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Guía del Usuario de Altos Hornos

Guía del Usuario de Altos Hornos versión 1.10

1 Introducción y exención de responsabilidad Este documento fue preparado como una guía del usuario para la simulación de altos hornos, disponible en http://www.steeluniversity.org/. La simulación interactiva fue diseñada como una herramienta educativa y de entrenamiento tanto para los estudiantes de siderometalurgia como para los empleados de la industria del acero. La información contenida tanto en este documento como en el sito de Internet de referencia se provee de buena fe pero no implica garantía, representación, declaración u obligación alguna ya sea respecto de dicha información o de cualquier otra información que se encuentre en otro sitio de Internet vinculado al sitio de referencia a través de un hipertexto u otros enlaces (inclusive ninguna garantía, representación, declaración u obligación de que dicha información o el uso de dicha información ya sea en este sitio de Internet o en cualquier otro cumple con las leyes locales o nacionales o con los requisitos de los entes reguladores o fiscalizadores) y toda garantía, representación, declaración u obligación que pueda provenir de la ley, la costumbre o de cualquier otra parte se encuentra expresamente excluida por el presente. El uso de la información del presente documento queda bajo estricta responsabilidad del usuario. Bajo ninguna circunstancia la Asociación Internacional del Acero (World Steel Association) o sus socios serán responsables de los costos, las pérdidas, los gastos o los daños y perjuicios (ya sean directos o indirectos, especiales, económicos o financieros, inclusive el lucro cesante) en que se pudiese incurrir como consecuencia del uso de la información contenida en este documento. Ningún contenido del presente documento deberá considerarse como un asesoramiento de naturaleza técnica o financiera para actuar o no actuar de ninguna manera.

2. Introducción a la producción de hierro en altos hornos El proceso de los altos hornos es la ruta dominante de la siderurgia para suministrar las materias primas a la industria de fabricación de acero. Los altos hornos usan mineral de hierro como materia prima que contiene hierro, y coque y carbón pulverizado como agentes reductores y cal o caliza como agentes fundentes. El principal objetivo para la fabricación de hierro por un alto horno es producir arrabio con una calidad consistente para el proceso en el convertidor LD. Generalmente la especificación de los trabajos de acero requiere arrabio con 0,3 – 0,7% Si, 0,2-0,4% Mn, y 0,06-0,13% P, y una temperatura tan alta como sea posible (1480 – 1520oC para el sangrado). Un alto horno grande y moderno tiene un crisol con un diámetro de 14-15 m, una altura de 35 m y un volumen interno de alrededor 4500 m³. Un alto horno así de grande puede producir 10.000 toneladas métricas de arrabio por día. Los concentrados de mineral de hierro se sinterizan o peletizan primero, antes de ser cargados en el alto horno, a fin de proporcionar una permeabilidad suficiente a la carga del horno. El coque metalúrgico se prepara en una planta de coque. Luego se carga el sínter, los pélets,

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algunas veces el mineral granular así como también el coque, por medio de una estructura en capas, a través del tragante del alto horno. El aire caliente precalentado se inyecta en el horno por las toberas y la combustión de coque y/o carbón pulverizado genera calor y un gas reductor de CO en el dardo (raceway) del alto horno. La mezcla de los gases reductores de CO y N2 asciende por el horno mientras intercambia calor y reacciona con las materias primas que descienden de la parte superior del horno. Finalmente los gases se descargan por el tragante del horno y se recuperan como combustible principal para calentar las estufas Cowper que se usan para calentar el viento soplado. Durante este proceso, la relación capa-espesor de los materiales que contienen hierro y el coque cargados por el tragante del horno y su distribución radial son controladas a fin de que el viento caliente pueda pasar con una correcta distribución radial. Durante el descenso de la carga en el horno, los materiales que contienen hierro son reducidos indirectamente por el gas de monóxido de carbono en la zona de baja temperatura de la parte superior del horno. En la parte inferior del horno, el dióxido de carbono producido por la reducción del mineral de hierro restante por el monóxido de carbono es reducido al instante por el coque (C) a monóxido de carbono que nuevamente reduce el óxido de hierro mediante la reacción de Boudouard. La secuencia completa puede considerarse como una reducción directa del mineral de hierro por el carbono sólido en la zona de alta temperatura de la parte inferior del horno. El hierro reducido se funde, gotea y junta simultáneamente como arrabio en el crisol. Luego se descarga el arrabio y la escoria fundida a intervalos fijos (por lo general 2-5 horas) abriendo las piqueras. Un horno de alta productividad cuela casi en forma continua y cada colada dura alrededor de 3 horas. Luego el arrabio se transporta a la acería LD mediante cucharas torpedo y se trata con desulfurización y desfosforación algunas veces antes de cargarse a los convertidores LD.

3. Objetivo de la simulación Esta simulación tiene como objetivo seleccionar las materias primas (minerales, combustibles y fundentes) para el alto horno y dar una correcta relación de carga de las materias primas para obtener el arrabio deseado y luego evaluar el balance de calor y masa y otros índices del proceso. También se espera que minimice el costo del arrabio. En la simulación se pueden producir dos tipos diferentes de arrabio: arrabio para fundición o arrabio de afino: Arrabio para fundición Previsto para fundiciones, el contenido de Si es generalmente alto, de 1,25% a 3,6%, y el contenido de C no es más alto que el 3,3%. El alto contenido de Si requiere una temperatura de operación alta en el alto horno; por lo tanto, el precio del arrabio para fundición es generalmente más alto que el del arrabio de afino.

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Arrabio de afino Este producto se produce para el proceso de refinado del acero, por ejemplo, el proceso en el convertidor LD para producir diferentes clases de acero. El contenido de Si es menor que el del arrabio para fundición, que oscila entre 0,45% y 1,25%, mientras que el contenido de C supera el 3,5% hasta el 5%.

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4. Interfases de la simulación Asegúrese de que su dirección de e mail aparezca en la pantalla de apertura; si no aparece sus resultados no serán guardados. Continue con la parte principal del programa. La simulación ofrece cuatro interfases para los datos de entrada sobre las condiciones de la producción del alto horno. 1.

Composición de las materias primas

2. Configuración de la producción 3. Relaciones de carga 4. Parámetros del ambiente de producción Cuando estas interfases hayan sido revisadas y corregidas exitosamente, aparecerá un tic verde al lado de la etiqueta. Esto significa que es seguro continuar y revisar la próxima posición. Después de completar los seis cuadros de diálogo de configuración, puede revisarse los resultados haciendo clic en la cuchara torpedo.

4.1 Composición de las materias primas Se necesita revisar los datos de entrada para la composición de todas las materias primas que se usen en la simulación. Las materias primas incluyen tres categorías: minerales, combustibles y fundentes.

Figura 1 – Pantalla principal de la simulación. Los íconos de las materias primas están resaltados.

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Hacer un clic en cualquiera de los íconos de las tres materias primas para que aparezca una selección de sus lechos disponibles. Hacer un clic en cualquiera de estos lechos para revisar y ajustar los datos de la composición de los materiales disponibles en ese grupo. Para poder continuar se deberá asegurar de que todas las composiciones en un material sean cercanas al 100%, por lo tanto asegurarse de verificar cada lecho en un grupo de materia prima antes de continuar. El rango aceptado para la composición total es del 98 al 102%. Si no se va a usar un mineral en particular, simplemente configurar este lecho de materia prima a “vacío”. Un lecho que se configure a vacío no afecta los cálculos por lo tanto siéntase libre de experimentar usando varias o sólo unas pocas materias primas.

4.1.1 MINERALES Existen varios tipos de minerales que pueden seleccionarse. Use el Administrador de Minerales para seleccionar que minerales de hierro usará, Los minerales disponibles tienen diferentes composiciones y costos. Se le requiere completar todos los lechos con: 

1 tipo de sinter de una selección de cinco.



2 tipos de pélets de una selección de cinco.



2 tipos de Mineral granular de una selección de cinco.



1 tipo de recuperado de una selección de cinco.

Minerales aglomerados Son producidos mediante los procesos de sinterización o peletización durante los cuales se agrega un fundente básico (caliza o dolomita) a los minerales a fin de obtener un producto de alta basicidad. Minerales granulares Generalmente, estos minerales originales son minerales ácidos y el contenido de Fe es mayor al 50%, el cual puede cargarse directamente en el alto horno. Los altos hornos pueden funcionar sin problemas y obtener un mayor rendimiento con una correcta relación de carga de minerales aglomerados y minerales originales. Recirculados (reverts) Pueden seleccionarse cinco tipos de recirculados . Incluyen usualmente escamas de terminación del laminador, escoria de acería, polvo de trampa de alto horno, etc . y un adecuado aglomerante que a veces contiene escoria granulada de alto horno, cemento o una mezcla de los dos. Por favor tener en cuenta que la composición total de los recirculados debe ser menor al 1 %. La ventana de verificación de la composición es tildada, cuando usted llenó todos los lechos con minerales de composiciones válidas

4.1.2 COMBUSTIBLES Para la producción en un alto horno, el coque y el carbón pulverizado son los combustibles más comunes. Para bajar el costo, se agrega una pequeña cantidad de coque pequeño o carbón granular dentro de la carga. Generalmente el carbón pulverizado se inyecta en el alto horno

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desde las toberas, y por lo general se lo denomina ICP (Inyección de Carbón Pulverizado). Debido a que el precio del coque es extremadamente alto, se necesita pensar en reducir el costo disminuyendo su consumo en el alto horno. Para hacer eso, se puede aumentar el consumo de ICP y mejorar la temperatura del viento caliente, pero no se puede reducir el consumo de coque por debajo de su nivel mínimo. Hay tres tipos de coque y tres tipos de carbón para seleccionar. Observe que la composición total en la ceniza debe también ser del 100%.

4.1.3 FUNDENTES Hay cuatro tipos de fundentes disponibles. Entre ellos, la caliza (CaO) y la dolomita (MgO) son básicos; el silicato (SiO2) es ácido, mientras que la fluorita (CaF2) puede mejorar mucho la fluidez de la escoria. En la simulación, deberá decidir qué tipos de fundentes necesita de acuerdo con la basicidad objetivo de la escoria y los minerales de hierro que haya seleccionado. El Administrador de Fundentes trabaja de la misma manera que el de Combustibles Cliquee en los cuatro lechos para chequear la composición y los costos.

Figura 2 – Ventana de entrada de datos para la composición del mineral de hierro.

4.2 Configuración de la producción Después de configurar las composiciones de las materias primas, el próximo paso es considerar la configuración de la producción. Para cambiar esta configuración, haga clic en la casa. Las siguientes secciones describen cada una de las configuraciones de la producción.

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Figura 3 – Pantalla principal de la simulación. El área de configuración de la producción está resaltada.

Figura 4 – Cuadro de diálogo de configuración de la producción que muestra los valores por defecto.

Para asegurar un modelo de trabajo, cada una de las configuraciones en la simulación tiene un rango de validez. Las siguientes limitaciones se aplican para la configuración de la producción:

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Ítem Volumen de trabajo Velocidad de carga Contenido de silicio arrabio Basicidad binaria

en el

Rango 100-10000 m³ 6-10 carga /hora 0,45-1.25% 1,25-3,6% 1,0-1.2 0,95-1,1

Comentario

Arrabio de afino Arrabio para fundición Produciendo arrabio de afino Produciendo arrabio para fundición

4.2.1 VOLUMEN DE TRABAJO DE UN ALTO HORNO En esta simulación, el tamaño del alto horno se describe en función de su volumen de trabajo. Y algunos de los índices de producción también se evalúan de acuerdo con el tamaño del alto horno, por ejemplo, el consumo de coque, el coeficiente de utilización del alto horno, etc. El coeficiente de utilización del alto horno es un índice muy importante. Se define de la siguiente manera: Productividad 

Whierro VBF

Whierro: la salida de hierro del alto horno por día, tonelada métrica/d; VBF: el volumen de trabajo del alto horno, m³ Por lo tanto, la productividad es la salida de hierro del alto horno por día por m³. De acuerdo con las condiciones de la producción, este índice se evalúa en los resultados del balance de calor y masa.

4.2.2 CONTENIDO OBJETIVO DE SI Para el arrabio de afino, el contenido de Si oscila entre el 0,45 al 1,25%. Generalmente, los datos promedio son de alrededor del 0,7%. Para el arrabio para fundición, el contenido de Si oscila entre el 1,25 y el 3,6%.

4.2.3 VELOCIDAD DE CARGA Debido a que las materias primas (incluyendo los minerales, el coque y los fundentes) se cargan por lote en el alto horno, la velocidad de carga se define como la cantidad de lotes cargados por hora. Generalmente, este valor oscila entre 6 y 10 en una operación normal. Este valor también puede usarse para recalcular la proporción de la inyección de ICP (consumo de carbón). El consumo de la inyección de carbón es ingresado como kg/lote, pero algunas veces puede encontrarse en la literatura como kg/hora. Para convertir kg/lote a kg/hora, se debe usar la siguiente fórmula:

ICP (Kg/lote) 

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ICP (Kg/hora) Velocidad de carga (lote/hora)

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4.2.4 TIPOS DE CÁLCULOS DE CARGA Existen cuatro opciones diferentes para realizar los cálculos de carga basándose en las opciones seleccionadas. La opción más fácil es “fixed weights” (pesos fijos), en la cual los pesos para todas las materias primas usadas de diferentes tipos se ingresan directamente a fin de obtener condiciones correctas de operación del horno. En este caso, se necesita ingresar cantidades de minerales, fundentes y combustibles usando el cuadro de diálogo “Charging rates” (Relaciones de carga) a la que se accede haciendo clic en la rampa de salto. Una vez que se haya ingresado todos los datos necesarios, verificar la pantalla de resultados para asegurarse de que las propiedades de la escoria se encuentren dentro del rango correcto. El cálculo de la carga se basa en el balance del elemento. Por ejemplo, el balance de CaO y el balance de SiO2. Para asegurar una operación uniforme del alto horno y una buena calidad del hierro, se espera una escoria apropiada en la operación. La propiedad de la escoria también es muy importante para extender la campaña del alto horno. La proporción del óxido básico y del óxido ácido en la escoria es un parámetro muy importante. Generalmente se define como R (basicidad de la escoria) y existe en diversas formas: R2 = CaO / SiO2

(Indice de basicidad binario)

R3 = (CaO+MgO) / SiO2

(Indice de basicidad ternario))

R4 = (CaO+MgO) / (SiO2 + Al2O3)

(Indice de basicidad cuaternario)

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Generalmente, una escoria con las propiedades que figuran en la siguiente tabla es satisfactoria para la producción. Clase de R2 R3 hierro Arrabio de 1,0-1,2 1,2-1,4 afino 0,95-1,10 1,15-1,3 Arrabio para fundición

Temperatura de fusión, °C 1300-1600

Temperatura de fusibilidad, °C 1300-1450

Viscosidad* Pa·S 0,2-0,6

1300-1600

1350-1500

0,2-0,6

*Viscosidad de CaO-SiO2-MgO-Al2O3 a 1500 °C. En la simulación, la basicidad de la escoria puede se un valor fijo o puede calcularse. Si se elige usar un valor calculado, la basicidad de la escoria se determina usando los datos de las materias primas cargadas en el alto horno. En este caso, la basicidad objetivo no es editable.

4.2.5 BASICIDAD FIJA DE LA ESCORIA Para poder elegir la basicidad objetivo de la escoria seleccionar alguna de las opciones con pesos variables y luego ingresar la basicidad objetivo. Cuando se activa una de estas opciones, el peso de las materias primas variables se calcula en forma dinámica de tal manera que se alcanza la basicidad objetivo. Luego se calculan las proporciones de las materias primas (incluyendo el mineral de hierro y fundentes) por tonelada métrica de arrabio, apuntando a la basicidad objetivo de la escoria, una escoria apropiada con un punto de fusión y viscosidad correctos y al costo más bajo posible de las materias primas. El uso de un cálculo dinámico de carga de los agregados de materias primas requiere el uso de 1 ó 2 variables en los fundentes y en los minerales. Esto significa que la cantidad cargada en el alto horno es desconocida, pero para obtener una composición correcta de la escoria se necesita dar su basicidad objetivo. Con excepción de las 2 cantidades variables, todavía se necesitará configurar los minerales y fundentes restantes usando el cuadro de diálogo “Charging rates”. El mismo cuadro de diálogo se usa en este caso para elegir las materias primas cuyas cantidades serán cargadas en forma dinámica. Cuando se usa este modelo de cálculo, existe una elección entre tres métodos diferentes para calcular los agregados necesarios de materias primas. 

2 variables de mineral



1 variable de fundente



2 variables de fundente

Cuando se usa la primera opción, se calculan dos agregados de mineral en forma dinámica. La segunda y la tercera opciones calculan una o dos cantidades de agregados de fundente en forma dinámica.

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4.3 Relaciones de carga El cuadro de diálogo “Charging rates” se usa para ingresar los pesos de todas las materias primas que deben usarse para cargar el alto horno. Por favor tener en cuenta que la composición total de los “recirculados” (reverts) debe ser menos del 1% del total de peso del mineral. En el caso de los cálculos de carga de “Fixed weights”, sólo se deberá ingresar los pesos de todos los materiales que se usen. Pero, cuando se elijen cálculos dinámicos de la carga aparecen campos adicionales que deben completarse. En la Figura 5 el usuario eligió cálculos dinámicos y usó dos pesos variables de minerales. Si se usa “Sinter 2” y “Lump ore 2” (mineral granular 2) como pesos variables, se debe hacer clic una vez en las respectivas casillas al lado de las etiquetas. Después de esto se debe ingresar el “Total ore weight”, teniendo en cuenta que los pesos fijos de “Sinter 1” y “Lump ore 1” están incluidos en el monto total. En este caso, un peso total razonable podría ser de alrededor de 90.000 toneladas.

Figura 5 – Cuadro de diálogo para la configuración de las relaciones de carga de las materias primas.

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4.4 Configuración del ambiente de producción Se llega a este cuadro de diálogo haciendo clic en el cuerpo del alto horno. Las configuraciones que pueden cambiarse aquí incluyen las temperaturas, los agregados de gas, las propiedades del viento caliente y qué tipo de modelo de pérdida de calor se usa en los cálculos del balance de calor y masa.

Figura 6 – Parámetros del ambiente de producción.

Los rangos válidos para estos parámetros son los siguientes: Ítem Arrabio Escoria Gas del tragante Mineral Ambiente Temperatura del viento Caída de temperatura del viento Presión del viento Humedad del viento Enriquecimiento de oxígeno Uso de H2 Relación de C-CH4 Grado de reducción directa (Rd) Pérdida de calor

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Rango 1430-1530 °C 1450-1560 °C 100-400 °C 0-300 °C 0-50 °C 900-1250 °C 20-150 °C 0-1000 kPa 0-20 g/Nm³ 0-20 % 25-45 % 0-20 % 38-48 % 0-15 %

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4.4.1 TEMPERATURAS Todas las temperaturas en esta sección se ingresan en grados centígrados (°C). La temperatura del arrabio y la temperatura de la escoria indican la temperatura dentro del horno, mientras que la temperatura del gas del tragante y la del mineral se refieren a la temperatura cuando se cargan en el horno. La temperatura ambiente indica la temperatura del viento en la periferia del alto horno.

4.4.2 PROPIEDADES DEL VIENTO CALIENTE La temperatura del viento caliente se mide afuera del cuerpo del horno. La caída de temperatura asociada es la diferencia entre punto de medición y la tubería de viento antes de las toberas.

4.4.3 AGREGADOS DE GAS Enriquecimiento de oxígeno: En las operaciones de los altos hornos, el enriquecimiento de oxígeno se refiere al aumento de oxígeno (%) en el viento caliente. Por lo tanto, la cantidad de oxígeno agregada al viento caliente se calcula de la siguiente manera:

w

f0 m3 / m3 (  0.21)

w : Volumen de oxígeno en m³ agregado al viento caliente de 1 m³ Enriquecimiento de oxígeno

 : Pureza del oxígeno, configurar al 99,5% en la simulación Relación de C-CH4: Se llama relación de C-CH4 al porcentaje de C que reacciona con H2 para producir CH4. El valor por defecto del carbono es del 1% en el alto horno.

4.4.4 MODELO DE PÉRDIDA DE CALOR Medir la pérdida de calor de un alto horno es muy complicado. Por lo tanto, para cumplir con la evaluación del balance de calor, esta simulación ofrece dos maneras diferentes para estimar la pérdida de calor: Modelo de pérdida de calor libre En este método, la pérdida de calor se calcula como la diferencia entre el calor entrante y el saliente. A fin de evaluar el uso de la energía, el porcentaje de pérdida de calor debe estar dentro de un rango razonable, por ejemplo, entre el 5 y el 7%. De otro modo se necesitará cambiar los parámetros de cálculo.

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Modelo de pérdida de calor fija Usar este método significa que la pérdida de calor se fija en un valor asumido, por ejemplo, el 7% del calor entrante. A fin de balancear el calor entrante y el saliente, se debe ajustar el peso de las materias primas u otros parámetros de operación para minimizar el error de calor.

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5. Relaciones subyacentes Esta sección presenta algunas relaciones científicas subyacentes que están incluidas en la simulación. Las diferentes secciones incluyen información importante sobre las áreas en las cuales no se necesita ninguna interacción pero el conocimiento sobre estas relaciones de todos modos se considera importante para poder completar la simulación exitosamente.

5.1 Proporción de la pérdida de materias primas durante la carga Los minerales, el coque y los fundentes pierden generalmente algo de su peso original durante la carga debido a la emisión de polvo y a la pérdida mecánica. Por lo tanto, es necesario compensar el material perdido cuando se predice la cantidad de materia prima agregada. Las proporciones de pérdida usadas en la simulación son: Mineral 0,03

Coque 0,02

Fundente 0,01

Por lo tanto, el peso cargado en el alto horno se calcula de la siguiente manera: P después de la pérdida = P antes de la pérdidas × (1－fracción de pérdida)

5.2 Contenido de agua libre en las materias primas Junto con, por ejemplo, los minerales granulares, el coque y los fundentes, se carga humedad (agua libre) en el alto horno. La humedad se evapora antes de que ocurra alguna reacción. Por lo tanto, el peso de todas las materias primas en el cálculo se refiere al peso seco (peso total menos el peso del agua libre). El agua libre agregada de esta manera al sistema del horno afecta el balance de energía de manera perjudicial. Asimismo, se necesita compensar las cantidades de materia prima por el contenido de agua libre para obtener el peso seco correcto de la materia prima agregada.

5.3 Factores de distribución de los elementos Los siguientes factores de distribución de los elementos entre el arrabio y la escoria se usan en la simulación: Elementos Hierro fundido Escoria

Fe 0,997 0,003

Mn 0,5 0,5

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P 1 0

S 0,075 0,9

V 0,7 0,3

Ti 0,3 0,7

K 0,7 0,3

Na 0,7 0,3

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6 Evaluación del balance de calor y masa La evaluación del balance de calor y masa es un cálculo del proceso muy importante para el alto horno. Es posible analizar el rendimiento de la producción del alto horno a través de la evaluación del balance.

6.1 Balance de masa El balance de masa se calcula comparando la cantidad de materiales entrantes y salientes, por ejemplo, el volumen del soplado, el peso del carbón inyectado, el peso del mineral de hierro, etc. Una vez realizado, se usa como base para el balance de calor. Establecer un balance de masa correcto siempre es el primer paso crucial para garantizar la validez del balance de energía. n

k

m

 M X   M Y i 1 j1

i

ij

j1 t 1

j

jt

Generalmente, el balance de masa se hace de una de dos maneras diferentes.

6.1.1 PRODUCIÓN DEL ALTO HORNO La composición del gas del tragante puede analizarse mediante una muestra del gas; por lo tanto, el grado de reducción directa del hierro (Rd) se calcula con estos datos. El objetivo del balance de masa en este aspecto es calcular el volumen del soplado y del gas y verificar el peso de las materias primas durante la producción. Se debe tener cuidado para cuantificar correctamente el peso de las materias primas, de lo contrario, se producirá un error significativo en el balance de calor.

6.1.2 DISEÑO DEL ALTO HORNO Aquí, el grado de reducción directa del hierro (Rd) se asume de acuerdo con las propiedades del mineral, las condiciones de operación y las experiencias. El valor del Rd tiene una gran influencia en el balance de calor y en el balance de masa. Las composiciones del gas del tragante también se calculan con este dato. Ambos métodos usan un principio similar de cálculo del balance de masa. En esta simulación, se adopta el segundo método, lo que significa que el usuario fija el valor del Rd dentro de un rango apropiado.

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El cálculo del balance de masa (por tonelada métrica de hierro fundido) incumbe a: Masa entrante Peso del mineral mezclado Peso del coque y peso del coque pequeño Polvo de carbón y carbón granular Peso del fundente Peso del viento1) Agua libre Masa total entrante Mentante 1)

Masa saliente 1000 kg de hierro fundido Peso de la escoria Peso del gas del tragante y su composición Peso de la humedad en el gas del tragante Peso del polvo Masa total saliente Msaliente

El volumen del soplado se calcula sobre la base del contenido de oxígeno en el viento y del

peso del carbono quemado en el área de combustión, y luego con la densidad del viento, se obtiene el peso del viento. El error de masa entre la masa entrante y la masa saliente se calcula de la siguiente manera:

Emasa 

M entrante  M saliente x100% M entrante

El valor de Emasa debe ser inferior al 2% en la práctica.

6.2 Balance de calor El balance de calor se usa para evaluar el uso de energía en el alto horno, y sobre la base de la evaluación, se reduce los costos y se obtiene un alto uso de la energía. n

k

W i 1 j 1

ij

m

l

 Cij  W jt  C jt  Q pérdida j 1 t 1

Calor entrante Oxidación del carbono Viento caliente Oxidación del hidrógeno Escoria que forma calor Calor provisto por los materiales

Calor entrante total Centrante

Calor saliente Descomposición del óxido Descomposición del carbonato Descomposición de la humedad Evaporación del agua libre Descomposición del carbón Hierro fundido Escoria Gas del tragante Pérdida de calor Calor saliente total Csaliente

El error de calor entre el calor entrante y el saliente se determina por:

Cmasa 

Centrante  Csaliente  x100% Centrante

El valor de pérdida de calor debe mantenerse en un rango apropiado para una operación uniforme del alto horno. Este valor varía para altos hornos diferentes o para el mismo alto horno que produce diferentes clases de hierro. Generalmente, Hmasa debe encontrase dentro

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del rango del 3-8% para la producción de arrabio de afino y del 6-10% para la producción de arrabio para fundición. El valor de la pérdida de calor también puede usarse para identificar si el consumo de coque o el consumo de combustible se encuentran dentro del rango correcto. Una gran pérdida de calor significa que el consumo de coque o el consumo de combustible excede lo que se necesita o viceversa, que el alto horno necesita más coque o combustibles. La entalpía de la escoria se calcula con la composición de la escoria y su capacidad de calor dentro de un sistema ternario de CS, C2S y C2AS. A continuación figuran algunos datos de la capacidad calorífica usados en los cálculos del balance de calor. Tabla 1 – Capacidad calorífica del gas: Cp = 4.18 × (a+bT+cT2) J•mol-1•k-1

a 7,16 6,66 6,52 6,79 10,55 5,65 7,17

O2 N2 H2 CO CO2 CH4 H2O(g)

b×10-3 1,00 1,02 0,78 0,98 2,16 11,44 2,56

c×10-5 -0,4 0,12 -0,11 -2,04 -0,46 0,08

Temperatura/°C 25-2700 25-2200 25-2700 25-2200 25-2200 25-1200 25-2500

Tabla 2 – Capacidad calorífica del hierro fundido: Cp=4.18 × (a+bT+cT2) J·mol-1·k-1

a 4,18 10,5 19,64 29

Fe Fe3C

b×10-3 5,92 0 20 0

c×10-5 0 0 0 0

Temperatura/°C 0-760 1400-1536 0-190 1227-1727

Tabla 3 – Capacidad calorífica y entalpía de la escoria: Cp=4.18 × (a+bT+cT2) J·mol-1·k-1

CS C3S2 C2AS C2S

A 26,64 25,85 64 53,73 27,16 34,87 32,17

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b×10-3 3,6 3,94 9,05 17,68 19,6 9,74 11,02

c×10-5 -6,52 -5,65 -16,6 -0,89 0 6,26 0

Temperatura/K 298-1463 1463-1813 298-948 948-1693 1693-2403

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7 Evaluación de la eficacia de la operación Una vez terminados el balance de calor y el balance de masa se puede evaluar la eficacia de la energía del alto horno por medio de algunos índices, por ejemplo, el coeficiente de utilización de la energía disponible y el coeficiente de utilización de la energía del carbono.

7.1 Coeficiente de utilización de la energía disponible El coeficiente de utilización de la energía disponible (Kt) se refiere a la relación del calor saliente menos el calor tomado por el gas del tragante y la pérdida de calor en el calor entrante total. Se calcula de la siguiente manera:

Kt 

Csaliente  C gas  C pérdida x100% Centrante

Un valor alto de Kt indica una mejor utilización de la energía. Generalmente, se encuentra en el rango del 75% al 85%, pero para algunos altos hornos puede ser tan alto como el 90%.

7.2 Coeficiente de utilización de la energía del carbono El coeficiente de utilización de la energía del carbono (Kc) es la relación entre el calor liberado por la oxidación del carbono, en la cual se producen CO y CO2, y el calor emitido cuando el carbono es completamente oxidado a CO2. Puede expresarse de la siguiente manera:

Kc 

CC1CO  CC 2 CO2 C( C1 C 2) CO2

x100%

Por lo general, Kc varía del 48% al 56%, pero en algunos casos raros puede alcanzar el 60%.

7.3 Evaluación de la eficacia de la producción Para comparar y evaluar la eficacia de la producción de altos hornos diferentes y sus costos, se usan algunos parámetros útiles en la industria del acero, tales como el coeficiente de utilización del volumen, el consumo de coque, el ICP, la temperatura del viento, así como también el coeficiente de utilización de la energía disponible y de la energía del carbono (Kt, Kc), según se describió arriba. En esta simulación, estos parámetros se evalúan y clasifican en tres niveles: normal, bueno y muy bueno según los índices publicados por algunos productores de acero.

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Guía del Usuario de Altos Hornos

Tabla 4 –Índices estándar para la evaluación de la eficacia de la producción

Ítem Coeficiente de utilización, t/m³d

Volumen / m³ < 1000 >= 1000

Consumo de coque, kg/t Consumo de carbón, kg/t Consumo de combustible, kg/t Caliza, kg/t Dolomita, kg/t Sílice, kg/t Fluorita, kg/t Contenido de Fe en los minerales,% Temperatura del viento, °C Kt, % Kc, %

Normal

Bueno

Muy bueno

2-3 2-2.3 550-450