Metalurgia
SKYLIGHT179225 de Junio de 2014
3.036 Palabras (13 Páginas)233 Visitas
Modelización aplicada al diseño de sistemas
de control en el horno alto^*^
R. Rosar \ C. Blanco*^ \ M. Díaz^ ^ y J. Sáiz*^ ^
Resumen El control del proceso de fabricación de arrabio en hornos altos resulta complejo debido a las
condiciones de operación: conocimiento incompleto de la quimicofísica de los procesos que tienen
lugar en el interior del homo, grandes dimensiones del reactor que se traducen en tiempos muertos
considerables y constantes de tiempo elevadas que provocan una gran inercia a las acciones de
control. En este trabajo, se ha planteado un modelo matemático por zonas que permite describir el
comportamiento del homo excepto el crisol, se han identificado sus parámetros y se ha obtenido el
perfil intemo de temperaturas y composiciones. El análisis del modelo permite predecir los efectos
de un cambio en cualquier variable del sistema así como desarrollar un algoritmo de control
automático.
Palabras clave: Horno alto. Control de procesos. Modelo matemático.
Modelling applied to the design of blast furnace control systems
Abstract The production of pig iron in blast fumaces resists automatic control strategies due to the lack of
knowledge about physical and chemical phenomena taking place inside the reactor. High dimensions
lead to important dead times and lags. As a consequence it is very difficult to quantify control actions
from actual process measurements. A simplified multizonal mathematical model has been proposed
that allowed the description of a given blast furnace excluding hearth. Parameters underlying the
model have been identified and, under appropriate assumptions, temperature and composition
profiles have been established. The analysis of model predictions has been illustrated with steadystate
responses to typical control actions.
Keywords: Blast furnace. Process control. Mathematical model.
1. INTRODUCCIÓN
El horno alto es un reactor gas-sólido-líquido
donde tiene lugar la formación de arrabio a partir de
mineral de hierro, coque, fundentes y aire. El tratamiento
de dicho reactor resulta complejo tanto por
sus dimensiones físicas como por la diversidad de
reacciones que en él tienen lugar. Actualmente, el
horno alto se regula casi exclusivamente por las
acciones del operador. El importante retardo que se
produce desde la alteración de las variables de pro-
(•)
(*)
Trabajo recibido el día 27 de junio de 1994.
Dpto. de Ingeniería Química. Universidad de Oviedo.
Julián Clavería, s/n. 33071-Oviedo (España).
División de Informática de Procesos y Automatización
Industrial. ENSIDESA. 33400-Avilés (España).
ceso hasta la determinación de sus consecuencias
en las corrientes de salida, unido a la complejidad
de las reacciones químicas que tienen lugar dentro
del homo, son factores que provocan que las acciones
de control del operador sean muy difíciles y con
frecuencia conduzcan a una inestabilidad adicional.
Como consecuencia, el homo alto presenta una acusada
tendencia a funcionar de forma errática y lejos
de una situación óptima desde el punto de vista económico.
Las estrategias de control habituales sólo
permiten una predicción semiempírica de las calidades
finales y una determinación no cuantitativa
de la influencia de los distintos parámetros de operación
sobre las características finales del arrabio
que se desea controlar.
Para el desarrollo de modelos matemáticos, es
necesario conocer las reacciones que tienen lugar
en las diferentes zonas del homo alto. Sin embargo,
172
(c) Consejo Superior de Investigaciones Científicas
Licencia Creative Commons 3.0 España (by-nc)
http://revistademetalurgia.revistas.csic.es
ictualmente existen pocos datos que informen
;obre las condiciones internas del mismo y la evoiución
de las zonas de reacción en función de las
condiciones de operación.
En este trabajo se describe un modelo matemático
que se ha desarrollado con el objetivo de permitir
el establecimiento de un sistema de control
flexible, a fin de limitar al mínimo las oscilaciones
de calidad del producto y emplear al máximo las
materias primas siderúrgicas. El modelo considera
todo el horno con excepción del crisol y constituye
la base de un trabajo más amplio cuyo objetivo
es desarrollar un método de seguimiento y control
del homo alto. Se ha decidido afrontar el problema
de la modelización empleando un modelo multizonal
no estacionario en el que los balances de materia
y de energía se han resuelto simultáneamente
para todas las zonas. Las temperaturas, composiciones
y propiedades de los materiales pueden
variar de una zona a otra y en función del tiempo
de operación.
2. MODELO MATEMÁTICO
La obtención de arrabio en el homo alto se realiza
a partir de mineral de hierro, coque, fundentes,
aire y vapor de agua como materias primas, obteniéndose
arrabio, escoria, gases y polvo de tragante
como productos finales. El arrabio debe cumplir
ciertas especificaciones de composición motivadas,
fundamentalmente, por las limitaciones impuestas
en la acería. Debido a la complejidad del homo alto
y a la dificultad de desarrollar un modelo matemático
que tenga en cuenta de forma precisa la totalidad
de los fenómenos fisicoquímicos que tienen lugar
en él, se han adoptado las simplificaciones que se
mencionan a continuación:
- Se ha supuesto que todas las variables (composiciones,
temperaturas o cualquiera otra) son constantes
en dirección radial.
- El homo se ha dividido en zonas caracterizadas
por una uniformidad de comportamiento (1). El
planteamiento se ha completado asignando a
cada zona una o varias de las reacciones químicas
que tienen lugar en el sistema, así como unas
condiciones determinadas de presión y temperatura
(2). El crisol no se ha tenido en cuenta en el
desarrollo que sigue y quedaría descrito por una
o varias zonas dispuestas en serie con las tratadas
en este trabajo.
- Se ha supuesto, también, que no se produce acumulación
de ningún componente en las zonas
que se han considerado. Esto implica que el
balance de materia se encuentra en estado estacionario
en todo momento, aunque esto no significa
necesariamente que las velocidades de reacción
sean constantes si la alimentación del homo
no varía.
- Se han considerado únicamente los componentes
principales tanto del sólido como de la corriente
gaseosa. En el caso de los componentes reactivos
de cada zona, se ha supuesto que todos (excepto
el carbono en la reacción de Boudouard) reaccionan
en la que les corresponde hasta el consumo
total del reactivo limitante de la reacción en la
que se encuentra implicado. De acuerdo con lo
anterior, el homo se ha dividido axialmente en
las cinco zonas siguientes (Fig. 1):
1. Zona superior o de precalentamiento. En
esta zona tiene lugar el calentamiento de las
cargas y la evaporación del agua que se carga
junto con el coque o el mineral.
2. Zona de reducción del óxido de hierro
Fe203. En ella se produce la reducción de la
hematites a magnetita. Se caracteriza porque
la temperatura varía entre 200 y 700 °C (3).
3. Zona de reserva térmica. En ella la temperatura
se mantiene aproximadamente constante
a 950 °C. En esta zona se produce la
reducción de la magnetita a wustita y la descomposición
de los carbonatos.
4. Zona cohesiva. Aquí la temperatura de los
sólidos varía entre los 1.050 y 1.500 °C; sin
embargo, la mejor forma de determinar esta
zona es mediante el análisis de los cambios
de gradiente de presión y de temperatura de
pared que tienen lugar. En dicha zona se produce
la reducción de la wustita tanto por el
carbono (directa) como por el monóxido de
carbono (indirecta). También se inicia la formación
y fusión de escorias y el goteo del
hierro líquido (4),
5. Zona de combustión. La temperatura de esta
zona es de aproximadamente 2.000 °C. En
ella tiene lugar la combustión del carbono del
coque, y se encuentra situada a nivel de toberas,
limitada en primera aproximación por el
"hombre muerto" y la zona cohesiva.
El modelo no considera explícitamente el crisol
donde se recogen la escoria y el arrabio, en el que se
producen fenómenos de transferencia entre ambos, y
cuya temperatura varía entre 1.400 y 1.600 °C (5).
En el caso de ser necesario, su comportamiento
podría modelizarse con independencia del resto del
homo, en serie con las zonas anteriores.
Cada una de las cinco zonas del modelo se
encuentra determinada por una altura de zona llamada
/Zj, a la que corresponde un área de pared lateral
del
...