Erosión del orificio de grifo BOF: Causas y cómo frenarla

Por qué el orificio de colada es el punto más crítico del recipiente

El revestimiento de un convertidor se evalúa en miles de coladas. El orificio de colada se evalúa en muchas menos. En una misma campaña de un convertidor, las plantas sustituyen el revestimiento del orificio de colada muchas veces, y cada cambio supone una parada, mano de obra y el riesgo de una mala primera colada.

La razón es sencilla cuando se analiza la función del orificio. En cualquier otra parte del recipiente, el revestimiento se enfrenta a escoria y acero que permanecen inmóviles o se mueven lentamente. En el orificio de colada, toda la energía térmica del acero líquido se fuerza a pasar por un conducto de unos pocos cientos de milímetros de ancho. En un estudio sobre la colada de convertidores, los orificios simulados tenían entre 200 y 220 mm de diámetro (Materials, 2023). Un cálculo rápido permite estimar la velocidad. Con 1 a 2 m de acero por encima del orificio, la velocidad ideal de salida es de aproximadamente 4,4 a 6,3 m/s. Las velocidades reales son menores debido a las pérdidas, pero el orden de magnitud es evidente: se trata de un chorro rápido, caliente y abrasivo contra una pared con aglutinante de carbono.

El orificio de colada también tiene el ciclo de trabajo más exigente. Está caliente cuando fluye el acero, luego queda expuesto al aire y a los gases, después se cierra o se llena y, por último, se calienta de nuevo. Pocas otras zonas de una planta siderúrgica alternan entre estos estados en cada colada.

Dos artículos publicados respaldan los dos principales mecanismos de desgaste. Un estudio de 2013 sobre los revestimientos de los orificios de colada de convertidores identifica la erosión por el flujo de acero y la oxidación como los mecanismos que el material refractario debe resistir (ABM Proceedings, 2013). Una revisión de las zonas de desgaste en los convertidores LD sitúa las zonas de colada y de escoria bajo ataque químico, lo que implica corrosión y oxidación (ABM Proceedings). Ambos artículos solo presentan resúmenes, por lo que los utilizo para describir los mecanismos y no para los datos numéricos.

Una colada en la vida de un orificio de colada

Si seguimos el desarrollo de una sola colada, podemos ver de dónde procede el daño.

1. Después de la colada. El convertidor vuelve a ponerse en posición vertical. El orificio interior está caliente y vacío, y el aire y los gases del horno pueden circular por él.
2. Cierre y carga. El orificio se limpia y se llena o se cubre según la práctica habitual. Se introducen chatarra y metal caliente, y el recipiente se inclina hacia adelante y hacia atrás.
3. Soplado. El orificio queda detrás del revestimiento a alta temperatura, mientras el calor penetra desde el interior.
4. Inclinación y muestreo. El recipiente se inclina de nuevo y el orificio puede verse afectado por escoria o gases durante el muestreo.
5. Colada. Se abre el orificio. Primero fluye el acero y, al final, sigue la escoria, que a veces es arrastrada hacia el interior de forma prematura por un vórtice.

En los pasos 1, 2 y 4 se pierde carbono. En el paso 5 se desprende la superficie debilitada y la escoria hace su trabajo. Luego se repite el ciclo.

Las cinco formas en que se desgasta un orificio de colada BOF

1. Combustión y arrastre: el ciclo principal

El carbono mantiene unido el revestimiento de magnesia-carbono y evita que la escoria penetre en él. Cuando el aire o los gases calientes alcanzan la pared del orificio interior entre coladas, el carbono cercano a la superficie se quema. Lo que queda es una fina capa porosa de granos de magnesia sin nada que los una.

Esa capa no dura. Cuando comienza el chorro de acero, la desprende en cuestión de minutos. La siguiente superficie subyacente queda expuesta al aire y a los gases durante el siguiente intervalo entre coladas. Cada ciclo elimina una pequeña parte y el orificio interior se ensancha. Lo llamamos combustión y arrastre porque ninguna de las dos partes actúa por sí sola. Sin la oxidación, el chorro se encontraría con un material resistente aglutinado con carbono. Sin el chorro, la capa oxidada simplemente permanecería allí y protegería el resto.

Por eso también ayuda un revestimiento con los antioxidantes adecuados y baja porosidad. El principio es el mismo que describimos en nuestro artículo sobre cómo pierden carbono los ladrillos de MgO-C: ralentizar la pérdida de carbono y así reducir la cantidad que el arrastre debe eliminar.

2. Erosión por flujo en el borde de entrada

El extremo de la cara caliente del orificio es donde el chorro se acelera por primera vez. El borde de esa zona soporta la mayor cizalladura. Un borde de entrada afilado o irregular rompe el flujo y genera turbulencias, lo que desgasta el borde más rápidamente y empeora el flujo. Una entrada suave y redondeada ralentiza ese ciclo.

3. Escoria al final de la colada

La escoria es rica en FeO y ataca tanto la magnesia como el carbono. La exposición más perjudicial se produce al final de la colada, cuando el nivel de acero por encima del orificio desciende y se forma un vórtice. Un estudio de simulación sobre la colada de convertidores determinó que la escoria salía del orificio después de unos 43 s con una inclinación de 90 grados, con un vórtice estable a los 50 s aproximadamente. Con inclinaciones de 100 y 105 grados, el vórtice se retrasó hasta los 71 s y 74 s aproximadamente. Los orificios más grandes provocaban la formación del vórtice antes: a los 68,8 s para un orificio de 200 mm, a los 62,6 s para uno de 210 mm y a los 57,1 s para uno de 220 mm (Materials, 2023). Estos son resultados de un modelo para un solo recipiente y no una regla aplicable al suyo, pero la tendencia es útil. Un orificio más grande permite que el vórtice se forme antes, y cuanto antes se forme, más escoria atraviesa el revestimiento.

4. Choque térmico

El orificio interior pasa de un estado frío y, en ocasiones, lleno a un chorro de acero a más de 1.600 °C. Se forman grietas a través del revestimiento y a lo largo de las juntas. Las grietas permiten que el aire y la escoria penetren en el interior y provocan el desprendimiento de fragmentos bajo el chorro.

5. Manipulación e instalación

El uso de varillas, la limpieza, las cargas de inclinación y el espacio entre el revestimiento y el revestimiento circundante causan daños que ningún tipo de material puede reparar. El acero encuentra rápidamente cualquier espacio. Un revestimiento mal asentado puede fallar desde el exterior hacia el interior mientras el orificio interior aún parece estar en buen estado.

Cómo afecta un orificio desgastado a la colada

No es necesario esperar a que el revestimiento falle para notar sus efectos.

• Cambios en el tiempo de colada. Un orificio interior más ancho vacía el recipiente más rápido. Un orificio interior rugoso o descentrado puede ralentizar o perturbar el chorro.
• El chorro se dispersa. Un chorro ancho y turbulento tiende a recoger más aire en su camino hacia el cucharón, lo que perjudica la absorción de oxígeno y nitrógeno. El efecto se transmite aguas abajo: un acero más limpio en el cucharón facilita el trabajo posterior en el cucharón de colada, como explicamos en nuestro artículo sobre el control del flujo y el oxígeno en el cucharón de colada.
• Aumenta el arrastre de escoria. El vórtice se forma antes y es más difícil de detener. Cuanta más escoria haya en el cucharón, más tratamiento de escoria de cucharón se requiere y mayor es el riesgo para la línea de escoria del cucharón.
• El chorro se dirige de forma diferente. Un orificio interior irregular puede orientar el chorro hacia el borde del cucharón o alejarlo del centro.
• Las adiciones de aleantes se vuelven menos estables. Una colada más rápida o irregular cambia la forma en que se disuelven los aleantes y la cantidad que se pierde en la escoria.

La mayoría de las plantas establecen un límite para el tamaño del orificio o el tiempo de colada. La pregunta más importante es con qué rapidez se está alcanzando ese límite, y para ello se necesitan mediciones.

Cómo inspeccionar su propio orificio de colada

Un orificio de colada le proporciona datos en cada colada si los recoge. El plan que se presenta a continuación es sencillo y no requiere nada especial.

Mida en cada colada, o al menos cada pocas coladas. Utilice un calibre o una varilla calibrada para registrar el diámetro del orificio interior. Anote el número de colada y el tiempo de colada junto a la medida.

Grafique el diámetro en función del número de coladas. Una línea recta indica un desgaste uniforme. Una línea que se curva hacia arriba significa que la capa sin carbono se está haciendo más profunda o que la escoria está tomando protagonismo. Un escalón repentino indica una grieta, un borde de entrada desconchado o una falla de la junta.

Observe dónde se produce el desgaste. Fotografía el borde de entrada, la pared del orificio interior y la salida cuando cambie el revestimiento.

Una funda puede engañar. Compare dos o tres seguidas antes de sacar una conclusión.

Reducir la velocidad: funda, instalación, práctica, mantenimiento

Ninguna solución por sí sola es suficiente. Las plantas que prolongan la vida de la funda del orificio de colada suelen trabajar en los cuatro aspectos que se presentan a continuación.

Material de la funda

• Calidad del grano. La magnesia de alta pureza, preferiblemente fundida, con bajo contenido de sílice y cal, resiste mejor la escoria. Consulte nuestra página de ladrillos MgO-C para conocer los grados que fabricamos.
• Densidad. Una menor porosidad abierta significa menos entrada de aire y escoria en el cuerpo.
• Carbono y antioxidantes. La fuente de carbono y el paquete de antioxidantes se eligen para el ciclo de combustión y lavado, no para una línea de escoria. Una funda que permanece al aire entre coladas necesita un equilibrio diferente al de un ladrillo que permanece bajo la escoria.
• Adaptación al entorno. La funda debe expandirse y contraerse de forma que no agriete la junta.

Geometría e instalación

• Un orificio interior suave con una entrada redondeada reduce la turbulencia en el primer punto de contacto.
• La longitud y el espesor de la pared de la funda le proporcionan un margen de desgaste. Solicite el dibujo adaptado a su recipiente, no uno genérico.
• Una junta limpia y completa. La masa de respaldo o el material fundible deben rellenar el espacio sin dejar huecos. Precaliente la nueva funda según lo aconseje su proveedor.
• Centrado y ángulo. Una funda instalada con unos pocos grados de desviación se desgastará por un lado y desviará el chorro de su objetivo.

Práctica de colada

• Oxígeno al final de la colada y FeO en la escoria. Una colada altamente oxidada, con alto oxígeno al final y FeO en la escoria, ataca el carbono de la funda y del revestimiento. Controlar el oxígeno de reducción ayuda a todo el recipiente, no solo al orificio de colada.
• Ángulo y velocidad de inclinación. La simulación anterior sugiere que la inclinación afecta al momento en que se inicia el vórtice. Sus propios ensayos le dirán qué funciona en su recipiente.
• Detención de la escoria. Un buen sistema de detención o detección de escoria reduce el tiempo que la escoria pasa por la funda.
• Tiempo entre coladas. Una menor exposición al aire y al gas significa una menor combustión del carbono.
• Limpieza y cierre cuidadosos. Use una varilla para limpiar y despejar el orificio con cuidado. Evite astillamientos en el borde de entrada.

Mantenimiento

• Reparación en caliente de la boca cuando la práctica de la planta lo permita. Consulte la página de materiales refractarios para convertidores BOF para conocer los materiales de reparación que suministramos.
• Cambio planificado. Vincule los cambios de funda a un límite medido y, cuando sea posible, a otra parada planificada.
• Mantenga repuestos listos y precalentados. Un cambio que se realiza sin problemas protege la primera colada.

Cálculo del coste por colada

El precio de la funda por sí solo no es la cifra correcta. Utilice esta en su lugar:

El coste del tapón suele ser mayor que el de la funda. Por eso una funda más barata que dura menos coladas puede suponer un mayor coste por colada. Un ejemplo sencillo: si una funda dura un 30 por ciento más, el coste por colada se reduce a aproximadamente el 77 por ciento de lo que era, un ahorro del 23 por ciento, antes de contar el beneficio de realizar menos paradas y tener menos coladas defectuosas.

Qué enviarnos para obtener un presupuesto

Fabricamos refractarios con unión de carbono en nuestra propia planta. Para una funda de orificio de colada, cuanto más información de la siguiente lista pueda enviarnos, más precisa será la primera propuesta.

1. Capacidad del convertidor y dibujo del orificio de colada, incluyendo el diámetro interior, la longitud de la funda y el revestimiento circundante.
2. Grado actual de la funda y ficha técnica del proveedor, si dispone de ella.
3. Coladas hasta el cambio, el límite que utiliza (diámetro o tiempo de colada) y el motivo del cambio en las últimas tres fundas.
4. Fotografías de fundas usadas: entrada, pared del orificio interior y salida, con el patrón de desgaste.
5. Grados del acero, temperatura de colada, oxígeno típico al final de la colada y si utiliza un tapón de escoria.
6. Su rutina de limpieza y cierre, y el tiempo entre coladas.

Envíenos la información a través de nuestra página de contacto o por correo electrónico a sales@ykchanshine.com. Para ver cómo fabricamos y probamos nuestros productos con unión de carbono, visite nuestra página de la fábrica de refractarios.

Fuentes y literatura de referencia

• Simulación del campo de flujo de la colada de convertidores: ángulo de inclinación, vórtice y diámetro del orificio de colada, Materials 2023, 16(8), 3209: simulación de la aparición del vórtice, el ángulo de inclinación y el diámetro del orificio de colada (200, 210, 220 mm).
• Evaluación de las propiedades de la pieza refractaria de MgO-C para orificios de colada de convertidores, 44.º Seminario de Siderurgia de la ABM, 2013: erosión y oxidación como mecanismos de desgaste de la camisa (resumen).
• Mecanismos de desgaste en diferentes zonas de convertidores LD, ABM Proceedings: ataque químico en las zonas de colada y de escoria (resumen).