PROCESOS DE FUNDICIÓN

COQUE METALÚRGICO VS COQUE PARA FUNDICIÓN

VIVIANA CANDELA ORDUZ

JESÚS EDUARDO GONZÁLEZ ACEVEDO

GRUPO A3

PROFESOR:

ING. ARNALDO ALONSO BAQUERO

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

ESCUELA DE INGENIERÍA METALÚRGICA Y CIENCIA DE MATERIALES

I PERÍODO ACADÉMICO DE 2013

OBJETIVOS

Identificar las propiedades adecuadas del coque para fundición. Conocer los procedimientos para clasificar el coque de fundición. Diferenciar el coque metalúrgico del coque para fundición.

INTRODUCCIÓN

Al iniciar la industria del hierro fundido aproximadamente en 1642 se empleó carbón vegetal como combustible universal. Alrededor de 1833 el carbón vegetal fue sustituido por antracita la cual posteriormente en el año 1841 se remplazó por el coque. El coque hoy en día es el combustible mas utilizado para la producción de hierro fundido.

COQUE PARA ALTO HORNO

Figura 1. Coque para alto horno incandescente

Este es producido artificialmente a partir de la hulla (carbón bituminoso), esta formado por carbón, agua y otros minerales. Antes de introducir el coque al alto horno se calienta a 1200°C durante 24 horas lo cual dejará al coque constituido por carbono casi puro.

Las principales funciones del coque en el alto horno son:

1. Como combustible, proporcionando calor para los requerimientos endotérmicos de las reacciones químicas, y para la fusión de la escoria y del metal.

2. Como reductor que produce y regenera los gases.3. Como soporte de la carga:o Para que no sea aplastada y pueda arder.

o Para que sea permeable y puedan salir los gases.

COQUE PARA CUBILOTE (FUNDICIÓN)

El coque se obtiene al calentar ciertos carbones bituminosos, fuera de contacto con el aire. Se puede obtener coque a partir de residuos de petróleos y alquitrán pero dicho coque tendrá características algo diferentes al que se obtiene de la hulla.

El carbón se calienta para extraer la humedad, luego entra en un proceso de reblandecimiento en una temperatura comprendida entre 350° y 400°C en la cual cada partícula fluye a una masa más o menos fluida. Después de los 500°C se desprenden gases y la carga se solidifica nuevamente. Se el coque se calienta hasta 600°C se considera como coque de baja temperatura y si este se calienta hasta 900°C se llama coque de alta temperatura.

Figura 2. Cargas de coque para fundición

COQUE METALÚRGICO

El coque metalúrgico es el residuo sólido que se obtiene a partir de la destilación destructiva, de determinados carbones minerales, como la hullas (o carbones bituminosos) que poseen propiedades coquizantes.

PRUEBAS DEL COQUE Y SUS PROPIEDADES

El rendimiento final del coque en el cubilote es su prueba final de calidad, pero para determinar la calidad de coque y distinguir que tan bueno es, se deben utilizar métodos de laboratorio. Se determinan las propiedades físicas y químicas del combustible y se relacionan con el comportamiento térmico y metalúrgico en el cubilote. Para el análisis del coque se usan los métodos de la American Society for Testings Materials, también se pueden tener en cuenta los métodos de la U.S. Steel Corporation, el ministerio norteamericano de minas y la American Gas Association.

Hay parámetros que se deben tener en cuenta para la selección de un buen coque para fundición, a continuación se estudiaran estas.

Resistencia

Se emplea el Método Standard A.S.T.M.-D 141 para la prueba de troceado en la caída, para la determinación de la resistencia. Consiste en dejar caer cuatro veces unos 22.68 Kg (50 Lb) de la muestra sobre la placa de acero grueso desde una altura de 1 829 mm (6 pies). Se determina el troceado pasando la muestra por una serie de cribas de aberturas 51, 38, 25 y 13mm. Los pesos de las fracciones se traducen a porcentaje del total y el porcentaje total obtenido en la criba 51 se emplea como índice de resistencia.

La prueba consiste en un total de 20 caídas, cribando el material después de cada 4 caídas. Se cree que esta prueba es más indicativa de la resistencia inherente del coque, ya que da el régimen de degradación y no está tan influido por el troceado que ocurre después de la primera o segunda caída debido a las grietas y fisuras del coque. El coque que se tiene como de buena calidad tiene una resistencia a la compresión promedio de aproximadamente 70 Kg/cm2 o ligeramente superior.

El criterio práctico de la resistencia es la posibilidad o habilidad del coque para que llegue a su destino final (el cubilote) en su tamaño originalmente especificado. La prueba anteriormente mencionada da una idea de lo que se puede esperar al vaciar la carga de coque en el cubilote, al impactar el metal.

Dureza

Esta propiedad se mide mecánicamente en una prueba de volteo o tambor, Método Standard A.S.T.M.-D 294, en donde se determina la resistencia relativa a la abrasión por la cantidad de productos de degradación. En esta prueba también influyen algunos efectos de impacto.

ENSAYO MICUM (Francia)

Se somete una muestra de 50 Kg de trozos de coque de tamaños superiores a 50 mm a un movimiento de rotación dentro de un tambor metálico (Dint: 1m y L:1m). Se someten a 100 vueltas en 4 minutos. Se toma la granulometría en cribas de agujeros redondos, las categorías superiores a 80mm y 40mm y la inferior a 10mm expresadas en %peso original

ÍNDICES MICUM

MICUM 80 (M80): Proporción en porcentaje del peso del coque en tamaño superior a 80mm

MICUM 40 (M40): Proporción del peso mayor de 40 mm MICUM 10 (M10): Proporción del preso de tamaño inferior a 10mm

Los índices M80 y M40 Índices de resistencia a la fisura.

M10 resistencia a la abrasión

PRUEBAS QUIMICAS

Humedad

La determinación puede incluir la humedad total, pérdida de secado al aire, y humedad en la muestra analítica.

La humedad es un contaminante físico del coque de fundición que reduce el poder calorífico del combustible en relación con la cantidad total contenida. El contenido de agua depende principalmente del tamaño del coque. El coque de mayor tamaño, a causa de la mucho menor superficie expuesta por unidad de peso,

contiene generalmente menos humedad que los tamaños mejores bajo condiciones similares. El enfriarse, la superficie, de los trozos de coque grandes se enfrían rápidamente y el calor residual evapora la humedad superficial. Por el contrario los trozos más pequeños se enfrían completamente y la humedad puede acumularse sobre la superficie y en las fisuras.

Las manchas cafés o iridiscentes que se ven a veces en el coque que ha estado expuesto a condiciones de húmedas tienen su origen en la oxidación superficial o en los compuestos ferrosos, y no debe considerarse como una indicación de calidad interior.

Materias volátiles

Estas se determinan en un crisol de platino, cubierto, preferiblemente en un horno tubular calentado eléctricamente, a una temperatura controlada de 950°C+-20°C. En esta prueba se calienta 1 gr de la muestra de coque seco cernido a 60 mallas, durante 7 minutos, tomándose las precauciones necesarias para impedir las pérdidas por oxidación mecánica, y la perdida de peso resultante se da en términos de materias volátiles.

Las pruebas efectuadas sobre un numero de coques satisfactorios para la fundición mostraron valores de 0.73 a 1.25% de volátiles.

Cenizas

Se define el contenido de cenizas como el residuo de una muestra de un gramo de coque después de ser quemado en una mufla ventilada a una temperatura no mayor de 950°C, tomándose precauciones contra pérdidas mecánicas.

El contenido de ceniza es la porción no combustible del coque, como resultado de las materias minerales presentes en el carbón del que se hace el coque. El valor del coque como combustible se reduce según aumenta el contenido de cenizas. La ceniza del coque es una de las fuentes de escoria en el cubilote.

El contenido de ceniza de los grados comerciales de coque de fundición varía normalmente entre 8 al 12%.

Carbono fijo

En el coque seco el contenido de carbono fijo es, por definición, la diferencia entre el 100% y la suma de los contenidos de ceniza y materias volátiles.

%Carbono fijo= 100 – (%Materias volátiles + %cenizas)

El carbono fijo es la única porción del combustible que contribuye realmente a proporcionar calor útil durante la operación de fusión.

Fósforo

Este elemento se determina por análisis químico de la ceniza del coque. El fósforo está presente en la ceniza en cantidades que varían alrededor del 0.01% del coque, por peso. Al igual que el azufre, es absorbido por el hierro durante la fusión.

Azufre

Este constituyente puede ser determinado en el lavado de bomba calorimétrica empleada para el objeto de análisis calorimétricos, o separadamente, empleando el método de Eschka.

El azufre absorbido por el hierro fundido en el cubilote varia casi directamente con el contenido de azufre del coque. A este respecto, el azufre se comporta en forma parecida al carbono, excepto por el hecho de que la absorción del carbono es más alta a temperaturas elevadas, mientras que la absorción de azufre es generalmente más alta a temperaturas bajas. El contenido de azufre del coque para fundición será, probablemente, menor del 0.8%. con esta proporción presente en el coque, la absorción de azufre por el metal será alrededor del 0.04%, en operaciones normales.

Las pruebas han indicado una mayor absorción de azufre en los tamaños menores de coque, y la absorción es, generalmente, mayor en cubilotes profundos.

Coquización

Coquización es un proceso de destilación seca destructiva de carbón para convertirlo de un material denso y frágil a uno fuerte y poroso; consiste en un calentamiento (entre 1000 y 1200 °C) en ausencia de oxígeno hasta eliminar la práctica totalidad de la materia volátil del carbón

PROPIEDADES TÉRMICAS

La principal propiedad del coque de fundición es su habilidad para unirse con el oxigeno del aire soplado en el cubilote (combustión) y generar carbón para fundir el metal y llevarlo a la temperatura de sangría deseada. La importancia relativa de los efectos de cada propiedad física y química sobre la combustión del coque debe ser comprendidos perfectamente, puesto que de ello depende la eficiencia térmica de la operación del cubilote.

En este campo se han llevado muchas investigaciones muy completas, pero los resultados parecen ser contradictorios en muchos respectos, principalmente a

causa de las diversas condiciones de operación bajo las cuales se han efectuado las pruebas. Las pruebas empleadas comúnmente para medir las propiedades térmicas son el poder calorífico, punto de inflamación, combustibilidad y reactividad.

Poder calorífico

Método: el poder calorífico del coque se determina por medio del método de la bomba calorimétrica de oxigeno de acuerdo con el Método Standard A.S.T.M –D 271.

Significación: el poder calorífico o valor de calentamiento del coque de fundición es una medida del calor entregado al cubilote, pero no es una medida precisa del calor útil disponible para fundir el metal. Las materias volátiles contribuyen a proporcionar su participación al poder calorífico total, pero contribuyen poco o nada a la operación de fusión, porque es liberado en el cubilote arriba de la zona de fusión, donde no hay aire en exceso para liberar el calor por medio de reacciones de combustión.

De la misma manera, los coques altamente reactivos mostraran, por lo general, mayores poderes caloríficos que los coques menos reactivos de contenido de ceniza y humedad comprable, los primeros entregan mucho menos calor útil a la operación de fusión, sin embargo, a causa de que una gran parte del calor se pierde en forma de monóxido de carbono en los gases de escape.

Inflamabilidad

Método: esta propiedad puede ser determinada empíricamente por uno de diversos métodos que difiere principalmente en detalles de manipulación o en complejidad de equipo. Básicamente, el procedimiento cosiste en observar con termopares sensibles el comportamiento de la temperatura del coque perfectamente clasificado en tamaño, controlado a velocidad perfectamente controlada, por el cual se hace pasar aire u oxigeno a través de la cama de coque, a un volumen especificado.

Significación: los resultados de tales pruebas son considerados como una medida aproximada de la reactividad del coque y de la facilidad de encendido. La facilidad de encendido puede ser interesante en problemas conectados con la puesta en marcha, fuera de lo cual la prueba arroja poca información de valores prácticos.

Combustibilidad

Método: este término ha sido aplicado al régimen de reacción con oxigeno en las camas de coque. En tales determinaciones se han empleado pruebas de laboratorio, así como curvas de pérdida de peso en pruebas de tiro natural, o datos de elevación de temperatura en pruebas de chimeneas de tiro forzado. La Oficina de Minas de los EE.UU (U.S Bureau of Mines) ha adoptado una dedición

de combustibilidad: la relación del contenido de carbono en los gases de escape al carbono máximo que podrían contener en los gases. Esto se indica así:

combustibilidad (% )= CO2+COCO2+CO+O2

x 100

Significación: como puede verse por la ecuación anterior, la combustibilidad es una medida general de las dos reacciones básicas que ocurren en el cubilote:

C + O2 CO2

C + CO2 2CO

Los valores obtenidos son una función del tamaño de los trozos, igualdad de tamaños, superficie, temperatura de operación, régimen de aire abastecido, y reactividad a dióxido de carbono. Pueden desarrollarse correlaciones empíricas que relacionen la combustibilidad con resultados de operación prácticos, que pueden ser de ayuda en algunos ejemplos. Sin embargo, diferencias marcadas en resistencia o desgastabilidad de los coques puede conducir a predicciones imprecisas cuando están basadas en tales correlaciones.

Reactividad

Método: la reactividad del coque a dióxido de carbono se determina generalmente por el análisis de los gases de combustión en cuanto a CO2, CO y O2, obtenido al quemar una muestra de coque en un aparato similar al empleado en las pruebas de inflamabilidad. El cálculo de la reacción de monóxido de carbono a carbono total en el gas da un valor numérico para la reactividad:

Reactividad (% )=( COCO+2CO2 ) x100

Significación: el termino reactividad ha sido usado por muchos escritores como sinónimo de combustibilidad e inflamabilidad. Este desafortunado uso ha causado confusión considerable. Tal como se entiende por el tecnologista en combustibles, la reactividad es una medida de reducción del dióxido de carbono por el carbono (la oxidación del carbono del coque por el dióxido de carbono) de acuerdo con la reacción:

C + CO2 2CO

Esta propiedad es de mayor importancia como el poder calorífico útil del coque y como indicación de las condiciones reales de operación en el cubilote. Se prefiere un coque de reactividad baja.

Resumen general de las propiedades de los combustibles para fundición

Se han escrito muchos artículos con referencia a los factores que influyen en la calidad del combustible con referencia a los factores que influyen en la calidad del combustible para fundiciones y las propiedades deseadas. Aun cuando todavía no se ha llegado a un completo acuerdo en todos los puntos, pueden hacerse ciertas generalizaciones para ayudar a aquellos que se encaran con el problema de seleccionar el combustible más deseable. Sin embargo, deberá recalcar que los siguientes puntos no son reglas absolutas aplicables a todas las múltiples condiciones bajo las cuales puede ser empleado el combustible para fundiciones.

1) El tamaño de cada pieza deberá ser tan uniforme como sea posible entre las mismas, y en promedio será de 1/10 a 1/12 del diámetro interior del pieza

2) La resistencia, dureza, contenido de carbono, contenido de grafito y poder calorífico deberán ser elevados.

3) La reactividad, cenizas, humedad, materias volátiles, azufre, y fosforo deberán ser bajo.

La complejidad de los factores que intervienen en la valoración de las propiedades del coque para fundición han sido influenciadas grandemente por condiciones locales y operacionales, tales como tamaño de cubilote, periodos de carga y sangrado, presión del aire soplado, relación de combustible, régimen de fusión, temperatura de sangrado, longitud de la hornada y tipo de metal a producir.

Puesto que estas consideraciones hacen la formulación de una especificación general completa para coque de fundición especialmente difícil, el acuerdo entre los fundidores referente a la pureza o composición química es definida por los resultados de una serie de análisis aplicado sobre coques típicos de fundición.

Se han hecho intentos (especialmente en conexión con coques para uso en el alto horno) para examinar la importancia relativa de las diversas propiedades en términos de una fórmula matemática y llegar a un valor físico del combustible. Tal formula es (para alto horno):

[0,1 x % sobre 50,8mm x (100 - % sobre 101,6 mm)] + (0,1 x % porosidad) + (0,2 x % troceado sobre 50,8mm) + (0,6 x % tambor sobre 25,4 mm).

Aunque no es directamente aplicable al coque de fundición, una formula de este tipo general, que compare los factores de mayor importancia en la operación del cubilote, será ventajosa para sopesar los resultados obtenidos con diferentes combustibles.

ESPECIFICACIONES PARA COQUE DE FUNDICIÓN

La apariencia exterior y la inspección manual fueron originalmente el único criterio para comparar los coques de fundición. El desarrollo gradual de las pruebas físicas y químicas que indican la diferencia en cuanto al comportamiento térmico y metalúrgico en la operación del cubilote ha conducido al establecimiento de

especificaciones publicadas especialmente como guía para fabricantes y consumidores de coque de fundición. Partiendo de opiniones tales como color, lustre, resonancia musical al ser golpeada, y los resultados mecánicos de arrojar un trozo de coque contra una pared, se ha pasado hoy día al desarrollo de especificaciones en cuanto a tamaño, densidad, porosidad, resistencia y dureza, por mencionar las propiedades físicas.

Además, en diversas formas y combinaciones se han usado la composición química, incluyendo humedad, materias volátiles, carbono fijo y contenido de cenizas, además del azufre, reactividad y otras propiedades químicas o fisicoquímicas.

BIBLIOGRAFÍA

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