Automatización, medición y control de alto horno: soluciones de alto rendimiento

La operación eficiente del alto horno moderno exige un alto grado de automatización combinado con sistemas de medición, monitorización y control. La sinergia entre el sistema de control de proceso y el de optimización crea una automatización inteligente que, mediante modelos sofisticados y sistemas expertos, asiste al operador y minimiza errores humanos.

De control estático a control dinámico en tiempo real

Tradicionalmente se usaban cálculos estáticos de «caja negra» para predefinir puntos de consigna con realimentación limitada, válidos solo cerca del punto estacionario. La inestabilidad inherente del proceso hace que pequeñas perturbaciones causen grandes desviaciones que requieren corrección de consignas mediante métodos de inteligencia artificial. Hoy, sensores y técnicas de medición avanzadas proporcionan información en tiempo real, permitiendo evaluar modelos dinámicos y pasar de la supervisión al control proactivo en lazo cerrado.

El enfoque básico considera el alto horno como un sistema con refrigeración por agua donde se alimentan materiales y energía, ocurren reacciones exotérmicas y endotérmicas, y se disipa energía como calor en superficies refrigeradas y calor sensible en gases de escape. Los objetivos centrales son: operación con coste optimizado, mejoras sin comprometer la selección de materiales de carga, máxima calidad del producto y productividad deseada, todo reduciendo impacto ambiental.

Arquitectura del sistema de automatización

El sistema consta de PLC y HMI en Nivel 1 (control de procesos críticos) complementados por soluciones de Nivel 2 (modelos de proceso, sistemas expertos, herramientas de programación) que cubren la operación global o partes específicas (estufas de aire caliente, carga del horno). Un sistema experto integra las soluciones de Nivel 2, ofreciendo control del alto horno, análisis de datos en tiempo real, optimización de proceso y análisis diferido, asistiendo al operador con un sistema basado en conocimiento e informando KPIs y producción.

La red de control de área local (basada en *Modbus plus* peer-to-peer de alta velocidad) conecta controladores de proceso y estaciones de operación, logrando control de alta precisión con información gráfica en línea. El control de estufas y optimización de carga con interblockos a prueba de fallos aseguran operación estable, reproducible y calidad constante de arrabio.

Instrumentación distribuida digital

Los altos hornos actuales disponen de cerca de mil sensores. La instrumentación analógica convencional resulta inviable en la extensa área de ferretería; la microelectrónica y las autopistas de datos permiten instrumentación digital distribuida con ventajas clave: sistemas inmunes a ruido electromagnético, procesamiento avanzado de señales y control, mayor fiabilidad por redundancia, visualización compacta en pantallas CRT, flexibilidad para cambios/ampliaciones, intercambio fácil con sistemas superiores y menor coste instalado por función añadida. El protocolo HART (híbrido analógico+digital) comunica sobre lazos 4-20 mA existentes.

Técnicas de medición internas y externas

Las temperaturas en la zona inferior superan 2000 °C, donde la mayoría de tecnologías intrusivas fallan; por ello las mediciones *in-situ* se concentran en la zona de carga o encima de ella. Sondas fiables son esenciales para alimentar modelos de proceso y sistemas de supervisión. Permiten establecer:

• Perfil de temperatura y química del gas de tope.
• Trayectorias de caída de materiales, nivel y perfil de la línea de carga (*stock-line*).
• Acumulación, mezclado y descenso de capas de carga.
• Perfiles de gas y temperatura en la columna de carga.
• Condiciones del *raceway* y lecho de coque.
• Calidad de arrabio y operaciones de vaciado.

Las técnicas principales para cuantificar la distribución de carga son:

Sonda sobre-carga (*above-burden probe*)

Termopares a diferentes posiciones radiales miden temperaturas de gas sobre la superficie de carga, indicando condiciones de permeabilidad. El gas se mezcla antes de alcanzar la sonda, pudiendo sub/estimar temperaturas; requiere montaje cercano a la superficie, arriesgando daños por fluidización.

Sonda en-carga (*in-burden probe*)

Instaladas bajo la superficie y sobre la zona cohesiva, soportan mayor temperatura y abrasión; son retráctiles y se insertan solo al muestrear. Miden temperatura y composición de gas en puntos radiales con mayor precisión que la sonda sobre-carga, aunque el resultado depende de la capa donde se encuentra el punto de muestreo.

Detector de línea de carga (*stock-line detector*)

Obtiene la altura de la superficie de carga tras cada volcado. Hornos modernos usan radar sin contacto, eliminando tiempos de bajada de peso mecánico. Una caída brusca indica *slip* (deslizamiento), alerta para el operador.

Medidor de perfil (*profile meter*)

Radares móviles en canal horizontal o fijos en juntas rotativas (perfil 3D) miden altura de superficie en varios puntos radiales y estiman velocidad de descenso. Ventajas: medición fiable independiente de polvo, composición y alta temperatura; alta certeza incluso durante llenado; operación libre de desgaste y mantenimiento.

Sonda vertical (*vertical probe*)

Cables con sensores bajados hasta la superficie y arrastrados por sólidos en descenso miden temperatura, presión y muestrean gas a lo largo de la altura; pueden incluir cámara para distribución de tamaño de partícula. La longitud erosionada indica la zona cohesiva. Aportan máxima información pero son costosas y requieren equipos complejos de alimentación.

Termopares en paredes

Cambios bruscos en lecturas indican caída de *skull* (masa solidificada estancada). La vida útil es limitada por contaminación/migración de materiales a alta T y P; vainas metálicas fallan >1200 °C; alternativas cerámicas se rompen por expansión/contracción; alivios bruscos de presión (*snorting*) causan caídas de 20-30 °C por ~30 s, inutilizando la señal para control automático de inversión de estufas. Pirómetros infrarrojos bien instalados superan estos problemas.

Manómetros en pared del horno

La presión de gas medida en distintos puntos de la pared (flujo horizontal por rendijas de coque) permite estimar la forma de la zona cohesiva.

Otras mediciones

Presión, temperatura, composición de gas de tope; caudal y ΔT de agua de refrigeración; condiciones de soplado; variables de arrabio y escoria; sonda *belly*; cámaras IR para temperatura de superficie de carga; termopares *skin-flow* (mini-sondas). Sondas adicionales: escáner de material, sonda de tobera (*tuyere*), muestreador de *core*, sonda de impacto, radar de nivel en cuchara torpedo, medición de resistencia en carcasa.

Funcionalidades centrales para optimización del alto horno

El sistema de optimización eleva la automatización a un nuevo nivel: base robusta y probada que asegura alta disponibilidad y combina eficientemente adquisición, procesamiento y visualización de datos. Almacena espectro amplio de datos brutos (señales de frente, cargas, datos de laboratorio, eventos, resultados de modelos, costes) durante toda la vida de la planta. Herramientas especializadas vinculan información de proceso con datos de análisis y matrices de carga. Interfaces flexibles, modularización y arquitectura software fiable facilitan adaptación a cambios en materias primas, filosofía operativa y conectividad con terceros.

Modelos metalúrgicos interactivos apoyan decisiones diarias de operadores y jefes de línea, haciendo transparente el proceso. Requisitos específicos de planta se incorporan a los modelos. Modelos dinámicos muestran y predicen estado de proceso continuamente y permiten controlar parámetros con la estrategia adecuada. El estado del proceso se determina a partir de instrumentos de campo. Ejemplos de modelos desarrollados:

• Distribución de materiales y posición de zonas específicas.
• Distribución de gas.
• Distribución de temperatura.
• Estado térmico del horno y sus partes.
• Composición química de arrabio y escoria en zona de goteo.
• Nivel de líquido en el hogar.
• Geometría de zonas de material (zona cohesiva, zona de goteo, *dead man*, resistencia térmica a largo plazo).
• Geometría del shaft (andamios/*scaffolds*).

Modelos analíticos, empíricos y heurísticos calculan cíclicamente estado geométrico, térmico y de materiales. El modelo predictivo simula en tiempo real con datos reales de entrada: procesos de flujo de gas, material, térmico, químico, físico y geométrico. El estado del horno se determina por elemento con balances de calor y materia, cerrados con datos de laboratorio e instrumentación. Reacciones químicas básicas integradas en el modelo.

Transparencia *end-to-end* en tiempo real mediante visualización actualizada y modelos metalúrgicos mejora colaboración, flujos de trabajo, reduce errores y apoya la toma de decisiones. Parámetros clave como temperatura de llama y porcentaje de reducción indirecta se implementan como *soft sensors*, indistinguibles de mediciones convencionales.

La TI siderúrgica migra hacia acceso móvil; el HMI debe ser *responsive* y flexible (escritorio o multi-touch), simple para que operadores trabajen eficientemente.

Automatización por áreas

Casa de carga y carga del horno (*stock-house & furnace charging*)

Desde sistemas de vagón-báscula hasta sistemas totalmente automáticos de transportador/criba/alimentador, proporcionando mineral, coque y materiales varios a hornos alimentados por *skip* o cinta. Incluye creación remota de recetas por HMI con programa «charge master» totalmente automatizado, que rastrea el flujo desde silos de casa de carga hasta tope del horno, con corrección de error de peso en seco y compensación de error de pesaje, manteniendo composición y nivel de carga correctos. Sistema esencial de captación de polvo para emisiones de manejo de materiales. Sistema de carga basado en materiales permite asignación dinámica a silos; matriz de carga relacionada con materiales disponibles, no con silos, dando flexibilidad sin ajustes de programa. Compensación inteligente de desviaciones de dosificación. Control de casa de carga calcula solapamientos en cinta transportadora (horno alimentado por cinta). Seguimiento integral de materiales desde casa de carga a tope de horno para operación fluida y eficiente.

Carga en tope de horno (*furnace top charging*)

Incluye: programación de control para entrega campana chica/grande y sistemas sin campana (*bell-less*); monitorización y control de nivel de *stock-line*; sistemas de presurización y alivio de tope; sistemas de lubricación; instrumentación HART mínima con capacidad de interfaz HART; diseño seguro para control de válvulas de alivio *bleeder* e hidráulica asociada. Soluciones de distribución inteligente para todos los tipos estándar de sistemas de distribución (especialmente *bell-less*): lógica de anillos mejorada con opciones de carga espiral, anillos completos, distribución por peso o tiempo; modificaciones flexibles y marginales entre cargas individuales. Carga por sectores/puntos (*spot/sector*) para reaccionar a estado real del horno bajo condiciones exigentes. Distribución de forma libre suave combina anillos y puntos con variaciones de velocidad del distribuidor. Control de distribución de carga en lazo cerrado: basado en mediciones radiales de temperatura en el *shaft*, el modelo calcula modificaciones del patrón de distribución para lograr perfil de temperatura objetivo. Soporta sonda en-carga o sobre-carga con técnicas convencionales y acústicas.

Horno propiamente dicho y hogar (*furnace proper & hearth*)

Controles para monitorización, tendencias y alarmas de temperatura de proceso; análisis de gases de escape; sistemas de sonda sobre-carga y en-carga. Parte del sistema de monitorización: cálculos de proceso/producción y modelos de terceros proveen guías operativas: isotermas de hogar y pared lateral, distribución de carga, molienda e inyección de carbón pulverizado, detección de fugas en toberas y pérdidas de calor, cálculos de proceso (temperatura adiabática de llama, permeabilidad, velocidad en tobera), datos hacia/desde Nivel 2 (archivos históricos y modelos de proceso). Operación optimizada necesita carga precisa de materias primas (sinter, *pellets*, minerales, coque, fundentes, aditivos). Para modificar consignas de carga se consideran tasa de coque, basicidad de escoria, análisis reales de materias primas y su influencia en parámetros del horno; procedimiento complejo asistido por modelo computacional. Modelo de control de carga calcula matriz de carga basada en composición optimizada; modelo de distribución de carga mejora utilización de gas mediante distribución precisa.

Con el sistema de optimización, operadores tienen transparencia total de datos a lo largo del proceso. Variedad enorme de datos de proceso y meta-datos (turnos, alarmas, materiales) se vuelven transparentes, accesibles y comprensibles mediante informes concisos. *Smart tiles* muestran información en vivo de aplicaciones favoritas incluso si no están en ejecución. Ante desviaciones significativas, datos de producción relacionados cobran vida en la pantalla principal, permitiendo decisiones y acciones correctivas inmediatas.

Modelo de control de carga (*burden control model*)

Establece composición de carga precisa que cumple objetivos de tasa de coque y combustible inyectado, basicidad de escoria, calidad de arrabio y tasas de alimentación. Resultado final: matriz de carga transferible a automatización básica con un clic. Combinado con sistema experto, es pieza central de optimización automática de composición de carga. Beneficios: calidad de producto constante (composiciones químicas de arrabio y escoria en objetivo), modificaciones de carga independientes de turno (cálculo automático con últimos análisis y procedimientos estandarizados), sin interacción manual del operador para calcular y activar nueva matriz.

Modelo de distribución de carga (*burden distribution model*)

Chutes *bell-less* y campanas con armadura móvil permiten distribución precisa de capas de mineral y coque. El modelo asiste a operadores/jefes para modificar distribución real y mejorar patrón de flujo de gas y permeabilidad según requisitos de proceso. Simula descenso de carga por el *shaft* y calcula forma real de capas en la parte superior. Calcula volumen radial, propiedades químicas y distribución granulométrica considerando segregación. Modo *on-line*: cálculo con datos reales de carga y mediciones de *stock-line* → distribución actual en *upper shaft*; detección oportuna de irregularidades. Modo *off-line*: cálculo con matriz de carga y *stock-line* predefinida → herramienta valiosa para diseñar nuevas matrices de distribución para patrones de flujo de gas y permeabilidad optimizados.

Monitorizado 3D del revestimiento del hogar (*3D hearth lining monitoring*)

La duración de campaña del alto horno depende principalmente de la vida del revestimiento del hogar. Monitorizar espesor de refractario en paredes y fondo del hogar es clave para estimar vida útil. Modelo de desgaste resuelve el problema inverso de transferencia de calor en 3D basado en evaluaciones estadísticas de mediciones de termopares y conductividades de refractarios. Calcula perfil de erosión y formación de capa de *skull* solidificado. Velocidad de desgaste + espesor restante → predicción de vida del refractario. Interfaz HMI e informes visualizan resultados durante toda la vida del horno: gráficos 3D de líneas de desgaste actual y máxima, comparación con revestimiento original, área isotérmica configurable (ej. 1150 °C), rangos angulares horizontales/verticales seleccionables.

Modelo de cálculo de índice térmico (*thermal index calculation model*)

El consumo energético y la productividad se reflejan en el índice térmico, usado para predecir evolución de temperatura de arrabio y contenido de silicio. Resultado alimenta al sistema experto para control del estado térmico.

Modelo de cálculo de *shaft* (*shaft calculation model*)

Balance de masa basado en datos reales de carga usando materiales de una carga (una capa de coque + una de carga). Cargas individuales rastreadas desde tope hasta zona de toberas. Resultados gráficos permiten seguir cambios en composición y distribución de carga. Calcula cuándo los cambios de carga afectan a arrabio y escoria.

Modelo de plausibilidad de balances de masa y energía (*mass and energy balance plausibility model*)

Genera informes automáticos sobre período predefinido con datos reales de carga, proceso y producción, considerando tiempo de retención en horno. Detecta acumulación de circuitos alcalinos y de zinc o identifica inexactitudes sistemáticas de medición. Algoritmo de plausibilidad indica fuentes más probables de fallos de medición.

Automatización de casa de colada (*cast house*)

Vaciados estables y reproducibles son necesarios para calidad de arrabio y proceso fluido y eficiente. Ambiente limpio y seguro en casa de colada con buen layout, accesibilidad y ergonomía. Máquinas trabajan en conjunto. Incluye: control de pistola de arcilla (*mud gun*) y taladro de topera; monitorización de temperatura de canal y *runner*; operación de *runner* basculante y monitorización de nivel de arrabio en cuchara; parámetros de granulación de escoria; monitorización de sistemas de captación de humos; esquemas de control desde *belly box* radio-operada hasta lógica totalmente automática de armado y taladrado. Modelo de gestión de vaciado calcula tasas reales de producción de arrabio y escoria y tasas de drenaje por toperas abiertas, calculando continuamente cantidad y nivel reales en el hogar. Resultado alimenta al sistema experto que recomienda apertura de topera.

Automatización de sistema de refrigeración del horno (*furnace cooling system*)

Desde refrigeración por aspersión en chapa de carcasa hasta refrigeración de *staves* en lazo cerrado, diversas opciones gestionadas mediante sistema de control bien instrumentado e integrado. Monitorización de flujo de calor y sistemas de tratamiento de agua son esenciales para operación y longevidad de la refrigeración.

Sistema de detección de fugas en circuitos críticos de refrigeración (*leakage detection system*)

Esencial para seguridad. Grietas en expansión o pequeñas fugas en tuberías de refrigeración afectan calidad de arrabio, paran producción, dañan horno o causan pérdida de vidas. Diseñado para cumplir normas de seguridad de sistemas instrumentados para industria de procesos. No es solo parte importante de automatización, sino parte integral de la seguridad del alto horno.

Automatización de estufas y suministro de aire caliente (*stoves & hot blast delivery*)

Ciclo automático de válvulas de estufas para suministro ininterrumpido y consistente de aire caliente. Sistemas para 2, 3 y 4 estufas. Incluye control de gases de proceso y estrategias de disparo (optimización Nivel 1, gestión de quemadores). Aire y gas precalentados reducen gas de enriquecimiento en ciclo de calentamiento. Monitorización y control de aire frío y temperatura de aire caliente, control de inyección de combustible.

Hornos modernos operan cerca de la temperatura máxima de aire caliente que las estufas pueden sostener. Si la temperatura de cúpula no sube lo suficientemente rápido, controles sofisticados enriquecen gas de horno con combustible de mayor poder calorífico para calentamiento más rápido. Control de combustión optimizado: control de exceso de aire, análisis de O₂ o combustibles químicos en gas de chimenea (o ambos), influencia de temperatura de cúpula en ratio de enriquecimiento, secuenciación para 3 o 4 estufas.

Optimización de estufas calientes para alta eficiencia, flexibilidad y ahorro energético. El calentamiento de aire ofrece grandes potenciales de ahorro. Reto: optimizar aporte energético a estufas manteniendo objetivos de temperatura, caudal y tiempo de soplado. Modelo de estufas asegura optimización y ahorro aumentando eficiencia.

Modelo de control combina control directo a corto plazo y algoritmos auto-ajustables a largo plazo. Control rápido corrige tasa de disparo para mantener parámetros operativos. Controles rápidos reducen emisiones CO₂ y maximizan eficiencia. Algoritmos de IA auto-aprendizaje optimizan eficiencia de estufas, permitiendo identificar y corregir errores de medición. Soporta todos los modos de operación con diversos tipos de gas rico. Cubre todos los tipos de estufas (Cowper, Kalugin) y sistemas de precalentamiento y recuperación de calor.

Automatización de planta de limpieza de gas (*gas cleaning plant*)

Gas de alto horno limpiado mediante ciclón/separador de polvo (partículas grandes) y إما hueco anular con aspersión de agua o precipitadores electrostáticos. Gas semilimpio usado para impulsar turbina de recuperación de gas de tope (TRT) para recuperación energética. En cualquier caso, sistemas de limpieza proporcionan control de presión de tope y gas limpio reutilizado para calentamiento de estufas, casa de calderas de central eléctrica, etc.

Sistema experto de alto horno en lazo cerrado (*closed-loop blast furnace expert system*)

Diseñado bajo el principio «las mínimas acciones posibles, las esenciales». Objetivo: optimizar operación y reducir interacciones del operador al mínimo. Sistema experto basado en reglas contrarresta fluctuaciones por cambios en composición/calidad de carga, factores humanos y condiciones de proceso. Respuesta temprana a situaciones anormales/cambiantes → operación más suave. Control preciso del tiempo y anticipación de perturbaciones son cruciales para evitar condiciones críticas y mantener alta producción a bajo coste. Garantiza mejoras considerables en calidad de producto y reducción de consumo de combustible con materiales de carga disponibles.

Recomienda cambios operativos en dos pasos:

1. Diagnóstico de proceso: estudia fenómenos en el horno mediante cálculos técnicos basados en gran cantidad de mediciones y datos de análisis recogidos continuamente.
2. Acciones correctivas: si se necesitan, se proponen. Conjunto extenso de reglas forjado por expertos y operadores experimentados sobre relaciones causa-cura resulta en recomendaciones de *best-practice* y operación independiente de turno. Acciones se ejecutan en modo lazo cerrado o tras confirmación del operador.

Conjunto de acciones correctivas mayores para operación continua e independiente de turno. Guía del experto, especialmente en arranque y parada, ahorra energía y minimiza pérdidas de producción. Operación uniforme prolonga vida del horno. Acciones mayores:

Control de tasa de combustible e inyección

El experto observa estado térmico del hogar y sugiere cambio de tasa de combustible (inyectado o coque) al detectar desviaciones significativas de condiciones óptimas, ejecutable automáticamente según reglas de la base de conocimiento.

Control de basicidad de escoria

Basado en análisis recientes de escoria y datos de temperatura de arrabio, recomienda cambios en composición de carga al detectar desviación de basicidad objetivo. Con modelo de control de carga, calcula automáticamente nueva matriz de carga transferible al sistema de control para ejecución.

Control de enriquecimiento de oxígeno y adición de vapor

Control de enriquecimiento de oxígeno calcula tasa optimizada para alcanzar producción objetivo de arrabio. Evita situaciones críticas por aumentos rápidos de producción. El experto usa adición de vapor para mantener permeabilidad de carga en nivel objetivo. Ciclos de control rápidos permiten ajustar precisamente la adición de vapor a la cantidad necesitada, reduciendo aporte de vapor siempre que posible → ahorro energético directo.