Sistema de soplado de aire optimizado para operación eficiente de alto horno

Sistema de soplado de aire para alto horno

Un alto horno (BF) produce hierro líquido (metal caliente) por reducción de la carga de mineral con gases reductores. Los gases reductores se producen por la reacción de oxígeno con coque y carbón. Este oxígeno forma parte del aire caliente enriquecido que se sopla y distribuye en la parte inferior del BF a través de tubos rectos, tubos de soplado y toberas. Este conjunto está conectado al tubo colector principal. El volumen de aire enriquecido con oxígeno y soplado para el proceso en el BF es proporcionado por los sopladores de aire. Estos toman el aire de la atmósfera y lo comprimen a la presión requerida. Este aire comprimido, a unos 200 °C tras la compresión, se enriquece con oxígeno y se sopla a los hornos de aire caliente donde la temperatura se eleva a 1.200–1.250 °C. Este aire caliente se lleva al tubo colector a través de la tubería principal de aire caliente. Los sistemas de soplado de aire de altos hornos modernos de alta capacidad operan con temperaturas de soplado de hasta 1.350 °C y presiones de hasta 5 kg/cm² (g). El proceso completo se muestra típicamente en la Fig. 1.

Los componentes principales de un sistema de soplado de aire de un alto horno consisten en: (i) soplador de aire, (ii) tubería principal de aire frío, (iii) horno de aire caliente con su sistema de combustión, (iv) tubería principal de aire caliente, (v) tubo colector, (vi) tubos de soplado y toberas conocidos como toberas, (vii) conjunto de válvulas, y (viii) instrumentos de control.

Soplador de aire

El soplador de aire es el primer equipo en el sistema de soplado. Está ubicado en la casa de sopladores y sirve para proporcionar aire frío a los hornos de aire caliente al caudal y presión constantes deseados. Por tanto, la protección contra sobrepresión es un control muy importante para un soplador de aire de alto horno. Generalmente se proveen dos sopladores de aire para un alto horno. Aspira el volumen de aire de la atmósfera y lo comprime a la presión necesaria y lo sopla a la tubería principal de aire frío. El aire comprimido suele estar a 150–250 °C, que es la temperatura resultante del calor de compresión en el soplador. Los sopladores son accionados por turbina de vapor o motor eléctrico. El soplador debe operar para cumplir las condiciones de flujo de aire que a su vez están determinadas por la condición operativa del alto horno. También necesitan un nivel muy alto de fiabilidad ya que el rendimiento del alto horno depende mucho del rendimiento del soplador.

Para generar el aire de soplado, la mayoría de altos hornos están equipados con turbosopladores centrífugos de tres o cuatro etapas. Para algunos BF muy grandes, dos sopladores operan en paralelo. Sin embargo, con BF muy grandes, los sopladores axiales pueden usarse más eficientemente. Los altos hornos modernos tienen compresores isotérmicos axiales o axiales-radiales diseñados para manejar grandes volúmenes de flujo de aire dentro de carcasas relativamente pequeñas manteniendo excelentes eficiencias.

Tubería principal de aire frío

La tubería principal de aire frío conecta el soplador de aire y los hornos de aire caliente. Normalmente no está revestida ya que la temperatura del aire frío está normalmente entre 150–250 °C. Sin embargo, en algunos hornos, como medida de ahorro energético, la línea de aire frío se aísla. En el extremo del horno de la tubería principal de aire frío están las válvulas de aire frío para los hornos y la línea de mezcla equipada con válvula mariposa. Para mantener una temperatura constante de aire caliente al alto horno, un termopar en la tubería principal de aire caliente controla esta válvula mariposa en la línea de mezcla y dosifica la cantidad de aire entregada al horno y la cantidad que lo bypassa.

Cuando un horno calentado entra por primera vez en soplado, la temperatura del aire calentado es mucho más alta que la temperatura deseada de aire caliente, por lo que una porción significativa del aire debe bypassar el horno. A medida que el calor se remueve del horno y la temperatura disminuye, la válvula mariposa de la línea de mezcla debe cerrarse gradualmente y forzar más aire a través del horno. En algunos sistemas automáticos de cambio de horno, la posición de la válvula reguladora se usa como señal que inicia el cambio de horno.

La tubería principal de aire frío también está equipada con una válvula de escape, generalmente ubicada cerca del alto horno, que se abre cuando es necesario disminuir rápidamente la presión de soplado. Esto descarga el aire frío a la atmósfera y mantiene una presión positiva en la línea de aire frío para que el gas del horno no pueda retroceder al soplador. Debido a la descarga rápida de aire al abrirse la válvula de escape, normalmente se equipa con un silenciador.

En plantas donde el aire de soplado se enriquece con oxígeno, el oxígeno puede añadirse a presión atmosférica en la entrada del turbosoplador o puede añadirse bajo presión en la tubería principal de aire frío. La humedad se añade en la tubería principal de aire frío cuando se requiere para control de humedad del soplado.

Horno de aire caliente

El horno de aire caliente es una instalación para suministrar continuamente el aire caliente de soplado a un alto horno. Antes de que el aire de soplado se entregue a las toberas del alto horno, se precalienta pasándolo por hornos regenerativos de aire caliente que se calientan principalmente por combustión del gas de tope del BF (gas BF). De este modo, parte de la energía del gas de tope se retorna al alto horno en forma de calor sensible. Esta energía térmica adicional retornada al alto horno como calor reduce sustancialmente el requerimiento de coque de alto horno y facilita la inyección de combustibles auxiliares como carbón pulverizado como sustituto del coque metalúrgico costoso. Esto mejora la eficiencia del proceso. Los hornos de aire caliente de un alto horno moderno tienen las siguientes características:

• Logro de combustión de alta eficiencia incluso en operación con solo gas de alto horno.
• Menor radiación de calor desde el cuerpo del horno.
• Bajos costes de construcción.
• Alta vida útil del horno: vida útil esperada de un horno moderno es de unos 40 años.
• Eliminación completa de agrietamiento por corrosión bajo tensión.
• Baja concentración de CO no combusto sobre la superficie superior de los ladrillos de rejilla.

La mayoría de altos hornos están equipados con tres hornos de aire caliente, aunque en algunos hay cuatro. Los hornos son estructuras cilíndricas de acero altas, revestidas con aislamiento y casi completamente llenas de ladrillos de rejilla donde se almacena el calor y luego se transfiere al aire de soplado. Cada horno tiene aproximadamente el mismo diámetro que el alto horno, y la altura de la columna de rejillas es unas 1,5 veces la altura de trabajo del alto horno. En los altos hornos modernos, la relación del tamaño del horno al del horno es aún mayor. Los hornos de aire caliente se han descrito por separado en el artículo https://www.ispatguru.com/generation-of-hot-air-blast-and-hot-blast-stoves/.

Tubería principal de aire caliente y tubo colector

El aire caliente se entrega desde los hornos de aire caliente al alto horno a través de un gran conducto revestido de refractario llamado tubería principal de aire caliente. Una temperatura alta y consistente del aire caliente es crítica para la operación eficiente del alto horno. Los diseños de las tuberías principales de aire caliente junto con el tubo colector deben abordar los movimientos del sistema y expansiones residuales para dar operación libre de problemas. El diseñador de la tubería principal de aire caliente del alto horno enfrenta varios desafíos únicos. La tubería principal es típicamente un tubo de gran diámetro sujeto a varios componentes de expansión térmica. El sistema de juntas de expansión debe diseñarse para acomodar movimientos térmicos en las direcciones X, Y y Z de las conexiones de ramal de horno, tubería principal y tubo colector. Los movimientos térmicos se deben a variaciones en la temperatura de piel causadas por el medio así como variaciones en la temperatura de tirantes y estructuras debido a cambios en condiciones ambientales. También debe considerarse las fuerzas y movimientos impuestos en las conexiones de horno y estructuras así como tensiones en el sistema de tuberías de aire caliente. Finalmente, las juntas de expansión deben operar durante la larga campaña del alto horno con requerimiento mínimo de mantenimiento.

Válvulas y accesorios

Hay un gran número de válvulas y accesorios necesarios para el sistema de soplado. Algunas de las principales válvulas son:

• Válvula de aire frío: destinada a la separación completa del horno de aire caliente del BF de la tubería principal de aire frío. Se instala en la tubería principal horizontal cerca del horno.
• Válvula de escape: instalada en la línea principal de aire frío. Tiene dispositivo de descarga. Se usa para regular la cantidad de aire frío suministrada a los hornos, sin crear contrapresión en el soplador, ya que el exceso de aire se descarga a través del dispositivo de descarga mecánicamente interconectado con la válvula principal para apertura/cierre proporcional.
• Válvula de aire caliente: destinada a la separación del horno de aire caliente del BF de la tubería principal de aire caliente, al operar el horno en modo "en calentamiento" o separación completa del BF. Se instala en la tubería principal horizontal cerca del horno.
• Válvula atmosférica: destinada a liberar el horno del BF de la chimenea.
• Válvula de estrangulación de gas: diseñada para control de gas suministrado al quemador de gas del horno de aire caliente y liberación completa del conducto de quemador de gas en operación normal y en caso de fallo de suministro eléctrico. Se instala en la sección vertical del conducto de gas.
• Válvula de estrangulación de mezcla: destinada a ajustar la tasa de aire frío. Se monta en la sección vertical de la tubería principal de aire frío cerca del horno.
• Válvula de chimenea: destinada a separar el horno del BF de la chimenea.
• Válvula separadora: diseñada para solapamiento rápido de la sección de línea de mezcla de aire en caso de parada del suministro de soplado al horno. Se instala en la sección horizontal de la línea de mezcla de aire frío.

Tubo colector y toberas

El gran tubo circular que rodea el alto horno a nivel del manto se llama tubo colector. Se usa para distribuir el aire caliente de la tubería principal al horno a través de varias boquillas llamadas toberas. El tubo colector está revestido internamente con refractario para aislar y proteger la carcasa de acero exterior del aire de alta temperatura dentro.

Las toberas son tubos pequeños que permiten el aire caliente del tubo colector entrar al alto horno. Son boquillas de forma especial a través de las cuales se inyecta el aire 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 del alto horno como radios en el eje de una rueda de bicicleta. La tobera (tuyere stock) es el conjunto de cuello de ganso, fuelle de expansión, tubo de conexión, codo, ojo de inspección, tubo de soplado, arreglo de fijación y dispositivo de tensado. Las toberas, como conexión entre el tubo colector y la tobera, se adaptan a los movimientos relativos entre el sistema de entrega de aire caliente y el alto horno.

El tubo de soplado, que conecta el sistema de aire caliente a la tobera, encaja en un asiento esférico mecanizado en la base de la tobera. El refrigerador de tobera y la tobera son refrigerados por agua. En altos hornos modernos que usan temperaturas de aire caliente above 1.150 °C, los pasos de agua del cuerpo de la tobera están diseñados para mantener la velocidad del agua above 20 m/seg y los pasos de agua de la punta de la tobera above 28 m/seg para mejorar la tasa de transferencia de calor. En algunos BF modernos la punta del tubo de soplado también es refrigerada por agua, aunque en la mayoría de hornos antiguos esto no se hace. La lanza de inyección de combustible entra a través de la pared del tubo de soplado y usualmente descarga el combustible ligeramente descentrado y unos 50 mm atrás de la punta del tubo de soplado. Algunos BF están equipados con sistemas de inyección dual que tienen dos aberturas en el tubo de soplado para facilitar múltiples combustibles de tobera. Con el mayor uso de carbón pulverizado como combustible de tobera, la colocación de la lanza de inyección es más crítica para evitar impingement 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 barra de brida, que conecta la tobera al chaquetón del hogar. El muelle de brida en el extremo de la barra permite movimiento limitado a medida que el tubo de soplado se expande y contrae con cambios en la temperatura del aire caliente. El tubo de soplado es un tubo de acero aleado revestido con material refractario para evitar que el metal se caliente demasiado.

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

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

Los tubos de soplado suelen ser de acero con revestimiento cerámico refractario especial. Las toberas son de cobre. Anteriormente, las toberas tipo artesanal eran de láminas de cobre prensado, espesor de pared hasta 8 mm. Hoy, las toberas suelen ser de cobre fundido centrífugamente, lo que asegura 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 caro que la fabricación de toberas por fundición al vacío. Esta última también se aplica a veces en la producción de toberas y tiene menor coste de conversión pero hay posibilidad de ligera no homogeneidad del material. De cualquier modo, el método de fundición de toberas ha superado casi completamente la aplicación de construcción soldada debido a su menor capacidad operativa a pesar del menor coste de producción asociado también con la fundición de refrigerador de tobera de cobre hueco. El refrigerador de tobera también se fabrica por fundición y es de cobre (menos a menudo de bronce). Se monta en el pecho del revestimiento del horno y se fija a través de la brida con soldadura adicional al chaquetón del hogar.

La tobera del alto horno es enfriada 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 enfriamiento descargada no debe exceder 15 °C. La presión del agua de enfriamiento suministrada a la cara de la tobera y refrigerador normalmente no excede 5–10 kg/cm². El uso de cobre (con contenido min. 99,5 % Cu) como material de construcción permite remover el calor efectivamente del cuerpo cónico de la tobera operando en condiciones extremadamente calientes.

En la parte posterior de la tobera en la línea central del tubo de soplado y tobera hay una pequeña abertura por donde se puede insertar una varilla para limpiar material del tubo de soplado. La abertura se cierra con una tapa que puede abrirse cuando es necesario pero es estanca al gas cuando está cerrada. En esta tapa, llamada tapa de tobera o portillo, hay una mira con vidrio que permite al operador inspeccionar el interior del horno directamente frente a la tobera. La parte superior de la tobera se conecta por una junta giratoria a la boquilla revestida de refractario del cuello de ganso a la que se sujeta por orejetas y llaves que encajan en asientos de barras colgantes. Cada cuello de ganso a su vez se conecta por bridas y tornillos a un cuello que se extiende radialmente desde el diámetro interior del tubo colector. Las toberas están diseñadas para larga vida útil y fácil manejo. Los esquemas de un arreglo típico de toberas se muestran en la Fig. 2.