Altos Hornos Mini: Producción Eficiente de Hierro para Operaciones de Pequeña Escala

Mini Alto Horno y Producción de Hierro

Los mini altos hornos (MBF) se consideran versiones en miniatura de los altos hornos convencionales grandes. Son ideales para operaciones de pequeña escala. De hecho, son los precursores de los modernos altos hornos grandes y han operado por más tiempo. Los MBF se ubican en muchos países, pero la mayoría están en China, India, Brasil e Indonesia. La disponibilidad de planta y la perfección tecnológica han hecho del MBF una ruta aceptada para la producción de hierro. Además, la mayoría de tecnologías de diseño, carga y operación que son norma en grandes hornos modernos también se han adoptado en MBF.

El MBF es un horno de eje vertical con hogar tipo crisol. Materiales de carga: mineral de hierro, coque o carbón vegetal como agente reductor y combustible, y fundentes (caliza o dolomita), se cargan por la parte superior. Funciona como reactor de corriente contraria. Al descender la carga por el eje, se precalienta y pre-reduce por gases calientes ascendentes desde el fondo. Los gases se generan introduciendo aire caliente enriquecido con oxígeno a través de toberas. El aire caliente quema el agente reductor, produciendo gases reductores y calor para la reducción. El material reducido se funde formando AR (hierro líquido) saturado en carbono, que desciende al hogar. Los fundentes se combinan con impurezas para producir escoria fundida que se acumula sobre el hierro en el hogar. Hierro y escoria se extraen periódicamente.

Características importantes de un MBF

El MBF exhibe flexibilidad y competitividad, apto para producción de arrabio básico y de fundición. Características clave: simplicidad y economía. Otras:

• Tecnología y equipos probados.
• Diseño y equipos más simples que alto horno convencional grande.
• Flexibilidad en carga de mineral: desde 100 % lingotes de mineral hasta cualquier mezcla de lingotes y aglomerados (sinter o pellets).
• Gama de agentes reductores: coque de baja calidad y carbón vegetal.
• Calidad de AR similar a alto horno grande.
• Operación y mantenimiento similares pero más flexibles.
• Bajo coste capital y menor coste de mantenimiento de equipos.
• Fuente económica y fiable de AR para fundiciones y mini plantas siderúrgicas con integración hacia acerías (horno de inducción, arco eléctrico, optimización energética, incluso pequeño convertidor básico de oxígeno).

Como su nombre indica, el tamaño es pequeño: volúmenes internos de 35 a 600 m³. MBF son hornos de eje bajo con altura efectiva de <12 m a ~20 m. Productividad normal: 2-3 t/m³/día o más.

Características importantes de un MBF (detalle)

MBF es horno de eje con pila vertical sobre hogar tipo crisol. Complejo MBF: horno propio, estufas de aire caliente, tope y sistema de carga, plataformas de mantenimiento, sistema de almacenamiento con tolvas para materiales, plataforma de toberas y casa de colada, sistema de granulación de escoria, sistema de gas, limpieza de gas, suministro de materias primas y combustible, energía y otros servicios, estación de sopladores y sistema de agua circulante. Distribución muy compacta, instalaciones cerca del horno. Flujo típico de proceso MBF con limpieza de gas en seco en Fig. 1.

Fig 1 Flujo típico de proceso MBF con limpieza de gas en seco

El horno (reactor) participa en sistema de producción:

• Recibe carga preparada de almacenes por sistema de alimentación.
• Recibe aire caliente generado por sopladores y calentado en estufas. Normalmente enriquecido con O₂.
• Produce y entrega AR y escoria líquida.
• Entrega gas crudo a sistema de limpieza.
• Recibe agua de refrigeración y aire comprimido por sistema de refrigeración y servicios.
• Suministrado con energía eléctrica.
• Controlado por sistema de mando y control.

MBF tiene estructura autoportante con cuatro columnas soportando 6 plataformas y puente de skip (si carga por skip) sobre cimentación RCC. Carcasa de chapa estructural de distintos espesores.

Perfiles típicos de dos MBF chinos en Tabla 1.

En MBF modernos, bloques de carbono semi-grafito para fondo y bloques de carbono fundido para hogar. Bloques con buena conductividad térmica y resistencia a erosión protegen fondo y hogar. Estructura de copa cerámica para pared interior del hogar con revestimiento de alúmina. Ladrillos de corindón y alúmina en zona de tobera y ranura de escoria. Vientre, belly y parte del eje: ladrillos de alúmina. Zona superior del eje: ladrillos de arcilla refractaria alta densidad. Carcasa interior rociada con colables de alúmina (70 mm). Garganta y cubierta superior: anclajes soldados y capa de colables resistentes al calor y desgaste. Según diseño de revestimiento, vida de campaña esperada: 5 a >10 años.

El aumento de temperatura de aire caliente es medida principal para aumentar inyección de carbón pulverizado (PCI) y reducir tasa de coque. Diseño de sistema de aire caliente para mantener 1200 °C usando gas de alto horno como combustible. MBF modernos equipados con 3 estufas de aire caliente con diseño de combustión de cúpula rotacional tangencial.

Toberas alimentadas por tuberías desde colector principal (bustle). Toberas y refrigeradores de tobera de cobre. Número de toberas depende del volumen útil, diseñadas para velocidad óptima de soplado: 210-230 m/s.

MBF modernos tienen una tobera de colada para AR y escoria, separados por placa skim en canal de AR en plataforma de trabajo. Algunos tienen ranura de escoria separada. AR fluye a cuchara o torpedo; escoria a granulación.

Staves de refrigeración: 3 secciones de staves de superficie plana en fondo y hogar; staves con refractario insertado en vientre y belly; step-staves en zona de eje para apoyar revestimiento de ladrillo de eje inferior y reducir apertura de carcasa, aumentando hermeticidad. Staves de hierro nodular ferítico para eje medio e inferior. Tubo de acero sin costura fundido dentro del stave y placa de costilla en superficie caliente. Material de carbono apisonado en ranura. Refrigeración por agua para fondo. Sistema dedicado para toberas.

Equipos auxiliares: (i) armadura de garganta de 2 etapas, (ii) cámara infrarroja de garganta cerca de línea de carga para detectar distribución en garganta, (iii) dispositivo de rociado y enfriamiento de agua en tope para T muy altas.

Normalmente MBF con carga por skip. Algunos usan transportador en lugar de skip. Para carga en tope: (i) dos campanas con distribuidor, (ii) sistema sin campana (bell-less). Modernos: bell-less.

En bell-less, dos tipos de distribución: (i) tipo anillo (anillo simple, multi-anillo), (ii) tipo punto fijo. En anillo simple: tolva distribuye por canaleta a través de anillo concéntrico simple; ángulo de inclinación fijo durante carga. Multi-anillo: ángulo puede cambiar varias veces. Distribución uno o multi-círculo en cada posición. En punto fijo: canaleta posicionada según ángulo designado para distribuir a punto designado. Distribución sectorial también posible. Normalmente gas N₂ para igualación.

Altura de carga (línea de carga) controlada por dos varillas de carga (stock rods). Detección continua automática durante producción normal: varillas bajan automáticamente con nivel de carga; se levantan al alcanzar nivel designado. Nivel indicado en sala de control.

Casa de colada rectangular, techo de acero pendiente 1:12, columnas RCC. Ventanas de ventilación en techo. Equipada con pistola de barro hidráulica y máquina de perforación de tobera hidráulica/neumática. Totalmente desempolvada por sistema de filtro de mangas.

Gas de alto horno extraído por 4 tomas, 4 subidas, 2 subidas que se unen en 1 bajante a cazoleta (dust catcher). Gas en tope: 100-300 °C, máx 400 °C. Ambas subidas en tope tienen 1 válvula de purga (cilindro hidráulico). Cazoleta funciona por gravedad, elimina polvo grueso. Gas de cazoleta limpiado en sistema húmedo (saturador, lavadores primario/secundario) o seco (filtros de mangas baja presión con N₂ para soplado inverso).

Operación similar a altos hornos grandes. Carga (mineral: sinter/pellets y lingotes, reductor: carbón vegetal/coque, fundente: caliza/dolomita) desciende por eje, precalentada por gases ascendentes del hogar y aire caliente por toberas en base del eje.

Aire caliente quema coque para producir calor y gas reductor que quita oxígeno del mineral. Hierro reducido se funde y baja al hogar. Fundente + impurezas = escoria, se funde y acumula sobre AR. Periódicamente, AR y escoria se extraen por tobera.

MBF modernos equipados con inyección de carbón pulverizado (PCI) a nivel de toberas. PCI hasta 150 kg/t AR. Parámetros operativos comunes en Tabla 2.

Consumo típico de servicios en Tabla 3.

Sistema de automatización: funciones fuertes, alto rendimiento, alta fiabilidad, fácil expansión, comunicación completa, fácil implementación y estructura distribuida, fácil operación. Alto nivel anti-interferencia electromagnética y anti-golpe, capacidad de procesamiento modular y reflexión instantánea.

Control y supervisión de todo MBF desde sala de control cerca de plataforma de trabajo. Sistema: estaciones de supervisión, PLC principal, alarmas, interbloqueos, protecciones. Una estación remota en sala de control de manejo de materias primas. Red de enlace. Sistema de supervisión para control de parámetros, registro de tendencias y alarmas. Instrumentos de campo para medir y controlar todos los parámetros. Medidas importantes: (i) presiones, (ii) temperaturas, (iii) flujos, (iv) nivel de polvo en gas BF, (v) nivel de carga, ángulo de tolva, apertura de válvula, (vi) peso de materiales de carga, etc. Cabina de control para equipos de casa de colada ubicada en casa de colada en lugar seguro con visión de equipos.

Sistema de refrigeración por agua requiere agua industrial continua en: (i) refrigeración carcasa BF, (ii) toberas y refrigeradores, (iii) limpieza de gas si húmeda, (iv) granulación escoria, (v) sistema hidráulico tope BF, (vi) sistemas hidráulicos pistola/perforadora. Toda agua recirculada. Depósito elevado para emergencias en fallo de energía. Parámetros principales monitorizados desde sala de control.