Optimización del Diseño del Alto Horno para un Rendimiento Superior y Longevidad

Alto Horno y su Diseño

El diseño de un alto horno (AH) juega un papel fundamental en su operación fiable, rendimiento metalúrgico, productividad alta sostenida y larga vida de campaña.

El diseño de un AH moderno se basa generalmente en el concepto de una unidad autoportante con una estructura de edificio circundante, que proporciona acceso al horno y soporte para el sistema de gas del AH. El diseño del AH debe proporcionar la optimización del flujo de carga y gas con consideración de las potenciales materias primas y condiciones de operación para el horno a lo largo de su campaña.

El diseño del AH debe integrar las propiedades de la carcasa, los elementos de refrigeración y el revestimiento refractario para asegurar la operación bien equilibrada del complejo del AH. La elección de los refractarios y sistemas de refrigeración adecuados en cada zona del AH es crítica para una operación exitosa, económica y, sobre todo, segura del AH.

Equipamiento e Integración

Todo el equipamiento necesario para la operación suave del AH debe integrarse al diseñar un alto horno. Los principales de estos equipos son: equipamiento de carga superior, equipamiento de colada (pistolas de arcilla, taladros de ojo de colada, manipuladores de cubiertas de canal, canales basculantes para hierro y escoria, cambiadores de barras, taladros de presa, etc.), toberas, varios tipos de válvulas (p. ej. válvulas de aire caliente, válvulas de soplado, válvulas de alivio, válvulas de igualación/alivio, válvulas de control de flujo, y válvulas de aislamiento, etc.), diferentes sondas (p. ej. sondas de temperatura sobre carga, y sondas de gas sub-carga, etc.), registradores mecánicos de línea de carga, armadura de garganta móvil y fija, lanzas de ignición de línea de carga, y medidores de perfil, etc.

El diseño del AH debe proveer equipamiento que tenga una reputación probada de fiabilidad, durabilidad y alto rendimiento en las condiciones arduas del entorno del AH.

La operación de un AH moderno es bastante compleja y necesita equipamiento de automatización y control necesario para el monitoreo de varios parámetros de control. Esto es muy necesario para lograr los altos niveles de productividad esperados de un horno moderno.

El diseño del AH también debe soportar su constructibilidad rápida y precisa.

Perfil del Alto Horno

El perfil del AH tiene una configuración compleja que comprende cilindros unidos a conos truncados y consta de varias zonas: hogar, bosh, barriga, y chimenea. La chimenea se divide further en chimenea inferior y chimenea superior. En el hogar hay una capa muerta de metal líquido conocida como zona de hombre muerto. En cada zona hay carcasa, elementos de refrigeración y refractarios. El perfil de trabajo del horno se establece después de que cierto volumen de revestimiento se desgasta. Diferentes procesos fisicoquímicos tienen lugar dentro de estas zonas en el horno. Las proporciones de tamaño de diferentes zonas varían con el volumen útil del horno pero usualmente están dentro de un rango aceptable.

La relación de la altura total del horno al diámetro de la barriga para altos hornos de tamaño mediano y grande disminuye de alrededor de 3 a 2,00 a medida que el volumen útil del horno aumenta de 1000 m³ a 5500 m³. La relación del diámetro de la barriga del horno al diámetro del hogar del horno varía en el rango de 1,09 a 1,13 (idealmente debería ser 1,05 a 1,10). La relación del diámetro de la parte superior del horno al diámetro de la barriga varía usualmente en el rango de 0,62 a 0,71.

De manera similar, la altura de diferentes zonas para hornos de tamaño mediano y grande depende de su volumen útil pero usualmente varía dentro de un rango. La altura de la capa muerta varía en el rango de 600 mm a 1700 mm. La altura del hogar aumenta con el volumen útil del horno y está en el rango de 3200 mm a 5700 mm. La altura del bosh suele estar en el rango de 3000 mm a 4000 mm. La altura de la barriga en un AH es mínima comparada con otras alturas y suele estar en el rango de 2000 mm a 3000 mm. La altura de la chimenea en el AH es máxima y varía usualmente en el rango de 15 m a 20,7 m. La altura de la porción cilíndrica superior de la chimenea varía de 2,5 m a 3 m. La altura total del horno varía de 26 m a 36 m. La altura efectiva del horno excluye la altura de la porción cilíndrica superior de la chimenea y suele estar en el rango de 23 m a 33,5 m.

Los ángulos de pendiente hechos por la chimenea con la barriga y por el bosh con la barriga son parámetros importantes y usualmente varían en los rangos de 82,5 a 85,5 grados y 79,2 a 80,5 grados respectivamente.

La altura efectiva del horno depende de la calidad (resistencia) del coque que está disponible. La altura del AH de 33,5 m es casi su límite práctico considerando la resistencia normal del coque disponible. Por tanto, cualquier aumento en el volumen efectivo debe lograrse a través del aumento en la dimensión transversal del horno manteniendo la altura del horno prácticamente igual. Esto significa reducción en la relación de altura total al diámetro de la barriga. Esto también significa disminución del ángulo de pendiente hecho por la chimenea y la barriga. El ángulo de pendiente hecho por la chimenea y la barriga puede reducirse en la medida en que no obstruya la expansión lineal del material de carga con el aumento de la temperatura.

Además, el área transversal del hogar depende de la intensidad de combustión de carbono. Este es el carbono contenido en el coque (tanto coque de AH como coque de nuez) y combustible auxiliar y se determina por el contenido de carbono de la entrada total diaria de combustible al horno dividida por el volumen del horno.

Con el aumento en el diámetro del horno, necesita haber un aumento correspondiente en la presión de aire caliente para asegurar el trabajo central del horno. Esto necesita mayor presión en la parte superior del horno para mantener un diferencial de presión razonable en el horno para el movimiento suave de la carga.

El número de toberas en el AH es normalmente el doble del diámetro del hogar en el extremo inferior del horno de tamaño mediano y a medida que el volumen del horno aumenta, excede y es más de dos veces el diámetro del hogar.

El perfil de diseño de algunos altos hornos rusos se da en la Fig. 1.

Fig. 1 Perfiles de diseño de altos hornos rusos

Características de las Zonas del AH

Las características de las diferentes zonas del AH son importantes y deben considerarse al diseñar el AH. Estas características se describen a continuación.

• Zona de hombre muerto — Altas temperaturas y presiones de los productos fundidos y gases del horno.
• Zona del hogar — Altas temperaturas ambientales, movimiento continuo de los productos fundidos, actividad química de los productos, presión y actividad química de los gases, entrada de humedad en el hogar.
• Parte inferior de la zona bosh — Altas temperaturas ambientales, movimiento continuo de materiales de carga, gases, escorias, y hierro líquido, actividad química de las escorias, presión de la carga y los gases.
• Parte superior de la zona bosh — Movimiento continuo de materiales de carga y gases, acción de zinc (Zn) y compuestos de metales alcalinos, y altas temperaturas.
• Mitad inferior de la zona de chimenea — Movimiento continuo de materiales de carga y gases, acción de Zn, compuestos de metales alcalinos, y altas temperaturas.
• Mitad superior de la zona de chimenea — Movimiento continuo de gases y materiales de carga, acción de carbón hollín y Zn.

El diseño de los refractarios del AH debe atender estas condiciones existentes en las diferentes zonas del AH.

El aire caliente entra al horno cerca del límite entre el hogar y el bosh y forma una zona en la que el coque en la carga sufre combustión. La combustión del carbono del coque tiene lugar dentro de un volumen limitado del hogar. La mayor parte del calor generado por este proceso en su etapa más intensiva se concentra cerca de las paredes del horno. Las temperaturas en la región debajo de la zona de combustión de coque son de 1500 °C a 1650 °C en la periferia del horno y la relación con la cantidad de hierro líquido y escoria que se ha acumulado en esta parte del horno y la cantidad de tiempo tomado para su tránsito es una característica importante. Sin embargo, esta temperatura es algo menor en la periferia que en el centro del horno, debido al efecto de refrigeración del fondo.

Los gases que dejan la región de toberas del hogar tienen una temperatura de hasta 2000 °C, mientras que los materiales descendentes arriba y abajo del bosh están a alrededor de 500 °C o incluso menos. Esta diferencia es la razón de la transferencia de calor intensiva que tiene lugar en esta región, y está acompañada de cambios bruscos de temperatura. Tal calentamiento intensivo no es posible en la parte superior de la región del bosh y el eje, ya que toda la energía disponible se usa en la reducción directa. Como resultado, la temperatura en la dirección de la altura cambia relativamente poco en la parte inferior del eje comparado con el bosh. La región superior en la que ocurre calentamiento intensivo está en la parte inferior de la parte superior cilíndrica del horno y encima del eje. Los materiales cargados en el horno tienen una temperatura de alrededor de 30 °C, mientras que los gases que suben en el horno contrarios al movimiento de estos materiales tienen una temperatura muchas veces mayor.

En tanto el hogar como las otras partes del alto horno, la temperatura del gas disminuye 100 °C a 250 °C yendo de las paredes a la porción central del horno.

Aumentar las dimensiones horizontales del horno en el hogar y bosh desplaza el máximo de velocidad de gas hacia el centro del horno y así reduce la velocidad de gas en la región periférica. Como resultado, la temperatura de esta región disminuye junto con el efecto de los gases del hogar en el revestimiento.

Además, para que el alto horno produzca suavemente, el diseño y productividad del equipamiento y instalaciones periféricas deben coincidir con el requerimiento del alto horno e integrarse con él. Los principales equipamientos e instalaciones periféricas incluyen manejo, suministro y carga de material de carga de AH, soplador de aire y estufas de aire caliente para suministro de aire caliente a temperatura y presión apropiadas, instalaciones para manejo de gas de AH y su limpieza, colada para evacuación de metal caliente y escoria líquida, manejo de metal caliente, granulación de escoria líquida y manejo de escoria granulada, instalaciones de tratamiento de agua.