Boquillas pulverizadoras para
granulación de escoria y enfriamiento de lanzas
Las operaciones de escoria líquida y lanzas de oxígeno representan dos de los entornos de pulverización más térmicamente extremos en cualquier proceso industrial. El agua para la granulación de escoria debe pulverizar físicamente una corriente fundida a más de 1400 °C utilizando un impacto hidráulico puro; las boquillas que transportan esa agua están expuestas a calor radiante directo y a una ráfaga intermitente de vapor con cada vertido. Los circuitos de enfriamiento de la lanza de oxígeno y de la campana del convertidor protegen el hardware de cobre y acero, valorado en cientos de miles de dólares por campaña, contra cargas de calor radiante que superan los 500 kW/m² durante el soplado pico. En ambas aplicaciones, el rendimiento de la boquilla es protección estructural, no optimización del proceso.
La granulación de escoria y el enfriamiento de lanzas de oxígeno comparten una característica que las distingue de la mayoría de las aplicaciones de pulverización industrial: la consecuencia de una entrega inadecuada de agua no es la ineficiencia del proceso o la desviación de la calidad del producto, sino la destrucción directa de hardware de planta costoso. En la granulación de escoria, un conjunto de boquillas que pierde cobertura permite que la escoria fundida se acumule en lugar de granularse, formando eventualmente masas sólidas que bloquean el canal de granulación y requieren un apagado prolongado para su eliminación. En el enfriamiento de lanzas y campanas, una boquilla que reduce su flujo parcialmente permite que el metal expuesto exceda su temperatura de diseño dentro de un solo ciclo de soplado, causando una distorsión permanente o un quemado.
Ambas aplicaciones también comparten un entorno de servicio de agua exigente. El agua de granulación de escoria recircula a través de sistemas que transportan finos de escoria y partículas de sílice. Los circuitos de enfriamiento de la lanza operan en entornos donde el cuerpo de la boquilla está expuesto al campo de calor radiante del convertidor; vapor, humos de CO y finos de óxido de hierro están presentes. La especificación de la boquilla debe abordar el entorno mecánico (impacto, choque térmico, abrasión) y la química del agua de servicio simultáneamente.
Granulación de escoria y enfriamiento de lanzas y campanas metalúrgicas
Granulación y enfriamiento de escoria
Cortinas de agua de alto impacto para escoria granulada de alto horno (GBFS)La escoria de alto horno —el subproducto de silicato de calcio de la fabricación de hierro— sale del horno a 1350–1500 °C como un chorro viscoso fundido que fluye por el canal de escoria. Para producir escoria granulada de alto horno (GBFS), el material utilizado como material cementoso suplementario en el hormigón, esta corriente fundida debe enfriarse tan rápidamente que la escoria se pulveriza físicamente en partículas vítreas individuales antes de que pueda cristalizar. El material granulado resultante tiene la microestructura de vidrio amorfo que le confiere actividad puzolánica; si el enfriamiento es demasiado lento, la escoria cristaliza parcialmente en una fase no reactiva de merwinita y melilita que no tiene valor como reemplazo del cemento.
El mecanismo de granulación es principalmente el impacto hidráulico, no el enfriamiento por evaporación. Los chorros de corriente sólida de alta velocidad y de abanico plano estrecho interrumpen físicamente la cohesiva corriente de escoria fundida, creando la condición de solidificación rápida requerida para la formación de la fase vítrea. La relación agua-escoria en los sistemas de granulación suele ser de 10:1 a 20:1 en peso —mucho más de lo necesario solo para el enfriamiento— porque el requisito principal es la energía hidráulica para fragmentar la corriente, no solo la capacidad térmica para absorber el calor.
Anillos de pulverización de lanza y campana metalúrgica
Anillos de enfriamiento externos que protegen los componentes de la lanza durante el soplado de carbonoLas lanzas de oxígeno de horno de oxígeno básico (BOF) y de horno de arco eléctrico (EAF) inyectan oxígeno de alta pureza en el baño de acero líquido a velocidades supersónicas para quemar el carbono y otras impurezas durante el soplado de refinación. La propia lanza se enfría internamente a través de un diseño de tubo concéntrico que hace circular agua de enfriamiento a través del cuerpo de la lanza durante cada soplado. Sin embargo, la superficie externa de la lanza por encima de la zona de enfriamiento interna, el collar de soporte de la lanza y la campana de la boca del convertidor están expuestos al intenso calor radiante del baño de acero líquido y a la combustión del CO generado durante la descarburación.
Los anillos de enfriamiento externos, que son cabezales de pulverización circulares montados alrededor del cuerpo de la lanza a nivel de la boca del convertidor, proporcionan una humectación superficial suplementaria que protege estos componentes del sobrecalentamiento durante el ciclo de soplado. La propia campana (el sistema de recolección de gases de escape por encima de la boca del convertidor) se enfrenta a cargas de calor radiante similares y está protegida por paneles refrigerados por agua, complementados con enfriamiento por pulverización durante los períodos de máxima generación de calor en el soplado de oxígeno.
Granulación de escoria: Por qué la fuerza de impacto hidráulico determina la calidad del producto
La escoria de alto horno granulada tiene un valor significativamente superior a la escoria enfriada por aire debido a su actividad puzolánica en la producción de cemento. Este valor superior depende totalmente del contenido de vidrio amorfo del producto granulado, que a su vez depende por completo de la velocidad de enfriamiento lograda durante la granulación, la cual, a su vez, depende de la energía de impacto hidráulico suministrada por las boquillas de granulación. La decisión de selección de la boquilla determina directamente el valor de mercado del subproducto de la escoria.
La física de la granulación: impacto, fragmentación y formación de vidrio
La temperatura de transición vítrea de la escoria de alto horno, la temperatura por debajo de la cual la escoria se solidifica en una estructura amorfa en lugar de cristalina, es de aproximadamente 700–800 °C. Para que la escoria se solidifique en la fase vítrea amorfa, debe pasar por este rango de temperatura más rápido que la tasa de nucleación de las fases cristalinas. La tasa de enfriamiento crítica requerida para suprimir la cristalización es de aproximadamente 100–1000 °C/segundo, dependiendo de la química de la escoria (basicidad, contenido de Al₂O₃).
Alcanzar una tasa de enfriamiento de 100–1000 °C/segundo en una corriente de escoria fundida solo es posible mediante la combinación de fragmentación hidráulica y enfriamiento por contacto con agua. Los chorros de corriente sólida y de abanico plano estrecho fragmentan primero la corriente fundida cohesiva en gotas individuales por impacto; la energía hidráulica del chorro rompe la tensión superficial de la escoria fundida y la pulveriza en partículas de típicamente 1–5 mm de diámetro. Estas gotas individuales luego se enfrían extremadamente rápido porque su gran relación superficie-volumen permite que el agua extraiga calor de todos los lados simultáneamente. Una cinta de escoria fundida no recogida que se enfría lentamente en una superficie alcanza el rango de transición vítrea a una fracción de esta velocidad, formando las fases cristalinas que no son puzolánicas.
La escoria fundida que escapa a la granulación como una corriente coherente y se solidifica en el canal de granulación crea varios peligros graves para la planta. Primero, la masa sólida acumulada bloquea el canal, impidiendo posteriores corridas de granulación y requiriendo la entrada manual para su eliminación, una operación de trabajo en caliente en espacio confinado con un riesgo de seguridad significativo. Segundo, si el agua entra en contacto con escoria fundida que se ha acumulado en una depresión en lugar de fluir libremente, la generación explosiva de vapor por el contacto agua-escoria (una "explosión de vapor de escoria-agua") puede proyectar material fundido y fragmentos con fuerza letal. Tercero, si el pozo de granulación se inunda con agua antes de que el flujo de escoria haya sido granulado correctamente, la condición de agua sobre escoria crea el mismo riesgo explosivo. La selección correcta de la boquilla y la geometría del conjunto que evita la acumulación de escoria es un requisito de seguridad del proceso, no simplemente una preferencia de calidad del producto.
Dimensionamiento del cabezal de granulación
El dimensionamiento del cabezal de granulación debe calcularse a partir de la tasa de extracción de escoria (toneladas por minuto), la relación agua-escoria requerida (típicamente 10:1 a 20:1 en peso) y la presión de suministro de agua disponible. Para un alto horno que produce 300 toneladas por hora de escoria (5 toneladas por minuto) con una relación agua-escoria de 15:1, el sistema de granulación requiere 75 toneladas por minuto de agua —75,000 litros por minuto— entregadas a través del cabezal de granulación en el punto de extracción. Este caudal se divide entre las posiciones de las boquillas en el cabezal, y el caudal individual de cada boquilla se determina por el tamaño del orificio y la presión de suministro.
Las posiciones de las boquillas deben estar dispuestas para proporcionar una cobertura completa de la sección transversal del canal de escoria en el punto de granulación. Los cabezales de granulación estándar utilizan dos filas opuestas de boquillas de chorro sólido o de abanico plano estrecho inclinadas para interceptar la corriente de escoria desde ambos lados simultáneamente, con el punto de intersección del chorro ubicado en el centro de la corriente de escoria. Esta geometría de impacto bilateral asegura la máxima energía de fragmentación por unidad de masa de escoria que pasa a través de la zona de impacto.
- Verifique el paso libre de la boquilla con la distribución real del tamaño de partícula del agua del sumidero de granulación: envíe una muestra de agua recirculada para análisis del tamaño de partícula; el paso libre de la boquilla debe exceder el tamaño de partícula D99 (el diámetro por debajo del cual cae el 99% de las partículas) en el agua de granulación recirculada para proporcionar una resistencia adecuada a la obstrucción durante un intervalo de mantenimiento completo
- Dimensionar el cabezal de granulación para la tasa de extracción máxima, no la promedio: las tasas de extracción de escoria del alto horno varían hasta en un 30-50% entre extracciones, dependiendo de la carga del horno y el ritmo de operación; un cabezal dimensionado para la tasa de extracción promedio está subdimensionado para los eventos de flujo pico, y la granulación inadecuada resultante durante las extracciones pico produce la mayor proporción de material parcialmente cristalizado en el producto de escoria
- Mantener la geometría de impacto bilateral: ambas filas del cabezal de granulación opuesto deben estar activas para una granulación efectiva; un impacto de granulación unilateral desvía la corriente de escoria en lugar de pulverizarla, produciendo partículas más grandes con menor contenido amorfo; monitorear los caudales individuales de las boquillas en ambas filas del cabezal y reemplazar cualquier posición obstruida o desgastada antes de la próxima extracción
- Reemplace las boquillas como juegos completos de cabezales: las boquillas nuevas y desgastadas mezcladas en el cabezal de granulación producen una energía de impacto no uniforme en la sección transversal de la corriente de escoria, creando bandas de material bien granulado adyacentes a material parcialmente granulado en la misma extracción
Enfriamiento de lanza y campana: Cobertura uniforme como protección estructural
Una lanza de oxígeno en un recipiente BOF representa una inversión de capital significativa: los costos de fabricación del cuerpo de la lanza ascienden a decenas de miles de dólares, y el reemplazo no planificado debido a daños por calor requiere una interrupción del ciclo de soplado que altera el programa de producción del taller de fundición. El anillo de enfriamiento no es un equipo suplementario, es el medio principal por el cual el cuerpo de la lanza sobrevive a repetidas campañas con cargas de calor radiante que destruirían el acero desprotegido en cuestión de minutos.
El entorno de calor radiante por encima del convertidor BOF
Durante el soplado de oxígeno, el convertidor BOF contiene entre 200 y 350 toneladas de acero líquido a aproximadamente 1,600-1,700°C. La superficie del baño líquido irradia calor hacia arriba a través de la boca del convertidor en proporción a la cuarta potencia de su temperatura absoluta; la ley de radiación de Stefan-Boltzmann significa que un baño a 1,700°C irradia aproximadamente 10 veces más potencia por unidad de área que una superficie a 1,000°C. Los flujos de calor radiante máximos en la boca del convertidor pueden alcanzar 300-800 kW/m² durante el período principal de descarburación, cuando la combustión de CO por encima del baño eleva aún más la carga térmica.
A 500 kW/m², una superficie de acero desprotegida absorbe suficiente energía térmica para elevar su temperatura a aproximadamente 150-200°C por segundo, dependiendo de la masa de acero y la conductividad térmica. Las secciones del cuerpo de la lanza por encima de la entrada de agua del circuito de enfriamiento interno alcanzan temperaturas estructurales peligrosas en 2-3 minutos de exposición sin protección. El anillo de enfriamiento debe mantener una película de agua continua en el exterior del cuerpo de la lanza a nivel de la boca del convertidor durante todo el soplado, no solo durante los períodos de máximo calor, porque la transición de la cobertura de la película de agua sin protección a la de estado estacionario tarda de 30 a 60 segundos en estabilizarse la película de agua, lo que es demasiado tiempo en relación con la velocidad de calentamiento del metal expuesto.
Geometría de boquilla de cono lleno para el diseño de anillos de enfriamiento
La geometría de una boquilla de cono lleno es particularmente adecuada para aplicaciones de anillos de enfriamiento porque el patrón de pulverización circular de cada posición de la boquilla en el anillo llena una zona circular en la superficie del cuerpo de la lanza; cuando múltiples boquillas de cono lleno están espaciadas uniformemente alrededor de la circunferencia del anillo, la cobertura resultante es inherentemente uniforme en la dirección circunferencial con una ingeniería de superposición mínima. Un anillo de boquillas de chorro plano requiere una alineación angular cuidadosa para asegurar que los patrones de chorro adyacentes se superpongan en la superficie de la lanza sin dejar espacios sin humedecer entre ellos, lo que depende críticamente de la distancia entre el anillo y el cuerpo de la lanza. Los anillos de cono lleno son más tolerantes a la variación de instalación en la distancia y la alineación angular de la boquilla. Contacte a NozzlePro con el diámetro exterior de su cuerpo de lanza y la distancia de montaje del anillo para una recomendación de espaciado de boquillas y ángulo de pulverización para su geometría específica.
- Diseñe el anillo de enfriamiento para la cobertura con el número mínimo de boquillas menos una: un anillo diseñado para una cobertura exacta con todas las boquillas operativas proporciona redundancia cero; si alguna boquilla se obstruye o pierde flujo, el sector que cubría se convierte inmediatamente en un punto caliente potencial; diseñe el anillo para que la pérdida de una sola boquilla aún proporcione al menos el 70% de la cobertura del sector previamente cubierto.
- Utilice tuberías y accesorios de colector de acero inoxidable 316L en todo el circuito de suministro del anillo de enfriamiento: el ambiente por encima del convertidor BOF contiene SO₂, CO, humos de óxido de hierro y vapor condensado que corroen agresivamente los accesorios de tubería de acero al carbono en semanas; el acero inoxidable 316L proporciona una vida útil adecuada entre paradas planificadas; evite los accesorios galvanizados que pierden rápidamente su recubrimiento de zinc en la atmósfera corrosiva del convertidor.
- Verifique visualmente la condición de la boquilla del anillo de enfriamiento antes de cada soplado: una boquilla obstruida que no se detectó en la inspección previa al turno causa un sector seco parcial durante el soplado; una verificación visual de 30 segundos de todas las posiciones de las boquillas durante la prueba de agua de puesta en marcha del anillo antes de la inserción de la lanza evita el daño estructural de una posición obstruida no corregida.
- Haga coincidir el tamaño del orificio de la boquilla con la presión del sistema de suministro de agua de enfriamiento y el caudal requerido por posición de la boquilla: las boquillas del anillo de enfriamiento que son demasiado pequeñas para la presión de suministro producen chorros de alta velocidad que proporcionan un buen impacto local pero un área de cobertura limitada; las boquillas que son demasiado grandes producen un rociado de baja velocidad que proporciona una uniformidad de cobertura deficiente a grandes distancias.
Selección de boquillas por aplicación siderúrgica
Contacte con NozzlePro para conocer su tasa de escoria, la geometría del canal, el diámetro del cuerpo de la lanza y la carga de partículas de agua de servicio. Ambas aplicaciones requieren cálculos de geometría específicos del sitio antes de la selección de la boquilla.
| Aplicación | Tipo de boquilla | Impacto / Presión | Requisito crítico | Material |
|---|---|---|---|---|
| Granulación de escoria de alto horno — cabezal de impacto primario | Chorro sólido, alta capacidad | Impacto máximo / 4–8 bar | Chorros opuestos bilaterales en el chorro de escoria; paso libre mínimo de 20-30 mm; relación agua-escoria de 10:1-20:1; reemplazar como juegos completos de cabezales | Acero inoxidable 316L o SiC |
| Granulación de escoria de alto horno — boquillas de cobertura de cortina | Abanico plano estrecho, 15°–30° | Cortina de alto impacto / 3–6 bar | Cortina densa superpuesta en el ancho del canal de escoria; gran paso libre para agua de granulación recirculada con finos de escoria | Acero inoxidable 316L o SiC |
| Pulverización de enfriamiento del pozo de granulación — zona secundaria | Cono lleno, alto caudal | Cobertura gruesa / 2–4 bar | Enfriamiento y reducción de polvo en el pozo de granulación; gran paso libre para la recirculación del agua del pozo; cuerpo de acero inoxidable 316L | Acero inoxidable 316L |
| Anillo de enfriamiento externo de lanza de oxígeno BOF | Cono lleno, distribución uniforme en anillo | Película uniforme / 0.5–3 bar | Cobertura circunferencial del 100%; diseño para redundancia de boquillas n-1; operación continua durante el soplado; cuerpo y colector de acero inoxidable 316L | Acero inoxidable 316L |
| Enfriamiento por pulverización de campana de convertidor BOF | Cono lleno, cobertura de panel | Mojado de panel / 0.5–2 bar | Cobertura uniforme de las superficies exteriores del panel de la campana; enfriamiento suplementario evaporativo; acero inoxidable 316L en ambiente de CO/vapor/humos | Acero inoxidable 316L |
| Anillos de enfriamiento de electrodos y techo de EAF | Cono lleno, anillo de pequeño diámetro | Película uniforme / 0.5–2 bar | El techo y el cuello del electrodo del EAF operan con una carga de calor radiante más alta que la lanza del BOF; Hastelloy C-276 para ambientes de humos agresivos del EAF | Hastelloy C-276 para servicio EAF |
| Pulverizaciones de enfriamiento de cuchara y tundish | Cono lleno o abanico plano, externo | Mojado de superficie / 2–5 bar | Enfriamiento externo de las carcasas de cuchara y las cubiertas de tundish entre coladas; acero inoxidable 316L; gran paso libre para agua de enfriamiento reciclada | Acero inoxidable 316L |
Materiales para el servicio de pulverización en la siderurgia
Acero inoxidable 316L para lanza, campana y servicio de granulación en ambientes de CO/vapor/humos. SiC para cuerpos de boquillas de granulación cuando el choque térmico combinado, la abrasión de finos de escoria y el ataque de condensados ácidos exceden la vida útil del acero inoxidable 316L. Hastelloy C-276 para el enfriamiento de electrodos de EAF en ambientes de humos agresivos.
El valor de la escoria y la vida útil de la lanza dependen de la misma decisión sobre la boquilla.
La selección de la boquilla de granulación determina el contenido de vidrio y el valor del cemento de la escoria granulada de alto horno. La geometría del anillo de enfriamiento de la lanza determina la fiabilidad del ciclo de soplado y la vida útil del equipo. Póngase en contacto con NozzlePro para conocer la geometría de su canal, el caudal de extracción, el diámetro de la lanza y las condiciones del agua de servicio.