Sondas e instrumentos avanzados para monitorización precisa de alto horno

Un alto horno (AH) funciona con principio de intercambio de calor contracorriente gas-sólido desde zona de toberas hasta línea de carga, y de intercambio de oxígeno (O₂) contracorriente desde zona de fusión hasta línea de carga. Materiales de carga sólidos (materiales férricos: mineral, sinter, pelotas), coque y fundentes se cargan por la parte superior, mientras aire normalmente enriquecido con O₂, a veces con combustibles auxiliares, se alimenta por toberas cerca del fondo. Tiempo de retención habitual de materiales férricos: hasta 8 horas; gas: pocos segundos. Tiempo de residencia de coque en cubeta: 1-4 semanas. Arrabio líquido y escoria se desagotan a intervalos regulares por toberas de desagüe en el fondo. Escoria separada de arrabio manejado en cucharas. AH debe operarse con alta productividad, bajo consumo de combustible, forma flexible, estable, eficiente y larga vida de campaña.

El AH a menudo se denomina "caja negra" por términos como "condición del horno" y "nivel de calor" en uso dominante, y porque el proceso tiene muchas áreas desconocidas. La razón parece ser dificultad de medición: coexisten tres fases (gas, sólido, líquido), reacción procede no uniformemente en dirección radial, proceso tiene variación dependiente del tiempo, y parámetros a medir se mueven en atmósfera de alta temperatura, alta presión y polvo.

Sondas usadas habitualmente: (i) "sonda radar" para nivel de carga y velocidad de descenso; (ii) lanza de ignición de gas de tope; (iii) sonda fija "sobre carga" para temperatura, presión y muestreo de gas; (iv) medidor de perfil móvil "sobre carga" para perfiles de carga, velocidad de descenso, temperatura, presión, muestreo; (v) sonda móvil "sobre carga" para temperatura, presión, curvas de carga, muestreo; (vi) sondas horizontales "en carga" para temperatura, presión, capas de carga, muestreo. Otras: detectores de línea de carga, cámaras termovisión, medidores de perfil, sondas acústicas para temperatura gas tope, sondas de impacto, sondas verticales descendentes, sondas de barrido, cámaras termográficas infrarrojas, sondas de tobera, etc.

Evolución de la operación del alto horno

La operación ha cambiado gradualmente de actividad basada puramente en experiencia a actividad apoyada por principios científicos y metalúrgicos. AH ya no es "caja negra". Parte importante de esta evolución es introducción y uso de sondas y dispositivos de medición sofisticados que transmiten al operador información útil sobre estado del proceso. Para operación fiable, es esencial recoger parámetros operativos usando estos dispositivos para que el proceso sea transparente. Un AH moderno está equipado con gran número de sondas, instrumentos y dispositivos que implican monitorización de gran número de señales, presentadas al operador de forma significativa. Sondas típicas usadas en AH antiguos mostradas en Fig. 1.

En los últimos 40-50 años, se han desarrollado varias sondas y dispositivos para control de proceso. Para conocer distribución de carga: sonda vertical, horizontal, cámara termovisión en garganta. Combinación de sistema de medición de distribución de flujo de gas y control de distribución de carga permitió control flexible. Tras estos desarrollos, precisión de medición y control de distribución de carga mejoró con medidores de perfil y magnetómetro. Desarrollo en analizadores de gas: cromatografía convencional → instrumentos con intervalos menores y mayor precisión → espectrómetros de masa. Para medición alrededor de toberas: termómetros de cuerpo de tobera, televisiones de tobera, sondas de tobera con información sobre temperatura en carrera (raceway) o distribución de gas. Junto con modelos matemáticos basados en estimación de calor y zona de fusión, ayudaron a mejorar sistema global de control.

Señales en AH moderno, realizadas por sistema elaborado de sondas para recogida de datos adecuados para análisis y control preciso, son muy numerosas. Total señales E/S (entrada-salida) puede ser ~24.000: binarias ~18.500-19.000, temperatura ~1.200-1.500, otras analógicas ~4.000, pesaje ~70.

Sondas y dispositivos han avanzado mucho basándose en desarrollos recientes en electrónica, óptica e informática. Con computadoras, ahora es posible monitorizar parámetros mejor ya que permiten no solo mostrar variables sino usar modelos establecidos, comparar variables, y construir bases de datos para almacenar variables y su evolución.

Aplicación típica en AH moderno mostrada en Fig. 2.

Zonas del alto horno y mediciones deseadas

Las reacciones son muy complejas: tres fases coexisten, reacciones no uniformes radialmente, variación temporal, parámetros en atmósfera severa. Por dificultad de medición, horno se divide en zonas:

Zona de carga lúmpica (Lumpy zone)

Reducción indirecta. Parámetros deseados: distribución de temperatura, permeabilidad al gas, grado de reducción, velocidad de descenso, cambio en propiedades físicas. Mediciones: cantidad y distribución de tamaño de partícula, distribución de capa mezclada para sólidos; cantidad, composición, temperatura, presión para gases ascendentes. Típicamente: perfil de superficie de carga y distribución de espesor de capa, temperatura de superficie, composición de gas, distribución de temperatura y presión.

Medición directa relativamente fácil, permite desarrollo de sensores con mucha información. Áreas más importantes: distribución de carga, distribución de flujo de gas, y su cambio con tiempo, afectando reducción, intercambio calor, permeabilidad, comportamiento de descenso. Tres factores para estimar distribución de carga: (i) espesor de capa, (ii) tamaño de carga, (iii) distribución de vacíos. Solo distribución de espesor medible con medidores de perfil. Capacidad pobre: miden solo perfil superficial, no cambios por carga. Mediciones inválidas para capa mezclada. Recientemente, sensor con magnetómetro permite medir cambios en perfil superficial, distribución de espesor incluyendo capa mezclada, y distribución de velocidad de descenso.

Distribución de flujo de gas resulta de distribución de carga. Medida muy importante ya que afecta operación. Determinada por cuatro factores: (i) caudal, (ii) temperatura, (iii) composición, (iv) presión. Parámetros normales medidos: distribuciones de temperatura, composición, presión (fáciles de medir). Sondas horizontales/verticales y manómetros de pared proporcionan valores satisfactorios. Medición directa de distribución de caudal dentro de carga deseable pero métodos precisos no desarrollados. Se estima con modelos matemáticos usando datos de temperatura, composición, presión.

Zona cohesiva (Cohesive zone)

Tres reacciones: (i) reducción indirecta, (ii) reducción directa, (iii) pérdida de solución. Todas influyen en zona cohesiva. Mediciones de zona lúmpica + nivel y perfil de carga son importantes.

Zona cohesiva presenta mayor resistencia a flujo de gas, formando índice de estabilidad operacional a través de distribución de gas y descenso de carga. Medir posición y perfil es muy importante. Actualmente no se puede medir directamente; parámetros medidos con sondas se usan para estimar zona cohesiva con modelos matemáticos.

Zonas de goteo, carrera y hombre muerto (Dripping, raceway, deadman)

Actividades: (i) formación de escoria, (ii) combustión de coque/combustibles auxiliares, (iii) circulación de metaloides (Zn, S, alcalinos), (iv) reducciones directas y pérdida de solución residuales. Mediciones deseadas: permeabilidad líquida, distribución flujo metal/escoria, reacciones metaloides, descenso de coque, combustión, formación hombre muerto, extensión de carreras. Mediciones típicas: (i) volumen de soplado por tobera, (ii) longitud de carrera, (iii) brillo de carrera, (iv) movimiento de coque, (v) tamaño de coque, (vi) temperatura de cuerpo de tobera.

Fenómenos: descenso de coque, formación hombre muerto, flujo arrabio/escoria, combustión en carrera, reacciones metaloides, desulfuración. Para mejor comprensión, permeabilidad gas/líquido y nivel de temperatura son importantes. Zonas donde condiciones finales de arrabio/escoria se determinan; información importante debe medirse/entenderse. Mediciones actualmente posibles: (i) distribución de temperatura de enfriadores (staves), (ii) temperatura de cuerpo de tobera, (iii) condición de carrera en tobera. Desarrollo de dispositivos en estas zonas progresa lentamente: métodos difíciles y confusión en filosofía sobre qué medir y cómo organizar fenómenos. Modelo de estimación con modelos matemáticos usado para estimar estado final de arrabio/escoria y controlar condiciones.

Zona de cubeta (Hearth zone)

Recogida, separación y almacenamiento de arrabio y escoria líquidos. Actividades: desulfuración y carburación de arrabio. Permeabilidad líquida importante. Mediciones deseadas: (i) nivel y comportamiento de arrabio/escoria, (ii) suministro de coque y remoción por combustión, (iii) desulfuración, carburación, reacciones metaloides. Mediciones típicas: monitorización de comportamiento de arrabio/escoria y monitorización de reemplazo de coque en cubeta; modelo de estimación con modelos matemáticos usado actualmente.

Métodos de medición para control de proceso AH

• Distribución de carga – Métodos: (i) medidor de perfil contacto, (ii) medidor de perfil sin contacto, (iii) magnetómetro. Contacto: mide solo perfil superficial; no mide cambios por carga ni capas mezcladas; grandes errores con distribución perturbada. Sin contacto: mejor, no perturba distribución. Magnetómetro: mide interior de carga, permite medir cambio de perfil por carga y capas mezcladas.
• Distribución de flujo de gas – Métodos para distribución de velocidad: (i) medidor de flujo fluido, (ii) medidor hilo caliente, (iii) método termopar calentado, (iv) método trazador de gas. Normalmente cantidades de flujo obtenidas de presión, temperatura, composición (primeros tres). Método trazador: medición momentánea, no perturba distribución.
• Nivel y perfil de zona cohesiva – Medidos por método directo o indirecto. Indirecto: cálculos basados en suposiciones y parámetros medidos (presión, temperatura, composición). Sondas horizontales para distribución de temperatura/composición. Medición momentánea. Distribución de presión de gas medida por presión de gas en pared: continua, no perturba. Directo: sonda vertical de inserción, método RI, reflectometría de dominio triple (TDR). De los tres, TDR es continua; otros dos momentáneos. Sonda vertical ventajosa: datos de temperatura, presión, composición.

Mantenimiento de la carcasa del alto horno

Para operación eficiente y estable de carcasa y revestimiento, instrumentación basada en perfil interno de refractarios y mantenimiento de carcasa. Vida prolongada contribuye a reducción de costes, importancia de medición para mantenimiento: información sobre desgaste de refractarios, acumulación de scaffold, protección de equipos de refrigeración y accesorios.

Convencionalmente, medición de carcasa y refractarios fue principalmente temperatura con puntos aumentados por requisitos expandidos. Avances recientes: método de pulso de potencial eléctrico o método de respuesta de termopar que miden directamente espesor de refractario. Mantenimiento tiende a incorporar sistema de control de carcasa en computadora para lidiar con mayor número de puntos y modelo matemático de estimación de línea de desgaste. Instrumentaciones comunes:

• Desgaste de refractario y acumulación de scaffold – Varios métodos. Termopar: establecido pero puntos limitados y dependen de temperatura. Cámara termográfica: gráficos como patrón, depende de temperatura. Medidor de flujo de calor: puntos limitados, depende de temperatura. Otros: (i) respuesta de termopar, (ii) pulso de potencial, (iii) RI empotrado, (iv) sondeo. Miden espesores pero no detectan aumento. RI empotrado: solo un punto por RI; sondeo difícil en operación normal.
• Protección de equipos de refrigeración – Medidas: (i) CO disuelto en agua de refrigeración, (ii) caudal diferencial de agua, (iii) temperaturas entrada/salida agua, (iv) H₂ en gas tope. Segundo método sensible a calidad agua. Tercero indica carga térmica. Cuarto no detecta parte dañada.
• Protección de equipos anexos – Equipos deben protegerse contra fallos. Limpieza de gases: midiendo/controlando temperatura/presión gas tope. Toberas y tuberías: midiendo volumen de soplado y combustible auxiliar por tobera.