UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOSUNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS ((Universidad del Perú, Decana de América)Universidad del Perú, Decana de América)

FACULTAD DE INGENIERIA GEOLOGICA, MINERA, FACULTAD DE INGENIERIA GEOLOGICA, MINERA,

METALURGICA Y GOGRAFICA METALURGICA Y GOGRAFICA

E.A.P: INGENIERIA METALURGICAE.A.P: INGENIERIA METALURGICA

EL ALTO HORNOEL ALTO HORNO

Por: Luis Fernando Palga CondoriPor: Luis Fernando Palga Condori

Ciudad Universitaria – Av. Venezuela s/nCiudad Universitaria – Av. Venezuela s/n

INTRODUCCIONINTRODUCCION

El alto horno es una de las instalaciones mas útiles al hombre. El alto horno es una de las instalaciones mas útiles al hombre. Proporciona las condiciones necesarias para reducir Proporciona las condiciones necesarias para reducir rápida y eficientemente la mena de hierro y constituye rápida y eficientemente la mena de hierro y constituye prácticamente la base de toda la producción primaria de prácticamente la base de toda la producción primaria de acero. acero.

El alto horno de hierro es sumamente importante en la El alto horno de hierro es sumamente importante en la economía de un país.economía de un país.

La importancia del alto horno lo ha convertido en objeto de La importancia del alto horno lo ha convertido en objeto de numerosos y detallados estudios. Pero a pesar de esto su numerosos y detallados estudios. Pero a pesar de esto su complejidad dificulta su comprensión Se han establecido los complejidad dificulta su comprensión Se han establecido los mecanismos de las reacciones y la rapidez de ciertas etapas del mecanismos de las reacciones y la rapidez de ciertas etapas del proceso (por ejemplo, la reducción de óxido de hierro), pero el proceso (por ejemplo, la reducción de óxido de hierro), pero el proceso global del alto horno no ha podido ser descrito proceso global del alto horno no ha podido ser descrito cuantitativamente. cuantitativamente.

Se han intentado varias descripciones cuantitativas, siendo la Se han intentado varias descripciones cuantitativas, siendo la más exitosa la desarrollada por Rist y sus colaboradores, que se más exitosa la desarrollada por Rist y sus colaboradores, que se basa en balances de masa y entalpía y en equilibrios de basa en balances de masa y entalpía y en equilibrios de reacción. Desafortunadamente, las explicaciones de Rist no se reacción. Desafortunadamente, las explicaciones de Rist no se han entendido como se esperaba. Por otra parte, se generaron han entendido como se esperaba. Por otra parte, se generaron una serie de modelos empíricos basados en la optimización de una serie de modelos empíricos basados en la optimización de la operación del alto horno. Sin embargo, en general estos la operación del alto horno. Sin embargo, en general estos modelos no ayudan a explicar el comportamiento del alto horno. modelos no ayudan a explicar el comportamiento del alto horno.

FUNCION ELEMENTALFUNCION ELEMENTAL

El alto horno consiste en una especie de deposito tronco El alto horno consiste en una especie de deposito tronco cónico en el cual se cargan desde arriba (tragante) capas cónico en el cual se cargan desde arriba (tragante) capas alternadas de mineral de hierro, coque y fundente. alternadas de mineral de hierro, coque y fundente. Un fuerte calentamiento del coque de las capas inferiores Un fuerte calentamiento del coque de las capas inferiores (obtenidos mediante corriente de aire caliente) provoca (obtenidos mediante corriente de aire caliente) provoca una absorción del oxigeno del mineral de hierro por una absorción del oxigeno del mineral de hierro por parte del carbono. parte del carbono. La alta temperatura así obtenida da lugar a la fusión del La alta temperatura así obtenida da lugar a la fusión del hierro, que es recogido, mezclado con grandes hierro, que es recogido, mezclado con grandes cantidades de carbono (arrabio), por un orificio situado cantidades de carbono (arrabio), por un orificio situado en la parte baja del horno.en la parte baja del horno.

ALTO HORNO

PREPRACION DELMINERAL DE Fe:

LAVADOQUEBRADOCRIBADO

PREPRACION DELCOQUE:

REFINADO CALENTADO

PREPARACIONDELMINERAL:LAVADAO

QUEBRADOCRIBADO

TRANSPORTE DELMINERAL DE

HIERRO

EXTRACCION DELMINERAL DE

HIERRO

TRANSPORTE DEL

CARBONEXTRACCION DEL

CARBON

TRANSPORTE DELA PIEDRA

CALIZA

EXPLOTACION DE LA PEDRA

CALIZA

AIRE

ESCORIA

ARRABIO

OPERACIÓNOPERACIÓNLa operación del alto horno consiste de la La operación del alto horno consiste de la alimentación periódica de materiales sólidos alimentación periódica de materiales sólidos a través de la parte superior, del vaciado a través de la parte superior, del vaciado continuo o periódico de productos líquidos a continuo o periódico de productos líquidos a través del fondo, de la inyección continua del través del fondo, de la inyección continua del soplo caliente y de algunos hidrocarburos a soplo caliente y de algunos hidrocarburos a través de las toberas y del desalojo continuo través de las toberas y del desalojo continuo de gases y polvos. de gases y polvos. La mayoría de las etapas de operación La mayoría de las etapas de operación (carga, soplo e inyección de combustible) se (carga, soplo e inyección de combustible) se llevan a cabo mecánicamente y bajo control llevan a cabo mecánicamente y bajo control automático.automático. Los altos hornos modernos están equipados Los altos hornos modernos están equipados con aparatos que verifican en forma continua con aparatos que verifican en forma continua las variables del proceso.las variables del proceso.

Las variables de proceso que Las variables de proceso que se verifican de manera se verifican de manera

continua son:continua son: La temperatura: del soplo, del agua de La temperatura: del soplo, del agua de

enfriamiento, de la pared de la cuba, y enfriamiento, de la pared de la cuba, y del gas del tragante.del gas del tragante.

La presión: del soplo, a varios niveles La presión: del soplo, a varios niveles en el interior del horno y en el tragante.en el interior del horno y en el tragante.

La velocidad del flujo: del soplo (en La velocidad del flujo: del soplo (en cada tobera), de los aditivos inyectados cada tobera), de los aditivos inyectados a través de las toberas (en cada a través de las toberas (en cada tobera), y del agua de enfriamientotobera), y del agua de enfriamiento

MATERIAS PRIMASMATERIAS PRIMAS Óxidos de hierroÓxidos de hierro: el oxido mas usual : el oxido mas usual

es la hematita Fe2O3 y solo es la hematita Fe2O3 y solo ocasionalmente se llega a tener ocasionalmente se llega a tener magnetita Fe3O4. En la actualidad magnetita Fe3O4. En la actualidad las adiciones de óxidos de hierro se las adiciones de óxidos de hierro se hacen en la forma de pellets de 1-hacen en la forma de pellets de 1-2cm de diámetro, trozos de material 2cm de diámetro, trozos de material sinterizado de 1-3cm de tamaño, y sinterizado de 1-3cm de tamaño, y mena tamizada 1-5 cm la cual no ha mena tamizada 1-5 cm la cual no ha sufrido aglomeración previa.sufrido aglomeración previa.

Coque metalúrgicoCoque metalúrgico: este material es el : este material es el encargado de suministrar la mayor encargado de suministrar la mayor parte del gas y del calor que se parte del gas y del calor que se requieren para llevar a cabo de requieren para llevar a cabo de reducción y fusión de la mena. La reducción y fusión de la mena. La resistencia del coque es una propiedad resistencia del coque es una propiedad necesaria para promover un flujo necesaria para promover un flujo uniforme de gas a través de la carga a uniforme de gas a través de la carga a medida que esta se reblandece y funde medida que esta se reblandece y funde en la región inferior del horno. El coque en la región inferior del horno. El coque se carga al horno en pedazos de 2-se carga al horno en pedazos de 2-8cm. 8cm.

FundentesFundentes: CaO y MgO, estos : CaO y MgO, estos materiales actuan como fundentes de materiales actuan como fundentes de las impurezas, sílice y alumina, que las impurezas, sílice y alumina, que acompañan a la mena y al coque, acompañan a la mena y al coque, produciendo una escoria fundida de produciendo una escoria fundida de bajo punto de fusión. La introducción bajo punto de fusión. La introducción del CaO y del MgO se hace en forma del CaO y del MgO se hace en forma de sinter autofundente o en pedazos de sinter autofundente o en pedazos de 2-5cm de piedra caliza y dolomita; de 2-5cm de piedra caliza y dolomita; ocasionalmente se introducen en ocasionalmente se introducen en forma de escoria de aceración.forma de escoria de aceración.

MATERIALES QUE SE MATERIALES QUE SE INTRODUCEN POR LAS INTRODUCEN POR LAS

TOBERASTOBERAS Soplo de aire calienteSoplo de aire caliente: el aire se precaliente a : el aire se precaliente a

una temperatura que varia entre 927-1327 ºC una temperatura que varia entre 927-1327 ºC y en algunos casos se enriquece con oxigeno y en algunos casos se enriquece con oxigeno para producir un contenido de hasta 25% en para producir un contenido de hasta 25% en volumenvolumen. El soplo caliente causa que el coque . El soplo caliente causa que el coque incandescente se queme frente a las toberas incandescente se queme frente a las toberas proveyendo de esta manera el calor necesario proveyendo de esta manera el calor necesario para llevar a cabo las reacciones de reducción para llevar a cabo las reacciones de reducción y para el calentamiento y la fusión de la carga y para el calentamiento y la fusión de la carga y de los productos.y de los productos.

HidrocarburosHidrocarburos gaseosos, líquidos o gaseosos, líquidos o sólidos: la adición de hidrocarburos sólidos: la adición de hidrocarburos suministra cantidades adicionales de suministra cantidades adicionales de gases reductores (CO y H2) al proceso. gases reductores (CO y H2) al proceso. Los aditivos mas comúnmente Los aditivos mas comúnmente empleados son el petróleo y el empleados son el petróleo y el alquitrán. Aunque también se usan el alquitrán. Aunque también se usan el gas natural y el carbóngas natural y el carbón

PRODUCTOSPRODUCTOS El principal producto del alto horno El principal producto del alto horno

denominado arrabio se extrae del denominado arrabio se extrae del horno a intervalos regulares de tiempo o horno a intervalos regulares de tiempo o de manera continua en el caso de de manera continua en el caso de hornos muy grandes. El arrabio se hornos muy grandes. El arrabio se transporta en estado fundido a la planta transporta en estado fundido a la planta de aceración en donde las impurezas de aceración en donde las impurezas habrán de ser reducidas a niveles habrán de ser reducidas a niveles deseables mediante la refinación con deseables mediante la refinación con oxigeno.oxigeno.

SUBPRODUCTOSSUBPRODUCTOS La escoriaLa escoria: el bajo contenido de oxido de : el bajo contenido de oxido de

hierro en la escoria es indicativo de la hierro en la escoria es indicativo de la excelente eficiencia de reducción del horno. excelente eficiencia de reducción del horno. La escoria solidificada de alto horno se usa en La escoria solidificada de alto horno se usa en la manufactura comercial de concretos y la manufactura comercial de concretos y agregados.agregados.

GasGas: una composición típica en volumen, del : una composición típica en volumen, del gas de tragante es aproximadamente: 23% de gas de tragante es aproximadamente: 23% de CO, 22% CO2, 3% H2, 3% H2O y 49% de N2, CO, 22% CO2, 3% H2, 3% H2O y 49% de N2, este gas se quema en estufas auxiliares con este gas se quema en estufas auxiliares con el propósito de calentar el aire de soplado del el propósito de calentar el aire de soplado del horno. El polvo se aglomera por medio de horno. El polvo se aglomera por medio de sinterizado o briqueteado y se vuelve a cargar sinterizado o briqueteado y se vuelve a cargar al horno o se apila para uso posterior al horno o se apila para uso posterior

EL ALTO HORNOEL ALTO HORNO

INSTALACIONES DEL ALTO HORNOINSTALACIONES DEL ALTO HORNO

ALTO HORNOALTO HORNO SISTEMA DE SOPLO DE AIRESISTEMA DE SOPLO DE AIRE SISTEMA PURIFICADOR DE GASSISTEMA PURIFICADOR DE GAS

EL ALTO HORNOEL ALTO HORNO

El ALTO HORNO es una instalación eficiente El ALTO HORNO es una instalación eficiente para la producción de grandes para la producción de grandes cantidadescantidades de arrabio, listo para ser refinado y de arrabio, listo para ser refinado y convertido en acero.convertido en acero.

Sus principales ventajas son su excepcional Sus principales ventajas son su excepcional estabilidad de operación y su alta velocidad estabilidad de operación y su alta velocidad de producción de arrabio de producción de arrabio

Su única desventaja es su gran tamaño y Su única desventaja es su gran tamaño y consecuentemente su alto costo de inversiónconsecuentemente su alto costo de inversión

PARTES DEL ALTO HORNOPARTES DEL ALTO HORNO

TRAGANTETRAGANTE CUBACUBA CILINDRO O VIENTRECILINDRO O VIENTRE ETALAJESETALAJES CRISOLCRISOL

TRAGANTETRAGANTE Es la parte superior del Alto Horno y por Es la parte superior del Alto Horno y por

aquí se cargan los materiales sólidos aquí se cargan los materiales sólidos (fundentes, Coque, mineral)(fundentes, Coque, mineral)

Aquellos que poseen sistema PAUL Aquellos que poseen sistema PAUL WURTH, las cargas llegan por fajas WURTH, las cargas llegan por fajas transportadoras a través de unas tolvas y transportadoras a través de unas tolvas y por medio de unos conductos inclinados.por medio de unos conductos inclinados.

Las carga son conducidas a una canaleta o Las carga son conducidas a una canaleta o distribuidor que gira en espiral distribuidor que gira en espiral consiguiendo así una distribución uniformeconsiguiendo así una distribución uniforme

LA CUBALA CUBA Es de forma tronco-cónica y su Es de forma tronco-cónica y su

diámetro es mayor en la parte inferior diámetro es mayor en la parte inferior Esta revestida en su parte interior por Esta revestida en su parte interior por

ladrillo refractario que puede alcanzar ladrillo refractario que puede alcanzar hasta 1m de espesor y exteriormente hasta 1m de espesor y exteriormente por una chapa metálicapor una chapa metálica

Esta es la zona mas grande en donde Esta es la zona mas grande en donde las cargas se van secando y comienza las cargas se van secando y comienza la reducción de estasla reducción de estas

TEMPERATURAS PRESENTES TEMPERATURAS PRESENTES EN EL ALTO HORNOEN EL ALTO HORNO

REACCIONES DE REDUCCIONREACCIONES DE REDUCCION

EL CILINDROEL CILINDRO Esta a continuación de la Cuba y Esta a continuación de la Cuba y

posee una sección cilíndrica de poca posee una sección cilíndrica de poca altura que sirve de nexo entre estosaltura que sirve de nexo entre estos

Interiormente esta hecha de Interiormente esta hecha de refractario que puede llegar hasta 1.5 refractario que puede llegar hasta 1.5 m de espesor y afuera de chapa m de espesor y afuera de chapa metálicametálica

La temperatura que se alcanza esta La temperatura que se alcanza esta entre los 950 a 1250 ºCentre los 950 a 1250 ºC

ETALAJESETALAJES La parte superior es de mayor La parte superior es de mayor

diámetro que la inferiordiámetro que la inferior Aquí es donde se encuentra las Aquí es donde se encuentra las

toberas que suministran aire caliente toberas que suministran aire caliente al alto hornoal alto horno

Estas toberas poseen un enlace a una Estas toberas poseen un enlace a una anillo llamado morcilla.anillo llamado morcilla.

Este también posee refractario en su Este también posee refractario en su interiorinterior

ESQUEMA DE UNA TOBERAESQUEMA DE UNA TOBERA

EL CRISOLEL CRISOL Es la parte mas baja del Alto Horno Es la parte mas baja del Alto Horno Su función es la de recoger los materiales Su función es la de recoger los materiales

fundidos así como son la escoria y el fundidos así como son la escoria y el arrabioarrabio

El arrabio es el producto final del Alto HornoEl arrabio es el producto final del Alto Horno La escoria flota en el alto horno y es La escoria flota en el alto horno y es

separada del arrabio por su diferencia de separada del arrabio por su diferencia de densidadesdensidades

Las paredes del crisol debido a su alta Las paredes del crisol debido a su alta temperatura se encuentran refrigeradas por temperatura se encuentran refrigeradas por una corriente forzada de aguauna corriente forzada de agua

PROCESO DEL ALTO HORNOPROCESO DEL ALTO HORNO

EL COQUEEL COQUE Cuando el aire ingresa por las toberas a Cuando el aire ingresa por las toberas a

velocidades de 100-150m/s, reacciona con velocidades de 100-150m/s, reacciona con esté produciendo una reacción incompleta esté produciendo una reacción incompleta con formación de CO: 2C + O2 = 2COcon formación de CO: 2C + O2 = 2CO

Cabe la aclaración que el aire que se Cabe la aclaración que el aire que se inyecta es intencionalmente insuficiente inyecta es intencionalmente insuficiente para asegurar el mayor % de CO formadopara asegurar el mayor % de CO formado

En esta zona de combustion, cerca a las En esta zona de combustion, cerca a las toberas se alcanza temperaturas de 1850 toberas se alcanza temperaturas de 1850 – 2200ºC– 2200ºC

Cuando el oxigeno entra y choca con el Cuando el oxigeno entra y choca con el coque de los remolinos de las toberas, coque de los remolinos de las toberas, reacciona inmediatamente y forma CO2reacciona inmediatamente y forma CO2

CO2 + CCO2 + C(coque)(coque) = 2CO = 2CO ΔΔG º = -142000J/(kg mol de CO2) G º = -142000J/(kg mol de CO2) Es necesario señalar que en las cargas Es necesario señalar que en las cargas

que se hacen al Alto Horno, el costo del que se hacen al Alto Horno, el costo del coque varia en términos generales coque varia en términos generales entre el 50 – 70% del costo total de la entre el 50 – 70% del costo total de la carga dependiendo si el pais es carga dependiendo si el pais es productor o no de cokeproductor o no de coke

COQUE: FUNCIONESCOQUE: FUNCIONES Como combustible proporciona el calor Como combustible proporciona el calor

necesario para que el mineral se funda necesario para que el mineral se funda y forme el arrabio y la escoriay forme el arrabio y la escoria

Forma el CO, que es el reductor que Forma el CO, que es el reductor que transforma el mineral en esponja de transforma el mineral en esponja de hierro y luego en arrabio hierro y luego en arrabio

Actúa como soporte de la carga Actúa como soporte de la carga Garantiza la permeabilidad de las Garantiza la permeabilidad de las

cargas al flujo gaseosocargas al flujo gaseoso

PROCESO Y REACCIÓN AL PROCESO Y REACCIÓN AL INGRESO DE LA CARGAINGRESO DE LA CARGA

En la parte superior de la cuba las En la parte superior de la cuba las temperaturas de la carga pasan de 200 temperaturas de la carga pasan de 200 a 800º C aproximadamente cuando se a 800º C aproximadamente cuando se encuentra con los gases en ascensoencuentra con los gases en ascenso

Se realiza una parte de la reducción Se realiza una parte de la reducción indirecta del mineral por el CO con indirecta del mineral por el CO con formación de FeO (oxido ferroso), casi formación de FeO (oxido ferroso), casi sin consumo de calorsin consumo de calor

FeO + CO = Fe + CO2FeO + CO = Fe + CO2

A continuación en una zona de bastante A continuación en una zona de bastante altura y situada en el centro del Horno, las altura y situada en el centro del Horno, las temperaturas del gas y de la carga son temperaturas del gas y de la carga son 950ºC aprox.950ºC aprox.

Durante el descenso que es muy lenta, la Durante el descenso que es muy lenta, la temperatura se mantiene casi constantetemperatura se mantiene casi constante

La reducción indirecta que se inicio en la La reducción indirecta que se inicio en la zona anterior hace que los óxidos de zona anterior hace que los óxidos de hierro estén ahora formados hierro estén ahora formados exclusivamente por el oxido ferroso (FeO)exclusivamente por el oxido ferroso (FeO)

REDUCCIÓN DIRECTAREDUCCIÓN DIRECTA En la parte baja de la cuba, entre el En la parte baja de la cuba, entre el

cilindro y las toberas, la temperatura de la cilindro y las toberas, la temperatura de la carga aumentan muy rápidamente desde carga aumentan muy rápidamente desde 1000 a 1450º C1000 a 1450º C

Esta zona de reacción y de fusión se Esta zona de reacción y de fusión se completa la reducción del mineral que aun completa la reducción del mineral que aun no se habia dado.no se habia dado.

Se produce entonces la reducción directa Se produce entonces la reducción directa con una gran absorción de calorcon una gran absorción de calor

Se produce además la fusión de las carga Se produce además la fusión de las carga generando así el arrabio y la escoria que generando así el arrabio y la escoria que va al crisolva al crisol

FUSIÓN DE LA CARGAFUSIÓN DE LA CARGA Cuando las cargas alcanzan Cuando las cargas alcanzan

temperaturas entre 1000 a 1350º C temperaturas entre 1000 a 1350º C comienza a formarse la escoriacomienza a formarse la escoria

Esta reacciona con parte del oxido Esta reacciona con parte del oxido ferroso que funde a muy baja ferroso que funde a muy baja temperatura con la sílicetemperatura con la sílice

También la sílice y el silicato de hierro También la sílice y el silicato de hierro que gotea a través de las cargas que gotea a través de las cargas reaccionan con los óxidos de manganeso reaccionan con los óxidos de manganeso y de calcioy de calcio

REACCIONES DE LA CARGAREACCIONES DE LA CARGA Hay que tener en Hay que tener en

cuenta las cuenta las proporciones de cal y proporciones de cal y sílice de los minerales sílice de los minerales y del coque. y del coque. Generalmente se Generalmente se desea que la relación desea que la relación CaO/SiO sea CaO/SiO sea ligeramente superior ligeramente superior a 1 para favorecer la a 1 para favorecer la desulfuración y sea desulfuración y sea relativamente baja su relativamente baja su temperatura de fusióntemperatura de fusión

CARBURACION DEL HIERROCARBURACION DEL HIERRO El hierro metálico obtenido es conocido El hierro metálico obtenido es conocido

como HIERRO ESPONJA el cual posee una como HIERRO ESPONJA el cual posee una elevada temperatura de fusión (1537ºC)elevada temperatura de fusión (1537ºC)

Este en presencia del oxido de carbono Este en presencia del oxido de carbono se carbura y llega a absorber de 1.5 a 3% se carbura y llega a absorber de 1.5 a 3% de C bajando así su temperatura de de C bajando así su temperatura de fusión del hierro esponjafusión del hierro esponja

Esta si puede ser fundido y comienza a Esta si puede ser fundido y comienza a gotear y durante el paso por el coque gotear y durante el paso por el coque absorbe mas C llegando al crisol con un absorbe mas C llegando al crisol con un 3 o 4% de C3 o 4% de C

Las cargas fundidas van Las cargas fundidas van a dar al crisol formado a dar al crisol formado por escoria y arrabiopor escoria y arrabio

Periódicamente se Periódicamente se extraen estos por unos extraen estos por unos agujeros llamados agujeros llamados piqueras situados en la piqueras situados en la parte inferior del hornoparte inferior del horno

El ARRABIO producto El ARRABIO producto principal del Alto Horno principal del Alto Horno esta compuesto por 95% esta compuesto por 95% de Hierro y 3.5% de de Hierro y 3.5% de carbono, el resto se da carbono, el resto se da en silicio, manganeso, en silicio, manganeso, azufre y fósforo azufre y fósforo

SEPARCION DEL ARRABIO Y LA SEPARCION DEL ARRABIO Y LA ESCORIAESCORIA

Esta separación se da Esta separación se da en el sifón de la ruta en el sifón de la ruta principal a la piqueraprincipal a la piquera

Estas separaciones se Estas separaciones se basan en la diferencia basan en la diferencia de densidadesde densidades

El cierre del alto El cierre del alto horno finalizada la horno finalizada la colada se realiza con colada se realiza con pasta de arcilla, que pasta de arcilla, que se introduce a la se introduce a la piquerapiquera

LA ESCORIALA ESCORIA La misión de la escoria es separar las La misión de la escoria es separar las

impurezas que contiene el hierro, absorber impurezas que contiene el hierro, absorber gran parte del azufre, regular la gran parte del azufre, regular la temperatura del crisol y el arrabio como temperatura del crisol y el arrabio como también la composicióntambién la composición

Su composición depende de los elementos Su composición depende de los elementos cargados así como su cantidad (sílice, cal, cargados así como su cantidad (sílice, cal, magnesia, alumina, óxidos de hierro, magnesia, alumina, óxidos de hierro, óxidos de manganeso)óxidos de manganeso)

Las aplicaciones de este se da en la Las aplicaciones de este se da en la fabricación de aislantes térmicos, en la fabricación de aislantes térmicos, en la industria del cemento, para rellenos de industria del cemento, para rellenos de minas, etc.minas, etc.

RECOGO DEL ARRABIORECOGO DEL ARRABIO Esta es llevada a unos Esta es llevada a unos

balancines los cuales balancines los cuales vaciaran el arrabio a los vaciaran el arrabio a los torpedos que lo torpedos que lo transportaran a la aceriatransportaran a la aceria

Los torpedos son vagones Los torpedos son vagones que van a permitir que van a permitir conservar la temperatura conservar la temperatura del arrabiodel arrabio

En una planta intermedia En una planta intermedia se puede añadir polvos se puede añadir polvos compuestos de sodio o de compuestos de sodio o de calcio para lograr disminuir calcio para lograr disminuir aun mas el % de azufreaun mas el % de azufre

GASES Y POLVOSGASES Y POLVOS Los gases que acompañan al mineral y Los gases que acompañan al mineral y

coque son arrastrados por las corrientes de coque son arrastrados por las corrientes de viento que van hacia el tragante, luego viento que van hacia el tragante, luego estos son separados de los sólidos que se estos son separados de los sólidos que se pueden usar en el sinterizadopueden usar en el sinterizado

El CO depurado se almacena en un El CO depurado se almacena en un gasómetro para su consumo posterior como gasómetro para su consumo posterior como combustiblecombustible

Su poder calorífico es del orden de Su poder calorífico es del orden de 750Kcal/m3 y aunque no es muy alto se usa 750Kcal/m3 y aunque no es muy alto se usa solo o mezclado con gas de bateríassolo o mezclado con gas de baterías

FUNCIONES DEL GASOMETRO Y FUNCIONES DEL GASOMETRO Y COMPOSICION DEL GASCOMPOSICION DEL GAS

DETALLES DE UN ALTO HORNODETALLES DE UN ALTO HORNO Su producción varia según el tamaño, Su producción varia según el tamaño,

puede trabajar durante 5 a 8 años antes puede trabajar durante 5 a 8 años antes del desgaste del refractariodel desgaste del refractario

Cuando se paraliza este se “embaca” Cuando se paraliza este se “embaca” con una carga especial para mantener la con una carga especial para mantener la temperatura de este mientras se reparatemperatura de este mientras se repara

Su producción suele oscilar entre Su producción suele oscilar entre 1500Tn/dia a 10000Tn/día en los mas 1500Tn/dia a 10000Tn/día en los mas grandes, si se hace mas grande no son grandes, si se hace mas grande no son rentables.rentables.

ZONA GRANULARZONA GRANULAR

Esta formada por capas alternativas de Esta formada por capas alternativas de mineral, fundente y coque, mineral, fundente y coque, manteniéndose los granos en estado manteniéndose los granos en estado sólidosólido

El fin de esta zona es lograr obtener El fin de esta zona es lograr obtener granos reblandecido por el calorgranos reblandecido por el calor

Para que se realice con éxito la Para que se realice con éxito la transferencia de oxigeno a la carga y así transferencia de oxigeno a la carga y así como el calor es necesario que haya el como el calor es necesario que haya el contacto suficiente entre elloscontacto suficiente entre ellos

ZONA COHESIVAZONA COHESIVA Formada alternativamente por coque, Formada alternativamente por coque,

masa semifundida muy impermeable masa semifundida muy impermeable de mineral y fundentesde mineral y fundentes

Esta zona es de importancia decisiva Esta zona es de importancia decisiva en la distribución del gas que fluye a en la distribución del gas que fluye a través de las capas de coquetravés de las capas de coque

Por ello la calidad del coque en esta Por ello la calidad del coque en esta zona es decisiva para el zona es decisiva para el funcionamiento estable del Alto Hornofuncionamiento estable del Alto Horno

ZONA ACTIVA DEL COQUEZONA ACTIVA DEL COQUE

Formada exclusivamente por coqueFormada exclusivamente por coque El hierro y la escoria fundida gotean El hierro y la escoria fundida gotean

a través del coque hasta el crisola través del coque hasta el crisol La capa de coque se encuentra en La capa de coque se encuentra en

rápido movimiento descendente rápido movimiento descendente hacia las toberas como consecuencia hacia las toberas como consecuencia de la combustion de coque con el de la combustion de coque con el viento sopladoviento soplado

ZONA INACTIVA DEL COQUEZONA INACTIVA DEL COQUE El coque esta prácticamente El coque esta prácticamente

inactivo aquíinactivo aquí Actúa como drenaje a través de la Actúa como drenaje a través de la

cual fluye el hierro y escoria liquida cual fluye el hierro y escoria liquida hacia el crisolhacia el crisol

Un buen drenaje exige un coque Un buen drenaje exige un coque suficientemente permeable por eso suficientemente permeable por eso su importancia en todo el proceso su importancia en todo el proceso

ZONA DE DARDOZONA DE DARDO Espacio parcialmente vació donde el Espacio parcialmente vació donde el

coque quema con una violenta agitación coque quema con una violenta agitación debido a la energía cinética del viento de debido a la energía cinética del viento de la toberala tobera

Cumple por lo tanto un papel de reactor Cumple por lo tanto un papel de reactor que proporciona una fuente continua de que proporciona una fuente continua de calor y gas reductor calor y gas reductor

Influye directamente en la configuración Influye directamente en la configuración de la zona de coque activo y zona de la zona de coque activo y zona cohesivacohesiva

ZONA DEL CRISOLZONA DEL CRISOL En esta zona se da lugar a la En esta zona se da lugar a la

acumulación y separación por acumulación y separación por densidades de arrabio y de la escoriadensidades de arrabio y de la escoria

Una deficiente programación de la Una deficiente programación de la evacuación de estos productos líquidos evacuación de estos productos líquidos origina una perdida de estabilidad de origina una perdida de estabilidad de la marcha del alto horno.la marcha del alto horno.

Por eso su geometría y productividad Por eso su geometría y productividad se debe cumplir con rigor el intervalo se debe cumplir con rigor el intervalo de tiempo de coladasde tiempo de coladas

SISTEMA DE SOPLO DE AIRESISTEMA DE SOPLO DE AIRE El viento que se inyecta en las toberas El viento que se inyecta en las toberas

tienen que ser introducidos en el Horno tienen que ser introducidos en el Horno a una presión suficiente para que a una presión suficiente para que atraviese en pocos segundos todo el atraviese en pocos segundos todo el horno (3 a 8 atm)horno (3 a 8 atm)

Si esta gran masa de aire se introdujera Si esta gran masa de aire se introdujera a la temperatura ambiente, una gran a la temperatura ambiente, una gran cantidad de calor producido por la cantidad de calor producido por la combustion del coque se perdería al combustion del coque se perdería al calentar el airecalentar el aire

Calentamiento de las Calentamiento de las EstufasEstufas

Las estufas son de Las estufas son de funcionamiento funcionamiento intermitenteintermitente

Durante un cierto Durante un cierto tiempo esta en tiempo esta en calentamiento calentamiento quemado gasesquemado gases

El objetivo es El objetivo es calentar el calentar el emparrillado de emparrillado de ladrillos refractariosladrillos refractarios

Calentamiento del AireCalentamiento del Aire Cuando el emparrillado Cuando el emparrillado

esta a la temperatura esta a la temperatura adecuada, se corta la adecuada, se corta la entrada de los gases de entrada de los gases de combustion y se hace combustion y se hace circular en sentido inverso circular en sentido inverso el viento hasta que los el viento hasta que los ladrillos ceden su calor y ladrillos ceden su calor y se enfríense enfríen

A continuación se vuelve A continuación se vuelve al ciclo de calentamientoal ciclo de calentamiento

Cada ciclo suele durar 20 Cada ciclo suele durar 20 a 30 min y un alto horno a 30 min y un alto horno dispone de 2 a 3 estufasdispone de 2 a 3 estufas

Emparrillado Emparrillado Las estufas están Las estufas están

constituidas por un constituidas por un gran conducto gran conducto vertical o cámara de vertical o cámara de combustion donde combustion donde se queman los gases se queman los gases y un emparrillado de y un emparrillado de ladrillos refractarios ladrillos refractarios que sirven para que sirven para almacenar y ceder almacenar y ceder calor desprendido calor desprendido de la combustionde la combustion

DEPURACION DE GASESDEPURACION DE GASES Por la parte superior del horno se Por la parte superior del horno se

encuentran los pantalones, que es por encuentran los pantalones, que es por donde escapan los gases a donde escapan los gases a temperaturas que varían entre 120 a temperaturas que varían entre 120 a 250ºC250ºC

A los gases de salida le acompañan A los gases de salida le acompañan polvos de mineral y de coque por lo que polvos de mineral y de coque por lo que es necesario limpiarlos y purificarlos es necesario limpiarlos y purificarlos antes de almacenar el gas para el uso antes de almacenar el gas para el uso posterior como fuente de energíaposterior como fuente de energía

Composición del Gas del Alto Composición del Gas del Alto HornoHorno

El gas que entra a El gas que entra a los purificadores con los purificadores con 40g/m3 al final de la 40g/m3 al final de la depuración sale con depuración sale con un contenido entre un contenido entre 0.006g/m3 a 0.006g/m3 a 0.015g/m3 de 0.015g/m3 de partículas sólidaspartículas sólidas

Su poder calorífico Su poder calorífico es del orden de es del orden de 750Kcal/m3750Kcal/m3

Pantalones Pantalones La salida de los gases esta formada por 4 La salida de los gases esta formada por 4

grandes tubos verticales llamados pantalonesgrandes tubos verticales llamados pantalones Estos gases van a las cámaras de expansión Estos gases van a las cámaras de expansión

y a las instalaciones de refrigeración y y a las instalaciones de refrigeración y depuracióndepuración

La cámara de expansión son selectores de La cámara de expansión son selectores de polvo, donde los gases pierden velocidad y polvo, donde los gases pierden velocidad y depositan al fondo las impurezasdepositan al fondo las impurezas

Las instalaciones de refrigeración y Las instalaciones de refrigeración y depuración después de pasar la cámara de depuración después de pasar la cámara de expansión van a duchas de agua donde el expansión van a duchas de agua donde el contenido de polvo suele quedar inferior a contenido de polvo suele quedar inferior a 1g./m31g./m3

Colector de Polvo (Botellón)Colector de Polvo (Botellón)

Separador - VenturiSeparador - Venturi

Refrigerador - LavadorRefrigerador - Lavador

BALANCE POR TONELADA DE ARRABIOBALANCE POR TONELADA DE ARRABIOENTRADA SALIDA

PELETS 1450 ARRABIO 1000COQUE 450 ESCORIA 260FUNDENTES 220 POLVO 20PETROLEO 79 GAS DE AH 1305ALQUITRAN 24 FINOS DE COK 15.3ARENA 7 FINOS DE PELET 50MASA APISONADA 1MASA TAPAPIQ. 1PROPANO 0.2VAPOR 75AIRE(proceso) 1250Nm3AIRE(servicio) 0.07Nm3AGUA 1m3

OBSERVACIONESOBSERVACIONES La velocidad de producción de arrabio en La velocidad de producción de arrabio en

un alto horno dado esta determinado por un alto horno dado esta determinado por la rapidez a la cual se sopla oxigeno la rapidez a la cual se sopla oxigeno dentro del horno ya sea el contenido en el dentro del horno ya sea el contenido en el aire o como una mezcla de aire con aire o como una mezcla de aire con oxigeno puro.oxigeno puro.

Es también importante la temperatura a la Es también importante la temperatura a la que sale el gas de las toberas, para ayudar que sale el gas de las toberas, para ayudar a la combustión del mineral.a la combustión del mineral.

La alta rapidez de soplado conduce a: una La alta rapidez de soplado conduce a: una rápida combustión del coque enfrente de rápida combustión del coque enfrente de las toberas, una alta producción de CO y las toberas, una alta producción de CO y consecuentemente a una alta velocidad de consecuentemente a una alta velocidad de reducción de hierro producidoreducción de hierro producido

MEJORAS EN LA MEJORAS EN LA PRODUCTIVIDADPRODUCTIVIDAD

Muchas de las mejoras en la Muchas de las mejoras en la productividad se han debido a la productividad se han debido a la construcción de hornos cada vez mas construcción de hornos cada vez mas grandes y mejor diseñado (mejor grandes y mejor diseñado (mejor maquinaria para la distribución de la maquinaria para la distribución de la carga); también los cambios en las carga); también los cambios en las características físicas y químicas en características físicas y químicas en los materiales de entrada así como el los materiales de entrada así como el cambio en las condiciones internas del cambio en las condiciones internas del horno han contribuido a las mejoras en horno han contribuido a las mejoras en la producción.la producción.

El factor mas importante que ha El factor mas importante que ha contribuido a incrementar la productividad contribuido a incrementar la productividad del alto horno ha sido el cambio de una del alto horno ha sido el cambio de una mena sin control de tamaño a una mena de mena sin control de tamaño a una mena de tamaño controlado, distribuida tamaño controlado, distribuida uniformemente, sinterizada y en forma de uniformemente, sinterizada y en forma de pellets. Una carga uniforme permite que los pellets. Una carga uniforme permite que los gases del horno pasen rápidamente a través gases del horno pasen rápidamente a través de la carga sin propiciar acanalamiento y a de la carga sin propiciar acanalamiento y a la vez permite que el horno pueda ser la vez permite que el horno pueda ser operado a una velocidad de soplado mayor. operado a una velocidad de soplado mayor.

De hecho la antigua productividad de los De hecho la antigua productividad de los hornos se ha duplicado casi, por el uso d hornos se ha duplicado casi, por el uso d sinter y pellet tamizado.sinter y pellet tamizado.

Un beneficio adicional de cargar con Un beneficio adicional de cargar con pellet tamizado y sinter, ha sido la pellet tamizado y sinter, ha sido la disminución en la perdida de mena, disminución en la perdida de mena, que en forma de polvo es acarreada que en forma de polvo es acarreada por los gases.por los gases.

La inyección de hidrocarburos La inyección de hidrocarburos líquidos, gaseosos o sólidos a través líquidos, gaseosos o sólidos a través de las toberas ha ayudado al de las toberas ha ayudado al mejoramiento de la productividad del mejoramiento de la productividad del horno, dado que permite disminuir la horno, dado que permite disminuir la cantidad de coque en la carga sólida.cantidad de coque en la carga sólida.

El enriquecimiento del soplo de aire con El enriquecimiento del soplo de aire con oxigeno puro también ha repercutido en el oxigeno puro también ha repercutido en el mejoramiento de la operación del alto mejoramiento de la operación del alto horno. El oxigeno reemplaza una porción horno. El oxigeno reemplaza una porción del aire requerido, disminuyendo así, la del aire requerido, disminuyendo así, la cantidad de nitrógeno que pasa por el cantidad de nitrógeno que pasa por el horno. Esta eliminación parcial del horno. Esta eliminación parcial del nitrógeno produce los siguientes efectos: nitrógeno produce los siguientes efectos:

1) incrementa la temperatura de flama en 1) incrementa la temperatura de flama en frente de las toberas, permitiendo así frente de las toberas, permitiendo así aumentar la adición de hidrocarburos fríos.aumentar la adición de hidrocarburos fríos.

2) permite incrementar la rapidez de 2) permite incrementar la rapidez de producción de CO y consecuentemente producción de CO y consecuentemente incrementar la rapidez de reducción de la incrementar la rapidez de reducción de la mena sin que haya un aumento en la mena sin que haya un aumento en la velocidad total de gas a través del horno.velocidad total de gas a través del horno.

Otra mejora importante la constituye Otra mejora importante la constituye la elevación de la presión en el alto la elevación de la presión en el alto horno hasta un valor de 3 atmósferas horno hasta un valor de 3 atmósferas manométricas en la parte superior del manométricas en la parte superior del horno y actualmente muchos hornos horno y actualmente muchos hornos operan de esta manera. La operación operan de esta manera. La operación a presiones elevadas permite a presiones elevadas permite incrementar la velocidad de flujo incrementar la velocidad de flujo masivo de gas a través de la carga masivo de gas a través de la carga del alto horno sin aumentar la del alto horno sin aumentar la velocidad del gas. Esto a su vez velocidad del gas. Esto a su vez permite la producción de mayor permite la producción de mayor cantidad de gas reductor.cantidad de gas reductor.

CONSTRUCCIÓN DEL ALTO HORNO Y SUS INSTALACIONES AUXILIARES

Para cumplir las misiones complejas y que con absoluta seguridad y regularidad debe realizar el alto horno, éste debe tener una construcción apropiada, así como sus instalaciones auxiliares que deben distinguirse por su robustez y amplitud.

Lo primero a determinar será la producción que se desea obtener del alto horno en 24 horas.

La intensidad de producción Tn/m3 de capacidad útil que se puede admitir depende de la calidad del mineral, coque y caliza.

CÁLCULO DE LAS DIMENSIONES

Debemos fijar los siguientes datos:

1. Proporción de los elementos que integran una carga para obtener una tonelada de arrabio líquido (mineral, coque, caliza)

2. Volumen ocupado por esta carga, conocida la densidad o peso por m3 de cada uno de ellos.

3. Volumen útil o capacidad necesaria en el Alto horno para alojar dicha carga en las proporciones fijadas.

4. Tiempo de permanencia en fracción de un día de 24 horas, o sea el tiempo necesario para su transformación completa, en un proceso completo.

5. Cálculos proporcionales de alturas y diámetros.

PROPORCIÓN DE ELEMENTOS QUE INTEGRAN UN A CARGA

Es muy variable, depende de:

1. La calidad del mineral y su riqueza en fierro.

2. Si es material sinterizado, aglomerado (pellets)

3. La calidad del coque metalúrgico.

Para fijar ideas consignamos las siguientes cifras promedio:

1,8 Tn mineral (50% Fe) por Tn de arrabio líquido.

0,9 Tn coque por Tn de arrabio líquido.

0,4 Tn de fundentes, caliza, por Tn de arrabio líquido.

NO OLVIDAR:

Lo primero a determinar será la producción que se desea obtener del alto horno en 24 horas.

La intensidad de producción Tn/m3 de capacidad útil que se puede admitir depende de la calidad del mineral, coque y caliza.

CÁLCULO DEL VOLUMEN ÚTIL

Según Pawloff:

2u uV K H D

Vu= Volumen útil ocupado por la totalidad de las cargas en el interior del horno, en m3.

D = Diámetro interior del Alto horno en la zona del vientre o base de la cuba, en m.

Hu = Altura total del Alto horno desde el agujero de colada hasta el plano más alto de la cuba, en m.

K = Constante cuyo valor oscila entre 0,5 – 0,54

Según Mallol:

3

u

P TnV

TnIpm

Cálculo, aplicando el tiempo de permanencia de las cargas, según BARGONE:

= 8 horas para minerales de limonita.

= 10 horas para hematitas rojas y materiales aglomerados.

= 12 horas para la magnetita.

24u

P VV

P = producción diaria de arrabio, cada 24 horas.

V = Volumen ocupado por la carga en m3 por Tn de arrabio

El valor de V, en la ecuación anterior se deduce de la carga estimada y de las densidades, cuyos valores medios son:

•Coque 450 – 550 kg/m3.

•Mineral 2000 – 2200 kg/m3 (carbonatos de Fe tostados)

•Mineral 2800 – 30003 kg/m3 (magnetita)

•Mineral 1800 – 2000 kg/m3 (hematitas rojas)

•Caliza 1500 – 1600 kg/m3.

CÁLCULO EN FUNCIÓN DE LA INTENSIDAD DE COMBUSTIÓN

1. El diámetro del crisol puede ser el punto de partida para el cálculo de las dimensiones proporcionales del Alto horno.

2. Los valores experimentales de la intensidad de combustión se obtienen respecto al consumo de coque.

Consumo:

<400 Tn coque/24 horas (16,6 tn/h) IC =750 kg/m2. h

450 - 500 Tn coque /24 horas (18,75 tn/h) IC =775 kg/m2. h

>600 Tn coque/24 horas (25 tn/h) IC = 800 kg /m2. h

3.- La intensidad de combustión está dada en función de la sección transversal del crisol. (m2)de sección del crisol.

4.- Cuando se conoce la producción diaria de arrabio, se conoce el consumo diario de coque y con la intensidad de combustión obtenemos el diámetro del crisol.

5.- Conociendo el diámetro (d) del crisol los demás valores u otras dimensiones del Alto horno se pueden deducir.

Ejemplo: Para un Alto horno que produce 1500 Tn/día de arrabio.

Se estableció el consumo de coque en 0,900 Tn coque/Tn arrabio líquido, entonces:

1500 0,90056,25

24arrabio Coque Coque

arrabio

Tn día Tn Tn

día horas Tn h

Podemos adoptar entonces un valor de IC = 800 kg/m2.h luego:

2

2

56250 .

4800.

Coquekgdh

kgm h

d = 9,46 m

LAS OTRAS DIMENSIONES DEL ALTO HORNO SE OBTIENEN ASÍ

Diámetro del vientre (D) (1,25 – 1,5)d

Diámetro en el tragante (DT) 0,7 D

Inclinación en la etalaje () 70 – 82°

Inclinación de la cuba () 85°50´

Altura del crisol (HC) (1/8 – 1/10)Hu

Altura útil (HU) VU / K. D2

Ejemplo: Para un Alto horno que produce 1500 Tn/día de arrabio, utilizando un mineral cuya riqueza de fierro es 50%, empleando coque metalúrgico.

Solución:

Adoptamos la siguiente proporción de carga:

Mineral 1800 Tn/ Tn arrabio = 1800 kgFundente 0,4 Tn / Tn arrabio = 400 kgCoque 0,9 Tn / Tn arrabio = 900 kg

3100 kg

Asignando las siguientes densidades a cada uno de los elementos de la carga, se obtiene los volúmenes correspondientes:

•Mineral 2000 kg/m3 corresponde (1800/2000) = 0,9 m3/Tn arrabio

•Fundente 1500 Kg/m3 corresponde (400/1500) = 0,266

•Coque 550 kg/m3 corresponde (900/550) = 1,634

Volumen total 2,800 m3 /Tn arrabio

La producción nominal P = (1500 Tn /día)/24 hr/día = 62,5 Tn /h

Considerando que el material es hematita, el tiempo de permanencia será de 10 horas, luego tenemos:

3arg

33

( )

24

10 1500 2,81750

24

c aarrabiopermanencia

arrabiou

arrabiou

arrabio

mTnh P V

día TnV

hrdía

h Tn mV m

hdía Tn

día

El diámetro del crisol se tiene en relación con la Intensidad de combustión:

Para la Producción de 1500 Tn/día se tiene:

1500 0,956,25

24

arrabio coque coque

arrabio

Tn Tn Tn

h hdía Tndía

Adoptando una IC= 800 kg/m2.h

2

2

56250

4 800.

coque

crisol

kgd hS

kgm h

dc = 9,46m

Diámetro del vientre (D) (1,25 – 1,5)dc

1,375 9,46 13,0D m m

Diámetro del tragante (DT) 0,7D

0,7 13 9,1TD m m

Altura útil (Hu) Vu/K.D2 K = 0,5

3

2

175020,7

0,5 13U

mH m

m

Altura del crisol (HC) (1/8 - 1/10) HU

1 120,7 2,59 2,07 2,33

8 10cH m

Altura de la etalaje (He) tg (D-d)/2 = 76°

76 4,01

13 9,464,01 7,1

2e

tg tg

H m

Altura de la cuba (Hcu) HU= tg (D – DT)/2

85,5 12,7

13 9,112,7 24,7

2Cu

tg tg

H m

BIBLIOGRAFIABIBLIOGRAFIA

El alto horno de hierro: Peacey – El alto horno de hierro: Peacey – Davenport.Davenport.

Paginas Web:Paginas Web:

scribd (alto horno)scribd (alto horno)

emagister (producción del arrabio)emagister (producción del arrabio)

Gracias por su Gracias por su atenciónatención