Desgasificación al vacío de acero líquido: mejora de resistencia y calidad

Durante el proceso de acería primaria, gases como oxígeno (O₂), hidrógeno (H₂) y nitrógeno (N₂) se disuelven en acero líquido. Estos gases tienen efecto perjudicial en propiedades mecánicas y físicas. El O₂ disuelto no puede eliminarse como O₂ molecular; su eliminación se denomina desoxidación. El término desgasificación se usa para eliminación de H₂ y N₂. Como el proceso se lleva a cabo bajo vacío, también se conoce como desgasificación al vacío. Los procesos se realizan en cucharas de vaciado.

La eliminación de H₂ y N₂ es necesaria ya que ambos dañan propiedades. La solubilidad de H₂ en acero es baja a temperatura ambiente. Exceso de H₂ es rechazado durante solidificación, resultando en formación de poros y porosidad. Pocos ppm de H₂ causan ampollado y pérdida de ductilidad a tracción. En caso de N₂, solubilidad máxima en Fe líquido es 450 ppm y < 10 ppm a temperatura ambiente. Durante solidificación, exceso de N₂ es rechazado causando sopladuras o nitruros. Exceso de N₂ también causa fragilización de zona afectada por calor en soldadura y deteriora conformabilidad en frío.

Fue a principios de los años 1950 que el problema de producir acero con contenido mínimo de gases se resolvió mediante desarrollo de método de tratamiento al vacío de acero líquido en cuchara antes de vaciado. Método propuesto por científicos AM Samarin y LM Novik (URSS) en 1940. Probado industrialmente en 1952 en planta metalúrgica Enakievskii. En 1954 en Alemania (Bochumer Verein), se probó método de desgasificación de flujo de metal. La introducción industrial del método de cuchara fue en 1955 en URSS, iniciando tendencia de tratamiento al vacío de acero.

Características generales de la desgasificación al vacío

• La desorción de gases es reacción interfacial gas/metal. H₂ o N₂ atómico del acero debe difundir a interfase, donde se convierte en H₂ o N₂ molecular que puede desorberse. Efectividad aumenta con área superficial expuesta al vacío. Área aumentada (chorro delgado, agitación por gas) acelera proceso.
• Temperatura de acero disminuye durante desgasificación. Mayor área expuesta = mayor caída de temperatura.
• Tiempo de desgasificación debe mantenerse mínimo.
• Grado de desgasificación aumenta con grado de vacío. Vacío de ~1 mm Hg o menos (1 mm Hg = 1 torr) se emplea. Capacidad de bombeo debe ser adecuada.

Clasificación de procesos de desgasificación al vacío

Procesos actuales se clasifican en tres tipos: (i) práctica de desgasificación por chorro (stream), (ii) práctica de desgasificación por recirculación, (iii) práctica de desgasificación en cuchara o tanque.

Práctica de desgasificación por chorro (stream degassing)

Acero líquido se vierte en otro recipiente bajo vacío. Exposición repentina de chorro en vacío conduce a desgasificación muy rápida por aumento de área superficial por fragmentación en gotas. Proceso ayuda a evacuar H₂ disuelto por bomba de vacío. Mayor desgasificación ocurre durante caída del chorro. Altura de vertido es parámetro de diseño importante. Variantes:

• Cuchara a molde – Molde precalentado con tope caliente en cámara de vacío. Sobre cámara, un lingotera. Acero vaciado en cuchara con sobrecalentamiento ~30 °C. Cuchara sobre lingotera. Vertido por fondo deseable. Esquema en Fig. 1.
• Cuchara a cuchara – Cuchara con varilla tapón en cámara de vacío. Cuchara con acero de horno primario sobre cámara, sellada al vacío. Adiciones de aleación bajo vacío. Chorro cae en cuchara donde acero se desgasifica. Adiciones bajo vacío.

En algunas plantas, desgasificación durante vaciado. Acero de horno primario vaciado en lingotera o cuchara pequeña. Desde cuchara pequeña, chorro cae en cuchara evacuada. Cuchara cerrada con tapa especial con abertura de escape. Acero con 25-30 °C sobrecalentamiento vaciado en cuchara.

Práctica de desgasificación por recirculación

Acero líquido circula en cámara de vacío continuamente por arreglo especial. Cámara posicionada sobre cuchara con uno o dos sifones (snorkels) sumergidos en baño. Dos tipos (Fig. 2): (i) Ruhrstahl-Heraeus (RH), (ii) Dortmund-Hörder (DH). RH tiene dos sifones; DH tiene uno y opera succionando repetidamente acero a cámara y liberándolo de vuelta. RH descrito en artículo separado.

En proceso RH, carcasa cilíndrica revestida con dos patas (sifones) diseñada para elevar acero por una pata y devolverlo desgasificado por la otra. Parte superior: escape, adiciones de aleación, ventana de observación/control. Carcasa revestida con ladrillos de arcilla de fuego (parte superior) y alúmina (Al₂O₃) (inferior) para alta temperatura. Patas revestidas con Al₂O₃. Argón (Ar), gas elevador, inyectado en sifón entrada para aumentar velocidad de ascenso.

Operación de desgasificador RH:

1. Calentamiento de cámara a temperatura deseada (900-1500 °C).
2. Descenso de cámara en acero hasta nivel deseado.
3. Evacuación de cámara para que acero comience a subir.
4. Introducción de gas elevador que se expande y crea fuerza flotante para aumentar velocidad.
5. Desgasificación en cámara; acero fluye por otro sifón a cuchara. Acero desgasificado ligeramente más frío. Fuerza flotante por diferencia de densidad (acero más frío = más denso) agita baño.
6. Velocidad de circulación controla desgasificación. Depende de cantidad de gas elevador y grado de vacío. 110 t desgasificadas en 20 min circulando a 12 t/min. Consumo específico de Ar ~0,075 m³/t.
7. Adiciones de ferroaleaciones al final según sobrecalentamiento.

Ventajas RH: (i) pérdidas de calor relativamente bajas; (ii) adiciones de aleación ajustables más precisamente; (iii) capacidad de bombeo pequeña adecuada (menor volumen a evacuar vs. cuchara-cuchara o chorro).

En proceso DH, pequeña cantidad (10-15 % masa total) se desgasifica a la vez. Proceso se repite hasta nivel requerido. Arreglo similar excepto: (i) cámara cilíndrica con un sifón; (ii) cámara con instalación de calentamiento.

Cámara DH equipada con calentamiento, adiciones de aleación, escape. Fondo con sifón sumergible. Parte superior revestida con ladrillos de arcilla de fuego, inferior con Al₂O₃. Sifón con Al₂O₃ de mayor calidad. Longitud suficiente para efecto de presión atmosférica en ascenso de acero. Pasos importantes:

1. Cámara precalentada y bajada para que punta de sifón quede bajo superficie.
2. Cámara evacuada movida arriba y abajo para que acero entre.
3. Movimiento 50-60 veces con ciclo de 20 seg.
4. Desgasificación adecuada en 20-30 ciclos.
5. Capa de escoria en cuchara para minimizar pérdidas de calor.
6. DH puede operar con sobrecalentamientos menores que RH por tener instalación de calentamiento.

Práctica de desgasificación en cuchara o tanque

Cuchara colocada en tanque de vacío y agitada con gas inerte mientras tanque se evacua. Alternativamente, cuchara con sellado perimetral para tapa que forma cámara de vacío.

Acero puede tratarse en desgasificador de tanque sin recalentamiento por arco. Dos sistemas de agitación: (i) agitación inductiva del baño; (ii) burbujeo de Ar a través de tapón poroso en fondo.

Práctica de desgasificación en tanque usada para: (i) reducir concentraciones de gases disueltos; (ii) homogeneizar composición y temperatura; (iii) eliminar inclusiones de óxidos; (iv) proporcionar condiciones favorables para desulfuración. Eliminación de S mediante reacciones escoria-metal, promovidas por fuerte purgado de Ar dentro del sobre vacío. Proceso requiere: (i) evacuación rápida; (ii) mantenimiento de vacío mientras se extrae fuerte flujo de gas inerte; (iii) disponibilidad inmediata; (iv) resistencia a polvo; (v) operación segura en condiciones severas.

Cuchara con tapón poroso en fondo para purgar Ar. Cuchara en cámara de vacío. Cámara con tolva para adiciones. Gas de agitación introducido por techo (tubo refractario sumergido) o tapón poroso. Para desgasificación efectiva de acero totalmente matado, mejor purgar Ar por fondo. Agitación aumenta tasa de eliminación de gases. Eliminación vigorosa causa salpicaduras. Cuchara no se llena completamente; ~25 % altura como franqueo libre (freeboard) para gotas salpicadas. Presión mantenida 1-10 mm Hg. Durante desgasificación, adiciones para desoxidación y aleación. En ciertos casos, cuchara calentada para compensar pérdida de calor. Para efectividad, arrastre de escoria de horno primario debe ser mínimo. Escoria arrastrada contiene FeO; como O₂ en acero está en equilibrio con FeO en escoria, O₂ en acero aumenta.

Requisitos fundamentales: (i) franqueo libre suficiente para contener ebullición de escoria y acero inducida por vacío; (ii) gas inerte percolando a través de baño para agitación, separación de inclusiones, mejora de desempeño; (iii) sobrecalentamiento suficiente para evitar formación de costra (skull); (iv) medios para entregar aditivos mientras cuchara está en tanque.

Conexión de Ar a cuchara establecida al colocar cuchara en tanque. Tanque evacuado a presiones operativas por sistema de bombeo. Emisiones evacuadas y recogidas antes de bombas o descargadas bajo agua en pozo caliente con muro de contención. Gases de proceso, incluyendo los arrastrados en agua de intercondensador, agotados por ventilador a chimenea con quemador de llama. Agua de pozo bombeada a torre de enfriamiento de sistema de agua de contacto.

Proceso de desgasificación al vacío (VD)

Unidad simple de desgasificación en cuchara con provisiones para adiciones de aleación. Vacío creado por sistema de bombeo. Presión tan baja como 0,5 mm Hg. Capaz de: (i) homogeneización de baño (temperatura y composición); (ii) ajuste fino de química; (iii) desoxidación mejorada y reducción de H₂, N₂, O₂. Desulfuración es problema para coladas directamente de horno primario a VD. Problema resuelto asegurando escoria reducida en cuchara antes de enviar a VD y desulfuración mejorada por mezcla escoria-metal.

Proceso de desgasificación por arco al vacío (VAD)

Proceso de desgasificación en tanque con electrodos para recalentar acero. Proceso unitario único: cuchara en tanque de vacío, agitada por gas inerte por tapón poroso, con provisión para calentamiento por electrodos y adiciones de aleación. Tras adición de cal a acero en cuchara, arco a 250-300 mm Hg para elevar temperatura y fundir cal, seguido de desgasificación corta, adiciones para ajuste químico y desgasificación profunda a presiones tan bajas como 1 mm Hg. Agitación con Ar continua en todos los pasos; ajuste de caudal para diferentes operaciones. Velocidad de calentamiento ~3-4 °C/min; durante calentamiento, caudal de Ar lado bajo. En este sistema, bajo vacío, reacciones C-O₂ y C-Al₂O₃ bajo arco a alta temperatura ayudan a lograr bajo O₂ sin producto de reacción sólido. Niveles de H₂ tan bajos como 1,5 ppm logrados por transferencia de masa intensa con Ar y baja presión parcial de H₂ por dilución de CO liberado. Ventaja principal: alto grado de desulfuración (hasta 80 %) para aceros con S ≤ 0,005 %. VAD es proceso ampliamente usado para acero limpio.

Proceso ASEA-SKF

Proceso con grupo integrado de unidades: desescoriación separada, calentamiento por arco y tratamiento al vacío. Escoria removida por re-culleado para prevenir refosforación, luego adiciones de ferroaleaciones. Calentamiento por arco para compensar enfriamiento por adiciones, seguido de desgasificación en atmósfera de vacío para reducir O₂ y deshidrogenación (H₂ ≤ 1,5 ppm). Método aplica agitación electromagnética que ayuda a flotar inclusiones y produce aceros limpios. Actualmente, unidades ASEA-SKF incorporan agitación por gas inerte para permitir desulfuración.

Proceso de des carburización al vacío con oxígeno (VOD)

Unidad de desgasificación en tanque con lanza de soplado de O₂. Suministro adicional de O₂ para: (i) producción de acero inoxidable extra bajo C (descarburización forzada); (ii) calentamiento químico con adiciones Al/Si (proceso VD-OB). Bomba de vacío diseñada con mayor capacidad para mayor volumen de gas de escape.

VOD es proceso importante para producción de acero inoxidable. Principalmente para aceros inoxidables especiales que requieren muy bajos C, N₂, H₂. Cuchara en cámara de vacío con provisión para lanza de O₂ a través de sello hermético y adiciones de aleación. Básicamente, oxidación preferencial de C sobre Cr minimizando pérdidas de Cr.

Por franqueo libre reducido, contenido inicial de C debe ser ≤ 1 %. Inyección de O₂ a 100-250 mm Hg. Si oxida seguido por C. Descarburización inicia por co-burbujeo determinado por temperatura inicial y Si. Velocidad constante de descarburización según caudal de O₂. Relación CO/CO₂ monitorizada; a 0,08 % C en baño, aumenta rápidamente. Más allá de este límite, velocidad cae independientemente de caudal de O₂ con oxidación simultánea de Cr. Lanza de O₂ cesada, presión reducida, agitación Ar continuada para reacción entre O₂ disuelto y C restante. Reportado que con agitación vigorosa C puede reducirse a 0,005 % y C+N₂ total < 0,015 %.

Secuencia de refino controlada por combinación de: variación caudal O₂, distancia punta lanza-superficie baño, control presión vacío, caudal Ar. Adición suficiente de cal y Al para excelente desulfuración.

Sistema de bomba de vacío

Fuerza impulsora de procesos de desgasificación. Tres tipos básicos:

1. Eyeectores de vapor con etapas de condensación necesarias.
2. Eyeectores de vapor combinados con bombas de anillo líquido.Sistemas de bombeo mecánico seco.

Chorros de vapor trabajan en base de flujo másico constante; bombas de anillo líquido en base de volumen constante. Usados juntos, se alcanza punto de equilibrio económico aprovechando mejores características de cada uno. Sistemas con eyeectores de vapor y con eyeectores + bombas de anillo mostrados en Fig. 4.

Factores en selección de sistema de bombeo:

• Cantidad de gases disueltos a eliminar. Presión absoluta, química de acero, caudal de Ar afectan tasas de eliminación.
• Carga a presión de diseño en "equivalente aire seco".
• Carga a diferentes presiones (si requiere sistema de desgasificación).
• Volumen del sistema.
• Tiempo de proceso para ir de atmósfera a vacío profundo.
• Presión absoluta final. Determina número de etapas.
• Cantidad de Ar requerida. Determina energía de agitación y tasa de eliminación.
• Tasa de fuga de aire al sistema.
• Presión y temperatura de vapor (sistemas eyeectores).
• Temperatura de agua de refrigeración (sistemas eyeectores).
• Coste de vapor y electricidad.

Cada sistema de desgasificación debe diseñarse para requisitos específicos del proceso.