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Experiencias y resultados alcanzados en los BOF´s de AHMSA al fabricar en casa sus propias escorias sintéticas.

Vélez N. Luis J. Zamora G. Hervey. De León Homero. Flores V. Fernando A.

*Investigador Tecnológico de la gerencia de Tecnología

*Ingeniero de procesos de BOF 2

*Superintendente de producción de BOF 1

*Administrador de pruebas de la gerencia de desarrollo de proveedores

* Altos Hornos de México S.A. Monclova, Coah. México

Durante 2002 Altos Hornos de México encontró el camino apropiado para fabricar sus propias escorias sintéticas de cobertura para las ollas de acero líquido, dirigido a dar cumplimiento a una política extrema de reducción de costos, mantener la mejora continua en los procesos y la calidad de los productos con cero inversiones.

Para alcanzar estos objetivos se aprovecharon al máximo la infraestructura física de los talleres BOF´s para el manejo y el uso de los componentes de la escoria sintética, se estableció una filosofía de confeccionar las escorias a la medida de los operadores; el beneficio principal fue una reducción de costos mayor que 60% por concepto de escorias sintéticas, el reciclaje exitoso de las escorias reducidas de horno olla como fuentes de aluminato de calcio, un buen control en el desgaste de las líneas de escoria de las ollas de acero, mayores facilidades de desulfuración en el horno olla y una mejor limpieza del acero.

Palabras clave: Escorias sintéticas, Cal, Aluminato de calcio, limpieza de acero. Reducción de costos.

Altos Hornos de México S.A cuenta con 3 convertidores de 80 toneladas de capacidad en su taller BOF 1 y 2 Convertidores de 150 toneladas en su taller BOF y CC. Su producción de acero líquido fue de 0.4 y 2.5 millones de TAL respectivamente en cada taller durante 2001. Todo el acero líquido fabricado en BOF 1 se transporta hacia las máquinas de Colada Continua de BOF y CC que cuenta con tres máquinas de 2 hilos cada una, 2 hornos olla y una estación de Recalentamiento químico.

Durante 1996 Ahmsa implementó en sus procesos de vaciado de los convertidores a la olla de acero el uso de escorias sintéticas que sustituyeron al uso de cal y Fluorita, se desarrolló una ingeniería de escorias que abarcó desde el vaciado del acero con escorias acondicionadoras hasta los hornos ollas donde se formularon escorias reductoras y aditivos reductores de escoria base aluminio y base carburo de calcio. Mas tarde se implementó el uso de aluminato de calcio en las prácticas de refinación secundaria a efectos de alcanzar desulfuración extrema en períodos muy cortos de tiempo al inaugurar el horno olla 2 en abril del 2000.

La confección y manipulación de las escorias se puso en manos de los proveedores quienes desarrollaron sus productos conforme se alcanzaron metas de control de calidad perseguidas hasta ese momento. La composición química media de las escorias comerciales se ajustó principalmente a las publicadas en la literatura. Sin embargo, el personal de procesos de los talleres BOF´s desarrollaron prácticas de acondicionamiento de estas a través de su color y apariencia conforme a su estado de oxidación. Como se muestra en la tabla I.

Tabla I. Nivel de oxidación de escoria

Esto permitió establecer prácticas operativas insitu de acondicionamiento de escorias en el horno olla durante la refinación del acero. Sin embargo, la eficiencia y la rapidez de estas operaciones dependen fuertemente del estado de la escoria inicial que proviene después de la vaciada, motivo principal de hacer una buena selección de la escoria objetivo.

La escoria objetivo o escoria meta es la escoria perseguida a obtener en la olla antes de ir al horno olla pero después del tratamiento de homogeneización química y térmica del acero líquido con la olla de acero, conseguida con la energía de agitación aportada por la inyección de Ar gas y que permite mezclar y disolver todos los materiales agregados durante la vaciada como son los desoxidantes, las ferroaleaciones y los fundentes. El control de paso de escoria es la operación crítica que dará definición a la escoria de la olla y que es el motivo para confeccionar una escoria sintética cuya misión es equilibrar o contrarrestar los efectos del paso de escoria siderúrgica y alcanzar la composición química de la escoria objetivo.

Un balance de masa permite definir la composición química media requerida como escoria sintética si se logra establecer los rangos de alúmina formada por las prácticas de desoxidación, la composición química y cantidad de escoria siderúrgica que pasa a la olla durante el vaciado.

finalmente un último factor de diseño es el balance de MgO a efectos de minimizar el desgaste del revestimiento refractario de las ollas de acero, principalmente las líneas de escoria.

Este trabajo se desarrolló con estas consideraciones en el momento en que la directriz de AHMSA estableció como prioritaria una reducción extrema de costos en el taller y en este sentido, con la misión de mejorar aún mas la calidad de los productos y sin hacer inversiones.

La composición química objetivo busca el área líquida dentro del diagrama ternario CaO-Al₂O₃ -SiO_{2 .}

La experiencia de utilizar escorias sintéticas a través de proveedores nos permitió conocer y evaluar la precisión y dificultades para alcanzar esta zona que se muestra en la figura 1.

Figura 1 Diagrama CaO-Al₂O₃ -SiO₂

La relación de disolución de las cales en presencia de MgO se estableció con un diagrama binario que relaciona a todos los componentes de la escoria y la temperatura del sistema para describir la solubilidad de las cales en función de la alúmina presente, como se muestra en la figura 2, este diagrama es muy práctico y se ajusta bastante bien a nuestro proceso. Los rangos de trabajo de MgO en la escoria son críticos para la operación ya que es un fuerte endurecedor de la escoria.

La composición química que favorece mayormente las operaciones de refinación secundaria en la mayoría de nuestros tratamientos se muestra en la tabla II.

Tabla II Escoria objetivo para la olla

Esta composición química objetivo permite formular por diferencia en el balance de masa la formulación y confección de la escoria sintética que se incorpora a la olla durante el vaciado.

Una composición media de la escoria sintética como la que se formula en el piso de operación de BOF Y CC se muestra en la tabla III.

Tabla III Composición química promedio de la escoria sintética

El objetivo y el alcance de esta escoria que se adiciona durante el vaciado después de desoxidantes y ferroaleaciones es aislar térmicamente al metal líquido del medio ambiente, protegerlo de la atmósfera, auxiliar en la remoción de inclusiones de alúmina, favorecer o facilitar la modificación parcial de la forma de los óxidos, alcanzar una desulfuración moderada y desde luego estar en casi una condición final para desulfuración extrema en horno olla.

La construcción de la escoria incluye factores operativos como su manejo, granulometría y principalmente su disolución en la olla durante el vaciado. La disolución en la olla no siempre se alcanza en un 100%, ya que depende de varios factores operativos como el tiempo de vaciado, Temperatura del líquido, orden y cantidad de adiciones y si es vaciado con Al o sin aluminio, sin embargo se procura apoyar a la disolución de la escoria con su granulometría, agitación que concede el chorro del acero, agitación con Ar y balance químico que de manera práctica permite establecerse con el diagrama de la figura 2.

Fig. 2 Solubilidad del CaO y MgO en función de Al₂O₃ en escorias a base de CaO-Al₂O₃ -MgO-SiO₂ a 1600 °C.

La polución por finos o gases generados durante el vaciado con la adición de la escoria sintética, por alguna desviación en la granulometría o de composición química fue medida a través de un monitoreo bajo la norma NOM-010 STPS que cubre el aspecto A-11 y A- 14 de la norma ISO 14000 de AHMSA y cuya condición es de 10 mgr/m3 máximo. Los valores obtenidos nunca pasaron de 3 mgr/m3.

La formulación de las escorias sintéticas en el área de operación se revisó en ambos sentidos; logística de opera-ciones y manejo de los ingredientes, experimentos de evaluación permitieron establecer el desempeño de las escorias formuladas por el balance de masa para alcanzar el mayor número de veces posible la composición química de la escoria objetivo.

Los ingredientes principales de la escoria sintética se muestran en la tabla IV. La cal C es el ingrediente principal de la escoria sintética, esta llega al taller y se carga a la tolva de fundentes de igual manera que las cales tipo A y B para los Convertidores, su descarga esta dirigida hacia una tolva que se desplaza con la ayuda de un montacargas, que completa su carga desplazándose en el mismo piso de operación para recibir el resto de los ingredientes y dirigirse hacia la zona de vaciado donde termina descargado por la parte inferior de la misma. La figura 3 muestra esquemáticamente la manera anterior y el nuevo método de manejo de escorias sintética en el piso de Convertidores.

Tabla IV Ingredientes principales para formular las escorias sintéticas

Las formulaciones principales de trabajo son Cal "C" + CaF2 y Cal "C" + CaF2 + Aluminato para BOF 2 y Cal C + Aluminato para BOF 1.

Figura 3. Movimientos de manejo de escoria actual con respecto al anterior

La figura 3 muestra los principales movimientos antes y después de la confección de las escorias sintéticas en el taller BOF. Las escorias sintéticas compradas normalmente tienen una presentación en supersacos de 800 y 1300 kg. montadas sobre tarimas de madera, su manejo comprendía los siguientes pasos:

Recepción en almacén general descargar cada supersaco con montacargas y situarlo en orden cronológico.

Enviar 3 lotes diarios hacia recepción del taller BOF apoyado por montacargas y camión interior

Ascenso de materiales hacia el piso de operación (nivel 9 mts) a través de elevador de materiales con apoyo de montacargas máximo de 2 supersacos por cada evento.

Mantener un stock de supersacos de escorias sintéticas en el piso de operación para cada turno

Después de su uso recuperar la envoltura y la tarima de madera, apoyados por montacargas y camión.

Estos eventos quedaron totalmente eliminados y actualmente cada uno de los ingredientes se reciben de manera similar a los fundentes y ferroalea-ciones a granel, es decir los camiones no pasan por almacén general, estos descargan directamente en las bandas de ascenso hacia las tolvas de los pisos superiores del 9 m y serán descargados por gravedad Aprovechando la infraestructura instalada del taller tuvimos impactos positivos en renta de camiones, diesel, almacenamiento y de personal.

La composición química de las escorias en la olla de acero después de tratamiento de Ar, se muestrean por grupos en los diagramas ternarios CaO-Al₂O₃ -MgO-SiO₂ de la figura 4 a partir del 2000 y hasta septiembre de 2002

Figura 4 (a) Composición química de las escorias en la olla de acero durante el año 2000.

Los valores en la figura 4 presentan que tan cerca o alejados de la zona objetivo se ha alcanzado con el uso de las escorias sintéticas compradas versus las escorias sintéticas manufacturadas en el taller a partir de marzo de 2002.

Figura 4 (b) Composición química de las escorias en la olla de acero durante el año 2001.

En la medida que se confeccionaron las escorias en el taller hemos alcanzado mayor acertividad hacia la escoria objetivo como se muestra en la figura 4 ( c) con respecto a las anteriores. Esto es el resultado del grado de libertad que otorga la confección insitu.

Figura 4 (c) Composición química de las escorias en la olla de acero durante el año 2002.

3. Vida de olla

El impacto de la escoria sobre la vida refractaria de la olla de acero esta dada principalmente por el ataque sobre las líneas de escoria cuya composición base es MgO-C. Sin embargo, mantener valores del orden de 7 a 8% permite que la escoria no tenga tanta avidez de ataque. El contenido de MgO en la cal C tiene esa función y su desempeño se observa en al figura 5

Figura 5 vida promedio de olla por campaña en los últimos 3 años.

Limpieza de acero

A partir del segundo semestre del año 2000 se monitorea el índice de limpieza en acero líquido y producto terminado para efectos de control de procesos bajo la norma ASTM E-45, de estas mediciones se toman muestras metálicas en los moldes de las tres máquinas de

colada continua al inicio y al final de cada secuencia, para grados especiales se muestrea igual en el molde pero para cada olla de la secuencia y sus equivalente en producto terminado

Los resultados del monitoreo diario de limpieza de acero líquido en molde se muestran en la figura 6, los resultados

revelan una ganancia en la limpieza del acero líquido durante 2002. Un trabajo de caracterización de inclusiones ha corroborado estos resultados, mostrando inclusiones no metálicas de sulfuros de Mn y alúminas, con un tamaño medio de 10 micras.

Figura 6. Indice de limpieza en acero de las 3 máquinas de Colada Continua.

Control de calidad en producto terminado

La reducción de los contenidos de FeO y MnO en las escorias han tenido un impacto directo sobre la presencia de slivers o laminaciones en producto terminado, principalmente en los grados bajo carbón, como se muestra en la figura 7.

Figura 7 Indice de rechazos de producto terminado por concepto de laminaciones.

Figura 8 Reducción de costo porcentual por concepto de escorias sintéticas para la olla de acero.

La reducción de costos por el concepto de escorias sintéticas para la olla de acero fue el motivo principal del trabajo. Dejar de comprar escorias sintéticas, para fabricarlas en el propio taller ha dejado un saldo bastante positivo que se muestra en la figura 8. Esta revela inicialmente que en los 2 primeros meses existe un aumento en el costo al usar 100% escoria AHMSA, debido a los ajustes tanto operativos como de formulaciones, en cambio en el resto de los meses se aprecia una pronunciada baja en el costo al emplear la escoria AHMSA.

Los ahorros son sustanciales y mayores de los que se esperaba.

Las escorias sintéticas para adicionarse durante el vaciado se fabrican exitosamente en los talleres BOF´s de altos hornos de México desde marzo de 2002.

Su fabricación y su manejo no requirió inversiones ya que se aprovecho totalmente y de una manera simple las instalaciones de los talleres.

Se alcanzaron muy buenos resultados en el control químico de las escorias y su desempeño durante los procesos de refinación secundaria, como facilitar la desulfuración extrema.

La limpieza del acero y el índice de rechazos en producto terminado no solo se mantuvieron, sino también fueron mejorados respectivamente. En este caso fue aprovechada al máximo la ingeniería de escorias establecida 2 años atrás.

Se reconoció un ahorro real de casi 2 millones de Dólares al año.

Benefits of the use of synthetics slag in secondary treatment of steel at AHMSA´s BOF & CC Shop. Nepthali Calvillo and Luis Ochoterena, marzo 1999 ISS Proceeding.

Clean Steel Technology Short Course. R J. Fruehan, October 1996, Monclova, Coah.