Optimización del espumado de escoria en hornos de arco eléctrico para mayor eficiencia

El espumado de escoria se ha convertido en una práctica importante y crítica para el horno de arco eléctrico (EAF) moderno, ya una buena escoria espumante contribuye considerablemente a la eficiencia y otros beneficios del proceso. La calidad del espumado es un factor importante en la fabricación de acero en EAF, ya que asegura que el calor del baño líquido no se pierda a través de las paredes. La espuma es beneficiosa por la gran área superficial formada y la protección contra el contacto directo del baño con la atmósfera.

Beneficios del espumado de escoria

Es una técnica útil y económica, ampliamente usada no solo por ahorrar energía, sino por varias ventajas: (i) mayor eficiencia energética, al capturar el calor del arco la escoria, (ii) protección de paneles refrigerados y techo contra radiación, (iii) disminución de vibraciones y contaminación acústica, y (iv) disminución de incorporación de nitrógeno por el baño.

Tres pasos de formación de escoria espumante

1. Paso 1 – Inyección de oxígeno en fase de acero líquido: El oxígeno reacciona con el carbono existente formando burbujas de CO. También reacciona con el hierro del baño. Al perderse hierro como óxido, se inyecta carbono en la escoria (paso 2).
2. Paso 2 – Inyección de carbono en la escoria: Realiza la reacción de reducción de óxido de hierro. Genera gas CO y hace que el hierro retorne al baño, mejorando el rendimiento.
3. Paso 3 – Inyección de oxígeno en la escoria: Provoca oxidación del carbono presente en la escoria. En este paso, carbono y oxígeno pueden inyectarse simultáneamente, permitiendo mejor generación de CO y mejor espumado.

Normalmente existe una capa densa de escoria bajo la espuma. Sin embargo, es posible que toda la escoria presente se requiera para producir la espuma y no exista capa densa; en tal caso, la cantidad de escoria es insuficiente para producir toda la espuma que la escoria y el gas pueden formar.

Se ha reportado que el proceso puede ahorrar 3-10 % y 25-63 % de consumo de energía y refractarios, respectivamente. Dos requisitos básicos: (i) reacciones que generen burbujas de gas pequeñas, y (ii) propiedades de escoria adecuadas para mantener burbujas como espuma estable. Normalmente, gases de reacciones químicas tienden a espumar con burbujas más pequeñas, mientras que la inyección de fases gaseosas (O₂, Ar, etc.) resulta en burbujas mayores y espumas menos estables.

Importancia de la espumabilidad de las escorias

Se desea cierta espumabilidad por varias razones. Durante el proceso, la escoria espumante protege los electrodos de grafito del desgaste y cubre los arcos. Esto permite mayor productividad, al aumentar la transferencia de calor entre electrodo y metal fundido. También reduce pérdidas por radiación, ya que la escoria aísla los haces de luz, protegiendo los refractarios del desgaste y reduciendo tiempo de inactividad por mantenimiento. Contribuye a estabilizar el arco, asegurando mayor eficiencia. La espuma también reduce ruido del EAF, mejorando el entorno laboral. Otra ventaja es la reducción de fluctuaciones de potencia y tensión.

Consecuencias de un buen espumado y su control

Incluyen: (i) disminución de armónicos por inmersión de electrodos en escoria, pudiendo aumentar potencia en 6-9 % con mismos ajustes del transformador, (ii) aumento de potencia 15 % cuando puntas de electrodos están 300-600 mm en la escoria por plasma de arco más caliente alrededor de la punta, (iii) buena escoria permite que quemadores oxi-combustible (si se usan) soplen en la escoria, aumentando eficiencia energética de 40 % a 70 %. Para obtener máximo beneficio, la escoria debe construirse temprano en la cuba y su química controlarse estrictamente limitando el vaciado de escoria y poniendo cal o escama de laminación en el fondo del primer cucharón. Los beneficios térmicos se deben al cambio en la ruta de transferencia de calor al baño y lejos de las paredes. Según un estudio, las variaciones en calidad de espumado pueden explicar +/- 0 kWh/t en demanda de energía eléctrica.

Qué es el espumado de escoria

La generación de gas es indispensable. El gas se genera principalmente por reducción de óxido de hierro (FeO) con carbono formando CO. El gas causa burbujas de espuma sobre una capa densa. La espuma puede ser burbujas pequeñas como en cerveza o mayores como espuma de jabón. Las burbujas pequeñas resultan de reacciones químicas y la espuma es bastante estable. La inyección de gas produce burbujas mayores y espuma menos estable. El verdadero espumado no debe confundirse con simple retención de gas en líquido. En retención, las burbujas se distribuyen por todo el líquido y la expansión es por burbujas en el líquido; la expansión decae rápido al parar el gas. La espuma verdadera puede ser bastante estable y permanecer minutos tras cesar la generación.

Reacciones de generación de burbujas

Reducción de FeO en escoria por carbono inyectado y disuelto en metal. En el proceso, el carbono inyectado reacciona con FeO produciendo CO que espuma la escoria: C (inyectado) + FeO = Fe + CO. CO también se produce por descarburación del metal: C (en metal) + ½ O₂ = CO. El FeO se genera in situ como principal producto de oxidación del soplado de O₂ y es componente mayor en la escoria (>20 %). Si la consistencia es adecuada, la simple inyección de carbono causa espumado. La alta tasa de reducción da a FeO potencial de generar gran cantidad de gas en la espuma. La tasa de reducción de FeO por carbono es considerablemente rápida. Además, la reacción consume calor, resultando en aumento local de viscosidad.

Variables de proceso que afectan el espumado

Composición de escoria, velocidad superficial de gas, temperatura del baño, tamaño de burbuja, basicidad, densidad, viscosidad y tensión superficial. La velocidad superficial se mide en m/s y es la velocidad real multiplicada por la fracción volumétrica de gas.

Índice de espumado (FI)

Parámetro importante. Puede verse como el tiempo para que el gas pase a través de la escoria. Indica el grado de espumado y es la relación entre altura de espuma y velocidad superficial de gas. Su unidad es tiempo (segundos). Puede interpretarse como medida del tiempo que tardan los gases en pasar verticalmente a través de la espuma. Está relacionado con propiedades como viscosidad: mayor viscosidad, mayor FI. Consecuencia obvia: mayor viscosidad conduce a mayor altura de espuma.

El FI disminuye con aumento del tamaño de burbuja. Generalmente, burbujas pequeñas se forman por la primera reacción y resultan en espuma relativamente estable. En EAF, hacia el final del proceso, la espuma se vuelve menos estable y la altura disminuye. Esto ocurre porque inicialmente, al aumentar FeO, aumenta la tasa de la primera reacción y generación de CO, aumentando el espumado. Sin embargo, al aumentar FeO, la viscosidad disminuye y la densidad aumenta, causando drenaje más rápido de burbujas, disminución y decaimiento de la espuma. Por tanto, hay un contenido crítico de FeO (~20-40 % según condiciones) por debajo del cual el espumado aumenta con FeO y por encima del cual la espuma es menos estable.

Práctica histórica de inyección de carbono

Cuando se introdujo el espumado, se asistía con inyección de polvo de grafito de electrodos (80 % malla -200) a la interfaz metal-escoria usando equipo adecuado con aire como gas portador. Mediante cálculos y ensayo-error, se encontró que caudal másico de 25 kg/min era suficiente para espuma estable. Valores mayores al inicio promovían derrame abundante de escoria afectando operaciones en piso y arcos inestables dificultando operaciones con arcos largos de alta tensión y baja corriente.

Operación de arco largo y espumado

En EAF, la operación de arco largo ocurre junto con práctica de escoria espumante. Al espumar mediante inyección de carbono, la altura de la capa puede elevarse hasta cubrir completamente los arcos, interceptando radiación y llama, transfiriendo calor al baño y reduciendo carga térmica en paredes. Si no se puede sostener buena espuma, es preferible reducir tensión secundaria y longitud de arco para evitar daños a la estructura.

Fenómeno del espumado: propiedades y tasa de evolución de gas

Depende de propiedades de la escoria y tasa de evolución de gas por reacciones. Para obtener espuma, se necesita flujo de gas, generado al añadir C y O₂ gaseoso a la escoria y baño respectivamente. El control de altura es necesario para operación estable.

Según propiedades físicas (influenciadas por composición y temperatura), el espumado ocurre en grados variables. En EAF es común añadir carbono (coque o carbón) a la capa de escoria. El consumo ocurre por reacción de Boudouard, y la tasa de generación de CO es proporcional a la tasa de adición de carbono una vez alcanzado estado estable.

El espumado se ve afectado significativamente por el flujo de gas, pero también por propiedades de la escoria: viscosidad, densidad y tensión superficial. Estas dependen de temperatura y composición.

Composición de la escoria para el proceso EAF

Depende del grado de acero y método de refino. Al elegir composición, hay que considerar varias cosas. La escoria consiste en varios óxidos divididos en tres categorías: (i) óxidos básicos (CaO, MgO, FeO), (ii) óxidos ácidos (SiO₂), (iii) óxidos anfóteros (Al₂O₃). Para escorias básicas, el contenido de FeO se considera óptimo entre 15-25 %. Para construir espuma, la viscosidad debe ser lo suficientemente alta para dificultar el ascenso de burbujas. Para obtener viscosidad adecuada, es importante tener basicidad apropiada. La basicidad es la relación entre componentes básicos y ácidos. Los básicos proporcionan iones O²⁻ al baño y los ácidos los ligan. La viscosidad puede alterarse cambiando composición, modificando ratio CaO/SiO₂, subiendo o bajando basicidad.

Un cambio de viscosidad también puede lograrse alterando contenido de FeO: al aumentar FeO, la viscosidad se reduce. Otra forma es aumentar partículas sólidas en la escoria, como adición de cal. Se ha observado que la viscosidad disminuye con aumento de basicidad, pero al pasar un valor crítico y precipitar fase sólida, aumenta de nuevo. Así, la presencia de partículas sólidas contribuye al aumento de viscosidad aparente. También actúan como sitios de nucleación para burbujas. Sin embargo, cantidad excesiva impide el ascenso de burbujas.

Efecto Marangoni y tensión superficial

En un sistema de líquidos, un gradiente en tensión superficial o interfacial puede inducir movimiento (efecto Marangoni). En la interfaz escoria-metal hay generalmente un gran gradiente de tensión interfacial. La concentración de FeO es menor en la interfaz donde ocurren reacciones que forman CO. Esto permite formación de burbujas, ya que menor FeO resulta en menor tensión superficial, originando el efecto Marangoni. Así, la capacidad de crear nuevas superficies (al formarse burbujas) se facilita cuando la tensión superficial es baja.

La tensión superficial también afecta la degradación de la espuma (estabilidad de burbujas). Estudios han mostrado que la estabilidad puede mejorarse con componentes tensioactivos. También se ha observado que la presencia de componentes tensioactivos promueve el espumado. Sin embargo, el flujo Marangoni, que ayuda a remover burbujas de CO de la interfaz, puede generarse sin elementos tensioactivos. La densidad afecta la altura: densidad baja significa menos peso que sostener, permitiendo mayor altura. Para soportar carga, la superficie necesita propiedades elásticas, logrables mediante adición de elementos tensioactivos que resultan en tensión superficial variable.

Reacciones de espumado en operaciones siderúrgicas

Resultan de generación de burbujas de CO a través de reacciones de reducción: (i) CO₂ + C(s) = 2CO (Boudouard), (ii) CO + Fe₂O₃ = CO₂ + 2FeO, (iii) CO + FeO = CO₂ + Fe, (iv) C(s) + FeO = CO + Fe. Boudouard y reducción de FeO por carbono sólido son altamente endotérmicas; reducción de Fe₂O₃ por CO es neutra energéticamente; reducción de FeO por CO es ligeramente exotérmica. Importante: el óxido de hierro es la fuente del componente oxígeno para combustión de carbono, no O₂ gaseoso, por lo que se necesita algo de oxidación del baño para el espumado.

Fuerza impulsora: energía neumática por generación de CO

En el proceso, el carbono inyectado reacciona con FeO produciendo CO que espuma la escoria: C + FeO = Fe + CO. CO también por descarburación: C (en metal) + ½ O₂ = CO. Estas reacciones son formadoras de CO dando energía de agitación para transferencia de masa entre fases metal, escoria, carbono y gas; condición necesaria para espumado. Algunas consumen CO: (i) CO + Fe₂O₃ = CO₂ + 2FeO, (ii) CO + FeO = CO₂ + Fe, controlables por Boudouard CO₂ + C(s) = 2CO.

Sitios de reacciones: (i) interfaz escoria-metal, (ii) interfaz gas-metal, (iii) interfaz carbono-escoria, (iv) interfaces escoria-gas y carbono-gas. Fig. 1 muestra diagrama esquemático. Se ve que la formación de CO es función compleja de variables: tamaño, tipo y caudal del material carbonáceo, caudal de gas portador, contenido de carbono en baño, química de escoria, área interfacial escoria-metal, etc.

Índice de espumado (FI) y estabilidad

Otra condición para el espumado está relacionada con propiedades de transporte (afectan estabilidad) de escorias a temperaturas de refino. El FI determina estas propiedades. Se mide en segundos y es función de la química. Las curvas de estabilidad del FI se muestran en Fig. 2.

• Escorias ácidas tienen mayor capacidad de índice de espumado (espumado homogéneo).
• Escorias con bajo FeO (<10 %) forman espuma más estable que escorias muy oxidadas (>40 % FeO a cualquier basicidad) = escorias no espumantes.
• Bajo FeO, la basicidad influye fuertemente en estabilidad. A basicidades altas, bajo FeO dado, FI disminuye. A FeO alto, basicidad no juega papel.
• Escorias con FeO intermedio y basicidades altas cerca de zona de saturación de cal tienen FI intermedios; presencia de partículas sólidas de cal puede asistir a estabilizar (espumado heterogéneo).

Fig. 2 también muestra composición y espumado. Partículas sólidas en suspensión en escoria líquida afectan viscosidad. Con solo 20 % fracción volumétrica de partículas, hay aumento doble de viscosidad y zona de espumado heterogéneo se amplía considerablemente, abarcando parcialmente zona no espumante (línea punteada en Fig. 2).

Actividad de óxido de hierro en escorias complejas

Para visión completa del espumado durante inyección de carbono, la actividad de FeO en escorias complejas ha sido objeto de estudios. Estos muestran:

• Zona de espumado homogéneo con bajas actividades de FeO (<10 %) muestra fuerte resistencia a reducción por carbono, no solo por baja actividad sino principalmente por naturaleza tensioactiva de sílice. La reducción es controlada por transferencia de masa y mecanismos químicos.
• Escorias muy oxidadas se reducen fácilmente por carbono (altas actividades) pero no forman espumas estables.
• Composiciones normales observan comportamiento intermedio; escorias finales tienden a ser muy oxidadas.

Monitoreo de la condición de espumado

Crítico para mantener la escoria espumante. Inicialmente se monitoreaba manualmente: operarios usando vista y oído, con experiencia, para juzgar si la escoria estaba bien y pasos para corregir. A mediados de los 80 se introdujo monitoreo electrónico y control por computadora, con varias señales: distorsión de arco, ruido de arco, emisiones de luz. Actualmente, la distorsión de arco parece la señal más usada en operaciones de horno AC, ya que sensores y programas suelen integrarse con regulador de electrodos sofisticado. Muchos EAF usan armónicos generados en alimentación eléctrica por arcos como monitor, ya que mejor espumado conduce a arco más estable y menos armónicos. El monitoreo por sonido y emisiones de luz también se ha intentado.

Integración en el proceso de fabricación

El espumado se ha vuelto integral, especialmente durante la etapa de refino. El proceso actual de arco largo maximiza transferencia de energía a la chatarra alrededor de electrodos y arcos; la chatarra intercepta la mayor radiación y poca pasa a las paredes. Una vez que la chatarra se funde, toda la radiación puede incidir en las paredes. Cubriendo la mayor parte del arco expuesto, la escoria espumante intercepta esta energía, evita que llegue a las paredes y la pasa al baño. La espuma puede construirse lentamente mientras la chatarra se funde y paredes/techo se exponen progresivamente a la radiación, alcanzando altura máxima durante el refino. El carbono inyectado y CO también ayudan a reducir FeO en escoria a hierro metálico.