fundentes y combustibles

Fundentes Procesos de Conformado I

FUNDENTES

Los fundentes es un material que recoge o arrastra la ganga y las impurezas. Los

fundentes se emplean en la metalurgia extractiva y los flujos en otras operaciones

metalrgicas que comprenden desde la soldadura hasta la aplicacin de los

metales para formar capas protectoras. El objetivo es semejante en un caso y en

otro: eliminar o evitar la incorporacin de impurezas que impediran la obtencin

de productos de buena calidad.

A veces el fundente slo tiene por misin proteger el bao, tal como ocurre en el

proceso Siemens-Martn, en que las escorias liberan al metal fundido, que se

encuentra debajo, de la accin de los gases calientes, y por ser malos conductores

impiden el sobrecalentamiento del metal, y en otras ocasiones conservan su calor;

pero es ms general que la finalidad principal sea la eliminacin de las impurezas

del metal fundido.

Parece que, al menos para los productos siderrgicos, no existe duda en la

eleccin del fundente en cuanto a sus acciones protectoras. En cuanto el fundente

est fundido, la mayora de las mezclas son un barrera eficaz.

El propsito primario del fundente es, pues, mantener el metal principal en estado

de pureza, bien librndose de la accin del ambiente o garantizando por su accin

la pureza del metal, o bien para poder realizar adecuadamente alguna otra

operacin.

El uso de fundentes se ha de estudiar en cada caso para conseguir las mayores

ventajas. La seleccin de un fundente adecuado para un proceso dado, es

principalmente un problema qumico que requiere un conocimiento de la

composicin y propiedades de todos los materiales que entran en el proceso. Con

este conocimiento, la seleccin ser rgida por las leyes fsicas y qumicas bien

establecidas que se aplican a la temperatura de fundicin. Estas leyes no son

distintas de las que rigen los procesos a temperaturas normales. De la mayor

importancia son las leyes que hacen referencia a la formacin de las sales a partir

de la reaccin de los cidos y las bases.

Los fundentes, que pueden ser slidos, lquidos o gaseosos, se clasifican en la

metalurgia extractiva del modo siguiente:

1. Slice, que se encuentra libre, como tal, en las menas y como mineral en las

arenas y cuarzo. Se usa principalmente en la fundicin de menas de cobre y

piritosas, en la conversin de la mata de cobre y en la fundicin de las

menas de plomo con gangas ferruginosas y calcreas.


2. Almina, que en general no se aade intencionalmente, pero que con

frecuencia se encuentra en las menas.

3. xidos de hierro que actan de agentes oxidantes y se convierten en

xido ferroso que pasa a la escoria.

4. xidos de manganeso, que realizan principalmente un papel anlogo al de

los xidos de hierro.

5. Piedra caliza, que se usa en la fundicin de las menas de hierro, cobre y

plomo. Generalmente se aade sin calcinar, pero a elevada temperatura se

descompone en dixido de carbono que se desprende y xido clcico que es

un material bsico.

6. Dolomita y magnesita, que se asemejan a la piedra caliza y se usan ms

corrientemente en la fundicin de menas de hierro.

7. Fundentes que se utilizan ms en la industria metalrgica y en el refino de

los metales que en la fundicin de menas metlicas:

a). Espato-flor, que se utiliza mucho para toda clase de flujos, hace la

escoria ms fluida y aumenta la solubilidad de los xidos metlicos. El

espato-flor en grandes cantidades hace a la escoria neutra.

b). Bauxita, que se emplea como fundente y como flujo.

c). Yeso

d). Sulfuros metlicos

e). Litargirio

f). Nitrato y carbono sdico, que tienen varias aplicaciones en metalurgia

y principalmente como flujos.

El empleo de los fundentes se ha de vigilar cuidadosamente. La principal limitacin

radica en el carcter qumico del recubrimiento del horno, pues si ste es bsico,

un fundente cido pronto destruira el horno.

Piedra caliza Dolomita


ESCORIAS

Tanto el fundente como la escoria son de mayor importancia en la metalurgia

extractiva. El comportamiento qumico de las escorias es del mayor inters en

todas las etapas de la fabricacin de los metales, y especialmente del hierro y del

acero, y as, para mejorar la calidad del acero o para implantar nuevas clases de

los mismos, es necesaria una compresin clara y a fondo de las escorias.

A pesar de la variedad de cosas a que se da el nombre de escoria, en general,

todas las escorias renen un conjunto de atributos y aspectos que las

caracterizan.

1). Corrientemente las escorias son productos lquidos originados en los procesos

metalrgicos de obtencin y refino e los metales: al fundir completamente los

materiales de partida se obtienen dos o ms productos lquidos que se separan

en capas, quedando en la parte superior, junto con la escoria, el lquido de

menor densidad, que es la capa que se elimina en forma de espuma.

2). La escoria en cualquier operacin es casi siempre el producto de desecho o de

menos valor, pues en ella se acumulan casi la totalidad de las sustancias no

deseables del producto utilizado, por consiguiente, la escoria debe tener un

contenido mnimo del metal que se desea extraer y as se recupera la mayora

del metal til como tal o en forma de mata.

3). Los constituyentes principales de la escoria son compuestos, tales como

xidos, fluoruros, silicatos, fosfatos, boratos, etc., aunque estos compuestos no

mantienen su individualidad en la escoria. Esto distingue las escorias de los

metales lquidos, que son principalmente un metal elemental, de las matas,

que son sulfuros lquidos y de los speisses, que son principalmente arseniuros

lquidos.

4). Las escorias a las temperaturas a que se producen en los procesos

metalrgicos son soluciones complejas de una sola fase, aunque pueden llevar

en suspensin partculas y glbulos de otras fases. Las escorias solidificadas

tienden a cristalizar en un nmero de fases slidas diferentes.

La escoria ideal para los baos de metal fundido debe ser:

a) Barata

b) Tener una temperatura baja de formacin

c) Tener un punto de fusin bajo

d) Ser fluida a la temperatura de la operacin

e) Tener poca densidad para que flote sobre el bao


Escoria slida y lquida

El metalrgico debe de conocer bien la escoria y los medios para regularla, si se

han de alcanzar los resultados deseados.

De hecho, la escoria en su conjunto se le puede considerar como un reactivo de

reafino. As, la oxidacin con frecuencia origina la formacin de una escoria

oxidante, en la que el agente oxidante es un xido disuelto, tal como el monxido

de plomo en el refino del plomo, o el xido frrico en otros varios casos. Estos

agentes oxidan las impurezas en el metal lquido, y los xidos resultantes bien

escapan en forma gaseosa o se disuelven en la escoria.

Las principales sustancias de las escorias metalrgicas son los xidos ms

abundantes en las rocas de la corteza terrestre: Dixido de silicio, pentxido de

fsforo, xido clcico, xido magnsico, xido ferroso, xido frrico, xido

alumnico y xido manganoso. Se comprende, pues, fcilmente que los fundentes

ms corrientes sean las rocas ricas en dixido de silicio, piedra caliza y mena de

hierro.

Es difcil hacer una escoria apropiada que se forme y se elimine del horno con

facilidad y cumpla a satisfaccin las funciones esenciales que demanda el

correspondiente proceso metalrgico, y as muchas veces el metalrgico se

encuentra con dificultades que ha de resolver con sus conocimientos

fisicoqumicos y su buen criterio.

Cada proceso metalrgico tiene exigencias propias en cuanto a la composicin de

la escoria, y as usualmente corresponde a un patrn determinado de anlisis,

pero de un proceso a otro se aprecian variaciones muy grandes.

En las escorias, a diferencia de las soluciones acuosas, el carcter bsico y cido

se refiere solamente a los xidos metlicos y no metlicos y no al OH+3 y OH- ,

respectivamente, el oxgeno del xido pueda ofrecer para la competicin un par el

oxgeno del xido pueda ofrecer para la comparacin un par de electrones, o el

otro elemento del mismo, sobre todo el no metal, permita alojar un par de

electrones; es decir, la base es un dador de electrones y el cido un aceptor de


electrones. La almina es un constituyente corriente de la escoria, que no se

puede clasificar con seguridad como cido o como base, pues su carcter es

anftero.

Segn la teora inica o la electrnica, que en realidad coinciden en este aspecto

de la escoria, la propiedad bsica de la escoria parece estar ntimamente

relacionada con la concentracin de los iones oxgeno O= en la escoria lquida, y

as la fuerza relativa bsica o cida de los xidos parece estar directamente

relacionada con sus capacidades relativa para proporcionar O= cuando estn

disueltos en la escoria. La base fuerte CaO se puede disociar completamente en

los cationes metlicos y los iones oxgeno. Por el contrario, el SiO2, cido fuerte,

virtualmente no tiene tendencia a disociarse en los iones silicio y oxgeno, sino

que, por el contrario, en realidad consume iones oxgeno cuando est disuelto en

la masa fundida. Hasta ahora no se dispone de medios directos para medir la

concentracin de los iones O=.

Se han propuesto distintas medidas empricas de la basicidad o acidez de la

escoria, que se utilizan como gua para ajustar las composiciones de la escoria o

las exigencias del proceso metalrgico. Los nmeros correspondientes se calculan

a partir del anlisis de la escoria, por lo que no proporcionan una medida real de

la propiedad qumica. Sin embargo, frecuentemente estos datos empricos

permiten establecer reacciones sencillas y tiles cuando se examina el

comportamiento de un grupo de escorias pertenecientes al mismo tipo.

Para calcular la basicidad de la escoria, se emplea generalmente la relacin cal:

slice. Si esta relacin es mayor que 2.0, la escoria es bsica; de 1.0 a 2.0 es

semi-bsica, y si es menor de 1.0 se considera cida. Para este clculo se siguen

varios mtodos. Por ejemplo:

% de CaO

Relacin cal: slice =

% de SiO2

CaO 1.6 P2O5

Relacin corregida =

SiO2

CaO

Relacin corregida =

SiO2 + 0.634P2O5


Tambin se utiliza bastante el grado de silicato definido as:

Moles de oxgeno en SiO2

Grado silicato =

Moles de oxgeno en los xidos bsicos

La basicidad de la escoria es un factor importante en la mayora de las reacciones

de refino en la fabricacin del acero. Asimismo, el comportamiento de la escoria

en las reacciones de oxidacin-reduccin, en la metalurgia frrea y no frrea, no

es de menor importancia que la basicidad y la acidez. Las reacciones de oxidacin-

reduccin constituyen la base de muchos procesos metalrgicos, en los que la

escoria es la fase principal, que puede llevar disuelto uno o ms de los reactivos y

de los productos de reaccin.

COMBUSTIBLES METALRGICOS

Se dice de una sustancia que es combustible cuando arde rpidamente en el aire y

el calor producido se puede emplear en operaciones industriales. Los combustibles

metalrgicos han de suministrar el calor a los niveles de temperatura utilizados en

las operaciones metalrgicas industriales.

El calor se puede producir tambin por una reaccin qumica distinta de las de

combustin, y as algunos procesos elementales de la metalurgia qumica son

autgenos. Sin embargo, la mayora de esos procesos consumen grandes

cantidades de calor, que se ha de suministrar por medio de combustibles o por

calefaccin elctrica.

En conjunto, la industria metalrgica, por ahora, est ntimamente ligada con los

combustibles y consume grandes cantidades de estos, que se pueden calcular,

aproximadamente, por las cantidades de los metales producidos. Por ejemplo, el

consumo de coque en el alto horno se aproxima a tonelada por tonelada de

fundicin, al que hay que aadir el combustible necesario para la fabricacin del

acero a partir de la fundicin.

Las reacciones metalrgicas requieren elevadas temperaturas, y el alcanzar estas

temperaturas es un problema de combustible y de horno. Adems, el combustible

en algunos procesos, tales como los del alto horno, acta tambin como agente

reductor.

La temperatura a la cual arde un combustible depende de su condicin fsica y de

la presin del gas comburente, y se denomina temperatura de ignicin. La

combustin siempre va acompaada de un desprendimiento de energa en forma


de calor y de luz. El residuo de la combustin del carbn puede ser un material

inorgnico incombustible que forma las cenizas.

Las sustancias combustibles ms importantes en los procesos metalrgicos son el

carbono y el hidrgeno, que son los componentes principales de aquellos en

estado gaseoso, tanto naturales como artificiales. Otro elemento importante en la

combustin es el azufre, que proporciona el calor en la tostacin de menas

sulfuradas; el azufre tambin arde en el convertidor. En algunas operaciones

metalrgicas, tal como las del convertidor, son manantiales importantes de calor

el silicio, manganeso, aluminio y fsforo. La tabla 1 se da las reacciones tpicas y

el calor desprendido en la combustin.

TABLA 1. REACCIONES DE COMBUSTIN IMPORTANTES

EN METALURGIA

C + O2 CO2 (g) H = 94.390 cal/mol

2C + O2 2CO (g) H = 52.800 cal/mol

2H2 + O2 2H2O (l) H = 68.380 cal/mol

S + O2 SO2 (g) H = 69.260 cal/mol

Si + O2 SiO2 (s) H = 201.400 cal/mol

2Fe + O2 2FeO (s) H = 128.000 cal/mol

Mn + O2 MnO2 (s) H = 126.000 cal/mol

4Al + O2 2Al2O3 (s) H = 399.000 cal/mol

4P + O2 2P2O5 (s) H = 365.200 cal/mol

La tabla 2, se presenta en forma general la clasificacin de los combustibles, y

para algunos de ellos se da su poder calorfico.


Poder calorfico en Kcal

Madera (Dura y blanda) 2,500 a 3,800

Turba (Nueva y vieja) 2,000 a 4,200

Lignito (Nuevo y viejo) 6,000 a 7,400

Naturales Carbn bituminoso, hulla

No coquificable 5,000 a 8,100

Antracita 7,300 a 8,000

Slidos

Conglomerados (carbn vegetal)

Preparados Coque pulverizado, subproducto

Carbonizados (Semicoque y carbn de madera)

Natural (Petrleo-aceite crudo)

Combustibles Lquidos Aceites destilados (gas-oil y fuel-oil) 158,000 kcal/m3

de carbono Preparados Alquitrn de hulla 8,750 kcal/kg

e hidrgeno Combustibles coloidales

Naturales (Gas natural) 9,100 kcal/m3

Gas de gasgeno 1,370 kcal/m3

Gas de alto horno 820 kcal/m3

Gas de horno de coque 4,570 kcal/m3

Gas de carbn graso 2,700 a 7,100 kcal/m3

Gaseosos Gas de agua 2,330 kcal/m3

Preparados Mezcla de gas, agua y aire 4,550 kcal/m3

Acetileno 12,800 kcal/m3

Gases embotellados Butano 26,500 kcal/m3

Hidrgeno 2,450 kcal/m3


El coque, es el residuo celular coherente de la destilacin destructiva del carbn

en ausencia d aire, se obtiene ahora en hornos de recuperacin de subproductos.

El objetivo de la coquizacin es producir un combustible libre de materias

voltiles, rico en carbono fijo y que posea cualidades tales como tamao y dureza

convenientes para su utilizacin en los hornos.

El gran uso metalrgico que se hace del coque como combustible y como agente

reductor no se debe slo a ser econmico como manantial de carbono, sino

tambin a su especial asociacin de propiedades fsicas y qumicas, que no las

posee ninguna otra forma de carbn. En realidad, bastantes procesos importantes

estn virtualmente basados en las propiedades especiales del coque.

Las caractersticas requeridas para el coque metalrgico son: Dureza y

consistencia para resistir el peso de la carga de los hornos sin deshacerse para

resistir el peso de la carga de los hornos sin deshacerse ni desmenuzarse; gran

densidad, puesto que el coque de estructura celular uniformemente compacta

permite, con soplado intenso, la produccin de una gran cantidad de calor en un

rea concentrada.

Por el contrario, el coque blando generalmente da una combustin ms difusa y,

como consecuencia, la intensidad calorfica es menor que la del coque ms duro y

ms denso. Una estructura grande y porosa tiende a la produccin de monxido

de carbono en la combustin del combustible, aspecto de la mayor importancia en

metalurgia.

El exceso de ceniza, adems de disminuir el poder calorfico del coque, exige una

mayor cantidad de fundente. Para fines generales, el contenido de carbono en el

coque no debe ser inferior al 85% y las cenizas no superiores a un 10%.

El coque en los altos hornos debe tener de 80 a 120 mm, el contenido de cenizas

de 9.8 a 10.2% y el de azufre, de 0.9 a 1.2%. El coque con 1.3% de

constituyentes voltiles y 85% de carbono tiene un poder calorfico de 6,900

cal/kg. La cantidad de carbn es el factor predominante en la calidad del coque

metalrgico producido.

Los combustibles lquidos han demostrado su ventaja en muchas aplicaciones

metalrgicas. La mayora de los utilizados industrialmente derivan del petrleo

bruto. Los principales son los aceites ligeros y pesados, tales como petrleo bruto,

aceite de alquitrn y creosota.

Los combustibles gaseosos tienen un nmero de ventajas sobre los otros

combustibles: limpieza y ausencia de cenizas, lo que es muy conveniente

particularmente para la fusin de los metales no- frreos, facilidades de

manipulacin y de regulacin, flexibilidad, buenas caractersticas de combustin y


menos prdidas, ya que la combustin cesa cuando se desee. Estas ventajas

conducen a exceder el uso de los combustibles gaseosos siempre que se disponga

de ellos y lo permita su costo.

La mayora de los gases combustibles son mezclas de distintas sustancias en

proporciones variadas. Las ms corrientes de stas, agrupadas en combustibles y

diluyentes son: combustibles, hidrgeno, monxido de carbono, metano, etano,

etileno y otros hidrocarburos; diluyentes; nitrgeno, dixido de carbono y agua.

El gas natural, consiste principalmente en metano y etano, es el mejor

combustible gaseoso y tiene el mayor poder calorfico. El gas de hulla de los

hornos de coque, que contiene principalmente metano e hidrgeno, tambin es un

buen combustible gaseoso.

Mineral de carbn mineral

Aglomeracin de carbn mineral

fundentes y combustibles

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