Estudio termo-aeráulico de un emplazamiento siderúrgico: optimizar la ventilación, mejorar el confort térmico y reforzar la calidad del aire de las zonas de producción.
En un entorno industrial sometido a fuertes emisiones de calor y de contaminantes, la ventilación natural muestra sus límites. Gracias a un análisis que combina registros in situ y simulación CFD, EOLIOS estudió el comportamiento real de los flujos de aire y propuso soluciones concretas para optimizar la ventilación, mejorar el confort térmico y reforzar la calidad del aire en las zonas de producción.
En el corazón de un emplazamiento que funciona 24 horas al día, sometido a temperaturas extremas y a emisiones masivas de humos metalúrgicos, el calor generado por los convertidores, las cucharas de metal en fusión y la colada continua impone una gestión rigurosa de los flujos aeráulicos.
Con temperaturas cercanas a los 1 600 °C y decenas de miles de m³/h en movimiento, la aireación del emplazamiento se basa en un equilibrio complejo entre extracción de humos y aporte de aire nuevo.
Lo esencial. En un emplazamiento siderúrgico en producción 24 horas al día, el acero fundido (unos 1 600 °C) desprende calor, humos metalúrgicos, CO y polvo fino. Una auditoría in situ (anemometría, pruebas de humo, termografía infrarroja) y un modelo 3D CFD calibrado, resuelto en régimen estacionario y transitorio, revelaron una estratificación bajo la cubierta y una extracción insuficiente. La reapertura de lamas expuestas al viento, aireadores en cubierta y una mejor distribución de las aberturas aumentan los caudales extraídos y reducen las temperaturas y los tiempos de permanencia de los contaminantes, sin obras pesadas.
En el corazón de un emplazamiento siderúrgico que funciona 24 horas al día, sometido a temperaturas extremas y a emisiones masivas de humos metalúrgicos. En esta gigantesca nave industrial, el calor generado por los convertidores, las cucharas de metal en fusión y la colada continua impone una gestión rigurosa de los flujos aeráulicos.
Los procesos de transformación del arrabio en acero generan importantes emisiones de contaminantes atmosféricos: monóxido de carbono (CO), polvo metálico fino, compuestos de manganeso, cromo, zinc o de sílice cristalina. Estos humos, a menudo invisibles a simple vista, pueden concentrarse localmente en ausencia de una extracción eficaz. Además de los riesgos de exposición crónica para los operarios, estos contaminantes están regulados por estrictos Valores Límite de Exposición Profesional (VLEP). La ventilación desempeña un papel crucial para evacuar rápidamente los gases nocivos y diluir las partículas en suspensión, a fin de preservar un entorno de trabajo conforme a las exigencias sanitarias y reglamentarias.
Con temperaturas cercanas a los 1 600 °C y volúmenes de aire en movimiento de varias decenas de miles de metros cúbicos por hora, la aireación del emplazamiento se basa en un equilibrio complejo entre extracción de humos y aporte de aire nuevo. Cualquier perturbación puede afectar a la calidad del aire, a la seguridad de los operarios y a la eficiencia energética de las instalaciones.
El tiro térmico es el movimiento ascendente del aire caliente, más ligero, que escapa por las aberturas altas aspirando aire fresco por abajo. En una acería, las fuentes a 1 600 °C lo convierten en un motor de ventilación natural muy potente.
La producción de acero se apoya en un encadenamiento de procesos de fuerte intensidad energética, que generan grandes volúmenes de calor, gas y partículas. El principio general se basa en las siguientes etapas:
Cada etapa contribuye a una producción localizada de calor y de contaminantes, a menudo concentrados alrededor de los convertidores, las zonas de transferencia de cucharas, la colada continua o los equipos de desescoriado. Las temperaturas de trabajo pueden superar los 1 600 °C, generando flujos de aire caliente ascendentes, emanaciones de gases (CO, CO₂), partículas finas y polvo metálico. Estos fenómenos tienen un impacto directo en la estratificación térmica, el comportamiento de los flujos de aire y la dispersión de los contaminantes. La caracterización de estas emisiones se relaciona con nuestra pericia sobre la medición y el estudio de impacto de la contaminación del aire.
Comprender estos mecanismos es esencial para dimensionar un sistema de ventilación capaz de renovar el aire eficazmente, de evacuar el calor excedente y de limitar la exposición de los operarios.
El proceso siderúrgico genera una gran variedad de contaminantes atmosféricos, en relación directa con las altas temperaturas y las reacciones químicas puestas en marcha en los convertidores y durante los tratamientos metalúrgicos. Los principales compuestos emitidos son:
Estas sustancias, a veces invisibles a simple vista, pueden acumularse en los volúmenes altos o dispersarse lentamente si no se establece ningún mecanismo de extracción eficaz.
La reglamentación impone Valores Límite de Exposición Profesional (VLEP) para regular la exposición a las sustancias peligrosas. Estos umbrales, expresados en mg/m³ o ppm, buscan limitar los efectos a corto y largo plazo sobre la salud (trastornos respiratorios, intoxicaciones, enfermedades crónicas).
Los compuestos presentes en los humos, como el CO o las partículas metálicas, están estrictamente regulados. La superación de estos umbrales impone medidas correctivas inmediatas: captación en la fuente, ventilación localizada o el uso de equipos de protección individual (EPI) adecuados.
Los Valores Límite de Exposición Profesional fijan las concentraciones máximas de contaminantes toleradas en el aire respirado por los operarios, sobre 8 horas o sobre periodos cortos. Sirven de criterio para dimensionar la extracción y la captación en la fuente.
Una exposición crónica a concentraciones demasiado elevadas de contaminantes puede provocar patologías respiratorias, trastornos neurológicos o efectos sistémicos. Entre los riesgos reconocidos en la industria siderúrgica:
El control de la calidad del aire interior es, por tanto, una cuestión de salud pública y de responsabilidad para el explotador.
Durante la auditoría, mediciones puntuales permitieron caracterizar los contaminantes, en particular las partículas finas. Algunas zonas, como las situadas bajo la cubierta o cerca de los equipos, permanecen sin embargo inaccesibles. Para completarlas, EOLIOS puso en marcha una modelización escalar CFD, que reproduce virtualmente:
Este enfoque permite identificar los sectores de riesgo que requieren acciones correctivas focalizadas.
El conjunto de los datos recopilados, enriquecidos por la simulación CFD, constituye una base sólida para acompañar los trámites reglamentarios, en particular:
Contrariamente a otros entornos industriales equipados con ventilación mecánica controlada, este emplazamiento se apoya principalmente en una ventilación natural. Se basa en dos principios físicos: la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior (que crea un tiro térmico vertical) y la presión del viento sobre las fachadas.
El aire caliente, más ligero, sube y escapa por los aireadores en cubierta, mientras que el aire fresco penetra por las aberturas bajas. Este enfoque pasivo, sin sistema motorizado, aprovecha las condiciones naturales para asegurar la renovación del aire. Robusto y económico, este modo de funcionamiento plantea sin embargo varias problemáticas mayores en un contexto industrial intensivo:
Si bien la ventilación natural asegura una parte de la renovación de aire general, no puede por sí sola garantizar la evacuación rápida y localizada de los contaminantes generados en los puestos de producción. El emplazamiento se apoya, por tanto, en un sistema de ventilación mecánica focalizada, concebido para aspirar las emisiones críticas desde su punto de origen.
Este principio se basa en campanas de aspiración, captadores y dispositivos de captación posicionados lo más cerca posible de las fuentes (convertidores, hornos, cucharas llenas, colada continua, zonas de desescoriado). Capturan humos, gases y partículas antes de su dispersión, limitando su propagación en la nave y manteniendo las concentraciones por debajo de los umbrales de los VLEP.
Este tipo de instalación implica varias limitaciones técnicas: un dimensionamiento preciso de los caudales de extracción según la intensidad de las emisiones, una eficacia fuertemente dependiente de la configuración de los equipos y de la proximidad de los captadores, y un consumo energético nada despreciable. De ahí el interés de asociarla inteligentemente a la ventilación natural para concebir un sistema híbrido equilibrado, a la vez eficiente y económico.
Para responder a estos retos, EOLIOS llevó a cabo un estudio termo-aeráulico completo, asociando registros in situ y simulaciones numéricas CFD. Este análisis permitió:
Antes de plantear cualquier optimización, es esencial comprender con precisión cómo circula el aire dentro del emplazamiento. EOLIOS desplegó una metodología rigurosa de auditoría aeráulica, que combina registros in situ y modelización numérica. Durante varios días, los ingenieros analizaron el comportamiento de las masas de aire y las interacciones entre la ventilación natural y las emisiones industriales, para obtener una visión completa de los movimientos de aire e identificar los ejes de mejora.
Con ayuda de un anemómetro calibrado, se registraron las velocidades de aire en los puntos de entrada y de salida del edificio, así como dentro de las naves de producción, a fin de cuantificar los flujos aeráulicos y evaluar la intensidad de la renovación de aire natural.
Paralelamente, se realizaron registros de temperatura a diferentes alturas. Pusieron en evidencia una estratificación térmica marcada: el aire caliente se acumula en altura mientras que el aire más fresco permanece en el suelo. Estos gradientes verticales traducen un movimiento lento de las masas de aire caliente, a veces atrapadas bajo la cubierta en ausencia de un tiro eficaz.
Este análisis fino permitió identificar las zonas de disconfort térmico y los sectores mal ventilados, donde la extracción natural es insuficiente.
Las pruebas de humo permiten visualizar en tiempo real la dirección y la velocidad de los flujos de aire. EOLIOS utilizó una máquina de humo frío, adaptada a los entornos industriales: difundiendo un humo fino y ligero en diferentes zonas, fue posible trazar el recorrido del aire, detectar las zonas de estancamiento o de recirculación e identificar las corrientes dominantes. Los resultados revelaron varios fenómenos notables:
Estas observaciones visuales constituyeron una base valiosa para la modelización CFD, permitiendo validar las hipótesis y ajustar los parámetros de simulación.
Para una visión global del balance térmico, EOLIOS utilizó la termografía infrarroja. Con ayuda de una cámara térmica de alta resolución, los ingenieros analizaron las superficies de los equipos e infraestructuras en interacción directa con el aire, lo que permitió identificar:
Estos registros fueron esenciales para definir las condiciones de contorno del modelo CFD: las temperaturas de superficie sirvieron para calibrar los flujos térmicos, garantizando una simulación fiel al comportamiento real del emplazamiento. Los resultados confirmaron la necesidad de una ventilación optimizada, capaz de evacuar el calor excedente asegurando al mismo tiempo una renovación de aire suficiente.
La auditoría permitió inventariar y caracterizar el conjunto de las aberturas del emplazamiento: puertas de servicio, lamas laterales, aireadores estáticos en cubierta, campanas de extracción del desempolvado. Cada abertura fue georreferenciada y medida para cuantificar su contribución a la renovación de aire global.
Las mediciones de velocidad de aire en entrada y en salida revelaron importantes disparidades: algunas entradas están fuertemente solicitadas, otras permanecen poco activas por falta de posición favorable o de diferencial de presión. En particular, las puertas expuestas al viento dominante presentan velocidades de aire elevadas, generando corrientes localmente incómodas. Estas observaciones subrayan la necesidad de una distribución más homogénea de las aberturas y de una regulación más fina.
Los registros y pruebas de humo permitieron elaborar una cartografía detallada de los flujos aeráulicos en las naves, poniendo en evidencia varias zonas de estancamiento donde el aire se renueva más lentamente y donde los humos tienden a acumularse. Una zona de especial vigilancia concierne al espacio bajo la cubierta, donde calor y humos se concentran sin ser evacuados eficazmente, un fenómeno acentuado por la estratificación térmica.
El estudio confirmó el impacto mayor de los procesos de fabricación sobre la dinámica aeráulica. Los transferimientos de metal en fusión, las secuencias de desescoriado y las operaciones de colada continua generan fuertes emisiones de calor y de humos, modificando profundamente los flujos de aire. Estos fenómenos deben integrarse desde el diseño de los dispositivos de ventilación natural, para favorecer la evacuación de los humos y reducir la exposición de los operarios.
Para transformar las observaciones de la auditoría en recomendaciones concretas, EOLIOS se apoya en la simulación CFD (Computational Fluid Dynamics), que reproduce numéricamente el comportamiento del aire y del calor con una precisión inigualable. La primera etapa consiste en modelar en 3D el conjunto del emplazamiento: a partir de los registros de campo, de los planos del cliente y de la imagen satelital, los ingenieros reconstituyeron un modelo geométrico completo, que integra las naves de producción y su entorno próximo.
Todas las estructuras que influyen en los flujos de aire (muros, aberturas, estructuras, equipos, aireadores) fueron fielmente integradas, mientras que los elementos secundarios se simplificaron para optimizar la potencia de cálculo. Las fuentes de calor internas se modelaron cuidadosamente: cada equipo de fuerte aporte térmico (convertidores, cucharas, planchones, secadores) se parametrizó a partir de las temperaturas de superficie medidas in situ.
Por último, los dispositivos de ventilación existentes (lamas, aireadores, campanas) se integraron como condiciones de contorno, con caudales o velocidades procedentes de la auditoría. Este modelo permite evaluar el rendimiento actual del sistema, pero también probar virtualmente diferentes configuraciones para guiar las decisiones de diseño.
EOLIOS utiliza un enfoque numérico basado en el método de los elementos finitos, que resuelve las ecuaciones que rigen los movimientos del aire y los intercambios térmicos en el volumen simulado. Se generó una malla híbrida 3D muy fina, con un refinamiento específico alrededor de las zonas de calor intenso y de las aberturas. Una primera serie de cálculos se realizó en régimen estacionario, sobre las condiciones nominales observadas durante la auditoría, para validar el rendimiento del sistema existente e identificar las zonas críticas. Las simulaciones pusieron en evidencia:
Una de las grandes ventajas de la simulación es que da acceso a datos inaccesibles por medición directa: caudales que atraviesan los aireadores en cubierta, no instrumentables con toda seguridad, y velocidades de aire por encima de equipos a más de 1 200 °C. Como complemento de los cálculos estacionarios, algunas zonas críticas fueron objeto de un análisis dinámico en régimen transitorio, para comprender mejor la evolución de los flujos y la dispersión de los contaminantes en el tiempo. Con ayuda de trazadores escalares o de líneas de emisividad, estas visualizaciones permiten anticipar los picos de exposición, los tiempos de permanencia de los humos o las zonas de recirculación prolongada.
Un cálculo estacionario congela el flujo en un estado medio de equilibrio; un cálculo transitorio sigue su evolución en el tiempo. El primero valida los caudales de conjunto, el segundo revela los picos de exposición y los tiempos de permanencia de los humos.
Una ventaja mayor de la CFD es permitir una exploración rápida de escenarios de mejora, probando virtualmente diferentes modificaciones sin perturbar la explotación. EOLIOS simuló varias configuraciones jugando con la apertura o el cierre de lamas existentes, la adición de aireadores suplementarios y la modificación de su posicionamiento u orientación. Para garantizar la robustez de las soluciones, las simulaciones integraron varios escenarios extremos:
Estas simulaciones permitieron identificar las configuraciones más eficientes. Entre las soluciones eficaces: la reapertura de lamas en las fachadas expuestas al viento dominante, la adición focalizada de aireadores estáticos en cubierta en las zonas de estancamiento, y una mejor distribución de las aberturas entre las naves. Los beneficios pudieron cuantificarse: aumento de los caudales extraídos, reducción de las temperaturas ambientales, mejora del confort térmico y disminución del tiempo de permanencia de los contaminantes. Los resultados, explotables en forma de mapas de temperatura, de velocidades de aire, de líneas de corriente o de balances comparativos, permiten justificar técnicamente las decisiones de diseño.
La CFD permite no solo comprender el funcionamiento actual de la instalación, sino también proyectar su evolución y su potencial de mejora. Es una herramienta de ayuda a la decisión valiosa para los explotadores, oficinas de estudios y responsables de seguridad. Identificando con precisión las zonas críticas, los disfuncionamientos aeráulicos y las oportunidades de optimización, permite:
Gracias a los cálculos realizados, EOLIOS elaboró una cartografía detallada de los flujos de aire, de las líneas de corriente, de las zonas de estancamiento y de los caudales que atraviesan el conjunto del volumen estudiado. Las zonas de fuerte tiro térmico, cerca de los convertidores, de las cucharas llenas o de los planchones calientes, se traducen en ascensiones rápidas de aire caliente parcialmente canalizadas hacia los aireadores. Sin embargo, se identificaron varias zonas críticas:
Para asegurarse de la robustez de las soluciones, las simulaciones se prolongaron con el estudio de varios escenarios desfavorables, más allá de las condiciones nominales:
Aunque puntuales, estas situaciones permiten probar la resiliencia del sistema de ventilación y dimensionar las aberturas para garantizar una renovación de aire mínima en todas las circunstancias.
A partir de estos análisis, EOLIOS probó y comparó varios escenarios de optimización, ajustando virtualmente los dispositivos de ventilación: reapertura de lamas inactivas en las fachadas al viento dominante, adición de aireadores estáticos en las zonas de estancamiento, distribución más homogénea de las aberturas entre naves, y recalibrado de algunas extracciones mecánicas o sistemas de captación en la fuente.
Uno de los escenarios más eficaces consistió en aumentar la superficie de entrada de aire en las fachadas al viento y en implantar nuevos aireadores en cubierta. Esta configuración permitió un aumento significativo de los caudales de aire extraídos, un descenso notable de las temperaturas ambientales y una reducción marcada del tiempo de presencia de los contaminantes, sin inversiones pesadas ni interrupción mayor de la producción.
Para recordar. En una acería, la ventilación más eficaz no es la más costosa: actuar sobre la posición y la apertura de los aireadores existentes basta a menudo para restablecer el tiro térmico y hacer bajar temperaturas y contaminantes, sin obras pesadas ni parada de la producción.
El estudio permitió caracterizar la calidad del aire interior y anticipar la exposición de los operarios a los contaminantes del proceso siderúrgico (monóxido de carbono, polvo fino y ultrafino metálico, humos de desescoriado y de oxidación de los planchones). La simulación integró estudios escalares CFD que reproducen la dispersión de los contaminantes según varios escenarios de ventilación. Los resultados pusieron en evidencia:
Cruzados con los resultados de la auditoría y las referencias reglamentarias, estos análisis permitieron determinar las necesidades de protecciones individuales (EPI), las necesidades de captación en la fuente y los refuerzos focalizados de ventilación. Constituyen también un apoyo valioso para un expediente de puesta en conformidad ICPE, si se requiere.
Combinando los datos de campo, las simulaciones numéricas y las exigencias de seguridad, EOLIOS propuso una estrategia global de ventilación adaptada a las especificidades del emplazamiento:
Esta estrategia puede aplicarse progresivamente, a través de acciones simples y pragmáticas, para construir un sistema de ventilación robusto, duradero y compatible con las evoluciones futuras del emplazamiento.
Saber hacer: el diseño de la ventilación natural industrialVentilación natural, VLEP y simulación CFD en una acería.
Asegura la renovación de aire general por tiro térmico, pero no basta por sí sola cerca de las fuentes: se complementa con una captación mecánica lo más cerca posible de los convertidores y de la colada. Un enfoque similar se aplicó en nuestro proyecto ventilación natural de una acería.
Los Valores Límite de Exposición Profesional fijan las concentraciones máximas admisibles de contaminantes (CO, polvo metálico) en el aire respirado. Superarlos exige medidas correctivas: captación en la fuente, ventilación localizada o EPI.
La ventilación natural es robusta y económica pero poco controlable; la captación mecánica apunta a las emisiones en la fuente pero consume energía. Combinarlas da un sistema híbrido a la vez eficiente y sobrio.
Da acceso a datos inaccesibles por medición: caudales que atraviesan los aireadores de cubierta, velocidades de aire por encima de equipos a más de 1 200 °C. Permite además probar escenarios (verano sin viento, invierno con viento contrario) sin perturbar la producción.
Reapertura de lamas en las fachadas al viento dominante, adición focalizada de aireadores estáticos en las zonas de estancamiento y mejor distribución de las aberturas entre naves. Resultado: caudales extraídos en aumento, temperaturas y tiempos de residencia de los contaminantes a la baja, sin obras pesadas.
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Estudio termo-aeráulico CFD de una acería: auditoría in situ (anemometría, ensayos de humo, imagen infrarroja), modelo 3D completo calibrado sobre las fuentes de calor, simulaciones estacionarias y transitorias de los flujos y los contaminantes, y escenarios de optimización de los aireadores para un mejor confort térmico y una calidad del aire conforme a las VLEP.
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