Es interesante para cualquier ciudadano de Puerto Sagunto y de todo el mundo conocer un poco sobre la tecnología que se empleaba en los Altos Hornos. La tecnología de altos hornos (BF) ha sido fundamental para la fabricación de acero durante siglos. Hoy en día, los altos hornos producen alrededor del 90 % del hierro mundial, un paso crucial en el proceso de producción de acero.
El alto horno es un horno de cuba y la unidad de fundición de mineral de hierro más importante del mundo. A partir de minerales de hierro procesados (en su mayoría óxidos) y aditivos, se produce arrabio líquido en un proceso continuo de reducción y fusión. El mineral de hierro se reduce con coque. El alto horno funciona según el principio de contracorriente, con el suministro de mineral de hierro y coque desde la parte superior al alto horno y el aire caliente enriquecido con oxígeno necesario para el proceso de combustión del coque, soplado desde abajo a través de toberas. En el horno se forman zonas de combustión, fusión y reducción de abajo hacia arriba.
Estructura y Componentes del Alto Horno
Un alto horno es un horno de cuba, formado por dos troncos de cono unidos por sus bases mayores. El tronco superior recibe el nombre de cuba, y el inferior se llama etalajes. La zona intermedia se llama vientre. Un alto horno típico está formado por una cápsula cilíndrica de acero de unos 30 metros de alto forrada con un material no metálico y resistente al calor, como asbesto o ladrillos refractarios. El diámetro de la cápsula disminuye hacia arriba y hacia abajo, y es máximo en un punto situado aproximadamente a una cuarta parte de su altura total.
Las paredes solían ser de barro y estaban reforzadas con rejilla de hierro. El suelo solía estar inclinado unos 30 grados para una mejor recogida del hierro fundido. Cerca del fondo se encuentra un orificio por el que fluye el arrabio cuando se sangra (o vacía) el alto horno.
El Crisol
El crisol de material refractario a base de carbono con conductividad térmica muy alta (el enfriamiento del crisol crea una capa de fundición solidificada que protege los ladrillos). La vida del crisol se ha duplicado en 30 años: era de 10 años en 1980, la duración actual es de 20 años. Se ha logrado una mejora del enfriamiento de la cuba.
Funcionamiento del Alto Horno
Los altos hornos operan en continuo. Esto quiere decir que la forma de trabajo no consiste en introducir la mezcla con los reactivos, dejar que el horno funcione durante un determinado tiempo y que haya que detenerlo para extraer los productos. En un alto horno se introducen las materias primas sólidas por la parte superior y los productos, más densos, se extraen por la parte inferior de forma continua.
Carga del Horno
El horno es alimentado con una mezcla de mineral de hierro, carbón de coque y fundente, generalmente piedra caliza. Se cargaba con limonita o mineral de hierro de hulla y, según la construcción, con carbón vegetal o coque. La mezcla se va alimentando al horno a través de la parte superior, llamada tragante.
Inyección de Aire Caliente
Por la parte inferior del horno se inyecta por unas toberas aire caliente. El aire se inyectaba mediante un ventilador de pistón. El uso de oxígeno es especialmente eficaz cuando el sistema de entrada proporciona una gran profundidad de penetración en el lecho de coque.
Procesos Químicos
El hierro se convertirá en arrabio gracias a los procesos físico-químicos que tienen lugar en el alto horno (debidos al calor y presencia de Carbono en forma de CO y CO2), para liberar al mineral de hierro de impurezas y del oxígeno que lo oxida. En este proceso de fusión se forma una masa de acero líquido cubierta por una escoria fluida en la que se van quedando gran parte de las impurezas.
El coque cumple dos funciones principales:
- Combustible, aportando el calor necesario para la fusión de la escoria y del metal.
- Soporte de la carga y responsable de la permeabilidad de la misma, dada su gran porosidad.
El fundente, generalmente piedra caliza, reduce la temperatura de fusión del hierro.
Extracción de Productos
El hierro fundido queda en la capa inferior del crisol y la escoria en la superior. Periódicamente se vacía la parte baja del horno (crisol) y se elimina la escoria. En el dibujo están marcados los orificios de salida del arrabio y el de la escoria con las impurezas.
Una vez obtenido el arrabio líquido, se lleva al convertidor o a un horno de arco eléctrico a través del torpedo (transporte) para ser afinado ajustando su contenido de carbono y eliminando impurezas como el silicio o el fósforo, añadiendo en su caso otros elementos aleantes para obtener determinadas propiedades (como cromo, níquel, wolframio o cobalto entre otros).
El arrabio es transportado en cucharas cerradas para conservarlo en estado líquido hasta las instalaciones de afino donde se realiza la metalurgia secundaria. Este proceso va a determinar tanto la composición química del acero, como su calidad metalúrgica en cuanto a limpieza de impurezas y bajo contenido de gases como oxígeno y nitrógeno.
El tipo de instalación más utilizado es el convertidor LD, que es un recipiente cilíndrico con la parte superior cónica en el que se deposita el hierro líquido al que se le inyecta oxígeno que mantiene su temperatura y facilita la limpieza de impurezas.
Control y Estabilidad del Alto Horno
En la producción de hierro, es muy importante mantener la estabilidad del funcionamiento de los altos hornos. Los parámetros clave que afectan esta estabilidad incluyen la temperatura del horno, el peso de los ingredientes de mineral, la alcalinidad de la escoria, la relación de carga, la presión del viento y la temperatura y la presión superior.
- Temperatura del Horno: Mantener una temperatura estable del horno ayuda a mantener la altura adecuada de la zona de caída, estabilizar la diferencia de presión de la torre de alimentación, mejorar la capacidad de desulfuración de la escoria y mejorar la fluidez de la escoria. Es beneficioso mantener una temperatura ligeramente superior en la columna de material y en el centro del horno, lo que ayuda a eliminar la zona muerta dentro de la columna de material.
- Peso de los Ingredientes del Mineral: Cuando las condiciones del combustible son buenas, es esencial seleccionar el peso adecuado de los ingredientes de mineral y ajustarlo de acuerdo con las condiciones del horno y la distribución del flujo de aire. Esto ayuda a mantener una distribución equilibrada del flujo de aire, una mayor utilización del gas, la resistencia a la fundición y la eficiencia del Alto horno.
- Tamaño del Lote de Mineral: El tamaño del lote de mineral afecta significativamente la diferencia de presión de la columna de material. El tamaño óptimo del lote debe garantizar de 7 a 9 lotes de materiales por hora, personalizados de acuerdo con las características de fundición y la variedad de arrabio.
- Alcalinidad de la Escoria: Fluidez y viscosidad de la escoria: una alcalinidad estable ayuda a mantener la fluidez y adherencia de la escoria. La escoria se adhiere a la pared del horno para formar una piel de escoria protectora, lo que prolonga la vida útil del revestimiento del horno.
- Relación de Carga: La proporción implica no solo equilibrar minerales ácidos y alcalinos, sino también la proporción de flujos, residuos y coque. Las tasas estables son esenciales para determinar la cantidad de diversos materiales en los altos hornos, seleccionar indicadores técnicos de producción y parámetros de proceso, y analizar cuantitativamente exhaustivamente el proceso de fundición y el uso de energía.
- Volumen de Aire y Presión del Viento: El funcionamiento del Alto horno debe mantener un suministro estable de aire y un volumen de aire suficiente para promover un tipo de horno razonable y una distribución uniforme del flujo de gas. La operación de alta presión mejora la permeabilidad de la columna de material, reduce el flujo de gas en el horno, aumenta la producción, reduce la relación de coque y ayuda a estabilizar el Estado del horno.
- Diferencia de Presión: Reduce la diferencia de presión y reduce la resistencia a la caída de la carga eléctrica. Mantener la diferencia de presión sin cambios puede aumentar el volumen de aire y mejorar la resistencia de la fundición. La diferencia de presión, es decir, la diferencia entre la presión del viento y la presión de la parte superior del horno, refleja el cambio en la transpirabilidad del Alto horno. Bajo la operación de presión superior fija, la diferencia de presión puede juzgar con mayor precisión los cambios en la transpirabilidad de la columna de material, especialmente durante el proceso de recuperación del colapso, suspensión u otras condiciones del horno. La diferencia de presión estable puede garantizar el funcionamiento estable del horno. En el Estado de alta relación carbón, la carga de coque aumenta significativamente, lo que reduce el espesor del esqueleto de la columna de material y la capa de coque, prolonga el tiempo de permanencia del coque en el horno y conduce a un aumento de la diferencia de presión.
Animación de un horno de procesos (Algunas Partes)
Evolución Histórica de los Altos Hornos
La primera construcción para obtener el hierro fue el horno bajo. En su forma más primitiva, llamada «bajo hogar» era un agujero en el suelo de unos 30 cm de diámetro, lleno de carbón vegetal y mineral. El fuego se avivaba generalmente mediante un fuelle de cuero. A las diez horas el horno era demolido y se obtenía una mezcla heterogénea incandescente con más o menos hierro reducido y escoria, del tamaño del puño.
La evolución hacia el horno bajo clásico consistió en hacer más alta la construcción y equiparla con una abertura lateral en su base para facilitar el suministro de aire. Una corta chimenea facilitaba la recarga del horno durante la operación y activaba el tiro. El contenido de hierro de la escoria disminuye al aumentar la temperatura. Entonces se aviva el fuego fortaleciendo el tiro natural aumentando la altura adosando, por ejemplo, la construcción a un muro de contención o terraplén. Del mismo modo, los fuelles permitían un suministro de aire más eficiente y mejor controlado. Estos «hornos de tiro natural» y fuelles producían una mezcla con un peso que iba desde unos pocos kilogramos a varios quintales después de un tiempo de 4 a 20 horas. Esta mezcla es despojada de inmediato de los trozos de carbón y de la escoria mediante una limpieza alternada con varios recalentamientos, y finalmente se forjaba para obtener los objetos deseados. En Europa Occidental, las instalaciones y las forjas adyacentes estuvieron muy extendidas hasta el siglo XVIII.
Los chinos empezaron a fundir el hierro desde el siglo V a.C. En Japón se importó el horno bajo del continente en el siglo VIII. La técnica se fue perfeccionando hasta desembocar durante el siglo XV en el tatara. La configuración del horno cambia en función del producto deseado: las tataras altas de 0,9 a 1,2 m estaban destinados a la fabricación de acero; las de 1,2 m producían fundición blanca que se extraía del horno después de que se solidificara. La permeabilidad baja de las arenas ferruginosas usadas limitaba la altura a 1,6 m, y por lo tanto bloqueó la progresión al alto horno. El hierro obtenido a partir de una mezcla producida en la parte inferior del horno era después fundido en hornos similares a cúpulas.
Cuando la mezcla se calentaba se ponía en contacto con carbón vegetal, que absorbía el carbono del combustible hasta saturarlo, obteniéndose así la fundición homogénea y libre de las impurezas de la mezcla. Los chinos desarrollaron el refino del hierro. Estos altos hornos primitivos se construyeron de arcilla y se usaba un aditivo, una «tierra negra» que contenía fósforo. Durante la dinastía Han la técnica se desarrolló mucho y la industria del hierro fue nacionalizada. Durante el siglo IV la industria china del hierro adoptó la hulla para fundir el hierro y el acero. Sin embargo, si los procesos desarrollados garantizaban la ausencia de contaminación del metal por el contenido en azufre de la hulla, no hay muestras de un uso de la hulla en el alto horno.
En el siglo XIX estos hornos tenían la forma de un tronco de cono invertido de 2 m de altura, con un diámetro interno de entre 1,2 a 0,6 m de arriba abajo. Las paredes eran de barro y estaban reforzadas con rejilla de hierro. El suelo solía estar inclinado unos 30 grados para una mejor recogida del hierro fundido. Se cargaba con limonita o mineral de hierro de hulla y, según la construcción, con carbón vegetal o coque. El aire se inyectaba mediante un ventilador de pistón. Esta tecnología desaparece al comienzo del siglo XX. En 1900 se encontró un horno alto similar en el Bulacan, en las Filipinas.
Desafíos y Futuro de los Altos Hornos
Sin embargo, debido a la alta intensidad de carbono en la producción de altos hornos, este paso también emite... El problema fundamental es que la fabricación de hierro en altos hornos depende del coque, un tipo de carbón refinado que actúa como fuente de calor y reductor químico. En la mayoría de las configuraciones de fabricación de acero, como BF-BOF, los altos hornos contribuyen a más emisiones de carbono que cualquier otra unidad en alternativas como el horno de arco eléctrico (EAF) alimentado con chatarra o la producción de EAF con hierro de reducción directa (DRI).
Para la producción de hierro, la principal alternativa de bajas emisiones es el DRI, especialmente cuando se combina con hornos de arco eléctrico (EAF). El sistema DRI-EAF ofrece la vía más clara y probada disponible para descarbonizar la producción de acero primario. La descarbonización de la industria siderúrgica se basa en la eliminación gradual de los altos hornos.
Este es un momento crítico en la industria siderúrgica. Los altos hornos suelen someterse a un importante proyecto de revestimiento cada 15-20 años, lo que implica mejoras que requieren un alto costo de capital para prolongar la vida útil de la unidad. Por lo tanto, la trayectoria de la India tiene el potencial de influir en toda la industria siderúrgica, al igual que la de China.
Reducir las emisiones globales de hierro y acero implica abordar el parque de altos hornos: desarrollar planes integrales de eliminación gradual de las unidades operativas y reemplazar los nuevos proyectos de altos hornos con tecnologías más limpias. El horno de arco eléctrico de baja temperatura (DRI-EAF) es una alternativa comercialmente disponible y ofrece una ruta con emisiones bajas o incluso nulas para la producción de acero primario. Si no se toman medidas urgentes, la transición siderúrgica está en riesgo, pero aún es posible cambiar de rumbo.