ES2252515T3 - Procedimiento para mejorar el perfil de temperatura de un horno. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para aumentar de forma permanente o temporal la productividad y/o la calidad del producto recalentado mejorando el perfil de temperatura de un horno de recalentamiento de productos, comprendiendo dicho horno al menos una primera zona llamada zona muerta, en la que los productos introducidos en el horno se recalientan por el contacto con humos que salen de una segunda zona, situada corriente abajo de la primera en el sentido de avance de los productos en el horno, comprendiendo esta segunda zona medios de calentamiento principales, que generan una potencia inicial instalada, generalmente de tipo quemadores aerocombustibles, comprendiendo la primera zona un recuperador de humos, caracterizado porque los medios de calentamiento complementarios, diseñados para proporcionar al menos un 10% de potencia inicial instalada y hasta un 25% de ésta, están instalados en la zona muerta del horno, creando dichos medios de calentamiento complementarios como mucho un 10% en volumen de humos adicionales con respecto al volumen de humos creados en la zona de calentamiento por los medios de calentamiento principales en ausencia de medios de calentamiento complementarios en la zona muerta, y porque los medios de calentamiento complementarios se clasifican entre los quemadores oxicombustibles, las resistencias eléctricas de calentamiento, los quemadores de tipo regenerativo, provocando un aumento de la temperatura al nivel del recuperador que se limita a menos de 20ºC.

Description

Procedimiento para mejorar el perfil de temperatura de un horno.

La presente invención se refiere a un procedimiento para mejorar el perfil de temperatura de un horno y, especialmente, el perfil de temperatura de un horno de recalentamiento o de recocido de productos, más en particular productos siderúrgicos tales como desbastes o lingotes o productos planos.

Los hornos de recalentamiento y/o de mantenimiento de la temperatura se utilizan generalmente en la industria siderúrgica, especialmente en el ciclo de colada continua, en el que se cuela el metal líquido para formar productos intermedios que, antes de pasar por el laminador al final de la cadena de colada continua, pasan por al menos un horno llamado de recalentamiento, en el que el producto intermedio se lleva o se mantiene a una temperatura adecuada, lo más uniforme posible, para ser a continuación laminado en las mejores condiciones.

Un horno de recalentamiento de este tipo y su procedimiento de utilización se describe, por ejemplo, en el documento EP-A-0370916.

En un horno de recalentamiento, existe generalmente al menos una zona equipada con medios de calentamiento, por ejemplo quemadores, para aportar la energía necesaria para el recalentamiento o el mantenimiento de la temperatura de los productos metalúrgicos. Se distinguen a menudo tres zonas principales en un horno, especialmente de recalentamiento, caracterizadas por modos de transferencia térmica diferentes:

- La zona de calentamiento o de fuego intenso propiamente dicho, en la que se desarrolla la combustión (quemadores, plasmas, calentamientos auxiliares, etc.), en la que se controla y regula eventualmente la temperatura ambiente o del producto. Esta zona se caracteriza porque el calor se produce "in-situ", siendo este calor producido un medio directo de control y/o de regulación de la temperatura en esta zona.

- La zona de agotamiento de humos también llamada zona muerta, en la que los humos o la atmósfera procedente de la zona de calentamiento pierden parte de su energía en beneficio del producto siderúrgico que entra en el horno. Esta zona contribuye a la optimización del rendimiento térmico del procedimiento.

- La zona llamada de recuperación que comprende un sistema de recuperación que permite transferir una parte de la energía todavía presente en los humos o en la atmósfera que sale del horno al comburente necesario para la combustión (precalentamiento del comburente). Esta energía se reintroduce por reciclaje en el horno, lo que optimiza aún más el balance energético global.

Los sistemas actuales de regulación permiten, excepto limitaciones externas, hacer funcionar la zona de calentamiento y el recuperador a su funcionamiento nominal simplemente mediante una acción sobre los parámetros directos de regulación de estas zonas (potencia de los quemadores, energías auxiliares, intercambio térmico en el recuperador, etc.).

Por el contrario, la zona muerta de un horno no se regula, ya que los intercambios térmicos son totalmente dependientes de los parámetros de funcionamiento de la zona de calentamiento y eventualmente del recuperador. En particular, los perfiles térmicos en dicha zona no se optimizan porque dependen de condiciones de flujo de materia (humos y productos metalúrgicos) en el horno y de sus condiciones de temperatura.

El único requisito que impone generalmente el usuario del horno es el "agotamiento" de los humos (intercambio térmico óptimo entre los humos y los productos o el horno) en esta zona, para respetar la limitación de temperatura de salida de los humos de esta zona para no dañar el sistema de recuperación de humos y limitar las pérdidas térmicas por los humos si éstos no se recuperan.

Durante la construcción del horno, esta zona se diseña entonces para asegurar un enfriamiento suficiente de los humos procedentes de la zona de calentamiento.

La figura 1 permite explicar mejor el funcionamiento de un horno de recalentamiento de tipo conocido y los problemas a resolver para mejorar su funcionamiento.

Sobre la figura 1, el horno 1 de recalentamiento está representado esquemáticamente con los productos 5 metalúrgicos avanzando (gracias a un sistema de largueros 14 y de medios de accionamiento no representados sobre la figura 1) de derecha a izquierda, estado representado el sentido de avance de estos productos por las flechas 7.

El horno 1 comprende aquí una zona 2 de calentamiento en la que la temperatura varía entre 1200ºC y 1400ºC, estando equipada esta zona 2 con quemadores y comprendiendo una o varias zonas de regulación. Los quemadores no están representados sobre esta figura. Tan solo el circuito de aire caliente está representado esquemáticamente (13). El horno comprende también una zona 3 muerta, que generalmente es la vía de paso preferida de los humos, en la que la temperatura de los humos es generalmente del orden de 900ºC a 1100ºC, lo que es suficiente para precalentar y realizar un intercambio térmico de forma eficaz con los productos siderúrgicos y, finalmente, una zona 4 menos caliente que forma parte de la zona 3 muerta, situada generalmente cerca de la entrada de productos siderúrgicos y generalmente por encima de éstos (en particular si la canalización 8 de recuperación de humos se sitúa bajo el nivel de entrada de productos siderúrgicos) y en la que la temperatura varía entre 600ºC y 900ºC: esta temperatura es generalmente demasiado baja para precalentar eficazmente los productos siderúrgicos.

Los humos sirven para precalentar el aire (comburente) que sale del generador 11 de comburente, a través de la canalización 10, en el recuperador 9, del que sale el comburente precalentado en la canalización 12 que alimenta los quemadores 13 con comburente (las canalizaciones de combustible de los quemadores no están representadas en la figura 1).

En un modo de funcionamiento de este tipo, la zona 3 muerta está poco calentada durante toda la duración de la producción y existe de hecho la posibilidad de tener, al menos durante una parte del tiempo de producción, una temperatura más elevada en esta zona para tener un mejor precalentamiento de los productos siderúrgicos.

Sin embargo, este aumento de la temperatura en la zona muerta no se debe traducir en un aumento correlativo de la temperatura de los humos a la salida del horno. En efecto, si se puede aumentar la temperatura de la zona muerta (y por tanto de los humos) en unos 200ºC por ejemplo, el problema que se plantea es que no se quiere que estos humos salgan del horno a una temperatura que sea superior en 200ºC a su temperatura de salida habitual. En efecto, si no existe un recuperador a la salida del horno, habiéndose aumentado la temperatura de los humos en 200ºC, es toda la energía térmica correspondiente la que se ha perdido y el balance térmico (por tanto financiero) del horno se vuelve inaceptable. Igualmente, si existe un recuperador (como se describe en la figura 1), funcionando éste habitualmente a una temperatura cercana a su temperatura máxima (en otras palabras, la temperatura de los humos que entran en el recuperador se aproxima a la temperatura máxima que puede soportar el recuperador sin sufrir daños), no es posible alimentarlo con los humos cuya temperatura se habría aumentado en 200ºC. Por consiguiente, el experto en la materia se enfrenta al problema de aumentar sustancialmente la temperatura en la zona muerta del horno, y especialmente su temperatura de bóveda, sin un aumento sustancial correlativo de la temperatura de los humos a la salida del horno.

La invención permite resolver el problema técnico que se plantea. Con este objetivo, la invención se refiere a un procedimiento tal como se ha definido en la reivindicación 1, y prevé utilizar medios de calentamiento complementarios, situados en la zona (3) muerta del horno (o que tienen una acción térmica sobre la zona muerta del horno), sin crear sustancialmente humos adicionales, para así evitar cualquier transferencia sustancial de energía, y especialmente de la energía generada por estos medios de calentamiento complementarios, por medio de los humos (y especialmente de los humos adicionales).

Por creación sustancial de humos adicionales se entiende, según la invención, la creación de al menos un 10% en volumen de humos adicionales, con respecto al volumen de humos creados en el horno en ausencia de medios de calentamiento complementarios.

En consecuencia, según la invención, los medios de calentamiento complementarios se diseñarán con el fin de no crear más de un 10% en volumen de humos adicionales, y preferiblemente no más de un 5% en volumen de humos adicionales, con respecto al volumen de humos creados por los otros quemadores del horno, en ausencia de estos medios de calentamiento complementarios (funcionando los otros quemadores del horno de forma idéntica en ambos casos, para poder comparar los volúmenes de los humos). La energía producida por estos medios complementarios podrá representar hasta un 20% de la energía total proporcionada (o incluso hasta un 25% de la potencia inicial instalada).

Los medios de calentamiento complementarios, según la invención, serán preferiblemente quemadores, en los que el comburente de al menos uno de estos quemadores está enriquecido con oxígeno (más de un 21% de O_{2} en el oxígeno), preferiblemente quemadores cuyo comburente comprende más de un 88% en volumen de oxígeno (por ejemplo, oxígeno suministrado por un aparato de separación de gases del aire por adsorción de tipo "VSA", perfectamente conocida por el experto) y más preferiblemente oxígeno industrial puro, hasta más del 95% de oxígeno en volumen, siendo preferiblemente el complemento esencialmente argón y nitrógeno. El comburente podrá incluir del 1% al 10% en volumen de argón y/o del 0,1% al 10% en volumen de nitrógeno. Por supuesto, un comburente que contiene un 100% de oxígeno es perfectamente conveniente.

Pueden ser convenientes otros medios de calentamiento a parte de los quemadores de oxígeno, especialmente los que no generan nada de humo suplementario, como los paneles radiantes (resistencias eléctricas de calentamiento), los quemadores radiantes o también los quemadores de tipo regenerativo que solo generan prácticamente un poco de humo adicional en el circuito normal de los humos, ya que están previstos para aspirar el aire exterior, calentarlo por intercambio térmico con un volumen de humos equivalente, también aspirado en el horno, expulsar los humos fuera del horno en un circuito de humos específico tras el "agotamiento" térmico de éstos y la utilización del aire así precalentado como (al menos una parte) comburente en el quemador.

Los medios de calentamiento complementarios se dispondrán generalmente en la zona muerta, opuestos al conducto de evacuación de humos hacia el recuperador (en caso de existir dicho recuperador). Al estar la evacuación de humos a menudo en la parte baja del horno, los medios de calentamiento complementarios estarán entonces preferiblemente situados en la parte alta (hacia la bóveda) del horno. No obstante, la situación inversa también es posible.

Son posibles diversas disposiciones de estos medios de calentamiento adicionales. Por ejemplo, uno o varios quemadores (o equivalentes) en la pared 20 (figura 2) del horno, justo por debajo de la zona de entrada de los productos en el horno, o bien uno o varios quemadores en un bloque (o nicho) 21 atravesado (figura 2) situado en la bóveda, o también sobre la pared 22 frontal a la carga, preferiblemente en el límite "corriente abajo" de la zona muerta (en el sentido de avance del producto) con las llamas orientadas hacia la entrada del producto en el horno (en el sentido de los humos) o hacia la salida de los productos del horno (a contra corriente de los humos) o una combinación de ambas, o bien uno o varios quemadores en al menos una de las paredes laterales del horno, al nivel de los productos, en la zona muerta, o bien una combinación de estas diferentes opciones.

Para la instalación de los medios de calentamiento complementarios según la invención en un horno, se pueden distinguir generalmente tres situaciones diferentes, especialmente en el caso de hornos de recalentamiento:

La primera, en la que la potencia emitida por los quemadores en la zona de calentamiento es importante y se alcanza el límite máximo de temperatura de bóveda del horno, mientras que los humos se evacuan del horno tras pasar por la zona muerta a una temperatura que se aleja bastante de la temperatura máxima de entrada de los humos en el recuperador. En este tipo de configuración, no es posible calentar más, corriente arriba, (en la zona de calentamiento) con los quemadores existentes, incluso si las temperaturas de las paredes y de la bóveda en la zona muerta son muy bajas para asegurar un buen precalentamiento de los productos siderúrgicos.

La segunda, en la que, al contrario que en la anterior, la temperatura de los humos a la salida de la zona muerta es máxima, mientras que la temperatura de la bóveda en la zona de calentamiento es claramente inferior a la temperatura máxima que puede soportar esta bóveda. En esta configuración, no se puede aumentar la potencia en la zona de calentamiento, so pena de dañar la bóveda en la zona muerta y/o el recuperador.

Finalmente la tercera, en la que ni la temperatura en la zona de calentamiento, ni la temperatura de los humos en la zona muerta alcanzan sus valores máximos, lo que se traduce en temperaturas de bóveda inferiores a la máxima tanto en la zona de calentamiento como en la zona muerta.

La presente invención consiste en la disposición de un medio de calentamiento complementario que permite aumentar las trasferencias térmicas al producto en la zona muerta sin generar una transferencia de energía importante hacia la evacuación de humos en el horno. Con este objetivo, este medio de calentamiento adicional permite especialmente llevar toda o parte de la zona muerta a su temperatura máxima admisible T_{max} Bóveda, dependiendo esta temperatura generalmente de la geometría y de los elementos constitutivos del horno, siendo la elección de los medios adicionales de calentamiento y de la velocidad, especialmente, de circulación de los humos tal que la temperatura de dichos humos no sobrepasa la temperatura máxima admisible T_{max} Humos.

Este nuevo perfilado de la temperatura aportará la máxima transferencia térmica posible en esta parte del horno.

En los espacios en los que la temperatura es claramente inferior a las limitaciones reales de la instalación o a los límites de pérdidas térmicas aceptables, las transferencias térmicas a los productos son enormemente inferiores al potencial (casi ausencia de transferencias radiativas y transferencias convectivas débiles).

El límite máximo de temperatura en el nivel del recuperador es generalmente del orden de 900ºC. Según otro aspecto de la invención, es por tanto necesario controlar la temperatura de los humos a la salida del horno para mantenerlos por debajo del valor límite (por ejemplo 900ºC en el ejemplo anterior), por ejemplo regulando el medio de calentamiento complementario gracias a la medición de la temperatura de los humos a la salida del horno.

En la práctica, se constata por la disposición de la invención descrita anteriormente, que la potencia total emitida en el horno es superior del 5 al 20% de la potencia inicial. El perfil de temperatura a la entrada del horno es más elevado (900ºC a 1200ºC), especialmente en zonas muy poco valoradas antes (600ºC-900ºC). El aumento de producción generado se sitúa entre el 5% y el 25%, según las potencias iniciales. La pérdida de energía en estas condiciones sigue siendo inferior al 5%.

Además del aumento de producción y/o de productividad generado por la invención, ésta permite igualmente múltiples ventajas funcionales y especialmente:

- mejora de la uniformidad en la temperatura del producto,

- mejora de la calidad de la superficie del producto,

- reducción de las deformaciones de los productos.

La invención se entenderá mejor con ayuda del ejemplo de realización siguiente, dispuesto sobre un horno de recalentamiento, junto con la figura 2 que representa una disposición de la invención.

Se han instalado quemadores oxicombustibles en la zona muerta de un horno cuya potencia representa aproximadamente el 10% de la potencia aerocombustible existente en el horno.

En ausencia de estos quemadores oxicombustibles, la temperatura en la zona muerta del horno evaluado era normalmente de aproximadamente 650ºC y la temperatura en la cabeza del recuperador era de aproximadamente 820ºC (inferior a 850ºC).

Tras la instalación de quemadores oxicombustibles que utilizan oxígeno tipo "VSA" (oxígeno suministrado para el comburente comprende más del 88% de O_{2}, preferiblemente más del 95% en volumen de O_{2}, siendo el complemento nitrógeno y argón) y una temperatura de regulación llevada a 900ºC en la zona muerta, no hay aumento notable de la temperatura en la cabeza del recuperador. El nuevo perfilado de la temperatura de bóveda genera un aumento de producción del 5%, para un aumento de la potencia del 5%.

La misma configuración aerocombustible generaría un aumento de la temperatura de los humos de 20ºC, lo que no sería compatible con un funcionamiento del recuperador con total seguridad (al alcanzarse la temperatura máxima).

Según la invención, cuando la regulación de la temperatura a un valor de consigna se lleva a 1100ºC en misma zona (3) llamada "muerta" antes de añadir los medios de combustión de oxígeno, se ha detectado un aumento de la producción que alcanza el 10% y un aumento de temperatura al nivel del recuperador que se limita a menos del 20ºC. Este funcionamiento optimizado permite obtener el mejor perfil de temperatura de bóveda del horno sin generar pérdida térmica inútil y sin riesgo, especialmente para el recuperador.

En comparación, un funcionamiento similar pero con quemadores aerocombustibles añadidos en la zona "muerta" genera pérdidas suplementarias, debidas a esta zona muerta así calentada, cuatro veces superiores (aproximadamente la razón de humos aerocombustibles / humos oxicombustibles), aumentando la temperatura en la cabeza del recuperador en 100ºC, funcionamiento no autorizado por seguridad para el recuperador.

Sobre la figura 2, los mismos elementos que los de la figura 1 llevan a las mismas referencias. Se ha esquematizado por encima de la zona 4 muerta las canalizaciones 16, 17 de llegada de oxígeno que sale del generador 18 de oxígeno, alimentando tres quemadores (20) oxicombustibles situados en una pared lateral del horno 1 (en la pared opuesta a ésta se encuentran los mismos quemadores).

La referencia 21 representa otro posible establecimiento de quemadores (suplementarios) oxicombustibles en la bóveda del horno para el calentamiento complementario de la zona 3 muerta. Los quemadores suplementarios también se pueden establecer en la zona 4 (parte de la zona 3) poco calentada del horno, por ejemplo en el emplazamiento de la referencia 22 en la figura 2. La figura 2a, que es un aumento de una parte de la zona 3 muerta del horno, muestra el posible establecimiento de estos diferentes quemadores 20 y/o 21 y/o 22 y sus llamas 23, 24 respectivas por una parte para los quemadores 21 y 25 y por otra parte para el quemador 22. Tal como se explica anteriormente, se puede elegir sólo una llama 23 ó 24, o eventualmente las dos (una a contra corriente de los humos, la otra en el sentido de los humos).

El procedimiento según la invención también aporta una flexibilidad a los medios de producción de un usuario de hornos, ya que los medios adicionales o complementarios se pueden detener o activar (parada o marcha) según las necesidades de producción / productividad del horno.

Se deduce que el horno funcionará, según la invención, con una temperatura en la zona llamada de recuperación y/o agotamiento de humos que puede ser muy claramente superior a la temperatura límite del recuperador.

Claims (5)

1. Procedimiento para aumentar de forma permanente o temporal la productividad y/o la calidad del producto recalentado mejorando el perfil de temperatura de un horno de recalentamiento de productos, comprendiendo dicho horno al menos una primera zona llamada zona muerta, en la que los productos introducidos en el horno se recalientan por el contacto con humos que salen de una segunda zona, situada corriente abajo de la primera en el sentido de avance de los productos en el horno, comprendiendo esta segunda zona medios de calentamiento principales, que generan una potencia inicial instalada, generalmente de tipo quemadores aerocombustibles, comprendiendo la primera zona un recuperador de humos, caracterizado porque los medios de calentamiento complementarios, diseñados para proporcionar al menos un 10% de potencia inicial instalada y hasta un 25% de ésta, están instalados en la zona muerta del horno, creando dichos medios de calentamiento complementarios como mucho un 10% en volumen de humos adicionales con respecto al volumen de humos creados en la zona de calentamiento por los medios de calentamiento principales en ausencia de medios de calentamiento complementarios en la zona muerta, y porque los medios de calentamiento complementarios se clasifican entre los quemadores oxicombustibles, las resistencias eléctricas de calentamiento, los quemadores de tipo regenerativo, provocando un aumento de la temperatura al nivel del recuperador que se limita a menos de 20ºC.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque se crea como máximo un 5% en volumen de humos adicionales por los medios de calentamiento complementarios.

3. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque los medios de calentamiento complementarios son quemadores cuyo comburente comprende más del 88% en volumen de oxígeno.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el comburente comprende del 1% al 10% en volumen de argón.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el comburente comprende del 0,1% al 10% en volumen de nitrógeno.