Un alto horno es un tipo de horno metalúrgico utilizado para la fundición para producir metales industriales, generalmente arrabio , pero también otros como plomo o cobre . Explosión se refiere al aire de combustión que se suministra por encima de la presión atmosférica . [1]
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 enriquecido con oxígeno ) se sopla hacia la sección inferior del horno a través de un serie de tuberías llamadas toberas , de modo que las reacciones químicas se producen 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 de la parte superior del horno. [2] El flujo descendente del mineral junto con el flujo en contacto con un flujo ascendente de gases de combustión calientes y ricos en monóxido de carbono es un proceso de reacción química e intercambio a contracorriente . [3]
Por el contrario, los hornos de aire (como los hornos de reverbero ) son aspirados naturalmente, generalmente mediante la convección de gases calientes en un conducto de chimenea . Según esta definición amplia, las bombas de hierro, las casas de soplado de estaño y los molinos de fundición para plomo se clasificarían como altos hornos. Sin embargo, el término generalmente se ha limitado a los utilizados para fundir mineral de hierro para producir arrabio , un material intermedio utilizado en la producción de hierro y acero comercial , y los hornos de cuba utilizados en combinación con plantas de sinterización en la fundición de metales básicos . [4] [5]
Se estima que los altos hornos fueron responsables de más del 4% de las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero entre 1900 y 2015, pero son difíciles de descarbonizar. [6]
_(cropped2).jpg/1280px-Geography_of_Ohio_-_DPLA_-_aaba7b3295ff6973b6fd1e23e33cde14_(page_111)_(cropped2).jpg)
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 se diferencian de los floreros y los hornos de reverbero en que, en un alto horno, los gases de combustión están 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 funciona como un proceso de intercambio a contracorriente , mientras que un florero no. Otra diferencia es que los Bloomeries funcionan como un proceso por lotes, mientras que los altos hornos funcionan de forma continua durante largos períodos. También se prefiere el funcionamiento continuo 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 una flor.
Es necesario eliminar la sílice del arrabio. Reacciona con 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 que se mueve hacia abajo de mineral, fundente, coque o carbón vegetal y productos de reacción debe ser lo suficientemente porosa para que pase el gas de combustión. Para asegurar esta permeabilidad es de gran importancia el tamaño de las partículas del coque o del carbón vegetal. Por lo tanto, el coque debe ser lo suficientemente fuerte como para que no sea aplastado por el peso del material que está encima. Además de la fuerza física de sus partículas, el coque también debe tener bajo contenido de azufre, fósforo y cenizas. [7]
La principal reacción química que produce el hierro fundido es:
Esta reacción podría dividirse en varios pasos, siendo el primero que el aire precalentado introducido en el horno reacciona con el carbono en forma de coque para producir monóxido de carbono y calor:
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 (la 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), Fe 3 O 4 .
A temperaturas de 850 °C, más abajo en el horno, el hierro (II, III) se reduce aún más a óxido de hierro (II):
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 a la zona de reacción. A medida que el material viaja hacia abajo, los gases en contracorriente precalientan la carga de alimentación y descomponen la piedra caliza en óxido de calcio y dióxido de carbono:
El óxido de calcio formado por descomposición reacciona con diversas impurezas ácidas del hierro (en particular sílice ), para formar una escoria fayalítica que es esencialmente silicato de calcio , Ca Si O.
3: [8]
A medida que el óxido de hierro (II) desciende a la zona con temperaturas más altas, que alcanzan los 1200 °C, se reduce aún más a hierro metálico:
El dióxido de carbono formado en este proceso se vuelve a reducir a monóxido de carbono por el coque :
El equilibrio dependiente de la temperatura que controla la atmósfera de gas en el horno se llama reacción de Boudouard :
El arrabio producido por el alto horno tiene un contenido de carbono relativamente alto, alrededor del 4-5% y, por lo general, contiene demasiado azufre, lo que lo hace muy quebradizo y de uso comercial inmediato limitado. Parte del arrabio se utiliza para fabricar hierro fundido . La mayor parte del arrabio producido por los altos hornos se somete a un procesamiento adicional para reducir el contenido de carbono y azufre y producir diversos grados de acero utilizados 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 agregando óxido de calcio , que reacciona con el sulfuro de hierro contenido en el arrabio para formar sulfuro de calcio (llamado desulfuración con cal ). [12] En otro paso del proceso, la denominada acería básica con oxígeno , se oxida el carbono soplando oxígeno sobre el arrabio líquido para formar acero bruto .
Aunque la eficiencia de los altos hornos evoluciona constantemente, 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 carbono reduce el hierro a partir de óxidos de hierro y, a partir de 2016, no existe un sustituto económico: la fabricación de acero es uno de los mayores contribuyentes industriales a las emisiones de CO 2 en el mundo. mundo (ver gases de efecto invernadero ). [13] 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. [14] La inyección de, por ejemplo, hidrógeno en los altos hornos puede reducir las emisiones de carbono en un 20 por ciento. [15]
El desafío que plantean las emisiones de gases de efecto invernadero de los altos hornos se está abordando en un debate en curso [ ¿cuándo? ] Programa europeo denominado ULCOS (Ultra Low CO 2 Steelmaking ). [16] Se han propuesto e investigado en profundidad varias rutas de proceso nuevas para reducir las emisiones específicas (CO 2 por tonelada de acero) en al menos un 50%. Algunos dependen de la captura y almacenamiento posterior (CCS) de CO 2 , mientras que otros optan por descarbonizar la producción de hierro y acero, recurriendo al hidrógeno, la electricidad y la biomasa. [17] A corto plazo, se está desarrollando una tecnología que incorpora CAC en el propio proceso del alto horno y se denomina alto horno de reciclaje de gas superior, y está en marcha una ampliación a un alto horno de tamaño comercial. [ necesita actualización ]
Se ha encontrado hierro fundido en China que data del siglo V a. C., pero los altos hornos más antiguos que se conservan en China datan del siglo I d. C. y en Occidente de la Alta Edad Media . [18] Se extendieron desde la región alrededor de Namur en Valonia (Bélgica) a finales del siglo XV y se introdujeron en Inglaterra en 1491. El combustible utilizado en estos era invariablemente carbón vegetal. La exitosa sustitución del carbón por coque se atribuye ampliamente al inventor inglés Abraham Darby en 1709. La eficiencia del proceso se mejoró aún más con la práctica de precalentar el aire de combustión ( hot blast ), patentada por el inventor escocés James Beaumont Neilson en 1828 . 19]
La evidencia arqueológica muestra que los bombachos aparecieron en China alrededor del año 800 a.C. Originalmente se pensaba que los chinos comenzaron a fundir hierro desde el principio, pero esta teoría ha sido desacreditada [ se necesita aclaración ] por el descubrimiento de "más de diez" implementos 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 (hoy existe un museo en el sitio). [20] Sin embargo, no hay evidencia del florecimiento en China después de la aparición del alto horno y del hierro fundido. En China, los altos hornos producían hierro fundido, que luego se convertía en implementos terminados en un horno de cúpula o en hierro forjado en una solera de clarificación. [21]
Aunque las herramientas y armas agrícolas de hierro fundido estaban muy extendidas en China en el siglo V a.C., empleando mano de obra 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 d.C. [22] Estos primeros hornos tenían paredes de arcilla y utilizaban minerales que contenían fósforo como fundente . [23] Los altos hornos chinos tenían entre dos y diez metros de altura, dependiendo de la región. Los más grandes se encontraron en las modernas Sichuan y Guangdong , mientras que los altos hornos "enanos" se encontraron en Dabieshan . En construcción, ambos tienen aproximadamente el mismo nivel de sofisticación tecnológica. [24]
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 pistones - fuelles en el forjado de hierro fundido. [25] 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 biela, otras bielas y varios ejes, al movimiento recíproco necesario. para operar un fuelle de empuje. [26] [27] Donald Wagner sugiere que los primeros altos hornos y la producción de hierro fundido evolucionaron a partir de hornos utilizados para fundir bronce . Sin embargo, es cierto que el hierro era esencial para el éxito militar cuando el Estado de Qin unificó China (221 a. C.). El uso del alto horno y del cubilote siguió estando muy extendido durante las dinastías Song y Tang . [28] En el siglo XI, la industria del hierro china de la dinastía Song cambió sus recursos del carbón vegetal al coque en la fundición de hierro y acero, evitando la tala de miles de acres de bosques. Es posible que esto haya ocurrido ya en el siglo IV d.C. [29] [30]
La principal ventaja de los primeros altos hornos fue la producción a gran escala y la posibilidad de que los implementos de hierro estuvieran más disponibles para los campesinos. [31] 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 menores como la agricultura era suficiente. Mediante el uso del alto horno, fue posible producir mayores cantidades de herramientas, como rejas de arado, de manera más eficiente que el florero. En áreas donde la calidad era importante, como la guerra, se prefería el hierro y el acero forjado. Casi todas las armas del período Han están hechas de hierro forjado o acero, con la excepción de las cabezas de hacha, muchas de las cuales están hechas de hierro fundido. [32]
Los altos hornos también se utilizaron más tarde para producir armas de pólvora , como proyectiles de bombas y cañones de hierro fundido durante la dinastía Song . [33]
La fragua más sencilla , conocida como la corsa, se utilizaba antes de la llegada del cristianismo . Ejemplos de florecimientos mejorados son el Stuckofen, [34] a veces llamado horno de lobo, [35] ), que permaneció hasta principios del siglo XIX. En lugar de utilizar tiro natural, se bombeaba aire mediante un trampantojo , lo que daba como resultado un hierro de mejor calidad y una mayor capacidad. Este bombeo de aire con fuelles se conoce como ráfaga fría y aumenta la eficiencia del combustible del florero y mejora el rendimiento. También se pueden construir más grandes que los floreros de tiro natural.
Los altos hornos más antiguos conocidos en Occidente se construyeron en Durstel en Suiza , el Märkische Sauerland en Alemania y en Lapphyttan en Suecia , donde el complejo estuvo activo entre 1205 y 1300. [36] En Noraskog, en la parroquia sueca de Järnboås, se encuentran vestigios Se han encontrado altos hornos incluso más antiguos, posiblemente de alrededor del año 1100. [37] Estos primeros altos hornos, como los ejemplos chinos , eran muy ineficientes en comparación con los que se utilizan hoy en día. El hierro del complejo Lapphyttan se utilizó para producir bolas de hierro forjado conocidas como osmonds , y éstas se comercializaban internacionalmente; una posible referencia aparece en un tratado con Novgorod de 1203 y varias referencias ciertas en relatos de las costumbres inglesas de las décadas de 1250 y 1320. En Westfalia se han identificado otros hornos de los siglos XIII al XV . [38]
La tecnología necesaria para los altos hornos puede haber sido transferida desde China o haber sido una innovación autóctona. Al-Qazvini en el siglo XIII y otros viajeros observaron 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 mucho más tardías registran altos hornos de unos tres metros de altura. [39] Como el pueblo escandinavo de la Rus varangiana comerciaba con el Caspio (utilizando su ruta comercial del Volga ), es posible que la tecnología llegara a Suecia por este medio. [40] Se sabe que los vikingos utilizaban fuelles dobles, lo que aumentaba considerablemente el flujo volumétrico de la explosión. [41]
La región del Caspio también puede haber sido la fuente para el diseño del horno en Ferriere , descrito por Filarete , [42] que involucraba un fuelle impulsado por agua en Semogo en Valdidentro en el norte de Italia en 1226. En un proceso de dos etapas, el hierro fundido se vertió dos veces al día en agua, granulándola así. [43]
El Capítulo General de los monjes cistercienses difundió algunos avances tecnológicos por toda Europa. Esto pudo haber incluido el alto horno, ya que se sabe que los cistercienses eran hábiles metalúrgicos . [44] 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 sólo varios metros de distancia, y la energía hidráulica impulsaba la maquinaria de las diversas industrias. ubicado en su piso." A menudo se donaban depósitos de mineral de hierro a los monjes junto con forjas 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, [45] y también utilizaron la escoria rica en fosfato de sus hornos como fertilizante agrícola . [46]
Los arqueólogos todavía están descubriendo el alcance de la tecnología cisterciense. [47] 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. [48] La escoria de otros hornos de la época contenía una concentración sustancial de hierro, mientras que se cree que Laskill produjo hierro fundido con bastante eficiencia. [48] [49] [50] Su fecha aún no está clara, pero probablemente no sobrevivió hasta la disolución de los monasterios por parte de Enrique VIII a finales de la década de 1530, como un acuerdo (inmediatamente después) sobre los "smythes" con el conde de Rutland en 1541 se refiere a las flores. [51] Sin embargo, los medios por los cuales el alto horno se extendió en la Europa medieval no han sido finalmente determinados.
Debido a la creciente demanda de hierro para fundir cañones, el alto horno se generalizó en Francia a mediados del siglo XV. [52] [53]
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 al Pays de Bray en la frontera oriental 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. Siguieron siendo pocos hasta aproximadamente 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 llevaba a forjas de gala para la producción. de barra de hierro . [54]
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. Al parecer, esto se debía a que era más económico importar hierro de Suecia y otros lugares que fabricarlo en algunos lugares británicos más remotos. El carbón vegetal que estaba económicamente disponible para la industria probablemente se consumía tan rápido como la madera para crecer. [55]
El primer alto horno de Rusia se inauguró en 1637 cerca de Tula y se llamó Fábrica Gorodishche. Desde allí el alto horno se extendió al centro de Rusia y finalmente a los Urales . [56]
En 1709, en Coalbrookdale en Shropshire, Inglaterra, Abraham Darby comenzó a alimentar un alto horno con coque en lugar de carbón . La ventaja inicial de la coque era su menor coste, principalmente porque fabricar coque requería mucha menos mano de obra que cortar árboles y producir carbón vegetal, pero el uso de coque también superó la escasez localizada de madera, especialmente en Gran Bretaña y el continente. El coque de calidad metalúrgica soportará un peso mayor que el carbón vegetal, lo que permitirá hornos más grandes. [57] [58] Una desventaja es que el coque contiene más impurezas que el carbón vegetal, siendo el azufre especialmente perjudicial para la calidad del hierro. Las impurezas del coque eran un problema mayor antes de que la ráfaga de calor 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 retiene el azufre. También se puede agregar manganeso para retener el azufre). [59] : 123–125 [60] [61] [52] : 122–123
Inicialmente, el hierro de coque sólo se utilizaba para trabajos de fundición , fabricación de ollas y otros productos de hierro fundido. El trabajo de fundición era una rama menor de la industria, pero el hijo de Darby construyó un nuevo horno en la cercana Horsehay y comenzó a suministrar arrabio de coque a los propietarios de forjas de gala para la producción de barras de hierro. El arrabio de coque era en ese momento más barato de producir que el arrabio de carbón. El uso de un combustible derivado del carbón en la industria del hierro fue un factor clave en la Revolución Industrial británica . [62] [63] [64] 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 utilizó 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 siendo utilizado por los peatones.
La máquina de vapor se aplicó para impulsar el aire, 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 accionada por caballos en 1742. [65] Estos motores se utilizaron para bombear agua a un depósito encima del horno. Los primeros motores utilizados para soplar cilindros directamente fueron suministrados por Boulton y Watt al New Willey Furnace de John Wilkinson . [66] Este accionaba un cilindro de soplado de hierro fundido , que había sido inventado por su padre Isaac Wilkinson . Patentó estos cilindros en 1736, [67] para reemplazar los fuelles de cuero, que se desgastaban rápidamente. A Isaac se le concedió una segunda patente, también para cilindros de soplado, en 1757. [68] La máquina de vapor y el cilindro de soplado de hierro fundido provocaron un gran aumento en la producción británica de hierro a finales del siglo XVIII. [52]
La explosión en 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 . [69] [70] La explosión en caliente fue patentada por James Beaumont Neilson en Wilsontown Ironworks en Escocia en 1828. A los pocos años de su introducción, la explosión en caliente se desarrolló hasta el punto en que el consumo de combustible se redujo en un tercio utilizando coque o dos. - un tercio utiliza carbón, mientras que la capacidad de los hornos también aumentó significativamente. Al cabo de unas pocas décadas, la práctica era tener al lado una "estufa" tan grande como el horno a la que se dirigía y quemaba el gas residual (que contenía CO) del horno. El calor resultante se utilizó para precalentar el aire introducido en el horno. [71]
La explosión en caliente permitió utilizar en el alto horno carbón de antracita en bruto , difícil de encender. La antracita fue probada con éxito por primera vez por George Crane en Ynyscedwyn Ironworks en el sur de Gales en 1837. [72] Fue adoptada en Estados Unidos por Lehigh Crane Iron Company en Catasauqua, Pensilvania , en 1839. El uso de antracita disminuyó cuando los altos hornos de muy alta capacidad requerían coque se construyeron en la década de 1870.
El alto horno sigue siendo una parte importante de la producción moderna de hierro. Los hornos 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 horno. 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 alrededor de 6.000 m 3 (210.000 pies cúbicos). Puede producir alrededor de 5.650.000 toneladas (5.560.000 LT) de hierro al año. [73]
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 nativos de carbón.
Según Global Energy Monitor , es probable que el alto horno quede obsoleto para cumplir los objetivos de cambio climático de reducir las emisiones de dióxido de carbono, [74] pero BHP no está de acuerdo. [75] Es probable que lo suceda un proceso alternativo que involucra hierro reducido directamente , [ cita necesaria ] pero esto 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. [75]
El proceso de alto horno de oxígeno (OBF) ha sido ampliamente estudiado teóricamente debido a su potencial de conservación de energía y reducción de emisiones de CO 2 prometedoras. [76] Este tipo puede ser el más adecuado para su uso con CCS. [75] El alto horno principal consta 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 para la fundición de cobre, pero los altos hornos modernos para la fundición de plomo son mucho más cortos que los altos hornos de hierro y tienen forma rectangular. [77] Los altos hornos de plomo modernos se construyen utilizando camisas de acero o cobre enfriadas por agua para las paredes y no tienen revestimientos refractarios en las paredes laterales. [78] La base del horno es una solera de material refractario (ladrillos o refractario moldeable). [78] Los altos hornos de plomo suelen tener la parte superior abierta en lugar de tener la campana de carga utilizada en los altos hornos de hierro. [79]
El alto horno utilizado en la fundición de plomo de Nyrstar Port Pirie se diferencia de la mayoría de los demás altos hornos de plomo en que tiene una doble hilera de toberas en lugar de la hilera única que se utiliza normalmente. [77] El eje inferior del horno tiene forma de silla y la parte inferior del eje es más estrecha que la superior. [77] La fila inferior de toberas está ubicada en la parte estrecha del eje. [77] Esto permite que la parte superior del eje sea más ancha que el estándar. [77]
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. [80] 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 los gases de escape daría como resultado la formación de óxido de zinc. [80]
Los altos hornos utilizados en el ISP tienen un funcionamiento más intenso que los altos hornos de plomo estándar, con tasas de soplado de aire más altas por m 2 de área de solera y un mayor consumo de coque. [80]
La producción de zinc con el ISP es más cara que con las plantas de zinc electrolítico , por lo que en los últimos años han cerrado varias fundiciones que operan con esta tecnología. [81] 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. [80]
La lana de roca o lana de roca es una fibra mineral hilada que se utiliza 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 hila para formar el producto de lana de roca. [82] También se producen cantidades muy pequeñas de metales que son un subproducto no deseado .
Los hornos modernos están equipados con una serie de instalaciones de apoyo para aumentar la eficiencia, como patios de almacenamiento de mineral donde se descargan las barcazas. Las materias primas se transportan al complejo de almacenes mediante puentes de mineral o tolvas ferroviarias y vagones de transferencia de mineral . Los carros de báscula montados sobre rieles o las 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. [83]
Existen diferentes formas de cargar las materias primas en el alto horno. Algunos altos hornos utilizan un sistema de "doble campana" en el que se utilizan dos "campanas" para controlar la entrada de materia prima al alto horno. El objetivo 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. [84] [85] Un diseño más reciente consiste en utilizar un sistema "sin campana". Estos sistemas utilizan múltiples tolvas para contener cada materia prima, que luego se descarga al alto horno a través de válvulas. [84] 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 ocurre con la tapa Paul Wurth) para controlar con precisión dónde se coloca la carga. [86]
El alto horno de fabricación de hierro en sí está construido en forma de una estructura alta, revestida con ladrillo refractario y perfilada para permitir la expansión de los materiales cargados a medida que se calientan durante su descenso, y la posterior reducción de tamaño a medida que comienza a producirse la fusión. 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 "tomas" permiten que el gas caliente y sucio con alto contenido de monóxido de carbono salga de la garganta del horno, mientras que las "válvulas de purga" protegen la parte superior del horno contra aumentos repentinos de presión del gas. Las partículas gruesas de los gases de escape se depositan en el "recolector de polvo" y se vierten en un vagón o camión de ferrocarril 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. [83]
La "cámara de fundición" en la mitad inferior del horno contiene la tubería de bullicio [ aclaración necesaria ] , toberas de cobre enfriadas por agua y el equipo para fundir el hierro líquido y la escoria. Una vez que se perfora un "grifo" a través del tapón de arcilla refractaria, el hierro líquido y la escoria fluyen hacia un canal a través de una abertura "desnatadora", separando el hierro y la escoria. Los altos hornos modernos y más grandes pueden tener hasta cuatro grifos y dos fundiciones. [83] Una vez que se ha extraído el arrabio y la escoria, se vuelve a tapar el orificio del grifo con arcilla refractaria.
Las toberas se utilizan para implementar un soplo caliente , que se utiliza para aumentar la eficiencia del alto horno. La ráfaga de calor se dirige al horno a través de boquillas de cobre enfriadas por agua llamadas toberas cerca de la base. La temperatura del chorro de calor puede ser de 900 °C a 1300 °C (1600 °F a 2300 °F) dependiendo del diseño y la condición de la estufa. Las temperaturas que manejan pueden ser de 2000 °C a 2300 °C (3600 °F a 4200 °F). También se pueden inyectar en el horno a nivel de tobera petróleo , alquitrán , gas natural , carbón en polvo y oxígeno para combinarlos con el coque y liberar energía adicional y aumentar el porcentaje de gases reductores presentes que es necesario para aumentar la productividad. [83]
Los gases de escape de un alto horno generalmente se limpian en un colector de polvo , como un separador inercial , una cámara de filtros o un precipitador electrostático . Cada tipo de colector de polvo tiene ventajas y desventajas: algunos recogen partículas finas, otros recogen partículas gruesas y otros recogen partículas cargadas eléctricamente. La limpieza eficaz de los gases de escape depende de múltiples etapas de tratamiento. [87] El calor residual generalmente se recolecta de los gases de escape, por ejemplo mediante el uso de una estufa Cowper , una variedad de intercambiador de calor .
El Programa de I+D de Gases de Efecto Invernadero (IEAGHG) de la AIE ha demostrado que en una planta siderúrgica integrada, el 70% del CO 2 proviene directamente del gas de alto horno (BFG). Es posible utilizar tecnología de captura de carbono en el BFG antes de que el BFG se utilice para procesos de intercambio de calor dentro de la planta. En 2000, el IEAGHG estimó que utilizar esa absorción química para capturar BFG costaría 35 dólares/t de CO 2 ( se necesitarían entre 8 y 20 dólares adicionales/t de CO 2 para el transporte y almacenamiento de CO 2 ). Esto encarecería todo el proceso de producción de acero en una planta entre un 15 y un 20%. [88]
Los resultados mostraron que el potencial de calentamiento global y el potencial de acidificación eran los impactos ambientales más significativos. De media, producir una tonelada de acero emite 1,8 toneladas de CO 2 . [6] [89] Sin embargo, una acería que utiliza un alto horno de reciclaje de gas superior (TGRBF) que produce una tonelada de acero emitirá entre 0,8 y 1,3 toneladas de CO 2 dependiendo de la tasa de reciclaje del TGRBF. [90]
Durante mucho tiempo, era normal derribar un alto horno fuera de servicio y sustituirlo por uno nuevo y mejorado, o demoler todo el recinto para dejar espacio para su posterior uso. 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 se encuentra en Alemania; Existen otros sitios similares en España, Francia, la República Checa y Gran Bretaña . Japón, Luxemburgo , Polonia , Rumania , México , Rusia y Estados Unidos .
...el alto horno más antiguo descubierto en China aproximadamente en el siglo I d.C.
{{cite book}}: Mantenimiento CS1: posdata ( enlace )