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ALTO HORNO

10.2.1 Generalidades

Es el horno destinado dentro de la siderurgia a realizar la primera transformación de los minerales de hierro hacia su forma de productos semielaborados de acero, que luego serán manufacturados por la industria metalmecánica para darle sus múltiples y diferentes acabados para ser utilizados por el hombre. Se trata del primer eslabón del proceso tradicional (reducción indirecta) que elabora el acero por la vía de materiales líquidos fundidos.

Es un horno de cuba, a combustión y continuo, que funciona en contracorriente entre la carga sólidos que desciende y el gas reductor que asciende.

El horno se carga con materiales sólidos:a) Carga metálica (aportante de hierro), que está constituida por una mezcla de minerales de hierro calibrados, sinter y pellets, en proporciones variables según las condiciones técnico-económicas de la operación en cada planta.b) Coque, que actúa como combustible, generador del gas reductor (CO) y sostén de carga.c) Fundente, cuya función es reaccionar con la ganga para eliminarlas en forma de escoria.

Usualmente es caliza ya que la ganga es de características ácidas.También por las toberas se inyecta aire caliente para producir la combustión del coque.Los productos obtenidos son líquidos:

a) Arrabio o hierro de primera fusión (material con elevado tenor de carbono).b) Escoria, de menor densidad que el arrabio, que sobrenada a este último.En la Figura N° 1 uno puede verse un esquema simplificado del alto horno y sus instalaciones complementarias.

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10.2.2 Descripción10.2.2.1 Cuerpo del Alto Horno (1)Construido en chapas de acero recubierto en su interior por ladrillos refractarios, esencialmente consiste en dos troncos de cono unidos por su base mayor, constituyendo la cuba, etalaje y vientre, más un sector inferior cilíndrico, el crisol, en el cual se acumula el arrabio y la escoria hasta su colado secuencial (aproximadamente cada hora). En los grandes altos hornos el colado se realiza casi continuamente pues tienen varias piqueras y pasados 10-15 minutos después de cerrar una piquera se abre la otra.10.2.2.2 Plataforma de Colado (2)Esta es una superficie que se construye unos metros elevada por sobre el terreno, a nivel de las piqueras de colado del horno, y es la que permite el laboreo frente a las piqueras, tanto el taponamiento de las mismas como su perforado en el momento del colado; además tiene premoldeados los canales por donde corre el arrabio hacia los carros torpedos durante la sangría del horno y otros por lo que corre la escoria que saliendo de las escorias es llevado a través de estos canales hacia una gran pileta con agua en donde se produce su granulado. Este proceso se realiza con la escoria para que luego pueda ser usado en la fabricación del cemento, otorgando así un mayor valor a este subproducto.

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10.2.2.3 Estufas Cowper (3)Son los elementos destinados a precalentar el aire que se insufla por las toberas del horno hasta una temperatura de alrededor de 1200°C -1300°C. Son grandes cuerpos cilíndricos cerrados en forma de cúpula esférica en su parte superior, construidos de chapas de acero de hasta 30 mm de espesor. Sus medidas son de hasta 11m de diámetro por 50 a 55m de altura, para los grandes altos hornos de 5000m3 de volumen y hasta 11.000 t/día de producción de arrabio.

En su interior, una estructura de ladrillos refractarios en forma especial, ahuecados, con celdas de 45 x 45mm y paredes interceldas de 40 mm, ocupa el 80% de la superficie transversal de la estufa y su misión es acumular el calor que le ceden los gases de combustión que se queman en un quemador en la cámara de combustión que ocupa el 20% de la superficie restante. Este quemador funciona con gas de alto horno (luego se explica el origen y el circuito de este gas) que al quemarse origina gases de combustión a alta temperatura que asciende por la chimenea y luego desciende por entre la estructura de ladrillos refractarios, que a tal efecto tiene una tobera central que beneficia el movimiento descendente de esto gases calientes entregando estos su calor y saliendo finalmente por los conductos a una chimenea externa. Cuando se alcanza una temperatura estipulada se hace ingresar aire frío a través del conducto impulsado por los soplantes (número 5 en la Figura N°1); este aire asciende a través de la estructura tobera caliente, toma su calor y desciende por la chimenea hasta un conducto que los dirige a las toberas de inyección del alto horno. Durante este ciclo se habrá cerrado, desde luego el conducto (4) del quemador y los conductos (6) de salidas de gases. El calentamiento de la estufa Cowper dura dos veces más que el calentamiento del aire. Por ello para el suministro continuo de aire al horno debe haber no menos de 3 estufas de aire. Muchas veces se instalan 4 con una en reserva o siete para dos hornos. Como a medida que el aire se va calentando, se van enfriando los refractarios de las estufas que les están cediendo calor, lo que se hace es aprovechar el calentamiento hasta un valor superior al requerido para el normal funcionamiento del horno y luego se lo mezcla con aire frío antes de su inyección al horno; cuando este valor de operación ya no es alcanzado se pasa a otra estufa que se encontraba en ciclo de calentamiento del refractario (Figura N° 2)

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10.2.2.4 Circuito de gas de Alto Horno (4)Los gases calientes que se colectan en el tope del alto horno, tienen un poder energético remanente importante, ya que durante la reducción y fusión del mineral de hierro no es posible, que realicen una combinación físico-química de rendimiento perfecto, como ocurre en todo proceso real.

Así, estos gases que arrastran un contenido de polvos y partículas deben seguir un circuito de purificación que se esquematiza con el N°4 en la Figura N° 1. Estos gases luego alimentarán a diversos sectores de la planta: como antes se dijo, a las estufas Cowper y a la coquería principalmente, y los sólidos irán a la planta de sinterizado.

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10.2.3 SoplantesSon los encargados de impulsar el aire a través de que las estufas. El volumen específico requerido por un alto horno moderno alcanza a 2,4 m3 /min por cada m3 de volumen del horno. De tal manera para aún al torno de 5.000 m3 de volumen se requiere suministrar 12.000 m3/min de aire.

En una planta siderúrgica se cuenta con una planta especial de soplantes para el alto horno. Esta está constituida por máquinas centrífugas turbosoplantes, accionadas por turbinas de gas o turbinas de vapor, y son de varias etapas, con velocidades de rotación del orden de 3.000 rpm. Una máquina puede suministrar hasta 7.000 m3 /min con una sobrepresión de 0,45Mpa.

10.2.4 Materias PrimasEl alto horno se carga básicamente con mineral de hierro y coque, a estos deben adicionárseles e los fundentes.

10.2.4.1 FundentesEstos son materiales destinados a:1) Reducir la temperatura de fusión de la ganga del mineral de hierro o de los aglomerados, el sinter y pelets).2) Reducir la temperatura de fusión de las cenizas del coque.3) Facilitar la creación de una escoria fusible y fluida que pueda ser evacuada fácilmente del horno.

La composición química del fundente se determina en función de la composición de la ganga y de la ceniza del combustible. Si en la ganga y la ceniza hay demasiada sílice, o sea, componente ácido y la ceniza tiene impurezas de azufre, en el horno se introduce un fundente básico. Si en la ganga del mineral hay óxidos de calcio y magnesio, se debe agregar un fundente ácido, con sílice; se emplean las cuarcitas.

El fundente más utilizado para la fabricación de arrabio en alto horno es la caliza, cuyo componente principal es el CaCO3; al calentarse se descompone generando cal y gas carbónico. El tamaño de los trozos de caliza deberá estar comprendido entre los 25 y los 60mm, ser resistente, no generar finos y no contener impurezas nocivas como azufre, fósforo y sílice.

10.2.4.2 Coque

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El coque es el resultado de la destilación, por calcinación a alta temperatura y en ausencia de aire de una mezcla seleccionada y finalmente dividida de carbones minerales (básicamente hullas de alto, medio y bajo volátil). Durante esta calcinación se elimina buena parte de los volátiles y se obtiene un sinterizado, poroso, de alta resistencia mecánica principalmente a la compresión.

La planta de coquización está ubicada dentro de la planta integrada y consiste en una batería de hasta 80 hornos unitarios, en forma de celdas de 0,5m de ancho, 5m de alto y 16m de largo (Figura N° 3).

En estas celdas se coloca la mezcla de carbones a coquizar y al cabo de 15 horas, se produce el deshornado del material que incandescente, es transportado sobre un vagón especial que luego es llevado debajo de una torre de enfriamiento que produce su apagado por lluvia de agua, obteniendo así el coque en trozos sinterizados. Este apagado en algunas plantas modernas suele hacerse mediante nitrógeno, o sea un apagado en seco, que permite una mejor calidad del coque y acumular su calor para producir vapor y energía eléctrica.

Los gases que provienen de los hornos de coquización se colectan en su parte superior a través del conducto (barrilete en la Figura N° 3) y luego se los aprovecha para obtener de ellos en plantas auxiliares, alquitrán, nitrato de amonio y ácido sulfúrico.

El coque obtenido se encuentra entre tamaños: <15mm, de 15 a 25mm y > 25mm. Esta última fracción es la que tiene uso metalúrgico y por lo tanto antes de la entrada al alto horno se criba el coque para seleccionar este tamaño adecuado.

Las características más importantes que normalmente posee el coque, son las siguientes:l) Gran resistencia a la compresión, que es necesaria para poder soportar, sin romperse, el peso de los materiales que se cargan en el alto horno. Su resistencia a la compresión a la temperatura ambiente es siempre superior a 100 Kg. /cm2.2) Gran porosidad debida a su gran superficie por unidad de peso. EI coque se caracteriza por una gran reactividad debida a su típica estructura celular, que permite una fácil penetración de los gases hacia el interior del coque, 10 que favorece la rapidez de las reacciones que se deben de producir en los altos hornos.

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3) Gran resistencia a la abrasión y al desgaste para poder soportar el rozamiento que debe sufrir el coque contra las paredes y contra otras materias que se introducen en el horno, sin que se rompa a se forme polvo de coque.

En la parte superior de las cámaras hay unos dispositivos para la carga del carbón, y hay también unos conductos de salida para el escape de los gases que se producen en la destilación. Todo el calentamiento de la masa carbonosa se realiza a través de las paredes laterales del horno, construidas con delgados ladrillos refractarios.

El calentamiento se hace en forma adecuada, para que la hulla en las cámaras de destilación llegue a alcanzar, fuera del contacto del aire, temperaturas variables de 900 a 1.250°C necesarias para su coquización. Para obtener esas altas temperaturas en el interior de las cámaras de destilación, es necesario a1canzar, en las canales de calentamiento, temperaturas variables de 1.100 a 1.400°C.

EI calentamiento se realiza quemando en los conductos de calentamiento, dispuestos entre las paredes de las cámaras de coquización, un combustible gaseoso. Este puede ser el mismo que se desprende en la coquización o puede también utilizarse una mezcla de este gas de batería con otros combustibles gaseosos como el gas de alto horno, por ejemplo. La duración de la coquización suele variar de 16 a 24 horas.EI tamaño de los trozos de carbón que se introducen en las cámaras para fabricar el coque, suele ser menor de 3 mm. Esto exige una cuidadosa trituración, molido y clasificación del carbón. Su humedad suele ser 5 % aproximadamente.

Para que la superficie de calentamiento del carbón (hulla) sea suficiente y adecuada, las cámaras de destilación deben ser muy alargadas y estrechas. EI calentamiento se hace por media de mecheros con entrada de gas y de aire, que se sitúan en la parte inferior de las cámaras o canales de calentamiento, empleándose de 20 a 30 mecheros para calentar cada cámara de coquización.

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Figura N° 3. Estufa de Coque

Las baterías de coque están constituidas principalmente por cámaras de coquización, que se construyen con ladrillos de sílice (SiO, > 95 %), y debajo de ellas están situadas las cámaras de regeneración de calor, que se construyen con ladrillos sílico aluminosos con Al2O3 = 43 % aproximadamente. Los

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regeneradores son atravesados o calentados por los humos producidos en la combustión del gas, en los conductos, canales o cámaras de calentamiento de las cámaras de coquización, y sirven para calentar el aire que se emplea luego en la combustión (Figura N°4).

Trabajan alternativamente. Durante un período los regeneradores están calentándose, al ser atravesadas par los humos calientes que escapan de la combustión del gas que se quema en los canales de calentamiento y, en otro periodo, los regeneradores ceden su calor al aire utilizado en la combustión.

Con el empleo de las cámaras de regeneración de calor. Se consigue que el aire, llegue a la combustión muy caliente, Así se alcanzan fácilmente temperaturas muy elevadas y se mejora el rendimiento térmico de la instalación, aprovechando el calor de los humos que escapan a 1000ºC aproximadamente, y que de otra forma se perdería. EI calentamiento de las cámaras de regeneración como se ha indicado antes, es alternativo. En un momento determinado, la mitad de las cámaras están calentándose y la otra mitad de las cámaras calientan el aire. Luego se invierte la circulación del aire y de los humos, y las primeras cámaras calientan el aire y en las últimas se calienta el refractario.

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Figura N°4. Circuitos de calentamiento de una batería de coque calentada con gas de coque

EI trabajo en los hornos es intermitente y consta de las siguientes fases:1. Carga de la cámara can hulla de calidad y tamaño adecuado.2. Calentamiento, coquización y desprendimiento de gases3. Apertura de las puertas, y expulsión y descarga del coque de los hornos al entrar en la cámara el brazo empujador.La Figura N°4 muestra un esquema de una batería de coque con sus subproductos a partir de una entrada de 1000 Kg de carbón (hulla) y 750 Kg de coque como producto final.

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Figura N°5. Esquema general de una batería de coque y fabricación de subproductos

10.2.4.3 Mineral de Hierro-Pelets-Sinter:En capítulos anteriores ya se ha tratado sobre la preparación del mineral de hierro y la fabricación de pelets y sinter que constituyen la carga metálica para los altos hornos. Aquí recordaremos algunas de las características principales con los valores deseables para una buena marcha del alto horno.

10.2.4.4 Mineral de ManganesoEste se agrega a la carga del alto horno sólo si se han decidido una marcha del horno a alta temperatura para producir la desulfuración dentro del mismo horno, pero ello lleva aparejado un mayor consumo de coque. Entonces muchas plantas optan por desulfurar el arrabio fuera del horno, agregándole soda cáustica (Na2CO3).

10.2.5 Reacciones Principales en el Alto HornoDentro del alto horno se denomina reducción indirecta a aquella que se realiza por los gases y reducción directa a la que ocurre por contacto "directo" con el carbono proveniente del coque.

A nivel de toberas se produce la combustión del coque:C + O2 = CO2

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CO2 + C = 2CO

Las ecuaciones que gobiernan la reducción de los óxidos de hierro son las siguientes:a) Por sobre los 570 °C y con CO:

3 Fe2O3 + CO = 2 Fe3O4 + CO2 (-53740 joule)Fe3O4 + CO = 3 FeO + CO2 (+36680 joule)FeO + CO = Fe + CO2 (-16060 joule)

El signo menos implica desprendimientos de calor, el signo más significa absorción de calor.

b) En el nivel del vientre del horno e incluso algo más arriba se producen simultáneamente las reacciones:

FeO + CO = Fe + CO2CO2 + C = 2 CO

A una temperatura superior a 900 °C todo el CO2 producido en la reacción del FeO reacciona con el carbono sólido y vuelve a convertirse en monóxido de carbono.

Como ambos procesos transcurren simultáneamente es posible representarlos en forma de reacción sumaria, la cual se llama reacción de reducción directa.

FeO + CO = Fe + CO2CO2 + C = 2 CO

c) Otras reacciones que ocurren del alto horno cuando se inyecta gas natural en las toberas, para disminuir el consumo de coque son:

3 Fe2O3 + H2 = 2 Fe3O4 + H2O (- 12890 joule)Fe3O4 + H2 = 3FeO + H2O (77540 joule)FeO + H2 = Fe + H2O (+24790 joule)

10.2.6 Consumos Específicos, Controles de Operación y Producción

10.2.6.1 Composición típica de un arrabio para acería:· C: 4 - 4,5%· Si: 0,5 - 1,2%

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· Mn: 0,2 – 1,2%· P: 0,15 – 0,2%· S: 0,02 – 0,07%· Fe: El resto.

10.2.6.2 Consumo de CoqueActualmente el consumo de coque por tonelada de arrabio producido esta en el orden de los 400 - 450 kg.; esto es posible al insuflar 150 m3/t de gas natural y con contenidos de oxígeno en el viento del 32% (170 m3/t).

10.2.6.3 Controles de OperaciónLos modernos altos hornos funcionan con un alto grado de automatización. Los controles son más eficientes desde las experiencias de apagados de hornos en marcha y su posterior corte (disección) que permitió observar las distintas zonas de elaboración del horno como en cámara detenida. Así se ha logrado determinar para cada alto horno su sistema, que sólo nombraremos, que se denomina Recta Operatoria. Ésta se construye con los balances térmicos y químicos del alto horno, a través de las distintas reacciones y el tenerla graficada permite observar en cuanto se aparta el funcionamiento del horno de su patrón ideal.

Ejemplo: Los altos hornos en Argentina

SIDERAR: el centro siderúrgico de General Savio (Ramallo) ex Somisa, a través de un plan de inversiones logró modernizar el equipamiento para el control del proceso, de accidentes y eliminando cuellos de botella e ineficiencias que impedían a los procesos posteriores obtener una mayor producción.

El proceso de obtención en la plantas está formado por la planta de Sinter, la coquería, dos altos hornos y la acería al oxígeno.

En la coquería, de 4 baterías con un total de 169 hornos de coquización, se elabora coque mediante destilación de carbón en ausencia de aire.

En los altos hornos, partiendo de mineral del hierro, coque y sinter se obtiene arrabio líquido, el cual fluye por canales de colada y se transporta en vagones termo hacia la acería, en la cual por medio de 3 convertidores que se cargan con arrabio líquido y chatarra, se

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obtiene el acero después de un proceso de oxidación. Este acero es volcado en la cuchara para luego obtener los productos requeridos.

En el año 1999 se despacharon 2.131.490 toneladas de acero.Los altos hornos a coque tienen las siguientes características:

Alto Horno 1:Volumen: 1572 m3Diámetro del crisol: 8,80mCantidad de toberas: 20Cantidad de piqueras: 2Cantidad de escoriaderos: 2Caudal de viento: 2820m3/min (2 turbosopladores c/u de 11270 hp)Temperatura del viento: 950 °CSistema de carga: alimentación por medio de skip.Purificación de gas: carga de polvo (ciclones) y sistema de venturis (lavador)Capacidad de producción: 2300 t/dia un - 840.000 t/añoDiseño: McKeePuesta en marcha: año 1960 con el nombre de somisaAlto Horno 2:Volumen: 2247 m3Diámetro de Crisol: 9,75mCantidad de Toberas: 27Cantidad de Piqueras: 2Cantidad de Escoriaderos: 1Número de Estufas: 3Caudal de Viento Soplado: 3500m3/ min (2 turbosopladores) c/u 23900 HP)Temperatura del viento: 1150 °CSistema de Carga: Alimentación por medio de SkipPurificación de Gas: Trampa de Polvo y sistema de venturisCapacidad de Producción: 3630 t/dia - 1.32500 t/añoDiseño McKee- Head WrightsonPuesta en Marcha: Año 1974 con el nombre de Somisa

Producción Anual de aceros en desbastes (en miles de toneladas):

Producción Anual de Arrabio (en miles de toneladas)

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BIBLIOGRAFÍAFabricación de hierro, aceros y fundiciones de J. Apraiz BarreiroCurso de Siderurgia; Tomos 1 y 2 G. S. Wealkens - I. Algarre (Ribara)Hornos Industriales - Nicolas P. Waganoff (Ed. Librería Mitre)