Mejoras para equipos y procesos en actividades relacionadas con

UNIVERSIDAD SIMON BOLIVAR
COORDINACIÓN DOCENTE DE
INGENIERÍA MECÁNICA
MEJORAS PARA EQUIPOS Y PROCESOS EN ACTIVIDADES
RELACIONADAS CON LA PRODUCCIÓN DE ACERO
Informe de Pasantía Larga, realizada en la empresa:
BSE BADISCHE STAHL ENGINNERING
en el períodoAbril-Septiembre 2005
Presentado ante la Universidad Simón Bolívar por
Rosa Inés Rivero
como requisito parcial para optar al título de
Ingeniero Mecánico
Realizado con la asesoría de
Tutor Industrial: Ing. Jörg Schwörer
Tutor Académico: Prof. Oscar González
Sartenejas, 17 de Abril de 2006
UNIVERSIDAD SIMON BOLIVAR
COORDINACIÓN DOCENTE DE
INGENIERÍA MECÁNICA
MEJORAS EN EQUIPOS Y PROCESOS EN ACTIVIDADES
RELACIONADOS CON LA PRODUCCIÓN DE ACERO
Por Rosa Inés Rivero
Informe de Pasantía Larga, Ingeniería Mecánica, Universidad Simón Bolívar,
Abril 2006, 72 págs.
Tutor Industrial: Ing. Jörg Schwörer. - Tutor Académico: Prof. Oscar González
RESUMEN
Con el lema “excelencia en la producción de acero”, la compañía Badische Stahl Engineering
BSE ubicada en la ciudad de Kehl, en Alemania ofrece servicios de consultoría para plantas
siderúrgicas y desarrolla nuevos productos que permiten la optimización del proceso. La
participación en cinco proyectos en distintas áreas permitió la comprensión de las fases de
producción de una acería. Primero: la planificación de la ampliación del patio de chatarra de la
compañía Edelstahlwerke Südwestfalen. Debido a la falta de capacidad de almacenamiento de
chatarra y a la insuficiente capacidad de las grúas existentes, se propone ampliar el área total
del patio unificando dos de los actuales; y se plantea el cambio de la grúa puente por una grúa
semi-pórtico en voladizo. Con estas medidas se pretende reducir los actuales costos de
retrabajo y de tiempo de espera. Segundo, el cálculo estático de elementos de la cesta de
chatarra. La cesta sirve de contenedor para la chatarra desde el patio hasta el horno. El fondo
de la cesta está conformada por dos mitades que se separan para vaciar su contenido, las
dimensiones de la cesta deben dimensionarse de manera que se mantengan cerradas pero que
puedan abrirse con la ayuda de una grúa. Por otro lado la cesta está sostenida por una viga que
debe ser capaz de sostener su peso. Se muestran los cálculos preliminares para el diseño de
una cesta de chatarra para la planta de Simara. Tercero, el diseño de bloques de enfriamiento
para reducir el costo en materiales refractarios. Las paredes de la mitad inferior de un horno
eléctrico están conformadas por bloques refractarios que deben ser cambiados periódicamente.
Mediante el diseño de un bloque de cobre refrigerado con agua se espera reducir el desgaste
térmico de los refractarios adyacentes. Este diseño se basa en uno preliminar y la meta es un
diseño con dimensiones estándar que pueda ser fácilmente comercializado. Cuarto, el
posicionamiento de quemadores e inyectores de carbono en las paredes de los hornos de varias
compañías (Ej. BGH Edelstahl y Megasteel). Estos son productos de BSE que deben ofrecerse
a los clientes como una solución integral, llamada tecnología de oxígeno. Por último, el
redimensionamiento de el manipulador de toma de muestra y medición de temperatura. Otro
producto de BSE que permite verificar la calidad del acero y que debe ser redimensionado
atendiendo a las necesidades del cliente (Ej. Stahlwerk Thüringen). Todos estos proyectos
incluyen procesos de toma de decisiones dentro del ámbito industrial que permiten aplicar los
conocimientos adquiridos durante la formación académica.
Palabras claves: Patio de chatarra, cesta de chatarra, bloques de enfriamiento, quemadores
virtuales de lanza, inyectores de carbono, Manipulador de toma de muestra y medición de
temperatura.
i
ÍNDICE GENERAL
Índice General………………………………………………………………………..................i
Índice de tablas y figuras......………………………………………………............……….….iii
Lista de símbolos y abreviaturas...........……………………………............…………………...v
1 Introducción..............................................................................................................................1
1. 1 Introducción......................................................................................................................1
1.2 Descripción de la empresa.................................................................................................2
1.3 Ubicación dentro de la empresa.........................................................................................3
1.4 Planteamiento del problema ..............................................................................................4
1.5 Objetivos............................................................................................................................5
Objetivo general ..................................................................................................................5
Objetivos específicos...........................................................................................................5
2 Marco teórico............................................................................................................................6
2.1 Proceso de fabricación de acero: el caso de BSW.............................................................6
2.2 Tecnología de Oxígeno....................................................................................................12
Quemadores de oxigeno y combustible.............................................................................12
VLB ...................................................................................................................................13
CARBJETS........................................................................................................................14
2. 3 TSM ................................................................................................................................15
Funcionamiento .................................................................................................................15
Estructura...........................................................................................................................16
3 Propuesta para un patio de chatarra........................................................................................19
3.1 Situación actual................................................................................................................19
3.2 Propuesta de BSE ............................................................................................................21
3.3 Ampliación del patio .......................................................................................................21
4 Cesta de chatarra.....................................................................................................................27
4.1 Cálculo de la superficie inferior de la cesta de chatarra ..................................................27
4.2 Cálculo estático de la viga ...............................................................................................31
ii
5 Bloques de enfriamiento.........................................................................................................39
5.1 Estructura de un horno de arco eléctrico .........................................................................39
5.2 Diseño previo...................................................................................................................40
5.3 Mejoramiento de la geometría.........................................................................................42
5.4 Instalación en el horno.....................................................................................................44
5.5 Diseño especial para la puerta de la escoria ....................................................................46
6 Tecnología del oxígeno ..........................................................................................................48
6.1 Posicionamiento dentro del horno ...................................................................................48
7 TSM .......................................................................................................................................54
7.1 Posicionamiento ..............................................................................................................54
7.2 Descripción del movimiento del TSM ............................................................................54
7.3 Redimensionamiento .......................................................................................................56
7. 4 Caso de Thüringen Stalhwerk ........................................................................................57
8 Conclusiones...........................................................................................................................60
9 Referencias bibliográficas ......................................................................................................63
10 Anexos…….....………………………………………………………………………….....64
iii
ÍNDICE DE TABLAS Y FIGURAS
Figura 1.1: Servicios que ofrece BSE..........................................................................................1
Figura 1.2: vista aérea de BSW ...................................................................................................2
Figura 1.3: Edificio sede de BSE. ...............................................................................................3
Figura 1.4: Organigrama de la empresa.......................................................................................4
Figura 2.1: Proceso de llenado de una cesta de chatarra. ............................................................6
Figura 2.2: Horno eléctrico de arco de BSW...............................................................................7
Figura 2.3:Manipulador de lanza.................................................................................................8
Figura 2.4: Vaciado del horno. ....................................................................................................9
Figura 2.5: máquina de colada continua....................................................................................10
Figura 2.8: Esquema de producción ..........................................................................................11
Figura 2.9: Interior del horno con quemadores. .......................................................................12
Figura 2.10: VLB......................................................................................................................13
Figura 2.11: Inyección convencional .......................................................................................14
Figura 2.12: Inyección de un VLB ............................................................................................14
Figura 2.13: Carbjet y VLB en un sólo panel ...........................................................................14
Figura 2.14: Foto del TSM .......................................................................................................15
Figura 2.15: Partes del TSM....................................................................................................16
Figura 3.1: Camión depositando chatarra..................................................................................20
Figura 3.2: Patios de chatarra 2 y 3, de Edelstahlwerke Süddwestfalen....................................21
Figura 3.3: Área total del nuevo patio de chatarra. ...................................................................22
Figura 3.4: distancias estándar entre los transportes de chatarra y los vagones........................23
Figura 3.5: Plano final. Vista superior.......................................................................................24
Figura 3.6: Obstáculo en el posible recorrido de los rieles. ......................................................25
Figura 3.7: Corte del plano final................................................................................................26
Figura 4.1: Cesta de chatarra justo antes de descargar. .............................................................27
Figura 4.2: Vista lateral de la cesta de chatarra.........................................................................28
Figura 4.3: Bosquejo de la cesta de chatarra. Dimensiones preliminares. ................................28
Figura 4.4: El peso de la chatarra sobre el fondo de la cesta.....................................................29
Figura 4.5: Área proyectada (A y B). ........................................................................................29
iv
Figura 4.6: Puntos de agarre para la grúa. .................................................................................31
Figura 4.7: Diagrama de cuerpo libre........................................................................................32
Figura 4.8: Diagrama de momento flector sobre la viga. ..........................................................33
Figura 5.1: Esquema de un horno eléctrico de arco. .................................................................39
Figura 5.2: vista interior de un horno eléctrico de arco.............................................................40
Figura 5.3: Diseño previo del bloque de enfriamiento. .............................................................41
Figura 5.4: Vista superior del horno 1 de BSW ........................................................................42
Figura 5.5: primer borrador del diseño......................................................................................43
Figura 5.6: Bloque de enfriamiento. Diseño final .....................................................................44
Figura 5.7: Detalle de instalación ..............................................................................................45
Figura 5.8: Horno número 1 de BSW. Carcasa inferior ............................................................45
Figura 5.9: Disposición de los bloques de enfriamiento en el horno 1. ....................................46
Figura 5.10: Diseño especial para el área de la puerta de la escoria .........................................47
Figura 6.1: Vista superior. Horno de la compañía Megasteel ...................................................49
Figura 6.2: Paneles enfriados por agua......................................................................................50
Figura 6.3: VLB corte. Megasteel .............................................................................................51
Figura 6.4: VLB Corte. BGH EdelStahl ....................................................................................51
Figura 6.5: Carbjet vista lateral.................................................................................................52
Figura 6.6: Diseño especial de VLB para la zona EBT.............................................................52
Figura 6.7: EBT VLB en el horno de BGH Edelstahl ...............................................................53
Figura 7.1: vista superior del movimiento del TSM..................................................................55
Figura 7.2: Ejemplos de redimensionamiento de TSM .............................................................57
Figura 7.3: Propuesta número 1. Vista superior del horno........................................................58
Figura 7.4: LM2.........................................................................................................................59
Figura 7.5: Propuesta final. Vista superior. ...............................................................................59
v
LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS
BSE
Badische Stahl Engineering
BSW
Badische Stahlwerke GmbH
CAD
Computer Aided Design
Carbjets
Inyectores de carbono
EAF
Electric Arc Furnace
EBT
Eccentric Bottom Tapping
EWS
Edelstahlwerk Südwestfallen
LM
LM2
Lance Manipulator
Lance Manipulator 2. (Integra un TSM y un LM)
PLC
Controlador Lógico Programable
TSM
Temperature Sample Manipulator
VLB
Virtual Lance Burner
1
1 INTRODUCCIÓN
1. 1 Introducción
Badische Stahl Engineering (BSE) es una compañía que ofrece soluciones a la medida
del cliente en cada etapa del proceso de producción del acero. Con el lema “excelencia en la
producción de acero”, BSE provee consultoría de ingeniería así como servicios técnicos para
plantas siderúrgicas alrededor del mundo. En el área de consultoría la meta principal es reducir
costos, aumentar la productividad y usar la energía de manera eficiente, usando herramientas
como análisis de procesos y optimización de los equipos, maquinaria, flujo de materiales y
logística. Los programas de modernización y el diseño de nuevos equipos que permiten
mejorar la eficiencia del proceso, se llevan a cabo en el departamento de servicios técnicos.
Figura 1.1: Servicios que ofrece BSE.
2
Durante esta pasantía en BSE, se motivó la colaboración en los proyectos en curso. La
participación activa en los proyectos fue posible gracias a un entendimiento profundo del
proceso de fabricación del acero y de cada uno de los productos que BSE ofrece. El trabajo
dentro del departamento de servicios técnicos fue principalmente en proyectos de
mejoramiento de plantas o diseño CAD. A través de problemas con niveles de dificultad
creciente, se alcanzó una comprensión global de la estructura de una acería. En el siguiente
informe se presenta una descripción de las características principales de BSE, seguido por una
explicación simplificada del proceso de producción en una acería y los proyectos más
importantes realizados.
1.2 Descripción de la empresa
Desde 1983 Badische Stahl Engineering GmbH (BSE) provee de manera exitosa
servicios de ingeniería y consultoría para plantas siderúrgicas alrededor del mundo. BSE es
una accionista del grupo PHB Wesenhütte AG. Este grupo de accionistas ha enfocado sus
actividades en la producción de acero para la construcción -100 por ciento a base de chatarray también en la producción de cables; incluyendo la venta y mercadeo de esos productos.
Badische Stahlwerke GmbH (BSW) también pertenece a este grupo y es una de las plantas
siderúrgicas con hornos eléctricos más productivas del mundo, produciendo más de 1,9
millones de toneladas de acero cada año. Estas dos compañías tienen sede en la ciudad de
Kehl, en Alemania, y trabajan de manera conjunta.
Figura 1.2: vista aérea de BSW
3
Actualmente, BSE posee 48 empleados, principalmente ingenieros especializados en
áreas técnicas como la metalurgia, mecánica y eléctrica. Ellos ofrecen tecnologías especiales y
know-how del proceso para plantas de acero con hornos eléctricos de arco. Los productos
innovadores de BSE son instalados y probados primero en la planta de BSW. La amplia gama
de productos de BSE incluye inyectores, quemadores para las paredes laterales del horno,
sistemas de medición y el desarrollo de proyectos de optimización de hornos eléctricos. Un
número creciente de plantas siderúrgicas está recibiendo actualmente servicios de consultoría
de BSE, entre éstas GERDAU, una importante compañía en Sur y Norte América.
Figura 1.3: Edificio sede de BSE.
1.3 Ubicación dentro de la empresa
BSE se divide en dos áreas principales: una de consultoría y otra de servicios técnicos.
La pasantía se realizó dentro de esta última. En esta área se realizan principalmente
actividades de remodelación de hornos y plantas, diseño de equipos de medición y control, de
inyección de oxígeno y/o carbono, y accesorios para plantas de acero, entre otros (Figura 1.4).
4
Grupo Badische Stahl
Acero
Servicios
Técnicos
Planta siderúrgica
Tren de laminación
de cables
Tren de laminación
de cabillas
Otras Actividades
Remodelación de
hornos
Tecnología de
oxígeno
Medición y Control
Tecnología
ambiental
Acero laminado
para redes de
construcción
Consultoría
Procesos de
Estrategia y
Gerencia
Tecnología en
procesos de
Fundición
Tecnología en
Procesos de
Laminación
Tecnología para
Trenes de
Laminación
Brazos de soporte
Educación y
preparación para
trabajadores en
taller
Aprovechamiento de
desechos de la
producción de acero
Aplicaciones y
Banco de Datos en
ambiente CAD
Figura 1.4: Organigrama de la empresa
1.4 Planteamiento del problema
La industria siderúrgica es un campo de continuo avance, el cual requiere de la
revisión y actualización constante de los equipos. Por otro lado es un área muy competitiva en
la que se busca alcanzar altos niveles de producción con mayor eficiencia. Mediante el diseño
de equipos con nuevas tecnologías y la mejora de las condiciones ya existentes, se puede
lograr un óptimo desempeño de las empresas que se encuentran en esta área.
5
1.5 Objetivos
Objetivo general
Proponer y diseñar mejoras para procesos o equipos en actividades relacionadas al
proceso de fabricación de acero, para distintas plantas siderúrgicas en el mundo, como parte de
proyectos de consultoría de la empresa BSE.
Objetivos específicos
1. Planificar la ampliación del patio de chatarra de la compañía Edelstahlwerke
Südwestfalen, incluyendo el tipo de grúa a instalar.
2. Cálculo estático de la cesta de chatarra para su dimensionamiento final, como
parte del proyecto de renovación de los equipos de la compañía Simara.
3. Diseño de un bloque de enfriamiento para reducir el desgaste térmico dentro
del horno eléctrico de la planta de BSW.
4. Posicionamiento dentro del horno de los quemadores e inyectores de carbono
para distintas compañías. Ejemplos: BGH Edelstahl y Megasteel.
5. Redimensionamiento y posicionamiento en las cercanías del horno del
manipulador de toma de muestra y medición de temperatura (TSM) para
distintas compañías. Ejemplo: Thüringen Stalhwerk.
6
2 MARCO TEÓRICO
BSW es una planta que recicla chatarra y la convierte en acero haciendo uso de hornos
eléctricos de arco. En la próxima sección se explica el proceso de fabricación de acero, usando
BSW como modelo. Adicionalmente se explica la función de los productos más importantes
que ofrece BSE: la llamada tecnología de oxígeno (que comprende tres productos distintos) y
el manipulador de toma de muestra y medición de temperatura (TSM).
2.1 Proceso de fabricación de acero: el caso de BSW
La materia prima es chatarra, ésta es traída usualmente por vía fluvial al patio de
chatarra. Las cestas de chatarra se llenan con una mezcla compuesta por diferentes tipos de
chatarra. La combinación correcta de estos tipos de chatarra debido a su contenido en
aleaciones afecta la composición y calidad del metal refinado. Además de la chatarra la
mezcla también contiene carbón y caliza. Las cestas, después de ser llenadas, son
transportadas hasta los hornos en vehículos especiales llamados transporte de chatarra (Figura
2.1).
Figura 2.1: Proceso de llenado de una cesta de chatarra.
7
La chatarra se funde posteriormente en dos hornos eléctricos de arco. Un horno
eléctrico de arco consiste básicamente en una carcasa, electrodos de grafito y un techo
removible. Las paredes de la carcasa superior son paneles enfriados por agua y la parte
inferior, llamada hogar, está hecha de material refractario. Los electrodos de grafito proveen la
mayor cantidad de energía necesaria para el proceso de fundición. Una vez cargado el horno,
se cierra el techo y se hacen descender los electrodos a través de unos orificios en la tapa
superior del horno (Figura 2.2). Cuando los electrodos se acercan a la superficie del metal se
induce un arco eléctrico, semejante al de un proceso de soldadura. La resistencia del metal al
flujo de corriente genera calor que, junto con el calor producido por el arco eléctrico, fusiona
el metal con rapidez. Las temperaturas alrededor del arco pueden llegar a 6000 C (Kaltenbach,
2003, p. 6).
Figura 2.2: Horno eléctrico de arco de BSW
La energía eléctrica es complementada por el uso de quemadores, que utilizan una
mezcla de gas natural y oxígeno. A partir de ese momento las reacciones químicas proveen la
energía adicional.
Después de que se funde la primera carga de chatarra, se vacía una segunda cesta
dentro del horno. El proceso de fusión se lleva a cabo de la misma manera que para la primera
y, a continuación, comienza el proceso de refinamiento. El refinamiento implica inyección de
8
oxígeno al acero. El oxígeno se disuelve parcialmente dentro del acero líquido y se añade
carbono al baño de acero. El carbono reacciona con el oxígeno disuelto y se producen óxidos
de carbono (Kaltenbach, 2003, p. 7). El proceso de inyección lo realiza un manipulador de
lanza (Lance Manipulator) (Figura 2.3).
Figura 2.3:Manipulador de lanza
Los óxidos de carbono inducen un burbujeo dentro del baño de acero, este burbujeo
aumenta el área de reacción entre el acero y la escoria que se forma en la superficie del baño.
(Kaltenbach, 2003, p. 8).
Al mismo tiempo se forma una escoria espumante que recubre el arco eléctrico. Ésta
incrementa la eficiencia de la transferencia de calor en el baño líquido y al mismo tiempo
reduce el desgaste de las paredes del horno. El desgaste es una consecuencia de la radiación
que actúa sobre los paneles de enfriamiento (idem).
A través del proceso de espumar la escoria, la mayor cantidad de ésta fluye hacia el
exterior del horno a través de la puerta de la escoria. A pesar de que hay otros procesos para
eliminarla, en BSW y en la mayoría de las plantas siderúrgicas, el horno tiene que ser
inclinado un ángulo específico para llevar a cabo la remoción. En este momento se toma una
muestra del acero. Si se cumplen todos los requerimientos se procede a realizar una medición
de la temperatura. El vaciado del horno se realiza a una temperatura de 1620 grados
centígrados (Figura 2.4) (idem).
9
Figura 2.4: Vaciado del horno.
El acero líquido fluye a través del orificio de colada excéntrico y cae en una cuchara.
Ferroaleantes del grupo Hierro-Silicio (Fe-Si), o silicomanganeso (SiMn) y caliza se agregan
al acero en este momento. El transporte de cuchara se lleva al horno-cuchara, donde se
homogeniza la composición del baño. En este momento se introduce más energía eléctrica y
comienza un burbujeo gracias a la inyección de nitrógeno y argón (idem)
El horno-cuchara permite el ajuste tanto de la composición química como de la
temperatura adecuada para la colada. Éste es además como una especie de paso de transición
entre la fusión y la colada continua. Después de que se cumplen todos los requerimientos, la
cuchara se transporta con la grúa al sistema de colada continua.
El contenido de la cuchara se vierte en el distribuidor que tiene cinco orificios. Un
molde enfriado por agua está colocado debajo de cada orificio, y el acero se solidifica para
formar palanquillas (Figura 2.5). Las palanquillas se cortan posteriormente por medio de
tijeras o quemadores en piezas de 14 metros de largo (Kaltenbach, 2003, p. 9).
10
Figura 2.5: máquina de colada continua
Las palanquillas se llevan al horno de precalentamiento del tren de laminado. En BSW
el tren de laminado consisten en dos líneas de producción paralelas. En una de ellas se
producen cabillas estriadas y en la otra, cables de acero (Figura 2.6).
Figura 2.6: tren laminador de barras.
Figura 2.7: tren laminador de cables.
11
El gráfico que se presenta a continuación presenta, de manera esquemática, el proceso
de producción de acero en BSW.
De chatarra a acero
Gases limpios
4 tipos de chatarra
Shredder
Viruta
Láminas
Sistema
de filtrado
Chatarra pesada
Gases de escape
Part. sólidas
1.Cesta
Peletización
Horno
Adición.
química
Acero líquido
1600 °C
2. Cesta
ladle
Cuchara
Horno-cuchara
Colada contínua
Colada
continua
Cuchara
Cuchara
Horno de
pre-calentamiento
Tren de laminación
escoria for
reutilización
e.j. pavimentación de calles
l
Pai
sa
lla
qui
an
Figura 2.8: Esquema de producción
Producto final
(alambre /cabillas)
12
2.2 Tecnología de Oxígeno
BSE ofrece una solución completa para los requerimientos de oxigeno y carbono en la
producción de acero. El sistema incluye quemadores, quemadores de lanza virtual (VLB) e
inyectores de carbono (carbjets). En la siguiente sección se describe la función de cada uno de
ellos.
Quemadores de oxigeno y combustible
Los quemadores de BSE generan una llama larga usando como combustible una
mezcla de oxigeno y gas natural, propano u otro combustible líquido (Figura 2.9). Los
quemadores se pueden fijar a la pared del horno y/o a la zona EBT. Éstos son enfriados por
agua y tienen una punta especial de cobre que permite un funcionamiento confiable y una
operación sin necesidad de mantenimiento. El funcionamiento de los quemadores puede ser
estequiométrico u oxidante, dependiendo del proceso de fundición. La llama larga y la alta
velocidad de combustión de los gases garantizan una transferencia de calor eficiente a la
chatarra.
Figura 2.9: Interior del horno con quemadores.
13
Adicionalmente se diseña un stand de válvulas para controlar las condiciones de flujo
de cada uno de los elementos del sistema. La automatización del proceso la dirige un
Controlador Lógico Programable (PLC) o un PC industrial.
VLB
La segunda generación de quemadores de lanza virtual (Virtual Lance Burner, VLB)
fue diseñada principalmente para mejorar el proceso de producción de acero porque ofrece
modo de quemador, inyección supersónica y post-combustión en un sólo panel (Figura 2.10).
Varios de estos paneles multifuncionales se pueden colocar en distintas posiciones en las
paredes laterales del horno. Dependiendo de los requerimientos del proceso, los VLB pueden
necesitar inyección de carbono desde las paredes, la cual la realizan los carbjets.
Figura 2.10: VLB
El sistema también incluye también stands para válvulas con medidores y
control individual para asegurar un proceso debidamente controlado, que está completamente
automatizado a través de un PLC.
La ventaja principal de esta segunda generación de quemadores es que evita el efecto
splash, que aparece comúnmente en los inyectores supersónicos, por el cual se reduce la
profundidad de penetración de la inyección. En la Figura 2.11 se puede observar lo que sucede
en un quemador convencional: la desviación del oxígeno debido a las moléculas presentes en
la atmósfera del horno. En la figura 2.11 se ve que la tecnología que usan los VLB permite
proteger el chorro de oxígeno debido al estrangulamiento del gas y el oxígeno.
14
Figura 2.11: Inyección convencional
Figura 2.12: Inyección de un VLB
CARBJETS
Los inyectores de carbono, llamados carbjets, permiten un uso óptimo del carbono
mediante la inyección de carbón en puntos múltiples dentro del horno. La inyección,
directamente dentro de la escoria, se lleva a cabo a través del los bloques refractarios. De esta
manera no hay pérdidas innecesarias por combustión no deseada en la atmósfera dentro del
horno. Los inyectores de carbono están instalados en un bloque de cobre que trae como
consecuencia un ahorro de bloques refractarios en el área de inyección.
Figura 2.13: Carbjet y VLB en un sólo panel
15
Según el “Documentation of O2 Technology” (BSE, 2005), la tecnología de oxígeno
de BSE proporciona numerosos beneficios para los clientes tales como:
•
Reduce el consumo de energía eléctrica y electrodos
•
Aumenta el yield metálico (entre 0,5 % y 1 %). El yield metálico es una medida
porcentual de la cantidad de acero que se produce con una cantidad determinada de
chatarra.
•
Inyección de oxígeno flexible y eficiente debido a que se inyecta en puntos múltiples.
•
Funcionamiento completamente automatizado.
•
Formación de escoria espumante y homogénea dentro del horno .
•
Protección de las paredes laterales y de los paneles del techo.
2. 3 TSM
Otro de los productos de BSE es el manipulador para toma de muestras y medición de
temperatura (Temperature and Sample taking Manipulator), éste es parte de los sistemas de
medición y control que diseña BSE.
Funcionamiento
El TSM permite hacer una medición de temperatura y tomar una muestra del acero de
el horno durante el proceso de fundición (Figura 2.14). Después del proceso de remoción de la
escoria, la lanza del TSM se introduce dentro del horno y toma una muestra del baño de acero.
El cartucho que contiene la muestra de acero se remueve, y se introduce un nuevo cartucho en
el brazo del TSM para la medición de la temperatura.
Figura 2.14: Foto del TSM
16
La muestra de acero se envía por un sistema de tuberías neumático al laboratorio de
espectrometría para que se analice su composición química. Si el contenido de azufre es
demasiado alto se le agrega caliza. El contenido de otros elementos también puede ser
ajustado mediante inyección de oxígeno o carbono o adición de ferroaleantes. Si el análisis
químico cumple con las especificaciones técnicas, entonces se puede hacer la medición de
temperatura. Cuando el baño alcanza una temperatura específica se procede a realizar el
vaciado del horno (en el caso de BSW esta temperatura es 1620 grados centígrados).
Estructura
Un TSM consiste básicamente en tres elementos principales: una columna, un brazo
rotatorio y un brazo extensor que contiene la lanza en su interior. El ensamblaje principal se
completa con elementos conectores como una guía y una biela actuadora .
La columna se encuentra fija a una plataforma rígida y está equipada con un motor que
le permite rotar la pieza superior a la que está conectado el brazo rotatorio (Figura 2.15). Éste,
a su vez, está conectado al brazo extensor por una rótula. Al mismo tiempo una guía conecta el
brazo extensor con la biela actuadora. El otro extremo de la biela actuadora está unido a la
columna. Un sistema de corredera, en el interior del brazo extensor, asegura un movimiento
rápido de la lanza hacia delante y hacia atrás. Gracias al sistema de correderas, el movimiento
para introducir el sensor dentro del baño a través de la puerta requiere un área muy pequeña
(BSE Documentation of the TSM)
Rótula
Brazo extensor
Brazo rotatorio
Biela actuadora
columna
Figura 2.15: Partes del TSM
17
El sistema incluye también una unidad de control que debe ser instalada en el cuarto de
control del horno. Éste contiene un PLC para la automatización del sistema, un inversor,
transformador y los comandos necesarios para la operación del sistema en la puerta del horno.
El tablero de automatización se puede conectar al PLC del horno (PLC) a través de
comunicación en red.
19
3 PROPUESTA PARA UN PATIO DE CHATARRA
La siguiente propuesta es parte de un proyecto de consultoría para la planta siderúrgica
Edelstahlwerke Südwestfalen, ubicada en la ciudad de Siegen, en Alemania. La investigación
completa tiene como objetivo mejorar el flujo de material y la distribución del espacio dentro
de la planta. El objetivo específico es un nuevo plano del patio de chatarra.
3.1 Situación actual
Los expertos de BSE recolectaron mediciones e información relevante in situ durante
una semana. Se determinó posteriormente que, en este momento, alrededor del 50% de la
chatarra no puede ser entregada directamente al patio de chatarra debido a su limitada
capacidad de almacenamiento. Esta situación causa retrabajo (double handling), en este caso
significa transporte interno con camiones volteo y con vagones desde el patio externo hasta la
planta. El retrabajo trae como consecuencia una cantidad considerable de costos laborales
extra. Como se dijo anteriormente, el área de depósito es muy pequeña y adicionalmente está
distribuida en seis áreas diferentes alrededor de toda la planta siderúrgica (Zehnle, 2005, p.2).
La situación es incluso más grave y a veces la chatarra se deposita en cualquier lugar libre de
la planta (Figura 3.1).
20
Figura 3.1: Camión depositando chatarra.
Por otro lado, el estudio muestra que la capacidad de carga de la grúa es suficiente en
la actualidad. Sin embargo, un cálculo de la tasa de utilización de la misma señala que está
siendo usada casi a su capacidad máxima (Zehnle, 2005, p.4). En esta compañía se tiene la
intención de reducir el tiempo “tap to tap” (tiempo entre dos vaciados del horno), trayendo
como consecuencia una aceleración del proceso y un aumento en los requerimientos de
chatarra. Esa situación podrá causar en el futuro un “cuello de botella” en el flujo de material,
específicamente tiempo de espera. Al mismo tiempo, las grúas puente que están instaladas en
la actualidad son modelos de los 1951-52 y tienen una velocidad de izamiento muy baja
(idem).
A pesar de todas estas dificultades, se determinó, basado en los planos de la planta, que
hay buenas probabilidades de optimizar el manejo de la chatarra.
21
Kra
n 31
Schrottplatz 3
K
ra
n
2
8
K
ra
n
2
9
Schrottplatz 2
K
ra
n
1
6
Figura 3.2: Patios de chatarra 2 y 3, de Edelstahlwerke Süddwestfalen.
3.2 Propuesta de BSE
La propuesta de optimización consiste en dos etapas. Primero, una ampliación del área
de depósito de la chatarra, resultando en una reducción del retrabajo y de los costos de tiempo
de espera para garantizar un almacenamiento rápido y clasificado. Segundo, un aumento de la
capacidad de carga y manejo de las grúas.
3.3 Ampliación del patio
Observando el plano de la planta (Figura 3.2) se puede ver que los depósitos C1, C3 y
C6 están localizados en el área adyacente a los patios 2 y 3, en el lado norte de la planta. Esos
edificios impiden teóricamente cualquier expansión del área del patio de chatarra. No obstante
estos son talleres viejos y se decidió que podían ser derrumbados.
La primera decisión que se tomó fue unificar el patio 3 y parte del patio 2 en uno sólo.
Además del área principal, se le anexará un área, en las cercanías del muro externo, destinada
22
al depósito de chatarra con ferroaleaciones. Un bosquejo (Figura 3.3) muestra que el área más
grande tendría 60 metros de ancho y 235 metros de largo, y la de menor tamaño 10 metros de
ancho por 180 de largo. El área total de ambos patios de chatarra es de 15450 m2, lo que
representa un aumento total del área que era 11675 m2.
Figura 3.3: Área total del nuevo patio de chatarra.
Es importante hacer notar que esa no es la nueva área de depósito, es simplemente el
área total del patio. El patio de chatarra no es solamente un área de depósito sino también una
zona de carga y transporte. El transporte de chatarra y dos vagones de chatarra tienen que ser
capaces de ser conducidos al lado del depósito, pero dentro del patio. Asimismo, se tiene que
prever la creación de suficientes áreas para permitir el paso de camiones y la descarga de
material.
Existen distancias estandarizadas entre el transporte de chatarra y los vagones, y
también se debe respetar una distancia entre los rieles (generalmente se usa la norma alemana
de ferrocarril), como se muestra en la Figura 3.4.
23
Figura 3.4: distancias estándar entre los transportes de chatarra y los vagones.
Si se toman en cuenta estas distancias entonces queda un área efectiva de depósito de
5600 m2 aproximadamente, lo que es mayor que la del los antiguos patios número 2 y 3 (4000
m2 aprox.). No obstante el único propósito de la ampliación no es el aumento del área neta
sino la creación de un espacio en el que puedan circular camiones, y esto se logra con la nueva
distribución.
En todas las plantas siderúrgicas se usan distintos tipos de chatarra pero en EWS
Edelstahlwerke Südwestfalen, la clasificación de la materia prima es especialmente importante
porque se produce acero inoxidable. En este proceso se debe manejar una variedad mayor de
chatarra que debe ser clasificada y además es más delicada. Por lo tanto, es deseable tener una
disposición de la chatarra en compartimientos individuales y separados dentro del área total
(Figura 3.5, ver detalles en Anexo 1). Para delimitar estos compartimientos se deben construir
unas paredes divisorias a lo largo de los rieles. La altura de estas paredes está determinada por
la altura de la cesta de chatarra, ya que las paredes no deben interrumpir su proceso de llenado.
24
Figura 3.5: Plano final. Vista superior
La segunda parte de la propuesta es cambiar la grúa puente existente por una nueva
grúa. En principio se pensó proponer una grúa de pórtico. Una grúa de pórtico es similar a una
grúa puente, excepto que el puente para la carga del trole o troles está soportado rígidamente
en una o más patas que corren sobre ríeles fijos o cualquier tipo de pistas (Technical Terms
Glossary, 2005). Sin embargo, existe un edificio pequeño que impide el recorrido continuo de
uno de los rieles (Figura 3.6).
25
Figura 3.6: Obstáculo en el posible recorrido de los rieles.
Se decidió entonces proponer el uso de una grúa semi-pórtico. En ese caso, una de las
patas de la grúa se mueve sobre un riel en el piso y la otra sobre columnas fijas al piso. En el
sentido de desplazamiento del puente, del lado del que la grúa está apoyada sobre columnas, la
distancia entre las columnas-soporte se fijó en 12 metros.
En el sentido transversal al movimiento, la distancia entre los ríeles de la grúa está
limitada en un lado por el muro externo de la planta y del otro lado por edificaciones. La
máxima distancia entre los ríeles es 60 metros.
El próximo paso es decidir si se usa una estructura de celosía o una viga sólida como
puente. Se decidió usar la primera (estructura de celosía) debido a la considerable distancia
entre los ríeles, que puede conllevar a altos niveles de esfuerzo en el puente. El esfuerzo se
debe no sólo a su propio peso sino también a la carga extra; ya que la carga no se puede
modificar, se trata entonces de reducir el propio peso de la estructura.
El acceso a la plataforma se consigue mediante una escalera fija a una de las patas. En
el siguiente plano es posible observar una sección de corte del depósito de chatarra donde se
pueden ver todos los detalles de la grúa (Figura 3.7, para detalles ver Anexo 2).
26
Figura 3.7: Corte del plano final.
Gracias a las ventajas adicionales que provee la estructura en semi-voladizo, el espacio
exterior a los rieles también puede ser utilizado. “Un pórtico en voladizo es una grúa en la que
las vigas que conforman el puente se extienden transversalmente más allá de los ríeles de la
grúa en uno o ambos lados” (ASME B30-17, 2005). En este caso la viga se extiende a uno
sólo de los lados. El outrigger tiene 20 metros de largo, pero sólo 15 metros son la distancia
efectiva.
Como se puede ver en la Figura 3.7, se recomendó también el uso de un mando doble
con un gancho y un imán. El mando doble ayuda a reducir el desplazamiento longitudinal de
la grúa y eliminar movimientos cruzados innecesarios.
27
4 CESTA DE CHATARRA
4.1 Cálculo de la superficie inferior de la cesta de chatarra
La cesta de chatarra sirve como un contenedor para la chatarra entre el depósito y el
horno. Este contenedor está formado por un cilindro metálico, que es el cuerpo principal de la
cesta, y un fondo cóncavo. El fondo está compuesto por dos mitades que pueden ser separadas.
Para poder descargar la chatarra dentro del horno se debe mover la cesta con la grúa desde el
carro de la chatarra hasta colocarlo sobre el horno. En ese momento se separan las dos mitades
inferiores y se deja caer el contenido de la cesta (Figura 4.1).
Figura 4.1: Cesta de chatarra justo antes de descargar.
El diseño de esta cesta de chatarra es parte de un proyecto de remodelación para
Simara, una planta en Brasil. El próximo dibujo es una vista lateral de un modelo de cesta de
chatarra, que muestra el sistema de separación de las mitades del fondo (Figura 4.2).
28
Figura 4.2: Vista lateral de la cesta de chatarra.
El cálculo consiste en comprobar si las dos mitades que conforman el fondo se
mantienen cerradas durante el transporte pero asegurando que se pueden abrir para el proceso
de descarga. El cálculo está basado en las dimensiones preliminares de la cesta de chatarra
mostradas en el bosquejo (Figura 4.3).
Figura 4.3: Bosquejo de la cesta de chatarra. Dimensiones preliminares.
Aunque la distribución de la chatarra dentro de la cesta no es uniforme, para este
cálculo la fuerza debido al peso de la chatarra se puede considerar como una fuerza
igualmente distribuida en la dirección vertical. En este caso, aunque la superficie del fondo es
29
cóncava, el efecto de la fuerza es relevante solamente en el área proyectada del cilindro sobre
el fondo (área P en Figura 4.4)
Figura 4.4: El peso de la chatarra sobre el fondo de la cesta.
Esta área proyectada se puede considerar como un área compuesta por dos partes: un
área central A, comprendida entre los dos puntos de los que se agarra la grúa para realizar el
proceso de apertura, y el área B alrededor de la anterior (Figura 4.5).
Figura 4.5: Área proyectada (A y B).
30
Para que la cesta se mantenga cerrado es necesario que el área B sea mayor o igual
que el área A ( AB ≥ AA ). Teóricamente sería posible hacer el área A casi cero, pero entonces
la grúa no sería capaz de abrir la cesta. Otra posibilidad teórica es hacer que las dos áreas sean
iguales, sin embargo experiencias anteriores dentro de la compañía muestran que B debe ser
alrededor de 10 por ciento mayor que A y de esta manera se cumplen los requerimientos.
Es posible calcular el área B usando (4.2) (Stahl im Hochbau, 1980, p.777). Donde ϕ
es el ángulo descrito por el área B, y r es el radio de la circunferencia (como se puede ver en la
Figura 4.5). Pero antes debe calcularse el ángulo ϕ (4.1).
⎛r⎞
⎝ x⎠
⎛ 1850 ⎞
⎟ = 137,54°
⎝ 670 ⎠
ϕ = 2 ⋅ a cos⎜ ⎟ = 2 ⋅ a cos⎜
AB =
2
ϕ°
r2 ⎛
⎞ (1850mm) ⎛ 137.54°
⎞
⋅ ⎜π ⋅
− sin(ϕ ) ⎟ =
⋅ ⎜π ⋅
− sin(137.54°) ⎟
2 ⎝ 180°
2
180°
⎠
⎝
⎠
(4.1)
(4. 2)
AB = 2,9527 ⋅ 10 6 mm 2 = 29526,77cm 2
El área A se puede calcular restándole a la mitad del área de la circunferencia, el área
B previamente calculada.
AA =
π ⋅r2
2
− AB =
π ⋅ (1850mm) 2
2
− 2,9527 ⋅ 10 6 mm 2
(4.3)
AA = 2,4234 ⋅ 10 6 mm 2 = 24233,73cm 2
Haciendo un cociente de ambas áreas se obtiene que AB = 1,21 ⋅ AA , y por lo
tanto AB > AA . Como muestran los resultados, el área B es casi 20 por ciento más grande que
el área A. De esta manera, se cumplen las condiciones previamente señaladas.
31
4.2 Cálculo estático de la viga
Durante su transporte, la cesta de chatarra se sostiene mediante una viga. Esta viga
tiene que ser capaz de soportar la fuerza que produce la grúa al levantar el propio peso de la
cesta junto con la chatarra que se encuentra en su interior. Con los siguientes cálculos se trata
de encontrar el perfil I que cumple los requerimientos para el proyecto. En el caso de Simara
la grúa levanta la viga introduciendo su gancho dentro de dos agarraderas colocadas en los
puntos A y B (Figura 4.6) y no como sucede en BSW en el punto medio (Figura 4.1).
A
B
Figura 4.6: Puntos de agarre para la grúa.
Las fuerzas que actúan sobre la viga se pueden observar en el diagrama de cuerpo libre
(Figura 4.7), donde F es la suma del peso de la cesta y de la chatarra contenida en él,
considerada como una fuerza aplicada a ambos extremos de la viga. El peso se coloca a ambos
extremos ya que de ahí se sostiene la cesta y debido a que el problema es simétrico se coloca
la mitad del peso total. La capacidad de la grúa es 60 toneladas, Fa y Fb son las reacciones en
las agarraderas.
32
y
Fa
z
x
Fb
F/2
M
F/2
Figura 4.7: Diagrama de cuerpo libre
Un cuerpo está en equilibrio si la suma de todas las fuerzas externas y momentos
actuando sobre el cuerpo es cero. Las ecuaciones de equilibrio aplicadas a la viga:
∑F
x
∑F
y
∑M
=0
=0
M
=0
No existen fuerzas axiales
(4.4)
F
F
→ FA + FB − 2 − 2 = 0
(4.5)
la suma de momentos en el punto medio M
(4.6)
FA ⋅ a − FB ⋅ b −
F ⎛L⎞ F ⎛L⎞
⎜ ⎟+ ⎜ ⎟ = 0
2 ⎝2⎠ 2 ⎝2⎠
→
FA ⋅ a − FB ⋅ b = 0
Como las distancias a y b son iguales (problema simétrico), las fuerzas Fa y Fb tienen
que tener la misma magnitud también. Como sabemos que la fuerza aplicada por la grúa tiene
un valor máximo de 60 toneladas, las fuerzas Fa y Fb son de 30 toneladas cada una.
33
La gráfica muestra el momento flector a lo largo de la viga (Figura 4.7)
Figura 4.8: Diagrama de momento flector sobre la viga.
La siguiente ecuación describe el momento flector en la sección de la viga que va
desde el punto O hasta el punto A.
M = FA ⋅ x
(4.7)
Luego, desde el punto A hasta el punto medio de la viga el momento se mantiene
constante y tiene la magnitud del momento en el punto A.
M A = FA ⋅ a = 30 ⋅ 10 4 N ⋅ 0,3m = 9 ⋅ 10 4 N ⋅ m
El esfuerzo normal debido a flexión pura se puede calcular de la siguiente manera
(University of Michigan, 2005)
σ =
M⋅y
I
(4.8)
Donde M es el momento flector, “y” es el punto de la sección que se encuentra más
alejado del eje neutro e I es el momento de inercia de la sección, ambos con respecto al eje
neutro.
34
El esfuerzo por flexión alcanza su máximo valor en los puntos A y B. Se usará un
perfil I, el próximo paso es calcular la mínima distancia “y” para que el esfuerzo en este punto
no alcance el valor permisible.
El valor W se le conoce como módulo de sección y se encuentra en las tablas para
perfiles de construcción. W es el cociente entre el momento de inercia y la distancia “y”. Con
esta notación se puede reescribir (4.8) como
σ =
M
W
(4.9)
El esfuerzo real tiene que ser menor al esfuerzo permisible dividido entre un factor de
seguridad.
σ<
σ allw
ψ
(4.10)
Sustituyendo (4.9) en (4.10)
M σ allw
<
W
ψ
Ahora es posible calcular el módulo de sección (W) mínimo.
W >
M
σ allw
ψ
(4.11)
35
El esfuerzo permisible fue tomado de la siguiente tabla para flexión pura (Schneider,
Klaus y otros. DIN 18 800)
TABLA 4.1: ESFUERZO PERMISIBLE SEGÚN DIN 18 800
Material y caso de carga
Tipo de
St 37
esfuerzo
St 52
StE 460
StE 690
H
HZ
H
HZ
H
HZ
140
160
210
240
275
310
H
HZ
410
460
240
270
Compresión
y flexión a
compresión, para
garantizar
estabilidad. Según
DIN 4114 Tomo 1 y
2
Tensión y
flexión a tensión,
esfuerzo de
160
180
240
270
310
350
92
104
139
156
180
200
comparación
Corte
Para un esfuerzo permisible de 160N/mm², un factor de seguridad de 1,5 (comúnmente
4
usado en plantas siderúrgicas) y un momento flector de 9 ⋅ 10 N ⋅ mm , el módulo de sección
3
tiene que ser mayor a 1080cm .
W >
9 ⋅ 10 4 N ⋅ m
= 10,8 ⋅ 10 − 4 m 3 = 1080cm 3
6 N
125 ⋅ 10
m2
1,5
En la siguiente tabla (Stahl in Hochbau) se puede observar que el módulo de sección
del perfil IPE-300 es ligeramente mayor, pero por razones de seguridad se usará un IPE-400
3
con un módulo de sección de 1160cm .
36
TABLA 4.2: PERFILES IPB
El esfuerzo real al que está sometida la viga, se obtiene evaluando (4.9)
σ =
9 ⋅ 10 4 N ⋅ m
= 77,586 ⋅ 10 6 N 2
3
−6
m
1160 ⋅ 10 m
Como los cálculos se hicieron para flexión pura y en la realidad los puntos A y B están
sometidos a fuerzas cortantes, que representan un aumento del esfuerzo, se pueden colocar
placas reforzantes entre alas del perfil, a ambos lados del cuerpo.
37
El aumento del momento de inercia se puede obtener añadiendo los momentos de
inercia individuales.
Las placas tienen secciones transversales rectangulares. El momento de inercia de una
sección rectangular alrededor de su propio centroide (eje centroidal) está dado por (University
of Michigan, 2005)
I0 =
b ⋅ h3
12
(4.12)
donde b es el ancho paralelo al eje neutro y h es la altura perpendicular a ese eje.
Como las placas se colocan entre las alas del perfil, h es en este caso
h = h'−2 ⋅ c' = 400mm − 2 ⋅ 13,5mm = 373mm = 0,373m
(4.13)
Usando placas de 10 mm de espesor, cada placa tiene un momento de inercia de
4,325cm 4
I0 =
10mm ⋅ 373mm 3
= 4,325 ⋅ 10 4 mm 4 = 4,325cm 4
12
Para sumar momentos de inercia es necesario usar el teorema de los ejes paralelos, este
teorema calcula el momento de inercia correspondiente a un eje paralelo al eje del centroide.
I = Ic + A ⋅ d 2
(4.14)
donde A es el área de la sección y d es la distancia perpendicular entre los dos ejes entre los
cuales se quiere trasladar la inercia. Debido a la simetría del área alrededor del eje neutro, d en
este caso es cero.
El momento de inercia total es entonces sólo la suma de todos los momentos de inercia
38
∑I = I + 2⋅ I
0
= 23130cm 4 + 2 ⋅ 4325cm 4 = 31781cm 4
(4.15)
donde I es el momento de inercia del perfil I-400 de la tabla 4.2.
El esfuerzo real de la viga con las placas reforzantes, evaluando (4.8) con el valor de la
inercia total, alcanza el siguiente valor (considerablemente menor al permisible)
σ =
M ⋅ y 9 ⋅ 10 4 N ⋅ m ⋅ 200 ⋅ 10 −3 m
=
= 56,64 ⋅ 10 6 N 2
−8
4
m
I
31781 ⋅ 10 m
∑
El esfuerzo real sobre el perfil I-400 con las placas reforzantes proporciona un factor
de seguridad adicional de 1,89.
107 ⋅ 10
σψ
m 2 = 1.89
=
σ
56,64 ⋅ 10 6 N 2
6
N
m
39
5 BLOQUES DE ENFRIAMIENTO
El siguiente proyecto consiste en diseñar una geometría para unos bloques de
enfriamiento y el plano para su colocación en el horno número 1 de BSW.
5.1 Estructura de un horno de arco eléctrico
Un horno de arco eléctrico consiste básicamente en una carcasa, un techo y
generalmente uno o tres electrodos (Figura 5.1). La carcasa, que sirve como contenedor para la
chatarra durante el proceso de fundición, consiste en dos carcasas individuales que están
unidas entre sí mediante una unión de brida.
Gases escape
Electrodos
Techo
Lance-Manipulator
Puerta
paredes
escoria
acero
Lanza
Orificio- colada
Hogar
Figura 5.1: Esquema de un horno eléctrico de arco.
40
La carcasa inferior contiene en su interior el llamado hogar, la parte del horno que de
hecho está en contacto con el acero líquido; esta parte está hecha de bloques de material
refractario. Estos bloques son resistentes a temperaturas extremadamente altas (alrededor del
arco eléctrico las temperaturas pueden alcanzar los 6000 grados centígrados) y adicionalmente
están recubiertos por material de apisonado. La carcasa superior está formada por una
estructura tubular metálica (cobre y/o acero) dentro de la cual circula agua para garantizar el
enfriamiento (Figura 5.2).
Figura 5.2: vista interior de un horno eléctrico de arco
Los bloques refractarios tienen que soportar temperaturas extremadamente altas y por
lo tanto grandes niveles de esfuerzo térmico, por esta razón los bloques deben ser
reemplazados frecuentemente. En el caso de BSW, la zona de la escoria se reemplaza cada 6
semanas. Debido al alto costo de este material, se desea diseñar un bloque de cobre, enfriado
por agua (refrigerado), que pueda ser colocado entre los refractarios y así intensificar la tasa de
intercambio de calor. De esta manera se podría reducir la temperatura de los bloques
refractarios y como consecuencia su desgaste, de forma que eventualmente los bloques
tendrían que ser reemplazados menos frecuentemente, reduciendo los costos tanto en material
refractario como en mantenimiento.
5.2 Diseño previo
Un diseño previo del bloque de enfriamiento (Figura 5.3) está instalado actualmente en
un punto del horno número 1 de BSW, cerca del orificio de colada (Figura 5.4). Se desea
41
diseñar un bloque estándar de tal manera que éstos puedan ser instalados en el perímetro del
horno y cubran la mayor área posible. En el proceso de diseño también se debe determinar la
posición de los bloques en la carcasa y su manera de montaje.
Figura 5.3: Diseño previo del bloque de enfriamiento.
El primer paso es investigar el efecto del enfriamiento en el desgaste de los bloques
refractarios y en la carga de temperatura sobre la estructura de la carcasa del horno en el que
ya está instalado el bloque de prueba. Este diseño previo ha mostrado los siguientes
resultados: primero, la temperatura en la parte exterior de la carcasa se ha reducido
considerablemente. Segundo, el desgaste de los bloques refractarios se ha reducido levemente,
limitado por el área relativamente pequeña en la que está instalado el bloque (Figura 5.4,
detalles en Anexo 3). Y finalmente, no se ha encontrado desgaste significativo del bloque de
prueba.
42
Figura 5.4: Vista superior del horno 1 de BSW
5.3 Mejoramiento de la geometría
Analizando la geometría de los hornos se puede ver que la solución más exacta sería
un panel curveado adaptado al radio del horno, no obstante esta solución requiere costos de
fabricación y producción muy altos. El objetivo del proyecto es desarrollar un bloque de
enfriamiento con una superficie recta con dimensiones estándar, al menos para este horno.
El primer borrador del diseño (Figura 5.5) es un bloque de cobre, con entrada y salida
para las tuberías que proveen el flujo constante de agua; y una placa de cobre que da al interior
del horno. La placa de cobre tiene que ser suficientemente corta para que pueda ser adaptada a
una superficie curva y lo suficientemente larga para cubrir la mayor parte de la superficie
interna. Las dimensiones de la caja o bloque en sí se reducirán en general, comparadas con el
diseño previo (Figura 5.5).
43
Figura 5.5: primer borrador del diseño
Como una parte externa al estudio, se consideró si un incremento en la longitud de la
placa (longitud X en Figura 5.5) aumentaría el intercambio de calor o no. La tasa de
intercambio de calor está determinada, no sólo por la capacidad de intercambio de calor del
material, sino también por sus dimensiones (en este caso la longitud de la placa). El cobre es
bien conocido por su alta capacidad para conducir calor; pero si los extremos de la placa están
a una distancia muy grande del bloque donde se realiza el enfriamiento, estos bordes ya no
serán enfriados efectivamente. Se determinó que 640 milímetros era una longitud razonable
(Figura 5.6).
Para intensificar la transferencia de calor, se decidió colocar además una serie de aletas
sobre la placa. Adicionalmente a este efecto, los bloques refractarios podrían ser eliminados
parcialmente y sustituidos por material de apisonado, reduciendo el costo de material no
reutilizable. En el próximo plano están representadas las tres vistas principales del diseño final
(Figura 5.6, para ver el diseño final completo ir al Anexo 4).
44
Figura 5.6: Bloque de enfriamiento. Diseño final
5.4 Instalación en el horno
Los bloques de enfriamiento deberían ser montados en la zona de la escoria del horno.
Éstos reemplazan las capas superiores de los bloques refractarios y protegen a las capas
inferiores. Para la instalación es necesario hacer un orificio en la placa que sirve de pared a la
carcasa inferior, justamente debajo del split flange (Figura 5.7). El bloque de enfriamiento
debe ser instalado desde el lado interno del horno. Sin embargo, todas las partes que están
directamente enfriadas por agua y las conexiones para las mangueras se encuentran fuera de la
carcasa.
45
Figura 5.7: Detalle de instalación
El espacio entre las aletas debe también ser llenado con material de apisonado. El
relleno de las aletas y su condición debe ser revisado y mantenido regularmente. El parchado
del refractario y que éstos estén cubiertos con escoria ayudará a proteger el bloque de cobre e
incrementar su tiempo de vida.
Para la distribución de los bloques en la pared del horno, se deben estudiar
irregularidades en la superficie tales como agarraderos o placas. No todos los puntos de la
carcasa permiten acceso a su interior (ver Figura 5.8, notar detalles)
Figura 5.8: Horno número 1 de BSW. Carcasa inferior
El número de bloques de enfriamiento que pueden ser instalados también está limitado.
Como resultado de los orificios que se necesita hacer en las paredes de la carcasa, la
estabilidad de la estructura se podría ver comprometida. Para evitar la inestabilidad de la
46
carcasa inferior y, en consecuencia, del horno completo, se debería mantener una distancia
aproximada de 200 milímetros entre dos bloques. Para colocar los bloques, el horno debe ser
observado cuidadosamente en funcionamiento. Se deben identificar los puntos calientes del
horno y equiparlos con bloques de enfriamiento, así como también otras áreas críticas como la
puerta de la escoria, y el escalón desde la carcasa hasta el área EBT. Otras áreas no críticas se
pueden dejar sin bloques de enfriamiento para mantener suficiente estabilidad en la estructura
de la carcasa inferior.
La siguiente es la propuesta final (Fig. 5.9 - para detalles ver Anexo 4)
Figura 5.9: Disposición de los bloques de enfriamiento en el horno 1.
47
5.5 Diseño especial para la puerta de la escoria
Es usual que el área cercana a la puerta de la escoria tenga una forma especial que hace
imposible usar bloques de enfriamiento con una placa recta. Este no es el caso en el horno
número 1 de BSW. No obstante se pre-diseñó un bloque triangular como solución para futuros
proyectos (Figura 5.10). La forma triangular no permite su estandarización, ésta debe ser
adaptada para cada horno.
Figura 5.10: Diseño especial para el área de la puerta de la escoria
Este diseño especial de bloque de enfriamiento se puede instalar en ambos lados de la puerta
del horno y debería ser colocado entre la línea de la escoria y el panel de enfriamiento detrás
de la puerta.
48
6 TECNOLOGÍA DEL OXÍGENO
A pesar de que los quemadores e inyectores de carbón tienen dimensiones estandarizadas, el
número de unidades y su posición dentro del horno tiene que ser definida para cada nuevo
proyecto. Sistemas con uno hasta tres VLB son considerados estándar pero siempre depende
del tamaño del horno y de los requerimientos del cliente.
6.1 Posicionamiento dentro del horno
El primer paso es generalmente re-dibujar el horno, usando la información y los dibujos que el
cliente provee. El posicionamiento de cada unidad alrededor del horno se hace siguiendo una
serie de criterios.
Los VLB no deben ser colocados apuntando a los electrodos, porque el lancing puede causar
que los electrodos se quemen. Los inyectores de carbono no tienen inconvenientes en este
sentido porque sólo inyectan carbón pulverizado y no tienen función lancing.
Por otro lado los inyectores de carbono deben ser colocados cerca de los VLB para inducir una
reacción rápida entre el oxigeno y el carbono. La inyección en múltiples puntos de estos dos
elementos ayuda a crear una escoria espumante homogénea (ver sección 2 para ver
descripción del proceso de formación de la escoria espumante). Una vista superior de un
proyecto realizado para la compañía Megasteel, con sede en Kuala-Lumpur en Malasia, se
muestra
a
continuación
(Figura
6.1,
detalles
en
Anexo
5)
49
Figura 6.1: Vista superior. Horno de la compañía Megasteel
Como el propósito de los VLB e inyectores de carbono es inyectar oxígeno directamente
dentro de la escoria, el área entre los puntos A y B, donde los paneles de enfriamiento están
más cerca del baño de acero, es la zona más recomendada para su colocación (Figura 6.1).
Como se puede ver en el siguiente dibujo los paneles son considerablemente más largos y por
lo tanto más cercanos al acero líquido (Figura 6.2)
50
Figura 6.2: Paneles enfriados por agua
Por razones de montaje, los VLB e inyectores de carbono no deberían ser colocados entre dos
paneles y solamente se deberían cortar un número exacto de tubos durante el proceso de
montaje.
La altura a la cual se debe colocar un VLB se puede determinar haciendo uso de una
observación empírica, el módulo de la distancia hasta el acero líquido corresponde
aproximadamente al módulo del flujo de oxígeno del quemador. Siendo la distancia medida en
milímetros y el flujo en metros cúbicos por hora. Debido a limitaciones técnicas el rango de
flujos debe mantenerse entre 1500 to 2400 m
3
h
, esto corresponde a un rango de posibles
alturas. A continuación se presentan dos casos límites. El primero (Figura 6.3, detalles en
Anexo 5) corresponde al horno de la compañía Megasteel en Malasia, donde el horno tiene un
diámetro de 9,24 m y por lo tanto la distancia hasta el baño colindan con el límite superior. La
Figura 6.4 muestra el horno de BGH Edelstahl, una siderúrgica pequeña ubicada en la ciudad
de Siegen en Alemania, cuyo horno tiene un diámetro de 3,9 m y donde el flujo de oxígeno es
bastante menor (detalles en Anexo 6)
51
Figura 6.3: VLB corte. Megasteel
Figura 6.4: VLB Corte. BGH EdelStahl
Los inyectores de carbono, por otro lado, están contenidos dentro de un bloque de
enfriamiento de cobre, que debe ser unido mediante una brida a una superficie plana. Los
inyectores de carbono deben ser colocados entonces de manera que la brida pueda ser fijada a
la unión entre la carcasa inferior y superior. En el interior del horno generalmente se quitan
52
algunos bloques refractarios para evitar que interfieran con la inyección de carbono, tal como
se observa en la Figura 6.5.
Figura 6.5: Carbjet vista lateral
Un área especial del horno es la zona EBT, ésta es un área plana por encima del orificio
excéntrico de sangrado. La zona EBT sirve como un área de acceso al orificio pero es
comúnmente un área fría (cold spot) en el horno. De todas las áreas distantes del o los
electrodos, ésta tiene una desventaja adicional que es ser la más alejada de la puerta de la
escoria –donde generalmente se inyecta oxígeno y/o carbón mediante LM. Debido a estas
razones generalmente se encuentran cantidades de chatarra no derretida cerca del balcón EBT.
El diseño especial del EBT VLB ayuda a mejorar la combustión en esta área (Figura 6.6)
Figura 6.6: Diseño especial de VLB para la zona EBT
53
En el diseño de sistemas de inyección de oxígeno generalmente se coloca un VLB en esta área
o un panel combinado de VLB y carbjet. La única restricción es tratar de que el chorro de
inyección no choque con la pared del horno. La Figura 6.7 muestra la zona EBT del horno del
proyecto para la compañía BGH Edelstahl (Anexo 6)
Figura 6.7: EBT VLB en el horno de BGH Edelstahl
54
7 TSM
Una ventaja adicional del TSM de BSE es que no deben hacerse modificaciones
adicionales a la estructura del horno, pero por esta misma razón, es imposible diseñar un TSM
con dimensiones estándar. Las dimensiones y la posición del mismo con respecto al horno se
deben ajustar a cada cliente.
7.1 Posicionamiento
El primer paso es dibujar en formato CAD el horno y el área a su alrededor, basados en
los planos entregados por el cliente (generalmente en papel). Se tienen que tomar en cuenta
instrumentos y/o estructuras existentes. Segundo, el TSM debería ser colocado lo más cercano
a la puerta de la escoria. Finalmente, los elementos que constituyen el TSM tienen que ser
redimensionados.
Se mantiene la misma estructura pero cada elemento principal tiene que ajustarse a la
longitud que le permite al TSM llegar directamente al baño de acero. El movimiento del TSM
tiene que ser considerado en su totalidad.
7.2 Descripción del movimiento del TSM
El único movimiento motorizado en el sistema es la rotación del brazo giratorio
alrededor del eje de la columna; todos los otros movimientos son consecuencia de ese
movimiento. En esta sección se explica el movimiento del TSM de manera puramente
geométrica, haciendo uso de una vista superior del mismo (Figura 7.1).
Las trayectorias de cada punto están determinadas por el paralelogramo ABCD. La
longitud de los lados permanece constante pero el ángulo entre ellos cambia continuamente
(Figura 7.1)
55
Figura 7.1: vista superior del movimiento del TSM
El movimiento principal es la rotación del brazo oscilante (segmento AD). El punto A
describe una circunferencia con centro en el punto D (circunferencia 1). Por otro lado el punto
C es un punto fijo, alrededor del cual la biela actuadora describe un movimiento circular
(circunferencia 2).
La distancia AB en el paralelogramo es una constante, ya que la guía que está colocada
sobre el brazo extensor es una estructura sólida. El punto B es un extremo de la guía y al
mismo tiempo es el extremo de la biela actuadora. Finalmente los puntos C y D son fijos, es
decir, mantienen la misma posición durante el proceso.
Para cada movimiento angular del brazo rotatorio, existen muchas posibilidades para la
posición del punto B que respetan la condición de que la distancia AB se mantenga constante;
pero sólo existe una posición en la que B pertenece al mismo tiempo a la circunferencia 2.
Entonces la posición B queda determinada. Y con el punto B, se determina también la nueva
posición de la biela actuadora.
56
7.3 Redimensionamiento
Para el proceso de redimensionamiento, primero que nada deben definirse la posición
de trabajo y la posición de reposo. La posición de trabajo es la posición en la que se toman la
muestra y la medición de temperatura, y la posición de reposo se define como la posición en la
que se cambian los cartuchos. En la Figura 7.1 la posición de trabajo está dibujada en rojo y la
posición de reposo en verde. Esto define los puntos A y A’ (Figura 7.1). Cada movimiento
entre estas dos posiciones debe respetar lo descrito anteriormente. Seguidamente se dibujan
numerosas circunferencias mostrando la longitud de la biela actuadora y se analizan las
diferentes posibilidades para el punto C. Cada longitud trae como consecuencia un
movimiento diferente de la punta de la lanza. La posición óptima se escoge de acuerdo a
posibles obstrucciones y al posible hecho de que el TSM tenga que trabajar con un
manipulador de lanza.
Dos ejemplos de re-dimensionamiento de TSM se muestran a continuación (Figura
7.2). En el primer ejemplo (izquierda) las dimensiones se designaron de manera que la biela
actuadora y la rótula (C) estuvieran tan cerca como sea posible de la columna (distancia
mínima 30 mm)
El segundo ejemplo (derecha) es una modificación del primero, en el que la posición
de reposo fue modificada y como consecuencia el punto D y la longitud de la biela actuadora
tuvieron que ser cambiados también. En estos dos ejemplos se puede observar qué diferentes
son las trayectorias de la punta del la lanza con sólo un incremento de 200 mm de la longitud
de la biela.
57
Figura 7.2: Ejemplos de redimensionamiento de TSM
7. 4 Caso de Thüringen Stalhwerk
La compañía Thüringen Stalhwerk, localizada en la ciudad de Thüringen en Alemania,
solicitó a BSE el diseño de un TSM. Se recibieron los planos del horno y sus alrededores (en
papel) y se puso la condición que el TSM debería trabajar del lado derecho de la puerta de la
escoria para que pudiera trabajar en conjunto con un inyector de oxigeno que se encuentra del
lado izquierdo. Después de probar varias configuraciones se llegó a la siguiente propuesta
(Figura 7.3, detalles en Anexo 7). Sin embargo es de hacer notar que la escalera se encuentra
muy cercana al extremo del TSM y que la columna del TSM debe colocarse sobre la
plataforma anterior al horno. Estas limitaciones hacen que la posición de reposo sea muy
incómoda para el cambio de cartuchos.
58
Figura 7.3: Propuesta número 1. Vista superior del horno.
Ya que no se disponían de datos más específicos sobre el inyector ya existente, se
envió esta propuesta para ser analizada. La respuesta fue que no era posible que trabajaran
juntos y entonces Stahlwerk Thüringen solicitó una nueva propuesta a BSE. Se enviaron los
planos del inyector existente, y se logro colocar el TSM debajo de la estructura del inyector
para que trabajara en conjunto. Es importante destacar que estos dos instrumentos nunca
trabajan simultáneamente. La medición de temperatura y la toma de la muestra se deben hacer
cuando no haya inyección.
Este proyecto fue un caso especial de diseño, ya que BSE ofrece inyectores de oxigeno
y carbono, llamados manipuladores de lanzas, o LM, y trabaja en conjunto con ellos cuando
deben colocarse juntos. Adicionalmente BSE ofrece una novedosa solución llamada LM2 que
es un inyector integrado con un TSM (Figura 7.4). El LM2 proporciona una solución muy
eficiente en términos de utilización de espacio y efectividad del movimiento, debido a que el
LM se puede levantar y dar paso para que el TPM funcione.
59
Figura 7.4: LM2
Finalmente se aceptó realizar el diseño como una excepción y esta fue la propuesta
final (Figura 7.5, detalles en Anexo 8)
Figura 7.5: Propuesta final. Vista superior.
60
8 CONCLUSIONES
A través de la participación en distintos proyectos del área técnica de BSE, se logró
obtener una percepción global de la estructura de una planta siderúrgica. Cada proyecto
permitió asimilar información previamente obtenida durante la preparación académica pero
desde un punto de vista práctico. Con respecto a cada uno de los proyectos:
Patio de chatarra:
La unificación de los patios de chatarra 2 y 3 de la planta de Edelstahlwerke
Südwestfalen permite no sólo un aumento del área de depósito sino la creación de un espacio
suficiente para el paso de camiones y vagones para el transporte de la chatarra. El aumento de
la capacidad de depósito permitirá reducir los costos de retrabajo.
Los numerosos beneficios de la grúa semi-pórtico en voladizo permiten optimizar el
manejo de la chatarra dentro del patio y el llenado de la cesta de la chatarra. De esta manera se
reduce el tiempo de llenado y por lo tanto los costos del tiempo de espera. El puente de la grúa
es de celosía para reducir el peso de la estructura.
Cesta de chatarra:
Debido al sistema de descarga de la cesta de chatarra, las dimensiones de la misma
deben permitir que ésta se mantenga cerrada para el transporte, pero que al aplicar una fuerza
con la grúa, ésta se abra con relativa facilidad. Esto se logra con un posicionamiento de los
ganchos tal que se mantenga una determinada proporción entre las áreas proyectadas del fondo
de
la
cesta.
61
El elemento que permite sostener la cesta de chatarra es un perfil I, para las
dimensiones del proyecto para Simara, el perfil I-400 permite sostener la cesta con un factor
de seguridad de 1,5, usualmente usado en plantas siderúrgicas. Sin embargo el uso de dos
placas reforzantes entre las alas del perfil permiten tener un factor de seguridad extra de 1,89.
Bloques de enfriamiento:
Debido al alto costo de los refractarios que conforman el hogar del horno, el diseño de
un bloque de enfriamiento que permita reducir el desgaste de los refractarios debido al
esfuerzo térmico se plantea como una alternativa de ahorro de costos. En vista de los
resultados positivos obtenidos con el diseño previo instalado en un sólo punto del horno de
BSW, se espera que la instalación de bloques alrededor de todo el perímetro del horno,
aumente los beneficios considerablemente. Adicionalmente para aumentar la eficiencia de la
transferencia de calor se agregaron aletas al diseño inicial.
Un proyecto de diseño, como éste, está acompañado por un intenso proceso de toma de
decisiones. Cada detalle del diseño debe ser pensado, y sus posibles efectos analizados;
teniendo siempre presente el proceso de manufactura y las normas pertinentes (DIN, ISO,
ASME).
Tecnología del oxígeno
La tecnología de inyección de oxígeno desarrollada por BSE, provee numerosas
ventajas en la producción de acero. El posicionamiento de los quemadores de lanza virtual y
los inyectores de carbono requiere el cumplimiento de ciertas normas. En primero lugar se
debe tratar que los inyectores de carbono y oxígeno estén lo más cerca posible para incentivar
una reacción rápida entre ellas. En segundo los inyectores deben colocarse lo más cerca que
sea posible de la escoria para incitar la formación de la escoria espumante.
62
TPM
El manipulador para toma de muestras y medición de temperatura es un instrumento
útil que permite verificar la calidad y temperatura del acero antes del vaciado del horno. Su
redimensionamiento debe ser tal que permita tomar la muestra y la temperatura siempre en el
mismo punto. El caso de Thüringen Stahlwerk permitió ver los numerosos detalles a tomar en
cuenta en el posicionamiento de un TSM y además una de las características más importantes
que debe tener un producto competitivo: flexibilidad.
Los productos que ofrece BSE (TPM, VLB, etc) no pueden ser presentados a los
clientes como simples productos, deben ser parte de una solución. Para plantear esta solución,
el funcionamiento de los productos deben entenderse y las necesidades de los clientes tomadas
en cuenta.
63
9 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Kaltenbach,
Michael.
“Optimierung
der
Hochtemperatur
-
Quenche
eines
Elektrolichbogenofens“. Tesis de grado realizada en BSW. Kehl: Septiembre, 2003.
Zehnle, Klaus. “Material flow improvement- Investigation report”. BSE. Kehl: Junio,
2005
Technical terms glossary. En:
http://www.ncilp.com/metaldepot/md_glossary.jsp
(20/06/05)
Norma
ASME
B30-17
.
“Crane
handbook”.
En:
http://www.dearborncrane.com/crane_handbook_glossary.htm (22/06/05)
Stahl im Hochbau – Handbuch für die Anwendung von Stahl im Hoch- und Tiefbau.
Verein deutscher Eisenhüttenleute, Düsseldorf. Band 1 / Teil 1 and 2. 1987
Schneider,Klaus y otros. “Bautabellen mit Berechnungsweisen und Beispielen“.
Werner-Verlag. München: 1988.
University of Michigan. Department of mechanical engineering.“Statics guide“. En:
http://web.umr.edu/~bestmech/preview/kiran/7_3_2_1/7_3_2_1.swf (13/07/05)
BSE. “Documentation of O2 Technology“ BSE, Kehl: 2005
BSE. “Documentation of Temperature and Sample Taking Manipulator“. BSE. Kehl:
2005.
10 ANEXOS
Anexo 1: Vista superior del patio de chatarra de Edelstahlwerke Südwestfallen
Anexo 2: Sección del patio de chatarra de Edelstahlwerke Südwestfallen
Anexo 3: Montaje del diseño preliminar del bloque de enfriamiento
Anexo 4: Montaje del diseño final del bloque de enfriamiento
Anexo 5: Tecnología de oxígeno para Megasteel
Anexo 6: Tecnología de oxígeno para BGH Edelstahl
Anexo 7: TSM para Thüringen Stahlwerk. Propuesta 1
Anexo 8: TSM para Thüringen Stahlwerk. Propuesta 2
Created by a non-commercial version of ME10. May not be used for commercial purposes.
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