Optimización del derrame de escoria (slopping) en convertidores BOF para calidad superior del acero

La fabricación de acero en convertidor de oxígeno básico (BOF) es un proceso por lotes (batch) donde el acero se produce desde hierro líquido. La concentración de elementos como C, Mn, P impacta la calidad. Para vaciar, el acero debe estar a temperatura predefinida. Para lograr temperatura y composición, se sopla O₂ en el convertidor revestido que contiene hierro líquido. El O₂ oxida elementos causando aumento de temperatura y reducción de elementos indeseables. Los óxidos líquidos flotan formando capa de escoria. Para proceso efectivo, se necesita volumen significativo de escoria, pero está limitado por el tamaño del convertidor.

Formación de espuma y emulsión

Las rápidas tasas de reacción se deben al área superficial extremadamente grande. Al inyectar O₂ sobre el baño, gran cantidad de gas evoluciona formando emulsión con escoria líquida y gotas de metal desprendidas por impacto del chorro. Los óxidos gaseosos (CO, CO₂) ascienden por la capa volviéndola espumosa.

La formación de espuma ocurre cerca de la mitad del período de soplado y hay disminución en absorción de FeO por escoria. Coincide con período de máxima tasa de descarburación. La altura máxima de espuma se alcanza poco antes de la primera mitad (~35 %) por alto volumen de gas de descarburación y alta espumabilidad.

Característica distintiva: espuma multifásica

El proceso BOF forma espuma multifásica: escoria líquida, gotas de metal, partículas de «segunda fase» (fundentes no disueltos) y gases. Porque: (i) chorro O₂ de alta velocidad impacta el baño, eyectando parte considerable como gotas a la parte superior; (ii) fundentes grumosos se añaden en lotes, resultando en disolución lenta y formación lenta de escoria líquida; (iii) escoria, fundentes no disueltos y gotas forman emulsión más o menos viscosa, interceptando gases en camino a la boca; (iv) gran parte de gases se forma dentro de la emulsión por reacción entre C en gotas y FeO en escoria. Para proceso efectivo, se necesita gran volumen de espuma (emulsión gas-metal-escoria), limitado por tamaño del convertidor. Si el volumen supera la capacidad, parte de la escoria es expulsada por la garganta.

Beneficios y riesgos del espumado

Beneficioso: mayor área para reacciones, protección del baño, protección del revestimiento, medio para post-combustión. Pero desventajoso y peligroso en grandes cantidades desbordando por la boca: slopping.

Definición y consecuencias del slopping

La expulsión de escoria del convertidor se llama slopping, identificada visualmente como piezas de baño y escoria lanzadas por la garganta durante soplado. Es fenómeno irregular. Slopping severo puede ir acompañado de gran eyección de polvo. Consecuencias: pérdida de rendimiento, interrupciones, contaminación ambiental, costes de salud y seguridad, daño a campanas y boca. Cuando ocurre, la producción se detiene para limpieza, aumentando tiempo de cuba y afectando productividad. También perturba balance térmico afectando temperatura final. Por otro lado, si el espumado se previene o limita a cantidades sutiles, generación de polvo y pérdida de calor por radiación aumentan.

Control tradicional

Tradicionalmente, el operador monitorea visualmente y ejerce acciones correctivas para prevenir slopping peligroso. Dada la importancia de impulsar proceso sin interrupciones para rendimiento con calidad y cantidad requeridas, la necesidad de suprimir expulsión de espuma es significativa.

Contradicción: producción vs. slopping

Requisitos de mayor producción y menor slopping parecen contradictorios. Aumentar producción puede lograrse aumentando tasa de soplado O₂, pero esto aumenta tasa de generación de gas. En estado estable, mayor generación aumenta altura de espuma y probabilidad de slopping.

Factores causantes del slopping

Inicialmente se entendió que ocurre por dos factores: (i) evolución de escoria con características como basicidad baja, viscosidad alta, tensión superficial baja; (ii) descarburación fomentada por alta temperatura de baño y alto FeO en escoria. Sin embargo, el fenómeno es más complejo, dinámico y dependiente de muchas variables: (i) curso violento de fundición, (ii) viscosidad de escoria, (iii) tensión superficial, (iv) densidad, (v) tamaño de burbujas de descarburación, (vi) circulación débil/inestable, (vii) altura, volumen y forma del revestimiento, (viii) altura de lanza sobre baño, (ix) caudal O₂ por lanza, (x) desgaste de boquilla, (xi) química de metal caliente y chatarra, (xii) tasa de descarburación. Hay más variables no tan comunes. El gran número explica la creencia de que los incidentes son caóticos e impredecibles. La persistencia ha llevado a buscar formas de mantener volumen de espuma adecuado previniendo slopping, resultando tarea desafiante.

Espumado de escoria (resumen)

Beneficioso: mayor área para reacciones, protección del baño y revestimiento, medio para post-combustión. Desventajoso en grandes cantidades desbordando. Variables: composición, velocidad superficial, temperatura, tamaño de burbuja, basicidad, densidad, viscosidad, tensión superficial. Composición es una de las más importantes, evolucionando a favor del espumado. A altas velocidades (>1 m/s), líquido sostenido por flujo de gas; VF depende fuertemente de velocidad, débilmente de propiedades. Formación gobernada por gravedad y arrastre. Espuma se forma atrapando gases inyectados/generados. VF 0,7-0,9. Fig. 2 muestra columna típica. Efecto combinado de propiedades en evolución favorece estabilización; coincidiendo con alta descarburación en primera mitad, volumen aumenta rápido.

FI indica grado de espumado: relación altura/velocidad superficial. Unidad: tiempo (0,6-1,3 s). Con O₂ constante, velocidad constante en período principal; altura proporcional a FI. Viscosidad aparente de emulsión: mayor → mayor FI → mayor altura; con viscosidad suficientemente alta, espuma fluye → slopping. Partículas sólidas influyen fuertemente: aumento 10 % fracción → 50 % aumento viscosidad aparente y al menos equivalente en altura.

Generación de gas

Según expresión FI, tasa de generación juega papel importante. Gas es producto de descarburación: (i) oxidación directa en punto caliente: [C] + ½O₂ = CO; (ii) en espuma, indirecto por FeO con gotas: [C] + (FeO) = CO + {Fe}, donde FeO de oxidación de Fe: {Fe} + ½O₂ = (FeO); (iii) en baño: [C] + [O] = CO. Descarburación (i) y oxidación Fe (ii) comienzan inmediatamente y continúan, aunque (i) con ritmo decreciente por disminución C en superficie. Tasa oxidación Fe más constante, pero FeO en escoria disminuye por consumo (ii). Al final, FeO aumenta al reducirse participación por bajo C. Al final, reacción controladora es (iii) en baño. Tasa final depende de transferencia de C de zona inferior a superior y O₂ disuelto opuesto. Reacciones principales en Fig. 3. Tasa máxima al 25-30 % de soplada, procede en gran medida en espuma según (ii). Tasa constante con nivel dependiente de FeO y suministro de gotas. Al ~80 % cae rápido por bajo C.

Regímenes de soplado

En operación práctica, lograr equilibrio perfecto de O₂ suministrado a baño y escoria no es fácil. Dos términos describen desviación de estado equilibrado: (i) soplado duro (hard blowing), (ii) soplado blando (soft blowing). «Soplado duro» (impacto más duro del chorro) = lanza más cerca del baño, promueve descarburación en punto caliente (i) y luego en baño (iii), resultando en escoria sub-oxidada. «Soplado blando» (impacto más suave) = lanza más lejos, aumenta O₂ a escoria (ii), resultando en menor tasa de descarburación y escoria sobre-oxidada. En situación ideal con lanza en posición óptima, O₂ fresco a escoria balancea consumo de FeO para descarburación de gotas eyectadas. Tasa alta pero controlada, creando espuma estable que llena gran parte del volumen, minimizando desgaste y skulling. Rendimiento y resultado buenos.

Si lanza demasiado profunda: O₂ a escoria insuficiente para balancear consumo FeO → escoria «hambrienta» de O₂. Descarburación alta por contacto más intenso. A bajo FeO, escoria no espuma; emulsión se vuelve viscosa y se contrae. Altura reducida no solo permite paso fácil de gases por canalización, sino escupido intensificado, enviando gotas alto y fuera. Más escupido → menor rendimiento y skulling en lanza, cono y boca. Otro efecto: mayor desgaste de fondo.

Si lanza demasiado alta: nivel O₂ en escoria se eleva por contacto más suave y menor consumo FeO (menos gotas eyectadas). Tasa descarburación menor, reduciendo altura y promoviendo desgaste de revestimiento. Impacto menos profundo reduce mezcla, creando zonas muertas y acumulación en fondo.

Fenómenos del slopping

Combinación de baja descarburación y escoria sobre-oxidada = «bomba de tiempo». Término: «condiciones hiper-reactivas» = exceso O₂ y C sin reaccionar por mala mezcla. En este estado, cualquier cambio menor desencadena aumento drástico de generación de gas y crecimiento de espuma → slopping violento.

Slopping: término general cuando, por crecimiento excesivo, espuma no puede contenerse y fluye por fuera del convertidor con ritmo según estado de oxidación: lento en escoria densa sub-oxidada, rápido en escoria fluida sobre-oxidada. Evitación necesita control estricto de composición y estado oxidante. Si sub-oxidada: viscosidad aparente muy alta (FeO bajo al inicio de descarburación principal) → espuma «seca», muy viscosa en parte media. Si sobre-oxidada: tasa generación y velocidad gas en espuma demasiado altas.

Causas estáticas vs. dinámicas

Causas en dos grupos: (i) estáticas: condiciones pre-soplada: diseño del convertidor, volumen y características de escoria, calidad de materiales de carga (metal caliente, chatarra), patrones de soplado (posición de lanza, tiempos de adición, caudal O₂); (ii) dinámicas: tipos de soplado: desvío de patrones, agitación en fondo. Slopping por crecimiento excesivo de emulsión gas-escoria-metal. Flujo fuera según grado de oxidación: lento en densa sub-oxidada, rápido en altamente oxidada.

Contenido de Si bajo en metal caliente

Puede causar aumento de slopping al inicio por formación de capa de escoria lo suficientemente gruesa para proteger baño del chorro. Slopping por quema muy rápida de Si, anticipando fase de descarburación; puede ser violento, generando skulling en lanza. Prevención: reducir tasa descarburación subiendo lanza o bajando caudal O₂ o ambos, y añadir fundentes para acelerar formación de escoria. Bajo Si también afecta eliminación de P y S por volumen reducido de escoria.

Contenido de Si alto

Slopping también presente con Si alto: volumen de escoria aumenta y Fe en escoria. Solución: adición adecuada de cal durante soplado, evitar basicidades bajas, ajustar velocidad descarburación reduciendo O₂ en primera etapa y elegir patrón que evite gran cantidad de FeO en este paso para que no ocurra descarburación excesiva.

Prevención del slopping

Métodos categorizados como en-línea (on-line) o fuera-línea (off-line). En on-line, correcciones durante soplada en respuesta a señal «tiempo real» indicando slopping inminente. En off-line, acciones antes de soplada basadas en experiencia de cómo condiciones operativas afectaron slopping en cuba anteriores.

Métodos off-line

Buscan reducir número de cuba que slop eliminando/minimizando factores causantes: (i) Si en metal caliente >1,2 %, (ii) Mn fuera de 0,5-0,9 %, (iii) carga > capacidad diseñada, (iv) uso de fluorita para acelerar disolución de cal, (v) uso de óxido de hierro (mineral, sinter) como refrigerante, (vi) horno recién revestido (bajo volumen interno), (vii) diseño de lanza O₂, (viii) soplado con lanza más alta que lo normal. Dado que condiciones varían entre acerías, algunos factores son más problemáticos en unas que otras.

Acciones off-line: restringir Mn objetivo para BOF, calibrar regularmente separación lanza-baño. Prácticas varían entre acerías. A menudo solo implementables limitadamente por conflictos con otros aspectos de operación.

Limitaciones del control tradicional y necesidad de sistemas avanzados

Slopping considerado costoso, peligroso e impredecible. Aunque se espera con espumado extremo, el momento exacto es difícil de predecir. Método tradicional: observar convertidor, una vez visibles signos, actuar manualmente. Menos efectivo porque cuando signos visibles, slopping ya comenzó y daño ya sostenido con pérdida de rendimiento. Si operador menos atento o inexperto, daño y pérdida extensos. Atención y experiencia son cruciales incluso con sistema computarizado.

Siguiente etapa: acústica y comportamiento de intensidad lumínica; modelos basados en señales acústicas y luminosas para predecir slopping. Predicción por procesamiento de imagen de entorno interno via fibroscopio. Señales sonoras para estudiar espumado dinámico y acción correctiva para cambiar altura de lanza. Señales de micrófono en conducto de gases para estimar nivel de escoria. Además, técnicas computacionales inteligentes: lógica difusa, algoritmos genéticos, redes neuronales, análisis de vibración de lanza, método de microondas.

Técnicas de supresión de espuma

En uso para controlar espumado excesivo durante soplado O₂. Técnica común: esparcir materiales carbonáceos (coque) sobre espuma. Radiografía muestra que partículas de coque promueven coalescencia de burbujas desestabilizando espuma. Tamaño de partícula debe ser mayor que burbujas; si menores, estabilizan. Otros métodos: inyección de polvo de aluminio, cambio de altura de lanza, manipulación de caudales de gas.

Aunque prevención, predicción y mitigación son problema histórico, es esencial para producción rentable con alta calidad, diseño óptimo y mínimo impacto. Técnicas basadas en mediciones físicas en línea son indirectas, baja precisión y fiabilidad, especialmente a altas temperaturas.

Esfuerzos de desarrollo de sistemas de alerta y mitigación

Enfocados en tres áreas: (i) modelado de slopping y potencial, (ii) dispositivos de medición para detectar inicio, (iii) medidas de mitigación en tiempo real para prevenir slopping pleno.

Ejemplo grupo 1: perfil de soplado óptimo calculado basado en composición inicial. Sistema similar basado en cálculo de potencial de slopping por cuba.

Ejemplos grupo 2: medidor de microondas para nivel de escoria relativo a boca, sistema de detección con mediciones de vibración de lanza, ondas de radio para medición de profundidad.

Dirección prometedora: combinar dispositivos de medición en línea para detección temprana e iniciar intervenciones de proceso para mitigar. Estudios extensos de formación de escoria. Para insight, ecuaciones empíricas describiendo cambio de altura. Modelo con base física derivado de experimentos en modelos fríos y calientes. Área de modelado dinámico llevada más lejos. Sistema de control de espumado dinámico basado en modelo físico. Modelo de agua para validar. Enfoque refinado.

En un estudio, slopping detectado por combinación de sonómetro y análisis de gases. Otro sistema combinando varias mediciones: filtrado adaptativo y algoritmos de detección de cambio para alarma en línea con avisos al operador.

Cámara para detección de slopping

Para evaluación, forma objetiva de cuantificar slopping es preferible. En un estudio, persona con cronómetro anotó tiempos de observaciones. Cámaras VCR empleadas; intento con cámaras IR falló por problemas de software.

Para experimentos, sistema de cámara implementado in-situ. Cuando ocurre slopping, metal fundido cae desde la parte superior al suelo. Posición permite capturar imágenes de escoria cayendo. Cada frame segmentado por umbral de nivel de gris. Constante de brillo/umbral para separar metal del fondo oscuro. Ratio píxeles claros/oscuros indica severidad. Promediado sobre período de muestreo 2 s y guardado en tiempo real con otros datos en base de datos.

Sonómetro para detección

Desde 1970, dispositivo llamado sonómetro empleado en muchas acerías para monitoreo indirecto de nivel de espuma. Idea básica: a medida que nivel aumenta, emisión sonora bajo soplado disminuye en ciertas bandas de frecuencia. Señal usada por operador para monitorear cambios y también como entrada de controlador.

Sistema de alerta para detección

Idea de combinar mediciones clave con procesamiento avanzado de señales. Modelo de identificación de sistema actualizado por estimación recursiva de parámetros, empleado para alertas tempranas al operador al inicio de slopping. Modelo alimentado con caudal de gas de escape y contenido CO en gas. Señal sonómetro como salida. Funciona razonablemente bien en número limitado de cargas.

Sistema refinado: CO cambiado por medición de presión por dificultades de retrasos en análisis de gases. Micrófono en conducto (mismo que sonómetro) proporciona datos de audio alta resolución a estimador de altura de espuma basado en intensidad de señal en ciertas frecuencias.