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Evolución de los equipos de vacío para acerías: recirculación y desgasificación

en tanque

Article · August 2008

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Jorge Madias

Metallon

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Evolución de los equipos de vacío para acerías:

Recirculación y desgasificación en tanque

Los equipos de vacío que se han impuesto en las últimas décadas en la siderurgia mundial son los RH-OB

en sus diversas variantes, cuando la principal tarea es descarburar el baño, y los desgasificadores en tanque,

procurando obtener aceros extremadamente limpios, con bajo tenor de hidrógeno y de azufre.

Sin embargo, hay ejemplos de aplicaciones cruzadas.

Introducción

La aplicación del vacío al acero líquido responde a diversas necesidades. Ac-tualmente, los dos rasgos más utilizados son la posibilidad de descarburar el ace-ro líquido hasta obtener unas pocas par-tes por millón de carbono, en la fabrica-ción de los aceros de ultra bajo carbono demandados por la industria automotriz para embutido profundo, y la eliminación del hidrógeno en los aceros más sensi-bles a este elemento.

Pero también los actuales equipos de va-cío permiten eliminar la reoxidación, que puede tener lugar en otras instalaciones de metalurgia secundaria, como por ejemplo los hornos de cuchara, debido al contacto del acero con el aire cuando se abre el ojo de escoria durante opera-ciones de agitado con gas inerte. Esta reoxidación es más importante cuando el agitado es más fuerte, como se requiere para reacciones que dependen de la inte-racción entre el metal líquido y la escoria, como por ejemplo la desulfuración.

También es posible en vacío desoxidar el acero recurriendo a menores adiciones de aluminio, ya que a medida que la pre-sión desciende, el equilibrio entre el car-bono y el oxígeno disueltos en el acero se modifica, y a igual valor de carbono, el contenido de oxígeno en equilibrio es menor. Así, se obtiene un acero más lim-pio.

La disponibilidad de una lanza de oxíge-no permite en muchos de los equipos de vacío realizar la tarea de calentamiento del acero mediante la vía de la reacción con aluminio, eliminando así la necesi-dad de un horno cuchara.

El uso metalúrgico de la tecnología del vacío arrancó en 1928, con el desarrollo de hornos de inducción bajo vacío, para la fusión de metales muy oxidables [1]. Es el antecedente del proceso VIM (Vacuum Induction Melting), que hoy se aplica para la obtención de volúmenes relativamente pequeños de aceros de muy alta calidad.

actualización tecnológica / acería

Con este artículo comenzamos una serie sobre actualización tecnológica en distintas áreas de las plantas siderúrgicas de América La-tina, que servirán tanto de información para los no iniciados en cada tema, como también para algunos programas de capacitación que desarrollan ciertas empresas, sin contar los especialistas de áreas, quienes seguramente sacarán provecho de la profusión de referencias bibliográficas y recopilación de detalles de equipos instalados en nuestra región.

Por Jorge Madías*

Jorge Madías.

* Director gerente de la empresa Metalurgia de Argentina.

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La aplicación masiva del vacío para ace-ros comenzó en Alemania, en las déca-das 50 y 60. El objetivo principal en ese entonces era asegurar un contenido bajo de hidrógeno para dos tipos de acero par-ticularmente sensibles a este elemento: los aceros para rieles y los aceros desti-nados a productos forjados.

En esos años diversas empresas desarro-llaron en paralelo variados procesos, que se resumen en la Tabla 1.

A lo largo del tiempo algunos de estos procesos han desaparecido y otros tie-nen una aplicación muy limitada; pre-dominan ampliamente los procesos de recirculación del tipo RH y los tanques de desgasificación. En el mundo hay ac-tualmente 414 equipos de vacío en opera-ción, de los cuales 140 son de recircula-ción del tipo RH, 15 de recirculación tipo DH, 243 del tipo tanque de desgasifica-ción y 16 de desgasificación en cuchara [2] (Figura 1).

El espectro de utilización de los equipos de vacío se fue ampliando con el tiempo y hoy abarca un gran número de produc-tos (Tabla 2).

La forma más usual de obtener el vacío requerido en estos equipos es actual-mente a través de eyectores de vapor, en cuatro etapas. En algunas ocasiones en una de estas etapas se usan bombas de anillo líquido.

Tres mecanismos principales son res-ponsables de las reacciones gas-metal (deshidrogenación, desnitrogenación, descarburación) en los tratamientos de desgasificación [3]:

• Hervido espontáneo bajo el efecto del vacío.

• Desgasificación mediante purgado con gas en la interfase entre el metal líquido y las burbujas de argón.

• Desgasificación de gotas proyectadas en el recipiente de vacío por explosión de burbujas.

Para realizar la descarburación en mejo-res condiciones, generalmente la desoxi-dación del baño se difiere y se procesa un acero líquido con un nivel relativamente alto de oxígeno disuelto y una escoria de relativamente alto contenido de FeO.

Equipos de recirculación (RH)

Dentro de los equipos de recirculación, los RH han desplazado a los DH debido a las dificultades que presentaban és-tos para poder introducirles la lanza de oxígeno, cuando ésta resultó imprescin-dible para obtener carbonos más bajos

Según la ubicación en el proceso Variantes

Procesos que actúan sobre el chorro Durante el sangrado del horno de acero líquido Durante el trasvase a una cuchara Durante el colado de un lingote

Procesos de desgasificación RH (Rheinstahl - Heraeus) por recirculación del acero DH (Dortmünd Hörder) en un recipiente ad hoc

Procesos de desgasificación ASEA-SKF, Tanque (VD, VAD, VOD) en la cuchara

Tabla 1 Procesos de vacío para el tratamiento del acero líquido

Figura 1 Equipos de vacío que operan en la siderurgia mundial, por tipo de

proceso (Recirculación RH, Recirculación DH, Desgasificación en tanque (TD) y Desgasificación en cuchara (LD). Basado en [2]

Productos largos Productos planos

Aceros aptos para forja Aceros de ultra bajo carbono

Aceros para rieles Aceros de extra bajo carbono

Aceros para rodamientos Aceros para chapa gruesa

Aceros para construcción mecánica Aceros para tubos soldados (medio ácido o grados API elevados)

Aceros para almas de acero Aceros para uso eléctrico de neumáticos

Aceros de corte libre Aceros inoxidables de extra bajo carbono

Aceros para tubos sin costura

Tabla 2 Algunos tipos de acero que suelen procesarse en equipos de vacío

y procesos más rápidos. Si bien una descripción detallada de estos equipos puede encontrarse en [3], consisten bá-sicamente en un recipiente revestido de refractarios, con dos «piernas» (snorkel) sumergidas en la cuchara (Figura 2). La circulación del acero líquido es favoreci-da por la inyección de argón a través de una de las piernas. El equipo consta de una lanza de oxígeno, tolvas, alimentado-res y cintas para ferroaleaciones, salida y enfriamiento de gases, bombas de va-

cío para obtener hasta menos de 0,5 torr en el recipiente, así como equipamiento para posicionar la cuchara, subirla o ba-jarla, una sala de comandos y equipos auxiliares.

En los últimos años, para mejorar la performance de los RH, en términos de tiempo de proceso, porcentaje obtenible de carbono final y disponibilidad, se han realizado importantes modificaciones de diseño.

RH

DH

TD

LD

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Figura 2 Esquema de un equipo RH

Figura 3 Esquema de un tanque desgasificador: recipiente metálico con tapa,

donde se introduce la cuchara; sello entre tapa y recipiente; tolva para ferroaleaciones

Entre ellas se destacan tanto el aumen-to del diámetro de las «piernas», lo que permite aumentar la velocidad de recir-culación del acero líquido y acelerar el proceso [5, 6] como el aumento de la altura de los recipientes para acomodar una lanza de oxígeno, lo cual acelera la des-carburación.

También es relevante la incorporación de un equipamiento de prevacío, para elimi-nar la demora en iniciar la recirculación del acero y así producir vacío en el reci-piente, en las tolvas y en el sistema de extracción [5], así como la introducción de quemadores, con el objetivo, en algunos casos, de disminuir la formación de de-pósitos producto de las salpicaduras en la parte superior del recipiente y, en otros casos, para disminuir las caídas de tem-peratura en la parte inferior del recipien-te entre coladas, y así prolongar la vida del revestimiento refractario, evitando la exfoliación del mismo (spalling) [5, 7].

Otras tendencias relacionadas son: el re-forzamiento de los enfriadores de gases de escape [7], el alargue de la vida útil de los refractarios por cambios en su formu-lación y mejoras en las técnicas para su reparación, así como el reemplazo de re-fractarios de MgO-Cr2O3 por refractarios de MgO-C [9-11].

Finalmente, cabe destacar la introduc-ción de eyectores de vapor con capaci-dad de succión variable, con el objetivo de minimizar el salpicado debido a la alta formación de monóxido de carbono du-rante la descarburación (RH-SC, Splash Control) [8] y el uso de modelos dinámicos para el control del proceso [12].

Los RH se integran en las plantas de di-versas maneras: pueden ser la única he-rramienta de la metalurgia de cuchara, o complementarse con una estación de tratamiento, un horno cuchara o un equi-po de calentamiento químico.

Dependiendo sobre todo de la produc-tividad requerida, la estación de vacío puede consistir de un único recipiente; una única posición de tratamiento pero con dos recipientes para cambio rápido, o de dos posiciones de tratamiento, cada una con su recipiente, compartiendo una única instalación de vacío [4].

Tanques de desgasificación

Si bien en [13] se puede ver una descrip-ción detallada de un equipo de este tipo, la instalación consiste básicamente de un tanque donde se ingresa la cuchara, con tapa y anillo para sellado. Como en los equipos de recirculación, disponen también de tolvas, cintas y alimentado-

res para adición, extracción de gases, bombas de vacío, sala de comandos, etc. (Figura 3).

Típicamente, la disponibilidad es de un solo tanque y una sola instalación de vacío, con la excepción de algunas plan-tas, en las cuales por requisitos de alta producción disponen de dos tanques ge-melos [15].

Dentro de los distintos tipos de tanques de desgasificación, existe una cierta tendencia a la disminución de los VAD (Vacuum Arc Degassing) y su reemplazo por los VD [16]. Los VAD incluyen la posi-bilidad de calentamiento del acero líqui-do mediante arco eléctrico, función que en las plantas con VD se suele hacer en un horno cuchara, separadamente. Los

actualización tecnológica / acería

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Tabla 3 Comparaciones entre equipos de recirculación y tanques de desgasificación

Concepto Recirculación (RH) Tanque desgasificador (VD)

Inversión Más alta Menor

Espacio Mayor Menor

Borde libre de cuchara Más alto

Consumo de refractarios Alto Menor vida de cuchara

Descarburación Rápida Más lenta o menor

Calentamiento químico Si No

Calentamiento eléctrico No Sólo en los VAD

Eliminación de hidrógeno Buena Muy buena

Desulfuración Si hay inyección de polvo Por reacción metal-escoria, excelente

Desoxidación Buena Excelente

Control de nitrógeno Pobre Bueno, si O y S bajos

Mantenimiento Importante Poca atención entre ciclos

Pérdida de temperatura Importante Menor

Precalentamiento Necesario No se hace

Problemas operativos Salpicado y formación de depósitos Espumado de la escoria

equipos en los que la desgasificación se hacía directamente en la cuchara, sin in-troducirla en un tanque, como los ASEA-SKF, también tienden a ser reemplazados por los VD. En las acerías que producen aceros inoxidables o aceros de ultra bajo carbono, los VD suelen disponer de una lanza de oxígeno y en ese caso se los de-nomina VOD.

Comparaciones

En la Tabla 3 se presentan algunas com-paraciones que se han hecho entre los equipos de recirculación y los tanques de desgasificación.

En definitiva, es claro que los equipos de recirculación tienen mejores condiciones para la descarburación y el calentamien-to químico, en tanto que los tanques des-gasificadores se prestan más para la eli-minación de hidrógeno, azufre, oxígeno y nitrógeno. Así, están quienes han pre-ferido tener lo mejor de ambos mundos bajo un mismo techo, como es el caso, por ejemplo, de la planta Kwangyang de POSCO, donde operan en serie un RH y un VD (Figura 4) [7].

Equipos de vacío en América Latina

En la Tabla 4 se resumen los equipos de vacío que operan actualmente en Amé-rica Latina, de acuerdo a la información disponible al realizar este informe [2]. De 24 equipos, 18 operan en Brasil, 4 en México, y los dos restantes en Argentina y Cuba. Existen 13 de desgasificación en tanque, 10 de recirculación tipo RH y uno de recirculación tipo DH. Mientras los equipos de recirculación RH están ins-talados en plantas que producen aceros planos al carbono, los desgasificadores en tanque predominan en plantas que fa-brican productos largos para la industria automotriz, tubos para el petróleo, y pro-ductos planos de aceros especiales.

Se trata de equipos modernos, mayorita-riamente instalados en los años 90 y en este siglo, varios de ellos con moderni-zaciones recientes. Las prácticas difie-ren de planta a planta. Por ejemplo, en lo que refiere a tanques, TenarisTamsa desgasificaba el 20% de su producción en 2004 [13], en tanto que Gerdau Aços Especiais Piratini desgasifica práctica-mente el 100% de las coladas. Las plan-tas que operan con RH en la región lo suelen utilizar parcialmente, ya que sólo los emplean para las coladas de aceros de ultra bajo carbono y de aceros para chapa gruesa.

Figura 4 Disposición de equipo de recirculación RH (derecha)

y tanque desgasificador (derecha) en POSCO Kwangyang [8]

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Tabla 4 Características de equipos de vacío en operación en la siderurgia latinoamericana,

basado en [2] y otras fuentes

Empresa Planta Equipo Marca Año Cap. Ut. Aceros (t) (%)

Aceros Zapla Palpalá DH PENSA 1984 20 Parc. Aptos para forja

ACINOX Tunas Tanque (VOD) Danieli 1991 60 Parc. Inoxidables

Aços Villares Mogi das Cruzes Tanque (VD) Messo 1996 70 Parc. Construcción mecánica

Aços Villares Pindamonhangaba Tanque (VD) Leybold 1989 95 Parc. Construcción mecánica Concast 2003

ArcelorMittal Monlevade Tanque (VD) Parc. Al carbono

ArcelorMittal Tubarão RH KTB MDH 1998 300 Parc. Ultra bajo carbono

ArcelorMittal Tubarão RH T-COB VAI 2007 320 Parc. Ultra bajo carbono

ArcelorMittal Timóteo Tanque (VOD) Messo 1980 80 Parc. Al C, inox. ultra bajo carbono y al silicio Inox Brasil MDH 1995

ArcelorMittal Timóteo Tanque (VOD) Danieli 1998 80 Parc. Al C, inox. ultra bajo carbono y al silicio Inox Brasil

ArcelorMittal Lázaro Cárdenas RH TOP SMS Mevac 2004 220 Parc. Ultra bajo carbono y aceros microaleados para tubos

CSN Volta Redonda RH KTB SMS Vacmetal 1998 225 Parc. Ultra bajo carbono

COSIPA Cubatão-Aciaria 1 RH Messo 1986 130 Parc. Al carbono y microaleados

COSIPA Cubatão-Aciaria 1 RH Messo 1987 130 Parc. Al carbono y microaleados

COSIPA Cubatão- Aciaria 2 RH T-COB VAI 2003 160 Parc. Ultra bajo carbono y chapa gruesa

Gerdau Açominas Ouro Branco RH Vacmetal 1987 215 Parc. Al carbono y microaleados

Gerdau Aços Charqueadas Tanque (VD/VOD) MDH 1994 65 Total Aptos para forja, construcción Especiais Piratini 2003 mecánica, de corte libre, inoxidables, rodamientos

Industrias C.H. Tlalnepantla Inoxidables

TenarisTamsa Veracruz Tanque (VD-OB) SMS Demag 2001 150 20% Tubos petroleros de acero al C y microaleados

Ternium Puebla Tanque (VD) Danieli 1998 140 Parc. Aptos para forja, construcción mecánica

USIMINAS Ipatinga- Acería 1 RH Vacmetal 1980 80 Parc. Chapa gruesa

USIMINAS Ipatinga Acería 2 RH KTB Vacmetal 1984 180 Parc. Aceros de ultra bajo carbono VAI 2005

Villares Metals Sumaré Tanque (VAD/VOD) 23 Total Aceros para válvulas

Villares Metals Sumaré Tanque (VAD/VOD) 23 Total Aceros para válvulas

V&M do Brasil Barreiro Tanque MDH 1993 75 Parc. Tubos petroleros de aceros al C y microaleados

La literatura refleja diversas contribu-ciones latinoamericanas en el campo del vacío: experiencias de arranques de equipamiento [14], trabajos de mejora con-tinua [15] y modelizaciones [16, 17].

Conclusiones

Los equipos de vacío que se han impues-to en las últimas décadas en la siderur-gia mundial son los del tipo RH, cuan-do la principal tarea es descarburar el baño, y los desgasificadores en tanque, cuando se procura obtener aceros extre-madamente limpios, con bajo tenor de hidrógeno y azufre. Sin embargo, existen ejemplos de aplicaciones «cruzadas».

En los equipos RH, luego de la intensa actividad de incorporación de lanzas de oxígeno y los cambios de diseño para acomodar mayores volúmenes de gases, se ha trabajado intensamente en el de-sarrollo de materiales refractarios libres de cromo, tendientes a disminuir los con-sumos específicos. Se han logrado altos niveles de automatización.

Problemas operativos generados por las salpicaduras en los RH y los desbordes de escoria en los tanques, han sido moti-vo de desarrollos recientes.

Se puede prever que la utilización del vacío tenderá a incrementarse cuantitati-vamente producto del aumento mundial de la producción de acero, pero también

debido a la incorporación de nuevos gra-dos de acero a medida que los requisitos de calidad en determinadas aplicaciones se hacen más exigentes.

La siderurgia latinoamericana es una im-portante usuaria de este proceso, parti-cularmente Brasil y México.

Referencias

[1] A. Jackson. Fabricación de aceros al oxígeno. Editorial Urmo 1969, p. 236.

[2] Lista de equipos de vacío en side-rurgia en el mundo, D. Demetrio, Siemens VAI, comunicación priva-da, junio 2008.

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[3] H. Saint-Raymmond, D. Huin, F. Stouvenot, R. Schutz, R. Pluquet, E. Perrin. Process optimization of steel vacuum degassing in RH and tank degasser: gas analysis mea-surements and physical dynamic model. 56th ABM Annual Con-gress, July 2001, 1218-1226.

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[4] O. Kunitake, T. Imai, S. Mukawa, Y. Nakamura. High speed decarbu-rizing by modernized RH-OB and new decarburizing technology un-der reduced pressure by CAS-OB. 2001 Steelmaking Conference Pro-ceedings 625-633.

[5] V.M. Korneev, V.G. Ovsyannikov, E.B. Burmistrova, V.I. Frolov, S.A. Samoilin. Improving the vacuum treatment of steel by using a larger-diameter pipe. Steel in translation Vol. 34, No. 12, 20-23, 2004.

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Energy efficiency, reduction of environ-mental impact and higher product qua-lity will be the drivers of innovation in the steel industry over the next few years. The increasing demand for energy and its consequent increase in prices are pushing steel companies to develop new solutions. The efficient use of resources is an integral part of Tenova’s mission and this paper presents three examples of how Tenova is approaching the expec-ted new energy world scenario where oil prices are growing far beyond US$ 100 a barrel with improvements in melting pro-cesses in the electric arc furnace (EAF), environmental friendly combustion tech-niques and hot recovery.

EAF Melting

The target for reducing electrical con-sumption with its resultant abatement of CO2 emissions requires a significant R&D effort by Tenova in EAF melting te-chnology. The expansion of steel produc-tion using the EAF versus the integrated blast furnace - oxygen steelmaking (BOF) route has contributed to a decrease in overall energy consumption for steel pro-duction.

Some key figures are presented in Table 1 to illustrate this.

Options for further reductions in ener-gy consumption in the EAF are possible with improved electrical energy transfer, better post combustion practices and by preheating the scrap charge.

Tenova’s approach to the future energy scenario

This paper reviews three of Tenova’s energy saving technologies for electric arc furnaces and reheat furnaces arguing that

improvements in existing technologies through its in-house R&D as well as strategic acquisitions of high performance

technologies best serve its customers.

Table 1 Theoretical and practical energy requirement of different

steelmaking routes

* Tenova, R&D, Via De Marini, 53 16149 Genova, Italy Tel +39 010 6054871 Fax +39 010 6054926. E-mail: carlo.raggio@it.tenovagroup.com • www.tenovagroup.com

Process Energy (GJ/t product) Actual Absolute % Practical % energy minimum difference minimum difference requirementsLiquid Hot Metal (5% C) 13-14 9,8 25-30 10,4 20-26Liquid Steel (BOF) 10,5-11,5 7,9 25-31 8,2 22-29Liquid Steel (EAF) 2,1-2,4 1,3 38-46 1,6 24-33Hot Rolling Flat 2,0-2,4 0,03 99 0,9 55-63Cold Rolling Flat 1,0-1,4 0,02 98-99 0,02 98-9918-8 Stainless Melting – 1,2 – 1,5 –

Notes: Actual includes yield losses and is the average of state-of-art and less-efficient operations for the United States. Japan and Europe.BOF energy is primarily from hot metal, actual process consumes 0,2 to 0,4 GJ/t and, if CO is oxidized to CO2, could theoretically produce 0,5 GJ.For 18-8 stainless no estimates are available, in particular for HCFeCr.In all cases, full credit is taken for the energy in off gas.Source: Fruehan, US DoE, March 2000.

To reach this result no revolutionary breakthrough process is required but rather the simultaneous contribution of suitable advanced technologies and an intelligent management of the melting process.

Within this scope Tenova offers a number of important key technologies:

• Consteel®: Continuous scrap prehea-ting and charging.

• Koester® (KT) lances: Tenova’s pro-prietary lances for injecting oxygen

and carbon to optimise the chemical package.

• EFSOP®: A highly reliable and well proven real time off-gas measurement and control system.

One of the most important pillars of Tenova’s EAF energy and environmen-tal optimisation is the reliability of the EFSOP flue gas analysis system. Every improvement is based on accurate mea-surement of the relevant off gas chemical composition and other process trends.

technological update / energy

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