UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN FACULTAD DE INGENIERÍA DE PROCESOS PROGRAMA DE INGENIERIA METALURGICA FENOMENOS DE TRANSPORTE DE MASA Y CALOR ALUMNO: CAÑAHUARA SUCAPUCA JOSE BRAYAN CORDOVA MERMA RAUL BEJARANO TEJADA JESÚS JOSÉ CALANCHE DELGADO JHAIR FRANK MARES LUNA ALEXANDER MATHIAS MENDOZA HURTADO PIERO GERARDO TEMA: MECANISMOS DE LA TRANSFERENCIA DEL CALOR EN HORNOS METALÚRGICOS DOCENTE: VICENTE HERMO RUDY Arequipa 2020 RESUMEN En los hornos metalúrgicos ocurre con más intensidad el intercambio térmico y determina la calidad del metal (arrabio), la productividad y los parámetros de operación. Las energías térmicas y química necesaria para el proceso del HA se generan en el raceway (cavidad enfrente a las toberas). Este trabajo trata de los avances en la teoría del intercambio térmico en los hornos que opera con parámetros de viento combinado. Se estudian los procesos de calentamiento de los productos de la fusión. Un aumento en la productividad del horno requiere un aporte calórico complementario para el calentamiento del arrabio y de la escoria, y por tanto una elevación de la temperatura de llama. Palabras clave: Horno alto. Intercambio térmico. Radiación. Inyección de carbón pulverizado. Técnicas de láser. ABSTRACT In metallurgical furnaces, heat exchange occurs with more intensity and determines the quality of the metal (pig iron), productivity and operating parameters. The thermal and chemical energies necessary for the HA process are generated in the raceway (cavity in front of the nozzles). This work deals with the advances in the theory of thermal exchange in furnaces that operate with combined wind parameters. The processes of heating the fusion products are studied. An increase in the productivity of the furnace requires a supplementary caloric intake for heating the pig iron and slag, and therefore an increase in the flame temperature. Keywords: Blast furnace. Thermal exchange. Radiation. Injection of pulverized coal. Laser techniques. 1.INTRODUCCIÓN Todos los procesos básicos de la operación del alto horno (calentamiento de la carga, descomposición de los hidratos y carbonatos, reducción del mineral, fusión del arrabio y escoria) ocurren debido al intercambio térmico entre los materiales que descienden y los gases que ascienden. El intercambio térmico ocurre más intensamente en el crisol y este proceso determina la calidad del metal y los parámetros de operación. La zona del raceway (cavidad enfrente de las toberas) desempeña un papel muy específico, aunque su volumen total representa sólo un 1 % del volumen interior del HA. En el raceway se genera una gran parte del calor y la energía química necesaria para el proceso de fabricación del arrabio. La productividad del horno se determina no solo por la capacidad de la zona cohesiva para ser permeable al el gas reductor sino también por las características y la extensión del raceway. La teoría de intercambio térmico, formulada por. Kitaev [1] y desarrollada por Yaroshenko, Michard, Rist y otros investigadores; está universalmente reconocida. En el presente trabajo se realiza un intento para un desarrollo posterior de la teoría de intercambio térmico aplicada a los procesos que tienen lugar en la parte más baja del HA, operando con parámetros de viento combinados. Se realiza un estudio de los procesos de calentamiento de los productos líquidos de la fusión en el crisol y la influencia de la inyección de carbón pulverizado (ICP) sobre el intercambio térmico en el raceway. La técnica láser se emplea para medir la extensión del raceway. INTERCAMBIO DE CALOR El proceso de transferencia de calor se observa solo cuando hay intercambio de calor de un cuerpo más caliente a uno menos caliente. El flujo de energía que se transfiere de un cuerpo (más caliente) a otro (menos caliente) se llama FLUJO CALÓRICO (magnitud vectorial). Es una condición necesaria para que ocurra el proceso de transferencia de calor que entre los cuerpos exista una diferencia de temperatura. TEMPERATURA: Es el grado de calentamiento de un cuerpo (magnitud escalar) El proceso de intercambio de calor ocurre en el medio durante un tiempo dado, por lo que en la práctica es necesario para los diferentes procesos tecnológicos saber la temperatura en los diferentes puntos en un tiempo dado (esta situación se llama Polo de Temperatura). El polo de temperatura está distribuido en el volumen del cuerpo. T = ƒ (x,y,z,t) (2.1) Donde: x,y,z- son las coordenadas vectoriales que determinan la posición espacial del punto. t -tiempo La cantidad de energía que se transfiere por la unidad de superficie de la parte (foco) de mayor temperatura a la de menor se denomina flujo calórico. Se representa por q: sus unidades de medida son el [W/m2, Kcal/(m2 h]. Por otra parte, la cantidad de energía que se transfiere por una superficie determinada en la unidad de tiempo se determina por la fórmula 2.2: Q=qF (2.2) La cantidad de energía (calor) que se transfiere por un área determinada en un tiempo determinado (t) se denomina Flujo calórico completo. Q=qFt (2.3) De la ecuación 2.3 se deduce entonces que la densidad de flujo calórico puede estimarse a partir de la expresión 2.4. 𝑞= 𝑄 (2.4) 𝐹∙𝜏 2.1.1 MECANISMOS DE INTERCAMBIO DE CALOR La naturaleza presenta tres tipos de intercambio de calor, aunque en algunas literaturas se presenta otro tipo, o sea, el intercambio complejo, que no es más que la combinación de dos de ello o los tres juntos. Usualmente, en los procesos tecnológicos es difícil encontrar que el intercambio de calor ocurra por un solo mecanismo de tal forma que la separación de ellos es solo una abstracción del hombre para simplificar el estudio. Entonces, como formas de intercambio se tiene: Conducción Convección Radiación. CONDUCCIÓN: el fenómeno de intercambio de energía entre las partículas de un cuerpo o entre cuerpos que estén a distintas temperaturas, en virtud del movimiento de las partículas de las sustancias se denomina conducción del calor. En la figura II.1 se representa el intercambio entre dos partículas o cuerpos con diferentes grados de calentamiento, al unirse ocurre el intercambio. En el caso de los hornos y equipos pirometalúrgicos este mecanismo de transferencia sucede, por ejemplo, en las paredes del equipo. Al analizar la (Fig. II.2), se puede explicar este fenómeno a partir de La ley de Fourier. (Ley de distribución del calor por conducción) 𝑄= 𝜆(𝑇𝑝1 − 𝑇𝑝2)𝐹𝜏 (2.5) 𝑆 Donde: λ: conductividad térmica. S: espesor de la pared Tp1: temperatura interior Tp2: temperatura exterior. En esta expresión se presupone que Tp1 ≥ Tp2 pues el flujo de calor siempre va en la dirección contraria al gradiente térmico. Por otra parte, el término S/ λ se denomina resistencia térmica de la pared (R) Al aplicar la Ecuación de Fourier para las condiciones de contorno enunciadas en la Fig. II.2, o sea, condiciones de contorno de primera especie y considerando el caso estacionario durante la transferencia, al simultanear las expresiones 2.4 y 2.5 se obtiene la expresión que explica la transferencia de calor en paredes planas. 𝑄= 𝜆(𝑇𝑝1 − 𝑇𝑝2)𝐹𝜏 = 𝑆 𝑆 𝑇𝑝1 − 𝑇𝑝2 (2.6) 𝜆 Aunque la expresión 2.6 describe la transferencia de calor por conducción en una pared plana caso estacionario, resulta que en los procesos y equipos pirometalúrgicos difícilmente se tiene una pared monocapa, pues desde el punto de vista energético esto atenta contra la eficiencia. Debido a esto, usualmente se utiliza para los cálculos tecnológicos durante el análisis térmico de los equipos una variante de la expresión 2.6 considerando una pared compuesta por n capas (Fig. II.3) T T T T q 1 2 3 T α S Fig. II.3 Distribución del calor de una pared compuesta Para eso se analiza el flujo calórico a través de las diferentes capas utilizando la expresión 2.6 y teniendo en cuenta que el calor que se transfiere a través es el mismo ya que el flujo es estacionario. Así, resolviendo el sistema de ecuaciones, se eliminan las temperaturas en las caras intermedias quedando la fórmula 2.7. Donde T1 es la temperatura de la cara externa de la pared más caliente y Tn es la temperatura de la cara enésima externa. Esta expresión permite estimar las pérdidas de calor a través de la estructura de los equipos. En condiciones reales estos equipos tienen tres capas o más, o sea, al menos tienen una pared de trabajo, una se seguridad, una de material aislante y la estructura metálica. Para una pared compuesta de varias (n) capas y teniendo en cuenta la influencia del aire exterior o la atmósfera interna del equipo entonces se tienen las condiciones de contorno de segunda especie, que incluye la transferencia de calor por convección: Donde Tn es la temperatura del medio circundante, α2 es el coeficiente de termo transferencia por convección. Este coeficiente se puede estimar en cálculos rápidos como α2=10.6 + 1.1 Tm, siempre que sea aire. De igual manera cuando las paredes son rodeadas de un medio fluido por ambas partes, entonces se obtiene la fórmula 2.9 a partir de las condiciones de contorno de tercera especie. En diversos equipos la mampostería refractaria y la estructura tienen una configuración cilíndrica, por ejemplo, en los recubrimientos de tuberías o Intercambiadores cilíndricos. El análisis de la Ley de Fourier es similar, la única diferencia es que se transforma la ecuación en coordenadas cilíndricas considerando que el flujo de calor se transmite ahora en la dirección radial del equipo (Fig II.4). 10 Haciendo el mismo análisis y las simplificaciones pertinentes al considerar el caso estacionario de intercambio de calor se obtienen las expresiones 2.10, 2.11 y 2.12 que describen la transferencia de calor por unidades de longitud en [W/m] en condiciones de calor de primera, segunda y tercera especie. En esta expresión d2 y d1 son los diámetros externo e interno respectivamente. Es necesario aclarar en el caso de las paredes cilíndricas se define también el flujo decalorpor unidad de superficie interna, externa y flujo neto, no obstante, para la pirometalurgia no resultan de interés. Así mismo, el calor que se intercambia en equipos de configuración cilíndrica puede ser también en el sentido longitudinal. Diversos equipos, entre ellos los intercambiadores de calor, calderas etc, requieren estimar este tipo de intercambio. No obstante, este tipo de transferencia de calor será estudiado en próximos capítulos.
