Revista
Latinoamericana
de
Metalurgia
y
Materiales,
Vol.
22,
N°
2,
2002, 3
- 1
0
J
PROCESOS DE INTERCAMBIO
TÉRMICO EN
EL CRISOL DEL HORNO ALTO
A. BabichI,
H. W.
Gudenau
'
,
L.
García
',
A.
Formoso
"
y
A.
Core
s'
1.
RWHT Aachen, Institute für Eisenhüttenkunde,
Inizestrafie 1,52056 Aachen,
Germany
[email protected]
2.
Centro
de
Investigaciones Metalúrgicas,
Avda.
5
1,
2
3611
,
Ciudad
de
La Habana,
Cuba
[email protected]
3.
Centro Nacional de Investigaciones
Metalúrgicas,
Avda.
Gregario del Amo, 8,
28040 Madrid [email protected]
Re
s
ume
n
En elcrisol del horno alto (HA) ocurre con másintensidad el intercambio térmico y determina la calidad del metal (arrabio), la
productividad del hornoy los parámetros de operación. Las energías térmica yquímica necesarias para el proceso del HA se generan enel raceway (cavidad enfrente alastoberas). Este trabajo trata delos avances en lateoría delintercambio térmico en elcrisol del HAqueopera con parámetros deviento combinado. Seestudian losprocesos decalentamiento de losproductos de
lafusión en el raceway ydel baño líquido en el crisol yel efecto de lainyección de carbón pulverizado (ICP) en el intercambio
térmico en la zona oxidante. Un aumento en laproductividad del horno requiere un aporte calórico complementario para el calentamiento del arrabio ydelaescoria, yportanto una elevación de latemperatura dellama. LaICP aumenta laradiación enel raceway, yesto permite operar con una temperatura dellama más baja. Estas conclusiones teóricas seconfirman por cálculos
para dos hornos altos en Ucrania yEspaña, yporanálisis estadístico delaoperación delamayoría deloshornos altos de países
de la Unión Europea. En un horno de Alemania se ha investigado, usando la técnica láser, el efecto de la ICP y de otros
parámetros del viento combinado, sobre elraceway
Palabras clave: Horno alto. Intercambio térmico. Raceway. Radiación. Inyección de carbón pulverizado. Técnicas de láser.
A
b
s
t
rac
t
Heat exchange occurs most intensively in the hearth ofthe blast fumace (BF) and determines metal quality,furnaceproductivity andoperating parameters. The heat andchemical energy needed for theBF process is generated in the raceways. This paper is dedicated to the advancement of theheat exchange theory in the hearth of aBF operating with combined blast. The heating
processes of products of melting in theraceway and in the liquid bath of thehearth and the effect of pulverized coal injection
(PCI) on heat exchange in the oxidizing zone and its extension are studied. An increase in furnace productivity requires
additional heat power for the heating of pig iron and slagand therefore a rise inflame temperature. PClincreases radiation in the
raceways, thuspermitting BF operation with a lowerflame temperature. These theoretical conclusions are confirmed bycalculations for twoBFs in the Ukraine and Spain andby statistical analysis oftheoperation of the majority of BFs in EUcountries. At one
BFiB Germany theeffect ofPCI and other combined blast parameters on theraceway extension was investigated usingthelaser technique.
Keywords: Blast furnace. Heat exchange. Raceway. Radiation. Pulverized coal injection. Laser technique
L
I
ntroducción
Todos los procesos básicos de la operación del horno o (calentamiento de la carga, descomposición de los .dratos y carbonatos, reducción del mineral, fusión del zrrahio yescoria) ocurren debidoal intercambio térmico entre
materiales que descienden y los gases que ascienden.
Elintercambio térmico ocurre más intensamente en el cri-1y este proceso determina la calidad del metal y los
amimetros deoperación. La zona del raceway (cavidad
en-tedelas toberas) desempeña un papel muy específico,
aunque suvolumen total representa sólo un 1% del volu-men interior del HA. Enel raceway se genera una gran parte del calor y la energía química necesaria para el proceso de fabricación del arrabio. Laproductividad del horno se deter-mina nosolo por la capacidad delazona cohesiva para ser permeable al el gas reductor sino también por las caracterís -ticas y la extensión del raceway.
Lateoría deintercambio térmico, formulada por.Kitaev [1] Ydesarrollada por Yaroshenko, Michard, Rist y otros in-vestigadores [2-5] está universalmente reconocida. En la
4
A. Babich y col. /Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales
década de los 90 se han realizado numerosas investigacio-nes sobre la transferencia de calor en el HA, incluyendo procesos con inyección de combustibles auxiliares, y se han desarrollado los modelos matemáticos correspondientes [6-14].
En el presente trabajo se realiza un intento para un desa-rrollo posterior de la teoría de intercambio térmico aplicada a los procesos que tienen lugar en la parte más baja del HA, operando con parámetros de viento combinados. Se realiza un estudio de los procesos de calentamiento de los produc-tos líquidos de la fusión en el crisol y la influencia de la inyección de carbón pulverizado (ICP) sobre el intercambio térmico en el raceway. La técnica láser se emplea para medir la extensión del raceway.
2. Influencia de la temperatura de llama sobre la eficiencia de operación del horno alto
Uno de los principales principios tecnológicos de la operación del horno.alto con viento combinado es mantener la temperatura de llama con un valor constante. Para mantener la conformidad con este principio, se conocen las tasas de compensación para los parámetros del viento. A continuación será analizada la exactitud de la tesis.
2.1 Ecuaciones de Kitaev
El análisis de las ecuaciones de Kitaev [5], que caracterizan el intercambio térmico en la parte inferior del horno, permite el planteamiento de la siguiente ecuación para evaluar la temperatura de los productos líquidos de la fusión:
Q¡
-o,c,
+ard + I,b¡x¡j-l (1)
donde,
tpm - temperatura de los productos de la fusión líquidos, °C; Wg, Wm - equivalentes de agua de los flujos de gases y
materiales, respectivamente, J/(grado.kg); tf - temperatura de llama, °C;
tg - temperatura de gas en la zona de reserva térmica, °C; Llt- diferencia de temperaturas entre el gas y los materiales
de carga en la zona de reserva térmica, °C;
q-
calor de fusión de arrabio, J/kg arrabio; Qs - calor de fusión de la escoria, J/kg escoria; Gs -volumen de escoria, kg/kg arrabioa - coeficiente para el efecto térmico de la reacción de reduc-ción directa del hierro, considerando el contenido por-centual de hierro en el arrabio sin considerar las adicio-nes metálicas, J/kg arrabio;
r
d - grado de reducción directa (-);b, - calor absorbido en las reacciones de reducción de Si, Mn y otros elementos, x 102 J/kg elemento;
X¡ - contenido en el arrabio de elementos que se reducen por vía directa, %.
Los procesos de fusión y de reducción directa no están incluidos en el valor del equivalente acuoso de la carga, debido a que estos procesos se tienen en cuenta por un término separado de la ecuación (1). Por tanto, la relación entre los equivalentes en agua de los materiales de la carga y del gas en las zonas baja y alta del horno es la misma, siendo aproximadamente igual a 0,8 [Ref.2].
La temperatura del gas en la zona de reserva térmica, de acuerdo a los datos señalados, es de 850-1000 "C. La diferencia entre la temperatura de los gases y de los materiales en esta zona es mínima, siendo de 10-30 "C [2].
2.2 Parámetros que influyen en la temperatura de llama Según la ecuación (1), la temperatura de los productos líquidos podría parecer linealmente dependiente de la temperatura de llama. Sin embargo, las características del proceso que determinan el valor de la temperatura de llama, pueden afectar a otros parámetros de la ecuación (1). Por tanto, para estimar la influencia de la temperatura de llama sobre el calentamiento de los productos líquidos, es necesario analizar las razones de su variación.
. La temperatura del viento influye sólo en el calorque se introduce en el crisol, esto es, su cambio afecta sólo a la temperatura de llama. La temperatura de los productos de fusión en este caso es linealmente dependiente con el cambio de la temperatura de llama.
El enriquecimiento del viento con oxígeno produce una elevación en la temperatura de llama y una disminución en el flujo de gas. El grado de reducción directa permanece aproximadamente constante.
. La inyección de hidrocarburos, como aditivos, causa una disminución en la temperatura de llama, una caída en el grado de reducción directa y una disminución en el flujo de gas y, como resultado, un aumento en la relación entre los equivalentes en agua de los materiales de carga y del gas (W IW).rn g El efecto de la temperatura de llama sobre el calentamiento de los productos de fusión, de acuerdo con la ecuación (1), se compensa por el cambio de estos parámetros. El efecto total de los combustibles inyectados sobre la temperatura de los productos de fusión, se determina por la relación cuantitativa de los cambios en la temperatura de llama, grado de reducción directa y equivalentes de agua.
De lo anterior se deduce que al cambiar las condiciones tecnológicas, manteniendo la temperatura de llama constante, no se asegura el mantenimiento de una temperatura establecida en el arrabio.
En el trabajo de la referencia [15] se introduce el concepto de temperatura de llama necesaria, el cual para los nuevos
R
evist
a L
ati
n
o
americ
a
na
d
e
Metalurgi
a
y
Mater
i
al
es,
Vol.
22
,
N°
2,
2002.
valores de los parámetros del proceso, garantiza conservar
enel nivel inicial latemperatura de losproductos líquidos de la fusión. Este valor se puede determinar mediante la ecuación:
donde,
tft't1'2-temperatura dellama enelestado inicial
y
enel nuevorégimen tecnológico, respectivamente, °C,
KI,K, - tasa deconsumo decoque enel estado inicial yen
el nuevo régimen, kg/kg arrabio,
VI' V2 - flujo de gasen toberas en lacondición inicial yen el nuevo régimen, mvkg coque,
Wm2' Wml- calor específico medio delacarga en lacondición del nuevo régimen o inicial referido a la unidad de
volumen, J/(kg.grado).
Elanálisis dela ecuación (2) muestra quela temperatura dellama necesaria puede disminuir o aumentar, comparada
con elestado inicial. Sinembargo, todos losparámetros arriba
mencionados, además delateoría de intercambio térmico de
Kitaev, suponen que la transferencia de calor ocurre por convección. Esta aproximación es aceptable en el análisis del intercambio térmico del HA desde el tragante hasta
toberas, pero en los raceways y crisol laradiación juega un papel principal para determinar elcalentamiento delmetal y
la escoria. La investigación delintercambio térmico en los raceways yen lapartebaja delcrisol,sepuede realizar usando laleyde Stefan-Boltzman.
2.2.1 Temperatura de llama y productividad
Ladependencia entre la temperatura de llama necesaria y la productividad del horno alto se estudia a continuación. Para calentar losproductos de fusión con un aumento en la productividad del horno, se debe aportar una energía térmica adicional alos productos:
donde,
..
iN
-
energía térmica adicional, J/kg.sLlP- aumento de laproductividad delHA, kg/s
Cj, Cs- calores específicos del arrabio yla escoria, respe
cti-vamente, J/(kg.grad);
Llt¡- sobrecalentamiento de los productos líquidos en el
raceway y crisol, "C.
Esta energía térmica adicional sepuede suministrar
au-mentando la temperatura de llama:
5
N
=
o
P {(TD
4-(Tpnl},
t. N
=[
L
lO'
F{T
f4-T~)+
40'
FT¡]t. Tf
Lltf (4)(
5
)
donde,(J-coeficiente de transferencia de calor por radiación, W I (m2.K4);
F- superficie del intercambio térmico, m2.
L
lT
¡
-
incremento en latemperatura de llama, °K T¡- temperatura dellama, °KTpm -temperatura de los productos líquidos delafusión, °K Por otraparte dela ecuación (4) se deduce, que es posible intensificar elintercambio térmico no solo elevando la
tempe-ratura de llama sino también aumentando el coeficiente de
radiación, por ejemplo, como resultado de la radiación por
carburación delcarbón pulverizado inyectado.
Siel coeficiente teórico de irradiación novaría,unaumento
en latemperatura de llama permite una elevación proporc io-nal en laproductividad del horno. De las expresiones (3) y (5), con la simplificación correspondiente a ?ó - O,se deduce:
(6)
El cambio en la temperatura de llama requerido para conseguir unaumento en la productividad, hasido calculado
para los hornos altos de Azovstal, enUcrania, usando la eco
(6). Los valores de oF fueron calculados usando la eco (4) sobre la base de los datos de operación. Los valores obtenidos dependen débilmente de la productividad,
confirmando las condiciones estables del intercambio de calor en estos hornos. Los resultados de estos cálculos muestran que elaumento necesario en la temperatura de llama deberá ser de 0,17°C/ta.día (tonelada dearrabio/día) para los
hornos altos de Azovstal (Fig. 1).
Con estos mismos datos experimentales de operación, se
hanobtenido las ecuaciones lineales y cuadráticas deregre
-sión, entre los parámetros estudiados. Puesto que elcoefi
-ciente de correlación para la ecuación cuadrática nodifiere considerablemente del de la ecuación lineal, sololaúltima serápresentada para simplicidad del análisis:
Tf
=0,381 P+ 1
1
15
,
R=O,72;donde,
P-productividad del horno, tldía;
6
A. Babicb y col./Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiale
s
La diferencia entre los datos teóricos y experimentales, obtenidos por medio del tratamiento estadístico de los parámetros de operación (curvas
1
y 2 de la figura 1, respectivamente), se deben principalmente a:No toda la masa del arrabio
y
escoria pasa a través de los raceways, por tanto se necesita un sobrecalentamiento de los productos de la fusión para conseguir una temperatura dada,. Un aumento en las pérdidas de calor cuando la temperatura de llama se eleva
Las dimensiones del raceway son variables.
u
o
i
1800 22!:::OO:::::-~2300;;;::;;:::---:2:-:400'="""---::2:-:500'='"::---:2,-J600L..,---:C27<,..JOO Productivity , t/24 hFig.l.Dependencia de la temperatura de llama en la productividad para elHA enAzovstal, Ucrania. 1.datos calculados;2. datos experimentales
En general, la figura 1 confirma que para conseguir una alta productividad en la operación del horno alto se requiere una temperatura de llama más elevada. La experiencia con hornos que operan en países de la Unión Europea yUcrania confirma lo anterior. La productividad específica media de los hornos europeos, como se indica en la referencia [16], fue de 2,3 tlm3.24h con algunos hornos logrando 3,0-3,1 ti m3.24h.
El valor medio de la temperatura de llama fue de 2170 °C,
y
a veces por encima de 2270oC.La productividad específica de 10 hornos altos en Ucraniaen 1997 fue de 1,7-1,9 tlm324h
y
la temperatura de llama de 1950-2050"
C
.
2.2.2 Temperatura de llama y altura de la zona inferior de intercambio térmico
Un cambio en la productividad y en la temperatura de llama conduce a un cambio en la altura de la zona inferior del intercambio térmico. Su valor se estima por la ecuación [2]:
(7)
siendo,
donde,
1\-
altura de la zona inferior de intercambio térmico, m p - carga volumétrica por unidad de área de la cuba,m
31m2.s;
pb -densidad de carga, t/m'; S - área de la cuba, m-;
CI. - coeficiente de transferencia de calor, W Im3.grado;
Cb - calor especifico de la carga, J/m3.grado;
f -porosidad de la carga (fracción de huecos)
, m3/m3•Para el analizar el efecto de un cambio en la temperatura de llama sobre la altura de la zona inferior del intercambio térmico, las expresiones Cb (1- f) Y [(W mlWg) - 1] enla eco (7) se suponen constantes. Entonces,
H
L __ 2 _ H L¡ P2 Tf2-Tpm Uc(Tf¡-Tpm)+(JTf¡ - X X---i'-'-'----'---T----'-!-P, Tf¡ -t
:
a ,
(Tf, -t :
)+
(JT¡, (8) donde,Cl.c- coeficiente de intercambio térmico por convección, W I m3.grado.
El efecto de la temperatura de llama yla productividad del horno sobre la altura de la zona inferior de intercambio térmico, ha sido estudiado utilizando información de la operación del HA -1 de Azovstal, en diferentes condiciones de operación,
y
datos de operación de los hornos altos de los países de la UE [16,17].La altura de la zona inferior de intercambio térmico (HL) ha sido calculada para valores diferentes de productividad
P
2T
f~P
2T
/,
y
de temperatura de llama.La figura 2 muestra la dependencia estadística de 1\ con latemperatura de llama. Del análisis de los datos obtenidos se observa, que con el aumento de la temperatura de llamase intensifica el intercambio térmico en la zona inferior del horno.Se han realizado cálculos análogos para 54 hornos en países de la UE sobre la base de datos de operación en 1996. Se han usado datos " "dad específica (ti
24h por 1m3devolumen ' productividad diaria y el cambio relativo en la zona inferior de
Revista Latinoamericana
de Metalurgia
yMateriales,
V
ol.
22
,
N°
2
,
2002.
7
intercambio térmico, con objeto de permitir una comparación
delos diferentes hornos. El valor absoluto de HLse mantiene
en elintervalo de 1,8-3,3m,yla relación H/HHA = 0,07-0,17
(HHA-altura detrabajo del horno, m). El intervalo de cambio
en la temperatura de llama fue de 2000-2300 °C,
aproximadamente. Elvalor medio de la temperatura de llama
(2150°C) corresponde al 100%HL•
Mediante análisis estadístico se obtienen las siguientes
ecuaciones deregresión entre los parámetros estudiados,
representadas enla figura 3:
donde,
A ~ =14,3
+
37 P,p' R= 0,81 (9)~=351-0,115Tf' R=-0,374 (10)
ARL• variación relativa de la altura de la zona inferior de
intercambio térmico, %;
P,p'-productividad específica del horno, t/m'. día.
El intervalo efectivo de estas ecuaciones corresponde a PSP= 1,6-3,2 t/m3.día y Tf= 2000-2300°C.
2.2
2.O=----:-'~---'---L---L---J
1900 1950 2000 2050 2100
Flome temperature. 0C
Fig.2. Dependencia de la alturade la zonainferior deintercambio
térmicoenla temperatura dellama parael HA enAzovstal.
2.6
2.4
2150
Las ecuaciones (9) y(10) Ylafigura 3confirman, que un
aumento de la productividad del horno requiere de una
energía térmica adicional para calentar el arrabio ylaescoria,
yparaelevar el valor deHL(un 3,7%porcada 0,1t/m3.día).
Un aumento de la temperatura de llama intensifica el
intercambio térmico enel crisol ydisminuye H. en una media
de11,5%por cada 100°C de temperatura dellama.
cproductivity. '1m3• 24 h
.Flame temperature, °C
Fig. 3.Efecto de la productividad(1)yla temperatura dellama (2) enlaaltura relativa dela zona inferior de intercambio térmico.
3. Influencia de la 1CP en el intercambio térmico en la zona
del Raceway
Se sabe de la experiencia de operación del HA que con la
ICP nose necesita mantener la temperatura de llama al valor inicial.Laefectividad máxima en el empleo del CPseobtiene, como regla, con una cierta disminución en la temperatura de
llama. Este hecho se explica por la intensificación del proceso
de reducción con la ICP, la disminución en el grado de reducción directa y,como resultado, la disminución de las
necesidades térmicas para completar los procesos de
formación del arrabio yla escoria en el crisol.
El análisis de la ecuación (2) muestra, que con la inyección
de carbón,con una composición química similar a la del coque
(antracita, carbones pobres), el cambio en la temperatura de llama necesaria se determina por la disminución en el grado
dereducción directa
r
d; cuanto más disminuye elvalor der
d,tanto másbaja seráesta temperatura. Un 1%de disminución
en el valor rd'disminuye la temperatura de llamanecesaria en
15-25 OC[18-20].
En la Ref. [20] se ha determinado que la subida de la
radiación en el raceway es otro factor que influye
favorablemente en el intercambio de calor con la ICE En las condiciones del raceway en el horno sin ICP,'el valor del
grado de negrura efectivo en la corriente radiante esEsg= 0,1.
Debido a esto, Kitaev ha tenido en cuenta solo elmecanismo de intercambio de calor por convección, ignorando la
radiación en elraceway. Conla ICP lasituación cambia. La
temperatura del coque en el raceway se mantiene en el
intervalo de1400-1500 °C;la temperatura de laspartículas de
carbón escasila misma quelatemperatura delgas de tobera.
La superficie específica de las partículas de carbón es
considerablemente mayor que lasuperficie de los trozos de
coque en elraceway.
Enla Ref. [20] se ha realizado una estimación del grado de negrura de la corriente del raceway con la ICP
y
se hademostrado que este valor se eleva en un 10%por cada 100
kgCP/ta. Lasuperficie específica del CPesde 0,3 m2/kg.
y
de estaforma para calentar el metal quepasa a travésdel raceway auna temperatura determinada en un horno que
opera con ICP, es suficiente una temperatura de llama más
baja.
donde,
E -grado de negrura efectiva delgasradiante determinado
g
por la presencia de gases triatómicos en elgas.
E,g -grado de negrura efectiva de la corriente radiante.
De donde resulta, que la temperatura de llama se puede
disminuir en 40-45 °Cal inyectar 100 kgCP/ta. Por tanto, la
temperatura dellama necesaria para la ICP disminuye como
8
A. Babich y col. /Revista Latinoamericana
de Metalurgia y Materiales
grado de reducción directa
r
dyelaumento de lacapacidad radiante de losproductos de la combustión. La disminución de la temperatura de llama, que garantiza mantener unatemperatura constante del arrabio, esde 70-100 °C por cada 100 kgCP/ta inyectados (con unadisminución delvalor de
r
d de2,0-2,5%).Los resultados de las investigaciones teóricas se
confirman durante la incorporación, en 1997,de la tecnología
deoperación con ICP del HA-B deACERALIA, en Gijón, España. El procesamiento estadístico de los datos de producción mensuales [21] muestra, que el crecimiento de la tasa de ICP se acompaña con la disminución de la temperatura de llamaen 85°C por cada 100kgCP/ta inyectados (Fig.4a). A pesar de una pequeña disminución en la temperatura del arrabio (Fig. 4b), los parámetros de operación del horno han sido altos, y la productividad aumentó en 865 t/24h (o en 0,37 t/m3.24h) para una elevación en la tasa de CP de 100 kgl
ta (Fig. 4c).
u
2220 oi
:J 2190-
E! Q) 2160 e, E el)-
Q) 2130 E e 2100 li: 1510u
1500 o :E %a
•
•
•
•
b
~
6500r---,---,
~
::::=•
>.
.
~
>-.;
y-6
R=
0.60e
•
a 5000~----~----~----~----~~~~ 50 70 90 110 130 150 kg/t HM CPC
rate
,
Fig.4.Dependencia de losparámetrosdeoperación enel consumo deCP para el HA-E en Gijón,España.R:Coeficientede correlación.
4. Aplicación de una técnica de medida moderna en el nivel de toberas de un horno alto
Con la ICP son posibles reacciones secundarias de gasificación del carbono en.elcarbón, debido a la reducción
directa de los óxidos de hierro contenidos en el flujo de escoria descendente.
El contenido de óxidos de hierro en la escoria que pasa a
travésdel raceway llega al 60%[22]. Estasreaccionespueden
intensificar el intercambio térmico en el raceway yaumentar el grado de combustión del CP.Para estimar el papel y el
grado de expansión de las reacciones arriba indicadas, es
necesario conocer la temperatura verdadera en el raceway y su extensión.
La dimensión del raceway también afecta al calentamiento de losproductos de fusión en el crisol. Cuanto menor sea el volumen del raceway, menos productos de fusión pasarán a
través del raceway, y se necesita una mayor temperatura de llama para aumentar la productividad del horno. Es imposible
conocer la cantidad de arrabio y de escoria que pasa a través
del raceway. Esta es una de las razones para la diferencia
entre los datos teóricos y experimentales de la figura 1.
Estos ejemplos muestran que la modelización de los procesos de intercambio térmico en el raceway y en el crisol,
requiere de la medida experimental de la temperatura y la
composición del gas, y del cambio de la extensión del raceway cuando se opera con parámetros de viento combinados. Las medidas usando sondas [23-26] son extremadamente difíciles debidoalas altastemperaturas, altas
velocidades de flujo, yaltaspresiones. Los métodos ópticos
de medida ofrecen por tanto ventajas. Se han usado pirómetros, cámaras de alta velocidad
y
endoscopios paralasmedidas en elraceway [27-30].
En el HA-1 de Thyssen Krupp Stahl, en Schwelgern, Alemania, se ha usado una técnica nueva de láser, que mantiene un proceso de medida rápida, no-intrusiva, para
determinar la extensión delraceway (Fig. 5)[Ref.31]. Sehan realizado investigaciones usando un sensor del raceway estándar [32,33],el cual hasidomodificado en la Universidad Tecnológica de Aachen, Alemania.
El sistema láser se basa en el principio de medidaflash en el tiempo. La longitud de la zona de oxidación en la dirección del eje de toberas, sedetermina por la diferencia de tiempo entre el envío de un impulso láser corto e intenso y la recepción de la señal reflejada desde el raceway. Las señales reflejadas de los granos de coque se estiman usando el método
estadístico yse excluyen. El tiempo máximo de impulso flash corresponde a la extensión del raceway. Los laseres del tipo
delagama UV se hanelegido a causa de la alta intensidad de
laradiación térmica en el raceway.
Durante el período de investigación, el HA -1 en
Shewelgern ha estado operando con una tasa media de CP de 160-180 kg/ta. La ICP se ha interrumpido brevemente
durante la realización de lasmedidas. Este procedimiento no
influye en la extensión del raceway. Este valor permanece constante' durante algunas horas.
Revista Latinoamericana
de Metalurgia
y
Materiales,
Vol.
22
,
N°
2
.
2002.
9
1
Dota treotment Doto processorFig.5.Técnica de láser para determinar la extensión delraceway
para elHA-l enSchwelgern, Alemania.
El análisis de los 'resultados obtenidos confirma lo siguiente:
• los raceways adyacentes no se superponen. Ningún cambio de materiales ocurre en estas zonas. Sin embargo, la capa demateriales entre los raceways esobviamente permeable a los gases. Por tanto, existe un efecto de radiación mutua,
• la extensión máxima del raceway en ladirección del eje de tobera cuando el horno opera con ICP es solo de unos 700 rnm. Elanálisis comparativo conotrasinvestigaciones indica que lapermeabilidad del gas en laparte superior del HA también influye en la extensión del raceway y de esta forma en la productividad del horno,
• la extensión del raceway sin ICP es de 950 rnm. Este resultado seha obtenido con largos tiempos de operación (durante muchos días) solo con coque,
un aumento en la temperatura del viento conduce a una pequeña elevación en laprofundidad del raceway. El efecto de la humedad ydel contenido de oxígeno en elviento, sobre las condiciones del raceway no ha sido probado.
5.
ConclusionesLos resultados del trabajo realizado permiten establecer las siguientes conclusiones:
• El mantener la temperatura de llama a unvalor constante puede no conservar el aporte de calor requerido por el arrabio en las condiciones tecnológicas cambiantes. Como resultado, puede cambiar latemperatura estableci-dapara el arrabió.
• La radiación juega el papel principal en el calentamiento del metal y la escoria en el raceway y del baño líquido del crisol. En otras palabras, el calentamiento de los produc-tos líquidos está determinado por lascondiciones de in-tercambio térmico por radiación.
• Se necesita un aumento de la temperatura del gas en las toberas para mantener el calor requerido del metal yla escoria. La operación del HA con una temperatura de llama elevada intensifica el cambio de calor en la parte baja del horno yconduce a una disminución ensu altura (HL). Ladisminución media delvalor deHLpara los ho
r-nos altos europeos esde 11,5%por cada 100°C dete m-peratura de llama.
• La ICPeleva la radiación en elraceway, por tantointe nsi-fica el intercambio térmico. Este fenómeno favorece la operación efectiva del HA con ICP produciendo una co m-pensación incompleta dela disminución de latemperatu -ra de llama. Ladisminución total para latemperatura de llama necesaria puede ser 70-100 DCpor 100 kgCP/ta. • La extensión del raceway influye en la productividad del
HA yen los procesos deintercambio térmico. Las inves -tigaciones en el HA-1, en Schwelgern, usando latécnica del láser muestran que la profundidad del raceway dis -minuye de 950a700 mm con laICP(160-180 kg/ta). Un aumento en latemperatura del viento eleva muy poco la extensión del raceway. Los efectos delos contenidos de humedad ydeoxígeno en elviento sobre la longitud del raceway no han sido probados.
Agradecimientos
Los autores desean expresar suagradecimiento al Prof. S. Yaroshevskii de la Universidad Tecnológica de Donetsk, Ucrania, por suvaliosa ayuda, aACERALIA Corporación Siderurgica, Gijón, España, por haber facilitado losdatos de operación del horno alto ya Thyssen Krupp Stahl AG, A le-mania, por el aporte en losensayos realizados enel HA-1 en Schwelgern. El apoyo financiero para este proyecto hasido realizado por laUnión Europea (ECSC 721O-AA/938).
REFERENCIAS
1. B. I. Kitaev. Heat Exchange in Shaft Furnaces. Metallurgizdat, Moscow, (1945),496.
2. BJ. Kitaev, etal. Intercambio térmico enel horno alto. Moscú, Metallurgiya, (1966) 355.
3. J. Michard. Etude theorique deZ'injection de fueZ a temperature de Vent Constante. Troisiemens Journees Intemationales deSiderurgie, Luxemburg, (1962) 346. 4. J. Michard, etal.An analysis of thebZastfurnace processes,
London, (1963).
5
.
BJ. Kitaev, et al. Heat exchange in shaft furnaces. Pergamon Press,New York,(1967) 301.6. H.W.Gudenau, et al. StahlEisen, 112(1992) 113. 7. A. F.Avchinov, et al. Steel in Translation, 26(1996) 1. 8. Yu. Yaroshenko, et al.Steel in Translation, 26(1996) 1. 9. K Takeda y
F.e.
Lockwood. ISIl Int., 37 (1997) 432.10.
o.x.
Wang,A.B. Yu yP.
Zulli. ISIl Int.,37 (1997) 441. 11. W.Kowalski, et al. Ironmaking Steelmaking, 23 (1996)10
A
. Bab
i
ch
y c
ol./R
ev
i
st
a L
a
ti
n
oamer
ica
n
a de
M
eta
lu
rgia
y
M
ater
iale
s
12.P.Zulli, etal. Proc. 2nd Int. Congo on Sci. and Tech.. of
Ironmaking and 57th Ironmaking Conf., ISS,Warrendale,
(1998)319.
13. YGordon, et al. Proc. 2nd Int. Congoon Sci.and Tech.. of Ironmaking and 57th Ironmaking Conf., ISS,
Warrendale, (1998) 351.
14. M Picard y J.M. Libralesso. Proc. ECSC workshop,
Measurement Techniques in Blast Furnace Ironmaking
and their Benefits for Industrial Practice, Düsseldorf,
(1998)121.
15. S.L. Yaroshevskii. Producción de arrabio con utilización de carbón pulverizado como combustible.
Moscú, Metallurgiya, (1988) 176p.
16. European BlastFumace Cornmittee, Performance Data
ofSinter Plants and BlastFumace, Gijón, Spain, (1996).
17. L. García, A. Cores, A.Formoso y A.Babich. Rev.
Me-tal. Madrid 33 (1997)403-415.
18. A Babich, etal.ISIl Int., (1996), 1250-1258.
19. A Babich, etal. Rev. Metal. Madrid 32(1996) 103-116. 20. S.L. Yaroshevskii, A.I. Babich y V.S. Shklyar. Steel in
Translation. 25(1995) 17.
21. Technical Report of ACERALIA Corp. Siderúrgica, (1997) (prívate Communication).
22. v.K. Simonov, et al. Proc. Physical Chemistry of the
Direct Reduction
if
Iron. Nauka, Moscow, (1977) 214.23. P.Negro, etal.Proc. 2ndEuropean Ironmaking Congo
Glasgow,UK,(1991)323.
24. S.L. Yaroshevskii, AT. Anisimov y .l.Efanova. Sta!,2
(1985)9.
25. H. W. Gudenau, M. Peters y M.Joksch. StahlEisen, 114 (1994)(2) 9.
26. H.J. Bachhofen, et al. Proc. ECSC workshop,
Measurement Techniques in Blast Furnace Ironmaking
and their Benefits for Industrial Practice, Office for Official Publications of the European Committees,
Luxemburg, (1998),177.
27. M. Greuel, etal.Stahl Eisen, 94(1974) (12)533.
28. M. Kase, et al. Tans.Iron Steel Inst.lpn., 22(1982) (10)
811.
29. S.L. Yaroshevskii. Control of Blast Furnace Herat Thermal State, Technic, Kiev,(1968) 184.
30. C.R. Binnington, et al. Proc. ECSC workshop,
Measurement Techniques inBlast Furnace Ironmaking
and their Benefits for Industrial Practice, Office for Official Publications of the European Committees,
Luxemburg, (1998)167.
31. H.W. Gudenau, M.'Peters yF. Robert. Aachener Athalkolloquium. 1997. RWHT (Aachen University of
Technology), Aachen, V9(1997) 1.
32. A Formoso, etal. ISIlInt., 39(1999) (11) 1134.
33. AB. Duval, et al. Proc. 6th Int.Iron Steel Cong., ISU,
