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A Horno de voladura en caliente es un alto horno de fabricación de hierro al que se le suministra aire que ha sido precalentado (generalmente entre 900 y 1300 °C) antes de ser soplado al horno a través de boquillas llamadas toberas, en lugar de recibir aire a temperatura ambiente ("viento frío"). El precalentamiento en sí ocurre en un equipo separado llamado estufa de aire caliente (también conocida como estufa Cowper), y el aire caliente resultante es lo que se conoce como "viento caliente". Casi todos los altos hornos que funcionan hoy en día utilizan este sistema, porque el aire precalentado reduce drásticamente el consumo de combustible y aumenta la producción en comparación con los altos hornos fríos utilizados antes de la década de 1830.
La distinción es importante porque la explosión caliente no es sólo un ajuste menor: es una de las pocas innovaciones que hicieron que la fabricación de hierro a gran escala alimentada con coque fuera económicamente viable en primer lugar. Los altos hornos alimentados con aire precalentado a 900-1250 °C pueden generar temperaturas de fundición de aproximadamente 1650 °C, lo que reduce significativamente el consumo de coque por tonelada de hierro producida. Comprender cómo funciona el sistema de aire caliente (y por qué la temperatura de ese aire es tan importante) es la clave para comprender la eficiencia de los altos hornos modernos.
El sistema de alto horno caliente se construye alrededor de dos equipos conectados que trabajan juntos: el alto horno en sí, donde ocurre la reacción de fundición, y las estufas de alto horno, donde el aire se calienta antes de llegar al horno.
La estufa es esencialmente una carcasa cilíndrica vertical de acero revestida con ladrillo refractario, con el interior separado en dos cámaras: una cámara de combustión, donde se queman los gases del alto horno y otras fuentes de combustible, y una cámara regenerativa llena de un mosaico de ladrillo refractario calentado por el gas quemado. Estos "ladrillos de ajedrez" refractarios son el medio de almacenamiento de calor: absorben el calor durante la combustión y lo liberan más tarde cuando el aire fresco pasa a través de ellos.
Una estufa de aire caliente no funciona continuamente en un modo, sino que alterna entre dos fases. Durante el período de encendido (encendido), el gas combustible se quema para calentar el almacenamiento térmico del ladrillo de ajedrez; Durante el período de explosión, el aire se calienta haciéndolo fluir a través de ese almacenamiento térmico. Durante el período de descarga de la explosión, un ventilador impulsa el aire fresco a presión elevada a través de los ladrillos calentados y, después de calentarlo hasta 1.200 °C, este aire (ahora llamado ráfaga caliente) se introduce en el fondo del alto horno para la fundición del mineral de hierro.
Debido a que una estufa no puede calentar gas y aire al mismo tiempo, la mayoría de los altos hornos funcionan con tres estufas: mientras dos se calientan, el chorro de aire pasa a través de la cámara regenerativa de la tercera estufa en su camino hacia el alto horno. Esta rotación es lo que permite que el alto horno reciba un suministro continuo e ininterrumpido de aire caliente las 24 horas del día.
El aire calentado viaja desde la estufa al horno a través de un tubo de bullicio, que lo distribuye a las boquillas de chorro caliente, o toberas, montadas alrededor de la base del horno. Debido a que la temperatura de la ráfaga de calor debe mantenerse constante para una buena eficiencia del horno, y la temperatura cae naturalmente a medida que la estufa se enfría, la ráfaga de calor se mezcla con una proporción controlada de ráfaga de frío en una cámara de mezcla para mantener estable la temperatura de entrega incluso cuando el calor almacenado de una estufa individual se está agotando.
La explosión en caliente no es un invento moderno: data de principios del siglo XIX y representa uno de los avances fundamentales en la historia de la fabricación industrial de hierro. Hasta la década de 1820, se pensaba que el aire frío producía hierro de mejor calidad que el aire caliente, en gran parte porque la reducción de la humedad en el aire frío del invierno se consideraba beneficiosa.
La explosión en caliente fue inventada y patentada para hornos de hierro por James Beaumont Neilson en 1828 en Wilsontown Ironworks en Escocia. Neilson descubrió que al aumentar la temperatura de la explosión a sólo 300 °F (149 °C), podía reducir el consumo de combustible de 8,06 toneladas de carbón a 5,16 toneladas por tonelada de hierro producido, y se podían lograr mayores reducciones a temperaturas más altas. Los resultados fueron espectaculares y rápidamente verificables a escala: Las cifras documentadas de Clyde Iron Works entre 1829 y 1833 muestran que la fundición de coque por soplado en frío utilizó 8,2 toneladas de carbón por tonelada de hierro y produjo 37,5 toneladas de arrabio por horno por semana, mientras que el soplado en caliente con coque redujo el uso de carbón a 5,3 toneladas y aumentó la producción a 54,9 toneladas por semana.
El equipo original de Neilson tenía limitaciones reales. Los tubos de hierro fundido soportados dentro de un horno de ladrillos tenían diferentes características de expansión, lo que resultó en varios tubos agrietados, y el equipo de entrega utilizaba toberas sólidas y juntas de cuero flexibles que no podían soportar las altas temperaturas. No fue hasta 1860 que el inglés Edward Alfred Cowper inventó la primera estufa de calor con éxito: el diseño regenerativo de ladrillo a cuadros que, en una forma refinada, sigue siendo el estándar de la industria en la actualidad. La rápida adopción que siguió fue sorprendente: la explosión caliente era de uso generalizado en toda Gran Bretaña en 1835, apenas siete años después del descubrimiento original de Neilson.
| Tipo de horno | Carbón utilizado por tonelada de hierro | Producción de arrabio por semana |
|---|---|---|
| Explosión fría con coca | 8,2 toneladas | 37,5 toneladas |
| Explosión caliente con coca | 5,3 toneladas | 54,9 toneladas |
| Golpe caliente con carbón | 3,0 toneladas | 62,2 toneladas |
La razón principal por la que funciona el chorro de aire caliente es la simple termodinámica: el aire frío que ingresa a un horno debe calentarse quemando combustible dentro del horno antes de que pueda hacer algo útil, lo que desperdicia coque simplemente elevando la temperatura del aire entrante. Al precalentar el chorro de aire antes de que entre al horno, la entrada de calor aumenta en forma de calor sensible que reduce directamente la tasa de coque.
La investigación moderna confirma que la relación se mantiene a un ritmo muy predecible. Por cada aumento de 100°C en la temperatura del aire caliente de salida, la proporción de coque del alto horno se puede reducir entre un 4% y un 7%, la producción se puede aumentar entre un 3% y un 5% y la capacidad de inyección de carbón aumenta en consecuencia. Una estimación separada de la industria lo expresa en términos absolutos: cada aumento de 10°C en la temperatura del chorro caliente en el tubo de bullicio reduce la tasa de coque del alto horno en aproximadamente 4 a 6 kg por tonelada de metal caliente.
Esta es también la razón por la que el chorro de aire caliente se ha vuelto esencial y no opcional a medida que avanza la tecnología de los hornos. Un precalentamiento de la ráfaga de alrededor de 1.200 °C se considera ahora esencial cuando se inyecta carbón pulverizado a través de las toberas, porque la ráfaga de aire caliente garantiza un calentamiento más rápido, la pirólisis del carbón y la combustión de los productos gaseosos resultantes.
No todas las estufas de aire caliente están construidas de la misma manera. Según los diferentes diseños y estructuras de la cámara de combustión y el regenerador, las estufas de aire caliente generalmente se dividen en tres formas estructurales básicas: combustión interna, combustión externa y combustión superior. Elegir entre ellos es en gran medida una cuestión de cuánto espacio de piso está disponible y cuál es la temperatura máxima de ráfaga de calor a la que se dirige la operación.
En un diseño de combustión interna, la estufa consta de una pared refractaria cilíndrica con una pared divisoria vertical interna que divide la carcasa única en una cámara de combustión y una cámara estriada que contiene los ladrillos estriados. Este es el diseño tradicional más compacto, pero tiene una limitación estructural: el diseño de la cámara de combustión interna con una pared divisoria tiene un punto débil conocido en las esquinas de la cámara de combustión.
Las estufas de combustión externa se componen de una cámara de control y una cámara de combustión separadas, conectadas por un cruce en lugar de una pared interna compartida. La separación de las dos cámaras en carcasas distintas elimina el punto débil de tensión en las esquinas del diseño interno y generalmente soporta temperaturas máximas más altas.
Una categoría más nueva de estufas no tiene cámara de combustión en el sentido convencional; se las conoce como estufas de combustión de cúpula, estufas sin eje o estufas Kalugin. En general, la tecnología de las estufas de aire caliente, especialmente el diseño y la calidad de sus refractarios, ha experimentado grandes mejoras en los últimos años, alcanzando un nivel de madurez que garantiza una vida útil de más de 30 años para una estufa bien construida.
Debido a que diferentes zonas de la estufa experimentan temperaturas muy diferentes, no se puede utilizar ningún ladrillo refractario en todas partes. La selección de materiales se estratifica según qué tan caliente se calienta realmente cada sección de la cámara de control.
Este enfoque en capas (hacer coincidir el grado refractario con el calor real que experimenta cada zona) es lo que permite que una sola estufa maneje de manera segura un gradiente de temperatura que abarca cientos de grados de arriba a abajo.
Los hornos calientes ahorran enormes cantidades de coque, pero son en sí mismos consumidores importantes de energía, un hecho que a menudo se pasa por alto al evaluar la eficiencia general de los altos hornos. La cantidad de gas de alto horno requerida por las estufas representa aproximadamente el 40% de la producción total de gas de alto horno, y el consumo de energía de la estufa puede alcanzar el 25% del consumo total de energía de la planta.
Por tonelada, las cifras son igualmente reveladoras: Según datos de seis sistemas eficientes de estufas de aire caliente en todo el mundo, el requerimiento promedio total de energía primaria es de 1,8 GJ por tonelada de metal caliente para las estufas de aire caliente, en comparación con 11,6 GJ por tonelada para el alto horno propiamente dicho. Esto significa que el sistema de estufa, si bien es más pequeño en términos absolutos de energía que la caldera, todavía representa una proporción significativa y controlable del uso total de energía de la planta, y una proporción en la que las ganancias de eficiencia se traducen directamente en ahorros de coque.
Las mejoras prácticas en las plantas operativas lo han demostrado en números reales más que en teoría. Los resultados documentados de la optimización de las baterías de las estufas en los productores integrados de acero de EE. UU. incluyen reducciones en la tasa de combustible de las estufas de 8 a 15 kg por tonelada de metal caliente y aumentos de la temperatura de la ráfaga caliente de 15 °C a 30 °C, lo que se traduce en una reducción de la tasa de coque de aproximadamente 6 a 12 kg por tonelada de metal caliente.
Para cualquiera que opere o evalúe un sistema de alto horno caliente, un puñado de parámetros determinan consistentemente qué tan bien están funcionando las estufas y dónde se gana o se pierde eficiencia.
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