INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS
EXTRACTIVAS
“PROPUESTA DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN
ALTO HORNO EN LA EXTRACCIÓN DEL MINERAL DEL HIERRO”
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE
INGENÍERO QUÍMICO INDUSTRIAL
P R E S E N T A
KARLA BARRIOS GALINDO
ASESOR: ING. ARMANDO TONATIUH AVALOS BRAVO
RECONOCIMIENTOS
“INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL”
“ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUIMÍCA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS”
El Instituto Politécnico Nacional, mi segunda Patria, ha sido mi orgullo y emblema desde hace más de
4 años. Más que una Institución, es el corazón de mi vida que me formo, con ética en el ámbito cultural,
deportivo y académico-científico. El Instituto Politécnico Nacional ha sido testigo y parte de
Innumerables escenarios durante mi estancia en el mismo, serán inolvidables.
En mis cimientos y fracasos se volvieron el coraje para emprender un nuevo camino hacia el éxito,
formándome como un ser íntegro. Por ello, en lo que reste de mi existencia seguiré honrando con
placer y honor los colores guinda y blanco, así como su escudo y su noble mascota; cantando con amor
y decoro su himno, y siempre llevaré muy en alto las siglas IPN, ya que soy politécnico por convicción
y no por circunstancia.
A mi querida Escuela Superior de Ingeniería Química E Industrias Extractivas porque me enseñó a
través de sus Autoridades y Maestros a crecer día con día y a trabajar por alcanzar el éxito dentro del
ámbito industrial. Al Ingeniero Armando Tonatiuh Avalos Bravo por sus consejos, su confianza y su
valiosa ayuda durante el desarrollo de la Tesis bajo su acertada orientación.
AGRADECIMIENTOS
Dedico esta tesis con profundo respeto y cariño:
A DIOS
Gracias por permitirme la vida por darme el privilegio de poderla disfrutar con todos mis seres
queridos, además gracias por estar siempre a mi lado.
A MIS PADRES
Este trabajo es el producto de grandes sacrificios y alegrías experimentadas a lo largo de toda una
Vida. Gracias por su amor desinteresado, comprensión y consejos en los momentos difíciles.
Papi gracias por tu apoyo, la orientación que me ha dado, por iluminarme mi camino y darme la pauta
para poder realizarme profesional y emocionalmente, agradezco los consejos sabios que en el momento
exacto has sabido darme para no dejarme caer y enfrentar los momentos difíciles, por ayudarme a
tomar decisiones y sobre todo por tu amor.
Mami tu eres la persona que siempre me ha levantado los ánimos tanto en los momentos difíciles de
toda mi vida. Gracias por tu paciencia y esas palabras sabias que siempre tienes para mis enojos mis
tristezas y mis momentos felices, por ser mi amiga y ayudarme a cumplir mis sueños, te quiero mucho.
A ustedes debo este logro y con ustedes felizmente lo comparto porque con su sacrificio supieron
encausarme por el camino recto de la vida sin esperar nada a cambio que Dios los bendiga siempre.
A MIS HERMANAS
Gracias por su compañía, por ser parte de mi vida por su cariño y confianza depositada en mí, lo cual
espero que este trabajo sea para ustedes un estímulo de superación personal para seguir adelante.
A MI ESPOSO E HIJOS
Una dedicatoria a ese ser humano tan maravilloso que Dios puso en mi camino para que sea mi amigo
y compañero de toda la vida, él sabe que este logro también es suyo. Gracias por estar a mi lado en los
momentos de alegría y tristeza, por impulsarme a culminar este trabajo siempre con consejos cuando
los necesite, gracias por ser parte de mi vida y por tu amor. A ustedes mis amores que me han
acompañado en este trayecto de mi vida, y que espero que el día de mañana les sirva de ejemplo en su
vida profesional.
“La vida artificial busca simular
O crear nuevas formas de vida
No basadas en carbono si no
En estructuras de información”
“Se pretende estudiar la vida
Cómo podría ser y no como es”
Chris Langton
Padre de la Vida Artificial
CONTENIDO
PÁGRESUMEN………...…I INTRODUCCIÓN………...……..II CAPÍTULO I PROCESO DE OBTENCIÓN DEL HIERRO
1.1-El hierro y su proceso de producción………...1
1.2.-Proceso de obtención del hierro simplificado...4
1.3-El hierro en la construcción...13
1.4.-Hierro en la industria...14
CAPÍTULO II CONCEPTOS BÁSICOS DE CONTROL AUTOMÁTICO DE PROCESOS 2.1 Sistema de control de procesos………...………....18
2.2 Conceptos básicos………..……….…..……....31
2.2.1 Conceptos de control automático……….………....31
2.2.2 Conceptos de instrumentación………..……….…..……....33
2.3 Instrumentación en la industria del hierro………36
2.3.1 Medida de temperatura……….………..………37
2.3.2 Termopares…………..………..………..…………39
2.3.3 Medida de presión ………..………41
2.4 Acciones de control……….………..……….……42
CAPÍTULO III INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL DEL PROCESO DE OBTENCIÓN DEL HIERRO
3.1 Alto horno……….………45
3.2 Operación del alto horno………..….……….……48
3.3 Análisis del control actual del alto horno………...51
3.3.1 Los rtd´s……….…….…..55
3.3.2 El integrador de peso……….…….……56
3.3.3 El medidor de flujo……….……….……….…57
3.3.4 El variador de velocidad……….………..…...58
CAPÍTULO IV PROPUESTA DE MEJORA DEL SISTEMA DE CONTROL ACTUAL DEL ALTO HORNO 4.1 Criterios de mejora del sistema del alto horno………...60
4.1.1 Gas de alto horno y estufas para pre-calentamiento de aire………61
4.1.2 El tiempo de residencia……….………..61
4.1.3 La presión en el alto horno………....62
4.2 Estrategia de control propuesta………..………..64
CAPÍTULO V COSTO DEL POYECTO 5.1 Alternativas………...69 Conclusiones………..…71 Recomendaciones………...……..…73 Bibliografía………..…74 Anexos………..……..77
RESUMEN
El hierro tiene una enorme importancia en la vida moderna. ¿Cómo se podrían construir los aeroplanos todos los medios modernos de transportes y los innumerables dispositivos mecánicos en que se utiliza el hierro para su construcción sin mencionar los tornillos, pernos y centenares de otras piezas corrientes en el uso diario?
Este trabajo se centra en la parte de la obtención del hierro, específicamente en altos hornos, la cual es controlada por un sistema de mediciones sistemáticas, son de radar, lanza de inflamación, sonda fija, sonda radar, sonda en movimiento, estos son monitoreados por una computadora, lo cual nos ayudara a comprender un poco más el porqué de la actual problemática en el proceso y la necesidad de realizar una mejora en el sistema de altas hornos.
Para poder entender mejor lo que es el control de procesos y la instrumentación es necesario tener ciertos conocimientos previos, los cuales son muy extensos, pero se puede encontrar una breve semblanza de estos para poder entender mejor este trabajo.
El problema principal de los altos hornos es la investigación, y las modernizaciones actuales se centran en mejorar la rentabilidad y la duración de la instalación, también se tiene muy en cuenta el limitar el impacto ambiental del alto horno.
Por lo anteriormente mencionado se observa la necesidad de una mejora en el sistema de control actual del alto horno, pero, para poder hacerlo, es necesario conocer el funcionamiento del mismo, los instrumentos de medición y control con los que cuenta, así como también saber con qué tipo de arquitectura de control funciona.
INTRODUCCIÓN
El contínuo crecimiento de la población y la tecnología ha tenido un avance significativo en las últimas décadas, las industrias y empresas dedicadas a la fundición de minerales de hierro en altos hornos han sido víctimas de este crecimiento consecutivo, exigiendo cada vez más una mejora de sus procesos y productos.
A pesar de esto el hierro fundido para la producción de acero ha tenido un crecimiento considerable y contínuo. Los altos hornos tienen una producción poco favorable para la elaboración de hierro de alta calidad, debido a las impurezas que ocasiona el método de fundición. Los beneficios serán obtener una mejor calidad de fundición en un menor tiempo, además de reducir los gastos y el impacto ambiental del mismo.
En la década de los sesenta del siglo pasado se introdujo un importante avance en la tecnología de altos hornos: la presurización de los hornos. Estrangulando el flujo de gas de los respiraderos del horno es posible aumentar la presión del interior del horno hasta 1,7 atmósferas o más. La técnica de presurización permite una mejor combustión del coque y una mayor producción de hierro.
En muchos altos hornos puede lograrse un aumento de la producción de un 25%. En instalaciones experimentales también se ha demostrado que la producción se incrementa enriqueciendo el aire con oxígeno. Sin embargo hay empresas que no han implementado este tipo de diseño o sistema para incrementar su productividad.
Se consideró este problema porqué en la actualidad se demanda producción de acero de alta calidad debido a sus aplicaciones, para resolver este problema suplementará el uso de mejores materiales (combustible, chatarra, fundente) y mejorar la tecnología del alto horno.
RESUMEN
El hierro tiene una enorme importancia en la vida moderna. ¿Cómo se podrían construir los aeroplanos todos los medios modernos de transportes y los innumerables dispositivos mecánicos en que se utiliza el hierro para su construcción sin mencionar los tornillos, pernos y centenares de otras piezas corrientes en el uso diario?
Este trabajo se centra en la parte de la obtención del hierro, específicamente en altos hornos, la cual es controlada por un sistema de mediciones sistemáticas, son de radar, lanza de inflamación, sonda fija, sonda radar, sonda en movimiento, estos son monitoreados por una computadora, lo cual nos ayudara a comprender un poco más el porqué de la actual problemática en el proceso y la necesidad de realizar una mejora en el sistema de altas hornos.
Para poder entender mejor lo que es el control de procesos y la instrumentación es necesario tener ciertos conocimientos previos, los cuales son muy extensos, pero se puede encontrar una breve semblanza de estos para poder entender mejor este trabajo.
El problema principal de los altos hornos es la investigación, y las modernizaciones actuales se centran en mejorar la rentabilidad y la duración de la instalación, también se tiene muy en cuenta el limitar el impacto ambiental del alto horno.
Por lo anteriormente mencionado se observa la necesidad de una mejora en el sistema de control actual del alto horno, pero, para poder hacerlo, es necesario conocer el funcionamiento del mismo, los instrumentos de medición y control con los que cuenta, así como también saber con qué tipo de arquitectura de control funciona.
INTRODUCCIÓN
El contínuo crecimiento de la población y la tecnología ha tenido un avance significativo en las últimas décadas, las industrias y empresas dedicadas a la fundición de minerales de hierro en altos hornos han sido víctimas de este crecimiento consecutivo, exigiendo cada vez más una mejora de sus procesos y productos.
A pesar de esto el hierro fundido para la producción de acero ha tenido un crecimiento considerable y contínuo. Los altos hornos tienen una producción poco favorable para la elaboración de hierro de alta calidad, debido a las impurezas que ocasiona el método de fundición. Los beneficios serán obtener una mejor calidad de fundición en un menor tiempo, además de reducir los gastos y el impacto ambiental del mismo.
En la década de los sesenta del siglo pasado se introdujo un importante avance en la tecnología de altos hornos: la presurización de los hornos. Estrangulando el flujo de gas de los respiraderos del horno es posible aumentar la presión del interior del horno hasta 1,7 atmósferas o más. La técnica de presurización permite una mejor combustión del coque y una mayor producción de hierro.
En muchos altos hornos puede lograrse un aumento de la producción de un 25%. En instalaciones experimentales también se ha demostrado que la producción se incrementa enriqueciendo el aire con oxígeno. Sin embargo hay empresas que no han implementado este tipo de diseño o sistema para incrementar su productividad.
Se consideró este problema porqué en la actualidad se demanda producción de acero de alta calidad debido a sus aplicaciones, para resolver este problema suplementará el uso de mejores materiales (combustible, chatarra, fundente) y mejorar la tecnología del alto horno.
CAPÍTULO I
1.1- EL HIERRO Y SU PROCESO DE PRODUCIÓN
El hierro fue descubierto en la prehistoria y era utilizado como adorno y para fabricar armas; el objeto más antiguo, aún existente, es un grupo de cuentas oxidadas encontrado en Egipto, y data del 4000 a.C.
El término arqueológico edad del hierro se aplica sólo al período en el que se extiende la utilización y el trabajo del hierro. El procesado moderno del hierro no comenzó en Europa central hasta la mitad del siglo XIV d.C.
PROPIEDADES DEL HIERRO
El hierro puro tiene una dureza que oscila entre 4 y 5. Es blando, maleable y dúctil. Se magnetiza fácilmente a temperatura ordinaria; es difícil magnetizarlo en caliente, y a unos 790 °C desaparecen las propiedades magnéticas. Tiene un punto de fusión de unos 1535 °C, un punto de ebullición de 2750 °C y una densidad relativa de 7,86. Su masa atómica es 55,847.
Presenta diferentes formas estructurales dependiendo de la temperatura y presión atmosférica:
Hierro-α: estable hasta los 911 °C. El sistema cristalino es una red cúbica centrada en el cuerpo (bcc).
Hierro-γ: 911 °C - 1392 °C; presenta una red cúbica centrada en las caras (fcc). Hierro-δ: 1392 °C - 1539 °C; vuelve a presentar una red cúbica centrada en el cuerpo.
Hierro-ε: Puede estabilizarse a altas presiones, presenta estructura hexagonal compacta (hcp).
ESTADO NATURAL DEL HIERRO
El hierro sólo existe en estado libre en unas pocas localidades, en concreto al oeste de Groenlandia, en México los principales lugares de extracción son Zacatecas, Coahuila, Puebla y Jalisco. También se encuentra en los meteoritos, normalmente aleado con níquel. En forma de compuestos químicos, está distribuido por todo el mundo, y ocupa el cuarto lugar en abundancia entre los elementos de la corteza terrestre; después del aluminio, es el más abundante de todos los metales.
Los principales minerales de hierro son las hematites. Otros minerales importantes son la goetita, la magnetita, la siderita y el hierro del pantano (limonita). La pirita, que es un sulfuro de hierro, no se procesa como mineral de hierro porque el azufre es muy difícil de eliminar.
También existen pequeñas cantidades de hierro combinadas con aguas naturales y en las plantas; además, es un componente de la sangre.
APLICACIONES Y PRODUCCIÓN
El hierro es el metal duro más usado, con el 95% en peso de la producción mundial de metal. El hierro puro (pureza a partir de 99,5%) no tiene demasiadas aplicaciones, salvo excepciones para utilizar su potencial magnético.
El hierro tiene su gran aplicación para formar los productos siderúrgicos, utilizando éste como elemento matriz para alojar otros elementos elegantes tanto metálicos como no metálicos, que confieren distintas propiedades al material. Se considera que una aleación de hierro es acero si contiene menos de un 2,1% de carbono; si el porcentaje es mayor, recibe el nombre de fundición.
El acero es indispensable debido a su bajo precio y tenacidad, especialmente en automóviles, barcos y componentes estructurales de edificios. Las aleaciones férreas presentan una gran variedad de propiedades mecánicas dependiendo de su composición o el tratamiento que se haya llevado a cabo.
1.2.-PROCESO DE OBTENCIÓN DEL HIERRO SIMPLIFICADO.
Figura 1 Diagrama de flujo de la obtención del hierro
La mena principal usada en la producción de hierro y acero es la hematita (Fe203),
otras menas incluyen la magnetita (Fe3O4), la siderita (FeCO3) y la limonita (Fe2O3-
1.5H2O). EXTRACCION DEL MINERAL DEL HIERRO
TRANSPORTE DEL MINERAL DEL HIERRO
PREPARACION DEL MINERAL: LAVADO QUEBRADO CRIBADO AIRE ALTO HORNO ESCORIA ARRABIO EXPLOTACION DE COQUE EXPLOTACION DE PIEDRA CALIZA TRANSPORTE DEL MINERAL DE COQUE TRANSPORTE DEL MINERAL DE CALIZA PREPARACION DEL MINERAL: REFINADO CALENTADO PREPARACION DEL MINERAL: LAVADO QUEBRADO CRIBADO
Las menas de hierro contienen de un 50 a un 70% de hierro, dependiendo de su concentración; la hematita contiene casi 70% de hierro.
Además, hoy se usa ampliamente la chatarra como materia prima para la fabricación de hierro y acero. Las otras materias primas que se necesitan para reducir el hierro de sus menas, son el coque y la piedra caliza.
El coque es un combustible de alto carbono, producido por el calentamiento de carbón bituminoso en una atmósfera con bajo contenido de oxígeno durante varias horas, seguido de una aspersión de agua en torres especiales de enfriamiento.
La coquificación del carbón mineral deja, como subproducto, gas de alto poder calorífico, que es utilizado como combustible en los diversos procesos subsiguientes. El coque desempeña dos funciones en el proceso de reducción:
Es un combustible que proporciona calor para la reacción química y produce monóxido de carbono (CO) para reducir las menas de hierro. La piedra caliza es una roca que contiene altas proporciones de carbonato de calcio (CaCO3).
Esta piedra caliza se usa en el proceso como un fundente que reacciona con las impurezas presentes y las remueve del hierro fundido como escoria.
Para producir hierro, se alimenta por la parte superior de un alto horno una carga con capas alternadas de coque, piedra caliza y mineral de menas de hierro. Un alto horno es virtualmente una planta química que reduce continuamente el hierro del mineral.
Químicamente desprende el oxígeno del óxido de hierro existente en el mineral para liberar el hierro. Está formado por un recipiente cilíndrico de acero forrado con un material no metálico y resistente al calor, como ladrillos refractarios y placas refrigerantes.
El diámetro del recipiente cilíndrico de 9 a 15 m (30 a 50 pies) disminuye hacia arriba y hacia abajo, y es máximo en un punto situado aproximadamente a una cuarta parte de su altura total de 40 m (125 pies).
La parte inferior del horno está dotada de varias aberturas tubulares llamadas toberas, por donde se fuerza el paso del aire. Cerca del fondo se encuentra un orificio por el que fluye el arrabio cuando se sangra (o vacía) el alto horno.
Encima de ese orificio, pero debajo de las toberas, hay otro agujero para retirar la escoria. La parte superior del horno, contiene respiraderos para los gases de escape, y un par de tolvas redondas, cerradas por válvulas en forma de campana, por las que se introduce la carga en el horno.
Los materiales se llevan hasta las tolvas en pequeñas vagonetas o cucharas que se suben por un elevador inclinado situado en el exterior del horno.
Desde la parte baja de la cámara se inyecta por toberas una corriente de gases y aire precalentados a 900 °C a gran velocidad para realizar la combustión y la reducción del hierro efectuándose la combustión completa del coque que adquiere temperaturas máximas entre 1700 a 1800 °C.
Los gases calientes (CO, H2, CO2, H2O, N2, O2 y los combustibles) realizan la
combustión del coque conforme pasan hacia arriba, a través de la carga de materiales.
El monóxido de carbono se suministra como un gas caliente, pero también se forma adicionalmente por la combustión del coque. El gas CO tiene un efecto reductor sobre las menas de hierro; la reacción simplificada se describe a continuación (usando la hematita como la mena original):
Fe 2O3 + CO2FeO + CO2… ecuación (1)
El bióxido de carbono CO2 reacciona con el coque para formar más monóxido de
carbono:
CO2 + C (coque) 2CO……….ecuación (2)
El cual realiza la reducción final de FeO a hierro:
FeO +CO Fe+CO2…. ecuación (3)
Fig. 2 Partes de un alto horno
El hierro fundido escurre hacia abajo, acumulándose en la base del alto horno. El hierro fundido de primera fusión, o arrabio se vacía periódicamente en carros cuchara o carros torpedo con los cuales se llenan lingoteras o bien se conducen a
mezcladoras calientes donde se almacenan y se mezclan con otras fundiciones para
curarse posteriormente en algún proceso de obtención del acero (refinación de arrabio).
Los lingotes se someten a una operación de enfriamiento para convertirse mediante procesos metalúrgicos posteriores, en: hierro fundido de segunda fusión, hierro dulce, hierro maleable o bien acero. Los altos hornos funcionan de forma continua.
La materia prima que se va a introducir en el horno se divide en un determinado número de pequeñas cargas que se introducen a intervalos de entre 10 y 15 minutos. La escoria que flota sobre el metal fundido se retira una vez cada dos horas, y el arrabio se sangra cinco veces al día. El papel que juega la piedra caliza se resume en la siguiente ecuación.
Primero se reduce a cal (CaO) por calentamiento:
CaCO3 + CaO + CO2…. Ecuación (4)
La piedra caliza se combina con la sílice (SiO2) presente en el mineral (la sílice no
se funde a la temperatura del horno) para formar silicato de calcio (CaSiO4), de
menor punto de fusión.
Si no se agregara la caliza, entonces se formaría silicato de hierro (Fe2SiO4), con
La cal se combina con impurezas tales como sílice (SiO2), azufre (S) y aluminio
(Al2 O3) para formar silicatos de calcio y de aluminio, en reacciones que producen
una escoria fundida que flota encima del hierro.
El arrabio o hierro de primera fusión no se puede utilizar directamente en la industria por ser muy quebradizo debido a sus impurezas y poca resistencia contiene excesivo
Carbón, de 2.2% a 4.5%, además de cantidades de silicio, magnesio, fósforo cuyos contenidos son muy variables.
TRITURACIÓN Y MOLIENDA:
La trituración tiene por objeto reducir el tamaño de los minerales. Se hace en seco en máquinas llamadas trituradoras, que pueden ser de mandíbulas o giratorias.
Fig. 4. Ejemplo de una molienda de hierro
La molienda puede hacerse con materiales húmedos o secos. Se utilizan los molinos rotatorios. La diferencia entre un proceso y otro está en el tamaño de los materiales obtenidos en cada proceso: en la molienda se obtiene el mineral en partículas más pequeñas que en la trituración.
CLASIFICACIÓN
Es la separación del material obtenido en los procesos anteriores por tamaños similares. Se utilizan diversos instrumentos y procedimientos.
Criba: separan el material por tamaño, por una parte los que pasan por una malla y los que no pasan.
Fig. 5 Criba y tamiz
CONCENTRACIÓN
Es la operación de separar la mena de la ganga. Los procedimientos son:
Flotación: Se separan las partículas de materiales diferentes haciendo que las de uno de ellos flote sobre un líquido y las demás estén sumergidas en él.
Separación magnética: Un material con propiedades magnéticas se puede separar de la ganga aplicando al conjunto un campo magnético.
PROCESO DE PELETIZACIÓN DEL HIERRO
El proceso productivo se inicia con la extracción del mineral de hierro desde las minas en el norte de nuestro país (III y IV regiones). Si el mineral posee bajo contenido de impurezas (principalmente fósforo y azufre), puede ser utilizado para carga directa a Altos Hornos, requiriendo sólo tratamientos de molienda y concentración.
Este es el caso de Mina El Romeral. Si, por el contrario, el contenido de impurezas es relativamente alto, se realiza también la molienda y concentración, pero
requiere además de un proceso químico de peletización, donde se reducen significativamente dichas impurezas.
Este es el caso de las minas los Colorados y el Algarrobo, en que el mineral se transporta por vía férrea hacia la Planta de Pellet de Valle del Huasco.
Fig. 6. Molienda y Concentración:
1.3-EL HIERRO EN LA CONSTRUCCIÓN
En la actualidad, México se encuentra entre los países más experimentados en el uso del hierro convencidos de los beneficios que otorga está en diversos procedimientos constructivos.
Desde la antigüedad el hombre ha utilizado el hierro para la construcción de obras arquitectónicas, La construcción que deslumbró al mundo y marcó el verdadero punto de partida en la historia de las construcciones fue la Torre Eiffel. Después de ella se han construido muchos edificios de gran tamaño y notable alarde técnico, pero ninguno la superó en su atrevimiento innovador.
La industria de la construcción es el sector donde se pueden apreciar y demostrar las múltiples propiedades del hierro en todas sus formas y presentaciones. La calidad del producto es el factor más importante para asegurar trabajos de gran durabilidad, resistencia y economía.
Uno de los materiales más utilizados en la edificación de obras es el acero y dentro de ellos el fierro. Este material es uno de los más importantes pues es en base a fierros que se hace el esqueleto de una estructura, como zapatas, columnas, vigas, dinteles, placas, viguetas, etc.
1.4.-HIERRO EN LA INDUSTRIA
La producción de hierro tuvo efectos de arrastre sobre otros sectores haciendo que éstos también crecieran. Arrastró, por tanto a la minería, a los transportes y a la construcción de máquinas. Aumentó el número de trabajadores en las minas y en las fábricas, impulsó la aparición de nuevas fábricas metalúrgicas, canales, ferrocarriles, puertos y astilleros.
Se ha definido tradicionalmente la industria pesada como aquella dedicada principalmente a la transformación de las materias primas de origen mineral, y en
especial de los metales. Por su importancia creciente, se estima también dentro de este sector la industria de los materiales sintéticos.
La transformación del hierro y sus derivados, tales como el acero y otras variadas aleaciones, dio origen a un sector industrial de primer orden, por su gran importancia económica y de desarrollo a diferentes niveles.
Así, las industrias de este sector abarcan desde todas las actividades siderúrgicas (extracción de los minerales de hierro, fundición, laminación y transformación del hierro en acero), hasta su aplicación en las más diversas construcciones y estructuras, tales como la construcción naval, automóvil, maquinaria, edificación, entre otras muchas.
De este sector se alimentan las diversas industrias de transformación y conformado, sea para elaborar productos acabados o para suministrar piezas y elementos destinados a otras industrias.
Se debe su importancia no sólo al volumen, sino también a las numerosas industrias subsidiarias proveedoras.
Así, esta industria requiere de otras que elaboren y suministren variados dispositivos y maquinaria, tales como motores, máquinas herramienta, elementos eléctricos y equipos electrónicos, etc. Además, en los lugares donde se asientan, estas industrias conforman un tejido socioeconómico de primer nivel por la riqueza que aportan.
Siderurgia: La actividad de la siderurgia comprende una larga serie de fases productivas que van desde la obtención del acero hasta las diferentes líneas de producción.
En el primer paso, hay dos procesos principales para obtener acero: la siderúrgica integrada, que parte de la utilización del mineral ferroso y la semi-integrada, cuyas materias primas principales son la chatarra ferrosa y las ferroaleaciones.
Las empresas semi-integradas: Son aquellas que producen acero a partir de chatarra. Cuentan con instalaciones para dos de las etapas del proceso de producción: reducción y acería y laminación; existen 19 empresas de este tipo en México.
Altos Hornos de México, S.A.B. de C.V. (AHMSA) es la mayor siderúrgica integrada del país. Sus oficinas corporativas se localizan en Monclova, Coahuila, en la región centro del Estado de Coahuila, a 250 kilómetros de la frontera con Estados Unidos.
AHMSA opera una extensa cadena industrial desde la extracción de minerales de fierro y carbón hasta la manufactura de aceros. Cuenta con dos plantas siderúrgicas en la ciudad de Monclova, que cubren una extensión de 1,200 hectáreas.
Adicionalmente, en la región carbonífera de Coahuila, a 110 kilómetros de Monclova, tiene minas propias de carbón metalúrgico, que es transportado por ferrocarril a las siderúrgicas.
En el Municipio de Nava, junto a la frontera con Estados Unidos de América, opera minas de carbón térmico, que generan alrededor de 7 millones de toneladas anuales de energético destinado a las plantas locales de la Comisión Federal de Electricidad (CFE).
Los principales yacimientos de fierro se localizan en la zona desértica de Coahuila y el mineral concentrado se envía a Monclova a través de un ferro ducto de 295 kilómetros. Se tienen también minas de fierro en otros estados de la República.
Actualmente AHMSA opera a un ritmo superior a 3.5 millones de toneladas anuales de acero líquido, y cuenta con una plantilla laboral de 19,000 personas, incluyendo sus empresas subsidiarias mineras.
AHMSA es líder nacional en producción y comercialización de productos planos: lámina rolada en caliente, placa, lámina rolada en frío, hojalata y lámina cromada. Cuenta además con facilidades para perfiles estructurales.
El Acero es muy utilizado en la industria de Automóviles, tanto como para la elaboración de Estructuras de Edificios, como también en la Industria Naval en la creación de Barcos, sumado a sus ventajas en lo que respecta a Propiedades Mecánicas, dependiendo ellas del tratamiento de la materia prima o bien la composición química que se emplee.
CAPÍTULO II
CONCEPTOS BÁSICOS DE CONTROL
AUTOMÁTICO DE PROCESOS
2.1-SISTEMA DE CONTROL DE PROCESOS
El propósito principal de este capítulo es demostrar la necesidad del control automático de procesos y a su vez definir la terminología básica para poder aplicar el control automático a los altos hornos y lograr así la mejora previamente propuesta.
El objetivo del control automático de procesos es mantener en determinado valor de operación las variables del proceso tales como: temperaturas, presiones, flujos y compuestos.
Los procesos son de naturaleza dinámica, en ellos siempre ocurren cambios y si no se emprenden las acciones pertinentes, las variables importantes del proceso, es decir, aquellas que se relacionan con la seguridad, la calidad del producto y los índices de producción, no cumplirán con las condiciones de diseño.
En este capítulo se presenta una breve descripción de algunas arquitecturas de sistemas de control, y algunos de sus componentes, se definen algunos de los términos que se usan en el campo del control de procesos.
Los procesos industriales exigen el control de la fabricación de los diversos productos obtenidos. Los procesos son muy variados y abarcan muchos tipos de productos: la fabricación de los productos derivados del petróleo, de los productos alimenticios, la industria cerámica, las centrales generadoras de energía, la siderurgia, los tratamientos térmicos, la industria papelera, la industria textil, etc.
En todos estos procesos es absolutamente necesario controlar y mantener constantes algunas magnitudes, tales como la presión, el caudal, el nivel, la temperatura, el pH, la conductividad, la velocidad, la humedad, etcétera.
Los instrumentos de medición y control permiten el mantenimiento y la regulación de estas constantes en condiciones más idóneas que las que el propio operador podría realizar.
El alto horno que es utilizado para la extracción del hierro no es la excepción hablando de avances en el control e instrumentación, pero para poder entender mejor esto es necesario conocer cierta terminología.
En diagrama, 1. Se muestran los componentes básicos de un sistema de control, lo que será descrito más a fondo en capítulos posteriores.
1.-Diagrama de flujo de control de proceso
SELECCIÓN DE PARÁMETROS REGULADORES DEL PROCESO
La regulación del estado térmico del alto horno en las zonas superiores da lugar a notables retardos en el tiempo, debidos a la velocidad de descenso de los materiales de la carga, según la altura del horno, y a la propia inercia de los procesos térmicos.
La regulación en las zonas superiores debe realizarse en combinación con las acciones en las zonas inferiores, ya que éstas no están sometidas a retardos y los efectos en su control son más inmediatos.
SET POINT CONTROLADOR ELEMENTO FINAL DE CONTROL PROCESO SENSOR TRANSMISOR
Todas las acciones reguladoras en la parte inferior del horno son efectivas para controlar el calentamiento del crisol, salvo con aquellos combustibles auxiliares (gas natural y fuel oil) que se inyectan con el viento.
Al estudiar las características dinámicas del horno, en función de los combustibles inyectados, se ha determinado que la influencia de estos, al variar sus caudales de inyección, es compleja y su acción sobre el contenido de silicio del arrabio (Fig.8) se manifiesta de dos maneras. Inicialmente, éste tiende a disminuir y después aumenta.
Experimentalmente, se ha comprobado que el efecto completo de regulación se alcanza después de 12-18 h. El carácter complejo de los procesos transitorios al variar los caudales de inyección de gas natural y fuel oil está relacionado, en particular, con la disociación de grandes cantidades de hidrógeno.
b)
FIG. 8. Dinámica de la variación del contenido de silicio en el arrabio mediante la regulación del estado térmico del crisol, a) Inyección de 1.000 m3/h de gas natural, b) Inyección de carbón
pulverizado
La inyección de carbón pulverizado (ICP) por toberas, de composición química similar a la del coque, no provoca variaciones considerables ni en la composición ni en el volumen de gases en las toberas.
Por tanto, la influencia de su tasa de inyección en el contenido de silicio en el arrabio (Fig. 1b)) tiene lugar por un principio más simple.
La ecuación que expresa la variación del contenido de silicio en el arrabio, al variar la tasa de inyección de carbón pulverizado (ICP) tiene la forma:
dónde:
Si = Variación del contenido de silicio en el arrabio, %. S2 = Variación de la tasa ICP, kg/t de arrabio.
El análisis de la fórmula [1] muestra que el efecto completo de la regulación para un tiempo constante (T = 3,5 h) se alcanza prácticamente en unas 8-9 h. En este caso, al inyectar CP, el contenido de silicio en el arrabio varía en una media de 0,085 % por cada 10 kg CP/t de arrabio.
Las investigaciones realizadas han permitido elaborar y utilizar en los altos hornos de la planta siderúrgica de Donetsk (Ucrania) un método de control térmico del crisol, mediante la inyección de CP En la figura 9 se incluye un ejemplo de control del régimen térmico de fusión con utilización de CP
En la figura 8a) se aprecia que cuando la relación aglomerado/coque (A/C) en la carga del horno se reduce de 3,08 a 3,02 t/t, mediante la conveniente disminución del consumo de aglomerado (principalmente sínter), la temperatura del arrabio es de 1.450 °C, con un contenido de silicio del 0,45 %.
Tanto durante el período analizado como durante los días anteriores no se varían otros parámetros del viento. Una hora después, se inicia la ICP en una cantidad de 2,25 t/h hasta alcanzar un caudal de 4 t/h.
En estas condiciones, se mantiene la relación A/C en 3,02 t/t. Como resultado de la ICP, la temperatura del arrabio se eleva en 40-50 °C y el contenido de silicio en el arrabio, en 0,5 %.
En la figura 2b) se observa que, en el momento de la colada, que termina 17 h después, la temperatura del arrabio alcanza los 1.530 °C con un contenido de silicio del 1,52 %. En la colada siguiente, la temperatura del arrabio se mantiene en 1.530 °C y el contenido de silicio alcanza el 1,64 %.
0 1 2 3 4 5 0 5 10 15
TIEMPO VS VARIACION DEL CONTENIDO DE SI EN EL ARRABIO. %
TIEMPO VS VARIASION DEL CONTENIDO DE SI EN EL ARRABIO. %
Transcurridas 19 h, la relación aglomerado/coque aumenta a 3,23 t/t, mediante el aumento de la correspondiente cantidad de aglomerado. Nota 6 Al mismo tiempo, se deja de inyectar CP, cuyo caudal era de 5 t/h. A continuación, el horno opera durante 8 h sin ICP, y con una elevada relación A/C.
Como resultado de no inyectar CP y de disminuir la cantidad de coque en la relación A/C, la temperatura del arrabio desciende a 1.460 °C y el contenido de silicio se reduce a 0,8 %. Posteriormente, se restablece la ICP.
V A R I A C I O N T I E M P O
FIG. 9. — Control del régimen térmico del crisol con utilización de carbón pulverizado (CP) y la relación aglomerado/coque (A/C). a) Primer período de experimentación, b) Segundo período de experimentación.
Por tanto, la rápida respuesta de la ICP y el carácter simple del proceso transitorio ofrece ventajas en el caso de que sea necesario regular el estado térmico del crisol. La correspondencia en magnitud y tiempo entre las variaciones de la tasa de ICP y la relación de materiales en la carga garantiza el control óptimo del régimen térmico de fusión.
Entre otras acciones de control en la zona baja del horno, hay que tener en cuenta también el empleo de vapor de agua. La moderna tecnología de inyección de CP, se debe acompañar con la inyección de vapor de agua en el viento para mantener el nivel requerido en la temperatura adiabática de la llama.
FUNDAMENTOS Y SELECCIÓN DE LOS CRITERIOS PARA DETERMINAR EL ESTADO TÉRMICO DEL ALTO HORNO
El estado térmico del horno alto está interrelacionado con procesos de intercambio térmico y de masas, lo que dificulta la selección de parámetros que permitan su caracterización de forma satisfactoria. En un alto horno en operación, el estado térmico del horno se determina por el contenido de silicio en el arrabio.
Sin embargo, una vez concluida la colada, los resultados de los análisis químicos se demoran considerablemente, lo cual dificulta el control del estado térmico del
horno. Además, el contenido de silicio en el arrabio no es un parámetro que determine unilateralmente el estado térmico, ya que su magnitud también depende de la basicidad de la escoria y de otra serie de factores.
En su conjunto, la composición química y la temperatura de los productos líquidos de la fusión caracterizan bastante bien el estado térmico del crisol del horno; sin embargo, hasta hace poco no existían medios adecuados para medir la temperatura del arrabio en continuo.
Últimamente, en la industria de equipos de control, se han desarrollado monitores fotopirométricos que, con una exactitud similar a la de los termopares, garantizan la medida de las temperaturas del arrabio y de la escoria durante la colada. Estos equipos están construidos tomando como base modificaciones en la relación espectral e irradiación parcial de los fotodiodos, para que trabajen en un limitado rango espectral de longitud de onda.
Dichos equipos son sistemas seguros y simples para el control automático de las temperaturas del arrabio y de la escoria a medida que sean colados del horno.
En este caso, para la medida automática en continuo de la temperatura del arrabio durante la colada, se ha utilizado un sensor fotopirométrico que controla la temperatura de la superficie de los cuerpos calientes según el calor que irradian. El margen de error en el registro de este equipo fue de 1,0-1,5 %.
Las informaciones sobre la temperatura y el contenido de silicio en el arrabio pueden utilizarse en el SAD cuando entre los calentamientos físicos y químicos del arrabio existe una relación fiable. El cálculo termodinámico de la reducción del silicio en el horno alto, según la reacción en la que la sílice contenida en la escoria (Si02) se reduce a silicio que se incorpora al arrabio [Si], expresada como:
Si02 + 2C = Si + 2CO, en presencia de hierro metálico, permite obtener la
expresión siguiente para determinar la temperatura del arrabio:
donde:
Temperatura del arrabio, °C.
K = Coeficiente, que depende de la presión parcial del CO en el crisol del horno
(para Pc o = 98 kPa,AT= 361,58).
[Si] = Contenido de silicio en el arrabio, %.
En la medida en que se ha perfeccionado la tecnología de operación del alto horno (mejoras en la preparación de las materias primas, disminución del volumen de escoria, optimización de su composición, aumentos de la presión del viento y de los gases en el tragante, ICP, así como aumento del volumen útil de los hornos), se ha observado una tendencia al aumento de la temperatura del arrabio.
Al variar la temperatura en la zona de toberas, se puede regular la cantidad de CO que se forma a partir del Si02 de las cenizas del combustible según SiO2 + 2C ->
S + 2 CO e influir en la velocidad de reducción a SiO de la sílice contenida en la escoria.
La limitación de la sublimación del Si02 a SiO puede ser provocada por ciertos
factores, tales como:
- Disminución de la actividad del Si02 como resultado del aumento tanto de la
- Disminución de la presión parcial del SiO al disminuir la temperatura delante de las toberas.
- Aumento de la presión parcial del CO debido al incremento de la presión en el tragante.
- Incremento de la productividad del horno como resultado del aumento de la velocidad de goteo de los productos líquidos de la fusión y disminución de su tiempo de retención en la zona cohesiva.
- Inyección por toberas de CP, mineral de hierro y fundentes (especialmente magnésicos).
Si se logra controlar el proceso del horno de tal forma que el silicio pase al arrabio sólo a partir del SiO procedente de las cenizas del combustible que se quema en toberas, entonces se podrá obtener arrabio con 0,1 % Si y temperatura de 1.500 °C.
DESARROLLO DE UN ALGORITMO DE CONTROL PARA EL RÉGIMEN TÉRMICO DEL CRISOL
El control del estado térmico del crisol del alto horno se emplea como un parámetro de respuesta rápida para regular la tasa de ICP, y también como criterio de calidad del calentamiento del crisol, las desviaciones de la energía térmica del arrabio y de sus componentes.
En la figura 3 se detalla el ordinograma que implementa el algoritmo de control que comanda el SAD. Ha sido desarrollado en un microcomputador cuya plataforma Hw está basada en un microprocesador análogo al 486 de Intel.
Este microcomputador posee un sistema operativo DOS 5.3 con una memoria RAM de 16 Mb y un disco duro de 640 Mb; también contiene un amplio surtido de módulos que enlazan distintos periféricos, tipo captadores comunicaciones vía Ethernet, reguladores, etc, según se contempla en el diagrama de bloques de la figura 4.
Existe un módulo de adquisición de datos cuyo núcleo es un convertidor analógico-digital para bus AT, que recibe las señales, tanto analógicas como digitales de diferentes captadores y transductores, como la temperatura del arrabio durante la colada.
Otro módulo de comunicaciones, en entorno Ethernet, garantiza las mismas (datos y órdenes) entre este microcomputador y otros computadores de procesos tanto remotos como centralizados (transmiten, por ejemplo, los resultados de los análisis químicos del arrabio y de la escoria).
Otro módulo de conversión analógico-digital sirve para transmitir órdenes a los actuadores. Existen, asimismo, módulos exteriores de ampliación de memoria (tanto RAM como EPROM). El sistema trabaja de la forma siguiente. Se mide el caudal de
CP inyectado al horno. Durante el período de colada se interrumpe la ICP, y el sistema pasa a la medición de temperaturas del arrabio.
SILICIO EN EL ARRABIO, % TEMPERATURA DEL ARRABIO °C ENERGIA , KJ/KG PROPORCION % 0.4 1.380 7.926 890 8.816 89.9 10.1 0.5 1.400 7.946 905 8.851 89.8 10.2 0.6 1.420 7.971 918 8.889 89.6 10.4 0.7 1.440 7.993 934 8.927 89.5 10.5 0.8 1.460 8.015 949 8.964 89.4 10.6 0.9 1.480 8.037 963 9.00 89.3 10.7 1.0 1.500 8.058 978 9.036 89.2 10.8
En el párrafo siguiente se presentan los cuatro componentes básicos de todo sistema de control, estos son:
1. Sensor, que también se conoce como elemento primario. 2. Transmisor, el cual se conoce como elemento secundario. 3. Controlador, que es el “cerebro” del sistema de control.
4. Elemento final de control, frecuentemente se trata de una válvula de control aunque no siempre.
2 3 CaO/SiO2 (Mg)+ % (S)+ % (Si)+ % T°, °C RECOMENDACIONES
2.- Diagrama de bloques de la plataforma Hw/Sw del SAD.
Otros elementos finales de control comúnmente utilizados son las bombas de velocidad variable, los transportadores y los motores eléctricos. La importancia de estos componentes estriba en que realizan las tres operaciones básicas que deben estar presentes en todo sistema de control, estas operaciones son:
AMPLIACIONES DE MEMORIA MICROCOMPUTADOR BASE DE DATOS TEMPERATURA DEL ARRABIO COMPUTADOR PRINCIPAL OTROS COMPUTADORES DE PROCESO DEPARTAMENTO DE ANALISIS QUIMICOS MODULO DE ADQUISICION DE DATOS MODULO DE COMUNICACIÓN ETHERNET MODULO DE COMUNICACIOND/A ORDENES A ACTUADORES
1. Medición (M): la medición de la variable que se controla se hace generalmente mediante la combinación de sensor y transmisor.
2. Decisión (D): con base en la medición, el controlador decide que hacer para mantener la variable en el valor que se desea.
3. Acción (A): como resultado de la decisión del controlador se debe efectuar una acción en el sistema, generalmente ésta es realizada por el elemento final de control.
Como se dijo, estas tres operaciones, M, D y A son obligatorias para todo sistema de control.
En algunos sistemas, la toma de decisión es sencilla, mientras que en otros es más compleja; por lo que al realizar el diseño de un sistema de control primero hay que asegurarse que las acciones que se emprendan tengan su efecto en la variable controlada, es decir, que la acción emprendida repercuta en el valor que se mide; de lo contrario el sistema no controla y puede ocasionar más perjuicio que beneficio.
2.2 CONCEPTOS BÁSICOS
El control automático de procesos es una rama de la ingeniería la cual requiere un amplio conocimiento en diversas áreas. Dada la extensión de los temas que se deben conocer, es imposible poder explicarlos todos a fondo en este trabajo, pero a continuación se explican algunos conceptos básicos para poder asimilar más fácilmente el tema que trata el trabajo.
Ahora es necesario definir algunos de los términos que se usan en el campo del control automático de proceso. El primer término es variable controlada, ésta es la variable que se debe mantener o controlar dentro de algún valor deseado.
La variable controlada para el alto horno es la temperatura de entrada del proceso T(t). El segundo término es punto de control (set-point), el valor que se desea tenga la variable controlada.
La variable manipulada es la variable que se utiliza para mantener a la variable controlada en el punto de control (punto de fijación o de régimen); en el alto horno la variable manipulada es el flujo de vapor.
Finalmente, cualquier variable que ocasiona que la variable de control se desvíe del punto de control se define como perturbación o trastorno; en la mayoría de los procesos existe una cantidad de perturbaciones diferentes, por ejemplo, en el alto horno las posibles perturbaciones son la temperatura de entrada en el proceso, T(t), el flujo del proceso, q(t), la calidad de la energía del vapor, las condiciones ambientales, la composición del mineral que se procesa, la contaminación, etc.
Aquí lo importante es comprender que en la industria de procesos, estas perturbaciones son la causa más común de que se requiera el control automático de proceso; si no hubiera alteraciones prevalecerán las condiciones de operación del diseño y no se necesitaría supervisar continuamente el proceso.
Los siguientes términos también son importantes.
Circuito abierto o lazo abierto: se refiere a la situación en la cual se desconecta el controlador del sistema, es decir, el controlador no realiza ninguna función relativa a cómo mantener la variable controlada en el punto de control; otro ejemplo en el que existe control de circuito abierto es cuando la acción (A) efectuada por el controlador no afecta a la medición (M).
Control de circuito o lazo cerrado: se refiere a la situación en la cual se conecta el controlador al proceso; el controlador compara el punto de control (la referencia) con
la variable controlada y determina la acción correctiva. Con la definición de estos términos, el objetivo del control automático de procesos se puede establecer como sigue:
El objetivo del sistema de control automático de proceso es utilizar la variable manipulada para mantener a la variable controlada en el punto de control a pesar de las perturbaciones.
2.2.2 CONCEPTOS DE INSTRUMENTACIÓN
Ya definidos los conceptos básicos de control ahora es necesario conocer terminología básica de instrumentación. Los instrumentos de medición y de control son relativamente complejos y su función puede comprenderse bien si están incluidos dentro de una clasificación adecuada.
Como es lógico, pueden existir varias formas para clasificar los instrumentos, cada una de ellas con sus propias ventajas y limitaciones. Se considerarán dos clasificaciones básicas: la primera relacionada con la función del instrumento y la segunda con la variable del proceso. En este caso se tratara la clasificación en función del instrumento:
De acuerdo con la función del instrumento, obtenemos las formas siguientes:
Instrumentos ciegos: son aquellos que no tienen indicación visible de la variable. Hay que hacer notar que son ciegos los instrumentos de alarma, tales como presostatos y termostatos (interruptores de presión y temperatura
respectivamente) que poseen una escala exterior con un índice de selección de la variable, ya que sólo ajustan el punto de disparo del interruptor o conmutador al cruzar el valor seleccionado.
Son también instrumentos ciegos, los transmisores de caudal, presión, nivel y temperatura sin indicación. Los instrumentos indicadores disponen de una pantalla o display en la que puede leerse el valor de la variable.
Los instrumentos registradores: registran con trazo continuo o a puntos la variable, y pueden ser circulares o de gráfico rectangular o alargado según sea la forma del gráfico.
También existen registradoras digitales que guardan sus registros en una memoria interna. Los elementos primarios están en contacto con la variable y utilizan o absorben energía del medio controlado para dar al sistema de medición una indicación en respuesta a la variación de la variable controlada.
El efecto producido por el elemento primario puede ser un cambio de presión, fuerza, posición, medida eléctrica, etc. Por ejemplo: en los elementos primarios de temperatura de bulbo y capilar, el efecto es la variación de presión del fluido que los llena y en los de termopar se presenta una variación de fuerza electromotriz.
Los transmisores captan la variable de proceso a través del elemento primario y la transmiten a distancia en forma de señal neumática de margen 3 a 15 psi (libras por pulgada cuadrada) o electrónica de 4 a 20 mA de corriente continua, de 0 a 10VCC o de algún otro tipo.
La señal digital utilizada en algunos transmisores inteligentes es apta directamente para ordenador. El elemento primario puede formar o no parte integral del
transmisor; el primer caso lo constituye un transmisor de temperatura de bulbo y capilar y el segundo un transmisor de caudal con la placa orificio como elemento primario.
Los transductores: reciben una señal de entrada en función de una o más cantidades Físicas y la convierten modificada o no a una señal de salida. Son transductores, un
Relé, un elemento primario, un transmisor, un convertidor PP /I (presión de proceso a intensidad), un convertidor PP / P (presión de proceso a señal neumática), etc.
Los convertidores: son aparatos que reciben una señal de entrada neumática (3-15 psi) o electrónica (4-20 mA c.c.) procedente de un instrumento y después de modificarla envían la resultante en forma de señal de salida estándar. Ejemplo: un convertidor P/I (señal de entrada neumática a señal de salida electrónica, un convertidor I/P (señal de entrada eléctrica a señal de salida neumática). Conviene señalar que a veces se confunde convertidor con transductor.
Este último término es general y no debe aplicarse a un aparato que convierta una señal de instrumentos. Los receptores reciben las señales procedentes de los transmisores y las indican o registran. Los receptores controladores envían otra señal de salida normalizada a los valores ya indicados 3-15 psi en señal neumática, o 4-20 mA c.c. en señal electrónica, que actúan sobre el elemento final de control.
Los controladores comparan la variable controlada (presión, nivel, temperatura) con un valor deseado y ejercen una acción correctiva de acuerdo con la desviación. La variable controlada la pueden recibir directamente, como
controladores locales o bien indirectamente en forma de señal neumática, electrónica o digital procedente de un transmisor.
El elemento final de control recibe la señal del controlador y modifica el caudal del fluido o agente de control. En el control neumático, el elemento suele ser una válvula neumática o un servomotor neumático que efectúan su carrera completa de 3 a 15 psi (0,2-1 bar).
En el control electrónico la válvula o el servomotor anteriores son accionados a través de un convertidor de intensidad a presión (I/P) o señal digital a presión que convierte la señal electrónica de 4 a 20 mA C.C. o digital a neumática 3-15 psi.
En el control eléctrico el elemento suele ser una válvula motorizada que efectúa su carrera completa accionada por un servomotor eléctrico.
2.3 INSTRUMENTACIÓN EN LA INDUSTRIA DEL HIERRO
Como se pudo ver previamente en este capítulo la instrumentación y el control automático son herramientas imprescindibles en cualquier proceso químico, incluido el de elaboración del hierro, la industria del hierro ha ido creciendo con el paso de los años y ha sido cada vez más necesario un control más eficiente, por lo tanto se requiere de instrumentos más sofisticados y mejor seleccionados.
El proceso de obtención del hierro es largo y complejo, (previamente mencionado en el capítulo 1), y a lo largo del mismo se utiliza una amplia gama de instrumentos para la medición de las variables que intervienen en el proceso tales como la temperatura, presión, flujo, nivel, peso, posición, velocidad, entre otras.
Para efectos de este trabajo solo se mencionan algunas variables dentro de este capítulo ya que son algunas de las que intervienen específicamente en el
mejoramiento del rendimiento del alto horno, que es la parte del proceso en la que se centra este trabajo.
2.3.1 MEDIDA DE TEMPERATURA
La medida de temperatura constituye una de las mediciones más comunes e importantes que se efectúan en los procesos industriales.
Las limitaciones de medida del sistema quedan definidas en cada tipo de aplicación por la precisión, por la velocidad de captación de la temperatura, por la distancia
Entre el aparato de medida y el receptor, y por el tipo de instrumento indicador, registrador, controlador necesarios; cabe mencionar que es necesaria una comprensión clara de los métodos de medida con sus ventajas y desventajas propias, para lograr una selección optima del sistema más adecuado.
Para mediciones de altas presiones se utiliza acero inoxidable altamente resistente, mientras que para mediciones de presión con elevadas temperaturas se necesita acero inoxidable refractario.
Para procesos químicos incluyendo medios muy agresivos en combinación con separadores/manómetros con membrana para la medición de presión, o vainas para medición de temperatura – se dispone de una amplia gama de materiales químicamente resistentes. En estos casos, todas las partes mojadas se fabrican en el material especial respectivo.
En manómetros relativos y manómetros de presión diferencial con membrana elástica, las partes mojadas pueden ser fabricadas en materiales especiales muy diversos.
TABLA 2. Materiales con los que se fabrican los manómetros con tubo de Burdon Acero inoxidable N° 316L, 1.4571, 1.4404,
1.4435, 1.4541, 1.4542
Hastelloy B3 N° 2.4600
Dúplex 2205 N° 1.4462 Hastelloy C22 N° 2.4602 Hastelloy C4 N° 2.4610 Incoloy alloy 825 N° 2.4858
Hastelloy C276 N° 2.4819 Duratherm NiCo
Inconel alloy 600 N° 2.4816 Níquel N° 2.4066 / 2.4068 Monel alloy 400 N° 2.4360 Platíno Pt
Oro Au Titanio N° 3.7035
Tántalo Ta Cerámica wikaramic®
Circonio Zr Perfluor-alcoxialcano PFA
Politetrafluoretileno PTFE
Copolímero de etanol y etileno-cloro-trifluoroetileno ECTFE (Halar®)
Los instrumentos de temperatura utilizan diversos fenómenos que son influidos por la temperatura entre los que figuran:
Variaciones en volumen o en estado de los cuerpos (sólidos, líquidos o gases)
Variación de resistencia de un conductor (sondas de resistencia) Variación de resistencia de un semiconductor (termistores) FEM creada en la unión de dos metales distintos (termopares)
Intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo (pirómetro de radiación)
Otros fenómenos utilizados en el laboratorio (velocidad del sonido en un gas, resonancia de un cristal, etc.)
De este modo se emplean algunos de los instrumentos siguientes:
Sonde radar para la medición del nivel de carga y de la velocidad de descenso de la carga
Lanza de inflamación del gas en el tragante
Sonda fija por encima de la carga para la medición de la temperatura, de la presión y para la toma de gas para analizar
Sonda radar en movimiento por encima de la carga para la medición de los perfiles de carga, velocidad de descenso de la carga, temperatura, presión y toma de gas para analizar.
Sonda en movimiento por encima de la carga para la medición de temperatura, presión, repartición de la carga y toma de gas para analizar. Sonda en movimiento horizontal en la carga para la medición de la
temperatura, presión, estratificación de materiales en la carga y toma de gas para analizar.
Termómetro de vidrio, termómetro bimetálico, elementos primarios de bulbo y capilar rellenos de líquido, gas o vapor, termopares, pirómetros de radiación, termómetros de resistencia, termómetros ultrasónicos, de cristal de cuarzo, etc.
Como se puede ver existen muchos instrumentos para la medición de la temperatura, pero en este caso solo se podaran describir los termopares y los RTD´s (detector resistivo de temperatura).
El termopar se basa en un efecto descubierto por Seebeck en 1821, de la circulación de una corriente en un circuito formado por dos metales diferentes cuyas uniones (unión de medida o caliente, y unión de referencia o fría), se mantienen a distinta temperatura, como muestra a continuación.
Figura 10 termopar
Esta circulación de corriente obedece a 2 efectos termoeléctricos combinados, el efecto Peltier, que provoca la liberación o absorción de calor en la unión de dos metales distintos, cuando una corriente circula a través de la unión y el efecto Thompson, que consiste en la liberación o absorción de calor cuando una corriente circula a través de un metal homogéneo en el que existe un gradiente de temperaturas.
TABLA 3. Tipos de termopares
intervalo Limites de Error del Extensión cable limites de
Tipo de termopar error
medida Clase 1 Clase 2 Clase 3 Temperatura Premium Normal
Cromel-Constanta n tipo E -40a800°C -40a900°C -200a40°C ±1.5°C a ±0.4% ±2.5°C a ±0.75% ±2.5°C a ±1.5% -60 A 200°C - ±1.5°C A ±2% Cobre-Constanta n tipo T -40a350°C -40a350°C -200a40°C ±0.5°C ±0.4% ±1°C a ±0.75% ±1°C a ±1.5% -60 A 95°C ±0.5°C A ±0.5% ±1°C A ±0.75%
Hierro Constanta n tipo J -40a750°C -40a750°C ±1.5°C a ±0.4% ±2.5°C a ±0.75% - 0-200°C ±1°C A ±0.75% ±2.5°C A ±1.25% Cromel-Alumel Tipo K -40a1000° C -40a1200° C -200a40°C ±1.5°C a ±0.4% ±2.5°C a ±0.75% ±2.5°C a ±1.5% 0-200°C ±1°C A ±0.75% ±2.5°C A ±2.5% Pt-Pt/Th 13% tipo R Pt-Pt/Rh 10% tipo S 0a1600°C 0a1600°C ±1°C ±1.5°C a ±0.25% - 25 A 200°C - ±5°C A ±6% Pt-Rh 6%/ Pt-Rh 30% tipoB 600a1700° C - ±1.5°C a ±0.25% ±4°C a ±0.5% 25 A 200°C - ±5°C A ±6% 2.3.3 MEDIDA DE PRESIÓN
La presión se define como la fuerza aplicada por unidad de superficie y puede explicarse en unidades tales como: pascales, atmosferas, bar, kilogramo por centímetro cuadrado, psi.
TABLA 4 Unidades de presión y equivalencias
Psi Pulgada columna de agua Pulgada columna Hg Atmosfera Kg/cm2 cm c.de agua mm c. de Hg Bar Pa Psi 1 27.68 2.036 0.0680 0.0703 70.31 51.72 0.0689 6894.76 Pulgada c. de a. 0.0361 1 0.0735 0.0024 0.0025 2.540 1.868 0.0024 249
Pulgada columna Hg 0.4912 13.6 1 0.0334 0.0345 34.53 25.4 0.0338 3386.39 atmosfera 14.7 406.79 29.92 1 1.033 1033 760 1.0132 1.0133x105 Kg/cm2 14.22 393.7 28.96 0.9678 1 1000 735.6 0.98 98066 cm c.de a 0.0142 0.3937 0.0289 0.00096 0.0010 1 0.7355 0.0009 98.06 mm c. de Hg 0.0193 0.5353 0.0393 0.0013 0.0013 1.359 1 0.00133 133.322 Bar 14.5 401 29.53 0.987 1.02 1020 750 1 105 Pa 0.00014 0.0040 0.00029 0.987x10-5 0.102x10 -4 0.01 0.0075 10 5 1 MEDIDA DE FLUJO
La medición de flujo o caudal se utiliza en la industria para dos cosas fundamentales:
Contabilidad
Control de procesos
Desde el primer punto de vista, los medidores de flujo se utilizan para contabilizar la transferencia de materia entre diversas partes del proceso, diferentes compañías, o bien entre suministrador y usuario. Un ejemplo claro de esto es cuando se recarga gasolina en un automóvil.
En cuanto a control de procesos, la medición de flujo es imprescindible para poder realizar control automático, así como para optimizar rendimientos de las unidades
de producción aplicando balances de materia. Por esta causa los flujos deben medirse controlarse cuidadosamente.
Existen diversos tipos de medidores de flujo los cuales de los cuales algunos son:
Medidores de área variable
Medidores de desplazamiento positivo Medidores másicos y de presión diferencial Medidores electromagnéticos
Medidores de turbina
2.4 ACCIONES DE CONTROL
En los controles automáticos industriales son muy comunes los seis tipos siguientes de acción básica de control: de dos posiciones (on-off), proporcional, integral, proporcional y derivativo, proporcional e integral, integral proporcional y derivativo. Es importante conocer las características básicas de las diversas acciones de control para poder elegir la más adecuada según la aplicación.
2.4.1 CONTROL ON-OFF
En un sistema de control de dos posiciones, el elemento accionador tiene solamente dos posiciones fijas, que en la mayoría de los casos son solamente conectado y desconectado.
El control de dos posiciones on -off es relativamente simple y económico, y, por esa razón, es ampliamente utilizado en sistemas de control tanto industriales como domésticos.
CAPÍTULO III
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL DEL PROCESO
DE OBTENCIÓN DEL HIERRO
3.1 ALTO HORNO
Un alto horno es un horno especial en el que tienen lugar la fusión de los minerales de hierro y la transformación química en un metal rico en hierro llamado arrabio.
