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La estadística es una herramienta muy útil para el análisis de la información sobre el desempeño de cualquier proceso.

En el proceso convencional del BOF se tienen condiciones particulares de soplado de oxigeno al baño por la parte superior a través de la lanza de oxigeno, y el equilibrio del sistema esta gobernado principalmente por 2 elementos que son el carbono y oxigeno.

La información de las ppm de oxigeno de la celda de oxigeno, se relaciono con los valores de carbono emitidos por el espectro robotizado obteniéndose una ecuación que nos ayudo a establecer las ppm de oxigeno estimadas del oxigeno disuelto en el acero liquido.

Posteriormente para evaluar la confiabilidad de la ecuación obtenida, se comparo con mediciones hechas por la celda de oxigeno y finalmente con el resultado contundente en la acertividad en el contenido de aluminio esperado en el acero la olla después del vaciado del horno con y sin el uso de la celda de oxigeno.

El resultado de operar sin el uso de la celda de oxigeno es muy similar cuando se utiliza la celda ya que los cumplimientos en el contenido de aluminio en la olla de acero son muy similares y además no se tiene demoras del proceso al prescindir del uso de la celda, la cual solamente es utilizada en casos de emergencia x fallas del espectro robotizado.

ANTECEDENTES

Durante la operación normal del proceso BOF, se presentaron situaciones de duda sobre la acertividad de las mediciones de la celda de oxigeno respecto al oxigeno disuelto y contenido de carbono residual en el baño de acero del horno ya que había una marcada diferencia, lo anterior nos lleva a analizar la información historia de los resultados de la celda de oxigeno para lo cual se recopila información de un periodo continuo de 4 meses y se grafican las principales variables que intervienen en el comportamiento de solubilidad del oxigeno en el acero como son la temperatura y el contenido de carbono residual, para este análisis se descartaron las coladas que no contaban con la información completa, ejem. Aquellas coladas en que se resoplaba y no se volvía a sacar muestra de acero del horno. Los datos de comparación fueron los emitidos por el espectro robotizado y las ppm de oxigeno fueron tomadas de las lecturas de la celda de oxigeno.

En la figura 1se muestra el comportamiento de la celda de oxigeno respecto al contenido de carbono real de la muestra de acero, para esta evaluación se descartaron aquellas coladas en donde no se tomo muestra después de haberse resoplado y en aquellas en donde se encontró que el producto C*O era inferior a 0.0027.

Figura 1. Que muestra el comportamiento del carbono de la muestra y la concentración del oxigeno disuelto en el acero el cual es medido por la celda de oxigeno para el proceso convencional del BOF.

También se analizo la relación que existe entre la concentración del oxigeno disuelto en el acero respecto a la temperatura encontrándose muy poca correlación como se aprecia en la figura 2.

Figura 2. Correlación que existe entre la ppm de oxigeno respecto a la temperatura del acero liquido para el proceso normal, los valores de las ppm son los emitidos por la celda de oxigeno.

De acuerdo a la poca correlación que existe respecto a la temperatura, se opto por establecer como mandatoria la relación carbono – oxigeno para lo cual se toma como punto de partida el resultado de la muestra de acero liquido y cuyo valor es reportado por el espectro robotizado en un tiempo máximo de 3 minutos desde que la muestra es tomada por el operador.

Posterior a la determinación de la relación carbono – oxigeno para el proceso convencional actual del BOF, se establecen la tabla de las ppm de oxigeno estimadas de acuerdo al contenido de carbono de la muestra emitido por el espectro robotizado, tal como se muestra en la tabla I.

En esta tabla se establecen como limites de trabajo desde las 200 ppm hasta las 1300 ppm de oxigeno disuelto en el acero, de acuerdo a la información estadística de los 4 meses considerados para esta evaluación.

En la tabla de referencia se establecen primero rangos de medición de cada 25 ppm y después de las 750 ppm intervalos de 50 ppm, lo anterior con el fin de que los valores del contenido de carbono de la muestra sean lo mas cercano posible de un valor a otro.

Tabla I

Posterior a la implantación de la tabla de ppm estimadas, se evalúa su funcionalidad utilizándose a la par la celda de oxigeno, esta evaluación se lleva a cabo por un periodo continuo de un mes y al comprobarse que se puede trabajar sin la celda de oxigeno mediante la comparación de las ppm de la tabla y de la celda encontrándose muy similares, se opta por dejar de utilizar la celda de oxigeno usándose solamente en casos de emergencia cuando se tienen eventos esporádicos sobre alguna botada del espectro robotizado.

La información de las coladas en donde se trabaja a con la tabla y la celda de oxigeno se analiza correlacionándose primeramente las ppm de oxigeno de la celda respecto al contenido de carbono real de la muestra y el carbono que marca la misma celda.

De la gráfica se puede afirmar que la relación que existe entre las mediciones de carbono y oxigeno de la celda se comportan mediante una línea curva perfecta ya que su R² es de 0.999, sin embargo la relación real entre las ppm de oxigeno de la celda respecto al contenido de carbono real de la muestra es de 0.81 la R².

En la figura 3 se muestra gráficamente la relación que existe entre los valores de ppm de la celda respecto al contenido de carbono real y el de la celda de oxigeno.

Figura 3. Gráfica que muestra la correlación existente de las ppm de la celda de oxigeno respecto a los valores de carbono de la muestra de acero analizada por el robot y el carbono de la celda.

Además se evalúa la correlación del carbono real de la muestra de acero respecto a las ppm estimadas de la tabla y los valores de las ppm emitidas por la celda de oxigeno, es esta grafica se observa que existen datos con valores en ppm de oxigeno que mide la celda y que no son congruentes al contenido de carbono de la muestra de acero para un proceso normal en donde no se tiene soplado por el fondo del horno resultando valores del producto carbono – oxigeno de 0.0022.

En la figura 4 se muestra la correlación existente, tomando como punto de partida el carbono real de la muestra de acero respecto a las ppm de oxigeno estimadas de la tabla y las ppm medidas por la celda de oxigeno.

Figura 4. Correlación entre el contenido de carbono real de la muestra respecto a las mediciones de oxigeno de la celda y las estimadas por la tabla, se muestran algunos datos de la celda que no van de acuerdo para el proceso normal de BOF.

Al evaluar los resultados de trabajar con la tabla se observa una dispersión del producto C*O de 0.0033 hasta 0.0035 por manejarse intervalos de 25 a 50 ppm, considerándose aceptable esta dispersión y no detectándose ninguna anomalía para la aplicación de las tablas de desoxidacion en donde se utiliza el carbocoque para predesoxidar el acero.

Al comparar los cumplimientos en la acertividad del aluminio esperado en el acero de la olla posterior al vaciado con el uso de la celda se tenia un promedio de 81.5%, al trabajarse a la par con la celda y tabla el cumplimiento bajo a un 79% y posteriormente al trabajar exclusivamente con la tabla de ppm estimadas el cumplimiento subió a un 82.2%.

Durante el mes de julio que se hizo la evaluación al trabajarse a la par con la utilización de las celdas y las tablas de ppm estimadas se vaciaron un total de 645 cols., de las cuales en 145 se utiliza la celda de medición de oxigeno que equivale al 22.5 %, además de las 645 cols. En 67 cols. Se resopla y no se toma muestra esto equivale al 10.38% y de estas 67 cols. Solamente en 10 cols. Se utiliza la celda como referencia (15%).

Por lo anterior tomando como referencia que en el 10% de las coladas no se tomo como referencia las condiciones de los elementos residuales del acero, el máximo cumplimiento que podríamos esperar seria del orden del 90%, del valor obtenido real 82.2% falta considerar que por el efecto del paso de escoria del convertidor a la olla de acero se tiene la mayor perdida de aluminio la cual llega a ser hasta de 100 kg.

En la Figura 5 se muestra el cumplimiento en el contenido de aluminio esperado en el acero de la olla posterior al vaciado del horno, al trabajar simultáneamente con el uso de la tabla y la celda de oxigeno.

El ahorro que se puede esperar por la sustitución de la celda de oxigeno por la tabla de ppm estimadas, para el proceso normal seria considerando el promedio de coladas vaciadas durante el año 2002 fue de 1425 por los 2 convertidores, significa un ahorro potencial anual de 713 cols. Dejándose de consumir la celda de oxigeno cuyo costo es de 11.00 USD, utilizando solamente el termopar convencional cuyo costo es de 1.10 USD, nos da un ahorro anual de $889,396.00 pesos.

Hay que considerar que la evaluación anterior esta basada para las condiciones actuales del proceso normal y que si se llega a dar cualquier cambio significativo, como por ejem. Cambios en la practica de soplado, principalmente en la posición de la altura de la lanza así como cambios en el diseño de la misma se tendría que llevar a cabo una evaluación similar para el ajuste correspondiente.

Vo. Bo.

Ing. Juan A. Carreon Peña

Supte. Operación convertidores

OPTIMIZACIÓN DEL CARBONO PARA LA PREDESOXIDACION DEL ACERO EN CONVERTIDORES BOF

Resumen.

El presente trabajo consistió en la optimización del carbono para la eliminación parcial del oxigeno disuelto en el acero, para lo cual se consideraron diferentes alternativas, tales como  la utilización de la practica de predesoxidacion normal, donde se emplea carbono en forma de carbocoque con una pureza del 98% para eliminar la mitad del oxigeno disuelto, la utilización de altos contenidos de carbón residual del baño, así como la aportación del carbono contenido en el ferromanganeso para la eliminación parcial del oxigeno disuelto en el acero y posteriormente llevar a cabo la desoxidacion total de la colada.

Este trabajo se enfocó principalmente a los grados de acero bajo carbono y manganeso los cuales constituyen en la acería aproximadamente el 65% de la producción total. Además se considero el proceso del soplo convencional, ya que para el proceso de soplo combinado el comportamiento del producto C*O es muy variable, debido al cuidado del refractario del fondo a causa del desgaste de las toberas, por tal motivo las toberas no siempre están libres por lo que el producto carbono-oxigeno oscila de 0.0020 – 0.0028.

Para eliminar al máximo el oxigeno mediante el carbono, fue necesario determinar la cantidad de carbono perdido durante el vaciado del convertidor a la olla de acero evaluando diferentes concentraciones de carbono residual, posteriormente la ecuación encontrada se utiliza para calcular el contenido de carbono máximo permitido para vaciar, así como el carbono esperado en la olla de acero.

Con lo anterior, se logro un ahorro considerable en el consumo de aluminio utilizado para la desoxidación del acero, se minimizan los resoplos por alto carbono, también se establecen las condiciones optimas para lograr los mayores beneficios y un mejor desempeño del proceso.

Introducción.

La acería BOF y CC fabrica alrededor de 95 diferentes grados de acero,  de los cuales el 60-65% de la producción corresponde a aceros bajo carbono. En algunos de estos grados de acero, el contenido de carbono especificado es muy bajo (0.035% máximo), por lo que existe poca área de oportunidad. Sin embargo, la producción de estos grados es de aprox. el 2%. En el resto de los grados bajo carbono, si es posible agrupar y optimizar el uso del carbono para la eliminación parcial del oxigeno disuelto en el acero e inclusive desarrollar una practica especial de vaciado. 

En la Figura 1 se aprecia la distribución de la mezcla de grados que se fabrica en la acería BOF y CC.

Figura 1. Distribución de la mezcla de grados vaciados en la acería

Anteriormente, para la fabricación de los grados de acero bajo carbono se tenía estandarizada una tabla general de desoxidación en donde se establece la cantidad de carbocoque a utilizar para la predesoxidacion (eliminación parcial del oxigeno del acero), así como la cantidad de aluminio para completar la desoxidación total. La Tabla I muestra la tabla de referencia.

Tabla I: Tabla de desoxidación para aceros bajo carbono

Como se aprecia en esta tabla de desoxidacion, a partir de las 800 ppm de oxígeno que equivale aproximadamente a un 0.043% de carbono, se utiliza el carbocoque para la predesoxidacion del acero, considerando además el que resulta de la incorporación del ferromanganeso.

Desarrollo Experimental.

Para llegar a utilizar el carbón de la manera más eficiente, una de las tareas principales fue determinar la cantidad de carbono que se pierde durante el vaciado del convertidor a la olla de acero. Para lograr esto, se evaluaron una serie de coladas vaciadas a diferentes contenidos de carbono residual y considerando la aportación de carbono del ferromanganeso. La Figura 2 muestra el carbono perdido con respecto al carbono residual, y en la Figura 3 se aprecia la evolución del carbono perdido en forma de CO.

Figura 2. Determinación del carbono perdido durante el vaciado del convertidor a la olla de acero

Figura 3. Evolución del carbono perdido en forma de CO.

Posteriormente, la ecuación obtenida se optimiza aplicándose hasta los ¾ del nivel del acero en la olla, de acuerdo al siguiente esquema mostrado en la Figura 4.

Figura 4. Esquema del llenado de la olla donde se muestran las diferentes etapas en la desoxidacion parcial del acero por el carbono en la olla.

Debido a que el carbono es el factor determinante para el balance de las entradas y salidas de acuerdo al establecimiento de las diferentes practicas de desoxidacion, fue necesario agrupar los grados de acero de acuerdo a su especificación de carbono y manganeso, agrupándose en 3 diferentes grupos, tal como se muestra en la Figura 5. Para el grupo 1, se continuo con la aplicación de la practica común mostrada en la Tabla I, desarrollándose otra tabla para cada uno de los grupos II y III considerando que la cantidad agregada de ferromanganeso es similar.

Figura 5: Diagrama que muestra los criterios para la agrupación de los grados de acero bajo carbono y manganeso

Durante el proceso de evaluación se detecto que se presentan eventos con las celdas de oxigeno al emitir resultados erróneos, pero la mayor parte de ellos atribuidos a factores operativos como son: tomas sobre la escoria y sobrecalentamiento de la lanza del celox. Por lo anterior se dio a la tarea de desarrollar tablas para el proceso normal (sin soplo combinado), en donde se establece el contenido de oxigeno tomando como referencia el contenido de carbóno residual de acero analizado vía espectro robotizado en un tiempo promedio de 3 minutos.

La confiabilidad de estas tablas se muestra en la gráfica de la Figura 6, comparándose contra el equipo de medición utilizado:

Figura 6. Comparación tablas carbono-oxigeno contra la celda de oxigeno, periodo enero a abril 2003.

De la aplicación de la ecuación obtenida sobre la perdida del carbono durante el vaciado del convertidor a la olla, se establece el contenido de carbono máximo para vaciar y el esperado en la olla de acero, especificando en las nuevas tablas e incorporando el contenido de carbono residual estimado en base a las ppm de oxigeno, tal como se muestra en la tabla II.

TABLA II. Contenido de carbono residual como base para establecer las ppm oxigeno, carbono máximo para vaciar, sacos de carbocoque y kg. de aluminio para los grados grupo II y III.

Resultados.

Con el fin de evaluar el ahorro de aluminio posterior a la aplicación de las nuevas tablas de desoxidacion, se evaluó el consumo que se tenia antes de la aplicación de las nuevas tablas para los grupos II y III y se muestra en las Figuras 7 y 8.

Figura 7. Consumo de aluminio en posta con respecto al nivel de oxidación del acero en el convertidor para los grados de acero del grupo II ( C  >0.045 <0.065, Mn < 0.25 %). Periodo octubre a diciembre del año 2002.

Figura 8. Consumo de aluminio en posta con respecto al nivel de oxidación del acero en el convertidor para los grados de acero del grupo III ( % C >0.065 < 0.13,  Mn 0.30 -  0.50 %). Periodo octubre a diciembre del 2002.

En las gráficas de las Figuras 7 y 8, se aprecia una gran dispersión de datos y muestra muy poca correlación respecto a la concentración del oxigeno disuelto en el acero del convertidor, y aun, con bajas ppmO₂ el consumo de aluminio es excesivo, teniéndose una gran cantidad de datos con consumos de aluminio mayor de 300 kg.

A partir de la aplicación de las nuevas tablas de desoxidacion, y con el fin de tener el mismo patrón de referencia, se evaluaron los mismos grados de acero considerados dentro de los 2

principales grupos para ver el consumo de aluminio. En las gráficas de las Figuras 9 y 10 se muestra el comportamiento del consumo de aluminio de los 2 grupos de referencia.

Nota importante: En esta evaluación no están consideradas las coladas vaciadas con alto carbón y desoxidadas con aluminio en alambre.

Figura 9. Grados grupo II después de la aplicación de las tablas optimizadas. Periodo mayo al 15 de junio 2003.

Figura 10. Grados grupo III después de la aplicación de las tablas optimizadas. Periodo mayo al 15 de junio 2003.

De estas 2 gráficas después de la aplicación de las nuevas tablas de desoxidacion, se aprecia un mejor ordenamiento de los datos en donde se ve claramente la dependencia del consumo de aluminio respecto a las ppmO₂. Además es posible observar,  que con el fin de disminuir el consumo de aluminio,  es importante trabajar con niveles bajos de oxigeno, logrando mayores beneficios con contenidos menores a 600 ppmO₂. Es aquí en donde radica la importancia de una practica de soplo adecuada y la acertividad del modelo de calculo de carga.

Adicionalmente, las tablas desarrolladas establecen el contenido de carbono residual máximo posible permitido para vaciar, considerando la perdida de carbono cuando existe alto carbón residual.

De los resultados obtenidos para ambos casos se tiene con respecto al grupo II, de un consumo de 276.8 kg/col y un contenido de aluminio en el acero de 0.040%, disminuyo a 255.46 kg/col. y a un contenido de aluminio en el acero de 0.041%, lo que representa un ahorro de 21.34 kg/colada.

Para el caso de los grados del grupo III, se tenia un consumo de 263.3 kg/col. Con un contenido de aluminio en el acero de 0.039%, disminuyo a  249.5 kg/colada y un contenido  de aluminio en al acero de 0.043%, lo que representa un ahorro de 13.8 kg/colada.

En la Figura 11, se muestra el cumplimiento en la especificación del aluminio en la olla de acero de 0.015 – 0.065%, alcanzándose un cumplimiento del 86% de las coladas dentro del rango con la aplicación de las nuevas tablas de desoxidacion, cuando se tenia un cumplimiento del 79% antes de la incorporación de las nuevas tablas.

Figura 11. Contenido de aluminio en el acero en la olla  grupos II y III.

En las gráficas de las Figuras 12 y 13, se muestra el desempeño actual del proceso en el aspecto de las ppmO2 para los grupos II y III, y se establecen los rangos de trabajo recomendados para el grupo II de 400–650 ppmO2 y para el grupo III en 250–650 ppmO2.

Figura 12. Comportamiento del oxigeno disuelto en el acero del convertidor (ppmO2), para los grados del grupo II y rango de trabajo recomendado.

Figura 13. Comportamiento del oxigeno disuelto en el acero del convertidor (ppmO2), para los grados del grupo III y rango de trabajo recomendado.

La temperatura de vaciado es otro de los parámetros a controlar, ya que influye directamente en el desgaste del refractario del horno y en la absorción del oxigeno disuelto en el acero. El desempeño de la temperatura de vaciado para los grupos II y III se presenta en la Figura 14, para el caso de la temperatura solamente se establece el rango de 1600 – 1630 °C.

Figura 14. Temperatura de vaciado en los grados del grupo II y III.

Conclusiones.

1.- Con la aplicación de las tablas de desoxidacion optimizadas, se logro un ahorro de 5,222.48 kg. de aluminio en posta en un periodo de 1.5 meses en los 2 grupos de acero que más se vacían con solamente la aplicación de las tablas en un 40% de las coladas involucradas; esto representa un ahorro de $ 67,892.24 en este periodo y proyectado a un año resultaría en $1,357,845.00.

2.- Si la proyección anterior se hace para la aplicación al 100% de las tablas de desoxidacion, el ahorro será mayor si se logra centrar el proceso a los limites de especificación en donde el desempeño de las tablas de desoxidacion es el optimo.

3.- En la estadística de los últimos 4 meses se observa el comportamiento actual del proceso BOF evaluándose las 2 condiciones más importantes: temperatura de vaciado y contenido de oxigeno disuelto marcándose los rangos de trabajo recomendados para lograr el máximo beneficio.

4.- Además del ahorro en el consumo de aluminio, se tienen otros beneficios adicionales no evaluados como son: incremento en el rendimiento metálico al tenerse menores niveles de oxidación en el baño metálico, menor ataque al refractario del horno al tener escorias menos agresivas, mayor duración en la vida del agujero de vaciado, menor generación de inclusiones no-metalicas de alúmina, y menor ataque al refractario de la olla de acero principalmente en la línea de escoria.

5.- Actualmente se esta llevando a cabo el balance de materia correspondiente con el fin de disminuir la cantidad de escoria sintética (cal) agregada a la olla durante el vaciado.

PREPARARON

Vo. Bo.

Ing. Juan A. Carreon Peña

Supte. Operación convertidores