La fabricación de acero es el proceso de producción de acero a partir de mineral de hierro y / o chatarra . En la fabricación de acero, las impurezas como nitrógeno , silicio , fósforo , azufre y el exceso de carbono (la impureza más importante) se eliminan del hierro de origen, y se agregan elementos de aleación como manganeso , níquel , cromo , carbono y vanadio para producir diferentes grados de acero . Limitar los gases disueltos como el nitrógeno y el oxígeno.e impurezas arrastradas (denominadas "inclusiones") en el acero también es importante para asegurar la calidad de los productos fundidos del acero líquido . [1]
La fabricación de acero existe desde hace milenios, pero no se comercializó a gran escala hasta finales del siglo XIV . Un antiguo proceso de fabricación de acero fue el proceso de crisol . En las décadas de 1850 y 1860, el proceso Bessemer y el proceso Siemens-Martin convirtieron la fabricación de acero en una industria pesada . Hoy en día existen dos procesos comerciales importantes para fabricar acero, a saber, la fabricación de acero con oxígeno básico , que tiene arrabio líquido del alto horno y chatarra de acero como materia prima principal, y la fabricación de acero con horno de arco eléctrico (EAF), que utiliza chatarra de acero o acero directo. hierro reducido (DRI) como principal materia prima. La fabricación de acero con oxígeno se alimenta principalmente de la naturaleza exotérmica de las reacciones dentro del recipiente; por el contrario, en la fabricación de acero EAF, se utiliza energía eléctrica para fundir la chatarra sólida y / o los materiales DRI. En los últimos tiempos, la tecnología de fabricación de acero EAF ha evolucionado más cerca de la fabricación de acero con oxígeno a medida que se introduce más energía química en el proceso. [2]
La siderurgia es una de las industrias con mayor emisión de carbono del mundo. A partir de 2020 [actualizar], se estima que la producción de acero es responsable del 7 al 9 por ciento de todas las emisiones directas de gases de efecto invernadero de combustibles fósiles . [3] Para mitigar el calentamiento global, la industria necesitará encontrar reducciones en las emisiones. [4] En 2020, McKinsey identificó una serie de tecnologías para la descarbonización, incluido el uso de hidrógeno, la captura y reutilización de carbono y la maximización del uso de hornos de arco eléctrico alimentados por energía limpia. [4]
Historia
La siderurgia ha jugado un papel crucial en el desarrollo de sociedades tecnológicas antiguas, medievales y modernas. Los primeros procesos de fabricación de acero se realizaron durante la era clásica en el Irán antiguo , la China antigua , la India y Roma, pero el proceso de fabricación de acero antiguo se perdió en Occidente después de la caída del Imperio Romano Occidental en el siglo V d.C. [5]
El hierro fundido es un material duro y frágil que es difícil de trabajar, mientras que el acero es maleable, se forma con relativa facilidad y es un material versátil. Durante gran parte de la historia de la humanidad, el acero solo se ha fabricado en pequeñas cantidades. Desde la invención del proceso Bessemer en el siglo XIX y los posteriores desarrollos tecnológicos en la tecnología de inyección y el control de procesos , la producción en masa de acero se ha convertido en una parte integral de la economía global y un indicador clave del desarrollo tecnológico moderno. [6] El primer medio de producción de acero fue el florecimiento .
Los primeros métodos modernos de producción de acero solían ser artes intensivas y altamente calificadas. Ver:
- forja de galas , en la que el proceso de las galas alemanas podría gestionarse para producir acero.
- acero blister y acero al crisol .
Un aspecto importante de la Revolución Industrial fue el desarrollo de métodos a gran escala para producir metales forjables ( barras de hierro o acero). El horno de encharcamiento fue inicialmente un medio para producir hierro forjado, pero luego se aplicó a la producción de acero.
La verdadera revolución en la fabricación de acero moderna no comenzó hasta finales de la década de 1850, cuando el proceso Bessemer se convirtió en el primer método exitoso de fabricación de acero en grandes cantidades seguido del horno de hogar abierto .
Procesos modernos
Los procesos modernos de fabricación de acero se pueden dividir en dos categorías: primarios y secundarios.
La producción de acero primaria implica convertir el hierro líquido de un alto horno y chatarra de acero en acero mediante la fabricación de acero con oxígeno básico , o fundir chatarra de acero o hierro de reducción directa (DRI) en un horno de arco eléctrico.
La fabricación secundaria de acero implica el refinado del acero bruto antes de la fundición y las diversas operaciones se llevan a cabo normalmente en cucharas. En la metalurgia secundaria, se agregan agentes de aleación, se reducen los gases disueltos en el acero y se eliminan o alteran químicamente las inclusiones para garantizar que se produzca acero de alta calidad después de la fundición. [7]
Fabricación de acero primaria
La fabricación de acero con oxígeno básico es un método de fabricación de acero primario en el que el arrabio fundido rico en carbono se convierte en acero. Soplar oxígeno a través de arrabio fundido reduce el contenido de carbono de la aleación y lo convierte en acero. El proceso se conoce como básico debido a la naturaleza química de los refractarios ( óxido de calcio y óxido de magnesio) que recubren el recipiente para resistir la alta temperatura y la naturaleza corrosiva del metal fundido y la escoria en el recipiente. La química de la escoria del proceso también se controla para garantizar que las impurezas como el silicio y el fósforo se eliminen del metal.
El proceso fue desarrollado en 1948 por Robert Durrer , usando un refinamiento del convertidor Bessemer donde el soplado de aire se reemplaza con el soplado de oxígeno . Redujo el costo de capital de las plantas y el tiempo de fundición, y aumentó la productividad laboral. Entre 1920 y 2000, las necesidades de mano de obra en la industria se redujeron en un factor de 1000, de más de 3 horas-hombre por tonelada a solo 0,003 horas-hombre. La gran mayoría del acero fabricado en el mundo se produce utilizando el horno de oxígeno básico; en 2011, representó el 70% de la producción mundial de acero. Los hornos modernos se encargan de la carga de hierro de hasta 350 toneladas y lo convierten en acero en menos de 40 minutos en comparación con las 10-12 horas en un horno de solera abierta . [8]
La fabricación de acero con horno de arco eléctrico es la fabricación de acero a partir de chatarra o hierro de reducción directa fundido por arcos eléctricos . En un horno de arco eléctrico, se puede iniciar un lote de acero ("calor") cargando chatarra o hierro reducido directo en el horno, a veces con un "talón caliente" (acero fundido de un calor anterior). Se pueden usar quemadores de gas para ayudar con el derretimiento de la pila de chatarra en el horno. Al igual que en la fabricación de acero con oxígeno básico, también se agregan fundentes para proteger el revestimiento del recipiente y ayudar a mejorar la eliminación de impurezas. La fabricación de acero con horno de arco eléctrico generalmente utiliza hornos con una capacidad de alrededor de 100 toneladas que producen acero cada 40 a 50 minutos para su posterior procesamiento. [8]
Siderurgia secundaria
La fabricación secundaria de acero se realiza con mayor frecuencia en cucharas . Algunas de las operaciones realizadas en cucharones incluyen desoxidación (o "muerte"), desgasificación al vacío, adición de aleaciones, eliminación de inclusiones, modificación de la química de las inclusiones, desulfuración y homogeneización. Ahora es común realizar operaciones metalúrgicas con cucharón en cucharones agitados por gas con calentamiento por arco eléctrico en la tapa del horno. El estricto control de la metalurgia de la cuchara se asocia con la producción de altos grados de acero en los que las tolerancias en química y consistencia son estrechas. [7]
Fabricación de acero HIsarna
En el proceso de fabricación de hierro HIsarna, el mineral de hierro se procesa casi directamente en hierro líquido o metal caliente . El proceso se basa en un tipo de alto horno llamado horno convertidor de ciclón , que permite omitir el proceso de fabricación de pellets de arrabio que es necesario para el proceso básico de fabricación de acero con oxígeno . Sin la necesidad de este paso preparatorio, el proceso HIsarna es más eficiente energéticamente y tiene una menor huella de carbono que los procesos tradicionales de fabricación de acero.
Emisiones de dióxido de carbono
A partir de 2020[actualizar], se estima que la producción de acero es responsable del 7 al 9 por ciento de todas las emisiones directas de gases de efecto invernadero de los combustibles fósiles . [3] La fabricación de 1 tonelada de acero produce alrededor de 1,8 toneladas de dióxido de carbono. [9]
La mayor parte de las emisiones de la fabricación de acero resulta del proceso industrial en el que se utiliza carbón como fuente de carbono que elimina el oxígeno del mineral de hierro en la siguiente reacción química, que se produce en un alto horno : [10]
Fe 2 O 3 (s) + 3 CO (g) → 2 Fe (s) + 3 CO 2 (g)
Las emisiones adicionales de dióxido de carbono resultan de la fabricación de acero con oxígeno básico , la calcinación y la explosión de calor .
Alto horno
Para fabricar acero puro, se necesitan hierro y carbono. Por sí solo, el hierro no es muy fuerte, pero una baja concentración de carbono, menos del 1 por ciento, dependiendo del tipo de acero, le da al acero sus importantes propiedades. El carbono del acero se obtiene del carbón y el hierro del mineral de hierro . Sin embargo, el mineral de hierro es una mezcla de hierro y oxígeno y otros oligoelementos. Para fabricar acero, es necesario separar el hierro del oxígeno y agregar una pequeña cantidad de carbono. Ambos se logran fundiendo el mineral de hierro a una temperatura muy alta (1.700 grados Celsius o más de 3.000 grados Fahrenheit) en presencia de oxígeno (del aire) y un tipo de carbón llamado coque . A esas temperaturas, el mineral de hierro libera su oxígeno, que es arrastrado por el carbono del coque en forma de dióxido de carbono.
Fe 2 O 3 (s) + 3 CO (g) → 2 Fe (s) + 3 CO 2 (g)
La reacción se produce debido al estado de energía más bajo (favorable) del dióxido de carbono en comparación con el óxido de hierro, y se necesitan altas temperaturas para lograr la energía de activación para esta reacción. Una pequeña cantidad de carbono se une al hierro, formando arrabio , que es un intermediario antes que el acero, ya que tiene un contenido de carbono demasiado alto, alrededor del 4%. [11]
Descarburación
Para reducir el contenido de carbono en el arrabio y obtener el contenido de carbono deseado del acero, el arrabio se vuelve a fundir y se inyecta oxígeno en un proceso llamado fabricación de acero con oxígeno básico , que se realiza en una cuchara . En este paso, el oxígeno se une al carbono no deseado, llevándolo en forma de gas dióxido de carbono, una fuente adicional de emisiones. Después de este paso, el contenido de carbono en el arrabio se reduce suficientemente y se obtiene acero.
Calcinación
Otras emisiones de dióxido de carbono resultan del uso de piedra caliza , que se funde a altas temperaturas en una reacción llamada calcinación , que tiene la siguiente reacción química.
CaCO 3 (s) → CaO (s) + CO 2 (g)
Por lo tanto, el carbono de la piedra caliza se libera en forma de dióxido de carbono, lo que la convierte en una fuente adicional de emisiones. El óxido de calcio actúa como un fundente químico , elimina las impurezas en forma de escoria . Por ejemplo, el óxido de calcio puede reaccionar para eliminar las impurezas de óxido de silicio:
SiO 2 + CaO → CaSiO 3
Este uso de la piedra caliza para proporcionar un fundente se produce tanto en el alto horno (para obtener arrabio) como en la fabricación de acero al oxígeno básico (para obtener acero).
Explosión caliente
Más emisiones de dióxido de carbono resultan de la explosión caliente , que se utiliza para aumentar el calor del alto horno. El chorro de aire caliente bombea aire caliente al alto horno donde el mineral de hierro se reduce a arrabio, lo que ayuda a lograr una alta energía de activación. La temperatura de la ráfaga caliente puede ser de 900 ° C a 1300 ° C (1600 ° F a 2300 ° F) según el diseño y la condición de la estufa. El petróleo , el alquitrán , el gas natural , el carbón en polvo y el oxígeno también se pueden inyectar en el horno para combinarlos con el coque para liberar energía adicional y aumentar el porcentaje de gases reductores presentes, aumentando la productividad. Si el aire de la ráfaga caliente se calienta quemando combustibles fósiles, que suele ser el caso, esta es una fuente adicional de emisiones de dióxido de carbono. [12]
Ver también
- Historia de la industria del acero (1850-1970)
- Historia de la industria del acero (1970-presente)
- Descarburación de argón oxígeno
- Descarburación
- FINEX
- Proceso Flodin
- Molino de acero
- Aditivo de carbono
- Carbón metalúrgico
- Alto horno
- Calcinación
- Fabricación de acero con oxígeno básico
Referencias
- ^ Deo, Brahma; Boom, Rob (1993). Fundamentos de la metalurgia siderúrgica . Nueva York : Prentice Hall International . ISBN 9780133453805. LCCN 92038513 . OCLC 473115765 .
- ^ Turkdogan, ET (1996). Fundamentos de la acería . Londres : Instituto de Materiales . ISBN 9781907625732. OCLC 701103539 .
- ^ a b "Europa lidera el camino en la 'ecologización' de la producción de acero" . www.ft.com . Consultado el 20 de noviembre de 2020 .
- ^ a b "Descarbonización en acero | McKinsey" . www.mckinsey.com . Consultado el 3 de abril de 2021 .
- ^ Pahl, Ron (2002). Rompiendo con el libro de texto: Prehistoria hasta 1600 . Scarecrow Press Inc. pág. 53 . ISBN 978-0810837591.
- ^ Sass, Stephen L. (agosto de 2011). La sustancia de la civilización: materiales e historia humana desde la Edad de Piedra hasta la Edad del Silicio . Nueva York : Arcade Publishing . ISBN 9781611454017. OCLC 1078198918 .
- ^ a b Ghosh, Ahindra. (13 de diciembre de 2000). Fabricación secundaria de acero: principios y aplicaciones (1ª ed.). Boca Raton , Florida : CRC Press . ISBN 9780849302640. LCCN 00060865 . OCLC 664116613 .
- ^ a b Fruehan, Richard J., ed. (1998). La fabricación, conformación y tratamiento del acero: volumen de fabricación de acero y refinación (11ª ed.). Pittsburgh : AIST . ISBN 978-0-930767-02-0. LCCN 98073477 . OCLC 906879016 .
- ^ Gates, Bill (2011). Cómo evitar un desastre climático . pag. 103.
- ^ "Alto horno" . Ayuda científica. Archivado desde el original el 17 de diciembre de 2007 . Consultado el 30 de diciembre de 2007 .
- ^ Campamento, James McIntyre; Francis, Charles Blaine (1920). La fabricación, conformación y tratamiento del acero (2ª ed.). Pittsburgh: Carnegie Steel Co. págs. 174 . OCLC 2566055 .
- ^ Instituto Americano del Hierro y el Acero (2005). Cómo funciona un alto horno . steel.org.
enlaces externos
- El cortometraje The Drama of Steel (1946) está disponible para su descarga gratuita en Internet Archive
- Colección de fotografías de US Steel Gary Works, 1906-1971
- "Steel For The Tools For Victory" , diciembre de 1943, artículo grande y detallado de Popular Science con numerosas ilustraciones y cortes sobre los conceptos básicos modernos de la fabricación de acero.