Alto horno

Alto horno , alto horno  : un gran horno metalúrgico de tipo eje verticalmente ubicado para fundir hierro fundido y ferroaleaciones a partir de mineral de hierro . La característica más importante del proceso de alto horno es su continuidad a lo largo de toda la campaña del horno (desde la construcción del horno hasta su revisión ) y el contraflujo de gases de tobera ascendentes con una columna de materiales que desciende continuamente y crece desde arriba con nuevas porciones. del cargo

Etimología

La palabra "alto horno" se deriva del eslavo antiguo "dmenie" - explosión. En otros idiomas: inglés.  alto horno  - alto horno, eso.  Hochofen  - horno alto, fr.  haut fourneau  - horno alto. ballena. 高炉 (gāolú) - horno alto, croata. Visoka peć  - horno alto.

Debe tenerse en cuenta la diferencia fundamental en el significado de las palabras "domnitsa" y "alto horno": en la domnitsa recibieron (en forma de piezas o grietas ) piezas de hierro en bruto restaurado (de la palabra "en bruto" , es decir, hierro fundido sin calentar, y en el alto horno: hierro líquido.

Historia

Los primeros altos hornos aparecieron en China en el siglo IV [2] . En la Edad Media en Europa, los llamados. Forja catalana , que permitía mecanizar fuelles gracias a un accionamiento hidráulico, lo que contribuía a aumentar la temperatura de fusión. Sin embargo, aún no podría denominarse alto horno debido a sus especiales dimensiones (metro cúbico).

El antecesor inmediato del alto horno fue el stukofen ( horno de ebullición ) [3] , que apareció en el siglo XIII en Estiria . Shtukofen tenía la forma de un cono de 3,5 metros de altura y tenía dos aberturas: para la inyección de aire ( tobera ) y para sacar la flor [4] .

En Europa, los altos hornos aparecieron en Westfalia en la segunda mitad del siglo XV [5] , en Inglaterra los altos hornos comenzaron a construirse en la década de 1490, en el futuro EE. UU. - en 1619 [6] . Esto fue posible gracias a la mecanización. La altura del alto horno alcanzó los 5 metros. En Rusia, el primer alto horno apareció en 1630 ( Tula , Vinius ). en la década de 1730 en las fábricas de los Urales , se construyeron altos hornos cerca de la base de la presa y, a menudo, se colocaron dos unidades sobre la misma base, lo que redujo los costos de construcción y mantenimiento.

En la mayoría de los casos, la ráfaga era suministrada por dos fuelles en forma de cuña , hechos de madera y cuero y accionados por una rueda de llenado de agua , que trabajaba a su vez . Los extremos de las boquillas de ambos fuelles se colocaron en una lanza de hierro fundido sin enfriar de sección transversal rectangular, cuya punta no sobresalía de la mampostería. Se dejaba un espacio entre las boquillas y la lanza para observar la quema del carbón. El caudal de aire alcanzó 12-15 m³/min con una sobrepresión de no más de 1,0 kPa, lo que se debió a la baja resistencia de la piel de las pieles. Los bajos parámetros de explosión limitaron la intensidad de la fusión, el volumen y la altura de los hornos, cuya productividad diaria no superó las 2 toneladas durante mucho tiempo, y el tiempo de residencia de la carga en el horno desde el momento de la carga hasta la formación de el hierro fundido era de 60 a 70 horas.En 1760, J. Smeton inventó un soplador cilíndrico con cilindros de hierro fundido que aumentaba la cantidad de explosión. En Rusia, estas máquinas aparecieron por primera vez en 1788 en la Fábrica Alexander Cannon en Petrozavodsk . En cada horno actuaban 3-4 cilindros de aire, conectados a la rueda hidráulica por medio de una manivela y un engranaje. La cantidad de explosión aumentó a 60-70 m 3 /min [7] .

El alto consumo de carbón vegetal para la producción de hierro provocó la destrucción de los bosques alrededor de las fundiciones de Europa. Por ello, en Gran Bretaña, desde 1584, se introdujo una restricción a la tala para la producción metalúrgica, lo que obligó a este país, rico en carbón, a importar parte del hierro fundido para sus propias necesidades durante dos siglos, primero de Suecia, Francia y España, y luego de Rusia. En la década de 1620, D. Dudley intentó fundir hierro fundido sobre carbón sin preparar, pero sin éxito. Solo en 1735, después de muchos años de experimentos , A. Darby II logró obtener coque de carbón y fundir hierro en él. Desde 1735, el carbón se ha convertido en el principal combustible de los altos hornos (Gran Bretaña, Abraham Darby III ) [8] .

El bajo costo del coque en comparación con el carbón vegetal, su alta resistencia mecánica y la satisfactoria calidad del hierro fundido se convirtieron en la base para la posterior sustitución generalizada de los combustibles fósiles por minerales. Este proceso terminó más rápidamente en Gran Bretaña, donde a principios del siglo XIX casi todos los altos hornos se convirtieron en coque, mientras que en la Europa continental se utilizaron combustibles minerales más tarde [9] .

El 11 de septiembre de 1828, James Beaumont Nielson recibió una patente para el uso de chorro caliente ( patente británica No. 5701) [10] y en 1829 llevó a cabo el calentamiento del chorro en la planta de Clyde en Escocia . El uso de la ráfaga calentada a sólo 150 °C en lugar de la ráfaga fría en un alto horno condujo a una disminución del consumo específico de carbón utilizado en la fundición en alto horno en un 36 %. A Nilsson también se le ocurrió la idea de aumentar el contenido de oxígeno en la explosión. La patente de esta invención pertenece a Henry Bessemer , y la implementación práctica se remonta a la década de 1950, cuando se dominó la producción de oxígeno a escala industrial [11] .

El 19 de mayo de 1857, E. A. Cowper patentó los calentadores de aire ( patente británica n.º 1404) [12] , también llamados regeneradores o cowpers, para la producción en altos hornos, que ahorran una cantidad significativa de coque. La introducción del chorro caliente en las fábricas de los Urales se vio facilitada por la difusión en las décadas de 1860 y 1870 de los altos hornos Rashet , que tenían una solera de sección transversal elíptica o rectangular y estaban equipados con dispositivos de captura para calentar el aire suministrado al horno [13] [14] .

En la segunda mitad del siglo XIX, con el advenimiento y la difusión de las tecnologías siderúrgicas, los requisitos para el hierro fundido se formalizaron más: se dividieron en conversión y fundición, mientras que se establecieron requisitos claros para cada tipo de fabricación de acero, incluida la composición química. El contenido de silicio en las fundiciones se fijó entre 1,5 y 3,5 %. Se dividieron en categorías según el tamaño del grano en la fractura. También había un grado separado de hierro de fundición: "hematita", fundido a partir de minerales con un bajo contenido de fósforo (el contenido en hierro fundido es de hasta 0,1%).

Los arrabios diferían en las etapas de procesamiento. Para la formación de charcos se utilizaba cualquier hierro fundido, mientras que la elección del hierro fundido ( blanco o gris ) dependía de las propiedades del hierro resultante. El hierro fundido gris, rico en manganeso y silicio y que contenía la menor cantidad posible de fósforo , estaba destinado a la besemerización . El método Thomas procesó hierros fundidos blancos con bajo contenido de silicio con un contenido significativo de manganeso y fósforo (1,5–2,5 % para garantizar el equilibrio térmico correcto). El arrabio para la fundición ácida en hogar abierto tenía que contener solo trazas de fósforo, mientras que para el proceso principal los requisitos de contenido de fósforo no eran tan estrictos [15] .

En el curso normal de la fusión, se guiaban por el tipo de escoria , según la cual era posible estimar aproximadamente el contenido de sus cuatro principales óxidos constituyentes (silicio, calcio, aluminio y magnesio) en ella. Las escorias de sílice tienen una fractura vítrea durante la solidificación. La fractura de las escorias ricas en óxido de calcio  es similar a la piedra, el óxido de aluminio hace que la fractura sea similar a la porcelana, bajo la influencia del óxido de magnesio adquiere una estructura cristalina. Escorias silíceas a la salida del tejido y viscosas. La escoria de sílice enriquecida con óxido de aluminio se vuelve más líquida, pero aún puede convertirse en filamentos si contiene al menos un 40-45% de óxido de silicio. Si el contenido de óxidos de calcio y magnesio supera el 50 %, la escoria se vuelve viscosa, no puede fluir en chorros finos y forma una superficie rugosa al solidificarse. La superficie arrugada de la escoria indicaba que la fundición estaba "en caliente"; al mismo tiempo, el silicio se restaura y pasa al hierro fundido, por lo tanto, hay menos óxido de silicio en la escoria. Se produjo una superficie lisa en la fundición de hierro fundido blanco con bajo contenido de silicio. El óxido de aluminio hizo que la superficie de la escoria se desconchara.

El color de la escoria era un indicador del progreso de fusión. La escoria principal con una gran cantidad de óxido de calcio tenía un color gris con un tinte azulado durante la fundición de hierro fundido "negro" de grafito en una fractura. Al pasar a las fundiciones blancas, paulatinamente se tornaba de amarillo a marrón, y con un curso “en bruto”, un contenido significativo de óxidos de hierro lo hacía negro. Las escorias silíceas ácidas bajo las mismas condiciones cambiaron su color de verde a negro. Los tonos del color de la escoria permitieron juzgar la presencia de manganeso, que le da a la escoria ácida un tono amatista, y el principal, verde o amarillo [16] .

Descripción y procesos

El alto horno es un aparato de tipo cuba de funcionamiento continuo. La carga se carga desde arriba a través de un dispositivo de carga estándar, que también es el sello de gas del alto horno. El mineral de hierro rico se restaura en el alto horno (en la etapa actual, las reservas de mineral de hierro rico se han conservado solo en Australia y Brasil ), sinterizado o peletizado . A veces , las briquetas se utilizan como mineral en bruto .

El alto horno consta de cinco elementos estructurales: la parte superior cilíndrica - la parte superior , necesaria para la carga y distribución eficiente de la carga en el horno; la parte cónica de expansión de mayor altura - mina , en la que tienen lugar los procesos de calentamiento de materiales y la reducción de hierro a partir de óxidos; la parte cilíndrica más ancha - vapor , en el que tienen lugar los procesos de ablandamiento y fusión del hierro reducido; hombros parciales cónicos que se estrechan , donde se forma un gas reductor - monóxido de carbono ; solera cilíndrica parcial , que sirve para acumular productos líquidos del proceso de alto horno - fundición y escorias .

En la parte superior del hogar hay lanzas - orificios para el suministro de aire comprimido  calentado a alta temperatura  - aire comprimido enriquecido con oxígeno y combustible de hidrocarburo.

Al nivel de las lanzas se desarrolla una temperatura de unos 2000 °C. A medida que se asciende, la temperatura desciende, y en las cimas llega a los 270°C. Por lo tanto, se establecen diferentes temperaturas en el horno a diferentes alturas, debido a lo cual ocurren varios procesos químicos de transición del mineral al metal .

En la parte superior del hogar , donde el suministro de oxígeno es lo suficientemente alto, el coque se quema para formar dióxido de carbono y liberar una gran cantidad de calor.

El dióxido de carbono , al salir de la zona enriquecida con oxígeno, reacciona con el coque y forma monóxido de carbono  , el principal agente reductor del proceso de alto horno.

Al ascender, el monóxido de carbono interactúa con los óxidos de hierro, quitándoles el oxígeno y reduciéndolos a metal:

El hierro obtenido como resultado de la reacción cae en gotas sobre el coque caliente , se satura con carbono, dando como resultado una aleación que contiene 2,14 - 6,67% de carbono . Tal aleación se llama hierro fundido . Además de carbono , incluye una pequeña proporción de silicio y manganeso . En la cantidad de décimas de un por ciento, la composición del hierro fundido también incluye impurezas nocivas: azufre y fósforo . Además del hierro fundido , se forma escoria y se acumula en el horno , en el que se recogen todas las impurezas nocivas.

Anteriormente , la escoria se extraía a través de un orificio de drenaje de escoria separado . Actualmente, tanto el arrabio como la escoria se extraen a través de un orificio para grifo de hierro fundido al mismo tiempo. La separación del hierro fundido y la escoria se realiza fuera del alto horno, en la tolva, utilizando una placa de separación. El arrabio separado de la escoria entra en las cucharas transportadoras de hierro o cucharas mezcladoras y se saca al taller de fundición de acero oa las máquinas de vertido.

Automatización de la producción en altos hornos

Las principales direcciones de automatización y control en la producción de altos hornos [17] :

• Composición química y propiedades físicas de los materiales de carga.
• Carga de materiales de carga.
• El estado de la zona superior del horno (arriba)
• Estado de la cuba del horno.
• Parámetros de soplado combinados.
• El estado de la zona inferior del horno (fragua)
• Indicadores técnicos y económicos de la fusión.
• Calentadores de aire

Cimentación del horno

Un horno moderno, junto con todas las estructuras y estructuras metálicas, revestimiento (mampostería refractaria) y materiales de carga y productos de fundición contenidos en él, puede tener una masa de más de 30 mil toneladas, esta masa debe transferirse uniformemente al suelo. La parte inferior de la cimentación (suelo) está realizada en forma de losa maciza de hormigón de hasta 4 m de espesor, sobre la que se apoyan las columnas que soportan las estructuras metálicas del horno (carcasa). La parte superior de la base (tocón) es un cilindro monolítico de hormigón refractario, sobre el que se encuentra el hogar del horno.

Hogar de alto horno

La solera de un alto horno es la parte inferior de un alto horno, cilíndrica en su contorno interno y cónica (a veces cilíndrica) en su forma externa. El hogar está equipado con dispositivos para la liberación de hierro fundido y escoria (grifos de hierro fundido y escoria) y dispositivos (toberas) para soplar aire calentado (en cowpers) hasta 1100-1400 ° C, enriquecido con oxígeno hasta 23-25 % El hogar de un alto horno es la parte más crítica de su diseño. Aquí se acumulan hasta 1.000 toneladas y más de productos de fundición fundidos (hierro y escoria). Toda la columna de carga que pesa entre 9 y 12 mil toneladas ejerce presión sobre el fondo del hogar. La presión de los gases del hogar es de 0,4 a 0,5 MPa, y su temperatura en los centros de combustión del coque alcanza los 1700 a 2100 °C. Dentro del hogar, el coque, el arrabio líquido y la escoria, y los gases del horno se mueven y renuevan constantemente. De hecho, este es un poderoso reactor en movimiento continuo. En este sentido, se imponen requisitos estrictos en el diseño del hogar en términos de resistencia, estanqueidad y resistencia al fuego. Los principales elementos estructurales del hogar son una carcasa, enfriadores, un orificio de grifo de hierro fundido y escoria y herramientas de tobera.

Muesca de hierro fundido

Este es un canal rectangular de 250-300 mm de ancho y 450-500 mm de alto. El canal se realiza en la mampostería refractaria del hogar a una altura de 600-1700 mm desde la superficie de la dorada. Los canales para agujeros de escoria se colocan a una altura de 2000-3600 mm. El canal de colada de hierro fundido se cierra con una masa refractaria. Se abre un grifo de hierro fundido perforando un orificio con un diámetro de 50-60 mm con una máquina perforadora. Después de liberar el arrabio y la escoria (en los grandes altos hornos modernos, la liberación del arrabio y la escoria se realiza a través de orificios para grifos de hierro fundido), los orificios se obstruyen con una pistola eléctrica. La punta de la pistola se inserta en el orificio para grifo y se alimenta una masa refractaria del orificio para grifo desde la pistola bajo presión. El orificio del grifo de escoria en un alto horno está protegido por elementos enfriados por agua, que se denominan colectivamente tapones de escoria, y una estructura de palanca accionada neumáticamente por control remoto. Los altos hornos de gran volumen (3200-5500 m 3 ) están equipados con cuatro piqueras de hierro fundido que funcionan alternativamente y una piquera de escoria. La liberación de arrabio y escorias de un alto horno incluye las siguientes operaciones:

1. apertura de un grifo de hierro fundido (si es necesario, también uno de escoria);
2. mantenimiento relacionado directamente con el flujo de hierro y escoria;
3. cierre del grifo de hierro fundido (si la escoria se liberó a través del grifo de escoria, entonces el grifo de escoria);
4. reparación de griferías y canalones.

Calentadores de aire

Los calentadores de aire se han construido en altos hornos desde la invención de E. A. Cowper, es decir, desde 1857. Los calentadores de aire parecen grandes torres ubicadas al lado del alto horno. Desde el alto horno a través de una tubería, una salida de gas, el gas caliente del alto horno ingresa al calentador de aire , que en una cámara especial dentro del calentador de aire se mezcla con el aire que ingresa a través de otra tubería y se quema. El gas aún más caliente resultante pasa a través de una boquilla, una columna hecha de ladrillos con un espacio entre ellos para el paso del gas. Este gas calienta la boquilla y se descarga del calentador de aire a través del tercer tubo. Cuando la boquilla se calienta a la temperatura requerida, se deja entrar aire ordinario sin calentar en el calentador de aire, que, pasando a través de la boquilla, se calienta a una temperatura de más de 1000 ° C y luego va al alto horno para la fundición de hierro. Al mismo tiempo, el relleno se enfría gradualmente y, cuando se ha enfriado lo suficiente, se vuelve a calentar quemando gas superior. De esto se puede ver que el proceso de calentamiento de aire para un alto horno no es continuo, y dado que el hierro se funde constantemente en un alto horno, se construyen varios calentadores de aire con él, mientras que uno de ellos funciona para calentar la boquilla con chimenea. gas del alto horno, el otro trabaja para calentar la boquilla de aire para el alto horno [18] .

• Taganrog. planta metalúrgica

• Alto horno en Duisburg, Alemania

• Toberas de alto horno

• Componentes de una carga de alto horno: pellets, coque, piedra caliza

• Pellets en el patio de mineral del taller de alto horno

• Calentadores de aire y altos hornos NTMZ

En heráldica

El horno de fundición es una rara figura no heráldica , que simboliza la actitud hacia las industrias metalúrgica, de extracción de minerales y de procesamiento de minerales. Utilizado en los escudos de armas de Ekaterimburgo (1783, 1998) y los escudos de armas de Lugansk (1903, 1992), así como en el escudo de armas de Barnaul .

• Escudo de armas de Barnaúl

• Proyecto de escudo de armas de Ekaterimburgo 1862

• Escudo de armas de Luhansk 1903

Notas

1. ↑ Skinder A.I. , Mendeleev D.I. Domain production // Diccionario enciclopédico de Brockhaus y Efron  : en 86 volúmenes (82 volúmenes y 4 adicionales). - San Petersburgo. , 1890-1907.
2. ↑ Increíble historia de los inventos chinos . Consultado el 15 de noviembre de 2016. Archivado desde el original el 16 de noviembre de 2016. (indefinido)
3. ↑ Enigmas de la forja de queso . Consultado el 4 de octubre de 2017. Archivado desde el original el 4 de octubre de 2017. (indefinido)
4. ↑ ALTO HORNO (enlace inaccesible) . Consultado el 14 de octubre de 2017. Archivado desde el original el 14 de octubre de 2017. (indefinido) 
5. ↑ Alto horno . Consultado el 15 de noviembre de 2016. Archivado desde el original el 16 de noviembre de 2016. (indefinido)
6. ↑ Babarykin, 2009 , pág. catorce.
7. ↑ Babarykin, 2009 , pág. quince.
8. ↑ Alto horno de producción de hierro . Consultado el 14 de octubre de 2017. Archivado desde el original el 14 de octubre de 2017. (indefinido)
9. ↑ Babarykin, 2009 , pág. 17
10. ↑ Woodcroft B. Índice de materias (hecho solo a partir de títulos) de patentes de invención, desde el 2 de marzo de 1617 (14 James I.) hasta el 1 de octubre de 1852 (16 Victoriae  ) . - Londres, 1857. - Pág. 347.
11. ↑ Karabasov, 2014 , pág. 73.
12. ↑ Woodcroft B. Índice cronológico de patentes solicitadas y patentes concedidas, para el año  1857 . - Londres: Oficina de Patentes del Gran Sello, 1858. - Pág. 86.
13. ↑ Putilova M. V. . El desarrollo de la producción de alto horno en plantas mineras estatales en los Urales a mediados del siglo XIX. // Cuestiones de la historia de los Urales. - 1980. - Edición. 16: Génesis y desarrollo de las relaciones capitalistas en los Urales. - S. 63-77.
14. ↑ Karabasov, 2014 , pág. 85-87.
15. ↑ Karabasov, 2014 , pág. 93.
16. ↑ Karabasov, 2014 , pág. 94.
17. ↑ Automatización de hornos metalúrgicos / Kaganov V. Yu. [y otros] - M.: Metallurgy, 1975. - p. 255-257
18. ↑ Khodakov Yu. V., Epshtein D. A., Gloriozov P. A. § ​​78. Producción de hierro // Química inorgánica. Libro de texto para el grado 9. - 7ª ed. - M .: Educación , 1976. - S. 159-164. — 2.350.000 ejemplares.

Literatura y fuentes

• Babarykin NN Teoriya i tekhnologiya domennogo protsessa [Teoría y tecnología del proceso de alto horno]. - Magnitogorsk: GOU VPO "MGTU", 2009. - S. 15. - 257 p.
• Karabasov Yu. S. , Chernousov P. I. , Korotchenko N. A. , Golubev O. V. Metalurgia y tiempo: Enciclopedia:en 6 vols.-M EditorialMISiS,V. 6: Metalurgia y sociedad. Influencia mutua y desarrollo. — 224 págs. -1000 copias.  -ISBN 978-5-87623-760-6(vol. 6).
• Diccionario metalúrgico explicativo. Términos básicos / Ed. V. I. Kumanina . — M.: Rus. yaz., 1989. - 446 p. — ISBN 5-200-00797-6 .
• Efimenko G. G., Gimmelfarb A. A., Levchenko V. E. Metalurgia del hierro. - Kyiv.: Escuela Vyscha, 1988. - 352 p.
• Fersman A.E. Geoquímica entretenida. — M.: Detgiz, 1954. — 486 p.
• Ramm A.N. Proceso de dominio moderno. - M. : Metalurgia, 1980. - 303 p.
• Tovarovsky I. G. Alto horno. 2ª edición.- Dnepropetrovsk: "Umbrales", 2009. - 768 p.
• Andronov VN Extracción de metales ferrosos a partir de materias primas naturales y tecnogénicas. proceso de dominio. - Donetsk: Nord-Press, 2009. - 377 p. - ISBN 978-966-380-329-6 .
• Elansky G. N., Linchevsky B. V., Kalmenev A. A. Fundamentos de producción y procesamiento de metales. Moscú 2005

Enlaces

• Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Alto horno

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