que alcanza niveles de productividad cercanos a un BOF.

Una sección transversal esquemática de un horno de refinación por arco Heroult se muestra en la Fig. 2. En esta figura, E es un electrodo (solo uno mostrado), subido y bajado por el accionamiento de cremallera y piñón R y S. El interior está revestido con ladrillo refractario H, y K denota el revestimiento del fondo. Una puerta en A permite acceso al interior. La carcasa del horno descansa sobre basculantes para permitir su inclinación para colada.

Avances en la Acería por Horno de Arco Eléctrico: Innovaciones y Mejores Prácticas

Fig. 2 Horno de refinación por arco Heroult

Evolución de la tecnología HAE

Desde que el primer HAE industrial entró en operación, el desarrollo fue rápido y hubo un aumento de diez veces en la producción de 1910 a 1920, con más de 500,000 toneladas de acero producidas por HAE en 1920, aunque esto representaba aún un porcentaje muy pequeño de la producción global. Los hornos de primera generación tenían capacidad entre 1 y 15 toneladas. El HAE tenía como competidores fuertes a los convertidores Bessemer/Thomas y hornos Siemens-Martin (horno abierto), inicialmente. Pero su nicho era la producción de aceros especiales que requieren alta temperatura, fundición de ferroaleaciones y largos tiempos de refinación.

El HAE es una fase por defecto en el proceso de fabricación de acero. A lo largo de los años ha evolucionado dinámicamente y adoptado métodos eficientes, competitivos y sostenibles, y la producción global de acero por HAE está aumentando. Muchos países que no pueden producir hierro por la ruta tradicional (alto horno-BOF) están adoptando la ruta HAE. Una de las razones principales es la no disponibilidad de coques de coquización y la fácil disponibilidad de energía de bajo costo debido al acceso a combustible barato. Las plantas que usan tecnología HAE se conocen como mini-mills y esta industria es el mayor reciclador de chatarra de acero.

Aunque los HAE se usaron ampliamente en la Segunda Guerra Mundial para producción de aceros aleados, fue solo después que la acería eléctrica comenzó a expandirse. El bajo costo de capital para una mini-mill permitió establecer plantas rápidamente en el escenario global devastado por la guerra, y también les permitió competir exitosamente con los grandes siderúrgicos por "productos largos" de bajo costo (acero estructural, barra y alambrón) en el mercado.

Cuando Nucor, ahora uno de los mayores productores de acero en EE. UU., decidió entrar al mercado de productos largos en 1969, eligió iniciar una mini-mill con HAE, seguido pronto por otros fabricantes. Mientras Nucor se expandía rápidamente en el este de EE. UU., las organizaciones que los siguieron se concentraron en mercados locales de productos largos, donde el uso de HAE permitía variar la producción según la demanda local. Este patrón se siguió globalmente, con la producción HAE usada principalmente para productos largos, mientras las plantas integradas (ruta AH-BOF) se concentraban en "productos planos" (chapa, banda, planchas gruesas). En 1987, Nucor decidió expandirse al mercado de productos planos, aún usando el método HAE.

El aumento en la producción y tecnología HAE a nivel global se debe a:

El crecimiento en la acería HAE ha venido acompañado de varias mejoras tecnológicas que han permitido grandes disminuciones en requerimientos de potencia y mejoras en eficiencia energética, productividad del horno y ambiente de trabajo en la acería. Estas mejoras han proporcionado varias ventajas: operación estable del arco, bajo consumo de energía, bajo consumo de electrodos, menos roturas de electrodos, menor fuerza aplicada a electrodos y brazos portaelectrodos, y menores perturbaciones en la red.

El proceso HAE dependía únicamente de la energía eléctrica hasta que las energías químicas se volvieron suplementarias para reducir el costo de conversión mediante productividad mejorada. Sin embargo, la gestión eficiente de energías eléctrica y química se logra combinando control dinámico eficiente del arco con inyección balanceada de oxígeno y carbono para aumentar la productividad. Las plantas HAE a menudo usan una mezcla de hierro de reducción directa (DRI) / hierro briquetado en caliente (HBI) / DRI caliente y chatarra reciclada, y materiales basados en carbono como agentes espumantes de escoria y carburizantes. Según requisitos de reducción de consumo energético y emisiones de gases de efecto invernadero, el antracita y coque metalúrgico tradicionales se reemplazan con materiales basados en carbono y ahora fuentes alternativas como neumáticos al final de su vida útil y plásticos reciclados también reemplazan parcialmente los materiales de carbono convencionales.

Mejoras en diseños de HAE

Muchas mejoras tecnológicas en el diseño de HAE se hicieron para reducir los tiempos colada-a-colada (tap-to-tap). Estas incluyeron:

Desarrollos mayores en tecnología HAE

Algunas de las principales mejoras tecnológicas durante los últimos cuarenta años:

HAE con neumáticos y plásticos

Un estudio de OneSteel's Sydney Steel Mill en colaboración con UNSW en pruebas de laboratorio sobre uso de neumáticos en HAE para optimización de escoria espumante ha desarrollado y comercializado un sistema de ingeniería mediante pruebas en planta para HAE para inyectar mezclas de caucho de neumáticos al final de su vida útil y coque en HAE como agentes espumantes. El método resultó en beneficios como aumento de volumen y espumosidad de la escoria, incluyendo mejora de eficiencia energética eléctrica debido a arco más largo y mejor transferencia de calor del arco al acero, así como disminución de pérdida de calor a través de escoria y paredes laterales. Los acereros HAE usando tecnología de inyección de polímeros (PIT) también pueden esperar mejoras en rendimiento, consumo de oxígeno inyectado, consumo de refractarios y electrodos, y desgaste del sistema de inyección. La tecnología de inyección de caucho (RIT) se ha vuelto proceso estándar en los HAE de OneSteel en Sydney y Laverton y ha logrado hitos significativos: 40,720 coladas con inyección de caucho, 13,721 toneladas de coque reducidas/sustituidas y reducción en inyección por control de FeO y dimensionado consistente, y 1,128,486 neumáticos equivalentes de pasajero usados. El acero verde resultante de neumáticos y plásticos viejos no produce residuos ni humos tóxicos.

Proceso de manufactura

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