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El sector del alto horno proporciona la materia prima para confeccionar acero. El hierro producido en el alto horno contiene una alta proporción de carbono, normalmente el 4 %, y carece de los aditivos necesarios para conferir al acero sus diferentes propiedades específicas.
El antiguo proceso de fabricación del hierro
Las materias primas para la fabricación del hierro (mineral de hierro, caliza y coque) se encontraban normalmente cerca de la fundición. Los depósitos de mineral de hierro en las montañas de Gales, donde era visible y podía recogerse a ras de suelo, se llamaban patches.
Fundir el mineral de hierro requiere una temperatura muy elevada; así, se necesitaba un horno donde colocar los materiales que resistiera esta temperatura. Los primeros hornos eran de piedra recubierta con ladrillo refractario. El hierro fundido en bruto se recogía en la parte inferior del horno y se vertía en recipientes llamados lingotes. La expresión lingote de hierro sigue utilizándose en la actualidad.
Los principios de la fabricación del hierro y el acero han cambiado muy poco, excepto que los modernos altos hornos, mucho más grandes, utilizan más controles automáticos para incrementar la producción y la eficiencia.
Construcción del alto horno
Durante la década de 1950 y principios de la siguiente, los altos hornos de Reino Unido se comparaban ventajosamente con los de otros países. En aquellas fechas, el diámetro del hogar variaba entre 8 y 9,5 metros, con capacidades de 1.800 a 2.000 toneladas al día y volúmenes de trabajo en torno a 1.500 m3.
La productividad del alto horno se expresaba como:
Producción (toneladas/día)
Volumen de trabajo (m3)
La sustitución de las cifras anteriores arroja factores de productividad de 1,3 a 1,5.
A mediados de la década de 1960, los japoneses habían logrado grandes avances en el diseño de los altos hornos. La producción diaria se incrementó desde 3.000 toneladas hasta más de 11.000, con diámetros del hogar de 14 metros y volúmenes de trabajo entre 4.000 y 5.000 m3. Los factores de productividad de estos hornos se encontraban entre 2 y 2,5.
Si comparamos estas cifras con las británicas, es evidente que incrementar el diámetro del alto horno de 8 a 14 metros elevó la productividad del horno solo en torno a un 50 %.
La comprensión de los efectos de otros parámetros en el proceso de la fabricación del hierro ha permitido elevar considerablemente la productividad y la eficiencia. Ejemplos de ello son:
El Reino Unido no ha tendido a seguir el enfoque japonés de construir hornos de mayor tamaño, pero la British Steel, en Redcar, cuenta con el horno más grande de Reino Unido, con 14 metros. Con una producción estimada de 10.000 toneladas/día, produce en realidad 11.135 toneladas/día. Su disponibilidad es del 97,1 % incluidas las paradas planeadas, y del 99,9 % si excluimos estas paradas.
Los hornos de Reino Unido son significativamente más pequeños que los japoneses, pero están muy próximos en eficiencia. La tabla 1 (en la página 2) reseña las especificaciones del horno de Redcar, que se compara ventajosamente con los hornos japoneses, coreanos, alemanes e italianos.
Aspectos químicos y físicos de la producción de hierro
La figura 1 muestra un esquema de un alto horno e indica las reacciones químicas que se producen en cada zona. Este apartado analiza las propiedades físicas de los materiales en cada fase del proceso de fabricación del hierro y tiene en cuenta las condiciones que favorecen las reacciones químicas. (Figura 1: alto horno)
Supervisión del paso de carga
El horno se carga con bolas de sínter y mineral de hierro machacado (materiales portadores de hierro), fundente y coque. Habitualmente, los materiales se cargan mediante una tolva de distribución y un sistema de doble campana, aunque muchos hornos modernos utilizan un sistema Paul Wurth sin campana con conducto giratorio. Se obtiene una distribución correcta en la parte superior del horno mediante el control de la velocidad y el orden de introducción de los materiales.
La reducción indirecta del mineral de hierro por el monóxido de carbono tiene lugar en la parte superior de la chimenea del alto horno:
A continuación, se somete al mineral portador de hierro y a las bolas a un desbaste a baja temperatura en el que se reduce el tamaño de las partículas. Con algunos tipos de mineral, este proceso puede dar lugar a gran cantidad de finos, que producen malas características aerodinámicas en la chimenea. Podrían fluidificarse; entonces, el horno no tiraría bien, lo que reduciría la producción.
En la parte inferior del horno, las temperaturas superan los 900-1.000 ºC y el material portador de hierro podría hincharse y motivar una reducción de la producción, en especial cuando se utilizan bolas de sínter.
Cuando el hierro está lo bastante caliente como para ablandarse, comienzan dos nuevas reacciones; la pérdida de solución de carbono
y la reducción directa.
Las mejores condiciones de la tasa de coque se producen cuando ha tenido lugar la máxima reducción indirecta y antes de que comience la reducción directa. Esto se consigue mediante la correcta distribución de la carga y utilizando materiales que sean lo bastante fáciles de reducir.
A medida que el ablandamiento progresa y que se incrementa la velocidad de reacción entre el coque y el óxido de hierro, comienza la formación de la escoria primaria. (Figura 2: esquema de equipos)
El resultado final del movimiento del material a través del horno es la acumulación de hierro fundido y escorias en la chimenea del horno. Las escorias son el material menos denso, que flota en la superficie del hierro. Hay tomas o muescas a diferentes alturas en la chimenea, por lo que es posible extraer la escoria por separado mediante conductos en la fundición.
Una vez solidificada, la escoria toma una forma similar a una piedra volcánica y se vende principalmente como material de relleno. Entonces, el hierro está preparado para pasar a la planta de acero para su ulterior procesamiento químico (véase la nota sobre la fabricación del acero).
El chorro de aire caliente se produce haciendo pasar un chorro de aire frío a través de cámaras precalentadas o estufas y calentándolo por encima de los 1.000 ºC.
Primero, se calienta la estufa mediante la combustión de gas y aire en el interior de la cámara y dejando que los ladrillos termorrecuperadores absorban el calor. Este modo se conoce como en gas. Cuando ha absorbido suficiente calor, la estufa se pone en chorro. En este modo no se produce combustión, pero se hace pasar un chorro de aire frío a través de la estufa, que absorbe el calor y se convierte en un chorro caliente. Después, se mezcla con el chorro frío para obtener la temperatura apropiada y se introduce en el alto horno mediante las toberas junto a su base, como muestra la figura 2.
Es bastante frecuente tener tres o cuatro estufas, por lo que en cualquier momento una estufa está en chorro mientras las otras están en gas o cerradas. Una estufa cerrada se ha calentado y cerrado, por lo que está preparada para ponerse en chorro. Si una estufa está fuera de servicio, es posible trabajar con solo dos estufas.
Cambio de estufa
La figura 2 muestra la disposición de un típico sistema de estufas. El procedimiento para cambiar de una estufa a otra es el siguiente:
Se pone la estufa 2 en gas para calentarse de nuevo, ahora que se ha utilizado la energía que almacenaba. En esta fase, se abren las válvulas 3 y 4 de la estufa 2 para que el gas y el aire entren en la estufa y para que salgan los gases de escape después de arder. Cuando la estufa vuelve a estar caliente, estas válvulas se cierran de nuevo y la estufa se queda cerrada.
Enriquecimiento del gas
El gas de escape producido por el horno se utiliza como combustible en muchas partes de la planta. Sin embargo, su valor calorífico suele ser bajo y requiere añadir gas natural y/o gas de coquería.
La figura 3 muestra un esquema de control típico en el que el caudal de gas de alto horno se deduce restando los caudales de gas natural y gas de coquería al caudal total de gas mezclado. Después, este valor calculado se utiliza como punto de consigna para los bloqueos del control de gas natural y gas de coquería, lo que mantiene la proporción de cada tipo de gas que entra en la estufa constante y permite conseguir el valor calorífico deseado del total de gas mezclado.(Figura 3: control de enriquecimiento de gas)
Enriquecimiento con oxígeno del chorro frío
Se ha demostrado que un pequeño incremento en el contenido de oxígeno del chorro frío, hasta el 22-24 % en lugar del 21% de contenido en O2 del aire normal, mejora la eficiencia del horno.
El esquema de control incluye el análisis de O2 y equipos de cierre independiente, pero aquí solo abordaremos el controlador y su E/S. La figura 4 muestra un esquema de esta parte del proceso. (Figura 4: enriquecimiento en oxígeno del chorro frío)
El chorro de aire frío se mide y se inyecta oxígeno en el principal, controlado por un bloqueo de control con el caudal del chorro como un PV de servicio. También se mide el contenido real en O2 del chorro frío, y esta señal se utiliza para ajustar la relación de oxígeno del chorro frío para mantener un valor constante.
Cuando se activa una alarma de exceso de O2, la exigencia normal es que se cierre inmediatamente la válvula de control del O2. Una circuitería adicional e independiente cierra las válvulas de aislamiento. La válvula de control se cierra debido a la actuación del controlador.
Control de la combustión de las estufas
Se requieren tres módulos de control para obtener lo siguiente:
El caudal de gas de las estufas se mide y controla según el punto de consigna local. La lectura del caudal de gas se utiliza como punto de consigna para el controlador del caudal de aire. El mecanismo de control de la combustión es similar al descrito en la nota de hornos de termodifusión.
La lectura de O2 ajusta la relación aire/combustible hasta que la temperatura de la bóveda se aproxime al valor requerido. Entonces, la salida del controlador de temperatura de la bóveda sustituye a la señal de ajuste del O2 activada por la temperatura objetivo del controlador de la bóveda. Esta acción incrementa el caudal de aire de la estufa y mantiene constante el caudal de gas. Este modo se conoce como exceso de aire y tiene el efecto de incrementar la distribución térmica de la estufa mientras se enfría la bóveda. Se mantiene una temperatura constante en el interior de la estufa y los ladrillos termorrecuperadores absorben el calor.
Esta fase en gas continua hasta que la estufa absorbe suficiente calor; entonces, se cierra o se pone de nuevo en chorro.
Control de la temperatura del chorro caliente
Después de salir de las estufas, el chorro caliente se introduce en la base del alto horno a través de las toberas. Atraviesa el horno, reacciona con el coque, los minerales y el fundente, y sale como gas de alto horno, que contiene principalmente CO y CO2. La presión ascendente de los gases sostiene la carga, por lo que hay una caída de presión de 1,4 bases a través de la carga, independientemente de la presión del gas de alto horno. Con esta diferencia de presión, la permeabilidad del horno es buena, es decir, los materiales se mueven hacia abajo a través del horno a la velocidad apropiada.
La temperatura del gas de alto horno debe mantenerse constante para mantener una buena eficiencia del horno. La temperatura del chorro caliente que sale de la estufa disminuye al enfriarse la estufa por lo que, para mantener una temperatura constante, el chorro caliente se mezcla con el chorro frío en la cámara de mezcla (ver figura 2).
La proporción de chorro caliente y frío se controla mediante un módulo de control que también dirige el chorro frío hacia las estufas. A medida que se utiliza la energía de la estufa, la temperatura del chorro caliente baja y la cantidad de chorro frío que se mezcla con él disminuye. También se reduce el caudal del chorro frío que se introduce en la estufa, para que los gases pasen más tiempo en la estufa y absorban más calor.
El esquema de control de la temperatura del chorro caliente se ilustra en la figura 5. (Figura 5: control de temperatura del chorro caliente)
Control del caudal de las toberas
El chorro de aire caliente y el gas natural se inyectan en el alto horno a través de las tobers distribuidas alrededor de su perímetro, habitualmente 24 ó 36.
Mientras el caudal de gas natural se ajusta en relación al caudal del chorro frío, también se controla en cada tobera la relación entre gas natural y chorro caliente. La figura 6 ilustra el uso de un módulo de control para controlar la relación de gas natural y chorro caliente en una tobera.
Otras entradas analógicas se utilizan para comprobar las fugas de agua en la tobera comparando el caudal de agua que entra y sale.(Figura 6: control de toberas)
