Un horno rotatorio es un dispositivo de piroprocesamiento que se utiliza para elevar la temperatura de los materiales ( calcinación ) en un proceso continuo. Los materiales producidos mediante hornos rotatorios 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 respecto de la horizontal, que gira lentamente sobre su eje longitudinal. La materia prima del proceso se introduce en el extremo superior del cilindro. A medida que el horno gira, el material se mueve gradualmente hacia el extremo inferior y puede experimentar 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 del proceso (a favor de la corriente), pero generalmente en la dirección opuesta (a 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 de quemador (o "tubo de encendido") que actúa como un gran mechero Bunsen . El combustible para esto 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 anillos de apoyo y los rodillos, el engranaje de transmisión 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 tuvieron éxito comercial. No obstante, sus diseños proporcionaron la base para hornos exitosos en los EE. UU. a partir de 1891, que luego fueron imitados en todo el mundo.
Está hecho de una placa de acero dulce laminada , generalmente de entre 15 y 30 mm (0,6 y 1,2 pulgadas), soldada para formar un cilindro que puede tener hasta 230 m (750 pies) de longitud y hasta 6 m (20 pies) de diámetro.
Los límites superiores del diámetro están determinados por la tendencia de la carcasa a deformarse por 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 el 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 del proceso. Puede consistir en ladrillos refractarios u hormigón refractario fundido, o puede estar ausente en zonas del horno que estén por debajo de aproximadamente 250 °C (482 °F). 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 cemento, la vida del refractario se prolonga manteniendo una capa del material procesado sobre la superficie refractaria. El espesor del revestimiento está generalmente en el rango de 80 a 300 mm (3 a 12 pulgadas). Un refractario típico será capaz de mantener una caída de temperatura de 1000 °C (1800 °F) o más entre sus caras caliente y fría. La temperatura de la carcasa debe mantenerse por debajo de aproximadamente 350 °C (662 °F) para proteger el acero de daños, y se utilizan escáneres infrarrojos continuos para dar una advertencia temprana de "puntos calientes" indicativos de falla refractaria.
Los neumáticos, a veces llamados anillos de rodadura, suelen estar formados por una única pieza de acero anular, mecanizada hasta obtener una superficie cilíndrica lisa, que se fija de forma suelta a la carcasa del horno mediante una variedad de disposiciones de "sillas". Estas disposiciones requieren cierto ingenio en el diseño, ya que el neumático debe ajustarse perfectamente a la carcasa, pero también permitir el movimiento térmico. El neumático se desplaza sobre pares de rodillos de acero, también mecanizados hasta obtener una superficie cilíndrica lisa, y colocados a una distancia de aproximadamente la mitad del diámetro del horno. Los rodillos deben sostener 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 m × 60 m (20 pies × 197 pies), incluidos los refractarios y el material de alimentación, es de alrededor de 1100 t (2 400 000 lb), 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 de cemento modernas funcionan a entre 4 y 5 rpm. Los cojinetes de los rodillos deben ser capaces de soportar las grandes cargas estáticas y vivas involucradas 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 caiga de los rodillos de soporte. Generalmente, los rodillos de retención (o de empuje) superiores e inferiores que se apoyan contra el costado de los neumáticos evitan que el horno se salga de los rodillos de soporte.
El horno normalmente gira mediante un único engranaje que rodea una parte más fría del tubo del horno, pero a veces lo hacen rodillos accionados. 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 poner en marcha el horno con una gran carga excéntrica. Un horno de 6 m × 60 m (20 pies × 197 pies) 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 controlarla. 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 se detenga si falla la energía del accionamiento. Las diferencias de temperatura entre la parte superior e inferior del horno pueden hacer que el horno se deforme y que el refractario se dañe. Por lo tanto, la práctica normal es proporcionar un accionamiento auxiliar para su uso durante los cortes de energía. Puede ser un pequeño motor eléctrico con alimentación independiente o un motor diésel . 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 descendente 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 pasar 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 y transmiten el calor a la alimentación a medida que se sumergen por debajo de la superficie de la alimentación mientras el horno gira. Estos últimos son los preferidos cuando los elevadores causarían una acumulación excesiva de polvo. El intercambiador de calor más común consiste en cadenas que cuelgan en cortinas a lo largo de la corriente de gas.
El horno se conecta con una campana de salida de material en el extremo inferior y con conductos para gases residuales. Esto requiere sellos herméticos a los gases en ambos extremos del horno. El gas de escape puede desperdiciarse o puede ingresar a un precalentador, que intercambia aún más calor con la alimentación entrante. Los gases deben ser aspirados a través del horno y del precalentador, si está instalado, por un ventilador situado en el extremo de escape. En las instalaciones de precalentador que pueden tener una alta caída de presión, puede ser necesaria una potencia considerable del ventilador, y el accionamiento del ventilador es a menudo el accionamiento más grande en el sistema del horno. Los gases de escape contienen polvo y puede haber componentes indeseables, como dióxido de azufre o cloruro de hidrógeno . Se instala equipo para eliminarlos de la corriente de gas antes de pasar a la atmósfera.
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