Soplado inicial (Blowing-in) de un alto horno: pasos clave y aspectos técnicos

El proceso de soplado inicial (blowing-in) de un alto horno

El proceso de arranque de un alto horno después de su construcción o después de su recubrimiento (relining) se llama soplado inicial (blowing-in). El proceso de soplado inicial se lleva a cabo en varios pasos (Fig. 1) que consisten en: (i) secado del revestimiento, (ii) llenado del alto horno con una carga de soplado inicial especialmente arreglada con alto contenido de coque, (iii) encendido del coque o encendido del alto horno, y (iv) aumento gradual del aire caliente (tasa de viento) con coladas frecuentes para asegurar el aumento de la temperatura del hogar del alto horno. Durante el período de soplado inicial, la relación de carga (relación mineral/coque) se ajusta según un programa predeterminado hasta que se logra la operación normal del alto horno y el horno comienza a producir la calidad normal de arrabio.

Un alto horno recién construido o recubierto debe secarse cuidadosamente antes de encender el coque. Esto es porque la gran cantidad de agua contenida en la lechada (slurry) usada para la colocación de ladrillos refractarios y el agua absorbida por la albañilería refractaria debe eliminarse tanto como sea posible para evitar un choque térmico extremo. Hay datos suficientes disponibles que indican que el soplado inicial de un alto horno puede causar daño al revestimiento refractario incluso cuando ha sido secado adecuadamente. Además, si el agua de estas fuentes no se remueve del alto horno antes de ponerlo en operación, absorbe más calor que el provisto para la carga de soplado inicial y, por tanto, impide que el hogar alcance la temperatura deseada. En tales casos, el arrabio y la escoria líquidos que entran en el hogar pueden congelarse allí y en tal caso se vuelve imposible removerlos del alto horno.

Secado del alto horno

Hay varios métodos que pueden usarse para secar un alto horno y las estufas de aire caliente asociadas con el alto horno. El método normal para las estufas de aire caliente, donde hay combustible gaseoso como gas de horno de coque disponible, es colocar una tubería de gas en la cámara de combustión inferior y comenzar con una llama pequeña y aumentar la entrada de gas durante muchos días hasta que se pueda usar una pequeña cantidad de gas de alto horno, manteniendo el combustible gaseoso como llama piloto. Es deseable aumentar el calor lentamente durante al menos diez días a dos semanas en una estufa de aire caliente nueva antes de comenzar a llevar la estufa a las temperaturas de operación.

Las estufas de aire caliente que han tenido servicio previo se han calentado en 36 a 72 horas sin dificultad aparente. Otro método de secado o calentamiento en el pasado fue usar un fuego de madera construido en el fondo de la cámara de combustión. El fuego de madera necesitaba atención constante hasta que las temperaturas de la pared fueron suficientes para asegurar la combustión adecuada del gas de alto horno.

Uno de los métodos para secar un alto horno es el uso de aire caliente. Es un método simple y el secado permanece bajo control en todo momento. Al aplicar este método, se usa el sistema convencional de aire caliente, excepto que inicialmente la temperatura del aire caliente se mantiene alrededor de 200 °C a 220 °C y el volumen de aire caliente se mantiene en un nivel bajo. La temperatura se aumenta lentamente durante varios días a ligeramente por encima de 400 °C y se mantiene en ese nivel de temperatura por unos días más. La operación completa puede lograrse en una semana. En algunos lugares, codos y tuberías se instalan dentro de unas pocas toberas de los altos hornos para dirigir aire caliente hacia el hogar del alto horno. Es deseable, durante la última parte del período de secado, usar vapor a baja presión en los soplete de refrigeración del hogar y placas del bosh para asistir el secado. El equipo de válvula de sellado inferior de la carga superior está cerrado durante el secado, y los respiraderos del horno se ajustan para retener la mayor cantidad de calor posible dentro del alto horno. No se necesita observar lectura de presión en el manómetro de presión de aire durante el secado.

En plantas con un solo alto horno donde no hay gas de alto horno disponible, el método recién descrito debe modificarse porque se debe usar un combustible auxiliar de gas de horno de coque o fuel oil para calentar las estufas de aire caliente. Sin embargo, para el bajo nivel de calor requerido, esto puede hacerse satisfactoriamente.

Un método alternativo para el secado del alto horno se conoce como el método de fuego en el hogar (hearth fire method). Simplemente consiste en un fuego de madera, coque o carbón construido en el hogar del horno y controlado de manera similar a los otros métodos con obturadores de tobera y respiraderos. Es difícil regular la temperatura del fuego. Además, se requiere reposición frecuente de combustible, lo cual no solo es difícil sino que también interrumpe el proceso. Si se usa solo para secado, este método es tan simple como se describe arriba, pero podría aplicarse como el inicio de un proceso de soplado inicial controlado o lento. Algunos operadores de soplado inicial afirman que se logra un calentamiento mejorado a través de esta técnica. Después del secado, se carga una capa de coque en blanco muy pesada, seguida de una carga regular de soplado inicial. Luego se mantiene un aire bajo, y las temperaturas del hogar y de la pared se elevan lentamente antes de que el volumen de aire de soplado se aumente a tasas convencionales de soplado inicial. En este método, el soplado inicial real tiene lugar después de un lapso de varios días. Sin embargo, teóricamente, este método tiene la ventaja de que hay menos posibilidad de daño al revestimiento de ladrillo refractario por choque térmico y hay una tendencia reducida de los ladrillos refractarios a desprenderse (spall). Sin embargo, el método consume mucho tiempo y es costoso. Una vida de campaña superior se ha obtenido mediante el uso de métodos convencionales, y no se ha notado evidencia hasta la fecha que indique resultados superiores de técnicas de combustión lenta.

Otro método que se usa consiste en una llama de gas abierta dentro del alto horno. Una práctica es instalar una tubería de gas a través de la luz de colada e incendiar el gas con un pequeño fuego de madera mantenido en todo momento. Las aberturas de las toberas están equipadas con obturadores para regular la entrada de aire, y la temperatura de tope del alto horno se regula de manera similar a como se hace en los dos métodos descritos anteriormente. Este método tiene peligros obvios y por eso ya no está en uso. Ahora se considera un método obsoleto. Esta práctica ha sido superada por el uso de quemadores insertados a través de las toberas que generan aire caliente a partir de la combustión de combustibles gaseosos.

Otro método usado para el secado del alto horno es el uso de hornos holandeses (dutch ovens). Dos, tres o más hornos se construyen fuera del alto horno y los productos de combustión de estos hornos más aire caliente en exceso se dirigen a través de tuberías hacia la luz de colada y algunas aberturas de tobera. Otras aberturas de tobera y enfriadores se bloquean y la corriente se regula ajustando los respiraderos del alto horno. Como en el secado por aire caliente, la válvula de sellado inferior del equipo de carga superior se mantiene en condición cerrada. Los hornos holandeses se alimentan con coque, carbón o madera y necesitan operadores para el mantenimiento de los fuegos, transporte del combustible y limpieza de cenizas. El control de temperatura es más difícil en este caso, pero se mantiene cierta regulación por la intensidad de los fuegos de los hornos y el ajuste de los respiraderos del horno.

Llenado del alto horno

Después de la completación de la operación de secado, la válvula de sellado inferior y los respiraderos del alto horno se abren. Los tubos de soplado se bajan y algunas toberas así como algunos enfriadores se remueven, si es deseable, y el equipo alrededor de la casa de colada usado en el proceso de secado se limpia. En un tiempo relativamente corto, el interior del alto horno se enfría lo suficiente para permitir la entrada al hogar para prepararse para el llenado. En caso de que se haya usado un fuego en el hogar para secado, todas las cenizas y residuos se limpian. Ahora se hace una inspección del sistema de refrigeración del horno y se pone el agua en marcha. Es una práctica normal mantener una observación constante en todos los elementos de refrigeración a partir de este momento. En casos donde el revestimiento del horno no es nuevo y el horno está vacío, esta inspección proporciona una buena oportunidad para encontrar elementos de refrigeración que tienen fugas. Donde hay duda con una placa de refrigeración o donde hay señal de humedad en la placa de refrigeración, entonces la placa de refrigeración debe ser reemplazada antes de que comience el llenado del alto horno. Además, todo el equipo mecánico, eléctrico y físico debe someterse a una revisión exhaustiva antes del inicio del llenado del alto horno. Normalmente se prepara una lista de verificación (checklist), y cada elemento de la lista se verifica a medida que se reciben informes de que el elemento es satisfactorio.

El trabajo en otros preparativos ha precedido y algunos continúan en este punto coincidiendo con el inicio de la operación de llenado del alto horno. Ejemplos son el calentamiento de cucharones de arrabio, llenado de los silos con materias primas en los silos de la casa de carga según el plan preestablecido, preparación de cucharones de escoria (si se usan) para servicio, inspección de las líneas de gas del alto horno, y apertura y cierre de ventilaciones según indicación. Las líneas de purga de vapor se verifican para asegurar que el vapor está disponible cuando se necesite. Los canales de hierro y escoria en la casa de colada también deben prepararse.

Simultáneamente, las actividades en la central eléctrica para los sopladores de aire deben llevarse a cabo con igual intensidad. Tal vez las turbinas deban abrirse para inspección y numerosos trabajos de mantenimiento preventivo necesiten realizarse. Las calderas deben calentarse, los turbosopladores deben calentarse y girarse, los mecanismos de disparo por velocidad deben verificarse, el agua debe ponerse en los condensadores, las bombas deben inspeccionarse y ponerse en operación, los horarios de aire de soplado deben publicarse y reconfirmarse con el personal del alto horno, la planta de tratamiento de agua de caldera debe iniciarse y la casa de interruptores y subestación deben activarse.

Algunas de las actividades finales antes de arrancar un alto horno son la instalación y secado de los materiales de revestimiento para los canales y corredores de arrabio, colocación de los desescoriadores (skimmers) y compuertas, y asegurarse de que las pistolas de arcilla (mud guns) y taladros de luz de colada estén montados correctamente para que contacten la luz de colada (notch de hierro) apropiadamente. En algunos lugares donde el alto horno va a operarse a presión muy alta, el alto horno se presuriza con aire frío antes del arranque para determinar si hay alguna fuga que deba rectificarse antes de la carga.

Hay muchos arreglos diferentes para colocar la carga de arranque en el alto horno. Normalmente consiste solo en coque y una pequeña cantidad de fundente debajo del manto (mantle). Por encima del manto hay un aumento gradual en la carga de mineral con un aumento gradual en la relación de carga (mineral a coque). Muy a menudo, durmientes de madera se colocan en el hogar en las luces de colada para que haya suficiente espacio abierto para que el gas salga. En algunos soplados iniciales, escoria de alto horno y piedra caliza se cargan con el coque en la región del bosh. El propósito de esto es que la escoria proporcione un material que se funda fácilmente y lleve calor hacia el hogar. El propósito de la piedra caliza es combinarse con la ceniza de coque y formar una escoria fusible. Para aumentar el volumen de escoria durante el período inicial de arranque, a veces se añade grava de sílice.

Mientras se llena el horno con la carga inicial, la relación mineral/sinter a coque se incrementa hacia la parte superior del alto horno, la relación piedra caliza a coque disminuye y la relación grava a coque aumenta ligeramente. Al calcular las cantidades relativas de coque, carga mineral y fundente, se anticipa que el contenido de silicio del arrabio en las primeras coladas normalmente contendrá 2.5 % a 4.5 % de silicio. Consecuentemente, la cantidad de fundente básico debe planificarse en consecuencia para que la escoria no sea demasiado cálcica (viscosa). A medida que el alto horno comienza a moverse normalmente y la tasa de aire caliente aumenta, el contenido de silicio del arrabio disminuirá y luego se debe proporcionar fundente adicional para la sílice que permanece no reducida en la escoria.

Encendido (Lighting)

Varios métodos diferentes pueden usarse para encender el alto horno. Sin embargo, el método más comúnmente usado en la actualidad es encender el coque con aire caliente. En este método, se usa primero un volumen de aire relativamente bajo a una temperatura entre 550 °C y 650 °C y en cuestión de minutos el coque presente frente a estas toberas se enciende. Para usar este método, es necesario tener las estufas de aire caliente precalentadas. En una planta de un solo alto horno o en una planta de múltiples altos hornos donde todos los altos hornos están fuera, esto puede presentar un problema. Frecuentemente, donde no hay gas de alto horno disponible, otros gases combustibles como gas de horno de coque o gas natural se usan para precalentar las estufas hasta que el gas del alto horno pueda usarse.

Otro método, usado con menos frecuencia, es colocar material fácilmente combustible frente a las toberas que pueda encenderse con antorchas o barras al rojo vivo. La corriente natural a través del alto horno normalmente proporciona suficiente aire para elevar la temperatura del coque cerca de las toberas a la temperatura de combustión, y luego se puede iniciar un flujo ligero de aire de soplado.

Antes de que el alto horno sea encendido, el sistema de gas se aísla del horno mediante una válvula de compuerta (goggle valve), normalmente ubicada aguas abajo del sistema de limpieza de gas. El sistema de limpieza de gas se purga desde esta válvula de compuerta hasta el alto horno con vapor o algún gas inerte. Durante las etapas iniciales del soplado inicial, los respiraderos en la parte superior del horno se mantienen abiertos y un gas de purga se mantiene en el sistema de limpieza de gas hasta la válvula que separa el sistema de limpieza de gas del sistema principal de gas de la planta. Los sistemas de limpieza de gas pueden variar de alto horno a alto horno, y a veces secciones separadas del sistema de limpieza de gas se aíslan unas de otras y se purgan por separado.

En muchos lugares, no hay válvula de aislamiento entre el captador de polvo y el alto horno y, por tanto, el captador de polvo se purga con vapor que se ventila a través del downcomer del alto horno y se descarga a través de los respiraderos del alto horno. Cuando la tasa de aire caliente en el alto horno ha aumentado lo suficiente para mantener un buen flujo estable de gas de alto horno, el medio de purga se cierra y los respiraderos se cierran. Cuando se obtiene una presión positiva de gas hasta la válvula de aislamiento de compuerta, esta se abre y se permite que el gas fluya al sistema principal de gas. Se deben tomar precauciones significativas para evitar una explosión durante todo este período, y el área alrededor del alto horno, el sistema de limpieza de gas y las válvulas deben monitorearse para detectar posibles fugas de gas de alto horno.

Cuando el alto horno se arranca, la tasa de aire caliente es solo una pequeña fracción de lo que será en operación normal. Por tanto, es necesario abrir solo unas pocas toberas para que la velocidad a través de cada tobera sea suficiente para llevar el aire caliente bien dentro del alto horno y prevenir que los gases calientes canalicen hacia arriba a lo largo de las paredes. Esto normalmente se logra tapando las toberas que no se usan con bolas de arcilla y abriéndolas con un punzón (poking) más tarde a medida que aumenta la tasa de aire caliente. En algunos casos, se colocan bujes dentro de las toberas para disminuir el diámetro de la abertura durante las etapas iniciales del soplado inicial. Estos bujes se sacan cuando se van a usar tasas de aire caliente más altas. Al principio, la tasa de aire caliente se aumenta cada pocas horas para que al final de las primeras 24 horas, esté alrededor del 40 % al 50 % del aire caliente completo. Después de esto, se aumenta aproximadamente un 25 % por día hasta que se alcanza la tasa final.

Cuando el alto horno se inicia, la luz de colada usualmente se deja abierta, y parte del gas generado por la combustión del coque sale a través de la luz de colada. Al principio, este gas debe encenderse, pero a medida que aumenta la tasa de aire caliente, calienta el coque en el hogar y finalmente descarga a una temperatura lo suficientemente alta para permanecer encendido. La luz de colada generalmente permanece abierta hasta que comienza a aparecer escoria. Esto se indica por una disminución en el volumen de gas y un soplido o pulsación en la luz de colada. Cuando esto ocurre, la pistola de arcilla se posiciona y la luz de colada se cierra. Cada pocas horas después de eso, la luz de colada se vuelve a abrir para remover cualquier escoria que se haya formado. En altos hornos más grandes con más de una luz de colada, normalmente se abre una luz de colada diferente con cada intento sucesivo.

Dentro de aproximadamente 24 a 28 horas después del arranque, se espera colar el primer arrabio. Este arrabio típicamente será muy alto en contenido de silicio debido a la tasa de operación lenta y la alta relación de sílice a óxido de hierro en las materias primas en la primera porción de la carga del alto horno. A medida que aumenta la tasa de aire caliente, y la relación de carga (mineral a coque) se acerca al nivel de operación normal, el contenido de silicio del arrabio disminuye. En consecuencia, la relación de fundente a las otras materias primas debe ajustarse para proporcionar óxido básico suficiente para fundir la sílice no reducida que va a la escoria. Generalmente, durante el período de soplado inicial, es aconsejable mantener la relación de carga (mineral a coque) en un rango que produzca arrabio de alta temperatura alrededor de 1500 °C para asegurar que algún problema imprevisto no resulte en un congelamiento (freeze up). La temperatura del aire caliente generalmente no se eleva a la salida máxima de las estufas de aire caliente durante este período, ya que hay necesidad de tener una reserva disponible que permita la introducción de calor adicional en el hogar en caso de emergencia.