Polvo de carbón en ladrillos refractarios
Un ladrillo refractario - también conocido como un ladrillo de fuego - es uno que tiene un mantiene una alta resistencia física y química y la estructura a temperaturas significativamente elevadas, sin grietas. Se utilizan para la línea de hornos y hornos, proporcionando aislamiento y protección a la estructura exterior de la cámara de calefacción. Los ladrillos refractarios que contienen carbono, como los
que contienen polvo
de carbón, se han utilizado ampliamente en la fabricación de hierro y acero debido a su adaptabilidad y resiliencia(2).
El polvo de carbón como aditivo en la producción de ladrillos refractarios se ha utilizado durante casi cien años(3). En un trabajo a menudo citado(4), predominantemente ladrillos de fuego a base de arcilla con diferentes cantidades de polvo de carbón, en varios tamaños de molienda, se hicieron. En todos los casos, se observaron altos niveles de aislamiento térmico. Los autores concluyeron 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. Con respecto al tamaño de molienda, se encontró que con una molienda más fina (partículas más pequeñas), la resistencia a la compresión y los niveles de porosidad aumentaron, mientras que la conductividad térmica disminuyó. Naturalmente, el equilibrio de la conductividad térmica y la resistencia a la compresión son clave para un ladrillo de fuego exitoso. La porosidad contribuye al aislamiento térmico, ya que el aire es un conductor de baja temperatura(5), aunque los autores señalaron que el exceso de niveles de porosidad puede contribuir a la falta de características de resistencia mecánica. La composición porcentual atribuida al carbón osciló entre 38 y 68, y el tamaño de la molienda osciló entre 20 y 500 m. Otro estudio sondeó el mismo número, aunque con menor porcentaje de adiciones de polvo de carbón (5 a 20 en masa), los autores afirmaron que con el aumento del contenido de carbón la resistencia mecánica aumentó y la conductividad térmica disminuye(6).
La porosidad está directamente relacionada con la permeabilidad, y se afirma que la permeabilidad es el factor rector de la longevidad de los materiales refractarios(7). La porosidad se crea mediante la combustión de materiales añadidos al material principal de formación de ladrillos(8). Los poros se crean después de que el material se quema, y la forma de los poros está relacionada con la identidad del material(9), en un proceso conocido como 'burnout'. Cuando el polvo de carbón se quema, normalmente deja una forma de poro que es esférica(10). La conductividad térmica -y por lo tanto la eficacia como refractario- también depende de la forma de los poros, además de los niveles generales de porosidad(11). Como regla general, cuanto mayor sea el tamaño de partícula del aditivo, mayor será el tamaño de los poros.
El polvo de carbón se utiliza como aditivo en la producción de ladrillos altamente estables térmicamente a partir de barro de arcilla roja en los países en desarrollo(12), con altos niveles de resistencia a la compresión y porosidad, y baja retención de agua.
Además del polvo de carbón, los residuos de ceniza de carbón de las centrales termoeléctricas se han utilizado en la fabricación de ladrillos convencionales y refractarios(13), con un rendimiento similar al de los ladrillos disponibles en el centro comercial. Se ha informado de que la fabricación de ladrillos a partir de polvo de carbón y cenizas de carbón es un método de producción más ambiental(14) ya que reduce/reutiliza los residuos.
A pesar de no contribuir a la actividad pozzolánica del hormigón (la fuerza que se ofrece a través del proceso de curado - esto puede ser influenciado por otros factores y aditivos, también disponible en la pegmatita africana), el polvo de carbón se ha utilizado como un aditivo en el hormigón refractario desde al menos 1910. El rendimiento térmico se incrementa por su adición, lo que lo hace una opción ideal para entornos de alta temperatura y aquellos en lugares constantemente calientes.
Revestimientos refractarios y polvo de carbón/antracita
Además de en forma de ladrillo, el polvo de antracita/carbón se puede utilizar como parte de revestimientos refractarios, por ejemplo, en los casos en que forman parte de una estructura monolito. Los revestimientos carbonáceos de macetas para fundición de aluminio han sido populares durante algún tiempo(15), con combinaciones de antracita y coque/calcinado hallazgo de antracita. Los revestimientos monolíticos derivados de la antracita y el polvo de carbón son deseables debido a su bajo contenido de cenizas y estabilidad a largo plazo. Además, en el espacio de producción de aluminio, se han producido cátodos utilizados en la etapa de electrólisis que contienen hasta 45 de antracita calcinada; manteniendo la estabilidad a alta temperatura y sin pérdida de conductividad eléctrica. además de los ajustes más convencionales de revestimiento de macetas que aseguran que el metal fundido se mantenga a temperatura constante(16).
Con respecto a los revestimientos refractarios para la producción de hierro y acero, en el alto horno se ha utilizado un monolito curado compuesto por 80 antracita(17). Es crucial que un alto horno esté forrado con un refractario eficaz y duradero para garantizar una producción sostenida y fiable(18). En el alto horno moderno, el desgaste del revestimiento se concentra particularmente en la parte inferior de la cámara, la chimenea. Aquí, el caudal de metal líquido es alto, lo que significa turbulencia y un nivel desigual de desgaste a través del forro. Los refractarios basados en la antracita demostraron su valor con altos niveles de resistencia a la temperatura, incluso hasta múltiples ciclos de calentamiento por encima de 1.000 oC, pruebas de choque térmico, pruebas de resistencia química y oxidación. En este caso, la antracita monolítica es apreciada por su estabilidad de volumen a granel(19). Los revestimientos refractarios de tipo carbono de los altos hornos suelen estar del orden de 700 a 750 mm de espesor, con longitudes de alrededor de 2 metros(20).
Teniendo en cuenta el servicio a largo plazo de un revestimiento en particular, ningún material es inmune al fracaso. En general, cuantos más ciclos de calentamiento y refrigeración haya, antes fallará el refractario. Se observa, sin embargo, que un refractario más frágil fracasará antes; polvo de carbón/refractarios de antracita son conocidos por su relativa flexibilidad(21). Cabe destacar el tamaño de los poros orientados hacia el exterior en cualquier refractario a base de carbono; si el tamaño de los poros es demasiado grande, pequeñas cantidades de metal fundido pueden acumularse en ellos y enfriarse, produciendo los llamados "whiskers". Estos fenómenos pueden afectar a la eficacia global del refractario.
En aplicaciones de revestimiento de fundición, la antracita/calcinita y el paso resinoso se pueden utilizar para formar una pasta refractaria, que puede llenar eficazmente los huecos entre ladrillos refractarios, paneles o monolitos(22). La resistencia a la compresión superior es conferida por la antracita presente en estas pastas, especialmente en los rangos de temperatura más altos a menudo experimentados por tales pastas, especialmente en comparación con el asfalto de la generación anterior o resinas bituminosas a base de carbono.
Greensand y Fundiciones: El uso del polvo de carbón en aplicaciones de fundición
El polvo
de carbón es un aditivo común en el proceso de moldeo de arena verde, como un aditivo carbonáceo que bajo combustes y oxida. En la fundición de arena verde moderna, la antracita sustituye al carbón bituminoso, que se quema al calentarse y libera contaminantes peligrosos como el benceno, el xileno y el tolueno. Es imperativo que el carbón bituminoso se sustituya por un material carbonáceo de igual rendimiento, pero con un perfil menos perjudicial para el medio ambiente. Experimentalmente, la antracita(23) emite contaminantes significativamente menos peligrosos que el carbón bituminoso(24). El uso de polvo de carbón disminuye los defectos quemados, mejora el acabado superficial y disminuye la penetración del metal. Además, inhibe la humectación, un proceso por el cual el metal fundido se adhiere a la arena en el molde y deja defectos en la superficie del producto. El uso de polvo de carbón también previene fenómenos como la "quemadura en", donde el óxido de hierro se produce en la superficie debido a los compuestos orgánicos volátiles que desprende la combustión de polvo de carbón(25).
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