I N D I C E
PARTE I
P
ROCESOS,
RIESGOS,
MEDIDAS PREVENTIVAS Y EQUIPOS DE PROTECCIÓN INDIVIDUALCapítulo 1.- Parque de minerales ... 6
• Parque de carbones
• Baterías de cok
Capítulo 2.- Horno Alto... 18
• Instalaciones principales
• Instalaciones auxiliares
• Horno Alto
Capítulo 3.- Parque de materias primas férricas (Chatarra) ... 54 Capítulo 4.- Acería ... 64
• Convertidor de oxígeno
• Horno eléctrico
Capítulo 5.- Laminación ... 106
• Laminación en caliente
• Laminación en frío
Capítulo 6.- Recubiertos ... 152
• Líneas de estañado
• Galvanizado por inmersión en caliente
•
Galvanizado por electrolisisCapítulo 7.- Primera transformación ... 196
• Tubos con soldadura
• Tubos sin soldadura
•
FlejeCapítulo 8.- Oficinas ... 218
PARTE II
N
ORMAS DE SEGURIDAD EN LA UTILIZACIÓN DE MEDIOS PARA EL MOVIMIENTO Y TRANSPORTE DE CARGAS,
MATERIALES Y PRODUCTOSCapítulo 1.- Puentes grúa y carretillas elevadoras ... 228
Capítulo 2.- Camión de transporte y dúmper ... 248
Capítulo 3.- Escaleras de mano, plataformas elevadoras y andamios ... 256
Capítulo 4.- Operaciones de mantenimiento en equipos de trabajo e instalaciones ... 264
Capítulo 5.- Trabajos en altura ... 268
Capítulo 6.- Transporte de materiales ... 272
Capítulo 7.- Equipos de protección individual ... 276
Capítulo 8.- Incendios ... 288
PARTE I
PROCESOS, RIESGOS, MEDIDAS PREVENTIVAS Y EQUIPOS DE
PROTECCIÓN INDIVIDUAL
Ca C ap p ít í tu u l l o o 1. 1 . - - PA P AR RQ Q UE U E DE D E M M I I NE N E RA R AL LE ES S
El parque de minerales es el lugar en que se agrupan los minerales a su llegada a la factoría.
Se trata de una amplia explanada situada a la intemperie. En ella se apilan según un sistema concreto las diferentes entradas de mineral de que disponga la fábrica en cuestión.
Habitualmente en las principales compañías siderúrgicas se recibe mineral de diferentes plantas de tratamiento, de distintas partes del mundo.
Esto implicará que los envíos de mineral recibidos tendrán características diferentes, debido a que en unas regiones los minerales son más fosforosos que en otras, o quizás el mineral recibido de una fuente tendrá ganga siliciosa mientras que en otros envíos la ganga será caliza, etc. Existen múltiples posibilidades de diferenciación.
Sin embargo, por razones de marcha, interesa que la carga del Horno Alto sea lo más homogénea posible, y lo mismo puede decirse del sínter.
La secuencia de operaciones a que es sometido el material que llega al parque de minerales es la siguiente:
R
Reecceeppcciióónn ddeell mmiinneerraall
A
Allmmacaceennaammiieennttoo
HHoommooggeenneeiizzaacciióónn,, llaa qquuee rreeqquuiieerree mmááss c
cuuiiddaaddoo
SSuummiinniissttrroo ddee eessttee mmiinneerraall yyaa
h
hoommogogeenneerriizzaaddoo aall hhoorrnnoo aallttoo,, yy aa llooss pprroocceessooss ddee aagglloommeerraacciióónn..
Descripción del proceso
Las entradas de materiales en el parque tienen lugar a través de una serie de tolvas de recepción que se comunican mediante cintas transportadoras tanto con los puntos en que se reciben los envíos (por camión, ferrocarril, barco), como con el parque de minerales. La extracción de materiales de las tolvas puede tener lugar mediante canaletas vibrantes.
En estas tolvas no solamente se recibe mineral, sino también pelets, fundentes, finos de cok y recuperaciones.
Vamos a dar unas cifras representativas de un parque de mineral de hierro medio:
- extensión: 50.000 m3
- capacidad de almacenamiento: 400.000 t
- altura de apilado: 10-15 m
- capacidad de apilado de rotopalas: 1000 m3 /h
- capacidad de recogida del rastrillo. 500 m3 /h
A su llegada al parque, los minerales se clasifican en finos (< 10 mm) y gruesos, o granos (> 10 mm), que se apilan en pilas diferentes, pues su destino es distinto.
El control de la cantidad de material que llega al parque se hace mediante unas básculas de cinta, en las cintas transportadoras.
Los gruesos se mandan a Horno Alto, pues su granulometría es adecuada. Los finos han de ir a sinterización (el proceso aglomerante más extendido), por no ser adecuados para cargarse de forma directa en el Horno Alto. En él, al tiempo que hay una marcha descendente de la carga sólida, hay una ascensión de gases, de manera que si hay una cantidad apreciable de finos, se agruparían cegando los huecos entre los pedazos más grandes de mineral, cok y fundentes; el flujo de gases quedaría así interrumpido y el proceso en el Horno Alto sería imposible.
Mediante la máquina rotopala, el mineral es almacenado (según su procedencia y granulometría) a su llegada al parque de minerales. Asimismo, posteriormente es también la encargada de recogerlo para que la apiladora construya las parvas de homogeneización.
Los minerales (finos y gruesos, cada fracción por separado) se apilan en las parvas, extensiones de unos 12 m de altura, mediante las máquinas apiladoras. Esto se hace por superposición de capas de mineral de distinta procedencia y por tanto diferentes características mineralógicas.
Las máquinas apiladoras son estructuras rodantes, que se desplazan paralelamente a las extensiones sobre las que harán las pilas o parvas (extensiones denominadas playas) y alimentan una cinta situada en la pluma, transversal al desplazamiento.
• Métodos de apilamiento:
Método Chevron
Consiste en desplazar la apiladora hacia delante y hacia atrás a lo largo de la parva, con la lanza situada de tal forma que el material caiga siempre en el medio de la misma.
En la primera pasada se forma una pila de sección triangular; dispuesta a lo largo de la playa, o terreno donde se va a formar la parva. Las demás pasadas van aumentando el grosor de las capas laterales de este prisma triangular, hasta que finalmente tenemos una parva con tantas capas distintas como pasadas de la apiladora con material diferente.
El principal incoveniente de este método es que si la granulometría de los materiales a Recepción del mineral
Almacenamiento
tamaño de grano, tendiendo los materiales gruesos a caer y depositarse preferentemente en la base y los laterales de la pila.
Sin embargo, si la granulometría es lo bastante similar, el método es bueno y sencillo, con unos requerimientos mínimos de maquinaria. Por ello es el más empleado para la homogeneización de finos con destino a sinterización y a peletización.
Método de pilas paralelas
En este caso se cubre toda el área que va a ocupar la parva con una serie de pequeñas pilas paralelas entre sí y todo a lo largo de la playa. Cuando este primer nivel está completo y cubre toda el área de la base, entonces se empieza el siguiente, rellenando los espacios que hayan quedado entre las pilas de la base, y de esta forma se sigue hasta arriba, siempre rellenando los espacios libres del nivel anterior.
Al final la parva tendrá una sección triangular o trapezoidal, según el ancho que hayamos puesto a la pila. Cada nivel tiene una “pequeña pila” menos que el anterior.
La gran ventaja de este método es que se evita la segregación lateral, por lo que es recomendable en especial para granulometrías muy diferentes. Se emplea mucho en el apilamiento de carbones.
Por otra parte, su principal inconveniente es el requerimiento de maquinaria algo más compleja, por la necesidad de que la pluma ahora se desplace a lo largo y ancho de la pila, según va disponiendo las pequeñas pilas.
Existen variantes de este método, como hacer los niveles siguientes al primero con un cierto giro de la pluma.
También se pueden combinar ambos métodos en cierto modo, haciendo por ejemplo tres pilas Chevron en la base, y después tratarlas como un primer nivel del método de pilas paralelas, con lo que resulta una pila mixta.
Una vez apilado el mineral, se procede a su homogeneización. Esto se hace mediante la recogedora, una máquina dispuesta sobre carriles paralelos a las parvas, dotada de un rastrillo con movimiento oscilante.
Este rastrillo, cuya área es equivalente a la de la sección de la parva, se acopla a ella simultáneamente en toda la extensión de la sección, de modo que arranca mineral de toda ella, al cortar un trozo de la misma.
El producto de este arranque es mineral homogéneo, pues el apilamiento fue constante a lo largo de toda la parva. Este producto se recoge mediante cinta y se envía a su destino, ya sea éste sínter o el Horno Alto.
Homogeneización
P PA AR RQ QU UE E D DE E C CA AR RB BO ON NE ES S
La razón de ser del parque de carbones es la misma que la del parque de minerales, los suministros de hullas se diversifican, pero por razones técnicas la carga de la batería de cok ha de ser lo más homogénea posible, por eso los diferentes carbones que llegan a la factoría deben ser homogeneizados.
A diferencia del parque de minerales, en los de carbones sí existen molinos para la molienda.
Puede ocurrir que los tamaños que llegan a la factoría no sean los adecuados para el proceso de la batería, por lo que han de ser molidos hasta lograr el diámetro necesario.
El resto de la maquinaria es la misma que en el parque de minerales, así como la secuencia del proceso.
Preparación de carbones para coquizar:
En la preparación de pasta de carbones para la fabricación de cok (coquización) hay una serie de factores a tener en cuenta:
- Molienda: se debe procurar que la mayoría de los tamaños estén entre 0.5 y 3 mm. Un exceso de finos es siempre un inconveniente, pues se pueden dispersar en el aire.
Los molinos son por percusión (choque) y compresión.
- Homogeneización de la carga: para lo cual se usa la allanadora. De este modo se evita que durante la carga en las baterías de cok tenga lugar una clasificación por gravedad.
- Ajuste de la densidad de carga: si es demasiado alta, los esfuerzos por empuje contra las paredes de las baterías serán muy grandes. Si es demasiado baja quedan muchos huecos entre los granos y la calidad del cok final se resentirá.
- Aditivos: a los carbones bajos en volátiles, que son difíciles de coquizar, se les suele añadir aceites minerales (de petróleo), hasta en un 5%. También se emplea alquitrán o brea. Las ventajas de estas adiciones son que incrementan la resistencia y abrasividad del cok; aumenta asimismo el rendimiento en subproductos de la batería.
B BA AT TE ER RÍ ÍA AS S D DE E C CO OK K
En las baterías de cok tiene lugar la coquización, o proceso en que la mezcla de hullas (pasta de cok) se convierte en cok, dando lugar también a la obtención de un gas, el llamado “gas de batería”, así como otros subproductos.
Son un grupo de hornos, entre 20 – 80 por línea, en forma de prisma regular, dispuestos paralelamente unos a otros, y separados por cámaras de combustión, de unos 35 – 60 cm de anchura, con una altura de unos 4 – 8 m y una longitud en torno a los 15 m.
Su sección no es exactamente rectangular, hay una cierta conicidad, con el techo algo más estrecho que la base.
Se carga el carbón por la parte superior, mediante el carro de carga, el cual debe procurar distribuir la carga con la máxima homogeneidad posible, evitando una distribución por granulometrías en la cámara de coquización.
Las celdas no se llenan del todo, pues entonces la presión de coquización provocaría enormes esfuerzos sobre las paredes de las celdas, llamadas pies derechos. Se deja un espacio vacío para que se expanda el carbón.
Tras cerrar las celdas y asilarlas del exterior, comienza la coquización. A lo largo del proceso la temperatura va aumentando desde las paredes (pies derechos) hasta el centro de la cámara.
Al final la deshornadora entra lateralmente y empuja al cok, que es expulsado por el otro lado.
En las más modernas, el número de deshornados al día está en torno a los 120-140. En cuanto al ritmo de calentamiento se halla en torno a 25 min./cm de pasta de cok en el horno.
El peso del cok obtenido está en torno a un 75% del peso de la pasta introducida. A este porcentaje se le llama rendimiento en cok o rendimiento de la coquización.
Los hornos, llamados cámaras, están separados entre sí por paredes con espacios entre ellas que contienen canales de calentamiento y unos mecheros donde se quema el gas para lograr el calentamiento del horno.
Los gases y vapores producidos se absorben desde la sala de aspiradores, y salen por el llamado tubo montante; los vapores se condensan en el barrilete, donde se reduce su temperatura a unos 100ºC, y se llevan a la fabricación de subproductos. Una parte del gas de batería, también llamado gas rico, retorna a quemarse en los mecheros de la propia batería.
Las baterías de cok son muy similares en todas partes del mundo, estando las principales diferencias en el sistema de calentamiento: colocación de los mecheros y sistema de regeneración.
Se llama sistema de regeneración a la forma en que los humos de batería ceden su calor al aire destinado a los canales de calentamiento, con lo que mejora mucho el rendimiento térmico de la instalación, pues de otro modo el calor que contiene el gas de batería se perdería.
Con este fin, el sistema de regeneración establece la inversión de los flujos de aire-humos cada 20- 30 minutos. De este modo, en un ciclo el humo caliente cede calor a un acumulador;
después se cierra este sentido de circulación y es el aire quien pasa cerca del acumulador, con lo que toma el calor que allí habían dejado los humos.
Además de aprovechar al máximo el calor de los humos de combustión, también se economiza combustible, pues se calienta algo el aire, con lo que hará falta menos gas para llevar su temperatura al nivel deseado.
En el espacio entre cada dos cámaras consecutivas circulan los humos calientes producidos por los quemadores de la mezcla de gases (rico y pobre) que se emplea como combustible.
Las temperaturas en estas cámaras de combustión están en torno a los 1300 – 1400 ºC.
La duración habitual del proceso está entre 14- 15 h, según las necesidades de producción.
Hay un límite inferior, marcado por un mínimo de calidad. Por otra parte, cada vez son más frecuentes las sobrecoquizaciones, en que el proceso se alarga algo respecto al tiempo teórico.
Con ello se obtiene menor contenido en volátiles, y sobre todo una mayor compactación del cok.
AAnnaalliizzaaddooss llooss ririeessggooss gegenneerraaddooss eenn llaass ooppeerraacciioonneess aassoocciiaaddaass aall prpreesseennttee prproocceessoo,, a a c
coonnttiinnuuaacciióónn ssee rreellaacciioonnaann aaqquueellllooss qquuee ssee hhaann ccoonnssiiddeerraaddoo ccoommoo mmááss iimmppoorrttaanntteess..
Caídas de personas al mismo nivel:
Riesgo de tropiezos y caídas debido a la existencia de materiales en zonas de paso de peatones y suelos irregulares .
Golpes, choques y atropellos por objetos móviles:
Riesgo generado por la utilización de maquinaria y vehículos en el proceso: camiones, ferrocarril, grúas, recogedoras, apiladoras, cintas transportadoras.
Atrapamientos por o entre objetos:
Riesgo generado por máquinas en movimiento, recogedoras, apiladoras; por desprendimiento de materiales y en maniobras entre cargas suspendidas y otras apiladas.
Caídas de objetos en manipulación:
Riesgo generado por desprendimiento de materiales y en maniobras entre cargas suspendidas y otras apiladas.
Exposición a contaminantes químicos por inhalación:
Riesgo existente debido a la generación de materia particulada en suspensión (finos de mineral, polvos de carbón, óxidos de cal, óxidos de hierro).
Exposición a temperaturas extremas:
Especial incidencia de temperaturas radiantes altas en las instalaciones de sínter.
Riesgos derivados del trabajo a la intemperie.
Control y mantenimiento de parque de minerales.
Exposición a ruido:
Riesgo generado por la maquinaria y vehículos utilizados durante el proceso.
Exposición a contactos eléctricos o fuentes de energía:
Riesgo generado en las operaciones de mantenimiento de la maquinaria e instalaciones.
EEnn esesttee apapaarrttaaddoo ssee ininddiiccaann lalass memeddiiddaass prpreevveennttiivvaass yy dede prprootteecccciióónn ququee sese ddeebbeenn aaddooppttaarr p
paarraa eelliimmiinnaarr oo rreedduucciirr llooss rriieessggooss iiddeennttiiffiiccaaddooss aanntteerriioorrmmeennttee.. Medidas preventivas y de protección generales:
• Los trabajadores deberán estar formados e informados sobre el correcto manejo de las máquinas y herramientas que tengan que utilizar, así como de los riesgos a los que pueden estar expuestos y las medidas de protección y prevención que deben adoptar.
También deberán estar formados e informados sobre los riesgos específicos de su puesto de trabajo y las medidas de protección y prevención aplicables a dichos riesgos.
• Establecer periodos de descanso y/o cambio de tareas en aquellos trabajos en los que exista una presión excesiva en los tiempos de realización de tareas y repetitividades.
Favorecer la comunicación en aquellos trabajos que se realicen de forma aislada o con pocas posibilidades de contacto con otras personas.
Riesgos importantes que se generan en el proceso
Medidas preventivas y de protección
• Desarrollo de un programa de medidas técnicas u organizativas encaminadas a disminuir la exposición de los trabajadores a determinados riesgos.
Caídas de personas al mismo nivel:
• Los suelos deberán ser regulares y con firmes uniformes.
• Se deberá mantener el orden y limpieza en zonas de paso de vehículos y peatones.
Golpes, choques y atropellos por objetos móviles:
• Se seguirán fielmente los procedimientos o instrucciones de trabajo y se evitarán las prisas.
• Se señalizarán las vías de paso de vehículos y peatones para evitar atropellos de personas.
• Se prestará especial atención a las señalizaciones visuales y
acústicas de los vehículos y maquinaria en lugares de viabilidad conjunta.
• Cuando no se estén utilizando los vehículos, se parará el motor y se pondrá el freno de mano.
• Se instalarán barandillas y topes en la báscula de pesaje para vehículos.
Atrapamientos por o entre objetos:
• Se seguirán fielmente los procedimientos o instrucciones de trabajos y se evitarán las prisas.
• Se realizará un mantenimiento preventivo de los vehículos y de la maquinaria.
• Se dotará de resguardos de protección (fijos o móviles) a los diferentes elementos móviles de transmisión (ejes, árboles, poleas, rodillos, engranajes) de los equipos de trabajo que intervienen en el proceso.
Caídas de objetos en manipulación:
• Se vigilará la altura de los apilamientos para evitar derrumbamientos.
• Se realizará un mantenimiento preventivo de los equipos y aparatos de elevación.
• Se respetará la carga máxima correspondiente a los aparatos de elevación.
• El izado y descenso de materiales se harán lentamente y en sentido vertical para evitar balanceos de la carga.
• Está prohibido dejar cargas suspendidas.
• Se señalizará la zona por donde discurre la carga izada.
• Se elaborarán y seguirán métodos de trabajo seguro.
Uso de Puente-Grúa y elementos de izado: Ver capítulo 1 de la Parte II de la presente Guía.
Exposición a contaminantes químicos por inhalación:
• Se realizará una evaluación ambiental.
• Se desarrollarán métodos de trabajo seguro.
• Se instalarán cabinas con entrada de aire limpio.
• Se mantendrá una ventilación general adecuada.
• Sistemas de extracción de humos y gases.
• Se utilizarán los equipos de protección individual adecuados de acuerdo con lo indicado en las Fichas de Datos de Seguridad de los productos químicos utilizados (protecciones respiratorias).
Exposición a temperaturas extremas:
• Se realizará una evaluación ambiental.
• Se realizará un apantallamiento de las fuentes de calor.
• Se seguirán fielmente los procedimientos o instrucciones de trabajo y se evitarán las prisas.
• Se mantendrá una ventilación general adecuada.
• Se señalizarán las zonas, máquinas, instalaciones, etc. que se encuentran a altas temperaturas y que pueden provocar quemaduras o lesiones a los trabajadores.
Exposición a ruido:
• Se realizará una evaluación del nivel de ruido:
1.- Puestos de trabajo en áreas con nivel diario equivalente Laeq,d superior a 80 dB(A) e inferior a 85 dB(A), las condiciones a cumplir, según el R.D. 1316/89 son las siguientes:
• Evaluar la exposición al ruido cada 3 años.
• Realizar un control médico auditivo cada 5 años.
• Entregar protectores auditivos a los trabajadores expuestos que lo soliciten.
• Los trabajadores podrán utilizar opcionalmente los protectores auditivos.
• Informar a los trabajadores expuestos de los riesgos auditivos del puesto de trabajo así como formar para prevenir posibles enfermedades profesionales.
2.- Puestos de trabajo en áreas con nivel diario equivalente Laeq,d superior a 85 dB(A) e inferior a 90 dB(A), las condiciones a cumplir, según el R.D. 1316/89 son las siguientes:
• Evaluar la exposición al ruido cada año.
• Realizar un control médico auditivo cada 3 años.
• Entregar protectores auditivos a todos los trabajadores expuestos.
• Los trabajadores podrán utilizar opcionalmente los protectores auditivos.
• Informar a los trabajadores expuestos de los riesgos auditivos del puesto de trabajo así como formar para prevenir posibles enfermedades profesionales.
3.- Puestos de trabajo en áreas cuyo nivel diario equivalente Laeq,d sea superior a 90 dB(A) ó Lpeak superior a 140 dB:
• Evaluar la exposición al ruido cada año.
• Realizar un control médico auditivo cada año.
• Entregar protectores auditivos a los trabajadores expuestos.
• Los trabajadores utilizarán obligatoriamente los protectores auditivos.
• Informar a los trabajadores expuestos de los riesgos auditivos del puesto de trabajo así como formar para prevenir posibles enfermedades profesionales.
4.- Además de las medidas establecidas en el R.D 1316/1989 se deberán desarrollar programas encaminados a la reducción del ruido tales como:
• Actuaciones sobre el foco emisor de ruido:
- Al adquirir equipos de trabajo o instalaciones, se deberán tener en cuenta sus características acústicas (exigiendo el dato al fabricante), adquiriendo aquellos que sean menos ruidosos.
• Actuaciones sobre el medio de propagación:
- Aislar ( encerrar ) los equipos de trabajo ruidosos en recintos apropiados.
- Instalar pantallas absorbentes alrededor de los equipos de trabajo.
- Montar la maquinaria sobre aisladores de vibración para evitar su propagación a través del suelo.
- Recubrir paredes, techo y suelo con materiales absorbentes.
- Concentrar en recintos aislados, las operaciones o tareas ruidosas.
- Aislar, si es posible, mediante cabinas insonorizadas, a los trabajadores que controlan los equipos de trabajo.
- Realizar un mantenimiento adecuado de los equipos de trabajo e instalaciones, alinear y engrasar sus elementos, sustituir los que se encuentren defectuosos, equilibrar los elementos giratorios regulándolos de manera que emitan el mínimo ruido posible.
- Instalar silenciadores en los sistemas de aire comprimido, evitar las fugas, etc…
- Revestir las superficies resonantes de los equipos de trabajo o instalaciones mediante madera, caucho, etc…
- Utilizar la directividad sonora de los equipos de trabajo, de manera que sean situadas con la menor repercusión acústica posible sobre los trabajadores.
Recomendaciones:
• Las pausas para el desayuno, comida o café,... deben hacerse en lugares sin ruido
• Rotación de los puestos de trabajo, de manera que los trabajadores realicen tareas ruidosas y poco ruidosas, contribuye a disminuir la exposición recibida.
• Reubicación de trabajadores: Alejamiento de las zonas ruidosas de los trabajadores que no sean imprescindibles en ellas.
Exposición a contactos eléctricos o fuentes de energía:
• Las revisiones periódicas de instalaciones y equipos serán realizadas por especialistas.
• Bases de enchufe y clavijas con puesta a tierra.
• No se utilizarán prolongadores en mal estado; no deben usarse con empalmes deficientes particularmente por el suelo o zonas húmedas.
• Siempre que sea posible, los trabajos de tipo eléctrico deben realizarse sin tensión.
•
Señalizar y delimitar las zonas con peligro eléctrico.Uso de equipos de protección individual adecuados dependiendo de la intensidad de la energía eléctrica de los equipos de trabajo e instalaciones donde se realizan las operaciones de mantenimiento.Realización de operaciones de mantenimiento en equipos de trabajo e instalaciones: Ver capítulo 4 de la Parte II de la presente Guía.
Se consideran necesarios los siguientes equipos de protección individual.
Caídas de personas al mismo nivel:
• Botas de seguridad con puntera anti-impacto y plantilla antiperforación.
Caídas de objetos en manipulación:
• Casco.
Golpes, choques y atropellos por objetos móviles:
• Casco.
• Botas de seguridad con puntera anti-impacto y plantilla antiperforación.
• Ropa de protección de alta visibilidad.
Atrapamientos por o entre objetos:
• Guantes de seguridad.
Exposición a temperaturas extremas:
• Botas de seguridad con tope de acero antiimpacto, aislante contra el calor radiante y suela antiperforación y con resistencia al calor por contacto.
• Ropa adecuada para trabajos a la intemperie.
• Ropa adecuada contra las proyecciones incandescentes.
Exposición a contaminantes químicos por inhalación:
• Mascarillas, si son necesarias, y se está expuesto a atmósferas contaminadas de forma continua o esporádica.
• Protecciones respiratorias con adaptador facial y filtro físico.
Exposición a ruido:
• Uso de protectores auditivos.
Equipos de protección individual
C C a a p p í í t t u u l l o o 2 2 . . - - H H O O R R N N O O A A L L T T O O
En el Horno Alto el mineral mezclado con cok es sometido a una corriente de gases calientes y se reduce a hierro por la acción de estos gases y por la del propio cok, que además de combustible hace también de reductor. De este modo en la base del horno se recoge una aleación de hierro y carbono, el arrabio o fundición.
La misión del Horno Alto es liberar al hierro del oxígeno con el que se encuentra combinado en sus minerales.
Se parte de óxidos de hierro, y se recoge finalmente el hierro, con aproximadamente un 4% de carbono, elemento empleado para la separación del hierro y el oxígeno (reducción).
El Horno Alto es un horno de cuba, un reactor vertical en el que se introducen unos materiales sólidos por la parte superior, y una corriente gaseosa por la parte inferior. Entre ambos flujos tienen lugar una serie de intercambios térmicos y químicos, de manera que existe una salida de gas por la parte superior, el cual se aprovecha de algún modo, y de arrabio o fundición, así como un conjunto de óxidos (escorias), por la parte inferior.
Las cargas sólidas van dilatándose según descienden por el horno hasta que tiene lugar su fusión, en cuyo momento su volumen disminuye, por eso el horno tiene un perfil de dos troncos de cono unidos por su base mayor.
A la base menor del cono inferior se le anexa un recipiente cilíndrico llamado crisol, en el que se recoge la escoria y el arrabio líquido hasta su evacuación por las piqueras de colada, a través de las cuales el arrabio pasa a unos vagones, llamados torpedos que lo transportan a la acería, previa desulfuración en una instalación intermedia.
El Horno Alto trabaja de forma continua, de manera que se llena sin pausa. La evacuación del arrabio y de la escoria se hace sin interrumpir el proceso, aproximadamente cada 45 ó 60 minutos. Hoy se puede decir que el sangrado se hace de forma casi continua en la práctica.
El gas está en el horno unos 8 segundos, mientras que la carga sólida sobre las 16 horas.
Los hornos altos están construidos sobre cimientos muy fuertes, ya que tienen que soportar un peso de miles de toneladas de construcción metálica y obra refractaria.
El Horno Alto, propiamente dicho, está formado por una coraza construida en acero soldado y revestida interiormente de refractario, con calidades en cada zona de acuerdo a las solicitaciones requeridas, y cuyo volumen interno está constituido por diferentes zonas cilíndricas y troncocónicas, en función de los materiales que en cada zona coexistan y de su estado (estado físico de los materiales y gases, así como volúmenes que ocupan en cada zona). El perfil del horno es variable a lo largo de su altura, distinguiéndose varias zonas o sistemas principales:
Descripción del proceso
Instalaciones principales
El tragante es la parte superior del horno, a través de la cual se carga el mineral para el lecho de fusión: aglomerados de mineral (sínter y pelets), fundentes y cok. Posee forma de embudo.
Lateralmente al mismo salen dos o cuatro tubos de diámetro en torno a los 2 m, por los que se evacúa el gas.
Dichos tubos, que sobresalen por encima del horno, van a dar a un tubo descendente común, que lleva el gas del Horno Alto (gas pobre) a los depuradores primarios y luego a las instalaciones de lavado del gas.
Este conjunto de tubos de salida del gas por encima del tragante propiamente dicho se denominan pantalones.
Por fuera del horno, alrededor del tragante se encuentra la plataforma del mismo, que es la parte más elevada del horno, en la que se hallan todos los dispositivos auxiliares para su cierre y apertura.
El tragante debe estar cerrado herméticamente en todo momento, aún durante la carga de los hornos; para ello lo habitual hasta hace algún tiempo era disponer de un doble cierre, o doble juego de campanas.
Si sólo se tuviese un cierre, habría comunicación directa entre el interior del horno y la atmósfera en el momento de hacer la carga.
El juego de doble campana se compone de: una campana de estanqueidad o cierre, que cierra herméticamente el horno sobre una junta de caucho, y otra por encima de ésta, encargada de soportar directamente la carga de los skips (dispositivos que reciben la carga de las cintas transportadoras que salen de las tolvas de minerales y de cok; es de los skips de donde el horno recibe su carga).
El juego de campanas se regula según el tipo de carga precisada, en función del apilamiento de las capas de un material sobre las de otro (aglomerados, fundentes y cok).
A continuación se ven diferentes esquemas de carga del lecho de fusión. Cada uno de estos ciclos presenta sus ventajas y sus inconvenientes, según la tendencia a la segregación que presenten los materiales, o el tipo de marcha llevada.
El tragante
Hoy en día se emplean los tragantes del tipo Paul Wurth, desarrollados en los años 70, cuyo principio de funcionamiento es muy diferente.
Con su empleo se ha mejorado la distribución de las cargas en el interior del horno, con lo que se ha elevado su rendimiento. Son además más resistentes a la erosión y tienen menos averías trabajando con contrapresión.
Las cargas llegan a la parte superior del horno por cinta transportadora, y de allí caen a un embudo con válvula de cierre, que las conduce a una de las tolvas que hay sobre el tragante en esta instalación.
Por unos conductos inclinados con llaves de regulación y mecanismos de cierre llegan a un distribuidor de donde caen a la canaleta, una de las partes más importantes en este tipo de tragante.
Dicha canaleta posee un giro de 360º alrededor del horno, siendo además posible regular su inclinación, con lo que las cargas se pueden dirigir al punto que más convenga.
Las ventajas de este sistema respecto al tragante de campanas son:
- menor altura total del horno, lo que implica un menor peso de la estructura.
- La exigencia de carga se reduce de 130 a 30 toneladas - El reparto de las cargas es más uniforme
- Las reparaciones son menos frecuentes y costosas Tragante Paul Wurth
Se encuentra a continuación del tragante; es de forma troncocónica, con su diámetro mayor en su parte inferior.
Está formada por una chapa acorazada revestida interiormente de material refractario, de hasta un metro de espesor.
Es la zona de mayor volumen del Horno Alto; en ella los materiales se van secando y calentando (parte superior), al tiempo que comienza su reducción (parte inferior).
La misión química de la cuba es reducir los óxidos de hierro de alta valencia, para que el material férrico que llega a las zonas de reacción del horno esté en forma de óxido ferroso, la wustita, y sea ella sobre la que se apliquen las condiciones químicas y térmicas en las zonas de vientre y etalajes.
La cuba constituye los 2/3 de la altura del horno, y en muchos hornos está en unión suelta con el vientre, sustentada sobre un anillo propio de columnas. Hacia arriba se va estrechando poco a poco, hasta un diámetro de 7 a 8 m en contacto con el tragante.
El refractario empleado en el Horno Alto consiste en ladrillo silico-aluminosos, con contenidos crecientes en alúmina, a medidas que se va bajando por la cuba (desde un 35% en su parte superior, de precalentamiento, hasta un 60% en la parte inferior, de reacción).
En su tercio superior el refractario está protegido contra el lecho de fusión que lo golpea por medio de una coraza cilíndrica de acero, llamada blindaje del tragante, de unos 3 ó 4 m de altura.
Dicho blindaje ejerce una gran influencia sobre la formación de la columna del lecho de fusión, y por tanto sobre la marcha del horno.
En la cuba el material llega hasta los 950ºC.
El vientre es la parte más ancha del Horno Alto, con el máximo diámetro, en forma de anillo La cuba
El vientre
Esta zona lleva un recubrimiento de material refractario de un metro y medio, aproximadamente.
El calor liberado en estas reacciones, y sobre todo en la combustión del cok, que se completa a la altura del vientre, motiva la fusión de la carga, y su caída hacia el crisol.
Se llama así al cono truncado con su base menor sobre el crisol, y su base mayor en contacto con el vientre.
En esta parte del horno se encuentra un gran tubo de aire en forma de anillo metálico, que se llama morcilla. De éste salen varias tuberías, una a cada tobera. A través de las toberas el aire entra en el Horno Alto de una manera uniforme.
Esta zona está rodeada de una coraza, continuación de la coraza del crisol. En los hornos actuales los etalajes forman con el crisol ángulos de inclinación de hasta 80º.
Los etalajes
El material refractario empleado en los etalajes suele ser ladrillos de alto contenido en alúmina o bien de semigrafito, por su buena conductividad térmica.
En la parte superior del crisol, y a 2 ó 3 m por encima del fondo del mismo está colocado el anillo de toberas. Cada una de estas es un dispositivo que entra en el horno a través de un orificio practicado en su periferia, a la altura indicada.
Por medio de las toberas se introduce el viento en el horno.
Constan por un lado del toberón de viento o tobera de protección, que es de cobre, hueca para el paso del viento, y refrigerada por agua.
En la parte delantera de esta tobera de protección está metida a presión la tobera cónica de viento, asimismo de cobre electrolítico, algo más pequeña que la tobera de protección, y también refrigerada por agua. El extremo libre de esta tobera de viento sobresale algo en el interior del horno.
Este conjunto va a su vez alojado en un dispositivo llamado marco, que suele ser de hierro fundido con refrigeración interior; forma parte de la propia coraza del horno y su sustitución es bastante más difícil y costosa que la de la tobera de protección o la de viento.
Las toberas de viento tienen una longitud de aproximadamente 800 mm, con un diámetro interior de entre 100 mm y 240 mm; su circuito de refrigeración es doble:
- Uno que refrigera el cuerpo de la tobera, que trabaja con una presión de agua de 4-5 kg/cm2 .
- Otro circuito más exigente para aquella parte de las toberas que soporta las condiciones más duras y merece por tanto mayores cuidados: la parte que entra en el horno (“morro” de la tobera).
Este último circuito emplea una presión de agua de 8-10 kg/cm2 , e inyecta el viento con una inclinación de unos 5º ó 7º hacia abajo. El régimen de refrigeración está en unos 20-30 m3/h de agua, la cual no debería incrementar su temperatura en más de 8ºC.
El caudal de refrigeración ha de estar en función de las necesidades térmicas, con el objetivo de evitar ante todo la ebullición del agua, debido a que ésta hace que el coeficiente de transmisión de calor entre la zona de agua en ebullición y el metal (cobre) disminuya a la
Esquema de la inyección de viento por toberas en la zona de los etalajes
Los hornos altos más grandes (16-18 m de diámetro de crisol) existen hasta 40 toberas distribuidas por las paredes de los etalajes. Por ellas se introduce el viento caliente a temperaturas en torno a los 1200 ºC.
Parte inferior del horno, es un cilindro revestido con refractario de carbono (grafito) colocado sobre las fundaciones del horno y circundado por una coraza gruesa de chapa de acero.
Sus dimensione, para hornos de una capacidad de 3000 toneladas diarias de arrabio, son de unos 2,5-3,5 m de altura por 9-10 m de diámetro.
En países que disponen de hornos con capacidades de 8000-10000 toneladas diarias de arrabio, los diámetros de crisol están en unos 16-18 metros. El diámetro de crisol es precisamente la dimensión que caracteriza a un Horno Alto.
Es en el crisol donde se recogen el arrabio y la escoria, productos fundidos de la operación del horno.
Sus paredes están compuestas interiormente, como material refractario, de grandes bloques de grafito, material de buena conductividad térmica, está refrigerado por una corriente de agua.
En el fondo del crisol y en varios puntos (2, 3 e incluso 4 piqueras en hornos grandes) se dejan unas aberturas perpendiculares en forma de ranura, llamadas piqueras, para la evacuación periódica del arrabio y, eventualmente, de la escoria.
El crisol
La piquera de arrabio
Las piqueras están revestidas de ladrillo de corindón (mineral de aluminio, muy duro y resistente), y el hueco, con unos 50-80 mm diámetro, de pasta refractaria de carbono.
A cada operación de extracción del arrabio se le denomina sangrado, y la periodicidad depende del régimen de marcha concreto. En los de 3 ó 4 piqueras se suele sangrar por dos a la vez.
El sistema de control tiene por objeto gestionar el funcionamiento de los equipos del horno y de su proceso. Multitud de sensores, tales como controles de temperatura, presión, sondas de nivel, sondas de análisis de gas, etc., están instalados en el propio horno y junto con otros múltiples sensores de sus instalaciones auxiliares constituyen un sistema global de control.
Sistema de control
Instalaciones auxiliares
Sangrado del horno, con la separación posterior de arrabio y escoria por densidad
Son las instalaciones al servicio del Horno Alto, para la preparación y manipulación de materiales y fluidos de entrada y salida del horno, el control de su proceso y funcionamiento, etc. Las principales son:
El sistema de manipulación, almacenamiento en silos, cribado, pesaje y control de los materiales o carga en el horno, fundamentalmente del sinterizado, pellets, minerales gruesos y cok siderúrgico.
Se describen las diversas fases por las que pasa el aire empleado para el circuito de gas de Horno Alto.
Primeramente es impulsado por las soplantes, instalaciones que le dan la energía cinética suficiente para recorrer las zonas siguientes: estufas donde se clienta, morcilla + toberas, subida por el Horno Alto y posterior depuración del gas, así como su paso por las estufas para transmitir su calor al nuevo aire que va a entrar al horno.
¾ Soplantes
Todo el circuito descrito en el párrafo anterior está presurizado; el aire (que se convierte en el gas pobre a lo largo de su paso por el Horno Alto) lo recorre debido a la presión que se le comunica. Esto se hace mediante turbosoplantes movidas por turbinas de vapor en su mayor parte, o bien motores eléctricos.
Su apariencia externa es la de una caseta. Las presiones de soplado están en los 4,5 kg/cm2 , para los hornos de gran capacidad (10.000 t/d). Los caudales conseguidos están en torno a los 200.000 m3/h.
Inyección del viento
Manipulación y almacenamiento de materiales
¾ Estufas para el calentamiento del viento
Junto a los hornos altos se disponen varias estufas para calentar el aire. La mayor ventaja de este sistema es que se requiere menos aporte de calor para elevar la temperatura del aire una vez en el horno, porque ya entra en él a un nivel térmico mayor.
En las estufas se emplea como elemento intercambiador de calor el propio gas que escapa por el tragante del horno (gas de Horno Alto, o gas pobre).
Han sido muy empleadas las estufas Cowpers, altos cilindros verticales terminadas en un casquete semiesférico, revestidas exteriormente por chapa de acero e interiormente por materiales refractarios.
Están constituidas por un gran hueco vertical o cámara de intercambio en el que existe un emparrillado de ladrillos refractarios cuya misión es tomar el calor de la combustión del gas de horno, cuando es éste el que recorre el emparrillado.
A continuación se corta este flujo y la cámara es recorrida por el viento frío, que toma el calor depositado por el gas en los ladrillos, enfriándolos a su vez. Este proceso se repite, de modo
En la parte inferior de la cámara de combustión se encuentra la boca de entrada del gas, y un poco más arriba del nivel del suelo hay otra tubería que tiene por misión dar entrada a una cantidad de aire que se emplea para quemar el gas de horno.
En el ciclo de calentamiento de los ladrillos intercambiadores de calor, el gas entra por la parte inferior de la estufa a la salida de las instalaciones de depuración, y al ponerse en contacto con el aire introducido por la tubería antes mencionada se quema.
Se originan entonces unos humos de combustión, que suben hasta la parte superior de la estufa, donde invierten su dirección, descienden a través de los emparrillados de ladrillo, se calientan al contacto con los humos, mientras dichos humos de combustión se enfrían, y siguen su camino hacia la chimenea.
En el ciclo de calentamiento del aire, la secuencia es inversa: el aire frío procedente de las soplantes llega a las estufas por una tubería, entra por la parte posterior de las mismas, y por abajo. Recorre los emparrillados de abajo hacia arriba, al revés de cómo estos fueron calentados por el gas.
De este modo el calentamiento del aire llega a su valor óptimo. Luego atraviesa la cámara de combustión, tras la cual por medio de una tubería alcanza el anillo de toberas (“morcilla”), que distribuye uniformemente este aire caliente a las toberas para su inyección en el horno.
A la entrada y salida de las estufas hay una serie de válvulas, a fin de introducir sobre la marcha las modificaciones necesarias en el flujo de aire y gas, para adaptarse al ciclo, así como a las necesidades del horno en cada momento.
Un horno que caliente el aire mediante estufas Cowpers suele disponer de dos o tres, así mientras una está en el ciclo de calentamiento de los ladrillos intercambiadores de calor, las otras están calentando el aire. Cada 20 minutos se invierte el ciclo en cada estufa. Se suele llegar a unas temperaturas de hasta 1000ºC.
Con las modernas necesidades de calentamiento de viento se observó que con las Cowpers no se podía superar la temperatura anterior. Para llegar hasta los 1300 ºC se emplean estufas con cámara de combustión independiente fuera del cuerpo de la propia estufa.
En este caso, en la parte superior de las estufas, que es la más próxima a la cámara de combustión y la más caliente por tanto, se emplean ladrillos de sílice, ya que los silico- aluminosos no podrían resistir las altas temperaturas. Un poco por debajo, ya se emplean ladrillos con alúmina: en la zona media, con un 60%, y en la baja, con un 40%.
¾ Anillo de aire y toberas
Para que el aire llegue al horno a través de las toberas, de una manera uniforme, sin que unas soplen más que otras, se dispone exteriormente, al nivel de los etalajes, un gran tubo metálico circular, o morcilla, al que llega el aire de las estufas. Este tubo, que rodea al horno en los etalajes, está revestido interiormente por material refractario y aislante para evitar pérdidas de calor.
De este anillo de aire, ligeramente separado del horno, salen tuberías repartidas uniformemente en su periferia, que van a dar a las toberas y se da así entrada al viento en el horno de una manera equilibrada.
Los hornos altos están constituidos por un revestimiento interno de material refractario, debido a las altas temperaturas que debe soportar el material en contacto directo con la carga, y otro revestimiento de chapa de fundición.
Las temperaturas que se alcanzan son del orden de los 1600-1800ºC en contacto con las paredes; por esto, es fundamental un sistema de refrigeración que evacúe las cantidades de calor tan enormes que son transmitidas a las paredes del horno.
De este modo se protegen los materiales; si no se evacuase el calor por algún medio de refrigeración, las temperaturas que sufrirían estos materiales serían tremendamente altas, y los destruirían en un plazo brevísimo.
Por otra parte ha de lograrse un compromiso entre la protección de los materiales y el consumo de cok, porque una refrigeración excesiva sería totalmente contraproducente para la operación del horno, estableciendo un fuerte gradiente (diferencia) térmico entre el centro del horno y las paredes, que podría interferir fuertemente con la marcha regular del horno. Además, se consumiría más cok.
El sistema de refrigeración de un Horno Alto ha de buscar un compromiso entre dos cuestiones: “duración de refractario” y “consumo de cok”.
En cuanto a la distribución de temperaturas en la pared del horno, las partes que soportan las condiciones más duras (las temperaturas más altas) son la parte inferior de la cuba y el vientre.
Esto viene avalado por el hecho de que es en estas zonas del horno donde antes se desgasta el refractario.
El sistema de refrigeración está constituido por circuitos cerrados con sus torres de refrigeración, estaciones de bombeo, etc. Normalmente existen varios de estos sistemas, uno para cada área peculiar del horno: refrigeración de toberas a alta presión, refrigeración del subcrisol, etc.
Los circuitos están dotados de elementos de emergencia que garantizan su funcionamiento ante cualquier eventualidad, como fallos de corriente eléctrica, etc.
¾ Tipos de refrigeración
El riego externo, aunque quizá algo primitivo, es muy antiguo y destaca por su gran sencillez.
Se usa aún en la parte superior de la cuba, y en el tragante, por ser allí el espesor de la coraza pequeño, y el flujo térmico de poca importancia.
Ventajas de este sistema:
- Simplicidad.
- Bajo precio.
- Control visual de la marcha de la refrigeración.
Existen una serie de inconvenientes en contra de este sistema:
- Formación de charcas y salpicaduras.
- Dificultad de aplicar en zonas con cajas (a la parte interna de éstas no puede llegar la refrigeración).
- Surgimiento de tensiones en las paredes del horno, por lo irregular de este sistema.
De mayor importancia es la refrigeración por medio de camisa de agua, que puede canalizar el agua con cualquier inclinación, mantenimiento en el exterior un ambiente seco. La circulación ha de ser invertida, de abajo hacia arriba para evacuar las burbujas que se formen. Este sistema es muy empleado para el crisol.
Sistema de refrigeración
Como ventajas, este sistema presenta:
- Sencillez.
- Bajo precio.
- No se producen salpicaduras.
- No contamina el agua.
Tiene una serie de inconvenientes:
- El agua circula a baja velocidad.
- El control de la refrigeración es muy difícil.
- Se pueden crear tensiones térmicas en el blindaje, por desigual circulación.
Un método mejor ya son las cajas de refrigeración (petacas), que pueden ser empleadas en etalajes, vientre y cuba.
Requieren un estudio de su diseño y concentración, para lograr una buena circulación del agua, a la suficiente velocidad y sin zonas muertas, de manera que permita evacuar un flujo térmico elevado. Pueden ser de cobre o de acero.
Camisa de agua
Petaca
Sus principales ventajas son:
- La refrigeración alcanza el interior del refractario, lo que no se puede conseguir con ningún otro sistema; así de paso asegura también la sujeción de los ladrillos del mismo.
- Por otro lado, aunque el flujo térmico es muy elevado no hay prácticamente creación de tensiones, porque la pared es delgada.
Deben señalarse un par de inconvenientes:
- Las cajas debilitan el blindaje porque para alojarlas en las paredes del horno se debe aumentar el espesor, con lo que se aumenta el problema de las tensiones.
- También debe comentarse la posibilidad de alguna fuga de gas.
Las placas de refrigeración o “staves” consisten en placas de fundición, de forma más o menos complicada, en las que se han empotrado tubos, y que pueden aplicarse en etalajes, vientre y cuba.
Sus principales ventajas son:
- Captación de todos los flujos caloríficos emitidos por delante del blindaje, el cual va a permanecer frío y no será atravesado por la corriente calorífica.
- Reparto uniforme de la regulación de calor en la pared refractaria, lo cual facilita la ausencia de salientes en esa pared, que entorpecerían el descenso de la carga, lo cual sí ocurre en los revestimientos con cajas.
A pesar de su gran difusión actual, también son de señalar algunos inconvenientes:
- La superficie de intercambio térmico entre la placa metálica y el tubo de agua (salida del sistema de refrigeración, por ser lo que evacúa el calor hacia fuera) es mucho menor que aquella entre el refractario y la placa metálica (entrada del sistema de refrigeración, el calor del horno es llevado del refractario a la placa metálica).
Esta diferencia en el área de las superficies de intercambio de calor es causa de importantes desajustes térmicos en la placa, que ya han llegado a producir fusiones locales de la misma en algunos casos.
- Para obtener una velocidad de agua conveniente, es preciso bombear grandes caudales.
Los mayores fracasos habidos en las placas de refrigeración se han debido a una circulación de agua insuficiente.
- El reemplazamiento de placas es complicado.
Placas de refrigeración
¾ Anillos
Rodeando al Horno Alto existen una serie de anillos, cuya misión es proporcionar diversos niveles al agua de refrigeración para que entre en el horno lo más repartida posible y así se lleve a cabo la refrigeración con la máxima uniformidad.
Cada uno de estos anillos tiene su toma de agua, sea ésta el anillo llamado distribuidor, o una bomba que la incorpora de la red. Y a su vez cada uno de ellos manda el agua a las cajas que están a su nivel.
¾ Artesas
Se emplean para la recogida del agua, una vez que ha cumplido su misión de refrigerar el horno. Son canales que circunvalan el horno y recogen el agua de retorno. Tienen una rejilla de salida, para evitar el paso de lodos, partículas, etc.
Estas artesas reciben el agua de los sistemas de refrigeración (sean cajas, petacas, etc.) y la entregan ya a tuberías de desagüe. Se debe distinguir entre la artesa superior, inferior, de etalajes y del crisol, entre otras posibilidades.
¾ Refrigeraciones especiales
Se engloban bajo este nombre algunas disposiciones especiales para la refrigeración en partes del horno concretas.
En general ha de procurarse siempre la mayor uniformidad posible en las cortinas de agua que refrigeren cualquier parte del horno, como son cuba, vientre y etalajes.
Sin embargo, existen tres partes del Horno Alto que admiten (y conviene que se haga) equipos de refrigeración con alguna particularidad:
Refrigeración del Horno Alto
• Tragante: se deben bajar las temperaturas, ya que dada la gran cantidad de mecanismos que aquí existen, así como la acumulación de gases a altas temperaturas, puede llegar a haber explosiones o voladuras, con gran perjuicio para la instalación.
Las altas temperaturas en el tragante se pueden producir a consecuencia de mala marcha del horno, o deslizamientos de las cargas. Para aminorar los efectos de estos aumentos bruscos, y lograr una correcta temperatura en esta parte del horno (150-250ºC), se usan tres posibilidades:
- Con vapor: muy adecuado en presencia de hidrógeno en el tragante, porque tiende a hacer inerte la carga, con lo que se disminuye mucho el riesgo de explosiones. Se inyecta en el propio tragante, porque tiende a hacer inerte la carga, con lo que se disminuye mucho el riesgo de explosiones. Se inyecta en el propio tragante y en los pantalones.
- Con la propia carga: en marcha normal del horno, y para pequeños excesos de temperatura, la propia carga del horno puede actuar como refrigerante.
- Con vapor y agua: para casos más problemáticos, en que la temperatura se mantiene por encima de los 300ºC durante un tiempo demasiado largo.
• Toberas: son los conductos tronco-cónicos de cobre a través de los cuales se insufla aire caliente al horno. Un buen sistema para asegurar su duración y su seguridad, así como una adecuada velocidad de flujo, es refrigerar de manera independiente el morro, y el cuerpo principal de la tobera.
De este modo si hay una avería en el morro de la tobera (típicamente, será el quemado) el funcionamiento puede seguir con el cuerpo principal de la tobera.
• Fondo del crisol: la refrigeración del fondo del crisol tiene por misión evitar que la chapa metálica de la base alcance temperaturas superiores a los 200ºC, lo que daría lugar a serias deformaciones en la chapa; no ha de ser tan fuerte que la temperatura del arrabio descienda por debajo de su línea sólidus, de 1150ºC.
Sería una catástrofe que el arrabio solidificara en el Horno Alto. Se puede emplear para la refrigeración agua, aceites o una corriente de aire, ya sea accionada por un motor o turbina.
Hoy en día el gas de Horno Alto tiene una composición promedio de: 54,5% de N2, 23% de CO, 18% de CO2; 4% de H2, 0.5 de CH4. Se le denomina gas pobre, por su bajo poder calorífico.
Esto se debe a que tiene pocos gases que se puedan usar como combustibles, que se puedan quemar con oxígeno, ya que la mayoría es nitrógeno, que es un gas prácticamente inerte. Hay también casi una quinta parte de gas que es CO2, el último producto de la combustión del carbono y por tanto no se puede seguir quemando.
Según la composición dada anteriormente, la relación (CO/ CO2) es igual a 1,28. Antes del empleo de la inyección de fuel-oil, el calentamiento de aire hasta los 1250ºC, y la contrapresión en el tragante, dicha relación estaba en torno a 2, lo que es un valor excesivo.
A mayor valor de (CO/ CO2), mayor porcentaje de monóxido de carbono frente a un valor constante de dióxido. Esto implica una pobre reducción indirecta del mineral, que habría motivado el paso de CO a CO2
En general, cuanto más CO2 haya frente al CO, significa una mayor reducción indirecta en la cuba, y es señal de buena marcha del horno, aunque como fuente energética el gas resultante será muy pobre.
Como aplicaciones del gas de Horno Alto:
- Combustible para el calentamiento de las estufas.
- Combustible para el calentamiento de las calderas que proporcionan el vapor para las turbosoplantes.
- Mezclado con el gas de batería, combustible para las baterías.
- Mezclado asimismo con el gas de batería en estaciones de mezcla, para la red de gas.
¾ Instalaciones de depuración del gas
El gas pobre, o gas de Horno Alto, sale por el tragante muy sucio, arrastrando polvo en cantidades tan importantes que hace imposible su utilización inmediata. El contenido en polvo está entre 10 y 50 gramos por metro cúbico de gas, siendo principalmente carbono, óxido de hierro y caliza. Trabajando con contrapresión en el tragante el polvo no suele pasar de 10 g/m3. Para eliminarlo se hace pasar el gas que sale del horno por unas instalaciones de depuración.
A la salida del horno los gases son llevados en tuberías de gran diámetro, con cambios de dirección, que sirven para separar del gas una cantidad importante de polvo. Éste queda así depositado en el fondo de las tuberías, que se limpian periódicamente por unos dispositivos situados en su parte inferior.
A continuación se hace entrar al flujo gaseoso en una gran cámara de expansión (el botellón), donde al sufrir una expansión repentina el gas pierde velocidad, con lo que una cantidad grande del polvo que da depositado en el fondo del depósito. Tras el botellón, el contenido del gas en polvo es inferior a los 5g/m3.
El tubo de llegada del gas al botellón se denomina “downcomer” (literalmente, “tubo descendente”). Al llegar al final de su recorrido, sufre un cambio brusco de dirección, con lo que las partículas más gruesas que lleve el gas en suspensión se quedan depositadas por la inercia.
Depuración del gas
El polvo acumulado se retira periódicamente para que no se endurezca, y se recicla en el proceso siderúrgico, como carga del sínter. La depuración alcanza un 90% de eficiencia.
Se emplean a continuación los lavadores que aplican el principio del Ventura: se trata de una tubería de sección decreciente (convergente), la cual da lugar a una aceleración del gas, habiendo luego una gran expansión en el conducto, lo que da lugar a gran disminución de la velocidad del gas.
En la zona de mayor sección se introduce agua pulverizada, la cual da lugar a una niebla que humedece y capta partículas de polvo. Las gotas de agua descienden con el gas hasta el separador de álabes, donde gas y agua se separan, cayendo el agua en el fondo del separador, mientras el gas asciende casi libre de humedad y polvo.
La eficiencia de un depurador del tipo Ventura es mayor cuanto mayor es la presión del agua inyectada.
Tras los depuradotes húmedos, se hace pasar los gases a través de cámaras rellenas de anillos o piezas cerámicas, para que se sequen.
A continuación se refrigera y se lava el gas mediante unas duchas en un dispositivo llamado refrigerador-lavador, por el que el gas circula en sentido ascendente.
Al igual que ocurre con el gas de batería, la última fase de la depuración suele ser un separador electrostático, con corriente de alta tensión (50.000 voltios) y baja intensidad (0,1 amperios). Existen una serie de tubos metálicos verticales con un alambre en el centro (polo positivo) y el revestimiento metálico, conectado al polo negativo.
Al estar inmersos en un campo electrostático, los gases se ionizan, quedando los polvos que llevan aún en suspensión cargados positivamente, con lo que van al cilindro metálico o colector, donde se recogen. Al final el gas queda con un contenido en polvo menor de 0,01 g/m3 .
El gas una vez depurado se puede emplear en calentar las estufas de viento, o en otros usos dentro de la instalación del horno.
Botellón
La producción de gas pobre (nombre que se da al gas de Horno Alto, por su bajo poder calorífico, en torno a las 750 kcal/Nm3 ) en el horno es superior a sus necesidades energéticas, con lo que hay un excedente de gas, que se almacena en gasómetros, con destino a usos en la misma factoría siderúrgica, o bien se vende.
Las funciones de los gasómetros son: almacenar el gas, mantener una presión constante del gas en la red de toda la factoría, y ejercer una función reguladora, absorbiendo un posible exceso de gas que pueda producir el horno en un momento dado, por condiciones concretas de marcha.
El Horno Alto actual presenta unas dimensiones aproximadas de 14 m de diámetro de crisol, llegándose a alturas de 40 m, medidas desde el tragante. Los volúmenes útiles actuales están en torno a los 4000 m3 , con unas producciones de hasta 10000 t/día, si bien éstas dependen también de las condiciones de funcionamiento.
El Horno Alto es una instalación de funcionamiento continuo, en la que las cargas tardan un tiempo relativamente alto en atravesarlo (ocho horas), por lo que sus paradas han de ser programadas de antemano. Lo habitual es que cada cinco u ocho años haya que pararlo para reparar el refractario, por desgaste. Para ello, se le da una carga especial (sólo cok) de modo que se mantenga caliente durante el tiempo que dure la parada. Se dice que el horno se embanca.
Debido a la gran complejidad de este dispositivo hasta hace unos 25 años no se disponía más que de un conjunto de recetas dispersas, fruto de la experiencia en su mayor parte, para estimar, aunque fuese parcialmente, cómo iba a evolucionar el horno según que se le diesen unos u otros parámetros.
Hoy en cambio se dispone de un modelo matemático del Horno Alto, que define sus condiciones ideales de marcha, y que da cuenta de los fenómenos que en él ocurren.
Por supuesto, el Horno Alto real difiere del Horno Alto ideal, entre otras cosas por la distribución del gas en su marcha ascendente por el horno, o una reductibilidad de la carga insuficiente para la marcha y el perfil térmico del horno.
El Horno Alto puede operar de manera normal hasta un 70% de la carga nominal. Por debajo de ese porcentaje, el funcionamiento se torna irregular.
El modelo matemático del horno está contrastado sobradamente para regímenes permanentes, aunque también permite tratar con fiabilidad los regímenes transitorios lentos.
De modo que dicho modelo puede ser un buen camino por el que transitar hasta llegar a uno de los mayores desafíos que tiene planteados la siderurgia integral: la automatización del Horno Alto, algo que hoy aún no se ha conseguido plenamente.
No obstante se ha avanzado mucho, especialmente en el control de temperaturas por ordenador, gracias al uso de modelos afinados, así como de sensores térmicos adecuados en la zona de salida de gases.
¾ Síntesis del proceso
Por la parte alta del horno, el tragante, se cargan alternativamente capas de aglomerados de mineral de hierro (sínter y pelets), fundentes y cok. A través de las toberas situadas en los etalajes se sopla aire caliente (900-1100ºC) para quemar el cok, con lo que se consiguen por una parte las temperaturas necesarias para la fusión, y por otra, se forma el gas encargado de la reducción indirecta.
El aire se inyecta por toberas a gran velocidad (100-150 m/s) y reacciona con el cok incandescente, dando lugar a la combustión incompleta del carbono, con formación del monóxido de carbono.
Este gas va a ser el encargado de llevar a cabo la reducción indirecta del mineral de hierro a hierro.
El proceso en el horno
Se debe garantizar que se forme monóxido de carbono (CO); para ello se calcula el aire inyectado por toberas de modo que su cantidad sea insuficiente para que se produzca en gran proporción la combustión completa del carbono a dióxido de carbono.
El dióxido de carbono (CO2) es un gas que no admite más oxígeno, por lo cual no es activo con el hierro.
Las temperaturas en esta zona están entre los 1800 y los 2200ºC, de manera que el cok es el único constituyente de la carga que llega sólido al nivel de las toberas.
El cok combustible es, hoy en día, insustituible en el Horno Alto, en el que desempeña varias funciones de capital importancia:
- Combustible: proporciona el calor necesario para la fusión del mineral, produciendo el arrabio y la escoria.
- Reductor: en forma de carbono puro (C) , para la reacción de reducción directa del mineral de hierro, y dando lugar al monóxido de carbono (CO), para la reducción indirecta del mineral.
- Soporte físico de las cargas.
- Permite la permeabilidad al flujo gaseoso, sin el cual el horno “se colapsaría”.
En la actualidad se sustituye parcialmente el cok mediante la inyección en el aire de toberas de hidrocarburos (fuel-oil, alquitranes, gas natural) o carbón pulverizado (proceso PCI).
En la parte superior de la cuba tiene lugar el calentamiento de la carga hasta los 800-950ºC, al encontrarse con los gases ascendentes. Al mismo tiempo comienza la reducción indirecta de las cargas, pasando los óxidos de alto grado de oxidación (hematites, Fe2O3, y magnetita, Fe3O4) a wustita (FeO).
En la zona inferior de la cuba las temperaturas de las cargas descendentes y del gas ascendente se mantienen casi constantes e iguales a 950ºC. El proceso de reducción indirecta que comenzó antes se consuma, de manera que en la zona del vientre el hierro está en su estado de oxidación más bajo, la wustita, FeO, listo así para ser reducido a hierro puro.
A continuación, entre el vientre y los etalajes, las temperaturas de las cargas pasan de los 1000 hasta los 1450ºC, y se completa la reducción del mineral.
La reacción de reducción directa es muy endotérmica (requiere un gran aporte de calor para ocurrir); esta energía es proporcionada por las reacciones de combustión del carbono del cok con el oxígeno del aire de toberas, reacciones que son muy exotérmicas (que se producen con liberación de calor).
De hecho, el calor liberado por estas es elevado, de modo que además de posibilitar las reacciones endotérmicas de reducción, se eleva la temperatura hasta producir la fusión total de las cargas a la altura de la zona de toberas.
El hierro liberado en virtud de la reacción anterior va goteando hacia el fondo del horno, atravesando capas de cok, con lo que el hierro se va carburando (se enriquece en carbono).
El hierro se enriquece en carbono entre un 1,5 y un 3%, en principio (después su contenido aumentará hasta un 3,5-4%).
A este enriquecimiento se debe precisamente que el hierro funda, ya que a las temperaturas del horno (sobre los 1400ºC) el hierro puro, o hierro dulce, es sólido, mientras que el hierro carburado hasta los niveles expuestos es líquido.
Simultáneamente comienza a formarse la escoria, conjunto de óxidos formado por la acción de las impurezas sobre la ganga de los aglomerados férricos y los estériles del carbón que pasaron al cok.
