Alto horno

Un alto horno es un tipo de horno metalúrgico utilizado en la fundición para producir metales industriales, generalmente arrabio, pero también otros como el plomo o el cobre. Explosión se refiere al aire de combustión que se suministra por encima de la presión atmosférica.

En un alto horno, el combustible (coque), los minerales y el fundente (piedra caliza) se suministran continuamente a través de la parte superior del horno, mientras que una ráfaga de aire caliente (a veces con oxígeno enriquecido) se inyecta en la sección inferior del horno. horno a través de una serie de tubos llamados toberas, de modo que las reacciones químicas tienen lugar en todo el horno a medida que el material cae hacia abajo. Los productos finales suelen ser fases de metal fundido y escoria extraídas del fondo, y gases residuales (gases de combustión) que salen por la parte superior del horno. El flujo descendente del mineral junto con el flujo en contacto con un flujo ascendente de gases de combustión calientes ricos en monóxido de carbono es un proceso de intercambio y reacción química a contracorriente.

Por el contrario, los hornos de aire (como los hornos de reverbero) son de aspiración natural, generalmente por la convección de gases calientes en un conducto de chimenea. De acuerdo con esta definición amplia, las plantas de fundición para hierro, las casas de soplado para estaño y los molinos de fundición para plomo se clasificarían como altos hornos. Sin embargo, el término generalmente se ha limitado a los que se usan para fundir mineral de hierro para producir arrabio, un material intermedio que se usa en la producción de hierro y acero comercial, y los hornos de cuba que se usan en combinación con plantas de sinterización en la fundición de metales básicos.

Se estima que los altos hornos fueron responsables de más del 4 % de las emisiones globales de gases de efecto invernadero entre 1900 y 2015, pero son difíciles de descarbonizar.

Ingeniería de procesos y química

Los altos hornos funcionan según el principio de reducción química mediante el cual el monóxido de carbono convierte los óxidos de hierro en hierro elemental. Los altos hornos difieren de los hornos de reverbero y de los hornos en que en un alto horno, el gas de combustión está en contacto directo con el mineral y el hierro, lo que permite que el monóxido de carbono se difunda en el mineral y reduzca el óxido de hierro. El alto horno opera como un proceso de intercambio a contracorriente mientras que un bloomery no lo hace. Otra diferencia es que los bloomeries funcionan como un proceso por lotes, mientras que los altos hornos funcionan de forma continua durante períodos prolongados. También se prefiere la operación continua porque los altos hornos son difíciles de arrancar y detener. Además, el carbono del arrabio reduce el punto de fusión por debajo del del acero o del hierro puro; por el contrario, el hierro no se derrite en un florecimiento.

Se debe eliminar la sílice del arrabio. Reacciona con el óxido de calcio (piedra caliza quemada) y forma silicatos, que flotan en la superficie del arrabio fundido como escoria. Históricamente, para evitar la contaminación por azufre, el hierro de mejor calidad se producía con carbón vegetal.

La columna descendente de mineral, fundente, coque o carbón vegetal y los productos de reacción debe ser lo suficientemente porosa para que pase el gas de combustión. Para asegurar esta permeabilidad, el tamaño de partícula del coque o carbón vegetal es de gran relevancia. Por lo tanto, el coque debe ser lo suficientemente fuerte para que no sea aplastado por el peso del material que se encuentra sobre él. Además de la fuerza física de sus partículas, el coque también debe ser bajo en azufre, fósforo y cenizas.

La principal reacción química que produce el hierro fundido es:

Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂

Esta reacción se puede dividir en varios pasos, siendo el primero que el aire precalentado que se sopla en el horno reacciona con el carbón en forma de coque para producir monóxido de carbono y calor:

2 C_s) + O_{2 g)} → 2 CO_g)

El monóxido de carbono caliente es el agente reductor del mineral de hierro y reacciona con el óxido de hierro para producir hierro fundido y dióxido de carbono. Dependiendo de la temperatura en las diferentes partes del horno (más caliente en la parte inferior) el hierro se reduce en varios pasos. En la parte superior, donde la temperatura suele oscilar entre 200 °C y 700 °C, el óxido de hierro se reduce parcialmente a óxido de hierro (II, III), Fe₃O₄ .

3 Fe₂O_{3 s)} + CO_g) → 2 Fe₃O_{4 s)} + CO_{2 g)}

Las temperaturas 850 °C, más abajo en el horno, el hierro (II, III) se reduce aún más a óxido de hierro (II):

Fe₃O_{4 s)} + CO_g) → 3 FeO_s) + CO_{2 g)}

El dióxido de carbono caliente, el monóxido de carbono sin reaccionar y el nitrógeno del aire pasan a través del horno a medida que el material de alimentación fresco desciende hacia la zona de reacción. A medida que el material viaja hacia abajo, los gases de contracorriente precalientan la carga de alimentación y descomponen la piedra caliza en óxido de calcio y dióxido de carbono:

CaCO_{3 s)} → CaO_s) + CO_{2 g)}

El óxido de calcio formado por la descomposición reacciona con varias impurezas ácidas en el hierro (especialmente sílice), para formar una escoria fayalítica que es esencialmente silicato de calcio, CaSiO
₃:

SiO₂ + CaO → CaSiO₃

A medida que el óxido de hierro (II) se mueve hacia el área con temperaturas más altas, que alcanzan los 1200 °C, se reduce aún más a hierro metálico:

Feo_s) + CO_g) → Fe_s) + CO_{2 g)}

El dióxido de carbono formado en este proceso se vuelve a reducir a monóxido de carbono por el coque:

C_s) + CO_{2 g)} → 2 CO_g)

El equilibrio dependiente de la temperatura que controla la atmósfera de gas en el horno se denomina reacción de Boudouard:

2CO ⇌ CO₂ + C

El arrabio producido por el alto horno tiene un contenido de carbono relativamente alto de alrededor del 4-5 % y, por lo general, contiene demasiado azufre, lo que lo hace muy frágil y de uso comercial inmediato limitado. Algo de arrabio se usa para hacer hierro fundido. La mayoría del arrabio producido por los altos hornos se somete a un procesamiento adicional para reducir el contenido de carbono y azufre y producir varios grados de acero que se utilizan para materiales de construcción, automóviles, barcos y maquinaria. La desulfuración suele tener lugar durante el transporte del acero líquido a la acería. Esto se hace añadiendo óxido de calcio, que reacciona con el sulfuro de hierro contenido en el arrabio para formar sulfuro de calcio (llamado desulfuración con cal). En otro paso del proceso, la llamada fabricación de acero con oxígeno básico, el carbono se oxida inyectando oxígeno en el arrabio líquido para formar acero bruto.

Aunque la eficiencia de los altos hornos está en constante evolución, el proceso químico dentro del alto horno sigue siendo el mismo. Uno de los mayores inconvenientes de los altos hornos es la inevitable producción de dióxido de carbono, ya que el hierro se reduce a partir de óxidos de hierro por medio del carbono y, a partir de 2016, no existe un sustituto económico: la fabricación de acero es uno de los mayores contribuyentes industriales del CO₂ emisiones en el mundo (ver gases de efecto invernadero). Se están investigando varias alternativas, como los residuos plásticos, la biomasa o el hidrógeno como agente reductor, que pueden reducir sustancialmente las emisiones de carbono. La inyección de, por ejemplo, hidrógeno en los altos hornos puede reducir las emisiones de carbono en un 20 por ciento.

El desafío planteado por las emisiones de gases de efecto invernadero del alto horno se está abordando en un programa europeo en curso llamado ULCOS (Ultra Low CO2 Steelmaking). Se han propuesto e investigado en profundidad varias rutas de proceso nuevas para reducir las emisiones específicas (CO₂ por tonelada de acero) en al menos menos el 50%. Algunos confían en la captura y posterior almacenamiento (CCS) de CO₂, mientras que otros eligen descarbonizar la producción de hierro y acero, al recurriendo al hidrógeno, la electricidad y la biomasa. En un plazo más cercano, se está desarrollando una tecnología que incorpora CCS en el proceso del alto horno y se llama Alto horno de reciclaje de gas superior, con una ampliación a un alto horno de tamaño comercial en marcha.

Historia

Se ha encontrado hierro fundido en China que data del siglo V a. C., pero los altos hornos más antiguos que existen en China datan del siglo I d. C. y en Occidente de la Alta Edad Media. Se extendieron desde la región alrededor de Namur en Valonia (Bélgica) a fines del siglo XV, y se introdujeron en Inglaterra en 1491. El combustible utilizado en estos era invariablemente carbón vegetal. El éxito de la sustitución del carbón vegetal por coque se atribuye ampliamente al inventor inglés Abraham Darby en 1709. La eficiencia del proceso mejoró aún más con la práctica de precalentar el aire de combustión (chorro caliente), patentada por el inventor escocés James Beaumont Neilson en 1828.

China

La evidencia arqueológica muestra que los bloomeries aparecieron en China alrededor del año 800 a. Originalmente, se pensó que los chinos comenzaron a fundir hierro desde el principio, pero esta teoría ha sido desacreditada por el descubrimiento de 'más de diez'. instrumentos de excavación de hierro encontrados en la tumba del duque Jing de Qin (m. 537 a. C.), cuya tumba se encuentra en el condado de Fengxiang, Shaanxi (actualmente existe un museo en el sitio). Sin embargo, no hay evidencia de la floración en China después de la aparición del alto horno y el hierro fundido. En China, los altos hornos producían hierro fundido, que luego se convertía en implementos terminados en un horno de cúpula o se convertía en hierro forjado en un hogar de refinado.

Aunque las herramientas y armas agrícolas de hierro fundido estaban muy extendidas en China en el siglo V a. C., empleando una fuerza de trabajo de más de 200 hombres en fundiciones de hierro desde el siglo III en adelante, los primeros altos hornos construidos se atribuyeron a la dinastía Han en el siglo I. ANUNCIO. Estos primeros hornos tenían paredes de arcilla y usaban minerales que contenían fósforo como fundente. Los altos hornos chinos tenían entre dos y diez metros de altura, según la región. Los más grandes se encontraron en las modernas Sichuan y Guangdong, mientras que el 'enano" se encontraron altos hornos en Dabieshan. En construcción, ambos tienen el mismo nivel de sofisticación tecnológica.

La eficacia de los altos hornos chinos impulsados por humanos y caballos fue mejorada durante este período por el ingeniero Du Shi (c. 31 d. C.), quien aplicó el poder de las ruedas hidráulicas a los fuelles de pistón en la forja de hierro fundido. Los primeros reciprocadores accionados por agua para operar altos hornos se construyeron de acuerdo con la estructura de los reciprocadores accionados por caballos que ya existían. Es decir, el movimiento circular de la rueda, ya sea impulsada por caballos o por agua, se transfirió mediante la combinación de una transmisión por correa, una manivela y una biela, otras bielas y varios ejes, al movimiento recíproco necesario. para operar un fuelle de empuje. Donald Wagner sugiere que la producción temprana de alto horno y hierro fundido evolucionó a partir de hornos utilizados para fundir bronce. Sin embargo, ciertamente, el hierro era esencial para el éxito militar cuando el estado de Qin unificó China (221 a. C.). El uso del alto horno y la cúpula se mantuvo generalizado durante las dinastías Song y Tang. En el siglo XI, la industria del hierro china de la dinastía Song hizo un cambio de recursos del carbón vegetal al coque en la fundición de hierro y acero, evitando la tala de miles de acres de bosques. Esto puede haber sucedido ya en el siglo IV d.C.

La principal ventaja de los primeros altos hornos era la producción a gran escala y hacer que los implementos de hierro estuvieran más disponibles para los campesinos. El hierro fundido es más frágil que el hierro forjado o el acero, lo que requería un refinado adicional y luego cementación o cofusión para producirlo, pero para actividades domésticas como la agricultura era suficiente. Al usar el alto horno, fue posible producir grandes cantidades de herramientas, como rejas de arado, de manera más eficiente que el bloomery. En áreas donde la calidad era importante, como la guerra, se preferían el hierro forjado y el acero. Casi todas las armas del período Han están hechas de hierro forjado o acero, con la excepción de las cabezas de las hachas, muchas de las cuales están hechas de hierro fundido.

Los altos hornos también se utilizaron posteriormente para producir armas de pólvora, como proyectiles de bomba de hierro fundido y cañones de hierro fundido durante la dinastía Song.

Europa medieval

La fragua más simple, conocida como corsa, se usaba antes del advenimiento del cristianismo. Ejemplos de florecimientos mejorados son el Stuckofen, a veces llamado horno de lobo, que se mantuvo hasta principios del siglo XIX. En lugar de usar tiro natural, se bombeó aire mediante un trompe, lo que dio como resultado un hierro de mejor calidad y una mayor capacidad. Este bombeo de aire con fuelles se conoce como chorro de aire frío, y aumenta la eficiencia de combustible de la floración y mejora el rendimiento. También se pueden construir más grandes que los bloomeries de tiro natural.

Altos hornos europeos más antiguos

Los altos hornos más antiguos que se conocen en Occidente se construyeron en Durstel en Suiza, Märkische Sauerland en Alemania y en Lapphyttan en Suecia, donde el complejo estuvo activo entre 1205 y 1300. En Noraskog en la parroquia sueca de Järnboås, se encuentran rastros Se han encontrado incluso altos hornos anteriores, posiblemente de alrededor de 1100. Estos primeros altos hornos, como los ejemplos chinos, eran muy ineficientes en comparación con los que se utilizan en la actualidad. El hierro del complejo Lapphyttan se usó para producir bolas de hierro forjado conocidas como osmonds, y estas se comercializaron internacionalmente; una posible referencia aparece en un tratado con Novgorod de 1203 y varias referencias determinadas en relatos de costumbres inglesas de las décadas de 1250 y 1320. En Westfalia se han identificado otros hornos de los siglos XIII al XV.

La tecnología requerida para los altos hornos puede haber sido transferida desde China o puede haber sido una innovación local. Al-Qazvini en el siglo XIII y otros viajeros notaron posteriormente una industria del hierro en las montañas Alburz al sur del Mar Caspio. Esto está cerca de la ruta de la seda, por lo que es concebible el uso de tecnología derivada de China. Descripciones muy posteriores registran altos hornos de unos tres metros de altura. Como el Varangian Rus' la gente de Escandinavia comerciaba con el Caspio (utilizando su ruta comercial Volga), es posible que la tecnología llegara a Suecia por este medio. Se sabe que los vikingos utilizaron fuelles dobles, lo que aumenta en gran medida el flujo volumétrico de la explosión.

La región del Caspio también puede haber sido la fuente para el diseño del horno en Ferriere, descrito por Filarete, que involucra un fuelle accionado por agua en Semogo en Valdidentro en el norte de Italia en 1226. En un proceso de dos etapas, el hierro fundido se golpeó dos veces al día en el agua, por lo que la granulación.

Contribuciones cistercienses

El Capítulo General de los monjes cistercienses difundió algunos avances tecnológicos por toda Europa. Esto puede haber incluido el alto horno, ya que se sabe que los cistercienses fueron expertos metalúrgicos. Según Jean Gimpel, su alto nivel de tecnología industrial facilitó la difusión de nuevas técnicas: "Cada monasterio tenía una fábrica modelo, a menudo tan grande como la iglesia y a solo unos metros de distancia, y la energía hidráulica impulsaba la maquinaria de las diversas industrias. ubicado en su piso." Los depósitos de mineral de hierro a menudo se donaban a los monjes junto con fraguas para extraer el hierro y, después de un tiempo, los excedentes se ofrecían a la venta. Los cistercienses se convirtieron en los principales productores de hierro en Champaña, Francia, desde mediados del siglo XIII hasta el siglo XVII, y también utilizaron la escoria rica en fosfato de sus hornos como fertilizante agrícola.

Los arqueólogos todavía están descubriendo el alcance de la tecnología cisterciense. En Laskill, una estación remota de la abadía de Rievaulx y el único alto horno medieval identificado hasta ahora en Gran Bretaña, la escoria producida tenía un bajo contenido de hierro. La escoria de otros hornos de la época contenía una concentración sustancial de hierro, mientras que se cree que Laskill produjo hierro fundido de manera bastante eficiente. Su fecha aún no está clara, pero probablemente no sobrevivió hasta la disolución de los monasterios de Enrique VIII a fines de la década de 1530, como un acuerdo (inmediatamente después) sobre los "smythes" con el Conde de Rutland en 1541 se refiere a las floraciones. Sin embargo, finalmente no se ha determinado la vía por la que se extendió el alto horno en la Europa medieval.

Origen y difusión de los primeros altos hornos modernos

Debido al aumento de la demanda de hierro para la fundición de cañones, el alto horno se generalizó en Francia a mediados del siglo XV.

El antepasado directo de los utilizados en Francia e Inglaterra se encontraba en la región de Namur, en lo que hoy es Valonia (Bélgica). Desde allí, se extendieron primero a Pays de Bray en el límite este de Normandía y de allí a Weald of Sussex, donde se construyó el primer horno (llamado Queenstock) en Buxted alrededor de 1491, seguido de uno en Newbridge en Ashdown Forest. en 1496. Permanecieron pocos en número hasta alrededor de 1530, pero muchos se construyeron en las décadas siguientes en Weald, donde la industria del hierro quizás alcanzó su punto máximo alrededor de 1590. La mayor parte del arrabio de estos hornos se llevó a forjas finas para la producción. de barra de hierro.

Los primeros hornos británicos fuera de Weald aparecieron durante la década de 1550, y muchos se construyeron en el resto de ese siglo y en los siguientes. La producción de la industria probablemente alcanzó su punto máximo alrededor de 1620 y fue seguida por un lento declive hasta principios del siglo XVIII. Aparentemente, esto se debió a que era más económico importar hierro de Suecia y de otros lugares que fabricarlo en algunos lugares británicos más remotos. El carbón que estaba económicamente disponible para la industria probablemente se consumía tan rápido como la madera para que creciera.

El primer alto horno de Rusia se inauguró en 1637 cerca de Tula y se llamó Gorodishche Works. El alto horno se extendió desde allí hasta el centro de Rusia y finalmente a los Urales.

Altos hornos de coque

En 1709, en Coalbrookdale en Shropshire, Inglaterra, Abraham Darby comenzó a alimentar un alto horno con coque en lugar de carbón vegetal. La ventaja inicial de la coca era su menor costo, principalmente porque la fabricación de coca requería mucho menos trabajo que cortar árboles y hacer carbón vegetal, pero usar coca también superó la escasez localizada de madera, especialmente en Gran Bretaña y en el continente. El coque de grado metalúrgico soportará un peso mayor que el carbón vegetal, lo que permitirá hornos más grandes. Una desventaja es que el coque contiene más impurezas que el carbón vegetal, y el azufre es especialmente perjudicial para la calidad del hierro. Las impurezas del coque eran un problema mayor antes de que el chorro caliente redujera la cantidad de coque requerida y antes de que las temperaturas del horno fueran lo suficientemente altas como para hacer que la escoria de la piedra caliza fluyera libremente. (La piedra caliza fija el azufre. También se puede agregar manganeso para fijar el azufre).

Al principio, el hierro de coque solo se usaba para trabajos de fundición, fabricación de ollas y otros artículos de hierro fundido. El trabajo de fundición era una rama menor de la industria, pero el hijo de Darby construyó un nuevo horno en las cercanías de Horsehay y comenzó a suministrar a los propietarios de forjas finas arrabio de coque para la producción de barras de hierro. El arrabio de coque era en ese momento más barato de producir que el arrabio de carbón vegetal. El uso de un combustible derivado del carbón en la industria del hierro fue un factor clave en la Revolución Industrial Británica. El alto horno original de Darby ha sido excavado arqueológicamente y se puede ver in situ en Coalbrookdale, parte de los Museos Ironbridge Gorge. El hierro fundido del horno se usó para fabricar vigas para el primer puente de hierro fundido del mundo en 1779. El Puente de Hierro cruza el río Severn en Coalbrookdale y sigue en uso para los peatones.

Explosión a vapor

La máquina de vapor se aplicó para impulsar el aire comprimido, superando la escasez de energía hidráulica en áreas donde se encontraban carbón y mineral de hierro. Esto se hizo por primera vez en Coalbrookdale, donde una máquina de vapor reemplazó una bomba impulsada por caballos en 1742. Tales máquinas se usaron para bombear agua a un depósito sobre el horno. Los primeros motores utilizados para soplar cilindros directamente fueron suministrados por Boulton y Watt a New Willey Furnace de John Wilkinson. Esto impulsó un cilindro de soplado de hierro fundido, que había sido inventado por su padre Isaac Wilkinson. Patentó tales cilindros en 1736, para reemplazar los fuelles de cuero, que se desgastaban rápidamente. Isaac recibió una segunda patente, también para cilindros de soplado, en 1757. La máquina de vapor y el cilindro de soplado de hierro fundido llevaron a un gran aumento en la producción británica de hierro a fines del siglo XVIII.

Explosión caliente

El chorro caliente fue el avance más importante en la eficiencia del combustible del alto horno y fue una de las tecnologías más importantes desarrolladas durante la Revolución Industrial. El chorro caliente fue patentado por James Beaumont Neilson en Wilsontown Ironworks en Escocia en 1828. A los pocos años de su introducción, el chorro caliente se desarrolló hasta el punto en que el consumo de combustible se redujo en un tercio usando coque o dos tercios usando carbón, mientras que la capacidad del horno también se incrementó significativamente. En unas pocas décadas, la práctica era tener una "estufa" tan grande como el horno contiguo al que se dirigía y quemaba el gas residual (que contenía CO) del horno. El calor resultante se utilizó para precalentar el aire que se insuflaba en el horno.

La explosión en caliente permitió el uso de carbón de antracita en bruto, que era difícil de encender, en el alto horno. La antracita fue probada con éxito por primera vez por George Crane en Ynyscedwyn Ironworks en el sur de Gales en 1837. Fue adoptada en Estados Unidos por Lehigh Crane Iron Company en Catasauqua, Pensilvania, en 1839. El uso de antracita disminuyó cuando se construyeron altos hornos de muy alta capacidad que requerían coque. en la década de 1870.

Aplicaciones modernas del alto horno

Altos hornos de hierro

El alto horno sigue siendo una parte importante de la producción moderna de hierro. Los calefactores modernos son muy eficientes, incluidas las estufas Cowper para precalentar el aire comprimido y emplean sistemas de recuperación para extraer el calor de los gases calientes que salen del calefactor. La competencia en la industria impulsa tasas de producción más altas. El alto horno más grande del mundo se encuentra en Corea del Sur, con un volumen de unos 6000 m³ (210 000 pies cúbicos). Puede producir alrededor de 5.650.000 toneladas (5.560.000 LT) de hierro al año.

Este es un gran aumento con respecto a los hornos típicos del siglo XVIII, que promediaban alrededor de 360 toneladas (350 toneladas largas; 400 toneladas cortas) por año. Se han desarrollado variaciones del alto horno, como el alto horno eléctrico sueco, en países que no tienen recursos de carbón nativo.

Según Global Energy Monitor, es probable que el alto horno se vuelva obsoleto para cumplir con los objetivos del cambio climático de reducir las emisiones de dióxido de carbono, pero BHP no está de acuerdo. Es probable que tenga éxito un proceso alternativo que involucre hierro de reducción directa, pero también necesita usar un alto horno para fundir el hierro y eliminar la ganga (impurezas) a menos que el mineral sea de muy alta calidad.

Alto horno de oxígeno

El proceso de alto horno de oxígeno (OBF) ha sido ampliamente estudiado teóricamente debido a los potenciales prometedores de conservación de energía y CO₂reducción de emisiones. Este tipo puede ser el más adecuado para usar con CCS. El alto horno principal dispone de tres niveles; la zona de reducción (523–973 K (250–700 °C; 482–1292 °F)), la zona de formación de escoria (1073–1273 K (800–1000 °C; 1472–1832 °F)) y la zona de combustión (1773–1873 K (1500–1600 °C; 2732–2912 °F)).

Actualmente, los altos hornos rara vez se utilizan en la fundición de cobre, pero los altos hornos modernos de fundición de plomo son mucho más cortos que los altos hornos de hierro y tienen forma rectangular. Los altos hornos de plomo modernos se construyen con camisas de acero o cobre enfriadas por agua para las paredes y no tienen revestimientos refractarios en las paredes laterales. La base del horno es una solera de material refractario (ladrillos o refractario moldeable). Los altos hornos de plomo a menudo tienen la parte superior abierta en lugar de tener la campana de carga que se usa en los altos hornos de hierro.

El alto horno que se usa en la fundición de plomo de Nyrstar Port Pirie se diferencia de la mayoría de los otros altos hornos de plomo en que tiene una fila doble de toberas en lugar de la fila única que se usa normalmente. El eje inferior del horno tiene forma de silla, siendo la parte inferior del eje más estrecha que la superior. La fila inferior de toberas está ubicada en la parte estrecha del eje. Esto permite que la parte superior del eje sea más ancha que la estándar.

Altos hornos de zinc

Los altos hornos utilizados en el proceso de fundición imperial ("ISP") se desarrollaron a partir del alto horno de plomo estándar, pero están completamente sellados. Esto se debe a que el zinc producido por estos hornos se recupera como metal de la fase de vapor y la presencia de oxígeno en el gas de escape daría como resultado la formación de óxido de zinc.

Los altos hornos utilizados en el ISP tienen un funcionamiento más intenso que los altos hornos de plomo estándar, con mayores índices de soplado de aire por m² de superficie de solera y un mayor consumo de coque.

La producción de zinc con el ISP es más costosa que con las plantas de zinc electrolítico, por lo que varias fundiciones que operan con esta tecnología han cerrado en los últimos años. Sin embargo, los hornos ISP tienen la ventaja de poder tratar concentrados de zinc que contienen niveles más altos de plomo que las plantas electrolíticas de zinc.

Fabricación de lana de roca

La lana de roca o lana de roca es una fibra mineral hilada utilizada como producto aislante y en hidroponía. Se fabrica en un alto horno alimentado con roca diabasa que contiene niveles muy bajos de óxidos metálicos. La escoria resultante se extrae y se centrifuga para formar el producto de lana de roca. También se producen cantidades muy pequeñas de metales que son un subproducto no deseado.

Moderno proceso de hierro

Los hornos modernos están equipados con una variedad de instalaciones de apoyo para aumentar la eficiencia, como patios de almacenamiento de mineral donde se descargan las barcazas. Las materias primas se transfieren al complejo de almacenamiento mediante puentes de mineral o tolvas de ferrocarril y vagones de transferencia de mineral. Carros de báscula montados sobre rieles o tolvas de peso controladas por computadora pesan las diversas materias primas para producir la química deseada de metal caliente y escoria. Las materias primas se llevan a la parte superior del alto horno a través de un carro volquete accionado por cabrestantes o cintas transportadoras.

Hay diferentes formas de cargar las materias primas en el alto horno. Algunos altos hornos utilizan una "campana doble" sistema donde dos "campanas" se utilizan para controlar la entrada de materia prima en el alto horno. El propósito de las dos campanas es minimizar la pérdida de gases calientes en el alto horno. Primero, las materias primas se vacían en la campana superior o pequeña que luego se abre para vaciar la carga en la campana grande. Luego, la campana pequeña se cierra para sellar el alto horno, mientras que la campana grande gira para proporcionar una distribución específica de los materiales antes de dispensar la carga en el alto horno. Un diseño más reciente es usar un "sin campana" sistema. Estos sistemas utilizan varias tolvas para contener cada materia prima, que luego se descarga en el alto horno a través de válvulas. Estas válvulas son más precisas para controlar la cantidad de cada componente que se agrega, en comparación con el sistema de salto o transportador, lo que aumenta la eficiencia del horno. Algunos de estos sistemas sin campana también implementan un conducto de descarga en la garganta del horno (como en la parte superior de Paul Wurth) para controlar con precisión dónde se coloca la carga.

El alto horno de fabricación de hierro en sí está construido en forma de estructura alta, revestido con ladrillo refractario y perfilado para permitir la expansión de los materiales cargados a medida que se calientan durante su descenso, y la subsiguiente reducción de tamaño a medida que comienza a fundirse. ocurrir. El coque, el fundente de piedra caliza y el mineral de hierro (óxido de hierro) se cargan en la parte superior del horno en un orden de llenado preciso que ayuda a controlar el flujo de gas y las reacciones químicas dentro del horno. Cuatro "captaciones" permita que el gas caliente y sucio con alto contenido de monóxido de carbono salga por la garganta del horno, mientras que las "válvulas de purga" proteja la parte superior del horno de aumentos repentinos de presión de gas. Las partículas gruesas de los gases de escape se depositan en el "colector de polvo" y se vierten en un vagón de ferrocarril o camión para su eliminación, mientras que el gas mismo fluye a través de un depurador venturi y/o precipitadores electrostáticos y un enfriador de gas para reducir la temperatura del gas limpio.

La "casa de fundición" en la mitad inferior del horno se encuentra la tubería bulliciosa, las toberas de cobre enfriadas por agua y el equipo para fundir el hierro líquido y la escoria. Una vez que un "taphole" se perfora a través del tapón de arcilla refractaria, el hierro líquido y la escoria fluyen por un canal a través de un "skimmer" apertura, separando el hierro y la escoria. Los altos hornos modernos y más grandes pueden tener hasta cuatro pozos de colada y dos casas de colada. Una vez que se ha colado el arrabio y la escoria, se vuelve a tapar la boca de colada con arcilla refractaria.

Las toberas se utilizan para implementar un chorro caliente, que se utiliza para aumentar la eficiencia del alto horno. El chorro caliente se dirige al horno a través de boquillas de cobre enfriadas por agua llamadas toberas cerca de la base. La temperatura del chorro caliente puede ser de 900 °C a 1300 °C (1600 °F a 2300 °F) según el diseño y la condición de la estufa. Las temperaturas a las que se enfrentan pueden ser de 2000 °C a 2300 °C (3600 °F a 4200 °F). El aceite, el alquitrán, el gas natural, el carbón en polvo y el oxígeno también se pueden inyectar en el horno al nivel de la tobera para combinarse con el coque para liberar energía adicional y aumentar el porcentaje de gases reductores presentes que es necesario para aumentar la productividad.

Los gases de escape de un alto horno generalmente se limpian en el colector de polvo, como un separador inercial, una cámara de filtros o un precipitador electrostático. Cada tipo de colector de polvo tiene fortalezas y debilidades: algunos recolectan partículas finas, algunos partículas gruesas, algunos recolectan partículas cargadas eléctricamente. La limpieza efectiva de los gases de escape depende de múltiples etapas de tratamiento. El calor residual generalmente se recolecta de los gases de escape, por ejemplo, mediante el uso de una estufa Cowper, una variedad de intercambiadores de calor.

El Programa de Investigación y Desarrollo de Gases de Efecto Invernadero de la IEA (IEAGHG) ha demostrado que en una planta siderúrgica integrada, el 70 % del CO ₂ es directamente del gas de alto horno (BFG). Es posible utilizar la tecnología de captura de carbono en el BFG antes de que el BFG se utilice para los procesos de intercambio de calor dentro de la planta. En 2000, el IEAGHG estimó que usar esa absorción química para capturar BFG costaría $35/t de CO₂ (otros $8 –20/t de CO₂ serían necesarios para CO₂ transporte y almacenamiento). Esto encarecería todo el proceso de producción de acero en una planta entre un 15 y un 20 %.

Impacto ambiental

Los resultados mostraron que el potencial de calentamiento global y el potencial de acidificación fueron los impactos ambientales más significativos. De media, la producción de una tonelada de acero emite 1,8 toneladas de CO₂. Sin embargo, una acería que utilice un alto horno de reciclaje de gas superior (TGRBF) que produzca una tonelada de acero emitirá de 0,8 a 1,3 toneladas de CO₂ dependiendo de la tasa de reciclaje del TGRBF.

Altos hornos fuera de servicio como museos

Durante mucho tiempo, era un procedimiento normal demoler un alto horno fuera de servicio y reemplazarlo por uno más nuevo y mejorado, o demoler todo el sitio para dejar espacio para el uso posterior del área. En las últimas décadas, varios países se han dado cuenta del valor de los altos hornos como parte de su historia industrial. En lugar de ser demolidas, las acerías abandonadas se convirtieron en museos o se integraron en parques de usos múltiples. El mayor número de altos hornos históricos conservados existe en Alemania; existen otros sitios similares en España, Francia, la República Checa, Gran Bretaña. Japón, Luxemburgo, Polonia, Rumania, México, Rusia y Estados Unidos.

Galería

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  Hornos de explosión abandonados en Sestao, España. El horno en sí mismo está dentro de la cintura central.

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  Parte del sistema de limpieza de gas de un horno de explosión en Monclova, México. Esta está a punto de ser decomisada y reemplazada.