Introducción a los Altos Hornos

Resultados del Aprendizaje en esta Sección

Luego de finalizada esta sección, usted podrá:

Identifique en qué lugar encaja el alto horno en el proceso total de producción del acero

Describa el plano del alto horno y su equipo auxiliar

Explique el proceso de alto horno

Identifique las materias primas y su preparación

Describa el procedimiento de carga y la estructura estratificada del horno

Enumere las diferentes zonas y sus estados físicos y químicos

Escriba la reacción química principal en diferentes zonas

Explique la termodinámica y la kinética de reacción en la reducción de mineral de hierro.

Explique las funciones de tobera y dardo (raceway) y la importancia de la combustión de coque.

Describa el principio energía y balance de masa del proceso.

Explique el rol de la inyección de carbón pulverizado (ICP) y la inyección de otros combustibles.

Detalle la influencia de los parámetros de proceso tales como fundentes de escoria, inyectantes de

alto horno, temperatura, relación de coque.

Identifique los parámetros críticos de control del proceso

Describa los productos y subproductos y su control de calidad

Enumere otros procesos alternativos de producción de hierro

Introducción a la Producción de Hierro en Altos Hornos

En la actualidad, casi todo el acero del mundo se produce a través de una de las dos siguientes rutas:

Convertidor LD Horno de arco eléctrico

"Ruta integrada" "Ruta de refusión"

75-80% de "metal fundido" (arrabio) del

alto horno

20-25% de chatarra reciclada

100% de chatarra reciclada, arrabio sólido

o hierro de reducción directa

64% de la producción global de acero (2005) 33% de la producción global de acero (2005)

Por lo tanto es evidente que el proceso de los altos hornos continúa siendo la ruta dominante de la

siderurgia para suministrar las materias primas para la producción de acero. Este dato pone de

manifiesto dónde se ubican los altos hornos dentro de todo el proceso de producción de hierro.

Ilustración esquemática de la producción de hierro y acero

El alto horno utiliza mineral de hierro como materias primas que contienen hierro, coque y carbón

pulverizado como elementos reductores y cal o caliza como elementos fundentes. El objetivo principal

de la producción de hierro en altos hornos es producir arrabio con calidad consistente para el proceso

de oxigeno básico LD (BOS, por sus siglas en inglés). Típicamente, la especificación de la acería

requiere arrabio con con 0,3–0,7% Si, 0,2–0,4% Mn, y 0,06–0,13% P, y temperatura tan elevada como

sea posible (1480–1520 °C en la sangría). Un alto horno grande moderno posee un diámetro de crisol

de 14–15 m, y una altura de 35 m con un volumen interno de alrededor de 4500 m3. Un alto horno con

estas características puede producir 10.000 toneladas de arrabio por día.

Dado que los procesos de alto horno consumen una gran cantidad de coque metalúrgico, están

surgiendo otros procesos de producción de hierro como procesos futuros alternativos: reducción

directa y reducción por fusión donde el coque metalúrgico se puede reemplazar por carbón

pulverizado u otros elementos reductores de gases. Son ejemplos de procesos comerciales: Midrex

(reducción directa) y Corex (reducción por fusión).

Desarrollo Histórico I

Experimentos de fundición en la Edad de Hierro por Jake Keen y estudiantes de arqueología de la

Universidad de Bournemouth. Fotografía cortesía del Dr Kate Welham, Universidad de Bournemouth.

La primera evidencia de las herramientas de hierro proviene del antiguo Egipto, alrededor de 4000 AC

y el origen de las herramientas de hierro es probablemente el hierro meteorítico. El primer objeto del

hierro fundido data de alrededor de 2000 AC, el cual fue posiblemente un subproducto de la fundición

de cobre. Alrededor de 1000 AC las herramientas y armas de hierro habían empezado a reemplazar las

de bronce.

Los altos hornos existentes más antiguos fueron construidos en China 200 AC. Los altos hornos deben

diferenciarse de los hornos de lupias, en los cuales se evitaba la fusión y el hierro salía del horno como

una masa esponjosa, llamada lupia (hierro esponja). Luego el hierro esponja era recalentado y

martillado repetidas veces para forzar la salida de la escoria. Normalmente el término “alto horno” se

reserva para los hornos que producen metal fundido que puede sangrarse del horno, en los que se

refina el hierro del mineral.

En la antigüedad, en Europa, el hierro era hecho en hornos de lupias por los griegos, los celtas, los

romanos y los cartagineses. En el siglo VIII se usaba el horno catalán en España, el cual dependía de

un fuelle para bombear el aire en lugar de una corriente de aire natural. Los altos hornos más antiguos

que se conocen en el oeste fueron construidos en Durstel, Suiza, Markische Sauerland, Alemania y

Lapphyttan, Suecia alrededor del 1100. El predecesor directo de los hornos que hoy se usan en Europa

provino de la región de Namur, Bélgica. El diseño se había extendido desde la región a fines del siglo

XV y fue introducido en Inglaterra en 1491. La industria del hierro alcanzó su mejor momento en 1590,

y la mayoría del arrabio de estos hornos se llevaba a forjas de afino para la producción de hierro en

barra.

La próxima evolución en la tecnología siderúrgica tuvo lugar en Gran Bretaña, en donde Abraham

Darby introdujo exitosamente el coque en 1709. El combustible que se usaba antes en los altos hornos

era el carbón vegetal. Al principio el hierro fabricado en un horno de coque se usaba sólo para

fundiciones, siendo un sector minoritario de la industria. Sin embargo, pronto se tornó más barato

producir arrabio al coque que producir arrabio al carbón vegetal. La eficacia del proceso se mejoró aún

más al cambiar por el viento caliente, desarrollado por James Beaumont Neilson en 1828. Dentro de

unas décadas, se empezó a usar la estufa, en la cual se quemaban los gases de escape. Luego se

usaba el calor para precalentar el aire que se inyectaba al horno.

Los altos hornos continúan siendo una parte importante de la producción moderna del hierro. Los

hornos modernos son altamente eficaces. Incluyen las estufas Cowper para precalentar el aire soplado

y usan sistemas de recuperación para extraer el calor de los gases calientes que salen del horno. La

competencia que hay en la industria impulsa índices de producción más altos. Un alto horno grande

tiene un volumen de 5500 m3 y produce alrededor de 80.000 toneladas de hierro por semana, en

comparación con los primeros altos hornos que promediaban alrededor de 400 toneladas de hierro por

año.

Proceso de Alto Horno

El viento caliente reacciona con el coque y el carbón pulverizado en el vientre y en el etalaje del alto

horno para formar una mezcla de monóxido de carbono y nitrógeno. Esta mezcla asciende por el horno

mientras intercambia calor y reacciona con las materias primas que descienden de la parte superior

del horno.

Finalmente los gases se descargan por el tragante del horno y se recuperan para ser usados como

combustible en la planta siderúrgica.

Durante este proceso, la relación capa-espesor de los materiales que contienen hierro y el coque

cargados por el tragante del horno y su distribución radial se controlan con el fin de que el viento

caliente pueda pasar con una correcta distribución radial.

Durante el descenso de la carga en el horno, los materiales que contienen hierro se reducen

indirectamente por el gas de monóxido de carbono en la zona de baja temperatura de la parte

superior del horno.

En la parte inferior del horno, el dióxido de carbono producido por la reducción del mineral de hierro

restante por el monóxido de carbono se reduce al instante por el coque (C) a monóxido de carbono

que nuevamente reduce el óxido de hierro.

La secuencia completa puede considerarse como una reducción directa del mineral de hierro por el

carbono sólido en la zona de alta temperatura de la parte inferior del horno.

El hierro reducido se funde, gotea y junta simultáneamente como arrabio en el crisol. Luego se

descarga el arrabio y la escoria fundida a intervalos fijos (por lo general 2-5 horas) abriendo las

piqueras de arrabio y de escoria en la pared del horno.

Las fuerzas motrices de un alto horno

Plano y Equipo

La principal estructura de un alto horno consta de un blindaje vertical cilíndrico de chapa de acero

grueso, revestido en la parte interior con ladrillos refractarios. La capa refractaria es enfriada por

componentes metálicos refrigerados por agua llamados placas de enfriamiento, interpuestas entre el

blindaje y los ladrillos refractarios.

El cuerpo del horno está compuesto por:

la cuba, que se ensancha en forma de cono desde la parte superior

el vientre, que es un cilindro derecho

el etalaje, que se achica en forma de cono hacia el fondo y se ubica inmediatamente debajo del

vientre, y

el crisol, en el fondo del horno.

Por lo general la cuba, el vientre y el etalaje están forrados con ladrillos de arcilla refractaria y ladrillos

de carburo de silicio, mientras que el crisol está forrado con ladrillos al carbono. Dependiendo del

tamaño del horno, la pared lateral del crisol está ubicada radialmente y tiene de 20 a 40 boquillas de

soplado de aire refrigeradas con agua denominadas toberas, que se usan para inyectar el aire

caliente proveniente de las estufas Cowper al horno a través de la tubería principal de aire caliente y

las morcillas.

También se instalan piqueras para descargar el arrabio y piqueras para descargar la escoria en la

sección del crisol.

En la actualidad los altos hornos más grandes tienen alrededor de una altura total de 80 m , con una

altura del cuerpo del horno de 35 m y un diámetro interno máximo de alrededor de 16 m, y un

volumen interno de alrededor de 5,200 m3. Un horno de este tamaño puede producir

aproximadamente 10,000 toneladas de arrabio por día.

Equipo Auxiliar

Además de la estructura principal del alto horno, existen los siguientes equipos auxiliares:

Cintas transportadoras para trasportar las materias primas (mineral y coque) al tragante del alto

horno

Tolvas para almacenar temporalmente estas materias primas

ICP (inyección de carbón pulverizado) con equipo para pulverizar el carbón e inyectarlo bajo

presión.

Con un equipo de carga de campana, las materias primas entran en el horno a través del espacio

creado al bajar una pequeña campana invertida. Esta campana se cierra y una campana más

grande (ancha por abajo) se abre para permitir que las materias primas caigan en la cuba que se

encuentra abajo.

Con un equipo de carga sin campana, las materias primas se cargan en el horno a través de una

rampa giratoria.

Máquinas soplantes para impulsar el aire

La estufa Cowper para calentar el aire. Es un horno cilíndrico de alrededor 12 m de diámetro y unos

55 m de altura y tiene una cámara llena de ladrillos cuadriculados de sílice. La estufa Cowper es un

tipo de intercambiador de calor en el cual el calor producido por la combustión del gas de alto

horno se almacena en la cámara de recuperación del calor, después de lo cual se sopla aire frío a

través del recuperador de calor para producir el aire caliente precalentado para el horno. Dos o

más estufas funcionan en ciclos alternos, proporcionando una fuente continua de aire caliente al

horno.

Turbina de recuperación de la presión del tragante del alto horno: Por lo general un alto horno

funciona con una presión del tragante de alrededor de 250 kPa. Para recuperar la energía del gran

volumen de los gases de escape de alta presión, el alto horno está equipado, después de la

eliminación del polvo, con una turbina de recuperación de la presión del tragante para generar

energía eléctrica usando la diferencia de presión entre el tragante del horno y el gasómetro de

almacenamiento de gas.

Equipo para la eliminación del polvo y recuperación

Equipo auxiliar alrededor del alto horno

División de Zonas I

Los altos hornos tienen una forma cónica y se subdividen en varias zonas de acuerdo al estado físico y

químico de las materias primas y de los productos.

De la dirección vertical, un alto horno podría dividirse en 5 zonas:

1. Tragante: superficie de carga en la parte superior del horno

2. Cuba: donde los minerales se calientan y comienzan las reacciones de reducción

3. Vientre: corta sección vertical

4. Etalaje: donde se completa la reducción y se funden los minerales

5. Crisol: donde los materiales fundidos (escoria y arrabio) se acumulan y salen por las piqueras.

División de Zonas II

De acuerdo con el estado interno de las materias primas, se puede observar varias otras zonas en los

altos hornos:

1. Zona de reducción primaria: zona superior de la cuba, donde se reducen los óxidos de hierro de

alta valencia (hematita y magnetita (Fe2O3, Fe3O4). La temperatura oscila entre los 400 a 1000 °C.

2. Zona de reserva térmica: zona inferior de la cuba, donde la temperatura se mantiene a alrededor

de 1000–1200 °C. En esta zona, tiene lugar la reducción de la wustita (FeO) a hierro metálico.

3. Zona cohesiva: se extiende desde arriba del etalaje cerca de la pared hasta la mitad de la cuba en

el centro del alto horno. En la zona cohesiva, los materiales alcanzan alrededor de 1200 °C y

comienzan a ablandarse y fundirse con excepción de las partículas de coque.

4. Zona de coque activo/zona de goteo: debajo de la zona cohesiva, donde se completa la reducción

final del hierro metálico. La escoria fundida y el hierro fundido forman gotas a través de la capa de

coque.

5. Hombre muerto: lecho compacto y poroso de partículas de coque sin reaccionar que se sientan o

flotan en el crisol. La carburación del arrabio tiene lugar dentro del hombre muerto.

Reacciones de reducción y temperatura de la carga

Reacciones Químicas: Reducción Directa

Los estados relevantes de la alimentación de mineral de hierro se indican en el orden de la hematita,

la magnetita, la wustita y a través de FeO0.5 a hierro metálico. El proceso de reducción de las partículas

de mineral de hierro (pélets o sínter) es un proceso de eliminación del oxígeno de los óxidos de hierro.

Reducción directa y reducción indirecta

La reducción de los óxidos de hierro se realiza mediante los gases de CO y H2, así como también por

las partículas de coque sólido. El gas de CO se genera a través de la combustión del coque en el dardo

(raceway) y de la reacción de la gasificación denominada reacción Boudouard a una temperatura por

encima de los 1100 °C.

Reducción directa

El óxido de hierro de baja valencia (FeO) reacciona directamente con las partículas de coque en la

zona caliente por encima del dardo (raceway), generando hierro metálico y gas de CO. En realidad,

ocurre en 2 procesos consecutivos: reducción de CO del FeO y conversión inmediata de CO2 a CO en

contacto con el coque:

(1) FeO + CO = Fe + CO2

(2) CO2 + C = 2CO

Total FeO + C = Fe + CO

En un alto horno moderno, la reducción directa elimina alrededor de 1/3 del oxígeno de la carga,

dejando que el 2/3 restante sea eliminado por la reacción de reducción del gas (reducción indirecta).

La reducción directa usa carbono (coque) como reductor y genera gas de CO extra. La reducción

directa cuesta mucha energía. La reducción directa también se llama pérdida de solución (definida

como la cantidad de coque que se usa para la reducción) y puede calcularse y monitorearse en línea.

Reacciones Químicas: Reducción Indirecta

Reducción indirecta

También se denomina reducción del gas. La reducción del gas tiene lugar entre el CO o el H 2 y los

materiales sólidos de la carga de los óxidos de hierro. Elimina alrededor de 2/3 del total de oxígeno en

el mineral de hierro. A continuación se muestran las reacciones de la reducción directa con CO:

Hematita: 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2

Magnetita: Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2

Wustita: 2FeO + CO = 2FeO0.5 + CO2

Siguiendo la carga que desciende del tragante, la reducción de hematita a magnetita comienza a

alrededor de los 500 °C. La reducción de magnetita a wustita ocurre en la zona de temperatura de los

600 a los 900 °C. La reducción de wustita a FeO0.5 ocurre a los 900 -1100 °C. Al comienzo de la

temperatura de fusión (1100–1150 °C) todo el FeO se convierte a FeO0.5. La reducción de FeO0.5 ocurre

por reducción directa en forma de una reacción líquida-sólida.

El gas de CO en la reducción indirecta se genera en el dardo (raceway), en donde las partículas de

coque son quemadas por el viento caliente:

C + 0,5O2 = CO + 111 kJ mol-1 calor

La energía de combustión se usa para calentar la carga y el gas de CO generado se usa para reducir

los óxidos de hierro. La reducción indirecta es controlada por la temperatura y la presión parcial de

CO.

Reducción directa con hidrógeno

El hidrógeno se forma de la humedad del viento y de los inyectantes en el dardo (raceway). La

reducción de los óxidos de hierro con hidrógeno es comparable a la reducción con monóxido de

carbono. El hidrógeno es más eficaz para la reducción por encima de los 900 °C. El coeficiente de

utilización de hidrógeno medido del gas del tragante es de alrededor del 40%, mientras que el

coeficiente de utilización de CO es de alrededor del 50%.

Productos obtenidos del Alto Horno

Cuchara torpedo

Los materiales descargados del alto horno son arrabio a 1.803 K (1.530 °C), alrededor de 300 kg de

escoria fundida por tonelada de arrabio y gases de escape que contienen polvo descargados por el

tragante del horno.

Arrabio: Es vertido en una cuchara torpedo donde se lo somete a un tratamiento previo y

luego se transfiere a una acería.

Escoria fundida Es triturada después del enfriamiento y reciclada como material para firme de

carreteras y para la fabricación de cementos.

Gas del Tragante Después de la eliminación del polvo, se usa como combustible para las

estufas Cowper para precalentar el aire soplado o para hornos de recalentamiento.

Arrabio

El arrabio es el producto principal del proceso de los altos hornos. Es hierro saturado en carbono con

una cantidad de impurezas tales como silicio, manganeso, azufre y fósforo. Se descarga por el crisol

del alto horno a una temperatura de 1480 °C y 1520 °C. En la siguiente tabla puede verse la

composición típica del arrabio.

Elemento  Típico

(wt%)

Hierro Fe 94.5

Carbono C 4.5

Silicio Si 0.40

   

Manganeso Mn 0.30

Azufre S 0.03

Fósforo P 0.07

Escoria

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La escoria se forma a partir del material de la ganga de la carga, las cenizas del coque y de otros

reductores auxiliares. Durante el proceso del alto horno, la escoria primaria se convierte en escoria

final. Cuatro componentes principales (SiO2, CaO, MgO and Al2O3) constituyen alrededor del 96% de la

escoria. En la siguiente tabla se muestran las composiciones típicas de la escoria y los rangos. Los

componentes menores son MnO, TiO2, K2O, Na2O, S and P.

Componente Típico Rango

CaO 40% 34-42%

MgO 10% 6-12%

SiO2 36% 28-38%

Al2O3 10% 8-20%

Sulfuro 1%  

Composición de la escoria de pélets típicas y calidades de sínter

Escoria Primaria y Escoria Final

La escoria primaria se forma durante el proceso de fusión de la carga antes de la solución de los

componentes de las cenizas del coque en la escoria. La temperatura de fase líquida es mucho más

baja debido al alto contenido de FeO. El gráfico de abajo muestra la influencia del contenido de FeO

sobre la reducción en la temperatura de fase líquida de la escoria primaria. A cerca de 1200 °C.

Escoria Final e Interacciones entre la Escoria y el Metal

La escoria final se forma después de la reducción directa de FeO en la escoria primaria y de la

disolución de SiO2 de la ceniza. La temperatura de fusión de la escoria final es de alrededor de

1300 °C. La formación de la escoria final se completa en la zona de combustión. La escoria final circula

junto con el hierro fundido hacia el crisol. Gotitas de hierro pasan a través de la capa de escoria para

formar la pileta de metal fundido. Durante este pasaje, la escoria reacciona con el metal y ocurre una

transferencia de Si, Mn y S entre el metal y la escoria, tendiendo a obtener el equilibrio. La naturaleza,

la composición y la cantidad de la escoria final en el crisol controlan la composición del arrabio y la

productividad del alto horno.

Propiedades importantes de la escoria:

1. Temperatura de fusión (rango);

2. Basicidad de la escoria;

3. Viscosidad;

4. Capacidad del sulfuro.

La temperatura de fase líquida del alto horno es de alrededor de 1300 °C, como se ilustra en el

diagrama de fase de SiO2-CaO-MgO con 10% Al2O3.

Cinética de la Reducción del Mineral de Hierro

La reducción del mineral de hierro por los gases de carbono y de hidrógeno es un proceso muy

complicado. Para una mejor comprensión de los factores que influencian la reductibilidad de los

minerales, sínters y pélets a continuación figura una vista muy simplificada de las reacciones de

control de la velocidad. En la mayoría de los casos, el mineral de hierro se encuentra en la forma de

hematita, y la reducción comienza de la hematita y procede en el siguiente orden: hematita (Fe 2O3) >

magnetita (Fe3O4) > wustita (FeO) > hierro metálico (Fe).

3Fe2O3 + CO (H2) = 2Fe3O4 + CO2 (H2O)

Fe2O3 + CO (H2) = 3FeO + CO2 (H2O)

FeO + CO (H2) = 2Fe + CO2 (H2O)

Proceso de reducción: Comenzando con una esfera densa de hematita (similar a los pélets), una

reducción inicial con CO o H2 produce una capa de hierro metálico en contacto con la wustita. Hacia

adentro desde la wustita hay una capa de magnetita que rodea el centro de la hematita. Tal estructura

en capas es típica del gas topoquímico: relaciones sólidas en las que la interfase de reacción entre los

reductores sólidos y los productos sólidos se mueve en forma paralela a la superficie sólida original.