Tecnologías para mejorar el rendimiento operativo de los altos hornos

Tecnologías para mejorar el rendimiento operativo de los altos hornos

Un alto horno (BF) es una inversión de futuro. Por lo tanto, es necesario que exista un dimensionamiento adecuado de todos los equipos, sistemas y componentes, así como la incorporación de tecnologías que aseguren la producción y calidad deseadas para que se logre un mejor desempeño del alto horno. Esto es particularmente cierto cuando el alto horno se destina a reparaciones de capital. Durante las reparaciones de capital, la incorporación de tecnologías para mejorar el rendimiento operativo del alto horno también satisface las nuevas demandas impuestas sobre el rendimiento del alto horno, la seguridad del personal, los requisitos de mantenimiento más bajos y el cumplimiento ambiental.

Un desafío clave para los operadores de altos hornos siempre ha sido asegurar un suministro continuo y confiable de metal caliente para el taller de fundición de acero con una calidad uniforme y al menor costo posible. Cualquier interrupción en la producción de metal caliente puede dar lugar a posibles paradas en las instalaciones de producción y procesamiento aguas abajo. El tiempo de inactividad debe reducirse al mínimo, mientras que la vida útil de la campaña del alto horno debe prolongarse tanto como sea posible. Deben evitarse las fluctuaciones en los parámetros operativos del alto horno para lograr una calidad uniforme del metal caliente, lo que solo es posible mediante la aplicación de tecnologías adecuadas, así como soluciones sofisticadas de automatización y control de procesos.

Hay varias tecnologías (Fig. 1), que cuando se adoptan mejoran en gran medida el rendimiento operativo del alto horno y aumentan su eficiencia tanto con respecto a la productividad como al consumo de combustible. Esto da como resultado una tasa de producción de metal caliente mejorada por unidad de volumen de alto horno y un consumo reducido de coque BF. Algunas de las principales tecnologías se describen a continuación.

Fig. 1 Tecnologías para mejorar el rendimiento operativo de BF

Aumento del volumen interno del horno

Mediante el uso de tecnologías avanzadas para el revestimiento refractario del horno y el enfriamiento del horno, es posible reducir el grosor del revestimiento del horno durante las reparaciones principales del horno y, al mismo tiempo, aumentar la vida útil del horno. La reducción del grosor del revestimiento da como resultado un aumento del volumen interno del alto horno, lo que da como resultado un aumento de la capacidad de producción del horno. Esto también proporciona un perfil de temperatura del horno consistente a lo largo de la campaña del horno. Los refractarios mejorados utilizados para el revestimiento refractario del horno incluyen refractarios de alúmina resistentes a la erosión en la pila superior, refractarios de carburo de silicio en la parte inferior y inferior, y paredes de hogar de carbón resistentes a la erosión con almohadilla de cerámica. Para el enfriamiento del horno, se usan duelas de cobre en zonas de alto flujo de calor, mientras que duelas de hierro fundido se usan en otras zonas. Las duelas de hierro fundido normalmente tienen refrigeración independiente.

Calidad de la carga ferrosa

Para garantizar un alto horno permeable, esencial para una operación estable, es importante que la carga ferrosa sea fuerte, de tamaño reducido y tamizada de manera eficiente para eliminar los finos. No debe desintegrarse excesivamente en la pila, lo que genera finos adicionales. Debe ser lo suficientemente poroso, reducible y de un tamaño apropiado para permitir que el material se reduzca adecuadamente cuando llegue a la zona de reblandecimiento. De esta forma la zona cohesiva es menos restrictiva, con menos escoria rica en FeO, y la carga térmica en las zonas bajas del horno es menor, favoreciendo el buen funcionamiento. Deben cumplirse los requisitos sobre las propiedades físicas y metalúrgicas del sinterizado, el mineral en trozos calibrado y/o los gránulos para una operación eficiente. Las propiedades de ablandamiento y fusión de los componentes ferrosos tienen un efecto importante en el funcionamiento de los altos hornos. Las restricciones en la zona cohesiva y las malas características de fusión pueden provocar un descenso errático de la carga, un funcionamiento inestable y fluctuaciones térmicas.

Un aspecto importante a considerar cuando se seleccionan componentes de carga individuales son sus características de ablandamiento y fusión. La mayor parte de la caída de presión a través de un alto horno se encuentra en la región donde la carga ferrosa se está ablandando, derritiendo y goteando por el lecho de coque a través del cual ascienden los gases. Un amplio rango de fusión y ablandamiento da como resultado una mayor caída de presión y una gran raíz de zona cohesiva que incide en el ladrillo del eje inferior.

Calidad de la coca

Para un funcionamiento estable de los altos hornos con productividades razonables, es esencial un coque de buena calidad. Es una de las razones citadas con más frecuencia para un mal período de funcionamiento. El coque debe ser fuerte y estabilizado para soportar el peso de la carga con una mínima avería mecánica. Debe ser lo suficientemente grande y de tamaño compacto, con un mínimo de finos, para crear un lecho permeable a través del cual los líquidos puedan gotear hacia el hogar sin restringir los gases ascendentes. Se requiere un tamaño consistente para evitar variaciones no deseadas en la permeabilidad y para apoyar el concepto de variar el espesor de la capa de coque a lo largo del radio del horno para controlar el flujo de gas radial. El coque debe ser suficientemente no reactivo a la pérdida de solución (índice de reactividad del coque, CRI, valor normal del 20 % al 23 %), conservar su resistencia en tales condiciones (resistencia del coque después de la reacción, CSR, valor normal del 65 % al 68 %) y ser bajo en álcalis para minimizar la gasificación alcalina en la pista de rodadura, que tiene un efecto nocivo en la descomposición del coque. También se necesita un bajo contenido de azufre para minimizar el azufre metálico caliente. Las variaciones del contenido de carbono y la humedad del coque deben controlarse para minimizar su efecto sobre el estado térmico del proceso.

El coque en el centro del horno reemplaza gradualmente al hombre muerto y al coque en el hogar, que debe permanecer permeable para permitir que los líquidos drenen por el centro del hogar. Esto evita un flujo periférico excesivo de metal caliente en el hogar. Generalmente se observa un aumento en las temperaturas del centro de la plataforma del hogar con un aumento en el tamaño del coque del hombre muerto, lo que indica una mayor actividad en el centro del hogar. El tamaño de apertura de las pantallas de coque es un parámetro importante para mantener la permeabilidad del hogar. Por lo general, es beneficioso aumentar el tamaño de la pantalla y cargar el coque pequeño adicional que surge, mezclado con la carga ferrosa, lejos de la línea central del horno.

El objetivo de especificar coque de alta calidad es garantizar que el coque grande llegue a las regiones inferiores del horno. Para monitorear este objetivo a largo plazo, es recomendable tomar muestras de coque ocasionalmente desde el nivel de la tobera para evaluar la descomposición del coque a través del horno. Esto generalmente se lleva a cabo durante el mantenimiento planificado, a menudo junto con cambios de tobera. Se extrae una gran muestra de coque de una abertura de tobera y se comparan sus propiedades con una muestra del coque de alimentación correspondiente.

Para minimizar las variaciones térmicas y químicas, es deseable una carga homogénea. Los componentes de la carga deben estar tan íntimamente mezclados como sea posible. Esto depende de la cantidad de componentes de la carga y del sistema de carga individual, pero generalmente se puede lograr en un grado razonable mediante la selección de depósitos de almacenamiento y la secuencia de descarga del material.

Carga de coque de nuez

Un sistema de carga flexible permite el uso de coque de nuez. El tamaño del coque de nuez disponible para la carga depende del tamaño y la eficiencia de las pantallas de coque de alto horno en la unidad de clasificación de coque de las baterías del horno de coque, pero normalmente está en el rango de 10 mm a 25 mm. La carga de coque de nuez mezclado con el material ferroso y colocado a lo largo del radio medio mejora la operación al mejorar la eficiencia de reducción y la permeabilidad de la capa de mineral en la zona cohesiva. La carga de coque de nuez también reduce las temperaturas del vientre. El coque de nuez también se carga en la pared, intercalado entre las dos cargas de mineral para evitar una región de pared inactiva cuando el mineral fino se carga en la pared.

Distribución de la carga

La distribución de la carga es uno de los principales factores que no solo afectan la estabilidad de la operación sino que, al determinar el flujo radial de gas en el horno, es uno de los principales factores que controlan la tasa de desgaste de las paredes del horno. Como medio para obtener un mejor control de la distribución de la carga en la chimenea del alto horno y, por lo tanto, mejorar el contacto gas-sólido y la eficiencia del combustible, se han utilizado varios desarrollos nuevos en los últimos años. Los dos tipos de sistema de distribución que permiten un control suficiente para una alta productividad son la parte superior sin campana que usa un conducto giratorio inclinable y un sistema de carga de campana con armadura de garganta móvil.

Principalmente, el flujo de gas radial está controlado por la proporción de carga ferrosa con respecto al coque, ya que el coque generalmente tiene un tamaño mucho mayor. Esto se logra más fácilmente cargando el material en capas discretas y variando el grosor de la capa a lo largo del radio del horno. Por lo tanto, la protección de las paredes del horno se logra aumentando la proporción de la capa de mineral en la pared, lo que da como resultado una cantidad reducida de calor eliminado por el sistema de enfriamiento de la pared. Sin embargo, existe un límite en la proporción de material ferroso cerca de la pared del horno; de lo contrario, se forma una capa inactiva, lo que puede fomentar la formación de acreciones en la pared y permitir que la carga no preparada ingrese a las regiones inferiores del horno y aumente las fallas de la tobera. La proporción de coque en el centro del horno debe ser suficiente para permitir un funcionamiento estable del horno al nivel de producción deseado. Una gran proporción de coque crea una región relativamente permeable con menos líquidos descendentes, lo que permite el uso del máximo volumen de voladura sin grandes fluctuaciones en la presión de la voladura y un descenso errático de la carga.

El coque en el centro del horno reemplaza al coque en el hogar y un centro permeable rico en coque fomenta un hogar permeable, que relaciona el flujo de líquido a través del hogar. Sin embargo, la chimenea central de coque no debe ser innecesariamente ancha, ya que de lo contrario se producirá una ineficiencia y se pueden producir daños en ciertas partes de la parte superior del horno debido a la capacidad calorífica excesivamente alta del gas ascendente.

Carga de materiales de tamaño dividido

Los sistemas de distribución más sofisticados permiten un control adicional de la distribución de la carga al utilizar más de un rango de tamaño de un material determinado. Una de las prácticas más utilizadas es la carga de materiales ferrosos finos, a menudo a partir de cribas de la carga ferrosa principal. Los finos se cargan por separado en pequeñas cantidades cerca de la pared del horno, para lograr una reducción localizada de la permeabilidad y proteger así las paredes. La carga de un pequeño lote separado de material más fino normalmente reduce la capacidad de carga del horno. La carga de lotes pequeños con una campana y un sistema de armadura de garganta móvil provoca menos demoras que con una parte superior sin campana debido al tiempo de descarga reducido. Puede ser posible cargar pequeñas cantidades de materiales más finos en la pared del horno cargándolos primero en la tolva superior o en la tolva de campana grande y usando el ángulo de rampa inicial correspondiente o la configuración de armadura de garganta móvil. Sin embargo, la cantidad está limitada por las características de descarga de la tolva a la que pasará a través de la tolva sin mezclarse con el resto de la carga. También existe un beneficio económico al utilizar esos finos ferrosos directamente en lugar de devolverlos para volverlos a sinterizar. De manera similar, la carga ferrosa se puede dividir en tamaños grandes y pequeños que luego se cargan en diferentes partes del radio del horno para controlar la permeabilidad radial.

Funcionamiento a alta presión

Uno de los factores limitantes al intentar aumentar la velocidad del volumen de voladura en el alto horno es el efecto de elevación que provocan los grandes volúmenes de gases que soplan hacia arriba a través de la carga. Este efecto de elevación (el caudal másico) evita que la carga descienda normalmente y provoca una pérdida en lugar de un aumento en la producción. Para aumentar las tasas de producción por encima de lo normal, el alto horno está equipado con una válvula de septum en el sistema de gas superior para aumentar la presión del gas de salida. Este aumento de presión comprime los gases en todo el sistema y permite que se sople una mayor cantidad de aire. Con este aumento en la cantidad de aire soplado por minuto, hay un aumento correspondiente en la tasa de producción. Además, esto también suprime la formación de SiO, lo que reduce el contenido de silicio metálico caliente.

Cuando se aumenta la presión del gas superior, la presión del chorro de aire de entrada también debe aumentar proporcionalmente. Además, si se aumenta la presión superior, entonces es necesario usar un soplador más grande, capaz de entregar el mayor volumen de explosión a la presión más alta. La carcasa del horno, las carcasas de la estufa, el colector de polvo, la arandela primaria y las tuberías principales de gas también deben tener la integridad estructural para soportar el aumento de presión. La válvula reguladora que se usa para aumentar la presión máxima está ubicada más allá del lavador de gas principal, donde el efecto de chorro de arena del gas se ha reducido mediante la eliminación de una gran parte del polvo transportado por el gas del horno. La línea de agua de salida de la lavadora principal debe estar equipada con un regulador para que la presión del gas dentro de la lavadora no destruya el sello de agua. Se utiliza gas limpio o nitrógeno para igualar la presión en el equipo de carga del horno. Los hornos con presiones máximas de 2 -2,5 kg/cm2 funcionan con éxito. En algunos de estos hornos, se utilizan turbinas de recuperación de presión superior para recuperar parte de la energía de compresión y producir energía.

Temperatura de chorro caliente

La temperatura de chorro caliente mejora la eficiencia del combustible del alto horno y permite temperaturas de horno más altas, lo que aumenta la capacidad de los hornos. Las altas temperaturas de los altos hornos son esenciales para la operación eficiente de los altos hornos, ya que reducen sustancialmente el requerimiento de coque de horno y facilitan la inyección de combustibles auxiliares como el carbón pulverizado como reemplazo del coque de alto horno. El ahorro energético total posible mediante una combinación de técnicas es del orden de 0,12 millones de kcal/tonelada de metal caliente. Da como resultado costos operativos más bajos porque la proporción de coque se reduce en un 2,8 % por cada 100 °C de aumento en la temperatura de explosión cuando se mantiene entre 1000 °C y 1200 °C. Muchos hornos modernos funcionan a una temperatura de explosión caliente superior a 1300 °C. .

Enriquecimiento de oxígeno del chorro de aire caliente

El propósito del enriquecimiento de oxígeno en la explosión es controlar la temperatura de la llama adiabática de la pista (RAFT), la generación de gas del hogar y la intensidad de la fusión. Cuando el aire de la ráfaga se enriquece con oxígeno, hay un aumento en el RAFT. Las temperaturas de llama altas normalmente son incompatibles con los materiales de carga de calidad relativamente baja y necesitan materiales de carga de calidad adecuada. Las temperaturas de llama más altas debido al enriquecimiento de oxígeno deben controlarse con humedad de explosión e inyección de combustible. Hay operaciones de hornos que utilizan más del 12 % de enriquecimiento de oxígeno. Por cada porcentaje de oxígeno por encima del de un chorro de aire normal (aproximadamente el 21 % de oxígeno), la tasa de producción aumenta entre un 2 % y un 4 % aproximadamente. En los casos en que los materiales de carga tengan una buena capacidad de reducción, es decir, se reducirán rápidamente, la temperatura de la llama se puede aumentar significativamente y se puede mejorar la eficiencia del combustible. El uso juicioso de oxígeno proporciona un medio para controlar la tasa de flujo másico de gas bosh para que el rendimiento del horno pueda maximizarse mientras se controla la calidad del metal caliente.

Inyección de combustible auxiliar

Con el desarrollo de técnicas para aumentar las temperaturas de chorro caliente al rango de 1000 °C a 1300 °C y la necesidad de controlar la RAFT debido al tipo de materiales de carga en uso, se ha vuelto posible inyectar combustibles de hidrocarburo en el chorro. horno a través de las toberas para controlar la temperatura de la llama, aumentar el poder reductor del gas bosh y al mismo tiempo reemplazar parte del coque de alto horno. En presencia de grandes cantidades de coque, los combustibles de hidrocarburos pueden quemarse solo hasta monóxido de carbono e hidrógeno; en consecuencia, producen menos calor que el coque al que reemplazan, lo que permite controlar la temperatura de la llama, pero el gas reductor que producen es más efectivo que el producido por la combustión del coque.

Se han probado muchos combustibles diferentes:gas natural, gas de horno de coque, petróleo, alquitrán y carbón pulverizado, incluso lodos de carbón en petróleo. El carbón pulverizado es el inyectable más utilizado en los altos hornos en la actualidad debido a su relativa abundancia y bajo coste. Cuando se utiliza carbón, también se introduce en el chorro de aire mediante una lanza que entra en la corriente de aire a través de los lados de los sopletes. Lo más deseable es que el carbón inyectado se gasifique por completo y se queme antes de que abandone el camino de rodadura justo dentro del horno. Al inyectar combustible se requieren precauciones especiales para evitar la acumulación de combustible en el burlete o cerbatana y su posterior combustión. El proceso de inyección de carbón pulverizado se describe a continuación.

La materia prima de carbón se transporta a una planta de preparación de carbón donde el material residual se elimina mediante una criba y un imán elevado. Luego, el carbón se tritura y se seca simultáneamente en una corriente de gas caliente o en una unidad combinada de molienda/secador, seguido de extracción a través del sistema por medio de un ventilador de tiro inducido. El carbón con la distribución de tamaño de producto correcta se extrae a través de un separador de velocidad y se captura en una unidad de filtro de bolsa. El producto final se tamiza antes de transferirlo a un silo de almacenamiento. Una parte de los gases de escape se recicla de nuevo al generador de gas caliente en la unidad de molienda/secador. Esta función de control asegura que el contenido total de oxígeno del gas caliente, en contacto con el carbón, se mantenga por debajo del 12 % para eliminar cualquier posibilidad de ignición del carbón molido. El sistema de inyección de carbón se compone de tolvas de bloqueo y unidades inyectoras. El caudal de carbón a cada tobera se puede controlar de forma independiente mediante un alimentador mecánico. Alternativamente, se puede proporcionar un sistema más simple con menos precisión de control de flujo para cada tobera, usando un sistema basado en un divisor. El equipo para PCI es bastante resistente en estos días con una disponibilidad superior al 98 % y tasas de inyección de carbón precisas dentro del 2 %.

Automatización y control

El sistema de automatización y control en estos días proporciona la solución ideal para todos los aspectos de la operación del horno. Estos incluyen, a saber, (i) el control de la parte superior del horno en las partes superiores cargadas por correas o contenedores con patrones de carga complejos y distribución de la carga, (ii) un sistema de carga en espiral único para la parte superior sin campana para aumentar la porción de finos que se pueden cargar, (iii) almacén control de materiales en lotes secuenciales con pesaje 'en vuelo' y estratificación de material, (iv) control de limpieza de gas, (v) control de estufas para operación cíclica, paralela, paralela superpuesta y paralela escalonada de cuatro estufas, (vi) controles del sistema de inyección de carbón, (vii) operación y control de la fundición, y (viii) control de la planta de granulación de escoria. Además de la automatización y el control, también tienen características para la seguridad de la planta y las secuencias de apagado.

Para garantizar la operación de alto horno de alto rendimiento a bajo costo, los altos hornos en la actualidad cuentan con un sistema de optimización de circuito cerrado. Este sistema funciona sobre la base de modelos de procesos avanzados, inteligencia artificial, aplicaciones de software mejoradas, interfaces gráficas de usuario y conocimientos operativos. Se logra un excelente rendimiento del proceso y costos de producción significativamente más bajos en los hornos con sistema de optimización de circuito cerrado. En el sistema experto de circuito cerrado, los principales parámetros del alto horno a controlar se llevan a cabo sin la necesidad de la interacción del operador. Por ejemplo, el control de la tasa de coque, la basicidad, la tasa de inyección de vapor e incluso la distribución de la carga se pueden ejecutar de forma simultánea y automática en un modo de circuito cerrado para garantizar operaciones de proceso estables y consistentes a bajos costos de producción. El control preciso del alto horno se logra sobre la base de modelos de proceso avanzados.

El sistema de gestión de información de procesos proporcionado en el alto horno actual recopila, prepara y almacena todos los datos relevantes para su uso posterior.