Consideraciones Clave en el Diseño de Altos Hornos y sus Equipos Auxiliares

Aspectos Importantes del Diseño del Alto Horno y Equipos Asociados

El diseño del alto horno (AH) propiamente dicho y de sus equipos asociados y auxiliares (Fig. 1), situados inmediatamente aguas arriba y aguas abajo del horno, es fundamental para su operación eficiente. Además del horno en sí, los equipos asociados inmediatos incluyen: (i) la casa de carga, (ii) los equipos de carga, (iii) la parte superior del horno, (iv) el sistema de refrigeración y (v) los equipos de la zona de colada.

La Siderurgia Integral y el Alto Horno

La producción de hierro en alto horno consiste en un sistema compuesto por varios componentes que funcionan en armonía. La correcta aplicación y operación de estos componentes es necesaria para respaldar el proceso de fabricación de hierro. La selección de componentes específicos depende de factores como las condiciones existentes, restricciones físicas, requisitos de producción, coste, plazo, fiabilidad y mantenibilidad. La interdependencia de los componentes es tan importante para el éxito de la operación del sistema como su capacidad individual. Existen requisitos principales y «prácticas normales» para cada área o componente, así como tecnologías alternativas comercialmente disponibles con ventajas e inconvenientes inherentes.

El alto horno convierte la carga de mineral de hierro en hierro líquido (arrabio). Asociados al AH se encuentran las baterías de hornos de coque, que transforman el carbón en coque, y las plantas de sinter y pelotas, que preparan el mineral de hierro para el horno. Este convierte estas materias primas preparadas en un producto de mayor valor. El arrabio de algunos hornos se utiliza en fundiciones para producir fundiciones de hierro. Otras operaciones producen un arrabio con bajo contenido de silicio que se convierte en acero en la acería. Parte del arrabio se convierte en lingotes de hierro en máquinas de colada de lingotes. Los subproductos del AH son escoria, gas de cabeza de horno, polvo de chimenea y torta de filtro. Estos subproductos pueden tener un impacto económico positivo o negativo, dependiendo de las posibilidades locales de utilización.

Factores que Afectan el Diseño o Rediseño

Varios aspectos afectan cada consideración para el diseño o rediseño del AH: (i) rentabilidad, (ii) salud y seguridad de los empleados, (iii) protección ambiental, (iv) regulaciones legales, (v) necesidades del mercado y procesamiento posterior, (vi) recursos humanos, de construcción y mantenimiento disponibles, (vii) tecnologías cambiantes y obsolescencia de equipos, (viii) materias primas, servicios públicos y otros materiales disponibles, y (ix) otros. Cualquier restricción seria en cualquiera de estos aspectos puede poner en riesgo la viabilidad de la unidad de AH (o incluso de una planta siderúrgica) o impedir o hacer necesaria la construcción de un nuevo horno.

Clasificación por Tamaño y Consideraciones Operativas

Los altos hornos se agrupan normalmente por tamaño. Los mini hornos producen menos de 1.500 toneladas de arrabio al día (tHM/día), los pequeños producen entre 2.500 y 5.000 tHM/día, los medianos entre 6.000 y 8.000 tHM/día, y los grandes entre 9.000 y 12.000 tHM/día. En una planta siderúrgica integral, se necesitan varios hornos de distintos tamaños para proporcionar el arrabio requerido para la producción de acero. Las plantas con varios hornos se ven menos afectadas cuando uno se somete a reparación de revestimiento o presenta problemas de control. Los hornos pequeños tienen reparaciones de revestimiento más cortas y se consideran más fáciles de operar, pero el coste del arrabio es mayor. La planta integral debe operar el número mínimo de hornos rentables. En algunos casos, se realizan mejoras para reducir el número de hornos en operación.

Los AH se revisten periódicamente al final de su campaña (tiempo entre reparaciones de revestimiento). Antiguamente, esto implicaba el reemplazo del revestimiento interno de ladrillo del horno principal. En la actualidad, se realizan amplias reconstrucciones, reemplazos de componentes y mantenimiento preventivo simultáneamente. Con esta práctica, las plantas más eficientes con menos hornos grandes pierden un mayor porcentaje de su producción durante la reparación que las plantas con más hornos pequeños. Para lograr tanto bajo coste operativo como mínima interferencia durante los revestimientos, la industria ha trabajado para maximizar la campaña de los AH y reducir la duración de la reparación. La tendencia actual en plantas integradas es operar menos hornos grandes y utilizar técnicas y diseños que extiendan la campaña indefinidamente.

Al mismo tiempo, la reducción de la variabilidad del producto se ha vuelto más importante, por lo que se invierte en automatización que mejora la monitorización y control del proceso. Operadores, personal de mantenimiento, diseñadores e investigadores han aplicado tecnología moderna y métodos analíticos para monitorizar y controlar mejor el proceso. Como resultado, se ha reducido la desviación estándar de la calidad del arrabio. Los sistemas mejorados de recopilación de datos también proporcionan mayor información a proveedores y fabricantes, mejorando la selección de materiales y el diseño de los AH y equipos asociados. Las duraciones de campaña han aumentado a alrededor de 20 años, desde los 5-10 años previos.

Evolución Tecnológica Continua

La siderurgia en alto horno es una tecnología de más de 430 años. Aun así, el uso de arrabio de AH sigue siendo el método más común en plantas integradas para producir acero. Los procesos actuales dependen del AH para proporcionar cantidades predecibles y programadas de arrabio de calidad consistente. Cualquier variación en el suministro de arrabio tiene un impacto grave en el resto de los procesos de producción de acero. Por tanto, el AH sigue siendo un proceso clave en las plantas siderúrgicas integradas modernas.

A veces se afirma que la tecnología del proceso de AH ha llegado al final de su vida útil. Esto no es cierto. El estudio de datos operativos de 23 años (1970-1993) de un par típico de AH medianos muestra un aumento promedio de productividad del 3% anual (Fig. 2a) y una reducción promedio de la tasa de combustible del 1% anual (Fig. 2b). Además, el tiempo productivo entre revestimientos (la campaña) se ha extendido mediante mejoras en equipos, materiales y diseño. Como resultado, el coste global de producir arrabio, corregido por inflación, ha mejorado aún más de lo que indican los datos operativos. Por tanto, la tecnología del proceso AH no está muerta; sigue progresando en todas las áreas a un ritmo considerable. El AH sigue siendo hoy una ciencia dinámica respaldada por tecnologías en constante mejora.

Distribución del Alto Horno

La distribución de un AH es esencialmente un ejercicio de integración de los equipos necesarios para manejar los diferentes materiales requeridos para producir arrabio, así como los productos y subproductos resultantes. El diseño más eficiente acomoda adecuadamente todo el proceso y su eficacia se juzga desde el punto de vista tanto de la inversión inicial de capital como de los costes operativos continuos. La distribución de la planta de AH depende de varios factores: (i) topografía del sitio, (ii) condiciones climáticas, (iii) método de entrega de materias primas, (iv) sistemas y ubicaciones de procesamiento de materias primas en planta, (v) sistemas y ubicaciones de procesamiento posterior, (vi) requisitos de cantidad/flujo de arrabio, (vii) tipo y tamaño de la flota de transporte de arrabio, (viii) etc. La Fig. 3 muestra una distribución simplificada de una planta de AH.

Una planta de AH consta típicamente de varias secciones: (i) almacenamiento, manejo y recuperación de materias primas, (ii) casa de carga, (iii) sistema de carga, (iv) horno propiamente dicho, (v) zona de colada, (vi) procesamiento y manejo de escoria, (vii) manejo de arrabio, (viii) estufas de aire caliente y sistema de aire caliente, (ix) planta de limpieza de gas, (x) servicios públicos, (xi) sistema de automatización y control, (xii) instalaciones de mantenimiento y (xiii) instalaciones de apoyo al personal.

Almacenamiento y Manejo de Materias Primas

Las materias primas como mineral de hierro, sinter, pelotas, fundentes, carbón y coque se reciben de fuentes externas o se producen dentro de la planta siderúrgica integral. Estas materias primas necesitan almacenamiento controlado suficiente para respaldar las operaciones del AH. Se necesita capacidad de almacenamiento para interrupciones predecibles o impredecibles en la entrega. Capacidad adicional puede ser necesaria ante posibles cambios en la fuente de ciertas materias primas. Se requieren ubicaciones de almacenamiento separadas debido a diferentes características físicas o químicas en materiales similares. La mezcla de materiales similares puede causar problemas de control del proceso/metalúrgicos. Las pilas de almacenamiento deben separarse para evitar la mezcla de materiales diferentes. Las pilas deben colocarse sobre bases preparadas para permitir a los operadores de equipos de recuperación distinguir entre material principal y material extraño. Las pilas se distribuyen para minimizar la degradación del material y evitar la captación de finos por el viento. Aspersores de agua y agentes aglutinantes pueden usarse para minimizar la captación/arrastre de polvo por el viento.

Existen varias técnicas para la disposición y recuperación de materias primas. Técnicas de disposición: volcadores de vagones, puentes grúa para mineral, transportadores apiladores, rastrillos, etc. Técnicas de recuperación: recuperadores de rueda de cangilones, recuperadores de banda, cargadores frontales, rastrillos, directamente desde el fondo de silos o pilas, etc. Es evidente que los sistemas de disposición y recuperación deben dimensionarse para asegurar el rendimiento necesario para la planta de AH.

Casa de Carga

La casa de carga es la unidad de almacenamiento del operador del AH para la alimentación directa de la carga al horno. Se proporcionan silos de almacenamiento para cada material de carga. Silos individuales para materiales similares (sinter, pelotas) con diferentes propiedades metalúrgicas. La casa de carga proporciona capacidad adecuada para los diversos materiales de carga en caso de interrupción a corto plazo del suministro desde las áreas de almacenamiento de materias primas. Las capacidades típicas de rendimiento de los silos, en caso de pérdida de alimentación de materia prima, son: (i) coque: 2-8 horas, (ii) materiales ferríferos (mineral, sinter, pelota): 4-16 horas, (iii) fundentes y otros materiales diversos: 8-24 horas. Estas capacidades se basan en la producción nominal del horno y varían según la fiabilidad y el tiempo de acceso para su reemplazo desde inventario o proveedor.

Los materiales de carga tienden a degradarse por condiciones climáticas y manipulación repetida. Cuantas más veces se manipule el material (apilamiento, recuperación, volcado, tolvas de transportadores, cangilones de puente grúa, etc.), mayor será el porcentaje de finos en la carga. El proceso AH necesita permeabilidad controlada y, por tanto, carga controlada. La carga de finos excesivos, ya sea normalmente a lo largo de la carga o concentrada en períodos cortos específicos, puede ser disruptiva para el proceso AH y dañina para los equipos del horno. La casa de carga brinda la última oportunidad razonable para eliminar finos antes de cargar en el horno. Siempre que sea posible, se instalan cribas vibratorias después de los silos de coque, mineral, sinter y pelotas para eliminar la mayor parte de los finos. Los finos removidos se recogen para reciclaje. Algunos operadores cargan finos en áreas específicas del horno para ajustar la permeabilidad local y controlar las cargas térmicas en las paredes.

Los medidores de humedad se proporcionan frecuentemente en la casa de carga para monitorear las cantidades reales de agua cargadas al horno. Esta información permite ajustar las cantidades de carga para compensar condiciones ambientales variables (ej. mayor humedad del coque durante períodos de lluvia).

Dado que se necesitan diferentes tipos y cantidades variables de material de carga para respaldar la operación continua del AH, los materiales deben suministrarse en una secuencia específica (que puede cambiar frecuentemente para respaldar parámetros operativos variables). Por tanto, la casa de carga debe contar con equipos fiables para extraer y alimentar cantidades precisas de materiales específicos según un programa determinado. La Fig. 4 muestra una disposición simplificada de equipos en la casa de carga.

Evolución de la Casa de Carga

Anteriormente, el tipo más común era la casa de carga de «línea alta», ubicada directamente adyacente al horno. Vagones o puentes grúa alimentaban los silos, que descargaban directamente en un vagón pesador móvil. Un operador controlaba manualmente la compuerta de descarga para alimentar cantidades específicas en la tolva equipada con balanza. Tras recoger los tipos y cantidades adecuadas, el operador movía el vagón sobre la «fosa del skip» y volcaba la carga, a través de una tolva, en un skip esperando. El skip era luego izado a la parte superior del horno.

La casa de carga de línea alta, junto con el vagón pesador, presentaba pocas opciones para el cribado de la carga ferrífera (mineral, sinter, pelotas). A medida que aumentó el conocimiento del proceso AH, se desarrollaron requisitos más estrictos para la carga. El concepto de «carga diseñada» es hoy ampliamente reconocido. Se acepta normalmente que existen límites en la flexibilidad y adaptabilidad de la casa de carga de línea alta para respaldar este requisito. Por ello, este tipo ha sido reemplazado por la casa de carga automatizada con transportadores para suministrar materiales de carga al AH.

La casa de carga automatizada normalmente es de dos tipos distintos. El primero reemplaza el vagón pesador bajo los silos de materia prima con un sistema de alimentador y cinta transportadora. Transportadores separados para cada tipo de materia prima (coque, materiales ferríferos, fundentes y aditivos) sobre los que se montan filas de silos, con alimentadores vibratorios para descargar materiales de los silos a los transportadores. Para coque y materiales ferríferos, una criba vibratoria en la descarga de cada transportador criba el material y alimenta el material cribado en tolvas de pesaje. Este sistema sigue alimentando tolvas de pesaje delante de los skips.

El segundo tipo es una gran estructura de silos construida completamente sobre el suelo y bastante alejada del AH. Esto se hace normalmente para AH donde una cinta transportadora lleva los materiales de carga a la parte superior del horno en lugar de skips. El método de llenado de los silos es normalmente por sistema de cinta transportadora. Las materias primas se extraen de los silos por alimentadores vibratorios y cintas transportadoras hacia tolvas de pesaje. Estas descargan el material sobre la cinta principal mediante una cinta de recogida. Las tolvas de pesaje se programan para pesar las materias primas en el orden correcto sobre la cinta transportadora principal hacia la parte superior del horno.

Una casa de carga automatizada puede proporcionar una alimentación más eficiente de materia prima, y una selección, cribado, pesaje y entrega de la carga al horno más eficientes. Puede ubicarse directamente adyacente al horno alimentando skips, o de forma remota para carga por cinta transportadora.

La automatización ha aumentado considerablemente la capacidad de producción, mejorado la eficiencia operativa y eliminado variaciones operativas causadas por operadores y equipos. Sin embargo, en la práctica, una casa de carga moderna automatizada puede ser bastante compleja. Puede ser alimentada por transportadores que descargan en transportadores de distribución para repartir materiales a varios silos. La disposición de transportadores y equipos puede organizarse de muchas maneras. La ubicación adyacente al horno frecuentemente resulta en congestión de distribución y restringe flexibilidad para futuras modificaciones.

Sistema de Izado

Los materiales de carga se izan normalmente a la parte superior del AH mediante skips o cinta transportadora.

Izado con Skip

El uso de skip para AH evolucionó de la industria minera. Los skips se dimensionan según el rendimiento del horno. Factores como capacidad del izado, diseño del puente del skip, etc., influyen en el tamaño del skip.

Normalmente, dos skips operan de forma opuesta (para reducir la potencia de izado) en un izado común. Los skips viajan sobre rieles en un puente, normalmente instalado con una inclinación de 60° a 80° desde la horizontal. El skip lleno acelera lentamente al salir de la fosa, acelera rápidamente alcanzando velocidad máxima durante la mayor parte del recorrido. El izado frena el skip al acercarse a la parte superior del puente. Las ruedas se guían por rieles de volcado y cuernos mientras el skip se vuelca en los equipos de carga de la parte superior del horno. Al alcanzar y detenerse en la posición final de volcado, el skip vacío (descendiendo a la misma velocidad) llega al fondo de su recorrido en la fosa, esperando ser llenado. El sistema de carga con skip es una técnica fiable y efectiva para entregar la carga a la parte superior del horno. Sin embargo, carece de flexibilidad para el operador: los skips solo contienen una cantidad específica (sobrecarga resulta en sobrellenado o cargas excesivas en el izado) o se vuelve ineficiente si se necesitan pequeños volúmenes de carga específica. La Fig. 5 muestra un esquema del izado con skip.

Transportador de Carga del Horno

Con la transportadorización de la casa de carga vino la transportadorización del sistema de izado. Ahora es común que las casas de carga se ubiquen lejos del horno y una gran cinta transportadora lleve la carga a la parte superior. Si la parte superior está a unos 60 metros de altura, una cinta instalada a 8° de inclinación requiere que la casa de carga esté a al menos 427 metros del horno. Se evitan inclinaciones más pronunciadas para minimizar el retroceso del material. Es normal cargar materiales diversos directamente sobre y después del final de una carga ferrífera en la cinta para mantener los materiales ferríferos en su lugar hasta llegar a la parte superior del horno.

Sistema de Carga en la Parte Superior del Horno

El horno propiamente dicho opera con presión positiva alta en la parte superior. El gas de AH, compuesto parcialmente de monóxido de carbono, dióxido de carbono y nitrógeno, se genera en el proceso junto con grandes cantidades de polvo arrastrado. El operador debe mantener la presión superior por los beneficios del proceso y para contener gases y polvo (tanto por valor combustible como por control ambiental). Sin embargo, debe colocar regularmente material de carga dentro de la parte superior del horno para reponer el proceso interno, sin perder la presión superior.

Tope de Campana (Bell Type Top)

Durante años, el tipo más común de tope de horno ha sido el de doble campana (Fig. 6). Al llegar la carga a la parte superior (por skip o cinta), cae en una tolva receptora y en la tolva de la campana pequeña. La campana pequeña (fundición cónica de acero ~2,6 m de diámetro y 1,4 m de alto para AH de 5.000 tHM/día) baja y permite que la carga caiga en la tolva de la campana grande. La campana pequeña sube y sella contra un asiento fijo en la tolva de la campana pequeña. Según el volumen de la tolva de la campana grande, cargas adicionales se secuencian en esta por la campana pequeña. Durante este proceso, la campana grande permanece cerrada, sellando el horno. Cuando se han recogido el número correcto de cargas, la campana grande (fundición cónica ~5,5 m de diámetro y ~3,5 m de alto para AH de 5.000 tHM/día) baja y permite que la carga deslice por la campana hacia la parte superior del horno. Tras la descarga, la campana grande sube y sella contra la parte inferior de la tolva de la campana grande.

El control de distribución de la carga con este tipo de tope está limitado por la uniformidad con que la carga se coloca en la campana grande (el volcado del skip resulta en colocación desigual) y las curvas de caída de los materiales específicos (coque o carga ferrífera) al deslizarse y caer de la campana grande. Además, el tope de doble campana es susceptible a pérdida de sellado de las campanas grande y pequeña y del empaquetado entre la varilla de la campana grande y el tubo de la campana pequeña. La fuga de campana resulta de la abrasión por el material deslizándose sobre las superficies de sellado. La fuga del empaquetado de la varilla resulta de la abrasión por finos del horno o acumulados en la varilla tras el volcado en la tolva receptora.

Para minimizar el desgaste de la superficie de sellado de la campana grande, se introduce gas de AH entre las campanas para igualar el espacio (reduciendo la diferencia de presión a través de la superficie de sellado de la campana grande). Este gas se alivia a la atmósfera antes de abrir la campana pequeña para permitir la introducción de más carga. Algunas opciones para mejorar las limitaciones del sistema de doble campana:

Distribuidor McKEE

El distribuidor McKEE (Fig. 6) fue durante años la principal mejora de distribución de carga para tope de doble campana. Su diseño incorpora la capacidad de rotar la campana pequeña y su tolva juntas mientras el skip descarga. La carga se distribuye uniformemente en la tolva de la campana pequeña, mejorando la colocación uniforme en la campana grande. Este tipo de tope es propenso al desgaste de campanas y pérdida subsiguiente de efecto de sellado.

Tope Rotativo Universal CRM

El distribuidor rotativo universal CRM (Centre Recherches Metallurgiques - Bélgica) (Fig. 6) se desarrolló para eliminar la pérdida de efecto de sellado de la campana pequeña. Se instalan dos campanas (una de sellado y una de material) en lugar de la campana pequeña normal. Una tolva de carga giratoria se monta en la campana de material. La campana de sellado está debajo de la de material y sella contra un asiento fijo. Durante la descarga del skip, la tolva y la campana de material cerrada giran para llenar uniformemente la tolva. Al terminar el llenado, la rotación se detiene. Cuando es hora de volcar en la campana grande, la tolva giratoria, la campana de material y la de sellado bajan. La campana de sellado baja por debajo del asiento fijo. A medio camino, el descenso de la tolva se detiene y las campanas continúan descendiendo hasta su posición de parada. Al abrirse el hueco entre la campana de material y la tolva, la carga descarga uniformemente en la tolva de la campana grande. Al salir la carga, no contacta la superficie de asiento de la válvula de sellado, manteniendo la capacidad de sellado. Este tipo de tope puede mantener 0,2 MPa de presión interna.

El tope CRM mejora la capacidad de sellado y longevidad del tope de doble campana. No proporciona, sin embargo, una mejora dramática en la distribución de carga sobre el distribuidor McKEE ni elimina la vulnerabilidad de la superficie de sellado de la campana grande.

Tope de Tolva de Cierre GHH

El tope de tolva de cierre GHH (Fig. 6) es una modificación del tope de doble campana. Reduce la dependencia de la campana grande para mantener el sellado de gas. La adición de tolvas de cierre con válvulas de sellado separadas para cada posición de volcado de skip proporciona capacidad adicional de sellado. La campana grande puede operar sin diferencia de presión a través de su superficie de sellado (presión superior del horno = presión en tolva de campana grande).

Un skip vuelca la carga en la tolva de cierre a través de una tolva receptora y válvula de sellado abierta. La carga se coloca en la campana pequeña giratoria y llena uniformemente la tolva distribuidora giratoria sobre la campana pequeña. Un sellado entre la tolva de cierre y la tolva de la campana pequeña giratoria está abierto durante la rotación. Al terminar la descarga del skip, la válvula de sellado y el sellado entre la tolva de cierre y la tolva de la campana pequeña se cierran. Se introduce gas de igualación y la tolva de cierre se presuriza a la presión superior del horno. La campana pequeña baja para introducir la carga en la tolva de la campana grande. La campana pequeña cierra y la presión de la tolva de cierre se alivia a la atmósfera. La válvula de sellado en el lado opuesto (en la otra posición de volcado de skip) se abre. El sellado entre la tolva de cierre y la tolva de la campana pequeña se abre. Comienza la rotación de la campana pequeña y la tolva. El tope ya puede aceptar carga del otro skip.

Este tipo mejora la capacidad de sellado y longevidad del tope de doble campana. Sin embargo, no proporciona mejora dramática en la distribución de carga sobre los tope McKEE o CRM. Aunque la campana grande ya no necesita realizar función de sellado, la longevidad del efecto de sellado de la campana pequeña sigue siendo crítica.

Armadura Móvil

El paso principal para mejorar la distribución de carga del tope de campana fue el desarrollo de armadura móvil (Fig. 7). Deflectores ajustables se instalan en la zona de garganta del horno para desviar la carga tras deslizarse de la campana grande. La armadura móvil se ajusta según el material de carga específico que se descarga y donde el operador quiere colocar la carga dentro del horno.

Varios fabricantes ofrecen diferentes tipos de armadura móvil. Segmentos individuales pueden moverse uniformemente (simultánea e igualmente) dentro del horno para colocar la carga en un patrón anular. Otros tipos permiten control individual de placas para lograr patrones de distribución no circulares.

Desventajas de la armadura móvil: (i) la mayoría de componentes mecánicos y de desgaste están en el entorno hostil del cono superior del horno, (ii) se pierde algo de volumen de trabajo interno para proporcionar holgura entre la armadura móvil y el nivel de línea de carga de diseño (aunque esta zona no se clasifica como zona de productividad bruta para consideración de volumen de trabajo), (iii) capacidad limitada para desviar carga al centro del horno, especialmente cuando el nivel de línea de carga ya es alto. La característica de rodadura de las pelotas frecuentemente anula el desplazamiento limitado de la armadura móvil.

Sistema de Carga Sin Campana (Bell Less Top - BLT)

A principios de los años 70, Paul Wurth S.A. de Luxemburgo desarrolló el sistema de carga sin campana (BLT) (Fig. 7). Este tipo de tope es una ruptura radical con el tope de campana. La carga puede colocarse dentro del horno en cualquier patrón necesario por el operador. Anillos anulares, espirales, segmentos y colocación puntual son patrones comunes logrados por inclinación y rotación sincronizadas o independientes de una tolva de distribución de carga ubicada en el cono superior del horno.

El sellado de la parte superior del horno se mantiene durante toda la campaña. Las actividades de mantenimiento son simples y de corta duración. Normalmente, el BLT consiste en: tolva o canaleta receptora (recibe carga de skips o cinta transportadora), tolva de cierre con válvulas de sellado superior e inferior, compuerta de control de flujo de material, caja de engranajes principal de la tolva (unidad refrigerada por agua o gas para rotación e inclinación de la tolva) y tolva de distribución de carga. Existen tres tipos principales de BLT: (i) tolva paralela, (ii) alimentación central y (iii) tipo compacto.

Típicamente, el tipo paralelo incorpora dos tolvas de cierre (instaladas en algunos hornos para rendimiento y respaldo; un tipo de «tolva excéntrica» se instaló para aplicación con espacio restringido). Desde principios de los 80, varios AH seleccionaron el tipo de «alimentación central» de tolva única por sus mejoras en segregación de carga y control de distribución, resultando en mejor operación del horno.

Un tipo «compacto» de BLT se desarrolló para hornos pequeños a medianos para permitir la introducción del BLT (y sus ventajas) en hornos donde los otros tipos mayores no pueden usarse por coste o restricciones físicas. Los pasos en la operación BLT para tipo de alimentación central son: (i) la carga se descarga de un skip o cinta a través de una tolva o canaleta receptora pasando una válvula de sellado abierta hacia la tolva de cierre, (ii) tras recibir la carga, la válvula superior se cierra e introduce gas de igualación para presurizar la tolva a la presión del horno, (iii) la válvula inferior se abre, (iv) la carga descarga de la tolva de cierre mientras la compuerta de material se ajusta a la apertura preseleccionada para el material específico, (v) la carga cae verticalmente a través de la boquilla alimentadora con la caja de engranajes principal y cae sobre la tolva de distribución, (vi) la tolva de distribución dirige la carga a los puntos requeridos dentro del horno, (vii) cuando la tolva de cierre se descarga completamente (monitoreado por celdas de carga y/o monitorización acústica), la válvula inferior se cierra, (viii) una válvula de alivio se abre para evacuar la tolva a la atmósfera (o a través de una unidad de recuperación de energía), y (ix) la válvula superior se abre y la secuencia se repite.

Ventajas del BLT sobre otros sistemas: mayor capacidad de presión superior (0,25 MPa), ahorro de combustible, aumento de producción, operación más estable, mantenimiento reducido en coste y tiempo, mayor vida de campaña del horno, y mejor control operacional al emplear altas tasas de inyección de carbón en los sopleteos.

Sistema de Carga Gimbal

El propósito del sistema de carga Gimbal es facilitar la distribución controlada de material de carga en el AH mediante una tolva oscilante tipo Gimbal a través de una tolva de retención y apertura variable de compuerta de material, de modo que el sistema de carga presurizado superior pueda operar independientemente del sistema de distribución. Utiliza una tolva de distribución cónica, soportada por anillos en disposición Gimbal, produciendo inclinación independiente y combinada del eje de la tolva. El distribuidor Gimbal, como parte del sistema general de carga superior del AH, ofrece una solución de carga totalmente integrada, generando mejoras considerables en operación y coste de mantenimiento. Utiliza una tolva de distribución cónica, soportada por anillos en disposición Gimbal, produciendo inclinación independiente y combinada del eje.

El tope Gimbal incorpora una gama completa de equipos de distribución superiores incluyendo basculadores de distribución, válvulas de sellado superiores, tolvas, válvulas de sellado inferiores, compuertas de flujo de material y conjuntos de válvulas de goggle, todo descargando a través de tolvas de distribución accionadas hidráulicamente. La tolva basculante es accionada por dos cilindros hidráulicos, montados a 90°. Esta disposición de suspensión y accionamiento resulta no en una rotación de la tolva basculante, sino en una trayectoria circular por superposición de ambos movimientos de inclinación. La operación independiente o combinada de los cilindros permite dirigir el eje de la tolva a cualquier ángulo, o incluso a lo largo de cualquier trayectoria. El movimiento es suministrado por dos cilindros hidráulicos, cada uno operando a través de un eje, biela y junta universal para accionar los anillos Gimbal. A través del movimiento de los cilindros, la tolva de distribución permite una distribución precisa del material con potencial para un número infinito de patrones de carga a velocidades variables: anillo, espiral, centro, punto, sector, proporcionando control completo de la carga en el horno.

Todo el conjunto del distribuidor está encerrado en una carcasa estanca al gas, montada directamente sobre la brida superior del cono superior del AH. La carcasa contiene una canaleta de entrada fija y una tolva de distribución basculante soportada por anillos en disposición Gimbal permitiendo inclinación independiente y combinada del eje. El conjunto está hecho de combinación de acero inoxidable y carbono, con la canaleta de entrada fija y el cuerpo de la tolva basculante revestidos con material cerámico para protección superior contra desgaste. Un sistema de refrigeración por agua de circuito cerrado suministra agua a través de los ejes principales, cojinetes Gimbal y cojinetes de junta universal para enfriar los elementos móviles del sistema de distribución Gimbal.

Características clave del diseño Gimbal: (i) diseño simple y robusto, usando palancas accionadas por cilindros hidráulicos, (ii) cilindros de accionamiento montados fuera del sobre de presión, no sujetos a condiciones de servicio calientes y polvorientas, (iii) disposición de anillos Gimbal da movimiento de inclinación simple en dos planos, que superpuestos dan distribución de 360°, (iv) desgaste en la tolva basculante se iguala alrededor de su circunferencia dando vida operativa extendida.

El tope Gimbal AH es un sistema de carga presurizado, automatizado y controlado por computadora diseñado para: (i) recibir cargas de mineral, coque y materiales diversos en la tolva de retención, independientemente del sistema de distribución inferior, (ii) liberar esas descargas, según necesidad, a una tolva de distribución dinámica ubicada debajo de la tolva de retención, y (iii) distribuir material en patrones prescritos a la línea de carga del horno según una matriz de carga predeterminada. El control de la tolva de distribución Gimbal está totalmente integrado en el software general de carga del horno. El sistema proporciona alto nivel de precisión y control para los movimientos Gimbal y, por tanto, el posicionamiento de la tolva de distribución. La Fig. 8 muestra el distribuidor de material Gimbal y sistema de carga.

Horno Propiamente Dicho

El horno propiamente dicho es el recipiente reactor principal del proceso de fabricación de hierro en AH. Sus revestimientos internos están diseñados para soportar el proceso interno. Sus revestimientos externos están diseñados para proporcionar los sistemas necesarios para contener, mantener, monitorizar, respaldar y ajustar el proceso interno.

El proceso AH es un proceso de contraflujo. Comprende: (i) carga a condiciones ambientales colocada en la parte superior del horno sobre la columna de carga dentro del horno, (ii) al descender la carga con la columna, se calienta, modifica químicamente y finalmente se funde, (iii) ocurren más modificaciones químicas con el material fundido, (iv) los productos fundidos se extraen cerca del fondo, (v) la fusión y extracción resultan en el descenso de la columna de carga y la necesidad de reposición en la parte superior, (vi) aire caliente se introduce a través de sopleteos cerca del fondo, (vii) gases de AH se generan frente a los sopleteos y ascienden a través de la carga modificando químicamente la carga descendente y modificándose y enfriándose ellos mismos, (viii) gas de AH (y polvo) se extrae cerca de la parte superior, y (ix) calor se extrae del recipiente en todas direcciones (principalmente a través del sistema de refrigeración del revestimiento) y junto con gas de AH, hierro líquido y escoria líquida. La Fig. 9 muestra sección transversal y tipos de AH.

Tipo de Horno

Los hornos se construyen con soporte de manto o autoportantes. Los AH con soporte de manto característicamente tienen una viga anular (manto) en la parte inferior de la chimenea inferior. El manto se apoya a su vez en columnas sobre la cimentación principal. El hogar, pechos de sopleteos y panza también se apoyan en la cimentación. Los hornos con columnas de soporte de manto tienden a tener acceso restringido y flexibilidad reducida para mejoras en áreas de manto, panza y pechos de sopleteos.

Dado que la expansión térmica es una consideración importante en el diseño de la carcasa del horno, el estilo de manto proporciona una consideración de diseño interesante. Las columnas de soporte del manto son relativamente frías. El manto tiende a mantener altura constante respecto a la cimentación. La expansión térmica de la chimenea por calor del proceso se considera basada en el manto «fijo» (la parte superior del horno se eleva respecto al manto). La altura efectiva de los casquillos de panza, pechos de sopleteos y paredes del hogar (apoyados en la cimentación) aumenta debido a la expansión térmica del casquillo por calor del proceso. La parte inferior del horno se eleva hacia el manto fijo. Por tanto, se necesita una junta de expansión en la conexión panza/manto o en algún lugar apropiado en la parte inferior.

Los hornos autoportantes se desarrollaron para eliminar las columnas y permitir instalación de equipos principales y mejoras de refrigeración. Este tipo tiene un casquillo más grueso para soporte estructural. La instalación y mantenimiento de un sistema fiable de refrigeración y revestimiento es necesario para sostener la longevidad estructural del casquillo.

Se han usado dos variaciones de horno autoportante. Un tipo proporciona una torre de soporte estructural separada para llevar el sistema de gas de escape y cargas del sistema de carga/izado. El otro tipo (mientras emplea torre separada para reemplazo de casquillo durante revestimientos) usa el horno propiamente dicho para soportar el sistema de gas de escape y cargas del sistema de carga/izado. Se debe hacer consideración especial al diseño del casquillo independientemente del tipo. El recipiente está sometido a presiones internas por aire de soplado y gas, carga, hierro líquido y escoria. Cargas muertas y vivas durante todas las etapas de operación, mantenimiento y revestimiento deben considerarse.

Zonas del Horno

Las zonas principales del horno son: (i) cono superior, (ii) garganta, (iii) chimenea, (iv) manto/vientre, (v) panza, (vi) pechos de sopleteos, (vii) paredes del hogar, (viii) fondo del hogar, (ix) cimentación.

Cono Superior

El cono superior o cúpula es la parte más alta del horno. Soporta los equipos de carga superior y el sistema de recogida de gas de cabeza. Las varillas de nivel (registradores o medidores de línea de carga) se colocan normalmente aquí para monitorear el nivel superior de la carga. Estos dispositivos proporcionan señales permisivas o indicativas para cargar la siguiente carga programada. Típicamente son pesos bajados por cabrestantes especiales, o unidades de microondas. Algunos hornos incorporan emisores y detectores de isótopos radiactivos montados en la garganta para monitorear el nivel de carga. Cámaras infrarrojas pueden instalarse en el cono superior para monitorear la distribución de temperatura del gas de cabeza al escapar de la línea de carga.

El cono superior es la zona más fría del horno pero puede exponerse a temperaturas extremadamente altas si ocurren «deslizamientos» de carga (descenso rápido e incontrolado tras período inusual de falta de descenso). La carga recién cargada cae a través de esta zona y el gas de cabeza se aleja de esta sección.

Garganta

Placas de desgaste o armadura de acero se instalan en esta zona. Aquí, la abrasión del revestimiento por la carga es la causa principal de deterioro. Los operadores trabajan para mantener el nivel superior de la carga (línea de carga) en esta región. Se puede instalar armadura móvil para desviar la carga que cae de la campana grande. Con la instalación del BLT, el desgaste de la zona de línea de carga puede reducirse enormemente. Algunos usuarios optan por eliminar las placas de armadura y usar revestimiento refractario resistente a la abrasión.

Chimenea

La chimenea (a veces llamada fuste o «pared interna») es la zona entre el manto o vientre en un horno autoportante y la zona de línea de carga. Líneas suaves y uniformes (la «superficie de trabajo» del proceso) de la chimenea son esenciales para descenso uniforme y predecible de la carga, ascenso de gas de AH y control estable del proceso durante toda la campaña. Consideraciones del proceso dictan un diámetro mayor en la base de la chimenea que en la parte superior. Ángulos típicos de chimenea están en el rango de ~85° desde la horizontal.

Manto/Vientre

El área de manto o vientre proporciona la transición entre la chimenea expandida y las secciones de panza. El mantenimiento de la efectividad del sistema de refrigeración/revestimiento es particularmente importante para el horno tipo manto para proteger la estructura del manto. La protección térmica es importante para el tipo autoportante también. Sin embargo, el diseño autoportante es menos complicado y más accesible en esta área.

Panza

El área de panza está entre los pechos de sopleteos y el manto/vientre. El diámetro de la panza aumenta de abajo hacia arriba. La inclinación permite el ascenso eficiente de los gases del proceso y se ha encontrado necesario para proporcionar la vida útil necesaria (los gases son extremadamente calientes y las condiciones de ataque químico interno son severas). Ángulos típicos de panza están en el rango de ~80° desde la horizontal. Las panzas son de dos tipos básicos: (i) bandadas y (ii) selladas. Pueden refrigerarse por diferentes técnicas.

Las panzas bandadas se encuentran en hornos antiguos con soporte de manto (no aplicables a autoportantes). Un número de bandas de acero se colocan en diámetros incrementalmente crecientes (menor en la parte inferior, mayor en la superior) y se unen con tiras de conexión. El hueco entre bandas permite la introducción de placas de refrigeración de cobre. Se debe usar revestimiento de ladrillo cerámico ya que la infiltración de aire resulta en oxidación de revestimientos basados en carbono. La fuga de gas a través de la panza bandada puede ser alta. Este tipo no es adecuado para AH con alta presión de soplado/presión superior alta. Las panzas bandadas proporcionan flexibilidad adecuada para eliminar la necesidad de junta de expansión en la parte inferior.

Las panzas selladas, usando placa de casquillo continuo en lugar de bandas separadas, permiten el uso de sistemas mejorados de refrigeración/revestimiento, mayores presiones operativas y el tipo autoportante. Las panzas selladas retienen gases valiosos en el horno, mejorando el proceso metalúrgico. Al impedir la entrada de aire en el revestimiento, soportan el uso de refractarios basados en carbono.

Pechos de Sopleteos

El aire caliente se introduce al horno a través de sopleteos (unidades de cobre refrigeradas por agua) ubicados dentro de los pechos de sopleteos. El número de sopleteos depende del tamaño (capacidad de producción) del horno. El diámetro de los pechos, espaciado de sopleteos y número de sopleteos se ven influenciados por el tamaño esperado de la zona de carrera frente a cada sopleteo.

Las cañas de sopleteo (Fig. 10) conducen el aire caliente desde el tubo colector (bustle pipe) a los sopleteos. Los sopleteos son soportados por refrigeradores de sopleteo (unidades de cobre refrigeradas por agua) que a su vez se soportan en soportes de acero (soldados o atornillados al casquillo). Se deben hacer consideraciones especiales en el diseño del casquillo y revestimiento de los pechos para mantener sellado efectivo de los diferentes componentes y prevenir escape y pérdida de gases del horno.

Hogar

El hogar (Fig. 10) es el crisol del horno. Aquí, el arrabio y la escoria líquida se recogen y retienen hasta que el horno se vacía. La pared del hogar es penetrada por agujeros de vaciado (frecuentemente llamados muescas de hierro) para la remoción del arrabio y escoria líquida. El número de agujeros depende del tamaño del horno, requisitos de manejo de arrabio y escoria, restricciones físicas y de capital, etc.

Varios hornos están equipados con muesca de escoria o ceniza (normalmente una por horno, aunque algunos pueden tener dos). La elevación de la muesca de escoria es normalmente suficientemente más alta que la de la muesca de hierro. Antiguamente, cuando los volúmenes de escoria eran altos, esta se vaciaba periódicamente por la muesca. Esto simplificaba el proceso de separación hierro/escoria en la zona de colada. Más comúnmente ahora, la muesca de escoria se retiene solo para procedimientos iniciales de puesta en marcha o uso de emergencia en caso de problemas en la muesca de hierro u operación.

Fondo del Hogar

El fondo del hogar soporta las paredes y es inundado por el hierro dentro del horno. A medida que avanza la campaña, el revestimiento del fondo se desgasta hasta un punto de equilibrio fijo. El refractario restante contiene el proceso y, con refrigeración suficiente o valor de aislamiento inherente, protege la losa y cimentación del horno.

Sistema de Refrigeración

La aplicación de técnicas de refrigeración específicas a zonas individuales depende de factores como expectativa de vida de campaña, filosofía operativa, tipos de carga, refractarios, restricciones de coste, restricciones físicas, medios de refrigeración disponibles, preferencias, etc. Diferentes técnicas pueden proveerse para diferentes zonas para ayudar al revestimiento a resistir factores de deterioro específicos. Normalmente, la provisión de capacidad de refrigeración adecuada es necesaria en cada zona aplicable si el sistema de revestimiento allí ubicado ha de sobrevivir. Donde las condiciones térmicas, químicas y, en cierta medida, abrasivas del proceso son extremas, se debe proporcionar refrigeración suficiente para mantener las líneas interiores uniformes necesarias y proteger el casquillo.

Típicamente, las áreas de cono superior y garganta no se refrigeran. El fondo del hogar puede refrigerarse «activamente» por refrigeración bajo hogar (aire, agua, u aceite) o «pasivamente» por conducción de calor a través del revestimiento del fondo a la pared del hogar. Las opciones básicas de refrigeración para el resto del horno son: (i) sin refrigeración (típicamente la parte superior de la chimenea no se refrigera en varios hornos), (ii) refrigeración por ducha o aspersión, (iii) refrigeración por camisa o canal, (iv) refrigeración por placas y (v) refrigeración por estacas (staves).

Refrigeración por Ducha o Aspersión

El agua es dirigida por aspersores o canaletas de desbordamiento y desciende en película sobre la placa del casquillo. El diseño efectivo de boquillas, número y posicionamiento son importantes para cobertura adecuada y minimizar rebote. Diseño adecuado de placas deflectoras es necesario para asegurar distribución eficiente del agua y minimizar salpicaduras. La refrigeración por ducha se emplea frecuentemente en áreas de panza y paredes del hogar. La aspersión se aplica normalmente para refrigeración de emergencia o respaldo, principalmente en la chimenea. La corrosión de la placa del casquillo exterior y la incrustación orgánica son problemas comunes que pueden interrumpir el flujo de agua o aislar el casquillo del efecto de refrigeración superficial. El tratamiento de agua es consideración importante para retener refrigeración efectiva.

Refrigeración por Camisa o Canal

Cámaras de refrigeración fabricadas o perfiles estructurales de acero (canales o ángulos) se sueldan directamente al exterior de la placa del casquillo. El agua fluye a baja velocidad a través de los elementos para enfriar el casquillo y el revestimiento. La refrigeración por camisa/canal se aplica frecuentemente a paredes del hogar, pechos de sopleteos y áreas de panza. La acumulación de incrustaciones en el casquillo y la recolección de residuos en los fondos de los elementos de refrigeración externos pueden comprometer la efectividad. Por tanto, la limpieza periódica de los elementos es necesaria.

El área crítica en los esquemas mencionados es la necesidad de que la placa del casquillo actúe como elemento de refrigeración. Si cargas térmicas extremas actúan sobre la cara interna, existe un gradiente térmico extremadamente alto a través del casquillo. Esto resulta en altas tensiones térmicamente inducidas y eventual agrietamiento. Las grietas comienzan en el interior y se propagan hacia el exterior. Permanecen invisibles (salvo un «punto caliente») hasta que penetran completamente. El agrietamiento completo resulta en fuga de gas de AH, carburación del casquillo expuesto y disrupción del efecto de refrigeración (especialmente ducha o aspersión). El agrietamiento en una camisa o canal sellado es difícil de localizar y puede resultar en largos tiempos de parada para reparación. La entrada de agua en el horno (frecuentemente cuando está fuera de línea y la presión interna no puede prevenir la entrada de agua por grietas) puede tener efecto perjudicial en el revestimiento. El agua en el horno puede ser potencialmente peligrosa por riesgo de explosión (vapor o hidrógeno). Dado que la refrigeración por ducha y camisa dependen de la placa para conducir el calor al medio refrigerante, la refrigeración por placas y estacas están configuradas para aislar el casquillo del proceso.

Refrigeración por Placas y Cigarros

La instalación de elementos de refrigeración a través del casquillo (Fig. 11) ha sido una importante mejora de diseño resultando en refrigeración efectiva del revestimiento y protección del casquillo. La refrigeración se proporciona a lo largo de la penetración del elemento en el revestimiento. Los elementos insertados proporcionan soporte mecánico positivo al revestimiento. La fabricación típica de placas es cobre fundido de alta conductividad. Se pueden incorporar pasadas simples o múltiples de agua. Cajas de refrigeración con sección vertical mayor se han producido de acero fundido, hierro o cobre.

Refrigeradores tipo cigarro (cilíndricos) de acero y/o cobre también se han usado exitosamente. La filosofía de refrigeración densa por placas (paso vertical de 350-400 mm centro a centro, y paso horizontal de 600 mm centro a centro) ha mejorado el efecto de refrigeración y aumentado la vida del revestimiento.

Las placas de cobre tradicionalmente se anclaban en la placa del casquillo con barras de retención o conexiones atornilladas para permitir reemplazo rápido si ocurría fuga. Más recientemente, se han diseñado placas con secciones de acero en la parte posterior para soldar directamente al casquillo. Aunque a veces tardan más en reemplazar, este tipo proporciona sellado positivo contra fuga de gas de AH. Las placas se instalan típicamente en áreas arriba donde se recoge el hierro líquido. Por tanto, el punto medio de los pechos de sopleteos hasta la parte inferior de la armadura de garganta es el rango de aplicación.

Refrigeración por Estacas (Staves)

Elementos de refrigeración de hierro fundido (placas Shannon o estacas) se han usado por años en áreas de panza y paredes del hogar. Estas fundiciones tienen pasajes de refrigeración de gran sección transversal. Aunque su vida útil no ha sido notable en la panza, múltiples campañas han sido normales para las paredes del hogar. Estas estacas frecuentemente sufrieron de bajas tasas de flujo de agua de calidad marginal (incrustación y depósito/acumulación de residuos) y a veces porosidad de fundición. Fugas de agua en la pared del hogar pueden ser un problema considerable.

En los años 50, la entonces URSS desarrolló un nuevo tipo de estaca (Fig. 12) y «refrigeración por estacas de evaporación natural». Para este diseño, las fundiciones eran de hierro gris conteniendo tubos de acero para pasos de agua. Los tubos se recubrían antes de la fundición para prevenir carburación del tubo y contacto metalúrgico con el material de la estaca. Las estacas se instalaban en filas horizontales con el horno y los tubos de refrigeración proyectaban a través del casquillo. Columnas verticales de estacas se formaban por la interconexión de los tubos proyectados de una estaca hasta la correspondiente en la fila siguiente. Las estacas pueden aplicarse a todas las paredes en zonas debajo de la armadura. Las estacas en pared del hogar y pechos de sopleteos se suministran con caras lisas. Las de panza, manto/vientre y chimenea normalmente tienen rebajes para instalación de refractario.

La evolución del diseño de estacas ha sido dramática. Las estacas en áreas de mayor carga térmica ahora se funden típicamente de hierro dúctil para mejor conductividad térmica y resistencia al agrietamiento. Mientras los diseños iniciales usaban refractario colable (instalado tras la instalación de la estaca dentro del horno), las costillas ahora normalmente incorporan ladrillos refractarios, ya sea fundidos en el lugar (con el cuerpo de la estaca en la fundición) o deslizados y morterizados antes de la instalación. La Fig. 12 muestra estacas y generaciones de desarrollo.

Normalmente se reconocen cuatro generaciones de estacas en la industria:

• Primera generación: Ya no se usan normalmente. Cuatro circuitos de refrigeración del cuerpo (con curvas de radio largo que no enfrían eficazmente las esquinas). Fundición de hierro gris con refractario colable en costillas.
• Segunda generación: Cuatro circuitos con curvas de radio corto para mejor refrigeración de esquinas. Fundición de hierro dúctil con ladrillos de costilla fundidos o pegados en el lugar.
• Tercera generación: Refrigeración de doble capa incorporando cuatro o seis circuitos del cuerpo (cara caliente) y uno o dos circuitos serpentina de cara fría para refrigeración adicional o de respaldo en caso de pérdida de circuito de cara caliente. Tienen refrigeración adicional en bordes (superior e inferior). Uso más frecuente como bordes refrigerados para soportar revestimiento refractario. Ladrillos de costilla fundidos o morterizados.
• Cuarta generación: Refrigeración de doble capa (similar a tercera). Tienen bordes refrigerados y revestimiento de ladrillo de pared fundido eliminando la necesidad de revestimiento interior de ladrillo colocado manualmente.

Las estacas con bordes de cara caliente son más efectivas para retener revestimiento de ladrillo que las de costillas lisas. Sin embargo, una vez que el revestimiento desaparece, los bordes quedan muy expuestos. Los bordes interrumpen el descenso de carga y ascenso de gases. Los bordes expuestos tienden a fallar rápidamente. Frecuentemente se sirven por agua de refrigeración separada de los circuitos principales. Así, circuitos de bordes con fugas pueden localizarse o aislarse más fácilmente. Algunos fabricantes ahora proporcionan fundiciones de bordes separadas para que el agrietamiento y pérdida de bordes no dañe las estacas principales. También hay un cambio actual en la filosofía para abandonar la aplicación de bordes completamente.

Variaciones de los tipos básicos son comunes. Por ejemplo, estacas de cuarta generación usando refractario colable para revestimiento de pared se han empleado exitosamente. Alternativamente, revestimientos de ladrillo se han anclado a los cuerpos de estacas. Estos enfoques pueden usarse para sustituir bordes de soporte de ladrillo.

Una «quinta» generación ha sido desarrollada: la estaca de cobre (Fig. 13). El desarrollo se realizó en Japón y Alemania para uso en panza, vientre y chimenea inferior para hacer frente a altas cargas térmicas y grandes fluctuaciones de temperatura. Japón optó por estacas de cobre fundido, Alemania por placas de cobre laminado con tolerancias externas cercanas y taladrado para pasajes de refrigeración. Las estacas de cobre taladradas y tapadas se diseñan típicamente para cuatro tubos de agua en línea recta arriba y cuatro abajo. Materiales para bobinas internas incluyen monel, cobre o acero. A diferencia de las estacas de hierro fundido, las de cobre están destinadas a unirse al tubo de refrigeración.

El desarrollo de la estaca de cobre fundida con tubo consideró: Para prevención de deformación, diseño apropiado de longitud y puntos de sujeción atornillados es importante. El uso de estaca de cobre fundida con tubo de acero con su propio diseño es beneficioso para reducir eficazmente el riesgo de deformación. Una estaca laminada se sujeta al casquillo por pernos y pasadores. Para prevenir que la soldadura en la base de un tubo ascendente se dañe por tensiones, la tubería ascendente se conecta al casquillo por junta de expansión. Debido a esta estructura, los extremos superior e inferior de las estacas se desplazan libremente, causándoles deformación fácil. La gran carga térmica aplicada repetidamente a la estaca de cobre por fluctuaciones en operaciones de AH, causa acumulación gradual de deformación plástica, resultando en gran deformación. Hay casos donde la deformación en el extremo superior alcanzó 50 mm o más y se rompió una soldadura, bajo condición de estaca demasiado larga, posición inapropiada de pernos, o carga térmica alta excediendo la condición de diseño.

Actualmente, el tipo más popular de estaca de cobre es la laminada, cuyo proceso de fabricación implica taladrar agujeros en una placa de cobre. Los extremos de los canales de agua se sueldan por tapón. La estaca de cobre fundida con tubo de acero, desarrollada, se hace fundiendo tubos de acero doblados en el cobre, proceso completamente diferente al de la estaca laminada convencional. Este método único ha permitido lograr alta eficiencia energética y larga vida de AH, que no se puede lograr con la estaca laminada.

La refrigeración por estacas de evaporación natural (NEVC) es una técnica donde agua de calidad de caldera se introduce en la fila inferior de estacas y fluye por medios naturales hacia arriba por los circuitos verticales. A medida que el calor del proceso conduce a través de la estaca y el tubo hacia el agua, esta se calienta. Al calentarse, se expande. Como agua más fría se introduce abajo, el agua caliente tiende a moverse hacia arriba. En algún punto del circuito vertical, el agua está en punto de ebullición. Al cambiar de fase a vapor, por calor latente de vaporización, se absorbe calor adicional (impulsando el cambio de fase). Tras comenzar la ebullición, flujo bifásico (mezcla agua-vapor) asciende por los tubos a la parte superior. Normalmente, en la plataforma superior del horno hay tambores separadores de vapor para extraer y ventear el vapor a la atmósfera. Agua de reposición se introduce en el tambor (para reemplazar el vapor descargado). El agua se tubería de vuelta por gravedad al fondo del horno y se alimenta nuevamente a las estacas. Esta técnica es muy eficiente y de bajo coste operativo. No hay equipos de bombeo. Las mejoras han sido impulsar el flujo de agua con bombas de recirculación (refrigeración por evaporación forzada - FEVC) para asegurar flujo uniforme y enfriar el agua recirculada (refrigeración por agua fría forzada - FCWC). Ambos enfoques han resultado en mejor vida de estacas y revestimiento.

Las estacas proporcionan excelente protección al casquillo durante su vida útil (extendida mientras el revestimiento interior de ladrillo permanece). La aplicación de estacas se ha implementado en todas las áreas del horno desde pared del hogar hasta chimenea superior inclusive.

Un inconveniente para la conversión de un horno existente con refrigeración por placas a estacas puede ser el coste de un nuevo casquillo. Sin embargo, si el casquillo existente ya está en mal estado y ha de ser reemplazado de todos modos, el coste de conversión no es un factor mayor.

Zona de Colada (Cast House)

La zona de colada (Fig. 14) es el área o áreas en el AH donde se colocan equipos para extraer de forma segura el arrabio y la escoria líquida, separarlos y dirigirlos a los equipos o instalaciones de manejo apropiados. El arrabio y la escoria se extraen a través del agujero de vaciado. Solo ocasionalmente hoy la escoria se vacía por la muesca de escoria. Los equipos para el agujero de vaciado deben ser fiables y necesitar mantenimiento mínimo. Los hornos típicamente vacían 8-11 veces al día.

Pistola de Arcilla (Mud Gun)

La pistola de arcilla se usa para cerrar el agujero de vaciado tras el vaciado. Una cantidad de masa de tapón se empuja por la pistola para llenar el agujero desgastado y mantener una cantidad de masa (el «hongo») dentro del hogar. La pistola se mantiene normalmente en el agujero hasta que la masa cura y el agujero queda tapado seguramente. Una pistola hidráulica usa potencia hidráulica para girar, mantener y empujar la masa. Presión típica de inyección de 20-25 MPa, permitiendo empujar masa viscosa en horno operando a altas presiones. La pistola hidráulica se mantiene contra el horno con fuerza equivalente a 15-35 toneladas. Este tipo puede girar a posición en un solo movimiento.

Una pistola electromecánica tiene tres accionamientos eléctricos separados para giro de unidad, posicionamiento de cañón y apisonado. Por tanto, se necesitan varios movimientos separados para posicionamiento preciso. Presión de inyección de 5-8 MPa. La pistola electromecánica se sujeta al horno para mantenerla en posición durante el tapado.

Taladro de Agujero de Vaciado

El taladro perfora un agujero a través de la arcilla del tapón hacia el hogar. Una unidad taladro se gira a posición hidráulicamente y se mantiene hidráulicamente en posición de trabajo. Un motor neumático alimenta la unidad de martillo perforador (con varilla y broca) en el agujero. Aire comprimido se alimenta por el centro de la varilla y broca para enfriar la broca y expulsar la masa removida. Cuando la varilla ha penetrado en el hogar, se retrae y el taladro se aleja del chorro de arrabio.

Técnica de Barra de Remojo (Soaking Bar)

La aplicación de la práctica de barra de remojo ha mejorado el proceso de vaciado. Cuando la masa de tapón aún es maleable tras el tapado, una barra de acero se introduce en el agujero por el taladro. Mientras la barra permanece en su lugar entre vaciados, se calienta por conducción desde el arrabio del hogar. Esto permite el curado de la masa a lo largo de toda su longitud (en lugar de curar con el horno y fijarse en el exterior cerca de los elementos de refrigeración). La masa curada es más resistente a la erosión durante el vaciado, mejorando el control de la tasa de flujo. Se necesita menos masa para volver a tapar. Cuando se abre el agujero, un dispositivo de sujeción y un martillo inversor en el taladro extraen la barra. El tiempo de apertura puede controlarse (predecirse) más fácilmente que por taladro convencional. Esta característica es importante para operación suave y programación de entrega de arrabio a instalaciones posteriores.

Equipos de Agujero de Vaciado en el Mismo Lado

La pistola y los taladros normalmente se instalaban en lados opuestos del agujero. El desarrollo de diseño ha permitido instalación en un solo lado. El taladro gira sobre la pistola o viceversa. Este tipo de instalación facilita mejor acceso para mantenimiento de agujero y canal, y mejor aplicación de captación de humos en área de canal y agujero.

Con la llegada de plataformas de acceso a sopleteos para facilitar inspección y reemplazo de sopleteos y cañas, el espacio libre para equipos de agujero ha disminuido. Sin embargo, instalaciones en el mismo lado pueden lograrse con poco espacio libre (ej. 2,2 metros).

Sistema de Canal y Corredores (Trough and Runner)

Las tasas típicas de vaciado de arrabio y escoria están en el rango de 4-6 y 3-5 toneladas por minuto, respectivamente. Los sistemas de canal y corredores deben diseñarse para separar adecuadamente hierro y escoria y transportarlos lejos del horno para tasas dentro del rango normal y para tasas pico inusuales.

El canal de arrabio (Fig. 15) es una tolva revestida de refractario en el suelo de la zona de colada diseñada para recoger hierro y escoria tras la descarga del horno. El arrabio fluye por el canal, bajo un desescoriador y sobre un dique hacia el sistema de corredores de arrabio. El nivel de arrabio en el canal está dictado por el dique. Un diseño adecuado sumerge la parte inferior del desescoriador en el baño de arrabio. La escoria, más ligera, flota por el canal sobre el baño. Al no poder hundirse y pasar por la abertura del desescoriador, se acumula sobre el baño hasta que volumen suficiente desborda un dique de escoria y corre por el corredor de escoria. Al final del vaciado, la altura del dique del corredor de escoria se reduce para drenar la mayor parte. El arrabio residual se retiene en el canal para prevenir oxidación y choque térmico del revestimiento.

Cuando se necesita mantenimiento del revestimiento del canal, el baño puede vaciarse removiendo el dique de arrabio, abriendo una compuerta de drenaje, o perforando el lado del canal (en su punto más bajo) con un taladro de drenaje. El fondo del canal normalmente tiene pendiente mínima del 2% para drenaje efectivo. Diseño de sección transversal y longitud son importantes para patrón efectivo de flujo, retención y separación de hierro y escoria. Un buen diseño resulta en mejoras en el rendimiento de arrabio. Técnicas efectivas de revestimiento y refrigeración son importantes para vida del revestimiento, temperatura del arrabio, y consideraciones de protección térmica de acero estructural y hormigón. Tradicionalmente, los canales se contenían en cajas de acero «enterradas en arena» en el sistema de suelo. Diseños mejorados incorporan convección de aire forzada o natural, o refrigeración por agua.

La práctica en zona de colada necesita corredores lo más cortos posible. Esto minimiza pérdida de temperatura del arrabio y reduce mantenimiento de corredores y generación de humos. Corredores más cortos también pueden resultar en menor gasto de capital para instalación o modificación de edificio de zona de colada. Dado que los corredores deben inclinarse alejándose del horno, el suelo normalmente sigue la misma pendiente.

Los corredores de escoria se diseñan normalmente con pendiente mínima del 7%. La escoria puede dirigirse a: (i) cucharones para transporte ferroviario o móvil a sitio remoto, (ii) fosas adyacentes al horno para enfriamiento al aire y granallado con agua antes de excavación por equipos móviles, (iii) instalaciones de granulación adyacentes para conversión de escoria líquida a granulada. Unidades de granulación tienen sistemas para eliminar emisiones de humos asociadas a problemas ambientales.

Los corredores de arrabio se diseñan normalmente con pendiente mínima del 3%. El arrabio se dirige normalmente a cucharones de transferencia (torpedos / cucharones abiertos) para movimiento a acería o máquinas de colada de lingotes. Mientras la práctica normal es tener un sistema de corredor con compuertas de derivación dirigiendo arrabio a diferentes posiciones de colada, cada una con cucharón, la aplicación de corredor basculante ha sido beneficiosa. Un corredor basculante normalmente tiene actuador accionado por motor eléctrico (con volante manual de respaldo), y se inclina ~5° para desviar el arrabio. Un baño de arrabio se mantiene en el corredor para minimizar salpicaduras y desgaste refractario. Cuando un cucharón se llena, el corredor se inclina al lado opuesto para llenar el otro. Si se necesita, una locomotora remueve el cucharón lleno y coloca uno vacío. Esto puede hacerse sin tapar el horno. Al terminar el vaciado, el corredor se inclina 5° adicionales para vaciar su baño en el cucharón.

El diseño moderno incluye suelos planos, donde el corredor está completamente cubierto y a ras del suelo. Esto permite uso más seguro y fácil de vehículos móviles. El uso de equipos radiocontrolados y otros dispositivos han ayudado a reformar el trabajo en zona de colada, y junto con sistemas efectivos de control de emisiones, han mejorado las condiciones de trabajo. A medida que aumenta el diámetro del hogar, hay necesidad resultante de aumentar el tamaño de la zona de colada. Los AH grandes se diseñan normalmente con cuatro agujeros (Fig. 14). Con configuración de cuatro agujeros, la disposición debe proporcionar espacio suficiente para movimiento alrededor del suelo. No hay problemas de diseño asociados mientras se proporcione el espacio necesario en el plano del sitio. Aumentar el tamaño de la zona de colada no representa un cambio radical en la filosofía de diseño que desafíe al diseñador. Un vaciado eficiente y estrictamente controlado es necesario para asegurar operación estable y alta productividad.

Control de Emisiones

Los requisitos y aplicaciones de captación de humos varían considerablemente. Los AH actualmente tienen sistemas de captación totales, parciales o incluso nulos. Capacidad de ventilador y filtro de mangas del orden de 9.000-11.500 m³/min (dependiendo de prácticas de operación y diseño) es típica para captura total de humos en instalación de zona de colada de dos agujeros (para corredores de canal y basculantes).

El diseño y aplicación adecuados de cubiertas de captación en corredores pueden facilitar el acceso (configuración de suelo plano usando losas o placas de acero) para personal y cruce de equipos móviles. Las cubiertas también pueden reducir pérdida de temperatura del arrabio y mejorar la longevidad del refractario.

Algunos hornos usan supresión de llama que elimina el oxígeno en el aire directamente sobre el canal y corredores de hierro. Los productos de combustión previenen la oxidación de la superficie del arrabio reduciendo partículas visibles y humos.

Otros Aspectos del Diseño del AH

Es necesario un estudio completo de cada elemento en la cadena de proceso, desde la entrega de materias primas hasta el consumo de arrabio, para asegurar que no hay «cuellos de botella» que impidan al horno cumplir los objetivos de su instalación. Durante el diseño, se debe usar pensamiento para desarrollar el diseño y considerar alternativas antes de congelarlo. Se deben seleccionar equipos que mejor satisfagan las necesidades de operación.

El diseño debe asegurar: (i) capacidad para cumplir objetivos operacionales de producción, productividad (t/día/m³ de volumen de trabajo), consumos específicos (kg/t de arrabio) y calidad del producto de forma rentable; (ii) flexibilidad para aceptar y absorber cambios en calidad de materias primas; (iii) capacidad para lograr la vida de campaña deseada tanto en tiempo como en producción total.

La justificación financiera es la consideración principal. Para ello, el estudio económico debe ser muy extenso. Además, el diseño debe incluir los últimos desarrollos tecnológicos para que el horno no quede obsoleto durante su campaña.

El volumen de trabajo es el volumen interno calculado entre los sopleteos y la línea de carga. La productividad del hogar se mide en t/día/m³ de volumen activo. El volumen activo es el volumen interno entre sopleteos y agujero de vaciado. Mide la capacidad de retención de líquidos producidos en el volumen de trabajo (sobre los sopleteos). Por tanto, t/día/m³ de volumen activo mide la capacidad específica (rendimiento por unidad de volumen) del hogar.

El diseño del hogar es muy importante ya que afecta fuertemente la operación. La operación se afecta porque los niveles de líquido cambian rápidamente causando variaciones en patrón de flujo de gas, utilización de gas y presión de soplado. También, por estos cambios rápidos, puede haber atasco/quemado de sopleteos afectando el soplado.

El volumen del hogar también determina los controles que el operador debe ejercer. Para un control muy bueno de nivel de líquido, un horno de alto rendimiento necesita ~90% del tiempo en vaciado. Para hacer esto posible, el suelo de colada debe diseñarse adecuadamente.

El revestimiento y sistema de refrigeración necesitan atención especial para no plantear problemas durante toda la campaña. La selección de refractarios, elementos de refrigeración y geometría interna es muy importante. Las estacas de cobre son caras pero muy económicas comparadas con alternativas. El revestimiento de carbono del hogar es muy importante para larga vida. El espesor del revestimiento de la chimenea tiene implicación en el volumen de trabajo.

La producción necesaria normalmente determina el tamaño del AH. Sin embargo, para el dimensionamiento, las materias primas, química del producto y filosofía operativa son importantes. Mientras el tamaño implica coste capital, la mejora de productividad implica coste operativo. La productividad específica debe determinarse para el tamaño necesario. Desde el amplio rango de tasas operativas posibles, se calcula el volumen de trabajo. La productividad y tamaño también deben basarse en la tasa de combustible. Esta depende de calidad de materias primas, parámetros de aire caliente, calidad de arrabio y filosofía operativa.

El tamaño es el factor más importante para determinar la productividad. Sin embargo, otros factores también influyen. Los más importantes incluyen: (i) temperatura y presión de aire caliente, (ii) alta presión superior, (iii) enriquecimiento de oxígeno del aire de soplado, (iv) inyección de combustible auxiliar en sopleteos, (v) carga preparada (sinter, pelotas), (vi) contenido de Fe de la carga ferrífera, (vii) cenizas en coque, (viii) calidad del coque, (ix) humedad de la carga, (x) carga directa de fundentes (caliza, dolomita), (xi) contenido de finos en la carga, (xii) calidad del arrabio a producir, (xiii) control de distribución de carga en el horno, (xiv) nivel de automatización y control.

La disponibilidad de equipos, provisión de equipos de reserva y filosofía de mantenimiento son factores importantes con alta influencia en la producción anual. Además, la incorporación de prácticas seguras y saludables en el diseño es importante y tiene alta influencia en la producción. En este sentido, se deben proporcionar interbloqueos de seguridad en todos los lugares donde exista posibilidad de prácticas inseguras.