Física de partículas: aumentar la eficacia de los altos hornos con granulados de minerales remodelados
El acero es un material básico del mundo moderno, pero tiene un coste medioambiental muy alto, ya que es responsable de alrededor del 8 % de las emisiones de gases de efecto invernadero a escala mundial. La mayor parte de este porcentaje proviene de la actividad de los altos hornos, un paso necesario para obtener hierro bruto. En esencia, un alto horno es un reactor gigante, en el que se introducen materiales granulares, como granulados de combustible, mineral de hierro y piedra caliza. El aire caliente que se introduce en la cámara provoca cambios químicos y físicos en dichos materiales para, en última instancia, producir hierro líquido. «El modo en que se introducen y se distribuyen los materiales granulares en los altos hornos influye en la eficiencia del proceso en materia de consumo energético y emisiones de CO2», explica Charley Wu, responsable del proyecto DECRON. Sin embargo, estudiar dicha distribución de forma directa es extremadamente difícil, ya que la cámara está recubierta con ladrillos refractarios y alcanza una temperatura de unos 1 500 °C. «En trescientos años el diseño de los altos hornos no ha evolucionado mucho. Sin embargo, dado que se trata de un dispositivo grande y complejo, no se puede introducir equipo delicado para realizar pruebas experimentales. Es prácticamente una caja negra», afirma el investigador Nicolin Govender. Para solucionar este problema, ambos científicos aplicaron una técnica denominada método de elementos discretos con partículas de formas irregulares en plataformas con unidades de procesamiento gráfico (GPU, por sus siglas en inglés), la cual modela digitalmente el comportamiento de los materiales granulares. DEM tiene una amplia gama de aplicaciones, como la construcción, la minería, la agricultura e, incluso, las farmacéuticas, con el objetivo de garantizar que los fármacos se mezclan uniformemente con los rellenos antes de que se compriman en forma de píldoras. Wu y Govender estudiaron en la Universidad de Surrey cómo el tamaño y la forma de los granulados utilizados en la fundición afecta a la manera en que los gases calientes fluyen a través de la cámara del reactor. «En los altos hornos el material se introduce en la parte superior y el aire en la parte inferior, por lo que el relleno granular afecta a la manera en que el gas atraviesa el material», explica Wu. Controlar el relleno granular y el flujo del gas caliente resulta esencial para permitir que un alto horno funcione satisfactoriamente. «Descubrimos que muchas de las estimaciones que utilizan las personas están demasiado simplificadas, lo que provoca resultados incoherentes en el producto final», señala Govender. Asimismo, añade que el trabajo también identificó una serie de factores importantes, como la eficiencia energética, que podrían controlarse modificando la forma de los granulados. La investigación se llevó a cabo con el apoyo del programa Marie Skłodowska-Curie. «El proyecto fue todo un éxito y generó una serie de artículos, además de sentar las bases para aquellos que estudian la forma y los materiales granulares, así como para los operadores de altos hornos», concluye Govender. Tres de estos artículos se encuentran entre las diez obras más citadas del mundo en el ámbito de la ingeniería química. Las empresas metalúrgicas de la Unión Europea (UE) están sometidas a una presión cada vez mayor de los operadores extranjeros, que se benefician de costes de mano de obra más bajos y normas medioambientales menos estrictas. En palabras de Govender, el proyecto muestra cómo las técnicas de modelización informática de la eficacia podrían hacer que el sector sea más rentable y respetuoso con el medio ambiente y consuma menos energía, a fin de ayudar a que se recuperar la producción de materias primas en el mercado de la UE.
Palabras clave
DECRON, hierro, mineral, alto, horno, ecológico, GPU, DEM, acero, CO2, granular, fundición
