INNOVACIONES EN EL FUNCIONAMIENTO DE UN HORNO ROTATORIO QUE LO HACEN ELEGIBLE COMPETITIVAMENTE Y SUSTENTABLE

Por: Hortensia Dávalos G., Ma. Del Rosario Dávalos G. y Jorge R. Ceballos IPN-ESIQIE

Fig.1. Hornos rotatorios manufacturados de SOGEMI [1]. ver revista FUNDIDORES Mayo 2012

ALCANCE El bióxido de carbono, los gases de efecto invernadero nos están obligando a aplicar la reingeniería en los procesos productivos para hacerlos más amigables al medio ambiente, se traducen estos avances en un significativo ahorro de energía, por lo que resulta en un precio competitivo la manufactura de piezas fundidas con este equipo. INTRODUCCIÓN Con el avance de la sistematización tecnológica industrial y con la estructuración de desarrollos productivos cada vez más sustentables en la industria de la fundición, se han realizado diversas investigaciones empíricas que han permitido avances en la optimización de componentes y servicios y en los destacados conocimientos de sus resultados metalúrgicos y económicos. Los hornos rotatorios son utilizados desde hace 50 años en diferentes industrias, estos sirven para una gran variedad de trabajos de fundición.
Si bien casi todo el hierro y acero que se fabrica en el mundo se obtiene a partir de arrabio producido en altos hornos, hay otros métodos de refinado del hierro que se han practicado de forma limitada. Uno de ellos es el denominado método directo para fabricar hierro y acero a partir del mineral, sin producir arrabio. En este proceso se mezclan mineral de hierro y coque en un horno de calcinación rotatorio y se calientan a una temperatura aproximada de 950 ºC. El coque caliente desprende monóxido de carbono, igual que en un alto horno, y reduce los óxidos del mineral a hierro metálico. Destacando que no tienen lugar las reacciones secundarias que ocurren en un alto horno, y el horno de calcinación produce la llamada esponja de hierro, de mucha mayor pureza que el arrabio. Para el horno rotatorio existen una infinidad de diseños para la aplicación industrial, dependiendo del objetivo, como del proceso llevado a cabo y que puede ser desde el punto de vista energético y/o geométrico, donde se consideran las condiciones básicas de operación, por ejemplo: naturaleza de la carga a utilizar, que puede ser sólida, líquida, gaseosa o mixta, y objetivo del calentamiento a tomar en cuenta al afrontar el diseño de un horno industrial; también hay otros criterios fundamentales para la elección de las principales variables del equipo, como son: la inclinación y velocidad del cilindro, arrastre de partículas reducidas y posibilidad de inyectar aire caliente, etc.
Un horno rotativo está constituido básicamente de un cilindro de acero, revestido en su interior
con material refractario resistente a las altas temperaturas, el cual puede girar en vaivén, o rotar lentamente o más rápido alrededor de su eje principal, de forma continua o parcial. El horno suele terminar por sus extremos en forma de cono; en uno de ello esta el órgano de combustión (quemador) y en el otro la salida para los gases quemados, que frecuentemente pasan a un sistema de recuperación para precalentar el aire empleado en la combustión. El combustible puede ser gas, aceite o carbón pulverizado, y el aire se suministra mediante un soplador. En los hornos pequeños la rotación se puede realizar a mano, pero la mayoría están montados sobre rodillos y se les hace girar por un dispositivo de cadena o de fricción. La elevada temperatura de la llama funde y sobrecalienta la carga y lleva a una temperatura superior al refractario, que cede su calor a la superficie del metal líquido cuando al girar el horno se pone en contacto con ella. Este efecto acorta el tiempo de fusión y ayuda a salvar el efecto de aislante térmico en la capa de escoria. Se puede fundir en condiciones neutras, oxidantes o reductoras. La instalación de un horno rotatorio fundamentalmente esta constituida de: · Dispositivos de alimentación (sistema de carga de materiales). · Un tubo rotatorio recubierto interiormente de material refractario (unidad de fusión, horno). · La propulsión. · Las instalaciones para conductos de aire, agua, combustible y sello hermético. · Un Quemador. · Una cámara de poscombustión. · Instalaciones de expulsión de ceniza y escoria (chimenea). Los dispositivos alimentadores de los hornos rotatorios se encuentran en la plataforma frontal, y están instalados de tal forma que permiten una alimentación simultánea o de secuencias de sólidos.
El horno rotatorio está formado por varios cilindros soldados entre sí, y se encuentra en una posición inclinada. Los largos van desde 8 hasta 12 m, pero en casos excepcionales pueden llegar hasta 20 m, por lo general, cuentan con un diámetro de entre 1 y 5 m. Los combustibles y el aire que se requiere para el proceso, son introducidos por medio de la pared frontal. El número de revoluciones depende del proceso y se determina en revoluciones por minuto (rpm), normalmente ajustable; con la variación de las revoluciones del cilindro se logra la definición del tiempo de residencia que deben tener los materiales expuestos a las temperaturas altas. La capacidad de un horno rotatorio comercial puede variar mucho. Para latones y bronces oscila entre unos 50 Kg y 5 Ton y normalmente son de 50 Kg a 2 Ton. Para la fundición de hierro, y en algunos casos acero, las capacidades pueden ser mucho mayores (el nuevo horno alemán "rotor", instalado en Overhausen, es una unidad de 60 Ton, y la planta esta prevista para 100 Ton, pero se trata de hornos especiales para fabricación de acero y no para el trabajo rutinario de fundición. El metal puede sangrarse por un agujero de colada único, situado en la pared del cilindro, que se mantiene taponado con refractario mientras el horno gira. Las unidades grandes tienen un control para que el flujo sea uniforme durante la colada, en algunas instalaciones se pueden inclinar hacia delante o hacia atrás para facilitar la carga, la colada y el desescoriado.
El revestimiento de los hornos rotatorios debe ser de material refractario, en el que la calidad y composición son función del trabajo que ha de realizarse en los hornos. El desgaste crítico en los sistemas rotatorios se nota principalmente en el material refractario, causado por influencias térmicas, químicas y mecánicas; el sólido a tratar en el proceso de fusión se encuentra en constante movimiento provocando un desgaste considerable en los refractarios, además, existen los asentamientos de escorias y no se conocen materiales cerámicos que logren resistir estas condiciones a largo plazo, por tanto, se debe renovar este material refractario en un tiempo mínimo, por ende lo recomendado es usar materiales resistentes no solamente a temperaturas elevadas, sino también a los desgastes causados por escorias abrasivas y por gases ácidos y agresivos. Una reposición del material refractario es costosa y durante este tiempo se interrumpe la operación, así que es importante analizar desde un principio
las especificaciones técnicas de este componente. Por otro lado, El montaje del material exige conocimientos específicos de su comportamiento posterior y se instala con diversas técnicas, considerando entre los criterios más importantes las pérdidas de calor y las expansiones térmicas; como el proceso de fusión genera temperaturas altas, se plantean varias capas de material para ofrecer una vida útil aceptable del refractario y apoyar la rentabilidad del negocio. Únicamente los tecnólogos con muchos años de experiencia cuentan con los conocimientos para un diseño óptimo, pero en cualquier construcción, sea vertical, rectangular u horizontal cilíndrica, se sabe que la parte inferior conectada al cilindro rotatorio debe de resistir las más altas temperaturas y la parte superior no está expuesta a estas temperaturas. Otro punto a considerar en la selección de material del revestimiento del horno es que estos refractarios son muy sensibles a cambios violentos de temperatura, por eso no se recomienda una operación interrumpida, sino de 24 horas como mínimo, durante varias semanas o meses seguidos. En caso de reparaciones, es recomendable mantener el material intacto en temperaturas de aproximadamente 500ºC. Propuestas Para Optimizar El Proceso De Fundición En Un Horno Rotatorio: La optimización termotécnica de instalaciones del horno: el conjunto fusor, refractario y elementos auxiliares; permite producir hoy por hoy, hornos rotatorios con dimensiones cada vez más reducidas y con la ventaja de mayores capacidades de producción, con costos de inversión menores. Esto como resultado de innovar y experimentar con diferentes sistemas de combustión, combustible y comburente, por la configuración de la instalación, la calidad del clínker de cemento y la propia cantidad a producir. Teniendo en cuenta todas estas premisas, y ayudados por ensayos de laboratorio, simulaciones en computadora y hojas de cálculo para establece con exactitud la geometría óptima del cilindro del horno, se tiene:
A. Hornos rotatorios comerciales, con adelantos tecnológicos en dos sentidos, por un lado el aspecto térmico, que están estructurados con cajas-chimenea móviles donde los gases de combustión pasan por éstas cajas y además se emplean los gases para el precalentamiento del aire que es utilizado en la combustión con carbón pulverizado con lo que conlleva a un beneficio térmico, y por otro lado el aspecto mecánico, la caja-chimenea es accionada independiente con máquina de carga de tipo cuchara, el horno oscila alrededor de su eje central y puede regularse el ángulo de oscilamiento a fin de recoger, cuando es necesario pequeñas cantidades de metal. Otra introducción importante que permite estar a la delantera y ser competitivo con respecto a otros tipos de hornos para el funcionamiento del proceso térmico, es el control y suministro del aire primario.
B. Refractarios, Fig. 2. Uno de los objetivos es responder a la demanda de generar métodos de revestimiento innovadores y con refractarios más resistentes a sistemas termales que operan a temperaturas de hasta 3000 °C, bajo una variedad de atmósferas de proceso, y además con las siguientes particularidades: Poseer alta refractariedad (aguantar la fusión de escorias), tener alta resistencia a la abrasión y soportar el choque térmico. A partir de algunos ejemplos seleccionados se presentan a continuación nuevas concepciones de recubrimiento: Ladrillo refractario Certificado ISO9000, existe una gama de Ladrillos refractarios con diferentes porcentajes de contenido de alúmina Al2O3: 42%, 50%, 55%, 65%, 70%, 82%, y la selección depende de la zona donde se va instalar en el horno y a la temperatura de operación a la que va estar expuesto; otros tipos de materiales refractarios que han surgido en el comercio metalúrgico y siderúrgico son: ladrillo de Fibrolite, Big Grid, Superficie Fireclay, ladrillo de Magnesia, ladrillo de Silica, ladrillo de Circón, ladrillo de Arcilla. [2] y [3]
a b c d
Fig. 2. Diferentes Materiales de Ladrillos Refractarios [2] y [3].
C. Horno rotatorio de Polysius, [6] ( Polysius una empresa de ThyssenKrupp Technologies). La técnica Polysius de hornos incorpora como características más importantes: Diseño robusto y confiables, bajos consumos, elevada seguridad funcional, reducidos costos de inversión y explotación. Como resultado de utilizar el moderno proceso de precalcinación es poco frecuente que los hornos rotatorios necesiten tener hoy en día relaciones diámetro/ longitud superiores a 15:1. Hasta la citada relación diámetro/ longitud puede Polysius ofrecer tanto el horno clásico de tres apoyos, como el moderno horno POLRO® sobre 2 apoyos. Ello permite, por primera vez, dimensionar el horno exclusivamente en función del material y del proceso de combustión, sin tener que tomar en consideración el sistema de horno propiamente dicho.
Como consecuencia de la transmisión tangencial de la carga, el cilindro del horno mantiene la forma circular en todos los estados de marcha, evitándose estrangulaciones, al tiempo que se cumplen las premisas para una larga vida del revestimiento refractario. Las mediciones realizadas para conocer la fricción máxima utilizable en la transmisión del par de giro demuestran que este tipo de accionamiento permite transmitir hasta 8-9 veces el par de giro funcional del horno. Las obturaciones neumáticas de entrada y salida se adaptan a los diferentes movimientos de rotación, radiales y axiales, evitando así la penetración de aire falso en el sistema del horno. POLSCAN®. Este sistema de medición opto-electrónico permite medir con el horno en funcionamiento los componentes de la instalación y ajustarlos continuamente. Para responder a las crecientes exigencias en materia de control del proceso y favorecer, por el otro lado, una explotación económica y competitiva de las instalaciones de horno, se ofrece por Polysius el sistema de automatización POLEXPERT ®-KCE como complemento lógico y necesario del Knowhow tecnológico.
D. Hornos Rotatorios Oxi-combustible, Fig. 1. La nueva propuesta de combustión con oxigeno-gas se basa en usar Oxígeno puro como comburente y como carburante: gas natural, gas metano, gas propano y gas butano, también permite el uso de fuel, diesel o combustóleo; con esto se logran temperaturas muy altas en el horno. Una innovación de sustentabilidad que permite cumplir con los parámetros ambientales y mejora en el proceso de combustión en el quemador, es el cambio de suministro de aire por oxígeno para evitar la presencia del Nitrógeno, con lo cual se impide la formación de NOx, se ahorra energía al no procesar ese 79% de su contenido, con lo que además, se mejora la rentabilidad de la operación al generar condiciones de elevada temperatura, y como consecuencia se puede admitir hasta un 40% más de desechos de acero, con lo cual se disminuyen significativamente los costos por este concepto, apoyado por el movimiento de rotación que permite mayor absorción de carbono. El costo del refractario se ve disminuido sensiblemente,
debido a que su diseño permite alargar la vida del mismo de una manera notable, evitando el diario mantenimiento. La combustión en estos equipos es rápida y efectiva calculando la longitud y potencia de la llama en función de las dimensiones del horno. De este modo, contando con la proporción adecuada del oxígeno respecto al gas natural o gas propano, y variando las velocidades de paso por el quemador, se consiguen combustiones más completas y efectivas dentro del horno, que redundan en rendimientos superiores al 60%, a la vez que se contribuye a reducir el impacto ambiental. Entre las grandes ventajas que proporciona al sustituir el aire por oxigeno en la combustión, se tienen:
. La temperatura de la flama alcanza los 2800 ºC, con lo cual se tienen pequeños volúmenes de gases debido a la combustión exenta de Nitrógeno, mínimas emisiones de óxido de Nitrógeno, de igual forma se tiene muy bajo contenido de CO, CO2, y de H2O en los gases de salida del horno. Por ende, las emisiones contaminantes de estos hornos son mínimas y las Normas que la regulan están por debajo de las especificaciones de aceptabilidad de cualquier país a nivel Internacional. A esto, se suma como ventaja, el bajo impacto ambiental que se tiene en el proceso de combustión; al reducir el volumen de humos y pérdidas de calor por la chimenea, que conlleva a un ahorro energético.
. Estos hornos en condiciones normales no requieren de equipos anticontaminantes, lavadores de gases, lo cual es una importante reducción en los costos de la inversión inicial, instalación y mantenimiento.
. Estos equipos son de combustión más sencillos y con mejor mezcla, en la reacción de combustión con oxígeno puro, se producen notables mejoras que repercuten en el rendimiento del horno, entre las más importantes es el incremento del rendimiento térmico que es de aproximadamente en un 50%, al
lograrse combustiones más completas y un aumento en la transmisión de calor de los mecanismos de radiación y conducción. También, una ganancia calorífica al aumentar la temperatura de la llama hasta 2800 ºC, y mayor tiempo de residencia de los gases en el horno. Otra cuestión importante que genera las temperaturas altas de la flama, dentro del horno una radiación hacia las paredes del refractario, logrando una energía adicional por la conducción de calor cuando está girando el horno, de tal forma que este calor se aprovecha para elevar la temperatura del metal y no dejar con zonas muy calientes el revestimiento con lo cual se alarga la vida considerablemente del refractario, teniendo una temperatura casi uniforme dentro del cuerpo del horno. Desde luego el metal siempre debe estar cubierto por una capa de escoria previamente preparada, ésta es a base de caliza, por consiguiente protege el contacto directo de la flama al baño del metal, y así, evitar lo más posible las pérdidas por oxidación de Carbono y Silicio dentro del horno.
. El proceso es válido tanto para la obtención de fundición de hierro gris y nodular y para acelerar la velocidad de fusión y reducir el consumo energético.
. Flexibilidad de uso, corto tiempo de fusión, diferentes grados de hierro entre fusiones, la disponibilidad de hierro puede adaptarse a las necesidades del taller de moldeo, bajo costo de inversión, excelente calidad metalúrgica, y ahorro en costo de refractario.
Aspectos comparativos relevantes que hacen la diferencia entre un horno rotatorio y un horno de Cubilote o Inducción: Existen puntos claramente diferenciables en el proceso de fusión con horno rotatorio oxigeno-gas frente a la fusión con cubilote o con horno de inducción que pueden dar la clave de elegir este proceso, trabajando en continuo y sin largas paradas de mantenimiento,
además de ser aceptado por el consumo y costos de energía primaria, este sistema es mejor que el horno de cubilote (con depuración de humos) y el horno de inducción (con limitaciones de demanda máxima):
. Con Respecto al Horno de Cubilote
Ahorros de mano de obra en operación y reparación. Una sola persona efectúa el control y la operación de carga. Permite un control metalúrgico más preciso. Rápida fusión de cualquier tipo de hierro de excelente calidad. Sin aporte de azufre para la fusión de nodular. No genera NOx, ni SOx. Mínimas emisiones de humo y polvo, por ejemplo, el horno de cubilote para una producción de 1000 m3/tonelada de carga, el cubilote emite 8 Kg a la atmósfera y en cambio el rotatorio menos de 1/2 Kg de emisiones sólidas. Flexibilidad, comodidad y limpieza.
. Con Respecto al Horno de Inducción:
Inversión inferior. Costo energético de fusión reducido entre 30-50%. No aumento de la potencia contratada. Si se posee un horno de inducción, reduce el costo de energía y aumentar la producción trabajando en dúplex. Calidad metalúrgica similar. Una aplicación comercial de esta propuesta de combustión oxi-gas, se muestra enseguida:
a. Las características mecánicas del hierro obtenido con ALJET™ en hornos rotatorios manufacturados por SOGEMI (Fig. 3), son tan buenas o mejores que las características de los obtenidos en hornos de Cubilote. El fabricante ofrece que se puede operar los hornos rotatorios oxi-combustible si su fundición es manufactura entre 1,000 y 50,000 Ton de hierro por año, como reemplazo a los hornos
de Cubilote o como equipo adicional para el horno de inducción. El fabricante ofrece una gran variedad de factores prácticos y entre los más importante es el fácil entrenamiento: a personal calificado para transformar hornos de cubilote a hornos rotatorios, bajo mantenimiento, ciclo de operación automático. Fig. 3. Horno rotatorio con combustión de oxi-combustible [1].
E. Simulación para optimizar el proceso de fundición en Hornos Rotatorios. A través de diversas investigaciones se han desarrollado avances en los modelos de proceso que implican el flujo y el traspaso térmico de fluidos, y predicen la evolución y la distribución de temperaturas en horno rotatorio modelando y analizando el horno bajo diversas posiciones de la llama. El propósito de estas investigaciones es construir un modelo que simule los flujos de la energía dentro del horno, usando las características globales de cada uno de sus componentes principales: el gas, un tambor de acero cilíndrico y un compartimiento del metal y las paredes del horno. El modelo debe ser dinámico al capturar la evolución de la temperatura, al simular la rotación del horno y al analizar los flujos de la energía dentro del horno. Para predecir y mejorar la evolución y la distribución de temperaturas en el horno rotatorio, se utiliza un análisis numérico por medio del paquete finito del elemento de ELFEN [7]. En este papel, una simulación numérica se usa para mejorar la comprensión de hornos rotatorios con el elemento finito que modela el sistema ELFEN para desarrollar modelos del horno. Los resultados indican claramente la
distribución de la temperatura para diversas velocidades angulares junto con una comparación de la variación de la temperatura bajo diversas posiciones de la llama.
Reflexión. La innovación en los diferentes factores que son determinantes en un proceso de fusión en hornos rotatorios, han logrado mantenerlo vigente y competitivo en la industria de la fundición. Por consiguiente, se debe buscar la forma de actualizar los órganos de fusión a fin de operar en condiciones óptimas y esto conlleve a beneficios económicos y ambientales.