En la producción de acero en hornos de arco eléctrico (EAF), un accidente de ebullición violenta se refiere a un evento de proceso anormal y peligroso causado por una aceleración repentina e intensa de la reacción de descarburación. Cuando esto ocurre, el acero fundido, la escoria y los gases del horno pueden salir despedidos violentamente, provocando daños en los equipos, graves riesgos para la seguridad de los operarios e interrupciones imprevistas en la producción.
Por lo tanto, comprender el mecanismo, las causas y la prevención de la ebulición violenta es esencial para un funcionamiento seguro y estable del horno de arco eléctrico.
Características de la ebulición violenta durante la descarburación.
En condiciones normales, la descarburación en un horno de arco eléctrico se produce de forma controlada, con la generación de gas CO absorbida y amortiguada por la capa de escoria. Se produce un accidente de ebullición violenta cuando la velocidad de descarburación aumenta bruscamente en un período de tiempo muy corto, alcanzando típicamente entre el 0,10 % y el 0,15 % de carbono por unidad de tiempo.
Cuando la generación de gas supera la capacidad de amortiguación de la escoria, el baño fundido se vuelve inestable. Esta inestabilidad provoca una fuerte agitación del baño, la formación de espuma en la escoria y la expulsión violenta de materiales fundidos y humos a alta temperatura del horno.
Causas comunes de ebullición violenta en la producción de acero en hornos de arco eléctrico.
Los accidentes de ebullición violenta están estrechamente relacionados con el desequilibrio del proceso durante la etapa de descarburación. Las causas más comunes incluyen las siguientes:
Entrada de agua en el baño de metal fundido.
Las fugas en los paneles refrigerados por agua, los techos de los hornos o las lanzas de oxígeno pueden permitir que el agua de refrigeración entre en contacto con el acero fundido. A las temperaturas de la siderurgia, el agua se vaporiza o se descompone rápidamente, produciendo una expansión repentina de volumen que puede desencadenar instantáneamente una ebulición violenta. Este es considerado uno de los escenarios de accidente más peligrosos en la operación de hornos de arco eléctrico.
Colapso de las zonas frías en el baño.
Incluso en los hornos de arco eléctrico modernos, la temperatura y la composición no son completamente uniformes. Cuando la chatarra sólida o semifundida de las zonas más frías cae en una zona de descarburación de alta temperatura, se altera el equilibrio de la reacción local, lo que provoca un fuerte aumento en la intensidad de la descarburación.
Mala coordinación entre el soplado de oxígeno y el suministro de energía.
Si el soplado de oxígeno y el calentamiento eléctrico no se ajustan correctamente, el baño de metal fundido puede fundirse por completo antes de que comience la descarburación. Como consecuencia, se acumula óxido de hierro (FeO) en la escoria. Una vez que finalmente se inicia la descarburación, la reacción puede producirse de forma abrupta, provocando una ebullición violenta.
Soplado prolongado de escoria para la desfosforización.
Durante ciertas etapas del proceso, especialmente cuando el contenido de carbono se encuentra entre el 0,2% y el 0,8%, el soplado prolongado de escoria, destinado a mejorar la desfosforización, puede provocar un enriquecimiento excesivo de FeO en la escoria. Esto genera condiciones altamente inestables una vez que se inicia la descarburación.
Mecanismos de ebullición violenta en los hornos de arco eléctrico modernos.
En los hornos de arco eléctrico modernos, los accidentes de ebullición violenta suelen estar asociados a condiciones no uniformes en el baño de metal fundido y a cambios repentinos en la zona de reacción.
El oxígeno se consume principalmente en zonas localizadas de alta temperatura, mientras que las zonas frías aún pueden contener chatarra sin fundir o materiales parcialmente fundidos. Cuando el material con alto contenido de carbono de estas zonas entra repentinamente en una región de descarburación con bajo contenido de carbono, la velocidad de reacción aumenta bruscamente, lo que provoca una ebullición violenta del baño.
Además, dentro de un determinado rango de suministro de oxígeno, la velocidad de descarburación está controlada por la difusión de carbono hacia la interfaz de reacción. El rango de carbono correspondiente, comúnmente denominado rango crítico de carbono, suele ser de aproximadamente 0,2 % a 0,8 %. Dentro de este rango, las perturbaciones del proceso se amplifican con mayor facilidad, especialmente cuando la concentración de FeO en la escoria es alta.
¿Por qué la baja basicidad de la escoria es una causa frecuente de ebullición violenta?
La basicidad de la escoria influye directamente en su capacidad para transferir oxígeno al acero fundido. Las escorias de baja basicidad presentan una escasa capacidad de transferencia de masa, lo que favorece la acumulación de FeO en la fase de escoria.
Cuando comienza la descarburación, el exceso de FeO participa rápidamente en la reacción, liberando grandes cantidades de gas CO en poco tiempo y desestabilizando el baño. La experiencia en la producción ha demostrado consistentemente que los accidentes con ebullición violenta ocurren con mayor frecuencia en condiciones de escoria de baja basicidad.
Identificación y respuesta a la ebulición violenta provocada por fugas de agua.
La ebulición violenta causada por una fuga de agua suele presentar claras señales de advertencia:
- Durante la fase de fusión, pueden aparecer llamas amarillas anómalas dentro del horno o en el conducto de escape.
- Es posible que salga vapor blanco mezclado con llamas de forma violenta por la puerta del horno.
- Durante la etapa de oxidación, el acero fundido presenta una ebulición extremadamente violenta acompañada de un fuerte aumento del volumen de los gases de escape.
En cuanto se sospeche una fuga de agua, se debe detener inmediatamente el suministro de oxígeno y la entrada de energía, y se deben activar los sistemas de parada de emergencia de la energía y del agua de refrigeración. El horno debe permanecer inmóvil y el personal debe evacuar la zona de inmediato para evitar que el accidente se agrave.
Control de la ebulición violenta mediante diferentes tecnologías de lanza de oxígeno.
Operación de la lanza de oxígeno consumible
Al utilizar lanzas de oxígeno consumibles, para evitar la ebulición violenta es fundamental limitar el enriquecimiento de FeO y asegurar un inicio de descarburación uniforme. Las medidas clave incluyen ángulos de lanza adecuados, formación controlada de escoria, agitación suficiente del baño mediante el aporte de energía e inyección coordinada de carbono para estabilizar la composición química de la escoria.
Lanzas de oxígeno de chorro coherente supersónico
En teoría, la tecnología de chorro coherente supersónico es capaz de reducir el riesgo de ebullición violenta. Sin embargo, la práctica industrial demuestra que la ebullición violenta aún puede ocurrir, e incluso ser más grave, si las condiciones de operación no se controlan adecuadamente.
Entre los principales factores que contribuyen a este problema se incluyen la basicidad insuficiente de la escoria, la mala coordinación entre el suministro de oxígeno y el calentamiento del baño, el mal funcionamiento de los sistemas de inyección de carbono y las altas concentraciones de elementos de aleación que suprimen las reacciones de descarburación.
Una prevención eficaz se centra en mantener una basicidad adecuada de la escoria (alrededor de 2,0), optimizar la mezcla de chatarra y la práctica de carga, garantizar una inyección de carbono estable, evitar el soplado intenso de oxígeno a bajas temperaturas del baño y mejorar la agitación del baño mediante la aportación de energía eléctrica.
¿Por qué no se recomienda la producción de acero a baja presión de oxígeno?
Cuando la presión del oxígeno es demasiado baja, el chorro de oxígeno no puede penetrar eficazmente en la interfaz escoria-metal, lo que reduce significativamente la intensidad de la agitación del baño. Esta condición favorece la acumulación de FeO en la escoria y aumenta el riesgo de ebullición violenta.
Un suministro insuficiente de oxígeno también interrumpe la transición de la etapa de fusión a la de oxidación, complica la desfosforización y la descarburación, y dificulta el control de la temperatura. Como consecuencia, aumentan tanto los riesgos para la seguridad operativa como los costos de producción, lo que hace que el soplado de oxígeno a baja presión no sea adecuado para la producción de acero en hornos de arco eléctrico.
