Siderurgia

Economía

La localización histórica de las plantas siderúrgicas estaba determinada por la situación de las dos materias primas básicas (hierro y carbón). Pero el avance tecnológico y la revolución de los transportes determinaron un desplazamiento de dicha localización hacia las zonas costeras con puertos de gran calado e instalaciones suficientes para el manejo de las materias primas y los productos elaborados, con lo que se facilita la exportación de la producción.

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Conjunto de técnicas que permiten extraer y trabajar el hierro. Su finalidad es estudiar los procesos de elaboración de todos los derivados del hierro, principalmente las fundiciones y los aceros.

Economía

La localización histórica de las plantas siderúrgicas estaba determinada por la situación de las dos materias primas básicas (hierro y carbón). Pero el avance tecnológico y la revolución de los transportes determinaron un desplazamiento de dicha localización hacia las zonas costeras con puertos de gran calado e instalaciones suficientes para el manejo de las materias primas y los productos elaborados, con lo que se facilita la exportación de la producción.

La escasa capacidad de adaptación de la oferta a las condiciones del mercado a corto plazo obliga a mantener una elevada capacidad de producción para hacer frente a los períodos de mayor demanda. En períodos de exceso de oferta se produce una caída de los precios y una acumulación de stocks. La industria siderúrgica de los países desarrollados atraviesa desde 1973-1974 por la mayor crisis desde la década de 1930, a causa de la crisis económica generalizada que determinó la caída de la actividad industrial y de la consiguiente demanda de productos siderúrgicos.

Industria siderometalúrgica

Un innovador sistema de monocarril aéreo fue introducido en Völklingen por vez primera en 1910.

Producción siderúrgica mundial

El 5% aproximadamente de la corteza terrestre está formado por mineral de hierro, que se encuentra combinado con ácido carbónico, azufre y oxígeno. El contenido de hierro supone un 30% del mineral, que se obtiene principalmente en la Unión Soviética, China comunista, Estados Unidos, Francia, Suecia, Canadá, Venezuela, Unión India, Brasil y Alemania Occidental.

Las características técnicas del proceso siderúrgico determina que ésta sea una actividad sólo realizable, en determinadas condiciones económicas, por empresas de elevadas dimensiones que se encuentran integradas verticalmente.

La producción mundial de hierro bruto ha pasado de 50.000 t., en el siderometalúrgico XVI, a 170 millones de t. en 1953. En la actualidad, la producción es suficiente para atender la gran demanda mundial.

La industria siderometalúrgico más importante de Europa occidental es la alemana, cuyo desarrollo comienza hacia 1840, al explotarse el carbón de la cuenca del Ruhr, que cubría el 50% del consumo.

La industria pesada se concentró hacia 1871-74 con la financiación de la Banca. Los grandes complejos industriales, Stiennen y Krupp, entre otros, abarcaron astilleros, fábricas, fundiciones y minas. Por el tratado de Versalles, en 1919, Alemania perdió el 75% de las reservas de hierro, el 25% de las de carbón y el 20% de la capacidad de producción de hierro y acero. Poco a poco se recuperó y hoy día la industria siderometalúrgico de Alemania Occidental ocupa el cuarto lugar, después de la de Estados Unidos, la Unión Soviética y Japón.

En los Estados Unidos, la industria siderometalúrgico ocupaba el segundo puesto en la producción nacional, después de la agrícola. A raíz de la expansión ferroviaria y la entrada de capital europeo se produjo el boom siderometalúrgico de 1870-87. El núcleo industrial que había estado en Pittsburg (Pensilvania) se desplazó al centro-oeste, cerca del mineral de hierro de los Grandes Lagos. La concentración siderometalúrgico se llevó a cabo en los trusts, de los cuales el más famoso era el Carnegie (1880). En 1913, Estados Unidos ocupó el tercer puesto en la producción de hierro y acero. De 31 millones de t. de arrabio y 32 millones de t. de acero en 1913, se pasó a 42 millones de t. de arrabio y 57,3 millones de t. de acero en 1929. Los tres grandes trusts que controlan la indústria del acero son Bethlehem Stell Co., Republic Steel Co. y United States Corporation. El desarrollo de la moderna industria siderometalúrgico en la Unión Soviética data de 1880-90, concentrándose en la Silesia polaca y los Urales. En 1913 se producía el 6% del total mundial de hierro y acero. La primera acería japonesa data de 1875. Dependiente de la industria siderometalúrgico nació la de construcción naval. De 6.000 t. de acero y 50.000 t. de hierro en 1901 se pasó a 250.000 y 240.000 respectivamente en 1913. Del undécimo puesto que ocupaba en la producción de acero durante el periodo 1919-29 pasó al tercer puesto en 1968.

Gran Bretaña ha ido perdiendo puestos entre los grandes países siderúrgicos, debido a la escasa racionalización y reducido tamaño de las empresas, así como al agotamiento de los yacimientos de hulla, cuyos rendimientos resultan insuficientes. Del 39% de la hulla mundial en 1890, ha pasado al 21% en 1951. La producción nacional de mineral de hierro sólo cubre las necesidades de los 2/3 de la metalurgia, por lo que se importa mineral de África del Norte, España, Francia, Luxemburgo y Suecia. La única fusión siderúrgica de interés ha tenido lugar en las grandes empresas de armamento Vickers y Armstrom. La producción de carbón en Francia es insuficiente para la industria siderúrgica.

Desde 1890 ha tenido lugar la concentración y creación de cárteles siderúrgicos, que en el periodo 1890-1914 permitió quintuplicar la producción de hierro y acero. De 9 millones de t. de hierro y 7,2 millones de t. de acero en 1913, se pasó a producir 10,4 millones de t. de hierro y 9,7 millones de t. de acero.

En 1929 ocupaba el tercer puesto, después de Estados Unidos y Alemania, en la producción de hierro. Un paso importante fue la constitución de la CECA. La industria siderometalúrgica en España.

En 1797 se instaló en España el primer horno de carbón vegetal. En 1834 se instaló en Madrid una fundición, y en 1837 el primer horno alto de carbón mineral (en Marbella); a partir de aquí la producción de acero española fue en aumento, llegándose, en 1935, a obtener 637 t. de acero bruto. Esta cifra no llegó a alcanzarse de nuevo hasta 1951, después de que el Estado constituyera, en 1950, la Empresa Nacional Siderúrgica (ENSIDESA). En 1963, en el 1 Plan de Desarrollo, se preveía el régimen de acción concertada, y en 1964 se elaboró el Programa Siderúrgico Nacional, para el periodo 1964-71. Dicho plan fue revisado en 1966 y ampliado hasta 1975, acordándose proceder a su revisión cada dos años.

En la efectuada en mayo de 1971 se actualizan las previsiones de consumo para 1971-75, indicándose al mismo tiempo fines orientativos hasta 1980, según indica el siguiente cuadro: Las empresas siderometalúrgico se encuentran clasificadas en tres grupos: integrales, no integrales y de aceros especiales, señalándose las capacidades de producción que habrá de alcanzar cada grupo.

Las principales zonas de localización de las empresas son: Norte, Levante y Cataluña. En la primera se encuadran Asturias (primera provincia siderúrgica), Vizcaya, Álava, Guipúzcoa, Navarra y Santander. En ella se encuentran las empresas Altos Hornos de Vizcaya, en la que, desde 1964, tiene participación la firma norteamericana United States Steel Corporation y que en 1969 absorbió a Basconia, S. A. Merecen citarse S. A. Echevarría y Euskalduna. En Asturias, además de ENSIDESA, se encuentra UNINSA, formada en 1961 por la unión de Fábrica de Mieres, Duro Felguera y Sociedad Industrial Asturiana Santa Bárbara. En Sagunto radica una factoría integral de Altos Hornos de Vizcaya. Cataluña cuenta con varias empresas dedicadas a producir aceros para las industrias de la región. En total hay 120 empresas siderúrgicas, de escaso volumen de fabricación, salvo UNINSA, ENSIDESA y Altos Hornos de Vizcaya siderometalúrgico (del griego sideros, hierro, y ergon, obra) es el conjunto de procedimientos y técnicas que permiten producir y trabajar el hierro, la fundición y los aceros. Apenas hay actividad humana en la que no tenga un papel importante alguno de los muchos productos siderúrgicos.

Procesos siderúrgicos fundamentales

Reducción de los óxidos. La técnica siderúrgica actual más frecuente se basa en utilizar dos procesos en serie. Un primer proceso de reducción de los minerales de hierro, en general óxidos o convertidos en óxidos por un reductor, que en la práctica pueden ser el óxido de carbono o el hidrógeno, o mezclas de ambos gases; el alto horno es el aparato más idóneo para realizar este cometido. Se emplea el cok siderúrgico como primera materia para la producción de los gases reductores a alta temperatura, fundamentalmente óxidos de carbono, y se obtiene un producto al estado fundido, caracterizado por un gran contenido de impurezas, principalmente carbono, que alcanza aprox. el 3,5%, y contiene también, en cantidades más o menos importantes, silicio, manganeso, fósforo y azufre, y otras impurezas en menores proporciones. Este producto se denomina arrabio y puede poseer características muy distintas, según su composición química y la proporción de carbono que contenga en estado combinado (cementita) o libre (grafito), y según el contenido, en la impureza, de fósforo, que puede condicionar el trabajo posterior del arrabio. Una parte pequeña del arrabio producido en el alto horno, entre el 10 y el 15%, se solidifica en máquinas a base de cadenas continuas de moldes pequeños (de unos 50 Kg.) metálicos, y puede usarse fundamentalmente como primera materia de cubilotes u otros hornos de fusión de arrabio, que con las mezclas adecuadas dan lugar a la fabricación de piezas moldeadas de arrabio de segunda fusión, con múltiples calidades y aplicaciones.

Además de las piezas normales, pueden entrar en esta clasificación los arrabios especiales, bien por su composición o su estructura, o por ambas condiciones simultáneamente. A medida que se ha profundizado en el estudio de los arrabios de segunda fusión, han surgido nuevas aplicaciones para ellos.

Una de las derivaciones técnicamente más importantes en la actualidad es la fabricación de arrabios de segunda fusión con estructura de carbono grafítico en forma esferoidal (fundición nodular) y no laminar, como se presenta en los arrabios corrientes, para cuya fabricación es conveniente una determinada composición del arrabio de partida y una inoculación al arrabio fundido de magnesio o cerio, que se hace partiendo de aleaciones madres de estos metales con otros; el níquel es uno de los más frecuentes. Este material sustituye con ventaja a lo que se conocía con el nombre de arrabio maleable o fundición maleable, cuyo lento proceso de fabricación consiste en someter un arrabio de composición adecuada y estructura blanca a un tratamiento térmico de temperatura moderada y de gran duración, en presencia de óxido de hierro o de arena, según lo que se desee, provocando así una descomposición parcial del carbono combinado (cementita) en carbono grafítico (en forma no laminar), cuya transformación cambia favorablemente las propiedades mecánicas del material, dotándolo de una mayor ductilidad. Pero la mayor parte de la producción de arrabio en los altos hornos (85%) se utiliza al estado fundido para su transformación en acero fundido, por alguno de los procesos que describiremos y en los que las impurezas del arrabio se eliminan en su mayoría por oxidación, excepto en el caso del azufre, por lo que se les denomina procesos de oxidación.

Desde hace mucho tiempo se ha considerado la ventaja teórica que representaría poner a punto procesos que permitiesen obtener, partiendo de los minerales de hierro, productos directamente utilizables como acero, o por lo menos con menos impurezas que el arrabio producido en los altos hornos y cuya eliminación fuese más fácil que la de las que contiene el arrabio.

Hay infinidad de patentes sobre estos procesos, que se llaman de reducción directa, y existen desde hace varios años algunas instalaciones industriales con escasa producción. Puede decirse que más que procesos en competencia con la producción de arrabio en el alto horno, responden a un aprovechamiento racional de las condiciones locales, poco apropiadas para la instalación de altos hornos. Se trata, p. ej., de casos en los que se dispone de minerales de alta calidad, pero no de hullas coquizables que permitieran producir cok para alimentar los altos hornos; en cambio, se dispone de hullas no coquizableso de gas natural, primera materia muy favorable para producir mezclas de óxido de carbono e hidrógeno que pueden reducir los óxidos de hierro de los minerales a temperaturas suficientemente bajas para no impurificar el hierro reducido. Estos procesos, por su baja temperatura, producen esponja de hierro, bien al estado sólido, o todo lo más pastoso, y sustituyen a las chatarras, con la ventaja de que su composición es conocida y homogénea. A estas ideas responden, entre otros, los procesos Háganas y Wiberg desarrollados en Suecia, el de hojalata y lámina en México, y el R. N. en Estados Unidos.

El horno alto

La gran factoría siderúrgica de Ensidesa de Avilés, en los años setenta del pasado siglo.

A pesar de otros posibles procesos directos, el horno alto sigue siendo desde su iniciación, hace unos 200 años, el aparato siderúrgico normalmente más conveniente para la reducción de los minerales de hierro y la producción del producto intermedio e impuro (arrabio), que sirve de base por lo menos en un gran porcentaje para la producción de acero por la casi totalidad de los procesos que pueden utilizarse para ello. El horno alto es un horno de cuba, cada vez de mayores dimensiones, en el que se distinguen varias zonas y cuya misión fundamental es recibir por la parte superior la carga sólida compuesta fundamentalmente de cok siderúrgico, mineral de hierro y fundentes para escorificar las cenizas del cok y la ganga de los minerales de hierro, en la forma más conveniente a la marcha del horno alto, y por la parte inferior aire caliente en determinadas condiciones de presión, volumen, humedad y temperatura. Como consecuencia de la reacción a alta temperatura entre el oxígeno del aire que entra por la parte inferior y el cok incandescente que ha alcanzado en su descenso la zona baja del horno, se produce una intensa combustión de carbono del cok que ha alcanzado la zona de toberas, con producción instantánea de anhídrido carbónico (C02), que también con gran velocidad de reacción se transforma en presencia del exceso de cok en óxido de carbono, el cual tiene un gran poder reductor. De la misma forma, la humedad del aire reacciona con el cok incandescente produciendo en la zona baja del horno alto hidrógeno y óxido de carbono, aunque estas reacciones son cuantitativamente mucho menos importantes. Por otra parte, el nitrógeno existente en la proporción de un 79% en el aire inyectado no entra en las reacciones y sólo produce una dilución del contenido en gases reductores, y como consecuencia se produce una temperatura inferior a la que se lograría soplando oxígeno o aire enriquecido en oxígeno, y una velocidad menor en el desarrollo de las reacciones de reducción de los óxidos de hierro contenidos en los minerales. Como consecuencia de esto, el horno alto tiene como cometidos esenciales:

Como aparato mecánico

Permite la carga de los materiales sólidos por la parte superior o tragante del horno, los distribuye y permite un descenso regular de los mismos en toda su altura. Igualmente permite que los materiales fundidos se reúnan en la parte inferior o crisol del horno alto y se decanten por densidades, quedando el arrabio en la parte inferior y la escoria en la superior. En la zona baja del horno hay orificios acondicionados para dar salida, a diferentes niveles, a ambos productos. También como aparato mecánico el horno alto está dispuesto para dar entrada al aire a presión y temperatura elevadas y en el volumen adecuado en forma regularmente distribuida por la parte baja del horno, a un nivel superior al de las salidas de escoria de que se ha hablado. La entrada del viento caliente se hace por medio de toberas, que son de cobre y se refrigeran interiormente mediante una circulación de agua.

Como aparato químico

Los gases producidos en la parte inferior por la combustión del cok con el viento caliente ascienden en el horno alto en contracorriente con la carga, y así como ésta en su descenso encuentra cada vez mayor temperatura y atmósfera más reductora, y tarda varias horas (a veces 24) en recorrer la altura del horno alto, los gases por el contrario se van enfriando y se va haciendo más estable el que contengan una proporción mayor de anhídrido carbónico (C02), según puede verse en la curva de Bondouard, de equilibrio entre el CO y el C02, a distintas temperaturas, y que puede ampliarse al estudio de este equilibrio también a diferentes presiones. De estas curvas se deduce que la estabilidad del óxido de carbono (CO) se favorece con altas temperaturas y bajas presiones; y la del anhídrido carbónico, con bajas temperaturas y altas presiones. Siendo la misión química fundamental del horno alto la reducción de los óxidos de hierro, cada átomo de carbono que salga en los gases en forma de COZ tiene un efecto reductor útil doble del que salga como CO, y, por tanto, el horno alto habrá trabajado tanto mejor como reductor, su principal misión, cuanto los gases de salida tengan mayor proporción de C02. La acción en contracorriente de los gases sobre la carga debe ser muy rápida, pues el tiempo de permanencia de los gases, y, por tanto, de contacto entre cargas y gases, no pasa de 2 a 3 seg. Se comprende la importancia que una buena distribución de la carga y una buena permeabilidad de la misma pueden tener sobre la marcha del horno alto. El exceso de C02 en determinados niveles del horno alto sobre lo correspondiente al equilibrio en aquellas temperaturas, exceso que puede proceder de la descomposición de los carbonatos de cal o magnesio que constituyen los fundentes, puede perturbar la marcha del horno alto, puesto que dicho exceso de C02 podrá reoxidar hierro ya reducido, o en todo caso, en presencia de cok incandescente y en zona baja del horno alto y, por tanto, a altas temperaturas puede reaccionar con el carbono incandescente para producir óxido de carbono, aumentando sensiblemente el consumo de cok necesario a la operación. De este conjunto de circunstancias se deducen unas consideraciones que teóricamente mejorarían las condiciones técnico-económicas de marcha de los hornos altos, y que orientan las mejoras tecnológicas que constantemente se producen en el horno alto.

Minerales

Conviene:

1) que sean de tamaño regular, no muy grandes y con la mínima proporción de finos y menudos;

2) que el contenido en hierro sea lo más alto posible;

3) que sean lo más fácilmente reducibles y, por tanto, que tengan cierta porosidad. Estas condiciones las cumplen los minerales de alta ley en hierro, los minerales sinterizados de alta ley, y los pellets de alta ley. Las modificaciones de los minerales utilizados en el horno alto, llegando a pellets regulares de más de 65% de contenido en hierro, han producido mejoras muy importantes en la productividad de los hornos altos. Con ello han quedado en condiciones de gran inferioridad los minerales naturales sin clasificar, o mal clasificados, con leyes medias (50% de Fe) o bajas, por lo que en los casos posibles se ha desarrollado una técnica muy importante de preparación adecuada de los minerales de hierro. Cuando se trata de minerales naturales de alta ley, los gruesos son los que presentan menos complicaciones; basta hacer una clasificación por tamaños por medio de cribas y una homogeneización de composición por medio de parvas adecuadas, provistas del equipo mecánico conveniente.

Los mentidos y finos de minerales, bien naturales o producidos durante el proceso de clasificación y homogeneización de los gruesos, encuentran aplicación en forma de sinterizados, que normalmente se obtienen en las plantas siderúrgicas, que de esta forma utilizan también polvos del tragante, finos de cok y otros materialesfinos, que de otro modo serían desperdicios engorrosos para poderlos evacuar. Otros minerales que al estado natural serían inutilizables por su baja ley y alto contenido en impurezas, principalmente sílice, alúmina y azufre, pueden ser apreciados si reúnen las siguientes condiciones:

a) tener una gran cubicación, que permita la explotación de gran volumen durante tiempo suficiente para poder amortizar las costosas instalaciones;

b) ser preferentemente explotables a cielo abierto;

c) que sea posible realizar un enriquecirniento importante del mineral de que se trate, de forma económica. Este enriquecimiento es posible cuando, cumplidas las condiciones anteriores, el mineral es magnético. En este caso, basta una molienda hasta la liberación del mineral de la ganga y una separación magnética adecuada, para conseguir leyes muy altas en hierro y rendimientos elevados en metal, y, por consiguiente, pocas pérdidas en los estériles;

d) una vez enriquecido el mineral, si el grado de molienda a que ha habido que llegar es muy elevado, puede ser dificultosa la sinterización y, por otra parte, si estas operaciones se hacen en las minas como es lógico, entre otras por razones de transporte, la sinterización podría no ser factible o 'no ser aconsejable por deteriorarse en el transporte gran parte del material sinterizado. En estos casos, está justificada la pelletización en mina o zona minera, técnica puesta a punto recientemente y consistente en producir, partiendo de los concentrados muy finos con superficies específicas (cm2 por grano) muy grandes y con aglomerante o sin él, unas bolas en verde de tamaño entre 10 y 15 mm. de diámetro, con consistencia suficiente para llevarlas a una máquina de pelletizar, que seca las bolas, las precalienta y las calcina a temperaturas elevadas, del orden de los 1.200 a 1.300° C, y las enfría lentamente. La inversión en este tipo de equipo es tan considerable que sólo se justifica económicamente para producciones del orden de 2 millones de t. en adelante.

Hay fundamentalmente tres procesos industriales en marcha: los hornos de cuba especiales, la parrilla continua para todo el proceso, y la parrilla continua para el secado y el precalentamiento, seguida de un horno rotativo para la fase final de la calcinación, a temperatura elevada.

El cok, otro de los elementos fundamentales de la carga sólida del alto horno, debe cumplir también unas condiciones: esencialmente, contener una elevada proporción de carbono fijo y, por tanto, ser muy bajo en cenizas y en materias volátiles; y desde el punto de vista físico debe ser duro, con un índice Micum (deterioración de tamaños en una prueba en tambor de dimensiones normalizadas) elevado, tener un tamaño mínimo y homogéneo, y ausencia de polvo. Los fundentes pueden ser caliza o dolomía, y deben cumplir también determinadas especificaciones con un máximo pequeño de residuo insoluble (sílice más alúmina) y pequeñísimas impurezas de fósforo y azufre; en cuanto a sus condiciones físicas, los tamaños deben ser regulares, no muy grandes y con ausencia de polvo. Siempre que sea posible, pueden añadirse con ventaja los fundentes a los minerales, a sinterizar, o a pelletizar, haciendo que los materiales sean autofundentes.

El otro material que entra en el horno alto, el aire, teóricamente puede mejorar la marcha del horno alto, si se enriquece en oxígeno, si se le mantiene con una humedad constante coordinada con el contenido en oxígeno. Por otro lado, hemos visto que se favorece la eficacia de la reducción de los óxidos de hierro con un aumento en la presión, por lo que incrementando la presión en el interior del horno alto se aumenta la producción de éste y se reduce el consumo específico de cok. En la práctica, esto se ha conseguido elevando la presión del viento en las soplantes, y estrangulando la salida de los gases por el tragante del horno alto.

Como aparato térmico

Además de las funciones mecánicas que el alto horno realiza, es uno de los más eficaces intercambiadores de calor entre los gases calientes que se producen en la parte baja y la carga que entra en la alta. Una representación de esta eficacia puede estimarse teniendo en cuenta que la temperatura frente a las toberas del horno alto es muy próxima a los 1.800° C y que modernamente, por aumento de la temperatura del aire a la entrada y que en los hornos altos modernos sobrepasa ligeramente los 1.000° C, tiende todavía a ser mayor, desciende hasta las proximidades de los 200° C a la salida del horno alto por la parte superior, con sólo un recorrido vertical del orden de los 30 m. y una duración de contacto de los 2 a 3 seg. El rendimiento térmico del horno alto en marcha normal es, por tanto, muy elevado, pues los gases de salida, además de este calor sensible, tienen un poder calorífico del orden de las 800 a 900 Kcal. por m3, ya que su composición puede oscilar entre los siguientes límites. Una innovación reciente en la marcha de los hornos altos, en su aspecto térmico, la constituye la inyección de combustible especial por las toberas o zona baja del horno alto. La finalidad de esta técnica es que el cok, teniendo en cuenta que se carga en el horno alto, cumple la doble función de ser agente reductor de los óxidos y agente calorífico que proporciona las calorías necesarias, al nivel térmico conveniente; se ha pensado que este último papel podría realizarse, por lo menos parcialmente, mediante un combustible que fuese más económico que el cok siderúrgico.

Los combustibles inyectados han sido: gas natural, fuel-oil, gas de hornos de cok y carbón pulverizado. Desde un punto de vista teórico, la inyección de cualquier combustible por las toberas necesita una elevación de la temperatura del aire para mantener una temperatura adecuada en el crisol; actualmente se ensayan los 1.1500C. Por otro lado, y también desde un punto de vista teórico, el carbón pulverizado sería el más conveniente, y así funciona un horno alto en Weirton (Estados Unidos), pero las dificultades prácticas de orden mecánico que produce la inyección de combustible sólido son mucho mayores que cuando se inyecta gas natural o fuel-oil, por lo que la mayor parte de los numerosos hornos altos que funcionan hoy día con inyección de combustible por las toberas están equipados para trabajar con alguno de estos dos combustibles. Con la aplicación de estas orientaciones los modernos hornos altos, dimensionados en cuanto a su perfil, constituido por el crisol, parte troncocónica invertida o etalajes, vientre o parte cilíndrica de diámetro máximo y poca altura, cuba o parte troncocónica y tragante o parte superior, se obtienen hoy en hornos altos adecuados y con las instalaciones auxiliares de preparación de cargas, soplantes (hoy casi todas turbosoplantes axiales), dando suficiente volumen y presión de aire y estufas con suficiente superficie de caldeo y peso de refractarios, producciones de 4.000 t. de arrabio en 24 h. con crisoles de 9,5 a 9,8 m. de diámetro, y se proyectan plantas con hornos altos para producir 6.000 t. de arrabio en 24 h.

El volumen de materiales sólidos a transportar, así como la producción de arrabio y escoria y el manejo de los gases sobrantes, exigen una cuidada organización, que tiende a ser programada y automatizada. Entre los sustitutos de combustible que pueden emplearse en la reducción de los óxidos de hierro contenidos en los minerales, podría considerarse la energía eléctrica. En los países escandinavos, Suiza, Canadá y Norte de Italia, desde hace muchos años se introdujo el horno alto con calentamiento eléctrico. Posteriormente se sustituyó el horno alto eléctrico por el horno de cuba baja eléctrico, utilizando con las debidas adaptaciones los hornos que se empleaban para la fabricación de ferroaleaciones. Versiones modernas de esta idea son los hornos de cuba baja de reducción de minerales de Mo-i-Rana en Noruega y de la Siderurgia Nacional de Venezuela. Esta solución es de dudosa aplicación práctica; únicamente en el caso de contar con energía eléctrica muy barata y que no tenga una aplicación más lógica (fabricación de aluminio, ferroaleaciones, industria química, etc.), por lo que la evolución de estos procesos no parece tener futuro, ante las enormes mejoras tecnológicas que se vienen produciendo en los hornos altos convencionales.

Procesos de oxidación del arrabio y su conversión en acero fundido

El arrabio obtenido en el horno alto tiene unas aplicaciones muy limitadas como tal; su mayor importancia reside en que es el producto intermedio fundamental para la fabricación de acero en los procesos hoy utilizados, excepto la producción de acero en horno eléctrico, partiendo únicamente de chatarra de acero, procedimiento que tiene una importancia práctica creciente y que representa aprox. de un 10 a un 15% de la producción total de acero en el mundo, aunque la mayor parte se dedica a la fabricación de aceros finos y especiales, y sólo en pocos casos para la obtención de acero común. Prescindiendo de antiguos procedimientos, los actualmente en uso son:

De afino por el viento

En estos procesos, el oxígeno del aire, que se inyecta por orificios de poco diámetro a través de un espesor reducido (del orden de 60 cm.) de arrabio fundido, oxida las impurezas del arrabio, dejando al final de la operación un metal soplado y una escoria. El metal soplado está excesivamente oxidado (exceso de Feo) y no tiene la composición adecuada a las aplicaciones a que se destina, por lo que se hacen las adiciones finales que desoxidan el baño y le dan el contenido en carbono, manganeso, silicio, fósforo y azufre de acuerdo con las especificaciones. El proceso puede llevarse a cabo en recipientes de forma especial, que pueden volcarse o colocarse en posición vertical, y que están revestidos de material refractado con un espesor considerable, lo cual les permite realizar unas 400 operaciones; como el fondo se desgasta más rápidamente, se cambia.

El revestimiento puede ser ácido (a base de sílice), como en los primeros convertidores Bessemer, en cuyo caso el arrabio debe contener: un mínimo de silicio (entre 1,2 y 2,5%) para que pueda realizarse bien la operación, y el máximo de fósforo y azufre admitido por las especificaciones, pues estas impurezas no son climinables durante el proceso. Al disminuir de una manera tan notable las calidades del arrabio fundido por este proceso, la importancia del mismo es hoy día muy pequeña y limitada a condiciones favorables locales, como la de Altos Hornos de Vizcaya en Baracaldo. Si el revestimiento del convertidor se construye con material básico (en la práctica dolomía preparada), entonces las condiciones que debe cumplir el arrabio utilizable en el proceso son: Si, no más del 1% y mejor por debajo de 0,5%. Mn, por encima del 1%. P, entre 1,8 y 2,5%. S, lo más bajo posible y no superior al 0,05%. Éste es un arrabio especial llamado arrabio Thomas, así como los convertidores en que se realiza el trabajo. Existen diferencias no solamente en la carga, sino también en la conducción de la operación de conversión entre el Bessemer (ácido) y el Thomas (básico).

Para llevar a cabo la operación de este último, es preciso trabajar con minerales cuyo contenido en fósforo sea suficiente para que el arrabio tenga alrededor del 2%. En el convertidor básico, además del arrabio fundido y eventualmente alguna proporción de chatarra, que es lo que se carga en el Bessemer, es preciso cargar una cantidad suficiente de cal, que sirva para escorificar el fósforo en forma de fosfatos cálcicos. Por otro lado, la marcha del soplado es distinta, eliminándose las impurezas en el orden siguiente: Si; Mn, que queda residualmente en el metal soplado; C, y sólo cuando la casi totalidad del C ha quedado eliminado se puede eliminar el fósforo con un sobresoplado. Las adiciones finales se hacen de forma análoga al caso Bessemer.

De afino con oxígeno

Una variante tecnológica muy moderna es el soplado con oxígeno. Esta idea, iniciada después de la II Guerra mundial en Linz (Austria), ha tenido gran aceptación; no sólo las nuevas instalaciones adoptan casi exclusivamente este proceso, sino que también se realizan grandes inversiones en transformar otras instalaciones y sustituirlas por los convertidores de revestimiento básico soplado con oxígeno. Los aceros obtenidos por los procedimientos Bessemer y Thomas, además de necesitar arrabio muy específico, son de poca calidad para muchas aplicaciones, fundamentalmente por la contaminación del baño con el nitrógeno del aire, que lo atraviesa a temperatura elevada. En el nuevo proceso, el oxígeno se introduce por la parte superior o boca del convertidor, cuando éste se encuentra en posición vertical, después de realizada la carga de arrabio, chatarra y cal. El fondo del convertidor es macizo, sin orificio alguno, y el oxígeno actúa sobre el baño, porque sale a gran velocidad y presión. En estas condiciones, el orden de eliminación de las impurezas no es el mismo, porque localmente la temperatura es suficientemente alta como para que se altere; se elimina el carbono simultáneamente con el silicio y manganeso, quedando al final del soplado mayor manganeso residual, lo que reduce el consumo de ferroaleaciones y produce un metal soplado sin contaminación de nitrógeno que puede ponerse a punto con las adiciones finales. El arrabio utilizable en este proceso, llamado L. D. convencional, puede tener cualquier contenido en silicio (mejor bajo) y manganeso, puesto que el C, prácticamente constante, sirve de elemento termógeno, pero el contenido en fósforo no debe sobrepasar el 0,3%, por lo que quedan excluidos los minerales con contenidos en fósforo relativamente bajos (0,2%). Para obviar esta dificultad, se han desarrollado modificaciones del proceso L. D., unas a base de inyección de cal en polvo en suspensión en el oxígeno introducido, y otras con procesos que, aun utilizando oxígeno, emplean hornos rotativos bien inclinados (Kaldo) u horizontales (Rotor), en los cuales es posible tratar arrabios con mayores contenidos en fósforo.

De afino sobre solera

Los procedimientos de conversión por aire u oxígeno necesitan un gran porcentaje de arrabio fundido y de características muy específicas para cada caso, lo que se compagina mal con la flexibilidad que en muchas ocasiones desea tener el siderúrgico. Por estas razones, se puso a punto el procedimiento de afinosbre solera en hornos especiales llamados SiemensMartin-Siemens, los cuales, si tienen revestimiento básico como es corriente, pueden admitir teóricamente cualquier tipo de carga, desde 100% de chatarra hasta 100% de arrabio en los casos límites, y pueden admitir el arrabio fundido o sólido y prácticamente de cualquier composición. Con revestimiento ácido se emplea únicamente para fabricaciones especiales, como piezas para forja o acero moldeado. La expansión de este proceso ha sido extraordinaria, ha sobrepasado a todos en importancia y aun hoy día, a pesar del impacto de los hornos eléctricos y más modernamente de los convertidores básicos soplados con oxígeno, sigue siendo el procedimiento por el cual se obtiene mayor tonelaje de acero en el mundo. Sin embargo, la mayor inversión que se necesita por t. de capacidad de producción en el proceso, al que es necesaria una aportación importante de calorías y, sobre todo, el menor ritmo de producción que puede conseguirse en el proceso (25 a 40 t/h.), sobre todo en comparación con los grandes convertidores soplados con oxígeno moderno, con capacidades de 300 t., que pueden producirse en 40 ó 45 min., hace pensar que el futuro de los procesos sobre solera, y concretamente del horno Siemens, sea muy poco prometedor.

Fabricación de acero en hornos eléctricos

Aunque conocido el proceso hace casi 100 años, los únicos hornos eléctricos prácticos hoy día para esta fabricación son los de arco trifásico con «solera» no conductora, propuestos por Heroult a finales del pasado siglo, y el horno de inducción sin núcleo de frecuencia media (unos 1.000 ciclos por seg.). El primer tipo vale para toda clase de trabajos; hace un verdadero afino de las chatarras, que son su primera materia esencial, y pueden fabricar cualquier tipo de acero. Los segundos se utilizan exclusivamente para la refundición de chatarras conocidas y de calidad. Aunque los dos tipos se emplean principalmente para la fabricación de aceros especiales, los de arco han evolucionado tecnológicamente, aumentando de tamaño, incrementando la potencia eléctrica aplicable, así como el voltaje, mejorando los dispositivos de carga y de vuelco de los hornos y los sistemas de regulación automática de los electrodos, de forma que hoy día se pueden alcanzar capacidades de horno de 150 t., y cuando se trabaja con una sola escoria, fabricando acero común, este tonelaje puede producirse en tiempos cortos (del orden de 2 h.), consiguiéndose así una competitividad con cualquiera de los otros procesos de producción masiva de acero común, si las circunstancias de aprovechamiento de chatarras y precios de la energía eléctrica son favorables.

Paso del acero líquido a sólido

En todos los procesos considerados se obtiene acero líquido; para continuar el proceso de fabricación, que permita convertir el acero en productos siderúrgicos comercialmente útiles, es preciso solidificar el acero, dándole forma adecuada por medio de cualquiera de los procesos de forja o laminación. Durante muchos años, se ha trasvasado el acero desde los hornos a unas cucharas especiales provistas de un dispositivo que permitía vaciarlas por la parte inferior, pasando al acero en forma de chorro cilíndrico desde las cucharas a lingoteras verticales. Los lingotes eran bastante heterogéneos en su composición, y tenían defectos superficiales más o menos subsanables. Modernamente, mediante el soplado con oxígeno, se está introduciendo para la solidificación del acero el proceso llamado de colada continua, cuyas mejoras tecnológicas avanzan rápidamente, y que puede considerarse práctica y comercialmente resuelto para el caso de los aceros calmados, y a punto de resolverse para los aceros efervescentes. El proceso consiste en vaciar la cuchara, por la parte inferior, de la colada del acero que contiene, que pasa a una artesa que sirve para mantener un nivel constante del acero y, por tanto, la salida es a velocidad constante desde la artesa al molde; éste consiste en una pieza de cobre refrigerada, de forma interior de acuerdo con la que se desea obtener. El material se solidifica en el molde y, aunque quede en el interior un cono de material todavía líquido, al salir del molde la refrigeración directa por aspersión, termina de solidificar el material antes de proceder al corte transversal del mismo. Todo el conjunto necesita una gran altura, y hay sistemas diferentes de curvar el material, o se utilizan moldes de cobre curvos, y se efectúan cortes distintos, bien sobre el material todavía vertical, o ya sobre el material en posición horizontal. La adición de una instalación de vacío y eliminación de gases del acero, previamente a la colada continua, puede constituir un progreso importante en esta tecnología. La colada continua presenta sobre la convencional las siguientes ventajas:

1) Se elimina todo el parque de lingoteras, su limpieza y preparación previa a la colada.

2) Se mejora la calidad del acero y la de su superficie.

3) Se obtiene un rendimiento mucho mayor en acero útil, al reducir enormemente los despuntes de los lingotes.

4) Elimina la necesidad de hornos para recalentar los lingotes convencionales, que tradicionalmente se realiza en grandes y costosas baterías de hornos en fosa.

5) Elimina la necesidad de las enormes instalaciones de trenes desbastadores, tanto blooming como slabting, pudiendo pasar directamente el material a los trenes acabadores, tanto de productos alargados como de productos planos. El mayor inconveniente residía en que la colada continua en su iniciación no se prestaba a las producciones masivas de las modernas plantas integrales, pero esto se ha ido subsanando, así como la seguridad en el trabajo, y ya hoy se están construyendo instalaciones de colada continua para slabs de 1.500.000 t. de capacidad anual en nuevas plantas, sin otro sistema de colada previsto en la planta.

Trabajo del acero solidificado

Las mejoras tecnológicas en este aspecto no han sido tan revolucionarias últimamente como en el caso de la fabricación de acero con oxígeno o la colada continua. Más bien han sido mejoras progresivas de aumento de velocidad, y, por tanto, capacidad, mejora de calidad superficial y de precisión de medidas, aumento de productividad por empleo creciente de la automación, etc. En forja, ha habido pocas novedades; en laminación en caliente, se emplean trenes de gran velocidad para redondos con discos alternantes situados a 1200, y trenes Sindzimir planetarios para productos planos, que permiten una enorme reducción de espesores en una sola caja y una sola pasada, aunque la calidad de los productos no alcance, por ahora, la de los trenes semicontinuos o continuos convencionales. En cuanto a la laminación en frío de los productos planos, siguen dominando los trenes continuos de 4, 5 y 6 cajas en cuarto en tándem, aunque para determinadas calidades y circunstancias puede ser interesante el Sindzimir de laminación de banda en frío. El desarrollo más importante de la laminación ha sido en el campo de los productos planos, de acuerdo con la demanda del mercado. El decapado del material indispensable entre el material laminado en caliente y el laminado en frío, que tradicionalmente se venía haciendo con disoluciones de ácido sulfúrico, está evolucionando hacia el ácido clorhídrico, como consecuencia de una mejor calidad del material, una posible recuperación parcial del ácido clorhídrico y una disminución de los problemas que produce la evacuación de los residuos del decapado a los ríos.

Consideraciones finales

También ha habido mejoras tecnológicas importantes en el tratamiento y el recubrimiento de las superficies de los productos planos, en los controles de calidad, en el desarrollo de nuevas aleaciones de aceros para aplicaciones muy específicas, como resistencia a determinadas corrosiones, a temperaturas elevadas, a esfuerzos cíclicos, en los tratamientos térmicos, etc. Existe la posibilidad de realizar el afino continuo del arrabio a base de oxígeno, directamente a la salida del horno alto, según procesos que están en estudio y experimentación por el IRSID en Francia, y por la BISRA en Inglaterra. Las dos ideas más revolucionarias y de mayor trascendencia de los últimos tiempos, el empleo del oxígeno en fabricación de acero y la colada continua. En 2009 China produjo 47% del acero en el mundo. La producción mundial de acero líquido durante el ejercicio 2013 aumentó un 4,1%, situándose en torno a los 1.570 millones de toneladas, cuando las previsiones de finales de 2012 estimaban un incremento del 3,6%.


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