Optimización de Operaciones en la Casa de Vaciado del Alto Horno para Eficiencia y Confiabilidad

La casa de vaciado (cast house) del alto horno (AH) es el área de trabajo donde el arrabio y la escoria líquida se vacían del horno y se vierten en cucharas (torpedo o de boca abierta) o se derivan para solidificación (colada en lingotes y granulación de escoria) o tratamiento (desulfuración en casa de vaciado).

Diseño y Objetivos

Una buena operación sin problemas en la casa de vaciado es requisito importante en un AH de alta productividad para operación de bajo costo. El diseño funcional, práctica operativa, tecnología de refractarios, automatización y requisitos ambientales son temas importantes para satisfacer demandas de mayor confiabilidad y producción. En cualquier AH, la casa de vaciado es el área más intensiva en mano de obra. Su diseño debe integrarse fully con la producción esperada, volumen del hogar y práctica de vaciado, minimizando uso de mano de obra, mantenimiento, materiales y mejorando el entorno de trabajo. El objetivo principal es remover el hierro líquido a una tasa de vaciado y número de vaciados por día determinado por la tasa de fundición, volumen efectivo del hogar y el deseo de mantener el hogar en condición "seca" en lugar de por disponibilidad de canales, corredores y equipos. Una distribución típica se muestra en Fig. 1.

Fig. 1 Distribución típica de una casa de vaciado de AH

El diseño y operación deben mejorar la eficiencia respecto a:

• Mejora en condiciones de trabajo para obreros en vaciado de arrabio y escoria
• Reducción de pérdidas de calor del arrabio manteniendo su temperatura
• Reducción de arrabio perdido con la escoria
• Reducción significativa del volumen de contaminantes creados durante el vaciado

La casa debe tener cierto número de entradas, pasajes y salidas para evacuación en emergencias. Debe diseñarse y ubicarse de modo que siempre sea posible escapar sin pasar frente a vaciados o cruzar corredores.

El tamaño depende de la capacidad del horno, pero debe haber suficiente espacio para obreros y equipos. En particular, el máximo espacio libre posible junto al horno y a cada lado del vaciado. Idealmente, los corredores deben ser lo más cortos posible. Con corredores basculantes/oscilantes y cucharas de alta capacidad, las condiciones mejoran y el vaciado se facilita. El apertura y cierre cuidadoso del vaciado es factor clave de éxito.

Para extracción eficiente de polvo y humos, los corredores de hierro deben cubrirse. Sin embargo, el proceso y mantenimiento requieren acceso sin obstáculos al área frontal. Varios diseños de manipuladores de cubiertas proporcionan soluciones flexibles.

Los pisos en lados de metal y escoria deben tener superficies lisas y ligeramente inclinadas en ciertas partes. El ángulo no debe seleccionarse solo para fácil remoción; si es muy pronunciado, el trabajo será innecesariamente cansado y el riesgo de caídas mayor.

La profundidad de los corredores debe ser suficiente para acomodar el flujo máximo posible de arrabio permitiendo el revestimiento refractario.

Cuidado particular en seleccionar el sistema que vincula el vaciado con el corredor principal, para que no haya ruptura entre el AH y el piso de vaciado.

Las aberturas en el piso para evacuación de líquido y escoria deben estar protegidas para que los obreros no caigan.

La explosión de una cuchara de escoria es rara pero posible; para cada instalación, se deben tomar medidas para proteger de salpicaduras.

Otro peligro es derrame o fuga de arrabio de las cucharas a rieles y área circundante. Si el suelo está mojado, puede ocurrir explosión. Deben tomarse medidas para evitar que agua (subterránea, lluvia, del AH) se filtre o drene al área. Debe haber instalaciones para drenar agua que pueda acumularse entre rieles.

La casa debe diseñarse y equiparse para permitir supervisar el llenado de cucharas sin peligro de accidente.

Cuidado en selección y ubicación de planta de granulación de escoria, para que no haya posibilidad de vapor de agua de enfriamiento soplando hacia la casa. Debe instalarse sistema para proteger obreros y equipos de explosiones que pueden ocurrir cuando arrabio se vacía accidentalmente con escoria.

Maquinaria de transporte y manejo debe elegirse cuidadosamente, manteniendo manejo manual al mínimo absoluto y cada parte del piso accesible. Debe incluir grúas puente u otros dispositivos de elevación, montacargas y camiones. Debe proporcionarse rampa de acceso y espacio de maniobra para camiones.

Peligros para el Personal

• Alta temperatura de materiales y calor radiado por arrabio y escoria fundida
• Explosiones y salpicaduras de arrabio y escoria
• Desbordamiento y derrame
• Rotura del horno (breakout)
• Humo, polvo, gas y vapor
• Uso de oxígeno para lanceo de vaciados
• Uso de maquinaria: pistolas y taladros de vaciado, equipos neumáticos, hidráulicos, eléctricos
• Uso de herramientas manuales
• Manejo de materiales y residuos
• Uso de gas combustible para secado de corredores
• Uso de cáscara de arroz para conservación de calor y arena
• Ruido

Equipos, Herramientas y Consumibles Modernos

• Taladro de vaciado
• Cambiador de barra de taladro
• Pistola de arcilla de vaciado
• Cargador de pistola de arcilla
• Cubierta de corredor y manipulador
• Sistema de medición de nivel para cucharas torpedo
• Corredor basculante
• Taladro de tapón de presa (jack dam)
• Cabinas de control
• Medición de temperatura y muestreo
• Consumibles refractarios
• Otros consumibles: arena, cáscara de arroz, tubería de lanceo, barra de perforación
• Oxígeno para lanceo y gas combustible para secado de corredores

Detalle de Equipos Principales

Taladros de Vaciado

El vaciado económico requiere un canal de vaciado de alto rendimiento. Además de la elección de arcilla apropiada y estrategia óptima de apertura, los ajustes óptimos de parámetros y su reproducibilidad son importantes. Los taladros deben combinar máxima flexibilidad con martillos de taladro de alta capacidad probada. Requisitos básicos:

• Suficientemente potente y rígido para taladrado preciso
• Posibilidad de bloquear en ciertas posiciones
• Todos los movimientos y maniobras controlados remotamente
• Posibilidad de detener en cualquier momento
• Sirena o zumbador de advertencia automático antes de poner en marcha
• Instalado para que, cuando no esté en uso, los obreros puedan moverse libremente y repararlo; espacio para una persona entre máquina y obstáculo
• Medios de protección para personal y máquina
• Líneas de energía protegidas contra calor y roturas, con buena resistencia mecánica
• Si se usa electricidad, aconsejable suministros por al menos dos circuitos independientes, uno de seguridad
• Si control es hidráulico/neumático, acumulador dimensionado adecuadamente

Pistolas de Arcilla de Vaciado

Cerrar el horno bajo cualquier condición es requisito clave de seguridad. Exige fiabilidad y robustez extremas. Requisitos básicos:

• Suficientemente potente para extruir arcilla contra plena presión interna, incluso si sube por encima de normal
• Capaz de colocar la boca correctamente a pesar de obstrucción por escoria u otro material
• Diseñada para extruir toda la arcilla requerida para el tapón
• Posibilidad de bloquear en varias posiciones
• Movimientos controlados remotamente, detenibles en cualquier momento
• Sirena/zumbador automático antes de poner en marcha
• Instalación que permita movimiento libre y reparaciones; espacio para una persona
• Protección para personal y máquina
• Líneas de energía protegidas contra calor y roturas, buena resistencia mecánica
• Si electricidad, al menos dos circuitos independientes, uno de seguridad
• Si control hidráulico, acumulador dimensionado adecuadamente

Cabinas de Control

Deben ubicarse, protegerse y equiparse para permitir operación incluso en emergencias. Características básicas:

• Ubicación que proteja al personal de roturas/explosiones y permita observación perfecta
• Sin material combustible en construcción
• Al menos dos entradas independientes, una con acceso a plataforma de evacuación exterior, siempre despejada
• Sin puertas hacia corredores
• Ventana de observación: (i) lo más pequeña posible pero vista completa del área, ubicación de pistola/taladro, (ii) paneles de vidrio "Triplex" en marco que abre hacia afuera, protegido por rejilla, (iii) controles junto a ventana para operar siguiendo progreso, precauciones contra operación accidental, (iv) comunicación con otros lugares por al menos dos sistemas orales separados (teléfono interno, intercom, radio).
• Sistema de ventilación que tome aire de área no contaminada por humo/gas
• Si no puede ubicarse en área protegida, intensificar medidas: puertas que tiendan a cerrarse con explosión, paredes/puertas/techo cubiertos con materiales resistentes a llama y calor.

Perforación de Vaciado con Oxígeno

El equipo consiste en tubería flexible para oxígeno, soporte de lanza y lanzas de oxígeno (uno o más tubos de acero). Importante asegurar que el operador esté siempre lo suficientemente lejos para evitar chispas y salpicaduras. Aconsejable no permitir que las lanzas se quemen demasiado, sino recuperar secciones no quemadas para recomponer tubos de longitud original. Cuidado al unirlos para evitar fugas por soldaduras. Tubos en mal estado se rechazan. Deben venir desengrasados. Tubos grasientos no deben usarse. Almacenar en áreas protegidas de aceite, grasa, polvo e intemperie. Solo recuperar secciones que cumplan requisitos mínimos de seguridad.

Consumibles Refractarios

Para vaciados donde se vacía hierro y escoria periódicamente, se usan mezclas de arcilla listas para usar (arcilla de vaciado) para tapar el agujero al final de un vaciado. Estos materiales de fraguado por calor se taladran para el siguiente vaciado. Para corredores donde se separan hierro y escoria y se dirige el hierro hacia la cuchara, se usan concretos hidráulicamente ligados como revestimiento básico y materiales de proyección para reparación.

Arcilla de Vaciado

Material para tapar el vaciado después del vaciado para que no haya fugas y mantenerlo tapado hasta la próxima apertura. Hoy, la elección y uso se correlacionan con muchos factores:

• Condiciones operativas del AH, que dependen del tamaño y explotación; las arcillas participan como elementos clave para asegurar fiabilidad y seguridad sin perturbar la productividad.
• Disposición particular del área de vaciado y su gestión; requiere que las arcillas no solo impulsen y resistan el ataque del metal fundido, sino que tengan influencia positiva en el drenaje del hogar y flujo periférico de hierro por la longitud del agujero.
• Aspectos ambientales: mejora de condiciones humanas en casa de vaciado y protección general.
• Aspectos económicos: costo unitario óptimo por tonelada de arrabio, ya que el costo de arcilla sigue siendo uno de los costos sustanciales.

La arcilla debe tener propiedades para realizar consistentemente y con seguridad:

• Fluir al ser empujada por la pistola, para tapar el vaciado. Debe ser lo suficientemente plástica para inyectarse correctamente.
• Fraguar dentro del vaciado durante el tiempo tapón-vaciado pero sin contracción para asegurar sello hermético.
• Endurecer lo suficientemente rápido para resistir presión desde el interior.
• Ser taladrable en tiempo aceptable.
• Permitir chorro de fundición estable y controlado al vaciar sin salpicaduras.
• Resistir erosión y ataque químico por arrabio y escoria durante el vaciado.
• Formar sustrato estable para el siguiente tapón.
• Proporcionar longitud de vaciado estable y controlable.
• Suficientemente porosa para permitir escape de gases de destilación.
• En ciertos casos, adecuada para mantener y restaurar el vaciado a su estado normal si se ha deteriorado.

Requisitos:

• Plasticidad mejorada para mejor trabajabilidad
• Alta resistencia a corrosión y abrasión para diámetro y longitud constantes
• Buena sinterabilidad para buena resistencia
• Resistencia adhesiva para adherencia de nueva mezcla con vieja
• Buena capacidad de liberación de gas para reducir formación de presión interna
• Fácil vaciado o taladrado

Arcillas anhidras son más resistentes al desgaste que las que contienen agua. Estas últimas no pueden usarse en AH modernos y se deben tomar precauciones especiales. Materias primas: alúmina fundida, bauxita calcinada, chamota, arcilla de fuego, minerales de arcilla, pirofilita, sílice, arena fina, cianita, alúmina calcinada fina, sílice de humo, circonio, cromitas, carburo de silicio, carbono, nitruro de silicio, polvos metálicos, coque, carbono ultra-fino, alquitrán, resina, aceites especiales.