Dosificación de Desulfurantes: Calidad del Acero Fundido
Proceso de Acería · Guía Técnica
Influencia de la Dosificación del Desulfurante en la Calidad del Acero Fundido durante el Proceso de Acería
En el proceso de acería, la dosificación precisa del desulfurante es un factor determinante para garantizar la calidad del acero fundido. Una dosificación inadecuada —ya sea por defecto o por exceso— puede comprometer la composición química, la pureza y las propiedades mecánicas del producto final. Este artículo analiza sistemáticamente la influencia del tipo y la cantidad de desulfurante sobre la calidad del acero fundido, sobre la base de análisis teóricos y datos experimentales, y ofrece una referencia técnica sólida para la optimización del proceso de desulfuración en la producción siderúrgica.
1. Tipos y Características de los Desulfurantes en Acería
1.1 Principales Agentes Desulfurantes Utilizados en el Proceso de Acería
En la producción siderúrgica, el tipo y las propiedades del desulfurante determinan directamente la forma del azufre, el oxígeno y las inclusiones presentes en el acero fundido. Los cuatro agentes más utilizados presentan características y rangos de aplicación bien diferenciados.
Cal (CaO)
Adecuada para aceros de alto carbono y aceros al carbono comunes. La dosis recomendada oscila entre el 1,5 % y el 2,5 % sobre el peso total del acero fundido, y su eficiencia desulfurante se maximiza cuando la basicidad del proceso de refinación fuera del horno se mantiene entre 1,8 y 2,2.
Aleación Ca-Al
Indicada para aceros estructurales de bajo carbono. Con temperaturas del acero fundido entre 1550 °C y 1580 °C, la dosis recomendada oscila entre el 0,5 % y el 1,2 %. Este agente presenta una alta velocidad de reacción y favorece la formación de inclusiones esféricas de CaS, lo que contribuye significativamente al control de la pureza del acero fundido.
Desulfurante de Magnesio (Mg)
Se emplea en la refinación de aceros especiales y aceros aleados. La dosis recomendada es del 0,2 % al 0,5 %, y permite reducir de forma considerable el contenido residual de azufre a la vez que minimiza la formación de inclusiones duras.
Desulfurante Compuesto de Tierras Raras (CeO₂ / La₂O₃)
Se añade en proporciones de entre el 0,05 % y el 0,2 %. Refina el tamaño de las inclusiones y mejora la limpieza del acero fundido. Su uso combinado con aleación Ca-Al o cal permite ajustar la morfología y distribución de las inclusiones para satisfacer los requisitos de desulfuración de distintos tipos de acero.
1.2 Comparativa del Rendimiento Desulfurante según el Tipo de Agente
Como se muestra en la Tabla 1, la morfología de las inclusiones generadas varía significativamente entre los distintos desulfurantes. La aleación Ca-Al genera inclusiones esféricas de CaS con un tamaño generalmente de entre 10 y 20 μm, de distribución uniforme, que favorecen la separación de la escoria del acero fundido. La cal (CaO) genera inclusiones de CaS en forma de placa o de geometría irregular, con longitudes que pueden alcanzar los 50 a 80 μm; estas inclusiones no llegan a constituir fuentes de grietas en los ensayos de tenacidad al impacto a baja temperatura. Los desulfurantes de magnesio y los compuestos de tierras raras, por su parte, generan inclusiones microesféricas o esféricas compuestas: mediante el ajuste de la intensidad de agitación y el orden de adición, es posible controlar el tamaño medio de las inclusiones y reducir el riesgo de concentración de tensiones en el acero fundido.
2. Influencia de la Dosificación del Desulfurante en la Calidad del Acero Fundido
2.1 Efecto de la Dosificación sobre la Composición Química del Acero Fundido
El control de la composición química del acero fundido mediante la dosificación del desulfurante depende principalmente de las reacciones de conversión del azufre y del comportamiento de disolución de los elementos intermetálicos. Durante la refinación LF (horno de cuchara) de acero de bajo carbono, al añadir aleación Ca-Al al acero fundido, el calcio de su superficie reacciona rápidamente con el azufre disuelto para formar inclusiones de sulfuro de calcio (CaS); simultáneamente, el aluminio se combina con el oxígeno para generar inclusiones de Al₂O₃. Durante la agitación del acero fundido, estas inclusiones ascienden hacia la capa de escoria gracias a la tensión superficial y la diferencia de densidades, logrando así la transferencia eficaz de azufre y oxígeno.
Dosis óptima — 0,8 % Ca-Al
En condiciones operativas de temperatura entre 1550 °C y 1580 °C y velocidad de agitación de 100 a 120 rpm, la adición del 0,8 % de aleación Ca-Al sobre un contenido inicial de azufre del 0,020 % permite reducir el contenido de azufre a 0,006 % en tan solo 10 minutos. Las concentraciones resultantes de Ca y Al son del 0,035 % y del 0,012 % respectivamente, el contenido de oxígeno disminuye en 0,002 %, y la morfología de las inclusiones resulta uniforme con una composición química estable.
Dosis insuficiente — 0,4 % Ca-Al
La insuficiencia de reactivos impide una desulfuración completa: el contenido de azufre solo desciende al 0,012 %, la deficiencia de Ca y Al genera una distribución irregular de inclusiones, y en zonas de alto contenido de azufre se forman inclusiones de CaS en forma de placa o irregulares que pueden convertirse en fuentes de microgrietas durante el laminado o el enfriamiento. Además, la dosis reducida apenas modifica el contenido de oxígeno, que permanece en torno al 0,004 %–0,005 %, con una esferoidización insuficiente de las inclusiones.
Dosis excesiva — 1,2 % Ca-Al
Puede reducir el contenido de azufre a menos del 0,004 %, pero el exceso de calcio y aluminio genera una gran cantidad de inclusiones de CaO-CaS, aumenta el espesor de la capa de escoria y puede elevar localmente la basicidad del acero fundido, provocando una reacción demasiado rápida que cause descensos locales de temperatura o acumulación de inclusiones. La adición en lotes —con intervalos de 2 a 3 minutos entre cada uno, combinada con agitación constante— garantiza una distribución uniforme de los elementos Ca y Al, reduce las inclusiones locales en exceso y mantiene la temperatura entre 1550 °C y 1580 °C, asegurando una composición química homogénea y estable y evitando la segregación local.
2.2 Efecto de la Dosificación sobre la Pureza del Acero Fundido
La pureza del acero fundido se evalúa habitualmente en función de la cantidad, el tamaño, la morfología y la distribución uniforme de las inclusiones. En la refinación LF, cuando la dosis de aleación Ca-Al es insuficiente (0,4 %–0,5 %), las inclusiones de CaS generadas son escasas, los residuos de inclusiones de azufre pueden alcanzar tamaños de entre 50 y 80 μm, y muchas adoptan formas de placa o tiras irregulares con distribución no uniforme, lo que dificulta su separación junto con la escoria. El contenido de oxígeno del acero fundido se sitúa entonces en torno al 0,004 %–0,005 %, con una baja tasa de esferoidización de las inclusiones; la superficie del acero fundido puede desarrollar zonas locales de alta densidad de inclusiones que provoquen microgrietas durante el laminado o el enfriamiento, incrementando el riesgo de concentración de tensiones y afectando la limpieza global del acero y su comportamiento en los procesos posteriores.
Con una dosis adecuada del desulfurante (0,8 %–1,0 % de Ca-Al), el tamaño de las inclusiones generadas se reduce a entre 10 y 20 μm, con una morfología predominantemente esférica o globular, distribución uniforme y fácil flotación hacia la superficie del acero fundido junto con la escoria. En estas condiciones, el contenido de oxígeno del acero se mantiene entre 0,002 % y 0,004 %, con una esferoidización completa de las inclusiones y una distribución favorable para el equilibrio de tensiones durante el laminado. La adición fraccionada y las operaciones de agitación resultan fundamentales: añadir entre el 30 % y el 50 % del total en cada lote, con intervalos de 2 a 3 minutos y una velocidad de agitación de 100 a 120 rpm, permite controlar eficazmente la velocidad de formación de inclusiones, prevenir la aglomeración local y mejorar la pureza global del acero fundido.
Una dosis excesiva de desulfurante (>1,2 % de Ca-Al) provoca una sobreproducción de inclusiones de CaO-CaS, con una media de 2 a 3 inclusiones por cm² y un tamaño aproximado de 20 a 30 μm; la distribución de inclusiones puede presentar zonas de concentración que afectan la uniformidad del laminado. En la práctica, es posible mitigar este efecto reduciendo la velocidad de adición (aproximadamente 1/3 del total por minuto), aumentando el tiempo de agitación y distribuyendo las inclusiones de manera homogénea, con el fin de mantener una esferoidización adecuada y una pureza estable del acero fundido. El monitoreo continuo del contenido de oxígeno y azufre, así como de la distribución del tamaño de las inclusiones, permite ajustar oportunamente la dosis del desulfurante y el método de adición, garantizando una alta pureza y uniformidad del acero fundido.
2.3 Efecto de la Dosificación sobre las Propiedades Mecánicas del Acero Fundido
La influencia de la dosificación del desulfurante sobre las propiedades mecánicas del acero fundido se manifiesta principalmente a través del efecto que ejercen el contenido residual de azufre y la morfología de las inclusiones sobre la microestructura del acero. En el caso de los aceros estructurales de bajo carbono, cuando el contenido de azufre se controla entre el 0,005 % y el 0,010 % y las inclusiones adoptan una morfología esférica con distribución uniforme, la resistencia a la tracción a temperatura ambiente puede mantenerse entre 450 y 480 MPa, y la tenacidad al impacto KCV alcanza aproximadamente 27 J/cm². Las superficies de fractura presentan predominantemente fracturas dúctiles. Las inclusiones esféricas dispersan eficazmente la concentración de tensiones, reducen la generación de microgrietas y ejercen un efecto positivo sobre las propiedades de laminado, soldadura y enfriamiento del acero.
| Escenario de Dosificación | Azufre residual | Resistencia a tracción | Tenacidad KCV |
|---|---|---|---|
| Dosis óptima (0,8 %–1,0 % Ca-Al) | 0,005 %–0,010 % | 450–480 MPa | ~27 J/cm² |
| Dosis insuficiente (0,4 %–0,5 %) | 0,012 %–0,015 % | 430–460 MPa | 18–22 J/cm² |
| Dosis excesiva (>1,2 %) | <0,003 % | Mayor variabilidad | 20–25 J/cm² |
Cuando la dosis del desulfurante es insuficiente (0,4 %–0,5 % de Ca-Al), el azufre residual aumenta al 0,012 %–0,015 %, y las inclusiones adoptan formas de placa o tira que se convierten en fuentes de microgrietas. En este caso, la tenacidad al impacto desciende a entre 18 y 22 J/cm², la resistencia a la tracción fluctúa entre 430 y 460 MPa, y las microgrietas tienden a propagarse durante el laminado o la soldadura, reduciendo la tenacidad global y la uniformidad de la chapa de acero. El contenido de oxígeno en el acero fundido se eleva al 0,004 %–0,005 %, con una esferoidización insuficiente de las inclusiones, lo que afecta aún más la estabilidad de las propiedades mecánicas.
Con una dosis excesiva de desulfurante (>1,2 % de Ca-Al), el contenido de azufre puede descender por debajo del 0,003 %, pero el incremento en la cantidad de inclusiones de CaO-CaS —con un tamaño medio de 20 a 30 μm y entre 2 y 3 inclusiones por cm²— hace que la tenacidad al impacto disminuya a entre 20 y 25 J/cm² y que la resistencia a la tracción también presente mayor variabilidad. En la práctica de la refinación LF, controlar la temperatura del acero fundido a 1580 °C, la velocidad de agitación a 120 rpm y la dosis de aleación Ca-Al entre el 0,8 % y el 1,0 %, con adición fraccionada y agitación vigorosa, permite mantener un bajo nivel de azufre residual y una esferoidización adecuada de las inclusiones, logrando propiedades mecánicas estables y uniformes que satisfacen simultáneamente los requisitos de resistencia y tenacidad del producto final.
3. Conclusiones
Los resultados de esta investigación demuestran que el tipo y la dosificación del desulfurante deben seleccionarse con precisión en función del tipo de acero, el contenido inicial de azufre, la temperatura del acero fundido y el proceso de agitación. Una dosis insuficiente genera un exceso de azufre residual e inclusiones en forma de placa que comprometen la integridad del material, mientras que una dosis excesiva aumenta la producción de inclusiones de CaO-CaS con efectos igualmente negativos sobre las propiedades mecánicas. En la refinación LF de acero de bajo carbono, el uso de aleación Ca-Al en una proporción del 0,8 % al 1,0 % resulta óptimo: permite mantener el contenido de azufre por debajo del 0,006 %, obtener inclusiones de morfología esférica y garantizar propiedades mecánicas estables. Los resultados de este estudio proporcionan una base operativa concreta y una referencia técnica clara para la optimización del proceso de dosificación de desulfurantes en la producción siderúrgica industrial.
