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Antiguo alto horno en el Puerto de Sagunt, Valencia, España.

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 a que el aire de combustión es "forzado" o suministrado por encima de la presión atmosférica. [1]

En un alto horno, el combustible ( coque ), minerales y fundente ( piedra caliza ) se suministran continuamente a través de la parte superior del horno, mientras que una ráfaga de aire caliente (a veces con enriquecimiento de oxígeno ) se insufla en la sección inferior del horno a través de un una serie de tubos llamados toberas , de modo que las reacciones químicas tienen lugar en todo el horno a medida que el material cae hacia abajo. Los productos finales suelen ser metal fundido y escoria.fases extraídas de la parte inferior y gases residuales (gases de combustión) que salen de la parte superior del horno. El flujo descendente del mineral junto con el flujo en contacto con un flujo ascendente de gases de combustión calientes ricos en monóxido de carbono es un proceso de intercambio en contracorriente y reacción química. [2]

Por el contrario, los hornos de aire (como los hornos de reverberación ) son de aspiración natural, generalmente por convección de gases calientes en un conducto de humos. De acuerdo con esta definición amplia, los molinos para el hierro, las casas de soplado para el estaño y los molinos de fundición para el plomo se clasificarían como altos hornos. Sin embargo, el término se ha limitado habitualmente a los utilizados para fundir mineral de hierro para producir arrabio , un material intermedio utilizado en la producción de hierro y acero comerciales , y los hornos de cuba utilizados en combinación con plantas de sinterización en la fundición de metales básicos .[3] [4]

Ingeniería de procesos y química [ editar ]

Altos hornos de Třinec Iron and Steel Works , República Checa

Los altos hornos funcionan según el principio de reducción química mediante el cual el monóxido de carbono, que tiene una afinidad más fuerte por el oxígeno del mineral de hierro que el hierro, reduce el hierro a su forma elemental. Los altos hornos se diferencian de los bloomeries y hornos de reverberación en que en un alto horno, el gas de combustión está 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 a hierro elemental mezclado con carbono. El alto horno funciona como un proceso de intercambio en contracorriente , mientras que un bloomery no lo hace. Otra diferencia es que los bloomeries operan como un proceso por lotes mientras que los altos hornos operan continuamente durante largos períodos porque son difíciles de encender y apagar. (Ver:Producción continua ) Además, el carbono en el 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 floración.

La sílice debe eliminarse del arrabio. Reacciona con el óxido de calcio (piedra caliza quemada) y forma un silicato que flota hacia 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 descendente de mineral, fundente, coque o carbón vegetal y los productos de reacción deben ser lo suficientemente porosos como para que los gases de combustión pasen. Esto requiere que el coque o el carbón estén en partículas lo suficientemente grandes como para ser permeables, lo que significa que no puede haber un exceso de partículas finas. Por lo tanto, el coque debe ser lo suficientemente fuerte para que no sea aplastado por el peso del material que está encima. Además de la resistencia física del coque, también debe ser bajo en azufre, fósforo y cenizas. Esto requiere el uso de carbón metalúrgico, que es un grado superior debido a su relativa escasez.

La principal reacción química que produce el hierro fundido es:

Fe 2 O 3 + 3CO → 2Fe + 3CO 2 [5]

Esta reacción puede dividirse en varios pasos, siendo el primero que el aire precalentado que se sopla en el horno reacciona con el carbono en forma de coque para producir monóxido de carbono y calor:

2 C (s) + O 2 (g) → 2 CO (g) [6]

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 (más cálidas en la parte inferior) el hierro se reduce en varios pasos. En la parte superior, donde la temperatura suele estar en el rango entre 200 ° C y 700 ° C, el óxido de hierro se reduce parcialmente a óxido de hierro (II, III), Fe 3 O 4 .

3 Fe 2 O 3 (s) + CO (g) → 2 Fe 3 O 4 (s) + CO 2 (g) [6]

A temperaturas alrededor de 850 ° C, más abajo en el horno, el hierro (II, III) se reduce aún más a óxido de hierro (II):

Fe 3 O 4 (s) + CO (g) → 3 FeO (s) + CO 2 (g) [6]

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 hacia la zona de reacción. A medida que el material viaja hacia abajo, los gases a contracorriente precalientan la carga de alimentación y descomponen la piedra caliza en óxido de calcio y dióxido de carbono:

CaCO 3 (s) → CaO (s) + CO 2 (g) [6]

El óxido de calcio formado por descomposición reacciona con diversas impurezas ácidas en el hierro (en particular sílice ), para formar una escoria fayalítica que es esencialmente silicato de calcio , Ca Si O
3: [5]

SiO 2 + CaO → CaSiO 3 [7] [se necesita una mejor fuente ]

A medida que el óxido de hierro (II) se mueve hacia el área con temperaturas más altas, que van hasta 1200 ° C grados, se reduce aún más a hierro metálico:

FeO (s) + CO (g) → Fe (s) + CO 2 (g) [6]

El dióxido de carbono formado en este proceso se vuelve a reducir a monóxido de carbono por el coque :

C (s) + CO 2 (g) → 2 CO (g) [6]

El equilibrio dependiente de la temperatura que controla la atmósfera de gas en el horno se llama reacción de Boudouard :

2CO ⇌ CO 2 + C

El " arrabio " producido por el alto horno tiene un contenido de carbono relativamente alto de alrededor del 4 al 5% y generalmente contiene demasiado azufre, lo que lo hace muy frágil y de uso comercial inmediato limitado. Algo de arrabio se usa para hacer 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 varios grados de acero que se utilizan 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 (llamadodesulfuración de cal ). [8] En una etapa adicional del proceso, la denominada fabricación de acero con oxígeno básico , el carbono se oxida soplando oxígeno sobre el arrabio líquido para formar acero bruto .

Aunque la eficiencia de los altos hornos está en constante evolución, el proceso químico dentro del alto horno sigue siendo el mismo. Según el Instituto Estadounidense del Hierro y el Acero : "Los altos hornos sobrevivirán hasta el próximo milenio porque los hornos más grandes y eficientes pueden producir metal caliente a costos competitivos con otras tecnologías de fabricación de hierro". [9] Uno de los mayores inconvenientes de los altos hornos es la inevitable producción de dióxido de carbono, ya que el hierro se reduce a partir de los óxidos de hierro por el carbono y, a partir de 2016, no hay un sustituto económico: la fabricación de acero es uno de los mayores contribuyentes industriales de CO 2 emisiones en el mundo (ver gases de efecto invernadero ).

El desafío planteado por las emisiones de gases de efecto invernadero del alto horno se está abordando en un programa europeo en curso llamado ULCOS (Ultra Low CO 2 Steelmaking ). [10] Se han propuesto e investigado en profundidad varias rutas de proceso nuevas para reducir emisiones específicas ( CO
2por 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. [11] En un término más cercano, se está desarrollando una tecnología que incorpora CCS en el proceso de alto horno en sí y se llama Alto horno de reciclaje de gas superior, con una ampliación a un alto horno de tamaño comercial en curso. La tecnología debería estar plenamente demostrada a finales de la década de 2010, de acuerdo con el calendario establecido, por ejemplo, por la UE para reducir las emisiones de forma significativa. El despliegue general podría tener lugar a partir de 2020. [ cita requerida ]

Historia [ editar ]

Una ilustración de fuelles de horno accionados por ruedas hidráulicas , del Nong Shu , por Wang Zhen , 1313, durante la dinastía Yuan de China
Clarificación y alto horno chino, Tiangong Kaiwu , 1637.
Ver también: Historia de la metalurgia ferrosa

Se ha encontrado hierro fundido en China que data del siglo V a. C., pero los primeros altos hornos existentes en China datan del siglo I d. C. y en Occidente de la Alta Edad Media . [12] 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 fue invariablemente carbón vegetal . La exitosa sustitución del carbón vegetal 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 ( explosión caliente), patentado por el inventor escocés James Beaumont Neilson en 1828. [13]

China [ editar ]

Véase también: Historia de la metalurgia en China

La evidencia arqueológica muestra que los florecimientos aparecieron en China alrededor del 800 a. C. Originalmente se pensó que los chinos comenzaron a fundir hierro desde el principio, pero esta teoría ha sido desacreditada desde entonces 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 en día existe un museo en el sitio). [14] Sin embargo, no hay evidencia de la floración en China después de la aparición del alto horno y el 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 un hogar de clarificación. [15]

Aunque las herramientas y las armas agrícolas de hierro fundido estaban muy extendidas en China en el siglo V a.C., empleando fuerzas de trabajo 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. [16] Estos primeros hornos tenían paredes de arcilla y utilizaban minerales que contienen fósforo como fundente . [17] Los altos hornos chinos oscilaban 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 [18]

La eficacia de los altos hornos de caballos propulsión humana chino y se ha mejorado durante este periodo por el ingeniero de Du Shi , que aplica el poder de (c 31 dC.) Ruedas hidráulicas a pistón - fuelle de forja de hierro fundido. [19] Los primeros reciprocadores accionados por agua para operar altos hornos se construyeron de acuerdo con la estructura de reciprocadores accionados por caballos que ya existían. Es decir, el movimiento circular de la rueda, ya sea impulsado por caballos o por agua, se transfirió mediante la combinación de una transmisión por correa , una manivela y biela, otras bielas y varios ejes, en el movimiento recíproco necesario. para operar un fuelle de empuje. [20][21] Donald Wagner sugiere que los primeros altos hornos y la producción de hierro fundido evolucionaron a partir de los hornos utilizados para fundir el bronce. Ciertamente, sin embargo, el hierro era esencial para el éxito militar cuando el Estado de Qin unificó China (221 a. C.). El uso de altos hornos y hornos de cúpula se mantuvo generalizado durante las dinastías Song y Tang . [22] En el siglo XI, laindustria del hierro china de la dinastía Song cambió los recursos del carbón vegetal al coque en fundición de hierro y acero, evitando la tala de miles de acres de bosques. Esto puede haber sucedido ya en el siglo IV d.C. [23] [24]

La principal ventaja de los primeros altos hornos residía en la producción a gran escala y en hacer que los implementos de hierro estuvieran más disponibles para los campesinos. [25] El hierro fundido es más quebradizo que el hierro forjado o el acero, que requirieron clarificación adicional y luego cementación o co-fusión para producir, pero para actividades serviles como la agricultura era suficiente. Al utilizar el alto horno, fue posible producir mayores cantidades de herramientas, como rejas de arado, de manera más eficiente que el bloomery. En áreas donde la calidad era importante, como la guerra, se prefería el hierro forjado y el acero. Casi todas las armas del período Han están hechas de hierro forjado o acero, con la excepción de las cabezas de hacha, de las cuales muchas están hechas de hierro fundido. [26]

Los altos hornos también se utilizaron más tarde para producir armas de pólvora, como proyectiles de bombas de hierro fundido y cañones de hierro fundido durante la dinastía Song . [27]

Europa medieval [ editar ]

La fragua más simple, conocida como corsa, se utilizó antes de la llegada del cristianismo. Ejemplos de floraciones mejoradas son el Stückofen  [ fr ] [28] (a veces llamado Wolf - Furnace [ 29] ), que permaneció hasta principios del siglo XIX. En lugar de utilizar tiro natural, el aire se bombeaba mediante un trampantojo , lo que resultaba en un hierro de mejor calidad y una mayor capacidad. Este bombeo de corriente de aire con fuelles se conoce como chorro de aire frío , y aumenta la eficiencia del combustible del bloomery y mejora el rendimiento. También se pueden construir más grandes que las flores de tiro natural.

Los altos hornos europeos más antiguos [ editar ]

El primer alto horno de Alemania representado en miniatura en el Deutsches Museum

Los altos hornos conocidos más antiguos de Occidente se construyeron en Dürstel en Suiza , Märkische Sauerland en Alemania, y en Lapphyttan en Suecia , donde el complejo estuvo activo entre 1205 y 1300. [30] En Noraskog en la parroquia sueca de Järnboås, hay También se han encontrado rastros de altos hornos que datan incluso antes, posiblemente alrededor de 1100. [31] Estos primeros altos hornos, como los ejemplos chinos , eran muy ineficientes en comparación con los que se usan hoy. El hierro del complejo Lapphyttan se utilizó para producir bolas de hierro forjado conocidas como osmonds., y estos fueron comercializados internacionalmente - una posible referencia ocurre en un tratado con Novgorod de 1203 y varias referencias ciertas en cuentas de costumbres inglesas de las décadas de 1250 y 1320. En Westfalia se han identificado otros hornos de los siglos XIII al XV . [32]

La tecnología requerida para los altos hornos puede haber sido transferida desde China o puede haber sido una innovación autóctona. Al-Qazvini en el siglo XIII y otros viajeros observaron posteriormente una industria del hierro en las montañas de 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 posteriores registran altos hornos de unos tres metros de altura. [33] Como la gente de Varangian Rus de Escandinavia comerciaba con el Caspio (usando su ruta comercial del Volga ), es posible que la tecnología llegara a Suecia por este medio.[34] El paso de la floración a un verdadero alto horno no es grande. Simplemente construyendo un horno más grande y usando fuelles más grandes para aumentar el volumen de la explosión y, por lo tanto, la cantidad de oxígeno conduce inevitablemente a temperaturas más altas, la floración se derrite en hierro líquido y el hierro fundido fluye de las fundiciones. Ya se sabe que los vikingos han utilizado fuelles dobles, lo que aumenta enormemente el flujo volumétrico de la explosión. [35]

La región del Caspio también puede haber sido la fuente para el diseño del horno en Ferriere , descrito por Filarete , [36] que involucra un fuelle accionado por agua en Semogo  [ it ] en Valdidentro en el norte de Italia en 1226 en un proceso de dos etapas. Con este proceso, el hierro fundido se vertió dos veces al día en agua, granulándolo así. [37]

Contribuciones cistercienses [ editar ]

Un medio por el que se difundieron ciertos avances tecnológicos en Europa fue el resultado del Capítulo General de los monjes cistercienses . Esto puede haber incluido el alto horno, ya que se sabe que los cistercienses eran hábiles metalúrgicos . [38] 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 sólo a varios metros de distancia, y la energía hidráulica impulsaba la maquinaria de las diversas industrias. ubicado en su piso. " Los depósitos de mineral de hierro a menudo se donaban a los monjes junto con las forjas para extraer el hierro, y en poco tiempo se ofrecían a la venta los excedentes. Los cistercienses se convirtieron en los principales productores de hierro de Champagne, Francia, desde mediados del siglo XIII hasta el siglo XVII, [39] utilizando también la escoria rica en fosfato de sus hornos como fertilizante agrícola. [40]

Los arqueólogos todavía están descubriendo el alcance de la tecnología cisterciense. [41] 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. [42] La escoria de otros hornos de la época contenía una concentración sustancial de hierro, mientras que se cree que Laskill produjo hierro fundido de manera bastante eficiente. [42] [43] [44] Su fecha aún no está clara, pero probablemente no sobrevivió hasta la disolución de los monasterios por parte de Enrique VIII a fines de la década de 1530, como un acuerdo (inmediatamente después) sobre los "smythes" con laConde de Rutland en 1541 se refiere a las flores. [45] Sin embargo, no se han determinado finalmente los medios por los que se extendió el alto horno en la Europa medieval.

Origen y difusión de los altos hornos modernos [ editar ]

Dibujo de época de un alto horno del siglo XVIII

Debido a la creciente demanda de hierro para los cañones de fundición, el alto horno se generalizó en Francia a mediados del siglo XV. [46] [47]

El antepasado directo de estos utilizados en Francia e Inglaterra estaba en la región de Namur en lo que hoy es Valonia (Bélgica). Desde allí, se extendieron primero al Pays de Bray en el límite oriental de Normandía y de allí al Weald of Sussex , donde se construyó el primer horno (llamado Queenstock) en Buxted alrededor de 1491, seguido por uno en Newbridge en Ashdown Forest. en 1496. Siguieron siendo pocos en número hasta alrededor de 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 llevó a forjas de alta calidad para la producción debarra de hierro . [48]

Los primeros hornos británicos fuera del Weald aparecieron durante la década de 1550, y muchos se construyeron en el resto de ese siglo y 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. Aparentemente, esto se debió a que era más económico importar hierro de Suecia y de otros lugares que fabricarlo en lugares británicos más remotos. El carbón vegetal que estaba disponible económicamente para la industria probablemente se consumía tan rápido como la madera para hacerlo crecía. [49] El alto horno Backbarrow construido en Cumbria en 1711 ha sido descrito como el primer ejemplo eficiente. [ quien? ]

El primer alto horno en Rusia se inauguró en 1637 cerca de Tula y se llamó Gorodishche Works. El alto horno se extendió desde aquí al centro de Rusia y luego finalmente a los Urales . [50]

Altos hornos de coque [ editar ]

Los altos hornos originales en Blists Hill, Madeley, Inglaterra
Carga del alto horno experimental, laboratorio de investigación de nitrógeno fijo, Washington DC, 1930

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 Coke fue su menor costo, principalmente porque la fabricación de coque requería mucho menos trabajo que la tala de árboles y la fabricación de carbón vegetal, pero el uso de coque también superó la escasez localizada de madera, especialmente en Gran Bretaña y en el continente. El coque de grado metalúrgico soportará más peso que el carbón vegetal, lo que permitirá hornos más grandes. [51] [52]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 explosión en caliente redujera la cantidad de coque requerida y antes de que las temperaturas del horno fueran lo suficientemente altas para hacer que la escoria de la piedra caliza fluyera libremente. (La piedra caliza retiene el azufre. También se puede agregar manganeso para ligar el azufre.) [53] : 123-125 [54] [55] [46] : 122-23

El hierro de coque se utilizó inicialmente solo para trabajos de fundición , fabricación de ollas y otros artículos 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 a los propietarios de forjas de lujo arrabio de coque para la producción de barras de hierro. El arrabio de coque era en ese momento más barato de producir que el arrabio de carbón vegetal. El uso de un combustible derivado del carbón en la industria del hierro fue un factor clave en la Revolución Industrial británica . [56] [57] [58] El alto horno original de Darby ha sido excavado arqueológicamente y se puede ver in situ en Coalbrookdale, parte de Ironbridge Gorge.Museos. El hierro fundido del horno se usó para hacer vigas para el primer puente de hierro del mundo en 1779. El Puente de Hierro cruza el río Severn en Coalbrookdale y permanece en uso para los peatones.

Explosión a vapor [ editar ]

La máquina de vapor se aplicó para impulsar el aire, superando la escasez de energía hidráulica en las áreas donde se ubicaban el carbón y el mineral de hierro. El cilindro de soplado de hierro fundido se desarrolló en 1768 para reemplazar los fuelles de cuero, que se desgastaron rápidamente. La máquina de vapor y el cilindro de soplado de hierro fundido dieron lugar a un gran aumento de la producción de hierro británica a finales del siglo XVIII. [46]

Explosión caliente [ editar ]

La explosión en caliente fue el avance más importante en la eficiencia del combustible de los altos hornos y fue una de las tecnologías más importantes desarrolladas durante la Revolución Industrial . [59] [60] Hot blast fue patentado por James Beaumont Neilson en Wilsontown Ironworksen Escocia en 1828. Pocos años después de la introducción, la explosión en caliente se desarrolló hasta el punto en que el consumo de combustible se redujo en un tercio con coque o en dos tercios con carbón, mientras que la capacidad del horno también aumentó significativamente. En unas pocas décadas, la práctica era tener una "estufa" tan grande como el horno contiguo a la cual se dirigía y quemaba el gas residual (que contiene CO) del horno. El calor resultante se utilizó para precalentar el aire insuflado en el horno. [61]

Hot Blast permitió el uso de carbón de antracita crudo , que era difícil de encender, en el alto horno. La antracita fue probada con éxito por primera vez por George Crane en Ynyscedwyn Ironworks en el sur de Gales en 1837. [62] Fue incorporada en Estados Unidos por Lehigh Crane Iron Company en Catasauqua, Pensilvania , en 1839. El uso de antracita disminuyó cuando los altos hornos de alta capacidad requerían la coca se construyó en la década de 1870.

Hornos modernos [ editar ]

Altos hornos de hierro [ editar ]

El alto horno sigue siendo una parte importante de la producción moderna de hierro. Los hornos modernos son altamente eficientes, incluidas las estufas Cowper para precalentar el aire de explosión y emplear 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. [63]

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. Las variaciones del alto horno, como el alto horno eléctrico sueco, se han desarrollado en países que no tienen recursos de carbón nativo.

Altos hornos de plomo [ editar ]

En la actualidad, los altos hornos se utilizan raramente en la fundición de cobre, pero los altos hornos modernos de fundición de plomo son mucho más cortos que los altos hornos de hierro y tienen forma rectangular. [64] La altura total del pozo es de entre 5 y 6 m. [65] Los altos hornos de plomo modernos se construyen con revestimientos de acero o cobre refrigerados por agua para las paredes y no tienen revestimientos refractarios en las paredes laterales. [64] La base del horno es una solera de material refractario (ladrillos o refractario moldeable). [64] Los altos hornos de plomo suelen tener la parte superior abierta en lugar de utilizar la campana de carga en los altos hornos de hierro. [66]

El alto horno utilizado en la fundición de plomo Nyrstar Port Pirie se diferencia de la mayoría de los otros altos hornos de plomo en que tiene una doble fila de toberas en lugar de la única fila que se utiliza normalmente. [65] El eje inferior del horno tiene forma de silla y la parte inferior del eje es más estrecha que la superior. [65] La fila inferior de toberas está ubicada en la parte estrecha del eje. [65] Esto permite que la parte superior del eje sea más ancha que la estándar. [sesenta y cinco]

Altos hornos de zinc (Hornos de fundición imperiales) [ editar ]

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. [67] 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 lugar a la formación de óxido de zinc. [67]

Los altos hornos utilizados en el ISP tienen un funcionamiento más intenso que los altos hornos de plomo estándar, con mayores tasas de soplado de aire por m 2 de área de hogar y un mayor consumo de coque. [67]

La producción de zinc con el ISP es más cara que con las plantas de zinc electrolítico , por lo que varias fundiciones que operan con esta tecnología han cerrado en los últimos años. [68] Sin embargo, los hornos ISP tienen la ventaja de poder tratar concentrados de zinc que contienen niveles más altos de plomo que las plantas de zinc electrolítico. [67]

Proceso moderno [ editar ]

Alto horno colocado en una instalación
  1. Mineral de hierro + sinterización de piedra caliza
  2. Coca
  3. Ascensor
  4. Entrada de materia prima
  5. Capa de coca
  6. Capa de pellets de sinterización de mineral y piedra caliza
  7. Ráfaga caliente (alrededor de 1200 ° C)
  8. Eliminación de escoria
  9. Roscado de arrabio fundido
  10. Olla de escoria
  11. Carro torpedo para arrabio
  12. Ciclón de polvo para la separación de partículas sólidas
  13. Estufas Cowper para explosión de calor
  14. Pila de humo
  15. Aire de alimentación para estufas Cowper (precalentadores de aire)
  16. Carbón en polvo
  17. Horno de coque
  18. Coca
  19. Bajante de gas de alto horno
Diagrama de alto horno
  1. Explosión de calor de las estufas Cowper
  2. Zona de fusión ( bosh )
  3. Zona de reducción de óxido ferroso ( barril )
  4. Zona de reducción de óxido férrico ( pila )
  5. Zona de precalentamiento ( garganta )
  6. Alimentación de mineral, piedra caliza y coque.
  7. Gases de escape
  8. Columna de mineral, coque y piedra caliza
  9. Eliminación de escoria
  10. Roscado de arrabio fundido
  11. Recolección de gases residuales

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 barcazas. Las materias primas se transfieren al complejo de almacenamiento mediante puentes de mineral o tolvas de ferrocarril 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 volquete impulsado por cabrestantes o cintas transportadoras. [9]

Hay 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 en el alto horno. El propósito 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. [69] [70] Un diseño más reciente es utilizar un sistema "sin campana". Estos sistemas utilizan múltiples tolvas para contener cada materia prima,que luego se descarga en el alto horno a través de válvulas.[69] Estas válvulas son más precisas para controlar la cantidad de cada componente que se agrega, en comparación con el sistema de volteo 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 con la tapa de Paul Wurth) para controlar con precisión dónde se coloca la carga. [71]

El propio alto horno de fabricación de hierro 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 cuando comienza a producirse la fusión. Coca-Cola, piedra calizaEl fundente 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 de los aumentos repentinos de presión del gas. Las partículas gruesas de los gases de escape se depositan en el "colector de polvo" y se vierten en un vagón o camión para su eliminación, mientras que el gas fluye a través de un depurador venturi y / o precipitadores electrostáticos y un enfriador de gas para reducir la temperatura del gas limpio. [9]

La "caseta de fundición" en la mitad inferior del horno contiene la tubería, toberas de cobre enfriadas por agua y el equipo para fundir el hierro líquido y la escoria. Una vez que se perfora un "orificio de grifo" a través del tapón de arcilla refractaria, el hierro líquido y la escoria fluyen por un canal a través de una abertura "skimmer", separando el hierro y la escoria. Los altos hornos modernos y más grandes pueden tener hasta cuatro orificios de grifería y dos casetas de fundición. [9] Una vez que se han sangrado el arrabio y la escoria, el orificio de la grifería se tapa de nuevo con arcilla refractaria.

Toberas de Alto Horno en Gerdau , Brasil

Las toberas se utilizan para implementar un chorro de agua caliente , que se utiliza para aumentar la eficiencia del alto horno. La ráfaga caliente se dirige al horno a través de boquillas de cobre enfriadas por agua llamadas toberas cerca de la base. La temperatura de la ráfaga caliente puede ser de 900 ° C a 1300 ° C (1600 ° F a 2300 ° F) dependiendo del diseño y condición de la estufa. Las temperaturas con las que tratan pueden ser de 2000 ° C a 2300 ° C (3600 ° F a 4200 ° F). Petróleo , alquitrán , gas natural , carbón en polvo y oxígenoTambién se puede inyectar en el horno a nivel de tobera para combinar con el coque para liberar energía adicional y aumentar el porcentaje de gases reductores presentes que es necesario para aumentar la productividad. [9]


Fabricación de lana de roca [ editar ]

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 centrifuga para formar el producto de lana de roca. [72] Muy pequeñas cantidades de metales también se producen, que son un subproducto no deseado subproducto .

Los altos hornos desmantelados como sitios de museo [ editar ]

Artículo principal: Lista de altos hornos históricos conservados

Durante mucho tiempo, era un procedimiento normal que un alto horno fuera de servicio fuera demolido y reemplazado por uno más nuevo y mejorado, o que se demoliera todo el sitio para dejar espacio para el uso posterior del área. 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 existe en Alemania; otros sitios de este tipo existen en España, Francia, República Checa , Japón, Luxemburgo , Polonia , Rumania , México , Rusia y Estados Unidos.

Sistemas de limpieza de gases [ editar ]

Los gases de escape de un alto horno generalmente se limpian en el colector de polvo , como un separador inercial, una cámara de filtros o un precipitador electrostático . Cada tipo de colector de polvo tiene fortalezas y debilidades: algunos recolectan partículas finas, algunas partículas gruesas, algunos recolectan partículas cargadas eléctricamente. La limpieza eficaz de los gases de escape se basa en múltiples etapas de tratamiento. [73]

A veces, el calor residual también se recoge de los gases de escape.

Galería [ editar ]

  • Alto horno abandonado en Sestao , España. El horno en sí está dentro de la viga central.

  • Parte del sistema de limpieza de gases de un alto horno en Monclova , México. Este está a punto de ser retirado y reemplazado.

Ver también [ editar ]

  • Horno de oxígeno básico
  • Proceso de fundición de zinc en alto horno
  • Acero al crisol
  • Extracción de hierro
  • Gas de agua , producido por una "explosión de vapor"
  • FINEX
  • Proceso Flodin
  • Herrería y acería en Inglaterra , que abarca herrajes de todo tipo.
  • Laskill

Referencias [ editar ]

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Bibliografía [ editar ]

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Enlaces externos [ editar ]

  • Instituto Americano del Hierro y el Acero
  • Animación de alto horno
  • Amplia galería de imágenes sobre todos los métodos de fabricación y conformación del hierro y el acero en América del Norte y Europa. En alemán e inglés.
  • Diagrama esquemático de alto horno y estufa Cowper