Alt forn

De la Viquipèdia, l'enciclopèdia lliure.
Saltar a la navegació Saltar a la cerca
Dibuix esquemàtic d'un alt forn:
1. Flux d’aire calent de les estufes Cowper
2. zona de fusió
3. zona de reducció d’òxids fèrrics
4. Zona de reducció d’òxid fèrric
5. zona de preescalfament
6. Entrada de minerals crus, flux i coc
7. gasos d’escapament
8. columna que conté mineral, flux i coc
9. eliminació de residus
10. escapament de metall fos
11. escapament de gasos d’escapament
Alt forn al port de Sagunt, València, Espanya.
Un alt forn alt a Sestao , Espanya

L’ alt forn és un tipus de planta que s’utilitza a la indústria siderúrgica per a la producció de ferro colat a partir del mineral de ferro; l’alt forn produeix ferro colat gris , és a dir, un aliatge binari de ferro i carboni , mitjançant un procés en el qual la combustió de coc de carboni, la fosa de minerals i la reducció d’ òxids metàl·lics (per exemple Fe 2 O 3 ) presents a la natura com a mineral ferrós, a través d’una atmosfera reductora . La producció d’un alt forn modern pot oscil·lar entre 2.000 i 8.000 tones diàries.

L’alt forn deu el seu nom a la seva mida; de fet, pot arribar a una alçada d’11 metres (més de 50 m també tenint en compte el sistema de càrrega superior) i un diàmetre màxim d’uns 12 metres. [1]

Antecedents

Els alts forns més antics coneguts es van plantar a Dürstel ( Suïssa ), a Sauerland ( Alemanya ) i a Lapphyttan ( Suècia ), on el complex va romandre actiu entre 1150 i 1350 . El de Lieja data del 1340 . Els cistercencs van contribuir a la seva difusió a Europa , en particular a Xampanya ( França ) i Laskill ( Gran Bretanya ). Es va fer un pas important el 1776 , quan l’aplicació de la màquina de vapor a la manxa va permetre assolir temperatures més altes. El 1828 James Beaumont Neilson va patentar el procés que bufava aire calent, augmentant l'eficiència.

Descripció i informació general

L'alt forn és un forn de tina, la forma del qual consta de dues seccions de con truncades, de les quals la "tina" constitueix el con superior, el con inferior s'anomena "sac", unit per una secció cilíndrica central (anomenada "panxa") ). La càrrega es produeix des de dalt i està formada per capes de coc i mineral de ferro que es carreguen en capes alternatives.

És un forn de funcionament continu: les capes de la càrrega baixen lentament a mesura que el forn s’alimenta introduint noves capes a intervals regulars.

És un forn de vent: perquè per assolir aquests valors de temperatura és necessari bufar en aire preescalfat per sota, al qual es pot afegir oxigen. La injecció d'aire anomenada "vent calent" (1100-1200 ° C), també contínua, té lloc a través d'una corona de tubs (anomenats tubs) en correspondència amb el ventre del forn.

Simultàniament al vent calent, es pot introduir carbó fòssil micronitzat (uns 100 micres), amb l'objectiu de reduir l'ús del coque de carboni més car (que, no obstant això, no es pot eliminar completament ja que és necessari per mantenir la càrrega permeable) a gasos).

L'estructura del forn està constituïda externament per una armadura d'acer especial, revestida internament de maons refractaris sobre un substrat de ciment refractari. Les parets del forn més estressades tèrmicament es refreden internament mitjançant intercanviadors de coure refredats, al seu torn, per aigua que els travessa.

El forn es compon, començant per la part superior, de les següents parts:

Boca de càrrega

És la part superior amb els dispositius per carregar, obrir, tancar i recollir els fums. A la boca, la temperatura del gas de sortida és inferior a 200-300 ° C.

Tino

Constitueix la part més gran de l’alt forn i té la forma d’un con truncat amb la base principal a la part inferior. L'expansió descendent facilita el descens de les càrregues i també té en compte la seva expansió a causa de l'augment de la temperatura. S’elabora amb refractaris silico aluminosos (àcids).

Ventre

És la part cilíndrica entre la tina i la bossa; de vegades, aquesta part de l’alt forn es pot reduir a la simple circumferència que connecta la bossa amb la tina. Aquí comença la fusió de les càrregues, a temperatures compreses entre 1.350 i 1.500 ° C.

Bossa

És la part cònica amb una secció que augmenta cap amunt. A la part inferior hi ha els brocs per introduir el subministrament d’aire calent des de l’alt forn. La fusió de les càrregues es completa a la bossa amb una temperatura entre 1.800 ° C i 2.000 ° C. Per reduir el consum de coc, alguns alts forns permeten bufar pols de carbó (més barata que el coc) juntament amb aire calent (pols inferior a 100 micres).

Crisol

És un cilindre format per blocs carbonats de grafit i argila. Es troba a la part inferior de l’alt forn. Sobre el gresol hi ha disposats, de dalt a baix, dos forats de sortida d'escòries, espaiats angularment a uns 1,50 m del fons del gresol, i dos forats de fosa a la planxa mare, també espaiats angularment i disposats just a sobre del fons del gresol . Aquí la temperatura arriba als 1.600 ° C. Normalment es fa amb revestiment refractari gràfic (neutre).

Alimentar un alt forn

Els minerals de ferro que conformen les càrregues d’un alt forn són:

Mineral Fórmula química Densitat ( ) % Teòric de ferro % Mitjà de ferro del material Nota
Magnetita Fe 3 O 4 5 72,4 45/70 El 37,6% restant de mineral constitueix el ganga, és a dir, la terra.
Hematita vermella Fe 2 O 3 5.2 69,9 45/60 És un bon mineral perquè conté poc fòsfor.
Limonita 2Fe 2 O 3 3H 2 O 3.7 59,8 30/50
Siderita FeCO 3 3,8 48.2 30/40

Els quatre minerals esmentats acostumen a anar acompanyats d’elements que es poden considerar tant positius com negatius, a continuació en detallem alguns:

Preparació de minerals de ferro

Trituradora

Amb el triturat, realitzat mitjançant trituradores rotatives amb trituració excèntrica, el mineral es redueix a una mida que oscil·la entre els 8 i els 35 mm.

Enriquiment

El procés d’enriquiment té com a objectiu eliminar la ganga del mineral tant com sigui possible. Els mètodes d’enriquiment més habituals es produeixen per a:

  • separació magnètica: el mètode és aplicable exclusivament a la magnetita, ja que només aquest mineral és magnètic;
  • diferència de densitat: després de ser mòlt, el mineral es separa de la ganga amb tamisos especials;
  • separació de flotabilitat;
  • separació per flotació;
  • etc.

Calcinació

La calcinació és una operació de dissociació que es duu a terme sense la intervenció d’agents aliens al mineral i amb només escalfament. Es realitza en forns a una temperatura de 200/300 ° C i es realitza generalment:

  • sobre les limonites de les quals es produeix la separació de l’aigua segons la reacció:
  • en siderites que es dissocien en òxid ferrós, alliberant diòxid de carboni, segons la reacció:

Torrats

El propòsit del rostit és transformar el mineral en un material més tractable a l’alt forn, o eliminar la totalitat o una part dels elements nocius. El rostit pot ser:

  • torrat reductor: en un forn tubular es carrega hematita i una petita quantitat de carbó; es produeix la reacció següent:

No obstant això, part de l'òxid magnètic es transforma de la següent manera:

  • torrat oxidant: en un forn tubular, o graella, escalfat a una temperatura inferior a 500 ° C en presència d’aire, es carreguen magnetites; es produeix la reacció següent:

Aglomeració i granulació

Minerals de petites dimensions procedents de parcs d’enriquiment magnètic o d’homogeneïtzació magnètica, etc. no es poden carregar directament a l’alt forn. Per a tots aquests materials es requereix un procés d’aglomeració o granulat. Es realitza un o altre dels dos processos, en funció de la mida de les partícules dels materials i amb precisió:

  • aglomeració per a pols amb dimensions> 0,1 mm;
  • granulació per a pols de dimensions <0,1 mm.

Aglomeració

El procés consisteix a barrejar el material ferrós fi amb pols de coc i col·locar-lo en forns especials per a graelles, escalfats a altes temperatures: 1.000 / 3.000 ° C.

Aquest material així tractat, ja sigui per incipient fusió dels grans de sílice que hi conté, o per l’aparició d’una recristal·lització real, es transforma en un aglomerat que té l’aspecte d’una massa esponjosa.

Peletització

El procés de pelletització es duu a terme per a aquells materials massa fins per als quals l’aglomeració seria excessiva.

El procés consisteix a barrejar el mineral, amb granulometria molt petita, amb aigua, calç i un aglomerant, generalment bentonita , en bidons giratoris en què hi ha la formació de grànuls esferoïdals de 10/25 mm de diàmetre anomenats pels grànuls verds anglesos. Posteriorment, s’asseca i es cou a 1.300 ° C, en forns de graella continus del tipus dwight-lloyd.

Coca-Cola

Icona de la lupa mgx2.svg El mateix tema en detall: Coca-Cola (carbó) .

Fosc

S’afegeix un material anomenat flux al mineral de ferro i al coque posats a l’alt forn, que s’uneix químicament, a una temperatura relativament baixa, d’uns 1.200 ° C, a la ganga del mineral i a les cendres del coc, formant substàncies que es fonen fàcilment.

El flux sol ser un material rocós del tipus calcari, més rarament està format per dolomita , argila , sorra , etc. Per reduir el consum de coc a l’alt forn, l’addició d’aquest flux ha de ser en una quantitat i qualitat que doni lloc al següent índex de basicitat :

Esquema d’un centre d’acer de cicle integral, etapes de producció:
1. Mineral de ferro
2. Fosca
3. Carretons transportadors
4. Boca de càrrega
5. Coca de coc i capa de fondant
6. Capa de xocolata negra i minerals de ferro
7. Flux d'aire calent a uns 1200 ° C
8. Eliminació de residus
9. Crisol per a la fosa de ferro colat
10. Cullera per a escòries
11. Fosa de cullerot
12. Recipient per a la separació de partícules sòlides
13. Recuperadors
14. Xemeneia
15. Conducte de l’aire calent enviat a l’alt forn
16. Carbó en pols
17. Forn de coc
18. Coca-Cola
19. Sortida dels fums de l’alt forn

Principals fases de funcionament

L’alt forn és essencialment una planta química en la qual es produeixen certes reaccions. Les principals es poden classificar en tres categories.

Reaccions de reducció del mineral de ferro i carburació del ferro

La reducció es produeix tant per l’acció de l’òxid de CO (reducció indirecta) com per l’acció del coc (reducció directa). De fet, l’oxigen contingut en l’aire introduït a alta temperatura i pressió a l’alt forn reacciona amb el coc roent, formant primer diòxid de carboni (CO 2 ) i, posteriorment, monòxid de carboni segons les reaccions ;

Per tant, a la columna de gas que puja cap amunt hi ha monòxid de carboni (CO) que té la doble funció de reduir el mineral i alimentar el ferro així obtingut, segons les reaccions següents:

  • reacció de reducció:

i si hi ha magnetita:

  • reacció de carburació:

No tot el monòxid de carboni reacciona d’aquesta manera; una part quedarà amb els fums que surten, és a dir, els gasos de l’alt forn. Un altre monòxid de carboni es forma per reducció directa del mineral amb coc, segons la reacció:

i si hi ha magnetita:

Al mateix temps, es consumeix més ferro per reacció directa del coc:

Reducció d'altres òxids

Les principals reaccions que es produeixen són tres:

;

;

;

Tot i que el manganès, obtingut mitjançant la reducció del seu òxid (MnO), és molt útil per a la desulfuració del ferro colat, el silici i el fòsfor romanen sense reaccions particulars al propi ferro colat.

Desulfuració del ferro colat

L'eliminació del sofre nociu la duu a terme el manganès i la calç. El manganès acompanya el mineral o s’introdueix a propòsit com a mineral auxiliar, mentre que la calç prové de la dissociació de la pedra calcària que acompanya el mineral o s’introdueix específicament amb el flux. El manganès i la calç reaccionen de la següent manera:

;

Com es pot observar a partir de les reaccions, el manganès reacciona amb el sulfur de ferro FeS, de manera que en la segona reacció es reforma, tornant a entrar al cicle. El compost de CaS juntament amb una part del sulfur de MnS entra a les escòries.

Reaccions de reducció d’òxids

Partint d’un mineral ferrós (Fe 3 O 4 o Fe 2 O 3 ), el metall es recupera mitjançant la reducció d’ òxids mitjançant la reacció:

on Me representa un àtom metàl·lic . Utilitzant la regla de Gibbs (una major afinitat indica una major estabilitat amb el consegüent augment de l'energia de ruptura dels enllaços) és possible elaborar una taula (anomenada Ulich's ) que indiqui l'afinitat del metall amb l'oxigen:

  • Grup IV (òxids refractaris): ; ; ;
  • III grup (moderadament refractari): ; ; ; ;
  • II grup (reduïble): ; ; ;
  • Grup (reduïble per simple escalfament):

Entre els agents reductors presents a la natura hi ha l’ hidrogen que té una afinitat molt forta amb l’ oxigen, de manera que en teoria es podria aprofitar la següent reacció:

no obstant això, l’ús d’hidrogen comporta un risc d’explosió molt fort. Per als grups II i III és possible utilitzar monòxid de carboni CO que té una afinitat molt forta i que tendeix a evolucionar:

El monòxid de carboni deriva de la manca de combustió d’oxigen del coc

El procés de reducció per s’anomena reducció indirecta , mentre que a través de s’anomena reducció directa . Des del punt de vista energètic, la reducció directa requereix molta més calor en comparació amb la reducció indirecta. Per a les temperatures presents dins del procés de l’alt forn, no es pot eliminar completament la reducció directa.

A l’alt forn, el monòxid de carboni , necessari per al procés de reducció, es crea per la combustió del coc amb aire a 1.200 ° C que s’inclou des de baix mitjançant broquets, anomenats tubercles. L’alt forn s’alimenta des de dalt amb capes alternes de carbó de coc metal·lúrgic, flux i mineral de ferro (generalment òxids, com hematita , magnetita , wüstita i limonita ). La funció del coc de carboni dins de l’alt forn és múltiple:

  • produeix el gas necessari per al procés de reducció d’òxid de ferro;
  • genera la calor necessària per a la fusió de minerals de ferro;
  • suporta mecànicament la càrrega de ferro;
  • permet el procés de carburació del ferro colat líquid reduint el seu punt de fusió.

Cicle integral

Transforma el mineral en ferro colat. La càrrega triga unes 8 hores a passar de la boca al gresol; la càrrega és autosostenible respecte a l'anterior. Al nivell del ventre hi ha ferro pur en contacte amb el carboni i hi ha una carburació que permet una reducció de la temperatura de fusió (arriba a uns 1.350 ÷ 1.550 ° C al final del ventre [2] ) i hi ha un degoteig de fosa líquida caracteritzada per la composició química:

C = 4,1-4,4%; Mn = 0,5-1,5%; P = 0,1-0,9%; S <0,1%; Sí = 0,5%

que no té cap ús industrial si no es purifica d’elements químics no desitjats (especialment sofre i fòsfor que indueixen fragilitat en l’aliatge). Per a l'equació de Bouduard tenim 2 paràmetres independents i variam la temperatura a l'interior del forn alt. Per assolir l’equilibri a una temperatura determinada, es requereix un percentatge determinat de CO i, suposant una pressió atmosfèrica, només hi ha un paràmetre per variar. Si es passa a T = cost ja no es troba en equilibri: al punt A hi ha escassetat de CO i, a causa del principi de Le Châtelier , la reacció es mou cap a l'esquerra (l'equació de Bouduard és exotèrmica ). Per analogia, podem fer el mateix amb

Si combina les corbes obtindrà un gràfic que mostra on s’ha de treballar a l’alt forn. La zona superior s’anomena indirecta perquè sembla que la reacció serveix per generar CO 2 mentre que en realitat té la tasca de desoxidar el FeO. Les reduccions indirectes són exotèrmiques, per tant, aquestes reaccions alimenten la planta mentre que les directes són neutres o lleugerament endotèrmiques amb resta de calor (d’aquí la necessitat d’introduir aire calent amb pols de carbó). A la boca, s’introdueix el carbonat de calci CaCO 3 a uns 800 ° C que reaccionarà segons la reacció

la reacció és fortament endotèrmica i augmenta la zona de reducció indirecta. Des del punt on només hi ha Fe, comença el procés de carburació.

Subproductes de l’alt forn

L’alt forn té com a finalitat la producció de ferro mare, però també produeix dos subproductes: gas magre o gas d’alt forn i escòria o escòria de l’alt forn.

És un gas combustible i un material relativament pobre, però les quantitats molt grans produïdes en condueixen a la seva recuperació i ús.

El pobre gas

El gas de l’alt forn es produeix en quantitats variables entre 2500 i 3500 Nm3 ( metre cúbic normal ) per cada tona de fosa mare, que corresponen a 5/7 Nm3 per cada kg de coc introduït. En el passat, aquest gas es dispersava per l'aire, però avui es prefereix recollir-lo per motius ecològics i reutilitzar-lo en recuperadors Cowper, estalviant diners per escalfar els forns.

El loppe

A causa de la diferent densitat, se separen del ferro mare del gresol. Consisteixen en sílice, calç, alúmina, magnesia, anhídrid fosfòric, òxid de ferro, etc. L’escòria es produeix en una quantitat de 0,3 t per cada tona de ferro colat produïda.

A la sortida de l’alt forn, les escòries es transformen en grànuls invertint-les amb un fort raig d’aigua, i després s’envien a les fàbriques de ciment on, barrejades i triturades amb una quantitat adequada de guix, formen l’anomenada explosió. ciment de forn.

Altres

La durada del cicle integral és d'aproximadament 20 anys. Les últimes plantes operatives a Itàlia són la de Tàrent , construïda als anys seixanta i la Ferriera di Servola a Trieste. Avui a Itàlia els alts forns ja no es construeixen a causa de la transició del cicle integral al cicle de ferralla, que en canvi utilitza el forn elèctric.

L'alt forn continua funcionant de forma continuada durant 7 anys sense haver-se apagat mai. Al cap de 7 anys, es renoven les parets d’acer i el material refractari present a l’alt forn; aquest material refractari és útil per mantenir la calor i les temperatures assolides a l’alt forn. Als laterals de l’alt forn hi ha dues torres, anomenades torres de Cowper (de les quals, en un moment donat, una s’escalfa i l’altra es refreda) [1] que s’utilitzen per recollir els fums emesos per l’alt forn. Aquests es filtren inicialment per eliminar els residus, i després es torna a introduir l’aire calent a l’alt forn per tal de disposar d’una font d’aire ja calent i no escalfar-lo, mentre els fums i els gasos s’adrecen cap a les turbines de gas que produirà corrent elèctric.

Cada dues / dues hores i mitja, des del gresol, final de l’alt forn, s’aprofita el ferro colat i es separa de l’escòria present; aquestes escòries, anomenades escòries, es troben més a la superfície ja que la introducció del flux, juntament amb els minerals de ferro, permet portar-les "a la superfície". Aquestes escòries es reutilitzen, per exemple, per fabricar ciment de forn alt, reutilitzat precisament per a la construcció de l'alt forn.

El ferro colat, després de ser tocat, es pot fer solidificar formant els anomenats blocs de ferro colat o es pot transportar a les fàbriques d’acer mitjançant el vagó torpede ; aquest últim és útil per mantenir la temperatura, per tant, el ferro colat en estat fluid. Un cop arribats a les fàbriques d’acer, el ferro colat es transforma en acer gràcies als convertidors d’insuflació d’oxigen. Els convertidors més importants són Martin-Siemens , Bessemer , Thomas i Linz Donawitz (LD) , tot i que el més utilitzat és LD. Aquests convertidors, mitjançant la introducció d’oxigen, redueixen el percentatge de carboni present al ferro colat. De fet, l’acer és un aliatge de carboni i ferro, en què el percentatge de carboni varia del 0,1% a l’1,9%.

Nota

  1. ^ a b Arduino , pàg. 317 .
  2. ^ Arduino , pàg. 318 .

Bibliografia

Articles relacionats

Altres projectes

Enllaços externs

Control de l'autoritat Thesaurus BNCF 27012 · LCCN (EN) sh85014790 · GND (DE) 4160175-0 · BNF (FR) cb11952049q (data)
enginyeria Portal d'Enginyeria : accediu a les entrades de Wikipedia relacionades amb l'enginyeria