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El horno de arco sumergido para la producción de fósforo es un subtipo particular de horno de arco eléctrico que se utiliza para producir fósforo y otros productos. Los hornos de arco sumergido se utilizan principalmente para la producción de ferroaleaciones . La nomenclatura sumergido significa que los electrodos del horno están enterrados profundamente en la carga del horno . Se produce una reacción de reducción cerca de la punta de los electrodos para facilitar el proceso del horno.
La producción a gran escala de fósforo utiliza el proceso de Wöhler . [1] En este proceso, las apatitas (casi siempre fluorapatita) se reducen en presencia de carbono ( coque ) y sílice (grava). Esto se realiza en un horno de arco sumergido a temperaturas de entre 1150 y 1400°C. La principal reacción interna se describe a continuación:
Esta reacción principal produce una escoria líquida de silicatos de calcio , gas monóxido de carbono y el producto deseado, gas fósforo.
Este proceso también tiene reacciones intermedias y, como tal, la roca de fosfato creada tiene impurezas. Una de esas impurezas (y la más importante) es el óxido de hierro . Las impurezas del óxido de hierro se reducen y forman fosfuros de hierro. El segundo producto líquido resultante se llama ferrofósforo . El hierro se considera una impureza e indeseable porque requiere carbono y energía adicionales para su reducción. De este modo, retiene un cierto porcentaje de fósforo.
Otra impureza es la alúmina , que aumenta el volumen de escoria pero reduce el punto de fusión.
La carcasa o carcasa de un horno de arco sumergido está fabricada de acero. La parte inferior está revestida con bloques duros de carbón fuertemente calcinado y la parte superior con ladrillo refractario. El suelo y la parte inferior del horno están refrigerados por agua. Se colocan tres electrodos en los ángulos de un triángulo equilátero con esquinas redondeadas. Estos hornos pueden equiparse con electrodos precocidos o con electrodos Söderberg. Los electrodos de Söderberg se calientan mediante corriente eléctrica y calor del horno y luego se endurecen en la zona de las pinzas de contacto. El electrodo debe solidificarse en toda su sección transversal (dentro de la carga) cuando se introduce hacia abajo para compensar su consumo en el horno (que es de unos pocos centímetros por hora).
Si los electrodos no están completamente horneados, existe riesgo de rotura, especialmente en el caso de electrodos largos. Los electrodos Söderberg tienen una mayor proporción de impurezas orgánicas en comparación con los electrodos precocidos. Así, los hornos equipados con electrodos de Söderberg producen fósforo amarillo y los electrodos precocidos producen fósforo blanco .
La corriente del electrodo se mantiene bastante constante durante la operación subiendo y bajando automáticamente los electrodos. Cuando aumenta la corriente, los electrodos se elevan, aumentando la resistencia eléctrica entre los electrodos y el piso del horno. Por lo tanto, reducir la corriente produce el efecto contrario cuando el voltaje se mantiene constante.
Algunos hornos también se controlan mediante voltaje o potencia constante. A partir de un horno de arco sumergido es posible producir varias ferroaleaciones. La selección del voltaje del transformador se basa en el cambio futuro de la producción de ferroaleaciones.
La gravedad entrega el mineral de apatita , el carbono (coque) y la sílice (grava) al horno de arco sumergido a través de conductos de alimentación situados en el techo del horno. Esto asegura un volumen de lecho compacto constante. El producto gaseoso, una mezcla de monóxido de carbono y fósforo gaseoso, sale del horno a través de dos respiraderos de salida colocados simétricamente y situados sobre el orificio del grifo de ferrofósforo en el techo del horno. El ferrofósforo se extrae normalmente una vez al día. La escoria, sin embargo, se extrae continuamente a través de dos orificios de grifo alternados, refrigerados por agua, situados a 400 mm por encima del suelo del horno. El material de alimentación constituye la principal resistencia eléctrica y de flujo del circuito del horno de fundición. A medida que los materiales de alimentación descienden hacia la zona caliente del horno, comienzan a ablandarse y fundirse, lo que reduce significativamente la resistencia eléctrica . De este modo se proporciona un camino conductor entre los electrodos donde se libera el calentamiento Joule para alcanzar las altas temperaturas y niveles de energía necesarios para efectuar las reacciones endotérmicas esenciales. [2]
La energía en un horno de fósforo industrial se distribuye entre calentamiento y fusión del material (≈ 40%) y reacciones químicas (≈ 45%). Las pérdidas por refrigeración (agua de refrigeración), las pérdidas eléctricas (calentamiento Joule) y las pérdidas de calor por radiación representan el resto (≈ 15%). [3] [4]
La vida útil de un horno de fósforo se correlaciona con la durabilidad de su revestimiento de carbono. Sin embargo, el nuevo estado del revestimiento no requiere apagar el horno y vaciarlo por completo para controlar el estado del revestimiento. En cambio, el monitoreo se logra incorporando fuentes radiactivas en puntos donde se sabe que ocurre erosión.
Además, se insertan termopares especiales a varias profundidades en los ladrillos de carbono para medir continuamente la temperatura de la pared. Las lecturas de temperatura de la pared también sirven como herramienta de mantenimiento, alertando al sistema sobre cualquier irregularidad. Es fundamental controlar la posición de la línea de desgaste para evitar que el metal caliente o la escoria atraviesen el revestimiento y causen daños a los operadores, el horno y los equipos cercanos.
Además, el producto gaseoso que sale del horno se compone principalmente de tetraedro de fósforo (P4) y monóxido de carbono. Todavía es necesario purificarlo para eliminar el polvo y normalmente se envía a un sistema de purificación de gas electrostático .