través de las toberas
VI. Validación del modelo matemático
En esta sección se demuestra que el modelo matemático:
1)
Obedece las tendencias de un alto horno operativo cuando se modifican algunas variables de proceso.2)
Predice la alimentación de coque, soplo y fundentes de un alto horno operativo que permite la inyección de combustibles a través de las toberas.En la Tabla 11 se muestran los efectos predichos por el presente modelo (para una operación típica) y los efectos observados de (i) la inyección de aditivos por las toberas y (ii) la temperatura de soplo sobre los requisitos de coque y de soplo en altos hornos grandes y eficientes.
Tabla 11. Comparación entre efectos predichos y observados.
Variable Unidades de la variable Predicho Real 24) Predicho Real 24) Rango industrial de la
adición 24)
Oxígeno 1% de enriquecimiento +0.9 a +1.1 "pequeña
merma" -31.0 a -42-0 -40.0 0 a 6%
Temperatura del soplo 100K de incremento -8.0 a -11-0 -8.0 a -20.0 -41.0 a -62.0 -- 1200 a 1800K
Gas natural 1 m^3N/ton arrabio líq. 0.7 -0.5 a-2.0 1.0 -- 0 a 50 m^3N/ton arrabio líq.
Aceite 1 kg/ton arrabio líq. -1.0 -1.0 a-1.4 +0.6 -- 0 a 150 kg/ton arrabio líq.
Carbón pulverizado 1 kg/ton arrabio líq. -0.9 -0.8 a-1.1 +0.4 -- 0 a 150 kg/ton arrabio líq.
Efecto Requerimientos de coque
(kg/ton arrabio líq)
Requerimientos de soplo (m^3N/ton arrabio líq)
**Composición del coque: 90.3% C, 9.7% cenizas.
**Composición del oxígeno: 100% en volumen; temperatura de inyección = 1400K.
**Composición del gas natural: 100% en volumen de CH4; temperatura de inyección = 298.15K
**Composición del aceite combustible: 86% C, 14% H; Temperatura de inyección = 298.15K
Para validar las predicciones del modelo se seleccionaron dos altos hornos. El primero es un alto horno Sueco que produce 2,295 toneladas de arrabio diariamente 35). Los datos técnicos, así como sus datos operacionales se muestran en las Tablas 12 y 13 respectivamente.
La calidad de las materias primas que se alimentan a este alto horno se muestra en la Tabla 14.
Tabla 12. Datos técnicos del alto horno número 4 de la compañía sueca SSAB Oxelösund AB.
Datos técnicos Valor Diámetro de crisol (m) 8.6
Número de toberas 20 Inyección de aire seco (m3N/ton arrabio líquido) 1254.9
Temperatura de soplo (ºC) 1000.0
Tabla 13. Datos operacionales del alto horno número 4 de la compañía sueca SSAB Oxelösund AB.
Datos de operación Valor
Productividad (ton arrabio líquido/día) 2295.0
Carga
"Pellets" (kg/ton arrabio líquido) 1361.0
Piedra Caliza (kg/ton arrabio líquido) 64.0
Escoria BOF (kg/ton arrabio líquido) 33.0
Cuarzita (kg/ton arrabio líquido) 13.0
Briqueta (kg/ton arrabio líquido) 46.0
Combustible
Coque (kg/ton arrabio líquido) 379.0
Carbón pulverizado (kg/ton arrabio líquido) 90.0
Temperatura de arrabio líquido (ºC) 1469.0
En la Tabla 15 se muestra la comparación entre las predicciones del modelo y los datos operativos.
Como podrá verse en la Tabla 15 se ha incluido además la predicción de la alimentación necesaria de mineral de hierro y dolomita. Esta última no esta reportada en la Tabla 13, sin embargo el modelo la calcula con el fin de ajustar la relación de CaO:MgO en la escoria.
Tabla 14. Datos de materias primas alimentadas al alto horno número 4 de la compañía sueca SSAB Oxelösund AB. Los números representan porcentajes en masa.
Fetotal CaO MgO SiO2 Al2O3 TiO2 V2O5 Na2O K2O P S MnO H2O
"Pellets" MPBO 66.700 0.370 1.400 1.990 0.450 0.300 0.210 0.043 0.018 0.006 0.001 0.050 1.060 KPBO 66.700 0.270 1.550 2.030 0.220 0.260 0.200 0.043 0.035 0.024 0.001 0.080 1.100 Aditivos Piedra caliza 1.500 50.600 1.500 2.300 1.000 0.030 0.030 0.060 0.280 0.006 0.068 0.020 1.700 Escoria de BOF 13.000 47.500 12.100 14.300 1.400 1.200 2.300 0.010 0.010 0.302 0.080 4.130 1.500 Cuarzita 0.100 <0.1 <0.1 98.600 0.600 0.030 0.010 0.020 0.160 0.002 no disp 0.090 0.800 Briqueta 59.200 13.900 2.000 7.900 2.000 0.440 0.310 0.010 0.400 0.026 0.275 4.250 4.300 Combustible Coque 0.400 0.160 0.080 4.960 2.530 0.140 no disp 0.050 0.130 0.012 0.660 0.010 5.500 Carbon 0.300 0.260 0.210 4.180 1.530 0.080 no disp 0.200 0.090 0.006 0.830 0.010 0.700
Tabla 15. Comparación entre datos operativos y predichos para el alto horno número 4 de la compañía sueca SSAB Oxelösund AB.
Alto horno Datos de operación Modelación Real Desviación Coque (kg/ton arrabio líq.) 386.1595 379.0000 -1.89% Aire seco (m^3N/ton arrabio líq.) 1260.9842 1254.9000 -0.48% Piedra caliza (kg/ton arrabio líq.) 61.5747 64.0000 3.79% Dolomita (kg/ton arrabio líq.) 6.8469 -- -- Mineral de Hierro
("Pellets" MPBO y KPBO) (kg/ton arrabio líq.)
1370.3117 1364.0000 -0.46% Escoria producida
(kg/ton arrabio líq.) 179.5563 164.0000 -9.49% No. 4
Adicionalmente a las predicciones, en la Tabla 16 se muestra que la modelación realizada para el horno sueco cumple con las condiciones estequiométrica y térmica (ver ecuaciones 159,160, y 180)
La única variable cuya predicción difiere notablemente del valor observado en la práctica es la cantidad de escoria producida. Esta discrepancia de debe a las ecuaciones experimentales que se consideraron para calcular la repartición de especies en la parte baja del crisol. La distribución arrabio-escoria de Mn, Si, y S obtenida con el presente modelo, predijo menos impurezas en el arrabio que aquellas reportadas en el alto horno sueco. De haber tenido más impurezas el arrabio en la modelación, se habría producido menos escoria y la predicción hubiera sido más acertada.
El segundo horno seleccionado pertenece a la compañía acerera Siderar. El alto horno número 2 de esta compañía produce 6620 toneladas de arrabio líquido por día. Los datos técnicos, datos operacionales, y datos de materias primas para este alto horno, se muestran en las Tablas 17, 18 y 19 37).
Tabla 16. Resultados para probar la validez estequiométrica y térmica de la modelación realizada para el alto horno número 4 de la compañía sueca SSAB Oxelösund AB
.
Variable del
modelo Unidades
Resultado
modelación Condición
(O/C)G kgmol O/kgmol C 1.5348 ≥1 y ≤2
(O/H2)G kgmol O/kgmol H2 0.5799 ≤1
TG K 514.2631 ≥Tp y ≥TAlim
Tabla 17. Datos técnicos del alto horno número 2 de Siderar.
Datos técnicos Valor Diámetro de crisol (m) 10.4 Número de toberas 27 Temperatura de soplo (ºC) 1150.0
Tabla 18. Datos operacionales del alto horno número 2 de Siderar. Datos de operación Valor Productividad (ton arrabio líquido/día) 6620.0
Carga
Sinter (% en peso) 32.000% "Pellet" (% en peso) 33.000% Hierro en trozos (% en peso) 35.000% Mineral de Manganeso (kg/ton arrabio líquido) 11.6
Cuarzo en trozo (kg/ton arrabio líquido) 38.0 Temperatura de la carga sólida (ºC) 25.0
Combustible
Coque (kg/ton arrabio líquido) 362.0 Gas natural (kg/ton arrabio líquido) 106.0
Inyección de aditivos
% enriquecimiento sel soplo con oxígeno puro 9.470% Humedad (kg/ton arrabio líquido) 14.8 Calidad del arrabio líquido (% en masa)
Si 0.350%
S 0.026%
Temperatura de arrabio líquido (ºC) 1480.0 Temperatura de la escoria (ºC) 1534.0 Generación de polvos de tragante
Polvos (kg/ton arrabio líquido) 33.0 Temperatura de los polvos de tragante (ºC) 150.0
Tabla 19. Datos de materias primas para el alto horno número 2 de Siderar.
% en masa Fe total C MnO SiO2 CaO MgO Al2O3 P S Na2O K2O ZnO TiO2 V2O5
Mena y aditivos Hierro en trozos 66.9850% 0.1200% 2.4030% 0.0040% 0.0070% 2.0100% 0.0440% 0.0140% 0.0200% 0.0200% 0.0000% 0.7000% "Pellet" 65.9179% 0.0000% 0.0290% 2.3900% 2.6400% 0.0420% 0.5200% 0.0270% 0.0240% 0.0060% 0.0060% 0.1530% 0.0050% Sinter 55.4557% 0.0000% 0.0290% 5.2000% 8.2000% 6.1000% 1.1000% 0.0340% 0.0240% 0.0250% 0.0250% 0.0000% 0.0050% Mineral de Mn 5.3856% 30.4110% 12.5410% 8.3120% 6.3300% 2.2510% 0.0000% 0.0000% 0.0540% 0.0920% 0.0080% 0.0000% Piedra caliza 0.5526% 0.0280% 0.8900% 53.8600% 0.9340% 0.0340% 0.0570% 0.0200% 0.0280% 0.0680% 0.0030% 0.0000% Cuarzo 0.6155% 0.0000% 95.9300% 0.6970% 0.0810% 0.2520% 0.0000% 0.0200% 0.9000% 0.6000% 0.0050% 0.0000% Combustible Coque 1.0385% 88.5000% 0.0000% 3.9557% 0.5000% 0.3000% 0.5000% 0.0014% 1.0000% 0.1237% 0.0707% 0.0442% 0.0106% 0.0000%
En la Tabla 20 se muestra la comparación entre las predicciones del modelo y los datos operativos.
Como podrá observarse de la Tabla 20, la concordancia entre lo predicho y lo observado en la práctica está dentro de la exactitud esperada del modelo (±5%). Desafortunadamente no se cuenta con más datos de planta para compararlos con otras predicciones obtenidas.
Adicionalmente a las predicciones, en la Tabla 21 se muestra que la modelación realizada para el horno número 2 de Siderar cumple con las condiciones estequiométrica y térmica (ver ecuaciones 159,160, y 180)
Tabla 20. Comparación entre datos operativos reales y predichos para el alto horno número 2 de Siderar.
Modelación Real Desviación
Calidad del arrabio líquido
Si % 0.3487% 0.3500% 0.3776%
S% 0.0249% 0.0260% 4.2157%
Consumo de combustible
Coque kg/ton arrab. Líq. 348.9159 362.0000 3.6144%
Gas Natural kg/ton arrab. Líq. 106.0000 106.0000 No aplica
Consumo de combustible kg/ton arrab. Líq. 454.9159 468.0000 2.7957%
% de enriquecimiento de oxígeno 9.4700% 9.4700% No aplica
Tabla 21. Resultados para probar la validez estequiométrica y térmica de la modelación realizada para el alto horno número 2 de Siderar.
Variable del
modelo Unidades
Resultado
modelación Condición (O/C)G kgmol O/kgmol C 1.2939 ≥1 y ≤2 (O/H2)G kgmol O/kgmol H2 0.3889 ≤1