moho de arena utilizado con antracita

Antracita en fundiciones, revestimientos refractarios y otras aplicaciones de fundición

La antracita es un tipo de carbón que, además del uso obvio como combustible combustible, tiene otras aplicaciones en el campo de fabricación refractaria/alta temperatura.

Como es combustible, el uso de la antracita en aplicaciones de alta temperatura requiere que se utilice de manera sacrificial, en forma tratada térmicamente (calcinado) o como componente en un refractario más amplio. La antracita es una de las formas más duras de carbón, con un alto contenido de carbono, que se quema relativamente limpiamente en comparación con sus pares. La abundancia de antracita y por lo tanto bajo costo lo convierten en un material atractivo para una variedad de aplicaciones.

Para mayor brevedad y claridad, la antracita que se ha calcinado se denominará "CA" a lo largo de este texto. Se requiere un proceso de calcinación de alta calidad, por ejemplo electrocalcinación, para alcanzar CA de alta calidad , pero esto en general requiere una buena fuente de antracita como material de partida(1)

fundición-cromosand

Usos de antracita en fundiciones

En entornos de fundición, el tamaño de los poros del molde de fundición es importante, ya que si el tamaño de los poros es demasiado grande, pequeñas cantidades de metal fundido pueden acumularse en ellos y enfriarse, produciendo 'whiskers', que deben ser fresados del producto final, añadiendo tiempo y gastos a un proceso. CA tiene poros pequeños y de tamaño consistente, y dependiendo de la fundición, la CA puede comportarse en un método de sacrificio y quemarse. En particular, la utilidad para la producción de metales, la antracita altamente calcinada se puede utilizar en un refractario grafitico moldeable monolítico(2). Este ejemplo en particular se forma como una suspensión y el monolito se genera in situ en el horno se debe a la línea, pero el vertido y curado de un refractario slurried alrededor de un patrón en el sentido tradicional es también un método popular. Cuando se añade antracita a los castables refractarios, se ha informado que las fundiciones son más suaves(3) y cantidades menores de contaminantes debido a la pureza relativa de CA en comparación con otras fuentes de carbono.

Usos de antracita en revestimientos

En el diseño de los altos hornos a partir de la década de 1960, los refractarios a base de antracita se utilizan para relinear la chimenea (es decir, la parte inferior) del horno(4). Tales revestimientos se encuentran típicamente en el orden de 3 m de espesor, y algunos son agua o aire enfriado, estos refractarios proporcionaron una resistencia de alrededor de siete años - mejorado significativamente sobre los anteriores hogares refractarios de sílice /alúmina cuyas campañas no duraron más de dos años(5). Los diseños modernos de horno utilizan un enfoque en el que se utiliza una copa de cerámica en contacto con el metal fundido, con un refractario antracita-grafito en contacto con las paredes y la chimenea del horno. La vida útil del horno para la combinación de cerámica y antracita-grafito se estima en 15 años.

El desgaste del horno se concentra particularmente en la chimenea, donde las temperaturas a menudo alcanzan su mayor y el caudal de metal líquido es alto. Monolitos basados en antracita se han utilizado en chimeneas, proporcionando resiliencia sobre múltiples ciclos de calentamiento-enfriamiento.

metal fundido que se vierte, requiere materiales refractarios para hacerlo
metal fundido que se vierte en moldes hechos con arenas de relleno

En partes del alto horno, se ha demostrado un monolito compuesto por 80 CA para su uso en el hogar(6). Aquí, el caudal de metal líquido es alto, lo que significa turbulencia y un nivel desigual de desgaste a través del forro. CA, en pruebas experimentales, es resistente a los golpes térmicos, la oxidación y el ataque químico a temperaturas superiores a 1.000 oC durante la vida útil del funcionamiento del horno. Monolito CA es volumen a granel estable en condiciones de horno(7).

Cuando se utiliza como aislamiento convencional lejos de la chimenea, los revestimientos de tipo carbono suelen estar en el espesor de menos de un metro(8) y están en forma de ladrillo refractario en lugar de monolitos. En términos generales, el estrés térmico/choque hacia revestimientos a base de carbono ha sido históricamente un problema, pero con el uso de CA(9) y rellenos adecuados en juntas(10), combinado con la dispersión de temperatura a través de una gran masa térmica, el choque térmico no se ve como una preocupación significativa durante las operaciones normales en un entorno de horno contemporáneo. Los propios rellenos pueden tener proporciones significativas de antracita en su composición(11). El ataque alcalino sigue siendo una preocupación, especialmente en las temperaturas más altas, pero algunos estudios han demostrado que con el uso de CA microporosa, los efectos del ataque alcalino se minimizan(12). Esto allana el camino para el uso de CA a largo plazo en revestimientos.

Aplicaciones de tanques de retención de fundición y metal fundido

Las aplicaciones de fundición y retención de tanques requieren resistencia a largo plazo a la temperatura y al choque térmico : CA se valora por su resistencia a estos y a la corrosión química. La fundición de aluminio, en particular, ha dado el uso de revestimientos y electrodos de fundición a base de carbono durante muchos años(13), con ejemplos de electrodos de principios de los años 1980 empleando hasta 75 CA en masa y con un rendimiento igual a los de grafito electrodos(14). Incluso teniendo en cuenta los procesos de calcinación de alta calidad, CA es más rentable que el grafito puro, al tiempo que conserva altos niveles de rendimiento. Como revestimiento, la CA está presente principalmente para el aislamiento de la olla y / o tanque de retención, es decir, para evitar que el ajuste de metal fundido in situ. Los electrodos y revestimientos se pueden formar de forma convencional como ladrillos, como monolitos o incluso de pastas que son en gran parte CA (y pequeñas cantidades de otros tipos de carbono) basados(15). Como electrodos, una breve discusión sobre por qué CA es adecuado para esta aplicación se puede encontrar a continuación.

Como CA es una de las opciones más populares de revestimiento de fundiciones de aluminio, con intervalos de fundición que duran hasta seis años, cerrando sólo para reemplazar los cátodos(16), CA se utiliza en algunos escenarios como un componente de cátodo y como un revestimiento. El cierre es necesario debido a la acumulación significativa de carburo de aluminio y mientras que la formación de carburo se favorece en estructuras de carbono desordenadas (como CA)(17), CA es más resistente al desgaste electroquímico(18), ya que la adhesión de carburos puede ser más fuerte a más estructuras ordenadas. Por lo tanto, CA se puede utilizar junto con otros materiales de tipo carbono como el grafito para proporcionar un revestimiento y un cátodo que cumple con las propiedades idealizadas para la conductividad y la resistencia química, mientras que el equilibrio de los problemas de costo. La antracita sin calcinar no se utilizaría de forma rutinaria.

moldes de arena verde
productos metálicos hechos con polvo de carbón

Efecto Rappoport

El efecto Rappoport en aplicaciones de fundición y electrodos se refiere a la tendencia de los cátodos de tipo carbono o bloques de cátodo a expandirse a temperatura debido a la penetración de compuestos fluorados y de tipo sódico, que se relacionan en gran medida a partir de impurezas en el metal. El efecto Rappoport es un fenómeno físico, no químico. Dicha expansión reduce la eficiencia del cátodo(19) y disminuye su superficie disponible para procesos de electrólisis. La temperatura de calcinación y la estructura del material calcinado original son los principales árbitros de si se observará el efecto Rappoport(20). El tamaño de los poros pequeños y consistentes en CA se considera ventajoso para mitigar el efecto Rappoport. Se ha informado de que la expansión de Rappoport es inversamente proporcional a la temperatura de calcinación de hasta 2.000 oC(21).

metal caliente justo fuera del horno que utiliza antracita

Otras aplicaciones de fundición

Otros usos de
fundición
incluyen, antracita calcinada, que se ha utilizado como componente en electrodos en hornos, además de la aplicación de revestimiento antes mencionada, para metales como el titanio y el aluminio mencionado anteriormente. Estos electrodos son típicamente basados en carbono o grafito. Las principales razones para el uso de CA son su naturaleza barata y perfiles de resistencia eléctrica interesantes(22). La antracita no tratada es relativamente altamente altamente resistente eléctricamente (es decir, un conductor pobre), sin embargo CA tratada entre 600 y 900 oC muestra una pérdida de resistividad en el orden de dos a tres órdenes de magnitud; alcanzando sólo 1.000 oa a 1.300 oC(23), observando valores similares en otros estudios(24). La calcinación también se asocia con un aumento de la resistencia estructural, con niveles de porosidad fluctuantes pero no se observan cambios sustanciales. En particular, la antracita comienza a someterse a la grafitización en ca. 2.200 oC(25).

polvo de carbón utilizado en el proceso de moldeo
moldes que utilizan antracita

Resumen

  • La antracita es una forma útil y barata de carbón que tiene muchas aplicaciones en la esfera refractaria
  • En la fabricación de metales, CA se puede utilizar en la producción de moldes para fundiciones de metal fundido
  • Como un componente clave de los revestimientos de alto horno, CA es valorado por su rendimiento y longevidad a altas temperaturas, en largos períodos de tiempo, ya sea monolito o ladrillo refractario. Estos son ampliamente utilizados en la producción de hierro y acero
  • CA se utiliza como uno de los materiales clave en el revestimiento de la olla de fundición para metales refinados eléctricamente como el aluminio - un proceso clave de importancia industrial y económica
  • En la producción de otros metales, CA se puede utilizar como un componente en electrodos debido a su resistencia estructural y buen perfil de conductividad eléctrica a temperatura
Olla llena de antracita molida

Referencias:

1 M. M. Gasik et al., Modelling and Optimization of Anthracite Treatment in an Electrocalcinator, en: 12th International Ferroalloys Congress, Helsinki, 2010

2 Patente de los Estados Unidos US9695088B2, 2010

3 P. Jelínek y J. Beo, Arco. Fundición. Eng., 2000, 8, 67

4 A. Singh, Trans. Ind. Ceram. Soc., 1982, 41, 21

5 R. M. Duarte et al., Ironmaking and Steelmaking, 2013, 40, 350

6 F. Vernilli et al., Ironmaking and Steelmaking, 2005, 32, 459

7 S. Ge et al., Metalurgia. Mater. Trans. B, 1968, 20. 67

8 S. V. Olebov, Refractarios, 1964, 5, 189

9 M.W. Meier et al., Light Metals, 1994, 685

10 P. G. Whiteley, Steel Times Inter., 1990, 11, 32.

11 J. Tomala y S. Basista, Micropore Carbon Furnace Lining, en: INFACON XI, Nueva Delhi, 2017

12 B. Chatterjee y K. K. Singh, Prácticas refractarias en hornos de fundición de aleación ferrosa, en: 4o Curso de Actualización sobre Aleaciones Ferro,Jamedepur, India, 1994

13 H. Hayashi et al., J. Metals, 1968, 20, 63

14 M. Born et al., Freiberger Forschungshefte A, 1990, 603, 56 (en alemán)

15 K. M. Khaji et al., J. Inst. Eng. (India), 1982, 63, 60

16 S. Pietrzyk et al., Arch. Metall. Mater., 2014, 59, 545

17 B. Welch et al., Metales ligeros, 2000, 399

18 N. Akuzawa et al., Light Metals, 2008, 979

19 J. M. Peyneau, Diseño de revestimientos de ollas altamente confiables, en: A. Tomsett y J. Johnson (eds), Essential Readings in Light Metals, Springer, Cambridge, 2016

20 Rapoport y Samoilenko, Tsvetnye Metally, 1957, 2, 44 (en ruso)

21 D. Belitskus, Metallurg. Trans. B 1977, 8, 591

22 I. Jcache y V. M. Strakhov, Coca-Cola y Química, 2008, 61, 136

23 I. V. Surotseva et al., Coca-Cola y Química, 2012, 55, 231

24 V. I. Lakomskii, Coca-Cola y Química, 2012, 55, 266

25 A.B. García et al., Proceso de Combustible. Tecnología., 2002, 79, 245