Alto horno

Alto horno en Sestao.

El esquema básico de un alto horno es el mismo que el utilizado en la antigüedad para la fundición de los cañones de hierro. Se añade alternativamente capas de carbón y mineral de hierro (A). En la parte inferior del horno existían unas toberas por donde se forzaba la entrada de aire mediante unos grandes fuelles (B). En el crisol del horno se encontraba un orificio por el que fluía el arrabio y se dirigía al molde del cañón (C). Encima de esta abertura, pero debajo de las toberas, había otra boca por donde salía la escoria(D).

El alto horno es la construcción para efectuar la fusión y la reducción de minerales de hierro, con vistas a elaborar la fundición.

Un alto horno típico está formado por una cápsula cilíndrica de acero de unos 30 m de alto forrada con un material no metálico y resistente al calor, como asbesto o ladrillos refractarios. El diámetro de la cápsula disminuye hacia arriba y hacia abajo, y es máximo en un punto situado aproximadamente a una cuarta parte de su altura total.

La parte inferior del horno está dotada de varias aberturas tubulares llamadas toberas, por donde se fuerza el paso del aire que enciende el coque.

Cerca del fondo se encuentra un orificio por el que fluye el arrabio cuando se sangra (o vacía) el alto horno. Encima de ese orificio, pero debajo de las toberas, hay otro agujero para retirar la escoria.

La parte superior del horno contiene respiraderos para los gases de escape, y un par de tolvas redondas, cerradas por válvulas en forma de campana, por las que se introduce el mineral de hierro, el coque y la caliza.

Una vez obtenido el arrabio líquido, se puede introducir en distintos tipos de coladura para obtener unos materiales determinados: la colada convencional, de la que se obtienen productos acabados; la colada continua, de la que se obtienen trenes de laminación y, finalmente, la colada sobre lingoteras, de la que lógicamente se obtienen lingotes.

Evolución del alto horno

La investigación y la modernización actuales se centran en mejorar la rentabilidad y la duración de la instalación. También se tiene muy en cuenta el limitar el impacto ambiental del alto horno.

• Mejoras económicas:
  • Circuito de preparación y carga de materias primas polivalente y configurable. La época en que la carga de un alto horno estaba formada sólo por el mineral y el coque ya ha pasado. Algunos hornos pueden reemplazar el mineral por desechos ferrosos y realizar mezclas con minerales de diferentes calidades. Es esencial controlar con precisión la disposición de las cargas de mineral en la boca de carga del horno.
  • La adaptación a combustibles más baratos, sustituyendo el coque por una inyección de carbón, gas natural o fueloil en los inyectores. La evolución de los precios de cada uno de estos combustibles ha justificado la sustitución del fueloil por carbón triturado a partir de la segunda crisis del petróleo.​
  • Aumento de la presión en la cuba para mejorar el rendimiento de la reducción por carbono. Una presión superior a 2 bar es un objetivo normal de un alto horno moderno.

• Mejoras en la duración del alto horno
  • Crisol de material refractario a base de carbono con muy alta conductividad térmica (el enfriamiento del crisol crea una capa de fundición solidificada que protege los ladrillos). La vida del crisol se ha duplicado en 30 años: era de 10 años en 1980, la duración actual es de 20 años. Este factor es esencial, dado que la reparación de un alto horno viene dictada por el estado de su crisol y que esta reparación puede costar, en 2010, unos 100 millones de euros.
  • Mejora del enfriamiento de la cuba. El objetivo es crear una capa protectora que proteja las paredes de la abrasión producida por el mineral.

• Mejoras ambientales
  • Construcción en circuito cerrado de los circuitos de agua de refrigeración y granulación de la escoria.​
  • Recuperación del calor, sobre todo de los gases de los hornos de recalentamiento de aire (estufas).​
  • La recuperación de energía de los gases captados en las entradas de aire por un generador de turbina.​
  • La condensación de los vapores, especialmente los producidos durante la granulación de la escoria para evitar la emisión de dióxido de azufre o ácido sulfhídrico.​
  • El reciclaje del carbono para evitar la emisión de gases de efecto invernadero. El objetivo de la investigación actual es la inyección en las toberas de los gases capturados en la boca del horno, en lugar de quemarlos para producir electricidad​

Las reacciones químicas

El alto horno es un reactor químico, cuyo funcionamiento contra corriente (los gases suben mientras que los sólidos se dirigen hacia abajo) le proporciona un rendimiento térmico excelente.

Reacciones principales

• La primera consiste en reducir mediante el monóxido de carbono los óxidos de hierro presentes en el mineral de hierro.
• Producción del agente reductor CO (monóxido de carbono):

La reacción general es:

$\mathrm {2C+O_{2}\longrightarrow 2CO}$ (a)

Dado el exceso de carbono y la temperatura, hay una conversión de todo el oxígeno en monóxido de carbono.

En realidad, la reacción anterior se produce por dos reacciones sucesivas:

$\mathrm {C+O_{2}\longrightarrow CO_{2}}$ (b)

a continuación,

$\mathrm {C+CO_{2}\longrightarrow 2CO}$ (c) (reacción de Boudouard)

A partir de ahí, la reacción de reducción de los óxidos de hierro es la siguiente:

$\mathrm {Fe_{2}O_{3}+3CO\longrightarrow 2Fe+3CO_{2}}$ (d)

El coque tiene dos funciones:

• Por la combustión, se produce el agente reductor (a), sobre todo a la salida de las toberas. La reacción es altamente exotérmica, se alcanzan temperaturas de 2200 °C.
• Se consume el dióxido de carbono (CO₂), producido por la reducción de los óxidos de hierro (c) para regenerar el agente reductor (CO), de los óxidos de hierro

La reducción de los óxidos de hierro

Los óxidos de hierro se reducen siguiendo la siguiente secuencia:

$\mathrm {Fe_{2}O_{3}\longrightarrow Fe_{3}O_{4}\longrightarrow FeO\longrightarrow Fe}$

La secuencia de la temperatura en la cuba es (desde arriba de la cuba en función de la temperatura):

• T > 320 °C
  $\mathrm {3Fe_{2}O_{3}+CO\longrightarrow 2Fe_{3}O_{4}+CO_{2}}$ (e)
• 620 °C < T < 950 °C
  $\mathrm {Fe_{3}O_{4}+CO\longrightarrow 3FeO+CO_{2}}$ (f)
• T > 950 °C
  $\mathrm {FeO+CO\longrightarrow Fe+CO_{2}}$ (g)

en el fondo de la cuba, se produce la regeneración del CO por la reacción de Boudouard (c) a una temperatura de alrededor de 1000 - 1050º C.

Algunos altos hornos en el mundo

En Estados Unidos:

• Altos hornos Sloss

En Argentina:

• Altos Hornos Zapla

En España:

• Altos hornos de Marbella
• Altos Hornos de Vizcaya
• Altos hornos de Duro Felguera
• Altos Hornos del Mediterráneo
• Ferrería de San Blas

En México:

• Altos Hornos de México (AHMSA)

Véase también

• Horno
• Horno de inducción

Enlaces externos

• Cuadros de Altos Hornos
• Wikimedia Commons alberga una galería multimedia sobre Alto horno.