Hornos de recalentamiento: Tipos, funciones y aplicaciones industriales

Los hornos de recalentamiento se usan en trenes de laminación en caliente para calentar el material de acero (bramillas, blooms o bramás) a las temperaturas de laminación de alrededor de 1200 °C que es adecuado para la deformación plástica del acero y por tanto para laminación en el tren. El proceso de calentamiento en un horno de recalentamiento es un proceso continuo donde el material de acero se carga en la entrada del horno, se calienta en el horno, y se descarga en la salida del horno. El calor se transfiere al material de acero (Figura 1) durante su recorrido a través del horno principalmente por medio de convección y radiación desde los gases de los quemadores y las paredes del horno.

La temperatura de carga del material de acero puede variar desde temperatura ambiente hasta 800 °C. La temperatura objetivo de salida del material de acero se rige por el requisito del proceso de laminación que depende de la velocidad de laminación, dimensión del material y composición del acero. Los aspectos de calidad del acero imponen restricciones sobre el gradiente de temperatura y temperatura superficial. El combustible usado en estos hornos puede ser sólido, líquido o gaseoso. El diagrama esquemático de un horno de recalentamiento tipo empujador se muestra en la Figura 2.

El tamaño del horno de recalentamiento se expresa usualmente como la capacidad de suministrar material de acero caliente al tren de laminación desde el material frío y se expresa en toneladas por hora. La eficiencia energética del horno de recalentamiento se define usualmente como el aumento del contenido de calor del material de acero cuando se calienta de 10 °C a 1200 °C dividido por la energía del combustible (calor latente más calor sensible) usado para ello. Una sección longitudinal típica de un horno de recalentamiento se muestra en la Figura 3.

Muchas características de diseño del horno afectan la eficiencia energética. Estas incluyen: (i) tipo de quemadores, (ii) dimensiones del horno, (iii) número de zonas del horno, (iv) tipo de aislamiento de paredes y techo, (v) diseño de patines, y (vi) precalentamiento de combustible y aire de combustión en recuperadores por los gases de escape calientes que salen de la salida del horno. Un horno eficiente se diseña de manera que en un tiempo dado el material de acero según la capacidad del horno se calienta a una temperatura uniforme con el menor combustible y horas-hombre posibles. Los parámetros importantes para el diseño del horno incluyen: (i) la cantidad de calor a impartir a la carga, (ii) generación de calor suficiente que está disponible dentro del horno para calentar el material de acero así como para superar todas las pérdidas de acero, (iii) transferencia del calor generado a la superficie del material de acero a calentar, (iv) igualación de temperatura dentro del material de acero, y (v) pérdida de calor del horno al mínimo.

Prácticas operativas

Las prácticas operativas también son importantes para la eficiencia energética. La situación ideal es operar el horno a la capacidad nominal con un tipo de material de acero con misma composición y dimensión uniforme. Pero en la práctica, esto no sucede y los factores que afectan la eficiencia del horno son: (i) material de acero de diferentes dimensiones, composición y temperatura inicial pueden residir en el horno al mismo tiempo, (ii) retrasos en laminación pueden ralentizar o detener el movimiento del material de acero en el horno, (iii) la composición y disponibilidad del combustible pueden variar, y (iv) los quemadores y condiciones internas del horno se han degradado.

La eficiencia energética de un horno normalmente se representa mediante un diagrama de Sankey. Un diagrama de Sankey típico para un horno de recalentamiento con carga en frío se muestra en la Figura 4.

Clasificación de hornos de recalentamiento

La clasificación de hornos de recalentamiento puede hacerse de cuatro maneras: (i) basada en el método de calentamiento, (ii) basada en el método de carga del horno de recalentamiento, (iii) basada en el movimiento del material de acero en el horno de recalentamiento, y (iv) basada en los métodos de recuperación de calor.

Basada en el método de calentamiento, un horno de recalentamiento puede ser de tipo combustión o tipo eléctrico. El horno de tipo combustión puede usar combustible sólido, líquido o gaseoso.

Basada en el método de carga, el horno de recalentamiento puede clasificarse como tipo lote o tipo continuo. En hornos de lote, el material cargado permanece en una posición fija en el hogar hasta calentarse a temperatura de laminación/forja, mientras que en hornos continuos, el material cargado se mueve a través del horno y se calienta a temperatura de laminación a medida que progresa a través del horno.

Basada en el movimiento del material de acero dentro del horno, el horno continuo puede clasificarse further como horno empujador, horno de hogar rotativo, horno de viga caminante, horno de hogar caminante, y horno de hogar de rodillos.

Basada en la recuperación de calor, el horno de recalentamiento puede ser de tipo regenerativo o recuperativo. El horno de recalentamiento de tipo regenerativo usa quemadores regenerativos, mientras que el horno de tipo recuperativo usa recuperadores para recuperación de calor de los gases de escape.

Tipos de hornos de recalentamiento

Horno de lote

Estos son el tipo más antiguo de hornos que son capaces de calentar todas las calidades y tamaños de acero. El material de acero a calentar en este tipo de horno se carga y extrae a través de puertas frontales por una máquina de carga. Estos hornos varían en tamaño desde hogares de menos de un metro cuadrado con una sola puerta de acceso hasta aquellos con hogares de alrededor de 6 metros (m) de profundidad y alrededor de 15 m de longitud y con 5 a 6 números de puertas de acceso. Los hornos de lote pueden operarse para calentar materiales a temperaturas alrededor de 1320 °C más satisfactoriamente que un horno continuo. También pueden usarse como reservorio para mantener material caliente directamente del tren primario para laminación posterior en el tren de acabado.

Las desventajas de los hornos de lote son: (i) alta inversión de capital por unidad de producción, (ii) baja eficiencia de área de hogar, (iii) altas horas-hombre requeridas por tonelada de producto calentado, (iv) prácticamente ninguna flexibilidad, y (v) limitación en la longitud de piezas a calentar.

Horno tipo empujador

En el horno tipo empujador, el material de acero frío se empuja hacia adelante con la ayuda de empujadores en el lado de carga. Anteriormente, estos hornos se diseñaban para calentar bramillas o secciones más pequeñas de blooms. El hogar de hornos anteriores era corto en longitud e inclinado longitudinalmente hacia el extremo de descarga para permitir el paso fácil del material de acero a través del horno. Actualmente, los hornos empujadores son más largos con hogares de alrededor de 25 m a 30 m de longitud. Estos hornos están equipados con disparo superior o superior e inferior. Estos hornos normalmente tienen tres zonas: (i) zona de precalentamiento, (ii) zona de calentamiento, y (iii) zona de homogeneización. Hornos de múltiples zonas, como horno de recalentamiento de brama de cinco zonas, también han sido diseñados y operados.

El material de acero frío puede cargarse en tal horno ya sea desde el extremo o a través de una puerta lateral. En cualquier caso, el material de acero se mueve hacia adelante empujando la última pieza cargada con un empujador en el extremo de carga. Con cada empuje del material de acero frío contra la línea continua de material, una pieza calentada se descarga en el extremo de descarga ya sea por gravedad a través de una puerta final sobre una mesa de rodillos que alimenta el tren de laminación, o empujada a través de una puerta lateral a la mesa de rodillos del tren por medios manuales o mecánicos adecuados, o retirada a través de la puerta final por un extractor mecánico.

Las ventajas de los hornos tipo empujador incluyen: (i) alta producción por unidad de inversión de capital, (ii) alta eficiencia de área de hogar, (iii) mayor producción específica por unidad de espacio utilizado, (iv) bajo costo de mantenimiento, (v) facilidad de carga y descarga de material, (vi) menores diferencias de temperatura entre dos piezas de material empujadas, (vii) mayor control de la tasa de calentamiento en todos los niveles de temperatura, (viii) aumento gradual de temperatura permite carga de todas las calidades de materiales fríos, y (ix) pueden construirse para mayor longitud de pieza a calentar para tener mayor rendimiento del tren de laminación.

Las desventajas de los hornos tipo empujador incluyen: (i) limita la sección transversal del material de acero ya que la superficie de contacto debe ser cuadrada para prevenir apilamiento de material de acero en el horno, (ii) prácticamente no tiene flexibilidad para calentar eficientemente pequeña cantidad o espesores de material de acero, (iii) el mantenimiento de patines refrigerados por agua es difícil, (iv) los patines refrigerados por agua resultan en rayas más frías en el material de acero calentado, (v) limita el espesor del material de acero a un máximo de 300 mm a 350 mm cuando se usan patines refrigerados por agua, (vi) la acumulación de escama en el hogar causa problemas y el vaciado del horno al final del programa es costoso, (vii) no es deseable empujar tamaños mixtos de material de acero a través del horno.

Horno de hogar rotativo

Un horno de hogar rotativo se usa para calentar bramillas redondas en trenes de laminación de tuberías y para calentar blooms o bramillas de longitud corta en plantas de forja. El horno de hogar rotativo consiste en el horno y los equipos auxiliares para carga y descarga. El horno tiene un techo de horno fijo, soportado en una pared de horno fija, y un hogar circular rotativo, como se muestra en la Figura 5. Se mantiene una presión positiva en el horno para prevenir la entrada de aire frío externo al horno. El horno tiene sellos de agua internos y externos para mantener la presión en el horno.

Los quemadores están montados en las paredes externas e internas o el techo del horno. La pared externa del horno tiene puertas de carga y descarga del horno, y la carga y descarga se hace con la ayuda de máquinas de carga y descarga. La carga y descarga proceden simultáneamente. Cuando una bramilla redonda se coloca en el horno, el fondo rota en un cierto ángulo. Las bramillas redondas siguen un camino radial dentro del horno y se arreglan ya sea en una sola fila o en múltiples filas. El hogar rotativo del horno se divide en zonas de precalentamiento, calentamiento y homogeneización. No hay quemadores en la zona de precalentamiento. Una abertura de chimenea se arregla en la pared lateral cerca de la puerta de carga del horno. El gas de escape de alta temperatura fluye en dirección opuesta a través del hogar rotativo, entra en la chimenea y chimenea fuera del horno, y sale a la atmósfera. Durante el proceso de flujo de gas de escape de alta temperatura, las bramillas en la zona de precalentamiento son calentadas principalmente por convección. La longitud de la zona de precalentamiento representa alrededor de un cuarto de la longitud periférica del horno rotativo. La longitud de la zona de homogeneización es alrededor de tres vigésimos de la longitud periférica del horno de hogar rotativo. Además, no hay bramilla redonda y quemador presentes entre las puertas de carga y descarga del horno. Una pared de partición se coloca en el medio. La distancia entre las puertas de carga y descarga del horno es alrededor de un décimo de la longitud periférica del horno rotativo.

El material de acero en el horno de hogar rotativo se mueve hacia adelante ya sea en hogar horizontal o moderadamente inclinado. Así, no tiene la desventaja del hogar excesivamente inclinado de un horno empujador continuo. Este horno tiene mejores medios de controlar la tasa de calentamiento en todos los niveles de temperatura comparado con un horno tipo lote. La desventaja de este horno incluye: (i) alto costo de capital por unidad de producción, (ii) alta relación espacio por unidad, (iii) baja eficiencia de área de hogar, y (iv) refractarios de pared y sellos a nivel de hogar necesitan alto nivel de mantenimiento.

Hornos de viga caminante

Inicialmente, los hornos de viga caminante se diseñaron con vigas caminantes de acero aleado que estaban expuestas directamente al calor del horno y también estaban sujetas a corrosión por calor. Por tanto, estos hornos se operaban a temperaturas máximas de 1065 °C. Estos hornos no eran adecuados para calentar aceros donde la temperatura de recalentamiento es hasta 1320 °C.

Actualmente, la viga caminante está hecha de miembros de acero refrigerados por agua revestidos con refractarios para que solo los refractarios estén expuestos al calor del horno. Alternativamente, las vigas y soportes se construyen de secciones de tubería refrigeradas por agua con botones en las superficies superiores para mantener el material caliente alejado del contacto directo con las tuberías refrigeradas por agua. Los hornos de viga caminante ahora se usan para recalentar bramillas, blooms y bramás.

Los hornos de viga caminante tienen dos juegos de vigas. El material de acero descansa en las vigas fijas o estacionarias. Para moverse hacia adelante, el material de acero es levantado por vigas móviles que se mueven hacia adelante a una distancia preestablecida y colocan el material en el siguiente escalón en el hogar. Después de colocar el material en el siguiente escalón en el hogar, las vigas móviles vuelven a la posición original. Esto se muestra en la Figura 6.

Los hornos de viga caminante usualmente se diseñan con carga y descarga por extremo o lateral. Las vigas pueden ser accionadas ya sea hidráulica o mecánicamente. El disparo cruzado con quemadores de pared lateral arriba y abajo del material a calentar se está usando. En algunos hornos, el material se calienta con quemadores de tipo radiante en el techo o con quemadores colocados en el techo y debajo del material.

Las ventajas de los hornos de viga caminante son: (i) el material a calentar puede separarse entre sí para evitar pegaduras, (ii) las acumulaciones en el horno y el tiempo de retención en el horno se reducen, (iii) es factible vaciar el horno desde cualquiera de los lados activando los mecanismos de viga, (iv) no hay marcas de patines ya que no hay contacto lineal con patines refrigerados por agua, (v) el desgaste del hogar y daño del material es prácticamente ausente ya que no hay rozamiento entre el material y con el hogar, (vi) se puede obtener mejor utilización del hogar al cargar tamaños mixtos seleccionando el número adecuado de vigas caminantes, y (vii) hay potencial disponible para la extensión de la longitud total del horno para mejorar la utilización de gases de desecho del horno y reducir el consumo de combustible.

Las desventajas de los hornos de viga caminante son: (i) complejidad del sistema, (ii) alto costo de capital, (iii) alto mantenimiento de sellos de hogar y refractarios de hogar, y (iv) los problemas causados por la escama que se desprende durante el calentamiento del material.

Hornos de hogar caminante

Es similar al horno de viga caminante con respecto al paso del material de acero a través de la cámara de calentamiento. La diferencia radica en el método de transporte en estos dos hornos. En el horno de hogar caminante, el material de acero descansa en pilotes refractarios fijos. Estos pilotes se extienden a través de aberturas en el hogar y sus partes superiores están por encima de la superficie del hogar durante el tiempo que el material está estacionario en el horno. Los gases del horno pueden así circular entre la mayor parte de la superficie inferior de la pieza y el hogar.

Para el movimiento del material hacia el extremo de descarga del horno, el hogar se eleva verticalmente para primero contactar el material y luego elevado más por una corta distancia por encima de los pilotes. El hogar entonces se mueve hacia adelante a una distancia preestablecida, se detiene, baja el material sobre su nueva posición en los pilotes, continúa descendiendo a su posición más baja y luego se mueve hacia atrás a su posición inicial hacia el extremo de carga del horno para esperar el siguiente golpe. Las ventajas y desventajas de un horno de hogar caminante son similares a las de un horno de viga caminante. El mecanismo del horno de recalentamiento de hogar caminante se muestra en la Figura 7.

Horno de recalentamiento de hogar de rodillos

Los hornos de hogar de rodillos se usan con ventaja al calentar bramillas, blooms o bramás muy largos en la situación donde no es práctico calentar en un horno empujador o de viga caminante. En el horno de hogar de rodillos, el hogar consiste en un conjunto de rodillos accionados refrigerados por agua sobre los cuales el material de acero se mueve hacia adelante. Una sección transversal del horno de hogar de rodillos se muestra en la Figura 8.

Las ventajas de los hornos de recalentamiento de hogar de rodillos son: (i) tiene capacidad para manejar piezas muy largas, (ii) el control de zonas en este horno es más simple cuando se emplea disparo cruzado, (iii) el material sufre poco o ningún daño mecánico, (iv) no hay marcas de patines, y (v) el horno de hogar de rodillos es auto-vaciable.

Las desventajas del horno de hogar de rodillos incluyen: (i) alto costo inicial por unidad de capacidad, (ii) si los rodillos no están debidamente aislados, entonces hay mayor pérdida de calor debido al enfriamiento por agua de los rodillos, y (iii) los hornos de hogar de rodillos son más estrechos y largos que los hornos tipo empujador o de viga caminante de la misma capacidad.

Cuestiones generales relacionadas con hornos de recalentamiento

Hay algunas cuestiones generales relacionadas con hornos de recalentamiento continuos. Los hornos con disparo de zona única están asociados con mayores pérdidas por escama. Los hornos de zona única disparados también tienen mayor tendencia a causar descarburación de acero de alto carbono que los hornos con disparo superior e inferior porque el acero está expuesto a gases de horno con combinaciones de hidrógeno y vapor de agua por una duración más larga. La formación de escama en el acero se practica a veces deliberadamente para remover la capa superficial descarburizada. Los hornos con disparo superior tienen hogares más largos para producción igual comparados con hornos que tienen disparo superior e inferior. Los hornos de descarga lateral tienen menos infiltración de aire en el extremo caliente que los hornos de descarga por puerta final. La descarga por puerta final del tipo gravedad usual induce aire frío en el horno por el efecto chimenea en el extremo de descarga del horno. Sin embargo, la descarga por puerta final es mecánicamente más simple para remover el material calentado. Un hogar nivelado elimina el efecto chimenea de hogares inclinados hacia arriba hacia el extremo de carga. Este efecto chimenea atrae aire frío al horno en el extremo caliente y por tanto causa mayor consumo de combustible y pérdidas por escama.