Revestimientos refractarios en una planta moderna de hornos eléctricos de arco

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Revestimientos refractarios en una
planta moderna de hornos
eléctricos de arco
Por J. JVT. PALACIOS REPARAZ
Doctor Ingeniero Industrial
de la S. A. Echevarría, de Bilbao.
RESUMEN
Se destaca, en primer lugar, la importancia moderna que tiene en
el campo de la fabricación de los aceros, el horno eléctrico de arco
que no sólo no se ha visto postergado por otros' procedimientos mo
dernos de conversión, sino que ha venido a ser su complemento.
Por ello, se considera del mayor interés, estudiar las tendencias
modernas que en su revestiwviento refractario presenta el horno eléc
trico, teniendo en cuenta sus modernas utilizaciones^
Se señalan de forma somera, algunas caracteristicas de los mate
riales refractarios mas empleados hoy día en las acerias eléctricas,
pasándole revista a los desarrollos modernos sobre los refractarios
de silice, básicos, de alto contenido de alúmina, electro-fundidos, et
cétera.
Se estudian los revestimientos de las diversas partes de los horneas
eléctricos, bóvedas, paredes y suelas, incluyéndose asimismo las cu
charas de colada, puesto que el acero no termina su fßbricacion en
la acería hasta que está ya solidificado en la lingotera.
También sé incluyen los refractarios empleado^\ en la colada con
tinua, dada la importancia que va adquiriendo esta instalación en
las acerias eléctricas.
En general, se señala que en las bóvedas los ladrillos de silice
van dejando paso a los ladrillos de alto contenido en alúmina y que
en las paredes de los hornos eléctricos hay dos tendencias que pode
mos titular europea y americana. Aquélla emplea sobre todo bloques
de dolomias apisonadas, mientras que los grandes hornos eléctricos
americanos, están revestidos con ladrillos básicos de magnesita o
magnesita-cromo.
En cuanto a la suela, ocurren en cierto modo similares tendencias
de utilización de dolomía apisonada o de magnesita en los hornos
europeos y en los hornos americanos respectivamente.
En los refractarios de las^ cucharas, se destaca la importancia
* Conferencia pronunciada en la VIII Semana de Estudios Cerámicos, celebrada en
Barcelona entre los días 1 y 4 de junio de 1966.
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REVESTIMIENTOS REFRACTARIOS EN UNA PLANTA MODERNA...
que tiene el aspecto físico del material y en cuanto a otros refracta
rios del pozo de colada y de la colada continua, se da cuenta cómo
al mismo tiempo que se tiende a disminuir sensiblemente el consumo
de refractarios, en Kg/Tm. de acero, el acerista busca calidades más
altas y por lo tanto de mayor precio, como materiales de alto con
tenido en alúmina, materiales de silicato de circonio, etc., etc.
RESUME
En premier lieu, on montre l'importance du four électrique à arc
dans la fabrication d'aciers. Ce four n'a jamais été laissé en arrière
par d'autres modernes procédés, mais au contraire il a devenu leur
complément.
Par cette raison on considère d'un grand intérêt étudier les ten
dances modernes que dans son revêtement réfractaire présente le
four électrique, tenant compte de ses m^odernes utilisations.
On montre d'une façon superficielle quelques caractéristiques des
matériels réfractaires plus^ employés aujourd'hui dans lesi aciéries
électriques, et oit passe revue des développements modernes sur les
réfractaires de silice, basiques, de contenu élevé en alumine, électro
fondus, etc.
On a étudié les révêtements utilisés datts' les différentes parties
des fours électriques (voûtes, murs et soles) et même les poches de
coulée, car l'acier ne finit pas son fabrication dans l'aciérie jusqu'il
est déjà solidifié dans les lingotières.
On passe revite aussi des réfractaires employés dans la coulée con
tinue, à cause de la croissante importance de cette machine dans les
aciéries électriques.
En général, on montre que dans la construction des voûtes les
briques de silice sont en train de céder le pass aux briques de con
tenu élevé en alumine, et dans les murs des fours électriques il y a
deux tendances: l'européenne et l'américaine. Celle-là emploie sur
tout des blocs en dolomie damée, tandis que les grands fours élec
triques américains sont revêtus avec des briques^ basiques de magné-
site ou chrome-magnésite.
Quant à la sole, il y a peut-être des tendances similaires d'utilisa
tion de dolomie damée ou de magnésite dans les fourst européens et
américains respectivement.
En ce qui concerne les réfractaires des poches, on montre l'im
portance de l'aspect physique du matériel, et par rapport à d'autres
réfractaires de la fosse de coulée et de la coulée continue, on expose
qu'en même temps qu'on tend à diminuer sensiblement la consom
mation de réfractaires par Kg/ton. d'acier, Vaciériste cherche d'hautes
qualités et par conséquent d'un prix plus élevé, comme les matériels
de contenu élevé en alumine, de Silicat de zirconium, etc., etc.
SUMMARY
In the first place, the great importance of the electric furnace in
steelmaking is stressed. This kind of furnace has never been bani
shed by other processes, on the contrary it has become their com
plement.
For this reason it has been considered of great interest to study
the modern trends of the refractory linings used on this furnkice,
bearing in mind its modern uses.
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Some properties of the refractory materials more extensively used
in electric furnace plants are superficially described, and the modern
developments on the silica, basic, high-alumina and electrocast re
fractories are reviewed.
The linings of the different parts of the electric furnaces^ are
studied: roofs, walls, bottoms, and even ladles, since the manufac
ture of steel is not complete until it is frozen in the ingot mould.
The refractories used in continuous casting are also included
because of the increasing importance of this machine in electric fur
nace plants.
In general it is pointed out that in roof construction silica bric'zs
are making way for high-alumina bricks, and that in wall construc
tion there are two trends which can be given the names of European
and American systems.
The former preferably uses ramJmed dolomite blocks, while the
big American electric furnaces are lined with magnesite or chrome-
magnesite basic bricks.
As to the bottom, in some ways there exist similar trends as to
the use of rammed dolomite or magnesite in the European and Ame
rican furnaces respectively.
With regard to ladle refractories, the importance of the physical
appearance of the material is stressed, and with reference to other
refractories used in the casting pit and continuous casting, it is
stated that just at the same time the trend is\ to minimize the
refractory consumption per Kg./Ton of steel, the steelmaker is loo
king for very high quality materials and as a result more expensive,
such as high-alumina, zirconium-silicate materials, etc., etc.
I. Antecedentes.
En las distintas tendencias modernas de fabricación del acero, el horno eléc
trico mantiene no sólo su posición destacada sino que su importancia se acre
cienta de día en día.
Hay varios motivos para ello. Por ejemplo, la menor mversión financiera
respecto a otros procedimientos. Pero es que además, ante el apogeo de la utili
zación de los convertidores LD, que como se sabe son fuertes consumidores de
arrabio, en algunas regiones el precio de la chatarra ofrece un atractivo econó
mico tan interesante que en el horno eléctrico se emplea con grandes ventajas.
ya que, por otra parte, se han resuelto importantes problemas de orden eléctrico
y hoy día se construyen unidades de gran capacidad y potencia.
Por todo ello, es del mayor interés siderúrgico, hablar de los hornos eléc
tricos y comentar el aspecto de su revestimiento refractario que influye funda
mentalmente en su marcha* Ahora bien, fijándonos que el acero no termina su
fabricación en la acería hasta que está ya solidificado en la lingotera, se debe
discutir aquí también el revestimiento refractario de las cucharas, tanto las
destinadas a la colada convencional como las que se emplean en la colada con
tinua.
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REVESTIMIENTOS REFRACTARIOS EN UNA PLANTA MODERNA...
IL Problemas de refractarios en los hornos eléctricos.
Los problemas planteados por la utilización de refractarios en los hornos
eléctricos, son más complejos que lo que a primera vista parece, y ello no es
debido a la misma complejidad de la instalación, sino a la utilización moderna
de estos hornos.
Hasta hace pocos años, el horno eléctrico era un ejemplo de unidad pequeña
y dedicada a la fabricación de aceros especiales.
Sin embairgo, hoy día adquiere ya un interés grande para la siderurgia pe
sada, o sea, la de los aceros corrientes, y se están montando buen número de
hornos eléctricos de gran tonelaje para la producción de estos aceros. Se ha
demostrado que el horno eléctrico en ese caso es fuerte competidor del horno
Siemens aun de gran capacidad, y que además puede ser un complemento muy
interesante de los procesos de conversión al oxígeno.
Respecto a su aumento de capacidad, recordamos que ya hay hornos de
200 Tm. como el de la planta de Chubu, en Japón, y que son numerosas las
unidades de 100-150 Tm. que existen en muchas acerías no sólo americanas,
sino europeas.
Realmente, la capacidad de 120-150 Tm. se considera que es normal en el
caso del horno eléctrico dedicado a la fabricación de aceros corrientes con pro
ducciones que llegan a 40 o más Tm/hora.
Ante esta situación, en muchos casos, en los revestimientos refractarios de
los hornos eléctricos, se da preferencia a una mayor producción de acero que
el obtener la mayor duración posible del revestimiento diferenciándose así en
cierto modo, una planta de hornos eléctricos, de una planta de hornos Siemens.
En esta última, aunque en realidad también se busca la máxima producción,
se vigila con gran cuídado el aspecto de la duración del horno, ya que una parada
anormal intermedia que no está incluida en la planiñcación de las reparaciones,
da origen a una pérdida muy sensible de producción, por el tiempo extra tan
importante gastado en enfriar y calentar el horno.
En los hornos eléctricos, el problema de las paradas por reparaciones no es
tan grave como en el horno Siemens. Se trabaja por lo general, a tres relevos,
con una sola parada semanal que suele ser la del domingo y que se aprovecha
para efectuar la reparación de los revestimientos. Lo importante por tanto es
que las duraciones de la bóveda y de las paredes correspondan a números múl
tiples de semanas, aunque, naturalmente, es de desear el máximo de éstas.
Ahora bien, no sólo en los hornos eléctricos de gran capacidad el problema
de los refractarios se ha agravado por su tamaño y por la necesidad de la mayor
producción posible, sino que junto a este aspecto, se encuentra también el hecho
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de que los aceristas han ido aumentando enormemente las potencias de los trans
formadores para lograr en estos hornos con cargas líquidas, productividades
horarias de hasta 50' Tm. Por ejemplo, en un horno de 150 Tm. de capacidad,
se han cambiado los transformadores de 35.000 a 56.000 KVA.
Con ello, naturalmente, los refractarios de estos grandes hornos con altas
potencias, se ven sometidos a unas condiciones mucho más severas que las que
tenía el horno eléctrico, hace unos años. Afortunadamente los problemas plan
teados se van resolviendo poco a poco.
A ello ayuda, por una parte, la mejor calidad de los refractarios que conti
nuamente van presentando los fabricantes de estos productos.
Pero asimismo, influyen los métodos de trabajo cada vez más apropiados a
base de un buen control del arco y un programa adecuado de carga del horno.
Efectivamente, hoy día se ha visto que en los hornos eléctricos se pueden
lograr grandes productividades sin un consumo excesivo de refractarios por Tm.
de acero y como conñrmación, en la bibliografía técnica se han indicado última
mente cifras de consumo (Tabla I) en las que se demuestra que en algunos casos
TABLA I
RELACIÓN ENTRE EL CONSUMO DE REFRACTARIO Y EL AUMENTO DE PRODUCCIÓN
HORARIA LOGRADA PRINCIPALMENTE POR UNA MAYOR SOBRECARGA DEL
TRANSFORMADOR (18 MVA A 22,5 MVA)
(Horno eléctrico de 50 Tm. fabricando aceros corrientes.)
1961 1962 1963 1964 1965
Producción horaria: Tm/hora ... 11,7 14,2 16,1 18,2 21,1
Consumo de refractarios: Kg/Tm.
Suela y paredes.
Dolomía en grano ... 10,85 8,37 7,01 5,89 3,25
" en bloques 11,13 10,98 11,58 10,00 8,22
" en ladrillos ... 0,50 0,92 1,71 2,30 2,59
TOTAL 22,48 20,27 20,30 18,19 14,06
Bóveda:
Ladrillos de sílice 3,32 4,29 4,45 5,05
Ladrillos de alta AI3O3 — —• 1,71 1,98
—•
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REVESTIMIEÎsrrOS REFRACTARIOS EN UNA PLANTA MODERNA...
aumentando la productividad horaria de los hornos, por mayores potencias ins
taladas de transformador, se ha llegado hasta disminuir el consumo de mate
riales refractarios en Kg/Tm. (1).
En diversos ensayos realizados por los americanos, se ha representado en el
diagrama de rendimientos de un horno eléctrico de arco, la variación del lla
mado coeficiente de desgaste del revestimiento, en donde se ve la influencia de
la variación de la intensidad de la corriente en el horno, sobre el comportamiento
del desgaste de refractario (fig. 1). (2).
CARACTERÍSTICAS DE UN HORNO ELÉCTRICO DE 15Q Tns
M wahos 1 1 1 Rendimienl"o
PPooPPeenncciiaa hhoojj--aall eeffeeccNNvvaa
12
- O -.
>OnrohenciG en el arco \
lo í¿-—Á Re ndimie nto \ \ loo 1.0
rr • -»«-i...,..^^^ 1 \~ V
I
Ô0 o,8
vA
Fache55 rr ddee ppee)) hheenncc¡¡aa ..
11
11 6o Y 0.6 «T
loo I1 \{
8o 4o o.A
1 o
6o _ 1 \\
Desgosfe de refracíario
4o i \^ 2o 0.2
2o 1
.,_Al .JB_
20 4o 6o 8o
Kiloamperios
FlG. 1.
Y se ha observado que el máximo de este coeficiente está precisamente en
el campo normal actual de trabajo que suele corresponder a un eos 9 = 0,85 y
a un rendimiento aceptable. Ahora bien, desplazando el campo de utilización
al punto de mayor potencia efectiva en el horno, como el coeficiente de desgaste
se obtiene tanto de la potencia como de la longitud del arco, disminuye dicho
coeficiente de desgaste por la disminución que existe en esa longitud si se tra
baja con tensiones moderamente^ bajas para esas altas intensidades. Entonces
el factor de potencia es de sólo 0,75 y asimismo el rendimiento es menor, pero
se ha logrado de esta forma en los hornos de 150 Tm. rebasar el límite de las
50 Tm/hora.
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III. Tipos de materiales refractarios que se utilizan en las acerías eléc
tricas.
Aunque no nos proponemos hacer una descripción detallada de las distintas
clases de refractarios que se utilizan en las acerías eléctricas, ya que no es el
objeto de este trabajo, sin embargo, creemos interesante recordar algunas parti
cularidades de estos materiales que nos servirán para explicar las tendencias que
en cuanto a su utilización existen en el horno eléctrico.
Desde luego, hoy día, los materiales refractarios más empleados en este des
tino son los materiales básicos en sus distintas formas, lo cual está en parte
explicado, si se tiene en cuenta que normalmente se trabaja con escorias básicas
excepto en algunos hornos pequeños destinados al acero moldeado. Asimismo se
emplean en las bóvedas ladrillos de sflice o de alto contenido en alúmina, de
biéndose asimismo registrar la utilización de algunos materiales muy especiales
de circonio.
El ladrillo sílico-aluminoso, por el contrario, no tiene prácticamente empleo,
excepto en algunos casos y en sus calidades mejores en las filas exteriores de
las bóvedas. Por otra parte, su utilización como capa de aislamiento, tanto en
las paredes como en la suela, ha dejado de tener mucho significado.
Esto es en lo que se refiere al horno propiamente dicho, ya que naturalmente,
en el pozo de colada los materiales sílico-aluminosos siguen siendo de gran
consumo.
1.—LADRILLOS DE SÍLICE.
Durante muchos años han tenido un importante empleo en las bóvedas de
los hornos eléctricos. Sin embargo, ahora, como veremos, sufren una fuerte
competencia por parte de los ladrillos de alto contenido en alúmina.
Esta competencia ha obligado a un mayor estudio del material de sílice y de
su utilización que ha tenido como resultado lo siguiente (3) :
a) Interesa el empleo de materiales de sílice cada vez más puros y por lo
tanto, con menores contenidos de óxidos extraños (AI2O3, FegO,, etc.).
b) En los hornos eléctricos las condiciones de trabajo pueden ser muy di
versas no sólo entre los hornos pequeños y de gran capacidad, sino entre
los que producen aceros corrientes o aceros especiales o entre los que
tienen diversa separación entre el baño del metal y la bóveda, etc., etc.
De ahí se ha visto que las normas generales para la calidad de estos ladrillos
no pueden seguirse siempre con éxito y que así como en un horno de pequeña
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REVESTIMIENTOS REFRACTARIOS EN UNA, PLANTA MODERNA...
potencia o con una gran separación entre el baño del metal y la bóveda, o sea,
cuando existe en la cara del trabajo del ladrillo una temperatura relativamente
baja, hay que emplear con preferencia ladrillos con un grado de transformación
media (2,40 grs/cm^); en los hornos de gran capacidad o que trabajan muy ca
lientes hay que emplear materiales de una mayor transformación, aunque sin
llegar a densidades inferiores a 2,36 gr/cm% ya que una mayor transformación
puede originar inconvenientes, puesto que con fuertes contenidos de cristoba
lita se tiene una sensibilidad mayor a los cambios de temperatura.
2.—REFRACTARIOS BÁSICOS.
Prácticamente, todos los tipos de refractarios básicos, es decir, de magnesita,
cromo-magnesita y magnesita-cromo, tanto cocidos como aglomerados quími
camente y acorazados, se vienen empleando en los hornos eléctricos, y en todos
ellos se están logrando en estos últimos años mejoras sensibles de calidad.
Por ejemplo, determinado fabricante europeo, partiendo de magnesitas cal
cinadas muy puras, especialmente preparadas en lo que se refiere a su granu-
lometría, y minerales de Cr de primerísima calidad, junto con adiciones espe
ciales, han presentado en el mercado ladrillos de magnesita-cromo y magnesita
acorazados y aglomerados químicamente que ofrecen una resistencia mecánica
en caliente muy elevada respecto a los materiales convencionales, junto con una
capacidad de absorción de las tensiones en la zona de temperatura entre 90^ y
1.400% que contribuye a una gran mejora en su resistencia a los choques tér
micos (4).
Por otra parte, fabricantes americanos e ingleses están ofreciendo los llama
dos ladrillos básicos de aglomeración directa y los de grano fundido que, de
acuerdo con las características de sus catálogos, significan un gran avance en la
mejora de calidad de estos materiales (Tabla II).
Especialmente su resistencia en caliente se ha incrementado para resistir los
choques térmicos, las tensiones de dilataciones y las cargas estructurales. Un
ladrillo básico directamente aglomerado llega a tener cinco veces la resistencia
mecánica a alta temperatura de un ladrillo normal básico. Pero un ladrillo de
los llamados de grano fundido puede tener una resistencia mecánica de hasta
diez veces mayor.
Los ladrillos directamente aglomerados (5) y (6) fueron descritos por primera
vez por la bibliografía inglesa en 1959 y para explicar su fundamento, recorda
mos que los refractarios básicos cocidos, en general, constituyen una combinación
de magnesita y mineral de cromo y pueden ser considerados como sistemas de
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TABLA II
COMPARACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DE LOS LADRILLOS BÁSICOS DIRECTAMENTE
AGLOMERADOS Y DE AGLOMERACIÓN DIRECTA
Aglomeración normal Aglomeración directa
Contenido de MgO % ...... ... 60-80 60-80
Porosidad aparente % ... 19-20 15-17
Densidad, gr/cc 2,90-3,00 3,00-3,20
Compresión en frío, Kg/cm^ ... 350 700
Módulo de rotura en frío, Kg/cra-' 49 63
Módulo de rotura en caliente a
l^SO'C, Kg/cm= ... 24 Mayor de 100
Resistencia en caliente bajo carga
(2 Kg/cm^) 1690°C No falló a 1.760°C
tres fases, magnesia o periclasa, espinelas y silicatos. La forma de unión de estas
fases es la que da origen a los dos tipos de refractarios que podríamos llamar
"aglomerados cerámicamente con silicatos'' o '"aglomerados directamente". El
término "aglomerados con silicatos'' se refiere a una película fina de ortosilicatos
que rodea y aglomera todos los agregados refractarios. Estos silicatos están for
mados por la reacción de la ganga del mineral de cromo con la magnesia.
El término de "aglomeración directa" describe, como si dijésemos, la unión
directa de la periclasa al óxido de cromo, sin la diferenciación por una película
de silicato.
En su fabricación se tienen en cuenta los siguientes aspectos :
a) Alta temperatura de cocción.
b) Utilización de materias primas de alta pureza. Sobre todo en lo que se
refiere al contenido de SiOg.
c) Condiciones especiales de fabricación, relativas al control de la gianulo-
metría y utilización de altas presiones de prensado. Todo ello, para lo
grar la máxima densidad en los ladrillos.
Otro tipo de refractario básico es el llamado de grano fundido (7), puesto a
punto en América y que constituye un material homogéneo de magnesia y
cromo, producido a través de una controlada fusión de magnesia de alta pureza
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y mineral de óxido de cromo concentrado, con el fin de que los óxidos extraños
se mantengan a muy bajo nivel.
Durante la fusión tiene lugar una reacción y se forma una estructura equi
librada y homogénea de grandes granos de periclasa y pequeños cristales de
espinelas finamente distribuidas en aquéllas. Con este material se fabrica poste
riormente de la manera convencional el ladrillo, y en su cocción ya no tiene
lugar ninguna reacción entre la magnesia y el óxido de cromo, dando lugar a un
material de alta estabilidad sin la presencia de ninguna tensión heterogénea, y
que tiene alta densidad y muy baja porosidad con una fuerte resistencia a la
escoria y alta resistencia a temperatura.
3.—DOLOMÍA.
La dolomía durante muchos años ha sido, sobre todo en Europa, un material
muy empleado para la construcción de las suelas de los hornos eléctricos bá
sicos, ya que ha cumplido las condiciones para dar un resultado razonablemente
satisfactorio puesto que:
1." Se sinteriza en una masa coherente y dura libre de grietas y porosidades
después de ser calentada durante un tiempo apropiado.
2.° Esa sinterización se hace a una temperatura relativamente alta.
S."" Resiste bien la acción química, tanto de la escoria como del metal.
4.° Es de fácil adquisición.
Últimamente se ha llegado a conocer mejor la calidad precisa de la dolomía
que no sólo ha de basarse en su análisis, sino asimismo en otros aspectos físicos.
Con el análisis se puede conocer, por ejemplo, si se ha eliminado el CO2 de los
carbonatos. Pero si esto ocurre a baja temperatura, puede dar lugar a una do
lomía muy ligera y porosa. Sólo si la sinterización se hace a alta temperatura,
los poros se cierran y la dolomía llega a ser densa.
Actualmente la dolomía ha adquirido una gran importancia en los revesti
mientos refractarios para las paredes de los hornos eléctricos, utilizada en forma,
principalmente, de bloques.
Entonces ha de ser elegida de acuerdo a ciertos aspectos de la composición
química, densidad, granulometría, grado de humedad, etc. (8).
La composición química, es importante para reducir el ataque de las escorias
y las contracciones a alta temperatura. En las dolomías utilizadas normalmente
para este empleo el análisis viene a ser el siguiente:
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