En la fabricación de acero, el azufre reduce significativamente las propiedades mecánicas del acero, aumentando su fragilidad y disminuyendo la ductilidad. Por lo tanto, la desulfuración en el horno de arco eléctrico es un proceso crucial para garantizar la producción de acero de alta calidad. Según la teoría molecular, el mecanismo de desulfuración de la escoria reductora básica se puede dividir en los siguientes pasos:
- Difusión de azufre del acero fundido a la escoria
[FeS] → (FeS) - Formación de compuestos estables en escoria
(FeS) + (CaO) → (CaS) + (FeO) - Reacción global
[FeS] + (CaO) → (CaS) + (FeO)
Esto demuestra que la esencia de la desulfuración en la fabricación de acero con horno eléctrico de arco es la difusión del azufre en la interfaz acero-escoria y su reacción con CaO para formar CaS.
Factores clave que afectan la desulfuración en el horno eléctrico
La eficiencia de la eliminación de azufre en la escoria reductora básica depende de varios factores:
Basicidad de la escoria
El óxido de calcio (CaO) es la condición principal para la desulfuración. En la escoria ácida, el CaO se une al SiO₂, por lo que no queda CaO libre para la desulfuración. Al aumentar la basicidad, el contenido de CaO libre aumenta y mejora la capacidad de desulfuración. Sin embargo, una basicidad excesiva aumenta la viscosidad de la escoria y reduce la cinética interfacial. En la práctica, una relación de basicidad de 2,0 a 3,0 ofrece condiciones óptimas de desulfuración.
Contenido de óxido de hierro en la escoria
La reducción del contenido de FeO en la escoria favorece el cambio de equilibrio hacia la desulfuración, mejorando así la eficiencia operativa.
Adición de espato flúor (CaF₂)
Una cantidad moderada de CaF₂ mejora la fluidez de la escoria, acelera su formación y promueve la difusión del azufre hacia la interfaz. El CaF₂ también puede reaccionar directamente con el azufre para formar productos volátiles de desulfuración. Sin embargo, la dependencia a largo plazo de la fluorita tiene efectos secundarios negativos, lo que la convierte en un enfoque insostenible.
Temperatura
Dentro del rango de temperatura de la fabricación de acero con horno de arco eléctrico, las constantes de equilibrio no varían significativamente. Sin embargo, temperaturas más altas mejoran la fluidez tanto del acero fundido como de la escoria, incrementan la difusividad del azufre y aceleran la desulfuración.
Volumen de escoria
El aumento del volumen de escoria ayuda a diluir los productos de desulfuración, lo que aumenta la capacidad de azufre y mejora las reacciones. Por otro lado, un espesor excesivo de escoria dificulta la difusión y ralentiza la desulfuración.
El papel de la cinética
Incluso con la misma composición de escoria, las condiciones cinéticas influyen decisivamente en la eficiencia de la desulfuración. La agitación del baño de fusión o la intensificación del movimiento de la interfaz acero-escoria pueden:
- Aumentar el área de contacto
- Acelerar la difusión del azufre
- Mejorar la tasa general de desulfuración
Es por esto que el control cinético se utiliza ampliamente en operaciones prácticas de fabricación de acero.
¿Por qué es más fácil la desulfuración en acero con alto contenido de carbono?
A la misma temperatura de fabricación del acero, el acero con alto contenido de carbono se desulfuriza más fácilmente que el acero con bajo contenido de carbono porque:
- Menor contenido de oxígeno: un mayor contenido de carbono reduce el nivel de oxígeno de equilibrio en el acero fundido, lo que es favorable para la desulfuración.
- Mejor fluidez: El acero con alto contenido de carbono tiene una mayor fluidez fundida, lo que mejora las reacciones acero-escoria.
Por lo tanto, en la práctica industrial, el acero con alto contenido de carbono generalmente logra mejores resultados de desulfuración que el acero con bajo contenido de carbono.
