18-27m427 horno de arco de corriente continua con doble cuba, con ahorro de energía, para chatarra...
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18 R e v i s t a A B B 9 / 1 0 1 9 9 6
os trabajos de desarrollo del nuevo
horno de arco de corriente continua con
doble cuba (EODCTEAF, Energy Optimized
Direct Current Twin Electric Arc Furnace)
se han centrado en la búsqueda de
nuevas vías para optimizar el consumo
total de energía en la fabricación de acero
–y con él el porcentaje de corriente eléctri-
ca– empleando la acreditada tecnología
de corriente continua de ABB. La materia
prima principal para la carga será chatarra
de baja calidad (es decir, con bajo peso
específico y alto contenido de impurezas
orgánicas) y, en menor cantidad, otros
materiales ferrosos, como el hierro-espon-
ja, el arrabio y otros similares.
Comparado con los hornos de cons-
trucción convencional, el nuevo horno de
ABB da resultados muy superiores con
combustibles fósiles y con las sustancias
que de forma natural están contenidas en
el arrabio o en el hierro-esponja. Esto ha
sido posible gracias a que el proceso de
postcombustión tiene lugar en el horno
mismo y está controlado con gran preci-
sión.
La Tabla 1 muestra las posibilidades del
horno de arco de corriente continua con
doble cuba.
1
Balance energético de los hornos
de arco
Los «gastos» en el balance
de energía
El balance energético de un horno de arco
voltaico, y de cualquier otro horno de fu-
sión, presenta las tres «posiciones princi-
pales de gastos» siguientes:
• las sustancias a fundir,
• las pérdidas no estacionarias,
• las pérdidas estacionarias.
Material a fundir
El rendimiento de hierro y de sustancias
acompañantes, tanto las deseables como
las indeseables, varía según la clase de
materias primas utilizadas para la carga,
pero en las condiciones normales de un
horno de arco tiene siempre un valor infe-
rior a la unidad.
El peso de la carga de chatarra se cal-
cula con la fórmula siguiente:
(1)
Considerando un rendimiento del 92%,
para obtener 100 t de peso de colada es
necesaria una carga de 109 t.
Para calentar chatarra de calidad nor-
mal desde la temperatura ambiente hasta
la temperatura de colada (∼ 1630 ˚C), se
necesitan aproximadamente 380 kWh/t de
carga.
(2)
La energía de fusión es idéntica a la ener-
gía necesaria físicamente; es, por tanto, el
mínimo de energía necesaria.
Pérdidas no estacionarias
Las pérdidas no estacionarias son las pérdi-
das que se producen durante el proceso de
fusión, es decir, que varían en función del
tiempo, pero que no se producen –o si se
producen son poco importantes– cuando el
horno está parado. Son las siguientes:
• pérdidas por los gases de escape
(humos),
• calor extraído con la escoria,
• pérdidas por radiación del arco,
• pérdidas durante la carga del horno,
• pérdidas eléctricas.
Estas pérdidas son inevitables, puesto que
dependen del proceso, pero el control del
mismo permite reducirlas o incluso minimi-
zarlas.
Para los gases de escape y la escoria,
esto significa que, fundamentalmente, hay
que reducir el volumen total de ambos.
Para influir sobre las pérdidas por radia-
ción, lo más sencillo es acortar el tiempo
con arco.
La pérdida durante la carga del horno
es la suma de las pérdidas por los gases
de escape y por la radiación. Tiene un
orden de magnitud de 12–20 kWh/m2
aproximadamente (m2 = superficie de la
H O R N O S D E A R C O
Hubert Trenkler
ABB Industrie AG
Horno doble de arcode corriente conti-nua y bajo consumode energía, para cha-tarra de baja calidadEl horno de arco de corriente continua con doble cuba de ABB, con consumo
de energía optimizado, proporciona a las acerías una unidad de fusión que
permite producir competitivamente acero bruto a partir de chatarra de baja
calidad. Una refinada técnica de quemadores complementarios y lanzas de
oxígeno permite precalentar la chatarra ahorrando una considerable cantidad
de energía y reduciendo la solicitación sobre el medio ambiente.
L
peso de coladaPeso de la carga =
rendimiento
Energía de fusión =
= 380 kWh · 109 t = 41 420 kWht
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masa en fusión; min = tiempo en minutos
entre la apertura y el cierre de la bóveda).
Para un horno de 100 t esto significa unas
pérdidas de 400 a 450 kW/min. La forma
más sencilla de reducirlas es minimizar la
duración del proceso de carga.
Puesto que los gases de escape no
sólo producen pérdidas de energía, sino
que durante su formación son fuentes de
calor, se intenta aprovechar en la medida
de lo posible la energía que contienen,
tanto la sensible como la ligada química-
mente, directamente en la unidad de fu-
sión.
Las pérdidas eléctricas en el transfor-
mador, en el rectificador, en la reactancia y
en los componentes de transporte de
energía dependen fundamentalmente de la
corriente y de la duración de funciona-
miento. Al igual que las pérdidas por radia-
ción, también estas pérdidas disminuyen
sensiblemente al reducir la duración de
funcionamiento del arco.
Pérdidas estacionarias
Las pérdidas estacionarias, o en régimen
permanente, son las que se producen du-
rante tiempos prolongados, independien-
temente –o casi independientemente– del
control del proceso. Podemos citar las si-
guientes:
• la pérdida de calor a través del revesti-
miento refractario del horno, pero sobre
todo
• las pérdidas por refrigeración, es decir,
el calor disipado en el agua de refrigera-
ción de los paneles de las paredes y de
la bóveda del horno.
Estas pérdidas se producen independien-
temente de que el horno esté en funciona-
miento o no. Son unas pérdidas especial-
El nuevo horno de arco con doble cuba, para una producción anual de 750 000 t de acero 1
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20 R e v i s t a A B B 9 / 1 0 1 9 9 6
mente gravosas para los costes de opera-
ción si el horno está parado, ya que es ne-
cesario compensarlas al ponerlo en mar-
cha de nuevo.
Podemos ilustrar la situación con un
pequeño ejemplo de cálculo. Un horno de
construcción convencional para 100 t de
carga tiene cerca de 50 m2 de paneles re-
frigerados por agua en las paredes y unos
30 m3 en la bóveda. Por cada m2 de su-
perficie refrigerada deben circular 150 li-
tros de agua por minuto. Si el agua de re-
frigeración tiene una diferencia de tempe-
ratura de 5 ˚C entre la entrada y la salida,
la pérdida por enfriamiento tiene el valor
siguiente:
(3)
Las pérdidas estacionarias totales de un
horno de este tipo alcanzan un valor de
unos 80 kWh/min. Con esta energía se
podría calentar 1 t de chatarra fría hasta
casi 600 ˚C.
«Ingresos» en el balance térmico
Los «ingresos de energía» de un horno de
arco provienen en primer lugar de la con-
versión de energía eléctrica en energía tér-
mica liberada por el arco. Además de la
energía eléctrica se utilizan otros portado-
res, que liberan energía química durante el
proceso de funcionamiento del horno de
arco.
Estos procesos químicos de transfor-
mación se pueden subdividir en dos gru-
pos:
• procedimientos puramente metalúrgi-
cos,
• procesos complementarios de combus-
tión.
Procedimientos metalúrgicos
Los procesos metalúrgicos, que por su
propia naturaleza pueden ser extremada-
mente complejos, liberan grandes cantida-
des de energía, dependiendo de los mate-
riales utilizados y de la calidad del acero
que se quiera colar. Por ejemplo, la oxida-
ción de los elementos acompañantes del
arrabio libera una cantidad de energía con
la que se podría fundir un peso de chata-
rra equivalente a un tercio del peso propio
del arrabio.
Aunque esta aportación energética del
proceso metalúrgico reduce la necesidad
de energía eléctrica, no puede considerar-
se como sustitución de energía propia-
mente dicha, pues se produce siempre,
por la propia naturaleza del proceso.
Procesos complementarios
de combustión
Se puede conseguir una sustitución en
sentido estricto de energía eléctrica utili-
zando portadores suplementarios de ener-
gía fósil, conjuntamente con el aire u oxí-
geno.
La tecnología actual de acerías ofrece
un gran número de sistemas distintos para
realizar lo anterior. Mencionaremos sólo
algunos:
• quemadores complementarios,
• lanzas de oxígeno o de oxígeno y car-
bón en polvo,
• toberas en el fondo del baño,
• inyectores de oxígeno.
Mas adelante se tratarán los sistemas rele-
vantes para el horno de arco de corriente
continua con doble cuba.
(50 + 30) m2 ⋅150l
m2 min⋅5
kcall
=
= 60000kcalmin
= 70kWhmin
3.5 1.4 min
0.6
0.853 %
27 %
100 %
66 %
P
t
3.5 min
100 %
66 %
P
t
Tabla 1:Característica del horno de arco de corriente continua con doscubas (EODCTEAF)
Producción anual >750000 tPeso de colada 90 tPotencia eléctrica 64 MWPotencia del transformador 100 MVADiámetro del electrodo 28 inchConsumo de electrodo 1,4 kg/t
Consumo de: carbón 45 kg/tcal 50 kg/tfuel-oil 10 l/toxígeno 60 Nm3/tenergía eléctrica < 340 kWh/t
Diagrama de funcionamiento deun horno de arco
P Potenciat Tiempo
2 Diagrama de funcionamiento deun horno de arco
P Potenciat Tiempo
3
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Diagramas de funcionamiento
Las relaciones entre el modo de explota-
ción de un horno y las pérdidas que se
producen, en régimen permanente o no,
pueden representarse fácilmente de forma
gráfica . Para nuestras consideraciones
tienen poca importancia los «ingresos de
energía», por ejemplo por quemadores su-
plementarios.
Con el fin de proteger la cubierta, la po-
tencia plena (100 %) se alcanza sólo des-
pués de 1,4 minutos, después de pasar
por dos niveles intermedios, del 27% y del
53%, de la potencia total. El tiempo que
se mantiene la potencia del 100% depen-
de de la cantidad de materia prima utiliza-
da. Si se trata sobre todo de chatarra, la
potencia se mantiene en el valor 100%
hasta que se ha fundido cerca del 70% de
la masa en cuestión.
Cuando ya se ha fundido casi toda la
carga, la potencia se reduce al 66%. Esto
equivale a reducir la tensión e implica, por
tanto, una reducción de la longitud del
arco. Esta reducción es necesaria para
proteger los elementos laterales refrigera-
dos por agua, ahora libres, contra la radia-
ción del arco.
La figura es una simplificación de ,
reduciendo el eje temporal para la dura-
ción de la potencia de 100%. Sólo la fase
de sobrecalentamiento (66% de alimenta-
ción de potencia) está representada por
un bloque, más pequeño pero a escala
correcta.
De una duración de ciclo de 60 min,
cerca de 15,5 min son tiempos de parada
(dedicados, por ejemplo, a cargar las dis-
tintas cestas) y tiempos de sangrado y
preparación . En la Tabla 2 puede verse
un resumen de las pérdidas que se produ-
cen en un horno de 100 t.
En este modo de funcionamiento, cerca
de 15,5 min de cada ciclo es tiempo im-
productivo, un tiempo perdido que ade-
más provoca la pérdida de unos 5500
kWh, que hay que compensar más tarde,
durante la explotación.
En realidad, las pérdidas provocadas por
este modo de funcionamiento son mucho
más altas, ya que para una potencia de co-
nexión dada se tardan varios minutos en
compensar las pérdidas. Durante ese tiem-
4
23
2
po se producen también pérdidas no esta-
cionarias que hay que compensar.
Una primera medida para mejorar la si-
tuación es introducir un horno con dos
cubas, alimentado alternativamente por el
mismo sistema eléctrico .
Si se mantiene el ciclo que se muestra
en , se produce la situación siguiente:
• reducción del tiempo de colada de 60
a 54,5 min, gracias al desplazamiento
de los tiempos muertos al horno que
no está fundiendo; como resultado, la
producción aumenta hasta el 111%;
• aumento de las pérdidas por el horno
vacío, hasta el 152%.
En cualquier caso, la situación ilustrada en la
figura no puede proyectarse directamente
sobre . Para cubrir las pérdidas suplemen-
tarias es necesario aumentar la potencia total.
5
4
4
5
El incremento de la potencia total redu-
ce la duración del ciclo, con lo que tam-
bién disminuyen las pérdidas en régimen
permanente del horno vacío. Se trata de
un proceso iterativo que, conjuntamente
con la adaptación de la potencia total,
permite conseguir en este caso un ciclo
óptimo de 42–43 min con un incremento
de la producción de hasta el 140%. Simul-
táneamente, las pérdidas aumentan en el
mismo orden de magnitud.
En consecuencia, la aplicación de este
concepto tiene como resultado un consi-
derable aumento de la producción, pero
en realidad no ahorra energía. Y, además,
aumentan los costes de inversión y de ex-
plotación debido a la segunda cuba.
3.5 3.5 3.5 min
100 % 100 % 100 %
66 %
P
t
5
I II III
Diagrama de funcionamiento de un horno de arco con tres cestas de carga
P Potencia t Tiempo I, II, III 1a, 2a y 3a cargas
4
Tabla 2:Pérdidas en un horno de arco de 100 t
Tipo de pérdida Duración Pérdidas Perdidas Pérdidas totalesmin de carga kWh estacionarias kWh kWh
1a carga 3,5 1400 280 16802a carga 3,5 1400 280 16803a carga 3,5 1400 280 1680Colada 3,5 240 240Trabajos complementarios 2,5 160 160
Σ 15,5 4200 1240 5440
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Minimización del consumo de
energía aumentando al mismo
tiempo la producción
Consideraciones generales
Se puede reducir el consumo total de energía,
y también el de electricidad, haciendo unas
pocas pero importantes modificaciones cons-
tructivas, aplicando modernas tecnologías de
apoyo y modificando el modo de carga.
Si la fase de fusión está constituida por
un solo bloque, el sistema de carga única
del horno que no está en funcionamiento
elimina casi por completo los tiempos im-
productivos . El giro del electrodo es, en-
tonces, el único factor que prolonga el tiem-
po de producción.
El sangrado, la preparación y la carga
única se siguen realizando cuando el agre-
gado está en fase de no fusión.
6
El horno en fase de no fusión tiene, sin
embargo, una función suplementaria deci-
siva para el procedimiento general: el pre-
calentamiento de la chatarra.
De ello resultan dos ventajas importan-
tes de este horno de doble cuba frente a
cualquier otro del mismo tipo:
• El precalentamiento cubre las pérdidas
producidas durante los tiempos de pa-
rada.
• El precalentamiento de la chatarra tiene
como consecuencia, además de un
mejor comportamiento de fusión, una
drástica reducción de la necesidad de
energía eléctrica y del tiempo de fusión.
Descripción de las instalaciones
En abril de 1997 entrará en servicio en
Malasia el primer horno de arco de co-
rriente continua con doble cuba optimiza-
do energéticamente . Las cubas tienen
un diámetro interior de 6,1 m y el peso de
colada estará entre 85 y 95 t. En función
del peso de esta, el horno podrá funcionar
con un pie de baño de 20 a 30 t. La parte
inferior de la cuba tiene una construcción
prácticamente idéntica a la de un horno de
arco normal, de corriente continua, del
mismo diámetro.
Por el contrario, la parte superior del
horno tiene una gran altura, de 6,5 m por
encima de la superficie de trabajo . El
eje del codo de gases de escape se en-
cuentra a 8,5 m por encima de dicho nivel.
La gran altura de la parte superior del
horno y el incremento del volumen total fa-
vorecen el sistema de carga única, incluso
si se utilizan los tipos de chatarra más
desfavorables, con densidades del orden
de 0,6 t/m3, lo cual ya produce ahorro de
tiempo y energía. Pero además, las impu-
rezas de origen orgánico, en principio in-
deseables, tienen como consecuencia un
importante aumento de la producción.
Por supuesto, es posible emplear otros
materiales ferrosos en lugar de la chatarra,
materiales como arrabio líquido o sólido
y/o hierro-esponja. De todos modos, con-
siderando que la chatarra ha de formar
una columna de suficiente altura y que ha
de ser correctamente precalentada, el
peso de las mencionadas sustancias fe-
8
7
Diagrama de funcionamiento de un horno de arco de corriente continuacon doble cuba, con consumo de energía optimizado
P Potencia I 1a cargat Tiempo Pr Precalentamiento de la chatarra
6
min
100 %
100 %
66 %I
Pr
Pr
I
66 %
P
t
100 % 100 % 100 %
100 % 100 % 100 %
66 %
66 %
P
3.5 3.5
3.5 3.5
min
I II III
I II III
t
3.0
Diagrama de funcionamiento de un horno de arco con doble cuba
P Potencia t Tiempo I, II, III 1a, 2a y 3a cargas
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rrosas no debería superar el 30 a 35% del
peso de chatarra.
Las paredes laterales, formadas por pa-
neles refrigerados por agua, de la parte
superior del horno están subdivididas en
dos secciones de igual altura constructiva,
separadas entre si, una medida constructi-
va que permite sustituir con más rapidez
los elementos que puedan estar dañados
y, además, aporta una flexibilidad operati-
va mucho mayor cuando el uso de mate-
rias primas distintas no justifica el gran vo-
lumen de la cuba.
Debido a la gran altura constructiva, la
carrera de los electrodos alcanza 8,5 m.
Para evitar valores demasiado altos de los
momentos, el brazo portador de los elec-
trodos, de aluminio, es autoportante. El
mástil de electrodos es una estructura
muy rígida de acero. Como complemento
de la construcción, un sistema propio de
enclavamiento impide el movimiento soli-
dario de la cuba y de los electrodos. Con
estas medidas se obtiene el mismo grado
de seguridad de explotación que en los
hornos normales.
Un control óptimo del proceso exige
prestar atención especial a la alimentación
de chatarra. Para evitar que durante la ex-
plotación se produzcan daños en los ele-
mentos de pared refrigerados por agua y
en las lanzas de oxígeno y de carbón en
polvo, la chatarra densa (de más de 0,7
t/m3) sólo puede cargarse hasta la altura
de la puerta de escoria. Y en tal caso
habrá que añadir a la cuba un tercio del
carbón total necesario y un tercio de la
cantidad total de cal viva o de dolomía.
Las demás sustancias se añaden de forma
continua o discreta durante el proceso de
fusión por una abertura especial de la bó-
veda.
El calentamiento de la cuchara con
acero tiene lugar en el horno-cuchara, que
dispone de columna de electrodos girato-
ria . Unidos a él se encuentran dos sis-
temas de vías, separados entre sí, que
unen las zonas de fusión y de postrata-
miento. Como consecuencia lógica del
principio de horno de dos cubas, este
modo de trabajo permite simplificar y me-
jorar la logística, desde la fase líquida
hasta la máquina de colada continua.
Materias primas
El uso de chatarra como materia prima,
además del arrabio y del hierro-esponja,
tiene especial importancia en este tipo de
horno.
Contra todo lo acostumbrado, la mejor
materia prima es la chatarra barata de baja
densidad (<0,6 t/m3) con gran contenido
de sustancias orgánicas.
Estas dos propiedades, la baja densi-
dad y/o las impurezas orgánicas, influyen
7
Planta de horno de arco de corriente continua con doble cuba. El puesto de control está dispuesto de modo que el jefede horno tenga vista sobre las puertas de escoria y sobre los operadores de lanzas.
7
23
4 6
5
1
1 Horno de arco de corriente continua2 Puesto de mando del horno de arco
3 Transformador y rectificador4 Transformador del horno de cuchara
5 Horno de cuchara6 Puesto de mando del horno de cuchara
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24 R e v i s t a A B B 9 / 1 0 1 9 9 6
decisivamente sobre los resultados del
proceso de precalentamiento. La falta de
materia orgánica puede compensarse con
sustancias combustibles fósiles, como
pueden ser los neumáticos viejos.
Chatarra de baja densidad
Los mejores resultados de precalenta-
miento se consiguen con un alto valor de
la relación superficie/volumen de chatarra.
En el precalentamiento de la chatarra
se presentan cuatro fenómenos físicos:
• radiación térmica,
• convección de gases,
• transmisión de calor,
• conducción térmica.
La radiación térmica de las llamas es muy
eficiente en principio, pero cuando actúa
sobre la chatarra amontonada su efecto es
meramente local.
La transmisión de calor por convección
de gases calientes no es tan eficaz como
la radiación, pero su efecto no es sólo
local. La eficacia de la transmisión de calor
está influenciada por la duración del con-
tacto del gas (mayor cuanto más alta es la
columna de chatarra) y por el gradiente de
temperatura (si la chatarra está fría, la
transmisión de calor es mayor).
Además de la intensidad de la radiación
y de la duración del contacto con el gas (o
del gradiente de temperatura entre gas y
chatarra), la intensidad de la transmisión
de calor depende fundamentalmente de la
superficie del cuerpo en cuestión. Cuanto
mayor es la superficie, mas energía térmi-
ca puede absorber el cuerpo por unidad
de tiempo. La figura muestra cómo
varía la superficie de dos cuerpos con
igual masa pero formas distintas.
Pero no sólo la transmisión de calor de-
pende estrechamente de la forma del
cuerpo, sino también la conducción de
calor en el interior del mismo. En el cuerpo
2 puede verse que la distancia de la su-
perficie lateral a la línea central es mucho
más corta que en el caso de la sección
cuadrada.
Impurezas orgánicas
Las impurezas orgánicas son indeseables
en un horno de arco normal, ya que a las
temperaturas de reacción, muy altas, se
originan algunas sustancias extremada-
mente tóxicas, como óxidos de nitrógeno,
furanos o dioxinas. Para reducir el conteni-
9
c2c1
A1
V = A1c1 = A2c2m1 = m2
A2
a b
Comparación entre un horno de arco normal de corriente continua (a) y un horno con consumo de energía optimizado (b) 8
Comparación entre las superficiesde dos cuerpos de dimensionesdistintas (Ac) pero igual masa (m)y volumen (V)
9
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do de estas sustancias en los gases de
combustión es necesario disponer de cos-
tosas instalaciones de refrigeración y puri-
ficación. Por ejemplo, si se quiere evitar la
formación de dioxinas –o reducir la canti-
dad de las mismas–, hay que instalar un
sistema de enfriamiento de 1200 a 500˚C
para los gases de combustión, con una
velocidad de enfriamiento de varios cien-
tos de grados por segundo.
Por el contrario, precalentando la cha-
tarra se puede influir sobre el perfil de tem-
peraturas reinantes en un montón de cha-
tarra (fría) y conseguir que ni siquiera lle-
guen a formarse dichas sustancias
indeseables, muy tóxicas. La aplicación de
esta tecnología hace que las materias or-
gánicas dejen de ser problemáticas y se
conviertan en valioso combustible para la
fase de precalentamiento de la chatarra.
El proceso
El horno funciona en ciclos de 80 minutos,
divididos en dos fases de 40 minutos cada
una:
• Primera fase: sangrado; mantenimiento
si es necesario, carga (una o dos); pre-
calentamiento de la chatarra
• Segunda fase: fusión eléctrica, apoyada
por el calor químico de combustión;
procedimiento de la escoria espumosa.
Primera fase del proceso: calentamiento
de la chatarra
El precalentamiento se realiza de modo
que la carga total de chatarra alcance una
temperatura media de 550˚C antes de que
comience la fusión «eléctrica». Esta tem-
peratura media corresponde a un conteni-
do de energía de 70 a 80 kWh/t de chata-
rra.
La energía necesaria para el precalenta-
miento la aportan, directamente en la
cuba, combustibles fósiles y/o sustancias
orgánicas, con la correspondiente adición
de oxígeno. Para ello se dispone de lan-
zas, quemadores e inyectores de oxígeno,
dispuestos en cuatro niveles perpendicu-
larmente al eje del horno .
El nivel inferior, la zona de la puerta de
escoria, está calentado por medio de lan-
zas de oxígeno y de polvo de carbón con-
troladas por un operador. En el nivel inme-
diatamente superior (justo por encima del
revestimiento refractario, en la parte infe-
rior de la cuba), se han dispuesto cuatro
quemadores de poca potencia y baja velo-
cidad de flujo. Más arriba hay dos niveles
distintos con inyectores de oxígeno situa-
dos al tresbolillo. Al igual que los quema-
dores, insuflan tangencialmente el oxígeno
a baja velocidad en la cámara del horno.
Las lanzas y los quemadores calientan
la parte de chatarra que se encuentra
justo frente a ellos y aportan el monóxido
de carbono necesario para la postcom-
bustión. A partir de la escoria presente, las
lanzas de oxígeno y de polvo de carbón
forman la llamada escoria espumosa, un
material que transmite el calor a la chata-
10
1
2
33
Esquema de las lanzas de oxígeno y de carbónen polvo (1), de los quemadores (2) y de los inyectoresde oxígeno (3) para precalentar la chatarra
10
La disposición tangencial de los quemadoresproporciona una buena mezcla de los gases de escape,ricos en CO, con el oxígeno de los inyectores
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rra fría mucho más eficazmente que los
gases calientes o de escape.
La disposición tangencial de los que-
madores y postquemadores (inyectores de
oxígeno) permite conseguir una mezcla
más íntima de gases ricos en CO con el
oxígeno inyectado.
La postcombustión del monóxido de
carbono, producida por las lanzas y los
quemadores, tiene durante la fase de pre-
calentamiento de la chatarra una función
compleja pero muy importante:
• La energía de reacción (entalpía) de la
postcombustión), CO + 1/2 O2 → CO2,
es mayor que la entalpía de la reacción
C + 1/2 O2 → CO.
C + 1/2 O2 → CO –26,4 kcal/mol
CO + 1/2 O2 → CO2 –67,6 kcal/mol
C + O2 → CO2 –94,0 kcal/mol
• La postcombustión en el horno mejora
el aprovechamiento de energía, redu-
ciendo a la vez el consumo de combus-
tible y el volumen de gases de combus-
tión. La consecuencia es una mejora
del rendimiento global.
• Debido a la postcombustión, el calor se
produce en el interior de la chatarra a
calentar.
11
• El calor de los gases de combustión,
absorbido por la chatarra, ya no tiene
que expulsarse al medio ambiente. Esto
es también válido para el calor de pos-
tcombustión que, en los procedimien-
tos convencionales, ha de ser eliminado
en gran parte por el agua de refrigera-
ción, como sucede con el resto del
calor residual, un procedimiento que,
indirectamente, solicita el medio am-
biente.
Para prevenir una sobreoxidación (local) de
la chatarra por causa del oxígeno, es nece-
sario cargar cierta cantidad de carbón o
coque en función de las impurezas orgáni-
cas, como ya se ha descrito más arriba.
Un quemador de puerta suplementario
garantiza el autoencendido del oxígeno en
esta zona. La duración de funcionamiento
de este quemador está limitada a 4–5 mi-
nutos por colada, mientras que la de los
demás quemadores –unos 30 minutos–
depende del modo de carga.
Segunda fase del proceso: la fusión
El proceso de fusión no tiene grandes dife-
rencias con la fusión en un horno de arco
convencional de corriente continua. Los
quemadores apoyan la fase de fusión du-
rante 10 a 12 minutos, mientras que las
lanzas de oxígeno y de carbón en polvo
permanecen funcionando durante toda la
fase.
Sin embargo, el nuevo horno tiene
cinco características significativas que tie-
nen efectos muy positivos y permiten un
funcionamiento muy razonable.
• La postcombustión durante la fusión y
el sobrecalentamiento reducen el con-
sumo de energía eléctrica.
• La escoria espumosa proporciona una
transmisión de calor a la chatarra muy
superior a la de los gases a la misma
temperatura, debido a que el contacto es
más íntimo y mucho más prolongado.
• El trabajo bajo la escoria espumosa re-
duce las pérdidas de enfriamiento en
los elementos refrigerados por agua y
prolonga al mismo tiempo la vida útil de
los mismos.
• La escoria espumosa tiene un efecto
refrigerante claramente mejor; en el in-
terior de la escoria, el arco eléctrico
funciona con la mitad de longitud.
• La escoria espumosa protege los elec-
trodos de grafito contra la oxidación: el
consumo de electrodos se reduce nota-
blemente.
Dependiendo de la cantidad de CO que se
produce, la postcombustión sigue tenien-
do lugar durante la fase de fusión y por
tanto aporta energía de combustión suple-
mentaria en el interior de la cuba.
Este calor se aprovechará mientras
haya chatarra en el horno, aunque de
forma decreciente: de un lado se reduce la
transmisión de calor de los gases calientes
a la chatarra, que va calentándose progre-
sivamente; del otro lado, el proceso de fu-
sión eléctrica hace que se vaya reducien-
do el volumen total de chatarra.
Cuando ya se ha fundido casi toda la
chatarra, la energía complementaria pro-
cedente de la postcombustión cubre las
pérdidas que se producen por la superficie
de escoria no calentada, que emite ener-
gía hacia el entorno (aproximadamente 10
kWh/t de acero).
Hasta ahora, la escoria espumosa se
producía fundamentalmente hacia el final
1
2
2
3
4 5
Esquema del control de gases de combustión 12
1 Codo de gases de combustión2 Alimentación de aire fresco3 Extracción de muestras
(CO, CO2, O2, T ...)
4 Aparato de análisis y de control5 Hacia las lanzas de oxígeno y de polvo
de carbón, los quemadores y losinyectores de oxígeno
H O R N O S D E A R C O
R e v i s t a A B B 9 / 1 0 1 9 9 6 27
de la fase de fusión y durante el sobreca-
lentamiento. Actualmente empieza ya a
formarse en la fase de precalentamiento.
En este procedimiento se potencian los
efectos, ya descritos, de la mejora de la
transmisión de calor de una emulsión a
una sustancia sólida (comparada con la de
un gas a la misma temperatura sobre una
sustancia sólida); pues, gracias al preca-
lentamiento inicial de la chatarra, la escoria
espumosa puede ascender a más altura
en la columna de chatarra, contribuyendo
así a calentarla. La chatarra de baja densi-
dad, es decir, con un valor elevado de la
relación superficie/volumen, favorece -o
compensa- la transmisión de calor.
El arco eléctrico situado bajo la escoria
–utilizada inicialmente para proteger los
paneles de pared refrigerados por agua
contra la radiación del arco– funciona con
la misma potencia, pero su longitud se re-
duce aproximadamente a la mitad. Al
mismo tiempo se reducen las pérdidas tér-
micas en los elementos refrigerados por
agua.
Cuanto antes comience a formarse la
escoria espumosa, antes se notarán sus
efectos. Además, este modo de trabajo
tiene la ventaja de que los electrodos
están mucho menos tiempo expuestos a
la atmósfera oxidante y su consumo, por
lo tanto, se reduce notablemente.
Con este modo de funcionamiento se
pueden conseguir pesos de colada de 85
a 97 t, en ciclos menores de 40 minutos.
Esto equivale a una producción anual de
más de 900 000 toneladas de acero líqui-
do.
Sistema de mando para la
combustión y la postcombustión
Cada horno está equipado con un puesto
de válvulas, separado, para los quemado-
res e inyectores de oxígeno. La alimenta-
ción del manipulador de lanzas se regula
por medio de la presión del oxígeno en
una tubería aparte.
La regulación de los quemadores tiene
lugar por medio de la temperatura de re-
torno del agua de refrigeración de los mis-
mos. Así, si se produce un bloqueo o cual-
quier otro tipo de perturbación, se puede
desconectar independientemente cada
uno de los quemadores. Para garantizar el
correcto funcionamiento de los quemado-
res en situaciones normales, estos debe-
rán recibir en todo momento cierta canti-
dad de combustible y de oxígeno, también
cuando estén fuera de servicio.
El sistema de regulación de la combus-
tión y de la postcombustión está constitui-
do por un extractor de muestras, una tu-
bería flexible, el aparato de análisis
CO/CO2/O2 propiamente dicho y una caja
de control , .
El aparato extractor de muestras, de
hecho una tubería con mecanismo de au-
tolimpieza, se encuentra en el interior del
flujo de gases de combustión, inmediata-
mente al inicio del colector estacionario de
gases de combustión refrigerado por
agua. Esta tubería de muestras ha de
estar instalada con el máximo cuidado
para garantizar que no pueda penetrar aire
parásito. En el tubo de muestras se reco-
ge de forma continua gas de combustión
caliente que se refrigera y que, por medio
de un tubo flexible, es conducido hasta el
aparato de análisis, en el cual se determi-
na su contenido de oxígeno y de monóxi-
do y dióxido de carbono. El sistema de re-
gulación transforma los resultados de la
medición en valores de consigna y los lleva
uno a uno a las distintas válvulas del pues-
to de válvulas.
Sin embargo, esto presupone que, des-
pués de instalados los quemadores suple-
mentarios, se determine la característica
del horno y que a continuación se ajusten
dichos quemadores.
1312
El desarrollo de este nuevo procedi-
miento de fusión de horno de arco de co-
rriente continua con doble cuba permite a
ABB ofrecer a las acerías la posibilidad de
producir acero bruto a buen precio, utili-
zando chatarra de baja calidad. El primer
horno con dos cubas de este tipo entrará
en servicio en Malasia en abril de 1997.
Dirección del autor
Hubert Trenkler
ABB Industrie AG
Postfach
CH-5401 Baden, Suiza
Telefax: +41 (0) 56 486 7309
Temperatura
CO
CO2
Oxígeno
Temperatura ⇒ min.
CO2/ CO ⇒ máx.
Oxígeno ⇒ min.
Optimización de Quemadores Inyección de oxígeno Lanzas de oxígeno y de carbón
Medición Objetivo Regulación
Esquema de la regulación de los procesos de combustión y postcombustión 13
H O R N O S D E A R C O