Upload
michael-vera-orellana
View
225
Download
2
Embed Size (px)
DESCRIPTION
alto horno
Citation preview
Introducción a los Altos Hornos
Resultados del Aprendizaje en esta Sección
Luego de finalizada esta sección, usted podrá:
Identifique en qué lugar encaja el alto horno en el proceso total de producción del acero
Describa el plano del alto horno y su equipo auxiliar
Explique el proceso de alto horno
Identifique las materias primas y su preparación
Describa el procedimiento de carga y la estructura estratificada del horno
Enumere las diferentes zonas y sus estados físicos y químicos
Escriba la reacción química principal en diferentes zonas
Explique la termodinámica y la kinética de reacción en la reducción de mineral de hierro.
Explique las funciones de tobera y dardo (raceway) y la importancia de la combustión de coque.
Describa el principio energía y balance de masa del proceso.
Explique el rol de la inyección de carbón pulverizado (ICP) y la inyección de otros combustibles.
Detalle la influencia de los parámetros de proceso tales como fundentes de escoria, inyectantes de
alto horno, temperatura, relación de coque.
Identifique los parámetros críticos de control del proceso
Describa los productos y subproductos y su control de calidad
Enumere otros procesos alternativos de producción de hierro
Introducción a la Producción de Hierro en Altos Hornos
En la actualidad, casi todo el acero del mundo se produce a través de una de las dos siguientes rutas:
Convertidor LD Horno de arco eléctrico
"Ruta integrada" "Ruta de refusión"
75-80% de "metal fundido" (arrabio) del
alto horno
20-25% de chatarra reciclada
100% de chatarra reciclada, arrabio sólido
o hierro de reducción directa
64% de la producción global de acero (2005) 33% de la producción global de acero (2005)
Por lo tanto es evidente que el proceso de los altos hornos continúa siendo la ruta dominante de la
siderurgia para suministrar las materias primas para la producción de acero. Este dato pone de
manifiesto dónde se ubican los altos hornos dentro de todo el proceso de producción de hierro.
Ilustración esquemática de la producción de hierro y acero
El alto horno utiliza mineral de hierro como materias primas que contienen hierro, coque y carbón
pulverizado como elementos reductores y cal o caliza como elementos fundentes. El objetivo principal
de la producción de hierro en altos hornos es producir arrabio con calidad consistente para el proceso
de oxigeno básico LD (BOS, por sus siglas en inglés). Típicamente, la especificación de la acería
requiere arrabio con con 0,3–0,7% Si, 0,2–0,4% Mn, y 0,06–0,13% P, y temperatura tan elevada como
sea posible (1480–1520 °C en la sangría). Un alto horno grande moderno posee un diámetro de crisol
de 14–15 m, y una altura de 35 m con un volumen interno de alrededor de 4500 m3. Un alto horno con
estas características puede producir 10.000 toneladas de arrabio por día.
Dado que los procesos de alto horno consumen una gran cantidad de coque metalúrgico, están
surgiendo otros procesos de producción de hierro como procesos futuros alternativos: reducción
directa y reducción por fusión donde el coque metalúrgico se puede reemplazar por carbón
pulverizado u otros elementos reductores de gases. Son ejemplos de procesos comerciales: Midrex
(reducción directa) y Corex (reducción por fusión).
Desarrollo Histórico I
Experimentos de fundición en la Edad de Hierro por Jake Keen y estudiantes de arqueología de la
Universidad de Bournemouth. Fotografía cortesía del Dr Kate Welham, Universidad de Bournemouth.
La primera evidencia de las herramientas de hierro proviene del antiguo Egipto, alrededor de 4000 AC
y el origen de las herramientas de hierro es probablemente el hierro meteorítico. El primer objeto del
hierro fundido data de alrededor de 2000 AC, el cual fue posiblemente un subproducto de la fundición
de cobre. Alrededor de 1000 AC las herramientas y armas de hierro habían empezado a reemplazar las
de bronce.
Los altos hornos existentes más antiguos fueron construidos en China 200 AC. Los altos hornos deben
diferenciarse de los hornos de lupias, en los cuales se evitaba la fusión y el hierro salía del horno como
una masa esponjosa, llamada lupia (hierro esponja). Luego el hierro esponja era recalentado y
martillado repetidas veces para forzar la salida de la escoria. Normalmente el término “alto horno” se
reserva para los hornos que producen metal fundido que puede sangrarse del horno, en los que se
refina el hierro del mineral.
En la antigüedad, en Europa, el hierro era hecho en hornos de lupias por los griegos, los celtas, los
romanos y los cartagineses. En el siglo VIII se usaba el horno catalán en España, el cual dependía de
un fuelle para bombear el aire en lugar de una corriente de aire natural. Los altos hornos más antiguos
que se conocen en el oeste fueron construidos en Durstel, Suiza, Markische Sauerland, Alemania y
Lapphyttan, Suecia alrededor del 1100. El predecesor directo de los hornos que hoy se usan en Europa
provino de la región de Namur, Bélgica. El diseño se había extendido desde la región a fines del siglo
XV y fue introducido en Inglaterra en 1491. La industria del hierro alcanzó su mejor momento en 1590,
y la mayoría del arrabio de estos hornos se llevaba a forjas de afino para la producción de hierro en
barra.
La próxima evolución en la tecnología siderúrgica tuvo lugar en Gran Bretaña, en donde Abraham
Darby introdujo exitosamente el coque en 1709. El combustible que se usaba antes en los altos hornos
era el carbón vegetal. Al principio el hierro fabricado en un horno de coque se usaba sólo para
fundiciones, siendo un sector minoritario de la industria. Sin embargo, pronto se tornó más barato
producir arrabio al coque que producir arrabio al carbón vegetal. La eficacia del proceso se mejoró aún
más al cambiar por el viento caliente, desarrollado por James Beaumont Neilson en 1828. Dentro de
unas décadas, se empezó a usar la estufa, en la cual se quemaban los gases de escape. Luego se
usaba el calor para precalentar el aire que se inyectaba al horno.
Los altos hornos continúan siendo una parte importante de la producción moderna del hierro. Los
hornos modernos son altamente eficaces. Incluyen las estufas Cowper para precalentar el aire soplado
y usan sistemas de recuperación para extraer el calor de los gases calientes que salen del horno. La
competencia que hay en la industria impulsa índices de producción más altos. Un alto horno grande
tiene un volumen de 5500 m3 y produce alrededor de 80.000 toneladas de hierro por semana, en
comparación con los primeros altos hornos que promediaban alrededor de 400 toneladas de hierro por
año.
Proceso de Alto Horno
El viento caliente reacciona con el coque y el carbón pulverizado en el vientre y en el etalaje del alto
horno para formar una mezcla de monóxido de carbono y nitrógeno. Esta mezcla asciende por el horno
mientras intercambia calor y reacciona con las materias primas que descienden de la parte superior
del horno.
Finalmente los gases se descargan por el tragante del horno y se recuperan para ser usados como
combustible en la planta siderúrgica.
Durante este proceso, la relación capa-espesor de los materiales que contienen hierro y el coque
cargados por el tragante del horno y su distribución radial se controlan con el fin de que el viento
caliente pueda pasar con una correcta distribución radial.
Durante el descenso de la carga en el horno, los materiales que contienen hierro se reducen
indirectamente por el gas de monóxido de carbono en la zona de baja temperatura de la parte
superior del horno.
En la parte inferior del horno, el dióxido de carbono producido por la reducción del mineral de hierro
restante por el monóxido de carbono se reduce al instante por el coque (C) a monóxido de carbono
que nuevamente reduce el óxido de hierro.
La secuencia completa puede considerarse como una reducción directa del mineral de hierro por el
carbono sólido en la zona de alta temperatura de la parte inferior del horno.
El hierro reducido se funde, gotea y junta simultáneamente como arrabio en el crisol. Luego se
descarga el arrabio y la escoria fundida a intervalos fijos (por lo general 2-5 horas) abriendo las
piqueras de arrabio y de escoria en la pared del horno.
Las fuerzas motrices de un alto horno
Plano y Equipo
La principal estructura de un alto horno consta de un blindaje vertical cilíndrico de chapa de acero
grueso, revestido en la parte interior con ladrillos refractarios. La capa refractaria es enfriada por
componentes metálicos refrigerados por agua llamados placas de enfriamiento, interpuestas entre el
blindaje y los ladrillos refractarios.
El cuerpo del horno está compuesto por:
la cuba, que se ensancha en forma de cono desde la parte superior
el vientre, que es un cilindro derecho
el etalaje, que se achica en forma de cono hacia el fondo y se ubica inmediatamente debajo del
vientre, y
el crisol, en el fondo del horno.
Por lo general la cuba, el vientre y el etalaje están forrados con ladrillos de arcilla refractaria y ladrillos
de carburo de silicio, mientras que el crisol está forrado con ladrillos al carbono. Dependiendo del
tamaño del horno, la pared lateral del crisol está ubicada radialmente y tiene de 20 a 40 boquillas de
soplado de aire refrigeradas con agua denominadas toberas, que se usan para inyectar el aire
caliente proveniente de las estufas Cowper al horno a través de la tubería principal de aire caliente y
las morcillas.
También se instalan piqueras para descargar el arrabio y piqueras para descargar la escoria en la
sección del crisol.
En la actualidad los altos hornos más grandes tienen alrededor de una altura total de 80 m , con una
altura del cuerpo del horno de 35 m y un diámetro interno máximo de alrededor de 16 m, y un
volumen interno de alrededor de 5,200 m3. Un horno de este tamaño puede producir
aproximadamente 10,000 toneladas de arrabio por día.
Equipo Auxiliar
Además de la estructura principal del alto horno, existen los siguientes equipos auxiliares:
Cintas transportadoras para trasportar las materias primas (mineral y coque) al tragante del alto
horno
Tolvas para almacenar temporalmente estas materias primas
ICP (inyección de carbón pulverizado) con equipo para pulverizar el carbón e inyectarlo bajo
presión.
Con un equipo de carga de campana, las materias primas entran en el horno a través del espacio
creado al bajar una pequeña campana invertida. Esta campana se cierra y una campana más
grande (ancha por abajo) se abre para permitir que las materias primas caigan en la cuba que se
encuentra abajo.
Con un equipo de carga sin campana, las materias primas se cargan en el horno a través de una
rampa giratoria.
Máquinas soplantes para impulsar el aire
La estufa Cowper para calentar el aire. Es un horno cilíndrico de alrededor 12 m de diámetro y unos
55 m de altura y tiene una cámara llena de ladrillos cuadriculados de sílice. La estufa Cowper es un
tipo de intercambiador de calor en el cual el calor producido por la combustión del gas de alto
horno se almacena en la cámara de recuperación del calor, después de lo cual se sopla aire frío a
través del recuperador de calor para producir el aire caliente precalentado para el horno. Dos o
más estufas funcionan en ciclos alternos, proporcionando una fuente continua de aire caliente al
horno.
Turbina de recuperación de la presión del tragante del alto horno: Por lo general un alto horno
funciona con una presión del tragante de alrededor de 250 kPa. Para recuperar la energía del gran
volumen de los gases de escape de alta presión, el alto horno está equipado, después de la
eliminación del polvo, con una turbina de recuperación de la presión del tragante para generar
energía eléctrica usando la diferencia de presión entre el tragante del horno y el gasómetro de
almacenamiento de gas.
Equipo para la eliminación del polvo y recuperación
Equipo auxiliar alrededor del alto horno
División de Zonas I
Los altos hornos tienen una forma cónica y se subdividen en varias zonas de acuerdo al estado físico y
químico de las materias primas y de los productos.
De la dirección vertical, un alto horno podría dividirse en 5 zonas:
1. Tragante: superficie de carga en la parte superior del horno
2. Cuba: donde los minerales se calientan y comienzan las reacciones de reducción
3. Vientre: corta sección vertical
4. Etalaje: donde se completa la reducción y se funden los minerales
5. Crisol: donde los materiales fundidos (escoria y arrabio) se acumulan y salen por las piqueras.
División de Zonas II
De acuerdo con el estado interno de las materias primas, se puede observar varias otras zonas en los
altos hornos:
1. Zona de reducción primaria: zona superior de la cuba, donde se reducen los óxidos de hierro de
alta valencia (hematita y magnetita (Fe2O3, Fe3O4). La temperatura oscila entre los 400 a 1000 °C.
2. Zona de reserva térmica: zona inferior de la cuba, donde la temperatura se mantiene a alrededor
de 1000–1200 °C. En esta zona, tiene lugar la reducción de la wustita (FeO) a hierro metálico.
3. Zona cohesiva: se extiende desde arriba del etalaje cerca de la pared hasta la mitad de la cuba en
el centro del alto horno. En la zona cohesiva, los materiales alcanzan alrededor de 1200 °C y
comienzan a ablandarse y fundirse con excepción de las partículas de coque.
4. Zona de coque activo/zona de goteo: debajo de la zona cohesiva, donde se completa la reducción
final del hierro metálico. La escoria fundida y el hierro fundido forman gotas a través de la capa de
coque.
5. Hombre muerto: lecho compacto y poroso de partículas de coque sin reaccionar que se sientan o
flotan en el crisol. La carburación del arrabio tiene lugar dentro del hombre muerto.
Reacciones de reducción y temperatura de la carga
Reacciones Químicas: Reducción Directa
Los estados relevantes de la alimentación de mineral de hierro se indican en el orden de la hematita,
la magnetita, la wustita y a través de FeO0.5 a hierro metálico. El proceso de reducción de las partículas
de mineral de hierro (pélets o sínter) es un proceso de eliminación del oxígeno de los óxidos de hierro.
Reducción directa y reducción indirecta
La reducción de los óxidos de hierro se realiza mediante los gases de CO y H2, así como también por
las partículas de coque sólido. El gas de CO se genera a través de la combustión del coque en el dardo
(raceway) y de la reacción de la gasificación denominada reacción Boudouard a una temperatura por
encima de los 1100 °C.
Reducción directa
El óxido de hierro de baja valencia (FeO) reacciona directamente con las partículas de coque en la
zona caliente por encima del dardo (raceway), generando hierro metálico y gas de CO. En realidad,
ocurre en 2 procesos consecutivos: reducción de CO del FeO y conversión inmediata de CO2 a CO en
contacto con el coque:
(1) FeO + CO = Fe + CO2
(2) CO2 + C = 2CO
Total FeO + C = Fe + CO
En un alto horno moderno, la reducción directa elimina alrededor de 1/3 del oxígeno de la carga,
dejando que el 2/3 restante sea eliminado por la reacción de reducción del gas (reducción indirecta).
La reducción directa usa carbono (coque) como reductor y genera gas de CO extra. La reducción
directa cuesta mucha energía. La reducción directa también se llama pérdida de solución (definida
como la cantidad de coque que se usa para la reducción) y puede calcularse y monitorearse en línea.
Reacciones Químicas: Reducción Indirecta
Reducción indirecta
También se denomina reducción del gas. La reducción del gas tiene lugar entre el CO o el H 2 y los
materiales sólidos de la carga de los óxidos de hierro. Elimina alrededor de 2/3 del total de oxígeno en
el mineral de hierro. A continuación se muestran las reacciones de la reducción directa con CO:
Hematita: 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2
Magnetita: Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2
Wustita: 2FeO + CO = 2FeO0.5 + CO2
Siguiendo la carga que desciende del tragante, la reducción de hematita a magnetita comienza a
alrededor de los 500 °C. La reducción de magnetita a wustita ocurre en la zona de temperatura de los
600 a los 900 °C. La reducción de wustita a FeO0.5 ocurre a los 900 -1100 °C. Al comienzo de la
temperatura de fusión (1100–1150 °C) todo el FeO se convierte a FeO0.5. La reducción de FeO0.5 ocurre
por reducción directa en forma de una reacción líquida-sólida.
El gas de CO en la reducción indirecta se genera en el dardo (raceway), en donde las partículas de
coque son quemadas por el viento caliente:
C + 0,5O2 = CO + 111 kJ mol-1 calor
La energía de combustión se usa para calentar la carga y el gas de CO generado se usa para reducir
los óxidos de hierro. La reducción indirecta es controlada por la temperatura y la presión parcial de
CO.
Reducción directa con hidrógeno
El hidrógeno se forma de la humedad del viento y de los inyectantes en el dardo (raceway). La
reducción de los óxidos de hierro con hidrógeno es comparable a la reducción con monóxido de
carbono. El hidrógeno es más eficaz para la reducción por encima de los 900 °C. El coeficiente de
utilización de hidrógeno medido del gas del tragante es de alrededor del 40%, mientras que el
coeficiente de utilización de CO es de alrededor del 50%.
Productos obtenidos del Alto Horno
Cuchara torpedo
Los materiales descargados del alto horno son arrabio a 1.803 K (1.530 °C), alrededor de 300 kg de
escoria fundida por tonelada de arrabio y gases de escape que contienen polvo descargados por el
tragante del horno.
Arrabio: Es vertido en una cuchara torpedo donde se lo somete a un tratamiento previo y
luego se transfiere a una acería.
Escoria fundida Es triturada después del enfriamiento y reciclada como material para firme de
carreteras y para la fabricación de cementos.
Gas del Tragante Después de la eliminación del polvo, se usa como combustible para las
estufas Cowper para precalentar el aire soplado o para hornos de recalentamiento.
Arrabio
El arrabio es el producto principal del proceso de los altos hornos. Es hierro saturado en carbono con
una cantidad de impurezas tales como silicio, manganeso, azufre y fósforo. Se descarga por el crisol
del alto horno a una temperatura de 1480 °C y 1520 °C. En la siguiente tabla puede verse la
composición típica del arrabio.
Elemento Típico
(wt%)
Hierro Fe 94.5
Carbono C 4.5
Silicio Si 0.40
Manganeso Mn 0.30
Azufre S 0.03
Fósforo P 0.07
Escoria
<< Anterior | Siguiente >>
La escoria se forma a partir del material de la ganga de la carga, las cenizas del coque y de otros
reductores auxiliares. Durante el proceso del alto horno, la escoria primaria se convierte en escoria
final. Cuatro componentes principales (SiO2, CaO, MgO and Al2O3) constituyen alrededor del 96% de la
escoria. En la siguiente tabla se muestran las composiciones típicas de la escoria y los rangos. Los
componentes menores son MnO, TiO2, K2O, Na2O, S and P.
Componente Típico Rango
CaO 40% 34-42%
MgO 10% 6-12%
SiO2 36% 28-38%
Al2O3 10% 8-20%
Sulfuro 1%
Composición de la escoria de pélets típicas y calidades de sínter
Escoria Primaria y Escoria Final
La escoria primaria se forma durante el proceso de fusión de la carga antes de la solución de los
componentes de las cenizas del coque en la escoria. La temperatura de fase líquida es mucho más
baja debido al alto contenido de FeO. El gráfico de abajo muestra la influencia del contenido de FeO
sobre la reducción en la temperatura de fase líquida de la escoria primaria. A cerca de 1200 °C.
Escoria Final e Interacciones entre la Escoria y el Metal
La escoria final se forma después de la reducción directa de FeO en la escoria primaria y de la
disolución de SiO2 de la ceniza. La temperatura de fusión de la escoria final es de alrededor de
1300 °C. La formación de la escoria final se completa en la zona de combustión. La escoria final circula
junto con el hierro fundido hacia el crisol. Gotitas de hierro pasan a través de la capa de escoria para
formar la pileta de metal fundido. Durante este pasaje, la escoria reacciona con el metal y ocurre una
transferencia de Si, Mn y S entre el metal y la escoria, tendiendo a obtener el equilibrio. La naturaleza,
la composición y la cantidad de la escoria final en el crisol controlan la composición del arrabio y la
productividad del alto horno.
Propiedades importantes de la escoria:
1. Temperatura de fusión (rango);
2. Basicidad de la escoria;
3. Viscosidad;
4. Capacidad del sulfuro.
La temperatura de fase líquida del alto horno es de alrededor de 1300 °C, como se ilustra en el
diagrama de fase de SiO2-CaO-MgO con 10% Al2O3.
Cinética de la Reducción del Mineral de Hierro
La reducción del mineral de hierro por los gases de carbono y de hidrógeno es un proceso muy
complicado. Para una mejor comprensión de los factores que influencian la reductibilidad de los
minerales, sínters y pélets a continuación figura una vista muy simplificada de las reacciones de
control de la velocidad. En la mayoría de los casos, el mineral de hierro se encuentra en la forma de
hematita, y la reducción comienza de la hematita y procede en el siguiente orden: hematita (Fe 2O3) >
magnetita (Fe3O4) > wustita (FeO) > hierro metálico (Fe).
3Fe2O3 + CO (H2) = 2Fe3O4 + CO2 (H2O)
Fe2O3 + CO (H2) = 3FeO + CO2 (H2O)
FeO + CO (H2) = 2Fe + CO2 (H2O)
Proceso de reducción: Comenzando con una esfera densa de hematita (similar a los pélets), una
reducción inicial con CO o H2 produce una capa de hierro metálico en contacto con la wustita. Hacia
adentro desde la wustita hay una capa de magnetita que rodea el centro de la hematita. Tal estructura
en capas es típica del gas topoquímico: relaciones sólidas en las que la interfase de reacción entre los
reductores sólidos y los productos sólidos se mueve en forma paralela a la superficie sólida original.