Factores Clave que Influyen en el Consumo de Coque en Operaciones de Alto Horno

El alto horno (AH) es un reactor de contracorriente en el que el gas reductor se produce por la gasificación del carbono del coque de AH con el oxígeno del soplete caliente inyectado vía toberas en la parte inferior del horno. El gas reductor fluye hacia arriba reduciendo los materiales de carga ferruginosos cargados en la parte superior del horno.

La tasa de coque es el parámetro para el consumo de coque de AH, medido en kilogramos de coque de AH consumido por tonelada de arrabio producido.

Importancia del Coque de Alto Horno

El coque de AH es un material clave para la reducción de hierro en alto horno, actuando como fuente principal de energía (combustible), reductante, agente de carburización y soporte estructural permeable. No hay otro material satisfactorio que pueda reemplazar, total o parcialmente, al coque de AH como soporte permeable de la carga del alto horno.

El coque de AH es la materia prima más importante alimentada al alto horno en términos de su efecto en la operación y calidad del arrabio. Un coque de AH de alta calidad puede soportar un descenso suave de la carga con la menor degradación posible, proporcionando la menor cantidad de impurezas, mayor energía térmica, mayor reducción de metal y permeabilidad óptima para el flujo de productos gaseosos y fundidos. La introducción de coque de AH de alta calidad resulta en menor tasa de coque, mayor productividad y menor costo de arrabio. El papel del coque en la mejora del rendimiento del AH se muestra en la Fig. 1.

Fig. 1 Papel del coque en la mejora del rendimiento del AH

Una evaluación realista del probable desempeño del coque en el alto horno operando con o sin tecnología de inyección incluye aquellas propiedades del coque que reflejan su resistencia a la degradación bajo el entorno químico y térmico del alto horno. Tales propiedades, que proporcionan directrices para el uso del coque, se relacionan con tamaño de grumo, forma y uniformidad de tamaño, composición química, resistencia mecánica, y estabilidades térmica y química. Así, el coque para el alto horno debe ser un compromiso exitoso entre estructura y propiedades. Para asegurar buen rendimiento, el coque debe ser moderadamente grande, con un rango de tamaño estrecho, y tener alta resistencia mecánica para resistir reacciones de debilitamiento con dióxido de carbono y álcalis, abrasión y choque térmico. Debido a los muchos factores desconocidos, no es posible establecer índices de calidad universales comunes a todos los altos hornos, aunque existen especificaciones típicas para calidad de coque de AH.

Las impurezas presentes en el coque de AH afectan su desempeño al disminuir su papel como combustible en términos de cantidad de carbono disponible para roles de reducción directa e indirecta y también su papel como soporte permeable. Tales impurezas son humedad, materia volátil, ceniza, azufre, fósforo y contenido de álcalis. Sus niveles deben mantenerse lo más bajos posible.

El contenido de humedad es consecuencia directa del proceso de enfriamiento del coque con cierta dependencia del tamaño. Contenidos altos y variables de humedad afectan tanto la tasa de coque como los balances dentro del alto horno, mientras que altos contenidos de materia volátil causan problemas operativos en la limpieza de gas de alto horno.

En cuanto a otras propiedades químicas, el azufre y la ceniza (contenido y química) son de particular importancia porque, a medida que aumentan, la productividad del coque en el alto horno disminuye. La ceniza de coque es una parte no productiva del coque de AH que influye en el volumen y composición de la escoria.

La importancia de las propiedades físicas del coque de AH está vinculada a la necesidad de soportar la carga ferruginosa y dar una matriz permeable a través de la cual puedan fluir gases reductores y percolar material fundido en la región inferior del alto horno. Estas propiedades físicas se relacionan con su tamaño (media y distribución) y su resistencia a la rotura y abrasión. El tamaño del coque de AH se controla mayormente por cribado. Un tamaño medio grande con distribución estrecha mantiene permeabilidad adecuada.

Aunque los índices de resistencia mecánica del coque de AH proporcionan a los operadores una evaluación útil, forman solo parte del panorama general. Las pruebas para evaluar la resistencia mecánica se realizan a temperatura ambiente y, por tanto, no toman en cuenta las condiciones de proceso del coque en el alto horno. Por tanto, pruebas como CSR (resistencia del coque después de reacción) y CRI (índice de reactividad del coque) proporcionan mejores índices de resistencia.

El coque de AH se degrada durante su descenso por el AH. La degradación es causada por carga mecánica, atrición, estrés térmico, reacciones de gasificación, compuestos inorgánicos en gases de AH, y grafitización. La materia mineral en el coque juega un papel mayor en el carácter y extensión de estas vías de degradación, tanto directa como indirectamente.

El proceso de fabricación de hierro en un alto horno consiste en un sistema multivariado sujeto a un gran número de variables inter-influenciadoras que afectan el consumo de coque de AH. Es necesario aislar la inter-influencia de las variables para entender el papel de cada variable en la tasa de coque durante la fabricación de hierro.

Factores Principales que Influyen en la Tasa de Coque

Un alto horno eficiente opera a baja tasa de coque. Una operación eficiente requiere aumento del flujo de gas, lo que implica mejora en la permeabilidad del horno y, por otro lado, reducción en el requerimiento específico de gas, lo que significa reducción en el consumo específico de coque. Hay muchos factores que influyen en la tasa de coque. Los principales se describen a continuación.

Combustible/Agente Reductor

Dos tipos de combustibles/agentes reductores se usan en el alto horno: coque de AH cargado por la parte superior y carbón pulverizado/gas natural/gas de coque/aceite/alquitrán de carbón inyectados a nivel de tobera.

1. Coque de AH: Durante la producción de arrabio, la tasa de coque se ve influenciada de muchas maneras. Un alto contenido de ceniza en el coque significa cargar el horno con más material formador de escoria que debe fundirse para formar escoria, resultando en mayores volúmenes de escoria. Según regla empírica, 1% de reducción en el contenido de ceniza del coque resulta en disminución de la tasa de coque en 1%-1.5%. Otras propiedades que afectan la tasa son CSR, CRI e índices micum (M40 o I40 y M10 o I10). Estos parámetros afectan la permeabilidad en la columna y la resistencia mecánica del coque a nivel de tobera. M40 representa la triturabilidad y M10 la desgastabilidad. Valores más altos de CSR y M40 y menores de CRI y M10 resultan en mejora de la tasa de coque. El contenido de azufre del coque también afecta la tasa. Una disminución de 0.1% en el azufre mejora la productividad en alrededor de 1.0%.
2. Combustible inyectado a nivel de tobera: Normalmente acompañado de enriquecimiento de oxígeno del soplete caliente. La inyección de oxígeno reduce el flujo específico de gas causando reducción en la temperatura de tope y aumento en la temperatura adiabática de llama (RAFT) en las toberas. Estos efectos son compensados por la inyección de combustible sustituto. Así, una inyección combinada de oxígeno y combustible a nivel de tobera disminuye la tasa de coque. Una tonelada de inyección de carbón pulverizado reemplaza alrededor de 0.9-1.0 t de coque de AH. Reducción similar ocurre con otras inyecciones de combustible. La inyección de oxígeno sola no reduce la tasa de coque pero mejora la productividad.

Materias Primas

Hay básicamente dos tipos de materias primas principales cargadas en un alto horno.

1. Materiales ferruginosos: sinter, pelotas y mineral de hierro calibrado (CLO). Mayor contenido de Fe significa menor material de ganga que necesita fundirse para formación de escoria. Por tanto, mayor Fe ayuda a reducir volumen de escoria y tasa de coque. Según regla empírica, 1% de aumento en Fe reduce la tasa de coque en 0.8%-1.2%.
2. Fundentes: caliza, dolomita, cuarcita, etc. La caliza y dolomita cargadas en el horno se calcinan dentro. Esta reacción necesita calor, resultando en aumento del consumo de coque. Si estos fundentes se cargan a través de sinter o pelotas, la calcinación ocurre fuera del horno y el volumen de trabajo se usa más eficazmente por materiales ferruginosos, reduciendo la tasa de coque. Generalmente, reducción de 100 kg de fundente en la carga mejora la tasa en 20-35 kg/tHM.
3. Para lograr menor tasa de coque, es esencial que los materiales de carga proporcionen alta permeabilidad y homogeneidad en todas las zonas de temperatura y reacción. Además, deben tener alta reducibilidad para promover tiempo de retención corto y bajo contenido de elementos parásitos (Zn, Pb, álcalis) para evitar perturbaciones.
4. La tasa también depende de la calidad del sinter. El sinter debe tener distribución de grano óptima, alta resistencia, alta reducibilidad, alta porosidad, temperaturas de ablandamiento >1250 °C, contenido constante de FeO 7%-8% y basicidad constante.

Control de Distribución de Carga

Juega papel importante en reducción de tasa de coque. Asegura descenso estable de carga, ajusta flujo de gases en la pared (evita altas cargas térmicas sin generar zona inactiva) y ayuda a lograr buen contacto sólido-gas.

Contenido de Silicio en Arrabio

Disminuir el contenido de silicio tiene efecto positivo en la tasa de coque. La disminución se logra por mejor relación mineral-coque y movimiento de zona cohesiva hacia abajo, generando menor volumen para transferencia de silicio al arrabio. Disminución de 1% en silicio mejora la tasa en 5%-15%.

Propiedades de la Escoria

Tienen efecto considerable en la tasa. Menor volumen específico de escoria de menor viscosidad mejora la tasa.

Práctica de Vaciado

Tiene papel importante. Buena práctica implica buena longitud de vaciado, apertura oportuna, control de velocidad, drenaje adecuado del hogar, y cierre tras secado del horno. Calidad de la masa de vaciado es muy importante.

Control Automático de Proceso

Mejora la productividad al minimizar consumo de reductante, evitar perturbaciones (colgamiento, deslizamiento, scaffolding, canalización de gas) mediante contramedida inmediata, estabilizar parámetros de arrabio y escoria. Efecto en tasa de coque: 3%-5%.

Temperatura de Soplete

La tasa de coque se reduce alrededor de 2% con aumento de 100 °C en temperatura de soplete.

Presión de Tope

Alta presión de tope también reduce la tasa. Con cada aumento de 0.1 kg/cm² hay reducción de alrededor de 0.1% en la tasa.

Contenido de Finos en Materiales de Carga

Disminuir el contenido de finos mejora la tasa en el rango de 0.4%-0.7%.