Automatización, control y medición avanzados para operaciones de hornos de coque

El coque metalúrgico se usa en industria siderúrgica (principalmente altos hornos) para reducción de mineral de hierro a hierro y en fundiciones. >90 % de producción total va a altos hornos. Coque de fundición usa mezcla distinta de carbones coquizables, tiempos de coquización más largos y temperaturas menores vs. coque metalúrgico.

El coque representa hasta 50 % de costes en producción de arrabio. Producción coste-efectiva de coque de alta calidad es crucial para competitividad de la producción de hierro. Mayoría del coque mundial se produce en baterías de hornos de coque subproducto (*by-product coke oven batteries*), integradas en complejos siderúrgicos. En condiciones de competencia aguda y bases de carbón fluctuantes, reducir costes de producción de coque es uno de los mayores retos del sector.

Proceso de coquización y sus características

Destilación térmica en grupos de hornos llamados baterías. Batería = hornos adyacentes con paredes laterales comunes de sílice de alta calidad y otros ladrillos refractarios. Pared entre hornos y paredes de extremo = serie de canales de calentamiento (*heating flues*). En todo momento, la mitad de canales en una pared queman gas mientras la otra mitad conveccionan calor residual de combustión a intercambiador *checker brick* y luego a chimenea. Cada 20-30 min la batería «invierte»: canales de calor residual se convierten en combustión y viceversa → calentamiento más uniforme de la masa de carbón.

Operación de cada horno es cíclica, pero batería tiene suficiente nº de hornos para flujo esencialmente continuo de gas de coque crudo. Hornos se cargan y vacían a intervalos aproximadamente iguales durante ciclo de coquización. Coquización normal: 15-18 h para coque de alto horno. Materia volátil del carbón destila como gas de coque. Tiempo de coquización determinado por mezcla de carbones, humedad, tasa de sub-fuego y propiedades deseadas del coque. Baja demanda → tiempos hasta 24 h. Temperaturas 900-1100 °C (lado alto para coque BF). Presión positiva ~10 mm columna agua en baterías (presión hidráulica alta en *hydraulic main*) evita entrada de aire. Gases/hidrocarburos evolucionados salen por sistema *off-take* a planta de subproductos para recuperación.

Coquización completa cuando T central ~950-1000 °C. Horno aislado de *hydraulic mains*, tras ventilar gases residuales, puertas abiertas para empuje (*pushing*). Al final, masa de coque tiene gran contracción volumétrica → desprendimiento de paredes → empuje fácil.

Características clave del proceso:

1. Proceso por lotes (*batch*); operación de cada horno basada en planificación integrada.
2. Tiempo mínimo de coquización grande → alta inercia de la planta.
3. Flujo direccional, dependiente de T y tiempo.
4. Gran nº de variables interfieren.
5. No lineal, múltiples parámetros afectan.
6. Cámara cerrada, calentamiento indirecto por paredes → medición de T muy compleja.

Automatización, control y medición: arquitectura y beneficios

Planta de hornos de coque (COP) es unidad clave: produce coque para reducción en alto horno y gas de coque usado como combustible en varias unidades de acería integrada. Calidad y producción de COP dan estabilidad a operación siderúrgica. COP es altamente energético y tiene retos ambientales. Requiere automatización, control de proceso y medición para eficiencia óptima. Diseño modular da flexibilidad para requisitos específicos. Automatización de secuencias facilita ajustes largos para protección ambiental.

Sistema es herramienta moderna *user-friendly* que mejora productividad y estabilidad. Beneficios: menor consumo energético (reducción gas combustible), estabiliza condición y operación de batería, calidad consistente de coque, reduce emisiones ambientales, aumenta vida de batería, facilita informes y análisis de datos operativos/mantenimiento.

Estructura clásica Nivel 0 (campo) a Nivel 3 (gestión). Seis capas básicas de equipamiento. Figura 1: jerarquía automatización COP.

Equipos eléctricos, elementos de control e instrumentación conectados a E/S remotas redundantes (interfaces 4-20 mA y 24 VDC estándar). Subsistemas inteligentes acoplados por Profibus o Modbus. Todo equipo conectado por red de fibra óptica que recorre todas las ubicaciones relevantes. Todos los datos recogidos y distribuidos por esta red, conectando fuentes y destinos flexible (conexiones físicas *patch panels/switches* y lógicas *network management*). Todos los sistemas comunican entre sí.

Instrumentación y control modernos conectados a PLC o DCS (Nivel 1) con estaciones de operación son estándar. Algunas COP tienen automatización adicional para control avanzado y optimización. Automatización de planta de subproductos (BPP) normalmente por otro DCS especializado en control continuo. Ambos sistemas acoplados por Modbus, diseñados como sistemas de control integrados para equipos eléctricos e instrumentación.

Operación mediante estaciones de control en salas separadas. Además de estaciones para unidades principales, salas con pantallas grandes (división de pantalla), megafonía, acceso intranet. Configuración completa de red y sistema para COP y BPP incluye: nivel E/S remota COP, nivel PLC COP, nivel operación COP, administración de sistema con servidores/red, interfaz a sistemas Nivel 3.

En área COP, DCS integrado en nivel control de proceso. Muchas aplicaciones son funciones de control secuencial, mejor ejecutadas por PLCs. Automatización y control de calentamiento de batería y máquinas mediante sistema Nivel 2 que realiza cálculos de modelos basados en datos procesados del Nivel 1. Nivel 2 da a operadores herramienta avanzada, precisa y fácil de usar para mejorar desempeño operativo y ambiental. Figura 2: automatización y control de proceso Nivel 2 para COP.

Tecnologías de control de proceso clave

Sistema de regulación de presión de horno (*oven pressure regulation system*)

En un instante, presión en hornos individuales difiere (distintas etapas de coquización). Hornos recién cargados: mayor presión; hornos cerca fin coquización: menor presión. Dos efectos: (i) hornos a mayor presión vs. colector principal → más emisiones fugitivas; (ii) hornos adyacentes a presiones distintas → tensiones diferentes en paredes cámara → vida refractaria reducida considerablemente. Solución: regular presiones individuales para mantener presión ligeramente negativa durante todo el ciclo. Sistema desarrollado en 1990s por DMT (Alemania), mejorado continuamente. Aceptado como *Best Available Technique* (BAT).

Mejoras tecnológicas clave:

• Presión horno desacoplada de presión colector.
• Colector principal opera con presión negativa.
• Presión en cada horno controlada individualmente.
• Gases de carga succionados por presión negativa del colector.
• Válvula convencional reemplazada por válvula «fix cup».

En el sistema, «fix cup» instalado entre *standpipe* y colector de gas crudo. Tapón de cierre con dispositivo regulador conectado a varilla de control. Extensión *gooseneck* del *standpipe* termina en *crown tube* que sobresale con ranuras *crown slots* en «fix cup». Dos boquillas pulverizadoras en *gooseneck*: enfrían gas crudo caliente y humedecen colector para evitar incrustaciones de alquitrán/depósitos. Válvula de llenado rápido inunda «fix cup» al desconectar horno del colector. Figura 3: sistema regulación presión horno.

Regulación mediante resistencia de presión variable para gas crudo generado, creada por ranuras en *crown tube*. Ranuras abiertas más/menos por nivel variable de agua en «fix cup». Nivel influenciado por dispositivo regulador de desbordamiento, que mantiene nivel según consigna de presión cámara. Nivel agua en «fix cup» relacionado directamente con posición pistón de paso de dispositivo regulador. Accionamiento: cilindro neumático conectado por varilla; controlado por posicionador doble efecto que recibe info de sistema de control que procesa medición de presión horno.

Presión horno medida en *gooseneck* → transmitida a control. Durante carbonización, presión horno aumenta escalonadamente: ~+3 mm H₂O (0,3 mbar) inicio (máx. gas generado, máx. riesgo emisiones) → ~+16 mm H₂O (1,6 mbar) fin (gas generado → cero, riesgo emisiones muy bajo). Ajuste final de consignas tras mediciones tras puertas a nivel soleta en puesta en marcha. Objetivo: presión más baja posible sin crear succión tras puertas a nivel soleta.

Colector principal en lado empujador (*pusher side*). Tres secciones, cada una con dos *bleeders* para descarga emergencia. Válvulas selladas por agua cierran colector-atmósfera. *Bleeders* neumáticos, apertura automática a presión predefinida. Ignición gases crudos por arco eléctrico antes de abrir *bleeders*. Presión colector controlada por válvula control en cada *off-take main*. Presión negativa de exhauster estrangulada aguas arriba de compuerta → libera solo gas necesario para mantener presión definida.

HMI: múltiples displays para monitorizar/ajustar (modo automático) y operar manual (emergencia). Valores proceso (presión horno, nivel agua fix-cup, estado elementos, último tiempo coquización, mensajes) mostrados. Modo manual: funciones «conectar para carga», «volver a regular», «cerrar tapa standpipe» etc. iniciadas manualmente en secuencia correcta. Interlocks activos para evitar errores. Manual sin PLC/interlocks solo desde panel neumático frente a *standpipe*. Display tendencias por horno seleccionable en HMI.

Analizador de humedad de carbón (*coal moisture analyzer*)

Método fiable medición humedad *on-line*: «microondas con compensación peso por área». Microondas altamente selectivos al agua → precisión alta. Penetran material. Moléculas agua son polares → microondas se debilitan y ralentizan. Constante dieléctrica agua 20x mayor que otros materiales → interacción fuerte medida como atenuación y desfase.

Para evitar reflexión/resonancia afecten medición: múltiples frecuencias usadas y evaluadas → influencias irregulares por cambios geometría (espesor capa) pese a compensación peso/área casi eliminadas. Medición desfase adicional: menos influenciada por perturbaciones → mejor precisión. Combinación atenuación + desfase → reducción perturbaciones → precisión >0,2 % (suficiente para control calentamiento).

Si densidad aparente varía (distintas mezclas carbones, distribuciones granulométricas), se necesita unidad radiométrica adicional. Espesor capa y densidad afectan medición. Se elimina normalizando atenuación y desfase a masa por unidad área (peso/área), determinada por transmisión gamma-ray. Medición transmisión: debilitamiento intensidad gamma-ray (depende peso/área). Resultado: señal humedad independiente de densidad → máxima precisión control óptimo. Si simultáneamente se mide espesor capa cerca fuente gamma (ej. sensor ultrasónico), densidad aparente = peso/área × espesor. Figura 4: montaje sistema medición humedad carbón.

Microondas transmitidas por par antenas *horn*: una sobre banda, otra bajo banda → gran % volumen medido → representación precisa humedad en toda capa (no solo superficie). Fuente gamma (Cs-137) bajo banda, lo más cerca posible antena microondas → misma porción carbón referenciada mismo lugar/tiempo (atenuación/desfase correlacionados con peso/área en tiempo real). Detector gamma (centelleo) centrado verticalmente sobre fuente. Dos antenas, fuente y detector conectados por cables alta frecuencia a unidad evaluación que correlaciona y calcula humedad y densidad aparente en tiempo real. Curvas referencia (calibraciones múltiples: humedad *on-line* vs. laboratorio) almacenadas en unidad para múltiples consistencias/mezclas → compensación fiable influencias ambientales.

Superficie carbón debe ser llana y plana → equipo aplanador delante del montaje. Aplanado en dos pasos: (1) placa acero pesada como rascador; excursión máxima limitada por cadenas para evitar contacto banda goma; pesos ajustables para fuerza rastrillado y camino pavimentado. (2) Trineo, también limitado por cadenas, nivela baches restantes. Si nivel carbón alto o montículos se acercan, rascador/trineo pueden derramar carbón → contenciones de goma en laterales banda. Superficie plana necesaria para señales fiables.

Sistema automático de medición T pared cámara (*automatic chamber wall temperature measurement system*)

Consiste en medición T pared cámara mediante cables fibra óptica refrigerados por aire y pirómetros montados en viga *ram* trasera «fría» del coche empujador. Temperaturas medidas cuando *ram* pasa por horno. Convertidas/evaluadas para supervisión distribución T y calor en direcciones longitudinal, transversal, vertical: T transversales, T longitudinales batería, distribución calor vertical, desarrollo T en tiempo, comprobaciones calentamiento paredes. Figura 5: principio medición automática T pared cámara.

Intensidad luz radiada desde pared detectada por cable fibra óptica en cada punto. Punto: carcasa aislada térmicamente contra radiación/conducción por cabeza *ram*. Aloja: soporte cable fibra, sistema routing aire para refrigeración óptima, cable fibra, conexión alimentación aire comprimido. Cable fibra fijo respecto a *ram*. Aire comprimido pasa junto a cable protegiendo contra sobrecalentamiento/suciedad, limpiando paso entre guía luz al soplar hacia cámara.

Varios cientos puntos datos (datos brutos) medidos por cada pirómetro durante un empuje → transmitidos a PLC en sala eléctrica empujador y correlacionados con info distancia de sistema accionamiento *ram*. Valores brutos comprimidos → un valor promedio T por canal calentamiento por pirómetro (total 6 × nº canales). Estos valores + nº horno empuje, hora empuje, nivelado → guardados temporalmente en medio almacenamiento PLC estación designada en empujador. Valores transmitidos por fibra óptica desde empujador a PLC COP máquinas hornos → base de datos.

Operador selecciona/evalúa datos T de archivo vía menú completo integrado en HMI PLC COP máquinas hornos (disponible en todos PCs cliente/servidor). Alarmas automáticas si umbrales superados. Operador verifica intervalos regulares o ante alerta distribución T en bloque batería → detecta desajustes sub-fuego que causan sub-coquización en áreas específicas → mal calidad coque y contaminación en empuje.

Además de alertar problemas pared transversal, distribución T vertical crítica en cámaras altas. Lograda por llama larga sobre altura completa canal. Llama influenciada por distribución gas/aire a canal → ajuste adecuado. Cambios distribución aire (ej. tiro chimenea) sin contramedidas → disturbios longitud llama (distribución calor vertical) → coquización desigual, carbón en techo, peor: «hornos pegajosos» (*sticker ovens*). Sistema detecta rápido problemas calentamiento vertical midiendo T en tres niveles cámara cada empuje. Detección mejora sistema calentamiento → mejor protección ambiental, mayor calidad coque, mayor eficiencia productiva (ahorro gas/energía), menos estrés ladrillo (mayor vida batería).

Evaluación calentamiento paredes/ hornos individuales: T paredes de sistema medición → T media batería → entrada para control calentamiento batería.

Sistema automático de monitorización fuerza empuje (*automatic monitoring system of the pushing force*)

Junto con medición T paredes, mientras *ram* empuja coque fuera horno, se mide par necesario en motor accionamiento *ram*. Valores medidos durante empuje coque caliente. Par de convertidor frecuencia (controla velocidad/par motor) → convertido en PLC máquinas hornos a fuerza empuje. Sistema da información destacada sobre situación mantenimiento mecánico accionamiento *ram* y condición coquización *coke cake*. Si fuerza empuje aumenta período → problema mecánico o calentamiento → atención y evaluación para *troubleshooting*.

Gráficos fuerza empuje en HMI PLC máquinas hornos para control proceso y *troubleshooting*. Gestores seleccionan datos archivo largo plazo para monitorización proceso, optimización, encuestas históricas. Curvas fuerza empuje: pico inicial romper coque pared y mover *cake*; tras pico, fuerza menor mantener movimiento; al entrar zapata *ram* en horno, nuevo pico menor (zapata desliza sobre soleta → fricción adicional → aumento fuerza). Situación normal cada empuje.

Si gráfico se sale perfil regular con múltiples picos a lo largo camino → primer pico se repite múltiples veces en un empuje. Causa: empuje se paró varias veces y reanudó mientras *ram* recorría horno. Problemas mecánicos guía coque necesitan paradas. Cada reinicio, accionamiento debe recuperar fuerza mover *cake*. Cuatro picos = *ram* paró/reinició 4 veces tras pico inicial «ruptura». Ejemplo muestra utilidad medición fuerza empuje para detectar/documentar problemas operacionales en empuje.

Sistema automático de planificación y control máquinas horno (*automatic scheduling and control system of oven machines*)

Control y monitorización operación COP incluye preparación horario empuje/carga y visualización desempeño máquinas. Programa avanzado «sistema automático planificación y control máquinas horno» (parte automatización COP) usado. Tiempos empuje/carga cada horno calculados/optimizados, transferidos a máquinas, señalados a operadores. Datos reales empuje/carga realimentan sistema planificación para actualizar cálculo.

Maneja planificación producción normal y todos tipos operación especial (compensación avería o producción disminuida). Re-cálculo disparado/remecido ante cambio datos producción o problema operación. Varias estrategias para pérdida producción: aceptar o compensar aumentando producción acortando tiempo coquización cuidadosamente (mejor desempeño calentamiento y producción). Cambios horario influyen automáticamente calor nominal calculado en modelo control calentamiento.

Horario empuje/carga calculable varios días antelación en modo simulación para planificación avanzada. Interlock con sistema regulación presión horno para manejo desconexión colector (empuje) y reconexión (carga). Figura 6: funciones principales, filosofía operación y displays. Pantalla derecha normalmente tres displays: (1) «estado horno»: próximo empuje/carga, último empuje/carga, tiempo ciclo barras multicolor, peso carga; (2) horario calculado: ciclos empuje/carga orden cronológico próximos días; (3) histórico empuje/carga como informe.

Sistema automático control calentamiento batería (*automatic control system of battery heating*)

Modelo cálculo teórico que determina energía necesaria para calentamiento batería. Actualizado dinámicamente por desempeño producción real (adaptando retrasos, «aceleración», producción perdida) y desempeño calentamiento real (adaptando basado en T reales canales calentamiento, coque, paredes fuera rango objetivo). Requerimientos energía del modelo = consigna sistema calentamiento. Energía controlada cambiando tiempo calentamiento (variando tiempo pausa entre inversiones).

Figura 7: sistema control calentamiento batería + gráfico tendencias resultados. Cuando tiempo coquización cambia (flecha verde), control cantidad energía reacciona creando nueva consigna aporte energía (flecha amarilla), principalmente cambiando tiempo pausa (flecha azul). Ejemplo: pausa aumenta ~200 s → ~275 s para igualar demanda energía descendente (curva roja) por aumento general tiempo coquización (curva verde) 28,9 h → 30,1 h. Subida «T media batería» medida por sistema medición T pared cámara (flecha rosa punteada) también necesita reducción calor → consigna energía baja más. Reducción total energía (curva amarilla) → reducción T media batería (flecha rosa). Ocurre con retardo por tiempo reacción llevar energía canal calentamiento a coque.

Para comparar T medidas en distintos lugares ladrillo, T canales calentamiento extrapoladas por tasa transferencia calor a T paredes horno. Modelo mantiene cantidad energía calor bajo control, asegura menor consumo y respuesta rápida/automática a problemas operación que mantiene T batería en balance, reduciendo problemas calentamiento y emisiones empuje.