Toberas y Portatoberas de Alto Horno: Diseño, Función y Rendimiento

El alto horno (AH) tiene como objetivo extraer el metal caliente (hierro líquido) de mineral de hierro en bruto, sinter y/o pelotas, coque y combustible inyectado. Este objetivo se logra haciendo pasar un flujo de aire enriquecido caliente (aire de soplado caliente) a través de la carga de mineral y coque que desciende en la columna interna del AH. El aire de soplado caliente y el combustible auxiliar se inyectan en el alto horno a través de toberas ubicadas alrededor del perímetro del horno.

La zona superior de la pared del hogar del alto horno contiene las aberturas para las toberas que se utilizan para introducir el aire de soplado caliente en el horno. La camisa del horno en la zona de toberas contiene aberturas reforzadas con acero dentro de las cuales se instalan elementos refrigerados por cobre (Cu), similar a lo que se muestra en la Fig. 1. Los refuerzos de acero en la camisa se llaman soportes de refrigeradores de tobera. El gran refrigerador de Cu que se instala dentro de la superficie interior mecanizada del soporte se llama refrigerador de tobera. El refrigerador de Cu que realmente introduce el aire de soplado caliente en el horno se llama tobera. Se instala dentro de una superficie de asiento interior mecanizada en el refrigerador de tobera. El tubo de soplado es parte de la tubería de distribución de aire del portatobera, que entrega el aire de soplado caliente desde el colector (bustle pipe), y que se acopla con la tobera para dirigir el aire de soplado caliente al horno. Las paredes frontales de la tobera suelen ser de ladrillo de carbono y la refrigeración es generalmente externa con canales de refrigeración en chaqueta en el exterior de la carcasa. Algunos hornos tienen staves internos en el frontal de la tobera entre los refrigeradores como diseño de refrigeración para el frontal. La Fig. 1 también muestra la disposición del soporte del refrigerador de tobera, que encaja en la abertura de la carcasa de acero, el refrigerador de tobera que encaja en el soporte y la tobera que encaja dentro del refrigerador. Las superficies donde la tobera y el refrigerador contactan entre sí son mecanizadas para dar un ajuste hermético.

Fig. 1 Ensamblaje de tobera y tubo de soplado de alto horno

Zona de toberas y raceways

En la zona de toberas, el aire de soplado caliente penetra a través de las toberas en el coque creando zonas de combustión físicas que se llaman raceways (cámaras de combustión). El raceway de la tobera es una especie de cavidad entre la nariz de la tobera (extremo del tubo de soplado) y el hombre muerto en el fondo del AH con una forma que recuerda a una pera curvada hacia arriba. El aire caliente sopla en el AH a través del tubo de soplado. El flujo de gas forma la cavidad. La longitud de la cavidad es la profundidad del raceway. La profundidad del raceway determina el tamaño y forma del hombre muerto del AH. Por lo que impacta el flujo de gas e intercambio de calor. En el raceway, el carbono (C) en el coque y combustible inyectado reacciona con oxígeno (O₂) en varios pasos resultando en gas de bosh consistente en CO, H₂, N₂ y cantidades menores de SiO, H₂S, COS, Ar, etc. El calor físico del aire de soplado y la oxidación del C son las principales fuentes de calor en el proceso de alto horno.

El aire de soplado caliente para el proceso del AH es proporcionado por los sopladores de aire. Estos soplan aire atmosférico hacia los calentadores (hot stoves), y en este proceso, la temperatura se eleva hasta unos 200 °C. Cuando este aire frío pasa a través de los calentadores, el aire se calienta y la temperatura sube a alrededor de 1200 °C a 1250 °C. El sistema de soplado de aire caliente consiste en 3 a 4 calentadores trabajando en paralelo o en combinación. Los calentadores suministran aire de soplado caliente al colector (bustle pipe), que es el tubo circular de gran diámetro que rodea el alto horno a nivel del manto superior. El colector está revestido internamente con refractario para aislar y proteger la carcasa de acero exterior del aire de alta temperatura en su interior. El colector tiene el propósito de distribuir el aire de soplado caliente desde los calentadores hacia el fondo del alto horno a través de una serie de boquillas llamadas toberas del AH. Los principales equipos de este conjunto son los tubos rectos, los tubos de soplado, los refrigeradores de tobera y las propias toberas. Tanto las toberas como los portatoberas son componentes integrales del sistema de aire caliente del alto horno.

Portatoberas

Los portatoberas conectan el colector con las toberas. Su propósito es suministrar aire de soplado caliente al alto horno. Los portatoberas se fabrican normalmente con placas de acero de calidad caldera/aleación y están revestidos con material refractario, generalmente un material colable (castable). Cada portatobera es el ensamblaje de: codillo (gooseneck), fuelle de expansión, tubo de conexión, codo, ojo de inspección (peep hole), tubo de soplado, arreglo de fijación y dispositivo de tensado. Los portatoberas se adaptan a los movimientos relativos entre el sistema de suministro de aire caliente y el alto horno. Todos los componentes del portatobera suelen estar conectados por bridas. El tubo de soplado, que conecta el sistema de aire caliente con la tobera, normalmente encaja en un asiento esférico mecanizado en la base de la tobera.

Los componentes principales del portatobera están firmemente conectados con superficies cónicas pulidas mediante el consiguiente arreglo estrecho de la siguiente parte en la anterior. Así, las superficies cónicas de ajuste cerrado proporcionan la integridad hermética de la junta. Una alteración del ciclo de calentamiento operativo, así como cualquier fuga en una de las juntas del portatobera, resulta en la quema de los elementos constructivos y fallos.

Cada portatobera normalmente tiene un arreglo de fuelles gemelos en hornos modernos, y cada unidad de fuelle articula alrededor de +/- 3 grados. La nariz esférica en el tubo de soplado permite el movimiento relativo entre tubo y tobera. Los tubos de soplado suelen ser aptos para uso con diferentes tipos de inyección de combustible.

Los portatoberas se diseñan normalmente para larga vida útil. Se adaptan a los movimientos relativos entre el sistema de suministro de aire caliente y el horno. Están diseñados para larga vida y fácil manejo.

Los portatoberas se diseñan generalmente para minimizar juntas y curvas, mejorando la vida del revestimiento refractario y minimizando la pérdida de presión. El uso de un sistema de juntas horizontales, conectado mediante cuñas cónicas de liberación rápida, facilita la remoción rápida y fácil del tubo de soplado y codo. Los portatoberas también se diseñan para tener características como: (i) ajuste para posibles desplazamientos de anillos de refrigeración y toberas con sus juntas cardánicas, y (ii) ajuste según los parámetros cambiantes del aire de soplado caliente.

Las características especiales del portatobera normalmente incluyen: (i) junta refractaria esférica, (ii) unidad de fuelles con cojinete esférico, (iii) conexión para lanza de inyección de combustible, (iv) codo con visor, (v) unidad de fuelles atada por barras de unión con cojinetes esféricos, (vi) brida horizontal en codo para cambio rápido con cuñas, (vii) topes físicos para limitar el movimiento a +/- 3 grados, y (viii) pata descendente con junta refractaria esférica para permitir el movimiento máximo.

En algunos altos hornos, la nariz del tubo de soplado es refrigerada por agua, aunque en la mayoría no es el caso. La lanza de inyección de combustible entra a través de la pared del tubo de soplado y normalmente descarga el combustible ligeramente fuera de la línea central y unos 50 mm atrás de la nariz del tubo. Algunos altos hornos están equipados con sistemas de inyección dual que tienen dos aberturas en el tubo de soplado para facilitar múltiples combustibles de tobera. En caso de carbón pulverizado como combustible de tobera, la colocación de la lanza de inyección es más crítica para evitar impacto en el interior de la tobera y para mejor combustión del carbón.

El tubo de soplado se mantiene firmemente contra la tobera por la tensión en la varilla de brida, que conecta el portatobera con la chaqueta del hogar. El resorte de brida en el extremo de la varilla permite movimiento limitado a medida que el tubo de soplado se expande y contrae con cambios en la temperatura del aire de soplado. El tubo de soplado tiene forma tubular y está revestido con material refractario para evitar que su superficie se caliente demasiado.

El tubo de soplado es un componente integral del sistema de aire caliente de un alto horno. Posicionado entre la pata descendente del colector y la tobera, el tubo de soplado es generalmente un componente de dos piezas, consistente en un codo y una sección cónica, y típicamente construido con una carcasa exterior de acero revestida con un sistema refractario de dos componentes. Idealmente, un tubo de soplado está diseñado para resistir el paso de soplado enriquecido en O₂ por períodos prolongados a temperaturas y presiones superiores a 1150 °C y 3.5 kg/cm², respectivamente. El entorno operativo y la ubicación también intensifican la tragedia de un fallo del tubo de soplado, ya que estos fallos son frecuentemente catastróficos. Las consecuencias de fallos repentinos e incontrolados incluyen mayores riesgos de seguridad, daño a activos y pérdida de producción.

En la parte trasera del portatobera, en la línea central del tubo de soplado y tobera, hay una pequeña abertura a través de la cual se puede insertar una varilla para limpiar material del tubo. La abertura se cierra con una tapa que puede abrirse cuando es necesario pero es hermética al gas cuando está cerrada. En esta tapa, llamada tapa de tobera o wicket, hay un visor cubierto de vidrio que permite al operador inspeccionar el interior del horno directamente frente a la tobera. La parte superior del portatobera se conecta mediante una junta giratoria a la boquilla revestida de refractario del codillo a la que se sujeta mediante orejetas y chavetas que encajan en asientos de barras colgantes. Cada codillo a su vez se conecta mediante bridas y pernos a un cuello que se extiende radialmente desde el diámetro interior del colector. El colector es un tubo grande, circular, revestido de refractario y aislado que rodea el horno a nivel del manto superior y distribuye el aire calentado desde la tubería principal de aire caliente a cada conexión de tobera. La disposición general del colector, portatoberas y tubo de soplado se muestra en la Fig. 2.

Fig. 2 Disposición general del colector, portatoberas y tubo de soplado

Toberas y refrigeradores de tobera

Las toberas son tubos pequeños que permiten que el aire caliente del colector entre al alto horno. Son boquillas de forma especial a través de las cuales se inyecta el aire de soplado caliente en el alto horno. Están hechas de cobre y suelen ser refrigeradas por agua ya que están expuestas directamente a la temperatura del horno. Están ubicadas alrededor de todo el alto horno. Hay cuatro tipos de toberas usadas en altos hornos: (i) toberas de cámara simple, (ii) toberas de doble cámara, (iii) toberas de múltiples cámaras, y (iv) toberas de cámara espiral. Las toberas de doble cámara son las más utilizadas.

La tobera, el refrigerador de tobera y el tubo de soplado operan en las condiciones de temperatura más severas. El refrigerador de tobera se coloca en el frontal del revestimiento del horno. La boquilla se acopla con la tobera que ya está a 250 mm a 350 mm de profundidad dentro del cuerpo del alto horno.

Las primeras toberas se usaron en 1740 en el alto horno de la planta Nevyanskiy. El uso de toberas en la práctica de altos hornos ganó aceptación generalizada a principios del siglo XX. Desde entonces, el diseño de la tobera ha cambiado ligeramente, aunque su técnica de fabricación ha mejorado constantemente.

Las toberas están hechas de cobre. Anteriormente, las toberas de tipo anterior se hacían de láminas de cobre prensado, con espesor de pared hasta 8 mm. Hoy en día, las toberas de alto horno suelen hacerse de cobre fundido centrífugo, lo que asegura la máxima vida operativa mediante la alta fabricabilidad que proporciona la máxima homogeneidad del material y ausencia de microporos. Sin embargo, este método es un poco más costoso que la fabricación por fundición al vacío. Esta última también se aplica a veces en la producción de toberas y tiene un costo de conversión menor, pero existe la posibilidad de ligera no homogeneidad del material. De cualquier manera, el método de fundición de producción de toberas ha superado casi totalmente la aplicación de la construcción soldada debido a su menor capacidad operativa a pesar del menor costo de producción, que también está asociado con la fundición de refrigeradores de tobera huecos de cobre. El refrigerador de tobera también se fabrica por fundición y es de cobre (menos a menudo de bronce). Se monta en el frontal del revestimiento del horno y se fija a través de la brida con soldadura adicional a la chaqueta del hogar.

El refrigerador de tobera y la tobera son refrigerados por agua. En altos hornos modernos que utilizan temperaturas de aire de soplado alrededor de 1200 °C, los pasajes de agua del cuerpo de la tobera están diseñados para mantener la velocidad del agua por encima de 20 m/seg. Y los pasajes de agua de la nariz de la tobera están diseñados para mantener la velocidad del agua por encima de 28 m/seg para mejorar la tasa de transferencia de calor. La Fig. 3 muestra tobera y refrigerador de tobera.

Fig. 3 Tobera y refrigerador de tobera

La tobera del alto horno es refrigerada por agua suministrada a una tasa de 15–25 m³/hora directamente a la cara interna de la tobera. La temperatura de calentamiento del agua de refrigeración descargada no debe exceder 15 °C. La presión del agua de refrigeración suministrada a la cara de la tobera y refrigerador no debe exceder 5 a 10 kg/cm². El uso de cobre (con pureza mínima del 99.5 %) como material de construcción permite remover el calor eficazmente del cuerpo cónico de la tobera operando en condiciones extremadamente calientes.

Fabricada predominantemente de cobre fundido, con canales refrigerados por agua, la tobera es el dispositivo que permite soplar aire caliente en la cámara de combustión (raceway) del alto horno. Expuesta a un entorno operativo severo y turbulento, la región de la tobera es dinámica y compleja, conteniendo gases de combustión, óxidos líquidos (escoria), hierro líquido, coque, carbón pulverizado, char y temperaturas que frecuentemente superan los 2200 °C. Aunque reconocida como componente clave, una tobera indestructible para alto horno aún no se ha desarrollado. La poca fiabilidad de las toberas no es un fenómeno reciente.

A pesar de ser la ruta dominante de producción de hierro, y tras varios siglos de desarrollo, los altos hornos aún son propensos a sufrir fallos de toberas. Un fallo de tobera introduce una situación que todos los operadores intentan evitar: inestabilidad del horno, aumento de costos y tasa de combustible, pérdida de productividad, y mayor exposición a riesgos de seguridad y ambientales.

La durabilidad de las toberas del alto horno influye en la economía del proceso. Una durabilidad inadecuada aumenta los costos de material de tobera por un lado, y por otro conduce a reparaciones y paradas frecuentes, reduciendo así la producción del alto horno.

Reconocida como componente crítico, la fiabilidad de la tobera se rastrea frecuentemente como indicador clave de rendimiento (KPI) en la operación de alto horno. Una revisión del rendimiento de toberas a menudo indica altas tasas de fallo y revela que las paradas no planificadas para reemplazar toberas se han vuelto rutinarias.

Cuando una tobera falla, el agua a alta presión que la refrigera puede entrar al alto horno. Esta entrada de agua pone en marcha una cadena de eventos que perturba la operación del horno. Esto incluye inestabilidad del horno, aumento de costos de combustible y materiales, pérdida de productividad, y mayores riesgos de seguridad y ambientales. Llevado al extremo, un fallo de tobera puede resultar en la destrucción del alto horno con impactos de seguridad ominosos.

Inicialmente, antes de la llegada de la refrigeración por agua, muchos fallos de tobera se relacionaban con el "planchado" de la tobera. Con la invención del aire caliente en 1828, el diseño de la tobera evolucionó para eventualmente incluir refrigeración por agua. A finales del siglo XIX, los beneficios de una tobera refrigerada por agua fueron aceptados en la industria, al igual que el reconocimiento del efecto de un fallo. Los efectos reportados de fallos de tobera son: (i) grados inferiores de hierro (azufre más alto y silicio más bajo), (ii) hogares enfriados, (iii) explosiones, (iv) "gas salvaje" para los calentadores (probablemente alto contenido de hidrógeno), (v) mayores riesgos de seguridad (cambio de toberas con el horno en soplado), (vi) costos aumentados, y (vii) pérdida de producción. En 1918, J.E. Johnson Jr., en su texto sobre principios de alto horno, aconsejaba a los operadores sobre el "efecto ruinoso del agua en la operación del horno", mientras cuantificaba la pérdida de calor en términos de combustible para una fuga (0.12 m³/hora de fuga correspondiendo a una pérdida del 2 % en calor del hogar). Casi 100 años después, la fiabilidad de la tobera sigue siendo un tema de interés y un problema moderno.

Los intentos por mejorar la fiabilidad de las toberas han seguido desafiando a operadores y fabricantes. A medida que los altos hornos se han desarrollado para operar con mayor productividad, a menores tasas de coque principalmente mediante inyección de carbón pulverizado, la actividad investigando las causas de fallos se ha centrado en la carga, prácticas operativas, diseño de toberas y defectos de fabricación.

Frecuentemente, las causas de fallos son evidentes. Erosión, abrasión y quemaduras por metal caliente son fácilmente discernibles en una inspección visual superficial. Sin embargo, se necesita mayor detalle para completar el análisis. Al cortar secciones de toberas falladas, los defectos de fundición y fabricación se vuelven obvios.

Prevenir fallos de toberas es una de las tareas más importantes de los productores de hierro, ya que es esencial para mantener operación estable y alta productividad. Se ha desarrollado una tobera de larga vida en Japón. Las características de esta tobera son: (i) caída de presión baja (ahorro de energía) y tasa de flujo de agua alta (alta capacidad de refrigeración) porque la estructura de la tobera es excéntrica, (ii) la tobera está recubierta con algunos materiales cerámicos para proteger de quemaduras y abrasión en la superficie exterior, y (iii) la tobera está diseñada para repararse fácilmente, lo que reduciría los gastos de mantenimiento.

El daño a las toberas del alto horno es causado esencialmente por sobrecarga térmica, acción mecánica y defectos de construcción y fabricación. Muchos estudios se han realizado en el pasado sobre la carga térmica y ataque mecánico en toberas y se han desarrollado varios conceptos sobre el curso de la destrucción de toberas; por ejemplo, se ha indicado la posibilidad de que el material de la tobera pueda ser destruido por contacto directo con el metal caliente a través de depósitos de hierro debajo de la tobera.

La abrasión mecánica en las toberas es atribuible a los sólidos que se mueven frente a las toberas. El hecho de que la abrasión en la parte superior de la boquilla de la tobera sea mayor que en la inferior se dice que confirma esta suposición.

Además de tales efectos causados por la operación del alto horno, se han dado como causa de daño defectos de construcción, material y fabricación. Los circuitos de agua de refrigeración que no permiten buena transferencia de calor deben contarse como defectos de construcción. Defectos de fundición y desviaciones del diseño son defectos de fabricación que pueden reconocerse por ensayos no destructivos. Con circuitos de agua de refrigeración mejorados, ya incorporados en una construcción avanzada de tobera, se puede obtener una durabilidad muy mejorada.

Para reducir el desgaste de toberas, se han probado varias capas protectoras. Óxidos metálicos, en particular óxido de circonio, óxido de berilio y óxido de aluminio, se han usado frecuentemente. Níquel o aleaciones de níquel se dice que son adecuados como capas intermedias. Procesos de difusión también conducen a una capa protectora resistente. En cuanto al modo de acción y éxito de capas protectoras para aumentar la vida, hay declaraciones contradictorias en cierta medida.

La abrasión mecánica en las toberas es atribuible a los sólidos que se mueven frente a las toberas. El hecho de que la abrasión en la parte superior de la boquilla sea mayor que en la inferior confirma esta suposición. Estudios recientes sobre los movimientos frente a las toberas también apuntan a esta posibilidad de desgaste abrasivo.

Además de tales efectos causados por la operación del alto horno, defectos de construcción, material y fabricación se han dado como causa de daño. Los circuitos de agua de refrigeración que no permiten buena transferencia de calor son defectos de construcción. Defectos de fundición y desviaciones del diseño son defectos de fabricación reconocibles por ensayos no destructivos. Con circuitos de agua de refrigeración mejorados, ya incorporados en una construcción avanzada de tobera, se puede obtener una durabilidad muy mejorada.

Para facilitar el análisis de fallos de toberas respecto a defectos de fabricación, a menudo se realizan pruebas de conductividad eléctrica. Enfocándose en el punto común de fallo, se mide la conductividad de la fundición a través de la línea de soldadura. Según la ley de Wiedemann-Franz, la conductividad eléctrica es proporcional a la conductividad térmica. Se observan conductividades eléctricas tan bajas como 16 % IACS (International Annealed Copper Standard). En la soldadura circunferencial exterior, donde los fallos son más comunes, la conductividad térmica de la zona de soldadura es usualmente solo alrededor de un tercio de la conductividad térmica del cobre puro. Esto forma un punto débil donde la fundición no se refrigera suficientemente y simplemente se derrite hasta el fallo eventual. Se necesitan especificaciones de conductividad eléctrica aumentadas y pruebas más rigurosas en fabricantes de toberas, ya que este parámetro juega un papel significativo en el rendimiento.