El Horno Básico de Oxígeno (BOF): Corazón de la Siderurgia Moderna

La fabricación de acero es un pilar fundamental de la industria moderna, y dentro de sus diversas metodologías, el Horno Básico de Oxígeno (BOF) se erige como la tecnología más prevalente y eficiente a nivel global. También conocido como producción de acero básico con oxígeno (BOS), este proceso es responsable de aproximadamente el 71% del acero bruto fabricado en el mundo. Desarrollado en Austria a principios de la década de 1950 en las acerías de Linz y Donawitz, de ahí su denominación alternativa de fabricación de acero LD, el proceso BOF se destaca por su naturaleza autógena, es decir, autosuficiente en energía. Transforma el hierro líquido proveniente del alto horno en acero mediante el uso de oxígeno gaseoso de alta pureza (generalmente 99.5% mínimo), que oxida las impurezas no deseadas presentes en el metal. Este artículo desglosará las partes, el proceso, y las consideraciones ambientales de esta vital operación siderúrgica, incluyendo el papel del cucharón de acero precalentado en su flujo de trabajo.

Componentes Clave del Horno Básico de Oxígeno (BOF)

El corazón del proceso BOF es el convertidor, también conocido como buque o recipiente. Este es esencialmente una carcasa de acero con forma de barril, revestida internamente con materiales refractarios y soportada por un mecanismo de inclinación robusto. La relación entre la altura y el diámetro del convertidor se sitúa típicamente entre 1.0 y 1.3. La carcasa se compone de tres secciones principales: un fondo esférico, una carcasa cilíndrica y un cono superior.

El convertidor está anclado a un anillo de soporte equipado con muñones, lo que le confiere estabilidad durante el soplado de oxígeno y le permite rotar 360 grados en un plano vertical. Esta capacidad de inclinación es crucial para diversas operaciones a lo largo de un ciclo de producción. A pesar de su gran tamaño, solo entre el 8% y el 12% de su volumen se llena con acero líquido una vez que el metal ha sido procesado, con una profundidad de baño que oscila entre 1.2 m y 1.9 m.

La capacidad de un convertidor BOF puede variar significativamente, desde 30 toneladas hasta 400 toneladas, aunque la mayoría opera en el rango de 100 a 250 toneladas. Una planta siderúrgica moderna suele albergar entre uno y tres convertidores. El tiempo total de proceso, desde la carga hasta el vaciado del acero, es de aproximadamente 40 a 50 minutos, de los cuales la mitad corresponde al tiempo de soplado de oxígeno. Esta eficiencia productiva ha sido clave para la compatibilidad del BOF con la colada continua, impactando positivamente en el rendimiento y la calidad del acero.

Una característica distintiva del convertidor soplado superior es la lanza de oxígeno, una estructura enfriada por agua con una punta de cobre de múltiples orificios (generalmente de 3 a 6). A través de esta lanza, el oxígeno se inyecta en el baño a velocidades supersónicas, con caudales que varían entre 6 y 8 cm³/min por tonelada y presiones de 12 a 16 atmósferas. La infraestructura para albergar estos convertidores y sus componentes, como los contenedores elevados de aleaciones y fundentes, así como las largas lanzas, a menudo requiere edificios de hasta seis plantas.

El Papel de los Revestimientos Refractarios

El término "básico" en BOF hace referencia a los revestimientos refractarios del horno, que están fabricados con materiales alcalinos como la dolomita y la magnesita. Estos materiales son esenciales para soportar las extremas temperaturas, la acción corrosiva de las escorias altamente oxidadas y básicas, y la abrasión constante durante la carga y el soplado. La necesidad de escorias básicas es crucial para la eliminación de impurezas como el fósforo (P) y el azufre (S) del hierro líquido.

La magnesia y el revestimiento refractario de carbono son los materiales más comunes utilizados para el recubrimiento de los convertidores, garantizando su durabilidad y la integridad del proceso.

El Proceso de Fabricación de Acero en el BOF

El ciclo de producción en un horno BOF es una secuencia meticulosa de pasos diseñados para transformar el hierro líquido en acero con las especificaciones químicas y de temperatura deseadas. Antes de iniciar un nuevo ciclo, se pesa el hierro líquido, se toma una muestra para análisis químico y se mide su temperatura. Esta información, junto con las especificaciones del grado de acero a producir, se utiliza para calcular las cantidades precisas de chatarra, fundentes y oxígeno necesarios. Los modernos sistemas computarizados determinan las proporciones óptimas de chatarra y hierro líquido, las adiciones de fundentes, la altura de la lanza y el tiempo de soplado de oxígeno, ajustándose a la composición y temperatura inicial del hierro líquido.

Carga y Soplado

El proceso comienza inclinando el convertidor aproximadamente 45 grados hacia el compartimento de carga. La chatarra de acero, previamente pesada, se carga en la boca del convertidor mediante una caja de carga y una grúa. Inmediatamente después, el hierro líquido se vierte sobre la chatarra desde una cuchara de transferencia. Durante esta fase, se emiten humos y kish (escamas de grafito), que son capturados por el sistema de control de la contaminación. La carga suele completarse en 2-3 minutos.

Una vez cargado, el convertidor se gira a la posición vertical, y la lanza de oxígeno se baja a una altura de aproximadamente 2.5 m a 3.0 m sobre el fondo del convertidor. Al inyectar oxígeno a alta velocidad, las reacciones comienzan rápidamente. Segundos después, se produce la ignición, y el monóxido de carbono (CO) resultante de la reacción se quema en dióxido de carbono (CO2), generando una llama brillante en la boca del convertidor. La cantidad de oxígeno utilizada es de aproximadamente 55 a 60 cm³ por tonelada de acero bruto producido.

La altura de la lanza sobre el metal líquido es un factor crítico que afecta las características del soplado y el análisis del acero. La operación inicia con la lanza en una posición de golpe alto (aproximadamente 3 m sobre el nivel del metal), y después de unos minutos, tras la adición de fundente y la formación de escoria, la lanza se baja a una posición de golpe bajo.

Formación de Escoria y Reacciones

Tras la ignición, se añaden al convertidor grandes cantidades de fundentes calcinados de cal y dolomita desde los compartimentos superiores. A veces, también se agrega fluorita. Estos fundentes son esenciales para la formación de la escoria, una capa líquida que cumple la función vital de prevenir salpicaduras y la expulsión de metal debido al impacto del chorro de oxígeno. La cal calcinada es preferida para promover una rápida formación de escoria, ya que la caliza cruda absorbería calor del proceso durante su calcinación. La fluorita se añade para mejorar la fluidez de la escoria. Cualquier mineral de hierro necesario (para ajustar la temperatura) se agrega junto con los fundentes al inicio del soplado.

Cuando comienza el soplado, un silbido agudo es audible, que se amortigua a medida que el silicio del hierro líquido se oxida formando sílice (SiO2). Este sílice reacciona con los fundentes básicos para formar una escoria fundida y gaseosa que envuelve la lanza. El gas principal liberado es CO, proveniente del carbono en el hierro líquido. La velocidad de evolución del gas puede ser muchas veces el volumen del convertidor, y es común observar que la escoria se desborda por el borde del convertidor, especialmente si es demasiado viscosa. El soplado continúa por un tiempo predeterminado, generalmente de 15 a 20 minutos, con la lanza programada para ajustar su altura.

Control y Vaciado (Golpeteo)

Hacia el final del soplado, la caída de la llama en la boca del convertidor indica un bajo contenido de carbono. La lanza se eleva para permitir que el convertidor gire y se tomen muestras y mediciones de temperatura. Una muestra de acero se envía al laboratorio para análisis químico, y la temperatura se mide con termopares desechables. Basándose en estos datos, se decide si es necesario un ajuste adicional. Se pueden añadir refrigerantes (piedra caliza, chatarra, mineral de hierro, etc.) para reducir la temperatura si es excesiva, o un breve re-soplado de oxígeno para corregir el análisis o aumentar la temperatura.

Cuando las pruebas y lecturas de temperatura son satisfactorias, el convertidor se inclina a la posición de golpeteo. El cucharón de acero precalentado (STL) se coloca en el carro de la cuchara debajo del horno. El convertidor se inclina hacia el compartimento de extracción, y el acero líquido fluye a través del orificio del grifo, dejando la escoria flotante detrás, hacia el STL. Se utilizan tapones de escoria (también conocidos como dardos de escoria) para evitar que la escoria entre en el cucharón, ya que su presencia puede causar reversión de fósforo, desulfuración retrasada y una reducción en la limpieza del acero.

Después de vaciar el acero en el STL, el convertidor se gira boca abajo para vaciar la escoria restante en el recipiente de escoria. Posteriormente, el convertidor vuelve a su posición vertical. En algunos casos, la escoria residual se sopla con nitrógeno (N2) para revestir las áreas del cañón y los muñones del recipiente, un proceso conocido como salpicaduras de escoria. Cerca del final de una campaña, puede ser necesario también aplicar materiales refractarios en áreas de alto desgaste. Una vez completado el mantenimiento, el convertidor está listo para el siguiente ciclo.

En el caso del soplado combinado, se inyecta un gas inerte a través de tapones o toberas porosas en el fondo del convertidor. Esta inyección inferior promueve una mejor mezcla y un rendimiento mejorado al disminuir los derrames (expulsión de escoria y acero del convertidor durante el soplado de oxígeno). El proceso BOF no utiliza combustible adicional, ya que el calor es generado por la oxidación de las impurezas del hierro líquido (carbono, silicio, manganeso y fósforo). La mayoría de los óxidos generados son absorbidos por la escoria, y los productos gaseosos (CO y CO2) se transfieren a la atmósfera y se eliminan mediante el sistema de escape.

Puntas de Lanza en el Proceso BOF

Las puntas de lanza son componentes cruciales en el proceso BOF, responsables de la inyección de oxígeno en el baño de metal. En la década de 1950, cuando los convertidores eran más pequeños (máximo 50 t), se utilizaban lanzas de un solo orificio. Sin embargo, con el aumento del tamaño de los convertidores, fue necesario incrementar el número de orificios en la lanza para una mejor distribución del oxígeno sobre una superficie más grande del baño. Hoy en día, las lanzas de 5 a 6 orificios son muy comunes, e incluso se utilizan lanzas de 8 orificios. Los ejes de cada boquilla en una lanza de múltiples orificios suelen estar inclinados alrededor de 10 grados con respecto al eje central de la lanza.

El oxígeno se sopla a través de una lanza enfriada por agua con una boquilla convergente-divergente (CD) o Laval, a alta presión (alrededor de 11-14 bar) y a velocidad supersónica (Mach > 1). El chorro supersónico de oxígeno facilita una mayor aportación de oxígeno en la masa fundida, creando una dispersión de tres fases compuesta por escoria, gotitas de metal y burbujas de gas. Las funciones principales de la boquilla son: i) suministro y distribución de oxígeno, ii) producción de un chorro gaseoso, iii) inducción de agitación en el baño y iv) producción de gotas de metal.

La lanza de oxígeno está compuesta por dos tubos cilíndricos: la capa externa transporta el agua de enfriamiento circulante, mientras que la interna transporta el oxígeno. El material del tubo de la lanza es acero con bajo contenido de carbono, con un espesor que resiste los requisitos de presión. Es fundamental que la lanza sea estructuralmente robusta y garantice un flujo adecuado de agua de refrigeración. La velocidad del flujo de oxígeno en la tubería debe ser inferior a 55 m/seg para minimizar la pérdida de presión, y la velocidad del gas en la tubería debe estar en el rango de 0.1 a 0.2 Mach. La presión de oxígeno en la tubería se controla entre 8 y 10 kg/cm².

Tabla de Caudales de Diseño en Lanza Conversora

La lanza de oxígeno está expuesta a cargas térmicas y mecánicas muy elevadas dentro del convertidor, incluyendo radiación, convección y conducción. También sufre corrosión continua por la escoria y salpicaduras a alta temperatura. Las partículas de escoria fundida pueden solidificarse y adherirse a la superficie de la lanza, afectando la transferencia de calor. El diseño de la boquilla Laval, con su paso de flujo que disminuye hasta una garganta y luego se expande, es crucial para acelerar el gas a velocidades supersónicas, maximizando la eficiencia de la inyección.

Tipos de Puntas de Lanza

Históricamente, se usaron puntas de lanza de un solo orificio, con un diseño simple de boquilla Laval que incluía una sección de contracción, una apertura de garganta y una sección de expansión. Sin embargo, estas ya no se utilizan en la siderurgia moderna.

Actualmente, las puntas de lanza múltiples son las más populares, pudiendo contener desde tres hasta nueve boquillas tipo Laval. Estas lanzas están anguladas con respecto a la línea central y producen un chorro supersónico de múltiples hebras. Las lanzas de cuatro a seis orificios son las más comunes debido a su rendimiento metalúrgico superior, aunque su fabricación es más compleja. Sus componentes se fabrican por separado y luego se ensamblan y sueldan para asegurar precisión dimensional y un rendimiento operativo óptimo. Para prolongar su vida útil, es crucial evitar altas temperaturas en los aceros, asegurar una buena formación de escoria y evitar posiciones de soplado bajas.

Los parámetros clave en el diseño de las puntas de lanza de múltiples orificios incluyen la tasa de flujo de oxígeno, la presión teórica del oxígeno, el número de Mach de la salida de la boquilla, el ángulo y el espaciado de la boquilla, las dimensiones de la sección de expansión y contracción, y la longitud de estas secciones.

Cuestiones Ambientales en el Proceso BOF

El proceso BOF, aunque altamente eficiente, genera un denso humo marrón de óxido de hierro en el gas residual, lo que plantea importantes desafíos ambientales. Las principales preocupaciones incluyen:

• Captura y eliminación de contaminantes en el gas primario residual, caliente y sucio, del convertidor.
• Emisiones secundarias asociadas con la carga y el golpeteo del convertidor.
• Control de emisiones de operaciones auxiliares como la transferencia de hierro líquido y la desulfuración.
• Reciclaje y/o eliminación de polvos de óxido o lodos recolectados.
• Disposición de la escoria del convertidor y la suciedad del convertidor.

La mayoría de los sistemas de manejo de gas primario BOF están diseñados con sistemas de combustión reprimidos, donde los gases se manipulan sin quemar y se limpian en precipitadores electrostáticos o sistemas de depuración húmeda para eliminar los polvos. Estos polvos se recolectan como sólidos o lechada, y el gas limpio se libera a la atmósfera o se recupera. Este gas tiene un valor calorífico considerable (1700-2000 kcal/cm³) y a menudo se utiliza como combustible en la propia planta siderúrgica, ofreciendo un potencial de recuperación de energía.

Las emisiones secundarias fugitivas, como las que escapan de la campana principal durante el soplado de oxígeno o las asociadas con la carga y el golpeteo, se capturan mediante sistemas de escape con campanas locales o campanas altas situadas en las cerchas de la planta. Comúnmente, se utilizan colectores de tela o bolsas para estas emisiones. De manera similar, las operaciones auxiliares son atendidas por sistemas de campana locales que agotan los filtros de tela.

La materia particulada capturada, ya sea como lodo de depuradores húmedos o polvo seco, debe procesarse antes de su reciclaje. El lodo húmedo requiere un paso de secado adicional. El polvo o lodo BOF no se considera un desecho peligroso y puede reciclarse al alto horno o a la planta de sinterización después de ser briqueteado o granulado. Las escorias del BOF a menudo se reciclan a través de la planta de sinterización y el alto horno debido a su alto contenido de cal, y también se utilizan como balasto en vías férreas.

Preguntas Frecuentes sobre el Proceso BOF

• ¿Qué significa BOF y por qué es tan importante en la siderurgia?
  BOF significa Horno Básico de Oxígeno. Es crucial porque es la tecnología más utilizada a nivel mundial para transformar el hierro líquido en acero, representando aproximadamente el 71% de la producción global de acero bruto debido a su eficiencia y velocidad.
• ¿Cuáles son las materias primas principales del proceso BOF?
  Las materias primas principales son el hierro líquido (alrededor del 80% o más) proveniente del alto horno y la chatarra de acero restante. También se utiliza oxígeno de alta pureza y fundentes como la cal calcinada.
• ¿Cómo se genera el calor en el horno BOF?
  El proceso BOF es autógeno, lo que significa que es autosuficiente en energía. El calor se genera principalmente por la oxidación de las impurezas no deseadas en el hierro líquido, como el carbono, el silicio, el manganeso y el fósforo, al reaccionar con el oxígeno inyectado. La postcombustión del monóxido de carbono (CO) también contribuye al calor.
• ¿Qué función cumple la lanza de oxígeno en el BOF?
  La lanza de oxígeno es el componente que inyecta oxígeno de alta pureza a velocidades supersónicas en la mezcla de hierro líquido y chatarra. Esto inicia las reacciones de oxidación que eliminan las impurezas y generan el calor necesario para el proceso. Las lanzas modernas tienen múltiples orificios para una distribución óptima del oxígeno.
• ¿Por qué se utilizan revestimientos refractarios básicos en el BOF?
  Los revestimientos refractarios del horno están hechos de materiales alcalinos (básicos) como la dolomita y la magnesita porque deben soportar las altas temperaturas y la acción corrosiva de las escorias altamente oxidadas y básicas que se forman durante el proceso. Estas escorias básicas son necesarias para eliminar impurezas como el fósforo y el azufre del metal.
• ¿Cuál es el papel del cucharón de acero precalentado (STL) en el proceso BOF?
  El cucharón de acero precalentado (STL) es el recipiente que recibe el acero líquido una vez que ha sido procesado en el convertidor BOF. Se coloca debajo del horno y el acero fluye hacia él a través del orificio de golpeteo. Su estado precalentado es fundamental para recibir el metal a alta temperatura sin comprometer la calidad o la eficiencia del proceso de transferencia y posterior procesamiento.
• ¿Cómo se controlan las emisiones ambientales del BOF?
  Las emisiones del BOF se controlan mediante sistemas de combustión reprimidos para los gases primarios, que los limpian en precipitadores electrostáticos o depuradores húmedos. Las emisiones secundarias y fugitivas se capturan con campanas locales y altas, y se filtran con colectores de tela. Los polvos y lodos recolectados pueden ser reciclados al alto horno o a la planta de sinterización.

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