El proceso de alto horno (alto horno) es el proceso de producción de hierro en un alto horno [1] [2] .
Es una combinación de una serie de fenómenos físicos y químicos independientes , que incluyen los procesos de reducción de óxidos y compuestos complejos, descomposición de hidratos y sales, combustión de combustibles sólidos, líquidos y gaseosos, reacciones químicas en fase sólida y heterogéneas, calor transferencia, movimiento de componentes sólidos, líquidos y gaseosos, etc. [uno]
En la antigüedad, el hierro se fundía en pozos: fraguas , se recubría con arcilla o se recubría con piedra. Se cargaba leña y carbón en la fragua . Se bombeaba aire a través de un agujero en la parte inferior de la fragua con la ayuda de fuelles de cuero. El mineral de hierro triturado se vertió sobre una mezcla de carbón vegetal y leña . La combustión de leña y carbón se realizaba de forma intensiva, se alcanzaba una temperatura relativamente alta en el interior del hogar. Debido a la interacción del carbón y el monóxido de carbono CO con los óxidos de hierro del mineral, el hierro se redujo y se acumuló en el fondo del hogar en forma de piezas pastosas contaminadas con cenizas y escorias . Ese hierro se llamaba hierro en bruto. Era necesario eliminar las impurezas antes de proceder con la fabricación de productos. El metal calentado fue forjado y los restos de escoria, impurezas, etc. Este método existió hasta los siglos XII-XIII. Cuando comenzaron a utilizar la energía del agua que caía y pusieron las pieles en movimiento mecánicamente, fue posible aumentar el volumen de aire suministrado al horno. La fragua se hizo más grande, sus paredes brotaron de la tierra, se convirtió en el prototipo de un alto horno: una domnitsa. Domnitsa tenía una altura de varios metros y se estrechaba hacia arriba. Al principio eran cuadrados, luego se volvieron redondos. El aire se suministró a través de varias toberas . En la parte inferior de la casa había un agujero cubierto con arcilla, a través del cual, después de que se completó la fusión, se sacó el hierro terminado. Mejorando la tecnología de fundición, el revestimiento de las paredes de la casa con piedra refractaria natural permitió aumentar significativamente la temperatura en el hogar. En el fondo del horno, se formó una aleación líquida de hierro y carbono: hierro fundido. Al principio, el hierro fundido se consideraba un desperdicio de producción, ya que era quebradizo. Más tarde, se notó que el hierro fundido tiene buenas propiedades de fundición , y de él se fundieron cañones, balas de cañón y decoraciones arquitectónicas [3] .
A principios del siglo XIV. aprendieron cómo obtener hierro maleable del hierro fundido, apareció un método de producción de metal en dos etapas. Se fundieron piezas de hierro fundido en pequeños crisoles - fraguas, en las que era posible obtener altas temperaturas y crear condiciones oxidantes en el área de la tobera. Gracias a la oxidación, la mayor parte del carbono , el manganeso y el silicio se quemaron del hierro fundido . En el fondo del crisol, se recogió una capa de masa de hierro: floración . La masa estaba contaminada con residuos de escoria. Se sacaba del crisol con tenazas o una palanca y, cuando se calentaba, se forjaba para extruir impurezas y soldar en una pieza resistente. Tales cuernos se llamaban gritos. Eran más productivos que los soplados en bruto y producían metal de mayor calidad. Por lo tanto, con el tiempo, se suspendió la producción de hierro en bruto. Era más rentable obtener hierro de hierro fundido que directamente del mineral. A medida que mejoró la calidad del hierro, también lo hizo su demanda en la agricultura, los asuntos militares, la construcción y la industria. La producción de arrabio aumentó, los altos hornos aumentaron de tamaño y se convirtieron gradualmente en altos hornos. En el siglo XIV, la altura de los altos hornos alcanzaba los 8 m [4] .
El desarrollo acelerado de la metalurgia se inició tras la sustitución del carbón vegetal por el coque . La deforestación por carbón llevó al hecho de que ya en el siglo XV. en Inglaterra estaba prohibido usar carbón vegetal en la metalurgia. El uso de coque no solo resolvió el problema del combustible, sino que también favoreció el crecimiento de la productividad de los altos hornos. Debido a la mayor resistencia y al buen poder calorífico del coque, fue posible aumentar el diámetro y la altura de los hornos. En 1828, se emitió una patente para el uso de aire caliente en altos hornos. Esta medida permitió reducir significativamente el consumo de coque, aumentar la productividad y la temperatura en el hogar de los hornos [5] .
El coque , el sinterizado , los gránulos , el mineral y la piedra caliza se utilizan como materiales de carga para la fundición en altos hornos . Los materiales de carga se cargan en el alto horno en piezas de 40 a 60 mm de tamaño. Al utilizar piezas de gran tamaño, aumenta la duración de los procesos de recuperación y fundente . Pequeñas piezas obstruyen los conductos de gas y perturban el descenso uniforme de los materiales en el alto horno. Trozos de coque, el aglomerado debe ser fuerte, resistir bien la abrasión. Bajo el peso de la columna de carga en la cuba del alto horno, los materiales frágiles se convierten en finos y polvo, que obstruyen los pasajes entre piezas grandes, empeorando la permeabilidad a los gases de la columna de carga. El coque y el sinterizado deben tener suficiente porosidad; esto acelera la combustión del combustible y la reducción de los óxidos de hierro. En los materiales a cargo, el contenido de impurezas nocivas debe ser mínimo: fósforo, azufre, arsénico, plomo, etc., que pasan a la composición del hierro fundido y del hierro fundido durante su procesamiento al acero . Estas impurezas afectan negativamente a las propiedades del metal acabado [6] [7] .
Además, todos los materiales de carga deben tener una composición química uniforme, por ejemplo, un contenido constante de hierro en el sinterizado, cenizas en el coque, cal en la piedra caliza, etc. Las fluctuaciones en la composición química interrumpen el funcionamiento normal del alto horno y conducen a un mayor consumo específico de materiales. Ceteris paribus, la productividad de un alto horno aumenta con el aumento del contenido de hierro en la materia prima [8] .
La operación inicial, que es el inicio de una campaña de alto horno, se denomina soplado . Además, durante el curso normal del alto horno, como resultado de la combustión de combustible y coque, se crean altas temperaturas que son necesarias para los procesos de reducción de óxidos de hierro y la formación de hierro líquido. Además del hierro fundido, en el alto horno se forman escoria líquida y gas de alto horno, residuos de producción asociados. Los materiales de carga se cargan en el horno periódicamente, su tiempo de residencia en el horno es de 5 a 8 horas. A medida que se libera espacio en la parte inferior del horno como resultado de la combustión del coque y la fusión del mineral de hierro, la columna de carga desciende, calentándose gradualmente a partir de los gases ascendentes [9] .
En realidad, el funcionamiento de un alto horno comienza desde el momento en que se enciende el combustible en él. El proceso de combustión de combustible en un alto horno tiene lugar en espacios esféricos frente a las toberas de aire en los llamados hogares de toberas y es uno de los componentes necesarios más importantes del proceso de alto horno. El chorro de aire caliente a una temperatura de 1000–1200°C se alimenta a través de las toberas del alto horno. Directamente en frente de las toberas del horno, se quema coque y se forman zonas de oxidación. El coque en estas zonas se quema en suspensión. Se forma una cavidad cerca de las toberas, en la que tiene lugar el movimiento de vórtice de los gases, lo que conduce a la circulación de grumos de coque. Los pedazos de coque son transportados por corrientes de aire desde las toberas, y otros pedazos de coque calentados a 1500 ° C caen en su lugar y se queman aquí. Durante la combustión se desarrollan temperaturas de hasta 2000°C. La profundidad de la zona alcanza los 1500 mm. Alrededor de la zona de circulación hay un área en fase gaseosa que contiene CO2 . El espacio frente a las toberas, en el que el carbono del coque es oxidado por la explosión de oxígeno y CO 2 , se denomina zona de oxidación. A medida que se aleja de las toberas, en condiciones de alta temperatura y exceso de carbono, el CO 2 interactúa con el carbono y se reduce a CO. Si aumenta la presión del chorro, aumenta la temperatura y el contenido de oxígeno en el aire, el tamaño de la zona de oxidación disminuirá. La combustión del coque se produce en la superficie de las piezas como consecuencia del contacto con los gases oxidantes [10] . La reacción de combustión global está representada por la ecuación
2C + O2 = 2CO - 220500 J [11] .
El proceso de combustión del combustible realiza las siguientes funciones en un alto horno:
Generación de la abrumadora cantidad de calor liberado en el volumen del alto horno, que se gasta en:
Generación de gas reductor cuyos componentes son CO y H 2 y que realiza todo el trabajo de reducción de óxidos de hierro superiores en la cuba del alto horno a wustita y el trabajo principal de reducción de wustita a hierro en procesos de reducción heterogéneos .
Liberar espacio en la solera del horno , donde caen nuevas porciones de coque, asegurando así el movimiento continuo de todos los materiales de carga de arriba hacia abajo.
Oxidación parcial de elementos de hierro fundido por chorro de oxígeno , una parte significativa de las gotas que fluye desde la zona de cohesión a través de las zonas de tobera y se lanza al límite opuesto de la zona de tobera. Las gotas de escoria que descienden desde la zona de fusión por encima de las zonas de toberas también se descartan aquí. Los óxidos metálicos formados durante la oxidación de los elementos de hierro fundido pasan a la escoria y luego son total o parcialmente reducidos por el carbón de la tobera de coque o el silicio de hierro fundido [12] .
La combustión de carbón combustible en las cámaras de tobera de un alto horno es fundamentalmente diferente de la combustión de combustible en cualquier otro horno por la presencia de una densa capa de coque (coke totterman o boquilla de coque) alrededor de las cámaras de tobera con una temperatura de al menos 1300 °C, a la cual los comburentes resultantes de la combustión del combustible a alta velocidad son recuperados por el carbón de coque de una tobera de coque [13] [14] .
El contenido de humedad físicamente adsorbida o higroscópica en aglomerados y gránulos depende del clima, la estación y varía de 0,2 a 0,5 a 1 a 2 %, en coque (apagado húmedo) de 1 a 4 %, en mineral de manganeso a veces de 5 % y más. La temperatura en la parte superior del alto horno, donde entran los componentes de la carga, es de 200 a 400 °C, es decir, mucho más alta que el punto de ebullición del agua. Por lo tanto, la evaporación de la humedad higroscópica y la eliminación del vapor comienzan en los horizontes superiores del horno inmediatamente después de calentar las piezas de carga a la temperatura de la parte superior. El agua hidratada puede ingresar al alto horno con minerales de hierro marrón o minerales que contienen agua hidratada en ganga. Dado que casi el 100 % de la materia prima para los altos hornos se trata térmicamente, la humedad hidratada puede despreciarse [1] [15] .
La proporción de carbonatos que ingresan a la carga del alto horno con minerales de hierro (FeCO 3 ) y manganeso (MnCO 3 ) es pequeña. De gran importancia son los aditivos de fundente para la carga - piedra caliza o dolomita (CaCO 3 , CaCO 3 •MgCO 3 ). En un alto horno, la descomposición de los carbonatos procede según las siguientes reacciones:
Los principales agentes reductores en el proceso de alto horno son el carbono , el monóxido de carbono y el hidrógeno . Los elementos que ingresan al alto horno con la carga, dependiendo de sus transformaciones bajo las condiciones de fundición del alto horno, se pueden dividir en recuperables casi en su totalidad (Fe, Ni, Co, Pb, Cu, P, Zn); parcialmente recuperable (Si, Mn, Cr, V, Ti); sin reducción (Ca, Mg, Al, Ba) [17] [18] .
La reducción de óxidos de hierro con gases en un alto horno procede según las siguientes reacciones:
Aparece hierro metálico en la parte inferior del eje del horno y vapor. A medida que los materiales descienden en el alto horno y se calientan más, el hierro disuelve el carbono en cantidades cada vez mayores. Al mismo tiempo, su punto de fusión disminuye, el metal se derrite y fluye hacia el horno en forma de gotas. La composición final del hierro fundido se forma en el hogar del horno [20] .
Hay 4 etapas de carburación de hierro en un alto horno moderno.
La primera etapa es la precipitación de carbón negro sobre la superficie de hierro recién reducido según las reacciones (t = 400–1000 °C):
Todos los factores que contribuyen a que se produzcan estas reacciones provocan un aumento del contenido de carbono en la fundición (aumento de la presión en el horno, alta reducibilidad de la carga , aumento de la basicidad, aumento del contenido de hidrógeno en la fase gaseosa, etc.). ). La segunda etapa está relacionada con la primera y se caracteriza por la difusión de carbón negro en la masa de hierro metálico (950–1150 °C):
La tercera etapa es la fusión de un metal con un contenido de aproximadamente 2% C a una temperatura superior a 1150 °C y el goteo de gotas a lo largo de la boquilla de coque con la disolución del carbón de coque en el metal:
La cuarta etapa es el proceso que tiene lugar en la fragua. Aquí, por un lado, continúa la disolución del carbón de coque en el metal líquido, y por otro lado, la oxidación del carbón de hierro fundido en las soleras de tobera (debido al tamaño del horno) [21] [22] .
La composición de la escoria formada en el alto horno depende de muchos factores (la composición mineralógica y granulométrica de la carga, el régimen de temperatura de fusión). El proceso de formación de escoria difiere significativamente cuando se opera un horno con la adición de piedra caliza y cuando se opera en un sinterizado fundente. Lo normal para la escoria de alto horno es la basicidad igual a 1,0 [23] .
La escoria primaria de alto horno puede contener fayalita , wollastonita , gehlenita . En la mitad inferior de la mina o en la sala de vapor, la escoria primaria se ablanda y se funde. La posición de la zona de formación de escoria primaria en el horno depende de la composición de la escoria y de la distribución de temperatura a lo largo de la altura del horno. Lo más difícil en la operación del horno es la fusión de mineral difícil de recuperar con roca estéril de bajo punto de fusión, cuando se agrega una cantidad significativa de óxidos de hierro a la escoria primaria que ya se encuentra en el medio de la mina. La recuperación de hierro de la escoria es difícil. Una parte importante del hierro se recupera en este caso de forma directa, lo que conduce a un consumo excesivo de coque. La fusión prematura de la escoria primaria empeora la permeabilidad a los gases de la columna de carga en el horno, ya que la mayor parte del horno está lleno de masas semifundidas (como masa), que presentan una resistencia significativa al paso de gases [24] .
Durante la fundición de materias primas de titanomagnetita (por ejemplo, sinterizado y gránulos de Kachkanar GOK [25] ), cantidades significativas de compuestos de titanio pasan a la escoria . Al mismo tiempo, en la solera de un alto horno, en la masa de escoria líquida que contiene titanio, se encuentran las partículas sólidas más pequeñas de ilmenita y carburo de titanio que no han tenido tiempo de recuperarse . La presencia de partículas sólidas aumenta considerablemente la viscosidad de la escoria, lo que dificulta su liberación del horno [26] .
La escoria de alto horno se utiliza a menudo como materia prima principal para la extracción de componentes valiosos [27] .
Los altos hornos fundieron la mayor parte del metal primario (en 2002, más del 95%). El proceso de dominio ha sido históricamente criticado. Recién en la segunda mitad del siglo XX hubo al menos dos oleadas de críticas que vaticinaban la desaparición de la producción en altos hornos como redistribución metalúrgica independiente . En la década de 1960, esto se debió a la participación de los campos de petróleo y gas más grandes de la economía mundial . Según las previsiones de muchos expertos de la época, la proporción de metal primario obtenido por nuevos métodos alternativos de producción en altos hornos debería haber alcanzado el 40% para el año 2000. La segunda ola de críticas se remonta a la década de 1980. Esto se debió al punto de vista del impacto negativo de la metalurgia en el medio ambiente. Solo después de la aparición en la prensa periódica de publicaciones analíticas serias sobre el papel de varios sectores de la economía nacional en el cambio del estado del medio ambiente natural, la actitud hacia la industria metalúrgica cambió para mejor [30] .
En el siglo XX, el esquema tradicional de obtención de metales ferrosos (preparación de materias primas - producción en altos hornos - obtención de acero en convertidores ) dominaba absolutamente la industria mundial. En la década de 1990, la producción mundial anual de arrabio se mantuvo en el nivel de 550-650 millones de toneladas, la producción mundial de mineral de hierro - 960-980 millones de toneladas, gránulos - 230-240 millones de toneladas. Confiar en el esquema metalúrgico tradicional también es característico de los países que están desarrollando rápidamente la industria metalúrgica ( Taiwán , la República de Corea , etc.). La participación de estos países en la producción mundial de metales ferrosos a principios de la década de 2000 alcanzó el 20%. En 1990, el 12,5% de la producción mundial total de hierro se encontraba en altos hornos con una vida útil inferior a 10 años [31] .
El proceso de alto horno es uno de los pocos procesos industriales que ha conservado su esencia y significado en todas las revoluciones técnicas . El principio de contracorriente del proceso llevado a cabo en una unidad de tipo eje cerrado asegura la máxima utilización de la energía de entrada en el proceso mismo y la facilidad de uso de los productos descargados. En los altos hornos modernos, el potencial de reducción de los gases de escape se aproxima al límite termodinámico y la temperatura del gas superior se vuelve inferior a 100 °C. La presencia de un empaque de carbón proporciona una característica única, solo para un alto horno, de combinar en una unidad tres estados de fase de la carga (sólido, líquido y ablandado), que está en contracorriente con el flujo de gas. Al mismo tiempo, el proceso de fusión en las unidades modernas se caracteriza por una alta estabilidad en el funcionamiento continuo a largo plazo. Esto se ha logrado mediante un largo desarrollo evolutivo del proceso con la consolidación de las ventajas inherentes a la mina contracorriente. Los resultados de la evolución se expresaron en la formación de propiedades únicas de un alto horno, que aseguran un flujo estable de procesos a su alta eficiencia [32] .
El desarrollo evolutivo del proceso de alto horno sigue el camino de la reducción del consumo de coque. Los altos hornos que funcionan con tecnologías modernas en carga preparada con baja demanda de calor tienen un consumo total de energía en el rango de 480 a 500 kg/t. El consumo de coque en trozos en este caso es inferior a 300 kg/t, el resto del combustible está representado por coque subestándar cargado desde arriba, combustible pulverizado , fuel oil o gas natural soplado en la solera de un alto horno. Los cálculos teóricos muestran que el consumo total de energía se puede aumentar a 350-400 kg/t [33] .
Los indicadores de desempeño más importantes de los altos hornos son la productividad diaria promedio y el consumo de coque por unidad de arrabio fundido. La productividad máxima de los altos hornos que utilizan métodos de intensificación del proceso de fundición es de 12.000 t/día, y el consumo específico de coque en los mejores hornos es de 0,4 t/t de arrabio. Para una evaluación comparativa de la productividad de los altos hornos, se utiliza el factor de utilización del volumen útil del horno (KIPO), que es la relación entre el volumen útil del horno y su productividad diaria promedio. En la década de 2000, la tasa de utilización de volumen récord fue de 0,35 m3 × t / día [34] .
Las principales direcciones del progreso técnico en la producción de altos hornos son la mejora de la preparación de materias primas, la mejora de la tecnología del proceso de alto horno, la construcción de altos hornos de alta capacidad, la mecanización y automatización del control de el proceso de alto horno. Seleccione las siguientes áreas principales de control automático:
La introducción de sistemas de estabilización locales para parámetros individuales del proceso de alto horno fue una de las primeras etapas en la automatización de la producción de alto horno. Un sistema local para estabilizar el caudal, la temperatura y la humedad del chorro caliente, la presión del gas superior, el calentamiento de los aerotermos permite aumentar la productividad de los altos hornos y reducir el consumo de coque. Y la introducción de sistemas de control automático para el suministro de carga, la distribución de aire caliente y gas natural a través de las toberas de un alto horno, la transferencia automática y el control del calentamiento de los calentadores de aire, por regla general, da un efecto económico adicional [ 36] .
Los sistemas de control automático para modos individuales de operación de un alto horno se denominan sistemas de control local o subsistemas de control integrado. La entrada de dichos sistemas recibe información que caracteriza el modo correspondiente, y la salida del sistema es el control de los sistemas estabilizadores locales que sirven a este conjunto de parámetros. Los principales sistemas de control local del proceso de alto horno son:
| metalurgia ferrosa | ||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Conceptos generales metales negros Aleación Trabajos de hierro y acero Complejo metalúrgico Historia de la producción y uso del hierro. | ||||||||||||
Procesos centrales |
| |||||||||||
Unidades principales |
| |||||||||||
| Principales productos y materiales . |
| |||||||||||