Horno de hogar abierto

Un horno de hogar abierto o de solera abierta es uno de los varios tipos de hornos industriales en los que se queman el exceso de carbono y otras impurezas del arrabio para producir acero . ^[1] Debido a que el acero es difícil de fabricar debido a su alto punto de fusión , los combustibles y hornos normales eran insuficientes para la producción en masa de acero, y el tipo de horno de solera abierta fue una de las varias tecnologías desarrolladas en el siglo XIX para superar esta dificultad. En comparación con el proceso Bessemer , al que desplazó, sus principales ventajas eran que no exponía el acero a un exceso de nitrógeno ^{[ aclaración necesaria ]} (que haría que el acero se volviera quebradizo ), era más fácil de controlar y permitía la fusión y refinación de grandes cantidades de chatarra de hierro y acero . ^[2]

El horno de hogar abierto fue desarrollado por primera vez por el ingeniero alemán Carl Wilhelm Siemens . En 1865, el ingeniero francés Pierre-Émile Martin obtuvo una licencia de Siemens y aplicó por primera vez su horno regenerativo para fabricar acero . Su proceso se conocía como proceso Siemens-Martin o proceso Martin-Siemens , y el horno como un horno de "hogar abierto". La mayoría de los hornos de hogar abierto se cerraron a principios de la década de 1990, en gran parte debido a su funcionamiento lento, y fueron reemplazados por el horno de oxígeno básico o el horno de arco eléctrico . ^[2]

Si bien el ejemplo más antiguo de fabricación de acero en horno de hogar abierto se encuentra hace unos 2000 años en la cultura del pueblo Haya , en la actual Tanzania , ^[3] y en Europa en la fragua catalana , inventada en España en el siglo VIII, es habitual limitar el término a ciertos procesos de fabricación de acero del siglo XIX y posteriores, excluyendo así las fraguas (incluida la fragua catalana), las fraguas de refinación y los hornos de pudling de su aplicación.

El proceso de hogar abierto es un proceso por lotes y cada lote se denomina "caldera". Primero se inspecciona el horno para detectar posibles daños. Una vez que está listo o reparado, se carga con chatarra ligera, como chapa metálica, vehículos triturados o metal de desecho. El horno se calienta utilizando gas de combustión. Una vez que la carga se ha fundido, se añade chatarra pesada, como chatarra de construcción o de molienda de acero, junto con arrabio de altos hornos . Una vez que todo el acero se ha fundido, se añaden agentes formadores de escoria, como piedra caliza. El oxígeno atmosférico en contacto con el arrabio fundido oxida directamente el carbono en exceso que contiene para formar monóxido de carbono (CO). Además, el Fe(II) presente en el óxido de hierro(II) (FeO) y otras impurezas también contribuyen a descarburar el arrabio oxidando el carbono en CO y reduciendo simultáneamente el Fe(II) en Fe metálico. El monóxido de carbono (CO) formado se elimina en los humos, mientras se forma el acero. Para aumentar el poder oxidante del "calor", se puede añadir más mineral de óxido de hierro. ^[4]

El proceso es mucho más lento que el del convertidor Bessemer y, por lo tanto, más fácil de controlar y de muestrear para evaluar la calidad. La preparación de una colada suele llevar de ocho a ocho horas y media, y más tiempo para finalizar la conversión en acero. Como el proceso es lento, no es necesario quemar todo el carbono como en el proceso Bessemer, sino que el proceso puede finalizarse en cualquier momento cuando se haya alcanzado el contenido de carbono deseado. ^[4]

El proceso de colada del horno se realiza de la misma manera que el de un alto horno : se perfora un orificio en el costado del hogar y sale el acero en bruto. Una vez que se ha colado todo el acero, se elimina la escoria. El acero en bruto se puede colar en lingotes, un proceso llamado colada continua , o se puede utilizar en el tren de laminación. ^[4]

Los regeneradores son la característica distintiva del horno y consisten en conductos de ladrillos refractarios llenos de ladrillos colocados de canto y dispuestos de tal manera que tienen una gran cantidad de pequeños pasajes entre ellos. ^[4] Los ladrillos absorben la mayor parte del calor de los gases residuales salientes y lo devuelven más tarde a los gases fríos entrantes para la combustión.

Carl Wilhelm Siemens desarrolló el horno regenerativo Siemens en la década de 1850 y en 1857 afirmó que recuperaba suficiente calor para ahorrar entre el 70 y el 80 % del combustible. Este horno funciona a alta temperatura mediante el precalentamiento regenerativo del combustible y el aire para la combustión . En el precalentamiento regenerativo, los gases de escape del horno se bombean a una cámara que contiene ladrillos, donde el calor se transfiere de los gases a los ladrillos. Luego, el flujo del horno se invierte para que el combustible y el aire pasen a través de la cámara y sean calentados por los ladrillos. A través de este método, un horno de hogar abierto puede alcanzar temperaturas lo suficientemente altas como para fundir acero, pero Siemens inicialmente no lo utilizó para eso. ^[5]

En 1865, el ingeniero francés Pierre-Émile Martin obtuvo una licencia de Siemens y utilizó por primera vez su horno regenerativo para fabricar acero. La característica más atractiva del horno regenerativo de Siemens es la rápida producción de grandes cantidades de acero básico, utilizado, por ejemplo, para construir edificios de gran altura. ^[5] El tamaño habitual de los hornos es de 50 a 100 toneladas, pero para algunos procesos especiales pueden tener una capacidad de 250 o incluso 500 toneladas.

• 
  Horno Siemens del año 1895.
• 
  Horno Siemens-Martin de 30 toneladas, sección, 1917.
• Evolución del tamaño de los hornos de hogar abierto.

El proceso Siemens-Martin complementó al proceso Bessemer en lugar de reemplazarlo . Es más lento y, por lo tanto, más fácil de controlar, lo que permite la producción de mejores productos. También permite la fusión y refinación de grandes cantidades de chatarra de acero, lo que reduce aún más los costos de producción de acero y el reciclaje de un material de desecho que de otro modo sería problemático. Una de sus desventajas importantes es que la fusión y el refinado de una carga lleva varias horas. Esto fue una ventaja a principios del siglo XX, ya que les dio tiempo a los químicos de las plantas para analizar el acero y decidir cuánto tiempo más refinarlo. Pero alrededor de 1975, los instrumentos electrónicos como los espectrofotómetros de absorción atómica habían hecho que el análisis del acero fuera mucho más fácil y rápido. Se dice que el entorno de trabajo alrededor de un horno de hogar abierto es extremadamente peligroso, aunque eso puede ser aún más cierto en el caso del entorno alrededor de un horno básico de oxígeno o de arco eléctrico. ^[5]

Por un lado, el proceso logra menores economías de escala que el Bessemer, por lo que su acero era más costoso en el apogeo del primero, pero por otro, era más adecuado para países que de todos modos no podían producir mucho acero debido a las limitaciones de los recursos naturales. ^[6]

Los ingenieros rusos inventaron el horno de doble solera a mediados del siglo XX. Tiene dos piscinas de fusión separadas por una pared de ladrillos y no tiene cámaras de regeneración. En su lugar, el horno tiene quemadores directos y lanzas de oxígeno en el techo del horno. La idea es procesar dos calores simultáneamente, pero en diferentes fases, por ejemplo, cuando uno se está cargando, el otro se está descarburando. La idea es quemar el exceso de carbono e impurezas con una ráfaga de oxígeno en lugar de la formación de llama libre. Todas las reacciones que ocurren son exotérmicas, por lo que los quemadores solo tienen un papel auxiliar. ^[7] Esto es similar al horno AJAX , que también sustituye la formación de llama libre y las cámaras de regeneración por la ráfaga de oxígeno.

La fabricación de acero con oxígeno básico finalmente reemplazó al horno de hogar abierto. Rápidamente reemplazó a los procesos Bessemer y Siemens-Martin en Europa occidental en la década de 1950 y en Europa del Este en la década de 1980. La fabricación de acero con hogar abierto había reemplazado al proceso Bessemer en el Reino Unido en 1900, pero en el resto de Europa, especialmente en Alemania, los procesos Bessemer y Thomas se utilizaron hasta fines de la década de 1960, cuando fueron reemplazados por la fabricación de acero con oxígeno básico. El último horno de hogar abierto en la antigua Alemania del Este se detuvo en 1993. En los EE. UU., la producción de acero mediante el proceso Bessemer terminó en 1968 y los hornos de hogar abierto se detuvieron en 1992. En la acería de Hunedoara , Rumania, el último horno de hogar abierto con capacidad de 420 toneladas se cerró el 12 de junio de 1999 y se demolió y desguazó entre 2001 y 2003, pero las ocho chimeneas de los hornos permanecieron hasta febrero de 2011. La última tienda de hogar abierto en China se cerró en 2001. El proceso en forma de horno de hogar doble se utilizaba en la planta siderúrgica Bhilai de la Autoridad del Acero de la India y en algunas partes de Ucrania. Rusia retiró su último horno de hogar abierto en marzo de 2018 y estaba considerando preservarlo como un artefacto de museo. SAIL de India cerró sus operaciones en abril de 2020 con la llegada del COVID-19 debido a la falta de disponibilidad de mano de obra para ejecutar el proceso que requería mucha mano de obra. ^[8]

A partir de 2024, la acería más grande del mundo que todavía produce acero utilizando hornos de hogar abierto es la acería de Zaporizhstal en el centro de Ucrania , que tiene siete hornos de hogar abierto con capacidad de 500 toneladas y un horno de doble hogar, así como cuatro altos hornos . La disponibilidad de fueloil en grandes cantidades baratas, así como la invasión continua, contribuyen en gran medida a su rentabilidad a pesar del lento proceso y del costo prohibitivamente alto de la actualización a nuevas tecnologías de hornos. ^{[9] [10]}

• Proceso Bessemer
• Cementación (metalurgia)
• Acero de crisol § Métodos de producción de acero de crisol
• Horno AJAX , proceso de hogar abierto basado en oxígeno

• Barraclough, K. (1990), Steelmaking 1850–1900 , Instituto de Metales, Londres, págs. 137–203
• Gale, WKV (1969), Hierro y acero , Longmans, Londres, págs. 74–77
• Siemens, CW (junio de 1862). "Sobre un horno de gas regenerativo, aplicado a invernaderos, pudling, calefacción, etc." Actas de la Institución de Ingenieros Mecánicos . 13 . Institución de Ingenieros Mecánicos: 21–26. doi :10.1243/PIME_PROC_1862_013_007_02.

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• Precursores del alto horno
• "Administración de dosis de hierro líquido a hornos de acero", Popular Science , febrero de 1919, página 64, escaneado por Google Books .