Prototipo-de-mejora-en-el-sistema-de-control-de-un-alto-horno--en-la-fundiciAn-de-arrabio-para-la-producciAn-de-acero

Vista previa del material en texto

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS 
EXTRACTIVAS 
“Prototipo de mejora en el sistema de control de un alto horno, en 
la fundición de arrabio para la producción de acero.” 
TESIS 
Que para obtener el título profesional de Ingeniero Químico 
Industrial. 
PRESENTA: 
Eduardo Ivan Becerra Camacho 
DIRECTOR DE TESIS 
M. en E. Armando Tonatiuh Avalos Bravo. 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 2 
 
 
RECONOCIMIENTOS 
“INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL” 
“ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUIMÍCA E INDUSTRIAS 
EXTRACTIVAS”. 
El Instituto Politécnico Nacional, mi segunda casa, ha sido 
mi alma mater desde hace más de 4 años. En esta 
Institución, me ha formado tanto como hombre y como 
ingeniero, con ética en el ámbito cultural, deportivo y 
académico-científico. El Instituto Politécnico Nacional ha 
sido testigo y parte de Innumerables vivencias durante mi 
estancia en él, serán inolvidables, donde he conocido a 
grandes personas que se quedarán en mi mente por 
siempre. 
Soy politécnico por convicción y no por circunstancia. 
A mi querida Escuela Superior de Ingeniería Química E 
Industrias Extractivas porque me enseñó a través de sus 
Autoridades y Maestros a crecer día con día y a trabajar por 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 3 
 
alcanzar el éxito dentro del ámbito industrial. Al Ingeniero 
Armando Tonatiuh Avalos Bravo por sus consejos, su 
confianza y su valiosa ayuda durante el desarrollo de la 
Tesis bajo su acertada orientación. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 4 
 
 
 
 
 
AGRADECIMIENTOS 
 
Dedico esta tesis con profundo respeto y cariño a todos 
los que llevo en mi corazón y los que me llevan en el suyo: 
 
A DIOS 
 
Gracias por permitirme la vida por darme el privilegio de 
poderla disfrutar con todos mis seres queridos, además 
gracias por estar siempre a mi lado. 
 
A MI MADRE ,FAMILIA y AMIGOS. 
 
¡Esta tesis el final de toda una etapa así que quiero 
agradecerle a mi madre en especial por todo el apoyo y a 
mi familia que estuvieron en todo este proceso y nunca me 
abandonaron en nada gracias! ¡A todos mis amigos que 
ESIQIE me regalo y compartimos tantos momentos 
inolvidables! 
 
 
 
 
 
 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 5 
 
 
INDICE. 
 
CONTENIDO PÁG 
RESUMEN…………………………………………………………………………….......8 
INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………...……..9 
CAPÍTULO I PROCESO DE OBTENCIÓN DEL ARRABIO 
1.1-El arrabio y su proceso de producción…………….................................11 
1.2.-Proceso de obtención del arrabio simplificado......................................15 
1.3-El Acero en la construcción....................................................................25 
1.4.-Hierro en la industria.............................................................................26 
 
CAPÍTULO II CONCEPTOS BÁSICOS DE CONTROL AUTOMÁTICO DE 
PROCESOS 
2.1 Sistema de control de procesos……………………...…………………....31 
2.2 Conceptos básicos……………..……………………………….…..……....44 
2.2.1 Conceptos de control automatización.…………….…………………....45 
2.2.2 Conceptos de instrumentación……………..……………….…..……....47 
2.3 Instrumentación en la industria del arrabio.………………………………51 
2.3.1 Medida de temperatura………………………….………..………………52 
2.3.2 Termopares…………..………………..………………………..…………55 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 6 
 
2.3.3 Medida de presión ………………………………..………………………57 
2.4 Acciones de control…………….……………………..……………….……59 
2.4.1 Control on-off…….…………………………………..……………….……60 
 
CAPÍTULO III INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL DEL PROCESO DE 
OBTENCIÓN DEL HIERRO 
3.1 Alto horno……………………………………………………….……………61 
3.2 Operación del alto horno…………………………………..….……………63 
3.3 Análisis del control actual del alto horno………………………………....66 
3.3.1 Los RTD´S……………………………………………………….…….…..74 
3.3.2 El integrador de peso………………………………………….…….……75 
3.3.3 El medidor de flujo……………….…………………………….……….…76 
3.3.4 El variador de velocidad……………….…………………………..…......77 
 
 
CAPÍTULO IV PROPUESTA DE MEJORA DEL SISTEMA DE CONTROL ACTUAL 
DEL ALTO HORNO 
4.1 Criterios de mejora del sistema del alto horno…………………………...79 
4.1.1 Gas de alto horno y estufas para pre-calentamiento de 
aire…………………………………………………………………………………80 
4.1.2 El tiempo de residencia……………………….…………………………..81 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 7 
 
4.1.3 La presión en el alto horno……………………………………………....80 
4.2 Estrategia de control propuesta…………………………..………………..83 
 
CAPÍTULO V COSTO DEL PROYECTO 
5.1 Alternativas……………………………………………………………..…...89 
Conclusiones………………………………………………………………………….…91 
Recomendaciones……………………………………………………………...…….…93 
Bibliografía…………………………………………………………………………….…95 
Anexos……………………………………………………………………………..……..97 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 8 
 
RESUMEN 
El arrabio tiene una enorme importancia en la vida moderna. Podemos preguntarnos 
lo siguiente: ¿Cómo se podrían construir todos los medios modernos de transportes 
y los innumerables dispositivos mecánicos en que se utiliza el acero para su 
construcción sin mencionar los tornillos, pernos y centenares de otras piezas 
corrientes en el uso diario? 
El arrabio es el primer proceso que se realiza para obtener Acero, los materiales 
básicos empleados son Mineral de Hierro, Coque y Caliza. El coque se quema 
como combustible para calentar el horno, y al arder libera monóxido de carbono, 
que se combina con los óxidos de hierro del mineral y los reduce a hierro metálico. 
Este trabajo es un prototipo que se centra en la parte de la fundición de arrabio para 
producción de acero, específicamente en altos hornos, la cual es controlada por un 
sistema de mediciones sistemáticas, son de radar, lanza de inflamación, sonda fija, 
sonda radar, sonda en movimiento, estos son monitoreados por un software, el cual 
nos ayudará a controlar las variables del horno y así entender la actual problemática 
en el proceso y la necesidad de realizar una mejora en el sistema de control de altos 
hornos. 
Para poder entender mejor lo que es la instrumentación y control de un horno es 
necesario adquirir ciertos conocimientos previos, los cuales son muy extensos, pero 
se puede encontrar una breve semblanza de estos para poder entender mejor este 
trabajo. 
El problema principal de los altos hornos es la investigación y las actualizaciones 
actuales se centran en mejorar la rentabilidad y la duración de la instalación, en este 
caso se trata de hacer una mejora ya que algunas instalaciones se vuelven 
obsoletas, también se tiene muy en cuenta el limitar el impacto ambiental del alto 
horno. 
javascript:openWindow('mh_csh.htm');
javascript:openWindow('cq_csh.htm');
javascript:openWindow('ca_csh.htm');
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 9 
 
Por lo anteriormente mencionadose observa la necesidad de una mejora en el 
sistema de control actual del alto horno, pero, para poder hacerlo, es necesario 
conocer el funcionamiento del mismo, los instrumentos de medición y control con 
los que cuenta, así como también saber con qué tipo de arquitectura de control 
funciona. 
 
INTRODUCCIÓN 
 
El continuo crecimiento de la población y la tecnología ha tenido un avance 
significativo en las últimas décadas, las industrias y empresas dedicadas a la 
fundición de minerales como el hierro en altos hornos han sido víctimas de este 
crecimiento consecutivo, exigiendo cada vez más una mejora de sus procesos y 
productos. 
 
A pesar de esto el arrabio es fundamental para obtener posteriormente el mineral 
hierro, que con una mezcla de coque y caliza forman la base para la mezcla de 
fundido para la producción de acero. Esto, ha tenido un crecimiento considerable y 
continuo. Los altos hornos tienen una producción poco favorable para la elaboración 
de mineral hierro de alta calidad, debido a las impurezas que ocasiona el método 
de fundición. Los beneficios serán obtener una mejor calidad de fundición en un 
menor tiempo, además de reducir los gastos y el impacto ambiental del mismo que 
en estos tiempos es fundamental cumplir con esta parte ya que cumplir con normas 
ambientales es imperativo. 
 
En la década de los sesenta del siglo pasado se introdujo un importante avance en 
la tecnología de altos hornos: la presurización de los hornos. Estrangulando el flujo 
de gas de los respiraderos del horno es posible aumentar la presión del interior del 
horno hasta 1,7 atmósferas o más. La técnica de presurización permite una mejor 
combustión del coque y una mayor producción de hierro. 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 10 
 
 
En muchos altos hornos puede lograrse un aumento de la producción de un 25%. 
En instalaciones experimentales también se ha demostrado que la producción se 
incrementa enriqueciendo el aire con oxígeno. Sin embargo, hay empresas que no 
han implementado este tipo de diseño o sistema para incrementar su productividad. 
 
Se consideró este problema porqué en la actualidad se demanda producción de 
acero de alta calidad debido a sus aplicaciones, para resolver este problema 
suplementará el uso de mejores materiales en una mezcla de la escoria 
(combustible, chatarra, fundente) y mejorar la tecnología del alto horno. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 11 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO I 
PROCESO DE OBTENCIÓN DEL ARRABIO. 
 
 
 
 
 
 
 
 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 12 
 
 
 
1.1- EL ARRABIO, SU PROCESO DE PRODUCCIÓN 
 
No se conoce con exactitud la fecha en que se descubrió la técnica de fundir material 
de hierro para producir un metal para ser utilizado. Las primeras herramientas de 
hierro descubiertas por los arqueólogos en Egipto son del año 3000 a.C., y se sabe 
que incluso antes ya se utilizaba el hierro para adornar. Los griegos ya conocían por 
los alrededores del año 1000 a.C. la técnica para endurecer las armas de hierro 
mediante tratamiento térmico. 
 
Las aleaciones producidas por los primeros artesanos, y todas las aleaciones del 
hierro fabricadas hasta el siglo XIV d.C., se clasificarían actualmente como hierro 
fraguado. Para producir estas aleaciones se calentaba una masa de mineral de 
hierro y carbón vegetal en un horno con tirada forzada. Este tratamiento reducía el 
mineral a una masa esponjosa de hierro metálico plena de unos residuos formada 
por impurezas metálicas y cenizas de carbón vegetal. Esta esponja de hierro se 
retiraba mientras estaba incandescente y se picaba con martillos de gran peso para 
expulsar los residuos, soldar y consolidar el hierro. En algunos casos esta técnica 
de fabricación producía sin quererlo auténtico acero en vez de hierro fraguado. Los 
artesanos del hierro aprendieron a fabricar acero calentando hierro fraguado y 
carbón vegetal en recipientes de arcilla durante algunos días, puesto que así el 
hierro absorbía el suficiente carbono para convertirse en acero auténtico. 
 
Tras el siglo XIV se aumentaron las medidas de los hornos utilizados para la 
fundición y se incrementó la tirada por forzar el paso de los gases de combustión. 
En estos hornos el mineral de hierro de la parte superior del horno se reducía a 
hierro metálico y a continuación absorbía más carbono como resultado de los gases 
que lo atravesaban. El producto de estos hornos se denominaba "arrabio", una 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 13 
 
aleación que se funde a una temperatura más pequeña que el acero o el hierro 
fraguado. El "arrabio" se refinaba tras fabricar el acero. 
 
 La producción moderna de acero utiliza hornos de grandes dimensiones que son 
modelos perfeccionados de los que se utilizaban antiguamente. El inventor británico 
Henry Bessemer fue el primero al utilizar el aire en el proceso de refinado del 
"arrabio", el año 1855 desarrolló el horno o convertidor que trae su nombre. 
 
PROPIEDADES DEL ARRABIO 
 
Para que se denomine arrabio necesita tener las siguientes propiedades: 
Debe contener una aleación que contenga lo siguiente: 1,7% a 6.67% de carbono 
los productos básicos empleados en la producción de arrabio son hierro, coque y 
caliza. 
 
El Coque es un combustible que se obtiene a partir de la destilación destructiva, o 
pirolisis, de determinados carbones minerales, como la hulla o carbones 
bituminosos que poseen propiedades coquizantes; es decir capacidad de 
transformarse en coque después de haber pasado por una fase plástica 
 
Este proceso se hace a temperaturas muy altas en hornos cerrados y a la cual 
añaden calcita para mejorar su combustión, que la aíslan del aire, y que sólo 
contiene una pequeña fracción de las materias volátiles que forman parte de la 
misma. Es producto de la descomposición térmica de carbones bituminosos en 
ausencia de aire. Cuando la hulla se calienta desprende gases que son muy útiles 
industrialmente; el sólido resultante es el carbón de coque, que es liviano y poroso 
La coquización es el proceso de calentamiento en atmósfera inerte de los carbones 
coquizables o cualquier otra sustancia que, de a lugar a un coque, como por ejemplo 
la brea u otros materiales termoplásticos, se pasa por un estado fluido transitorio 
durante un determinado intervalo de temperaturas que varía según el material que 
https://www.ecured.cu/Hulla
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 14 
 
se esté coquizando (en el caso de los carbones coquizables este intervalo puede 
oscilar entre los 350 y 500 ºC). 
Pasado el intervalo fluido (también denominado etapa plástica) se forma el 
semicoque. Al seguir aumentando la temperatura sigue el desprendimiento de 
gases hasta que finalmente se forma el coque. Durante la etapa fluida, o plástica, 
se produce una total reorganización en la micro estructura del material. Así, mientras 
que los carbonizados presentan una microestructura desordenada y, salvo raras 
excepciones, no pueden ser grafitizados; los coques presentan una microestructura 
más ordenada y pueden ser grafitizados si se someten a un proceso de grafitización. 
El coque sustituyó al carbón vegetal como reductor y fuente de energía en los altos 
hornos,facilitando el desarrollo de la industria siderúrgica, que dependía hasta 
entonces de un recurso muy limitado como es la leña. Su empleo se popularizó para 
la calefacción de hogares, pues su combustión no produce humo y es menos 
contaminante. El carbón de coque es un combustible muy importante para la 
fabricación del hierro y del acero. 
 
PROPIEDADES DEL HIERRO. 
El hierro puro tiene una dureza que oscila entre 4 y 5. Es blando, maleable y dúctil. 
Se magnetiza fácilmente a temperatura ordinaria; es difícil magnetizarlo en caliente, 
y a unos 790 °C desaparecen las propiedades magnéticas. Tiene un punto de fusión 
de unos 1535 °C, un punto de ebullición de 2750 °C y una densidad relativa de 7,86. 
Su masa atómica es 55,847. 
 
Presenta diferentes formas estructurales dependiendo de la temperatura y presión 
atmosférica: 
Hierro-α: estable hasta los 911 °C. El sistema cristalino es una red cúbica centrada 
en el cuerpo. 
 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 15 
 
Hierro-γ: 911 °C - 1392 °C; presenta una red cúbica centrada en las caras. 
 
Hierro-δ: 1392 °C - 1539 °C; vuelve a presentar una red cúbica centrada en el 
cuerpo. 
 
Hierro-ε: Puede estabilizarse a altas presiones, presenta estructura hexagonal 
compacta. 
 
ESTADO NATURAL DEL HIERRO 
 
El hierro sólo existe en estado libre en unas pocas localidades, en concreto al oeste 
de Groenlandia, en México los principales lugares de extracción son Zacatecas, 
Coahuila, Puebla y Jalisco. También se encuentra en los meteoritos, normalmente 
aleado con níquel. En forma de compuestos químicos, está distribuido por todo el 
mundo, y ocupa el cuarto lugar en abundancia entre los elementos de la corteza 
terrestre; después del aluminio, es el más abundante de todos los metales. 
 
Los principales minerales de hierro son las hematites. Otros minerales importantes 
son la goetita, la magnetita, la siderita y el hierro del pantano (limonita). La pirita, 
que es un sulfuro de hierro, no se procesa como mineral de hierro porque el azufre 
es muy difícil de eliminar. 
 
También existen pequeñas cantidades de hierro combinadas con aguas naturales y 
en las plantas; además, es un componente de la sangre. 
 
APLICACIONES Y PRODUCCIÓN 
El hierro es el metal duro más usado, con el 95% en peso de la producción mundial 
de metal. El hierro puro (pureza a partir de 99,5%) no tiene demasiadas 
aplicaciones, salvo excepciones para utilizar su potencial magnético. 
 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 16 
 
El hierro tiene su gran aplicación para formar los productos siderúrgicos, utilizando 
éste como elemento matriz para alojar otros elementos elegantes tanto metálicos 
como no metálicos, que confieren distintas propiedades al material. Se considera 
que una aleación de hierro es acero si contiene menos de un 2,1% de carbono; si 
el porcentaje es mayor, recibe el nombre de fundición. 
 
El acero es indispensable debido a su bajo precio y tenacidad, especialmente en 
automóviles, barcos y componentes estructurales de edificios. Las aleaciones 
férreas presentan una gran variedad de propiedades mecánicas dependiendo de su 
composición o el tratamiento que se haya llevado a cabo. 
 
1.2.-PROCESO DE OBTENCIÓN DEL ARRABIO SIMPLIFICADO. 
La mena principal usada en la producción de hierro y acero es la hematita (Fe2O3), 
otras menas incluyen la magnetita (Fe3O4), la siderita (FeCO3) y la limonita (Fe2O3- 
1.5H2O). 
 
Figura 1 Diagrama de flujo de la obtención del arrabio. 
 
EXTRACCION 
DEL MINERAL 
DEL HIERRO 
TRANSPORTE DEL 
MINERAL DEL HIERRO 
PREPARACION 
DEL MINERAL: 
 
 LAVADO 
QUEBRADO 
 CRIBADO 
 
AIRE 
ALTO 
HORNO 
ESCORIA 
ARRABIO 
EXPLOTACION 
DE COQUE 
EXPLOTACION 
DE PIEDRA 
CALIZA 
TRANSPORTE DEL 
MINERAL DE COQUE 
TRANSPORTE DEL 
MINERAL DE CALIZA 
PREPARACION 
DEL MINERAL: 
 
 REFINADO 
CALENTADO 
 
PREPARACION 
DEL MINERAL: 
 
 LAVADO 
QUEBRADO 
 CRIBADO 
 
http://es.wikipedia.org/wiki/Siderurgia
http://es.wikipedia.org/wiki/Acero
http://es.wikipedia.org/wiki/Carbono
http://es.wikipedia.org/wiki/Fundici%C3%B3n_(metalurgia)
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 17 
 
 
 
Las menas de hierro contienen de un 50 a un 70% de hierro, dependiendo de su 
concentración; la hematita contiene casi 70% de hierro. 
Además, hoy se usa ampliamente la chatarra como materia prima para la fabricación 
de hierro y acero. Las otras materias primas que se necesitan para reducir el hierro 
de sus menas, son el coque y la piedra caliza como lo mencionamos anteriormente. 
 
El coque es un combustible de alto carbono, producido por el calentamiento de 
carbón bituminoso en una atmósfera con bajo contenido de oxígeno durante varias 
horas, seguido de una aspersión de agua en torres especiales de enfriamiento. 
 
La coquificación del carbón mineral deja, como subproducto, gas de alto poder 
calorífico, que es utilizado como combustible en los diversos procesos 
subsiguientes. El coque desempeña dos funciones en el proceso de reducción: 
 
1. Es un combustible que proporciona calor para la reacción química. 
2. Produce monóxido de carbono (CO) para reducir las menas de hierro. La 
piedra caliza es una roca que contiene altas proporciones de carbonato de 
calcio (CaCO3). 
 
Esta piedra caliza se usa en el proceso como un fundente que reacciona con las 
impurezas presentes y las remueve del hierro fundido como escoria. 
 
Para producir hierro, se alimenta por la parte superior de un alto horno una carga 
con capas alternadas de coque, piedra caliza y mineral de menas de hierro. Un alto 
horno es virtualmente una planta química que reduce continuamente el hierro del 
mineral. 
 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 18 
 
Químicamente desprende el oxígeno del óxido de hierro existente en el mineral para 
liberar el hierro. Está formado por un recipiente cilíndrico de acero forrado con un 
material no metálico y resistente al calor, como ladrillos refractarios y placas 
refrigerantes. 
 
El diámetro del recipiente cilíndrico es de 9 a 15 m (30 a 50 pies) disminuye hacia 
arriba y hacia abajo, y es máximo en un punto situado aproximadamente a una 
cuarta parte de su altura total de 40 m (125 pies). 
 
La parte inferior del horno está dotada de varias aberturas tubulares llamadas 
toberas, por donde se fuerza el paso del aire. Cerca del fondo se encuentra un 
orificio por el que fluye el arrabio cuando se sangra (o vacía) el alto horno. 
 
Encima de ese orificio, pero debajo de las toberas, hay otro agujero para retirar la 
escoria. La parte superior del horno, contiene respiraderos para los gases de escape 
podríamos llamarlo un sistema de purga de gases y un par de tolvas redondas, 
cerradas por válvulas en forma de campana, por las que se introduce la carga en el 
horno. 
 
Los materiales se llevan hasta las tolvas en pequeñas vagonetas o cucharas que 
se suben por un elevador inclinado situado en el exterior del horno. 
 
Desde la parte baja de la cámara se inyecta por toberas una corriente de gases y 
aire precalentados a 900 °C a gran velocidad para realizar la combustión y la 
reducción del hierro efectuándose la combustión completa del coque que adquiere 
temperaturas máximas entre 1700 a 1800 °C. 
 
Los gases calientes (CO, H2, CO2, H2O, N2, O2 y los combustibles) realizan la 
combustión del coque conforme pasan hacia arriba, a través de la carga de 
materiales. 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMADE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 19 
 
 
El monóxido de carbono se suministra como un gas caliente, pero también se forma 
adicionalmente por la combustión del coque ya que no es una combustión completa. 
El gas CO tiene un efecto reductor sobre las menas de hierro; la reacción 
simplificada se describe a continuación (usando la hematita como la mena original): 
 
Fe 2O3 + CO2----------FeO + CO2… ecuación (1) 
 
El bióxido de carbono CO2 reacciona con el coque para formar más monóxido de 
carbono: 
CO2 + C (coque) 2CO……….ecuación (2) 
 
El cual realiza la reducción final de FeO a hierro: 
 
FeO +CO Fe+CO2…. ecuación (3) 
 
 
Figura 2 Partes de un alto horno. 
 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 20 
 
 
 
 
El hierro fundido escurre hacia abajo, acumulándose en la base del alto horno. El 
hierro fundido de primera fusión, o arrabio se vacía periódicamente en carros 
cuchara o carros torpedo con los cuales se llenan lingoteras o bien se transportan 
a mezcladoras calientes donde se almacenan y se mezclan con otras fundiciones 
para 
curarse posteriormente en algún proceso de obtención del acero (refinación de 
arrabio) este mismo sería un proceso posterior al del arrabio. 
 
Los lingotes se someten a una operación de enfriamiento para convertirse mediante 
procesos metalúrgicos posteriores, en: hierro fundido de segunda fusión, hierro 
dulce, hierro maleable o bien acero. Los altos hornos funcionan de forma continua. 
 
La materia prima que se va a introducir en el horno se divide en un determinado 
número de pequeñas cargas que se introducen a intervalos de entre 10 y 15 
minutos. La escoria que flota sobre el metal fundido se retira una vez cada dos 
horas, y el arrabio se sangra cinco veces al día. El papel que juega la piedra caliza 
se resume en la siguiente ecuación. 
 
Primero se reduce a cal (CaO) por calentamiento: 
 
CaCO3 CaO + CO2…. Ecuación (4) 
 
La piedra caliza se combina con la sílice (SiO2) presente en el mineral (la sílice no 
se funde a la temperatura del horno) para formar silicato de calcio (CaSiO4), de 
menor punto de fusión. 
 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 21 
 
Si no se agregara la caliza, entonces se formaría silicato de hierro (Fe2SiO4), con lo 
que se perdería el hierro metálico, allí está la importancia de la piedra caliza. 
 
La cal se combina con impurezas tales como sílice (SiO2), azufre (S) y aluminio (Al2 
O3) para formar silicatos de calcio y de aluminio, en reacciones que producen una 
escoria fundida que flota encima del hierro y así poder retirarla de nuestros 
procesos. 
 
El arrabio o hierro de primera fusión no se puede utilizar directamente en la industria 
por ser muy quebradizo debido a sus impurezas y poca resistencia contiene 
excesivo 
Carbón, de 2.2% a 4.5%, además de cantidades de silicio, magnesio, fósforo cuyos 
contenidos son muy variables, así que se recomienda llevar a otro proceso para así 
usarlo en la obtención del acero o lo que se quiera producir. 
 
 
TRITURACIÓN Y MOLIENDA: 
 
La trituración tiene por objeto reducir el tamaño de los minerales. Se hace en seco 
en máquinas llamadas trituradoras, que pueden ser de mandíbulas o giratorias. 
 
 
Fig.3. Ejemplo de una planta de trituración. 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 22 
 
 
 
Figura. 4. Ejemplo de una molienda de hierro. 
 
La molienda puede hacerse con materiales húmedos o secos. Se utilizan los 
molinos rotatorios. La diferencia entre un proceso y otro está en el tamaño de los 
materiales obtenidos en cada proceso: en la molienda se obtiene el mineral en 
partículas más pequeñas que en la trituración. 
 
CLASIFICACIÓN 
 
Es la separación del material obtenido en los procesos anteriores por tamaños 
similares. Se utilizan diversos instrumentos y procedimientos. 
 
Criba: separan el material por tamaño, por una parte, los que pasan por una malla 
y los que no pasan. 
Tamiz: es una criba fina y se usa para obtener partículas muy pequeñas. 
 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 23 
 
 
Figura.5 Criba y tamiz. 
 
 
CONCENTRACIÓN 
 
Es la operación de separar la mena de la ganga. Los procedimientos son: 
 
Flotación: Se separan las partículas de materiales diferentes haciendo que las de 
uno de ellos flote sobre un líquido y las demás estén sumergidas en él. 
Separación magnética: Un material con propiedades magnéticas se puede separar 
de la ganga aplicando al conjunto un campo magnético. 
 
PROCESO DE PELETIZACIÓN DEL HIERRO 
El proceso productivo se inicia con la extracción del mineral de hierro desde las 
minas en el norte de nuestro país (III y IV regiones). Si el mineral posee bajo 
contenido de impurezas (principalmente fósforo y azufre), puede ser utilizado para 
carga directa a Altos Hornos, requiriendo sólo tratamientos de molienda y 
concentración. 
Este es el caso de Mina El Romeral. Si, por el contrario, el contenido de impurezas 
es relativamente alto, se realiza también la molienda y concentración, pero requiere 
además de un proceso químico de peletización, donde se reducen 
significativamente dichas impurezas. 
 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 24 
 
Este es el caso de las minas los Colorados y el Algarrobo, en que el mineral se 
transporta por vía férrea hacia la Planta de Pellet de Valle del Huasco. 
 Siguiente se observa este proceso en 2 etapas 
 
 
Figura 6 Molienda. 
 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 25 
 
 
 
 
 
Figura 7 Peletización y Endurecimiento Térmico. 
 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 26 
 
 
 
 
1.3-EL ACERO EN LA CONSTRUCCION. 
 
La industria de la construcción es el sector donde se pueden apreciar y demostrar 
las múltiples propiedades del acero en todas sus formas y presentaciones. La 
calidad del producto es el factor más importante para asegurar trabajos de gran 
durabilidad, resistencia y economía. 
 
Uno de los materiales más utilizados en la edificación de obras es el acero y dentro 
de ellos el fierro. Este material es uno de los más importantes pues es en base a 
fierros que se hace el esqueleto de una estructura, como zapatas, columnas, vigas, 
dinteles, placas, viguetas, etcétera. 
El Acero como material de construcción es muy utilizado debido a su rápida 
colocación, y sus óptimas propiedades a Tracción. En los últimos años se ha 
encarecido mucho el acero por lo que es un material no-económico y desde el punto 
de vista medioambiental, su producción conlleva un alto gasto energético, pero al 
ser un producto industrial su calidad es buena y su aplicación como armadura 
para Hormigónes extendida en todo el mundo. 
 
1.4.-ACERO EN LA INDUSTRIA 
 
La producción de acero tuvo efectos de arrastre sobre otros sectores haciendo que 
éstos también crecieran. Arrastró, por lo tanto, a la minería, a los transportes y a la 
construcción de máquinas. Aumentó el número de trabajadores en las minas y en 
las fábricas,impulsó la aparición de nuevas fábricas metalúrgicas, canales, 
ferrocarriles, puertos y astilleros. 
 
http://www.construmatica.com/construpedia/Acero
http://www.construmatica.com/construpedia/Tracci%C3%B3n
http://www.construmatica.com/construpedia/Hormig%C3%B3n
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 27 
 
Se ha definido tradicionalmente la industria pesada como aquella dedicada 
principalmente a la transformación de las materias primas de origen mineral, y en 
especial de los metales. Por su importancia creciente, se estima también dentro de 
este sector la industria de los materiales sintéticos. 
 
El acero se usa para la fabricación de herramientas, utensilios, equipos mecánicos, 
partes de electrodomésticos y maquinas industriales. El acero se consume en la 
construcción de camiones y de maquinaria para la agricultura. 
Las construcciones ferroviarias, ya sea de vías o material rodantes, consumen 
grandes cantidades de acero. Se puede encontrar este elemento en la industria de 
las armas, sobre todo en el armamento pesado, vehículos blindados y acorazados. 
Los astilleros que construyen barcos petroleros, gasistas y buques cisternas son 
grandes consumidores del acero. 
Otra industria que recurre mucho al acero es la automotriz, ya que muchas partes 
de los automóviles están compuestas por ese material, por ejemplo: el cigüeñal, 
piñones, ejes de transmisión de caja de velocidades y brazos de articulación de la 
dirección. 
Así, las industrias de este sector abarcan desde todas las actividades siderúrgicas 
(extracción de los minerales de hierro, fundición, laminación y transformación del 
arrabio en acero), hasta su aplicación en las más diversas construcciones y 
estructuras, tales como la construcción naval, automóvil, maquinaria, edificación, 
entre otras muchas. 
 
De este sector se alimentan las diversas industrias de transformación y conformado, 
sea para elaborar productos acabados o para suministrar piezas y elementos 
destinados a otras industrias. 
 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 28 
 
Se debe su importancia no sólo al volumen, sino también a las numerosas industrias 
subsidiarias proveedoras. 
 
Así, esta industria requiere de otras que elaboren y suministren variados dispositivos 
y maquinaria, tales como motores, máquinas herramienta, elementos eléctricos y 
equipos electrónicos, etcetera. Además, en los lugares donde se asientan, estas 
industrias conforman un tejido socioeconómico de primer nivel por la riqueza que 
aportan. 
 
Siderurgia: La actividad de la siderurgia comprende una larga serie de fases 
productivas que van desde la obtención del acero hasta las diferentes líneas de 
producción. 
En el primer paso, hay dos procesos principales para obtener acero: la siderúrgica 
integrada, que parte de la utilización del mineral ferroso y la semi-integrada, cuyas 
materias primas principales son la chatarra ferrosa y las ferroaleaciones. 
 
Las empresas semi-integradas: Son aquellas que producen acero a partir de 
chatarra. Cuentan con instalaciones para dos de las etapas del proceso de 
producción: reducción y acería y laminación; existen 19 empresas de este tipo en 
México. 
 
Altos Hornos de México, S.A. de C.V. (AHMSA) es la mayor siderúrgica integrada 
del país. Sus oficinas corporativas se localizan en Monclova, Coahuila, en la región 
centro del Estado de Coahuila, a 250 kilómetros de la frontera con Estados Unidos. 
AHMSA opera una extensa cadena industrial desde la extracción de minerales de 
fierro y carbón hasta la manufactura de aceros. Cuenta con dos plantas siderúrgicas 
en la ciudad de Monclova, que cubren una extensión de 1,200 hectáreas. 
 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 29 
 
Adicionalmente, en la región carbonífera de Coahuila, a 110 kilómetros de 
Monclova, tiene minas propias de carbón metalúrgico, que es transportado por 
ferrocarril a las siderúrgicas. 
 
En el Municipio de Nava, junto a la frontera con Estados Unidos de América, operan 
minas de carbón térmico, que generan alrededor de 7 millones de toneladas anuales 
de energético destinado a las plantas locales de la Comisión Federal de Electricidad 
(CFE). 
 
Los principales yacimientos de fierro se localizan en la zona desértica de Coahuila 
y el mineral concentrado se envía a Monclova a través de un ferro ducto de 295 
kilómetros. Se tienen también minas de fierro en otros estados de la República. 
 
Actualmente AHMSA opera a un ritmo superior a 3.5 millones de toneladas anuales 
de acero líquido, y cuenta con una plantilla laboral de 19,000 personas, incluyendo 
sus empresas subsidiarias mineras. 
 
AHMSA es líder nacional en producción y comercialización de productos planos: 
lámina rolada en caliente, placa, lámina rolada en frío, hojalata y lámina cromada. 
Cuenta además con facilidades para perfiles estructurales. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 30 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO II 
 
CONCEPTOS BÁSICOS DE CONTROL 
AUTOMÁTICO DE PROCESOS. 
 
 
 
 
 
 
 
 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 31 
 
 
 
2.1-SISTEMA DE CONTROL DE PROCESOS 
 
El propósito principal de este capítulo es demostrar la necesidad del control 
automático de procesos y a su vez definir la nomenclatura básica para poder 
implementar el control automático a los altos hornos y lograr así la mejora 
previamente propuesta. 
 
Los procesos son de naturaleza dinámica, en ellos siempre ocurren cambios y si no 
se emprenden las acciones pertinentes, las variables importantes del proceso, es 
decir, aquellas que se relacionan con la seguridad, la calidad del producto y los 
índices de producción, no cumplirán con las condiciones de diseño. 
 
En este capítulo se presenta una breve descripción de algunas arquitecturas de 
sistemas de control, y algunos de sus componentes, se definen algunos de los 
términos que se usan en el campo del control de procesos. 
 
El objetivo del control automático de procesos es mantener en determinado valor de 
operación las variables del proceso tales como: temperaturas, presiones, flujos y 
compuestos. 
En todos estos procesos es absolutamente necesario controlar y mantener 
constantes algunas magnitudes, tales como variables del proceso: la presión, el 
caudal, el nivel, la temperatura, el pH, la conductividad, la velocidad, la humedad, 
etcétera. 
Los instrumentos de medición y control permiten el mantenimiento y la regulación 
de estas variables en condiciones más idóneas que las que el propio operador 
podría realizar. 
 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 32 
 
El alto horno que es utilizado para la fundición del arrabio no es la excepción 
hablando de avances en el control e instrumentación, pero para poder entender 
mejor esto es necesario conocer cierta terminología. 
 
En la figura 8. Se muestran los componentes básicos de un sistema de control, lo 
que será descrito más a fondo en capítulos posteriores. 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 8 componentes básicos de un sistema de control. 
 
SET POINT
CONTROLADOR
ELEMENTO 
FINAL DE 
CONTROL
PROCESOSENSOR
TRANSMISOR
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMADE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 33 
 
 
 
 
 
SELECCIÓN DE PARÁMETROS REGULADORES DEL PROCESO 
 
La regulación del estado térmico del alto horno en las zonas superiores da lugar a 
notables retardos en el tiempo, debidos a la velocidad de descenso de los materiales 
de la carga, según la altura del horno, y a la propia inercia de los procesos térmicos. 
 
La regulación en las zonas superiores debe realizarse en combinación con las 
acciones en las zonas inferiores, ya que éstas no están sometidas a retardos y los 
efectos en su control son más inmediatos. 
 
Todas las acciones reguladoras en la parte inferior del horno son efectivas para 
controlar el calentamiento del crisol, salvo con aquellos combustibles auxiliares (gas 
natural y fuel oil) que se inyectan con el viento. 
 
Al analizar las características dinámicas del horno, en función de los combustibles 
inyectados, se ha determinado que la influencia de estos, al variar sus caudales de 
inyección, es compleja y su acción sobre el contenido de silicio del arrabio (Figura 
9) se manifiesta de dos maneras. Inicialmente, éste tiende a disminuir y después 
aumenta. 
 
Experimentalmente, se ha comprobado que el efecto completo de regulación se 
alcanza después de 12-18 h. El carácter complejo de los procesos transitorios al 
variar los caudales de inyección de gas natural y fuel oil está relacionado, en 
particular, con la disociación de grandes cantidades de hidrógeno. 
 
 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 34 
 
 
 
 
a) 
 
 
 
b) 
 
 
Figura 9. Dinámica de la variación del contenido de silicio en el arrabio 
mediante la regulación del estado térmico del crisol, a) Inyección de 1.000 
m3/h de gas natural, b) Inyección de carbón pulverizado. 
 
 
El flujo de carbón pulverizado (ICP) por toberas, de composición química similar a 
la del coque, no provoca variaciones considerables ni en la composición ni en el 
volumen de gases en las toberas. 
 
Por tanto, la influencia de su tasa de inyección en el contenido de silicio en el arrabio 
(Figura 9b) tiene lugar por un principio más simple. 
 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 35 
 
 
La ecuación que expresa la variación del contenido de silicio en el arrabio, al variar 
la tasa de inyección de carbón pulverizado (ICP) tiene la forma: 
 
∆(𝑆𝑖) = 0.0085 ∆𝑆2(1 − 𝑒
−(𝜏−0.5)/3.5) … … … (1) 
dónde: 
 
Si = Variación del contenido de silicio en el arrabio, en %. 
S2 = Variación de la tasa ICP, en kg/t de arrabio. 
r = tiempo, h. 
 
El análisis de la fórmula [1] muestra que el efecto completo de la regulación para un 
tiempo constante (T = 3,5 h) se alcanza prácticamente en unas 8-9 h. En este caso, 
al inyectar CP, el contenido de silicio en el arrabio varía en una media de 0,085 % 
por cada 10 kg CP/t de arrabio. 
 
Las investigaciones han permitido elaborar y utilizar en los altos hornos de la planta 
siderúrgica de Donetsk (Ucrania) un método de control térmico del crisol, mediante 
la inyección de Carbón pulverizado En la figura 9 se incluye un ejemplo de control 
del régimen térmico de fusión con utilización de carbón pulverizado. 
 
En la figura 9a) se aprecia que cuando la relación aglomerado/coque (A/C) en la 
carga del horno se reduce de 3,08 a 3,02 t/t, mediante la conveniente disminución 
del consumo de aglomerado (principalmente sínter), la temperatura del arrabio es 
de 1.450 °C, con un contenido de silicio del 0,45 %. 
 
Tanto durante el período analizado como durante los días anteriores no se varían 
otros parámetros del viento. Una hora después, se inicia la (inyección de carbón 
pulverizado) “ICP” en una cantidad de 2,25 t/h hasta alcanzar un caudal de 4 t/h. 
 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 36 
 
En estas condiciones, se mantiene la relación A/C en 3,02 t/t. Como resultado de la 
ICP (inyección de carbón pulverizado), la temperatura del arrabio se eleva en 40-50 
°C y el contenido de silicio en el arrabio, en 0,5 %. 
 
En la figura 9b) se observa que, en el momento de la colada, que termina 17 h 
después, la temperatura del arrabio alcanza los 1.530 °C con un contenido de silicio 
del 1,52 %. En la colada siguiente, la temperatura del arrabio se mantiene en 1.530 
°C y el contenido de silicio alcanza el 1,64 %. 
 
Transcurridas 19 h, la relación aglomerado/coque aumenta a 3,23 t/t, mediante el 
aumento de la correspondiente cantidad de aglomerado. Nota 6 Al mismo tiempo, se 
deja de inyectar CP, cuyo caudal era de 5 t/h. A continuación, el horno opera durante 
8 h sin ICP, y con una elevada relación A/C. 
 
Como resultado de no inyectar CP y de disminuir la cantidad de coque en la relación 
A/C, la temperatura del arrabio desciende a 1.460 °C y el contenido de silicio se 
reduce a 0,8 %. Posteriormente, se restablece la ICP( inyección de carbón 
pulverizado). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 37 
 
 
 
 
 
Figura. 10. — Control del régimen térmico del crisol con utilización de carbón 
pulverizado (CP) y la relación aglomerado/coque (A/C). a) Primer período de 
experimentación, b) Segundo período de experimentación. 
 
Por tanto, la rápida respuesta de la ICP (inyección de carbón pulverizado) y el 
carácter simple del proceso transitorio ofrece ventajas en el caso de que sea 
necesario regular el estado térmico del crisol. La correspondencia en magnitud y 
tiempo entre las variaciones de la tasa de ICP (inyección de carbón pulverizado) y 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 38 
 
la relación de materiales en la carga garantiza el control óptimo del régimen térmico 
de fusión. 
 
Entre otras acciones de control en la zona baja del horno, hay que tener en cuenta 
también el empleo de vapor de agua. La moderna tecnología de inyección de CP, 
se debe acompañar con la inyección de vapor de agua en el viento para mantener 
el nivel requerido en la temperatura adiabática de la llama. 
 
FUNDAMENTOS Y SELECCIÓN DE LOS CRITERIOS PARA DETERMINAR EL 
ESTADO TÉRMICO DEL ALTO HORNO 
 
El estado térmico del horno alto está interrelacionado con procesos de intercambio 
térmico y de masas, lo que dificulta la selección de parámetros que permitan su 
caracterización de forma efectiva. En un alto horno en operación, el estado térmico 
del horno se determina por el contenido de silicio en el arrabio. 
 
Sin embargo, una vez que termina la colada, los resultados de los análisis químicos 
se demoran considerablemente, lo cual dificulta el control del estado térmico del 
horno. Además, el contenido de silicio en el arrabio no es un parámetro que 
determine unilateralmente el estado térmico, ya que su magnitud también depende 
de la basicidad de la escoria y de otra serie de factores. 
 
En su conjunto, la composición química y la temperatura de los productos líquidos 
de la fusión caracterizan bastante bien el estado térmico del crisol del horno; sin 
embargo, hasta hace poco no existían medios adecuados para medir la temperatura 
del arrabio en continuo. 
 
Últimamente, en la industria de instrumentación y control, se han desarrollado 
monitores fotopirométricos que, con una exactitud similar a la de los termopares, 
garantizan la medida delas temperaturas del arrabio y de la escoria durante la 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 39 
 
colada. Estos equipos están construidos tomando como base modificaciones en la 
relación espectral e irradiación parcial de los fotodiodos, para que trabajen en un 
limitado rango espectral de longitud de onda. 
 
Dichos equipos son sistemas seguros y simples para el control automático de las 
temperaturas del arrabio y de la escoria a medida que sean colados del horno. 
 
En este caso, para la medida automática en continuo de la temperatura del arrabio 
durante la colada, se ha utilizado un sensor fotopirométrico que controla la 
temperatura de la superficie de los cuerpos calientes según el calor que irradian. El 
margen de error en el registro de este equipo fue de 1,0-1,5 %. 
 
Las informaciones sobre la temperatura y el contenido de silicio en el arrabio pueden 
utilizarse en el SAD cuando entre los calentamientos físicos y químicos del arrabio 
existe una relación fiable. El cálculo termodinámico de la reducción del silicio en el 
horno alto, según la reacción en la que la sílice contenida en la escoria (Si02) se 
reduce a silicio que se incorpora al arrabio [Si], expresada como: 
 
Si02 + 2C = Si + 2CO, en presencia de arrabio, permite obtener la expresión 
siguiente para determinar la temperatura del arrabio: 
 
 
𝒯𝑎 =
571.222
𝐾 − 80.451𝑙𝑔 (
𝐶𝑎𝑂
𝑆𝑖𝑂2
) − 19.551𝑙𝑔(𝑆𝑖)
− 273 … … … . (2) 
donde: 
 
𝒯𝑎 =Temperatura del arrabio, °C. 
K = Coeficiente, que depende de la presión parcial del CO en el crisol del horno 
(para Pc o = 98 kPa, AT= 361,58). 
[Si] = Contenido de silicio en el arrabio, %. 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 40 
 
 
En la medida en que se ha perfeccionado la tecnología de operación del alto horno 
(mejoras en la preparación de las materias primas, disminución del volumen de 
escoria, optimización de su composición, aumentos de la presión del viento y de los 
gases en el tragante, ICP, así como aumento del volumen útil de los hornos), se ha 
observado una tendencia al aumento de la temperatura del arrabio. 
 
 
Al variar la temperatura en la zona de toberas, se puede regular la cantidad de CO 
que se forma a partir del SiO2 de las cenizas del combustible según SiO2 + 2C -> S 
+ 2 CO e influir en la velocidad de reducción a SiO de la sílice contenida en la 
escoria. 
 
La limitación de la sublimación del SiO2 a SiO puede ser provocada por ciertos 
factores, tales como: 
 
- Disminución de la actividad del SiO2 como resultado del aumento tanto de la 
basicidad de la carga como del contenido de MgO. 
 
- Disminución de la presión parcial del SiO al disminuir la temperatura delante de 
las toberas. 
 
- Aumento de la presión parcial del CO debido al incremento de la presión en el 
tragante. 
 
- Incremento de la eficiencia del horno como resultado del aumento de la velocidad 
de goteo de los productos líquidos de la fusión y disminución de su tiempo de 
retención en la zona cohesiva. 
 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 41 
 
- Inyección por toberas de CP, mineral de hierro y fundentes (especialmente 
magnésicos). 
 
Si se logra controlar el proceso del horno de tal forma que el silicio pase al arrabio 
sólo a partir del SiO procedente de las cenizas del combustible que se quema en 
toberas, entonces se podrá obtener arrabio con 0,1 % Si y temperatura de 1.500 °C. 
 
DESARROLLO DE UN ALGORITMO DE CONTROL PARA EL RÉGIMEN 
TÉRMICO DEL CRISOL 
 
El control del estado térmico del crisol del alto horno se emplea como un parámetro 
de respuesta rápida para regular la tasa de ICP, y también como criterio de calidad 
del calentamiento del crisol, las desviaciones de la energía térmica del arrabio y de 
sus componentes. 
 
En la figura 11, se detalla el ordinograma que implementa el algoritmo de control 
que comanda el SAD. Ha sido desarrollado en un microcomputador cuya plataforma 
Hw está basada en un microprocesador análogo al 486 de Intel. 
 
Este microcomputador posee un sistema operativo DOS 5.3 con una memoria RAM 
de 16 Mb y un disco duro de 640 Mb; también contiene un amplio surtido de módulos 
que enlazan distintos periféricos, tipo captadores comunicaciones vía Ethernet, 
reguladores, etc., según se contempla en el diagrama de bloques de la figura 11. 
 
Existe un módulo de adquisición de datos cuyo núcleo es un convertidor analógico-
digital para bus AT, que recibe las señales, tanto analógicas como digitales de 
diferentes captadores y transductores, como la temperatura del arrabio durante la 
colada. 
 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 42 
 
Otro módulo de comunicaciones, en entorno Ethernet, garantiza las mismas (datos 
y órdenes) entre este microcomputador y otros computadores de procesos tanto 
remotos como centralizados (transmiten, por ejemplo, los resultados de los análisis 
químicos del arrabio y de la escoria). 
 
Otro módulo de conversión analógico-digital sirve para transmitir órdenes a los 
actuadores. Existen, asimismo, módulos exteriores de ampliación de memoria (tanto 
RAM como EPROM). El sistema trabaja de la forma siguiente. Se mide el caudal de 
 
CP inyectado al horno. Durante el período de colada se interrumpe la ICP, y el 
sistema pasa a la medición de temperaturas del arrabio. 
 
 
SILICIO EN EL 
ARRABIO, % 
TEMPERATURA DEL 
ARRABIO °C 
ENERGIA , KJ/KG PROPORCION % 
0.4 1.380 7.926 890 8.816 89.9 10.1 
0.5 1.400 7.946 905 8.851 89.8 10.2 
0.6 1.420 7.971 918 8.889 89.6 10.4 
0.7 1.440 7.993 934 8.927 89.5 10.5 
0.8 1.460 8.015 949 8.964 89.4 10.6 
0.9 1.480 8.037 963 9.00 89.3 10.7 
1.0 1.500 8.058 978 9.036 89.2 10.8 
 
TABLA 1. Parámetros energéticos del estado térmico del crisol. 
 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 43 
 
 
𝑆2 
 
𝑆3 
 
 
CaO/SiO2 
 
 (Mg)+ % 
 
 (S)+ % 
 
(Si)+ % 
T°, °C 
RECOMENDACIONES 
En el párrafo siguiente se presentan los cuatro componentes básicos de todo 
sistema de control, estos son: 
1. Sensor, que también se conoce como elemento primario. 
2. Transmisor, el cual se conoce como elemento secundario. 
3. Controlador, que es el “cerebro” del sistema de control. 
4. Elemento final de control, frecuentemente se trata de una válvula de control, 
aunque no siempre. 
 
Figura 11. Diagrama de bloques de la plataforma Hw/Sw del SAD. 
 
AMPLIACIONES DE 
MEMORIA 
MICROCOMPUTADOR BASE DE 
DATOS 
TEMPERATURA DEL 
ARRABIO 
COMPUTADOR 
PRINCIPAL 
OTROS 
COMPUTADORES DE 
PROCESO 
DEPARTAMENTO DE 
ANALISIS QUIMICOS 
MODULO DE 
ADQUISICION DE 
DATOS 
MODULO DE 
COMUNICACIÓN 
ETHERNET 
MODULO DE 
COMUNICACIOND/A 
ORDENES A 
ACTUADORES 
ACTUADORES PANEL DE CONTROL 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 44 
 
 
Otros elementos finales de control comúnmente utilizados son las bombas de 
velocidad variable, los transportadores y los motores eléctricos. La importancia de 
estos componentes estriba en que realizan las tres operaciones básicas que deben 
estar presentes en todo sistema de control, estas operaciones son: 
 
1. Medición (M): la medición de la variable que se controla se hace generalmente 
mediante la combinación de sensor y transmisor. 
 
2.Decisión (D): con base en la medición, el controlador decide que hacer para 
mantener la variable en el valor que se desea. 
 
3. Acción (A): como resultado de la decisión del controlador se debe efectuar una 
acción en el sistema, generalmente ésta es realizada por el elemento final de 
control. 
Como se dijo, estas tres operaciones, M, D y A son obligatorias para todo sistema 
de control. 
 
En algunos sistemas, la toma de decisión es sencilla, mientras que en otros es más 
compleja; por lo que al realizar el diseño de un sistema de control primero hay que 
asegurarse que las acciones que se emprendan tengan su efecto en la variable 
controlada, es decir, que la acción emprendida repercuta en el valor que se mide; 
de lo contrario el sistema no controla y puede ocasionar más perjuicio que beneficio. 
 
2.2 CONCEPTOS BÁSICOS 
 
La automatización de procesos es una rama de la ingeniería que requiere un amplio 
conocimiento en diversas áreas. Dada la extensión de los temas que se deben 
conocer, es imposible poder explicarlos todos a fondo en este trabajo, pero a 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 45 
 
continuación se explican algunos conceptos básicos para poder asimilar más 
fácilmente el tema que trata el trabajo. 
 
 
2.2.1 CONCEPTOS DE AUTOMATIZACIÓN. 
 
Ahora es necesario definir algunos de los términos que se usan en el campo de la 
automatización. El primer término es variable controlada, ésta es la variable que se 
debe mantener o controlar dentro de algún valor deseado. 
 
La variable controlada para el alto horno es la temperatura de entrada del proceso 
T(t). El segundo término es punto de control (set-point), el valor que se desea tenga 
la variable controlada. 
 
La variable manipulada es la variable que se utiliza para mantener a la variable 
controlada en el punto de control (punto de fijación o de régimen); en el alto horno 
la variable manipulada es el flujo de vapor. 
 
Finalmente, cualquier variable que ocasiona que la variable de control se desvíe del 
punto de control se define como perturbación o trastorno; en la mayoría de los 
procesos existe una cantidad de perturbaciones diferentes, por ejemplo, en el alto 
horno las posibles perturbaciones son la temperatura de entrada en el proceso, T(t), 
el flujo del proceso, q(t), la calidad de la energía del vapor, las condiciones 
ambientales, la composición del mineral que se procesa, la contaminación, etcetera. 
 
Aquí lo importante es comprender que, en la industria de procesos, estas 
perturbaciones son la causa más común de que se requiera el control automático 
de proceso; si no hubiera alteraciones prevalecerán las condiciones de operación 
del diseño y no se necesitaría supervisar continuamente el proceso. 
 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 46 
 
Los siguientes términos también son importantes. 
Circuito: Una combinación de dos o más instrumentos o funciones de control que 
mandan señales uno a otro con el propósito de medir y/o controlar las variables de 
un proceso. 
El circuito de control es fundamental para que esta comparación y subsiguiente 
corrección sean posibles, que incluya una unidad de medida, una de control, un 
elemento final de control y el propio proceso. Puede ser abierto o cerrado (Creus, 
1999). 
Circuito abierto o lazo abierto: se refiere a la situación en la cual se desconecta el 
controlador del sistema, es decir, el controlador no realiza ninguna función relativa 
a cómo mantener la variable controlada en el punto de control; otro ejemplo en el 
que existe control de circuito abierto es cuando la acción (A) efectuada por el 
controlador no afecta a la medición (M). 
 
Control de circuito o lazo cerrado: se refiere a la situación en la cual se conecta el 
controlador al proceso; el controlador compara el punto de control (la referencia) 
con la variable controlada y determina la acción correctiva. Con la definición de 
estos términos, el objetivo del control automático de procesos se puede establecer 
como sigue: 
 
El objetivo del sistema de control automático de proceso es utilizar la variable 
manipulada para mantener a la variable controlada en el punto de control a pesar 
de las perturbaciones. 
 
 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 47 
 
 
Figura 12 circuito cerrado y circuito abierto. 
 
 
2.2.2 CONCEPTOS DE INSTRUMENTACIÓN 
 
Ya definidos los conceptos básicos de control ahora es necesario conocer 
terminología básica de instrumentación. Los instrumentos de medición y de control 
son relativamente complejos y su función puede comprenderse bien si están 
incluidos dentro de una clasificación adecuada. 
 
Pueden existir varias formas para clasificar los instrumentos, cada una de ellas con 
sus propias ventajas y limitaciones. Se considerarán dos clasificaciones básicas: la 
primera relacionada con la función del instrumento y la segunda con la variable del 
proceso. En este caso se tratará la clasificación en función del instrumento: 
 
De acuerdo con la función del instrumento, obtenemos las formas siguientes: 
 
Instrumentos ciegos: son aquellos que no tienen indicación visible de la variable. 
Hay que hacer notar que son ciegos los instrumentos de alarma, tales como 
presostatos y termostatos (interruptores de presión y temperatura respectivamente) 
que poseen una escala exterior con un índice de selección de la variable, ya que 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 48 
 
sólo ajustan el punto de disparo del interruptor o conmutador al cruzar el valor 
seleccionado. 
 
Son también instrumentos ciegos, los transmisores de caudal, presión, nivel y 
temperatura sin indicación. Los instrumentos indicadores disponen de una pantalla 
o display en la que puede leerse el valor de la variable. 
 
Los instrumentos registradores: registran con trazo continuo o a puntos la variable, 
y pueden ser circulares o de gráfico rectangular o alargado según sea la forma del 
gráfico. 
También existen registradores digitales que guardan sus registros en una memoria 
interna. Los elementos primarios están en contacto con la variable y utilizan o 
absorben energía del medio controlado para dar al sistema de medición una 
indicación en respuesta a la variación de la variable controlada. 
 
El efecto producido por el elemento primario puede ser un cambio de presión, 
fuerza, posición, medida eléctrica, etc. Por ejemplo: en los elementos primarios de 
temperatura de bulbo y capilar, el efecto es la variación de presión del fluido que los 
llena y en los de termopar se presenta una variación de fuerza electromotriz. 
 
Transmisor: Es un dispositivo que detecta una variable de proceso a través del 
medio de un sensor y tiene una salida cuyo valor de estado estacionario varia solo 
con una función predeterminada de la variable de proceso. El sensor puede o no 
ser integral con el transmisor. 
 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 49 
 
 
Figura 13 Trasmisor de presión universal. 
 
Los transmisores captan la variable de proceso a través del elemento primario y la 
transmiten a distancia en forma de señal neumática de margen 3 a 15 psi (libras por 
pulgada cuadrada) o electrónica de 4 a 20 mA de corriente continua, de 0 a 10VCC 
o de algún otro tipo. 
 
La señal digital utilizada en algunos transmisores inteligenteses apta directamente 
para ordenador. El elemento primario puede formar o no parte integral del 
transmisor; el primer caso lo constituye un transmisor de temperatura de bulbo y 
capilar y el segundo un transmisor de caudal con la placa orificio como elemento 
primario. 
 
Transductor: Término general para un dispositivo que recibe información en forma 
de una o más cantidades físicas, modifica la información y/o su forma, si se requiere, 
y produce una señal de salida resultante. Dependiendo de la aplicación, el 
transductor puede ser un elemento primario, transmisor, relé, convertidor u otro 
dispositivo. 
 
Los transductores: reciben una señal de entrada en función de una o más 
cantidades Físicas y la convierten modificada o no a una señal de salida. Son 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 50 
 
transductores, un elemento primario, un transmisor, un convertidor PP /I (presión de 
proceso a intensidad), un convertidor PP / P (presión de proceso a señal neumática), 
etcétera. 
 
Los convertidores: son aparatos que reciben una señal de entrada neumática (3-15 
psi) o electrónica (4-20 mA c.c.) procedente de un instrumento y después de 
modificarla envían la resultante en forma de señal de salida estándar. Ejemplo: un 
convertidor P/I (señal de entrada neumática a señal de salida electrónica), un 
convertidor I/P (señal de entrada eléctrica a señal de salida neumática). Conviene 
señalar que a veces se confunde convertidor con transductor. 
 
Este último término es general y no debe aplicarse a un aparato que convierta una 
señal de instrumentos. Los receptores reciben las señales procedentes de los 
transmisores y las indican o registran. Los receptores envían otra señal de salida 
normalizada a los valores ya indicados 3-15 psi en señal neumática, o 4-20 mA c.c. 
en señal electrónica, que actúan sobre el elemento final de control. 
 
Los controladores comparan la variable controlada (presión, nivel, temperatura) con 
un valor deseado y ejercen una acción correctiva de acuerdo con la desviación. La 
variable controlada la pueden recibir directamente, como controladores locales o 
bien indirectamente en forma de señal neumática, electrónica o digital procedente 
de un transmisor. 
 
El elemento final de control; recibe la señal del controlador y modifica el caudal del 
fluido o agente de control. En el control neumático, el elemento suele ser una válvula 
neumática o un servomotor neumático que efectúan su carrera completa de 3 a 15 
psi (0,2-1 bar). 
 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 51 
 
En el control electrónico la válvula o el servomotor anteriores son accionados a 
través de un convertidor de intensidad a presión (I/P) o señal digital a presión que 
convierte la señal electrónica de 4 a 20 mA C.C. o digital a neumática 3-15 psi. 
 
En el control eléctrico el elemento suele ser una válvula motorizada que efectúa su 
carrera completa accionada por un servomotor eléctrico. 
 
 
2.3 INSTRUMENTACIÓN EN LA INDUSTRIA DEL ARRABIO 
 
Se pudo ver previamente en este capítulo que la instrumentación y el control 
automático son herramientas necesarias en cualquier proceso químico, ya que 
minimiza el error humano, incluido el de elaboración del de arrabio, la industria del 
arrabio ha ido creciendo con el paso de los años y ha sido cada vez más necesario 
un control más eficiente, por lo tanto, se requiere de instrumentos más sofisticados 
y mejor seleccionados. 
 
El proceso de obtención del arrabio es largo y complejo, (previamente mencionado 
en el capítulo 1), y a lo largo del mismo se utiliza una amplia gama de instrumentos 
para la medición de las variables que intervienen en el proceso tales como la 
temperatura, presión, flujo, nivel, peso, posición, velocidad, entre otras. 
 
Para efectos de este trabajo solo se mencionan algunas variables dentro de este 
capítulo ya que son algunas de las que intervienen específicamente en el 
mejoramiento del rendimiento del alto horno, que es la parte del proceso en la que 
se centra este trabajo. 
 
 
 
 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 52 
 
2.3.1 MEDIDA DE TEMPERATURA 
 
La medida de temperatura constituye una de las mediciones más comunes e 
importantes que se efectúan en los procesos industriales. 
 
Las limitaciones de medida del sistema quedan definidas en cada tipo de aplicación 
por la precisión, por la velocidad de captación de la temperatura, por la distancia. 
 
Entre el aparato de medida y el receptor, y por el tipo de instrumento indicador, 
registrador, controlador necesarios; cabe mencionar que es necesaria una 
comprensión clara de los métodos de medida con sus ventajas y desventajas 
propias, para lograr una selección optima del sistema más adecuado. 
 
Para mediciones de altas presiones se utiliza acero inoxidable altamente resistente, 
mientras que para mediciones de presión con elevadas temperaturas se necesita 
acero inoxidable refractario. 
 
Para procesos químicos incluyendo medios muy agresivos en combinación con 
separadores/manómetros con membrana para la medición de presión, o vainas para 
medición de temperatura – se dispone de una amplia gama de materiales 
químicamente resistentes. En estos casos, todas las partes mojadas se fabrican en 
el material especial respectivo. 
 
En manómetros relativos y manómetros de presión diferencial con membrana 
elástica, las partes mojadas pueden ser fabricadas en materiales especiales muy 
diversos. 
 
 
 
 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 53 
 
 
 
Acero inoxidable N° 316L, 1.4571, 1.4404, 
1.4435, 1.4541, 1.4542 
Hastelloy B3 N° 2.4600 
Dúplex 2205 N° 1.4462 Hastelloy C22 N° 2.4602 
Hastelloy C4 N° 2.4610 Incoloy alloy 825 N° 2.4858 
Hastelloy C276 N° 2.4819 Duratherm NiCo 
Inconel alloy 600 N° 2.4816 Níquel N° 2.4066 / 2.4068 
Monel alloy 400 N° 2.4360 Platíno Pt 
Oro Au Titanio N° 3.7035 
Tántalo Ta Cerámica wikaramic® 
Circonio Zr Perfluor-alcoxialcano PFA 
Politetrafluoretileno PTFE 
Copolímero de etanol y etileno-cloro-
trifluoroetileno ECTFE (Halar®) 
 
Tabla 3. Materiales con los que se fabrican los manómetros con tubo de 
Burdon. 
 
Los instrumentos de temperatura utilizan diversos fenómenos que son influidos por 
la temperatura entre los que figuran: 
 
 Variaciones en volumen o en estado de los cuerpos (sólidos, líquidos o 
gases) 
 Variación de resistencia de un conductor (sondas de resistencia) 
 Variación de resistencia de un semiconductor (termistores) 
 FEM creada en la unión de dos metales distintos (termopares) 
 Intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo (pirómetro de radiación) 
 Otros fenómenos utilizados en el laboratorio (velocidad del sonido en un gas, 
resonancia de un cristal, etc.) 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 54 
 
 
De este modo se emplean algunos de los instrumentos siguientes: 
 
 Son de radar para la medición del nivel de carga y de la velocidad de 
descenso de la carga 
 Lanza de inflamación del gas en el tragante 
 Sonda fija por encima de la carga para la medición de la temperatura, de la 
presión y para la toma de gas para analizar 
 Sonda radar en movimiento por encima de la carga para la medición de los 
perfiles de carga, velocidad de descenso de la carga, temperatura, presión y 
toma de gas para analizar. Sonda en movimiento por encima de la carga para la medición de 
temperatura, presión, repartición de la carga y toma de gas para analizar. 
 Sonda en movimiento horizontal en la carga para la medición de la 
temperatura, presión, estratificación de materiales en la carga y toma de gas 
para analizar. 
 Termómetro de vidrio, termómetro bimetálico, elementos primarios de bulbo 
y capilar rellenos de líquido, gas o vapor, termopares, pirómetros de 
radiación, termómetros de resistencia, termómetros ultrasónicos, de cristal 
de cuarzo, etcétera. 
Como se puede ver existen muchos instrumentos para la medición de la 
temperatura, pero en este caso solo se podrán describir los termopares y los RTD´s 
(detector resistivo de temperatura). 
 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 55 
 
 
Figura 14 tubo Bourdon. 
 
 
 
 
 
2.3.2 TERMOPARES 
 
El termopar se basa en un efecto descubierto por Seebeck en 1821, de la circulación 
de una corriente en un circuito formado por dos metales diferentes cuyas uniones 
(unión de medida o caliente, y unión de referencia o fría), se mantienen a distinta 
temperatura, como muestra a continuación. 
 
El rango de medida lo da el material del cual este constituido el termopar. Su 
principio de funcionamiento se basa en generar una Fem (Fuerza Electromotriz) con 
base a una diferencia de materiales con diferentes temperaturas en las uniones. 
 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 56 
 
 
Figura 15 termopar 
 
Esta circulación de corriente obedece a 2 efectos termoeléctricos combinados, el 
efecto Peltier, que provoca la liberación o absorción de calor en la unión de dos 
metales distintos, cuando una corriente circula a través de la unión y el efecto 
Thompson, que consiste en la liberación o absorción de calor cuando una corriente 
circula a través de un metal homogéneo en el que existe un gradiente de 
temperaturas. 
 
 
 
 
 intervalo Limites de Error del Extensión cable límites de 
Tipo de termopar error 
 medida Clase 1 Clase 2 Clase 3 Temperatura Premium Normal 
Cromel-
Constant
an 
tipo E 
-
40a800°
C 
-
40a900°
C 
-
200a40°
C 
±1.5°C a 
±0.4% 
±2.5°C a 
±0.75% 
±2.5°C a 
±1.5% 
-60 
A 
200°C 
- ±1.5°C 
A 
±2% 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 57 
 
Cobre-
Constant
an 
tipo T 
-
40a350°
C 
-
40a350°
C 
-
200a40°
C 
±0.5°C 
±0.4% 
±1°C a 
±0.75% 
±1°C a 
±1.5% 
-60 
A 
95°C 
±0.5°C 
A 
±0.5% 
±1°C 
A 
±0.75% 
Hierro 
Constant
an 
tipo J 
-
40a750°
C 
-
40a750°
C 
±1.5°C a 
±0.4% 
±2.5°C a 
±0.75% 
- 0-200°C ±1°C 
A 
±0.75% 
±2.5°C 
A 
±1.25% 
Cromel-
Alumel 
Tipo K 
-
40a1000
°C 
-
40a1200
°C 
-
200a40°
C 
±1.5°C a 
±0.4% 
±2.5°C a 
±0.75% 
±2.5°C a 
±1.5% 
0-200°C ±1°C 
A 
±0.75% 
±2.5°C 
A 
±2.5% 
Pt-Pt/Th 
13% tipo 
R 
Pt-Pt/Rh 
10% tipo 
S 
0a1600°
C 
0a1600°
C 
±1°C ±1.5°C a 
±0.25% 
- 25 
A 
200°C 
- ±5°C 
A 
±6% 
Pt-Rh 
6%/ Pt-
Rh 30% 
tipoB 
600a170
0°C 
- ±1.5°C a 
±0.25% 
±4°C a 
±0.5% 
25 
A 
200°C 
- ±5°C 
A 
±6% 
 
Tabla 4. Tipos de termopares. 
 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 58 
 
 
 
 
2.3.3 MEDIDA DE PRESIÓN 
 
La presión se define como la fuerza aplicada por unidad de superficie y puede 
explicarse en unidades tales como: pascales, atmosferas, bar, kilogramo por 
centímetro cuadrado, psi. 
 
 Psi Pulgada 
columna 
de agua 
Pulgada 
columna 
Hg 
Atmosfera Kg/cm2 cm 
c.de 
agua 
mm c. 
de Hg 
Bar Pa 
Psi 1 27.68 2.036 0.0680 0.0703 70.31 51.72 0.0689 6894.76 
Pulgada 
c. de a. 
0.0361 1 0.0735 0.0024 0.0025 2.540 1.868 0.0024 249 
Pulgada 
columna 
Hg 
0.4912 13.6 1 0.0334 0.0345 34.53 25.4 0.0338 3386.39 
atmosfera 14.7 406.79 29.92 1 1.033 1033 760 1.0132 1.0133x105 
Kg/cm2 14.22 393.7 28.96 0.9678 1 1000 735.6 0.98 98066 
cm c.de a 0.0142 0.3937 0.0289 0.00096 0.0010 1 0.7355 0.0009 98.06 
mm c. de 
Hg 
0.0193 0.5353 0.0393 0.0013 0.0013 1.359 1 0.00133 133.322 
Bar 14.5 401 29.53 0.987 1.02 1020 750 1 105 
Pa 0.00014 0.0040 0.00029 0.987x10-5 0.102x10-
4 
0.01 0.0075 105 1 
 
Tabla 5 Unidades de presión y equivalencias. 
 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 59 
 
 
 
2.3.4. MEDIDA DE FLUJO. 
 
Existen dos tipos de medidores, los volumétricos que determinan el caudal en 
volumen del fluido, bien sea directamente (desplazamiento), o indirectamente por 
deducción o inferencia (presión diferencial, área variable, velocidad, fuerza, tensión 
inducida, torbellino) y los de masa que determinan el caudal masa. Los medidores 
volumétricos son usados para la medida general de caudal y se destinan los 
medidores de caudal másico a aquellas aplicaciones en que la exactitud de la 
medida es importante. 
 
La medición de flujo o caudal se utiliza en la industria para dos cosas 
fundamentales: 
 
 Contabilidad 
 Control de procesos 
 
Desde el primer punto de vista, los medidores de flujo se utilizan para contabilizar 
la transferencia de materia entre diversas partes del proceso, diferentes compañías, 
o bien entre suministrador y usuario. Un ejemplo claro de esto es cuando se recarga 
gasolina en un automóvil. 
 
En cuanto a control de procesos, la medición de flujo es imprescindible para poder 
realizar control automático, así como para optimizar rendimientos de las unidades 
de producción aplicando balances de materia. Por esta causa los flujos deben 
medirse y controlarse cuidadosamente. 
 
 Existen diversos tipos de medidores de flujo los cuales de los cuales algunos 
son: 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 60 
 
 Medidores de área variable 
 Medidores de desplazamiento positivo 
 Medidores másicos y de presión diferencial 
 Medidores electromagnéticos 
 Medidores de turbina 
 
2.4 ACCIONES DE CONTROL 
 
En los controles automáticos industriales son muy comunes los seis tipos siguientes 
propuestas de acción de control: de dos posiciones, proporcional, integral, 
proporcional y derivativo, proporcional integral, integral proporcional y derivativo. Es 
importante conocer las características básicas de las diversas acciones de control 
para poder elegir la más adecuada según la aplicación. 
 
2.4.1 CONTROL ON-OFF 
En un sistema de control de dos posiciones, el elemento accionador tiene solamente 
dos posiciones fijas, que en la mayoría de los casos son solamente conectado y 
desconectado. 
El control de dos posiciones on -off es relativamente simple y económico, y, por esa 
razón, es ampliamente utilizado en sistemas de control tanto industriales como 
domésticos. 
 
 
 
 
 
 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 61 
 
 
 
 
 
 
 
 
3. CAPÍTULO III 
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL DEL PROCESO 
DE OBTENCIÓN DEL ARABIO. 
 
PROTOTIPO DE MEJORA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE UN ALTO HORNO EN LA FUNDICION DE ARRABIO 
PARA LA PRODUCCION DE ACERO. 
 
 
 
Eduardo Ivan Becerra Camacho. Página 62 
 
 
 
3.1 ALTO HORNO 
 
Un alto horno es un horno especial en el que tienen lugar la fusión de los minerales 
de hierro, coque