UNIVERSIDAD CATÓLICA DE LA SANTÍSIMA CONCEPCIÓN

FACULTAD DE INGENIERÍA

INGENIERÍA CIVIL INDUSTRIAL

Seminario integrador: Procesos Químicos y Térmicos

“Proceso producción de acero”

Integrantes

: Cecilia Anguita B.

Pablo Cáceres V.

Dino isla

Camila Quiroga E.

Jonathan Rebolledo.

Profesor:

Patricio Méndez

CONCEPCIÓN, 22 de noviembre de 2016

1 | P á g i n a

IntroducciónEn la actualidad miremos donde miremos podemos notar la fuerte presencia del acero, Este material es ampliamente utilizado en multitud de aplicaciones tanto industriales como cotidianas, por su alta resistencia, su bajo costo y ventajas frente a otros materiales de similares características.

A lo largo de este informe explicaremos el proceso de producción de acero que conlleva una serie de etapas, las cuales se diferencian por el tipo de operaciones realizadas y el paso de la materia prima por subprocesos secuenciales, para obtener diferentes productos.

Descripción del producto y su mercadoLa mezcla de hierro, con carbono concentrado en el intervalo de 0,03 % y el 2,14 % de composición, da origen al acero. Este conserva las características metálicas del hierro en estado puro, pero la adición de carbono y de otros elementos tanto metálicos como no metálicos mejora sus propiedades físico-químicas.

El acero es el metal más común, barato y versátil usado en la industria, posee excelente ductilidad, lo que permite obtener muchas configuraciones de estructura en frío. Es el material más utilizado en industrias, a pesar de su limitada resistencia a la corrosión. También se utiliza para contener la mayoría de químicos orgánicos y soluciones acuosas a temperaturas moderadas.

Por su disponibilidad, bajo costo y facilidad de fabricación el acero es muy versátil, por lo cual es utilizado en diferentes rubros como constructoras, industria automotriz, electrónica, etc.

Actualmente en el mundo la producción de acero es del orden de las 1500 millones de toneladas/año, donde el mayor productor mundial es China, con aproximadamente un 50% de la producción mundial, siendo también el mayor exportador de este material. En Chile la producción anual de CAP acero, es del orden de los 700 mil toneladas de acero en bruto anuales.

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Descripción de los procesos y Tecnologías de producciónEl acero se puede obtener a partir de dos materias primas fundamentales:

1) El arrabio, obtenido a partir de mineral en instalaciones dotadas de alto horno (proceso integral).2) Las chatarras tanto férricas como inoxidables.

El tipo de materia prima condiciona el proceso de fabricación, donde a partir del arrabio, se utiliza el convertidor con oxígeno, mientras que a partir de la chatarra se utiliza un horno de arco eléctrico.

Obtención de acero mediante arrabio

El arrabio es un producto intermedio del proceso de fundición de las menas del hierro tratadas con coque como combustible y caliza como fundente, y es procesado en altos hornos. Tomando como ejemplo el proceso que realiza CAP acero, el cual se compone de las siguientes etapas:

1. Preparación de Materias Primas

Esta etapa incluye la descarga, clasificación, pesaje y almacenamiento de las materias primas necesarias para la fabricación del acero, que básicamente son:

Carbones Metalúrgicos: Que se convierte en Coque, se importa desde países como Australia, Canadá y Estados Unidos.

Mineral de Hierro: Pellets desde Huasco y Los Colorados (III Región) y Granzas producidos en Mina El Romeral (IV Región)

Caliza: Esta materia prima se extrae desde Isla Guarello

2. Planta de Coque

En una batería de 58 hornos el carbón mineral es sometido a un proceso de destilación seca para conseguir coque metalúrgico, como subproducto de este proceso se obtiene un gas de alto poder calorífico, que se reutiliza como combustible en el resto de la planta.

3. Altos Hornos

La reducción del mineral para obtener arrabio, se realiza en los Altos Hornos. Por el tragante (parte superior del horno) se cargan por capas los minerales de hierro, la caliza y el coque.

La inyección de aire precalentado a 1.000 ºC, aproximadamente, facilita la combustión del coque, generando elevadas temperaturas y gases reductores que actúan sobre el mineral y la caliza, transformándolos en arrabio (hierro líquido) y en escoria, respectivamente.

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La colada, que consiste en extraer estos elementos acumulados en el crisol (parte inferior de los altos hornos), se efectúa aproximadamente cada dos horas. El arrabio es recibido en carros torpedo para ser transportado a la Acería de Convertidores al Oxígeno; la escoria, separada del arrabio por su menor densidad.

La escoria es una salida del proceso de producción de acero pero tiene muchos usos comerciales y rara vez se desecha. A menudo se vuelve a procesar para separar algún otro metal que contenga. Los restos de esta recuperación se pueden utilizar como balasto para el ferrocarril y como fertilizante. Se ha utilizado como metal para pavimentación y como una forma barata y duradera de fortalecer las paredes inclinadas de los rompeolas para frenar el movimiento de las olas.

FIGURA 1. Diagrama de bloques que grafica el paso 1, 2 y 3 del proceso de producción de arrabio

4. Desulfurización

Al transportar a la Acería, el arrabio es vaciado a un recipiente, donde se le realiza la desulfuración, esto significa que se elimina el azufre, mediante la inyección de cal y magnesio.

El azufre queda retenido en la escoria resultante y las emisiones son capturadas por un sistema limpiador de gases.

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5. Acería de Convertidores al Oxígeno (CONOX)

En esta etapa se refina el arrabio inyectando oxígeno de alta pureza, se ajusta el contenido de carbono y se agregan ferroaleaciones que aportan las características básicas de cada tipo de acero.

FIGURA 2.diagramas de bloques que grafica el paso 4 y 5 del proceso de fabricación del acero

6. Colada Continua

Previamente se realiza el proceso de Ajuste Metalúrgico para la obtención de acero limpio de impurezas, ajustar la colabilidad y por último obtener una temperatura óptima. Para así dar paso a las máquinas de Colado continua. A través de moles de cobre y enfriamiento directo por agua, se solidifica y enfría, para obtener planchones y palanquillas, productos semiterminados que se procesan en las fases de laminación.

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FIGURA 3.diagrama de bloques que muestra el paso 6 del proceso de producción de acero colada continua

7. Laminación

Desde las palanquillas se inicia el proceso final de laminación, de la cual se obtiene una amplia variedad de productos largos. Las palanquillas son procesadas en los laminadores de barras, donde son sometidas a sucesivas etapas de laminación. Los productos finales son barras rectas y en rollos, lisas y con resaltes, según el uso final se requiera.

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Obtención de acero mediante chatarra

Los procesos en horno de arco eléctrico pueden usar casi un 100% de chatarra metálica como primera materia. La fabricación del acero en horno eléctrico se basa en la fusión de las chatarras por medio de una corriente eléctrica, y al afino posterior del baño fundido.

El horno eléctrico consiste en un gran recipiente cilíndrico de chapa gruesa (15 a 30 mm de espesor) forrado de material refractario que forma la solera y alberga el baño de acero líquido y escoria. El resto del horno está formado por paneles refrigerados por agua. La bóveda es desplazable para permitir la carga de la chatarra a través de unas cestas adecuadas.

Fabricación del acero en Horno Eléctrico

1) Fase de fusión: Una vez introducida la chatarra en el horno y los agentes reactivos y escorificantes (principalmente cal) se desplaza la bóveda hasta cerrar el horno y se bajan los electrodos hasta la distancia apropiada, haciéndose saltar el arco hasta fundir completamente los materiales cargados. El proceso se repite hasta completar la capacidad del horno, constituyendo este acero una colada

2) Fase de afino: El afino se lleva a cabo en dos etapas. La primera en el propio horno y la segunda en un horno cuchara. En el primer afino se analiza la composición del baño fundido y se procede a la eliminación de impurezas, y realizar un primer ajuste de la composición química por medio de la adición de ferroaleaciones que contienen los elementos necesarios (cromo, níquel, molibdeno, vanadio o titanio). El acero obtenido se vacía en una cuchara de colada, revestida de material refractario, que hace la función de cuba de un segundo horno de afino en el que termina de ajustarse la composición del acero y de dársele la temperatura adecuada para la siguiente fase en el proceso de fabricación.

3) La colada continua: Finalizado el afino, la cuchara de colada se lleva hasta la artesa receptora de la colada continua donde vacía su contenido en una artesa receptora dispuesta al efecto. La colada continua es un procedimiento siderúrgico en el que el acero se vierte directamente en un molde de fondo desplazable, cuya sección transversal tiene la forma geométrica del semiproducto que se desea fabricar; en este caso la palanquilla. La artesa receptora tiene un orificio de fondo, o buza, por el que distribuye el acero líquido en varias líneas de colada, cada una de las cuales dispone de su lingotera o molde, generalmente de cobre y paredes huecas para permitir su refrigeración con agua, que sirve para dar forma al producto. Posteriormente se aplica un sistema de enfriamiento controlado por medio de duchas de agua fría primero, y al aire después, cortándose el semiproducto en las longitudes deseadas mediante sopletes que se desplazan durante el corte.

4) La laminación: De forma simple, podríamos describir la laminación como un proceso en el que se hace pasar al semiproducto (palanquilla) entre dos rodillos o cilindros, que giran a la misma velocidad y en sentidos contrarios, reduciendo su sección transversal gracias a la presión ejercida por éstos. En este proceso se aprovecha la ductilidad del acero, es decir, su capacidad de deformarse, tanto mayor cuanto

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mayor es su temperatura. De ahí que la laminación en caliente se realice a temperaturas comprendidas entre 1.250ºC, al inicio del proceso, y 800ºC al final del mismo. Alcanzada la temperatura deseada en toda la masa de la palanquilla, ésta es conducida a través de un camino de rodillos hasta el tren de laminación. Este tren está formado por parejas de cilindros que van reduciendo la sección de la palanquilla. A medida que disminuye la sección, aumenta la longitud del producto transformado y, por tanto, la velocidad de laminación. Las barras ya laminadas se depositan en una gran placa o lecho de enfriamiento. De ahí, son trasladadas a las líneas de corte a medida y empaquetado y posteriormente pasan a la zona de almacenamiento y expedición.

FIGURA 4. Diagrama de bloques que muestra el proceso de fabricación del acero mediante un horno de arco eléctrico.

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Comparación de los procesosLuego de estudiar los principales procesos para la fabricación del acero, podemos hacer una comparación y de esta forma entender las razones que explican la rápida expansión del método del horno arco eléctrico en los últimos años.

El reciclado de chatarra ahorra consumo de materias primas vírgenes y de energía, lo cual es muy beneficioso desde el punto de vista económico como del medio ambiente

El proceso es de alta eficiencia y permite una sencilla extracción de la escoria y además es muy flexible; ya que es un proceso adecuado para la producción de acero de alta como de baja aleación y por tanto permite la obtención de una amplia gama de productos.

Balance de masa

Figura 5. Diagrama del balance de materia: Producción de una tonelada de Arrabio en un Alto Horno.

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El arrabio es la principal materia prima utilizada hoy en día para la producción de acero. En la figura 5 se presenta el diagrama de balance de materia general para un alto horno, para una producción de 1 tonelada de arrabio.

Se consideran un total de 2 entradas y 2 salidas, manteniendo el supuesto de estado estacionario. Para obtener el hierro a partir de sus minerales, es necesario liberar el oxígeno que contienen los minerales mediante un proceso de reducción. El carbono cumple este rol, el cual se encuentra contenido principalmente en el coque y el carbón pulverizado. Además, el hierro entra en forma de mineral sinterizado (el sínter actúa como fundente), mineral granulado y pellets. Por último, es necesario una inyección constante de aire precalentado y presurizado, el cual reacciona con el coque y el carbón para formar una mezcla de monóxido de carbono y nitrógeno.

Como resultado, se obtienen 1000 kg de arrabio, el cual se ubica en el fondo del horno. Sobre éste, se forma escoria, la cual posee una masa aproximada del 30% del arrabio producido.

Los gases de salida consideran la principal fuente de emisión, con altas concentraciones de Nitrógeno, monóxido de carbono y dióxido de carbono.

Balance de Materia General para el proceso.

ENTRADAS

Entrada 1 = Coque 380 kg + Mineral Sinterizado 1160 kg + Mineral Granular 280 kg + Pellets 190 kg

Masa total Entrada Sólidos 1 = 2010 kg.

Xe1= 18,9% Coque

Xe2= 57,7% Mineral

Xe3= 13,9% Granular

Xe4= 9,5% Pelets

Entrada 2:

Volumen inyectado de aire: 995 Nm3/Ton arrabio

Temperatura: 1453 K = 1180 °C

Densidad: 2,9155 kg/m3.

Masa = 2901,01 kg de aire.

147 Kg Carbón pulverizado.

Entrada 2= masa kg aire 2901,01 kg + Carbón pulverizado 147 kg = 3048,01 kg

Xe2.1= 95,177 % aire

Xe2.2= 4,823 % carbón pulverizado

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SALIDAS

Salida 1:

Emisiones de Gas: 3758,08 kg de gas (incluyendo CO+ CO2+N2) / ton arrabio.

Masa total salida 1: 3774,08 kg.

Xs1.1=100% de gases

Salida 2:

Masa total salida 2 = 1000 kg Metal Caliente + 300 kg escoria = 1300 kg.

Xs2.1= 23% en peso de Escoria

Xs2.2= 77% en peso de Metal Caliente

Reacciones presentes en el proceso.

Fe2O3 + 3C => 2Fe + 3CO (Reacción de reducción directa).

Fe2O3 + 3CO => 2Fe + 3CO2 (Reacción de reducción indirecta).

Reacciones consideradas para el balance.

C + 0,5O2 = CO……………....(1)

CaCO3 = CaO + CO2 ………....(2)

Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2 ....(3)

Fe2O3 alimentación = (1000/55.85) * (159,7/2) = 1429,722 kg

Mineral Alimentación = Mineral Sinterizado + Mineral Granulado + Pellets = 1630 kg

C Alimentación = 165 kg + 342 kg = 507 kg Carbono.

O2 Salida = (507/12)*0,5= 21,125 kg-mol

N2 Salida = 21,125* (79/21) = 79,47 kg-mol = 2225,16 kg

Aire = 79,47 *(100/79)= 100,59 kg-mol= 2901,01 kg

CO producido = (507/12) = 42,25 kg-mol

CO reacciona= (507/55,85)*(3/2)= 13,62 kg-mol

CO en gases = 42,25-13,62= 28,63 kg-mol = 801,64 kg

CO2 en gases = CO2 en (2) + CO2 en (3)

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CO2 en gases = 13,62 + 3 = 16,62 kg-mol= 731,28 kg.

Resumen del Balance

Con un margen de error mínimo del 0,00001%, se cumple el supuesto de estado estacionario para la producción de una tonelada de arrabio. Notar la gran cantidad de masa emitida por los gases, los cuales alcanzan en conjunto las 3,7 toneladas. Estos gases son recuperados para ser reutilizados como combustible en la planta siderúrgica.

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SALIDA Masa ( Kg )

CO 801,64

CO2 731,28

N2 2225,16

Escoria 300

Hierro 1000

TOTAL Salida

5058,08

ENTRADA Masa ( Kg )

Mineral 1630

Coque 380

Carbón Pulverizado

147

Aire 2901,01

TOTAL Entrada

5058,01

Alternativas de equipos en las operaciones unitarias

Proceso Purofer

Una de las alternativas de equipo para el proceso de alto horno es el proceso de Purofer que consiste en lo siguiente:

Procedimiento:

A diferencia del alto horno, este utiliza para su proceso en general combustible que consiste en petróleo pesado.

Se carga mineral en granos de alta calidad por medio de un elevador inclinado a un horno de cuba lo que se considera como una de las entradas, por debajo entra una corriente de gas reductor al horno como una inyección de mezcla de CO Y H2 presurizado lo que podemos considerar como una segunda entrada, atraviesa el mineral y lo calienta a temperatura de la reacción (900 a 1050°C) reduciendo el contenido.

El producto de todo este proceso es el hierro con un contenido como tal del 92 al 96%, luego este por medio del horno de arco eléctrico se transforma en acero.

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Desempeño, rendimiento y productividad

El desempeño del proceso de producción de arrabio en los altos hornos, está definido principalmente por las capacidades del horno, el tipo y calidad de las materias primas utilizadas, y la cantidad de arrabio que se puede producir por día.

En la actualidad los altos hornos más grandes tienen alrededor de una altura total de 80 m, con una altura del cuerpo del horno de 35 m y un diámetro interno máximo de alrededor de 16m, y un volumen interno de alrededor de 5,200 m3. Un horno de este tamaño puede producir aproximadamente 10,000 toneladas de arrabio por día

Utilizando este dato, para un horno de similares características, se puede definir el rendimiento con referencia a 10,000 toneladas de arrabio por día.

Rendimiento = toneladas producidas por dia10.000 toneladas por dia

Para obtener una tonelada de arrabio, existen multitud de combinaciones de materias primas que logran el mismo resultado, a la vez que se comprende que la calidad de éstas varía dependiendo de la pureza y los grados de concentración de los elementos, de ésta manera se puede definir la productividad de una tonelada de arrabio como:

Productividad= tonelada dearrabio

kgde insumo

De esta manera, separando los insumos como las 3 principales materias primas y considerando su costo por kilo, tenemos:

Productividad= tonelada dearrabio

(kg de mineral∗precio del kg mineral)+ (kgcoque∗precio kgde coque )+(kgcaliza∗preciode kg caliza)

Se obtiene la cantidad de toneladas de arrabio por cada peso gastado en insumos, lo que nos indicaría el rendimiento de nuestra inversión en materias primas respecto a lo producido.

Si incluimos la totalidad de los costos incluyendo la mano de obra y los costos de preparación de la caldera, así como la utilización de las máquinas la productividad total quedaría.

tonelada dearrabio

(kgd e insumo∗$ kg insumo )+(tiempo maquinas( hrton )∗$horamaquina)+(mano obra( hr

ton )∗$ hr hombre)+(Kwhconsumidos∗$ Kwh)

Es decir, con esta medida se puede obtener la cantidad de toneladas de arrabio, por cada peso invertido en los costos totales de producción.

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