RESISTENCIA QUÍMICA Y MECÁNICA DE LOS MATERIALES

3IV64

ING. RODOLFO GONZÁLEZ BÁEZ

ALTO HORNO Y HORNO DE CUBILOTEDISEÑO, OPERACIÓN Y FUNCIÓN

ALUMNA: ESPARZA RIVERO IXCHEL YIBBIANITH

11/09/2015

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONALEscuela Superior de Ingeniería Química

e Industrias Extractivas

ALTO HORNO

Un alto horno es un horno especial cuyo objetivo es la reducción del mineral de hierro, en él 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 : Tiene forma troncocónica y constituye la parte suprior del alto horno; por la zona más estrecha y alta de la cuba, llamada tragante, se introduce la carga.

o Composición de la carga: mineral de hierro (magnetita, limonita, hematita), combustible (carbón de coque) y fundente (piedra caliza).

El etalaje : Está separada de la cuba por la zona más ancha de esta última parte, llamada vientre. El volumen del etalaje es mucho menor que el de la cuba. La temperatura de carga es muy alta (1500 ºC) y es aquí donde el mineral de hierro comienza a transformarse en hierro. La parte final del etalaje es más estrecha.

Crisol : Bajo el etalaje se encuentra el crisol, donde se va depositando el metal líquido. Por un agujero, llamado bigotera o piquera de escoria se extrae la escoria, que se aprovecha para hacer cementos y fertilizantes. Por un orificio practicado en la parte baja del mismo, denominada piquera de arrabio sale el hierro líquido, llamado arrabio, el cual se conduce hasta unos depósitos llamados cucharas.

Así pues, el producto final del alto horno se llama arrabio, también conocido como hierro colado o hierro de primera fusión.

Los lingotes de arrabio o de primera fusión obtenidos en el alto horno no podrían ser utilizados de inmediato en el taller, debido a la gran cantidad de carbono que contiene y por su poca homogeneidad. Sin embargo, es indispensable que los minerales pasen previamente por el alto horno para poderse transformar luego en hierro, en acero o fundición.

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, CO2, CO y SOx.

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 humedad y en la fabricación de cemento y vidrio.

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 liquido a 1800 ºC.

A partir de la primera fusión, se obtienen todos los productos ferrosos restantes: otras fundiciones, aleaciones, hierro dulce, acero, etc.

Diseño y operación

El propio alto horno de fabricación de hierro se construye en forma de una estructura alta, forrado con ladrillo refractario, y perfiladas para permitir la expansión de los materiales cargados, pues se calienta durante su descenso, y la posterior reducción en

el tamaño de fusión comienza a ocurrir. Coke, castinas, y mineral de hierro (óxido de hierro) se cargan en la parte superior del horno en un orden llenado preciso que ayuda al flujo de gas de control y las reacciones químicas dentro del horno. Cuatro captaciones permiten que el calor, gas sucio alto en el contenido de monóxido de carbono pueda salir de la garganta del horno, mientras válvulas de purga protegen la parte superior del horno de subidas de presión de gas repentinas. Las partículas gruesas en el gas de escape se establecen en el “colector de polvo” y se vierten en un vagón de ferrocarril o camión para su eliminación, mientras que el propio gas fluye a través de un depurador venturi y / o precipitadores electrostáticos y un enfriador de gas para reducir la temperatura del gas limpio.La sala de colada en la mitad inferior del horno contiene el tubo de ajetreo, refrigerado por agua, toberas de cobre y el equipo para la fundición del hierro líquido y la escoria. Una vez que la piquera se perfora a través del tapón de arcilla refractaria, hierro líquido y escoria fluyen hacia abajo por un canal a través de una apertura, se separan el hierro y escoria. Los altos hornos más modernos y más grandes pueden tener hasta cuatro orificios de colada. Una vez que el arrabio y la escoria se ha aprovechado, el orificio de colada es cerrado de nuevo con arcilla refractaria.

¿Cómo funciona un alto horno?

El propósito de un alto horno es reducir químicamente y convertir los óxidos de hierro en el hierro líquido llamado físicamente “metal caliente”. El alto horno es una gran, pila de acero revestido con ladrillo refractario, donde el mineral de hierro, coque y piedra caliza se vierten en la parte superior, y el aire precalentado es soplado en la parte inferior. Las materias primas requieren 6 a 8 horas para descender a la parte inferior del horno donde se convierten en el producto final de la escoria líquida y el hierro líquido. Estos productos líquidos se drenan desde el horno a intervalos regulares. El aire caliente que se insufla en la parte inferior del horno asciende a la parte superior de 6 a 8 segundos después de pasar a través de numerosas reacciones químicas. Una vez que se inicia un alto horno se ejecutará de forma continua durante cuatro a diez años con sólo paradas cortas para realizar el mantenimiento planificado.Los óxidos de hierro pueden venir a la planta de alto horno en la forma de mineral en bruto, pellets o sinterizados. El mineral en bruto se retira de la tierra y dimensionado en piezas que van desde 0.5 a 1.5 pulgadas. Este mineral es o bien hematita (Fe2O3) o magnetita (Fe3O4) y el contenido de hierro varía desde 50% a 70%. Este mineral rico en hierro se puede cargar directamente en un alto horno, sin más procesos. El mineral de hierro que contiene un contenido de hierro inferior debe ser procesado o beneficiada para aumentar su contenido de hierro. Los pellets se producen a partir de este mineral de menor contenido de hierro. Este mineral se tritura y se muele en un polvo por lo que el material de desecho llamado ganga se puede quitar. El polvo rico en hierro restante se enrolla en bolas y produce gránulos de gran tamaño que contienen 60% a 65% hierro. El mineral de hierro, pellets y sinterizado a continuación, se convierten en el hierro líquido producido en el alto horno con cualquiera de sus impurezas restantes de la escoria líquida.

El coque se produce a partir de una mezcla de carbones. El carbón se tritura y muele en un polvo y después se carga en un horno. A medida que el horno se calienta el carbón se cocina lo que hace que la mayoría de la materia volátil como el petróleo y el alquitrán se eliminen. El carbón cocido, llamado coque, se retira del horno después de 18 a 24 horas de tiempo de reacción. El coque se enfría y se proyecta en piezas que van desde una pulgada a cuatro pulgadas. El coque contiene 90 a 93% carbono, un poco de ceniza y azufre, pero en comparación con el carbón en bruto es muy fuerte. Las fuertes trozos de coque con un alto valor energético proporcionan permeabilidad, calor y los gases que se requieren para reducir y fundir el mineral de hierro, pellets y sinterización.

La materia prima final en el proceso de fabricación de hierro en piedra caliza. La piedra caliza se retira de la tierra por la voladura con explosivos. A continuación, se tritura y se tamiza a un tamaño que varía desde 0.5 pulgadas a 1.5 pulgadas para convertirse en flujo de alto horno . Este flujo puede ser de piedra caliza pura alta en calcio, caliza dolomítica, que contiene magnesia o una mezcla de los dos tipos de piedra caliza.Dado que la piedra caliza se funde para convertirse en la escoria que elimina azufre y otras impurezas, el operador del alto horno puede mezclar las diferentes piedras para producir la química de la escoria deseada y crear propiedades óptimas de escoria tales como un punto de fusión bajo y una alta fluidez.

Todas las materias primas se almacenan en un campo de mineral y son transferidos a las tolvas antes de cargar. Una vez que estos materiales se cargan en la parte superior del horno, pasan a través de numerosas reacciones químicas y físicas mientras que descienden a la parte inferior del horno.

El mineral de hierro, pellets y sinterizado se reducen, lo que simplemente significa que el oxígeno en los óxidos de hierro se separa por una serie de reacciones químicas.

Al mismo tiempo que se están produciendo estas reacciones, comienza el goteo del hierro líquido a la parte inferior del horno.El coque desciende hasta el fondo del horno hasta el nivel del aire precalentado, el aire caliente entra en el alto horno. El coque se enciende por este chorro de aire caliente y reacciona inmediatamente para generar calor.Puesto que la reacción tiene lugar en presencia de exceso de carbono a una temperatura alta, el dióxido de carbono se reduce a monóxido de carbono.El producto de esta reacción, monóxido de carbono, es necesario para reducir el mineral de hierro. La piedra caliza desciende en el alto horno y sigue siendo un sólido.

El CaO formado a partir de la reacción de la piedra caliza, se utiliza para eliminar el azufre del hierro que es necesario antes de que el metal caliente se convierte en acero.

El CaS se convierte en parte de la escoria. La escoria se forma también de cualquier sílice restante (SiO2), Alumina (Al2O3), Magnesia (MgO) o Calcia (CaO) que ingresó con el mineral de hierro, pastillas, sinterización o coque. La escoria líquida fluye a través del lecho de coque a la parte inferior del horno en el que flota en la parte superior de la plancha de líquido ya que es menos denso.

Otro producto del proceso de fabricación de hierro, además de hierro fundido y la escoria, son los gases sucios calientes. Estos gases salen de la parte superior del alto horno y se procesan a través de equipos de gas donde se elimina la materia particulada del gas de limpieza y el gas se enfría. Este gas tiene un valor de energía considerable por lo que se quema como combustible en estufas de viento caliente que se utilizan para precalentar el aire que entra en el alto horno. Cualquiera de los de gas no quemado en las estufas se envía a la sala de calderas y se usa para generar vapor de agua que se convierte un ventilador turbo que genera el aire comprimido conocido como “viento frío” que llega a los fogones.

HORNO DE CUBILOTE

Un cubilote es un horno vertical para refundir los lingotes de hierro que se obtienen en los altos hornos, chatarra reutilizada, alimentadores y bebederos de piezas fundidas anteriormente, principalmente se usa para fundir fundición gris y con la ayuda de metales añadidos al momento del sangrado denominados inoculantes se puede obtener fundición nodular, eventualmente se usa también para aleaciones de cobre pero el uso no es muy difundido. Del material líquido vaciado en moldes apropiados se podrá fabricar directamente piezas de maquinaria y objetos de hierro fundido.

Está compuesto de una capa exterior de acero y una capa interior de ladrillos. Los cubilotes varían en tamaño desde sólo 1 pie (30 cm) de diámetro hasta más de 10 pies (3 metros) y son utilizados para derretir hierro crudo o bronce. El cuerpo cilíndrico del horno está orientado de manera vertical para permitir a los gases escapar por el extremo superior. Dos puertas se encuentran en la base del horno y están cerradas durante la operación del mismo, sin embargo, al final del ciclo de funcionamiento, éstas pueden ser abiertas para vaciar el horno de todo el material remanente. Los gases generados durante el funcionamiento de un cubilote pueden ser controlados ajustando en la parte superior distintas "tapas" que absorben los gases de combustión, enfriándolos y filtrándolos antes de liberarlos a la atmósfera. Una abertura llamada boca de sangría en la base del horno permite la remoción del metal fundido en cualquier momento de la fundición. El cubilote es un horno de uso generalizado en metalúrgica debido a su operación sencilla, eficiente y económica.

Los colados de hierro, se hacen volviendo a fundir chatarra junto con arrabio, en un horno llamado cubilote. La construcción de este horno es simple, de operación económica y funde hierro continuamente con un mínimo de mantenimiento. De vez en cuando el metal se funde con el combustible, algunos elementos se aprovechan mientras otros se pierden.

Funciona con combustible sólido y en el cual la carga metálica, el combustible y el carburante están en íntimo contacto entre sí. Esto permite un intercambio térmico directo y activo, y por lo tanto, un rendimiento elevado. Sin embargo, por causa de este mismo contacto entre el metal, las cenizas y el oxígeno, el hierro colado producido no puede ser rigurosamente controlado desde el punto de vista metalúrgico.

DISEÑO

El cubilote consiste en un tubo de acero vertical con una altura de 10 mts., aproximadamente y un diámetro que varía entre 4 y 6 mts., recubierto con material refractario: Ladrillo refractario, con la disposición necesaria para introducirle una corriente de aire cerca del fondo.Todo el cubilote descansa sobre una placa circular que es soportada arriba del piso mediante cuatro columnas separadas convenientemente para que las puertas

abisagradas puedan caer libremente. Estando en operación, estas puertas se giran hasta una posición horizontal y se mantienen en su lugar por medio de una estaca vertical.La puerta de carga esta localizada más o menos a la mitad de la cubierta vertical y la parte superior del cubilote queda abierta, a excepción de una pantalla de metal o para chispas. Las aberturas para introducir el aire a la cama de coque se conocen como toberas. La practica común es la de tener sólo una serie de toberas en una circunferencia de la pared, aun cuando algunos cubilotes grandes tienen dos hileras. Las toberas de forma acampanada, tienen el extremo mayor en el interior del horno para provocar que el aire se difunda uniformemente, van distribuidas a distancias muy precisas unas de otras, para obtener la distribución del aire tan uniforme como sea posible. El número de toberas varía con el diámetro del cubilote, siendo desde cuatro en los cubilotes pequeños y hasta ocho o más en los cubilotes grandes.Alrededor del cubilote y en la zona de las toberas, se encuentra una caja, para el suministro del aire. Opuestas a cada tobera se encuentran unas pequeñas ventanas cubiertas con mica de tal forma que puedan inspeccionarse las condiciones dentro del cubilote. El aire, suministrado por un ventilador centrífugo entra por un lado de la caja.Opuesto al vertedero de colada, se encuentra otro vertedor para la escoria, en la parte de atrás del cubilote. Esta abertura esta colocada debajo de las toberas para evitar un posible enfriamiento de la escoria, provocado por la corriente de aire.

FUNCIONAMIENTO

La primera operación al preparar el cubilote consiste en limpiarlo de escoria y de los desechos que quedan en el refractario en torno a las toberas, de las coladas anteriores. A continuación se repara cualquier zona dañada con arcilla fina y arena silica refractaria para recubrimiento de hornos. Después de limpiarlo y repararlo se giran las puertas del fondo a posición de cerrado y se coloca la estaca debajo de ellas. En el piso de la solera se coloca una capa de arena negra de moldeo, la cual se apisona y se le da una pendiente hacia el vertedero. La altura no debe ser menor a 10 cms., en el punto mas bajo, se le deja un pequeño agujero para la sangría de aproximadamente 25 mm. de diámetro.El encendido del cubilote se hace de 2 a 3 horas para que alcance una temperatura entre los 1200 y 1500 grados centígrados, antes de que se deba tener el primer metal fundido, deberá utilizarse la suficiente cantidad de leña para quemar la primera cama de coque.Cuando se inicia un tipo natural, se añade coque poco a poco hasta que la cama crece a una altura conveniente. La altura de la cama de coque es importante, ya que determina la altura de la zona de fundición y afecta tanto a la temperatura como a la oxidación del metal.Cuando la cama del coque esta encendida completamente se carga arrabio y la chatarra con una proporción de una parte de coque por 10 de hierro, esta relación es en masa. Además se suministra alrededor de 34 Kg., de fundente por tonelada de hierro, por lo general es piedra caliza, cuyo objetivo es eliminar impurezas en el hierro, protegerlo de la oxidación y hacer la escoria mas fluida para retirarla con mayor facilidad del cubilote.Tanto los cubilotes de aire frío como los de aire caliente están en uso. En estos últimos, el aire de entrada se precalienta en alguna forma de recuperador, utilizando los gases calientes del cubilote. El recuperador puede ser una unidad externa o por tubos verticales construidos en el propio cubilote. El aire de entrada pasa por estos tubos, calentándose así antes de llegar a las toberas.

Los Cubilotes son: a) Los únicos Hornos de Fundición en los cuales la salida de metal puede ser continua.b) De alta producción horaria.c) De relativo bajo costo de operación.d) Sencillos de operar.

Sin embargo estos hornos se han ido sustituyendo por Hornos de Inducción, los cuales permiten un mejor control del análisis químico y temperatura del metal y, sobre todo, son menos contaminantes.

REFERENCIAS

http://es.slideshare.net/RAMIROSIUCE/alto-horno-26653772

https://iesvillalbahervastecnologia.files.wordpress.com/2009/01/alto-horno.pdf

https://es.wikipedia.org/wiki/Alto_horno

http://metallics.org.uk/es/blast-furnace/

http://www.sites.upiicsa.ipn.mx/polilibros/portal/Polilibros/P_Terminados/procman-Aguilar-Oros/UMD/Unidad2/Contenido/2.2.3.a.htm

http://fundicionymetales.blogspot.mx/2013/04/fusion-horno-de-cubilote.html

https://es.wikipedia.org/wiki/Cubilote