Consteel: tecnología patentada de precalentamiento de chatarra en horno de arco eléctrico para ahorro energético

El proceso Consteel es un proceso patentado. Es una innovadora tecnología de conservación de energía para el precalentamiento de chatarra en horno de arco eléctrico (EAF) desarrollada por «Intersteel Technology Inc., Charlotte, Carolina del Norte (desde 1994 parte de Techint, Tenova S.p.A.)». La primera aplicación industrial tuvo lugar en 1989 en Gerdau-Ameristeel Charlotte (EE. UU.). Desde entonces ha habido una aceptación industrial constante. Hoy el proceso Consteel EAF es una tecnología de fabricación de acero probada y fiable. Garantiza uso eficiente de energía y materias primas, fácil operación y mantenimiento, así como respeto al medio ambiente.

Principio del proceso Consteel

En el EAF con proceso Consteel, la solución adoptada es la alimentación continua del EAF por la chatarra, precalentada y transportada mediante un transportador que se mueve en un túnel de precalentamiento, en el que el gas de escape del EAF, fluyendo en contracorriente respecto a la carga metálica, es combustado por aire inyectado. La alimentación continua y precalentamiento de la chatarra ofrecen ventajas potenciales frente a la alimentación por cargas discontinuas (batch) convencional.

El proceso Consteel aumenta la productividad y mejora la eficiencia energética con impacto ambiental mínimo. Los principales aspectos destacados son medidas de conservación: (i) recuperación de calor de los gases de escape del horno para precalentar la chatarra antes de cargarla, (ii) reducción del consumo eléctrico específico, (iii) reducciones en uso de O₂ (oxígeno) y C (carbono) sin consumo de combustible en quemadores, (iv) aumento de la tasa de producción por disminución del tiempo cuba-a-cuba, (v) disminución significativa de perturbaciones eléctricas en la red, (vi) menor consumo y rotura de electrodos, (vii) aumento del rendimiento de chatarra, (viii) menos polvo evacuado a la manga de filtros, y (ix) reducciones de costes en logística, mano de obra, mantenimiento y gestión de residuos.

Ventajas operativas y ambientales

El bajo requerimiento de potencia y la operación estable de baño plano, bajo escoria espumante en el caso del proceso Consteel, lo convierten en la tecnología EAF ideal cuando la red eléctrica es relativamente débil y solo puede tolerar perturbaciones muy bajas. El proceso también minimiza ruido, polvo y emisiones contaminantes, tanto dentro de la nave de fundición (no se necesita doghouse) como en el sistema de gases de escape, que a diferencia de un EAF convencional no necesita sobredimensionarse para manejar emisiones en ráfagas.

Precalentamiento convencional vs. Consteel

El precalentamiento convencional de chatarra se usa desde hace tiempo principalmente en países con altos costes de electricidad. Implica el uso de gases calientes para calentar la chatarra en el cucharón antes de cargarla en el EAF. La fuente puede ser gases de escape del EAF o gases producidos quemando gas combustible. Puede lograrse conduciendo los gases calientes del horno al cucharón mediante tubería desde el cuarto orificio del EAF a una campana especial sobre el cucharón. Típicamente los gases salen del EAF a ~1200 °C, entran al cucharón a ~815 °C y salen a ~200 °C. La cantidad de precalentamiento depende de la transferencia de calor a la chatarra, función del tamaño y tiempo a temperatura. Típicamente la chatarra se precalienta a 350-450 °C. Esto reduce típicamente el consumo energético en 40-60 kWh/t, consumo de electrodos en ~0,35 kg/t, consumo de refractarios en ~1,2 kg/t y tiempo cuba-a-cuba en 5-6 min. Desventajas: (i) incómodo de operar (chatarra pegada al cucharón, vida corta), (ii) pobre controlabilidad por variación de temperatura y caudal de gases a través de fases de operación del EAF, (iii) para tiempos cuba-a-cuba < 70 min, la logística conduce a ahorros mínimos que no justifican el gasto de capital.

El proceso Consteel precalienta y alimenta continuamente carga metálica (chatarra, hierro de primera, etc.) al EAF mientras controla simultáneamente las emisiones gaseosas. Logra la alimentación continua mediante un transportador inercial, que mueve la chatarra desde una sección abierta (carga normalmente por grúa) al horno, pasando por una sección cerrada (túnel) donde se calienta por gases de escape del proceso que viajan en dirección opuesta, hacia el sistema de extracción. La energía para precalentar proviene del gas caliente que entra al túnel desde el EAF, post-combustado por aire añadido en el túnel. La chatarra precalentada se alimenta continuamente al EAF, donde se funde por inmersión en acero líquido. El EAF opera en condiciones de baño plano constante, ventaja clave frente a procesos batch convencionales donde la chatarra se funde por acción directa del arco eléctrico. Los gases del EAF se envían a la planta de limpieza en condiciones adecuadas para combustión completa de monóxido de carbono (CO) y otros contaminantes sin consumo de combustible. El concepto se muestra en Fig. 1.

Descripción del proceso y características de la planta

El proceso Consteel permite alimentación continua y precalentamiento de la carga metálica al EAF. La chatarra se carga directamente desde el patio al transportador de carga. Luego es transportada automática y continuamente al EAF mientras se precalienta en el transportador precalentador (túnel).

La energía proviene del gas caliente del EAF, post-combustado por aire inyectado en el túnel a través de inyectores ubicados en el techo. Junto con el aire inyectado, entra aire no controlado al EAF y túnel. Este entra principalmente en la zona de conexión entre EAF y túnel (zona del carro de conexión) y contribuye a la post-combustión de los gases de escape.

El gas de salida del túnel se conduce a un sistema de limpieza de gases. Un sistema de ventilador y cortinas mecánicas se coloca al final del túnel para evitar entrada de aire (sello dinámico). Al basarse en la post-combustión de gas del EAF, está estrictamente conectado al proceso siderúrgico en el EAF; para optimizar, debe considerarse el sistema completo EAF-túnel.

La gestión del caudal en cada inyector está permitida. La inyección de aire puede controlarse automáticamente o ajustarse manualmente. El control automático se basa en la medición de concentración de O₂ en el gas a la salida del túnel. El valor objetivo se alcanza y mantiene mediante el sistema de control de la planta, gestionando los caudales en los seis inyectores. La Fig. 2 muestra el diagrama esquemático.

Características especiales del proceso Consteel

Incorpora carga continua de chatarra al EAF mediante un sistema transportador que conecta el patio con el EAF. No hay carga por cucharón convencional. La chatarra se carga en transportadores por grúas del patio; estos mueven la chatarra en movimiento oscilante: avance lento y retroceso rápido, haciendo que la chatarra se mueva con el transportador en el avance pero se deslice en el retroceso, produciendo avance neto hacia el horno.

Antes de llegar al horno, la chatarra entra en una sección de precalentamiento consistente en un túnel por donde fluyen los gases calientes de escape del EAF en contracorriente. En esta sección, el CO del gas de escape se quema por inyección automáticamente controlada de aire, permitiendo recuperar más energía para la chatarra. Durante la alimentación continua, el baño de acero en el EAF se mantiene líquido y la chatarra que entra se funde por inmersión en el baño. El arco eléctrico trabaja así siempre sobre baño líquido (condiciones de baño plano), no sobre chatarra sólida. En esta situación el arco es estable y no se ve afectado por la presencia de chatarra sólida como en la carga batch.

El EAF con Consteel puede usar cualquier tipo de chatarra y todo material metálico que pueda cargarse en un EAF tradicional. En cuanto a dimensiones máximas, los límites normales de especificación de chatarra (1,5 m × 0,5 m × 0,5 m) son compatibles con la carga continua. La regla principal: la pieza máxima no debe exceder la distancia entre la punta del transportador Consteel y los electrodos, para evitar puente eléctrico. Esto puede limitar la longitud máxima en hornos pequeños, mientras que los grandes son más tolerantes. En la práctica, la chatarra disponible en el mercado ya es compatible con los EAF Consteel más pequeños.

Al ser la carga continua, la densidad de la chatarra no afecta las operaciones tanto como en un EAF de carga superior convencional, donde chatarra ligera requiere más cargas de cucharón, reduciendo eficiencia y productividad, y chatarra muy pesada produce retrasos en la fundición, si no roturas frecuentes de electrodos por derrumbes masivos durante la fundición inicial.

El proceso se lleva a cabo equilibrando la potencia de entrada al horno con el caudal másico de materiales de carga (similar a la lógica de control en hornos alimentados con DRI) y el caudal requerido se logra automáticamente por la lógica de control, ajustando la velocidad de alimentación del transportador (más rápida para chatarra ligera, más lenta para pesada). El caudal másico se controla por sistema de pesaje del horno y/o sistema de seguimiento de carga en instalaciones nuevas.

La chatarra descargada por el transportador se funde por inmersión en un gran baño de metal líquido (el talón caliente), proporcionando las condiciones más favorables para fundir piezas pesadas como fardos, problemáticas para EAF convencionales. El único requisito es distribuir uniformemente las piezas pesadas a lo largo de la carga.

En general, es mucho más fácil fundir piezas pesadas en un EAF con Consteel que en uno convencional del mismo tamaño, y el rendimiento se beneficia si el talón caliente está correctamente dimensionado y el proceso se combina con agitación de fondo con N₂ (nitrógeno) o Ar (argón). Normalmente el talón se dimensiona como 42-50 % del peso de vaciado. Esta masa se mantiene a lo largo de las cuba y actúa como «volante térmico» estabilizador. En la primera cuba de la campaña, el talón se crea con la fundición de una carga de cucharón. Cuando el horno debe vaciarse, la carga se reduce y el talón se usa para vaciar una cuba completa. La Fig. 3 muestra la vista esquemática de la línea Consteel.

Dos características diferenciadoras principales

La combinación de precalentamiento y, aún más importante, carga continua. El precalentamiento ahorra energía, pero la carga continua ha mostrado beneficios aún mayores: (i) bajos costes de producción, (ii) alta productividad, (iii) flexibilidad, (iv) impacto ambiental reducido, y (v) mayor seguridad.

La carga continua distribuye la carga durante todo el período de potencia. No se usan cargas de cucharón y el transportador alimenta la chatarra desde el patio directamente al EAF. El techo siempre está cerrado y la succión de gases ocurre constantemente por el circuito primario, no por campanas en el secundario. En el horno, la chatarra se funde por inmersión y el arco trabaja sobre baño plano cubierto por escoria espumante. El sistema de control ajusta automáticamente la velocidad de transporte para mantener el baño a la temperatura objetivo y controla la inyección de O₂ y C para mantener la escoria espumante adecuada.

El precalentamiento de la carga es efectivo para reducir consumo energético. El ahorro depende de la temperatura de precalentamiento y eficiencia de fundición. Asumiendo temperatura media de 400-600 °C, se obtienen ahorros de 80-120 kWh/t de acero líquido vaciado, confirmados por instalaciones existentes.

El ciclo térmico típico para un EAF equipado con Consteel se muestra en Fig. 4. Estas características dan ventajas considerables en ahorros operativos y reducción de impacto ambiental. Las características operativas aportan menor ruido, menos polvo y ausencia de carga por cucharón con su consiguiente ruido, transporte y pérdida de calor y gases cuando se abre el techo para cargar.

Metalúrgicamente, el acero líquido en el horno está en mejor equilibrio y menos propenso a generar reacciones violentas. Paredes laterales, techo y lanzas refrigeradas por agua no sufren fugas por arco o impactos de chatarra, minimizando riesgo de agua en el horno. Todo esto contribuye a crear un entorno de trabajo más seguro y confortable comparado con los estándares típicos de la industria siderúrgica.

La característica clave del último proceso Consteel es la introducción de nuevas soluciones para aumentar la cantidad y eficiencia de la energía química usada. Desarrollado mediante ensayos de laboratorio y extenso uso de análisis CFD. Las nuevas soluciones incluyen: transportadores más anchos para aumentar superficie de intercambio, diferente perfil del túnel para mejorar intercambio convectivo, y nueva sección del túnel equipada con quemadores para impulsar aporte de energía química. Mediante estas, el uso de energía química se controla sección por sección, por medición continua de caudal, temperatura y composición del gas de escape, con optimización automática de parámetros operativos. Resultados: precalentamiento de carga más efectivo y menores costes operativos.

Comparación con fabricación de acero en EAF convencional

La mayor diferencia es el mejor rendimiento, aunque hay varios aspectos logísticos y de mantenimiento.

La operación más importante es la gestión del flujo de chatarra desde el patio al horno: por preparación de cucharón en EAF convencional y por sistema de carga continua en Consteel. La manipulación de materias primas en EAF convencional se realiza normalmente por grúas puente en número suficiente para tener margen de seguridad. El número depende de los cucharones a preparar en el tiempo dado, considerando tamaño de cuba, densidad de chatarra y tamaño de cucharones. Consteel adopta diferente organización del patio, almacenando materias primas al lado del transportador de carga. El tamaño y número de grúas dependen de la tasa máxima de alimentación requerida por el horno (Fig. 3). Consteel simplifica la logística minimizando movimientos de chatarra.

El mantenimiento depende del equipamiento del patio, bahía del horno y EAF, junto con eliminación de escoria y polvo. Consteel solo tiene grúas puente para carga del transportador, que también pueden realizar pesaje por cada elevación. El mantenimiento del EAF está fuertemente influenciado por el proceso de fundición. Las tensiones térmicas y químicas que afectan componentes consumibles dependen principalmente de parámetros del proceso (Fig. 5).

El consumo de electrodos tiene el mayor coste de mantenimiento; Consteel tiene ~15 % menor consumo por menor tasa de oxidación debido a menor ratio de post-combustión dentro del horno. La erosión también depende de la productividad. En mismas condiciones, Consteel tiene mayor productividad, por lo que el consumo puede considerarse igual a un EAF convencional con menor productividad. Además, la operación de baño plano mantiene buena estabilidad de los arcos y prácticamente elimina roturas de electrodos.

Consteel también tiene menor desgaste del revestimiento refractario porque las condiciones son más suaves y produce menos óxido de hierro en la escoria. Si la escoria espuma correctamente, los arcos pueden quedar completamente cubiertos y enterrados bajo capa protectora que reduce la radiación al refractario casi todo el período de potencia. También elimina descargas eléctricas en techo y carcasa porque el mantenimiento de paneles se reduce drásticamente.

Respecto al mantenimiento del transportador de chatarra Consteel, es muy simple y se ha reducido a inspección periódica de estructura mecánica, motores eléctricos, equipamiento hidráulico, y mantenimiento planificado de las partes más críticas. El revestimiento refractario de la sección de precalentamiento no tiene tensiones particulares y normalmente puede rebrickearse anualmente.

La punta del carro de conexión es el componente más solicitado del sistema de transporte porque recibe tanto la tensión térmica del baño de fundición como la carga mecánica del transporte de chatarra. Debe formar parte de un programa de mantenimiento planificado y, según experiencia de unidades operativas, tiene vida media de cuatro meses. La barra de suspensión se reemplaza fácilmente, usualmente durante la parada del horno. Análisis de fallos muestra promedio 100 roturas de barras al año para un transportador bien cargado.

En eliminación de polvo y escoria, Consteel logra menor producción que EAF convencional, dependiendo fuertemente de sus características principales: carga continua y precalentamiento. La eliminación de carga por cucharón reduce formación de polvo en campana, y la sección de precalentamiento funciona como cámara de decantación donde el polvo se deposita en la chatarra, promoviendo reciclaje al horno. La emisión total de 5-9 kg/t de acero líquido es menor que en EAF convencional.

Flexibilidad con materiales de carga

Para la práctica actual de EAF, la posibilidad de adaptar fácilmente la carga metálica a variaciones en costes de materias primas y demandas del mercado es muy importante. El EAF es intrínsecamente flexible. El EAF operando con Consteel ofrece máxima flexibilidad en selección de materiales de carga: chatarra, hierro de primera, DRI, y metal caliente, en todas las combinaciones y ratios posibles. Carga continua significa que no se usan cucharones; el transportador alimenta continuamente la carga directamente al EAF.

El proceso de carga continua se usa normalmente en EAF que procesan grandes cantidades de DRI o HBI, ya que el procesamiento batch (carga superior por cucharones) de estos materiales ha resultado inviable. Este concepto se extendió al procesamiento de chatarra con Consteel. La escasez de chatarra y energía en algunos países ha llevado a combinar carga de chatarra con metal caliente. La experiencia muestra que Consteel es también la mejor opción para aprovechar metal caliente en EAF. Básicamente porque permite distribuir la descarburación del baño a lo largo de todo el tiempo de potencia, a menudo sin cambios mayores en los sistemas de escape primarios y sin incurrir en retrasos de descarburación que limitan la productividad de un EAF de carga superior tradicional cuando la carga de metal caliente supera ~30 % del total.

Experiencias con metal caliente en EAF Consteel han abarcado desde 20 % hasta ~86 %, llegando a operar como convertidor de oxígeno básico, sin potencia eléctrica, con tiempo de potencia/soplado O₂ ~32 min, pero aún capaces de operar con 100 % chatarra cuando se necesita.

Si el coste de chatarra baja y hay presión para reducir emisiones de CO₂, el metal caliente puede reducirse y aumentar el uso de chatarra por la flexibilidad de EAF Consteel. Ejemplo: EAF Consteel 140 t en Vallourec-Sumitomo Brasil (Brasil), puesto en marcha 2012, diseñado para trabajar con mezcla de chatarra, hasta 40 % hierro de primera y hasta 40 % metal caliente.

Hay un EAF Consteel en Corea del Sur donde la carga continua de chatarra se combina con alimentación continua de DRI y HBI. Consteel puede combinar sin problemas carga continua de chatarra con cualquier forma de hierro virgen: metal caliente, hierro de primera, DRI o HBI (Fig. 6).

Como regla general, DRI y HBI se alimentan al horno tradicionalmente a través del techo. El metal caliente se vierte por puerta o canal lateral; el hierro de primera, en cambio, puede mezclarse con chatarra en el transportador. Al igual que el hierro de primera, también chatarra de hierro en piezas de varias toneladas puede cargarse por Consteel junto con chatarra.

Beneficios del proceso Consteel

Beneficios probados: (i) rápida amortización, (ii) alta flexibilidad, (iii) respeto al medio ambiente, (iv) seguridad del personal, (v) mínima perturbación a la red eléctrica, (vi) reducción de costes logísticos, mantenimiento y mano de obra, (vii) uso mejorado de energía química, (viii) menor consumo de electrodos, (ix) aumento del rendimiento de chatarra vs. hornos batch, (x) control continuo y optimización de parámetros operativos, (xi) control mejorado de carga mediante seguimiento automatizado de cantidad y calidad de chatarra.

Beneficios ambientales: La producción de polvo en EAF batch tradicional es ~20 kg/t de acero líquido. En EAF equivalente con Consteel es ~30-40 % menor. Esto por reciclaje natural del polvo depositado en la chatarra dentro del túnel y menor tasa de descarburación permitida. Menor polvo significa menor coste de eliminación, cada vez más caro por regulaciones más estrictas.

El proceso reduce emisiones de PCDD/F y NOx. La chatarra puede contener aceite, pinturas, plásticos y otras sustancias que se convierten en contaminantes durante la fabricación. Algunas pueden convertirse en precursores de dioxinas (PCDD), furanos (PCDF) y bifenilos policlorados (PCB), cuya emisión está severamente restringida. La emisión es un fenómeno complejo influido por factores concurrentes: cantidad de precursores en la carga, tipo de proceso en el horno y, en última instancia, el sistema de extracción de gases, que juega papel clave ya que las emisiones se miden en la chimenea.

Se ha demostrado que, dada una carga con mismos contenidos de precursores PCDD/F (ej. plástico PVC), Consteel libera cantidad significativamente menor de PCDD/F en gases de escape comparado con proceso discontinuo equivalente con cargas batch.

Hay creciente atención a emisiones de NOx; se ha encontrado que el arco eléctrico es el mayor responsable en EAF. La cantidad de NOx emitida por t de acero líquido vía EAF batch es ~250 g/t, mientras para carga continua es solo 120 g/t. Esto por operación de arcos bajo escoria formadora, que reduce interacción de arcos con O₂ y N₂ atmosféricos.

Usar EAF para fundir chatarra cargada por cucharón es mucho más ruidoso que fundir carga continua de DRI. Porque los arcon queman sobre baño plano y bajo escoria espumante. Consteel extiende este tipo de operación al procesamiento de chatarra, reduciendo significativamente emisiones acústicas. Durante operación Consteel, el nivel de intensidad sonora cerca del horno es ~85 dBA, mientras con EAF batch es generalmente >90 dBA.

Parámetros operativos logrados en plantas: (i) 30-40 % reducción emisiones de polvo a eliminar, (ii) 98 % disponibilidad, (iii) alta productividad 2,7 t acero líquido/hora/MW, (iv) consumo reducido 300 kWh/t acero líquido, (v) 1-2 % aumento rendimiento de chatarra, (vi) aumento productividad 33 %, (vii) consumo electrodos reducido 40 %, (viii) emisiones polvo reducidas ~30 %, (ix) ahorro electricidad estimado 60 kWh/t para retrofits, (x) ahorro coste operativo anual USD 1,90/t acero bruto (incluyendo aumento productividad, menor consumo electrodos, mayor rendimiento). Además, disminución de perturbaciones eléctricas en la red, menor uso de chatarra y ningún consumo de combustible en quemadores.