ES2225905T3

ES2225905T3 - Procedimiento para determinar caudales volumetricos de gas en el proceso de la fase liquida en un horno electrico.

Info

Publication number: ES2225905T3
Application number: ES96945356T
Authority: ES
Inventors: Pervez Patel; Frank Treppschuh; Peter Van Hullen
Original assignee: Georgsmarienhuette GmbH
Current assignee: Georgsmarienhuette GmbH
Priority date: 1995-10-17
Filing date: 1996-10-16
Publication date: 2005-03-16
Anticipated expiration: 2016-10-16
Also published as: DE19540225A1; WO1997015000A2; JP2000512733A; EP0856146B1; DE59611042D1; WO1997015000A3; ATE271687T1; EP0856146A2; JP4018140B2

Abstract

EN LA PRESENTE INVENCION SE TRATA DE UN PROCEDIMIENTO PARA LA DETERMINACION DE CORRIENTES DE VOLUMENES DE GAS (10) QUE NO SON ACCESIBLES POR MEDICION DIRECTA Y PROCEDENTES DE LA FASE LIQUIDA (6), DONDE LOS GASES MARCADORES, QUE ESTAN PRESENTES EN CONCENTRACIONES CONOCIDAS EN LOS GASES DE ENTRADA Y LAS CORRIENTES DE VOLUMENES DE GAS CUANTITATIVAMENTE CONOCIDOS, PROCEDENTES DE LOS GASES (7,8,9) QUE ENTRAN Y SALEN DEL PROCESO SE UTILIZAN PARA DETERMINAR LAS CORRIENTES DE VOLUMENES DE GAS DESCONOCIDOS QUE NO SON ACCESIBLES POR MEDICION DIRECTA, MEDIANTE EL SIGUIENTE SISTEMA DE ECUACIONES PRESENTANDO EN (A) GAS J DE ENTRADA MARCADOR K CONCENTRACION (EN %) DEL GAS MAR CADOR N I EN EL GAS N J QUE ENTRA EN EL PROCESO; VOL GAS ENTRANTE CORRIENTE DEL VOLUMEN DE GAS DEL GAS N J QUE ENTRA EN EL PROCESO; VOL DE GAS DE SALIDA CORRIENTE DEL VOLUMEN DE GAS DEL GAS DE SALIDA PROCEDENTE DEL PROCESO, DONDE SIEMPRE DEBE CONOCERSE O PODERSE MEDIR UN NUMERO SUFICIENTE DE VALORES PARA PODER RESOLVER LAS ECUACIONES.

Description

Procedimiento para determinar caudales volumétricos de gas en el proceso de la fase líquida en un horno eléctrico.

La presente invención se refiere un procedimiento para la determinación por medición directa de los caudales volumétricos de gas, no accesibles o difícilmente accesibles, que afluyen o efluyen de los procesos de fusión para la producción de acero en un horno eléctrico que presenta fugas.

En los últimos tiempos se han conocido métodos para la reducción del consumo de energía eléctrica en los hornos eléctricos para la producción de acero, los cuales se basan principalmente en la post-combustión de los gases de reacción que se han originado previamente. Así, se han obtenido consumos específicos de oxígeno de 30 - 40 m^{3}/l - apenas inferiores que para los procedimientos de conversión. Surge, por lo tanto, la necesidad de modelos que describan tanto los flujos térmicos como los flujos materiales en el interior del horno.

La situación actual en los procedimientos para la producción de acero eléctrico indica una evidente falta de modelos de proceso adecuados que sean capaces, mediante un balance de la energía y la masa, de controlar y dirigir la metalurgia del horno. Esta falta se debe al hecho de que el proceso se desarrolla más despacio que con el convertidor de oxígeno y a que las posibilidades de toma de muestras y de la temperatura durante el tiempo de carga son bastante mejores que durante el proceso de conversión. También son escasos los procedimientos basados en señales de proceso para la producción de acero mediante hornos eléctricos. Así, por ejemplo, apenas se efectúan análisis del gas de combustión y no se mide tampoco el índice de gas de combustión.

Además, no es posible una medición directa del caudal volumétrico del gas de combustión debido a la elevada temperatura, y tampoco es económicamente conveniente. Se ha de descartar además un enfriamiento lento del flujo del gas de combustión, que permitiría una medición directa del caudal volumétrico, ya que en este caso podrían ser liberadas dioxinas y contaminantes no deseados.

Además, debido a la falta de estanqueidad, los hornos eléctricos aspiran aire - el llamado aire de infiltración - cuya determinación del caudal volumétrico se sustrae de una medición directa.

La patente US-A-3 934 470 divulga un método para la medición de los caudales volumétricos del gas de combustión proveniente de un convertidor de oxigeno. Al oxígeno insuflado se añade argón como gas trazador. La concentración de argón se mide en el aire de salida que abandona el convertidor y, a partir de este dato, se calcula la caudal volumétrico del gas de combustión. La medición se realiza en la salida del convertidor o en los conductos del gas de combustión. Se tiene en cuenta el caudal volumétrico del aire que, debido a la falta de estanqueidad, penetra entre la salida del convertidor y un conducto de gas de combustión de estos conductos del gas de combustión.

En la publicación DE "Beobachtung des Entkohlungsprozesses...", Köhle et al., Stahl und Eisen 113, Nr. 6, ("Observación del proceso de descarburación..."), se describe un método de determinación de la descarburación de un acero fundido dentro de un convertidor a partir de los productos de reacción contenidos en el gas de combustión. Se tiene en cuenta la entrada de oxígeno a través del aire de infiltración. El caudal de aire de infiltración se indica por medio de una fórmula.

La invención se basa, por lo tanto, en la tarea de proporcionar un procedimiento para la determinación de la medición directa de caudales volumétricos de gas, no accesibles o difícilmente accesibles, que afluyen o efluyen de los procesos de fusión para la producción de acero en un horno eléctrico que presenta fugas.

Este objetivo se cumple por medio del procedimiento según la reivindicación 1. En este, para la medición de los gases trazadores (tracer) en los gases que afluyen al proceso o que efluyen de este proceso, se usa preferiblemente un espectrómetro de masa. La precisión del análisis de un espectrómetro de masa es además muy elevada, y el tiempo de análisis es más breve que durante los procedimientos convencionales en los que se utiliza la absorción de rayos infrarrojos para CO y CO_{2}, la conductividad térmica para H_{2} y la susceptibilidad paramagnética para O_{2}, y además también es uniforme para todos los componentes. Además, sólo los espectrómetros de masa pueden medir los gases inertes como argón, helio y nitrógeno. El espectrómetro de masa puede medir además la concentración de los gases trazadores (tracer) a intervalos adecuados para la conducción del proceso.

El análisis de los gases de combustión se realiza en este caso preferiblemente cerca del codo del horno eléctrico.

En el procedimiento según la presente invención, afluyen hacia el proceso de fusión en el horno eléctrico, como gases, al menos el oxígeno técnico en función del aporte deseado, con un caudal volumétrico conocido cuantitativamente, y aire ambiental, debido a la falta de estanqueidad del horno eléctrico, por ejemplo el denominado aire de infiltración, con un caudal volumétrico de aire cuantitativamente desconocido, y efluyen del proceso los gases de combustión. El caudal volumétrico del oxígeno técnico se mide en este caso directamente, como es habitual.

Preferiblemente, junto con el caudal volumétrico conocido del oxígeno técnico introducido, se utilizan como gases trazadores (tracer) dos gases, que son el gas inerte nitrógeno (N_{2}) y el gas noble argón (Ar), los cuales están presentes en una concentración conocida o por determinar en los gases que afluyen hacia el proceso, es decir, en el oxígeno técnico y en el aire de infiltración, o son añadidos a éstos, y los cuales no sufren variación alguna en el curso del proceso, en particular ninguna disminución o aumento de su volumen o de su masa; los caudales volumétricos de gas desconocidos se formulan por medio de un sistema de ecuaciones como sigue:

1

con

^{k}N_{2},oxígeno-técn. \approx: concentración (en %) de nitrógeno (N_{2}) en el oxígeno técnico que afluye hacia el proceso

^{k}Ar.oxígeno-técn. \approx: concentración (en %) de argón (Ar) en el oxígeno técnico que afluye hacia el proceso

^{k}N_{2},aire-infiltrac \approx: concentración (en %) de nitrógeno (N_{2}) en el aire de infiltración que afluye hacia el proceso

^{k}Ar.aire-infiltrac. \approx: concentración (en %) de argón (Ar) en el aire de infiltración que afluye hacia el proceso

^{Vol}oxígeno-técn. \approx: caudal volumétrico de gas del oxígeno técnico que afluye hacia el proceso

^{Vol}aire-infiltrac. \approx: caudal volumétrico de gas del aire de infiltración que afluye hacia el proceso

^{Vol}gas-combust. \approx: caudal volumétrico de gas del gas de combustión que efluye desde el proceso

por determinar, con lo cual los caudales volumétricos de gas del oxígeno técnico y las concentraciones del nitrógeno (N_{2}) y del argón (Ar) en los caudales volumétricos de gas del oxígeno técnico y del aire de infiltración, así como en el caudal volumétrico de los gases de combustión, deben poder ser comprobados o calculados, para que pueda resolverse completamente el sistema de ecuaciones arriba citado para las magnitudes desconocidas buscadas, es decir, el caudal volumétrico de gas del aire de infiltración y el caudal volumétrico de los gases de combustión. La resolución de este sistema de ecuaciones da entonces para las magnitudes buscadas:

2

y

3

Otra forma de realización del procedimiento según la presente invención se caracteriza por el hecho de que, junto con el caudal volumétrico conocido del oxígeno técnico añadido, se utilizan como gases trazadores (tracer) dos gases, que son el gas noble helio (He) y el gas noble argón (Ar), los cuales están presentes en una concentración conocida o por determinar, en los gases que afluyen hacia el proceso, es decir en el oxígeno técnico y en el aire de infiltración, o bien que son añadidos a éstos, y los cuales no sufren variación alguna durante el proceso, en particular ninguna disminución ni aumento de su volumen o de su masa; los caudales volumétricos de gas no conocidos son formulados por medio de un sistema de ecuaciones como sigue:

4

con

^{k}He,oxígeno-técn. \approx: concentración (en %) de helio (He) en el oxígeno técnico que afluye hacia el proceso

^{k}Ar, oxígeno-técn. \approx: concentración (en %) de argón (Ar) en el oxígeno técnico que afluye hacia el proceso

^{k}He,aire-infiltrac. \approx: concentración (en %) de helio (He) en el aire de infiltración que afluye hacia el proceso

^{k}Ar,aire-infiltrac. \approx: concentración (en %) de argón (Ar) en el aire de infiltración que afluye hacia el proceso

^{vol} oxígeno-técn. \approx: caudal volumétrico de gas del oxígeno técnico que afluye hacia el proceso

^{Vol}gas-combust. \approx: caudal volumétrico del gas de combustión que efluye desde el proceso,

por determinar, con lo cual la magnitud de los caudales volumétricos de gas del oxígeno técnico y las concentraciones del helio (He) y del argón (Ar) en los caudales volumétricos de gas del oxígeno técnico y del aire de infiltración, así como en el caudal volumétrico del gas de combustión, deben poder ser comprobados o calculados, para que pueda resolverse completamente el sistema de ecuaciones arriba citado según las magnitudes desconocidas buscadas, es decir, el caudal volumétrico de gas del aire de infiltración y el caudal volumétrico de los gases de combustión. La resolución de este sistema de ecuaciones da por tanto las magnitudes buscadas:

\vskip1.000000\baselineskip

5

y

6

Preferiblemente, durante el procedimiento según la presente invención, se puede añadir al proceso además una mezcla de carbono (C) /nitrógeno (N_{2}), de la cual se conoce o se puede calcular tanto el caudal volumétrico del gas como las respectivas concentraciones de carbono (C) y de nitrógeno (N_{2}) en la mezcla; y luego estos datos deben ser introducidos en las ecuaciones establecidas para determinar los caudales volumétricos de gas desconocidos.

En el procedimiento según la presente invención, como oxígeno técnico se usa una mezcla que, debido a su procedimiento de producción, es decir mediante la técnica de absorción al vacío (por ejemplo los procesos VSA o VSPA de la empresa Air Liquide), ya presenta una parte específica de argón, helio y nitrógeno, los cuales por lo tanto ya no deben ser añadidos separadamente. Así, por ejemplo, la composición del oxígeno técnico en porcentaje volumétrico, producida con un dispositivo VSA de la empresa Air Liquide, es la siguiente:

93% O_{2}

4,5% Ar

2,5% N_{2}

aprox. 0,00008% He (= 8ppm He) y otros

trazos de H_{2}O, CO_{2} y C_{n} H_{n}

Por lo tanto, en caso de emplear un dispositivo de este tipo para la producción de oxígeno, no es preciso añadir separadamente los gases trazadores (tracer), ya que estos se producen de cualquier modo durante el procedimiento de producción del oxígeno.

La ventaja del procedimiento según la presente invención consiste esencialmente en el hecho de que los caudales volumétricos de gas determinados durante el procedimiento conforme a la invención pueden ser incluidos en un modelo matemático del proceso con el fin de controlar y regular más adecuadamente el proceso con ayuda de este modelo.

Una vez determinado el caudal volumétrico del gas de combustión en el horno eléctrico, se pueden calcular por lo tanto los caudales de CO, H_{2} y otros componentes. De la misma forma, conociendo el caudal volumétrico del gas de combustión, se puede averiguar el índice de oxígeno necesario para la oxidación completa de estos gases. De esta forma, es posible proveer en cada momento una cantidad óptima de oxígeno para la oxidación del CO y el H_{2}.

Para la optimización de la energía del horno eléctrico, el caudal volumétrico del aire de infiltración es de gran importancia. De esta manera, podrá determinarse la velocidad de descarburación del baño y se podrán calcular los caudales de CO, CO_{2} y O_{2} e insertarlos en un modelo de proceso.

Otra ventaja económica considerable del procedimiento según la presente invención consiste en el uso de un oxígeno técnico que ya contiene todos los gases trazadores (tracer) requeridos para el procedimiento según la presente invención, un oxígeno técnico que se desarrolla utilizando un procedimiento de producción del oxígeno según el método de absorción al vacío. La adición por separado de un tracer como argón o helio, en cambio, aumentaría los costes de producción del acero aproximadamente en 2 -10 DM/t fase líquida. Estos costes, sin embargo, son a menudo difícilmente sostenibles, por lo tanto el procedimiento conforme a la invención, además de la notable ventaja técnica, presenta también una ventaja económica significativa.

A continuación se comentan algunos ejemplos de realización basándose en el dibujo, que no deben ser interpretados de manera limitativa. Se muestra:

Figura 1 una representación esquemática de un horno eléctrico para la producción de acero con sondas de medición de un espectrómetro de masa para el análisis de los gases de combustión cerca del codo del horno,

Figura 2 una representación esquemática del proceso de una fase líquida con gases afluentes y efluentes,

Figura 3 una representación esquemática de un proceso para la producción de acero en un horno eléctrico con oxígeno técnico afluente y aire de infiltración afluente con una composición determinada, y gases de combustión efluentes, y

Figura 4 una representación esquemática de un proceso para la producción de acero en un horno eléctrico con oxígeno técnico afluente y aire de infiltración afluente con otra composición determinada, y gases de combustión efluentes.

La Fig. 1 muestra una representación esquemática de un horno eléctrico 1 para la producción de acero con sondas de medición 2 de un espectrómetro de masa 4, para el análisis de los gases de combustión cerca del codo del horno. Los valores registrados son en primer lugar procesados metrológicamente en un procesador de medición de gas 3 y luego son transmitidos al espectrómetro de masa 4. Los resultados del análisis del espectrómetro de masa 4 constituyen por último las magnitudes de entrada para la determinación y la elaboración de datos 5 que pueden emplearse para el control del proceso.

La Fig. 2 muestra una representación esquemática de un proceso de la fase líquida 6 con gases afluentes y efluentes. Aquí, los gases Gas afluente_{1} 7, Gas afluente_{2} 8 hasta Gas afluente_{m} 9, es decir en conjunto m gases afluentes, afluyen al proceso, y un Gas efluente 10 efluye del proceso. Cada uno de los gases contiene una concentración determinada de los diversos gases trazadores n (tracer), los cuales son gases trazadores no sujetos a variaciones durante el proceso 6, preferiblemente son gases inertes como N_{2}, helio o similares. La medición de la concentración de estos tracer en el caudal volumétrico de los gases de combustión proporciona, por lo tanto, información sobre magnitudes que no se pueden medir directamente como, por ejemplo, el caudal volumétrico de los gases de combustión, siempre que se conozca un número suficiente de datos. Esto es posible gracias a un balance de los caudales volumétricos que tiene en consideración la inmutabilidad de la concentración de los tracer durante el proceso 6. El sistema de ecuaciones que describe este balance es el siguiente:

7

Si se conoce un número suficiente de magnitudes, pueden averiguarse las magnitudes desconocidas, las cuales pueden medirse indirectamente.

La Fig. 3 muestra una representación esquemática de un proceso para la producción de acero en el horno eléctrico 6 con oxígeno técnico afluente como primer gas afluente 7, aire de infiltración afluente como segundo gas afluente 8 y gas de combustión efluente 10. El oxígeno técnico presenta en este caso las siguientes concentraciones de tracer.

4,5% Ar y 2,5% N_{2}

Para el aire de infiltración aspirado por el proceso 6 debido a las fugas del horno, los datos son los siguientes:

0,936% Ar y 78,1% N_{2}

El sistema de ecuaciones para el balance del caudal volumétrico resulta por lo tanto como sigue:

0,025\cdot^{Vol} \text{oxíg. técnico} + 0,78\cdot^{Vol} aire-infiltración = x\cdot^{Vol} \text{gas de combust.}

0,045\cdot^{Vol} \text{oxíg. técnico} + 0,00936\cdot^{Vol} aire-infiltración = y\cdot^{Vol} gas-combust.

Aquí el caudal volumétrico del oxígeno técnico se puede medir directamente. De la misma forma, pueden ser determinadas las concentraciones de argón y nitrógeno (N_{2}) en el caudal volumétrico del gas de combustión por medio del espectrómetro de masa. En este caso, los valores buscados son, sin embargo, el caudal volumétrico de los gases de combustión y el caudal volumétrico del aire de infiltración. Según la ecuación arriba indicada, por lo tanto, resultan:

^{Vol}gas-combust. = \frac{0,04470038}{x-0,01198464 \cdot y} \cdot ^{Vol}\text{oxíg.técnico}

y

^{Vol}aire-infiltración = \frac{^{Vol}gas-combust \cdot y - ^{Vol} \text{oxíg.técnico}^{0,025}}{0,781}

La Fig. 4 muestra una representación esquemática de un proceso para la producción de acero en un horno eléctrico 6 con oxígeno técnico afluente como primer gas afluente 7, aire de infiltración afluente como segundo gas afluyente 8, y gas de combustión efluente 10. El oxígeno técnico presenta, en este caso, las siguientes concentraciones de tracer

4,5% Ar y 0,00008% He (0,8 ppm)

0,936% Ar y 0,000524% He (= 5,24 ppm)

0,0000008 \cdot ^{Vol} \text{oxígeno-técnico} + 0,00000524\cdot ^{Vol}aire- infiltración =.X \cdot ^{Vol}gas-combust.

0,045\cdot ^{Vol} \text{oxígeno-técnico} + 0,00936. ^{Vol}aire-infiltración = y \cdot ^{Vol}gas-combust.

Aquí el caudal volumétrico del oxígeno técnico se puede medir directamente. De la misma forma, se pueden determinar las concentraciones de argón y nitrógeno (N_{2}) en el caudal volumétrico del gas de combustión por medio del espectrómetro de masa. En este caso, los valores buscados son, sin embargo, el caudal volumétrico del gas de combustión y el caudal volumétrico del aire de infiltración. Según la ecuación arriba citada, por lo tanto, resulta:

^{Vol}gas-combust = \frac{0,04357099}{x-1786,25954 \cdot y} \cdot ^{Vol} \text{oxígeno-técnico} y

^{Vol}aire-infiltración = \frac{^{Vol}gas-combust \cdot y - ^{Vol} \text{oxígeno-técnico}^{-0,0000008}}{0,00000524}

Claims

1. Procedimiento para la determinación de la medición directa de caudales volumétricos de gas, no accesibles o difícilmente accesibles, afluentes o efluentes de procesos de fusión para la producción de acero en un horno eléctrico que presenta fugas, en el que:

a): se produce oxígeno técnico mediante la técnica de absorción al vacío, el cual ya presenta, gracias al procedimiento de producción, un porcentaje de gases trazadores, denominados tracer, argón, helio y nitrógeno,

b): se efectúa un proceso de fusión en el horno eléctrico para la producción de acero y, por un lado, afluye al proceso de fusión el oxígeno técnico con un caudal volumétrico de gas cuantitativamente conocido y, por otro lado, a través de las fugas, el denominado aire de infiltración con un caudal volumétrico de gas cuantitativamente desconocido,

c): del horno eléctrico efluye un gas de combustión, a través de un codo para gases de combustión, con un caudal volumétrico de gas cuantitativamente desconocido, y

d): al menos dos de los tres gases trazadores, los cuales están presentes en una concentración conocida en el oxígeno técnico y en el aire de infiltración y los cuales no sufren variación alguna durante el proceso, en particular ninguna disminución ni aumento de su volumen o de su masa, se utilizan para determinar los caudales volumétricos de gas desconocidos del oxígeno técnico y del aire de infiltración mediante un sistema de ecuaciones como el siguiente:

^{k}tracer_{1}, \text{oxígeno-técn.}\cdot ^{Vol}\text{oxígeno}-tecn. + ^{k}tracer_{1}, aire-infltración\cdot ^{Vol}aire-infiltración. = ^{k}tracer_{1},gas-combust. \cdot ^{Vol}gas-combust.

^{k}tracer_{2},\text{oxígeno-técn.} \cdot ^{Vol}\text{oxígeno}-técn. + ^{k}tracer_{2},aire-infltración \cdot ^{Vol}aire-infiltración = ^{k}tracer_{2},gas-combustión. \cdot ^{Vol}gas-combust.

con las siguientes magnitudes conocidas:

^{k}tracer_{1},oxígeno-técn. \approx concentración (en %) del tracer 1 en el oxigeno técnico afluente hacia el proceso,

^{k}tracer_{2},oxígeno-técn. \approx concentración (en %) del tracer 2 en el oxígeno técnico afluente hacia el proceso

^{k}tracer_{1},aire-infiltración \approx concentración (en %) del tracer 1 en el aire de infiltración afluente hacia el proceso

^{k}tracer_{2},aire-infiltración \approx concentración (en %) del tracer 2 en el aire de infiltración afluente hacia el proceso y

^{Vol}oxígeno-tecn \approx caudal volumétrico del gas del oxígeno técnico afluente hacia el proceso,

con las siguientes magnitudes por determinar en el horno eléctrico:

^{k}tracer_{1},gas-combust. \approx concentración (en %) del tracer 1 en el gas de combustión

^{k}tracer_{2},gas-combustión. \approx concentración (en %) del tracer 2 en el gas de combustión

^{Vol}aire-infiltración \approx caudal volumétrico de gas del aire de infiltración que afluyen hacia el proceso, y

^{Vol}gas-combust \approx caudal volumétrico de los gases de combustión que efluyen desde el proceso,

: con lo cual el sistema de ecuaciones arriba mencionado se resuelve para las magnitudes incógnitas buscadas, es decir, el caudal volumétrico de gas del aire de infiltración y el caudal volumétrico de los gases de combustión.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que para la medición de los gases trazadores (tracer) en los gases afluentes o efluentes del proceso se usa un espectrómetro de masa.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que la medición de la concentración de los gases trazadores en el caudal volumétrico de los gases de combustión se realiza en el codo del gas de combustión.

4. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el oxígeno técnico se produce según el procedimiento VSA o VPSA.