Comprensión de la Formación de Andamios (Scaffolds) en Ejes de Alto Horno

Formación de Andamios (Scaffolds) en el Eje del Alto Horno

El término "andamio" (scaffold) se usa cuando hay acreción o formación de costra en la pared del alto horno (BF) que causa disminución del área transversal del eje. El andamio puede ocurrir en nivel relativamente alto del eje o relativamente bajo (cerca de la parte superior del vientre/bosh). Es difícil generalizar los tipos ya que hay muy poco en común entre estructura y ubicación de andamios de diferentes BFs. Sin embargo, pueden agruparse generalmente en dos: (i) andamios laminados, y (ii) andamios no laminados. Los andamios con estructura laminada consisten en capas alternas de hierro metálico (Fe) y carga rica en álcalis. La formación típica de un andamio grande se muestra en Fig 1.

Los andamios pueden causar colgaduras (hanging) en el BF. La colgadura se origina cuando la carga, en su descenso, encuentra resistencia muy alta resultando en parada del movimiento. La colgadura puede romperse y el material cae por el hueco creado. Tras la ruptura, cuando ocurre el deslizamiento, normalmente gran cantidad de material cae resultando en operación irregular con distribución no uniforme de gas y sus implicaciones en parámetros del BF.

Requisitos previos para formación estable y perjudicial de andamios: (i) presencia de material adecuado en la carga para construir el andamio (ej. finos, carga mal cribada, sinter con características inferiores de degradación a baja temperatura, sinter almacenado largo tiempo, húmedo y frío, o coque de tamaño pequeño), (ii) presencia de material aglomerante (cementante) para aglomerar material de carga, (iii) presencia de mecanismo de fijación (anclaje) para construir el andamio en la pared del eje: enlace químico con material de revestimiento, anclaje físico alrededor de placas de enfriamiento, construcción de arco hacia paredes del vientre, o simple condensación del material aglomerante en la pared, (iv) suministro continuo de componentes adherentes, y (v) andamio formado lo suficientemente fuerte para resistir fuerzas de desgaste de materiales descendentes.

Ubicación de los Andamios

El lugar donde se ubica el andamio depende del material aglomerante, adherente, materiales de carga, operación del horno y características constructivas como elementos de enfriamiento y revestimiento. Puede ubicarse en varios niveles: eje, vientre (bosh) o barriga (belly). La Fig 2 muestra algunas vistas de andamios.

La composición química típica de la raíz y costra dura de muestras de andamios de algunos BFs de Europa se da en Tabla 1.

Tabla 1 Análisis típico de andamios de BFs europeos
Nº	Composición	Raíz del andamio		Costra dura
		Muestra 1	Muestra 2
		%	%	%
1	C	4,24	1,59	8,4
2	Fe (total)	56	33	42,6
3	SiO₂	5,4	21	5,9
4	Al₂O₃	9,51	5,16	1,26
5	CaO	11,9	20,6	5,35
6	MgO	4,95	6,08	1,91
7	ZnO	0,002	N.D.	23,3
8	PbO	0	N.D.	0,26
9	K₂O	0,86	1,57	3,1
10	Na₂O	0,36	0,76	1,3
11	S	4,2	0,05	0,20

Andamios en el Vientre y Barriga

En un BF ideal, la acumulación y desprendimiento de andamios ocurre continuamente sin grandes variaciones en pérdidas de enfriamiento o química de escoria. En BFs antiguos con placas de enfriamiento y revestimiento cerámico, este equilibrio es difícil, especialmente cuando el revestimiento se ha erosionado. En BFs recientes con enfriadores de paletas (staves) o revestimiento grafito-cobre, hay secuencia regular de acumulación y desprendimiento alternados. El desprendimiento normalmente ocurre dos o más veces por semana.

El andamio consiste en brisa de coque, componentes de mineral reducido, escoria, componentes de polvo como hollín, y álcalis condensados. Este tipo es frágil y se desprende fácilmente. Si permanece más tiempo en la pared del vientre, especialmente cubriendo la circunferencia, se vuelve mecánicamente estable y gana resistencia con el tiempo. Los óxidos de hierro se reducen a Fe metálico, sinterizados y carbonizados. El carbono del coque se gasifica por reacción de pérdida de solución dejando espacio para polvo y materiales condensantes, ej. óxido de potasio (K₂O). Cuando el andamio ha permanecido más tiempo a temperaturas altas en el vientre, es compacto y contiene mayormente Fe y escoria. Cuanto más tiempo permanece, más crece en dimensiones y crece el riesgo de perturbaciones graves.

Una formación típica procede por pasos: (i) hay muchos finos y sinter mal cribado con características inferiores de degradación a baja temperatura, (ii) el material fino se segrega hacia la pared donde flujo de gas es débil, temperatura baja y tasa de reducción lenta, (iii) la raíz de la zona cohesiva está baja en el vientre y puede ser carga mixta, (iv) el descenso normal se detiene por colgadura o parada de mantenimiento, (v) la decrepitación del sinter continúa por su reducción, (vi) material ablandado o semifundido se adhiere a elemento de enfriamiento y solidifica, (vii) cuando la carga reinicia descenso (colgadura se desliza o horno reinicia tras parada), este material adherido permanece, (viii) compuestos de Zn y álcalis condensan del gas en material estancado aglomerando finos, (ix) formación de raíz del andamio, (x) en superficie de capa estancada, hacia la carga, la condensación de compuestos aglomerantes y polvo continúa construyendo costra dura de Fe, ZnO, K₂O y componentes de escoria, (xi) crecimiento continuo hacia arriba y ligeramente hacia el centro. Si se permite crecer, puede crecer tiempo sin problemas significativos, pero luego causa perturbaciones graves: hogar enfriado, roturas de sopleteos, etc.

Andamios en Eje Medio e Inferior

Tradicionalmente los álcalis se consideran razón de formación de andamios en el eje. A temperaturas >1.100 °C, álcalis se reducen y vaporizan de escoria fundida y ascienden con gas. Cianuros alcalinos se forman a 900-1.000 °C y a <750-880 °C estos vapores condensan y oxidan por CO₂ a carbonatos. Álcalis también reaccionan con materiales de carga, partículas de polvo y revestimiento si temperatura es suficiente. En el sistema Na₂O-K₂O-MgO-CaO-Al₂O₃-SiO₂ hay muchas composiciones con punto de fusión bajo, algunos tan bajos como 700 °C. A temperaturas fluctuantes estos fundidos disuelven más material sólido al subir temperatura y aglomeran partículas al bajar. Estos fundidos de bajo punto se descomponen a fases más estables durante solidificación y es difícil fijar cierta composición como fase aglomerante. Las fases cristalizadas tienen usualmente puntos de fusión más altos que la fase fundida inicial. Por eso ej. KAlSiO₄ (kalsilita) se encuentra a menudo en andamios, aunque su punto de fusión >1.700 °C. La influencia de K en formación de andamios se muestra en Fig 3.

El Zn se reduce a ~800 °C y evapora a 907 °C. Se oxida de nuevo a ZnO en partes frías donde temperatura baja de 800 °C y ratio CO₂/(CO₂+CO) >0,2.

El andamio puede crecer muy rápido si no hay mecanismo de desgaste como movimiento de carga descendente. Durante el descenso, los bultos de coque con bordes duros actúan como material abrasivo. El crecimiento es balance entre adherencia y desgaste. Hay muchos factores contribuyentes. Generalmente es difícil señalar solo uno. Normalmente una suma de factores dispara el crecimiento.

Andamios en Eje Superior

Andamios en eje superior son comunes cuando materiales de carga no se cribан bien o tienen malas propiedades de desintegración a baja temperatura. Los finos se segregan hacia paredes o se forman por decrepitación del sinter. Cantidades excesivas de finos dan caída de presión alta y pueden causar "colgaduras por polvo" (dust hangings). Material fino estancado forma base para compuestos aglomerantes como ZnO y K₂CO₃. A veces humedad en carga húmeda y fría también condensa en finos en lado de pared.

La raíz del andamio está en medio del eje, preferiblemente anclada alrededor de placas de enfriamiento sobresalientes. Al estar tan alta, es difícil destruirla por fusión con escoria. Además, dificulta o imposibilita controlar distribución mineral/coque a lo largo del radio.

Causas de Formación de Andamios

Hay varias teorías sobre cómo se inicia la formación, pero todas aceptan que álcalis y/o Zn están involucrados. La diferencia básica es si actúan solo como iniciadores o son responsables de todo el proceso. No es seguro si su presencia es prerrequisito o simplemente agravan el proceso.

Basado en estudios químicos y mineralógicos en muestras de andamios de varios BFs, la formación puede ocurrir por causa única o múltiple. Las causas se resumen:

Zinc (Zn)

Zn y compuestos de Zn se encuentran en varias muestras. La acumulación se debe a ciclado de Zn en el BF. Compuestos como ZnO entran con carga férrica. Zn funde a 419,7 °C y evapora a 906 °C, mientras ZnO funde a 1.975 °C. Dependiendo de presión parcial de Zn y contenidos CO/CO₂ y H₂/H₂O, ZnO se reduce a altas temperaturas y condiciones de nivel de sopleteo según reacciones reversibles: ZnO + C = Zn + CO, ZnO + CO = Zn + CO₂, ZnO + H₂ = Zn + H₂O. Zn metálico gaseoso sube al eje, donde condiciones cambian y Zn se oxida y condensa en material de carga. La precipitación forma capa blanco-verdosa. Debido a alta temperatura de fusión, ZnO permanece adherido y desciende con carga. Junto con nuevo Zn entrante, Zn se acumula mientras no se extraiga.

Oxidación y reacciones posteriores producen varios compuestos de Zn establecidos en estudios mineralógicos: ZnO (más frecuente), silicato de zinc (Zn₂SiO₄), gahnita (ZnAl₂O₄), hardistonita (Ca₂ZnSi₂O₇), franklinita (ZnO·Fe₂O₃). ZnO puede aglomerar finos y polvo formando andamio en eje. Tal andamio no necesita estar necesariamente adherido directamente a toda la pared que cubre.

En operación típica con carga de Zn muy alta (hasta 45 kg/tHM), la cantidad de Zn se acumula más rápido que en BFs con menores concentraciones. Sin embargo, andamios por Zn no son problema de BF particular. Concentraciones de Zn pueden alcanzar altas cantidades en cualquier BF si no se extrae por acción específica como altas temperaturas de gas superior.

Sinterización

Si parte de la carga férrica se mantiene en estado acumulado largo tiempo, puede reducirse incluso a temperaturas y atmósfera del eje. Esta acumulación se enriquece de granos de Fe metálico cerca de fases de escoria. Por presión de carga y temperaturas >900 °C, los granos de Fe pueden sinterizarse. Se produce acumulación sólida de Fe grueso. Por su estabilidad, solo necesita adherirse a la pared en el fondo de la acumulación causando andamio.

Álcalis

Álcalis entran normalmente con material férrico y coque como silicatos. La acumulación puede ser similar a Zn. Reducidos a nivel de sopleteo, ascienden en eje y condensan a 882 °C (Na) y 779 °C (K).

Los vapores que ascienden con gas condensan en parte superior donde parte sale con gas superior, mientras el resto condensa en paredes interiores o material de alimentación. Por volatilización y condensación en distintas zonas térmicas, los álcalis tienden a ciclar dentro del BF, llevando a acumulación e interacciones con otros materiales. Esto puede impactar significativamente el proceso, incluso con cantidades pequeñas, generalmente <5 kg/tHM. Vista simplificada de circulación de álcalis en BF se muestra en Fig 4. Estudios de BFs excavados muestran que nivel de álcalis es mayor donde temperatura >1.000 °C, es decir, mayor concentración en parte inferior.

Varias reacciones forman óxidos de álcalis con puntos de fusión > temperatura de eje. Álcalis también pueden aglomerar carga y polvo. Si precipitan en pared, pueden unir partes de carga formando andamio.

No es esencial que andamios hechos principalmente de álcalis se formen en cada BF. Sin embargo, en BFs, capas finas con kalsilita (KAlSiO₄) y otros compuestos K₂O están presentes. Se forman directamente en la pared. El comportamiento de KAlSiO₄ es importante. Puede unir partes de carga formando andamio. Partes férricas se reducen y sinterizan, formando andamio sólido. Como KAlSiO₄ no es composición estable, puede reaccionar y desaparecer de modo que no o muy pocos álcalis se encuentren luego en muestras.

Zona Blanda (Mushy Zone)

A ~1.100 °C, material férrico empieza a ablandarse. Estructuras blandas en esta zona son forzadas por peso de carga a unirse. Durante parada o al alcanzar regiones frías cerca de pared, esta zona se solidifica, se adhiere a pared y forma capa frontal de andamio. El andamio perturba flujo de gas y lo fuerza en otra dirección. Si por flujo cambiado las temperaturas se mantienen bajo niveles originales, el andamio difícilmente se funde. Reducción y sinterización generan capa de granos de Fe metálico en fases de escoria aún más difíciles de eliminar. Andamios muy grandes se encuentran en BFs donde temperaturas >1.100 °C. Están formados por fases de escoria y granos de Fe sinterizados. Muy poco Zn o álcalis. Se estima que no estos elementos, sino solidificación de material blando es responsable del pegado inicial. Indicadores: baja carburación del Fe y partículas de coce cerradas herméticamente.

Agua

El agua entra de varias formas: (i) sinter y coque húmedos, especialmente sinter de almacenamiento abierto sin protección contra lluvia, (ii) inyección de vapor en sopleteos, (iii) inyección de agua líquida sobre carga si temperaturas de gas superior exceden cierto valor. También, cerca de la parte superior, en regiones frías cerca de pared, vapor puede condensar. A lo largo de pared, agua líquida puede fluir hacia abajo alcanzando niveles profundos. El agua acumula polvo y partículas finas y puede pegar estos aglomerados a la pared. En largo periodo, sinter y procesos de reducción forman andamio sólido.

El agua fluyendo en pared reduce temperatura en regiones cercanas. Por esta caída, Zn y álcalis condensan más rápido acelerando formación de andamios. Una vez alcanza regiones calientes, se evapora, mientras fase líquida sigue bajando. El vapor reduce contenido H₂/H₂O en esas áreas. Como resultado, el equilibrio de la reacción reversible ZnO + H₂ = Zn + H₂O cambia hacia o más en dirección de ZnO.

En el diagrama de predominancia de áreas para sistema Zn-O-H₂ (Fig 5), tres fases se muestran en función de contenido H₂/H₂O y temperatura: (i) Zn líquido, Zn(l), (ii) vapores de Zn, Zn(v), (iii) ZnO sólido, ZnO(s). Calculado de datos termoquímicos para sustancias puras. Las líneas sólidas con curva en punto de ebullición son líneas de coexistencia donde Zn y ZnO existen en equilibrio. Zn es estable encima y ZnO debajo. Las líneas son función de actividad de Zn, a(Zn). Para gases ideales, a(Zn) = presión parcial de Zn(v). En condiciones normales de BF, se esperan valores de actividad entre 0,1 y 0,01. Cuanto más lejos de líneas de coexistencia, más producto se crea antes de alcanzar equilibrio. Si más ZnO se forma, las posibilidades de sacar Zn por altas temperaturas de gas superior declinan.

El círculo negro caracteriza cantidad de H₂ tres veces la de vapor a temperaturas poco arriba del punto de ebullición de Zn. Dependiendo de presión parcial de Zn, el equilibrio termo-mecánico está cerca, probablemente incluso a favor de Zn(v). Si se añade agua, se evapora y contenido H₂/H₂O cae en dirección de la flecha. Condiciones están ahora más lejos de líneas de coexistencia. Como resultado, cantidad de ZnO formado aumenta. Tras precipitación, andamio se forma más rápido al acelerarse el proceso.

Cal junto con Agua

Si se añade demasiada cal viva al sinterizado, puede forzar al sinter a partirse y desmenuzarse al contactar con agua y reaccionar. Como resultado, aumenta cantidad de partes finas de carga en BF. En general, partes finas son más fáciles de aglomerar y apoyan formación de andamio. Dentro del BF, cal viva y agua pueden reaccionar formando cemento. El cemento aglomera carga y forma andamio muy estable y sólido. Si partes férricas se reducen y sinterizan, se forma andamio aún más estable.

Proceso de Formación de Andamios

Los andamios normalmente consisten en caparazón sólido en lado interior del BF y capa de material de carga suelto entre caparazón y pared. Estudios muestran que el caparazón se desarrolla a lo largo de una isotermas. Durante formación, esta isotermas está en posición del caparazón. Dos estructuras diferentes formando el caparazón son posibles: (i) granos de Fe metálico en fases de escoria, y (ii) carga pegada por ZnO. Dos procesos de formación parecen posibles.

En el primero, carga férrica blanda solidifica a lo largo de una isotermas si temperatura dentro del BF cae. La razón puede ser parada o fluctuación. En intervalo de tiempo suficiente, la carga con Fe se reduce y sinteriza a temperatura y atmósfera de eje. Al final, granos de Fe metálico en fases de escoria se han formado.

En el segundo, Zn, álcalis y compuestos precipitan y forman una vez que temperatura cae bajo cierto punto. Solo a cierta temperatura, reacciones y precipitación crean suficiente Zn o compuestos alcalinos para unir la carga. Estructuras de coque y sinter unidas por ZnO son el producto. Durante reducción y sinterización posterior de carga férrica, Zn puede reaccionar y gasificarse. En este caso, granos de Fe metálico en fases de escoria son el producto final del andamio, que en el primer proceso está hecho de estructuras coque-sinter unidas por ZnO.

El andamio formado por cualquiera de los procesos explica la forma del caparazón, la capa de material suelto y por qué se forma en pocos días. Una vez existe el caparazón, perturba flujo de gas y lo fuerza en otra dirección. Como resultado, temperaturas pueden mantenerse bajo niveles originales. En este caso, andamio difícilmente se funde. Condensación y precipitación en capa suelta luego acumulan compuestos de Zn y álcalis. Estos procesos también pueden llevar a formación de nueva capa delante del caparazón existente. El caparazón existente es soporte estructural para crecimiento de nueva capa y la protege de abrasión.

Los andamios se forman normalmente continuamente. Los contenidos de álcalis y Zn del gas ascendente se depositan en carga o refractario al disminuir temperatura en el eje. Esto crea andamios de crecimiento lento. La velocidad de crecimiento en el refractario es generalmente del orden de pocos mm/semana. Este tipo de formación se ve influida principalmente por carga de álcalis y Zn y distribución de temperatura en el eje.

Perturbaciones o interrupciones en el BF pueden causar que la carga empiece a sinterizar. Si ocurre en región inferior, la carga descendente puede eliminar parcial o totalmente material aglomerado. Si la aglomeración ocurre en parte superior, la carga parcialmente aglomerada puede volverse estancada. Material debajo también se estanca. Todo se reduce lentamente y se vuelve Fe reducido. Durante el tiempo de reducción y según distribución de temperatura, humos de álcalis y Zn pueden depositar en superficies de partículas de óxido de Fe y formar compuestos con alúmina y silicatos de magnesia. La velocidad de crecimiento puede ser considerablemente mayor comparada con formación por deposición en refractario. Depende de parámetros como extensión de zona aglomerada inicial, distribución de temperatura y cantidad de partículas finas en gas ascendente.

Medidas para Evitar Formación de Andamios

Si andamios crecen mucho perturban el proceso y reducen eficiencia. Andamios sólidos a veces solo pueden eliminarse por voladura. Tales medidas radicales a veces no pueden prevenirse. Sin embargo, parece posible intervenir con medidas menos extremas cuando andamios son aún pequeños, especialmente durante formación. Algunas medidas:

Capacidad de Enfriamiento

Para iniciar fusión de material solidificado en pared del eje y prevenir solidificación de zona blanda en regiones frías cerca de pared, puede reducirse capacidad del sistema de enfriamiento del eje. El número de cajas de enfriamiento en parte superior puede minimizarse. Menor capacidad mantiene temperatura interna lo suficientemente alta para prevenir solidificación de zona blanda durante paradas. Alternativamente, parece posible cargar altas cantidades de coque cerca de pared antes de parada. El coque debe colocarse de forma que durante parada permanezca en región donde parte inferior del andamio se adhiere normalmente. Así se previene solidificación y adherencia de material blando, ya que el coque no se ablanda a temperaturas de eje.

Carga de Coque Cerca de Pared

Altas cantidades de coque, preferiblemente cargado hacia regiones cercanas a pared, elevan temperatura y pueden fundir andamios. El aumento de temperatura también previene o reduce condensación de Zn y álcalis y desarrollo de nuevos andamios. Primeros resultados suelen verse a los 2-3 días. Desventaja: mayor desgaste de refractario del eje y menor utilización de gas.

Sílice

La sílice puede reaccionar con material de andamio y formar compuestos eutécticos de sílice con bajos puntos de fusión. Por tanto, se puede añadir sílice a regiones cercanas a pared para fundir andamios de la pared.

Carga Central de Partes Finas

Partes finas de carga son más fáciles de aglomerar y reducir. Si se cargan, deben entrar en región central. Así se minimizan posibilidades de adherencia de aglomerados finos a pared.

Balance de Ácalis y Escoria Ácida

Balance de entrada/salida da información valiosa sobre cantidad real de álcalis en proceso. Ácalis pueden sacarse por escoria ácida. Escoria ácida también aumenta azufre (S) en arrabio (HM). Balance es importante para operar con escoria ácida periodo limitado y minimizar desventajas.

Deslizamiento Forzado

Ocurre cuando se para presión de soplado unos minutos. Fuerza descenso repentino de carga en eje y hundimiento de tope. Por fuerza repentina del peso, andamios pueden romperse. Debe darse solo al final de vaciado, para prevenir pérdida de calidad y contaminación de HM por material deslizado.

Optimización de Características Constructivas del BF

Especialmente en su parte superior fría, cajas de enfriamiento actúan como ancla para futuros andamios. En contraste con paletas (staves), cajas generan puntos fríos distribuidos sobre pared. Estos son puntos de partida ideales para condensación y solidificación. Paletas con mismo efecto de enfriamiento producen campo de temperatura estable, sin mínimos extremos. Por tanto, paletas son menos propensas a generar andamios.

Alta Temperatura de Gas Superior

El Zn puede sacarse del proceso con altas temperaturas de gas superior, no dando tiempo a vapores de Zn para condensar o reaccionar. Temperatura óptima necesaria ~350 °C. Junto con altas cantidades de coque en zona de pared, cantidades de Zn de 45 kg/tHM pueden manejarse.