Unidad de separación del aire para aplicaciones en la industria siderúrgica

Por qué las acerías integradas confían en la generación in situ Unidades de separación de aire

Factores operativos determinantes: necesidades de alto volumen y alta pureza de oxígeno, nitrógeno y argón

Las acerías necesitan enormes cantidades de gases industriales que deben cumplir estándares de pureza muy estrictos. Tomemos, por ejemplo, un gran alto horno: puede consumir más de 300 toneladas de oxígeno cada hora. El método del horno de oxígeno básico requiere oxígeno con una pureza mínima del 99,5 % para lograr una combustión eficiente y gestionar adecuadamente la escoria. En las operaciones de colada continua, se requiere argón con niveles de pureza superiores al 99,999 % durante los procesos de purga con nitrógeno. Esto ayuda a prevenir la formación de defectos de oxidación indeseados en las planchas de acero. Dadas estas exigentes especificaciones y los enormes volúmenes requeridos, entregar todo este gas a granel no resulta práctico. Por eso, la mayoría de las instalaciones lo producen in situ. unidades de separación de aire (SAU). Estos sistemas brindan a los operadores de la planta un control inmediato sobre la cantidad de gas que producen, la presión a la que se genera y, lo más importante, su grado de pureza. Este tipo de flexibilidad les permite ajustar exactamente sus necesidades de gas a las exigencias diarias de la línea de producción.

Ventajas económicas y de fiabilidad de las SAU criogénicas frente al suministro de gases a granel

Las unidades criogénicas de separación del aire ofrecen importantes beneficios a largo plazo en comparación con la adquisición de gases a proveedores externos. Cuando las empresas generan gases in situ, reducen significativamente todos los costes adicionales asociados al transporte de materiales criogénicos, además de eliminar la necesidad de instalaciones especializadas para su manipulación y almacenamiento. Y, francamente, nadie desea que sus operaciones queden paralizadas por problemas en la cadena de suministro. Las instalaciones que requieren más de 2.000 toneladas de oxígeno diarias suelen descubrir que la inversión en una unidad criogénica de separación del aire (ASU) reporta un retorno muy significativo. Estudios indican que estas plantas pueden ahorrar entre un 40 % y un 60 % en gastos de gases durante un período de diez años, frente al suministro mediante entregas a granel. Algunos sistemas más recientes incluso recuperan energía mediante técnicas como la recuperación de calor durante los procesos de compresión, reduciendo el consumo total de energía eléctrica aproximadamente un 15 %. Pero lo que realmente importa más es disponer de un suministro fiable de gases justo donde se necesitan. Las plantas integradas de esta manera evitan apagones catastróficos de los altos hornos, cuyo coste puede ascender a millones de euros por cada hora de inactividad.

Aplicaciones fundamentales de las unidades de separación del aire en la fabricación de acero

Enriquecimiento con oxígeno del horno alto: aumento de la productividad y reducción del consumo de coque

Los altos hornos actuales suelen inyectar aire enriquecido con oxígeno, con una concentración de aproximadamente un 25 a un 30 % de O₂, lo que incrementa notablemente la cantidad de coque que se quema en su interior. ¿Cuál es el efecto? La producción de arrabio aumenta entre un 15 y un 25 %, pero, al mismo tiempo, se requieren unos 200 a 300 kilogramos menos de coque por cada tonelada producida. Esto implica menores costos operativos del horno y menores emisiones de dióxido de carbono por cada tonelada de hierro fabricada. Cuando las empresas instalan sus propias unidades de separación del aire en el lugar, obtienen un mejor control sobre este proceso de enriquecimiento con oxígeno. Estos sistemas mantienen llamas intensas de forma estable por encima de los 2200 grados Celsius, sin provocar problemas derivados de fluctuaciones térmicas. Un mejor control de la temperatura favorece un flujo más homogéneo de la escoria y reduce el desgaste de los materiales del revestimiento del horno. Expertos del sector, procedentes de organizaciones como el Instituto Estadounidense del Hierro y el Acero (American Iron and Steel Institute), han destacado estos beneficios en sus directrices operativas, lo que explica por qué numerosos productores de acero están adoptando esta solución.

Soplado de oxígeno en el horno de oxígeno básico (BOF): control de precisión con una pureza del 99,5 %

El proceso de fabricación de acero en horno de oxígeno básico (BOF) requiere oxígeno de muy alta pureza, típicamente superior al 99,5 %, para obtener resultados coherentes y eficaces de descarburación. Pequeñas cantidades de impurezas, como nitrógeno o humedad, pueden provocar reacciones de oxidación impredecibles que, en realidad, reducen los rendimientos y afectan negativamente la calidad superficial. Las unidades criogénicas de separación del aire suministran este oxígeno de alta pureza a una presión de aproximadamente 12 a 15 bar mediante lanzas especialmente diseñadas. Estas lanzas permiten a los operarios controlar con mayor precisión el patrón y la posición del soplado. La mejora en la precisión reduce las pérdidas accidentales por oxidación del hierro en aproximadamente un 3 al 5 % en comparación con el uso de oxígeno de menor pureza. Esto resulta especialmente relevante al producir aceros que deben cumplir estrictos requisitos químicos para aplicaciones tales como componentes automotrices y materiales para tuberías, donde la consistencia es absolutamente crítica.

Argón para colada continua y metalurgia secundaria: control de inclusiones mediante gas de ultraalta pureza (99,999 %)

Para las operaciones de metalurgia en cuchara y colada continua, el argón de ultra alta pureza, con niveles superiores al 99,999 %, es simplemente indispensable. La inyección de este gas en el acero fundido ayuda a eliminar el hidrógeno y el nitrógeno no deseados. Al mismo tiempo, impulsa hacia arriba esas molestas inclusiones no metálicas, como la alúmina y los silicatos, donde quedan atrapadas en la capa de escoria. Los números también son fundamentales: mantener el contenido total de impurezas por debajo de 10 partes por millón marca toda la diferencia. Incluso cantidades mínimas de nitrógeno pueden provocar esas incómodas ampollas subsuperficiales tanto en aceros inoxidables como en aceros para aplicaciones eléctricas. Las fábricas que pasan al argón obtenido mediante unidades de separación del aire experimentan mejoras notables. Algunas plantas informan una reducción superior al 40 % en los rechazos relacionados con inclusiones en sus palanquillas y bloques acabados. Estos resultados coinciden con los hallazgos del Instituto Internacional del Hierro y el Acero en su reciente estudio de referencia de calidad de 2023.

Desafíos de eficiencia energética e integración del sistema en las unidades de separación de aire en plantas siderúrgicas

Principales fuentes de pérdidas energéticas: destrucción exergética en el compresor de aire principal y oportunidades de recuperación de calor

Las unidades de separación del aire, comúnmente denominadas ASU, enfrentan problemas de eficiencia energética cuando se integran en plantas siderúrgicas. Una parte importante del problema radica en el funcionamiento fundamental de estos sistemas, donde ciertos componentes pierden eficiencia debido a pérdidas termodinámicas inevitables. Tomemos, por ejemplo, el compresor principal de aire: consume aproximadamente el 40 % de toda la electricidad utilizada por una ASU. Al analizarlo más de cerca, gran parte de esta energía desperdiciada proviene del propio proceso de compresión, en el que se pierde energía valiosa en forma de calor. Lo que ocurre a continuación también resulta bastante ineficiente: el sistema genera calor residual a alta temperatura, entre 150 y 300 grados Celsius, pero la mayoría de las instalaciones simplemente lo liberan a la atmósfera en lugar de aprovecharlo adecuadamente. Algunas empresas innovadoras están instalando actualmente soluciones de recuperación de calor, como ciclos orgánicos de Rankine o generación de vapor de baja presión a partir de este calor residual. Estos enfoques pueden recuperar, de hecho, alrededor de dos tercios de la energía térmica perdida en toda la planta. Esto no solo reduce la intensidad energética de la producción de oxígeno en aproximadamente un 20 %, sino que también disminuye significativamente los requerimientos de agua de refrigeración. Sin embargo, lograr que estos sistemas funcionen correctamente sigue siendo un desafío. Los sistemas de control requieren una coordinación cuidadosa para que la ASU pueda ajustar su producción según las demandas cambiantes del proceso siderúrgico. Especialmente durante esos períodos críticos en los que los altos hornos cambian de campaña o se realizan cambios en las máquinas de colada continua, incluso pequeñas fluctuaciones de presión pueden alterar toda la cadena de producción.

Preguntas frecuentes

¿Por qué necesitan las acerías gases de pureza extremadamente alta?

Las acerías requieren gases de alta pureza para el control de precisión y calidad en la producción. El oxígeno, el nitrógeno y el argón de alta pureza garantizan una combustión óptima, una gestión eficaz de la escoria y evitan defectos por oxidación en las planchas de acero.

¿Qué ventajas ofrecen las unidades criogénicas de aire (ASU) frente al suministro de gases a granel?

Las unidades criogénicas de aire (ASU) ofrecen fiabilidad y eficiencia de costes. Las instalaciones reducen los gastos de transporte y almacenamiento, evitando interrupciones en la cadena de suministro. Además, las ASU permiten ahorros energéticos y suministran gases de alta pureza de forma constante.

¿Cómo mejora el argón las operaciones de colada continua?

El argón de ultraalta pureza reduce las impurezas y las inclusiones no metálicas en el acero fundido, desplaza dichas inclusiones hacia la capa de escoria y contribuye a mantener la calidad del acero. Esto disminuye las tasas de rechazo y mejora la consistencia de la producción.

¿Cuáles son los retos de eficiencia energética a los que se enfrentan las ASU?

Unidades de separación de aire enfrentan desafíos de eficiencia energética debido a pérdidas termodinámicas, particularmente en el compresor de aire principal. Se están implementando soluciones de recuperación de calor para mitigar el desperdicio de energía y mejorar la eficiencia general de la planta.