Un horno rotatorio es un dispositivo de piroprocesamiento que se utiliza para elevar materiales a una temperatura alta ( calcinación ) en un proceso continuo. Los materiales producidos con hornos rotativos incluyen:
También se utilizan para tostar una amplia variedad de minerales de sulfuro antes de la extracción del metal.
El horno es un recipiente cilíndrico, ligeramente inclinado con respecto a la horizontal, que gira lentamente alrededor de su eje longitudinal. La materia prima del proceso se alimenta al extremo superior del cilindro. A medida que el horno gira, el material desciende gradualmente hacia el extremo inferior y puede sufrir una cierta cantidad de agitación y mezcla. Los gases calientes pasan a lo largo del horno, a veces en la misma dirección que el material de proceso (a favor de la corriente), pero generalmente en la dirección opuesta (contracorriente). Los gases calientes pueden generarse en un horno externo o pueden generarse mediante una llama dentro del horno. Dicha llama se proyecta desde un tubo quemador (o "tubo de encendido") que actúa como un gran mechero Bunsen . El combustible para ello puede ser gas, petróleo, coque de petróleo pulverizado o carbón pulverizado.
Los componentes básicos de un horno rotatorio son la carcasa, el revestimiento refractario , los neumáticos y rodillos de soporte (anillos de apoyo), el engranaje impulsor y los intercambiadores de calor internos.
El horno rotatorio fue inventado en 1873 por Frederick Ransome . [1] Presentó varias patentes entre 1885 y 1887, pero sus experimentos con la idea no fueron un éxito comercial. Sin embargo, sus diseños sirvieron de base para hornos exitosos en los EE. UU. a partir de 1891, que posteriormente fueron emulados en todo el mundo.
Está hecho de chapa de acero dulce laminada , normalmente de entre 15 y 30 mm de espesor, soldada para formar un cilindro que puede tener hasta 230 m de longitud y hasta 6 m de diámetro.
Los límites superiores del diámetro los establece la tendencia de la carcasa a deformarse bajo su propio peso hasta alcanzar una sección transversal ovalada, con la consiguiente flexión durante la rotación. La longitud no está necesariamente limitada, pero resulta difícil hacer frente a los cambios de longitud durante el calentamiento y enfriamiento (normalmente alrededor del 0,1 al 0,5% de la longitud) si el horno es muy largo.
El propósito del revestimiento refractario es aislar la carcasa de acero de las altas temperaturas dentro del horno y protegerla de las propiedades corrosivas del material de proceso. Puede consistir en ladrillos refractarios u hormigón refractario colado, o puede estar ausente en zonas del horno que están por debajo de aproximadamente 250 °C. El refractario seleccionado depende de la temperatura dentro del horno y de la naturaleza química del material que se procesa. En algunos procesos, como el del cemento, la vida del refractario se prolonga manteniendo un recubrimiento del material procesado sobre la superficie refractaria. El espesor del revestimiento está generalmente comprendido entre 80 y 300 mm. Un refractario típico será capaz de mantener una caída de temperatura de 1000 °C o más entre sus caras fría y caliente. La temperatura de la carcasa debe mantenerse por debajo de unos 350 °C para proteger el acero de daños, y se utilizan escáneres infrarrojos continuos para dar una alerta temprana de "puntos calientes" que indiquen fallas refractarias.
Los neumáticos, a veces llamados anillos de rodadura, suelen consistir en una única pieza anular de acero fundido, mecanizado hasta obtener una superficie cilíndrica lisa, que se fija sin apretar a la carcasa del horno mediante una variedad de disposiciones de "sillas". Estos requieren algo de ingenio en el diseño, ya que el neumático debe ajustarse perfectamente a la carcasa, pero también debe permitir el movimiento térmico. El neumático se desplaza sobre pares de rodillos de acero, también mecanizados hasta obtener una superficie cilíndrica lisa, y separados aproximadamente a medio diámetro del horno. Los rodillos deben soportar el horno y permitir una rotación lo más libre de fricción posible. Un horno bien diseñado, cuando se corta la energía, oscilará como un péndulo muchas veces antes de detenerse. La masa de un horno típico de 6 x 60 m, incluidos los refractarios y el alimento, es de alrededor de 1100 toneladas y se transportaría sobre tres neumáticos y juegos de rodillos, espaciados a lo largo del horno. Los hornos más largos pueden tener 8 juegos de rodillos, mientras que los hornos muy cortos y pequeños pueden no tener ninguno. Los hornos suelen girar a entre 0,5 y 2 rpm. Los hornos de las plantas cementeras modernas funcionan a entre 4 y 5 rpm. Los cojinetes de los rodillos deben ser capaces de soportar las grandes cargas estáticas y vivas implicadas y deben protegerse cuidadosamente del calor del horno y de la entrada de polvo. Dado que el horno está en ángulo, también necesita soporte para evitar que se salga de los rodillos de soporte. Por lo general, los "rodillos de retención (o de empuje)" superiores e inferiores que se apoyan contra los costados de los neumáticos evitan que el horno se salga de los rodillos de soporte.
El horno generalmente se hace girar por medio de un solo engranaje cilíndrico que rodea una parte más fría del tubo del horno, pero a veces se hace girar mediante rodillos impulsados. El engranaje está conectado a través de un tren de engranajes a un motor eléctrico de velocidad variable . Este debe tener un par de arranque alto para arrancar el horno con una carga excéntrica grande. Un horno de 6 x 60 m requiere alrededor de 800 kW para girar a 3 rpm. La velocidad del flujo de material a través del horno es proporcional a la velocidad de rotación; Se necesita un variador de velocidad para controlar esto. Cuando se conduce a través de rodillos, se pueden utilizar accionamientos hidráulicos. Estos tienen la ventaja de desarrollar un par extremadamente alto. En muchos procesos, es peligroso dejar que un horno caliente permanezca quieto si falla la alimentación eléctrica. Las diferencias de temperatura entre la parte superior e inferior del horno pueden causar que el horno se deforme y se dañe el refractario. Por lo tanto, la práctica normal es proporcionar un accionamiento auxiliar para su uso durante cortes de energía. Puede tratarse de un pequeño motor eléctrico con alimentación independiente o de un motor diésel . Esto hace girar el horno muy lentamente, pero lo suficiente para evitar daños.
El intercambio de calor en un horno rotatorio puede ser por conducción , convección y radiación , en orden decreciente de eficiencia. En los procesos de baja temperatura y en las partes más frías de los hornos largos que carecen de precalentadores, el horno suele estar equipado con intercambiadores de calor internos para fomentar el intercambio de calor entre el gas y la alimentación. Estos pueden consistir en palas o "elevadores" que hacen caer la alimentación en cascada a través de la corriente de gas, o pueden ser insertos metálicos que se calientan en la parte superior del horno e imparten calor a la alimentación a medida que se sumergen debajo de la superficie de la alimentación a medida que el horno se calienta. el horno gira. Estos últimos son los preferidos cuando los levantadores provocarían una acumulación excesiva de polvo. El intercambiador de calor más común consta de cadenas que cuelgan en forma de cortinas a través de la corriente de gas.
El horno se conecta con una campana de salida de material en el extremo inferior y conductos para gases residuales. Esto requiere sellos herméticos al gas en ambos extremos del horno. El gas de escape puede desperdiciarse o puede ingresar a un precalentador, que intercambia calor con la alimentación entrante. Los gases deben ser aspirados a través del horno, y del precalentador, si está instalado, mediante un ventilador situado en el extremo de escape. En instalaciones de precalentador que pueden tener una caída de presión alta, es posible que se necesite una potencia considerable del ventilador, y el accionamiento del ventilador suele ser el accionamiento más grande del sistema del horno. Los gases de escape contienen polvo y pueden contener componentes no deseados, como dióxido de azufre o cloruro de hidrógeno . Se instala equipo para eliminarlos de la corriente de gas antes de pasar a la atmósfera.
Medios relacionados con los hornos rotativos en Wikimedia Commons