Funcionamiento de un Alto HornoMario Flores

Cmo funciona un Alto HornoEl propsito de un alto horno es reducir qumicamente y convertir fsicamente xidos de hierro en un lquido llamado arrabio.El alto horno es una enorme cuba de acero revestida con ladrillos refractarios, donde se cargan por la parte superior mineral de hierro, coque y caliza y aire precalentado es insuflado por la parte inferior.Las materias primas requieren de 6 a 8 horas para descender a la parte inferior del horno donde se transforman en el producto principal hierro lquido y escoria lquida. Estos productos lquidos son drenados del horno a intervalos regulares.El aire caliente que fue insuflado en la parte inferior del horno asciende hasta el tope en 6 a 8 segundos luego de experimentar numerosas reacciones qumicas. Una vez que un alto horno parte contina en operacin por cuatro a diez aos con solo pocas detenciones cortas para efectuar mantenimiento programado.

El Proceso

La carga frricaLos xidos de hierro llegan al alto horno en la forma de mineral granza, pellet o sinter.El mineral de granza es removido de la tierra y dimensionado en trozos que van desde 0,5 a 1,5. Este mineral es hematita (Fe2O3) o magnetita (Fe3O4) y el contenido de fierro flucta entre 50% y 70%.Este mineral rico en hierro puede ser cargado directamente en el alto horno sin ningn otro procesamiento. Los minerales de hierro que poseen menor concentracin deben ser procesados o beneficiados para incrementar su contenido de hierro.Los pellets son producidos a partir de dichos minerales de bajo contenido de hierro. El mineral es molido y reducido a polvo de modo que los materiales de desecho llamados ganga puedan ser removidos.El polvo remanente rico en fierro es redondeado y cocido en un horno para producir pellet resistentes con forma de bolitas que contienen de 60% a 65% de fierro.

La carga frricaEl sinter es producido a partir de mineral crudo fino, coquecillo, caliza del porte de arena y numerosos otros materiales residuales de la planta de acero que contienen algo de fierro. Estos materiales finos son calculados en proporciones tales pares obtener un producto de composicin qumica deseada y luego mezclados. Esta mezcla de materias primas es entonces alimentada a una cinta de sinterizacin, similar a una correa transportadora de acero, donde es encendida en un horno alimentado por gas y fundida por el calor generado por los finos de coque en piezas ms grandes que van desde 0.5 a 2.0 pulgadas.El fierro del mineral, pellets y sinter se transforma entonces en fierro liquido producido en el alto horno mientras que todas las impurezas restantes se van a la escoria lquida.

El coque metalrgicoEl coque es producido a partir de una mezcla de carbones. El carbn es molido y reducido a polvo y luego cargado en hornos. A medida que se calienta el carbn es coquificado de modo que la mayor parte de su materia voltil tal como aceites y alquitrn son removidos. El carbn coquificado, llamado coque, es retirado de los hornos luego de un tiempo de reaccin de 18 a 24 horas. El coque es enfriado y harneado en piezas que van desde 1 a 4 pulgadas.El coque contiene entre 90 a 93% de carbono, algo de cenizas y azufre y comparado con el carbn crudo es muy resistente.Los fuertes trozos de coque con un alto valor energtico proporcionan la permeabilidad, el calor y los gases que se requieren para reducir y fundir el mineral de hierro, pellets y sinter.

Los fundentesLa materia prima final en el proceso de elaboracin del arrabio es la caliza.La caliza es removida de la tierra por tronaduras mediante explosivos. Luego es triturada y harneada a tamaos que van desde 0.5 pulgadas a 1.5 pulgadas para transformarse en fundente poara el alto horno.Este fundente puedes ser caliza clcica altamente pura, caliza dolomtica conteniendo magnesio o una mezcla de los dos tipos de caliza.Dado que la caliza es fundida para transformarse en la escoria que remueve el azufre y otras impurezas, el operador del alto horno puede mezclar diferentes piedras para producir la composicin qumica deseada de la escoria y crear una escoria de ptimas propiedades tales como bajo punto de fusin y alta fluidez.

Todas las materias primas son almacenadas en canchas y transferidas a la casa de carga antes de ser cargadas.Una vez que estos materiales son cargados en el tope del horno, ellos experimentan numerosas reacciones qumicas y fsicas a medida que descienden hasta el fondo del horno.El mineral de hierro, pellets y sinter son reducidos lo que en trminos simples significa que el oxigeno en los xidos de fierro es removido por una serie de reacciones qumicas. Estas reacciones ocurren de la siguiente manera:

Reacciones de reduccin de los oxidos de fierro3 Fe2O3 + CO = CO2 + 2 Fe3O4 comienza a 450 CFe3O4 + CO = CO2 + 3 FeO comienza a 590 C

FeO + CO = CO2 + Fe FeO + C = CO + Fe comienza a 700 C

Al mismo tiempo que los xidos de fierro experimentan estas reacciones de purificacin, tambin empiezan a ablandarse y luego fundirse y finalmente gotean como fierro lquido a traves del coque hasta el fondo del horno.

Reacciones del coqueEl coque desciende hasta el fondo del horno llegando al nivel donde el aire precalentado o aire caliente entra al alto horno. El coque es encendido por este aire caliente e inmediatamente reacciona para generar calor por la siguiente reaccin: C + O2 = CO2 + calorDado que esta reaccin ocurre en presencia de exceso de carbono a alta temperatura el dixido de carbono es reducido a monxido de acuerdo a: CO2 + C = 2COEl producto de esta reaccin, monxido de carbono, es necesario para reducir los minerales de fierro como se vio en las reacciones previas de los xidos de fierro.

Reacciones de la calizaLa caliza desciende en el alto horno y permanece en estado slido mientras experimenta su primera reaccin qumica : CaCO3 = CaO + CO2Esta reaccin requiere energa y comienza alrededor de los 870C.El CaO formado a partir de esta reaccin es empleado para separar el azufre del fierro lo que es necesario antes que el arrabio se transforme en acero.La reaccin de remocin del azufre es: FeS + CaO + C = CaS + FeO + COEl CaS se transforma en parte de la escoria. La escoria es tambin formada a partir de todo el remanente de Slice (SiO2), Almina (Al2O3), xido de Magnesio (MgO) o xido de Calcio (CaO) que entra con el mineral de fierro, pellet, sinter o coque. La escoria lquida gotea a travs de la cama de coque hasta el fondo del horno donde flota sobre el arrabio debido a su menor densidad.

Subproductos gaseososOtros productos del proceso de elaboracin del arrabio, aparte del fierro y escoria fundidos, son los gases calientes sucios.Estos gases salen por el tope del horno y son conducidos a traves de quipos de limpieza donde el material particulado es removido del gas y el gas es enfriado.Este gas posee un importante valor energtico de modo que es quemado como combustible en las estufas de aire caliente las que son empleadas para precalentar el aire que entra al alto horno transformndose en aire caliente".Todo el gas que no es quemado en las estufas es empleado principalmente en:el calentamiento de la batera de hornos de coquela dilucin del gas de coqueria para regular su poder calorfico la casa de calderas y es empleado para generar vapor el cual vuelve a un turbo soplador que genera el aire comprimido conocido como aire fro que ingresa a las estufas. En resumen, el alto horno es un reactor en contracorriente donde slidos descienden y gases ascienden. En este reactor ocurren numerosas reacciones qumicas y fsicas que producen el producto final deseado que es arrabio caliente.La composicin qumica tpica del arrabio es la siguiente:

Composicin qumica del arrabioFierro (Fe)= 93.5 - 95.0%Silicio (Si)= 0.30 - 0.90%Azufre (S)= 0.025 - 0.050%Manganeso (Mn)= 0.55 - 0.75%Fsforo (P)= 0.03 - 0.09%Titanio (Ti)= 0.02 - 0.06%Carbono (C)= 4.1 - 4.4%

La Planta del Alto Horno

Ahora que hemos completado una descripcin del proceso de elaboracin de arrabio, vamos a revisar los equipos fsicos que componen la planta del alto horno.Existen canchas de almacenamiento de minerales que tambin puede ser una cancha del puerto donde los barcos y embarques son descargados. Las materias primas almacenadas en las canchas de minerales son mineral crudo, varios tipos de pellets, sinter, caliza o mezcla de fundentes y posiblemente coque. Estos materiales son transferidos al complejo denominado casa de carga stockhouse/hiline" (17) mediante puentes de mineral equipados con palas cargadoras o por correas transportadoras. Las materias primas pueden tambin ser llevadas a la casa de carga en tolvas de ferrocarril o transferidas desde los puentes de minerales por carros de ferrocarril autoimpulsados llamados carros de transferencia de minerales".Cada tipo de mineral, pellet, sinter, coque y caliza son vaciados en tolvas o bins de almacenamiento separadas (18).

La diversas materias primas son pesadas de acuerdo a una cierta especie de receta diseada para obtener la composicin qumica deseada del arrabio y de la escoria. Este pesaje de materiales es efectuado bajo las tolvas de almacenamiento por un carro ferrocarril montado en un carro romana o por tolvas de pesaje controladas por un computador que alimentan una correa transportadora. Las materias pesadas son luego vaciadas en un carro skip (19) que asciende r rieles por el puente inclinado del montacargas hasta la tolva recibidora" (6) ubicada en el tope del horno.Los cables que levantan los carros skips son impulsados por enormes winches ubicados en la casa de "hoist (20). Algunos altos hornos modernos efectan la misma tarea mediante una correa automtica que va desde la casa de carga al tope del horno.

En el tope del horno los materiales esperan hasta que se acumula una carga" usualmente formada por un tipo de carga metlica (mineral, pellet o sinter), coque y fundente (caliza). El orden preciso de la carga es definido por los operadores de alto horno para lograr un control cuidadoso del flujo de los gases y de las reacciones qumicas dentro del horno. Los materiales son cargados dentro del alto horno por medio de dos campanas cnicas (5) que actan como sellos para los gases y distribuyen las materias primas en forma uniforme alrededor de la circunferencia del tragante del horno.Algunos hornos modernos no poseen campanas pero en cambio poseen 2 o 3 tolvas selladas con aire que descargan las materias primas en un chute rotatorio que puede cambiar ngulos permitiendo una mayor flexibilidad para ubicar de manera mmas precisa los materiales dentro del horno.

Tambin en el tope del alto horno hay cuatro caeras ascendentes uptakes (10) a travs de los cuales el gas caliente y sucio sale del domo del horno. El gas fluye hacia arriba donde dos caeras ascendentes se juntan en una sola "offtake" (9). Los dos offtakes se juntan luego en una caaera descendente "downcomer" (7).En el extremo superior de los uptakes existen vlvulas de alivio bleeders (8) que pueden liberar gas protegiendo as el tope del horno de aumentos bruscos en la presin del gas.El gas desciende por el downcomer al captador de polvillo", donde las partculas sedimentan, se acumulan y son vaciadas en un carro de ferrocarril o camin para su eliminacin.El gas luego fluye a travs de un lavador "Venturi Scrubber" (4) el cual remueve las partculas finas y finalmente a travs de un enfriador de gas (2) donde rociadores de agua reducen su temperatura del gas ya limpio. Algunos hornos modernos estn equipados con unidades combinadas de lavado y enfriamiento.El gas limpio y enfriado est entonces listo para ser quemado.

Las caeras con gas limpio son dirigidas a las estufas de aire caliente (12).Generalmente existen 3 o 4 estufas de forma cilndrica ubicadas en lnea adyacentes al alto horno.El gas es quemado en el fondo de la estufa y el calor asciende y es transferido a los ladrillos refractarios en el interior de la estufa.Los productos de combustin fluyen a travs de pasajes dentro de estos ladrillos, emergiendo de la estufa hacia una gran chimenea (11) la cual es compartida por todas las estufas.

Aire insufladoGrandes volmenes de aire, que van desde 2200 m3/min a 6500 m3/min, son generados mediante turbo sopladores y fluyen a travs de la caeria principal de aire fro (14) hacia las estufas. Este aire fro entra en la estufa que ha sido previamente calentada y el calor almacenado en los ladrillos refractarios dentro de la estufa es transferido al aire fro para transformarse en aire caliente.La temperatura del aire caliente puede variar entre 870C a 1260C dependiendo de el diseo y estado de la estufa. En seguida este aire caliente sale de la estufa hacia la caera principal de aire caliente (13) que va hacia el horno. Existe una linea mezcladora (15) que conecta la caera principal de aire fro con la caera principal de aire caliente y que est equipada con una vlvula usada para controlar la temperatura del aire que va hacia el horno y mantenerla constante.

Aire insufladoLa caera de aire caliente entra en un caera con forma de aillo que rodea el horno llamada "bustle pipe" (31). Desde el bustle pipe, el aire caliente es inyectado al horno a travs de orificios llamados toberas (30). Estas toberas estn uniformemente espaciadas alrededor del contorno horno. Pueden existir catorce toberas en un horno pequeo y cuarenta en un alto horno grande. Estas toberas son hechas de cobre y son enfriadas por agua dado que la temperatura directamente frente a ellas puede alcanzar entre 1980C a 2315C.Petrleo, alquitrn, gas natural, carbn pulverizado y oxgeno pueden tambin ser inyectados al horno al nivel de toberas para combinarse con el coque para suministrar energa adicional que es necesaria para incrementar la productividad.El fierro fundido y la escoria gotean frente a las toberas en su camino al crisol del horno el cual empieza inmediatamente bajo el nivel de toberas.

En torno a la mitad inferior del horno el patio de colada (1) encierra el anillo circular de aire caliente las toberas y los equipos para la colada del arrabio y la escoria.La apertura del crisol del horno para la colada o drenar el horno se llama hoyo de colada (22). Un enorme taladro montado en una base pivoteada llamada perforadoral" (23) gira hacia el orificio de colada y perfora un hoyo a travs del tapn de arcilla refractaria para alcanzal el fierro lquido.Existe otro orificio del horno llamado "cinder notch" (21) que se emplea para sacar la escoria o arrabio en situaciones de emergencia. Una vez que el orificio de colada es abierto por la perforadora, el arrabio lquido y la escoria fluyen hacia una profunda zanja llamada "trough" (28). Ubicada frente y dentro de trough existe un bloque refractario llamado "skimmer", el cual posee una pequea apertura en la parte inferiort. El arrabio fluye a travs de esta apertura del skimmer, pasando la compuerta de hierro hacia las canales de arrabio (27).

Puesto que la escoria es menos densa que el arrabio, ella flota sobre el, desciende por la canal, golpea el skimmer y es desviada hacia las canales de escoria (24). La escoria lquida fluye hacia cucharas de escoria (25) o hacia pozo de escoria y el arrabio lquido fluye hacia cucharas revestidas con refractarios (26) conocidas como carros torpedo o carros submarinos debido a su forma. Cuando los lquidos en el horno son drenados a travs del orificio de colada, algo del aire inyectado por las toberas provoca que el hoyo sople (escupa). Esto seala el trmino de la colada, de manera que la pistola de arcilla (29) es girada hacia el orificio de colada. Se activa el cilindro de la taponeadora, que ha sido previamente llenado con pasta refractaria, y el tornillo del cilindro impulsa la pasta dentro del orificio de colada deteniendo el flujo de lquidos. Cuando la colada ha terminado, las cucharas de arrabio son llevadas a la acera para su transformacin en acero y la escoria es taken to the slag dump where it is processed into roadfill or railroad ballast.El patio de colada es entonces limpiado y preparado para la prxima colada la que puede ocurrir en 45 minutos a 2 horas. Los altos hornos modernos, grandes altos hornos pueden tener hasta cuatro hoyos de colada y dos patios de de colada. Es importante colar el horno a la misma velocidad que las materias primas son cargadas y a la que el arrabio y la escoria son producidas de modo que el nivel de lquido pueda mantenerse en el crisol bajo el nivel de toberas. Niveles de lquido por sobre las toberas pueden quemar el cobre fundido y daar el revestimiento del horno.

CONCLUSINEl alto horno es la primera etapa en el proceso de produccin de acero a partir de xidos de fierro.Los primeros altos hornos aparecieron en el siglo 14 y producan una tonelada por da.Los equipos de los altos hornos estn en continua evolucin y los modernos hornos gigantes producen 13000 toneladas por da.An cuando el equipo haya mejorado y puedan alcanzarse altas tasas de produccin el proceso dentro del alto horno permanece siendo el mismo.Los altos hornos sobrevivirn en el prximo milenio debido al gran tamao y a que hornos eficientes pueden producir arrabio a costos competitivos con otras tecnologas de elaboracin de arrabio.