Fabricación de acero con oxígeno básico

La producción de acero con oxígeno básico ( BOS , BOP , BOF u OSM ), también conocida como producción de acero Linz-Donawitz o proceso de convertidor de oxígeno , ^{[ 1 ]} es un método de producción primaria de acero en el que el arrabio fundido rico en carbono se transforma en acero . Al soplar oxígeno a través del arrabio fundido, se reduce el contenido de carbono de la aleación y se convierte en acero con bajo contenido de carbono . El proceso se denomina básico porque se añaden fundentes de óxido de calcio o dolomita , que son bases químicas , para promover la eliminación de impurezas y proteger el revestimiento del convertidor. ^{[ 2 ]}

El proceso fue inventado en 1948 por el ingeniero suizo Robert Durrer y comercializado entre 1952 y 1953 por la empresa siderúrgica austriaca VOEST y ÖAMG . El convertidor LD, que recibe su nombre de las ciudades austriacas de Linz y Donawitz (un distrito de Leoben ), es una versión mejorada del convertidor Bessemer que sustituye el soplado de aire por el soplado de oxígeno. Redujo el coste de capital de las plantas y el tiempo de fundición, e incrementó la productividad laboral. Entre 1920 y 2000, los requisitos laborales en la industria disminuyeron en un factor de 1000, pasando de más de 3 horas-hombre por tonelada métrica a tan solo 0,003. ^{[ 3 ]} En el año 2000, el horno de oxígeno básico representaba el 60 % de la producción mundial de acero. ^{[ 3 ]}

Los hornos modernos pueden tomar una carga de hierro de hasta 400 toneladas ^{[ 4 ]} y convertirla en acero en menos de 40 minutos, en comparación con las 10 a 12 horas que se necesitan en un horno de hogar abierto .

El proceso básico de oxígeno se desarrolló fuera del entorno tradicional de las grandes acerías. Fue desarrollado y perfeccionado por un solo hombre, el ingeniero suizo Robert Durrer , y comercializado por dos pequeñas empresas siderúrgicas en la Austria ocupada por los aliados , que aún no se había recuperado de la destrucción de la Segunda Guerra Mundial . ^{[ 5 ]}

En 1856, Henry Bessemer patentó un proceso de fabricación de acero que implicaba el soplado de oxígeno para descarbonizar el hierro fundido (Patente del Reino Unido n.° 2207). Durante casi 100 años, el oxígeno no estuvo disponible en cantidades comerciales o era demasiado caro, por lo que la fabricación de acero se realizó mediante soplado de aire. Durante la Segunda Guerra Mundial, ingenieros alemanes (Karl Valerian Schwarz), belgas ( John Miles ) y suizos ( Robert Durrer y Heinrich Heilbrugge ) propusieron sus versiones de la fabricación de acero mediante soplado de oxígeno, pero solo Durrer y Heilbrugge lograron llevarla a la producción en masa. ^{[ 5 ]}

En 1943, Durrer, antiguo profesor de la Technische Hochschule de Charlottenburg (actualmente Technische Universität Berlin ), regresó a Suiza y aceptó un puesto en el consejo de administración de Roll AG , la mayor acería del país. En 1947 adquirió el primer convertidor experimental pequeño de 2,5 toneladas procedente de Estados Unidos, y el 3 de abril de 1948 el nuevo convertidor produjo su primer acero. ^{[ 5 ]} El nuevo proceso permitía procesar grandes cantidades de chatarra con tan solo una pequeña proporción de metal primario. ^{[ 6 ]} En el verano de 1948, Roll AG y dos empresas estatales austriacas, VÖEST y ÖAMG, acordaron comercializar el proceso Durrer. ^{[ 6 ]}

En junio de 1949, VÖEST desarrolló una adaptación del proceso de Durrer, conocido como el proceso LD (Linz-Donawitz). ^{[ 7 ] [ 8 ]} En diciembre de 1949, VÖEST y ÖAMG se comprometieron a construir sus primeros convertidores de oxígeno de 30 toneladas. ^{[ 8 ]} Se pusieron en funcionamiento en noviembre de 1952 (VÖEST en Linz) y mayo de 1953 (ÖAMG, Donawitz) ^{[ 8 ]} y se convirtieron temporalmente en la vanguardia de la producción mundial de acero, provocando un aumento en la investigación relacionada con el acero. ^{[ 9 ]} Treinta y cuatro mil empresarios e ingenieros visitaron el convertidor de VÖEST para 1963. ^{[ 9 ]} El proceso LD redujo el tiempo de procesamiento y los costos de capital por tonelada de acero, contribuyendo a la ventaja competitiva del acero austriaco. ^{[ 7 ]} VÖEST finalmente adquirió los derechos para comercializar la nueva tecnología. ^{[ 8 ]} Los errores de la dirección de VÖEST y ÖAMG al licenciar su tecnología hicieron imposible controlar su adopción en Japón . A finales de la década de 1950, los austriacos perdieron su ventaja competitiva. ^{[ 7 ]}

En el proceso LD original, se soplaba oxígeno sobre la parte superior del hierro fundido a través de la boquilla refrigerada por agua de una lanza vertical. En la década de 1960, las acerías introdujeron convertidores de soplado inferior y desarrollaron el soplado de gas inerte para agitar el metal fundido y eliminar las impurezas de fósforo . ^{[ 3 ]}

En la Unión Soviética, en 1934 se realizó cierta producción experimental de acero mediante este proceso, pero su uso industrial se vio obstaculizado por la falta de tecnología eficiente para producir oxígeno líquido. En 1939, el físico ruso Pyotr Kapitsa perfeccionó el diseño del turboexpansor centrífugo . El proceso se puso en práctica entre 1942 y 1944. Desde entonces, la mayoría de los turboexpansores industriales se basan en el diseño de Kapitsa, y los turboexpansores centrífugos han asumido casi el 100 % de la licuefacción de gases industriales, y en particular la producción de oxígeno líquido para la fabricación de acero. ^{[ 10 ]}

Las grandes siderúrgicas estadounidenses fueron tardías en adoptar la nueva tecnología. Los primeros convertidores de oxígeno en EE. UU. fueron lanzados a finales de 1954 por McLouth Steel en Trenton, Michigan , que representaba menos del 1 % del mercado nacional del acero. ^{[ 3 ]} US Steel y Bethlehem Steel introdujeron el proceso de oxígeno en 1964. ^{[ 3 ]} Para 1970, la mitad de la producción mundial de acero y el 80 % de la de Japón se producían en convertidores de oxígeno. ^{[ 3 ]}

En el último cuarto del siglo XX, el uso de convertidores de oxígeno básico para la producción de acero fue reemplazado gradualmente, aunque parcialmente, por el horno de arco eléctrico que utilizaba chatarra de acero y hierro. En Japón, la participación del proceso LD disminuyó del 80 % en 1970 al 70 % en 2000; la participación mundial del proceso de oxígeno básico se estabilizó en el 60 %. ^{[ 3 ]}

La producción de acero mediante oxígeno básico es un proceso primario de fabricación de acero que consiste en convertir el arrabio fundido en acero mediante la inyección de oxígeno a través de una lanza sobre el arrabio fundido dentro del convertidor. Durante la inyección, se genera calor exotérmico debido a las reacciones de oxidación .

El proceso básico de fabricación de acero al oxígeno es el siguiente:

1. El arrabio fundido (a veces denominado "metal caliente") procedente de un alto horno se vierte en un gran recipiente revestido de material refractario llamado cuchara de colada .
2. El metal en la cuchara se envía directamente a la producción de acero con oxígeno básico o a una etapa de pretratamiento donde se eliminan el azufre , el silicio y el fósforo antes de cargar el metal caliente en el convertidor. En el pretratamiento de desulfuración externa, se introduce una lanza en el hierro fundido de la cuchara y se añaden varios cientos de kilogramos de magnesio en polvo para reducir las impurezas de azufre a sulfuro de magnesio en una violenta reacción exotérmica . El sulfuro se retira posteriormente. Es posible realizar pretratamientos similares para la desiliconización externa y la desfosforización externa utilizando cascarilla de laminación ( óxido de hierro ) y cal como fundentes . La decisión de realizar el pretratamiento depende de la calidad del metal caliente y de la calidad final requerida del acero.
3. El llenado del horno con los ingredientes se llama carga . El proceso BOS es autógeno, es decir, la energía térmica requerida se produce durante el proceso de oxidación. Mantener el equilibrio de carga adecuado , la proporción de metal caliente proveniente del metal fundido con respecto a la chatarra fría es importante. El recipiente BOS puede inclinarse hasta 360° y se inclina hacia el lado de desescoriado para cargar chatarra y metal caliente. El recipiente BOS se carga con chatarra de acero o hierro (25-30%), si es necesario. Se agrega hierro fundido de la cuchara según sea necesario para el equilibrio de carga. Una química típica del metal caliente cargado en el recipiente BOS es: 4% C, 0,2-0,8% Si, 0,08%-0,18% P y 0,01-0,04% S, todos los cuales pueden oxidarse con el oxígeno suministrado excepto el azufre (que requiere condiciones reductoras).
4. El recipiente se coloca en posición vertical y se introduce una lanza con punta de cobre refrigerada por agua y con 3 a 7 boquillas hasta unos pocos pies de la superficie del baño. Se introduce oxígeno de alta pureza a una presión de 700 a 1000 kilopascales (100 a 150 psi) a velocidad supersónica . La lanza "sopla" oxígeno con una pureza del 99 % sobre el metal caliente, encendiendo el carbono disuelto en el acero y elevando la temperatura a unos 1700 °C a medida que se forman monóxido y dióxido de carbono . Esto funde la chatarra, reduce el contenido de carbono del hierro fundido y ayuda a eliminar elementos químicos no deseados . Es este uso de oxígeno puro (en lugar de aire) lo que mejora el proceso Bessemer , ya que el nitrógeno (un elemento indeseable) y otros gases del aire no reaccionan con la carga ni disminuyen la eficiencia del horno. ^{[ 11 ]}  
5. Los fundentes ( óxido de calcio o dolomita ) se introducen en el recipiente para formar escoria , manteniendo así la basicidad de la escoria —la proporción de óxido de calcio respecto al óxido de silicio— a un nivel que minimice el desgaste del material refractario y absorba las impurezas durante el proceso de fabricación del acero. Durante el soplado, la agitación del metal y los fundentes en el recipiente forma una emulsión que facilita el proceso de refinado. Cerca del final del ciclo de soplado, que dura unos 20 minutos, se mide la temperatura y se toman muestras. La composición química típica del metal soplado es de 0,3 a 0,9 % de C, de 0,05 a 0,1 % de Mn, de 0,001 a 0,003 % de Si, de 0,01 a 0,03 % de S y de 0,005 a 0,03 % de P.
6. El recipiente BOS se inclina hacia el lado de escoria y el acero se vierte a través de un orificio de colada en una cuchara de acero con revestimiento refractario básico. Este proceso se denomina colada del acero. El acero se refina aún más en el horno de cuchara, añadiendo materiales de aleación para conferirle las propiedades especiales que requiere el cliente. En ocasiones, se burbujea argón o nitrógeno en la cuchara para asegurar una correcta mezcla de las aleaciones.
7. Una vez vertido el acero del recipiente BOS, la escoria se vierte en los recipientes de escoria a través de la boca del recipiente BOS y se desecha.

Los convertidores antiguos, con un falso fondo desmontable y reparable, aún se utilizan. Los convertidores modernos tienen un fondo fijo con tapones para la purga de argón. El horno de optimización energética (EOF) es una variante del BOF asociada a un precalentador de chatarra, donde el calor sensible de los gases de escape se utiliza para precalentar la chatarra, ubicado sobre el techo del horno.

La lanza utilizada para el soplado ha sufrido modificaciones. Se emplean lanzas sin escoria, con una punta de cobre larga y cónica, para evitar que se atasque durante el soplado. Las puntas de lanza de postcombustión transforman el CO generado durante el soplado en CO₂ y proporcionan calor adicional. Para el vaciado sin escoria, se utilizan dardos, bolas refractarias y detectores de escoria. Los convertidores modernos están completamente automatizados _, con patrones de soplado automáticos y sofisticados sistemas de control.

• Horno AJAX , tecnología de hogar abierto de transición basada en oxígeno.

• Módulo básico de fabricación de acero con oxígeno en steeluniversity.org, que incluye una simulación totalmente interactiva (archivada).
• Modelo de costos de producción de acero con oxígeno básico que muestra la estructura de costos típica para el acero líquido.