Introducción a los Altos
Hornos
Resultados del Aprendizaje en esta Sección Luego de finalizada esta sección, usted podrá:
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Identifique en qué lugar encaja el alto horno en el proceso total de producción del acero
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Describa el plano del alto horno y su equipo auxiliar
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xplique el proceso de alto horno
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Identifique las !aterias pri!as y su preparación
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Describa el procedi!iento de carga y la estructura estratificada del horno
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nu!ere las diferentes zonas y sus estados f"sicos y qu"!icos
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scriba la reacción qu"!ica principal en diferentes zonas
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xplique la ter!odiná!ica y la #inética de reacción en la reducción de !ineral de hierro$
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xplique las funciones de tobera y dardo %race&ay' y la i!portancia de la co!bustión de coque$
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Describa el principio energ"a y balance de !asa del proceso$
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xplique el rol de la inyección de carbón pul(erizado %I)*' y la inyección de otros co!bustibles$
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Detalle la influencia de lo s pará!etros de proceso tales co!o fundentes de escoria, inyectantes de alto horno, te!peratura, relación de coque$
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Identifique los pará!etros cr"ticos de control del proceso
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Describa los productos y subproductos y su control de calidad
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nu!ere otros procesos alternati(os de producción de hierro
Introducción a la Producción de Hierro en Altos Hornos n la actualidad, casi todo el acero del !undo se produce a tra(és de una de l as dos siguientes rutas:
Convertidor LD +uta integrada+
-./012 de +!etal fundido+ %arrabio' del alto horno 31/3.2 de chatarra reciclada
452 de la producción global de acero %311.'
*or lo tanto es e(idente que el proceso de los altos hornos contin6a siendo la ruta do!inante de la siderurgia para su!inistrar las !aterias pri!as para la producción de acero$ ste dato pone de !anifiesto dónde se ubican los altos hornos dentro de todo el proceso de producción de hierro$
Ilustración esque!ática de la producción de hierro y acero l alto horno utiliza !ineral de hierro co!o !aterias pri!as que contienen hierro, coque y carbón pul(erizado co!o ele!entos reductores y cal o caliza co!o ele!entos fundentes$ l objeti(o principal de la producción de hierro en altos hornos es producir arrabio con calidad consistente para el proceso de oxigeno básico LD %789, por sus siglas en inglés'$ "pica!ente, la especificación de la acer"a requiere arrabio con con 1,;<1,-2 9i, 1,3<1,52 =n, y 1,14<1,>;2 *, y te!peratura tan ele(ada co!o sea posible %>501<>.31 ?) en la sangr"a'$ @n alto horno grande !oderno posee un diá!etro de crisol de >5<>. !, y una altura de ;. ! con un (olu!en interno de alrededor de 5.11 !;$ @n alto horno con estas caracter"sticas puede producir >1$111 toneladas de arrabio por d"a$ Dado que los procesos de alto horno consu!en una gran cantidad de coque !etal6rgico, están surgiendo otros procesos de producción de hierro co!o procesos futuros alternati(os: reducción directa y reducción por fusión donde el coque !etal6rgico se puede ree!plazar por carbón pul (erizado u otros ele!entos reductores de gases$ 9on eje!plos de procesos co!erciales: =idrex %reducción directa' y )orex %reducción por fusión'$
Desarrollo Histórico I
xperi!entos de fundición en la dad de Aierro por Ba#e Ceen y estudiantes de arqueolog"a de la @ni(ersidad de 7ourne!outh$ otograf"a cortes"a del Dr Cate Eelha!, @ni(ersidad de 7ourne!outh$ La pri!era e(idencia de las herra!ientas de hierro pro(iene del antiguo gipto, alrededor de 5111 F) y el origen de las herra!ientas de hierro es probable!ente el hierro !eteor"tico$ l pri!er objeto del hierro fundido data de alrededor de 3111 F), el cual fue posible!ente un subproducto de la fundición de cobre$ Flrededor de >111 F) las herra!ientas y ar!as de hierro hab"an e!pezado a ree!plazar las de bronce$ Los altos hornos existentes !ás antiguos fueron construidos en )hina 311 F)$ Los altos hornos deben diferenciarse de los hornos de lupias, en los cuales se e(itaba la fusión y el hierro sal"a del horno co!o una !asa esponjosa, lla!ada lupia %hierro esponja'$ Luego el hierro esponja era recalentado y !artillado repetidas (eces para forzar la salida de la escoria$ Gor!al!ente el tér!ino Halto horno se reser(a para los hornos que producen !etal fundido que puede sangrarse del horno, en los que se refina el hierro del !ineral$ n la antigJedad, en uropa, el hierro era hecho en hornos de lupias por los griegos, los celtas, los ro!anos y los cartagineses$ n el siglo KIII se usaba el horno catalán en spaa, el cual depend"a de un fuelle para bo!bear el aire en lugar de una corriente de aire natural$ Los altos hornos !ás antiguos que se conocen en el oeste fueron construidos en Durstel, 9uiza, =ar#ische 9auerland, Fle!ania y Lapphyttan, 9uecia alrededor del >>11$ l predecesor directo de los hornos que hoy se usan en uropa pro(ino de la región de Ga!ur, 7élgica$ l diseo se hab"a extendido desde la región a fines del siglo MK y fue introducido en Inglaterra en >5N>$ La industria del hierro alcanzó su !ejor !o!ento en >.N1, y la !ayor"a del arrabio de estos hornos se lle(aba a forjas de afino para la producción de hierro en barra$ La próxi!a e(olución en la tecnolog"a sider6rgica tu(o lugar en Oran 7retaa, en donde Fbraha! Darby introdujo exitosa!ente el coque en >-1N$ l co!bustible que se usaba antes en los altos hornos era el carbón (egetal$ Fl principio el hierro fabricado en un horno de coque se usaba sólo para fundiciones, siendo un sector !inoritario de la industria$ 9in e!bargo, pronto se tornó !ás barato producir arrabio al coque que producir arrabio al carbón (egetal$ La eficacia del proceso se !ejoró a6n !ás al ca!biar por el (iento caliente, desarrollado por Ba!es 7eau!ont Geilson en >030$ Dentro de
unas décadas, se e!pezó a usar la estufa, en la cual se que!aban los gases de escape$ Luego se usaba el calor para precalentar el aire que se inyectaba al horno$ Los altos hornos contin6an siendo una parte i!portante de la producción !oderna del hierro$ Los hornos !odernos son alta!ente eficaces$ Incluyen las estufas )o&per para precalentar el aire soplado y usan siste!as de recuperación para extraer el calor de los gases calientes que salen del horno$ La co!petencia que hay en la industria i!pulsa "ndices de producción !ás altos$ @n alto horno grande tiene un (olu!en de ..11 !; y produce alrededor de 01$111 toneladas de hierro por se!ana, en co!paración con los pri!eros altos hornos que pro!ediaban alrededor de 511 toneladas de hierro por ao$
Proceso de Alto Horno l (iento caliente reacciona con el coque y el carbón pul(erizado en el (ientre y en el etalaje del alto horno para for!ar una !ezcla de !onóxido de carbono y nitrógeno$ sta !ezcla asciende por el horno !ientras interca!bia calor y reacciona con las !aterias pri!as que descienden de la parte superior del horno$ inal!ente los gases se descargan por el tragante del horno y se recuperan para ser usados co!o co!bustible en la planta sider6rgica$ Durante este proceso, la relación capa/espesor de los !ateriales que contienen hierro y el coque cargados por el tragante del horno y su distribución radial se controlan con el fin de que el (iento caliente pueda pasar con una correcta distribución radial$ Durante el descenso de la carga en el horno, los !ateriales que contienen hierro se reducen indirecta!ente por el gas de !onóxido de carbono en la zona de baja te!peratura de la parte superior del horno$ n la parte inferior del horno, el dióxido de carbono producido por la reducción del !ineral de hierro restante por el !onóxido de carbono se reduce al instante por el coque %)' a !onóxido de carbono que nue(a!ente reduce el óxido de hierro$
La secuencia co!pleta puede considerarse co!o una reducción directa del !ineral de hierro por el carbono sólido en la zona de alta te!peratura de la parte inferior del horno$ l hierro reducido se funde, gotea y junta si!ultánea!ente co!o arrabio en el crisol$ Luego se descarga el arrabio y la escoria fundida a inter(alos fijos %por lo general 3/. horas' abriendo las piqueras de arrabio y de escoria en la pared del horno$
Las fuerzas !otrices de un alto horno
Plano y Equipo
La principal estructura de un alto horno consta de un blindaje (ertical cil"ndrico de chapa de acero grueso, re(estido en la parte interior con ladrillos refractarios$ La capa refractaria es enfriada por co!ponentes !etálicos refrigerados por agua lla!ados placas de enfria!iento, interpuestas entre el blindaje y los ladrillos refractarios$ l cuerpo del horno está co!puesto por:
•
la cuba, que se ensancha en for!a de cono desde l a parte superior
•
el vientre, que es un cilindro derecho
•
el etalaje, que se achica en for!a de cono hacia el fondo y se ubica in!ediata!ente debajo del (ientre, y
•
el crisol, en el fondo del horno$
*or lo general la cuba, el (ientre y el etalaje están forrados con ladrillos de arcilla refractaria y ladrillos de carburo de silicio, !ientras que el crisol está forrado con ladrillos al carbono$ Dependiendo del ta!ao del horno, la pared lateral del crisol está ubicada radial!ente y tiene de 31 a 51 boquillas de soplado de aire refrigeradas con agua deno!inadas toberas, que se usan para inyectar el aire caliente pro(eniente de las estufas )o&per al horno a tra(és de la tuber"a principal de aire caliente y las !orcillas$ a!bién se instalan piqueras para descargar el arrabio y piqueras para descargar la escoria en la sección del crisol$
n la actualidad los altos hornos !ás grandes tienen alrededor de una altura total de 01 ! , con una altura del cuerpo del horno de ;. ! y un diá!etro interno !áxi!o de alrededor de >4 !, y un (olu!en
interno
de
alrededor
de
.,311 !;$
@n horno
de este ta!ao
puede
producir
aproxi!ada!ente >1,111 toneladas de arrabio por d"a$
Equipo Auiliar Fde!ás de la estructura principal del alto horno, existen los siguientes equipos auxiliares:
•
)intas transportadoras para trasportar las !aterias pri!as %!ineral y coque' al tragante del alto horno
•
ol(as para al!acenar te!poral!ente estas !aterias pri!as
•
I)* %inyección de carbón pul(erizado' con equipo para pul(erizar el carbón e inyectarlo bajo presión$
•
)on un equipo de carga de ca!pana, las !aterias pri!as entran en el horno a tra(és del espacio creado al bajar una pequea ca!pana in(ertida$ sta ca!pana se cierra y una ca!pana !ás grande %ancha por abajo' se abre para per!itir que las !aterias pri!as caigan en la cuba que se encuentra abajo$
•
)on un equipo de carga sin ca!pana, las !aterias pri!as se cargan en el horno a tra(és de una ra!pa giratoria$
•
=áquinas soplantes para i!pulsar el aire
•
La estufa )o&per para calentar el aire$ s un horno cil"ndrico de alrededor >3 ! de diá!etro y unos .. ! de altura y tiene una cá!ara llena de l adrillos cuadriculados de s"lice$ La estufa )o&per es un tipo de interca!biador de calor en el cual el calor producido por la co!bustión del gas de alto horno se al!acena en la cá!ara de recuperación del calor, después de lo cual se sopla aire fr"o a tra(és del recuperador de calor para producir el aire caliente precalentado para el horno$ Dos o !ás estufas funcionan en ciclos alternos, proporcionando una fuente continua de aire caliente al horno$
•
urbina de recuperación de la presión del tragante del alto horno: *or lo general un alto horno funciona con una presión del tragante de alrededor de 3.1 #*a$ *ara recuperar la energ"a del gran (olu!en de los gases de escape de alta presión, el alto horno está equipado, después de la eli!inación del pol(o, con una turbina de recuperación de la presión del tragante para generar
energ"a eléctrica usando la diferencia de presión entre el tragante del horno y el gasó!etro de al!acena!iento de gas$
•
quipo para la eli!inación del pol(o y recuperación
quipo auxiliar alrededor del alto horno
División de !onas I Los altos hornos tienen una for!a cónica y se subdi(iden en (arias zonas de acuerdo al estado f"sico y qu"!ico de las !aterias pri!as y de los productos$ De la dirección (ertical, un alto horno podr"a di(idirse en . zonas: >$
ragante: superficie de carga en la parte superior del horno
3$
)uba: donde los !inerales se calientan y co!ienzan las reacciones de reducción
;$
Kientre: corta sección (ertical
5$
talaje: donde se co!pleta la reducción y se funden los !inerales
.$
)risol: donde los !ateriales fundidos %escoria y arrabio' se acu!ulan y salen por las piqueras$
División de !onas II De acuerdo con el estado interno de las !aterias pri!as, se puede obser(ar (arias otras zonas en los altos hornos: >$
Pona de reducción pri!aria: zona superior de la cuba, donde se reducen los óxidos de hierro de alta (alencia %he!atita y !agnetita %e 38;, e;85'$ La te!peratura oscila entre los 511 a >111 ?)$
3$
Pona de reser(a tér!ica: zona inferior de la cuba, donde la te!peratura se !antiene a alrededor de >111<>311 ?)$ n esta zona, tiene lugar la reducción de la &ustita %e8' a hierro !etálico$
;$
Pona cohesi(a: se extiende desde arriba del etalaje cerca de la pared hasta la !itad de la cuba en el centro del alto horno$ n la zona cohesi(a, los !ateriales alcanzan alrededor de >311 ?) y co!ienzan a ablandarse y fundirse con excepción de las part"culas de coque$
5$
Pona de coque acti(oQzona de goteo: debajo de la zona cohesi(a, donde se co!pleta la reducción final del hierro !etálico$ La escoria fundida y el hierro fundido for!an gotas a tra(és de la capa de coque$
.$
Ao!bre !uerto: lecho co!pacto y poroso de part"culas de coque sin reaccionar que se sientan o flotan en el crisol$ La carburación del arrabio tiene lugar dentro del ho!bre !uerto$
eacciones de reducción y te!peratura de la carga
Reacciones "u#$icas% Reducción Directa Los estados rele(antes de la ali!entación de !ineral de hierro se indican en el orden de la he!atita, la !agnetita, la &ustita y a tra(és de e8 1$. a hierro !etálico$ l proceso de reducción de las part"culas de !ineral de hierro %pélets o s"nter' es un proceso de eli!inación del ox"geno de los óxidos de hierro$
Reducción directa y reducción indirecta La reducción de los óxidos de hierro se realiza !ediante los gases de )8 y A 3, as" co!o ta!bién por las part"culas de coque sólido$ l gas de )8 se genera a tra(és de la co!bustión del coque en el dardo %race&ay' y de la reacción de la gasificación deno!inada reacción 7oudouard a una te!peratura por enci!a de los >>11 ?)$
Reducción directa l óxido de hierro de baja (alencia %e8' reacciona directa!ente con las part"culas de coque en la zona caliente por enci!a del dardo %race&ay', generando hierro !etálico y gas de )8$ n realidad, ocurre en 3 procesos consecuti(os: reducción de )8 del e8 y con(ersión in!ediata de )8 3 a )8 en contacto con el coque:
%>' e8 R )8 S e R )8 3 %3' )83 R ) S 3)8 otal e8 R ) S e R )8 n un alto horno !oderno, la reducción directa eli!ina alrededor de >Q; del ox"geno de la carga, dejando que el 3Q; restante sea eli!inado por la reacción de reducción del gas %reducción indirecta'$ La reducción directa usa carbono %coque' co!o reductor y genera gas de )8 extra$ La reducción directa cuesta !ucha energ"a$ La reducción directa ta!bién se lla!a pérdida de solución %definida co!o la cantidad de coque que se usa para la reducción' y puede calcularse y !onitorearse en l"nea$
Reacciones "u#$icas% Reducción Indirecta Reducción indirecta a!bién se deno!ina reducción del gas$ La reducción del gas tiene lugar entre el )8 o el A 3 y los !ateriales sólidos de la carga de los óxidos de hierro$ li!ina alrededor de 3Q; del total de ox"geno en el !ineral de hierro$ F continuación se !uestran las reacciones de la reducción directa con )8:
Ae!atita: ;e38; R )8 S 3e;85 R )83 =agnetita: e;85 R )8 S ;e8 R )83 Eustita: 3e8 R )8 S 3e8 1$. R )83 9iguiendo la carga que desciende del tragante, la reducción de he!atita a !agnetita co!ienza a alrededor de los .11 ?)$ La reducción de !agnetita a &ustita ocurre en la zona de te!peratura de los 411 a los N11 ?)$ La reducción de &ustita a e81$. ocurre a los N11 />>11 ?)$ Fl co!ienzo de la te!peratura de fusión %>>11<>>.1 ?)' todo el e8 se con(ierte a e81$.$ La reducción de e81$. ocurre por reducción directa en for!a de una reacción l"quida/sólida$
l gas de )8 en la reducción indirecta se genera en el dardo %race&ay', en donde las part"culas de coque son que!adas por el (iento caliente:
) R 1,.83 S )8 R >>> #B !ol/> calor La energ"a de co!bustión se usa para calentar la carga y el gas de )8 generado se usa para reducir los óxidos de hierro$ La reducción indirecta es controlada por la te!peratura y la presión parcial de )8$
Reducción directa con &idró'eno l hidrógeno se for!a de la hu!edad del (iento y de los inyectantes en el dardo %race&ay'$ La reducción de los óxidos de hierro con hidrógeno es co!parable a la reducción con !onóxido de carbono$ l hidrógeno es !ás eficaz para la reducción por enci!a de los N11 ?)$ l coeficiente de utilización de hidrógeno !edido del gas del tragante es de alrededor del 512, !ientras que el coeficiente de utilización de )8 es de alrededor del .12$
Productos obtenidos del Alto Horno
)uchara torpedo
Los !ateriales descargados del alto horno son arrabio a >$01; C %>$.;1 ?)', alrededor de ;11 #g de escoria fundida por tonelada de arrabio y gases de escape que contienen pol(o descargados por el tragante del horno$ Frrabio: s (ertido en una cuchara torpedo donde se lo so!ete a un trata!iento pre(io y luego se transfiere a una acer"a$ scoria fundida s triturada después del enfria!iento y reciclada co!o !aterial para fir!e de carreteras y para la fabricación de ce!entos$ Oas del ragante Después de la eli!inación del pol(o, se usa co!o co!bustible para las estufas )o&per para precalentar el aire soplado o para hornos de recalenta!iento$
Arrabio l arrabio es el producto principal del proceso de los altos hornos$ s hierro saturado en carbono con una cantidad de i!purezas tales co!o silicio, !anganeso, azufre y fósforo$ 9e descarga por el crisol del alto horno a una te!peratura de >501 ?) y >.31 ?)$ n la siguiente tabla puede (erse la co!posición t"pica del arrabio$
(#pico
Ele$ento
)*t+,
Aierro
e
N5$.
)arbono
)
5$.
9ilicio
9i
1$51
=anganeso
=n
1$;1
Fzufre
9
1$1;
ósforo
*
1$1-
Escoria
TT Fnterior U 9iguiente VV La escoria se for!a a partir del !aterial de la ganga de la carga, las cenizas del coque y de otros reductores auxiliares$ Durante el proceso del alto horno, la escoria pri!aria se con(ierte en escoria final$ )uatro co!ponentes principales %9i83, )a8, =g8 and Fl38;' constituyen alrededor del N42 de la escoria$ n la siguiente tabla se !uestran las co!posiciones t"picas de la escoria y los rangos$ Los co!ponentes !enores son =n8, i83, C38, Ga38, 9 and *$
Co$ponente
(#pico
Ran'o
)a8
512
;5/532
=g8
>12
4/>32
9i83
;42
30/;02
Fl38;
>12
0/312
9ulfuro
>2
)o!posición de la escoria de pélets t"picas y calidades de s"nter
Escoria Pri$aria y Escoria -inal La escoria pri!aria se for!a durante el proceso de fusión de la carga antes de la solución de los co!ponentes de las cenizas del coque en la escoria$ La te!peratura de fase l"quida es !ucho !ás baja debido al alto contenido de e8$ l gráfico de abajo !uestra la influencia del contenido de e8 sobre la reducción en la te!peratura de fase l"quida de la escoria pri!aria$ F cerca de >311 ?)$
Escoria -inal e Interacciones entre la Escoria y el .etal La escoria final se for!a después de la reducción directa de e8 en la escoria pri!aria y de la disolución de 9i83 de la ceniza$ La te!peratura de fusión de la escoria final es de alrededor de >;11 ?)$ La for!ación de la escoria final se co!pleta en la zona de co!bustión$ La escoria final circula junto con el hierro fundido hacia el crisol$ Ootitas de hierro pasan a tra(és de la capa de escoria para for!ar la pileta de !etal fundido$ Durante este pasaje, la escoria reacciona con el !etal y o curre una transferencia de 9i, =n y 9 entre el !etal y la escoria, tendiendo a obtener el equilibrio$ La naturaleza, la co!posición y la cantidad de la escoria final en el crisol controlan la co!posición del arrabio y la producti(idad del alto horno$
Propiedades i$portantes de la escoria% >$
e!peratura de fusión %rango'W
3$
7asicidad de la escoriaW
;$
KiscosidadW
5$
)apacidad del sulfuro$
La te!peratura de fase l"quida del alto horno es de alrededor de >;11 ?), co!o se ilustra en el diagra!a de fase de 9i83/)a8/=g8 con >12 Fl38;$
Cin/tica de la Reducción del .ineral de Hierro La reducción del !ineral de hierro por los gases de carbono y de hidrógeno es un proceso !uy co!plicado$ *ara una !ejor co!prensión de los factores que influencian la reductibilidad de los !inerales, s"nters y pélets a continuación figura una (ista !uy si!plificada de las reacciones de control de la (elocidad$ n la !ayor"a de los casos, el !ineral de hierro se encuentra en la for!a de he!atita, y la reducción co!ienza de l a he!atita y procede en el siguiente orden: he!atita %e38;' V !agnetita %e;85' V &ustita %e8' V hierro !etálico %e'$
;e38; R )8 %A3' S 3e;85 R )83 %A38' e38; R )8 %A3' S ;e8 R )8 3 %A38'
e8 R )8 %A 3' S 3e R )8 3 %A38' *roceso de reducción: )o!enzando con una esfera densa de he!atita %si!ilar a los pélets', una reducción inicial con )8 o A3 produce una capa de hierro !etálico en contacto con la &ustita$ Aacia adentro desde la &ustita hay una capa de !agnetita que rodea el centro de l a he!atita$ al estructura en capas es t"pica del gas topoqu"!ico: relaciones sólidas en las que la interfase de reacción entre los reductores sólidos y los productos sólidos se !ue(e en for!a paralela a la superficie sólida original$
