Producción de aceros al carbono en hornos de arco eléctrico en condiciones de uso de manganeso PDF

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Ingeniería Mecánica E-ISSN: 1815-5944 [email protected] Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría Cuba Navas Medina, E. E.; Arzola Ruiz, J.; Batista Cabrera, A. Producción de aceros al carbono en hornos de arco eléctrico en condiciones de mineral de manganeso. Ingeniería Mecánica, vol. 10, núm. 2, mayo-agosto, 2007, pp. 23-31 Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría Ciudad de La Habana, Cuba Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=225117646003 Cómo citar el artículo Número completo Sistema de Información Científica Más información del artículo Red de Revistas Científicas de América Latina, el Caribe, España y Portugal Página de la revista en redalyc.org Proyecto académico sin fines de lucro, desarrollado bajo la iniciativa de acceso abierto  Ingeniería Mecánica, 3 (2007) 23-31 23 Producción de aceros al carbono en hornos de arco eléctrico en condiciones de mineral de manganeso. E. E. Navas Medina*, J. Arzola Ruiz **, A. Batista Cabrera***. * Departamento de Ingeniería Mecánica, Facultad de Ingeniería, Universidad de Holguín. Cuba. e-mail: [email protected] ** Facultad de Ingeniería Mecánica, Instituto Superior Politécnico “José Antonio Echeverría”, Ciudad Habana, Cuba. e-mail: [email protected] *** Universidad de Holguín. Cuba. Teléfono: +53 24 48 2675. e-mail: [email protected] (Recibido el 8 de diciembre del 2006, aceptado el 12 de febrero del 2007) Resumen. El presente trabajo constituye una segunda etapa de investigación relacionada con la producción de acero en hornos de arco eléctrico con revestimiento básico en condiciones de utilización de mineral de manganeso como sustituto del ferro- manganeso. En la investigación se caracteriza el acero producido utilizando el mineral de manganeso en dos variantes tecnológicas diferentes y se determinan parámetros importantes, tales como la estructura del acero obtenido, la influencia de la composición química y la temperatura en la reducción del Mn. Adicionalmente, se determina la composición química de la escoria, su basicidad e influencia en el aprovechamiento del Mn del mineral, así como, lo que significa la sustitución del FeMn en la problemática medioambiental. Palabras claves: Producción de aceros al carbono, hornos de arco eléctricos, mineral de manganeso. 1. Introducción. ocurran las reacciones de reducción del Mn del mineral hacia el metal líquido. En los aceros al carbono, la composición química del Variante 2. Se utiliza el mineral de manganeso en el metal base esta compuesta por carbono (C), manganeso periodo de reducción junto con elementos reductores (Mn), Silicio(S), fósforo (P) y azufre (S), donde el %Mn como el Aluminio y el Carbono para lograr la reducción se logra con la utilización de FeMn. En particular, la del Mn del mineral hacia el metal líquido y se logre la aleación FeMn es altamente costosa, por lo que el sustitución del FeMn. objetivo de la investigación se dirige a la utilización del mineral de manganeso en sustitución del FeMn, con el fin de reducir costos, consumo energético y el negativo 2. Estudio dinámico del proceso efecto en el medioambiental de la producción (Variante 1). convencional de acero, por concepto de la reducción de El mineral de Manganeso (pirilucita) posee alto % la contaminación derivada de la producción de las MnO2, y para llevarlo por disociación a MnO hacen falta ferroaleaciones. temperaturas de hasta 1500 0C [1,2], además posee un La procedencia y características del mineral utilizado, alto porcentaje de oxigeno por lo que se puede utilizar así como, las características del horno de arco eléctrico en lugar del mineral de hierro para la oxidación de las utilizado aparecen en un anterior trabajo publicado. impurezas y las reacciones de reducción del Mn al metal El horno utilizado permite el desarrollo del proceso de líquido. fusión completo, por lo que ocurren los periodos de Para el desarrollo experimental se tuvieron en oxidación y reducción en los que son aplicadas las dos consideración algunos parámetros de forma constante y variantes tecnológicas siguientes: otros de forma variable. Estos se mencionan a Variante 1. Se utiliza el mineral de manganeso en el continuación. período de oxidación para oxidar las impurezas y que 24 Producción de aceros al carbono en hornos de arco eléctrico en condiciones de mineral de manganeso. Parámetros constantes: - Masa de acero a producir, 3000 kg - Revestimiento básico - Composición química del mineral de manganeso - Temperatura del metal, ±15200C - Tamaño de grano del mineral: 24,5 mm Parámetros variables: - Composición química (Carbono, Silicio y Fósforo) inicial en el metal base. - Tiempo de oxidación - reducción del Mn del mineral al baño líquido (5, 10, 15, 20, 25, 30 y 35 min). - Basicidad de la escoria. Desarrollo del experimento. Figura 1 - Gráfico del comportamiento del Mn después de - Después de derretida la carga se verifica la añadir el mineral para oxidar las impurezas. temperatura con un pirómetro térmico Spectrosport (% Mn = 1E-05t4 - 0,0007t3 + 0,0096t2 - 0,0148t + 0,3 R2 = 1) 220 jr. - Conociendo el % de Mn en el metal base se añade el 3. Estudio dinámico del proceso mineral de Mn para la oxidación de las impurezas. - Cada 5 min se toman muestras para determinar el (Variante 2). comportamiento del Mn hasta lograr el % de C, P y Cuando se añade una mezcla de mineral de Mn establecidos y además se mide la temperatura manganeso conjuntamente con carbono y virutas de del metal para verificar su comportamiento. aluminio como agentes reductores en el periodo de - En lo adelante el proceso transcurre de forma reducción a temperaturas entre 1540 – 1560 oC y más, tradicional. los estudios teóricos sobre las condiciones de trabajo del horno de arco eléctrico con revestimiento básico , Resultados de las pruebas obtenidas. demuestran que existen las condiciones termodinámicas Los resultados de las pruebas obtenidas aparecen en la necesarias para que en el intervalo de temperatura entre tabla 1. A continuación se muestran los datos de la 1540 - 1560 oC ocurran las reacciones de reducción del primera colada, con la correspondiente grafica. Mn del mineral hacia el metal líquido. Para el desarrollo experimental se tuvieron en Tabla 1. Comportamiento del Mn después de añadir el mineral consideración algunos parámetros de forma constante y para oxidar las impurezas (variante 1). otros de forma variable. No. Tiempo No. % de Mn de Colada (min) muestras Parámetros constantes: 0 1 0.30 - Masa de acero a producir, 3000 kg 5 2 0.39 1 10 3 0.57 - Revestimiento básico C = 0.81 - Composición química del mineral 15 4 0.64 20 5 0.61 - Temperatura del metal, ±15400C - Elementos reductores a emplear (C y Al) Para una mejor comprensión se muestran los - Tamaño de grano del mineral: 24,5 mm resultados de esta primera colada en la figura 1. Los datos de la tabla 1 y la figura 1 muestran como el mayor Parámetros variables: porcentaje de manganeso se reduce (pasa al baño - Tiempo de reducción del Mn del mineral al baño metálico) entre los primeros 5 a 10 minutos después de líquido (5, 10, 15 y 20 min). añadido el mineral. Se aprecia, como entre los 15 y 20 - Basicidad de la escoria. minutos después de añadido el mineral comienza a Desarrollo del experimento. disminuir el porcentaje de manganeso (el manganeso - Una vez realizada y detenida la oxidación se toma sale del baño metálico hacia la escoria en forma de una muestra de acero y se determina el % Mn de forma MnO), por lo que al añadirlo en dos partes (al 50% cada experimental en el espectrocast (spectro analytical una) garantiza un mayor porcentaje de manganeso en la instruments gmbh). aleación. - Se verifica la temperatura con un pirómetro térmico spectrosport 220 jr  E. E. Navas Medina, J. Arzola Ruiz y A. Batista Cabrera 25 - Una vez conocido el porcentaje de Mn al acero Los datos de la tabla 2 y la figura 2 muestran como el líquido se añade el mineral de Mn y luego la mezcla de mayor porcentaje de manganeso se reduce (pasa al baño troceado de electrodos y virutas de aluminio. metálico) entre los primeros 5 a 10 minutos después de - Se toman muestras cada 5 minutos para verificar el añadido la mezcla. A partir de los 15 minutos después comportamiento del Mn según análisis de composición de añadida la mezcla a la escoria ocurre una pequeña química y se mide la temperatura para comprobar su disminución del % de Mn en el baño metálico y el comportamiento. manganeso comienza a salir del baño metálico en una - Se saca el metal del horno para el vertido de los reacción inversa en forma de óxidos. moldes. Después del análisis de cada una de las variantes tecnológicas, se muestra mediante un gráfico el Resultado de las pruebas obtenidas. comportamiento comparativo de cada una de ellas. Ver Como se puede apreciar en la tabla 2 los elementos figura 3. reductores (carbono y aluminio) cumplen su función y se logra sin dificultad el paso del Mn del mineral hacia el baño metálico. Durante los primeros 5 minutos después de introducida la mezcla se observan los mayores incrementos del contenido de Mn en el acero. A modo de ejemplo se ilustra la primera colada en la tabla 2. Tabla 2 Comportamiento del Mn después de añadida la mezcla. Variante 2. No. de Tiempo No. % de Mn Colada (min) muestras 0 1 0,30 Figura 3. Gráfico comparativo del comportamiento del Mn después de añadir el mineral para oxidar las impurezas (color 5 2 0,48 rosa) y la mezcla para la reducción (color oscuro). 1 C = 0.36 % 10 3 0,62 Al = 3 kg/t De la figura 3 se puede concluir que, aunque en ambas Coque =2 kg/t variante a los 5 min el %Mn en el metal cae en marca, 15 4 0,71 en la segunda variante se observa una mayor reducción 20 5 0,69 del Mn del mineral al baño metálico, esto se debe, a que la segunda variante utiliza elementos reductores que aceleran la velocidad de reducción del Mn del mineral. Para una mejor comprensión se muestra gráficamente Los resultados de la composición química y propiedades los resultados en la figura 2. mecánicas aparecen reflejadas en el primer articulo publicado. 4. Estructura del acero obtenido con la utilización del mineral de manganeso. Como es conocido, las propiedades del acero dependen de la composición química y de la estructura del metal o pieza obtenida, es por ello que se hace imprescindible la determinación de la estructura ya que como se puede apreciar la composición química se corresponde plenamente con lo exigido por la norma, además se determinó la posibilidad de que en la masa metálica queden restos de los componentes del mineral que puedan afectar las propiedades mecánicas del metal Figura 2 - Gráfico del comportamiento del Mn después de obtenido. añadida la mezcla de mineral, aluminio y coque. La preparación de las probetas se realizó utilizando la (%Mn = -3E-06t4 + 9E-05t3 - 0,0015t2 + 0,0418t + 0,3 R2 = 1) Norma ASTM 01.02-A53684. Después del desmolde las probetas fueron maquinadas y pulidas para 26 Producción de aceros al carbono en hornos de arco eléctrico en condiciones de mineral de manganeso. ser analizadas metalográficamente. Para el estudio de la Siendo reductora aquella sustancia que tiene mayor microestructura se utilizó el Microscopio Metalográfico afinidad química hacia el oxígeno que el metal reducido NEOPHOT – 32; en el cual se pudo apreciar que la [8, 4]. estructura obtenida en el acero 35 fundido luego de ser Como se demostró cuando se funde acero al carbono Normalizado no poseía ninguna inclusión procedente y durante la obtención del % Mn a partir del mineral, del mineral que pudiese alterar sus propiedades tiene gran importancia la reacción de reducción del Mn mecánicas como se muestra en la figura 4. a partir del MnO2 con la ayuda del C y Al (elementos reductores). La reducción directa es posible a temperaturas superiores a los 1000°C, cuando la afinidad hacia el oxígeno del Fe, C, Si, P, Al, etc., son mayores que las del manganeso. Entonces, es interesante la influencia de los componentes del metal base en la reducción del Mn, ya que además de las reacciones de oxidación – reducción ocurren otras reacciones como es el caso de la formación del MnS. Variante 1: Para determinar la influencia de la composición química del metal base se realizaron un total de 55 coladas en las cuales se trató de variar los porcentajes del elemento a investigar y mantener dentro de las posibilidades el resto de los componentes fijo (en Figura 4. Acero 35 atacado con nital 2% con aumento de condiciones de la industria esto no es fácil de lograr por 500x, después del normalizado, obteniéndose una estructura lo que en la tabla presentamos algunos de los ejemplos de perlita + ferrita. que más se aproximaron). En la tabla 3 aparecen los resultados de los experimentos realizados en cada una 5. Influencia de la composición química de las coladas con diferente composición química. y la temperatura en la reducción del Tabla 3. Comportamiento del Mn después de añadir el Mn. mineral en el metal líquido para oxidar las impurezas. Los aceros al carbono poseen en su composición Comp. No. de Tiempo No. Química % de Mn química base elementos como: Carbono, Manganeso, Colada (min) muestras % Silicio, Fósforo y Azufre, elementos que a su vez C = 0.76 0 1 0,25 poseen una determinada afinidad química; La afinidad Si = 0.24 5 2 0,29 química determina la posibilidad de las sustancias de 1 Mn = 0.25 10 3 0,45 P = 0.04 15 4 0,51 reaccionar entre ellas, formando enlaces resistentes a S = 0.03 20 5 0,48 diferentes temperaturas, (Linchebki y Kudrin 1984 C = 0.98 0 1 0,25. Si = 0.24 5 2 0,32 Para la reducción del Mn se utiliza como elemento 2 Mn = 0.25 10 3 0,51 aportador el MnO2, el cual debe ceder el oxigeno para P = 0.04 15 4 0,59 S = 0.03 20 5 0,56 lograr la reducción de Mn. 0 1 0,25 Como ley, estos óxidos tienen alta resistencia, baja C = 0.76 5 2 0,29 elasticidad de disociación y en las condiciones reales de Si = 0.38 Mn = 0.25 10 3 0,46 3 temperaturas del proceso no se pueden disociar, por eso P = 0.04 15 4 0,53 generalmente la desoxidación se realiza por medio de la S = 0.03 20 5 0,50 introducción en la aleación de una sustancia elegida C = 0.76 0 1 0,25 especialmente, nombrada reductora. Al introducir la Si = 0.24 5 2 0,29 misma en la aleación se desarrollarán las reacciones de 4 Mn = 0.25 10 3 0,46 oxidación-reducción del tipo: P = 0.09 15 4 0,52 S = 0.03 20 5 0,49 MeO + X = Me + XO C = 0.76 0 1 0,25 Si = 0.24 5 2 0,29 Donde: 5 Mn = 0.25 10 3 0,45 P = 0.04 15 4 0,51 X - elemento reductor. S = 0.08 20 5 0,48  E. E. Navas Medina, J. Arzola Ruiz y A. Batista Cabrera 27 En esta variante la composición química influye de la además, el oxigeno del mineral se enlaza con los siguiente forma: elementos reductores, oxidándolos y provocando la Colada 1: Se observa como con alto por ciento de C reducción del Mn del mineral al baño metálico. (0,76), la reducción del Mn se realiza sin dificultad. Resumiendo, los bajos % FeO, las altas temperaturas Colada 2: Se observa como con un aumento del junto con bajos % S y la utilización de elementos carbono aumenta el %Mn reducido (es más rápida la reductores influyen positivamente en la reducción del velocidad de reducción). manganeso. Colada 3: Se observa que con más %Si que el resto de las coladas se logra un mayor %Mn final, por lo que se 6. Determinación de la composición puede decir que el Si influye positivamente en la química de la escoria y su influencia reducción del Mn. Colada 4: Se observa que con el aumento del %P, en el aprovechamiento del Mn del aumenta el %Mn en la aleación lo que demuestra la mineral. influencia del P en la reducción del Mn (a mayor % P Las muestras de escoria fueron tomadas al final de mayor será la reducción del Mn). cada hornada con la ayuda de la cuchara de muestreo de Colada 5: Eesta colada presenta un aumento del %S, la instalación para fundir acero (en la fundición de con la correspondiente disminución del % Mn y bajo las Holguín se trabaja con una sola escoria hasta el final), se mismas condiciones de trabajo de las coladas anteriores, sacaron varias muestras de escoria y se trasladaron hacia lo que a su vez demuestra que el azufre influye de forma el centro de investigaciones siderúrgicas (CIS) de negativa en el por ciento final del Mn ya que se forma Nicaro, donde se realizaron los análisis de composición MnS y sale a la escoria. química. Los resultados de dichos análisis son los siguientes: Influencia de la temperatura. La temperatura en la variante 1 influye de la siguiente Variante 1 forma: Las mediciones de temperatura se realizaron una Colada Composición química vez derretida la carga metálica y después de añadido el CaO MgO FeO MnO SiO2 Al2O3 P2O5 mineral de manganeso (cada 5 mn), con un pirómetro de 1 41 5 10,3 25 15 3,5 0,2 radiación Spectrosport 220 jr. 2 42 4,5 10,1 24,5 15 3,7 0,2 Se puede observar como se experimenta un alza del % 3 44 4 10 23 14,82 4 0,18 de Mn, y ese crecimiento se mantiene hasta los 15 min, coincidiendo a los 15 mn el momento de máxima Variante 2 temperatura (durante los primeros 3 - 5 min la reacción Colada Composición química es endotérmica dada por la descomposición y fusión del CaO MgO FeO MnO SiO2 Al2O3 P2O5 dióxido de Mn y la formación del CO, provocando la 1 42 4,5 13,5 18,5 17 4,3 0,2 disminución de la temperatura en 20 oC, pero luego el 2 43 4,5 13 18 16,8 4,5 0,2 Mn cede el oxigeno ocurriendo la oxidación del hierro, 3 44 4 13,03 17 17 4,8 0,17 fósforo, silicio y la formación del CO2 en reacciones exotérmicas que provocan el aumento de la temperatura A continuación se muestra la composición química hasta 60 oC). media de la escoria, obtenida según la tecnología tradicional en similares condiciones de trabajo. Variante 2: En esta variante tecnológica la composición química Composición química del metal base no influye mucho, ya que solo el carbono CaO MgO FeO MnO SiO2 Al2O3 P2O5 y el silicio poseen mayor afinidad química por el 42 5 15 13,5 20,8 3,5 0,2 oxigeno a la temperatura de alrededor de 1540 – 1560 o C. Como el carbono está en la marca deseada y el silicio se oxidó casi por completo, su influencia en la Basicidad de la Escoria. reducción del Mn es insignificante (por esa razón se Para las escorias básicas el valor de su basicidad se utilizan elementos reductores (C y Al )), solo el azufre encuentra entre 1,2 – 2,8 y valores mayores a 2,8 es puede influir de forma negativa si se encuentra en altos altamente básica. La basicidad se calcula por la formula: por cientos, como es el caso de la colada 5 de la tabla 3 ya que forma MnS que sale a la escoria. (CaO + MgO) / ( SiO2 + Al2O3 ) Como la mezcla (mineral, C, Al ) se añade en el período de reducción en el metal existe poca cantidad de Cálculo de la basicidad de la escoria por las 3 variantes oxígeno y por lo tanto hay menor posibilidad de que analizadas: este se enlace con el Mn arrastrándolo hacia la escoria, 28 Producción de aceros al carbono en hornos de arco eléctrico en condiciones de mineral de manganeso. Variante 1: (42,5 + 4,5) / (15+ 3,5) = 2,54 energético de la sustitución del ferromanganeso por Variante 2: (43 + 4,5) / (17 + 4,5) = 2,20 mineral de Mn. Variante Tradicional: (42 + 5) / (20,8 + 3,5) = 1,93 De tal forma, el impacto energético total de la sustitución alcanza un 13 % de reducción por la variante Volumen de escoria (%) por variantes. 1 y un 8 % de reducción por la variante 2, con respecto a Como es sabido, por la tecnología tradicional de la tecnología tradicional. producción de acero en HAE, el % de escoria representa de 3 – 5 % de la masa metálica. El balance Impacto Ambiental. material de la hornada, así como los resultados La sustitución de ferroaleaciones al Mn, por mineral experimentales, permiten estimar el crecimiento del % de Mn presupone la reducción del impacto ambiental de la escoria, como consecuencia del conjunto de generado durante la producción de estas ferroaleaciones sustancias acompañantes a los óxidos de Mn y Fe en el menos la afectación producida en el horno eléctrico mineral de Mn, sobre todo los óxidos de Mg, Al, Si, P como resultado de la introducción del mineral. etc., hasta el 6 % en la variante 1, mientras que para la Al transformarse, estos insumos son causantes de la variante 2 alcanza hasta el 5,5 %. contaminación ambiental, la que abarca producción de El análisis de los resultados de escoria muestra como residuos sólidos, líquidos y gaseosos, los que la composición química de la misma influye en la contaminan el aire, la tierra y las aguas. Algunos de reducción y aprovechamiento del Mn del mineral: estos residuos pueden reutilizarse en otras producciones. -En la variante 2 se observa como a mayor % de CaO en la escoria y utilizando elementos reductores Tabla 4. Producción de FeMn en HAE. (aluminio y carbono), menor es el por ciento de MnO en la escoria y, por tanto, el rendimiento del Mn del Consumos Características Cantidades mineral es mayor. mineral - En la variante 1 se observa lo mismo, pero sin Mn (MnO2 , MnO Materias 2100 – 2200 CaO) utilizar elementos reductores. primas Sílice, Fe2O3 kg/t - Se observa que con valores aproximados de CaO en la escoria existe diferencia en el %Mn entre las dos Fundentes(caliza, variantes tecnológicas, o sea cuando se usan elementos cuarcita) Carbones: Agente reductor reductores (variante2) el rendimiento del mineral es Materias 390-425 kg/t (coque, carbón, mayor. Secund. madera) - Con la introducción de las variantes tecnológicas se Agua de observa un incremento de la basicidad de la escoria lo 2,2 m3/t refrigeración cual incrementa el carácter reductor de la misma. 1600 – 3000 Energía E. Eléctrica kWh/t 7. Impactos Energético y Ambiental La Tabla 5 resume el efecto medioambiental derivado Impacto Energético. de la producción de ferromanganeso, incluyendo De las pruebas de hipótesis realizadas se confirma que cantidades de contaminantes que pasan al medio existe diferencia significativa en el consumo de energía ambiente, cuales se pueden reutilizar y cuales no. eléctrica en ambas variantes con una reducción media del consumo de aproximadamente un 10 % en la Residuos. variante 1 y de un 5 % en la variante 2 en comparación Durante el tratamiento térmico de minerales y con la tecnología tradicional. Estos resultados reflejan el concentrados, los gases arrastran impurezas que deben efecto de las reacciones exotérmicas y de la reducción eliminarse antes de utilizarlos en cualquier tipo de de la duración de la hornada. producción secundaria, o de emitirlos a la atmósfera. Por otra parte, según se conoce el consumo medio Las alternativas para el tratamiento de residuos de energía eléctrica que se alcanza en España durante la metalúrgicos dependen de si el residuo es o no producción de ferromanganeso se encuentra en el orden reciclable. Si lo es, la mejor alternativa es reciclarlo en de 2300 kWh/t. el mismo lugar donde se ha generado, pero si desde el Considerando un consumo medio de 30 kg de FeMn punto de vista económico y técnico no es viable debe ser en una hornada, para el horno de 3 t en el que se enviado a una planta de reciclado externa. hicieron los experimentos, se alcanza un impacto Si el residuo no es reciclable, debe procurarse una energético por la no necesidad de producir minimización de su impacto ambiental, con deposito ferromanganeso de 0.03 x 2300 = 69 kWh/t de acero definitivo en el lugar de producción o en un lugar lo más producido, lo que añade un 3 % adicional al impacto próximo posible al mismo.  E. E. Navas Medina, J. Arzola Ruiz y A. Batista Cabrera 29 En el caso particular de las ferroaleaciones, se otros contaminantes sólidos propios de la producción de requiere de instalaciones para el briqueteado de los finos ferromanganeso como lodos, etc. procedentes de los filtros y de los lodos para su fácil manejo y optimizar su empleo a la hora de la Contaminación atmosférica. recirculación a los hornos. Durante las distintas operaciones se emiten a la atmósfera gases (productos de la reducción: óxidos de Contaminantes sólidos. carbono, nitrógeno) y partículas de distinta índole. Los Aunque según puede observarse de la tabla 5, la contaminantes más significativos son: SO2, CO2, CO, generación de contaminantes sólidos es significativa, su N2, H2, partículas metálicas suspendidas, polvos del efecto se mitiga mediante la reutilización de los mineral, etc. diferentes componentes de este tipo de contaminantes. A pesar que se ha alcanzado determinado desarrollo Esto presupone la introducción de tecnologías en el área de depuración de gases, captación de polvos, modernas. etc. su aplicación resulta muy cara y no se ha logrado Durante la utilización experimental del mineral de Mn reducir la contaminación atmosférica derivada de estas en sustitución del ferromanganeso la escoria resultante producciones. se incrementó hasta el 5 – 6 %, lo que no se compara en En el periodo de realización de los experimentos en el su volumen con la escoria resultante de la producción de taller se realizaron tomas de muestras de gases en el ferromanganeso, lo que significa un incremento de espacio de trabajo del taller, determinándose la alrededor de 20 – 30 kg de escoria, lo que significa un composición de SO2, CO2, CO, sin detectar incrementos volumen inferior a la escoria que se generaría al con respecto al uso de la tecnología habitual. producir los alrededor de 30 kg de ferromanganeso que De tal forma, la sustitución de ferroaleaciones al Mn se requiere por la tecnología habitual, la que asciende a por mineral de manganeso elimina el impacto 30 x 1.75 = 52,5 kg. Es decir, se logra un decremento en contaminante de la producción de ferroaleaciones. la generación de escoria. Por otra parte, no se generan Tabla 5 Contaminantes durante la producción de FeMn en HAE. Tratamiento Efecto MA Aspecto Características Cantidad actual HF FeMn 0,4 La escoria, si es de calidad adecuada y SiO2, Al2O3, t/tprod. rica en MnO, se reutiliza como materia Escorias MC y LC FeMn 1,6 prima en la producción de SiMn, si no CaO – 1,9t/t p para relleno. Residuos Mn, MnO, SiO2, y Lodos trazas de C, Al2O3 30 – 50 kg/t Reutilización depuradora ,CaO Finos de filtro CaO, MnO, FeO, N.D. Se mezclan con escoria de SiMn del horno SiO2, Al2O3, MgO HC FeMn 5 – 60 Con la utilización de Bag – house se puede mg/Nm3 alcanzar una emisión de polvo de 5 Partículas MC y LC FeMn mg/Nm3. menor de 25 Contam. mg/Nm3 Gases atmosférica HC FeMn 0,02 – SO2 - 0,03 kg/t HC FeMn 1,200 – CO2 - 1,500 kg/t CO, N2, H2 N.D. - Aguas Contam. Agua salada Depuración 20 m3/h Tratamiento físico-químico hídrica CaO, SiO2, MnO. de gases * El valor de CO2 corresponde al proceso de reducción exotérmica del silicio. Si se produce MC FeMn a partir del HC FeMn, sería de 100-500 kg/t producto. 30 Producción de aceros al carbono en hornos de arco eléctrico en condiciones de mineral de manganeso. Contaminación del agua. del dióxido de Mn y la formación del CO( Como puede observarse en la tabla 5, durante la disminuye 20oC) pero luego el Mn cede el producción de ferromanganeso se genera un oxigeno ocurriendo la oxidación del hierro, volumen importante de agua salada con alto fósforo, silicio y la formación del CO2 en contenido de CaO, SiO2, MnO, lo que requiere del reacciones exotérmicas que provocan el uso de plantas de tratamiento químico para su aumento de la temperatura en 60oC. descontaminación. El uso de mineral de Mn no Se comprobó que la basicidad de la escoria incrementa en nada la contaminación del agua influye directamente en la reducción del Mn del propia de la tecnología habitual de producción de mineral al metal líquido (a mayor basicidad, acero, por lo que se elimina esta contaminación mayor será la reducción del Mn). adicional que presupone la producción previa de Con la utilización de las variantes tecnológicas ferromanganeso. propuestas se logra reducir la problemática medioambiental, por concepto de la eliminación Efecto contaminante del consumo de energía del proceso de producción del FeMn. eléctrica adicional. Según se estudió el uso del mineral de Mn en 9. Bibliografía. sustitución del ferromanganeso presupone un consumo energético inferior al de la tecnología 1. Cruz A., Quintana R, y otros. habitual en un 8 – 13 %, lo que significa un Caracterización de un mineral de manganeso impacto ambiental inferior en esa misma magnitud para su utilización en la síntesis de fundentes de la contaminación ambiental generada en la para la soldadura automática. Revista de producción de energía eléctrica. Metalurgia, p 114 – 122. Madrid 39. Marzo – Abril 2003. 2. Cruz A., Quintana R, y otros. Empleo de 8. Conclusiones. Escorias de Soldadura del sistema MnO – Se han logrado los siguientes resultados: SiO2 para la obtención de un nuevo fundente aglomerado aleado. Revista de Metalurgia p 3 La reducción del Mn del mineral se logra por – 11. Madrid 41. Enero – Febrero 2005. ambas variantes tecnológicas. La disminución del 3. Ferroaleaciones. Fundación Entorno, %Mn en el metal se observa a partir de los 15 – 20 Empresa y Medio Ambiente. mn, debido a que en el metal líquido todavía existe http://www.eper_es./ver.asp?id=1046&DOC= una pequeña cantidad de oxigeno, por lo que se 1111. Madrid, España, 2006 recomienda (cuando el metal tenga que 4. Kudrin V.A. Metalurgia del acero. permanecer durante un tiempo mayor del Editorial MIR 1984 p423. establecido en el horno), añadir sobre el baño de 5. Linchebki B. Técnicas para experimentos escoria una capa de carbono (coque), para detener metalúrgicos 2da Edición. Metalurgia.1989. la oxidación del Mn. 6. Morral, F, R. Metalurgia general. La composición química del mineral de Mn no Editorial Reverte. Barcelona, España 1985. p influye de forma negativa en las propiedades 695. mecánicas del metal ya que en las pruebas 7. Navas M.E. y Batista C,A. Utilización metalograficas no aparece ninguna inclusión del MnO2 (pirilucita) en la producción de procedente del mineral que pudiese alterar las aceros al carbono, Revista Minería y mismas, además, la estructura obtenida es: perlita Geología. Vol.18 , 3-4 / 2003, p 73-78. + ferrita. 8. Navas M.E. y Batista C. A. Metalurgia Se comprobó que el carbono, silicio y fósforo son de la Fundición. Universidad de Holguín. reductores del Mn por lo que aumentan su 2005. p 452 reducción hacia el metal líquido, mientras el azufre 9. Norma ASTM 01. 02 – A53684 (1993). la reduce debido a que forma sulfuros de Dimensiones y preparación de muestras para manganeso que salen a la escoria. piezas fundidas. La temperatura se comporta de la siguiente forma: 10. Suchkov A. Producción de acero en durante los primeros 3 mn la reacción es Hornos de Arco Eléctrico, Universidad de endotérmica dada por la descomposición y fusión Holguín, 1992.  E. E. Navas Medina, J. Arzola Ruiz y A. Batista Cabrera 31 Steel production in electric arc furnaces in the condition of use of manganese. Abstract: This present work constitutes the second stage of investigation in relation with the steel production by means of electric arc furnaces in the condition of use of manganese ores as a substitute of the ferromanganese. In the investigation, the steel manufactured is analyzed the manganese ore in two different technological variants and some important parameters are determined such as: the chemical composition's structure of the steel, the influence of temperature in the reduction of Mn. Moreover, an analysis of the chemical composition of the slag and the influence in the environmental is realized. Key words: Carbon steel production, electric arc furnaces, manganese mineral. 5to Congreso Cubano de Ingeniería Mecánica Del 1ero al 5 de diciembre del 2008 en La Habana, Cuba El CCIM 2008 tendrá como tema central “La Informática en la Ingeniería Mecánica y Metalúrgica del Siglo XXI” y contará con las siguientes temáticas: Mecánica Computacional, Biomecánica y las TIC en la Ingeniería Mecánica y Metalúrgica. Mecatrónica y los Sistemas de Diseño y de Fabricación Avanzados Gestión de Flota del Transporte Energía y sus Tecnologías Emergentes Materiales; Novedades y Tecnologías Metalurgia y Procesos Metal-Mecánicos Enseñanza de la Ingeniería Mecánica y Metalúrgica. Sistemas de Mantenimiento. Para más información visite el sitio: http://www.cujae.edu.cu/mecanica/CCIM-2008 O contactar al Comité Organizador en la dirección electrónica: [email protected]