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Horno Siemens

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by

nadia canseco

on 27 November 2012

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Transcript of Horno Siemens

La mayor parte del acero fabricado en el mundo durante los 70 años comprendidos entre 1898 y 1968 fue fabricado en horno siemens. El horno siemens puede considerarse como la instalacion mas importatnte que ha existido en la primera mitad del siglo xx para fabricar acero.

William Siemens

En 1861 William Siemens construyo un gasogeno deparrilla inclinada que producia un gas combustible de uso mas comodo que el carbon , que hasta entonces era el combutible que se empleaba en hornos metalurgicos.
William Siemens patento en 1867 su procedimiento de fabricaccion de acero que fue conocido con la denominacion “pig and ore process”(proceso de fundicion de mineral)
Se trata de cargar el horno con mezclas de lingote de hierro y carriles, y el metal fundido que obtenian de muy elevado contenido de carbono, era descarburado por adiciones de mineral que oxidaba el baño y lo transformaba en acero al disminuir su porcentaje en carbono hasta el limite conveniente. HORNOS SIEMENS Pierre Martin Pierre martin tuvo la idea de fundir mezclas de chatarra y lingote de hierro en un horno reverbero , al que habia aplicado los regeneradores de calor inventados por Siemens.
Martin intento obtener hierro empleando mezclas de chatarra, desperdicios de hierro que hasta entonces no tenian valor, estorbaban y deseaban eliminar , y Siemens en cambio , pretendia obtener acero fundido oxidando la fundicion con adiciones de mineral de hierro.
Con el transcurso de los años se modificaron ambos procedimientos y porteriormente los metodos de trabajo que se han empleado pueden considerarse como metodos mixtos denominado “marcha de una operación Martin-Siemens basica” son cargas con 70% de chatarra y 30% de lingote de hierro. Martin-Siemens.

Este proceso consta de un horno de reverbero, rectangular y con techo abovedado, con un revestimiento acido, básico o neutro, según sea la composición de la carga, la cual consta de chatarra, arrabio y mineral de hierro.
El principio del proceso es oxidar el carbono y las impurezas de la carga, con oxigeno proveniente del óxido de hierro (mineral de hierro), gracias a la elevada temperatura producida por la insuflación de aire precalentado en unos recuperadores y a la llama producida por un quemador. El gran desarrollo de los hornos siemens se inicio realmente cuando se comenzaron a construir estos hornos con revestimientos básicos hacia 1880. hasta entonces el convertidor Bessemer ofrecía sobre el horno Siemens la gran ventaja de su rapidez. Una operación Bessemer duraba 20 min mientras que un Martin-Siemens de 6 a 8 Hr. Desde que el horno Siemens se pudo eliminar el P, y parte del S y se comprobó que el acero era mejor que el Bessemer y Thomas y se podían encajar con una mayor precisión las composiciones por ser mas lento el proceso, fueron preferidos los hornos Siemens para fabricar aceros de calidad. Hornos Siemens ácidos y básicos. Una de las ventajas de estos hornos es que pueden utilizar cargas con composiciones variadas, a comparación de los convertidores.
Las empresas que disponen de poca fundición y pueden adquirir con facilidad chatarra prefieren emplear en grandes cantidades esta. No es posible fijar por lo tanto , para los hornos Siemens una carga de composición fija como ocurre en los procedimientos Bessemer y Thomas y los métodos de trabajo se modifican según las circunstancias para la mejor utilización de las materias primas disponibles. Materias primas que se suelen emplear en la carga de los hornos Siemens. Los elementos mas importantes de esta clase de hornos son:

Cámara del horno
Quemadores
Escorieros
Regeneradores de calor.
Conductos de gases y humos.
Válvulas.
Chimenea. HORNO SIEMENS Es el lugar donde se funde la carga metálica y donde realmente se fabrica el acero, su planta es rectangular, su altura es menor que el fondo y ambos varían entre 3 a 6 m, tienen de 8 a 25 m de frente. Todas estas dimensiones dependen ,de su capacidad que oscila entre 30 y 400 toneladas por colada.
El calentamiento de esta cámara se consigue por la acción de una gran llama que alternativamente sale por el lado izquierdo o derecho . Cámara del Horno. Son las bocas en las paredes laterales, por las que llegan la cámara del horno combustible el aire que se queman en su interior.
En los hornos hay 3 tipos principales de quemadores los siemens, tipo maerz y los quemadores de fuel-oíl. Quemadores. Debajo del horno hay unas cámaras de recogida de escoria en las que se obliga a cambiar la dirección a los gases y sirve para que se deposite la escoria y el metal que escapa de con los humos. La cámara del horno comunica con los escoriaros por medio de los conductos verticales de humos. Escorieros. Las cámaras de regeneradores para el aire son poco mayores que las del gas, por ser necesario para una buena combustión un volumen de aire ligeramente superior al del gas. Las temperaturas mínimas y máximas de los emparrillados, en los sucesivos enfriamientos y calentamientos, suele variar de 1100 a 1300 °C.
Cuando el calentamiento se hace con fuel-oíl se usa solamente cámaras de regeneración para el aire. Entonces hay solo dos cámaras. Una esta en periodo de calentamiento de la cámara y la otra esta calentando el aire. Regeneradores de calor. Las maniobras de cambio de dirección de los gases y de los humos se hacen por medio de válvulas especiales de mariposa, campana o guillotina, que se maniobran desde la plancha del horno.
Las de guillotina son las mas utilizadas por ocasionar menos perdida de carga y facilita el tiro. Conductos de gases y humos.
Y
Válvulas. Gas de aire.
Una de las novedades que presento el horno siemens con respecto a los antiguos fue la utilización de combustible gaseoso en vez de emplear carbón para el calentamiento del horno.
En las primeras instalaciones, el gas combustible se obtenía en un gasógeno elemental inventado por Siemens. Producía “gas de aire” constituido por CO y N.

Gasógeno Morgan de Gas mixto.

Después del descubrimiento del gas de aire se mejoro su calidad inyectando , junto al aire pequeñas cantidades de vapor que impedían la fusión de las escorias del carbón para la formación de CO. Se realiza una combustión incompleta del carbón , por lo que se obtiene un elevado porcentaje de CO. Gasógenos. En los hornos Siemens fue abandonado el uso del gas de aire y mixto proen 1945 se comenzó a emplear fuel-oíl en lugar de gas y en la actualidad, el fuel-oíl ha desplazado al gas de gasógeno. Cuando se emplea fuel basta con que el horno tenga solo dos recuperadores de calor en vez de 4 que deben tener los hornos en que se utilizan combustibles gaseoso de baja potencia calorífica. Combustibles. Combustibles gaseosos. El gas mixto de gasógeno fue utilizado durante 50 años este arrastra partículas muy finas de carbón que contribuyen a que su llama sea muy luminosa. Pero debido a la gran cantidad de elementos inertes (nitrógeno y dióxido de carbono), su potencia calorífica no es elevada.
El gas de coque se suele usar mezclado con el gas del alto horno, aunque teóricamente puede ser usado solo. Tiene el inconveniente de tener llama no luminosa debido a su alto contenido de hidrogeno, la llama tiende a elevarse a la bóveda, deteriorándola.
Las mezclas 70% de gas de alto horno con 30% de gas de coque da excelentes resultados, lográndose así un buen rendimiento de los gases producidos en las plantas siderúrgicas.
El gas natural es un excelente combustible debido a su lata luminosidad debido al alto contenido de C y S sin embargo su empleo depende de las condiciones de suministro locales ya que es natural. Características de algunos combustibles. Industrialmente utilizados son el fuel-oíl y el alquitrán.
Fuel-oíl. Tiene alto contenido de carbono(87%), hidrogeno(11%) su potencia calorífica es de 10.000 kcal/kg.
Alquitrán. Uso mas limitado C =89%, H=6% potencia calorífica es de 8.600 kcal/kg.
El fuel y el alquitrán por ser viscosos y líquidos deben ser precalentados a unos 100°C antes de su inyección en el horno para facilitar la circulación a través de las tuberías y produzca la atomización del combustible y se queme rápidamente.
En los hornos Siemens para el calentamiento y fusión de la carga metaliza es conveniente que el gas tenga una lata potencia calorífica y también es necesario que la llama sea suficientemente luminosa, porque un a parte del calor se transmite por radiación y esta depende de la luminosidad del foco emisor de calor.
Por eso el gas debe contener muchos hidrocarburos o partículas luminosas de carbono y poco de hidrogeno. Combustibles líquidos. El proceso de fabricación de acero en un horno Siemens básico suele durar 5 a 8 hr, según sea la capacidad del horno y la clase de acero que se fabrica. Se divide en 9 etapas.

Carga del horno.
Fusión de la carga.
Hervido del mineral.
Hervido de la caliza.
Formación de la escoria.
Oxidación de ciertos elementos que contiene el baño metálico.
Desoxidación y carburación.
Colada
Reparación del horno. Marcha de una operación Siemens básica. Las materias primas que se utilizan en el ejemplo son:

Carga metálica constituida por 70% de chatarra y 30 % de lingote aproximadamente.
Mineral de hierro para acentuar la oxidación.
Caliza y a veces algo de cal, para formar la escoria y acentuar la basicidad cuando es necesario.
Espato flúor en muy pequeñas cantidades, para dar fluidez a la escoria.
Como desoxidante se emplean ferromanganeso, ferro silicio, silicomanganeso y al final una muy pequeña cantidad de aluminio. Cuando se utilizan cargas frías, la chatarra y la fundición se introducen en el horno empleando maquinas cargadoras. La chatarra, lingote y caliza se van colocando en una serie de cajas especiales, que se disponen sobre vagonetas y se trasladan a la planchada.
En los hornos de gran tamaño, la fundición se carga siempre en estado liquido. De los altos hornos se envían mezcladores, donde se almacena en edo. Liquido y de estos se pasa el acero a cucharas que lo llevan a los hornos de acero.
Conviene que la caliza quede en el horno en la parte baja de la carga para que no empiece a intervenir las reacciones antes de tiempo , cuando ya este avanzada la operación. Carga del horno. Fusión de la carga. El acero fabricado en su mayoría (90%) es de acero son carbono inferior a 0.3% . Sin embargo estos hornos se prestan mucho mejor que los Bessemer y Thomas para fabricación de acero de 0.3 a 0.8 % de carbono es decir aceros de medio o alto porcentaje de carbono, ya que a ser un proceso lento y ser mucho mas fácil hacer análisis y correcciones en la colada, es mucho mas sencillo encajar perfectamente la composición. Aceros que se fabrican en los hornos Siemens. Gracias En los hornos siemens se puede considerar que el hierro es el primer elemento que se oxida, debido a la gran abundancia que hay en este metal, sirviendo luego el oxido de hierro de vehículo al oxigeno para la oxidación de los demás elementos.
El oxigeno también contribuye a la oxidación del hierro y de los demás elementos, el vapor de agua y el anhídrido carbónico que contienen los gases o humos que hay en la cámara del horno. Esa oxidación se produce de acuerdo con las siguientes reacciones.







Después cuando avanza el proceso, la oxidación del hierro del baño se produce por la acción del mineral y del FeO que hay disuelto en la escoria. Para que no se prolongue demasiado el proceso, es necesario acentuar la oxidación de las
cargas por adición de diversas cantidades de mineral de fierro. Como consecuencia de todas
esas reacciones se forman primero óxidos y luego silicatos de hierro y manganeso, que
constituyen la escoria que cubre el baño metálico. La oxidación del hierro se realiza a
través del Fe2O3 según la siguiente reacción:







La oxidación del silicio, manganeso carbono y fosforo se realiza por medio del oxido de hierro,
de acuerdo con las sig. reacciones.







El desprendimiento de CO produce el hervido del baño. Adición del mineral y hervido del baño. La oxidación de carbono no se realiza con intensidad hasta que el manganeso y el silicio han sido reducidos a limites muy bajos, generalmente se observa que hasta que el manganeso no baja hasta 0.25%, la eliminación del carbono no es intensa.
La ebullición del baño es necesaria para que se realice bien el afino, pues de esta forma se consigue que una mezcla muy homogénea del baño y la escoria.
Así se favorece las reacciones de oxidación, removiéndose las capas inferiores del metal y poniéndolas en contacto con la escoria. Al mismo tiempo , al quedar al descubierto en algunos puntos del baño de acero, se oxida con los gases del horno y se favorece la eliminación del carbono, durante este hervido se consigue la eliminación de gran parte del H y N que contiene el acero. Durante la carga de las materias primas se mantiene encendido el horno procurando que haya un cierto exceso de aire y la llama sirve directamente para calentar mas rápidamente la carga.
La chatarra menuda y algunos trozos de lingote en contacto con la llama son los primeros en fundir. Al principio de la operación, el hervido del baño se produce antes,
por la acción del oxido de hierro sobre el carbono. Pero luego cuando avanza mas el proceso y aumente la temperatura , la caliza que se encuentra en el fondo del baño se descompone según las siguientes reacciones:


La cal pasa a formar parte de la escoria, Y EL OXIDO DE CARBONO QUE SE DESPRENDE AL SUBIR A LA SUPERFICIE DEL BAÑO PRODUCE UN HERVIDO PARECIDO AL QUE AL PRINCIPIO SE PRODUJO POR LA OXIDACION DEL CARBONO POR EL OXIDO DE HIERRO.
Este periodo de hervido de caliza dura de 1 a 2 horas y favorece la oxidación del baño metálico y de la escoria, y el intimo contacto
entre ellos, lo que sirve para igualar la temperatura y la composición química en los diferentes niveles de baño. Hervido de la caliza La formación de la primera escoria en el proceso Siemens
es la consecuencia de la oxidación del hierro, silicio y manganeso, que se transforman en óxidos de fierro, sílice y óxidos de manganeso. Luego al reaccionar los óxidos de acuerdo con las siguientes reacciones.



Se forman los silicatos de hierro y de manganeso correspondientes, también una pequeña parte del Si se combina con la cal formada por la descomposición de la caliza según esta reacción. Formación de la escoria. Estas escorias atacan la dolomía y magnesia del revestimiento, reaccionando y absorbiendo algo de cal y magnesia. El porcentaje de la cal en la escoria aumenta progresivamente con el transcurso de la operación hasta 50 % y el oxido de hierro desde 5 a 20 % aproximadamente. El contenido de sílice en cambio desciende desde 30 % a 10 % cuando ya se completa el baño (es la oxidación de carbono porque facilita el contacto entre el metal y la escoria, acelerando las reacciones y la transmisión de las llamas al acero fundido). Para que la escoria desempeñe durante el periodo de trabajo su función oxidante, debe contener durante todo el proceso suficiente cantidad de oxigeno en forma de oxido de hierro, si en cualquier momento su poder oxidante no es suficiente para continuar rebajando el contenido de carbono hasta el limite deseado a una velocidad conveniente, debe añadirse mineral de hierro o cascarilla de laminación. Vigilancia del grado de oxidación de la escoria. Es la fase mas delicada del proceso en donde se completa la oxidación de los elementos carbono, silicio y manganeso y se procura eliminar el mayor porcentaje posible de fosforo y del azufre. La oxidación de los diversos elementos comienza cuando se ha fundido completamente la carga y se ha formado
la primera escoria, suele ser conveniente sacar parte de la escoria con una alta basicidad y muy fluida que es la mas adecuada para eliminar la impurezas del acero ( P y S). oxidación del silicio, manganeso carbono y fosforo
( trabajo del baño). Existen 4 preocupaciones que se deben tener en cuenta en ese momento.
1- reducir con gran rapidez el porcentaje de C hasta el limite deseado.
2- eliminar el mayor porcentaje posible de P y S que han traído la chatarra y la fundición.
3- preparar una buena escoria con la bascosidad, fluidez y grado de oxidación adecuados para que se produzca el afino en la debida forma.
4- elevar la temperatura del baño para conseguir que el momento en que la composición del acero es la conveniente, su temperatura sea unos 150 ° C superior a la de fusión del acero.
Al no conseguirse la temperatura es un grave contratiempo el baño comienza a espesarse y no trabaja y su calentamiento solo por la superficie es difícil. Como el proceso Siemens en su primera parte es una operación oxidante al final de la operación hay disuelto en el baño de acero un porcentaje de oxigeno muy elevado que impide la obtención de lingotes sanos. Ese oxigeno en exceso, disuelto en acero en forma de oxido de hierro, al solidificarse el acero reacciona con el carbono y se desprende CO originando ese desprendimiento burbujas y poros en el metal, para evitar este problema es necesario hacer adiciones de desoxidantes como son el ferromanganeso y el ferro silicio que reaccionan con el oxigeno formando óxidos respectivamente y sílice que son sustancias solidas inertes quedando muy reducido el porcentaje de oxigeno.
El ferromanganeso no solo desoxida el acero sirve también para impedir que el azufre que se encuentra en el baño aparezca luego solidificado en forma de sulfuro de hierro que es muy perjudicial ya que hace que el acero se agriete al forjar y laminar en caliente. Desoxidación. Cuando el baño metálico tiene la composición adecuada y la temperatura conveniente se perfora el agujero de colada situado en la parte mas baja de la solera del horno. El metal y la escoria pasan a la cuchara de colada, la escoria se acumula en la parte superior y se deja rebosar y caer a un cono de fundición que esta junto a la cuchara . En la cuchara solo se conserva la cantidad de escoria necesaria para cubrir el metal y evitar su oxidación. Colada. Después de terminada la colada se procede a observar el interior de l horno , cubriendo con dolomía calcinada en polvo las erosiones producidas por el acero y al escoria, en ocasiones se parchan las paredes del horno y se sustituyen algunos ladrillos
de las puertas y de los
manchones, de forma
que al iniciarse la colada,
el revestimiento
refractario este en las
mejores condiciones posibles. Reparación del horno.
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