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La Cal, componente esencial en la siderurgia

El sector de la siderurgia no se concibe sin el uso de la cal, que está presente a lo largo de todo el proceso siderúrgico. Se requiere la adición de cal en los hornos de arco eléctrico, en los convertidores AOD, en las cucharas de afino,... La cal dentro de la siderurgia es un agente purificante, eliminando impurezas, desulfurando, defosforizando, actúa de fundente, neutralizante… Y todo con un objetivo específico, el de transformar el mineral de hierro, en acero y otros productos férreos. Una transformación en la que también son necesarios otros productos disponibles en Calcinor como la dolomía calcinada o los refractarios.

La siderurgia hasta nuestros días

La Real Academia de la Lengua Española define la siderurgia como “la metalurgia del hierro, del acero, de la fundición y de las aleaciones férricas”, es decir, el sector de la industria del metal que se ocupa de extraer el hierro y trabajarlo. Y es que el hierro, después del oxígeno, el silicio y el aluminio, es uno de los elementos que más abunda en la tierra.

El primer hierro que se utilizó fue probablemente una aleación de Hierro (Fe) y Niquel (Ni) y, de forma casual, se descubriría que al calentarlo se doblaba y, por tanto, podía usarse para fabricar flechas y herramientas. Fue en el Siglo II a.c cuando se construyeron los primeros hornos para tratar los minerales de hierro, pero los medios eran rudimentarios y no permitían obtener una temperatura lo suficientemente elevada como para fundir el metal. A partir del Siglo XV los hornos aumentaron su altura y se mejoraron los métodos de insuflación, lo que permitía fundir en molde dando lugar a los primeros arrabios o fundiciones. Y ya en el año 1.750 se obtiene el primer acero homogéneo, después de calentar hierro y carbón de madera en un crisol.

Aunque el uso del hierro se remonta a la prehistoria, los avances en siderurgia no comienzan hasta el Siglo XIX con el desarrollo de los ferrocarriles. Es en este momento cuando surge la necesidad de contar con un material forjable y consistente al mismo tiempo.

En la actualidad, la producción mundial de la siderurgia es 20 veces mayor que la del resto de metales, debido en gran medida a la versatilidad y variedad de los productos siderúrgicos.

La norma UNE 36001 establece la siguiente clasificación de productos siderúrgicos: Hierros, aceros, fundiciones o arrabios, ferroaleaciones, conglomerados férreos y aleaciones férreas especiales. Destaca especialmente el acero, un material muy versátil que representa el 80% de los productos siderúrgicos y que se obtiene de la mezcla de Hierro (Fe) y Carbono (C). El contenido en carbono de los aceros no supera el 1,5%, mientras que en las fundiciones o arrabios, que también son aleaciones de Fe-C, el contenido en carbono es superior (entre un 2 y un 4,5 %), lo que le confiere una mayor dureza.

La cal como elemento necesario para la purificación del producto siderúrgico

El proceso siderúrgico no se concibe sin el uso de la cal cuya misión es la de modificar la composición de los productos obtenidos en la acería para purificarlos. En concreto, el óxido de calcio o cal viva puede ejercer estas tres funciones en la siderurgia:

  • Formación de la escoria: El óxido de calcio se utiliza para la formación de la escoria que, entre otras cosas, acumula los deshechos que se producen en la composición del acero. Así mismo, lo protege de los elementos de la atmósfera, tales como el Nitrógeno o el Hidrógeno, y hace de aislante permitiendo mantener las altas temperaturas a las que tiene que desarrollarse el proceso (1.600-1.800ºC).
  • Defosforización: El fósforo, que contienen el hierro y la chatarra de los que parten los procesos siderúrgicos, puede perjudicar gravemente las propiedades del acero. En grandes cantidades, reduce la ductilidad del acero haciendo que este se agriete fácilmente al trabajarlo en frío. La cal viva adicionada en el proceso siderúrgico, capta el fósforo del acero, disminuyendo su proporción a niveles en los que la ductilidad del mismo no se ve comprometida.
  • Desulfuración: También el azufre puede dañar el acero haciéndolo más frágil y favoreciendo la aparición de grietas. De ahí, que la cal viva se utilice para reducir su % en la composición del acero y minimizar su efecto negativo.

En definitiva, estamos ante un proceso de purificación mediante la adición de cal viva para obtener un producto férrico con diferentes propiedades. Un proceso, el de la siderurgia, que puede realizarse por dos vías de producción: Siderurgia primaria y metalurgia secundaria.

Tipos de proceso siderúrgico

1) Siderurgia integral o primaria:

Se realiza en un llamado Alto horno (Blast furnace) para la fusión del metal y primera purificación del mismo. Por la parte superior del horno, se introducen los minerales de hierro (Iron Ore) en forma de pellets, junto con el carbón o coque y la piedra caliza (CaCO3) o Cal (CaO), y desde la parte inferior se agrega aire caliente con el fin de facilitar la combustión del coque que actúa creando una atmósfera reductora para el hierro.

En la parte baja del alto horno se acumulan dos clases de material fundido:

  • Arrabio: Es el hierro líquido que, al ser más denso, se acumula en el fondo y se debe sacar del horno para transportar a la fundición o a la acería (Metalurgia secundaria). Como veíamos anteriormente el arrabio es hierro carbono, y se denomina primera fundición o fundición de primera fusión. Contiene una importante proporción de carbono e impurezas que se reducirán en las etapas siguientes.
  • Escoria: La escoria está formada por las impurezas fundidas y, al ser menos densas, flotan sobre el arrabio. Son eliminadas del proceso siderúrgico y empleadas en otras industrias como la cementera.

La calcita o la cal se emplea en la industria siderúrgica por su acción fundente que permite reducir la concentración de impurezas del acero (principalmente la sílica y la alumina, pero también el azufre, fósforo…) al formar la denominada escoria. Para ello, se insufla oxígeno, a través del hierro fundido, provocándose así la disminución del % de carbono. En cambio, el silicio y el fósforo, forman óxidos que por reacción con el óxido de calcio añadido se forman compuesto estables de silicatos cálcicos y fosfatos cálcicos que son eliminados en forma de escoria.

Eliminación de sílice

CaO (s) + SiO2 (s) → CaSiO3 (l)

Eliminación fósforo

3 CaO (s) + P4O10 (s) → Ca23(PO4) 2 (l)

2) Metalurgia secundaria:

Es el proceso posterior por el que pasa el material férrico. En esta fase el horno puede alimentarse con arrabio, chatarra o mezcla de ambos. Los objetivos de este tratamiento secundario son:

  • Realizar un ajuste de los elementos de aleación: C, Mn, Nb, Ti, etc.
  • Reducir la concentración de oxígeno, hidrógeno y nitrógeno.
  • Ajustar las especificaciones de las impurezas no metálicas (fósforo y azufre).
  • Eliminar inclusiones no metálicas, fundamentalmente óxidos (Al2O3)
  • Controlar la morfología del acero calibrando la temperatura.

Para conseguir estos objetivos se requerirán diferentes fases y diferentes adiciones de productos, entre los que se encontrará la cal. La metalurgia secundaria se puede dividir en 3 fases principales:

Fusión

Se realiza normalmente en un horno de arco eléctrico (HAE o EAF). En esta etapa se adiciona de nuevo cal como agente fundente para ayudar, por un lado, en la formación de escoria (precipitando silicatos) y, por otro, en la defosforización del acero. Las impurezas terminarán flotando como escoria y al ser retirada obtendremos un acero base, generalmente un acero al carbono o de baja aleación.

Descarburización

[C] + [O] = CO

Formación de la escoria

2(CaO) + [Si] + 2[O] = (2CaO.SiO2)

[Mn] + [O] = (MnO)

Defosforización

2[P] + 5[O] + 3(CaO) = (3CaO.P2O5)

Afino

En la estación de afino, que se efectúa en un horno cuchara (HC o LF), se obtiene el acero con la composición final deseada. En esta fase de la metalurgia secundaria también se añade cal, en este caso para desulfurar el acero. Además, el calcio aportado por la cal tiene el efecto de modificar la morfología y la distribución de las inclusiones (los óxidos y sulfuros generados en esta etapa), así como aumentar la colabilidad del acero en la colada continua posterior. Este proceso dará como resultado aceros con contenidos muy bajos en azufre y en gases, muy bien desoxidados y limpios.

En el caso de querer obtener aceros inoxidables, como la decarburización del acero debe ser extrema (0.03% C), el proceso de afino se realizaría en el llamado convertidor AOD y no en un horno cuchara. En este proceso del AOD también se realiza la adición de Cal tanto para la desulfuración como para la defosforización y formación de escoria.

Colada

Una vez conseguida la composición del acero deseada, es el momento de enfriarlo, solidificarlo y darle forma. Esta etapa se realiza en la instalación de colada, donde el acero depositado en artesas, se hace pasar a través de conductos refrigerados de los que se obtienen diferentes formatos de acero sólido.

Posteriormente, algunos productos son procesados en instalaciones de laminación, donde se produce una deformación permanente aprovechando la ductilidad del acero. Las laminaciones pueden hacerse en caliente o en frío, obteniendo productos tales como planchas, carriles o barras, que se utilizarán directamente. Los productos de Calcinor vuelven a jugar un papel importante en los procesos de esta fase de laminación.

Uno de esos procesos es el decapado o limpieza de la banda, a través del cual se eliminan la cascarilla y demás impurezas adheridas a la piel del material. En este paso, los decapantes usados contienen principalmente sales de hierro que finalmente deben ser neutralizadas con hidróxido cálcico (cal hidartada). Por lo tanto, el hidróxido se emplea para recuperar las aguas utilizadas en procesos de decapado y limpieza de superficies metálicas, que suelen ser fases previas a estaciones de laminación y galvanizado.

Productos Calcinor en la siderurgia

Como ya hemos visto, tanto el óxido de calcio como el hidróxido cálcico juegan un papel importante a lo largo de todo el proceso siderúrgico: en los hornos de arco eléctrico (HAE), en altos hornos, en convertidores AOD, en cucharas de afino, en la colada, etc. Pero no solo la cal es el único producto de Calcinor que se utiliza en la industria siderúrgica.

Dolomía calcinada Se adiciona tanto en el HAE como en la cuchara de afino y realiza un papel doble. Por un lado, participando en la eliminación de azufre y fósforo y, por otro, saturando la composición de la escoria en óxido de magnesio, lo que permite alargar la vida útil del revestimiento refractario.

Refractarios La empresa Refractarios Kelsen, perteneciente a Calcinor produce y ofrece una amplia gama de productos refractarios para la siderurgia. Son utilizados en masa o conformados como protección térmica y química de los elementos que forman parte del proceso siderúrgico: hornos, cucharas de afino, convertidores y artesas. Su pureza y refractariedad, permiten hacer más eficiente energéticamente el proceso siderúrgico. El servicio técnico propio ofrecido por Refractarios Kelsen asesora y aporta soluciones a medida.

Caliza y Dolomita Su utilización en altos hornos de diferentes países y continentes, permite el refino y fabricación del acero, así como la protección del revestimiento refractario de los hornos y convertidores.

Calcinor cuenta además con productos específicos para este sector como el producto REFRADOL®, diseñado para su uso en masas refractarias gunitables al tratarse de una dolomía sinterizada con alta resistencia a la hidratación.

Todos estos elementos que junto a la cal, viva e hidratada, se configuran como esenciales dentro de una gran industria como es la siderurgia.