METALURGIA III
INSTITUTO SUPERIOR TECNOLOGICO JOSE PARDO
2014
HORNOS DE REDUCCION DIRECTA ESPECIALIDAD
:
METALURGIA III
CURSO
:
HORNOS METALURGICOS
PROFESOR
: TACUCHI
ALUMNO
: DIEGO HUAMANI, LENIN
FECHA
: 8 JULIO 2014
METALURGIA III
INTRODUCCION: EN ESTE INFORME, REALIZAREMOS UN ESTUDIO BASICO B ASICO Y FUNDAMENTAL DE LOS HORNOS DE REDUCCION DIRECTA ASI COMO LOS CAMBIOS QUIMICOS QUE AL QUE SE SOMETE EL HIERRO. Y ESTOS PROCESOS SON AQUELLOS EN LO QUE SE BUSCA LA RESUCCION DE OXIDOS DE HIERRO (MIERAL DE HIERRO) GENERALMENTE HEMATITA FEO PARA OBTENER UN SUBPRODUCTO QUE MAS ADELANTE ADEL ANTE SE USARA COMO MATERIA PRIMA PARA LA FABRICACION DE ACERO
OBJETIVOS :
Proporcionar los fundamentos teóricos que permitan una óptima comprensión de la terminología relacionada y de cálculos relacionados con el tema de Hornos de reducción directa
METALURGIA III
I.
MARCO TEORICO REDUCCION DIRECTA DI RECTA
1. CONCEPTOS PREVIOS
Se denomina Proceso de Reducción Directa a todo proceso proceso mediante el cual se obtiene hierro metálico por reducción de minerales de hierro, siempre que las temperaturas involucradas no superen la temperatura de fusión de cualquiera de los componentes.
Se trata de una reducción incompleta ya que sin alcanzarse la fusión, no se llega a remover en la práctica todo el oxígeno del mineral, tampoco permite la separación de ganga de los minerales utilizados.
Por definición, todo proceso de reducción de los óxidos óxidos de hierro distinto del aplicado aplicado en el alto horno, es llamado Reducción Directa. Esto se inspira en la evolución de la producción siderúrgica, pues con los primitivos procesos, se obtenía un hierro pastoso, mezclado con escoria, muy poco carburado y susceptible de trabajarse directamente para convertirse en diversos objetos (hierro pudelado) mientras m ientras que al aparecer el alto horno, cuyo produc to es el arrabio, fue necesario un proceso ulterior de afino para reducir su contenido en carbono y convertir el arrabio en un metal trabajable: Acero.
2. Hierro Directamente Reducido o Hierro Esponja Como la reducción se efectúa sin llegar a la fusión, el producto conserva la forma original del mineral, pero con mayor porosidad. Por esta condición recibe el nombre de hierro esponja. No todos los productos sólidos obtenidos por reducción directa son hierro esponja. Algunos procesos emplean mineral de hierro en pequeñas partículas que luego de reducidas, son briqueteadas, con lo cual el producto final resulta compacto y denso. En este caso se habla de briquetas metalizadas o pre-reducidas. Al hierro esponja que procede de mineral en trozos o pelets, se lo aplica también las denominaciones de mineral o pelets pre-reducidos o metalizados. A efectos de englobar en una definición las distintas características que ofrecen los productosobtenidos, los llamaremos Hierro Directamente Reducido. En inglés: Direct Reduced Iron. Siglas: ―DRI‖. El DRI es un material altamente reducido, con elevado contenido de hierro metálico y un remanente bajo la forma de Oxido Ferroso, Ferroso , FeO (Wustita), FeO (Wustita), trazas de otros óxidos de hierro, cantidades variables de carbonato y ganga formada principalmente por :
SiO2 + Al2O3 + CaO + MgO.
2.1 Grado de Metalización Es la relación entre el hierro metálico (Fe.m) del producto reducido y el hierro total (Fe.t) del mineral empleado:
G.M. = Fe.m (%) x 100 Fe.t (%)
METALURGIA III
2.2 Grado de Reducción Es la relación entre el oxígeno eliminado de los óxidos de hierro y el oxígeno total combinado con hierro en la carga:
G.R. = O eliminado (%) x 100 O total (%)
2.3 Principios de la Reducción de los Materiales de Hierro
Los reductores mas comúnmente usados en siderurgia son el monóxido de carbono (CO), el hidrógeno (H2) y el carbono (C). La utilización de estos reductores es debida a su alta reactividad en el sentido de formar compuestos más estables de hidrógeno y carbono en sus formas oxidadas H2O y CO2.
Los minerales de Hierro que se someten al proceso de reducción están constituidos por: Fe2O3: Oxido Férrico (Hematita) Fe3O4: Oxido Ferroso – Férrico (Magnetita) Pueden contener alguna proporción de FeO, Oxido Ferroso, Wustita.
a. Reacciones de Reducción Reducción por el Carbono: 3 Fe2O3 + C ==== 2 Fe 3O4 + CO Fe3O4 + C ==== 3 FeO + CO CO FeO + C ==== Fe + CO La reducción de óxidos de hierro por acción directa del carbono en procesos de reducción directa es poco importante, dado que la reacción entre dos sólidos solamente se produce en los puntos de contacto entre éstos. Este contacto entre ó xido de hierro y carbono se interrumpe rápidamente al formarse hierro metálico. Son más importantes las reacciones que tienen lugar con el CO producido y regenerado.
b. Reacciones de Reducción por el Monóxido de Carbono: 3 Fe2O3 + CO ==== 2 Fe 3O4 + CO2 Fe3O4 + CO ==== 3 FeO + CO 2 FeO + CO ==== Fe + CO 2 CO2 + C ==== 2 CO El principal efecto del carbón de la carga es el de producir la atmósfera reductora que ha de rodear al mineral para su reducción, convirtiendo el CO2 resultante en CO por la reacción (1), conocida como : Reacción de Bouduard. A temperaturas menores de 570º C la wustita es metaestable y la reacción de reducción es: ¼ Fe3O4 + H2 === ¾ Fe + CO 2 c. Reacciones de reducción reducción por el Hidrógeno: Hidrógeno: 3 Fe2O3 + H2 ==== 2 Fe 3O4 + H2O Fe3O4 + H2 ==== 3 FeO + H 2O FeO + H2 ==== Fe + H 2O
METALURGIA III
A temperaturas menores a 570º C, la reacción de reducción es: ¼ Fe3O4 + H2 ==== ¾ Fe 2 + H2O En la Figura se representan las condiciones de equilibrio de los óxidos de hierro en función de la temperatura y la composición de los gases reductores. Asimismo sobre este diagrama se agregó la curva de Bouduard de equilibrio de la reacción: CO2 + C = 2 CO
El análisis de la figura permite obtener las siguientes conclusiones: a. La temperatura de 570º C divide dos mecanismos de reacción. Por encima de esta temperatura, el mecanismo es Fe2O3—Fe3O4—FeO—Fe Fe.. Para temperaturas menores, no se forma FeO: Fe 3O4 pasa directamente a Fe. b. Las características de la reacción de Bouduard: A temperaturas inferiores a 400º C, o sea a bajas temperaturas, son estables grandes porcentajes de CO2, y a altas temperaturas son inestables. Si en un momento y a una temperatura determinada hay un exceso de CO 2 sobre el porcentaje teórico marcado por la curva de Bouduard, el equilibrio se alcanzará al reaccionar el CO 2 con el carbono
2.4 Cinética de las Reacciones de Reducción Se refiere a la velocidad a la cual los óxidos de hierro son convertidos en hierro metálico por remoción del oxígeno. La incorporación de la tecnología de la reducción directa, como alternativa
METALURGIA III
al alto horno, ha producido la necesidad de un mejor conocimiento de la cinética de reducc ión dado que la velocidad a la cual se produce la reducción de un mineral determina la capacidad de producción de un proceso.
2.5 Reducibilidad de Minerales de Hierro Se llama reducibilidad a la propiedad que indica con que facilidad es posible eliminar oxígeno de un óxido de hierro por acción de los gases reductores. Esta propiedad está influenciada por el tamaño de partículas, forma, densidad, distribución de tamaños, estructura cristalina y composición.
2.6 Características del Mineral de Hierro para Reducción Directa La granulometría del mineral para reducción directa es muy diversa, dependiendo su utilización del tipo de proceso. Los finos se utilizan en reactores de lecho fluidizado y los trozos de tamaño mayor, mayor, pellets y briquetas, briquetas, en retortas y hornos hornos de cuba. Los hornos rotativos rotativos tienen mayor mayor flexibilidad en cuanto a granulometría, permitiendo permitiendo el uso de finos y trozos de mayor tamaño. Con respecto a las características del mineral, es importante el bajo contenido de ganga. La relación debe tener u tamaño recomendado, para asegurar la eficiencia del proceso de afino en el horno eléctrico
SiO2 + Al2O3 5% y P 0,05% Fe
Corte de una sección de un pelet de mineral de hierro vista con gran aumento, que muestra los granos individuales reducidos topoquímicamente topoquímicamente
METALURGIA III
Remoción del oxígeno de un pellet de óxido de hierro.
Resultan inconvenientes los minerales decrepitables por la excesiva producción de finos al producirse el choque térmico. Por la misma razón debe vigilarse el hinchamiento de los pellets.
METALURGIA III
2.7 Generación de Gases Reductores El gas natural es el combustible mas utilizado para la obtención de gases reductores en reducción directa. Sus ventajas principales: bajo contenido de azufre, fácil transporte, conversión relativamente fácil a CO + H2 lo hacen atractivo para esta finalidad. Otras fuentes posibles, aunque de limitada disponibilidad son el gas de coquería y el gas de refinería. El éxito de cualquier proceso de reducción directa esta ligado a su viabilidad económica, que depende de los costos de producción de los gases reductores y de la eficiencia de utilización química de estos durante la reducción. En la mayoría de los procesos de reducción directa, los gases actúan no sólo por como reductores sino que también proveen el calor requerido en el reactor de reducción, es decir, calor de reacción, calentamiento de los minerales y calor para compensar pérdidas del reactor.
2.8
Combustibles Gaseosos y Líquidos
Existen dos métodos de producción de gases reductores a partir de hidrocarburos gaseosos o líquidos. Reforma Catalítica Oxidación Parcial
METALURGIA III
El método de reforma catalítica es mas reciente y de aplicación mas difundida que el de oxidación parcial.
Reforma Catalítica Es un proceso que utiliza catalizadores de Níquel o Cobalto y esencialmente consiste en una reacción de hidrocarburos gaseosos y líquidos con vapor de agua o CO2. Las reacciones de reformación están caracterizadas por ser fuertemente endotérmicas. Reforma con Vapor de Agua La reacción básica es: CH4 + H2O (exceso) ==== CO + 3 H2 Las bajas relaciones de vapor de agua / carbono favorecen la formación de altos valores de H2 + CO originando consecuentemente la producción de gases con alto potencial reductor. Reforma con CO2 La reacción básica es: CH4 + CO2 ==== 2 CO + 2 H2 La reacción reformación ocurre en un rango de temperatura entre 850º - 100º C, en presencia de un catalizador de Ni o Co. Proceso de Oxidación parcial Estos procesos consisten esencialmente en una reacción de combustión incompleta y no catalítica por el oxígeno, de derivados de petróleo y carbón a elevadas temperaturas, de 100 a 1500º C y presiones (30 – 160 atm.) Combustibles Sólidos Puede utilizarse carbón en procesos de Reducción Directa. Se gasifica en un recipiente separado o bien alimentándolo junto con el mineral al horno de reducción, donde actuará como combustible y como reductor.
METALURGIA III
HORNOS DE REDUCCION DIRECTA Procesos de Reducción Directa Se pueden clasificar según el tipo de reductor r eductor utilizado en:
Esta clasificación no es rigurosa, ya que algunos sistemas pueden utilizar ambos combustibles.Existen algunos procesos que utilizan reductor líquido, pero no han alcanzado un gran desarrollo.Desde el punto de vista del horno o reactor utilizado:
Horno de Retorta: Retorta: reducción isotérmica en lecho fijo.
Horno de Cuba: Cuba: Reducción por gas de una columna descendente de óxidos o procesos a contracorriente.
Lecho Fluidizado: Fluidizado: Reducción isotérmica en un lecho fluidizado, de mineral fino, usualmente en varias etapas.
Horno Rotativo: Rotativo: Reducción en un cilindro rotatorio, utilizando un agente reductor sólido,líquido o gaseoso
PROCESOS H Y L (Hojalata L (Hojalata y Lámina – Origen México):Se basa en la reformación de gas natural, con hornos de retortas a lecho fijo, de producción discontinua. El proceso H y L II se basa en el original, pero con mejoras de diseño en los aspectos energéticos y mejoras en el reformador. El proceso H y L III abandona el lecho fijo y se convierte en proceso a horno de cuba operando a alta presión.
METALURGIA III
PROCESO MIDREX
Utiliza un HORNO DE CUBA según el principio de contracorriente, opera a presión moderada y la carga metálica desciende a través del horno en tanto es calentada y reducida por los gases reductores que circulan en sentido ascendente. El tiempo total de permanencia de la carga es aproximadamente 10 hs, hs, mientras que el gas permanece en el horno 1 a 2 segundos. Los gases reductores se obtienen reformando catalíticamente gas natural, empleando esencialmente CO2 que proviene del gas de tope. El reformador consiste en una cámara de calentamiento revestida interiormente de ladrillos refractarios, en cuyo interior hay una serie de tubos de acero refractario, resistente a altas temperaturas, que contienen en su interior el catalizador del níquel que activa la reacción de reforming del gas natural. Las reacciones de reforming son: CH4 + CO2 ==== 2 CO + 2 H 2 CH4 + H2O ==== CO + 3 H 2
Horno de Reducción
La zona superior, de calentamiento y reducción del horno, es es la sección circular y está revestida con material refractario. La zona inferior es de enfriamiento y carburación, tiene forma de cono invertido y no tiene revestimiento refractario.
METALURGIA III
Midrex ha definido las funciones primarias y secundarias de cada sección del horno de la siguiente manera: Zona de reducción: reducción del óxido de hierro (función primaria) y reformación in situ de gas metano (secundaria). Zona de transición: craqueo del metano para generar carbono (para su deposición) y agente reductor (hidrógeno). Zona de enfriamiento: enfriamiento (función primaria) y deposición de carbono (secundaria).
METALURGIA III
Minerales Utilizados No siempre es posible el uso de materias primas con las especificaciones deseables ya que es una práctica habitual aprovechar los costos relativos de varios tipos de minerales y pellets. Por razones de economía y productividad, se utiliza generalmente una mezcla de varias materias primas: distintas calidades de pellets y minerales en trozos. Las razones económicas están dadas por el menor costo del mineral en trozos respecto de los pellets y las razones de productividad se basan en el hecho de permitir temperaturas de operación mayores (870º - 900º C) contra 760º C para 100% de pellets. Esta temperatura está fijada por le punto de ablandamiento de los pellets. Las mayores temperaturas ocasionan una más eficiente utilización del gas por mayor velocidad de reacción incrementándose la producción y disminuyendo el consumo específico de energía. El mineral calibrado genera una mayor cantidad de finos que los pellets y por consiguiente una mayor cantidad de éstos son llevados por los gases a los lavadores. Estos dos factores se conjugan para aumentar la cantidad de mineral necesario para producir una tonelada de producto reducido. El mayor contenido de finos disminuye dism inuye la permeabilidad de la carga, produciéndose un incremento en el consumo eléctrico para el accionamiento de los compresores. Según Pospst y Saviate, en ―Minerales calibrados de alta ley – Utilización e unidades Midrex de reducción dir ecta‖ el mayor aumento de productividad según las condiciones locales, se logra con una mezcla de 70% de pellets 30% de mineral calibrado. La Figura muestra el flujo de materia, típico en una planta Midrex.
METALURGIA III
Procesos de Lechos Fluidizados El mineral proveniente de la mina contiene siempre considerable cantidad de finos y no puede cargarse directamente en los HORNOS DE CUBA. También es necesario moler el mineral cuando se requiere aumentar su ley en hierro. Estos finos de mineral y concentrados deben ser aglomerados, por sinterización o por peletizado antes de su carga en los hornos. Resulta importante un proceso de reducción que evite aglomeración, utilizando directamente los finos. En principio, esto es posible mediante los procesos basados en lechos fluidizados, los que alcanzaron un desarrollo técnico en varias áreas de metales no ferrosos , como en la reducción de minerales de Níquel. En los procesos de fluidización, la masa de material que se trata queda como suspendida o soportada por la presión de un gas que asciende a través del reactor (figura 9.3). La velocidad adecuada para mantener las partículas en suspensión varía con el tamaño y las condiciones de las partículas y con el tipo o clase de reactor.
METALURGIA III
vías de fabricaion del acero El conjunto gas – partículas se comporta como un líquido en ebullición y en este proceso la transmisión del calor y las reacciones se realizan con gran rapidez. Las partículas introducidas en el reactor se depositan en dos o más bandejas perforadas con agujeros de muy pequeño diámetro o tela metálica muy fina, que son atravesados por el gas a una velocidad suficiente para que las partículas sean puestas en turbulencia. La velocidad del gas puede variar dentro de límites bastante amplios. Sin embargo si llega a ser superior a la de la caída de las partículas, se produce un transporte neumático de partículas sólidas. Una desventaja de este proceso es que para ciertas concentraciones de gas y temperatura y a un cierto grado de metalización, las partículas que forman en lecho tienden a sinterizarse. Este fenómeno, denominado ―Stocking‖ aparece cuando el mineral tiene un rango de 0,06 – 0,1 mm y la temperatura es mayor de 700º C. Esta sinterización se puede impedir parcialmente con partículas mayores y menor reducción del mineral.
METALURGIA III
PROCESO HyL III DEFINICION .
Fue una nueva forma de obtención de un subproducto que que sirviera como materia prima para producir acero, ahora a partir del hierro de reducción directa (HRD) en estado sólido Grupo ALFA ha ganado mucho con este proceso ya que disminuye la escoria en el horno de arco eléctrico, ya que partes de una combinación de chatarra y el hierro de reducción directa, el cual ya es hierro metálico El proceso de reducción directa (HRD) consiste en la reducción de óxido de hierro por medio de gases reductores para obtener hierro metálico con valencia cero. El decir que el hierro tenga valencia cero, significa que ya fue pasado a metal, lo cual ayuda mucho porque disminuye las impurezas provocadas por una carga de chatarra al 100%.
MATERIA PRIMA
Los pélets son óxidos de hierro, ya ya sea magnetita (Fe3O4) o hematita (Fe 2O3); en el caso de HYLSA con el hierro esponja, el pélet es de hematita; que está compuesto por 70% de hierro
Formado el pélet (óxido de hierro), llega llega por medio de ferrocarril a la planta 4M de Hylsa, el cual es introducido en el reactor en donde inicia su proceso de reducción directa.
GENERACIÓN DE GASES DE REDUCCIÓN
En la primera reacción, llamada in-situ, el gas natural (metano) combinado con agua, produce monóxido de carbono e hidrógeno gaseoso, los cuales son los gases que harán el proceso de reducción directa del óxido de fierro (hematita), para producir hierro metálico con valencia cero.
Dentro del reformador convencional se se pueden utilizar fuentes alternativas como gasificación de carbón, purificación de gases de coquería o gasificación de hidrocarburos.
SECCIÓN DE REDUCCIÓN
El óxido de fierro combinándose con el monóxido de carbono (debidamente balanceado) produce como se observa en las reacciones de reducción, hierro metálico con valencia cero más dióxido de carbono. Otras de las reacciones de reducción, es la
METALURGIA III
del pélet de óxido de fierro con el hidrógeno gaseoso (H 2) formado debidamente en la reacción in-situ para producir hierro metálico con valencia cero más H 2O en forma de vapor.
ENFRIAMIENTO ENFRIAMIENT O Y CARBURIZA CARBURIZACIÓN CIÓN
Después se lleva lleva a cabo la reacción de carburización, que forma cementita (Fe3C), más H2. La reacción consiste en que ya teniendo hierro metálico se adiciona gas natural (metano) formando cementita (Fe 3C), con H 2 saliendo el producto entre 490 y 540°C. Con el proceso de HRD se obtiene 93.2% de hierro metálico con valencia valencia cero, con 2.3 2.3 % de carbono.
METALURGIA III
PROCESO WIBERG •
Es un proceso en donde la reducción se lleva a cabo en un horno vertical de cuba, en el cual el mineral de hierro es puesto en contacto con una corriente de gas reductor ascendente; este es constituido por monóxido de carbono e hidrógeno, en los últimos años se han inyectado en la instalación hidrocarburos para aumentar el contenido de hidrógeno del gas reductor.
PROCESO ARMCO •
Desarrollado por ARMCO STEEL CORPORATION de Estados Unidos Unidos en en 1969, el gas reductor de este proceso está constituido por 20 % CO y 68% H 2 que se produce por la reacción catalítica de gas natural con vapor de H 2O. Se utiliza igual que el proceso anterior un horno de cuba
PROCESO HIB • •
Proceso desarrollado por U.S. Steel Utiliza reactores con lechos fluidificados, donde una corriente de gas gas reductor circula por debajo hacia arriba sobre partículas de minerales muy finas depositadas en bandejas perforadas. El gas utilizado contiene 85% H 2 y es producto de la reformación del gas natural con vapor de agua.
PROCESO DE SL/RN • •
•
•
•
La reducción del mineral de hierro se lleva a cabo en un horno rotatorio cilíndrico. El calentamiento se hace por medio del carbón pulverizado, gas natural o fuel-oil que se queman en un mechero colocando en la boca inferior del horno. Se emplean dos hornos tubulares rotatorios, en uno se lleva acabo la reducción y en el otro se enfría el hierro esponja obtenido mediante agua en el exterior del horno. Se introducen los trozos del mineral o pellets por la parte alta, se mezclan mezclan con el carbón y caliza. El carbono desprende gases se queman al ponerse en contacto con el aire de la combustión controlada. Sale del horno producto con una gran cantidad de Fe metálico y una pequeña cantidad sin reducir.
PROCESO FIOR •
Desarrollado por Esso Research and Engineering Company, empresa Norteamericana.
METALURGIA III
•
•
Opera a presión atmosférica, atmosférica, emplea mineral con tamaño menor a 12 mm. mm. En el reactor 1, los óxidos se calientan por la combustión de gas reciclado a 350°C y aire que llega caliente a 950°C. Después del calentamiento y principio de reducción, los los óxidos descienden por gravedad a los otros tres reactores y en su corrido a través de ellos se realiza la reducción del mineral
HORNO ROTATIVO
El horno rotativo es un horno continuo, a calentamiento externo y llama libre, libre, cuyo es en la fabricación del cemento Portland. También se utiliza en la fabricación de cal, aluminio, hierro esponja, etc.
Procesos de Horno Rotatorio En este caso, el agente reductor no requiere preparación química: se emplea carbón, que debe tener buena resistencia mecánica y un punto de fusión suficientemente alto de sus cenizas. La mezcla de mineral y reductor que se carga en el horno pasa primero por la zona de secado y precalentamiento, antes de entrar en la zona de reducción del horno. Luego de la descarga se somete a un enfriamiento en otra unidad rotativa.
La granulometría conveniente depende de la reducibilidad y suele ser 4 - 40 mm para mineral calibrado y 6 – 18 mm para pellets. Con el objeto de manejar el rendimiento térmico total, la peletización, el secado y el endurecimiento se pueden efectuar en línea con los hornos rotativos. El aire para la combustión se aplica en distintos puntos de la longitud del horno.
Con el mineral y el carbón se carga también dolomita o caliza, como agente desulfurante, en tamaños de 0,1 – 1,0 mm. El carbón tiene una granulometría menor de 10 mm.
La temperatura de operación puede alcanzar 1100º C y está limitada limitada por la fusión de las cenizas y el pegamento de las partículas de hierro que forman ladrillos que pueden llegar a ocupar una gran parte de las sección del horno.
La velocidad de rotación periférica oscila entre 15 y 25 cm/seg.
La capacidad específica del horno rotativo varía de 0,5 – 0,7 t hierro esponja/m3.día y en los hornos con grilla de precalentamiento, puede alcanzar 1,1 t/m3.
El volumen de gases oscila entre 2200 y 2600 Nm3/t hierro esponja.
El grado de llenado varía de 15 a 25% del volumen del horno.
METALURGIA III
La inclinación del horno rotatorio es de 1,5 – 4%. La formación de anillos anillos es el problema mayor de los hornos rotativos y se debe a: Presencia de finos de carga: vienen con la carga o se producen dentro del horno por decrepitación o abrasión de la carga. Calidad química: composición química de la ganga y de las cenizas del carbón. d e temperatura zonal y fusión de ganga Exceso de aire zonal: provoca aumento de
y cenizas.
1 Descripción del Horno Rotativo
Consiste en un cilindro de acero, recubierto en su interior por ladrillos ladrillos refractarios, que se encuentran ligeramente inclinado respecto a la horizontal (menos de 10 grados) y que gira lentamente, a velocidades inferiores a 5 r.p.m.
El cilindro cuenta con llantas de acero que se apoyan sobre rodillos. Los rodillos soportan el peso del horno y su carga. Absorben dicho peso según dos componentes, la de mayor importancia perpendicular al eje del horno y la otra, de mucho menor valor, paralela al eje del horno. La componente perpendicular es absorbida en cada llanta mediante un par de rodillos, con ejes paralelos al horno, denominados de apoyo. La componente axial es soportada por un único rodillo, de eje perpendicular al del horno, denominado de empuje.
El movimiento rotativo del horno es impulsado por un piñón acoplado a una corona (rígidamente vinculada al cilindro de acero). Generalmente el motor que produce la rotación es eléctrico, del tipo asincrónico o de corriente continua y, a través de un reductor de velocidad, moviliza al piñón.
El calentamiento del horno se efectúa con gases calientes que se producen por combustión, en un quemador, de gas, fuel-oil, u otros combustibles. Habitualmente el quemador se ubica en el extremo mas bajo.
En la punta opuesta del horno se ubica la chimenea por donde se evacuan los gases del mismo.Esto significa que el extremo inferior del horno , donde se ubica el quemador, es la zona más caliente. Los gases producidos van recorriendo el horno y entregando su calor, saliendo por el extremo opuesto.
.
METALURGIA III
DIMENSIONES DE LOS HORNOS ROTATIVOS INDUSTRIALES En los hornos rotativos industriales que trabajan en las fabricas de cemento portland nacionales, se encuentran distintos tamaños de diámetros y largos. Como dato ilustrativo daremos como ejemplo el más pequeño, ubicado en una planta en Mendoza que tiene un diámetro de 2,10 m y una longitud de69,0. El de mayor tamaño se encuentra en una planta localizada en Barker (Pcia. de Bs. As.), tieneun diámetro de 5,65 m y una longitud de 180 m; su capacidad de producción alcanza a 2000 ton/díade clinker de cemento.Actualmente cem ento.Actualmente el horno de mayor capacidad de producción es el N° 7 de la empresa Loma Negra,ubicado a en Olavarría, que produce 2600 ton/día de clinker. La elevada producción se consiguecomo consecuencia de que el horno cuenta, a la salida de los gases, con c on torres de precalentamientodel material que ingresa y eleva su temperatura de entrada a 800°C.
Perfil de temperaturas del Horno Rotativo se representan las temperaturas del horno en función de la longitud del mismo. El caso presentado en el gráfico es para la calcinación de piedra caliza, en la producción de cal, para un horno rotativo simple que no cuenta con precalentadores del material entrante. Del gráfico se infiere que la temperatura del horno es del orden de los 1000°C en la zona más caliente y decrece a 400 o 500°C en la zona de salida de los gases por la chimenea.
METALURGIA III
Perfil de temperaturas del Horno Rotativo En la Figura N° 2 se representan las temperaturas del horno en función de la longitud del mismo. El caso presentado en el gráfico es para la calcinación de piedra caliza, en la producción de cal, para un horno rotativo simple que no cuenta con precalentadores del material entrante. Del gráfico se infiere que la temperatura del horno es del orden de los 1000°C en la zona más caliente y decrece a 400 o 500°C en la zo na de salida de los gases por la chimenea. t(min.) = 1,77 x x L(pies) x f N(r.p.m.) x D(pies) x S(°) S(°) Donde: : Angulo de reposo del material L: Longitud del horn f: Factor de forma del horno (para hornos cilíndricos cilíndricos f=1) D: Diámetro interno del horno S: Pendiente del horno
A L T O H OR OR N O
1 Generalidades Es el horno destinado dentro de la siderurgia a realizar la primera transformación de los minerales de hierro hacia su forma de productos semielaborados de acero, que luego serán manufacturados por la industria metalmecánica metalmecánica para darle sus múltiples y diferentes acabados para ser utilizados por el hombre. Se trata del primer eslabón del proceso tradicional (reducción indirecta) que elabora el acero por la vía de materiales líquidos líquidos fundidos. Es un horno de cuba, a combustión y continuo, continuo, que funciona en contracorriente entre la carga sólidos que desciende y el gas reductor que asciende. El horno se carga con materiales sólidos: a) Carga metálica (aportante de hierro), que está constituida por una mezcla de minerales de hierro calibrados, sinter y pellets, en proporciones variables según las condiciones técnicoeconómicas técnicoeconómicas de la operación en cada planta. b) Coque, que actúa actúa como combustible, combustible, generador generador del gas reductor (CO) y sostén sostén de carga. c) Fundente, cuya función es reaccionar con la ganga para eliminarlas en forma de escoria. Usualmente es caliza ya que la ganga es de características ácidas. También por las toberas se inyecta aire caliente para producir la combustión del coque. Los productos obtenidos son líquidos: a) Arrabio o hierro de primera fusión (material con elevado tenor de carbono). b) Escoria, de menor densidad densidad que el arrabio, que que sobrenada a este último. último.
METALURGIA III
DESCRIPCIÓN 2.1 Cuerpo del Alto Horno (1) Construido en chapas de acero recubierto en su interior por ladrillos refractarios, esencialmente esencialmente consiste en dos troncos de cono unidos por su base mayor, constituyendo la cuba, etalaje y vientre, más un sector inferior cilíndrico, el crisol, en el cual se acumula el arrabio y la escoria hasta su colado secuencial (aproximadamente (aproximadamente cada hora). En los grandes altos hornos el colado se realiza casi continuamente pues tienen varias piqueras y pasados 10-15 minutos después de cerrar una piquera se abre la otra. 2.2 Playa de Colado (2) Esta es una superficie que se construye unos metros elevada por sobre el terreno, a nivel de las piqueras de colado del horno, y es la la que permite el laboreo laboreo frente a las piqueras, piqueras, tanto el taponamiento de las mismas como su perforado en el momento del colado; además tienepremoldeados los canales por donde corre el arrabio hacia los carros torpedos durante la sangría del horno y otros por lo que corre la escoria que saliendo de las escorieras es llevado a través de estos canales hacia una gran pileta con agua en donde se produce su granulado. Este proceso se realiza con la escoria para que luego pueda ser usado en la fabricación del cemento, otorgando otorgando así un mayor valor a este subproducto. 2.3 Estufas Cowper (3) Son los elementos destinados a precalentar el aire que se insufla por las toberas del horno hasta una temperatura de alrededor de 1200°C -1300°C. Son grandes cuerpos cilíndrico cerrados en forma de cúpula esférica en su parte superior, construidos de chapas de acero de hasta 30 mm de espesor. Sus medidas son de hasta 11m de diámetro por 50 a 55m de altura, para los grandes altos hornos de 5000m3 de volumen y hasta 11.000 t/día de producción producción de arrabio. En su interior, una estructura de ladrillos refractarios en forma especial, ahuecados, con celdas de 45 x 45mm y paredes interceldas de 40 mm, ocupa el 80% de la superficie transversal de la estufa y su
METALURGIA III
misión es acumular el calor que le ceden los gases de combustión que se qu eman en un quemador en la cámara de combustión que ocupa el 20% de la superficie restante. Este quemador funciona con gas de alto horno (luego se explica el origen y el circuito de este gas) que al quemarse origina gases de combustión a alta temperatura que asciende por la chimenea y luego desciende por entre la estructura de ladrillos refractarios, que a tal efecto tiene una tobera central que beneficia el movimiento descendente descendente de esto gases calientes entregando estos su calor y saliendo finalmente por los conductos a una chimenea externa. Cuando se alcanza una temperatura estipulada se hace ingresar aire frío a través del conducto impulsado impulsado por los soplantes (número 5 en la Figura N°1); este aire asciende a través de la estructura tobera caliente, toma toma su calor y desciende por la chimenea hasta un conducto que los dirige a las toberas de inyección del alto horno. Durante este ciclo se habrá cerrado, desde luego el conducto (4) del quemador y los conductos (6) de salidas de gases. El calentamiento de la estufa Cowper dura dos veces más que el calentamiento del aire. Por ello para el suministro continuo de aire al horno deben haber no menos de 3 estufas de aire. Muchas veces se instalan 4 con una en reserva o siete para dos hornos. Como a medida que el aire se va calentando, se van enfriando los refractarios de las estufas que les están cediendo calor, lo que se hace es aprovechar el calentamiento hasta un valor superior al requerido para el normal funcionamiento del horno y luego se lo mezcla con aire frío antes de su inyección al horno; cuando este valor de operación ya no es alcanzado se pasa a otra estufa que se encontraba en ciclo de calentamiento del refractario
METALURGIA III
IMPORTANCIA DEL DESARROLLO DE REDUCCION DIRECTA El Desarrollo de la Reducción Directa La aparición de la reducción directa da al conjunto siderúrgico mayor flexibilidad. El proceso Alto Horno – Acería indica un camino quebrado, en comparación con el más ―lineal‖ de la reducción directa.
Es importante tener en cuenta que la reducción llevada a cabo en la reducción directa es siempre incompleta, oscilando el hierro total entre 85 y 94% según el procedimiento. También en reducción directa la ganga queda unida al hierro esponja y debe eliminarse en el horno eléctrico a mayor temperatura. Por el contrario, en el alto horno, la reducción realizada en la cuba (reducción que se asemeja a la reducción directa, pero que se denomina indirecta pues es realizada por el CO) es completada en la parte inferior del horno. La car buración del hierro permite la utilización óptima del eutéctico Fe – Fe3C al asegurar la fusión del arrabio a baja temperatura y la condición de la ganga permite utilizar una amplia gama de minerales tanto química como granulométricamente. Además el calor químico del arrabio (C, P, Si) como su calor sensible son aprovechados apro vechados en la acería, transformando al convertidor al oxígeno en el más económico fundidor de chatarra o de hierro esponja.en función de la temperatura de evolución. La producción de acero según el método Alto Horno – Convertidor al O2 ha sido desarrollada par muy altas productividades por equipo: 1000 t/d de arrabio en el alto horno, 350 t acero en el convertidor en tiempos de colada menores de 45 min. Este crecimiento es compatible con los grandes laminadores de chapa en caliente de 3 – 5 millones t/año. Esto implica grandes unidades de producción que exigen altas inversiones e implica también producciones elevadas. En resumen se puede decir: En muchos países, particularmente los en desarrollo, la falta interna de chatarra puede componerse mediante importaciones, pero las fluctuaciones de precios y eventuales medidas de restricción de los países exportadores harían depender la producción de acero de factores imposibles de controlar.La abundancia de gas natural, mineral de hierro de alta calidad y electricidad de bajo precio son las condiciones básicas por las cuales un proyecto de Reducción Directa puede ser viable económicamente. La fabricación de acero destinado a perfilería liviana, palanquillas, redondos, fabricaciones especiales (tubos, alambres, etc) cuyas producciones están en general debajo del millón de t/año ofrecen un campo propicio para el desarrollo de unidades basadas en reducción directa honro eléctrico – colada continua. En lugares donde el mercado interno es pequeño, la producción modular de la reducción directa permite adaptar las instalaciones al mercado de modo que la inversión resulte optimizada. En realidad el punto de equilibrio que divide el campo de utilización de la reducción directa y del alto horno no puede definirse categóricamente pues depende de las condiciones específicas de cada implantación. Las plantas de reducción directa se construyen principalmente en áreas donde el gas reductor y/o los y acimientos de alta ley ofrecen una amplia disponibilidad. Como el hierro esponja se procesa fundamentalmente en hornos eléctricos, la energía eléctrica debe ser abundante y barata. Los países productores de petróleo donde actualmente se está venteando el gas por características del tipo de yacimiento o por disponibilidad parecerían los lugares más adecuados para la instalación de plantas de reducción directa basadas en hornos de cuba. Donde existen depósitos de carbón no coquizables, es posible la utilización de hornos rotativos. No se puede realizar realmente una clasificación en orden de méritos de los distintos procesos de reducción directa, aún cuando de la descripción realizada surgen algunas características que los hacen más adaptables a circunstancias locales.
METALURGIA III
BIBLIOGRAFIA: http://es.scribd.com/doc/94905533/Alto-Horno http://es.scribd.com/doc/85503946/El-Alto-Horno-de-Fierro http://es.scribd.com/doc/2469721/Reduccion-directa http://es.scribd.com/doc/211783885/Reduccion-directa http://es.scribd.com/doc/89258140/Proceso-de-Reduccion-Directa http://es.scribd.com/doc/139046467/Hornosindustriales-Reduccion-Directa
