Steel Times International October 2015 Spanish by Quartz

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Incrementar la productividad. Reducir costes.

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índice

Imagen de portada cortesía de CMI Industry Metals

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EDITORIAL Editor Matthew Moggridge Tel: +44 (0) 1737 855151 matthewmoggridge@quartzltd.com

Redactor asesor Dr. Tim Smith PhD, CEng, MIM

Fabricación de acero al oxígeno 3 Productividad mejorada por soplados directos durante la fabricación de acero BOF

Editor de Producción Annie Baker

Control de procesos 9 EVO - El nuevo laminador de reducción de cuatro cilindros

VENTAS Director Ventas Internacionales Paul Rossage paulrossage@quartzltd.com Tel: +44 (0) 1737 855116 Gerente de Ventas Anne Considine anneconsidine@quartzltd.com Tel: +44 (0) 1737 855139

Gerente de Ventas del Grupo Ken Clark kenclark@quartzltd.com Tel: +44 (0) 1737 855117

Producción de Publicidad Martin Lawrence

Suscripciones Elizabeth Barford Tel +44 (0) 1737 855028 Fax +44 (0) 1737 855034 Email subscriptions@quartzltd.com

Hornos 13 Mejorar la sostenibilidad del horno de recalentamiento

Eficiencia energética 18 Eficiencia energética en la electrosiderurgia

Publicado por: Quartz Business Media Ltd,

Fabricación de acero BOF 21 Comparación de métodos de desulfuración de metal caliente

Quartz House, 20 Clarendon Road, Redhill, Surrey, RH1 1QX, England. Tel: +44 (0)1737 855000 Fax: +44 (0)1737 855034

Control de procesos 25 Desarrollando un sistema de detección de desviaciones

www.steeltimesint.com Steel Times International (USPS no: 020-958) es publicado mensualmente, excepto en febrero, mayo, julio y diciembre, por Quartz Business Media LTd y distribuido en Estados Unidos por DSW, 75 Aberdeen Road, Emigsville, PA 17318-0437. Franqueo pagado en Emigsville, PA. POSTMASTER enviar los cambios de dirección a Steel Times International c/o PO Box 437, Emigsville, PA 17318-0437 Impreso en Inglaterra por : Pensord, Tram Road, Pontlanfraith, Blackwood,

Gwent NP12 2YA, UK ©Quartz Business Media ltd 2015

ISSN1475-455X

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FABRICACIÓN DE ACERO AL OXÍGENO

Productividad mejorada por soplados directos durante la fabricación de acero BOF Mientras que la práctica convencional de soplado BOF requiere esperar por los resultados de las muestras antes de la colada para ver si es necesario un nuevo soplado, una práctica modificada de soplado simple (directo) ha sido implementada en Steelshop II en SAIL Bokaro, donde las cantidades de oxígeno y fundentes necesarias son predeterminadas usando un modelo estático, lo cual ha resultado en un aumento de la productividad de un 25% al eliminar cuatro etapas de las actividades del ciclo de fabricación de acero. Por N K Jha* y Somnath Kumar** LA mayoría de las plantas integradas de acero en el mundo siguen la ruta de fabricación de acero alto horno-convertidor de oxígeno (BF-BOF). La productividad de un alto horno viene dictada en gran medida por la calidad de las materias primas cargadas y el control de procesos. Las empresas siderúrgicas siempre procuran alcanzar mayores niveles de rendimiento BF. Al contrario, la productividad BOF depende en gran parte del diseño de la acería (incluyendo la logística) y de los grados de acero producidos más que de la calidad de los insumos. Por tanto, durante un tiempo ha habido una sustancial mejora en la productividad BF, pero la productividad BOF ha aumentado sólo marginalmente, creando un desajuste en capacidades entre BF y BOF. Todas las empresas siderúrgicas se enfrentan, por tanto, al problema de encontrar otras maneras de incrementar la productividad BOF Utilizar un “Soplado directo”, eliminando el chequeo intermitente de los parámetros

Alto horno

Mezclador

Carga chatarra

Carga metal caliente

Horno cuchara

Fig 1 Ruta de procesos de la fabricación de acero en SMSII, BSL, Bokaro

Soplado con oxígeno

Colada

Planchones Colada continua

*Ex-CEO, IISCO Steel Plant, Burnpur, Steel Authority of India Ltd. **R & D Centre for Iron & Steel, SAIL, Ranchi, India e-mail nkjha0509@gmail.com (autor correspondiente) www.steeltimesint.com

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Tecnologías innovadoras para la industria metalúrgica

Laminación en frio § Líneas de Proceso Procesos químicos § Procesos térmicos Equipos mecánicos § Automatización § Metalurgia extractiva www.cmigroupe.com DI SE Ñ O | INGENIERÍA | PUESTA EN MA R C H A | A S IS TE NC IA TÉ C NIC A Y FO R MA C IÓ N | P O S T VEN TA

FABRICACIÓN DE ACERO AL OXÍGENO

Actividad

Minutos Comentarios

Carga de chatarra y metal caliente

5-10

Chatarra a temperatura ambiente, metal caliente a ~1300°C

Afino–soplado de oxígeno

14-23

Reacción del oxígeno con elementos, Si, C, Fe, Mn, P en la chatarra y metal

Muestreo–análisis químico

4-15

Acero a 1650°C, análisis químicos y térmicos

Colada

4-8

El acero se vierte desde el horno a la cuchara

Vertido de escoria desde el BOF

3-9

caliente y adición de fundentes para formar escoria

La mayoría de la escoria se elimina del horno, en algunas acerías la escoria se usa para revestir las paredes del horno

Tabla 1 Tiempos de las actividades de la fabricación de acero BOF1 Nº secuencia

Proceso implicado

Recibir metal caliente del alto horno

Desulfuración del metal caliente en una estación de desulfuración externa

Transporte del metal caliente a la cuchara de carga de metal caliente

Transporte de la cuchara de metal caliente a la estación de carga

Carga de chatarra y metal caliente

Establecer los parámetros de soplado y adición de fundentes en términos de cantidad, velocidad y tiempo en base a los análisis del metal caliente y la química del producto

Soplado principal (hasta alcanzar la principal descarburización)

Fin del soplado principal, desescoriado, muestreo y medición de la temperatura

Análisis de la muestra

Establecer los parámetros del último soplado en base a los resultados del análisis de la muestra

Último soplado

Muestreo, medición de la temperatura

Colada del acero líquido en la cuchara de acero, adición de ferroaleación, agitación por el fondo (si se requiere)

Salpicaduras de escoria, descarga de escoria residual

Inicio del próximo ciclo

Tabla 2 Subprocesos de la fabricación de acero BOF

finales del BOF es una solución. Este artículo explora el método y los pros y contras del soplado directo. Fabricación de acero en BSL Steel Melting Shop-II de Bokaro Steel Ltd (BSL), miembro del grupo indio SAIL, produce una variedad de grados de acero a través de la ruta BOF-horno de cucharacolada continua para satisfacer los rigurosos requisitos de calidad de los clientes. SMS-II produce unas 3Mt de planchones calmados con aluminio bajo en carbono cada año. Las variedades de los grados de acero producidos regularmente incluyen LPG, EDD, WTCR, SAILMA, HSFQ y IS2062. SMSII consiste en dos mezcladores de 2500t, dos BOF de 300t con instalaciones de purga en la base, dos hornos cuchara de 300t y dos máquinas de colada continua de dos líneas. La carga de los convertidores BOF de soplado combinado normalmente consiste en unas 260-270t de metal caliente BF de los mezcladores y 35-40t de chatarra dependiendo del nivel de silicio del metal caliente BF. Otros fundentes utilizados son cal (~12t), dolomía calcinada (~7-8t), y virutas de dolomía (5- 6t). El tiempo de soplado oscila entre 16-17 minutos y bajo condiciones normales la colada lleva de ocho a nueve minutos. La temperatura media de la colada varía entre 1660-1680°C. El flujo del proceso de la fabricación de acero en SMS-II, BSL se muestra en la figura 1. La fabricación de acero al oxígeno utiliza oxígeno de alta pureza para oxidar el carbono, el silicio, el azufre y el fósforo en la carga, reduciéndolos todos a niveles aceptables. Una acería BOF capaz de tratar un tamaño de www.steeltimesint.com

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colada de 270-280t en unos 45-50 minutos es considerada óptima. La agitación del baño se implementa al comienzo del soplado o tras el principal ciclo de descarburación, por medio del soplado por el fondo de argón y/o nitrógeno. La formación de escoria, burbujas de CO, y el acercamiento a las condiciones para un estado de equilibrio, se alcanzan mejor con esta inyección de gas por el fondo. Los pasos operativos básicos del proceso se muestran esquemáticamente en la figura 2. Esto incluye recibir metal caliente del mezclador – carga de chatarra – fundición de metal caliente – soplado principal – muestreo – soplado correctivo (si se requiere) – colada – desescoriado, seguido de una nueva carga para repetir el proceso.

La tabla 1 resume las principales actividades durante la fabricación de acero BOF y el tiempo que lleva cada una. Estos tiempos varían considerablemente dependiendo de la química y temperatura de los insumos, la configuración del recipiente y la química y temperatura del acero a fabricar. Los principales subprocesos de la fabricación de acero se muestran en la tabla 2 para la práctica convencional BOF. El tiempo que se necesita para completar esta secuencia se conoce como el tiempo de ciclo. La clave para aumentar la productividad es reducir el tiempo de ciclo. Los factores que afectan al tiempo de ciclo son: ■ Tamaño del recipiente del convertidor; Logística de la acería; ■ Requisitos químicos del producto; Química y temperatura del metal caliente; ■ Método de fabricación de acero utilizado. Cualquier esfuerzo para aumentar la productividad reduciendo el tiempo de ciclo implica cambios en uno o en todos estos factores. En la práctica de volcado convencional los hornos son soplados al “extremo” para medir la temperatura y el contenido de oxígeno disuelto (en ppm) del baño de acero y para obtener muestras de acero y escoria antes de la colada. En este caso el tiempo entre el final del soplado y el comienzo de la colada oscila entre 1014 minutos. En algunos casos la colada se aplaza hasta que el análisis del acero volcado se recibe desde el laboratorio para así asegurar un nivel satisfactorio de contenido de impurezas. Pequeñas correcciones El convertidor BOF tiene una capacidad de defosforilación superior. Si el fósforo entrante en el metal caliente es bajo y consistente, la colada se permite tan pronto como se toman las muestras de volcado, sin esperar por los análisis de las muestras2, 4. Cualquier pequeña corrección de la química puede hacerse en el horno cuchara.

Carga de metal caliente del mezclador

Carga de chatarra

Vertido de metal caliente

Soplado principal

Muestreo

Soplado correctivo (si se requiere)

Colada

Desescoriado

Fig 2 Pasos del BOF convencional

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FABRICACIÓN DE ACERO AL OXÍGENO

Circuito seguridad bomba Cabeza

Cable eléctrico cubierto de goma

Enchufe de dos hilos

Soplado Lazo

Fig 3 Drop sensor

Estado global actual Japón y algunas acerías europeas consiguen tiempos de muestreo y prueba de uno a tres minutos usando un procedimiento de colada rápida. La mayoría de estas acerías usan sublanzas para medir temperatura y carbono por la técnica de detención térmica liquidus. Esto se hace sin mover el horno de su posición vertical. El éxito de una colada rápida depende de cumplir consistentemente las especificaciones de azufre y fósforo. Este proceso puede ahorrar de tres a seis minutos de tiempo de análisis de laboratorio. Estas acerías simplemente proceden de inmediato con la colada del horno. Algunas acerías americanas han adoptado una versión simplificada de la práctica de colada rápida. Unas pocas tienen sublanzas. Otras usan sensores de temperatura “drop sensor” (fig. 3) con o sin sensores de oxígeno. Aquí un pesado ensamblaje de bomba de hierro fundido con una bobina de alambre especialmente enrollada y protegida se lanza en el horno. El alambre dura lo suficiente para hacer una lectura. Las lecturas son más exactas si se detiene el soplado de oxígeno, pero algunas acerías han logrado lecturas útiles incluso durante el soplado. De nuevo, elementos residuales, S, P y otros residuos se asumen como aceptables y comienza inmediatamente el proceso de colada. Algunas fábricas equipadas con sólo dos recipientes BOF usan esta técnica para minimizar las pérdidas de producción cuando uno de los hornos está siendo reconstruido o reparado. Desarrollo de la práctica de soplado directo En BSL se dio prioridad a reducir el ciclo de tiempo en la fabricación de acero BOF para aumentar la productividad de la acería. Tras una rigurosa investigación y deliberación se concluyó que minimizar el tiempo entre el fin del soplado y el comienzo de colada es una forma atractiva de reducir el tiempo de ciclo BOF, ya que cambiar el tamaño de la carga del convertidor o la logística de la acería necesitarían una mayor inversión en capital y tiempo para implementarse. Para alcanzar un tiempo menor entre el fin del soplado y el comienzo de la colada se ha formulado un nuevo proceso de fabricación de acero. Se usó un modelo estático para calcular la temperatura y composición final deseada. Los modelos estáticos son balances de masa y energía que representan las condiciones iniciales (temperatura y condiciones de la chatarra y el metal caliente) Octubre 2015

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Muestreo y temperatura

Colada

Desescoriado

Fig 4 Fabricación de acero por soplado directo

Actividades Minutos Carga de chatarra y metal caliente

10-12

Afino–soplado de oxígeno

15-16

Muestreo–análisis químico

4-5

Colada 7-8 Salpicaduras de escoria

4-6

Vertido de escoria desde el horno

3-4

Tabla 3: actividades de fabricación de acero BOF tras la implementación de la práctica de soplado directo en SMS-II

y las condiciones finales deseadas del baño y la escoria, e indican al operario el oxígeno y fundentes totales previstos necesarios para alcanzar ese punto final. El soplado se detiene una vez la cantidad de oxígeno predeterminada ha sido alcanzada. Además del modelo de carga, el operario cuenta con otras señales, como el cambio en el color de la llama en la boca del recipiente y una caída característica en el flujo de vapor del circuito de refrigeración del sistema de gases de salida, para identificar cuando el carbono ha sido agotado3. En la práctica, los modelos de carga estática tienen una habilidad limitada para predecir puntos finales porque no explican los procesos dinámicos. La exactitud del punto final no se ve afectada sólo por las incertidumbres en las condiciones iniciales (p.ej. masa, temperatura y composición del metal caliente, masa y tipo de chatarra y fundentes añadidos) y por las variaciones en la eficiencia de la lanza de oxígeno, no sólo dentro de una colada al variar la altura y flujo de una lanza, pero también de colada a colada al cambiar el desgaste de las lanzas y la geometría del recipiente con el desgaste refractario3. En el proceso modificado de fabricación de acero en SMS-II, la cantidad total de oxígeno necesaria se sopla de una sola vez a una velocidad predeterminada combinando así los anteriores soplados inciales y finales. Las actividades 8-11 de la tabla 2 son así eliminadas sin afectar a ninguna otra actividad. Los estudios han demostrado que el ciclo de tiempo se reduce entre un 15% y un 20% con este proceso4. La productividad de la acería se incrementa proporcionalmente4. En este artículo de ahora en adelante llamaremos “fabricación de acero por soplado directo” a este proceso. La figura 4 muestra la fabricación de acero por soplado directo. Pros y contras de los soplados directos Además del impacto directo en la

productividad, consideremos otros pros y contras de este proceso que esencialmente supone cambios en la metodología de soplado. Pros, las ventajas ■ Al eliminarse el desescoriado intermitente, se ahorra flujo de metal de salida y escoria creando un aumento marginal en el rendimiento. ■ En el proceso convencional el soplado final (después de la desescorificación) es normalmente seco. Esto no ocurre con los soplados directos. Como resultado aumenta la duración de la lanza. ■ En teoría se espera que un menor contenido de FeO en la escoria conduzca a un mayor rendimiento y una duración más larga del recipiente (la movilidad de FeO contra las paredes del recipiente causa erosión refractaria). ■ En el caso del proceso convencional, la combustión abierta tiene lugar dos veces en cada ciclo contra una sola vez utilizando soplados directos. Lo que supone las siguientes ventajas: a. Mayor duración de la campana y la falda; b. Reducción de la carga en el sistema de recuperación de gases gracias a la eliminación de una fase del sistema de combustión abierta; c. La recuperación del gas de convertidor (fuel) aumenta marginalmente; d. Se reduce el contacto del acero líquido refractario. Contras, los aspectos negativos ■ Debido a una temperatura de abertura más alta, la química algunas veces se desvía de las especificaciones creando presión en el refino secundario del acero. La desfosforación se enfrenta a más dificultades, ya que las probabilidades de retorno del fósforo son mayores a temperaturas más altas. ■ Dificultad para mantener un gradiente de temperatura más alto durante el periodo de soplado. ■ Consumo de fundentes marginalmente mayor. ■ Las coladas sopladas directamente normalmente tienen un contenido mayor de oxígeno. Por tanto, son necesarios más desoxidantes. ■ Un aspecto negativo importante de los soplados directos es que al acero está a una temperatura más alta y la escoria permanece en contacto con el refractario del recipiente más tiempo. Esto reduce la duración del refractario del recipiente, pero un factor www.steeltimesint.com

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FABRICACIÓN DE ACERO AL OXÍGENO

Nº de coladas por día 28,26 26,3

90,81

23,4

92,9

92,12

27,1

Soplado directo %

Nº de coladas por día

92,93

21,3 21

88,6

89 88

88,64

88,34

87,3

87 86

85 15 03-04

04-05

05-06

06-07

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Años

Resultados de la prueba La práctica de soplado directo se ha implementado completamente en BSL, Bokaro. En la práctica previa, el operario tenía que decidir, antes de comenzar el soplado, cómo progresaría el flujo de oxígeno; qué fundentes y cuándo se añadirían durante el soplado para alcanzar los puntos finales deseados en términos de temperatura y composición. En esa práctica, al final del soplado inicial, la lanza de oxígeno se retiraba; y el recipiente se inclinaba para recoger muestras para chequear el progreso real del soplado respecto a la temperatura y composición. Las correcciones en la temperatura y la composición se llevaban a cabo resoplando el baño. Esperar el análisis de las muestras llevaba más tiempo, ya que el análisis químico de las muestras por espectroscopia en un laboratorio diferente implicaban una pérdida de varios minutos (12-13 minutos). Los mayores resoplados para ajustar la temperatura/composición causaban así pérdidas de producción y tenían otros efectos adversos como una menor duración del revestimiento. Al implementar la práctica de soplado directo la cantidad total de oxígeno predeterminado necesario fue soplado en una sola vez. Se eliminaron actividades de desescorificación, muestreo y medición de temperatura tras el soplado principal. El control estático por medio de ordenadores mejoró la tasa de aciertos en temperatura final y carbono de manera significativa. Las actividades de fabricación de acero tras la implementación de la práctica de soplado directo se resumen en la tabla 3. Aumento de la productividad Tras implementar la práctica de soplado directo, la productividad de la acería ha aumentado alrededor del 25%. El número de coladas por día se incrementó hasta una media de 26,5 (2003-4 a 2012-13) desde 21,3 coladas en 2002-03. Octubre 2015

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Años

Fig 5 Mejoras en el número de coladas por día tras implementar la práctica de soplado directo

Fig 6 Porcentaje de coladas de soplado directo en un periodo de tiempo

% FeO en escoria volcada

% Coladas resopladas 28

23 22

23 % Resoplados

que contrarresta esto es un menor FeO en la escoria que la hace menos agresiva en lo que se refiere a erosión refractaria.

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18 17

Fig 7 Reducción del número de resoplados necesarios y nivel FeO constante en la escoria del BOF tras la implementación de la técnica de soplado directo

16 3

% FeO en la escoria volcada del BOF

02-03

15 02-03

03-04

Se alcanzaron un máximo de 29,2 coladas por día en 2012-2013 tal como se muestra en la figura 5. El aumento en el número de coladas fue posible gracias a un significativo descenso del tiempo entre fin de soplado y comienzo de colada. De media más del 90% de las coladas realizadas en SMS-II son ahora con soplado directo (fig. 6). También se redujeron los resoplados a un nivel de menos del 5% de media comparado con más del 20% antes del uso del soplado directo. Tras la implementación de la técnica de soplado directo al punto final deseado, no hubo una sobreoxidación significativa del baño y el FeO en la escoria volcada no aumentó perceptiblemente (fig. 7). Conclusión Para SMS-II, BSL se alcanzó una mejora de la productividad de alrededor de un 25% tras la implementación de la práctica de soplado directo. Además, otros beneficios fueron una mejora en la tasa de éxito de los objetivos finales y una reducción de resoplados. La parte negativa es que el incremento previo en la duración del revestimiento refractario, gracias a las mejoras en gestión refractaria, fue parcialmente neutralizado al adoptar el soplado directo. Además, también hubo un aumento en el consumo de ferroaleación siempre que el baño se oxidó. A la vista de lo expuesto, es aconsejable llegar a un equilibrio considerando la

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Años

logística de la acería y el alcance del aumento de la productividad requerido para combinar las unidades anteriores y posteriores de una planta de acero integrada. Estos aspectos varían de planta a planta. Agradecimientos Los autores agradecemos a la dirección de la acería Bokaro su apoyo a la realización de este trabajo. Gracias también al personal de Steel Melting Shop-II y R&C Lab y a BSL por su apoyo durante la realización de esta investigación. Los autores estamos en deuda con Shri Pankaj Kumar por el apoyo prestado y queremos mostrar nuestro agradecimiento a todos aquellos que, directa o indirectamente, han apoyado este trabajo técnico. ■ Referencias 1 ‘Oxygen Steelmaking Processes’, T W Miller et al MSTS, The Making Shaping & Treating of Steel, AISE Steel Foundation, páginas 475-522 2 ‘Quick direct tap at United States Steel Corporation’s Gary Works Q-BOP Shop’ Yun Li et al Iron & Steel Technology, Nov 2010, páginas 37-45 3 ‘BOF end point prediction’ Joseph Maiolo and Doug Zuliani, Metal Producing & Processing, nov/ dic-2008, páginas 15-18 4 ‘Increasing BOF productivity and profitability by quick-tapping with drop-in sensor’ Stem, R A , Steelmaking Conference proceedings, Vol 78, Publ: Iron and Steel Society/AIME, 1995, páginas 143-146 www.steeltimesint.com

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CONTROL DE PROCESOS

Calibre de precisión instalado en una unidad de dos cilindros por Primetals Technologies

EVO – El nuevo laminador de reducción de cuatro cilindros La mejora del control metalúrgico y dimensional de la Barra de Calidad Especial, así como un aumento en la productividad del laminador, como resultado de una mayor flexibilidad en la familia de tamaños posibles de diámetro sin cambios de cilindro, se alcanzan en el Laminador EVO de Primetals Technologies mediante la incorporación de dos cajas de dos cilindros para una máxima reducción con tres cajas de cuatro cilindros para mejores tolerancias. Por Alberto Lainati* EL mercado de productos largos de Barra de Calidad Especial (SBQ, siglas en inglés) es exigente pero financieramente atractivo. Las medidas técnicas y los retornos económicos necesitan equilibrarse a lo largo de la cadena de proceso completa, no sólo en la planta de laminación, sino también en los procesadores postlaminación. Los requisitos combinados de la laminación termomecánica (baja temperatura de laminación, alta reducción y uniformidad metalúrgica) con la alta precisión forma/acabado de la barra laminada, requieren un grupo específico de cajas en el laminador, concretamente un grupo de reducción y dimensionamiento, dispuesto en una configuración particular (p.ej. 2 cilindros H-V o 3 cilindros Y-l o 4 cilindros X) y número de unidades determinado (p.ej. un 2 cilindros que consta de tres cajas con cilindros orientados horizontal-vertical-horizontal (H-V-H) o cuatro

H-V-H-V; un grupo de 3 cilindros con cuatro o cinco cajas; un grupo de 4 cilindros con una o dos cajas).

Fig 1 Laminador de dimensionamiento de precisión de 2 cilindros de Primetals Technologies

Estos requisitos pueden ser satisfechos por grupos de reducción y dimensionamiento tanto de 2 como de 3 cilindros, incluso con diferentes niveles de desempeño operativo y consistencia; pero la técnica de 4 cilindros tiene aplicaciones limitadas, sólo se emplea para el tamaño de acabado y no puede cumplir todos los requisitos. Los grupos de 2 cilindros pueden proporcionar un buen acabado y una alta tasa de reducción, lo que da una mayor penetración de la tensión en la barra y, por lo tanto, una mayor homogeneidad metalúrgica a través de la sección de la barra, sin embargo, esta configuración es menos eficiente en el moldeo, generando una mayor dispersión del material y una menor adaptabilidad para el free-sizing, en el cual se pueden laminar una gama de diámetros de barra sin cambiar los cilindros del laminador.

*El autor es jefe de ventas, tecnología e innovación de Primetals Technologies, Italia. Contacto: Alberto Lainati, Primetals Technologies Italia Srl, via L. Pomini 92, 21050, Marnate, Italia, +39(0331)741320, alberto.lainati@primetals.com Primetals Technologies es una joint-venture de Siemens y Mitsubishi Heavy Industries tras la fusión de Siemens VAI Metals Technologies y Mitsubishi-Hitachi Metals Machinery, Inc (MHMM) en enero de 2015 www.steeltimesint.com

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CONTROL DE PROCESOS

Fig 2 Comparativa entre el diseño de 3 y 4 cilindros

Fig 5 Las tres cajas de 4 cilindros están orientadas a 45º las unas de las otras

Fig 4 Instalación compacta del laminador de reducción EVO

Los grupos de 3 cilindros proporcionan un laminado preciso y eficiente con una dispersión de material reducida, pero dan lugar a una menor penetración de la tensión en la barra, resultando en una estructura metalúrgica menos homogénea. Los grupos de 3 cilindros tienen una amplia aplicación para el free-sizing a pesar de que, en los extremos de la familia de tamaños, la precisión dimensional se ve ligeramente comprometida. Con más de 20 instalaciones, Primetals Technologies tiene mucha experiencia con los grupos de dimensionamiento de 2 cilindros y también fue una de las primeras compañías en aplicar el concepto de 4 cilindros llamado PRS (dimensionamiento de laminado de precisión) como complemento del dimensionamiento de 2 cilindros. En 2011, se llevó a cabo un proyecto de I+D para concebir un concepto evolucionado de grupo de reducción y dimensionamiento basado en la combinación de técnicas de procesamiento de 2 y 4 cilindros. El resultado es un laminador de reducción EVO patentado, que ofrece una mejor calidad de producto y un aumento de la productividad del laminador.

Laminador de reducción EVO

El laminador de dimensionamiento de 2 cilindros de Primetals Technologies (fig.1) ofrece un desempeño excelente para la tolerancia. Basándose en esta experiencia, el nuevo laminador EVO incluye un grupo de reducción con dos cajas de 2 cilindros para la alta reducción de laminado, y un grupo de dimensionamiento de 4 cilindros Octubre 2015

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Fig 3 El núcleo del laminador de reducción EVO (dirección de laminado de derecha a izquierda: turquesa, dos cajas de 2 cilindros; azul, tres cajas de 4 cilindros)

con tres cajas para una baja reducción para así proporcionar un dimensionamiento preciso. El laminador EVO permite que se procesen una amplia gama de productos con un diámetro dado de cilindros perfilados. Por lo tanto, se reduce el número de juegos de cilindros necesarios, con el evidente ahorro en inversión de capital y costes operativos. También, al reducirse la necesidad de cambio e instalación de cilindros, el uso y, por lo tanto, la productividad del laminador mejoran enormemente. La combinación del concepto de 2 cilindros con el de 4 cilindros en vez de con el de 3 fue la opción preferida. Esto fue así a pesar de que el diseño de 3 cilindros proporciona una buena tolerancia y un buen desempeño de free-sizing, propiedades que podrían compensar sus desventajas inherentes, es decir, la menor reducción y menos capacidad de soporte, características que pueden no ser muy significativas si otros equipos en la línea limitan las velocidades y temperaturas del proceso. Otra desventaja del diseño de 3 cilindros es la posibilidad de torsión de la barra provocada por la geometría trebolada, donde el vector de fuerzas resultante podría no ser siempre compensado (fig.2). Este efecto necesita controlarse mediante el uso de guías de rodillos con sus implicaciones en costes, configuración de la guía y riesgo de daños en la superficie en la barra. Por tanto, la creciente demanda del mercado llevó a Primetals Technologies a seleccionar 4 cilindros en vez de 3 en el desarrollo de un laminador nuevo y más flexible capaz de incorporar nuevas prácticas de procesos a una mayor velocidad y menores temperaturas.

Diseño y equipamiento El laminador de reducción EVO es un grupo de cinco unidades: dos cajas de 2 cilindros seguidas por tres cajas de 4 cilindros (fig. 3). Las dos cajas de 2 cilindros están dispuestas en forma de “X” mientras que las tres cajas de 4 cilindros tienen una orientación de 45º entre ellas. Esta configuración garantiza eficazmente el laminado sin torsiones y permite una combinación optimizada de reducción de laminado muy alta y dimensionamiento final muy preciso. También favorece la compacidad de toda la construcción e instalación, reduciendo así los costes asociados a la huella del laminador (fig. 4). De esta manera, el grupo puede implementarse como una propuesta de instalación en laminadores ya existentes que necesitan mejorar la calidad de su producto. Entre los requisitos típicos para las barras SBQ están la necesidad de una estructura de grano fino y de tolerancias precisas. Mientras que el tamaño de grano fino es resultado de la alta reducción, las tolerancias precisas son facilitadas por la baja reducción. En el laminador EVO, las altas reducciones se aplican en las cajas de 2 cilindros, de forma que se puede obtener el tamaño de grano deseado. Robustos componentes mecánicos y una cápsula de control hidráulico se incorporan al diseño de 2 cilindros, incrementando su capacidad de carga, como demanda el laminado de baja temperatura y los aceros aleados y de alto grado de carbono. Gracias a las altas tasas de reducción, incluso la tolerancia básica (p.ej. a 1 DIN) del material entrante puede ser corregida de manera efectiva por el grupo de 2 cilindros. www.steeltimesint.com

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CONTROL DE PROCESOS

método 2-cilindros

Ratio de dispersión (%)

método 3-cilindros

método 4-cilindros

0 -5 5

10 Reducción de área (%)

Fig 6 Relación entre la ratio de dispersión y el área de reducción (ref 1 Kawasaki Steel Co)

Por otra parte, en las siguientes cajas de 4 cilindros se aplican reducciones bajas para obtener la tolerancia deseada. En particular, la caja final de 4 cilindros aplica una reducción de sólo 1-3%, garantizando por tanto un dimensionamiento ultrapreciso y una superficie lisa. En el laminador EVO, protegido por patentes industriales, los canales del cilindro son calculados con la ayuda del programa FEM, y posteriormente ajustados y optimizados junto con la separación entre cilindros y su velocidad, usando programas en propiedad que implementan técnicas de modelización especialmente diseñadas. Cada caja es impulsada por motores y cajas de engranajes individuales, por lo que las velocidades de rotación se pueden ajustar para así eliminar las restricciones a la distribución de la reducción. Un cálculo correcto de las distancias entre cajas asegura una buena estabilidad del material laminado. La torsión de la barra debe evitarse debido a los riesgos asociados de madejas, deterioro de la tolerancia y daño de la superficie. Entre las dos cajas de 2 cilindros se inserta una guía de rodillos para conducir de forma precisa la barra oval. En el paso de salida de la segunda caja de 2 cilindros se emplea una guía estática para conducir los redondos al grupo de 4 cilindros. Se emplean unas guías estáticas especiales libres de fricción entre las cajas de 4 cilindros, donde la pequeña distancia entre cajas y las fuerzas equilibradas permiten una operación muy estable. Características y beneficios del 4 cilindros La dispersión es dañina para la precisión dimensional y limita las posibilidades para el free-sizing. La relación entre la ratio de dispersión y la reducción del área varía según el diseño del dimensionamiento. Está claro que con un diseño de 4 cilindros la dispersión es casi cero, lo que sugiere que el 4 cilindros es la tecnología más apropiada para un laminado de alta precisión dimensional. La disposición de la caja de 4 cilindros contribuye a limitar la dispersión del material, que se restringe en los sectores de pasada encajonada en 45º (fig. 5). Con el diseño de 4 cilindros, el tamaño del diámetro de los productos acabados tiene poca influencia en la ratio de dispersión, que queda casi en cero (fig. 6). De hecho, cuando las fuerzas del cilindro se aplican al material www.steeltimesint.com

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Fig 7 En el diseño 4-cilindros se consigue una mayor homogeneidad de deformación de la sección transversal de la barra Rango free-sizing Tolerancia dimensional

Fig 9 Tolerancias conseguidas con el free-sizing 4-cilindros

desde los cuatro lados simultáneamente, la deformación total es más eficiente que con los otros dos diseños. Consecuentemente, se espera que la energía específica requerida (kWh/t) descienda por encima del 15% frente al 3 cilindros y más del 40% comparado con los diseños de 2 cilindros. Por ello, la subida de temperatura en la barra es menor. Este aspecto es muy beneficioso cuando se emplea laminado termomecánico. Deformación en la sección transversal Tal como se calculó en la simulación FEM, la deformación en una caja de 4 cilindros es más homogénea que en una caja de 3 cilindros (fig. 7 y 8). Esto sucede a lo largo de la sección transversal de la barra, desde la superficie al centro. La microestructura resultante de la caja de 4 cilindros tiene una uniformidad metalúrgica mayor, lo que hace este diseño ideal para el laminado termomecánico, así como para obtener un tamaño de grano uniforme y fino. Variando la sección transversal de entrada Debido a la dispersión casi inexistente, el diseño 4 cilindros compensa automáticamente las variaciones de la sección transversal debidas al equipamiento (cilindros y guías) y los parámetros de laminado (grados de acero y temperaturas). Esto se ha probado mediante la comparación de las diferencias de la sección transversal antes y después de tres pasadas en un grupo de 4 cilindros. Esta compensación automática es una de las razones de porqué el diseño de 4 cilindros puede dar tolerancias excepcionalmente buenas. Incluso una variación del 18% en la sección de una barra con un diámetro final nominal de 30 mm es compensada totalmente por la geometría del canal de las tres cajas de 4 cilindros. Se alcanza el

Fig 8 Deformación en la sección transversal en un diseño 3-cilindros

mismo tamaño final con una tolerancia muy ajustada de principio a fin de la barra. Esto es beneficioso para el rendimiento del laminado, ya que la cantidad de despuntes es reducida sustancialmente. También favorece algunas operaciones postlaminado (p.ej. desconchado), ya que se reduce la eliminación de material fuera de tolerancia. Familia única y free-sizing El concepto de familia única minimiza el número de cambios de cilindro en el tren de laminación, antes de entrar en las cajas, mediante el mantenimiento de una sola secuencia de pasada, con todos los cambios de tamaño concentrados en el laminador de reducción. El free-sizing del ajuste preciso de la separación entre cilindros alrededor de su valor nominal, sin ajustar la alimentación procedente del paso previo, permite un rango continuo de diámetros acabados entre los valores mínimos y máximos de la “familia” de laminados, y siempre con las tolerancias requeridas. El rango de laminado de free-sizing se corresponde con la diferencia entre la mínima y máxima separación entre cilindros alcanzable, lo que genera resultados con un máximo valor de ovalidad, definido como la diferencia entre los diámetros máximos y mínimos en la misma sección transversal. El rango de free-sizing que proporciona el diseño de 4 cilindros varía según el grado requerido de tolerancia dimensional, tanto de precisión como convencional (fig. 9). Esto es un rango más amplio que el que da el diseño de 3 cilindros, que es de cerca del 10%. Está claro que el diseño de 4 cilindros hace posible un mayor rango de free-sizing (fig. 10). La familia única y el laminado free-sizing mejoran drásticamente la utilización del laminador, su flexibilidad operativa y la gestión del inventario de equipamiento (cilindros y guías), resultando en la reducción de costes operativos. En los mercados SBQ, incluso muy pequeños lotes de tamaños no estandarizados pueden producirse con un impacto mínimo en la utilización del laminador, y siempre con las tolerancias requeridas. En resumen, se podría implementar la operación del laminador más eficiente en costes. Por ejemplo, un laminador EVO es capaz de procesar una cartera de productos redondos que van de 14 mm a 80 mm en un diseño de pasada de familia única, sin cambios en el laminador aguas arriba, y de dimensionarla en cerca de 70 diámetros calibrados usando 14 juegos de cilindros. Octubre 2015

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CONTROL DE PROCESOS

Fig 10 Comparativa de tolerancias alcanzadas con diseños de free-sizing entre 2-cilindros, 3-cilindros y 4-cilindros

0.30

Toleranccia [mm]

0.20 0.10 0.00 15

120

100 80

3 cilindros 16

-0.10

4 cilindros 2 cilindros

-0.20

Redondo [mm]

Secuencia de pasada Las dos cajas de 2 cilindros emplean una secuencia ovalada con unas altas ratios de reducción que provocan un refinamiento de grano profundo y uniforme desde la superficie hasta el núcleo del material laminado, de forma similar a lo que podría obtener una operación de forjado. Un grano fino es beneficioso para las propiedades mecánicas, y también facilita los procesos posteriores, como el desconchado, estampado y flexión de combadura, generando su correspondiente reducción de costes. Reducción del tiempo de viaje Ya que el grano tiende a recristalizarse dinámicamente entre las pasadas de deformación, es importante que el tiempo de viaje desde la salida del grupo de dos cilindros sea reducido al mínimo. Por ello, el grupo de 4 cilindros se ubica inmediatamente después de la segunda caja del grupo de 2 cilindros. Las tres cajas de 4 cilindros emplean una secuencia redondo-redondo-redondo con unas ratios ligeras de reducción con el fin de obtener una forma y tolerancias precisas. Mientras que una tensión menor tiende a hacer el grano grueso, el diseño de 4 cilindros puede limitar esto de manera efectiva mediante el control de la dispersión y uniformidad de la deformación permanente. Instalación de las cajas La operación de instalación del laminador es similar a una herramienta mecánica, esto es, fácil y repetible de manera consistente en el tiempo. La preparación de cajas y guías se realiza en el taller de cilindros en paralelo a la laminación. Esto lleva a tiempos de cambios de cilindros y cajas conformes con las prácticas operativas modernas. (Tabla 1).

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0 2-cilindros

3-cilindros

4-cilindros

Módulo de control dimensional @T1< T0

Fuerza cero jugadas Fuerza real de laminado

Desgaste de la pasada Uno de los factores más importantes que desgasta la superficie del canal del cilindro es la fricción generada por las diferencias de velocidad del cilindro y del material en las áreas de contacto. Dado que con un diseño de 4 cilindros, las áreas de contacto son más pequeñas que en los diseños de 2 y 3, se reduce la velocidad diferencial. Esta velocidad diferencial, junto a unas menores presiones de laminado, ayuda a reducir el desgaste de la superficie del canal del cilindro (fig. 11).

Fig 11 Comparativa del desgaste del canal del cilindro en diseños de 2, 3 y 4 cilindros

-0.30

Octubre 2015

Curva de estiramiento [característica combadura] Curva de deformación plástica de material laminado a una temperatura determinada

@ T0

∆ Separación

Calibre material S0

T0... T1 ∆S F(S0;∆(S1;Sobjetivo))

Separación sin carga Combadura Separación real

Reducción de material

∆(S1;Sobjetivo) Sobjetivo

Fig 12 Ajuste de la separación en tiempo real con el módulo de control dimensional Operaciones

4-cilindros 3-cilindros 2-cilindros

Cambio de tamaño con free-sizing (separación)

1 min

1min

2min

Extracción de caja con free-sizing

3 min

4 min

Cambio de grupo para nueva familia de tamaños Cambio de cilindros (1 caja) en laminador

5 min

15 min

20 min

25 min

Tabla 1 Tiempos de cambios típicos

Hitos de la construcción El laminador EVO incluye transductores de posición y presión para cada cilindro en las cajas de 2 y 4 cilindros. También se instalan cápsulas hidráulicas individuales para ajustar las posiciones de los cilindros en tiempo real y bajo carga. Una vez completas las operaciones de instalación, se puede reiniciar la laminación inmediatamente y obtener la tolerancia deseada desde la primera barra, sin necesidad de barra de prueba. Las cápsulas también proporcionan una función antinterferencias en caso de emergencia. Asimismo, sensores de temperatura son provistos en el grupo, por lo tanto las variaciones de temperatura se pueden monitorizar a lo largo de toda la barra. Toda esta información es integrada en el Módulo de Control Dimensional (MCD), junto con información sobre tamaño, forma, temperatura, rigidez de la caja (efecto combadura), separación y fuerza de la laminación. Dado que secciones de entrada más grandes o pequeñas, y temperaturas mayores o menores, aumentan o reducen respectivamente las fuerzas de separación, el MCD proporciona el ajuste necesario a la separación de cada cilindro, en tiempo real (fig. 12). ■

Síntesis El laminador EVO de reducción que combina cajas de 2 y 4 cilindros proporciona: • Concepto de familia única para operaciones aguas arriba simplificadas; • Amplio rango de free-sizing; • Laminado fácil de tamaños no estándar incluso en pequeños lotes; • Bajo desgaste del cilindro; • Reducción del inventario de piezas de recambio; • Reducción de los tiempos de pasada y cambios de cajas; • Gran control de la forma de la barra; • Alta precisión dimensional en la sección transversal y a lo largo de toda la barra; • Sin barras de prueba; • Deformación uniforme en la sección transversal; • Uniformidad metalúrgica de la microestructura; • Mejora del rendimiento; y • Compacidad de configuración del diseño. www.steeltimesint.com

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HORNOS

Mejorar la sostenibilidad del horno de recalentamiento Fives Stein cree que la principal causa de las emisiones de gases de efecto invernadero en la producción de acero es la quema de combustibles fósiles y el consumo de electricidad. Teniendo esto en mente, ha empleado los principios de su filosofía de diseño ecológico durante el desarrollo de su Stein Digit@l Furnace AT 2.0. Por Pauline Plisson*

Reparto de emisiones GEI por origen

Proceso 4%

HOY en día se presta mucha atención a las fuentes de energía renovables, especialmente en los sectores de construcción y transporte, y es importante recordar que las industrias intensivas en energía, como la del acero, son parte de la solución. La creciente popularidad de la energía eólica implicará un aumento en la demanda de acero estructural mientras que el desarrollo de la tecnología de captura y almacenamiento del carbono (CCS, siglas en inglés) aumentará la demanda de acero especial, como los tubos sin costura, que son necesarios para construir la red de transporte de CO2. Sin embargo, si no se hace ningún esfuerzo para reducir la huella medioambiental de la producción de acero, las mejoras en el sector energético podrán verse acompañadas por un aumento en las emisiones de la industria siderúrgica. Para alcanzar su objetivo de reducir a la mitad las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) para 2050, la industria de producción de acero necesita dividir su intensidad de carbono entre cuatro2 (t CO2por tonelada de acero crudo). En la industria siderúrgica, las principales causas de las emisiones GEI son la quema de combustibles fósiles en hornos y el consumo de electricidad de los laminadores y los hornos de arco eléctrico (emisiones indirectas) y las emisiones de CO2 intrínsecas generadas por el alto horno. Otros impactos medioambientales incluyen polvo, HAP y otros residuos de los procesos de preparación de coque y hierro, NOx y partículas de los hornos. La industria ha alcanzado significativos progresos en la mejora de la reciclabilidad del proceso del acero y la reducción de la huella de carbono de la industria mediante el uso de gases in situ (COG, BFG) en vez de gas natural, y proyectos como ULCOS están investigando innovaciones revolucionarias para capturar emisiones CO2 de altos hornos. Para reducir aún más la huella medioambiental y el gasto en combustibles fósiles, los productores de acero necesitan investigar nuevas áreas de mejora como: • Quemadores de ultra bajo NOx • Eficiencia energética en partes del proceso que han sido históricamente

Electricidad 19%

Otras energías (carbón, petróleo, gas, térmica, biomasa, residuos) 77%

Producción de acero crudo (2007) 870Mt/año Acero reciclado (2007)

480Mt/año

Emisiones GEI (2005)

2,6GtCO2 e/año

Media emisiones GEI

3,2tCO2 e/t acero crudo

Media emisiones GEI

1,1tCO2 e/t acero reciclado

Porcentaje de emisiones GEI mundial: 6%

Fig 1 Emisiones de gases de efecto invernadero en el proceso del acero (Fuente: World Steel Association, GHG Protocol)

Alto horno+ convertidor + colada continua 70%

ignoradas porque su consumo energético es pequeño comparado con el del alto horno y Processcontinua la colada • Evitar el exceso de consumo y, por tanto, el energies aumento de las emisiones debido Other a una discrepancia entre las condiciones de diseño y de funcionamiento Electricity • Recuperación y utilización de la energía de los gases de escape del horno • Recuperación y utilización de la energía del almacenamiento de productos calientes • Ajuste o parada temporal de los procesos intensivos en energía para permitir una mayor flexibilidad frente a las variaciones en el precio de la electricidad, posiblemente en combinación con la utilización de sistemas de almacenamiento de energía • Sinergia con industrias cercanas para valorizar los flujos de residuos. Varias tecnologías de Fives Group (hornos de recalentamiento, hornos de recocido, trenes de laminación en frío y destilación de alquitrán de hulla) son clave para encarar esos retos. Por esa razón, estas tecnologías han sido seleccionadas como parte de un programa corporativo de diseño ecológico.

Laminado en caliente 10%

Recalentamiento 80%

Laminado en frío 10%

Proceso de banda 10%

Laminado 20% Fig 2 Consumos de energía desglosados en el proceso del acero

Stein Digit@l Furnace A.T. 2.0

(Fuente: EUnited)

* Director del programa de innovación y sostenibilidad, Fives Group www.steeltimesint.com

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HORNOS

Calidad del producto final

Gases efecto invernadero

Contaminantes

Ruido

Productividad

Energía

Agua

Aumento de la vida útil

Superficie

Reciclabilidad

Productos de reequipamiento y desmontables Tiempo de parada/tasa de descartes

Flexibilidad de carga y combustible Coste OPEX/vida útil

Consumo de recursos no renovables Facilidad de uso Medioambiental

Rendimiento operativo y economía

Seguridad Formación de operarios

Fig 3 Aspectos cubiertos por el programa Engineered Sustainability®

Humano

Salida Air (kW)

Entrada (kW)

Gas Aire 21438

Gas

Combustion

175

Productos 66331

era

ció

Gas residual 42462

15 es 21

Pare d

ref

rig

Combustión 100303

Fig 4 Fig 5

Emisiones NOx

Energía ~9M€/año 60,000tCO2eq/año (caso: gas natural)

Calor residual 350°C hasta 800°C

Pérdidas de cascarilla ~6M€/año: pérdida de energía y dinero

Uso ineficiente del horno Horno diseñado para una producción nominal, pero utilizado en condiciones diferentes la mayoría del tiempo (carga baja, mezcla de productos variable)

Programa de diseño ecológico Fives Group es activo en varias industrias intensivas en energía como siderurgia, aluminio, cemento y cristal y se esfuerza por minimizar el impacto medioambiental de sus tecnologías, concentrándose principalmente en su comportamiento medioambiental. Esta estrategia se implementa en el proceso de desarrollo de productos de la empresa con un programa llamado Engineered Sustainability. Este programa es tanto un proceso de calidad interna como una marca: • Un proceso para revisar sistemáticamente los impactos y mejorar continuamente las Octubre 2015

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tecnologías de Fives, y para dotar a los clientes de datos cuantificados y recursos para alcanzar el mejor rendimiento posible en su funcionamiento • Una marca para los productos Fives de primera clase en términos de comportamiento medioambiental. El programa Engineered Sustainability cumple las recomendaciones ISO 14062 y ha sido revisado por Ernst &Young (compañía auditora independiente). El programa comprende equipos técnicos y de ventas para las primeras fases de diseño, y

se basa en instrumentos de diseño ecológico. Se valoran un amplio rango de aspectos: medioambiental (consumo energético y emisiones, pero también ruido, consumibles y superficie), económico (costo del ciclo de vida y flexibilidad de la producción) y humano (formar operarios en el uso más efectivo de la tecnología). Las oportunidades para reducir los impactos principales son enumeradas, estudiadas e implementadas sistemáticamente cuando tienen éxito; y sus beneficios están asegurados. En enero de 2014, cuatro proyectos de diseño tecnológico habían sido completados, 10 estaban en marcha, y unos 70 empleados de Fives habían recibido formación. Valoración de la sostenibilidad de un horno de recalentamiento El horno de recalentamiento es crítico para el proceso Waste gasde producción de acero al estar localizado justo antes del laminador en caliente. Su cuota de consumo de energía en el proceso de producción de acero es 8% (representando el Cooling water alto horno, convertidor y colada continua 70%, laminación en frío 10%, proceso de lámina 10%, laminación Walls en caliente 2%). (Fuente: EUnited). Fives Stein ha llevado a cabo una valoración del balance energético de un horno de recalentamiento que se realizó para un horno Products que calienta planchones de acero bajo en carbono (8510 x 1574 x 220 mm) utilizando gas natural como combustible (LHV = 8610 kcal/Nm3). La principal pérdida de calor es en los gases residuales, que es recuperada parcialmente por los gases de salida recirculados en el horno, pero que puede ser optimizada. Después vienen las pérdidas en el agua de refrigeración, que son parcialmente recuperadas por medio del ECS (siglas en inglés de Sistema de Refrigeración Evaporativa), instalado regularmente por Fives Stein en las dependencias de sus clientes. Las pérdidas a través de las paredes parecen ser insignificantes. Tal como se explicó, el programa Engineered Sustainability abarca más cuestiones que la energética. Las emisiones NOx han sido identificadas como un área prioritaria, así como las pérdidas de cascarilla, que son una gran preocupación para los productores de acero ya que provocan costosas pérdidas de producción y energía por corresponder al metal que ha sido calentado y por último descartado. También se han tenido en cuenta los requisitos de mantenimiento y consumibles. Resumiendo, las principales áreas de importancia para maximizar el impacto medioambiental de un horno de recalentamiento son enumeradas a continuación por Fives Stein: Reducción de emisiones NOx • Ajuste de las curvas de calentamiento para minimizar la formación de NOx • Quemadores/combustión: mejor mezcla de combustible y aire, combustión por etapas, alta tasa de recirculación • Control del ratio de aire/gas • Limitación de las entradas de aire frío (ingreso de aire parásito) a través de paredes y puertas. www.steeltimesint.com

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HORNOS

Emisión NOx - carga quemador 2

NOx (NOx 100%)

1,8 1,6 1,4 1,2 1 0.8 0%

40%

20%

80%

60%

100%

Carga quemador (%)

Fig 6

170% 160% 150% 140% 130% 120% 110% 100%

100

Consumo específico para una longitud constante de planchones y tiempo de residencia variable Planchón 0.225* 1.250* 12.000*m - Producción nominal = 400t/h - Longitud útil del horno = 49.4m horno digital

264,0

Eficiencia energéticas y gases de efecto invernadero: • Ajuste de las curvas de calentamiento para producir un mínimo de gases de escape (CO2, CO) • Recuperación y reutilización de la energía del gas residual • Control del ratio de aire/gas para utilizar la cantidad necesaria de gas de combustión • Minimizar el consumo de electricidad de ventiladores, bombas y motor. Pérdidas de cascarilla: • Ajuste de las curvas de calentamiento para limitar el oxígeno, y para evitar temperaturas demasiado altas en el horno, o para alcanzar las condiciones de formación de pérdidas de cascarilla lo más tarde posible • Limitación de las entradas de aire frío (ingreso de aire parásito) a través de paredes y puertas • Control del ratio de aire/gas • Manejo y evacuación de escala. Stein Digit@l Furnace AT 2.0 Fives Stein desarrolló el concepto de control Digit@l (interruptor encendido/apagado de los quemadores en vez de control proporcional, y secuencia inteligente del encendido de los quemadores) de los hornos de recalentamiento en los años 90. El primer horno totalmente Digit@l del mundo fue concebido en 1999 y entró en servicio en el año 2000 en Estados

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260,0 258,0 256,0 254,0 252,0 248,0 275

300

325

350

375

400

Producción (t/h)

Secuencia de ignición de quemadores

Fig 8

www.steeltimesint.com

262,0

250,0

Cubierta de la solera (%) Modo modulado

horno convencional

266,0 Consumo específico (Kcal/kg)

Consumo de la zona

Consumo específico Consumo específico para la condición de referencia

Fig 7

Fig 9

Unidos. Desde entonces, Fives Stein ha mejorado gradualmente su tecnología punta en términos de reducción NOx, eficiencia energética y control del horno. Se llevó a cabo un proyecto de diseño ecológico para: • Cuantificar el desempeño medioambiental de la tecnología analizando los datos in situ de los hornos puestos en marcha recientemente (Cölakoglu, Turquía; OMK, Rusia), en comparación con las tecnologías competidoras • Identificar y validar las mejoras en el diseño del horno, llevando a un impacto medioambiental aún menor. Beneficios del sistema Gracias a los quemadores patentados Advantek y control Digit@l, las emisiones NOx del Stein Digit@l Furnace AT 2.0 son excelentes por diseño. Los quemadores Advantek han sido diseñados para emisiones ultra bajas NOx, y siempre funcionan a un 100% de capacidad, es decir a su mínimo nivel de emisiones NOx. Stein Digit@l Furnace® AT 2.0 es la única tecnología que utiliza los quemadores al 100% de capacidad a cualquier ritmo de producción y condiciones operativas. Los quemadores funcionando al 100% de capacidad proporcionan las mejores condiciones: control de longitud de la llama, más eficiencia, consumo más bajo, menor NOx. Esto conduce a entre -10 y -20% de emisiones NOx comparado

con las tecnologías alternativas. La tecnología de los quemadores y el sistema de control digital del horno permite el ajuste de la llama en los quemadores individuales para ser totalmente disociados del control de potencia del quemador. Los quemadores funcionan con llama larga y corta y una combinación de ambas longitudes. La longitud de la llama no varía con la potencia inyectada por el quemador. Los quemadores siempre funcionan al 100% de su potencia nominal, y la potencia inyectada varia con el tiempo de cocción. Las desventajas de otras tecnologías son las siguientes: • Aumento de NOx de un 30% para acortar la llama (y +10% debido al uso de quemadores de techo) • Un aumento en el consumo de combustible del 3% trabajando con llama corta equivale a €250.000 al año. Eficiencia energética Fives ofrece un diseño de horno que es optimizado en referencia a modos de funcionamiento (lo que ocurre la mayor parte del tiempo durante la producción anual de la línea). De hecho, la eficiencia energética depende de la carga del horno por lo que no tiene sentido que la decisión del fabricante se base en el ahorro de combustible garantizado a una carga 100%. El control independiente de cada quemador y las mejoras en el diseño Octubre 2015

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HORNOS

Control online de la temperatura del horno Curvas de calentamiento

Temp techo_ minNOx

1400

Consumo, pérdidas de cascarilla, NOx = f (temperatura de descarga) Consumo

Temp techo_ minEnergía Temp máxima _ minNOx

1200

Temp máxima _ minEnergía

NOx

0,98

1000

Temperatura (°C)

Pérdidas cascarilla

1 0,99 0,97 0,96

800

0,95

Estimaciones para descarga a 1230°C en vez de 1250°C:

0,94

600

0,93

400 200

- 2% consumo de energía - 5,5% emisiones NOx - 9% pérdidas de cascarilla

0,92

Variación de la estrategia de calentamiento Min Nox - Min Energía

0,91 0,9 1230

1235

Longitud calentamiento (m)

Fig 10

1240 Temperatura de descarga (°C)

1245

1250

Fig 11

Mínimas emisiones NOx

El calentamiento más eficiente -5% consumo combustible* Horno más corto gracias a una mayor eficiencia global y recuperación de calor Perfiles de calentamiento optimizados Control individual de quemadores Máxima reutilización de la energía de los gases residuales

Fig 12

-10% a -20% NOx* Quemadores funcionando siempre al 100% de su capacidad Ajuste de longitud de llama

*no alcanzado simultáneamente

Máxima flexibilidad Menor energía y NOx en modos operativos de referencia Hasta +/-50°C entre cabecera y cola del producto Uso más sencillo de los combustibles generados in situ

Mínimo coste operativo Vida útil del refractario más larga Menos mantenimiento - menor complejidad (sólo un tipo de quemadores) - menos piezas de repuesto - descenso del tiempo de intervención

(en morado: beneficios del horno Fives comparado con la competencia)

Fig 13 Novaflam, un quemador de horno giratorio para el procesamiento de cemento: Estudios de diseño ecológico realizados en 2012 y 2013 revelaron que Novaflam era el mejor compromiso entre aire primario y presión para un momento óptimo. Este quemador de fácil manejo produce una llama fuerte, corta y de alta temperatura que puede proporcionar múltiples beneficios a los clientes, como son: • Mayor calidad del “clinker”: hasta +2Mpa de resistencia a 3 días • Alta sustitución por combustibles alternativos: hasta 100% “fluff”o 60% serrín • Hasta -4% de consumo térmico específico • Hasta 4% a 7% de aumento de la producción • -10% de emisiones NOx • Estabilidad lograda por una gran reactividad a condiciones variables • Mayor disponibilidad del horno: -30% “volatilización”, sin “clinker” amarillo reducido, menos formación de anillos

del horno (sección de recuperación larga que permite una recuperación máxima de calor en los gases residuales y quemadores laterales de gran capacidad) producen un ahorro del 5% en el consumo de combustible en la producción anual comparado con las tecnologías alternativas. Si la normativa local permite que las emisiones NOx sean reducidas, la optimización de los perfiles de calentamiento hace posible alcanzar un consumo energético incluso menor. Además, una mayor eficiencia global y la recuperación del calor en el horno permite a Fives Stein diseñar hornos más pequeños, lo que conduce a beneficios económicos y de huella medioambiental. Se puede usar un 100% COG en el Stein Digit@l Furnace AT 2.0, gracias a la ausencia de una estación de mezcla, lo cual mejora la eficiencia energética global. Al enfrentarse las acerías a unas condiciones de mercado cada vez más impredecibles, Stein Digit@l Furnace AT 2.0 es muy flexible y permite: • cocción multicombustible (doble o triple) gracias a los quemadores Advantek y al sistema de tuberías de Stein Digit@l Furnace AT 2.0 • cambio de combustible con una intervención mínima, en el caso de que nuevos combustibles (como los gases generados in situ) se encuentren disponibles durante la vida útil del horno • cambio fácil entre los modos “mínima energía” y “mínimo NOx” gracias al sistema de control del horno Virtuo • suministro de perfiles complejos: hasta +/- 50°C entre cabecera y cola, medido en el núcleo del producto (función “taper heating” ) “Virtuo, el sistema de control del horno nivel 2, calcula en tiempo real las curvas de calentamiento óptimas para obtener el mejor consumo de energía y reducir los niveles NOx”. Se consigue una gran versatilidad y flexibilidad gracias a características únicas de diseño como el control individual e continúa en la página 20

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Connecting the international steel market Steel Times International magazine Steel Times International is the key publication for the steel market, reporting on iron and steel making issues from all corners of the globe. Features include q global news q technical articles q company profiles

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EFICIENCIA ENERGÉTICA

Eficiencia energética en la electrosiderurgia Los sistemas de recuperación de calor residual basados en el ciclo Rankine con fluido orgánico para la electrosiderurgia son actualmente pocos y distantes entre sí, pero un sistema recientemente instalado en Riesa, Alemania, y otro en construcción en Brescia, Italia, podrían traer una mayor eficiencia energética y han abierto el camino para aplicaciones similares. Por Alessandro Foresti* y Daniele Archetti**

recuperación de calor residual basado en ORC asociado a un EAF permitirá unos ahorros superiores al 5% del consumo eléctrico total del EAF, cuando no hay un uso directo significativo de la energía térmica del gas de escape recuperada. Cuando, por el contrario, como es el caso del ESF dentro de una acería o cerca, existe la posibilidad de utilizar una porción del calor recuperado del gas de escape del EAF directa y eficientemente como energía térmica, el calor restante disponible para conversión eléctrica por el ORC, y la electricidad ahorrada, es menos. El sistema calor residual a electricidad basado en ORC en ESF Riesa (Alemania) Una breve historia del proyecto de recuperación de calor residual del EAF en Riesa[1] y las razones para escoger la tecnología ORC pueden ayudar a explicar por qué el ejemplo ESF está siendo ahora seguido por otros operadores de minimill europeos. Feralpi, un importante fabricante de acero europeo, productor de productos largos para la industria de la construcción desde sus plantas en Italia y Alemania, consideró instalar un nuevo sistema de recuperación

de calor residual en una de sus plantas de acero eléctrico con el fin de mejorar la eficiencia energética del EAF, reducir las emisiones y recortar los costes operativos simultáneamente, manteniendo la total disponibilidad de la planta sin incrementar el personal. Basándose en estos objetivos, Feralpi decidió instalar un innovador sistema de recuperación de calor unido a una planta de tratamiento de humos EAF totalmente renovada, empleando refrigeración por evaporación en la planta ESF en Riesa (Alemania). Se escogió este lugar porque ofrecía la oportunidad de exportar calor como vapor a un cliente industrial, gracias a un acuerdo con la compañía suministradora local. La planta basada en ORC instalada en el taller siderúrgico Elbe-Stahlwerke Feralpi en Riesa es un sistema que combina calor y electricidad (CHP). El vapor saturado (aproximadamente 30 t/h) producido por el sistema de tratamiento de humos de refrigeración por evaporación del EAF tiene dos destinos diferentes. Normalmente 20 t/h son convertidos en electricidad en el ORC para generar 2,5 MW, mientras que las 10 t/h restantes son enviadas a una factoría de neumáticos Goodyear Dunlop cercana (fig. 1).

Turbina de vapor (Ciclo tradicional Rankine) Temperatura

Salida de energía

Usuario térmico industrial

Sistema de refrigeración por agua

ORC Recuperación calor residual industrial

Entropía

Características termodinámicas Costes de operación y mantenimiento

Circuito de transporte del calor

Fig 1 Esquema de recuperación de calor EAF en Elbe-Stahlwerke Feralpi Riesa, Alemania

Ciclo Rankine con fluido orgánico (ORC) Temperatura

EL primer sistema de recuperación de calor residual basado en el ciclo Rankine con fluido orgánico (ORC) con generación eléctrica en la electrosiderurgia comenzó a funcionar el 18 de diciembre de 2013 en Elbe-Stahlwerke Feralpi (ESF) en Riesa, Alemania. La exitosa puesta en marcha y la subsiguiente operación comercial demostraron que los sistemas ORC son una herramienta fiable para que las siderurgias mejoren la eficiencia energética de sus hornos de arco eléctrico (EAFs). Más de 5.000 horas de funcionamiento actual y más de 10 millones de KwH generados son prueba suficiente de que los ORC pueden aguantar y satisfacer las condiciones peculiares de la electrosiderurgia, siguiendo la rutina operativa normal de los EAF con cargas altamente variables, flujos y temperaturas de gases de escape y con periodos alternos de encendido y apagado durante la fusión o colada y carga respectivamente. El funcionamiento continuo de la nueva instalación de relación calor residualelectricidad en Riesa confirmó que el sistema ORC, ajustándolo automáticamente a los ciclos de operación de EAF, no distrae a los operadores de sus laborales normales y tiene unas necesidades mínimas de mantenimiento. Un sistema correctamente diseñado de

Otras características

Entropía

Gran descenso de la entalpía

Pequeño descenso de la entalpía

Necesidad de recalentamiento

No necesita recalentamiento

Riesgo de erosión de la pala

No hay riesgo de erosión de la pala

Tratamiento de aguas necesario

Fluido no oxidante

Altas presiones y temperaturas

Personal mínimo

Personal especializado necesario

Autorregulación / regulación automática

Conveniente para plantas> 10MWe

Gran flexibilidad y buen rendimiento con

Baja flexibilidad

carga parcial

Menor rendimiento con carga parcial

Demostrado en recuperación de calor industrial

Fig 2 Conversión calor residual-electricidad con ciclos de Rankine

*Alessandro Foresti, Turboden Srl, ITALIA - alessandro.foresti@turboden.it - +390303552213 **Daniele Archetti, Turboden Srl, ITALIA - daniele.archetti@turboden.it - +39 0303552431 Octubre 2015

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EFICIENCIA ENERGÉTICA

Calor recuperado

Gas de escape EAF

EAF alimentado por Consteel

(vapor)

Caldera calor residual

Calefacción urbana de Brescia Energía eléctrica

Electricidad

Unidad Turboden ORC

Calor

 Unidades estándar desde 200 kW a 10 MW  Soluciones personalizadas hasta 15 MW

Fig 3 Tamaños y aplicaciones de Turboden ORC

Una característica muy importante de la planta es la alta flexibilidad de la conversión de calor a electricidad: el ORC opera continuamente con un caudal de vapor variable de entre 2 y 22 t/h, que se adapta automáticamente a diferentes condiciones operativas del sistema EAF. La planta ORC fue puesta en marcha con el primer paralelo el 18 de diciembre de 2013 alcanzando su capacidad nominal el día siguiente. Las actividades de puesta en marcha se completaron en la primera mitad de 2014 alcanzando un funcionamiento continuo ininterrumpido según la rutina operativa normal de un EAF. La planta está ahora en pleno servicio comercial y ha demostrado que supera la producción eléctrica garantizada contractualmente[2]. ¿Por qué ORC en vez de turbina de vapor? La conversión de calor en electricidad se alcanza normalmente con los sistemas de ciclo de Rankine donde un fluido es comprimido por una bomba y evaporado a una fase gaseosa por el calor de una fuente de calor en una caldera. El vapor comprimido se expande, girando la turbina para generar electricidad. El vapor expandido se condensa por el efecto de enfriamiento del disipador térmico y es transportado a la bomba para empezar un nuevo ciclo. Los sistemas de ciclo Rankine tradicionales usan agua y vapor como fluidos y son la solución más común para unidades de potencia por encima de 20MW donde se pueden obtener eficiencias por encima de 30% usando vapor recalentado a alta presión/temperatura. Los ciclos Rankine con fluido orgánico emplean fluidos con un peso molecular pesado (siloxanos, hidrocarburos y refrigerantes) que garantizan la expansión de vapor seco en todas las condiciones operativas. Normalmente, se prefieren los ORC para los sistemas de calorelectricidad de menor escala hasta 10 MW, debido a sus mayores eficiencias a menor temperatura de la fuente de calor[3] y la máxima facilidad de operación con mínimos costes de operación (no se necesita personal especializado). www.steeltimesint.com

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Sistema recuperación calor

90 t EAF

Energía térmica

CO2 ahorrado: 10.000 t/año

10 MWth calefacción urbana

2,1 MW ORC

Fig 4 Esquema de recuperación de calor EAF en ORI Martin, Brescia, Italia

La principal diferencia entre el ciclo tradicional de Rankine con turbina de vapor y ORC se muestra en la figura 2. Estas ventajas operativas convencieron a ESF para elegir una solución ORC. La superioridad del ORC en un sistema de generación distribuida de pequeño a medio tamaño se confirmó por el gran número de unidades suministradas durante los últimos 15 años y actualmente operativas en Europa y otros lugares. Unidades ORC Turboden Turboden fue fundada en 1980 por el profesor Mario Gaia para desarrollar el trabajo de investigación que empezó en el Politécnico de Milán. Treinta y cinco años de trabajo totalmente dedicados al desarrollo del ORC permitió a la compañía convertirse en líder europeo en ORC con cerca de 300 sistemas suministrados por todo el mundo. Los sistemas de generación distribuida ORC de Turboden entre 200 kWh y 10 mWh se utilizan en renovables (biomasa, geotérmica y solar) y en aplicaciones de recuperación de calor tanto motores alternativos de ciclo inferior (bottoming ) y turbinas de gas como en la conversión del calor residual a electricidad para las industrias intensivas del consumo de energía (cemento, cristal y metales) (fig. 3). Muchos de estos sistemas ORC son sistemas combinados de calor y electricidad donde el disipador térmico ORC (descarga de calor a baja temperatura) es, de hecho, un usuario térmico (sistema de calentamiento del espacio, secadora u otros). ORC y la recuperación de calor industrial Los sistemas ORC en diferentes industrias intensivas en energía, como cemento, cristal y metales, han demostrado que cumplen con los requisitos de instalaciones de recuperación de calor industrial eficaces. La operación simple, automática, modular, a prueba de fallos de los sistemas ORC puede encajar con el régimen de proceso actual en todas las condiciones, manteniendo la fiabilidad general del sistema. El desacoplamiento del principal interfaz de proceso es una característica deseable en muchas de las aplicaciones de recuperación de calor. Esto se consigue mediante la introducción

de un transmisor de calor entre las fuentes de calor residual del proceso (normalmente corrientes de polvorientos gases de escape) y la unidad ORC. Se pueden utilizar diferentes transmisores de calor como aceite térmico, vapor saturado o agua presurizada. La eficiencia y los costes de inversión dependen de esta elección. A pesar de la intensidad de carbono de la fabricación de acero y la trayectoria probada del ORC en la recuperación de calor industrial en otras industrias intensivas en energía, el sector siderúrgico ha sido lento en aceptar el concepto ORC. La primera aplicación en acero fue una pequeña unidad en funcionamiento desde febrero de 2013 en el minimill NatSteel en Singapur recuperando calor residual de un horno de recalentamiento de palanquillas de un laminador. La revolucionaria aplicación en el horno de electrosiderurgia de ESF en Riesa ha abierto el camino para similares sistemas de recuperación de calor residual con generación eléctrica en otras acerías EAF. Hoy, el ORC es la manera más fácil y eficiente de convertir los gases de escape de cargas de calor discontinuas altamente variables en hornos de fusión. Apoyo de la UE La divulgación de los resultados obtenidos en ESF para promover aplicaciones posteriores de los procesos ORC en la electrosiderurgia ganó el apoyo del Régimen de industrias sostenibles con bajas emisiones de carbono de la Unión Europea a través de los proyectos WHAVES (Valorización del calor residual para industrias intensivas en energía más sostenibles)[4]. La exitosa experiencia de ESF llevó a un segundo proyecto EAF similar adjudicado a Turboden, que está ya en curso con su puesta en marcha prevista para finales de 2015. El nuevo ORC Turboden de 1,9 MW equipará una nueva instalación de recuperación de calor residual de la planta siderúrgica ORI Martin, que cuenta con un EAF alimentado por Consteel de 90 toneladas (fig. 4). ORI Martin, con sede en la ciudad italiana de Brescia, es un suministrador europeo líder en aceros especiales (SBQ) para la industria automovilística y aplicaciones mecánicas generales. Octubre 2015

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EFICIENCIA ENERGÉTICA

Electricidad y calor combinados (CHP) El sistema ORI Martin también es un proyecto que combina calor y electricidad donde el calor térmico recuperado como vapor del enfriamiento de los gases de escape de EAF es también exportado a la red de calefacción urbana de A2A, la suministradora local que cubre toda la ciudad de Brescia, o se convierte en electricidad en el ORC para reducir el consumo eléctrico en la planta siderúrgica. La recuperación de calor del EAF de ORI Martin con el sistema CHP es particularmente interesante porque está diseñado para garantizar la máxima flexibilidad a la hora de transportar el calor recuperado a la calefacción urbana para satisfacer la demanda variable estacional u horaria o, de forma alternativa, al ORC para la parte restante. El proyecto ORI Martin mejorará la eficiencia energética de la planta siderúrgica mientras mantiene la actividad industrial competitiva en la ciudad de Brescia. El proyecto fue incluido en el programa de Ciudades Inteligentes de la UE llamado PITAGORAS, para promover la planificación urbana sostenible con generación eléctrica y térmica innovadora y de baja potencia a partir de residuos y renovables[5]. Los principales parámetros de los EAF y los sistemas de recuperación de calor residual y ORC en ESF y en ORI Martin se resumen en la Tabla 1.

Componentes

Datos

Unidad

Elbe-Stahlwerke Feralpi

ORI Martin

Riesa, Alemania

Brescia, Italia

Horno eléctrico

Peso de la colada

100

Carga de chatarra

3 cestas

Consteel

Intercambiador de calor

Radiación + convección

Convección

Transmisor de calor

Vapor

Presión

bar g

Producción total de vapor (nominal)

t/h

Caudal de vapor al ORC (nominal)

t/h

Condiciones de entrada del vapor

°C

245

200

Sistema de recuperación de calor residual

ORC

Generación eléctrica activa bruta ORC

bar g

2.700

1.885

Consumo interno ORC

120

Generación eléctrica activa neta ORC

2.580

1.821

Tabla 1 ESF y ORI Martin con parámetros de recuperación de calor residual

responde bien a los requerimientos de los fabricantes de acero de tener unas plantas de recuperación de calor eficientes, sólidas y fáciles de manejar, capaces de adaptarse a condiciones operativas altamente variables. La experiencia positiva de ESF en Riesa ha abierto el camino a aplicaciones similares. La segunda planta ORC de Turboden está siendo instalada en ORI Martin en Brescia, Italia. Varios programas europeos han apoyado el desarrollo y divulgación de proyectos de recuperación de calor residual basados en ORC. Nuevas medidas políticas de la UE, estimulando la inversión en sistemas avanzados de recuperación de calor, aliviarían algunos de los problemas experimentados por las siderurgias europeas en un continente donde los costes energéticos son

mayores que en cualquier otra parte. ■

independiente del quemador (cada quemador es una zona). Stein Digit@l Furnace AT 2.0 también cuenta con mejoras en el mantenimiento: • sólo se usa un tipo de quemador, y el acceso a esos quemadores (laterales) y a los dispositivos de control es fácil, lo que simplifica el mantenimiento • diseño y control de horno, y eliminación de los quemadores de techo, que son más calientes y causan más daño refractario, causando una vida refractaria más larga (>10 años).

• Pensar en “producción de referencia” en vez de máxima • Pensar en el futuro: anticiparse a los cambios de combustible • Conocer sus prioridades (mínimo CAPEX, mínima energía, mínimo NOx, máxima flexibilidad) • Diseñar su horno de recalentamiento de acuerdo con su tren d e laminación • Investigar oportunidades para la valorización del calor residual.

Se están estudiando otras tecnologías de diseño ecológico en Fives Group, como un quemador de horno para la industria del cemento (ver figura 13). ■

Por último, gracias a la calidad del calentamiento y a la homogeneidad del producto garantizadas por Stein Digit@l Furnace AT 2.0, Fives Stein demostró en varios casos que la temperatura de descarga del producto puede reducirse. La figura 11 muestra las mejoras en consumo de combustible, pérdidas de cascarilla y emisiones NOx cuando se reduce la temperatura de descarga del producto de 1250°C a 1230°C.

Stein Digit@l Furnace AT 2.0 – beneficios Stein Digit@l Furnace AT 2.0 ha obtenido la marca Fives Engineered Sustainability, clasificándose así como el mejor producto de su clase en términos de comportamiento medioambiental. Fives Group está promoviendo el enfoque de diseño ecológico en la industria del acero y otras, ya que considera que puede traer valor a varias industrias. Además de Stein Digit@l Furnace AT 2.0, otro producto desarrollado por Fives Stein está en la actualidad progresando en el proceso Engineered Sustainability: Digiflex, horno vertical para las líneas de proceso y acabado (líneas de recocido y galvanizado continuo).

Conclusión El eficaz funcionamiento del primer sistema de calor a electricidad ORC en la industria siderúrgica suministrado por Turboden prueba que el ORC

Referencias: [1] Bause, Campana, Filippini, Foresti, Monti, Pelz, Cogeneration with ORC at Elbe-Stahlwerke Feralpi EAF Shop. AISTech 2014 proceedings, mayo 2014. [2] Archetti, Foresti, Organic Rankine Cycle Technology for Steelmakers, ESEC 2014 proceedings, septiembre 2014. [3] Neeharika Naik-Dhungel, Waste Heat to Power Systems. U.S. Environmental Protection Agency CHP Partnership, mayo 2012. [4] WHAVES Project, www.whaves.eu [5] PITAGORAS Project, http://pitagorasproject .eu/

HORNOS Viene de la página 16

Resumen y recomendaciones Fives Stein recomienda a las acerías que consideren los siguientes aspectos antes de lanzar un proyecto, para así optimizar sus inversiones:

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Referencias - Fives’ AdvanTek® : Advanced Combustion Technologies to Reduce the Steel Industry Carbon Footprint”, 8º Congreso Internacional de Acero de China. Pekín, China. 17-20 mayo 2014. - AdvanTek® WRT 2.0 burner for radiant tube furnaces: TOTeM 42 “industrial heating: Furnaces, Process Heaters, Kilns – Design of Safe, fuel and environmentally efficient thermal equipment” organizado por IFRF (International Flame Research Foundation). Ijmuiden, Paises Bajos. 24 y 25 de junio 2014. - Cash for Clunkers in the Reheat Furnace World: Iron & Steel Technology 2010. Artículo presentado en AISTech 2010, Pittsburgh, PA. - ISO TR 14062: Environmental management integrating environmental aspects into product design and development.

Para más información, visite: www.engineered-sustainability.com www.fivesgroup.com

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FABRICACIÓN DE ACERO BOF

Comparación de métodos de desulfuración de metal caliente Debido a las demandas de calidad de los mercados y al creciente contenido de azufre en el metal caliente, la gran mayoría de las acerías de horno de oxígeno básico (BOF) en el mundo desulfuran al menos una parte de su acero. Aunque es posible desulfurar el acero después del proceso del convertidor, desde una perspectiva económica es preferible quitar el azufre del metal caliente antes de cargarlo en el convertidor. Por Frank Schrama, Bart van den Berg y Guido van Hattum*

MIENTRAS que hay muchos métodos de desulfuración de metal caliente, tres son los empleados a mayor escala comercial: el proceso del Reactor Kanbara (KR), con cal como reagente; el proceso UkrainaDesmag o monoinyección de magnesio (MMI), con magnesio como reagente y coinyección, que emplea magnesio y cal o carburo de calcio (a veces los tres) como reagentes.

S(fe)+CaC2 S(fe)+Mg

CaS+2C(fe) MgS

(2) (3)

Reagentes Los reagentes que se usan en KR, MMI y coinyección son cal, carburo de calcio y magnesio. Todos los procesos se basan en las siguientes reacciones químicas:

La reacción 3 es tres veces más rápida que la 2 y 20 veces más veloz que la 1. Esto significa que el magnesio es un agente mucho más rápido que los otros dos. Después de las reacciones, el CaS y MgS formados (que tienen menos densidad que el hierro líquido) ascienden a la superficie para formar una capa de escoria. Cuando esta capa es despumada, el azufre se quita del metal líquido. Cuando el MgS alcanza la superficie entra en contacto con el oxígeno, causando la siguiente reacción:

S(fe)+CaO

2MgS+O2

CaS+O(fe)

(1)

2MgO+2S

(4)

El azufre libre se disuelve de nuevo en el hierro líquido. Esto se llama resulfuración y se puede prevenir de dos maneras: evitando el contacto entre el MgS y el aire, lo que lleva a problemas prácticos (inyección y despumado deben tener lugar en un ambiente inerte), o uniendo el azufre con calcio para formar el más estable CaS: MgS+CaO

CaS+MgO

MgS+CaC2+½O2

(5)

CaS+MgO+2C ( 6)

El CaS y MgO formados quedarán en la escoria como unos sólidos más estables. Debido a las cinéticas de reacción, el magnesio es un reagente más rápido que las alternativas

* Danieli Corus, Rooswijkweg 291, 1951 ME Velsen–Noord, Países Bajos www.steeltimesint.com

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FABRICACIÓN DE ACERO BOF

basadas en el calcio, pero la cal y el carburo de calcio tienen un menor equilibrio con el azufre en el metal caliente, ver figura 1. Esto significa que se requiere magnesio para un proceso rápido, pero se necesita cal o carburo de calcio para alcanzar unas concentraciones de azufre menores. El CaS formado en las reacciones 1 y 2 quedará vinculado a la partícula del reagente, que debido a la presión ascendente subirá a la capa de escoria en un minuto. La reacción 3 es una reacción homogénea, lo que significa que primero se necesita que el magnesio se disuelva en el metal caliente antes de que reaccione con el azufre. El MgS formado, por lo tanto, empieza como una molécula simple y necesitará mucho más tiempo para agruparse y elevarse hasta la escoria (entre 5 y 8 minutos). En la práctica esto significa que para una desulfuración efectiva el desescoriado no se puede detener antes de los ocho minutos posteriore a la inyección de las últimas partículas de magnesio. Reactor Kanbara El proceso KR fue desarrollado por Nippon Steel en 1963. La baja disponibilidad de magnesio en Japón fue razón para buscar alternativas. La cal se usa como reagente principal, pero algunas veces también se añaden CaF2 y/o Al2O3. El reagente también se inyecta en el metal líquido a través de una lanza rotatoria (con una velocidad típica de 100-120 rpm) junto al gas portador (normalmente nitrógeno) o el reagente se añade desde arriba. La lanza agitadora tiene cuatro grandes palas de rotor, que crean turbulencia en el metal caliente. Debido a la turbulencia, el tamaño de la burbuja del gas de transporte es más pequeña y el tiempo de permanencia de la cal en el metal caliente es menor que durante la inyección estática. El aumento del tiempo de permanencia es de gran importancia para el proceso, dado que la cal es un reagente relativamente lento. La cal en el proceso KR se usa de manera más eficiente, lo que significa que se necesita menos y se puede emplear de menor calidad. La agitación, sin embargo, también implica que el metal caliente necesita ser despumado antes de Fig 2 Reactor Kanbara

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Mg Ca

[S] en IM

Tiempo Fig 1 Gráfico cualitativo del equilibrio del magnesio y el calcio con el azufre

la desulfuración para eliminar el alto contenido en SiO2 de la escoria de alto horno, ya que disminuye la eficiencia de la cal. El impulsor y refractario de la cuchara sufren un aumento de desgaste. Finalmente, la turbulencia creada requiere un mayor francobordo (normalmente un metro más que la coinyección) en la cuchara de metal caliente. Monoinyección de magnesio Entre 1969 y 1971 el proceso de monoinyección de magnesio (MMI) se desarrolló en la Academia de Ciencias de Ucrania. Todavía se usa, principalmente en Rusia y Ucrania, así como en unas pocas plantas en China. Las pruebas con este método en Norteamérica fallaron debido a la violencia del proceso. Con el proceso MMI, el magnesio recubierto de sal se inyecta en el metal caliente a través de una lanza con forma de campana. La campana del final de la lanza se emplea como una cámara de evaporación para el magnesio (que tiene un punto de ebullición de 1107ºC) para estabilizar el proceso. De todos modos, también hay plantas, con cucharas más grandes donde se emplea una lanza recta sin cámara de evaporación. En ambos casos la evaporación Fig 3 Monoinyección de magnesio

del magnesio provoca suficiente turbulencia para asegurar una buena distribución del reagente en el metal caliente. Los partidarios del proceso MMI sostienen que la cal no supone una gran aportación a la eficiciencia de la desulfuración del magnesio. Esto es correcto, ya que el magnesio es 20 veces más rápido como reagente que la cal, una misma cantidad de cal puede contribuir menos de un 5% a la desulfuración. Por otra parte, se asegura que la cal en realidad disminuye la eficiencia del magnesio, especialmente en los casos donde la cal no es muy bien quemada. Esto lleva a las siguientes reacciones: CaCO3

CaO+O(fe)+CO

O(fe)+Mg

MgO

(7) (8)

Cuando sólo se usa magnesio como reagente, la resulfuración se convierte en un gran problema. Otra contrariedad es la fina capa de escoria (comparada con KR y coinyección), que deriva en una mayor pérdida de arrastre del hierro durante el despumado. Para estabilizar la escoria y retrasar la resulfuración, la mayoría

Fig 4 Coinyección

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FABRICACIÓN DE ACERO BOF

de las acerías añaden cal, flujo y coagulante encima de la escoria. Coinyección La coinyección de magnesio y cal combina las ventajas de ambos reagentes. El magnesio facilita una rápida desulfuración, mientras que la cal permite unas concentraciones finales de azufre bajas. En el pasado, la cal era algunas veces reemplazada por carburo de calcio, que es más eficiente, pero debido a problemas de seguridad esta opción ya apenas se usa en las nuevas plantas. La coinyección se emplea en todo el mundo y el proceso se considera una práctica estándar. Los reagentes se almacenan en diferentes dispensadores y se mezclan en la línea de inyección. Los reagentes son inyectados mediante una lanza recta con una apertura al final o múltiples aperturas a los lados. Se emplea un gas de transporte (normalmente nitrógeno) para asegurar una inyección uniforme. El gas de transporte y el magnesio en evaporación crean turbulencia, lo que asegura la distribución suficiente del reagente. Una ventaja de la coinyección es que la proporción entre el magnesio y la cal/CaC2 puede ser modificada si se necesita o se permite. Por ejemplo, si hay más tiempo disponible, se pueden inyectar más cal y menos magnesio, lo que hace que el proceso sea más flexible y eficiente en costes.

Tiempo del proceso

KR MMI Coinyección -

+ +

Pérdida de hierro

- -

+ +

Desgaste de equipos

- -

Bajo azufre

+ +

- -

Flexibilidad

Seguridad

+ +

- -

MMI

Pérdida de temperatura

Tabla 1 Comparativa cualitativa Por tonelada de metal caliente

Coinyección

Pérdida de hierro

€ 7.50

€ 3.00

Costes reagentes

€ 0.70

€ 1.45

€ 1.60

Desgaste de equipos

€ 1.00

€ 0.70

€ 0.41

Pérdida de temperatura

€ 0.75

€ 0.25

Total

€ 9.95

€ 5.40

€ 5.26

Tabla 2 Contribuciones más importantes a los costes operativos

Comparativa técnica y metalúrgica Todos los métodos tienes sus fortalezas y debilidades. Las circunstancias específicas y necesidades de la acería fijan las prioridades. No obstante, los tres métodos pueden compararse en aspectos técnicos y metalúrgicos esenciales. Tiempo Los tiempos del proceso dependen de lo rápido que reaccionen los reagentes con el azufre. Dado que el magnesio es un reagente más rápido que la cal, el proceso MMI y la coinyección son más rápidos que el proceso KR. El proceso KR tiene una demora, dado que normalmente se necesita un despumado antes de la inyección. Según la bibliografía, el proceso KR necesita, de media, un 10-20% más de tiempo que la coinyección. El proceso MMI normalmente necesita un periodo de inyección menor que la coinyección. De todos modos, el tiempo ganado es limitado, ya que el despumado sólo finaliza cuando todas las partícuas MgS han alcanzado la capa de escoria (lo que puede tardar ocho minutos). En términos generales, el proceso MMI es más rápido que la coinyección con magnesio y cal (cerca del 5%); la coinyección con magnesio y carburo de calcio es, en general, incluso más rápida que el MMI. Pérdida de hierro La pérdida de hierro durante el despumado es un gran problema. El hierro se pierde de dos maneras diferentes. Durante la formación de la escoria, pequeñas gotas de hierro quedan atrapadas en la escoria, emulsionando con www.steeltimesint.com

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Sistemas de coinyección en una planta BOF en China

ella. Cuando la escoria es despumada, el hierro atrapado se pierde; esto es la pérdida por emulsión. En general, cerca de la mitad de la escoria es hierro en emulsión. Esto significa que la pérdida por emulsión puede ser minimizada mediante la reducción de la cantidad total de escoria. El otro gran contribuyente a la pérdida de hierro es la pérdida por arrastre. Cuando la escoria es despumada, algo de hierro puede irse con ella. La pérdida por arrastre puede ser reducida mediante un descoriado más cuidadoso o con una escoria más viscosa, que es más fácil de rastrillar. Debido a la gran cantidad de escoria creada en el proceso KR y el despumado extra requerido antes de la desulfuración, la pérdida total de hierro es generalmente 2-3 veces mayor que en la coinyección. El proceso MMI tiene una pérdida por emulsión de hierro menor, dado que se crea poca escoria (cerca de siete veces menos que en la coinyección). De todos modos, debido a una menor basicidad, la escoria en el MMI puede contener más hierro en emulsión que la escoria que contiene calcio. La pérdida de hierro por arrastre para el

proceso MMI es mayor que en la coinyección o el KR, dado que el despumado es más difícil debido a la pequeña capa de escoria. Además, el MMI requiere un despumado más exhaustivo debido a una concentración de azufre mayor en la escoria y al riesgo de resulfuración. Sin embargo, en alguna bibliografía se afirman unas pérdidas de hierro muy bajas para el proceso MMI (tan bajas como 0,03%) lo que parece imposible cuando se tiene en cuenta la pérdida por arrastre. En realidad, la pérdida de hierro para el MMI es similar que para la coinyección: cerca del 1% frente al 2-3% para el KR. Desgaste de lanza y refractario Las altas temperaturas y la composición corrosiva del metal caliente y la escoria son las principales causas del desgaste del refractario y la lanza. Para el proceso KR la turbulencia creada por la hélice giratoria es un importante factor de desgaste. La hélice también es vulnerable al desgaste, dado que las palas pueden romperse y ésto reduce la turbulencia y por lo tanto, la eficiencia. Debido a los problemas de desgaste, Octubre 2015

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FABRICACIÓN DE ACERO BOF

Desescoriado, una parte inevitable del proceso de desulfuración

se ha investigado mucho sobre el refractario, especialmente donde se emplean sistemas KR. El proceso MMI tiene menos problemas de desgaste que el proceso KR, debido a una menor turbulencia. Sin embargo, dado que se usa magnesio en vez de cal, la basicidad de la escoria es menor, causando un incremento del desgaste por corrosión. La coinyección tiene menos turbulencia que el proceso MMI y una mayor basicidad en la escoria, lo que explica por qué el refractario y la lanza sufren el mínimo desgaste en este proceso. Pérdida de temperatura Durante la desulfuración, el metal caliente pierde calor. La temperatura del metal caliente cuando es cargado en el convertidor afecta a la cantidad de chatarra que se puede añadir y/o al tiempo de soplado del convertidor. Cuando la temperatura del metal caliente ya es lo suficientemente baja antes de la desulfuración, el proceso de desulfuración debe ser omitido completamente. Esto es más común con el proceso KR. Que la pérdida de temperatura en el proceso de desulfuración sea o no un problema depende de las diferencias del precio local del metal caliente y la chatarra. Unas pérdidas mayores de temperatura son provocadas por unos tiempos de proceso más largos, más turbulencia, menos escoria (la escoria actúa como material aislante) y un uso de los reagentes que genera menos calor (el magnesio causa una reacción exotérmica y la cal no). El proceso KR supone unos tiempos de proceso más largos, alta turbulencia y no grandes reacciones exotérmicas, lo que lleva a una pérdida de temperatura que es normalmente tres veces mayor que para la coinyección o el MMI. La coinyección normalmente necesita más tiempo que la inyección en el proceso MMI, por otro lado, la coinyección es menos turbulenta y tiene una capa de escoria más gruesa. Por lo tanto, las pérdidas de temperaturas para la coinyección y el MMI son similares. Octubre 2015

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Bajo azufre En la actualidad, se puede demandar metal caliente con una concentración de azufre de sólo 10-20 ppm. Debido al balance entre magnesio y azufre y la resulfuración resultante, sólo el magnesio como reagente no será suficiente para alcanzar tales concentraciones. En la bibliografía, se asegura que hay concentraciones bajas de azufre con sólo el uso de magnesio, pero estas medidas se tomaron directamente después de la inyección (antes de la resulfuración). En la práctica, el metal caliente que es desulfurado por el MMI nunca tiene concentraciones de azufre por debajo del 0,006% cuando se carga en el convertidor. Esto puede compensarse un poco añadiendo fundentes desde arriba. La coinyección es capaz de alcanzar concentraciones bajas de azufre estables. Sin embargo, como el magnesio ya no es eficiente en concentraciones bajas de azufre, sólo la cal inyectada contribuye a la desulfuración tan pronto como se alcanzan las concentraciones más bajas. Debido a la menor turbulencia con la coinyección, alcanzar las menores concentraciones de azufre necesita más tiempo y consume más reagente que con el KR. Cuando se requieren sistemáticamente concentraciones bajas de azufre, el proceso KR es más conveniente. Flexibilidad Una estación de desulfuración que puede responder a circunstancias cambiantes, como la escasez de reagentes o la falta de tiempo, es beneficiosa para la flexibilidad general de la planta. El KR no es flexible respecto al tiempo del proceso, ya que el flujo óptimo de cal y la velocidad de agitación son ya aplicados. El KR sólo puede reducir el tiempo del proceso mediante la liberación del objetivo inicial de azufre. La disponibilidad de reagentes normalmente no es un problema para los procesos KR. Sin embargo, el magnesio para los procesos MMI podría llegar a escasear, llevando a incrementos ocasionales en los

costes operativos o incluso a una parada de producción. El sistema de coinyección tiene una alta flexibilidad tanto para los tiempos de proceso como para la escasez de reagente, dado que la frecuencia y proporción son ajustables. Incluso se puede inyectar carburo de calcio como alternativa. Seguridad El magnesio es un componente inflamable peligroso y puede prenderse si se derrama. En contacto con el agua, puede formar el explosivo gas de hidrógeno. Cuando se usa para la desulfuración, el magnesio es por lo tanto recubierto, para demorar sus peligros. Aun así, el magnesio recubierto sigue siendo un reagente más peligroso que la cal (quemada). En el proceso MMI (y algunas veces con el KR) se podría añadir fluoruro de calcio para estabilizar el proceso. Cuando el fluoruro de calcio reacciona, se crea el altamente tóxico gas fluorado. Esto, junto a la violencia durante la inyección (debido a la vaporización y oxidación del magnesio), hace que el proceso MMI sea relativamente inseguro para la salud humana y el medio ambiente. Coinyección Esta es una de las razones por las que el proceso MMI fue abandonado en Norteamérica. Debido al uso de magnesio, la coinyección es considerada menos segura que el proceso KR, siempre que no se emplee fluoruro de calcio en el proceso de KR. Por razones de seguridad, el carburo de calcio (que puede formar el explosivo gas acetileno cuando entra en contacto con el agua) apenas se emplea en las nuevas estaciones de coinyección. Cuando se compara con la inyección KR con parte de carburo de calcio, la coinyección (usando cal) es una opción más segura. Economía Cuando se considera el CAPEX, el sistema KR es más caro que la coinyección y el MMI debido a una mayor estructura y apoyo para la lanza y el sistema motor. El proceso MMI es ligeramente más barato que la coinyección porque sólo se necesita un dispensador. De todos modos, los costes operativos son generalmente el factor más importante. Las contribuciones más significativas a estos costes son descritas posteriormente. Pérdida de hierro La pérdida de hierro es el más factor de coste más importante. Asumimos que el valor del metal caliente es de 300 €/t. La pérdida de metal caliente para el MMI y la coinyección ronda el 1% y 2,5% para la KR. En general, los costes por la pérdida de hierro se pueden reducir cuando se considera un tratamiento de reciclado de la escoria, pero aquí no se tiene en cuenta.

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CONTROL DE PROCESOS

Desarrollando un sistema de detección de desviaciones Reproducir la calidad es crucial si se quiere alcanzar la rentabilidad y la satisfacción del cliente. Con esto en mente, se han desarrollado varias tecnologías y se están usando cada vez más en líneas de procesamiento en todo el mundo. Por Michel Dubois* CUANDO más y más líneas de procesamiento se basan en sistemas de medidas para evaluar la calidad hay una pérdida correspondiente en la habilidad del operador en lo que se refiere a los asuntos de calidad y cómo resolverlos. Los operadores menos experimentados pueden llevar a una situación donde los problemas de producción no sean detectados, y por lo tanto, pasen desapercibidos debido a que las condiciones operativas se alejan de las condiciones normales y esperadas sin que se emita ningún mensaje de aviso. CMI, un especialista en líneas de procesamiento de acero laminado en frío, ha mejorado su cartera de productos con la suma de algunas herramientas clave para asegurar no sólo la gradación de la bobina, sino también que la calidad de las bobinas acabadas sea replicada. La compañía está trabajando en el desarrollo y perfeccionamiento de herramientas específicas para ayudar a identificar esas desviaciones leves antes de que ocurran problemas de producción. Las líneas continuas de procesamiento de chapa fina de acero se han vuelto más complejas, alojando muchos equipos diferentes y varios procesos que deben ser estrictamente controlados para asegurar que los productos acabados sean de la calidad deseada. La instrumentación se usa para introducir los parámetros del proceso en un sistema de bucle cerrado, para asegurar que los procesos siguen el camino deseado, resultando en un procedimiento de clasificación de la bobina basado en el chequeo de los principales datos del proceso. Aun así, la detección de desviaciones leves en la ventana del proceso o en el equipamiento en sí mismo, puede ser un reto en un entorno industrial. Normalmente, la desviación no es identificada hasta que es demasiado tarde y la línea ha tenido que pararse. Una falta de

identificación predictiva lleva a una situación donde “nada funciona y nadie sabe por qué”, y esto se incrementa con el tiempo. Las herramientas específicas desarrolladas por CMI se basan en procesos grabados y en datos del equipamiento para identificar desviaciones leves. El concepto es similar al enfoque de SPC (control estadístico de procesos), que rastrea algunos datos cuantitativos típicos como el balance térmico de la cuba de zinc, el consumo de gas por tonelada para grados específicos de acero, el torque de laminación en el SKP, o las diferencias de tensión entre el lado del motor y del operador de la línea. En este artículo, se revisa la situación actual relativa al desarrollo de las líneas de galvanizado, así como algunas dificultades encontradas. El enfoque Mientras que el objetivo fue el desarrollo de una herramienta automática que permita un rastreo fácil de los parámetros clave del proceso en correlación con una ventana de proceso objetivo, el enfoque usado por CMI se basa en el uso de datos de proceso disponibles grabados por los ordenadores de las líneas existentes y en la aplicación de procedimientos para conectarlos con principios físicos, como el balance térmico y la conservación de la masa. Este método tiene muchas ventajas dado que es simple y fácil de manejar, no requiere habilidades específicas, emplea los datos disponibles y se basa en la teoría. Los datos clave seleccionados se graban en periodos de uno a diez segundos, dependiendo del proceso involucrado, y se promedian durante un periodo entre cinco minutos a dos horas. Se requiere, de todos modos, un preacondicionamiento para evitar datos inconsistentes y rechazar condiciones transitorias. Esto puede llevar a un rendimiento

efectivo bajo (más del 80% de los datos podrían ser rechazados) pero esto no es un problema debido a la alta disponibilidad: se prefiere calidad a cantidad. El archivo final es grabado para futuras referencias o procesos pero también se podrían dibujar gráficos directos para un análisis rápido. Se incluyen algunos ejemplos en este artículo. El desarrollo actual se ocupa de tres procesos claves usados en las líneas de galvanización, persiguiendo los siguientes objetivos: • Balance térmico de la cuba de Zn: valida la verdadera temperatura de entrada de la lámina en la cuba y eventualmente detecta la falta de uniformidad transversal • Consumo de gas en el horno de recocido: identifica posibles cambios en la eficiencia de la combustión • Laminación de “skin-pass”: subraya los cambios en la ventana de proceso, cuantifica la dispersión en las propiedades mecánicas y monitoriza los cambios en la tensión izquierda y derecha, así como la carga, debido a la modificación de la geometría del equipamiento. Balance térmico de la cuba El balance térmico de la cuba es calculado durante un periodo de dos horas, usando una tasa de muestreo de cada dos segundos, para el peso del recubrimiento, la temperatura y nivel de la cuba de zinc, el flujo de la masa de acero y su temperatura. Todos los datos fuera del rango al compararse con la ventana de proceso definida son rechazados. Cualquier rechazo de datos lleva a invalidar todo el periodo de dos horas. Esto puede suceder, por ejemplo, cuando el peso del recubrimiento está fuera del rango fijado de 30-250g/m², la velocidad de la línea es menor a 40mpm, o el nivel del zinc es inestable. Una entrada de calor desequilibrada frente a la salida de calor significa que algunos de los

*Experto senior en procesos- CMI Metals 1 Quai Greiner B4100 Seraing Bélgica. michel.dubois@cmigroupe.com www.steeltimesint.com

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CONTROL DE PROCESOS

300

200

100

0 -100 -200

26 24 Consumo Nm/Ton

300

Equilibrio (KW)

0 -100 -200

-300 5

15 20 Flujo de masa (kg/seg)

-300

Fig 1 Variación del equilibrio térmico de la cuba con flujo de masa de acero

22 20 18 5

800

1x103

1.2x103 1.4x103 1.6x103 1.8x103 Ancho de lámina (mm)

Fig 2 Variación del equilibrio térmico de la cuba con ancho de lámina

15 20 Flujo de masa (kg/sec)

Fig 3 Nm3/ton de gas natural y productividad de la línea

Temperatura de los gases de salida

22 20

Temperatura gases de salida (°C)

Consumo Nm/Ton

24 Consumo Nm/Ton

520

24 22 20

18 800

850 875 900 925 825 Temperatura zona de calentamiento °C

950

18 800

1x103

1.2x103 1.4x103 1.6x103 1.8x103 Ancho de lámina (mm)

480 440 400 360 320 300

500

2x103 1x103 1.5x103 Caudal total de gas (Nm3/h)

2.5x103

Fig 4 Correlación entre el consumo de gas y la temperatura de la zona

Fig 5 Relación entre el consumo y el ancho de lámina

Fig 6 Temperatura final de los gases de salida y consumo total de gas

datos grabados son incorrectos o muestran falta de uniformidad, tales como la configuración del pirómetro, estimación de pérdida de calor, temperatura de la lámina, medida del peso del recubrimiento y otros. El método descrito se emplea entretanto en todos los CMI CGL, y demostró ser muy relevante, ya que da acceso a parámetros que son muy difíciles de cuantificar, como las variaciones en la verdadera lectura de la temperatura para el grado de acero, las variaciones en las pérdidas de calor, especialmente para el túnel electromecánico de inmersión y, más importante, la no uniformidad de temperatura transversal. Basándonos en nuestra experiencia, para una línea automotriz típica, que funciona a 60-70 toneladas/hora, la temperatura de entrada de la lámina puede ser identificada a +/-2°C. La figura 1 muestra las variaciones de la productividad de la línea: en el ejemplo mostrado no se ha detectado variación de temperatura significativa a lo largo del ancho de la lámina. Una dependencia del equilibrio podría significar un descuadre en la lectura de temperatura de entrada de la lámina. La figura 2 muestra las variaciones de equilibrio y ancho de lámina: en el caso de una interdependencia, se puede sospechar de una uniformidad de la temperatura no transversal.

a cerca de la mitad de una bobina entrante. Se han considerado sólo periodos con una velocidad de proceso por encima de 50 mpm. Con el fin de seleccionar sólo condiciones estables, CMI tuvo que ajustar más el método y añadir numerosos filtros inteligentes adicionales. Un ejemplo donde estos son obligatorios, para permitir unos resultados relevantes, son los hornos de recocido en Europa, con una media de peso del pedido por debajo de 100 toneladas, que normalmente se convierte en tres o cuatro bobinas. Los ajustes frecuentes de la velocidad de la línea y las especificaciones de la lámina, que provocan un flujo de masa fluctuante y cambiantes ciclos de calor, afectan a la temperatura de la zona. En

otras palabras, un horno de recocido está en una condición transitoria la mayoría del tiempo. El procesamiento de los datos se basa en los cálculos del calor en la lámina, gases de salida y rendimiento térmico global. Los parámetros operativos como la temperatura de recocido, O2 en los gases de salida, el número de quemadores en funcionamiento y la temperatura de la zona también son partes integrales del análisis. Los análisis muestran que, incluso para la misma especificación de lámina y bajo condiciones estables, el consumo de gas por tonelada varía significativamente por razones que todavía no han sido completamente identificadas. Se muestra un ejemplo en la

Consumo de gas del horno Para este proceso, se ha seleccionado una tasa de muestreo de cada 10 segundos y el cálculo del consumo de calor se ha realizado durante un periodo de 10 minutos, que corresponde

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Tensión delta accionamiento-control

1.5x103

0 -500 -1x10

350

YS 150

350

300

YS 220 YS 350

300

Carga (Ton/metro)

500

Carga (Ton/metro)

Consumo Nm/Ton

400

1x103

250 200 150

250

YS 150

200

YS 220 YS 350

150 100

100

-1.5x103 2x103

4x10 6x10 8x10 Tensión de entrada (kg) 3

1x10

Fig 7 Diferencia de tensión accionamiento-control, todos los grados de acero

0.50

11 12

0.70

0.90

Mes

Fig 8 Mapa de elongación de la carga para meses seleccionados

1.10 1.30 1.50 Elongación (%)

1.70

1.90

Fig 9 Carga versus elongación para los tres grados de acero, mes 1

400

250

Carga (Ton/metro)

300 YS 150 YS 220 YS 350

200 150

400

350

300 250

YS 150

200

YS 220 YS 350

150

100

0.50

0.70

0.90

1.10 1.30 1.50 1.70 1.90 Elongación (%)

Carga (Ton/metro)

350

300 250 200 150

YS 150 YS 220 YS 350

100 50

0.50 0.70 0.90 1.10

1.30 1.50

1.70 1.90

Elongación (%)

0.50 0.70 0.90 1.10

1.30 1.50

1.70 1.90

Elongación (%)

Fig 10 Carga versus elongación para los tres grados de acero, mes 2

Fig 11 Carga-elongación, mes 2, espesor 0.8+/-0.1mm

Fig 12 Carga-elongación, mes 2, espesor 1.2 +/-0.1mm

figura 3 que se refiere sólo a la temperatura máxima de recocido de 790-810°C. Una posible explicación es la fuerte interdependencia de varios parámetros, como la temperatura de la zona del horno y la tasa de producción de la línea que de nuevo depende de la velocidad y anchura de la lámina. La inercia termal del horno durante los periodos de transición también afecta a los periodos estables de producción. Los principales resultados correspondientes a un trimestre se muestran en las figuras 3 y 4. Desafortunadamente, es difícil identificar una desviación en la medida del pico de temperatura sólo revisando el consumo de calor. El análisis, de todos modos, continúa y una vez finalizado nos permitirá evaluar integralmente el sentido práctico de este indicador. Los resultados en la figura 5 no muestran interdependencia entre el ancho de lámina y el consumo de gas específico por tonelada de acero y esto es significativamente diferente de la visión y expectativa tradicionales. Resultados prometedores se han obtenido al mirar la calidad de la combustión. Trazando la temperatura del gas de salida y el consumo de gas total en gas natural por hora, independientemente del ciclo de calor, se ha identificado una correlación entre los dos parámetros. Estos resultados nos llevan a esperar desviaciones en la combustión que se traducen en datos que se desvían de esta correlación (fig. 6). El consumo de gas por tonelada para especificaciones de referencia definidas es otro indicador que será elaborado durante los meses siguientes.

CMI ha decidido crear un “Índice de Desgaste de Rodillo”, un indicador adicional e importante vinculado con los ciclos de calor soportados por los rodillos del horno y su eventual desgaste, acelerado por los frecuentes cambios del régimen térmico del horno. La decisión se basa en la observación de que el perfil del rodillo del horno cambia con el tiempo. Un primer análisis nos llevó a sospechar que los ciclos de calor inducidos por los frecuentes cambios, tanto en el ancho de lámina como en la temperatura máxima de recocido, son algunas de las principales razones. Mientras que durante los próximos meses se hará un seguimiento de todos los indicadores mencionados, para evaluar su fiabilidad y

posible uso para la detección de desviaciones leves, los datos de referencia recopilados ya abordan parcialmente la falta de historia con el fin de ayudar a hacer frente a los problemas de forma más efectiva cuando estos ocurran.

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Laminador de “skin-pass” Con respecto al laminador de “skin-pass”, la frecuencia de muestreo se fija cada 10 segundos con un promedio de datos para cada periodo válido de cinco minutos, que corresponden a cerca de un cuarto de una bobina entrante. CMI ha retenido exclusivamente los periodos con una velocidad de línea superior a 50 metros/min, una elongación constante, y el mismo grado y especificación de acero. En estas situaciones,

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se comparan las propiedades mecánicas para evitar que los datos sean confundidos con otros materiales. En la actualidad, sólo se obtuvieron los primeros resultados. Está en marcha un análisis integral de los diferentes datos obtenidos para definir los indicadores a seguir más importantes. Se sabe que en la línea continua de galvanización (CGL) usada como “planta piloto”, la carga es idéntica, pero las tensiones izquierda y derecha difieren (fig. 7). Después de los análisis preliminares, se sospecha que la diferencia se incrementará con el ancho de lámina porque un límite de la lámina es más largo que el otro debido a un defecto en la línea o ya presente en la bobina entrante. Resultados típicos Actualmente, CMI está construyendo un indicador mensual, siguiendo la evolución de los parámetros de carga y elongación para las durezas de acero seleccionadas y posiblemente para diferentes grosores de lámina. En las figuras 8, 9, 10, 11 y 12 vemos resultados típicos para límites de fluencia esperados de 150, 220 y 350Mpa +/-10MPa. La figura 8 muestra la carga mes a mes por unidad de anchura mientras que las figuras 9,10,11 y 12 muestran la elongación para los meses seleccionados. Conclusión El objetivo de CMI de desarrollar un sistema de procesamiento de datos capaz de detectar lentas desviaciones del proceso y anticipar

los problemas, resultó en unos indicadores y herramientas bien definidos para el balance térmico de la cuba y requiere más ajustes en términos del consumo de gas del horno y laminadores de “skin-pass”. En este punto, la anticipación de los problemas de calidad es mucho mayor cuando observamos una línea de proceso continuo envejecida, donde los problemas ocurren más frecuentemente. Como la metodología desarrollada ayuda a detectar las lentas derivas en las mediciones y las ventanas de proceso utilizadas, no sólo es relevante y fácil de implementar para las nuevas líneas de proceso, sino que también para las líneas envejecidas al ser un sistema flexible; usa los datos de procesos grabados en las computadoras de las líneas existentes; hace las medias para varios periodos de tiempo dependiendo del proceso; y filtra los resultados para sólo considerar condiciones estables y consistentes. Hasta ahora, la metodología ha sido utilizada en tres importantes procesos de una línea de galvanizado continua específica. Estos procesos son: balance térmico de la cuba, consumo de gas del horno y laminación de “skin-pass”. Las etapas de desarrollo para los tres procesos difieren, especialmente la identificación de los principales indicadores a crear y rastrear a lo largo del tiempo. El estatus presente obtenido en la planta piloto se puede resumir como sigue: • El balance térmico de la cuba está funcionando bien y detecta eficientemente

errores en la temperatura de entrada de la lámina en la cuba incluyendo la uniformidad transversal, así como la modificación del aislamiento del túnel electromecánico de inmersión. • El consumo de gas del horno por tonelada para un ciclo de calor definido varía en +/- 10%. Esto probablemente no permitirá la detección de desviaciones en las temperaturas de recocido. De todos modos, una desviación eventual de la correlación identificada entre el consumo de gas total por hora y la temperatura del gas de salida indicará un cambio en el sistema de combustión. • Los mapas presión-elongación de la laminación de “skin-pass” para durezas y elongaciones de láminas definidas han demostrado ser un indicador prometedor para la detección de cambios en la ventana del proceso. Además, las variaciones de tensión, carga o torque de rodillo entre accionamiento-control o superior e inferior son fácilmente obtenibles. CMI todavía necesita tiempo para finalizar el desarrollo del trabajo, principalmente mediante la recopilación continúa de datos y análisis para mostrar las desviaciones reales. Con esta información, la eficiencia de la metodología aplicada, comparada con el objetivo inicial por medio de procesos e indicadores, necesita ser validada para evaluar integralmente y finalmente el desempeño completo de este enfoque. ■

FABRICACIÓN DE ACERO BOF viene de la página 24 Costes de reagente Se asume que el magnesio cuesta 2.500 €/t, la cal para la coinyección 175 €/t y la cal para el proceso KR (calidad inferior) 50 €/t. Se estima que tanto para el proceso MMI como para el proceso de coinyección se inyecta 0,5 kg de magnesio por tonelada. Con una proporción media de 1:4 (Mg:CaO), la coinyección también requiere 2kg de cal por tonelada. El proceso KR inyecta 10Kg de cal por tonelada. Para el KR y MMI, a menudo se añaden también fundentes y/o coagulante (aproximadamente 500kg/carga, que cuesta cerca de 80 €/t). El coste para esto se estima en 0,20 €/t. Desgaste de los equipos El desgaste más importante del equipamiento es el de las lanzas y el refractario de la cuchara. El mantenimiento del resto del equipo no se tiene en cuenta debido a la que las diferencias son mínimas. La lanza completa de un sistema KR trata de media 30.000 tHM (150 cargas de 200 t) y cuesta alrededor de 8.000€. La lanza de un sistema MMI trata de promedio 10.000 tHM (50 cargas) y cuesta alrededor de 1.500€. La lanza del sistema de coinyección también trata de media 10.000 tHM y cuesta cerca de 800€. La duración media de las lanzas también incluye el hecho de alguna rotura o bloqueo durante su primera carga. Reemplazar el refractario de la cuchara Octubre 2015

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de metal caliente cuesta cerca de 12.000€ (incluyendo mano de obra). Dado que el MMI y KR requieren más francobordo (al menos 50cm), la cantidad de refractario requerida es de cerca de un 10% más (por tanto un coste total de 13.200€). Para un sistema KR, el refractario necesita ser reemplazado de media cada 18.000 tHM (90 cargas). Para los sistemas MMI el refractario de la cuchara necesita, de media, ser sustituido cada 24.000 tHM (120 cargas). Para la coinyección, el refractario de la cuchara necesita ser reemplazado cada 36.000 tHM (180 cargas). Pérdida de temperatura Con una mayor pérdida de temperatura, menos escoria se puede añadir al convertidor. El coste de este metal caliente extra menos los costes de la escoria se estima en 0,025 €/°C·tHM. La coinyección y el MMI tienen una pérdida de temperatura media de 10ºC por carga frente 30ºC por carga del KR. Ciertos costes se producen por usar gas (nitrógeno) y electricidad. Pero no se conocen datos claros para compararlos. Las cifras iniciales muestran valores de cerca de 0,05 €/t para el acero, lo cual no tiene un gran impacto en el OPEX total. De todos modos, está claro que el KR requiere más electricidad, mientras que el MMI necesita entre 5 y 6 veces más nitrógeno que la coinyección. Tampoco se considera

la influencia de los costes de las piezas de repuesto, ya que apenas son 0,05 €/ tHM. Las tres principales técnicas de desulfuración fueron comparadas basándose en el rendimiento metalúrgico y el coste. Los números mencionados deben ser considerados como medias y estimaciones basadas en la experiencia y bibliografía. Las circunstancias locales y fluctuaciones no se tuvieron en cuenta. De todos modos, se pueden extraer algunas conclusiones. Conclusiones Considerando el rendimiento y los costes operativos, el Reactor Kanbara es una opción viable sólo cuando el principal objetivo es producir acero bajo en azufre y cuando los tiempos del proceso, la pérdida de temperatura y la pérdida de metal caliente no son un problema. Cuando no se necesita hacer grados de acero con concentraciones bajas de azufre, la resulfuración no se considera un problema y se necesitan tiempos de proceso más cortos, la monoinyección de magnesio es el método más efectivo. La coinyección con magnesio y cal es la opción más flexible y fiable. Para un amplio rango de grados de acero (incluyendo los grados bajos en azufre y normales), la coinyección es el método más efectivo y atractivo desde un punto de vista económico.■ www.steeltimesint.com

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