Equipos Críticos de Casa de Colada para Operaciones Seguras en Altos Hornos

El piso de la casa de colada de un alto horno siempre ha sido uno de los lugares de trabajo más peligrosos en un alto horno. Además de trabajar en una atmósfera que incluye gases tóxicos, humos y polvo, los operadores deben realizar trabajos duros y pesados manuales cerca de canales de metal caliente y escoria, y cucharones llenos de metal caliente. Antes de la invención e instalación de equipos de casa de colada, las bocas de colada se abrían y cerraban manualmente. La apertura se hacía mediante barras de acero y mazos, mientras que la boca se cerraba apisonando repetidamente pequeñas cantidades de arcilla o material refractario en la boca, nuevamente con la ayuda de barras largas y pesadas. Además, en el alto horno, el soplado tenía que detenerse, ya que era imposible cerrar la boca correctamente contra la presión del horno. Esta parada del soplado resultaba en pérdidas regulares de producción.

Samuel W. Vaughen de EE. UU. inventó la primera pistola de arcilla (mud gun) en 1895. Su máquina neumática operaba con vapor, tenía una boquilla desmontable que había que abrir lateralmente para cargar la masa de boca. En 1901 hubo otro gran cambio en las prácticas de boca de colada cuando Ernst Menne de Alemania inventó la lanza de oxígeno. Al soplar oxígeno a través de un tubo de 1/8 pulgada e incendiarlo, ahora era posible abrir la boca muy rápidamente comparado con el método puramente manual. Los primeros registros de taladros de boca se encuentran alrededor de 1921 cuando Edgar E. Brosius y Joseph E. Judy de EE. UU. sugirieron un método de perforación para su apertura. Brosius incluso inventó un aparato combinado de perforación y lanza en 1924.

Una excelente configuración de casa de colada es una necesidad importante para un alto horno de bajo costo y alta productividad, ya que una operación efectiva del alto horno depende directamente de una operación ininterrumpida de sus equipos de casa de colada.

Principios fundamentales

Un tapón decente, que llene todo el canal de la boca con masa, es la consideración más importante para permitir una apertura segura y rápida posteriormente. Sin embargo, también es importante poder perforar el tapón con buena repetibilidad para prolongar la vida del canal o bloque de la boca. El lanzamiento debe mantenerse al mínimo.

El entorno extremadamente hostil del piso de la casa de colada exige equipos que soporten el calor mientras proporcionan rendimiento confiable y a largo plazo. La tecnología de colada de un alto horno moderno requiere que los equipos sean robustos, confiables, duraderos y eficientes para alto rendimiento en las condiciones arduas existentes. Los equipos deben diseñarse y analizarse usando las últimas herramientas de análisis de esfuerzos, construirse y probarse en taller bajo los más altos estándares.

La gestión de un gran alto horno con alto nivel de rendimiento necesita equipos de casa de colada eficientes y confiables. El esfuerzo hacia la máxima eficiencia operativa y la reducción de costos operativos también ha impulsado el desarrollo de tecnologías de equipos, resultando en una nueva generación que puede cambiar entre varios rangos de rendimiento para una máxima protección de la boca y el hogar del alto horno.

Una reducción sustancial del trabajo manual puede lograrse mediante mecanización y automatización en la casa de colada. Un requisito previo de la mecanización es un piso nivelado con cubiertas de canales a ras y planas para proporcionar acceso fácil a equipos móviles de mantenimiento a todas las áreas. La automatización de todas las funciones, como control de posición de compuertas de desempolvado, operación de taladro y pistola de arcilla, mediante software residente en un PLC dedicado de casa de colada en combinación con equipos de colada controlados por radio, reduce la operación manual, permite movilidad del operador y la conveniencia de monitorear efectivamente cada colada.

Los equipos importantes de casa de colada (Fig. 1) son: (i) taladros de boca, (ii) pistolas de arcilla (mud guns), (iii) manipuladores para cubiertas de canales de metal caliente, (iv) canales basculantes (tilting runners), (v) cambiadores de barra, (vi) máquinas de llenado de pistola de arcilla, y (vii) taladros de compuerta de jack (jack dam drills).

Fig. 1 Equipos de casa de colada de alto horno

Taladros de boca

La colada económica requiere un canal de boca de alto rendimiento. Además de la elección de masa de boca apropiada y la estrategia óptima de apertura, los ajustes óptimos de parámetros de colada y su repetibilidad son importantes. Los taladros de boca deben combinar máxima flexibilidad con martillos de perforación de alta capacidad bien probados para asegurar perforación efectiva.

Los taladros de boca deben proporcionar: (i) apertura confiable de cualquier boca sin retrasos, (ii) canal de boca suave para menor desgaste, (iii) minimizar lanzamiento de oxígeno para mayor seguridad del operador y prevención de daños a la estructura de la boca, (iv) alta energía de impacto inversa para retiro seguro de barra atascada, (v) costos reducidos de mantenimiento y vida prolongada del martillo. Además, deben lograr una máxima protección del área crítica de la boca, para: (i) maximizar la vida de la boca, (ii) reducir el número de reparaciones, y (iii) aumentar la disponibilidad del alto horno. Esta práctica optimizada protege la boca y el hogar, resultando en una mayor vida de campaña.

Hay cuatro opciones disponibles para la apertura de la boca del alto horno:

• Lanzamiento manual de oxígeno – Se usa como último recurso cuando todas las otras opciones han fallado o durante emergencias.
• Taladros electromecánicos sin martilleo – Se usaban en hornos antiguos. En hornos modernos no se usan.
• Taladros neumáticos o hidroneumáticos – Los neumáticos tienen martilleo neumático; los hidroneumáticos, hidráulico. Se usan en muchos hornos pero su rendimiento es relativamente inferior a los totalmente hidráulicos.
• Taladros hidráulicos – Totalmente hidráulicos con martilleo hidráulico. Se usan en todos los hornos modernos. Proporcionan rendimiento óptimo, combinando alto par de rotación con alta frecuencia percusiva a energía de impacto media. Esto proporciona perforación eficiente, reduciendo la necesidad de martilleo y minimizando el potencial de agrietamiento de refractarios de la boca.

Debido al desarrollo de masas de boca de alto rendimiento con excelente resistencia a abrasión y corrosión, la boca ya no es el factor limitante en el tiempo de colada. Estas masas han aumentado significativamente las demandas en los equipos. Las máquinas neumáticas alcanzaron rápidamente sus límites, llevando a tiempos de apertura inaceptables. A menudo el proceso debía combinarse con lanzamiento de oxígeno, resultando en daños a la boca y altos costos de mantenimiento. La solución fueron los taladros totalmente hidráulicos que pueden afrontar la demanda de las masas modernas.

Los requisitos básicos de diseño e instalación para taladros de boca son:

• Deben ser lo suficientemente potentes y rígidos para perforación precisa.
• Debe ser posible bloquear el taladro en ciertas posiciones.
• Todos los movimientos y maniobras deben ser controlados remotamente.
• Debe ser posible detenerlos en cualquier momento.
• Deben tener sirena o zumbador de advertencia que opere automáticamente antes de poner el taladro en movimiento.
• Deben instalarse de modo que, cuando no estén en uso, los operadores puedan moverse libremente alrededor y realizar reparaciones. Debe haber espacio para que una persona pase entre el taladro y cualquier obstáculo.
• Debe proveerse protección adecuada para el personal que trabaja alrededor del taladro, y este también debe protegerse.
• Las líneas de potencia deben protegerse contra calor y salidas, y tener buena resistencia mecánica.
• Si se usa electricidad, es aconsejable tener suministros vía al menos dos circuitos independientes, uno de los cuales sea un circuito de seguridad.
• Si el control es hidráulico o neumático, debe instalarse un acumulador de tamaño adecuado.

Los requisitos de perforación impuestos por la condición de la boca cambian a lo largo de su longitud. Normalmente los operadores deben elegir entre dos filosofías de martillo: (i) baja frecuencia / alta energía de impacto – para máximo avance, y (ii) alta frecuencia / baja energía – para mejor protección y mayor vida de la boca. Hoy en día hay taladros equipados con martillos capaces de cambiar entre modo de alta frecuencia de impacto y modo de alta energía para permitir un ajuste en línea de parámetros a las condiciones variables. Estas condiciones pueden ser: (i) perforación rotacional sin martilleo para máxima protección, (ii) martilleo de baja frecuencia con alta energía para áreas con inclusiones duras, y (iii) martilleo de alta frecuencia con baja energía para minimizar desprendimientos y maximizar la longitud de la boca.

Hoy los taladros suelen equiparse con sensores aptos para el entorno del alto horno. Estos proporcionan retroalimentación de parámetros para monitoreo y automatización de la técnica de colada.

Las funciones de automatización normalmente incluyen perforación optimizada (monitoreo y ajuste continuo de fuerza de avance y rotación), y medición automática de longitud de boca.

Normalmente se usan tres tipos de barras de perforación:

• Barra sólida con punta roscada forjada – Para bocas cortas y fáciles con masa blanda y sin inclusiones de escoria o hierro. Desventaja: solo para bocas cortas.
• Barras con puntas de acero intercambiables – Mejor relación costo-rendimiento para condiciones ordinarias. La punta hace un agujero limpio de diámetro constante. Hecha de acero al carbono e intercambiable. Almacenar puntas de diferentes diámetros con un tipo de barra ahorra costo considerable.
• Barras con puntas intercambiables (puntas de ala) – Hechas de acero fundido resistente al desgaste, diseñadas para agujeros limpios de diámetro constante, incluso con masas duras y condiciones difíciles. Para la mayoría de bocas, son el mejor compromiso entre velocidad/rendimiento y calidad del agujero.

Pistolas de arcilla (Mud guns)

Las pistolas de arcilla realizan una de las operaciones más importantes y críticas en altos hornos: el cierre de las bocas. Cerrar una boca bajo cualquier condición es un requisito clave de seguridad. Esto exige fiabilidad y robustez extremas. En hornos modernos, la tecnología de colada demanda pistolas de alto rendimiento que permitan el uso de masas resistentes al desgaste y de fraguado rápido. Las masas modernas no pueden manejarse sin control optimizado de temperatura de la pistola.

Los accionamientos hidráulicos aseguran que cualquier operación con bocas de servicio pesado sea efectiva y segura. Las pistolas se fabrican específicamente para operaciones críticas de servicio pesado, y su diseño y parámetros técnicos cumplen plenamente con los requisitos de los procesos tecnológicos modernos.

La alta presión de masa con diseño inverso necesita una pistola con considerable requisito de espacio. Hoy, el mejor compromiso entre restricciones de espacio y máximas presiones son: 200 kg/cm² de presión de tapado / 250 litros de volumen de masa para hornos pequeños y medianos, y 250 kg/cm² / 350–400 litros para hornos grandes.

Las pistolas deben diseñarse para altas presiones de apisonado, giro rápido y operación automática. Deben ser confiables con alta calidad, operación prolongada sin fallos, facilidad de mantenimiento y alto nivel de servicio.

Las funciones de automatización de pistolas modernas incluyen "tapado automático" para cierre de boca, con velocidades, volúmenes y secuencias de apisonado preprogramadas y ajustables, así como monitoreo de la cara de la boca y visualización/control del sistema hidráulico.

Los requisitos básicos de diseño e instalación para pistolas son:

• Debe ser lo suficientemente potente para extruir la masa contra la presión interna total del horno, incluso cuando esta suba por encima de lo normal.
• Debe ser capaz de colocar la boca de la pistola correctamente en la boca a pesar de obstrucciones por escoria u otro material.
• Debe estar diseñada para extruir toda la masa requerida para el tapón.
• Debe ser posible bloquear la pistola en varias posiciones.
• Todos los movimientos deben ser controlados remotamente y poder detenerse en cualquier momento.
• Debe tener sirena o zumbador que opere automáticamente antes de ponerla en movimiento.
• Debe instalarse de modo que, cuando no esté en uso, los operadores puedan moverse libremente y realizar reparaciones, con espacio suficiente para una persona entre la máquina y cualquier obstáculo.
• Debe proveerse protección adecuada para el personal y la máquina.
• Las líneas de potencia deben protegerse contra calor y salidas, con buena resistencia mecánica.
• Si se usa electricidad, es aconsejable suministros vía al menos dos circuitos independientes, uno de seguridad.
• Si el control es hidráulico, debe instalarse un acumulador de tamaño adecuado.

Cabinas de control para taladros y pistolas

Las cabinas de control para taladros y pistolas deben ubicarse, protegerse y equiparse de modo que permitan operación incluso en emergencias. Por tanto, deben tener las siguientes características básicas:

• La ubicación debe proteger al personal del riesgo de salidas o explosiones y permitir observar operaciones perfectamente.
• No debe usarse material combustible en su construcción.
• Al menos dos entradas diferentes e independientes, una de las cuales dé acceso a una plataforma de evacuación de emergencia en el exterior y que debe mantenerse despejada siempre.
• No debe haber puertas que conduzcan desde las cabinas a los canales.
• La ventana de observación hacia el área de colada debe: (i) ser lo más pequeña posible pero dar vista completa del área de operaciones y ubicación de la pistola y/o taladro, (ii) tener paneles de vidrio "Tríplex" en marco que se abra hacia afuera, protegidos por rejilla, (iii) controles ubicados junto a las ventanas para que el operador los maneje fácilmente mientras sigue el progreso, con precauciones para prevenir operación accidental, y (iv) comunicación entre la cabina y otros lugares donde se realiza trabajo conectado con la operación del horno, mediante al menos dos sistemas separados de comunicación oral (teléfono interno, intercomunicador, radio, etc.).
• La cabina debe tener sistema de ventilación que tome aire de área no contaminada por humo o gas.
• Si la cabina no puede ubicarse en área protegida de salpicaduras o explosiones, las medidas de seguridad deben intensificarse. En particular, las puertas deben colocarse de modo que cualquier explosión tienda a cerrarlas en lugar de abrirlas, y paredes, puertas y techo deben cubrirse con materiales resistentes a llama y calor.

Manipuladores para cubiertas de canales de metal caliente

Para evitar el enfriamiento del metal caliente antes de su drenado a los cucharones, los canales principales y de soporte deben cubrirse con cubiertas fijas y removibles. Estas también son requeridas para extracción eficiente de polvo y humos. Sin embargo, el proceso de colada y mantenimiento de boca requieren acceso sin obstáculos al área frontal del canal. Las cubiertas removibles suelen levantarse y moverse por manipuladores, abriendo acceso para taladros y pistolas. El uso de manipuladores ayuda a cubrir totalmente el canal principal y aumenta la seguridad del personal de mantenimiento.

Los manipuladores se montan normalmente bajo la plataforma de toberas. Son compactos y se operan eficientemente mediante control remoto con respaldo manual. Características importantes incluyen cubierta permanentemente conectada y posicionamiento repetible. Pueden tener operación hidráulica o neumática.

Los manipuladores resultan en minimización del costo de cubiertas removibles más expuestas a altas temperaturas y desgaste rápido. Requieren lograr cantidad significativa de espacio libre en la casa de colada para seguridad y facilidad de mantenimiento.

Varios diseños proporcionan soluciones flexibles para prácticamente todos los requisitos, minimizan la capacidad del manipulador y su costo inicial.

Canales basculantes (Tilting runners)

Los canales basculantes son equipos esenciales para el teeming (vaciado) confiable y seguro de la colada de metal caliente, usualmente para grandes altos hornos. Un canal basculante se posiciona normalmente entre dos vías de cucharones. Primero se inclina para llenar el cucharón en una vía y luego se inclina de vuelta para llenar el de la otra. Mientras se llena el segundo, el primero puede reemplazarse por uno vacío para continuar la colada ininterrumpidamente mientras se llenan varios cucharones.

Los canales basculantes son de diseños robustos y usualmente equipados con accionamientos hidráulicos para proporcionar los ángulos requeridos. Son elementos fabricados grandes y el cumplimiento de especificaciones de soldadura es crítico. Tienen estrategias de contingencia bien concebidas para seguridad operacional. La operación puede automatizarse en combinación con un sistema de medición de nivel para cucharones.

Cambiadores de barra (Bar changers)

El cambiador de barra es una máquina robótica usada para manejar e instalar barras o barras de remojo en el taladro de boca. Normalmente incorpora un almacén con diferentes diámetros. El brazo del carro móvil puede cargar una barra del almacén al portabrocas del taladro, o remover una barra gastada después de su uso.

Máquina de llenado de pistola de arcilla

Estas máquinas se usan para el llenado automático de la pistola. Un esquema para llenado automático se muestra en la Fig. 2.

Fig. 2 Esquema para llenado automático de pistola de arcilla

Taladros de compuerta de jack (Jack dam drills)

Los taladros de compuerta de jack son para perforar un agujero en la placa/pared del desescoriador (skimmer) del canal principal. Esto asegura que los productos de colada se drenen completamente del horno. Los taladros se fabrican específicos para cada alto horno para cumplir requisitos específicos como ubicación del canal principal, cimientos, columnas y equipos fijos. Los accionamientos son hidráulicos o neumáticos y se alimentan por la unidad de bomba general del sistema de equipos o independientemente. Los taladros se hacen portátiles o estacionarios. Es una herramienta útil para la casa de colada.

Otras herramientas y equipos importantes

Otras herramientas importantes son: barras de punzonado de diferentes tamaños y longitudes, equipos de lanzamiento de oxígeno, instalaciones de muestreo, y medición de temperatura, etc. Además de grúas e instalaciones de manipulación necesarias para diversas operaciones en la casa de colada.

Desarrollos en equipos de casa de colada

Ha habido mucho desarrollo en tecnología de colada en los últimos 125–130 años. Mientras los desarrollos anteriores se enfocaron en aspectos mecánicos de diseños, los esfuerzos recientes se centran en controles eléctricos e hidráulicos. Los desarrollos futuros deberán seguir esforzándose por mayores vidas de boca permitiendo masas más duras y reduciendo la influencia de la energía de impacto del martillo en el refractario del hogar. Alternativas a perforación y tapado han resultado infactibles hasta hoy. La "válvula de colada" para altos hornos sigue siendo un sueño. Ideas como detener o regular el flujo de metal por corrientes magnéticas no han funcionado a escala industrial.