ES2332852A1 - Sistema de control del flujo termico en el horno electrico de arco. - Google Patents

Abstract

Sistema de Control del flujo térmico en horno eléctrico de arco. Sistema mediante el cual, el flujo gaseoso existente en el interior del horno eléctrico, es conducido controladamente a través de la chatarra, que actúa como filtro, donde los gases ceden su energía, realizando de está forma el adecuado auto-precalentamiento de la carga en el interior del recipiente. El sistema se basa en la incorporación de al menos dos (6) captadores o salidas de gases, situados en cualquier parte de la cuba del horno, conectados estas salidas o captadores, con la instalación de depuración de humos.

Description

Sistema de Control del flujo térmico en horno eléctrico de arco.

Sistema mediante el cual, el flujo gaseoso existente en el interior del horno eléctrico, es conducido controladamente a través de la chatarra, que actúa como filtro, donde los gases ceden su energía, realizando de esta forma el adecuado auto-precalentamiento de la carga en el interior del recipiente. El sistema se basa en la incorporación de al menos dos captadores o salidas de gases, situados en cualquier parte de la cuba del horno, conectados estas salidas o captadores, con la instalación de depuración de humos.

Sector de la técnica

La invención se encuadra en el campo de la fabricación de acero y dentro del mismo, en el Horno Eléctrico de Arco, alimentado este por corriente continua o alterna, pero es aplicable a cualquier tipo de horno que utilice la energía generada por el arco eléctrico, como fuente energética del Proceso, tal como lo es la fabricación de ferroaleaciones.

Estado de la técnica

En el Horno Eléctrico de Arco utilizado principalmente en la fabricación de acero, la transmisión de la energía térmica a la carga, se realiza de forma casi exclusiva, por radiación.

Durante el Proceso de agujereado de la carga o "boye down" originado por la energía del arco eléctrico y a lo largo de todo el período de fusión, se produce un hueco o espacio progresivo entre electrodo(s) y chatarra - o mezcla de chatarra con material férrico - que sirve de vía prioritaria para la conducción de gases calientes. Gran parte de la energía contenida en estos gases, se evacua con ellos, a través del captador de gases, elemento situado en la parte superior de la bóveda, debido a la elevada velocidad con que los mencionados gases abandonan el horno, consecuencia tanto de su densidad como del diferencial de presión existente dentro y fuera del mismo.

Con el fin de optimizar el consumo energético e incrementar la productividad en las Acerías eléctricas, se han desarrollado sistemas y/o técnicas, basados en diferentes conceptos, que van desde la masiva utilización de energías fósiles, hasta el intento de confinamiento de gases dentro del mismo; desde el precalentamiento de chatarra en instalaciones autónomas, hasta el aprovechamiento de la energía de los gases de escape del horno, para precalentar la chatarra, ubicada esta tanto en recipientes externos a la cuba del horno, como en sistemas de alimentación continua o semi-continua.

El estado de la técnica (patente US 5375139) presenta un sistema de inyección, para modificar el flujo gaseoso dentro del horno, precalentado así la chatarra. Esta patente hace referencia a su vez, a otro desarrollo anterior con el mismo objetivo (patente EP 0462898-US 5166950).

El estado de la técnica (patente US 6748004) también indica que es habitual actuar sobre los elementos de Control de la instalación de aspiración-depuración de humos con el fin de mantener una correcta depresión y extraer del horno la menor energía posible, prolongando la permanencia de los gases en el interior del horno, lo que se traduce en un precalentamiento de la chatarra.

La pérdida de energía en los procesos indicados en los casos mencionados anteriormente (US 5375139 y otros) es elevada. Los gases actúan "barriendo" o evacuando tanto más energía, cuanto mayor sea el volumen aportado, debido al aumento de la presión en el interior del recipiente que incrementa la velocidad de evacuación, puesto que el flujo gaseoso transita prioritariamente por los lugares libres de obstáculos, conectados con el captador de gases situado en la bóveda, hecho que ocurre ya desde el inicio de la fusión, debido, como se ha comentado anteriormente, a las cavidades producidas en la carga, por la acción de los electrodos, mecheros o lanzas a tal efecto.

Además, los gases, en estos casos, interaccionan solamente con la superficie de la carga, ya de por si muy caliente, lo que representa un bajo gradiente térmico gas/chatarra, que reduce sensiblemente el intercambio o cesión energética.

Se han desarrollado otros sistemas, que realizan el precalentamiento fuera del propio recinto del horno. A tal efecto el estado de la técnica (patente US 6157664) muestra un sistema, que tiene por objeto, aprovechar la energía que se evacua del horno a través del captador de gases, situado en la bóveda del mismo y cuya aplicación se basa en la utilización
de recipientes cargados de chatarra, conectados en línea entre la mencionada salida y la instalación

\hbox{captadora de
humos.}

Esta patente, pone de manifiesto los problemas de operatividad que suponen un serie de desarrollos anteriores (patente EP 225939-patente WO 95/12690-patente WO 96/32616-patente EP 636698) todos ellos referidos al precalentamiento de chatarra ubicada en recipientes externos al horno.

El estado de la técnica (patente US 6274081) muestra también, el desarrollo llevado a efecto sobre el precalentamiento de chatarra, mediante la instalación de una tolva de carga situada fuera de la cuba del horno (insertada en la bóveda del mismo y en línea con la depuración de humos) En este caso, los gases que abandonan el horno, transitan a través de la masa de chatarra, ubicada en la citada tolva, cediendo así gran parte de su energía a la misma y realizando el consiguiente precalentamiento de la carga.

En otros Sistemas de alimentación continua (patente EP 0190313-WO-8610130) se recurre al precalentamiento de la chatarra, aprovechando la energía de los gases que abandonan el horno, haciéndoles circular a contracorriente con la dirección de alimentación de carga en forma continua, proceso que se lleva a cabo a través de un largo túnel, donde está instalado el sistema a tal efecto.

Los sistemas de precalentamiento de chatarra fuera del propio horno, mencionados anteriormente, presentan inconvenientes, que van desde la dificultad de obtener un lecho fluido a través del cual circulen los gases (US 6157664) y todos los problemas operativos indicados en esta patente acerca de las mencionadas en la misma (EP 225939 etc.) hasta las dificultadas para controlar la caída de carga desde la tolva de carga al recipiente o cuba del horno (US 6274081) situación que provoca rotura de electrodos. También existen inconvenientes comunes a las patentes (US 6274081) y (EP 0190313) en los cuales la ausencia de chatarra en las zonas del horno mas alejadas a la de la caída de la carga, durante el proceso de fusión, provoca el descubierto prematuro de las paredes de la vasija, que son expuestas a la acción agresiva del arco eléctrico. Esta circunstancia, impide la utilización de altas potencias eléctricas, disminuyendo por tanto la productividad, a la vez que conduce a un deterioro del refractario. Además, en estos Sistemas, no es posible utilizar cualquier tipo de chatarra, por problemas operativos (paliar las caídas incontroladas de carga-controlar la alimentación continua) requiriéndose una selección de materias primas, que conllevan el encarecimiento del
producto.

Aparte de las dificultades mencionadas, estos sistemas requieren monumentales instalaciones, que suponen elevados costos de inversión y mantenimiento.

Ante todas estas circunstancias, la solución a los problemas planteados, pasaría por utilizar un sistema eficaz de precalentamiento de la carga dentro del horno, obviando la construcción de elementos onerosos fuera del recipiente y su dificultad operativa.

El invento que aquí se presenta, resuelve de forma simple los inconvenientes citados, con la incorporación de un nuevo sistema para la captación, regulación y control de los gases, procedentes tanto de la combustión de los productos orgánicos incluidos en la propia chatarra, o materiales de carga, como de los gases producidos debido a la combustión de adiciones aportadas tanto en forma sólida como gaseosa. Este invento permite conducir el flujo gaseoso, desde el punto de generación de dichos gases, hasta la instalación depuradora de humos siempre a través de la carga sólida, poniendo en íntimo contacto sus masas y realizando de esta forma, la función de precalentamiento del material de partida dentro del propio horno.

Descripción de la invención

Este invento se basa en un cambio total de criterio en el concepto de precalentamiento de la carga, definiendo como tal, el hecho de hacer pasar energía térmica a través de la chatarra, para producir el efecto citado. El estado de la técnica sintetizado anteriormente, indica que el precalentamiento de la chatarra en las instalaciones actuales, se lleva a cabo casi siempre en recipientes o conductos exteriores al propio recinto del horno eléctrico de arco o adosados a la bóveda del mismo.

Con este invento, a diferencia de las actuales opciones, el precalentamiento se realiza dentro del horno, ya que desde el momento que los electrodos comienzan a ceder energía térmica al entorno, los gases generados y/o aportados, portadores de la energía que no ha sido cedida a la carga, NO son evacuados a través del captador de gases situado en la bóveda (no existe como tal) sino que son conducidos-forzados-dirigidos a través de la chatarra, hacia los orificios, salidas o captadores, que según el invento han sido implantados en la propia cuba del horno, en lugar de en la bóveda, ya que dicha chatarra o carga está ubicada entre el foco emisor de energía y las salidas de gases, en el interior del propio horno o cuba, circunstancia que diferencia totalmente este desarrollo de todos los realizados hasta el momento.

Con el presente invento, el impedimento que la propia chatarra opone a la evacuación de gases, provoca una sensible disminución de la velocidad de escape de los mismos, ya que no pueden hacerlo a través del captador de gases de la bóveda, puesto que se ha eliminado, obturado o utilizado por otro fin, sino por las salidas practicadas en la cuba del horno a tal efecto, prolongando, por tanto, su permanencia en la vasija, ante la imposibilidad de su escape natural. Este efecto, sumado al hecho de que los gases son conducidos forzosa y controladamente a través de la chatarra, hasta los captadores o salidas, mediante la acción de la instalación de aspiración de humos, permite que se realice su circulación a través de los espacios existentes en la masa férrica, lográndose una cesión, intercambio y aprovechamiento térmico eficaces.

Debido a la relativamente poca masa aparente de chatarra situada entre el foco emisor de energía (electrodo(s) y/o mechero(s)) y los orificios de evacuación, se obtiene en todo momento un lecho fluido, que permite el correcto control-regulación del proceso, sin necesidad de recurrir a grandes potencias de aspiración, propias de otros sistemas de hornos, donde los gases deben pasar a través de una gran columna de chatarra, cuya falta de permeabilidad, a veces impide la correcta evacuación de humos, fluyendo estos al exterior del recipiente.

Con este sistema, además, se evita que el aire ingresado a través de la puerta de desescoriado del horno, reste energía al Sistema, puesto que una de las zonas de evacuación-aspiración, puede estar situada en la parte superior del túnel, donde normalmente está ubicada la propia puerta, con lo cual, este aire será aspirado y conducido directamente a la depuración de humos, sin contactar con la chatarra, al tiempo que dicho aire, actúa como comburente del CO, evitando posibles explosiones en la instalación depuradora y como diluyente de los gases que se dirigen a la mencionada, reduciendo así su temperatura.

La versatilidad del invento, permite que la zona o zonas de aspiración o captación de gases, puedan abarcar todo el perímetro del mismo y estar ubicadas a cualquier altura de la cuba del horno o pueden estar situadas solamente en la puerta de desescoriado, solamente en la piquera o zona de colada, o en ambos lugares, con o sin el apoyo de otros orificios de salida-captadores de gases.

Además de todo lo que antecede y por medio de la regulación alternativa y modulada de los obturadores ubicados en el sistema a tal efecto, se consigue un movimiento rotativo-envolvente de los gases, que incrementa el rendimiento energético del proceso y permite una buena homogeneidad térmica.

Este diseño permite ubicar mecheros, si procede, en zonas superiores de la cuba, donde el peligro de obturación es mínimo y mantenerles activos exclusivamente, cuando fuere necesario, apagándolos y encendiéndolos a voluntad, por no existir riesgo de rebotes de la llama, obturaciones, golpes y por tanto de deformaciones. Esto supone un ahorro tanto en consumo de gas como en el mantenimiento de estos equipos-actualmente, muchos de los inyectores deben permanecer constantemente encendidos para evitar taponamientos.

No obstante, el presente desarrollo, permite también mantener los mecheros en la posición normalmente utilizada o sea en las zonas bajas de la cuba del horno y a la altura necesaria para realizar su función.

Debido a que este sistema impide la admisión de aire al interior del horno a través de la puerta, se puede realizar la aportación de oxígeno y/o gases, por medio de cualquier de los métodos externos (manipuladores etc.) posicionados de forma tradicional a través de la misma, sin tener necesidad de mantener el inyector (es) constantemente operati-
vo (s) como ocurre con otros sistemas de inyección fijos.

Ventajas que ofrece el Sistema- Reducción del consumo de energía, tanto por aprovechamiento del calor de los gases para precalentar la chatarra, como por impedir que la entrada de aire por la puerta de desescoriado contacte con la carga.

- Posibilidad de utilizar más potencia eléctrica, por carecer de puntos calientes, lo que implica una mayor productividad.

- Incremento de la estabilidad del arco, debido a la homogeneidad térmica, que se traduce en un mejor rendimiento electro-térmico. Menor tiempo de fusión.

- Reducción del consumo de gas y oxígeno, debido a la situación de los mecheros, que permite su empleo según los requerimientos necesarios.

- Reducción del consumo de electrodos -Menor oxidación-. Menores caídas de carga que provoquen roturas - Menor tiempo de paro por este motivo.

- Reducción del consumo de refractario por disminución del tiempo de proceso, mayor homogeneidad térmica y ausencia de puntos calientes.

- Incremento de productividad, proporcional a la disminución de consumo energético por los motivos anteriormente citados.

- Reducción del coste de mantenimiento de mecheros, por su ubicación en la parte superior del horno y funcionamiento alternativo.

- Dado que con este sistema los gases son evacuados a través de las salidas o captadores situados en la cuba del horno y no a través de la tradicional salida o captador de gases, de grandes dimensiones, situado en la bóveda, se pude prescindir de este elemento, reduciéndose así el peso de la misma y paliándose los problemas inerciales existentes en el sistema apertura/cierre.

- Una de las salidas o captadores de gases del sistema, se ubica en la puerta del horno, y por ello, el flujo térmico en esta zona, la mantiene libre de chatarra, evitando operaciones de limpieza, e incrementando la Seguridad y el ahorro de maquinaria al respecto.

- En este sistema, el colector general de la Depuración de humos, está ubicado a una altura sensiblemente inferior a los hornos convencionales y por debajo del nivel de la bóveda. Por tanto, no existe interferencia entre la cesta de chatarra y la vasija del horno, permitiendo tanto realizar frontal o lateralmente, las maniobras de carga chatarra, hierro o escoria líquidos o sólidos, como proceder al cambio de electrodos, con total facilidad y Seguridad.

- Se puede aplicar el invento a cualquier tipo de horno eléctrico convencional, tanto de nueva construcción, como mediante remodelación del existente. La inversión, es sensiblemente inferior a la de los sistemas actuales con precalentamiento fuera del horno.

- La adaptación del sistema, se realiza con un tiempo mínimo de parada de Producción.

Explicación de dibujos

Los dibujos adjuntos muestran un ejemplo, no vinculante, de la disposición del invento.

La figura 1 presenta el esquema panorámico del horno, incluyendo el nuevo Sistema, donde se indica: la bóveda (1) electrodos (2) orificio de colada EBT o similar (3).

Se observa que en la bóveda no existe- pero es factible- el tradicional captador de gases para la conducción de humos. Se presenta la ubicación opcional de mecheros o sistemas dobles de inyección oxígeno-carbón en la propia cuba del horno (4) así como en la puerta de desescoriado (5). La extracción o conducción de gases, objeto principal del invento, se realiza a través de los captadores-conducciones- o tomas (6) situadas en la cuba del horno.

La figura 2, muestra una vista lateral del horno, donde se indica el posicionamiento del orificio de colada (3) las salidas o captadores de gases (6) los colectores de unión entre las diferentes salidas o captadores de gases (9) que convergen en un colector principal (7) al que se conecta la instalación depuradora de humos.

La figura 3, presenta una vista por la parte delantera del horno o zona de colada, donde se indica el orificio de colada (3) las salidas o captadores (6) los colectores de unión entre las diferentes salidas (9) y la conexión a la instalación depuradora de humos (8).

La figura 4 representa esquemáticamente el sistema de control y regulación, donde se observa el mecanismo–compuerta, de apertura-cierre (10) sensor de temperatura–presión (12) y circuito de regulación (11).

La figura 5 presenta un ejemplo de control y conducción del Proceso, donde en función de las variables pre-determinadas, se actúan los diferentes mecanismos de apertura-cierre.

Conducción del proceso

El proceso de fabricación con este sistema, difiere muy poco del convencional. La carga de chatarra, se efectúa por medio de cestas que, previa apertura de la bóveda del horno, depositan la chatarra, mezcla de chatarra con materiales sintéticos (prerreducidos) o ambas, independientemente, en el interior del recipiente.

Para acelerar la fusión, se puede adicionar carbón o elementos portadores de carbono, junto con la chatarra durante el período de fusión o bien por medio de inyectores de carbón-oxígeno situados en la cuba o mediante dispositivos a tal efecto instalados en la bóveda.

Una vez cerrado el horno, se procede a su puesta en funcionamiento, aportando energía eléctrica. al tiempo que los mecheros, instalados preferentemente en la parte superior del recipiente, entran en funcionamiento. El precalentamiento de la chatarra se realiza inicialmente de arriba a abajo, al contrario que en cualquier horno actual. Como se ha comentado, debido a que los gases portadores de energía, no pueden abandonar el horno por su parte superior, estos deben hacerlo a través de las aberturas practicadas en parte inferior de la cuba del mismo, frente a las cuales permanece la chatarra hasta su completa fusión.

A medida que trascurre este período, el sistema de regulación acciona las compuertas instaladas en las salidas a tal efecto, permitiendo cerrar o abrir individualmente cada una de ellas, de forma automática, atendiendo a las señales recibidas por medio de los elementos de control instalados. Obturando las salidas más calientes, si las hubiera, se posibilita la conducción de los gases hacia las zonas más frías, cediendo estos su energía a la chatarra que aún permanece sólida.

El sistema de control permite identificar cuándo una zona del horno está fundida y proceder a la protección del refractario y los paneles mediante la aportación automática de carbón u otros aditivos, que generarán la escoria espumosa necesaria a tal efecto. La reoxidación de su componente gaseoso principal (CO) por la inyección simultánea del oxígeno estequiométrico, desde cualquier punto del horno, permite su transformación a CO2. Este gas, como consecuencia del diseño del horno, es dirigido-forzado hacia la zona-salida, donde permanezca chatarra sin fundir, realizando la función de precalentamiento de la misma.

Antes de depositar la chatarra en el horno y con el fin de evitar salpicaduras que pudieran afectar a los orificios de evacuación, se puede bloquear una o todas las salidas o evacuaciones, mediante los dispositivos u obturadores a tal efecto, procediendo a su apertura, cuando se haya realizado la carga.

El invento, por medio de los datos tomados en las distintas salidas de gases del horno, permite conocer el estado de fusión de la carga en tiempo real y proceder a la siguiente recarga, cuando fuere necesario.

Una vez fundida toda la chatarra o carga, según se esquematiza en la figura 5, el Proceso transcurre en la forma habitual, procediéndose al acondicionamiento metalúrgico y térmico correspondientes, hasta la finalización de la colada.

Claims (13)

1. Sistema de Control del flujo térmico en horno eléctrico de arco mediante el cual, el flujo gaseoso existente en el interior del horno eléctrico de arco, es conducido controladamente a través de la chatarra que actúa como filtro, donde los gases ceden energía térmica, realizando de esta forma, el adecuado auto-precalentamiento de la carga en el interior del recipiente. El sistema se basa en la incorporación de al menos dos captadores o salidas de gases situados en cualquier parte de la cuba del horno, en lugar de la bóveda conectados estas salidas o captadores con la instalación de depuración de humos caracterizado porque el sistema comprende además, las siguientes particularidades:

- Los captadores o salida de gases están dotados, todos o parte de ellos, de compuertas o válvulas accionados con sistemas de apertura/cierre y regulación.

2. Sistema de Control del flujo térmico en horno eléctrico de arco, según la 1ª reivindicación, caracterizado porque dichas salidas o captadores están conectados todas o parte de ellas a un colector general por donde los gases son conducidos hacia la instalación depuradora de humos.

3. Sistema de Control del flujo térmico en horno eléctrico de arco, según la 1ª reivindicación, caracterizado porque dichas salidas o captadores pueden estar conectadas independientemente a la instalación depuradora de humos, sin utilizar un colector general.

4. Sistema de Control del flujo térmico en horno eléctrico de arco, según la 1 a 3ª reivindicaciones, caracterizado porque todas o cualquiera de las salidas o captadores pueden estar conectadas a cualquier conducto fijo o retráctil, montado o no sobre elementos o carros fijos o móviles.

5. Sistema de Control del flujo térmico en horno eléctrico de arco, según la 1ª a 4ª reivindicaciones, caracterizado porque las compuertas o válvulas se pueden ubicar en cualquier parte de los conductos por donde transitan los gases.

6. Sistema de Control del flujo térmico en horno eléctrico de arco, según la 1ª a 5ª reivindicaciones, caracterizado porque el sistema, permite, si se cree oportuno, mantener el tradicional captador de gases en la bóveda.

7. Sistema de Control del flujo térmico en horno eléctrico de arco, según la 1ª a 6ª reivindicaciones, caracterizado porque las salidas o captadores se pueden ubicar en cualquier parte de la cuba del horno, incluyendo la puerta de desescoriado y/o la parte superior de la piquera u orificio de colada del horno.

8. Sistema de Control del flujo térmico en horno eléctrico de arco, según la 1ª a 7ª reivindicaciones, caracterizado porque el sistema permite disponer, si fuese necesario, de dos salidas o captadores, que abarquen todo o parte del perímetro de la cuba del horno, conectados con la instalación de depuración de humos.

9. Sistema de Control del flujo térmico en horno eléctrico de arco, según la 1ª a 8ª reivindicaciones, caracterizado porque tanto las salidas o captadores como las compuertas o válvulas y colectores presentan cualquier geometría y dimensiones en su construcción.

10. Sistema de Control del flujo térmico en horno eléctrico de arco, según la 1ª a 9ª reivindicaciones, caracterizado porque las salidas o captadores pueden estar libres o incorporar Sistema de regulación.

11. Sistema de Control del flujo térmico en horno eléctrico de arco, según la 1ª a 10ª reivindicaciones, caracterizado porque en caso de incorporar Sistema de regulación, el accionamiento puede ser: eléctrico, neumático o hidráulico, tanto manual como automático.

12. Sistema de Control del flujo térmico en horno eléctrico de arco, según la 1ª a 11ª reivindicaciones caracterizado porque el sistema de regulación y control de las compuertas o válvulas y por tanto del flujo gaseoso, puede llevar incorporados detectores de temperatura o de cualquier medida de referencia.

13. Sistema de Control del flujo térmico en horno eléctrico de arco, según la 1ª a 12ª reivindicaciones precedentes caracterizado porque la carga del horno puede ser chatarra, materiales férricos, minerales o mezcla de todos o parte de ellos, destinados a la producción de acero, hierro fundido o ferroaleaciones.