Alto horno - ingeniería mecanica

Alto horno

Un alto horno es un horno especial en el que tienen lugar la fusión de los minerales de hierro y la transformación química en un metal rico en hierro llamado arrabio. Está constituido por dos troncos en forma de cono unidos por sus bases mayores. Mide de 20 a 30 metros de alto y de 4 a 9 metros de diámetro; su capacidad de producción puede variar entre 500 y 1500 toneladas diarias.

Partes de un Alto Horno: 

La Cuba: De forma troncocónica, Constituye la parte superior del alto horno, por la zona más alta y estrecha, denominada boca, se introduce la carga compuesta por:

• El mineral de hierro, Que puede ser de diferentes composiciones: hematites y limonita (óxido férrico), magnetita (óxido ferroso férrico) y siderita (carbonato).
• El combustible, que generalmente es carbón de coque. Recuerda que este carbón se obtiene por destilación del carbón de hulla y tiene alto poder calorífico. El carbón de coque, además de actúar como combustible provoca la reducción del mineral de hierro, es decir, provoca que el metal hierro se separe del oxígeno. El carbono, en su forma industrial de coque, se mezcla con el mineral, con cuyo oxígeno se combina, transformándose, primero en monóxido de carbono (CO) y luego en dióxido carbónico (CO2 ). FeO + C → Fe + CO (reducción del mineral de hierro – FeO – en metal hierro con CO) FeO + CO → Fe + CO2 (reducción del mineral de hierro – FeO – en metal hierro con CO2)
• El fundente, Que puede ser roca calcárea o arcilla, según la ganga sea ácida o básica, respectivamente. El fundente se combinación químicamente con la ganga para Formar la escoria, que queda flotando en el hierro líquido y, entonces, se puede separar Fácilmente por decantación. La carga va Descendiendo poco a poco y temperatura y su volumen aumentan a medida que baja. Este aumento de volumen Exige que La Cuba se ensanche hasta llegar al vientre.

El etalaje: También de forma troncocónica. En esta parte del horno se produce una notable Disminución del volumen de los materiales, como consecuencia de las transformaciones químicas Qué tienen lugar en él. La zona inferior es de diámetro menor, una causa de esta Disminución de volumen y, también, por el Hecho de que la fusión de la carga hace Que esta fluya sin dejar espacios libres.

El Crisol: Es un cilindro de Gran Capacidad, que Recoge la fundición líquida, Así como la escoria, que queda flotando en estado líquido. En la zona de unión del etalaje y el crisol, se insertan las Toberas, que son unos tubos Mediante los Cuales se inyecta una corriente de aire comprimido y calentado previamente en el Crisol.

boca de carga: Es de forma cilíndrica y constituye la parte superior del A. H., por esta zona ingresa el mineral, el combustible y el fundente. El tragante se divide en dos tubos de salida por donde salen los gases. Un dispositivo de doble válvula permite efectuar las cargas sin que se dispersen los gases a la atmósfera ni se pierda calor, con el propósito de que el horno no pierda rendimiento. La carga, asciende hasta la boca del horno con la mezcla adecuada de mineral de hierro y combustible y fundente

Vientre: Zona donde se produce la unión con el etalaje. De forma cilíndrica, es de poca altura, en esta zona comienza la fusión de la carga.

Función del horno

El objetivo del alto horno es la reducción del mineral de hierro, es decir, la separación de todas las sustancias extrañas que acompañan al metal especialmente del oxígeno.

Extracción del mineral de hierro

El método de la extracción del mineral de hierro depende del yacimiento en que se encuentra. Si se encuentra en un yacimiento a cielo abierto la extracción es fácil. Si se encuentra en un yacimiento profundo, la extracción se hace más compleja, pues se necesita construir túneles para llegar donde se encuentra el mineral. 

Preparación del mineral de hierro 

El mineral de hierro extraído, trae consigo impurezas (tierra, restos fósiles), denominadas "ganga", además posee tamaños variables; y otros aspectos que hacen que el mineral no sea apto para ser introducido directamente al Alto Horno. Se realizan las siguientes operaciones. • Concentración: La concentración se puede llevar a cabo mediante los siguientes métodos:

 •Por lavado.

 •Por separador rotativo magnético. 

• Reducción de tamaño. 

• Aglomeración o briquetado.

Fabricacion de pellets

El mineral de hierro se calcina para eliminar el agua, descomponer los carbonatos y oxidar los sulfuros y la materia orgánica que pudiera contener. Luego se debe someter a un proceso de reducción de tamaño para que la reacción química ocurra eficientemente. Para eso, se puede triturar el material o pelletizarlo. Es la forma más tradicional en que se comercializa el mineral proveniente de las minas de hierro generalmente, se le somete a un proceso de beneficio para separarlo de la ganga, con lo que aumenta su ley de hierro al 60 – 63 %. Sus dimensiones son de 10 a 30 mm. Un porcentaje cada vez más importante del mineral de hierro que se emplea para la obtención del acero viene en forma de pellets. Los pellets son preconcentrados de hierro aglomerado en forma de nódulos. Se manufacturan con un aditivo especial alcalino, como caliza o dolomita, en plantas de pelletización. Sus dimensiones son de 9 a 16 mm

.

Funcionamiento

Las principales materias primas empleadas son el mineral de hierro, el coque, la caliza y el aire insuflado, cada uno de los materiales con una preparación previa, ya sea trituración o colado.

El horno tiene características especiales: sostenido por una fuerte armazón de hierro en su exterior, está recubierto de material refractario resistente al calor, su forma asemeja a dos conos truncados reunidos por sus bases, esta forma permite que los materiales introducidos por las válvulas puedan mezclarse más uniformemente, cuenta con aberturas tubulares por donde se suministra el aire caliente (Para producir y activar la combustión se inyecta aire a 15 atmósferas de presión y a una temperatura de 1030º), más abajo se encuentra una abertura tubular para sacar la escoria o desecho y en la parte del fondo hay otro conducto para sacar el arrabio, es decir, el producto del primer proceso.

Aunque ocurre un cierto número de reacciones, la reacción básica es la del oxígeno con el carbono para producir dióxido de carbono, monóxido de carbono, que a su vez reacciona con el oxido de hierro y lo reduce a hierro.

Las materias primas se cargan (o se vacían) en la parte superior del horno. El aire, que ha sido precalentado hasta los 1.030ºC aproximadamente, es forzado dentro de la base del horno para quemar el coque. El coque en combustión genera el intenso calor requerido para fundir el mineral y produce los gases necesarios para separar el hierro del mineral. En forma muy simplificada las reacciones son:

Carbono (Coque) + Oxigeno (aire) Calor + Monóxido de carbono gaseoso

2C + O2 Calor + 2CO

Oxido de hierro + monóxido de carbono Hierro fundido+ dióxido de Carbono gaseoso〖Fe〗_2 O_2+ CO→2Fe+3 CO_2 Impurezas en el mineral derretido + Piedra caliza Escoria

Los altos hornos funcionan de forma continua. La materia prima que se va a introducir en el horno se divide en un determinado número de pequeñas cargas que se introducen a intervalos de entre 10 y 15 minutos. La escoria que flota sobre el metal fundido se retira una vez cada dos horas, y el arrabio se sangra cinco veces al día. El aire insuflado en el alto horno se precalienta a una temperatura.

Aproximada de 1.030 ºC. El calentamiento se realiza en las llamadas estufas, cilindros con estructuras de ladrillo refractario. El ladrillo se calienta durante varias horas quemando gas de alto horno, que son los gases de escape que salen de la parte superior del horno. Después se apaga la llama y se hace pasar el aire a presión por la estufa. El peso del aire empleado en un alto horno supera el peso total de las demás materias primas.

Esencialmente, el CO gaseoso a altas temperaturas tiene una mayor atracción por el oxígeno presente en el mineral de hierro (Fe2O3) que el hierro mismo, de modo que reaccionará con él para liberarlo. El oxígeno será removido del mineral por la acción del CO (monóxido de carbono) gaseoso, el cual se combinara con los átomos de oxígeno en el mineral para terminar como CO2 gaseoso (dióxido de carbono).

Mientras tanto, a alta temperatura, la piedra caliza fundida se convierte en cal, la cual se combina con el azufre y otras impurezas. Esto forma una escoria que flota encima del hierro derretido. El arrabio recién producido contiene demasiado carbono y demasiadas impurezas para ser provechoso. Debe ser refinado, porque esencialmente, el acero es hierro altamente refinado que contiene menos de un 2% de carbono.

El precalentamiento del aire se realiza mediantes estufas, que estan constituidas por un gran conducto vertical o cámara de combustión y un emparrillado de ladrillos refractarios que sirven para almacenar y ceder el calor.

Las estufas funcionan intermitentemente; durante un cierto tiempo, la estufa está en calentamiento quemando gases; cuando los ladrillos refractarios están a la temperatura adecuada, se corta la entrada de los gases de combustión y se hace circular en sentido inverso el viento hasta que los ladrillos ceden su calor y se enfrían; a continuación se vuelve al ciclo de calentamiento.

Cada uno de estos ciclos puede durar 30 min. y un horno alto disponen normalmente de tres estufas. En las estufas convencionales se calienta el viento a temperaturas variables entre 900ºC y 1100ºC y en las mas modernas puede alcanzar hasta los 1300ºC.Por la parte superior del horno (pantalón) escapan los gases a temperaturas que varían entre 120º C y 250º C. A los gases de salida le acompañan polvos de mineral y de coque ( de 10 a 50 g por metro cúbico) por lo que es necesario limpiar y purificar antes de almacenar el gas para su uso posterior como fuente de energía.

Los gases se hacen circular por una serie de dispositivos que los hacen perder velocidad y temperatura y, por diversos sistemas (rociado con agua, sacos filtrantes, depuración electrostática) retienen las particula sólidas. Un gas que entre con 40 g/m3, al final de la depuración sale con un contenido entre 0,005 g/m3 y 0,015 g/m3 de particulas sólidas.

Productos obtenidos del alto horno • Humos y gases residuales.- Se producen como consecuencia de la combustión del coque y de los gases producidos en la reducción química del mineral de hierro que, en un elevado porcentaje, se recogen en un colector situado en la parte superior del alto horno. Estos gases son, principalmente, dióxido de carbono, monóxido de carbono y óxidos de azufre. • Escoria.- Es un residuo metalúrgico que a veces adquiere la categoría de subproducto, ya que se puede utilizar como material de construcción, bloques o como aislante de la humedad y en la fabricación de cemento y vidrio. La escoria, como se comentó anteriormente, se recoge por la parte inferior del alto horno por la piquera de escoria. • Fundición, hierro colado o arrabio.- Es el producto propiamente aprovechable del alto horno y está constituido por hierro con un contenido en carbono que varía entre el 2% y el 5%. Se presenta en estado líquido a 1800 ºC. En ocasiones, a este metal se le denomina hierro de primera fusión. A partir de la primera fusión, se obtienen todos los productos ferrosos restantes: otras fundiciones, hierro dulce, acero...

Reacciones

C + O ₂ ⇛ CO ₂ 

CO ₂ + C ⇛ 2 CO Gas activo para la reducción. 

La carga (mineral, fundente y combustible) se seca, va descendiendo y en contra corriente ascienden los gases ricos en CO. En la parte superior de la cuba reaccionan reduciendo al mineral.

reduccion indirecta:

3Fe ₂ O ₃ (Hematita) + CO ⇛ 2 Fe ₃ O ₄ (Magnetita)+ CO ₂ 

Fe ₃ O ₄ (Magnetita) + CO ⇛ 3 FeO (Wustite) + CO ₂ 

FeO (Wustite) + CO ⇛ Fe + CO ₂ 

Por debajo de 983 ℃ solo el CO reduce el FeO; a temperaturas superiores a 983 ℃, el C reduce al FeO. Esencialmente, el CO gaseoso a altas temperaturas tiene una mayor atracción por el oxígeno presente en el mineral de hierro (Fe ₂ O ₃) que el hierro mismo, de modo que reaccionará con él para liberarlo. Químicamente entonces, el hierro se ha reducido en el mineral.ç

reduccion directa :  Parte baja de la cuba. 

Fe ₂ O ₃ + 3 C0 ⇛ 2 Fe + 3 CO ₂    o      2 Fe ₂ O ₃ + 3 C ⇛ 4 Fe + 3 CO ₂ 

Fe O + CO ⇛ Fe + CO ₂                 o       2 Fe O + C ⇛ 2 Fe + CO 2

La piedra caliza se disocia por el calor:

CO ₃ Ca ⇛ Ca O + CO ₂ los óxidos de calcio y manganeso reaccionan con la sílice para formar la escoria. SiO ₂ + CaO ⇛ SiO ₃ Ca               SiO ₂ + MnO ⇛ SiO ₃ Mn. En la zona del vientre, el hierro se encuentra en estado pastoso, en el etalaje, se produce la fusión final y el hierro absorbe carbono. 

• El Alto Horno es virtualmente una planta química que reduce continuamente el hierro del mineral. Químicamente desprende el oxígeno del óxido de hierro existente en el mineral para liberar el hierro.

zonas de temperaturas

► Procesos entre 150 a 400 ℃ (zona 1)

► Procesos entre 400 y 700 ℃ (zona 2)

► Procesos entre 700 y 1350 ℃ (zona 3) 

► Procesos entre los 1350 y 1550º c (zona 4) 

► Procesos entre 1550 a 1800º c. Zona de combustión (zona 5)

► Procesos entre 1300 a 1550º c. Separación metal-escoria (zona 6)

 Composición  de materiales de un alto horno, química del Arrabio y Carga típica 

Los altos hornos funcionan de forma continua. La materia prima que se va a introducir en el horno se divide en un determinado número de pequeñas cargas que se introducen a intervalos de entre 10 y 15 minutos. La escoria que flota sobre el metal fundido se retira una vez cada dos horas, y el arrabio se sangra cinco veces al día. La producción de arrabio de un horno es de unas 1.500 a 3.000 Tn/día. Su trabajo es ininterrumpido ya que de pararse, el refractario sufre graves daños y se tendría que cambiar. Normalmente funciona durante 10 años.

Instalaciones auxiliares del horno alto

La inyección del viento: 

Para el funcionamiento del horno alto es necesaria una corriente de gases cuya misión es:

• Aportar el oxígeno necesario a la combustión del coque
• Transportar el gas, que en contacto con la carga, producirá las reacciones de reducción de los óxidos.
• Ceder su calor a las cargas sólidas elevando su temperatura para propociar estas reacciones

Recuperadores de calor ①: Es la principal instalación auxiliar, se los emplea para calentar el aire a insuflar en el A .H, a una temperatura que oscila entre los 800 y 1.000 ℃, con el propósito de mejorar la eficiencia de la combustión. Se utilizan como mínimo 3 torres o estufas. Son aparatos construidos con ladrillos refractarios huecos ④. (TORRES COWPER)

Máquinas soplantes o Compresores: Se las emplea para alimentar de aire al A . H, son accionados por motores a gas producidos por el A . H. En instalaciones experimentales también se ha demostrado que la producción se incrementa enriqueciendo el aire con oxígeno

La creación de esta corriente crea varios problemas:

• El viento debe introducirse en el horno a una presión suficiente para que atraviese en pocos segundos (de 3 a 8) todo el horno. Esto se consigue mediante soplantes, cuya función es impulsar un gran caudal de aires (de 2500 m3 a mas de 4000 m3 por minuto) a la presión adecuada (entre 1,5 y 4 kg/cm2).

• Si esta masa se introduce a temperatura ambiente, una gran cantidad del calor producido por la combustión del coque se perdería en calentar el aire, por ello, para evitar esta pérdida, el aire se debe insuflar a la mayor temperatura posible que, según las instalaciones puede variar entre los 900º c y 1100ºC y en algunos se alcanzan los 1300ºC.

produccion

• Cada cinco o seis horas, se cuelan desde la parte interior del horno hacia una olla de colada entre 150 a 375 ton. de arrabio. Luego se transportan a un horno de fabricación de acero. La escoria flotante sobre el hierro fundido en el horno se drena separadamente. Cualquier escoria o sobrante que salga del horno junto con el metal se elimina antes de llegar al recipiente. A continuación, el contenedor lleno de arrabio se transporta a la Acería.

 • Los altos hornos modernos funcionan en combinación con hornos básicos de oxígeno o convertidores al oxígeno, y a veces con hornos de crisol abierto, más antiguos, como parte de una única planta siderúrgica. En esas plantas, los hornos siderúrgicos se cargan con arrabio. El metal fundido procedente de diversos altos hornos puede mezclarse en una gran cuchara antes de convertirlo en acero con el fin de minimizar el efecto de posibles irregularidades de alguno de los hornos. 

• El arrabio recién producido contiene demasiado carbono y demasiadas impurezas para ser provechoso. Debe ser refinado, porque esencialmente, el acero es hierro altamente refinado que contiene menos de un 2% de carbono. El hierro recién colado se denomina "arrabio". El oxígeno ha sido removido, pero aún contiene demasiado carbono (aproximadamente un 4%) y demasiadas impurezas (silicio, azufre, manganeso y fósforo) como para ser útil, para eso debe ser refinado.