En la fabricación de acero en hornos de arco eléctrico, la etapa de oxidación desempeña un papel fundamental en la determinación de la limpieza del acero, la eficiencia de refinación y la calidad metalúrgica general. Durante esta etapa, se llevan a cabo la descarburación, la desfosforación y la desulfuración mediante reacciones de oxidación controlada, la formación de escoria y la agitación del baño, lo que permite la eliminación eficaz de gases, la flotación de inclusiones y el ajuste de la composición química.
Un control adecuado de la etapa de oxidación es esencial no sólo para lograr la calidad de acero requerida, sino también para limitar el tiempo de fusión, reducir el desgaste del refractario y evitar el consumo innecesario de energía.
¿Cómo se debe determinar la cantidad de descarburación durante la etapa de oxidación?
El grado de descarburación requerido durante la etapa de oxidación del horno eléctrico de arco eléctrico depende de varios factores, como los requisitos de calidad del acero, las prácticas de refinación y la calidad de la chatarra. En general, una materia prima de menor calidad o requisitos de calidad del acero más estrictos requieren un mayor grado de descarburación.
La práctica de producción demuestra que una descarburación insuficiente no logra una eliminación eficaz de gases ni de inclusiones. Por el contrario, una descarburación excesiva no mejora significativamente la calidad del acero, sino que prolonga el tiempo de refinación, aumenta la erosión refractaria y genera un consumo innecesario de energía y mano de obra. Por lo tanto, una descarburación excesiva no está justificada ni económica ni técnicamente.
Para la práctica de refinamiento por oxidación, la cantidad de descarburación durante la etapa de oxidación generalmente se considera apropiada dentro del rango de 0,20% a 0,50%.
¿Cómo se debe controlar la tasa de descarburación?
La velocidad de descarburación afecta directamente el comportamiento del baño y la eficacia del refinado. Si la velocidad es demasiado lenta, la ebullición del baño es débil, lo que resulta en una desgasificación insuficiente y una eliminación deficiente de inclusiones. Si la velocidad es demasiado rápida, la descarburación puede completarse en poco tiempo, causando una agitación violenta del baño, exposición del acero, reoxidación severa y una erosión refractaria intensificada. En casos extremos, pueden producirse accidentes por salpicaduras o pérdida de metal.
Por lo tanto, la descarburación mediante horno de arco eléctrico requiere una velocidad de reacción controlada y moderada. Una velocidad de descarburación adecuada debe garantizar que la velocidad de desgasificación del acero fundido supere la velocidad de absorción de gas, permitiendo a la vez que las inclusiones floten y se eliminen eficientemente. En condiciones normales de soplado con oxígeno, la velocidad de descarburación se controla habitualmente entre el 0,005 % y el 0,05 % por minuto.
Similitudes y diferencias entre las condiciones de desfosforación y desulfuración
La desfosforación y la desulfuración durante la etapa de oxidación comparten varios requisitos comunes para la escoria:
- Volumen de escoria suficiente
- Alta basicidad de la escoria
- Buena fluidez de la escoria
Sin embargo, sus condiciones de reacción óptimas difieren significativamente:
- La desfosforación favorece temperaturas más bajas, mientras que la desulfuración requiere temperaturas más altas.
- La desfosforación requiere un contenido relativamente alto de FeO en la escoria (aproximadamente 14%–20%), mientras que la desulfuración requiere un potencial oxidante de la escoria bajo.
Como resultado, el control simultáneo de la descarburación, desfosforación y desulfuración durante la etapa de oxidación requiere un equilibrio cuidadoso de la temperatura, la composición de la escoria y la capacidad de oxidación de la escoria.
¿Cómo se puede mejorar la eficiencia de la descarburación y la desfosforación?
Las medidas prácticas para mejorar la eficiencia de descarburación y desfosforación durante la etapa de oxidación incluyen:
- Cuando las condiciones de temperatura lo permitan, se puede añadir una cantidad adecuada de agentes oxidantes (como mineral de hierro o cascarilla de laminación) para promover la desfosforación en una etapa temprana.
- Combinación del soplado de oxígeno con la adición de oxidante para intensificar las reacciones de oxidación.
- Mantener una basicidad de escoria relativamente alta y estable, típicamente entre 0 y 3,0
- Suministrar energía de manera razonable para mantener el baño fundido a una temperatura de reacción activa
Escenarios típicos de operación durante la etapa de oxidación
Bajo carbono y baja temperatura
Cuando el contenido de carbono y la temperatura son bajos durante la etapa de oxidación, se puede aplicar un pequeño flujo de oxígeno a la superficie de la escoria mientras se añade polvo de carbono al horno para promover la formación de espuma. Simultáneamente, se debe suministrar la máxima potencia eléctrica para elevar la temperatura del baño. De ser necesario, se puede añadir polvo de ferrosilicio desechado o materiales similares para aprovechar el calor químico y recuperar la temperatura.
Alto contenido de carbono y fósforo
Esta condición suele ocurrir en la etapa inicial de oxidación. La operación adecuada consiste en añadir cal y soplar escoria para promover la desfosforación, a la vez que se suministra energía para aumentar la temperatura y mantener la basicidad de la escoria por encima de 2.0. A medida que aumenta la temperatura y mejora la ebullición del baño, se debe continuar añadiendo cal junto con una cantidad adecuada de mineral de hierro o cascarilla de laminación, permitiendo que la descarburación y la desfosforación se realicen simultáneamente.
Cuando la formación de espuma de escoria se estabiliza y es posible el flujo automático de escoria, se puede drenar parte de esta. Con base en el análisis químico, se puede reponer cal y oxidantes para mejorar aún más la descarburación y la desfosforación, preparándose para la etapa de desescoriación. En comparación con el enfoque tradicional de «desfosforación primero, descarburación después», esta operación combinada ayuda a acortar el tiempo de refinación.
Alto contenido de carbono y bajo contenido de fósforo
En este caso, la temperatura del baño debe controlarse entre 1550 y 1580 °C, y la basicidad de la escoria debe mantenerse entre 2,0 y 2,8. Una basicidad excesivamente alta aumenta la viscosidad de la escoria y dificulta la descarburación, mientras que una basicidad insuficiente debilita la reacción y aumenta el riesgo de ebullición violenta.
Durante la descarburación, si la temperatura del baño se vuelve demasiado alta, se puede agregar mineral de hierro o cascarilla de laminación junto con un soplado de oxígeno para lograr el control de la temperatura y la descarburación, mientras se elimina simultáneamente el fósforo residual.
Bajo contenido de carbono y alto contenido de fósforo, y transición a la etapa de reducción
Cuando el contenido de carbono es bajo, pero el fósforo se mantiene alto, la escoria suele tener una alta capacidad oxidante y una buena fluidez. En este caso, se debe añadir cal mezclada con polvo de carbón para mantener la basicidad de la escoria por encima de 2,0, complementando la cal con polvo de carbón de forma intermitente para reducir el contenido de FeO y promover la formación de espuma. Esto mejora la cobertura del arco y potencia la desfosforación en la interfaz acero-escoria.
Se debe aplicar agitación del baño para mejorar la transferencia de calor. Si la fluidez y la temperatura de la escoria lo permiten, se puede utilizar un soplado de oxígeno a bajo caudal para su flujo. Una vez completada la desfosforación y con la temperatura adecuada, se debe eliminar la escoria. Posteriormente, se pueden añadir recarburantes carbonosos a la superficie expuesta del acero fundido, tras lo cual se forma la escoria para iniciar la etapa de reducción.
Si la descarburación durante la etapa de oxidación es insuficiente, la calidad del acero puede deteriorarse. En estos casos, suele ser necesario agitar con argón la cuchara después del sangrado para mejorar la limpieza del acero. Es fundamental asegurar una temperatura adecuada durante la escoria; de lo contrario, puede producirse una reversión del fósforo debido a la fusión de la chatarra de la zona fría.
Nota sobre el alcance y la aplicabilidad del proceso
La discusión anterior se centra en la etapa de oxidación de la práctica tradicional de fabricación de acero en horno de arco eléctrico de tres etapas.
Cabe destacar que, en la producción de acero civil y comercial, los hornos de arco eléctrico modernos se caracterizan cada vez más por su gran capacidad, alta eficiencia y control inteligente, y se han convertido en la opción tecnológica dominante. Sin embargo, la práctica tradicional de hornos de arco eléctrico de tres etapas sigue siendo insustituible para ciertos grados de acero especiales y en condiciones de producción regionales específicas.
Además, a pesar de las diferencias en la escala de los equipos y el nivel de automatización, los principios metalúrgicos fundamentales que rigen la descarburación, la desfosforación, la desulfuración, el control de escoria y el comportamiento del baño de fusión son en gran medida comunes entre la fabricación de acero en hornos de arco eléctrico tradicionales y modernos. Por esta razón, comprender la operación de la etapa de oxidación en la práctica de los hornos de arco eléctrico tradicionales sigue teniendo un valor ingenieril y práctico significativo.
