Producción de hierro y acero
Polvo de carbón como combustible
El hierro y el acero se han convertido en una parte esencial de nuestras vidas. Desde barcos hasta automóviles y numerosos artículos para el hogar, no hay duda de que el hierro y el acero son vitales en nuestra vida cotidiana. Aproximadamente el 64% del acero fabricado a nivel mundial se deriva del hierro producido en altos hornos que utilizan carbón como combustible principal. En 2003, la cantidad de acero crudo producido a escala mundial se situó en 965 millones de toneladas con aproximadamente 543 Mt utilizados en el proceso de fabricación.
Las materias primas utilizadas en la producción de hierro a partir de un alto horno incluyen mineral de hierro, coque (hecho de carbón de coque) y una pequeña cantidad de piedra caliza. Sin embargo, algunos altos hornos utilizan métodos de inyección de carbón pulverizado (PCI), de modo que se ahorran costes y se obtiene un mejor rendimiento. El método PCI se desarrolló inicialmente en el siglo XIX, pero no fue hasta la década de 1970 que los fabricantes de hierro y acero adoptaron ampliamente esta técnica. Fue un aumento en el costo del coque, debido al aumento de la demanda mundial además del aumento de la competencia por este recurso, lo que llevó a los fabricantes a dirigir su atención hacia este método.
La idea detrás del método PCI es bastante simple. Se trata del aire primario, también referido al "gas transportador", que transporta polvo de carbón (carbón pulverizado) que se introduce a través de una lanza en el tuyere (la entrada de fondo medio del alto horno). Posteriormente, un tubo de soplado en el tuyere proporciona aire caliente secundario (también llamado la explosión) y luego se mezcla con el aire primario que como se mencionó anteriormente, transporta polvo de carbón de fundición. Esta mezcla se canaliza al horno, creando una cavidad similar a un globo, también conocida como pista de carreras. Este "camino" propaga la combustión de coque y carbón, licuando el mineral de hierro sólido y liberando hierro fundido en el proceso.
Proceso de moldeo de arena verde
Greensand describe la arena de moldeo que no se hornea ni se seca, pero posee una humedad inherente. La arena cruda en su forma de mineral se procesa de tal manera que el tamaño del grano se distribuye uniformemente. Las arcillas orgánicas actúan como aglutinantes para estos granos durante el curso de procesamiento en arena de moldeo.
La adición de polvo de carbón de fundición ayuda a garantizar que la calidad de fundición sea excelente a medida que la arena se expande cuando el metal fundido caliente se vacía en el molde. También se permite el uso de otros aditivos como el tono, la celulosa y la sílice. La arena, junto con los aditivos y el agua se mezclan en un mullor, también conocido como mezclador. La arena se considera lista para hacer un molde cuando se ha mezclado con otras sustancias en el mullor.
El vertido de hierro fundido en un molde de arena verde que contiene polvo de carbón provocará la liberación de gases reductores y compuestos orgánicos volátiles después de la aplicación de calor y, en consecuencia, evitará la formación de óxido de hierro durante la fase intermedia de la producción de combustión. La combustión es óxido de hierro depositado, y se evita mediante la pirólisis del polvo de carbón.
En la fase final del proceso de moldeo, el coque de polvo de carbón comienza en la superficie del molde, lo que conduce a su ablandamiento y expansión. La expansión crítica de la arena de cuarzo en la arena de sílice base se produce junto con el ablandamiento y coque del polvo de carbón. En consecuencia, los granos de arena se reajustan y se regula la aparición de defectos de tipo de expansión.
El polvo de carbón utilizado en fundiciones para fundición de hierro requiere polvo de carbón de ceniza baja que debe poseer un contenido mínimo de azufre y cloruro, humedad inherente de aproximadamente 2-4, y contenido volátil de 30 o más. En resumen, el polvo de carbón de fundición disminuye los defectos asociados con la expansión y el escollo de hidrógeno. Una mejora en la estabilidad dimensional de los moldes también se debe a la inclusión de esta sustancia en greensand.
Se ha demostrado que la utilización de cenizas volantes en arena verde, que es química y físicamente similar al polvo de carbón, es eficaz, especialmente para la fundición de metales no ferrosos(4). Además de ofrecer un rendimiento similar al de la arena verde sola, los autores señalan que el uso de menos arena y más cenizas tiene beneficios económicos, ya que es más barato; Las propiedades físicas y mecánicas también son similares. Además, se incrementa el desempeño ambiental. Estas lecciones se pueden aplicar al polvo de carbón.
En general, se puede decir que el uso de polvo de carbón disminuye los defectos quemados, mejora el acabado de la superficie y evita la penetración de metales.
Como reemplazo o suplemento en la fundición de moldes de sílice
Si bien la arena verde es una opción popular, y la inclusión de polvo de carbón y compuestos similares es un paso importante para reducir el costo y modular los defectos y la combustión, la arena verde está lejos de ser el método de fundición más común. La fundición de sílice es fundamentalmente la misma, pero utiliza solo arena de sílice de alta pureza como material de construcción del molde.
Una consideración importante a la hora de sustituir la arena de sílice por cualquier otro material, por ejemplo polvo de carbón, es la humedad. La humedad residual presente en el molde provocará defectos de gas y errores en el proceso de fundición (5). Con esta y cualquier otra modificación en el protocolo de fundición habitual, la modelización puede conducir a mejores resultados(6).
Prevención de la humectación en las fundiciones
La prevención de defectos superficiales es un desafío importante en el espacio de moldeo, donde a menudo se utilizan materiales propensos a humedecerse. La humectación causa directamente defectos en la superficie, y el uso de cantidades suficientes de polvo de carbón en la arena puede aliviar estos fenómenos.
En condiciones de alta temperatura, el polvo de carbón / antracita en polvo se pirólizará y depositará una película delgada de carbono sólido en la interfaz líquido-metal-arena. Esta capa depositada evitará la penetración del metal en la arena, y viceversa. Sin embargo, se trata de dos capas. Uno en cada una de las arenas y el metal que garantiza un comportamiento no humectante y la prevención de la formación de rebabas que posteriormente tendrían que ser mecanizadas a partir del producto fundido. Se prefiere el polvo de carbón que es predominantemente antracita, tiene una buena capacidad de coquización, no tiene más del 30% de volátiles en peso, con menos del 0,8% en peso de azufre y tiene un bajo contenido de cenizas(7).
Naturalmente, es de esperar un aumento de presión debido a la evolución de los gases procedentes de la pirólisis del polvo de carbón, lo que provoca un aumento moderado de la presión, además de la evaporación del agua de la arena. Tales aumentos de presión están dentro de la tolerancia de cualquier molde de fundición en arena. El único problema leve potencial es que el hidrógeno podría penetrar en el metal, a temperaturas lo suficientemente altas, si hay suficiente presente, debido a su pequeño radio atómico (8).
Curiosamente, la humectación es una consideración importante en un estudio que analizó el almacenamiento de polvo de carbón. Como el polvo de carbón es altamente inflamable, su almacenamiento debe tomarse en serio. Se ha desarrollado un spray a base de dodecil sulfato de sodio que evita la degradación y el fuego en el polvo de carbón almacenado(9).
Aplicaciones refractarias
Como se mencionó anteriormente, la antracita tiene un grado de refractariedad, particularmente cuando ha sido calcinada.
Ladrillos refractarios
Los ladrillos refractarios
son capaces de soportar altas temperaturas y se caracterizan por una baja conductividad térmica que permite una mayor eficiencia. Las aplicaciones que requieren una alta tensión térmica, química o mecánica requieren el uso de ladrillos refractarios densos. Sin embargo, el ladrillo de horno, un ladrillo refractario más poroso, es más adecuado para situaciones menos duras. Los ladrillos de horno son más débiles que los densos, pero son ventajosos en el sentido de que son livianos y mejores aislantes. El polvo de carbón como aditivo en la producción de ladrillos refractarios se utiliza desde hace casi cien años(10).
Una de las principales sustancias implicadas en la producción de ladrillo refractario también conocido como ladrillo de fuego es el polvo de carbón. Los hornos de chimenea abiertos, los hornos de arco eléctrico, los hornos de metalurgia, los hornos rotativos de cemento y los hornos de vidrio están construidos con ladrillos de fuego hechos de polvo de carbón refractario. Como aditivo, es necesario que el polvo de carbón se mezcle con arcilla y agua. Posteriormente, la mezcla se somete a un proceso de cocción que implica el secado por aire durante 120 minutos a una temperatura de 30oCy pasa a través de una temperatura de 110oC. En la última fase de cocción, la muestra de mezcla se introduce en un horno y se calienta a una temperatura de 1050oC en 6 horas.
En el caso de los ladrillos refractarios que contienen polvo de carbón, se ha comprobado que con una molienda más fina (es decir, partículas más pequeñas), aumenta la resistencia a la compresión y los niveles de porosidad, mientras que la conductividad térmica disminuye. Naturalmente, el equilibrio de la conductividad térmica y la resistencia a la compresión son clave para un ladrillo de fuego exitoso. Los investigadores han llegado a la conclusión de que la conductividad térmica disminuyó, mientras que la resistencia a la compresión y los niveles de porosidad aumentaron con un aumento general en el porcentaje de polvo de carbón utilizado(11).
Específicamente, el polvo de carbón proporciona el aislamiento térmico requerido por los ladrillos refractarios para funcionar cuando sea necesario. El polvo de carbón refractario tiene el siguiente efecto en el ladrillo de fuego:
- Reduce la conductividad térmica
- Aumentar la fuerza de aplastamiento y la porosidad del ladrillo refractario
- Mejorar la capacidad del ladrillo de fuego para soportar factores térmicos y corrosivos
- Promueve la capacidad de soportar choques térmicos.
La composición porcentual en ladrillos refractarios estándar de polvo de carbón atribuida al polvo de carbón oscila entre el 38 y el 68%, con tamaños de molienda que oscilan entre 20 y 500 μm. Se ha afirmado que con el aumento del contenido de carbón, la resistencia mecánica aumenta y la conductividad térmica disminuye(12).
Al igual que con todos los refractarios, el concepto de porosidad es crucial. Los altos niveles de porosidad corroboran con mayores niveles de aislamiento térmico debido a una mayor capacidad de aire, ya que el aire es un conductor de mala temperatura(13), pero debe tenerse en cuenta que demasiada porosidad puede ser algo malo. El exceso de porosidad a menudo se asocia con una disminución de la resistencia mecánica.
La permeabilidad es uno de los principales factores decisivos en la longevidad de los materiales refractarios(14), y está muy influenciada por la porosidad. Los poros se crean después de que un material combustible dentro de la mezcla refractaria general se quema durante la cocción. La forma de los poros está relacionada con el material(15) y el proceso general se conoce como "burnout". Cuando el polvo de carbón se quema, generalmente deja un agujero esférico (16). Como regla general, cuanto mayor sea el tamaño de partícula del aditivo, mayor será el tamaño de los poros.
El polvo de carbón también se utiliza como aditivo en la fabricación de ladrillos altamente estables térmicamente a partir de lodo de arcilla roja con alto contenido de hierro en los países en desarrollo(17). Estos ladrillos son valorados por su baja retención de agua y longevidad.
Revestimientos refractarios
Como se mencionó anteriormente con respecto a los revestimientos de altos hornos, el polvo de carbón como antracita se puede usar en revestimientos refractarios, a menudo como parte de una estructura monolítica. La fundición de aluminio hace un uso extensivo de revestimientos carbonosos, utilizando antracita junto con coque y otros materiales a base de carbono. Los revestimientos monolíticos derivados de la antracita son muy valorados debido a su bajo contenido de cenizas y estabilidad a largo plazo. Los cátodos utilizados en la etapa de electrólisis de la fundición de aluminio pueden contener hasta un 45% de antracita calcinada; Si bien se mantiene la estabilidad a altas temperaturas y no se pierde la conductividad eléctrica, esto se suma a los escenarios de revestimiento de ollas o artesas en los que la adición de polvo de carbón ayuda a garantizar que el metal fundido se mantenga a temperatura constante (18).
Otros usos refractarios
Para la unión de otros refractarios en los revestimientos de fundición, se puede utilizar una pasta refractaria altamente eficaz compuesta de antracita calcinada y brea resinosa(19). Cuando estas resinas son ricas en antracita, su rendimiento se considera superior en términos de resistencia a la compresión en los rangos de temperatura más altos, en comparación con las resinas de tipo asfáltico(20). El polvo de carbón se ha utilizado en cementos refractarios y hormigón desde 1910. Si bien la adición de polvo de carbón no contribuye a la actividad puzolanica (curado) del hormigón, la inclusión aumenta el rendimiento térmico general, lo que lo convierte en una buena opción para entornos de alta temperatura.
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