Unidad 2 - Hornos Industriales

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Metalurgia Extractiva Unidad N° 2 “Hornos Industriales” Contenido Alto horno (Blast furnace) ........................................................................................................ 3 Generalidades ....................................................................................................................... 3 Descripción ........................................................................................................................... 5 Cuerpo del alto horno (1) .................................................................................................. 5 Playa de colado (2) ............................................................................................................ 5 Estufas Cowper (3) ............................................................................................................ 5 Circuito de gas de Alto Horno (4) ....................................................................................... 6 Soplantes (5) ..................................................................................................................... 7 Estructura del alto horno ...................................................................................................... 7 Funcionamiento .................................................................................................................... 7 Materias Primas .................................................................................................................. 10 Fundentes ....................................................................................................................... 10 Coque ............................................................................................................................. 10 Mineral de hierro-Pellets-Sinter ...................................................................................... 12 Mineral de manganeso .................................................................................................... 13 Síntesis gráfica .................................................................................................................... 13 Convertidores......................................................................................................................... 15 Convertidor Bessemer – Thomas .................................................................................... 15 Horno Siemens-Martin (Open heart furnace) .................................................................. 16 Convertidor LD (Basic Oxygen Steel Making) ................................................................... 17 Hornos Eléctricos.................................................................................................................... 18 Clasificación ........................................................................................................................ 18 Hornos eléctricos de resistencia ......................................................................................... 18 Hornos eléctricos de resistencia de calentamiento directo .............................................. 18 Hornos eléctricos de resistencia de calentamiento indirecto ........................................... 19 Hornos eléctricos de inducción ....................................................................................... 20 Hornos eléctricos de arco ............................................................................................... 23 Industrias mineras de base metálica - 2010

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Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Alumno: Cristian González Legajo N° 3149 Clasificación .................................................................................................................... 23 Principales componentes de la instalación....................................................................... 24 Ventajas de la utilización de hornos eléctricos .................................................................... 29 Materiales Refractarios .......................................................................................................... 29 Introducción ....................................................................................................................... 29 Clasificación ........................................................................................................................ 30 Propiedades químicas y físicas de los materiales refractarios y breves explicaciones sobre métodos de control............................................................................................................. 30 Uso de los materiales refractarios en los distintos hornos ................................................... 31 Alto horno ....................................................................................................................... 31 Convertidor LD ................................................................................................................ 33 Horno eléctrico ............................................................................................................... 34 Bibliografía ............................................................................................................................. 36

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En la unidad anterior se mencionaron algunos hornos industriales utilizados en las operaciones de secado, calcinación y tostación principalmente, por lo que no se hará demasiado hincapié aquí en ellos. Nos centraremos en los restantes de mayor importancia en la industria metalúrgica.

Alto horno (Blast furnace) Se describió vagamente en la unidad anterior, lo cual sirve como introducción. Aquí se entrará en mayor detalle.

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: Industrias mineras de base metálica - 2010

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Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Alumno: Cristian González Legajo N° 3149 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 siguiente uno puede verse un esquema simplificado del alto horno y sus instalaciones complementarias.

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Descripción 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. Playa 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 pre moldeados 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 escorieras 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. 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 5000 m3 de volumen y hasta 11.000 t/día de producción de arrabio. Industrias mineras de base metálica - 2010

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Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Alumno: Cristian González Legajo N° 3149 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); 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. 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. 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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Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Alumno: Cristian González Legajo N° 3149 Soplantes (5) Son 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.

Estructura del alto horno La figura siguiente muestra las partes principales del alto horno. Ellas son: • Tragante • Cuba • Vientre • Etalaje • Crisol Se llama tragante a la zona por donde se cargan las materias primas. Se llama cuba al cono truncado superior. Vientre es la parte más ancha, donde se empalman los conos superior e inferior. Etalaje es el tronco de cono inferior. Crisol es la parte cilíndrica inferior donde se reúnen escoria y arrabio para separarse por densidad.

Funcionamiento Se carga por el tragante el mineral o sus aglomerados, el fundente y el coque. El aire caliente ingresa a presión por las toberas de la parte inferior. Actualmente, con miras a reducir el gasto de coque, en esa misma zona de toberas se realiza la inyección de gas natural o fuel oil. Estos últimos sirven también para una mejor regulación de temperaturas en el horno.

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Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Alumno: Cristian González Legajo N° 3149 Durante el proceso se acumulan en el crisol en estado líquido, el arrabio y la escoria, que flota sobre él por su menor densidad: 2,7 contra 7,8 kg/ dm3. Por el tragante, escapan los gases que arrastran consigo una cantidad de polvo entre 10 y 50 g/m3, que hay que recuperar para poder utilizar los gases como combustible en otras instalaciones. Para sacar la fundición se pincha el horno perforando la piquera de colada cada más o menos 3 h. Por tanto se sacan 6 a 10 coladas /día que salen a 1.400 ºC y luego se vuelve a tapar el agujero con pasta refractaria. La escoria se extrae cada 2 – 2,5 horas y sale a 1.450 ºC (50 +). La piquera por la que se extrae está más arriba. Los mayores hornos cuentan hasta 4 piqueras para cada cosa. La fundición pasa luego a los convertidores. En estado líquido se carga en los torpedos para su transporte a la acería (lógicamente cuando están en el mismo complejo). Los pesos de las materias primas y productos obtenidos varían mucho de un caso a otro, dependen de la instalación, el mineral, el coque, sistemas de carga, granulometría, etc. Como concepto importa destacar que en 1ª instancia, la reacción entre el oxígeno del aire y el carbono del coque es: ‫ ܥ‬+ ܱଶ → ‫ܱܥ‬ଶ Luego ante la insuficiencia del aire: ‫ ܥ‬+ ‫ܱܥ‬ଶ → 2‫ܱܥ‬ Prácticamente 2/3 del CO2 original se convierte en CO, el resto queda como tal. El CO es el responsable de la reducción de los óxidos y como se genera en exceso a la salida hay una cantidad disponible que sirve como combustible gaseoso para la fábrica o poblado cercano, porque pro-duce la siguiente reacción exotérmica. 2‫ ܱܥ‬+ ܱଶ → 2‫ܱܥ‬ଶ + ݈ܿܽ‫ݎ݋‬ La figura, presenta un balance de masa (entrada versus salidas) con valores típicos, no se ha valorizado el polvillo, que está más o menos en 100kg. Nótese la magnitud de la masa de aire y gases, frente al resto de las cargas.

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Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Alumno: Cristian González Legajo N° 3149 Las temperaturas más importantes, en sentido descendente son: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

Precalentamiento y secado de las cargas (200ºC) Reducción indirecta del mineral de hierro ( 500 – 1.000ºC) Descomposición de carbonatos de hierro( si hubiera) (600ºC) Descomposición de las calizas (800ºC) Reducción directa de los óxidos de hierro (1.050 – 1.350ºC) Carburación del hierro (1.200ºC) Formación y fusión de escorias (1.000 – 1.350ºC) Reducción de óxidos de Mn y P (1.350ºC) Combustión del coque (1.500 – 2.000ºC) Separación de la fundición y la escoria en el crisol (1.400 – 1.500ºC)

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Materias Primas El alto horno se carga básicamente con mineral de hierro y coque, a estos deben adicionárseles los fundentes. Fundentes Estos son materiales destinados a: 1) Reducir la temperatura de fusión de la ganga del mineral de hierro o de los aglomerados (sinter y pellets). 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. Coque 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.

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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 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) 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: 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: 1) 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, que favorece la rapidez de las reacciones que se deben de producir en los altos hornos. 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.

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Mineral de hierro-Pellets-Sinter El mineral de hierro se puede cargar al horno en diferentes formas: mineral propiamente dicho, pellets y/o sinter. Si el mineral contiene más 50% de Fe se introduce en partículas de 0,5 a 1.5”. En cambio, si contiene menos del 50% se producen pellets (