Principio de la descarburización con argón y oxígeno en hornos AOD para acero inoxidable

Principio de la descarburización con argón y oxígeno en hornos AOD para acero inoxidable

La descarburización con argón y oxígeno del acero líquido, abreviada como método AOD (argon oxygen decarburization), se utiliza principalmente en el refinamiento secundario del acero inoxidable. En 1968, la compañía Specialty Steel construyó y puso en funcionamiento el primer horno AOD de 15 toneladas del mundo. En septiembre de 1983, Taiyuan Iron and Steel Company construyó el primer horno AOD de 18 toneladas de producción nacional en China. En 1987, se puso en funcionamiento un segundo horno AOD. Para 2007, más del 70% de la producción total mundial de acero inoxidable se realizaba mediante el método AOD.

El método AOD utiliza gases de argón y oxígeno para soplar el acero líquido, generalmente en forma de gas mezclado que se inyecta desde el fondo lateral del horno hacia el baño fundido, aunque también existen métodos de inyección separada simultánea. Durante el proceso de soplado, 1 mol de oxígeno reacciona con el carbono en el acero para producir 2 moles de CO, pero 1 mol de argón pasa a través del baño fundido sin cambios, escapando como 1 mol de gas, reduciendo así la presión parcial de CO en la parte superior del baño fundido. Debido a que la presión parcial de CO se diluye y disminuye por el argón, esto favorece en gran medida la descarburización y retención de cromo durante la producción de acero inoxidable. El principio básico de la descarburización con argón y oxígeno es similar a la descarburización al vacío: uno utiliza condiciones de vacío para reducir la presión parcial del producto de descarburización CO, mientras que el soplado de argón y oxígeno utiliza el método de dilución de gas para reducir la presión parcial de CO, por lo que no requiere equipos de vacío costosos. Por eso, algunos lo llaman el método de vacío simplificado.

1. Estructura del equipo del horno AOD

El equipo del horno AOD consiste principalmente en el cuerpo principal del horno AOD, el mecanismo de inclinación del horno, el sistema de campana móvil, el sistema de suministro de gas y carga de aleaciones, etc. Dado que el horno de refinación de argón-oxígeno no tiene fuente de calentamiento externa y el tiempo de refinación es relativamente corto, es necesario equiparlo con instrumentos para análisis químico rápido y medición de temperatura. Sin embargo, sus parámetros de proceso son relativamente estables, lo que permite el uso de computadoras para controlar automáticamente la operación de refinación.

El cuerpo del horno AOD tiene una forma similar a un convertidor y también se puede modificar a partir de un convertidor. Está montado en un anillo de soporte giratorio conectado a un eje de accionamiento de inclinación, y el recipiente puede girar 180° hacia adelante y 180° hacia atrás a velocidad variable. El revestimiento interior del horno está construido con productos refractarios especiales, y las dimensiones aproximadas son: profundidad del baño : diámetro interior : altura = 1 : 2 : 3. La parte inferior del horno está diseñada como un cono con un ángulo de inclinación de 20°, con el propósito de permitir que el gas introducido se eleve lejos de la pared del horno, evitando la erosión de la pared del horno por encima de las toberas. La parte lateral inferior del horno tiene 2 o más toberas (también llamadas boquillas o inyectores) para la inyección de gas en el baño fundido. Cuando se carga o se vierte el acero, el cuerpo del horno se inclina hacia adelante para asegurar que las toberas queden por encima de la superficie del acero líquido, mientras que durante el soplado normal, las toberas deben estar sumergidas en la parte profunda del baño fundido. La tapa del horno generalmente tiene forma cónica simétrica y a menudo se fabrica con hormigón refractario apisonado o se construye con ladrillos, y se fija al cuerpo del horno con pernos. Además de prevenir salpicaduras, la tapa del horno también puede servir como embudo para la carga y colada del acero.

Actualmente, los hornos de refinación de argón-oxígeno utilizan lanzas (boquillas de soplado) refrigeradas de doble capa o estructura de tres capas para suministrar gas al baño fundido. El tubo interno de cobre de la lanza se utiliza para soplar la mezcla de gas argón-oxígeno para la descarburización, mientras que el tubo externo suele ser de acero inoxidable y sopla refrigerante a través del espacio intermedio. El refrigerante utilizado durante el soplado es generalmente argón, que se cambia a aire comprimido o nitrógeno durante los intervalos de colada o carga, y también se puede usar aceite combustible doméstico para reducir el consumo de argón y mejorar el efecto de enfriamiento. El número de lanzas suele ser de 2 o de 3 a 5, pero un mayor número de lanzas reducirá la vida útil del revestimiento del horno.

El sistema de control del horno AOD, además de los dispositivos mecánicos de inclinación y desempolvado, también tiene un sistema de control de regulación de la fuente de gas. La campana de desempolvado en la parte superior del horno AOD es de tipo rotativo. El sistema de control de regulación de la fuente de gas del horno AOD se utiliza para controlar, mezclar y medir los gases como argón, oxígeno y nitrógeno utilizados, a través de medidores de flujo, válvulas reguladoras y otros dispositivos, para lograr el flujo y la proporción de argón-oxígeno deseados. Esto permite cambiar automáticamente a aire comprimido o nitrógeno durante los intervalos de no soplado. Debido al corto tiempo de soplado de oxígeno y la falta de una fuente de calentamiento auxiliar, es necesario equipar con instrumentos de análisis espectral rápido y medición continua de temperatura. El sistema de adición de ferroaleaciones, cal y materiales de enfriamiento para el horno AOD es similar al utilizado en los convertidores, principalmente con alimentadores, tolvas de pesaje y equipos de transporte.

Generalmente, el método AOD se combina con hornos de arco eléctrico para formar una producción acoplada «horno de arco eléctrico – horno AOD», aunque a veces el convertidor también puede usarse para la fusión inicial. La carga del horno de arco eléctrico consiste principalmente en acero inoxidable, virutas y ferrocromo de alto carbono. El proceso de producción implica la fusión de chatarra de acero, ferrocromo de alto carbono y otros materiales en el horno de arco eléctrico, y luego la transferencia del metal líquido base al AOD para su refinación. El metal líquido base del horno de arco eléctrico que entra en el convertidor AOD se refina mediante la inyección de una mezcla de gas argón-oxígeno, en condiciones muy cercanas al equilibrio C-Cr-T-Pco.

Las principales ventajas de la refinación con argón-oxígeno son:
(1) Bajo costo, la refinación con argón-oxígeno del acero líquido puede utilizar materias primas económicas como ferrocromo de alto carbono y virutas de acero inoxidable.
(2) La combinación del horno de refinación con argón-oxígeno y el horno de arco eléctrico puede aumentar la capacidad de producción del horno de arco eléctrico, es decir, un horno de arco eléctrico más un horno AOD equivale a dos hornos de arco eléctrico.
(3) El equipo del horno de refinación con argón-oxígeno es simple, con bajos costos de inversión en infraestructura y mantenimiento. La inversión en equipos es más de la mitad menor que el método VOD.
(4) La operación del horno de refinación con argón-oxígeno es sencilla, y en la producción de acero inoxidable, la tasa de recuperación de cromo es alta, alcanzando aproximadamente el 97%.
(5) Después de la refinación con argón-oxígeno, debido al fuerte efecto de agitación del argón, el contenido de azufre en el acero es bajo, pudiendo producir acero inoxidable de ultra bajo azufre con w[S] ≤ 0.001%.
(6) Después de la refinación con argón-oxígeno, el contenido promedio de oxígeno en el acero es 40% más bajo que el producido solo con horno de arco eléctrico, lo que no solo ahorra desoxidantes sino que también reduce la contaminación por inclusiones no metálicas en el acero. El contenido de hidrógeno es 25%-65% más bajo que el producido solo con horno de arco eléctrico, y el contenido de nitrógeno es 30%-50% más bajo, lo que resulta en una calidad de acero superior a la del acero líquido producido solo con horno de arco eléctrico.

La mayor desventaja del AOD es el alto consumo de argón. Su costo representa más del 20% del costo de producción de acero inoxidable mediante AOD. El consumo de argón en la producción de acero inoxidable común mediante AOD es de aproximadamente 11-12 m³/t, y para acero inoxidable de ultra bajo carbono es de 18-23 m³/t, lo cual es una cantidad enorme. Además, la vida útil del revestimiento del horno AOD es baja, generalmente solo unas decenas de coladas, y en China, incluso los mejores solo duran cien o doscientas coladas.