Casa de Carga del Horno Alto: Gestión de Materias Primas para la Producción de Arrabio

Casa de Carga del Horno Alto

Un horno alto (HA) requiere para la producción de arrabio (i) materias primas ferrosas como sinter, pellets y mineral de hierro calibrado (también conocido como mineral de hierro dimensionado), (ii) combustibles y reductores como coque de HA, coque pequeño y carbón pulverizado, (iii) materiales fundentes como caliza, dolomita y cuarcita, y (iv) materiales diversos (también llamados «aditivos») como mineral de manganeso y mineral de hierro titanífero, entre otros. Todos estos materiales, excepto el carbón pulverizado que se inyecta en el horno alto a nivel de las toberas, se cargan en el horno por la parte superior y se manipulan a través de una casa de carga.

El sistema de carga del horno alto consta de dos áreas principales: el sistema de la casa de carga y el equipo de carga superior. El propósito del sistema de carga es permitir que las materias primas se coloquen dentro del horno de forma precisa y consistente, de manera predecible y controlada. En el sistema de la casa de carga se realiza el pesaje y dosificación de las materias primas para su entrega al equipo de carga superior. Este equipo cumple la función de transportar las materias primas a la parte superior del horno y distribuirlas en su interior. El objetivo de la casa de carga es suministrar las cantidades correctas de coque, materiales ferrosos, fundentes y aditivos al horno de la manera más expedita posible para mantener el horno alto en su máximo rendimiento operativo.

La casa de carga es el área donde se almacenan los distintos tipos de materias primas y luego se dosifican en el orden prescrito para su entrega a la parte superior del horno alto. La casa de carga típica de principios del siglo XX se construía como un foso profundo en el suelo, por donde pasaban vagones de ferrocarril que descargaban las materias primas en los silos de almacenamiento. La casa de carga se agrupa en tres secciones de silos, generalmente compuestas por silos de coque, silos de materiales ferrosos y silos de fundentes y aditivos. Típicamente, cada uno de estos tipos de silos se divide en secciones simétricas a ambos lados de la línea central del horno. En la década de 1920 y hasta la de 1950, el tamaño de la casa de carga aumentó y se construyó como una estructura parcialmente sobre y parcialmente bajo tierra para acomodar más tipos de silos y mayores cantidades.

Evolución de los Sistemas de Pesaje y Entrega

Desde principios de 1900, el método para medir las materias primas y entregarlas al vagón de carga (skip) era mediante un vagón báscula móvil que se desplazaba bajo los silos de materiales. Un operador abría manualmente la compuerta del silo y pesaba la cantidad requerida de materia prima, para luego pasar al siguiente silo y recoger la cantidad necesaria del siguiente material. A medida que aumentó la demanda de producción en los hornos altos en la década de 1980, las casas de carga con vagón báscula existentes se modernizaron para reducir el tiempo necesario para la recolección de materiales. Las operaciones de las compuertas de los silos se mecanizaron y, en muchos casos, los vagones báscula se conectaron a un sistema informático que realizaba el seguimiento de los materiales por peso, proporcionando un control y precisión mejorados y eliminando una cantidad considerable de mano de obra física. La incorporación de tolvas de retención entre el vagón báscula y los vagones de carga permitió al operador disponer de más tiempo para recoger los distintos materiales sin retrasar el movimiento de los vagones de carga.

Tipos de Casas de Carga Automatizadas

La casa de carga automatizada normalmente es de dos tipos distintos. El primer tipo consiste en la sustitución del vagón báscula bajo los silos de materias primas por un sistema de alimentadores y cintas transportadoras. Se disponen cintas transportadoras separadas para cada tipo de materia prima (coque, materiales ferrosos, fundentes y aditivos, etc.) sobre las que se montan filas de silos de almacenamiento, con alimentadores vibratorios para descargar los materiales de carga desde los silos hacia las cintas. Para el coque y los materiales ferrosos, una criba vibratoria se ubica en la descarga de cada cinta para cribear el material y alimentarlo a las tolvas de pesaje. Este tipo de sistema continúa alimentando las tolvas de pesaje antes de los vagones de carga. La Figura 1 muestra un arreglo típico de una casa de carga automatizada para un horno alto alimentado por skip.

Figura 1: Arreglo típico de una casa de carga automatizada con vagón de carga (skip)

El segundo tipo de casa de carga automatizada es una gran estructura de silos de almacenamiento construida completamente sobre el suelo y a cierta distancia del horno alto. Esto se realiza generalmente para hornos altos donde se utiliza una cinta transportadora para llevar los materiales de carga a la parte superior del horno en lugar de vagones de carga (skip). El método de llenado de los silos de almacenamiento suele ser mediante un sistema de cintas transportadoras. Las materias primas se extraen de los silos mediante alimentadores vibratorios y cintas transportadoras hacia las tolvas de pesaje. Estas, a su vez, descargan el material sobre la cinta transportadora principal mediante una cinta de recogida. Las tolvas de pesaje se programan para dosificar las materias primas en el orden correcto sobre la cinta transportadora principal hacia la parte superior del horno.

La automatización de la casa de carga aumentó significativamente la capacidad de producción, mejoró la eficiencia operativa y eliminó las variaciones operativas causadas por operadores y equipos. Sin embargo, en la práctica, una casa de carga moderna y automatizada puede ser bastante compleja. La propia casa de carga puede ser alimentada por cintas transportadoras, que a su vez descargan sobre cintas distribuidoras para repartir los materiales a los distintos silos. La disposición de cintas y equipos en la casa de carga puede organizarse de muchas maneras.

Tanto el coque como los materiales ferrosos se criban típicamente y otra cinta retira los finos. Los materiales pueden ser muestreados, analizados y rastreados por un sistema informático, lo que permite al operador controlar con precisión la variación química en los materiales de entrada al horno. Se monitoriza la humedad del coque y se realizan correcciones en el pesaje para asegurar el peso seco deseado en la carga. Este seguimiento de ambos materiales carbonosos y ferrosos permite un mejor control de la condición térmica del horno alto y ayuda a reducir las tasas de combustible globales. La Figura 2 muestra un arreglo simplificado típico de los equipos en una casa de carga.

Figura 2: Arreglo simplificado típico de equipos en la casa de carga

La Figura 3 presenta un diagrama de flujo esquemático típico de una casa de carga.

Figura 3: Diagrama de flujo esquemático de una casa de carga

Funciones e Instalaciones Típicas en una Casa de Carga

La casa de carga, junto con el sistema de equipo de carga superior del horno alto, constituye la instalación clave para lograr la distribución de carga deseada en un horno alto moderno. El papel de la casa de carga es permitir el dimensionado multifracción del coque y de la carga ferrosa, incluyendo material subcribado o no cribado, así como el dosificado flexible de diferentes granulometrías de estos materiales. Esto constituye la base para la aplicación eficiente del sistema de carga superior, que es un prerrequisito para la operación avanzada del horno alto actual.

Las funciones de la casa de carga son: (i) recibir diversos materiales desde sus respectivas unidades de almacenamiento o producción, principalmente mediante cintas transportadoras; (ii) proporcionar almacenamiento por una duración suficiente; (iii) realizar la descarga de los materiales de carga en la secuencia deseada y a la velocidad requerida para satisfacer la demanda del HA; (iv) prepararlos mediante cribado y colocarlos en las cantidades y capas deseadas sobre la cinta transportadora para su traslado al equipo (skip o cinta) que lleva estos materiales desde la casa de carga al equipo de carga superior del horno alto.

Las materias primas pesadas se recogen en modo de lote gobernado por un programa de carga y se entregan a la parte superior del horno ya sea por vagón de carga (skip) o por cinta transportadora. El tamaño del horno alto, sus requisitos de productividad y el plano del sitio disponible influyen en la determinación de si se utiliza un vagón de carga o un sistema de cinta transportadora para llevar las materias primas a la parte superior del horno. Luego, las materias primas se colocan en el horno mediante el equipo de carga superior, que también es controlado por el programa de carga.

La casa de carga del horno alto desempeña un papel muy importante en la operación eficiente del horno, ya que la producción del nivel deseado de arrabio depende en gran medida de la calidad, consistencia y cantidad de las materias primas y de la secuencia de su alimentación.

Los materiales de carga se reciben en la casa de carga a través de una casa de cruce. El coque de HA suele manipularse mediante dos cintas transportadoras (una de reserva) del ancho y capacidad requeridos. De manera similar, los materiales de carga ferrosos normalmente se manejan con dos cintas transportadoras (una de reserva) del ancho y capacidad requeridos. Los fundentes y aditivos generalmente se manejan mediante una cinta de reserva del ancho y capacidad requeridos. La casa de carga suele tener un número de silos de almacenamiento de la capacidad total requerida para cada uno de los materiales de carga.

El coque y los materiales ferrosos se criban en cribas de la capacidad requerida para eliminar los finos. Normalmente se utilizan cribas vibratorias para este propósito. Para los fundentes y aditivos normalmente no hay cribas vibratorias, sino solo alimentadores para la descarga desde los silos y la colocación de los materiales sobre la cinta. Para el coque y los materiales ferrosos, en algunos hornos altos se prevé un arreglo de doble cribado. Para el cribado de coque, generalmente se usan cribas de placa perforada. El cribado de materiales ferrosos se realiza habitualmente con cribas de tipo rejilla.

El material cribado se alimenta a la cinta inclinada para la manipulación de la carga hacia la parte superior a través de una cinta horizontal. Cada material se alimenta simultáneamente mediante dos tolvas de pesaje según el programa de carga del horno predeterminado. Las cintas transportadoras o skips para la manipulación de la carga hacia la parte superior tienen la capacidad necesaria y operan de forma continua. En el caso de cintas transportadoras, los materiales se posicionan en la cinta en lotes separados a intervalos determinados y en una secuencia determinada según el programa. Normalmente se proporciona un sistema automático para el dosificado, pesaje y alimentación de la carga a la parte superior del horno. Todos los equipos en la casa de carga se dimensionan basándose en cálculos que comprenden la filosofía de control y los cronogramas de tiempo (ciclogramas).

La casa de carga también está provista de todos los equipos necesarios de control de contaminación para controlar el polvo según las normas ambientales. El aire de escape se dirige generalmente a la planta de limpieza de aire de la capacidad requerida para su limpieza antes de su descarga al medio ambiente. La planta de limpieza de aire suele estar equipada con precipitadores electrostáticos. El contenido de polvo en el aire se reduce normalmente a 0,1 g/m³. El polvo recogido se aglomera generalmente en la planta de granulación para su uso en la planta de sinter.

Consideraciones de Diseño para la Planificación de la Casa de Carga de un Gran Horno Alto

Los diferentes pasos necesarios para el dimensionado de los equipos de la casa de carga son los siguientes:

• La capacidad de arrabio en toneladas/día se determina basándose en el volumen útil y la productividad del horno alto.
• Se determinan las calidades y tipos de materias primas utilizadas, como mineral de hierro calibrado, sinter, pellets, coque, coque pequeño, caliza, dolomita, mineral de manganeso y otros materiales como mineral de hierro titanífero a cargar en el horno alto. En hornos altos grandes normalmente se usan dos tamaños de sinter: tamaño normal de 10 mm a 30 mm y tamaño pequeño de 5 mm a 10 mm. Para el coque de horno alto también se suelen usar dos tamaños: 50 mm a 75 mm para la carga central y 25 mm a 50 mm para la carga periférica. El coque para la carga periférica se carga primero en la cinta transportadora, seguido inmediatamente por el coque para la carga central. El equipo de carga sin campana (bell-less top) indexa desde las paredes del HA hacia el centro del horno y distribuye el coque de carga periférica a las paredes y el de carga central al centro según lo requerido. El tamaño del mineral de hierro calibrado es normalmente de 10 mm a 30 mm. El tamaño de los pellets es generalmente de 8 mm a 16 mm. El tamaño del coque pequeño suele ser de 8 mm a 25 mm. Los tamaños de caliza, dolomita y cuarcita están en el rango de 6 mm a 30 mm.
• Para tener flexibilidad en la carga de la carga ferrosa, se consideran los tres materiales ferrosos en los cálculos con una proporción típica de sinter : mineral : pellet de 70:15:15. El cálculo debe realizarse considerando la calidad de los materiales ferrosos y su consumo específico esperado.
• También se debe considerar un valor para la tasa total de combustible (kg/tHM). Dado que se usan tres combustibles en el horno alto, se deben considerar tres alternativas: (i) un valor para la tasa de coque sin inyección de carbón pulverizado, (ii) un valor para la tasa de coque con inyección de carbón pulverizado, y (iii) una tasa para la carga de coque pequeño.
• La secuencia de carga debe considerarse al planificar las instalaciones de la casa de carga. Usualmente una carga tiene dos lotes. Mientras que el lote uno consiste en coque tanto para carga central como periférica, el lote dos consiste en materiales ferrosos, fundentes, coque pequeño y aditivos.
• El espesor de las capas de mineral y coque (en mm) al diámetro de la garganta del HA son consideraciones importantes en el diseño de las instalaciones de la casa de carga. Normalmente la capa de mineral se considera de 700 mm. En el caso del coque, generalmente se considera de 700 mm considerando una carga «todo coque». Sin embargo, en caso de inyección de carbón pulverizado, el espesor de la capa de coque se considera normalmente de 500 mm. Debido a esto, el volumen de materias primas también cobra importancia. Dado que la producción de arrabio depende del peso de la materia prima cargada, el número de cargas por día a cargar en el horno alto se convierte en un factor importante en el diseño de la casa de carga. El número de cargas también decide el tiempo disponible en la casa de carga para formar cada lote de la carga.
• El número de silos y su dimensionamiento en la casa de carga depende de cuánto volumen de almacenamiento (basado en días de consumo) se necesita para cada materia prima.
• También se deben prever silos para los finos generados en la casa de carga tras el cribado.
• La «tasa de recuperación» o «factor de llenado forzado» se define como la relación entre el número de cargas disponibles por día según el diseño de los equipos de la casa de carga y el número de cargas requeridas por día para la producción objetivo de arrabio. Un valor típico considerado para esta relación es 1,3.
• Basándose en el tiempo disponible para la formación de cada lote para coque y materiales ferrosos, se determina el número total de equipos (alimentadores vibratorios, cribas vibratorias, tolvas de pesaje, etc.) operando simultáneamente del total instalado.
• Se desarrolla un ciclograma considerando la operación del equipo de carga superior (campana sin campana) y el tiempo de operación de todos los equipos de la casa de carga. Los ciclogramas se preparan tras calcular el tiempo de operación de todos los equipos en la casa de carga y el tiempo total requerido para cada lote. Normalmente se preparan dos ciclogramas: uno con «tasa normal» y otro con «tasa de recuperación».
• Se dimensionan todos los equipos como compuertas, alimentadores vibratorios, cribas vibratorias, tolvas de pesaje, cintas transportadoras, incluyendo la cinta de carga principal que finalmente alimenta las tolvas de recepción del equipo de carga superior en la parte superior del horno alto. Los equipos se dimensionan basándose en la opción preferida de carga de coque, es decir, con o sin inyección de carbón pulverizado, y se proporciona flexibilidad para la otra opción en el diseño.

Gestión de la Carga en la Casa de Carga y la Parte Superior del Horno

Actualmente, los hornos altos modernos se instalan con bastantes variaciones en los materiales de carga, a veces siendo necesario utilizar alrededor de 50 tipos alternativos de materiales en el sistema de carga. El operador debe configurar la matriz de carga considerando un conjunto de reglas basadas en la planta programadas en el software de aplicación.

La complejidad de la matriz del operador de la casa de carga generalmente se valida mediante diferentes reglas de validación antes de descargarla al programa de carga activo, teniendo en cuenta entradas erróneas y todas las condiciones anormales en la casa de carga. La matriz del operador puede descargarse a la matriz activa en cualquier etapa de la operación. Se puede cargar coque adicional en cualquier etapa. Cualquier lote puede distribuirse en 11 posiciones en el horno y esta distribución se parametriza en la pantalla HMI de la matriz de la casa de carga por el operador.

Existen varios conjuntos de matrices de reserva para diferentes condiciones del horno integrados en el software, lo que añade flexibilidad a la operación. También hay flexibilidad para tomar cualquier material en cualquier silo; por tanto, la casa de carga puede funcionar en condiciones de tolva inactiva ajustando la entrada de material en las tolvas activas. Las tolvas de pesaje pueden seleccionarse automáticamente durante la ejecución de cualquier lote. El sistema de llenado superior totalmente automatizado de la casa de carga mediante el sistema de manipulación de materias primas permite que el sistema de alimentación del horno alto sea una operación fluida.

Dependiendo del diseño de la casa de carga, el sistema puede operar en «filosofía de pesaje de entrada» o «filosofía de pesaje de salida». El software se encarga de la compensación del error de pesaje en la secuencia de llenado en el siguiente lote para ese material en particular. El operador también puede seleccionar la filosofía de carga en sándwich durante la descarga de materiales desde las tolvas de pesaje. El control definido por el operador del intervalo entre dos lotes consecutivos puede introducirse para optimizar el tiempo de transporte de carga al mínimo y evitar el disparo de la cinta transportadora principal de carga.