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Articulo de referencia

Alto horno

Antiguo alto horno de AHM en el puerto de Sagunto, Valencia , España. Un alto horno es un tipo de horno metalúrgico utilizado para fundir y producir metales industriales, genera...

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Antiguo alto horno de AHM en el puerto de Sagunto, Valencia , España.

Un alto horno es un tipo de horno metalúrgico utilizado para fundir y producir metales industriales, generalmente arrabio , pero también otros como plomo o cobre . El término "alto horno" se refiere al suministro de aire de combustión a una presión superior a la atmosférica . [ 1 ]

En un alto horno, el combustible ( coque ), los minerales y el fundente ( caliza ) se suministran continuamente por la parte superior del horno, mientras que una corriente de aire caliente (a veces enriquecido con oxígeno ) se inyecta en la sección inferior a través de una serie de tuberías llamadas toberas , de modo que las reacciones químicas tienen lugar en todo el horno a medida que el material cae. Los productos finales suelen ser metal fundido y escoria extraídos de la parte inferior, y gases de combustión que salen por la parte superior. [ 2 ] El flujo descendente del mineral junto con el fundente en contacto con un flujo ascendente de gases de combustión calientes ricos en monóxido de carbono constituye un proceso de intercambio y reacción química a contracorriente. [ 3 ]

En cambio, los hornos de aire (como los hornos de reverbero ) se alimentan por aspiración natural, generalmente mediante la convección de gases calientes en una chimenea . Según esta definición amplia, las forjas de hierro, las salas de soplado de estaño y las fundiciones de plomo se clasificarían como altos hornos. Sin embargo, el término se ha limitado generalmente a aquellos utilizados para fundir mineral de hierro y producir arrabio , un material intermedio empleado en la producción de hierro y acero comerciales , y a los hornos de cuba utilizados en combinación con plantas de sinterización en la fundición de metales base . [ 4 ] [ 5 ]

Se estima que los altos hornos fueron responsables de más del 4% de las emisiones globales de gases de efecto invernadero entre 1900 y 2015, y son difíciles de descarbonizar. [ 6 ]

Ingeniería de procesos y química

Altos hornos de la planta siderúrgica de Třinec en la República Checa.
Alto horno de hierro que funciona con carbón vegetal en el condado de Jackson, Ohio , 1923.
El aumento de monóxido de carbono reduce los óxidos de hierro a hierro puro mediante una serie de reacciones que tienen lugar en diferentes zonas dentro de un alto horno.

Los altos hornos funcionan según el principio de reducción química, mediante el cual el monóxido de carbono convierte los óxidos de hierro en hierro elemental.

Los altos hornos se diferencian de las forjas y los hornos de reverbero en que, en un alto horno, los gases de combustión están en contacto directo con el mineral y el hierro, lo que permite que el monóxido de carbono se difunda en el mineral y reduzca el óxido de hierro. El alto horno funciona mediante un proceso de intercambio a contracorriente, a diferencia de una forja. Otra diferencia es que las forjas funcionan por lotes, mientras que los altos hornos funcionan de forma continua durante largos periodos. El funcionamiento continuo también es preferible porque los altos hornos son difíciles de arrancar y detener. Además, el carbono en el arrabio reduce el punto de fusión por debajo del del acero o el hierro puro; en cambio, el hierro no se funde en una forja.

Es necesario eliminar la sílice del arrabio. Esta reacciona con el óxido de calcio (caliza calcinada) y forma silicatos, que flotan en la superficie del arrabio fundido en forma de escoria. Históricamente, el hierro se producía con carbón vegetal para evitar la contaminación por azufre. [ 7 ]

En un alto horno, una columna descendente de mineral, fundente, coque (o carbón vegetal [ 7 ] ) y sus productos de reacción debe ser suficientemente porosa para que los gases de combustión la atraviesen hacia arriba. Para garantizar esta permeabilidad, el tamaño de partícula del coque o carbón vegetal es de gran importancia. Por lo tanto, el coque debe ser lo suficientemente resistente para que no se aplaste por el peso del material que se encuentra encima. Además de la resistencia física de sus partículas, el coque también debe tener un bajo contenido de azufre, fósforo y cenizas. [ 8 ]

La principal reacción química que produce el hierro fundido es:

Fe 2 O 3 + 3CO → 2Fe + 3CO 2 [ 9 ]

Esta reacción podría dividirse en varias etapas, siendo la primera que el aire precalentado que se sopla en el horno reacciona con el carbono en forma de coque para producir monóxido de carbono y calor:

2 C (s) + O 2 (g) → 2 CO (g) [ 10 ]

El monóxido de carbono caliente es el agente reductor del mineral de hierro y reacciona con el óxido de hierro para producir hierro fundido y dióxido de carbono . Dependiendo de la temperatura en las diferentes partes del horno (más caliente en la parte inferior), el hierro se reduce en varias etapas. En la parte superior, donde la temperatura suele estar entre 200 y 700 °C (392 y 1292 ° F ) , el óxido de hierro se reduce parcialmente a óxido de hierro(II,III), Fe₃O₄ .  

3 Fe 2 O 3 (s) + CO (g) → 2 Fe 3 O 4 (s) + CO 2 (g) [ 10 ]

A temperaturas de 850 °C (1560 °F) , más abajo en el horno, el hierro(II,III) se reduce aún más a óxido de hierro(II):  

Fe 3 O 4 (s) + CO (g) → 3 FeO (s) + CO 2 (g) [ 10 ]

El dióxido de carbono caliente, el monóxido de carbono sin reaccionar y el nitrógeno del aire ascienden a través del horno mientras la materia prima fresca desciende hacia la zona de reacción. A medida que la materia prima desciende, los gases a contracorriente precalientan la carga de alimentación y descomponen la piedra caliza en óxido de calcio y dióxido de carbono.

CaCO 3(s) → CaO (s) + CO 2(g) [ 10 ]

El óxido de calcio formado por descomposición reacciona con diversas impurezas ácidas en el hierro (especialmente sílice ), para formar una escoria fayalítica que es esencialmente silicato de calcio , Ca Si O3 : [ 9 ]

SiO 2 + CaO → CaSiO 3 [ 11 ] [ 12 ]

A medida que el óxido de hierro(II) se desplaza hacia la zona con temperaturas más altas, que alcanzan hasta 1200 °C (2190 °F) , se reduce aún más a hierro metálico:  

FeO (s) + CO (g) → Fe (s) + CO 2 (g) [ 10 ]

El dióxido de carbono formado en este proceso se reduce nuevamente a monóxido de carbono por acción del coque :

C (s) + CO 2 (g) → 2 CO (g) [ 10 ]

El equilibrio dependiente de la temperatura que controla la atmósfera de gas en el horno se denomina reacción de Boudouard :

2CO ⇌ CO 2 + C

El arrabio producido por el alto horno tiene un contenido de carbono relativamente alto de alrededor del 4-5% y generalmente contiene demasiado azufre, lo que lo hace muy quebradizo y de uso comercial inmediato limitado. Parte del arrabio se utiliza para hacer hierro fundido . La mayor parte del arrabio producido por los altos hornos se somete a un procesamiento adicional para reducir el contenido de carbono y azufre y producir varios grados de acero utilizados para materiales de construcción, automóviles, barcos y maquinaria. La desulfuración generalmente tiene lugar durante el transporte del acero líquido a la acería. Esto se hace agregando óxido de calcio , que reacciona con el sulfuro de hierro contenido en el arrabio para formar sulfuro de calcio (llamado desulfuración de cal ). [ 13 ] En una etapa de proceso adicional, la llamada fabricación de acero con oxígeno básico , el carbono se oxida soplando oxígeno sobre el arrabio líquido para formar acero bruto .

Historia

Ilustración de un fuelle de horno accionado por ruedas hidráulicas del Nong Shu , realizada por Wang Zhen en 1313 durante la dinastía Yuan de China.
Un horno de refinado y alto horno chino en Tiangong Kaiwu , 1637.

Se han encontrado restos de hierro fundido en China que datan del siglo V a. C., pero los primeros altos hornos que se conservan en China datan del siglo I d. C. y en Occidente de la Alta Edad Media . [ 14 ] Se extendieron desde la región de Namur en Valonia (Bélgica) a finales del siglo XV, y se introdujeron en Inglaterra en 1491. El combustible utilizado en estos hornos era invariablemente carbón vegetal. La exitosa sustitución del carbón vegetal por coque se atribuye en gran medida al inventor británico Abraham Darby en 1709. La eficiencia del proceso se mejoró aún más mediante la práctica de precalentar el aire de combustión ( aire caliente ), patentada por el inventor británico James Beaumont Neilson en 1828. [ 15 ]

Porcelana

La evidencia arqueológica muestra que las técnicas de fundición de hierro y los hornos de forja fueron introducidos en China por pueblos nómadas alrededor del año 800 a. C. Los artefactos de hierro forjado originalmente solo se encontraban en el noroeste, pero para el siglo VI a. C., los artículos de lujo como espadas y cuchillos de hierro forjado estaban muy extendidos en China. [ 16 ] El hierro de forja coexistió con los altos hornos y el hierro fundido, que se inventaron poco después de que la tecnología del hierro forjado llegara a China, durante bastante tiempo. Se han encontrado piezas de hierro fundido junto con hierro forjado en la provincia de Shanxi que datan de los siglos IX-VIII a. C., sin embargo, no se sabe con certeza si estas piezas de hierro fundido fueron subproductos accidentales del proceso de fundición del hierro. Se han encontrado azuelas hechas con hierro fundido con una capa de acero descarburizado en Luoyang que datan del siglo V a. C. Herramientas agrícolas de hierro fundido que habían sido sometidas a un proceso de recocido para disminuir la fragilidad se encontraron en enterramientos y sitios de fundición que datan del siglo IV a. C. El hierro fundido desapareció de China después del siglo III d. C., con la excepción de Xinjiang, donde se podían encontrar objetos de hierro fundido hasta el siglo IX d. C. En China, los altos hornos producían hierro fundido, que luego se convertía en herramientas terminadas en un horno de cubilote o se transformaba en hierro forjado en un hogar de refinado. [ 17 ] [ 18 ]

Aunque las herramientas agrícolas y las armas de hierro fundido estaban muy extendidas en China en el siglo V a. C., [ 18 ] empleando a más de 200 hombres en fundiciones de hierro desde el siglo III en adelante, los primeros altos hornos construidos se atribuyen a la dinastía Han en el siglo I d. C. [ 19 ] Estos primeros hornos tenían paredes de arcilla y utilizaban minerales que contenían fósforo como fundente . [ 20 ] Los altos hornos chinos variaban de dos a diez metros de altura, dependiendo de la región. Los más grandes se encontraron en las actuales provincias de Sichuan y Guangdong , mientras que los altos hornos "enanos" se encontraron en Dabieshan . En cuanto a su construcción, ambos presentan un nivel de sofisticación tecnológica similar. [ 21 ]

La eficacia de los altos hornos chinos accionados por humanos y caballos se mejoró durante este período gracias al ingeniero Du Shi (c. 31  d. C.  ), quien aplicó la fuerza de las ruedas hidráulicas a los fuelles de pistón en la forja de hierro fundido. [ 22 ] Los primeros reciprocadores accionados por agua para operar altos hornos se construyeron según la estructura de los reciprocadores accionados por caballos que ya existían. Es decir, el movimiento circular de la rueda, ya fuera accionada por caballos o por agua, se transfería mediante la combinación de una transmisión por correa , una manivela y biela, otras bielas y varios ejes, al movimiento recíproco necesario para accionar los fuelles de empuje. [ 23 ] [ 24 ] Donald Wagner sugiere que la producción temprana de altos hornos y hierro fundido evolucionó a partir de hornos utilizados para fundir bronce . Ciertamente, sin embargo, el hierro fue esencial para el éxito militar para cuando el Estado de Qin había unificado China (221 a. C.). El uso del alto horno y del horno de cubilote siguió estando muy extendido durante las dinastías Song y Tang . [ 25 ] En el siglo XI, la industria siderúrgica china de la dinastía Song cambió sus recursos, pasando del carbón vegetal al coque en la fundición de hierro y acero, lo que evitó la tala de miles de hectáreas de bosque. Esto pudo haber ocurrido ya en el siglo IV d. C. [ 26 ] [ 27 ] 

La principal ventaja del alto horno primitivo radicaba en la producción a gran escala y en facilitar el acceso de los campesinos a los utensilios de hierro. [ 28 ] El hierro fundido es más frágil que el hierro forjado o el acero, que requerían un refinado adicional y luego cementación o cofusión para su producción, pero para actividades manuales como la agricultura era suficiente. Mediante el uso del alto horno, era posible producir mayores cantidades de herramientas, como rejas de arado, de manera más eficiente que en el horno de fundición. En áreas donde la calidad era importante, como en la guerra, se preferían el hierro forjado y el acero. Casi todas las armas del período Han están hechas de hierro forjado o acero, con la excepción de las cabezas de hacha, muchas de las cuales son de hierro fundido. [ 29 ]

Los altos hornos también se utilizaron posteriormente para producir armas de pólvora , como proyectiles de bombas de hierro fundido y cañones de hierro fundido durante la dinastía Song . [ 30 ]

Reino de Kush

Se cree que la metalurgia se practicaba en Meroë, probablemente mediante hornos de fundición y altos hornos, cuyo uso fue el más antiguo de África. Meroë, la antigua capital del Reino de Kush en el actual Sudán, fue uno de los centros productores de hierro más grandes e influyentes del África subsahariana. [ 31 ] Según se informa, Archibald Sayce se refirió a ella como "la Birmingham de África". [ 32 ]

Europa medieval

La fragua más simple , conocida como corsa. Ejemplos de hornos de fundición mejorados son el Stuckofen, [ 33 ] a veces llamado horno de lobo, [ 34 ] que se mantuvo hasta principios del siglo XIX. En lugar de usar tiro natural, se bombeaba aire mediante un trompeta , lo que resultaba en un hierro de mejor calidad y una mayor capacidad. Este bombeo de aire con fuelles se conoce como soplado en frío , y aumenta la eficiencia del combustible del horno de fundición y mejora el rendimiento. También se pueden construir más grandes que los hornos de fundición de tiro natural.

Los hornos altos europeos más antiguos

Los hornos de fundición más antiguos conocidos en Occidente se construyeron en Durstel en Suiza , Märkische Sauerland en Alemania y en Lapphyttan en Suecia , donde el complejo estuvo activo entre 1205 y 1300. [ 35 ] En Noraskog en la parroquia sueca de Järnboås, se han encontrado rastros de hornos de fundición aún más antiguos, posiblemente de alrededor de 1100. [ 36 ] Estos primeros hornos de fundición, como los ejemplos chinos , eran muy ineficientes en comparación con los que se usan hoy en día. El hierro del complejo de Lapphyttan se usaba para producir bolas de hierro forjado conocidas como osmonds , y estas se comercializaban internacionalmente; una posible referencia aparece en un tratado con Novgorod de 1203 y varias referencias ciertas en relatos de costumbres inglesas de las décadas de 1250 y 1320. Otros hornos de los siglos XIII al XV se han identificado en Westfalia . [ 37 ]

La tecnología necesaria para los altos hornos pudo haber sido transferida desde China o haber sido una innovación autóctona. Al-Qazvini, en el siglo XIII, y otros viajeros posteriormente mencionaron una industria siderúrgica en las montañas Alburz , al sur del mar Caspio . Esta zona se encuentra cerca de la ruta de la seda , por lo que es plausible el uso de tecnología derivada de China. Descripciones posteriores registran altos hornos de unos tres metros de altura. [ 38 ] Dado que el pueblo varego de Escandinavia comerciaba con el Caspio (utilizando su ruta comercial del Volga ), es posible que la tecnología llegara a Suecia por esta vía. [ 39 ] Se sabe que los vikingos utilizaban fuelles dobles, lo que aumenta considerablemente el caudal volumétrico del aire. [ 40 ]

La región del Caspio también pudo haber sido la fuente del diseño del horno de Ferriere , descrito por Filarete , [ 41 ] que involucraba un fuelle accionado por agua en Semogo in Valdidentro en el norte de Italia en 1226. En un proceso de dos etapas, el hierro fundido se vertía dos veces al día en agua, granulándolo así. [ 42 ]

contribuciones cistercienses

El Capítulo General de los monjes cistercienses difundió algunos avances tecnológicos por toda Europa. Esto pudo haber incluido el alto horno, ya que se sabe que los cistercienses eran metalúrgicos expertos . [ 43 ] Según Jean Gimpel, su alto nivel de tecnología industrial facilitó la difusión de nuevas técnicas: «Cada monasterio tenía una fábrica modelo, a menudo tan grande como la iglesia y a solo unos metros de distancia, y la energía hidráulica impulsaba la maquinaria de las diversas industrias ubicadas en su interior». Los depósitos de mineral de hierro a menudo se donaban a los monjes junto con las forjas para extraer el hierro, y después de un tiempo los excedentes se ofrecían a la venta. Los cistercienses se convirtieron en los principales productores de hierro en Champaña , Francia, desde mediados del siglo XIII hasta el siglo XVII, [ 44 ] utilizando también la escoria rica en fosfato de sus hornos como fertilizante agrícola . [ 45 ]

Los arqueólogos aún están descubriendo el alcance de la tecnología cisterciense. [ 46 ] En Laskill , una dependencia de la abadía de Rievaulx y el único alto horno medieval identificado hasta ahora en Gran Bretaña , la escoria producida tenía un bajo contenido de hierro. [ 47 ] La escoria de otros hornos de la época contenía una concentración sustancial de hierro, mientras que se cree que Laskill produjo hierro fundido de manera bastante eficiente. [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] Su fecha aún no está clara, pero probablemente no sobrevivió hasta la Disolución de los Monasterios de Enrique VIII a finales de la década de 1530, ya que un acuerdo (inmediatamente después) sobre los "smythes" con el conde de Rutland en 1541 hace referencia a las flores. [ 50 ] Sin embargo, los medios por los cuales el alto horno se extendió en la Europa medieval no se han determinado finalmente.

Origen y difusión de los altos hornos de la Edad Moderna.

Dibujo de un alto horno del siglo XVIII
Alto horno de principios de la Edad Moderna representado en el antiguo escudo de armas de Lohtaja.

Debido a la creciente demanda de hierro para la fundición de cañones, el alto horno se generalizó en Francia a mediados del siglo XV. [ 51 ] [ 52 ]

El antepasado directo de los hornos utilizados en Francia e Inglaterra se encontraba en la región de Namur , en lo que hoy es Valonia (Bélgica). Desde allí, se extendieron primero al Pays de Bray, en el límite oriental de Normandía , y de allí al Weald de Sussex , donde se construyó el primer horno (llamado Queenstock) en Buxted alrededor de 1491, seguido de otro en Newbridge , en el bosque de Ashdown, en 1496. Su número fue escaso hasta aproximadamente 1530, pero se construyeron muchos en las décadas siguientes en el Weald, donde la industria del hierro quizás alcanzó su apogeo alrededor de 1590. La mayor parte del arrabio de estos hornos se llevaba a las forjas de refinamiento para la producción de lingotes de hierro . [ 53 ]

Los primeros altos hornos británicos fuera de Weald aparecieron durante la década de 1550, y muchos se construyeron durante el resto de ese siglo y los siguientes. La producción de la industria probablemente alcanzó su punto máximo alrededor de 1620, y fue seguida por un lento declive hasta principios del siglo XVIII. Esto se debió aparentemente a que era más económico importar hierro de Suecia y otros lugares que producirlo en algunas zonas británicas más remotas. El carbón vegetal disponible económicamente para la industria probablemente se consumía tan rápido como crecía la madera para producirlo. [ 54 ]

El primer alto horno de Rusia se inauguró en 1637 cerca de Tula y se llamaba Fábrica de Gorodishche. Desde allí, el alto horno se extendió al centro de Rusia y finalmente a los Urales . [ 55 ]

Altos hornos de coque

Los altos hornos originales de Blists Hill en Madeley, Inglaterra.
Carga del alto horno experimental, fotografía del Laboratorio de Investigación de Nitrógeno Fijo en Washington D.C. , 1930.
Restos de un alto horno en Rusia, encargado por primera vez en 1715 por orden de Pedro el Grande con la ayuda de maestros holandeses.

En 1709, en Coalbrookdale , Shropshire, Inglaterra, Abraham Darby comenzó a alimentar un alto horno con coque en lugar de carbón vegetal . La ventaja inicial del coque era su menor costo, principalmente porque su producción requería mucha menos mano de obra que la tala de árboles y la producción de carbón vegetal, pero su uso también superó la escasez localizada de madera, especialmente en Gran Bretaña y otras partes de Europa. El coque de grado metalúrgico soporta mayor peso que el carbón vegetal, lo que permite hornos más grandes. [ 56 ] [ 57 ] Una desventaja es que el coque contiene más impurezas que el carbón vegetal, siendo el azufre particularmente perjudicial para la calidad del hierro. Las impurezas del coque eran un problema mayor antes de que el aire caliente redujera la cantidad de coque necesaria y antes de que las temperaturas del horno fueran lo suficientemente altas como para que la escoria de la piedra caliza fluyera libremente. (La caliza fija el azufre. También se puede añadir manganeso para fijar el azufre). [ 58 ] : 123–125 [ 59 ] [ 60 ] [ 51 ] : 122–123

El hierro de coque se utilizó inicialmente solo para trabajos de fundición , para fabricar ollas y otros artículos de hierro fundido. El trabajo de fundición era una rama menor de la industria, pero el hijo de Darby construyó un nuevo horno en la cercana Horsehay y comenzó a suministrar a los propietarios de forjas de refinamiento hierro de coque para la producción de hierro en barra. Para entonces, el hierro de coque era más barato de producir que el hierro de carbón vegetal. El uso de un combustible derivado del carbón en la industria del hierro fue un factor clave en la Revolución Industrial británica . [ 61 ] [ 62 ] [ 63 ] Sin embargo, en muchas áreas del mundo el carbón vegetal era más barato mientras que el coque era más caro incluso después de la Revolución Industrial: por ejemplo, en los EE. UU. la producción de hierro alimentada con carbón vegetal cayó en participación a aproximadamente la mitad alrededor de 1850 , pero continuó aumentando en términos absolutos hasta alrededor de 1850. 1890 , [ 64 ] [ 65 ] mientras que en João Monlevade en las tierras altas brasileñas se construyeron altos hornos de carbón vegetal hasta la década de 1930 y solo se eliminaron gradualmente en el año 2000. [ 66 ]

El alto horno original de Darby ha sido excavado arqueológicamente y puede verse in situ en Coalbrookdale, que forma parte de los Museos de Ironbridge Gorge . El hierro fundido del horno se utilizó para fabricar las vigas del primer puente de hierro fundido del mundo en 1779. El Puente de Hierro cruza el río Severn en Coalbrookdale y sigue en uso para los peatones.

El primer alto horno de coque en Alemania (1794-), representado en una miniatura en el Museo Alemán.

Explosión impulsada por vapor

La máquina de vapor se aplicó para impulsar el aire comprimido, superando la escasez de energía hidráulica en zonas donde se ubicaban el carbón y el mineral de hierro. Esto se hizo por primera vez en Coalbrookdale, donde una máquina de vapor reemplazó una bomba accionada por caballos en 1742. [ 67 ] Dichas máquinas se utilizaban para bombear agua a un depósito situado sobre el horno. Las primeras máquinas utilizadas para soplar cilindros directamente fueron suministradas por Boulton y Watt al horno New Willey de John Wilkinson . [ 68 ] Estas impulsaban un cilindro soplador de hierro fundido , inventado por su padre, Isaac Wilkinson . Este patentó dichos cilindros en 1736, [ 69 ] para reemplazar los fuelles de cuero, que se desgastaban rápidamente. Isaac obtuvo una segunda patente, también para cilindros sopladores, en 1757. [ 70 ] La máquina de vapor y el cilindro soplador de hierro fundido propiciaron un gran aumento en la producción británica de hierro a finales del siglo XVIII. [ 51 ]

ráfaga caliente

El soplado caliente fue el avance más importante en la eficiencia del combustible del alto horno y una de las tecnologías más importantes desarrolladas durante la Revolución Industrial . [ 71 ] [ 72 ] El soplado caliente fue patentado por James Beaumont Neilson en Wilsontown Ironworks en Gran Bretaña en 1828. A los pocos años de su introducción, el soplado caliente se desarrolló hasta el punto de que el consumo de combustible se redujo en un tercio usando coque o en dos tercios usando carbón, mientras que la capacidad del horno también aumentó significativamente. En pocas décadas, la práctica consistía en tener una "estufa" tan grande como el horno junto a él, en la que se dirigía y quemaba el gas residual (que contenía CO) del horno. El calor resultante se usaba para precalentar el aire soplado al horno. [ 73 ] El soplado caliente permitió el uso de carbón de antracita crudo , que era difícil de encender, en el alto horno. La antracita fue probada con éxito por primera vez por George Crane en la fundición de hierro de Ynyscedwyn, en el sur de Gales, en 1837. [ 62 ] Fue adoptada en Estados Unidos por la Lehigh Crane Iron Company en Catasauqua, Pensilvania , en 1839. El uso de antracita disminuyó cuando se construyeron altos hornos de muy alta capacidad que requerían coque en la década de 1870.

Aplicaciones modernas del alto horno

1 - Entrada/Salida; 2 - Secado y precalentamiento; 3 - Reducción; 4 - Disolución de carbono; 5 - Fusión; 6 - Extracción / A - Materia prima; B - Aire caliente; C - Escoria; D - Arrabio; E - Salida de gas

Altos hornos de hierro

El alto horno sigue siendo una parte importante de la producción moderna de hierro. Los hornos modernos son altamente eficientes, incluyendo estufas Cowper para precalentar el aire de soplado y empleando sistemas de recuperación para extraer el calor de los gases calientes que salen del horno. La competencia en la industria impulsa mayores tasas de producción. El mayor alto horno del mundo se encuentra en Corea del Sur, con un volumen de alrededor de 6000 m³ (210 000 pies cúbicos ) . Puede producir alrededor de 5 650 000 toneladas (5 560 000 LT) de hierro por año. [ 74 ]    

Esto supone un gran aumento con respecto a los hornos típicos del siglo XVIII, que producían un promedio de 360 ​​toneladas (350 toneladas largas; 400 toneladas cortas) al año. En países que carecen de recursos de carbón autóctonos, se han desarrollado variantes del alto horno, como el alto horno eléctrico sueco.

Según Global Energy Monitor , es probable que el alto horno se vuelva obsoleto para cumplir con los objetivos de cambio climático de reducción de emisiones de dióxido de carbono, [ 75 ] pero BHP no está de acuerdo. [ 76 ] Es probable que un proceso alternativo que involucre hierro de reducción directa (DRI) lo reemplace, [ 77 ] pero este también necesita usar un alto horno para fundir el hierro y eliminar la ganga (impurezas) a menos que el mineral sea de muy alta calidad. [ 76 ]

horno de oxígeno

El proceso de alto horno de oxígeno (OBF), desarrollado desde la década de 1970 hasta la de 1990, ha sido ampliamente estudiado teóricamente debido a su potencial para la prometedora conservación de energía y la reducción de emisiones de CO₂ . [ 78 ] Este tipo puede ser el más adecuado para su uso con CCS. [ 76 ] El alto horno principal tiene tres niveles: la zona de reducción ( 523–973 K (250–700 °C; 482–1292 °F) ), la zona de formación de escoria ( 1073–1273 K (800–1000 °C; 1472–1832 °F) ) y la zona de combustión ( 1773–1873 K (1500–1600 °C; 2732–2912 °F) ).         

Los hornos de lecho fluidizado oscilante (OBF) suelen combinarse con el reciclaje de gas superior. El problema, además del importante consumo de oxígeno, radica en la distribución desigual del gas reciclado desde la parte superior del horno hacia la parte media, lo que provoca que colisione con el gas caliente procedente de la parte inferior. A fecha de 2023, esta tecnología solo se practica a nivel experimental en Suecia, Japón y China. [ 79 ]

Altos hornos para la fundición de cobre y plomo

Actualmente, los altos hornos se utilizan raramente en la fundición de cobre, pero los modernos altos hornos para la fundición de plomo son mucho más cortos que los de hierro y tienen forma rectangular. [ 80 ] Los modernos altos hornos de plomo se construyen con camisas de acero o cobre refrigeradas por agua para las paredes y no tienen revestimientos refractarios en las paredes laterales. [ 81 ] La base del horno es un hogar de material refractario (ladrillos o refractario moldeable). [ 81 ] Los altos hornos de plomo suelen ser abiertos por arriba en lugar de tener la campana de carga utilizada en los altos hornos de hierro. [ 82 ]

El alto horno utilizado en la fundición de plomo Nyrstar Port Pirie se diferencia de la mayoría de los demás altos hornos de plomo en que tiene una doble hilera de toberas en lugar de la hilera simple que se usa normalmente. [ 80 ] El pozo inferior del horno tiene forma de silla, siendo la parte inferior más estrecha que la superior. [ 80 ] La hilera inferior de toberas se encuentra en la parte estrecha del pozo. [ 80 ] Esto permite que la parte superior del pozo sea más ancha de lo habitual. [ 80 ]

Altos hornos de zinc

Los altos hornos utilizados en el Proceso Imperial de Fundición ("ISP") se desarrollaron a partir del alto horno de plomo estándar, pero están completamente sellados. [ 83 ] Esto se debe a que el zinc producido por estos hornos se recupera como metal de la fase gaseosa, y la presencia de oxígeno en los gases de escape daría lugar a la formación de óxido de zinc. [ 83 ]

Los altos hornos utilizados en el ISP tienen un funcionamiento más intenso que los altos hornos de plomo estándar, con mayores tasas de soplado de aire por m² de área de hogar y un mayor consumo de coque. [ 83 ]

La producción de zinc con el proceso ISP es más costosa que con las plantas de zinc electrolítico , por lo que varias fundiciones que utilizaban esta tecnología han cerrado en los últimos años. [ 84 ] Sin embargo, los hornos ISP tienen la ventaja de poder tratar concentrados de zinc con niveles de plomo más altos que las plantas de zinc electrolítico. [ 83 ]

Fabricación de lana de roca

Toberas de un alto horno en Gerdau , Brasil.

La lana de roca es una fibra mineral hilada que se utiliza como producto aislante y en hidroponía . Se fabrica en un alto horno alimentado con roca de diabasa que contiene niveles muy bajos de óxidos metálicos. La escoria resultante se extrae y se hila para formar el producto de lana de roca. [ 85 ] También se producen cantidades muy pequeñas de metales, que son un subproducto no deseado .

Proceso moderno del hierro

Alto horno colocado en una instalación
  1. Sinterización de mineral de hierro y piedra caliza
  2. Coque
  3. Ascensor
  4. Entrada de materia prima
  5. Capa de coque
  6. Capa de pellets sinterizados de mineral y piedra caliza
  7. Chorro de aire caliente (alrededor de 1200  °C)
  8. Eliminación de escoria
  9. Extracción de hierro fundido
  10. Crisol de escoria
  11. Vagón torpedero para arrabio
  12. Ciclón de polvo para la separación de partículas sólidas
  13. Estufas Cowper para aire caliente
  14. Chimenea
  15. Aire de alimentación para estufas Cowper (precalentadores de aire)
  16. Carbón en polvo
  17. Horno de coque
  18. Coque
  19. Bajante de gas del alto horno
Diagrama del alto horno
  1. Una ráfaga de aire caliente proveniente de estufas Cowper.
  2. Zona de fusión ( bosh )
  3. Zona de reducción del óxido ferroso ( barril )
  4. Zona de reducción del óxido férrico ( pila )
  5. Zona de precalentamiento ( garganta )
  6. Alimentación de mineral, piedra caliza y coque
  7. gases de escape
  8. Columna de mineral, coque y piedra caliza
  9. Eliminación de escoria
  10. Extracción de hierro fundido
  11. Recogida de gases residuales

Los hornos modernos están equipados con una serie de instalaciones auxiliares para aumentar la eficiencia, como patios de almacenamiento de mineral donde se descargan las barcazas. Las materias primas se transfieren al complejo de almacenamiento mediante puentes de mineral, tolvas sobre raíles o vagones de transferencia de mineral . Vagones de pesaje montados sobre raíles o tolvas de pesaje controladas por ordenador pesan las distintas materias primas para obtener la composición química deseada de metal caliente y escoria. Las materias primas se llevan a la parte superior del alto horno mediante un vagón de descarga accionado por cabrestantes o cintas transportadoras. [ 86 ]

Existen diferentes maneras de cargar las materias primas en el alto horno. Algunos altos hornos utilizan un sistema de "doble campana" donde dos "campanas" controlan la entrada de materia prima. El propósito de las dos campanas es minimizar la pérdida de gases calientes en el alto horno. Primero, las materias primas se vierten en la campana superior o pequeña, que luego se abre para descargar la carga en la campana grande. La campana pequeña se cierra para sellar el alto horno, mientras que la campana grande gira para distribuir los materiales de manera precisa antes de dispensar la carga en el horno. [ 87 ] [ 88 ] Un diseño más reciente utiliza un sistema "sin campana". Estos sistemas emplean múltiples tolvas para contener cada materia prima, que luego se descarga en el alto horno a través de válvulas. [ 87 ] Estas válvulas controlan con mayor precisión la cantidad de cada componente que se agrega, en comparación con el sistema de tolva o cinta transportadora, lo que aumenta la eficiencia del horno. Algunos de estos sistemas sin campana también implementan una tolva de descarga en la garganta del horno (como en la parte superior de Paul Wurth) para controlar con precisión dónde se coloca la carga. [ 89 ]

El alto horno de producción de hierro se construye en forma de una estructura alta, revestida con ladrillo refractario y perfilada para permitir la expansión de los materiales cargados a medida que se calientan durante su descenso, y la posterior reducción de tamaño al comenzar la fusión. El coque, el fundente de caliza y el mineral de hierro (óxido de hierro) se cargan en la parte superior del horno en un orden de llenado preciso que ayuda a controlar el flujo de gas y las reacciones químicas en su interior. Cuatro conductos de admisión permiten que el gas caliente y sucio, con alto contenido de monóxido de carbono, salga de la garganta del horno, mientras que las válvulas de purga protegen la parte superior del horno de los aumentos repentinos de presión del gas. Las partículas gruesas del gas de escape se depositan en el colector de polvo y se descargan en un vagón de ferrocarril o camión para su eliminación, mientras que el gas fluye a través de un depurador Venturi y/o precipitadores electrostáticos y un enfriador de gas para reducir la temperatura del gas limpio. [ 86 ]

La "casa de fundición" en la mitad inferior del horno comienza con el "bosh": esa porción del alto horno por encima de las toberas y debajo de la chimenea. [ 90 ] Con forma de cono truncado invertido, [ 91 ] es la parte del alto horno donde el mineral se funde. [ 92 ] A continuación está el tubo de burbujeo (un tubo anular de gran diámetro para suministrar aire caliente a presión a las toberas [ 93 ] ) y el equipo para fundir el hierro líquido y la escoria. Una vez que se perfora un "orificio de colada" a través del tapón de arcilla refractaria, el hierro líquido y la escoria fluyen por un canal a través de una abertura de "desnatador", separando el hierro y la escoria. Los altos hornos modernos y más grandes pueden tener hasta cuatro orificios de colada y dos casas de fundición. [ 86 ] Una vez que se ha extraído el arrabio y la escoria, el orificio de colada se vuelve a tapar con arcilla refractaria.

Las toberas se utilizan para implementar un aire caliente , que se emplea para aumentar la eficiencia del alto horno. El aire caliente se dirige al horno a través de boquillas de cobre refrigeradas por agua llamadas toberas, ubicadas cerca de la base. La temperatura del aire caliente puede variar de 900 a 1300 °C (1650 a 2370 °F) según el diseño y el estado del horno. Las temperaturas que manejan pueden ser de 2000 a 2300 °C (3630 a 4170 °F) . También se puede inyectar petróleo , alquitrán , gas natural , carbón pulverizado y oxígeno en el horno a la altura de las toberas para combinarse con el coque, liberar energía adicional y aumentar el porcentaje de gases reductores presentes, lo cual es necesario para incrementar la productividad. [ 86 ]    

Los gases de escape de un alto horno generalmente se limpian en el colector de polvo , como un separador inercial , un filtro de mangas o un precipitador electrostático . Cada tipo de colector de polvo tiene ventajas y desventajas: algunos recogen partículas finas, otros partículas gruesas, otros partículas cargadas eléctricamente. La limpieza eficaz de los gases de escape depende de múltiples etapas de tratamiento. [ 94 ] El calor residual se suele recuperar de los gases de escape, por ejemplo, mediante el uso de una estufa Cowper , un tipo de intercambiador de calor .

Impacto ambiental

Vista lateral del esquema

El uso de combustibles fósiles (coque, gas natural) en los altos hornos es una fuente de emisiones de gases de efecto invernadero y el alto horno es la etapa más intensiva en emisiones del proceso de fabricación de acero. [ 95 ] [ 96 ] Por cada tonelada de acero producida en una acería integrada, se producen entre 1,6 y 2,2 toneladas de emisiones de CO₂ , el 70 % de las cuales se atribuyen al funcionamiento del alto horno. [ 96 ] Los fabricantes de acero están utilizando combustibles y reductores como residuos plásticos , [ 97 ] biomasa [ 98 ] e hidrógeno [ 99 ] como posibles alternativas a los combustibles fósiles , aunque el costo y la disponibilidad siguen siendo un desafío y el despliegue es limitado.

Los hornos de arco eléctrico (EAF) se citan como una vía alternativa de producción de acero que evita el uso de altos hornos; sin embargo, dependiendo de las características del producto de acero requerido, los dos tipos de hornos no siempre son intercambiables. Además, los EAF utilizan chatarra de acero como materia prima, pero las estimaciones sugieren que no habrá suficiente chatarra disponible para satisfacer la demanda futura de acero. [ 101 ] El uso de gas hidrógeno como reductor para producir DRI (denominado H2-DRI) a partir de mineral de hierro, que luego se utiliza como materia prima para un EAF, proporciona una alternativa tecnológicamente viable y de bajas emisiones a los altos hornos. [ 99 ] La ruta de producción de H2-DRI EAF se encuentra en una etapa incipiente, con solo una planta en funcionamiento. [ 102 ]

ULCOS (Ultra Low CO 2 Steelmaking ) [ 103 ] fue un programa europeo que exploró procesos para reducir las emisiones de los altos hornos en al menos un 50 %. Las tecnologías identificadas incluyen la captura y almacenamiento de carbono (CCS) y fuentes de energía alternativas y reductores como hidrógeno, electricidad y biomasa. [ 104 ]

Dibujo de un colector de polvo de alto horno

Captura, utilización y almacenamiento de carbono (CCUS)

Para los altos hornos existentes, la captura, utilización y almacenamiento de carbono (CCUS) es una solución potencial para reducir las emisiones. Esto implica capturar el CO₂ de los gases residuales del horno antes de su liberación y luego transportarlo para su almacenamiento subterráneo permanente (CCS) o utilizarlo para crear otros productos (CCU). [ 105 ] A principios de 2025, ninguna instalación de CCUS a escala comercial estaba en pleno funcionamiento en una planta siderúrgica primaria. Sin embargo, varios proyectos piloto y de demostración a gran escala estaban en marcha. [ 106 ] Los altos costos, estimados entre 50 y 100 dólares por tonelada de CO₂ para fuentes industriales, y la falta de infraestructura de transporte y almacenamiento siguen siendo barreras importantes para su implementación generalizada. [ 107 ]

Altos hornos históricos conservados

Históricamente, lo habitual era demoler un alto horno fuera de servicio y sustituirlo por uno más moderno y mejorado, o bien demoler todo el terreno y acondicionarlo para su posterior uso. En las últimas décadas, varios países han reconocido el valor histórico de los altos hornos y los han transformado en museos. Algunos ejemplos se encuentran en la República Checa , Francia, Alemania, Japón, Luxemburgo , Polonia , Rumania , México , Rusia , España, Reino Unido y Estados Unidos .

Véase también

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  • Animación del alto horno
  • Amplia galería de imágenes sobre todos los métodos de fabricación y conformado de hierro y acero en Norteamérica y Europa. En alemán e inglés.
  • Registro Histórico de Ingeniería Estadounidense (HAER) n.° PA-651, " Estudio del Alto Horno ", 342 páginas de datos  
  • Diagrama esquemático del alto horno y la estufa Cowper.