La formación de grumos de polvo graves (como se muestra aquí), los prolongados paros por mantenimiento y el estancamiento de los beneficios llevaron a una empresa siderúrgica a buscar una solución mejor para su horno de oxígeno básico (BOF). Debido a las condiciones peligrosas y al riesgo que entrañaban los ensayos físicos, la empresa recurrió a nuestros servicios de CFD para optimizar la aplicación.
Fabricación de acero: conceptos básicos
En el proceso de fabricación de acero, un horno de oxígeno básico (BOF) refina el hierro en bruto fundido y la chatarra para convertirlos en acero. Este proceso suele constar de varias etapas, pero comienza con la entrada de la chatarra y el hierro en bruto fundido en un alto horno. Este proceso genera una cantidad significativa de cenizas, hollín y otros contaminantes, que posteriormente entran en la torre de refrigeración por evaporación del BOF a través de un conducto. En la torre de refrigeración por evaporación, el gas entra por la parte superior de la torre, donde se enfría rápida y eficazmente mediante un rociado.
El polvo contaminado, arrastrado por el gas, cae entonces hasta la base de la torre, donde se incinera. Sin embargo, si la disposición de las lanzas de pulverización es defectuosa, como ocurría en el caso de este cliente, se produce una grave aglomeración de polvo. Esto significa que el agua pulverizada que entra en contacto con el gas entrante, pero que no se evapora, se adhiere a las paredes y acumula polvo, tal y como se muestra a continuación. La zona roja corresponde al agua que no se ha evaporado y que se ha adherido a las paredes acumulando polvo.
Si este proceso continúa sin detenerse para limpiar el polvo de las paredes de la torre, el agua pulverizada sigue acumulándose sobre el polvo pegajoso y atrapa cada vez más polvo. Finalmente, la empresa se ve obligada a detener el proceso para realizar tareas de mantenimiento. Este tiempo de inactividad da lugar a problemas de salud para los trabajadores, pérdida de beneficios y prácticas empresariales insostenibles.
Optimización del proceso mediante CFD
Nuestra tarea consistía en diseñar una disposición óptima de las boquillas, de modo que el rocío entrara en contacto con el gas en la entrada de la torre y se evaporara por completo, de forma que el polvo cayera al fondo de la torre, donde sería incinerado adecuadamente. Teníamos que hacerlo teniendo en cuenta la necesidad de minimizar el mojado de las paredes y las limitaciones de tiempo y espacio.
En este proceso, los diseños convencionales de disposición de boquillas colocan seis inyectores a intervalos uniformes a lo largo de la pared circular de la torre de refrigeración, justo en el punto en que el gas entra en la torre. En lugar de seguir el enfoque convencional —puesto que este estaba causando claramente graves problemas a nuestro cliente—, queríamos respuestas a preguntas como: ¿Cómo debemos distribuir las boquillas? ¿A qué profundidad deberían insertarse en esta torre en concreto? ¿Existe un ángulo óptimo de inyección y pulverización?
Para responder a estas preguntas, en primer lugar modelamos toda la torre, los conductos de entrada y salida, y las lanzas de las boquillas. Esto permitió que nuestro software de CFD realizara cálculos avanzados de mecánica de fluidos en puntos pequeños y finitos a lo largo de toda la aplicación. Así pudimos evaluar tanto lo que ocurría durante el proceso actual como el diseño de la disposición de las boquillas que optimizaría el proceso de la torre de refrigeración por evaporación.
Al visualizar la columna de pulverización coloreada según los gradientes de temperatura, tal y como se muestra a continuación, observamos que seis lanzas de boquillas situadas a intervalos reducidos justo frente a la entrada de gas evaporaban eficazmente la pulverización y evitaban que se mojaran las paredes. Además, esta disposición de las boquillas redujo significativamente la acumulación de polvo en toda la torre.
Rentabilidad de la inversión y mejora continua
Gracias a estos resultados, la empresa se benefició de una reducción del tiempo de inactividad por mantenimiento, un mayor rendimiento y una mayor seguridad de los empleados. En entornos como este, donde las pruebas físicas son imposibles, nuestros servicios de CFD ofrecen una solución inigualable por otros programas de modelización.
El horno de oxígeno básico es solo uno de los muchos ámbitos en los que el CFD resultó útil para este cliente. Teniendo en cuenta los entornos peligrosos de la mayoría de las acerías, implementamos pruebas y soluciones de CFD para clientes en una amplia gama de aplicaciones siderúrgicas y a lo largo de todo el proceso de fabricación del acero.
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