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Optimización de la eliminación de azufre en acero líquido

La solubilidad del azufre (S) en hierro (Fe) líquido es bastante alta. Pero en hierro sólido es limitada: 0,002 % en ferrita a temperatura ambiente y 0,013 % en austenita a ~1000 °C. Por tanto, al enfriarse el acero líquido, el azufre se libera de la solución como sulfuro de hierro (FeS) que forma eutéctico con el hierro circundante. El eutéctico se segregan en bordes de grano. La temperatura eutéctica es comparativamente baja (~988 °C). El eutéctico Fe-FeS debilita el enlace entre granos y causa caída brusca de propiedades a temperaturas de deformación en caliente.

Durante la colada continua, el azufre en acero líquido: (i) causa formación de sulfuros indeseables que promueven debilidades granulares y grietas durante solidificación; (ii) reduce punto de fusión y resistencia inter-granular; (iii) contribuye a fragilidad y actúa como concentrador de tensiones; (iv) resulta en fragilidad en caliente (hot shortness). El azufre en acero sólido como inclusiones FeS tiene efectos perjudiciales en procesamiento. Durante deformación, inclusiones FeS actúan como sitios de iniciación de grietas y zonas de debilidad. Afectan adversamente tenacidad, ductilidad, conformabilidad, soldabilidad y resistencia a corrosión. Un aumento en manganeso (Mn) (≥ 0,2 %) ayuda a prevenir formación de FeS. El azufre es elemento indeseable. El Mn reacciona activamente con sulfuros de hierro durante solidificación transformando FeS a MnS:

FeS (escoria) + Mn (acero) = MnS (escoria) + Fe

La temperatura de fusión de sulfuro de manganeso (MnS) es comparativamente alta (~1610 °C). Por tanto, acero con Mn puede deformarse en estado caliente. Sin embargo, inclusiones MnS: (i) son frágiles (menos dúctiles que acero); (ii) pueden tener bordes agudos; (iii) están entre granos de acero. Todos estos factores determinan influencia negativa en propiedades mecánicas.

Desulfuración en acería secundaria

Como el azufre es impureza perjudicial afectando calidad interna y superficial, la desulfuración es esencial en acería. Las especificaciones cada vez más exigentes han resultado en demanda extrema de limpieza del acero. Para producir acero limpio, especialmente respecto a precipitación de sulfuros, es necesario mantener contenido de S en acero líquido lo más bajo posible. En la práctica, la eliminación de S se logra principalmente en cucharas durante acería secundaria.

La desulfuración durante acería secundaria depende de temperatura, concentraciones de S y O₂ en acero, pero principalmente de composición química y propiedades físicas de la escoria. El refino para cumplir rango composicional requiere optimizar parámetros del proceso.

En acerías modernas, hornos primarios se usan para tratamiento de arrabio y fundición de chatarra. Otros objetivos (aleación, homogeneización, refino, ajuste de temperatura) se realizan en acería secundaria con control de escoria superior. La escoria de cuchara debe: proteger acero contra atmósfera oxidante y realizar operaciones metalúrgicas. Debe tener propiedades físico-químicas adecuadas: baja temperatura de fusión, bajo potencial de oxígeno, alta capacidad para azufre.

La desulfuración con escoria de refino es uno de los procesos más importantes de acería secundaria. Pero el control se basa en guías empíricas. Desviaciones de contenidos objetivo son frecuentes. Mejorar control con conocimiento termodinámico y cinético es crucial, especialmente para aceros con niveles muy bajos de S.

Termodinámica de la desulfuración

Cuatro aspectos importantes:

La velocidad de desulfuración aumenta considerablemente si el caudal de gas supera valor crítico. Este fenómeno puede ser causado por emulsificación de gotas de escoria en fase metálica.

Aspectos teóricos de la emulsificación de escoria

La desulfuración por reacción escoria-metal es reacción de intercambio entre dos fases inmiscibles, termodinámicamente gobernada por relación de partición de S, y cinéticamente por área de intercambio interfacial y fuerza impulsora de transferencia de S. Aspectos cinéticos pueden influirse por efectos de dinámica de fluidos. La agitación inducida por inyección de gas afecta velocidad relativa en interfase, afectando coeficiente de transporte de masa. Altas velocidades interfaciales pueden causar emulsificación de escoria, aumentando gran superficie de intercambio. Además, mezcla eficiente en baño hace más rápida la obtención del nivel final de S, reduciendo duración de operación.

Se necesita conocimiento de dinámica de fluidos en cuchara inducida por inyección de gas, para alcanzar mejores condiciones: (i) en interfase metal-escoria, favorecer emulsificación y acelerar cinética; (ii) en baño, permitir mezcla de acero desulfurado en interfase con baño hasta mezcla perfecta en objetivo de S. Por otro lado, agitación demasiado intensa (costos operacionales altos y pérdidas de temperatura) debe evitarse.

Energía mecánica transferida al baño por: (i) soplado por fondo, tapones porosos; (ii) soplado superior, lanza; (iii) soplado combinado. Investigaciones sobre efectos de agitación en dinámica de fluidos en cuchara, enfocadas en camino de gas o procesos en interfase escoria-metal (incluyendo desulfuración). Aspectos relevantes:

Proceso de desulfuración

Dos opciones principales para eliminación de S:

  1. Reacción metal-escoria, mezclando intensivamente escoria superior con acero líquido.
  2. Inyección de calcio (Ca) metálico en acero líquido, precipitando sulfuros.

La escoria superior tras acería primaria consiste normalmente en: (i) escoria arrastrada de horno primario; (ii) productos de desoxidación; (iii) escoria residual de cuchara de colada anterior; (iv) desgaste de revestimiento; (v) agentes formadores de escoria cargados en cuchara.

Para desulfuración eficiente, acero debe estar desoxidado y arrastre de escoria de horno primario minimizado. Cucharas revestidas con refractarios de arcilla de fuego y alúmina no son adecuadas si se busca bajo S. Deben usarse revestimientos de dolomita u otros refractarios básicos.

Tras vaciado, cantidad de escoria arrastrada es desconocida. Otro parámetro desconocido: pérdida de Al durante vaciado, resultando en diferentes cantidades de Al₂O₃ en escoria. En acería secundaria es esencial conocer composición y cantidad de escoria justo tras vaciado para modificarla para desoxidación y desulfuración. Normalmente se usan cal (CaO), alúmina (Al₂O₃) y desoxidante de escoria. Para desulfuración es importante reducir FeO y MnO a bajo nivel. Proceso usa pasos:

Según reactores metalúrgicos (unidad de desgasificación al vacío, horno de cuchara, etc.) estos pasos requieren diferentes tiempos. Tiempo disponible en acería secundaria se determina por tiempos de colada (25-60 min). En colada rápida, tiempo corto no es suficiente para todos los pasos. La desulfuración requiere conocimiento metalúrgico y aspecto logístico, gran desafío para el acerador.

Práctica de escoria sintética

Normalmente usada para desulfuración. Objetivos:

Escoria sintética puede desulfurar hasta 50-60 % del nivel original de S. Propiedades deseables: (i) alta capacidad de sulfuro; (ii) básica; (iii) fluida para velocidades de reacción rápidas; (iv) no causar desgaste excesivo de refractarios.

Burbujeo de Ar para mezcla intensiva. Con escoria sintética de basicidad y capacidad deseadas, acero desoxidado puede desulfurarse hasta 0,005 %.

Diseño de escoria sintética

En cucharas revestidas con ladrillos de dolomita o magnesita, componentes principales de escoria inicial: CaO, Al₂O₃, SiO₂, FeO, MnO, MgO. Durante tratamiento, FeO y MnO deben reducirse bien. Además, contenidos de CaO, Al₂O₃, SiO₂, MgO deben mantenerse en rango adecuado para escoria líquida y homogénea. Exceso de CaO y MgO produce escorias heterogéneas, influencia negativa, evitar.

Escoria sintética normalmente contiene CaO, CaF₂, Al₂O₃ y poca SiO₂. Componente principal: cal (CaO). Fluoruro de calcio (CaF₂) aumenta capacidad de sulfuro y fluidifica escoria. Frecuentemente hay Al para desoxidar acero ya que transferencia de S de acero a escoria va seguida de transferencia de O de escoria a acero. Desoxidación efectiva es imprescindible para desulfuración eficiente.

Composición típica: 45-55 % CaO, 10-20 % CaF₂, 5-16 % Al₂O₃, hasta 5 % SiO₂. Esta escoria es pre-fundida en estado sólido.

Problemas de la práctica de escoria sintética

Escoria pre-fundida basada en CaO y Al₂O₃ con poca CaF₂ reduce problemas de desgaste y captación de H₂. Composición CaO/Al₂O₃ seleccionada para fundir a 1400-1450 °C. Pequeña cantidad de CaF₂ añadida. Esta escoria re-fundida, usada para desulfuración, reduce problemas de escoria pre-fundida.

Parámetro importante para caracterizar idoneidad de escoria sintética: capacidad de sulfuro. Además, extensión de desulfuración depende de extensión de desoxidación. Acero matado con Al desulfura más eficazmente que con Fe-Mn o Fe-Si.

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