Materiales Auxiliares

Transcripción

1 Materia: Materiales Metálicos Ing. Mecánica Materiales Auxiliares Combustibles Metalúrgicos Refractarios y Fundentes Ing. Víctor Gómez U. T. N Facultad Regional Tucumán

2 Combustible metalúrgico: Porción de materia que al quemarse u oxidarse produce calor que puede ser aprovechado industrialmente. Se encuentran en tres estados, Sólidos, Líquidos y Gaseosos. Combustibles Sólidos Naturales: Madera, turba, lignito, hullas, antracita, grafito. Artificiales: Briquetas de hulla y lignito, carbón de leña, carbón de coque o Cook. Combustibles Líquidos Naturales: Petróleo Artificiales: Productos de la destilación del petróleo. Naftas, Kerosén, fuel oil, aceites, alquitrán, bensol, breas. Combustibles Gaseosos Naturales: Gases naturales obtenidos en pozos petroleros. Metano, etano, monóxido de carbono, etc. Artificiales: Gas de alto horno, gas de gasómetro (combustión incompleta de combustibles sólidos), gas de horno de coque (destilación de la hulla), gas de acetileno, etc.

3 GAS NATURAL Hidrocarburo Composició n Quími ca Rango (en %) Metano CH Etano C2H6 2-6 Dióxido de Carbono CO2 0-2 Propano C3H8 0-2 Nitrógeno N 0-1

4 Combustibles Sólidos Naturales Antracitas (86-92% CF) Hulla bituminosa Carbones Hulla sub-bituminosa Lignitos Turbas Grafitos Alquitranes Maderas Vegetales secos Orden descendente de carbono fijo Artificiales Aglomerados de hulla o lignitos (Briquetas). Coque.(destilación seca de la hulla: coque de gas o de alto horno) Carbón vegetal Breas de hulla o de petróleo. Residuos sólidos urbanos e industriales Combustibles Fósiles Propiedades y características que interesan Carbón: granulometría, contenido en humedad y cenizas Fuel-Oil: precalentamiento inicial para que fluya. Alto contenido en azufre, imposibilidad de su uso por contaminación. GLP: depósitos a presión y ventilación de seguridad Gas Natural: Problemas en el almacenaje (depósitos criogénicos) y requiere un alto coste de infraestructura para canalizaciones.

5 CARBONES FOSILES Carbón Hulla: Roca sedimentaria orgánica - se formó por la transformación de material orgánico especialmente plantas. Trozos de carbón, hulla encontrados en Puquios, en la Región Atacama (Chile). El carbonífero muestra una impresionante cantidad de plantas y tal vez insectos. Yacimiento "Piesberg" cerca Osnabrück en Alemania.

6 CARBONES Y DERIVADOS T i p o d e C a r b o n T u r b a s L i g n i t o s H u l l a s A n t r a c i t a s P r o p i e d a d e s S e d i s t i n g u e n t a l l o s, h o j a s, r a í c e s y c o r t e z a s G e l d e c a r a c t e r í s t i c a s á c i d a s. G e n e r a u n c o q u e n e g r o y p u l v u r e n t o. E s c a s o i n t e r é s i n d u s t r i a l C o l o r p a r d o. A l t o p o r c e n t a j e d e p r o d u c t o s v o l á t i l e s. R e a c c i ó n á c i d a c o n e l a g u a. S i n l a e l a s t i c i d a d d e l a t u r b a. G e n e r a u n c o q u e m e n o s n e g r o. C o l o r n e g r o y b r i l l a n t e. G e n e r a u n c o q u e a g l o m e r a d o d e a l t a c a l i d a d. A l t o i n t e r é s i n d u s t r i a l. C o l o r n e g r o y b r i l l a n t e. B a j a p r o p o r c i ó n d e v o l á t i l e s. A l t o c o n t e n i d o e n c a r b o n o. Análisis Elemental Poder Materias Tipo de C (%) H (%) Otros (%) calorífico Volátiles Carbón (Kcal Kcal/mol mol) (%) Turba Lignito Hulla Antracita

7 Métodos de obtención del coque Destilación sin recuperación de materias volátiles: Horno tipo colmena El coque es el residuo de la destilación de la hulla, en ambientes cerrados y con ausencia de aire. Se utilizan hornos tipo colmena con aberturas laterales para carga y descarga. Los hornos están dispuestos en serie y miden unos 12 m, la capacidad de carga es 5 tn y el tiempo de destilación es de unos 2 a 3 dias. Al final se extrae el coque y se lo apaga con agua. Destilación con recuperación de materiales volátiles: Horno tipo subproducto Son hornos de gran producción y elevado rendimiento, permiten la recuperación de subproductos como el alquitrán, aguas amoniacales, gases, etc. Los gases salen a C, parte del mismo se usa para producir calor y para ser usado en los recuperadores de calor para mejorar el rendimiento. Las operaciones duran unas 18 hs. De 1 tn de hulla se obtiene 750 Kg. de coque, 33 Kg. De alquitrán, 12 Kg. de amoníaco, 7,5 Kg. de benzol y 320 m3 de gas de coque. V i s t a e s q u e m á t i c a d e u n a b a t e r í a d e c o q u i z a c i ó n Coque a punto de ser deshornado Coque metalúrgico Residuo sólido que se obtiene de la destilación destructiva de la hulla.

8 Características principales de los combustibles Poder calorífico Aire necesario p/combustión Temperatura final de llama El Coque El coque es uno de los combustible mas empleado y se lo obtiene a partir de la destilación de la hulla, tiene gran poder calorífico y es pobre en cenizas. En los primeros altos hornos instalados en Gran Bretaña a mediados del siglo XVII, se utilizaba como combustible el carbón vegetal. En la actualidad, se utilizan mas los altos hornos eléctricos. Peso específico del coque = 1,3 a 1,5 Kg./dm3. Resistencia a la compresión= 80 a 115 Kg./cm2. Condiciones que debe reunir un buen coque Debe ser compacto y pesado. Debe presentar porosidades internas para facilitar la absorción. Su color debe ser negro claro o gris, con brillo metálico. Presentará una densidad media de 1,5 Kg./dm3. Tendrá un peso específico de 400 Kg/m3, el mas liviano y de 450 Kg/m3 el mas pesado. Debe ser resistente al desmoronamiento y al desmenuzamiento. Función n del coque Como combustible. Como carburante. Como reductor, genera CO (monóxido de carbono) Composición química = 88 a 91% de C 5% de H 5,5 a 6,8% de O 10% como máximo de cenizas.

9 Carbón de leña o madera Se obtiene por combustión incompleta de la leña en hornos tipo colmena, fabricados con ladrillo refractarios o comunes. El tiempo de destilación es de 4 a 5 días. Su empleo es restringido por el elevado costo en la producción y el ataque al medio ambiente por la tala de árboles. Condiciones que debe reunir un buen carbón de leña 1) Resistencia a la compresión y al desmoronamiento. 2) Ser poco quebradizo. 3) Poroso. 4) Exento de azufre. 5) Su fractura debe ser brillante 6) No debe ensuciar las manos al tocarlo. Construcción de un horno semiesférico en Argentina. Argamasa de carbonilla y barro. Diámetro ~ 6 metros. Hornos en Missouri. Hechos con cemento armado y puertas de acero. Se ve la pila de carbón a la izquierda de la imagen. Horno de colmena semiesférico argentino

10 Análisis del combustible Permite conocer de forma inmediata el carbono fijo, contenido de materiales volátiles, cantidad de cenizas, humedad, etc. Los análisis están normalizados. Análisis inmediato: Es necesario disponer de una estufa de mufla, una balanza y una cierta cantidad de carbón para la extracción de la muestra. ❶ Se toma la muestra, se la pesa, se la coloca en la estufa durante una hora a una temperatura de 105 C para eliminar la humedad accid ental, se pesa y se registra la lectura. ❷ Se coloca la muestra en la estufa durante 7 u 8 minutos a una temperatura de 700 a C para eliminar la humedad higroscópica, se p esa y se registra la lectura. ❸ Se hace combustionar la muestra, se pesan las cenizas y se registra la lectura. El peso del carbono fijo será: Pcf = Pm ( Pha + Phi + Pcen ) Pcf = Peso de carbono fijo Pm = Peso de la muestra Pha = Peso de la humedad accidental Phi = Peso de la humedad higroscópica Pcen = Peso de la ceniza Pcf 85% Pcen < 10% Análisis elemental: Se realiza en laboratorios para determinar, carbono, hidrógeno, oxígeno, azufre y nitrógeno. Nos dá la información de la posible aplicación que puede tener el combustible y nos permite determinar el Poder calorífico inferior. Combustión La combustión es una reacción de oxidación donde ciertos elementos constitutivos de los combustibles combinan con el oxígeno, liberando importantes cantidades de calor. La sustancia que se quema, se llama combustible y el medio en donde se realiza la combustión, se llama comburente. Los elementos básicos constitutivos de los combustibles son, carbono C, hidrógeno H, azufre S y oxígeno. Para la combustión, son necesarias, grandes cantidades de oxígeno que normalmente suministra el aire, aunque también se tiene en cuenta el O que forma parte de la composición del combustible. Para medir el calor desprendido o poder calorífico de un combustible durante una combustión, se utiliza una Bomba Calorimétrica.

11 BOMBA CALORIMETRICA Bombona de Oxígeno Recipiente para el Agua Camisa Adiabática Bomba Calorimétrica La B. C. mide todo el calor desprendido en la combustión, inclusive el calor de vaporización del agua formada, ya que esta se condensa. El valor así determinado se llama Poder Calorífico Superior. Cuando se desprecia el calor de vaporización del agua, se llama Poder Calorífico Inferior. Pci = Pcs 597 W También Pci = Pcs 597 (9H + H2O) W = Porcentaje en peso de agua formada en la combustión mas la humedad que trae el combustible. H el porcentaje de hidrógeno que contenido en el combustible y H2O el porcentaje de humedad del mismo. Determinación del poder calorífico de combustibles Para la determinación del poder calorífico tenemos: Método directo: Empleo de la bomba calorimétrica. Método indirecto: Fórmulas empíricas Según Doulong Fórmula reducida: Pci = [W(Tf Ti)] / P [Cal] W: Peso de agua incluida P: Peso de combustible Fórmula general: Pci = C (H O/8) S 600a C = % de carbono H = % de hidrógeno O = % de oxígeno S = % de azufre a = Vapor de agua

12 MATERIALES REFRACTARIOS Definición: TODO MATERIAL CAPAZ DE SOPORTAR, A TEMPERATURAS ELEVADAS, EN LAS CONDICIONES DEL MEDIO EN QUE ESTA INMERSO, DURANTE UN PERIODO DE TIEMPO ECONOMICAMENTE RENTABLE, SIN DETERIORO EXCESIVO DE SUS PROPIEDADES FISICO-QUIMICAS. En la construcción de hornos metalúrgicos se deben emplear materiales refractarios, los cuales deben soportar altas temperaturas, la acción mecánica de los materiales que componen la carga del horno, las reacciones químicas de la carga y adaptarse a distintos procesos metalúrgicos. Dentro de las propiedades mecánicas de un refractario mencionamos la Resistencia a la erosión de las partículas sólidas que arrastran los gases a altas temperaturas. Los procesos metalúrgicos deben adaptarse al tipo de refractario que posee el horno (ácido, básico, neutro). Mediante análisis químicos podemos conocer los componentes de un refractario y averiguar su carácter, por ejemplo los % de Sílice (Si2 O), % de alúmina, % de óxido ferroso, % de óxido de magnesio, etc., esto permite la clasificación como ácidos, básicos o neutros. Estos óxidos simples se encuentran en pequeñas proporciones, pero forman combinaciones químicas complejas que tienen influencia en la marcha de un proceso metalúrgico. Refractariedad: Todas las arcillas son refractarias, es decir resisten los aumentos de temperatura sin sufrir variaciones, aunque cada tipo de arcilla tiene una temperatura de cocción. Clasificación de los materiales refractarios Ya dijimos que son aptos para resistir elevadas temperaturas. La destrucción o deterioro de las paredes de un horno pueden ser causado por una elección equivocada del refractario, hay mas de 100 tipos diferentes de ellos y c/uno de ellos tienen propiedades óptimas desde lo técnico y económico para determinadas condiciones de trabajo. De las condiciones que deben poseer mencionamos: 1.- Alta refractariedad (Buena resistencia térmica al ablandamiento). 2.- Alta resistencia mecánica a la compresión para soportar el peso de los muros. 3.- Bajo coeficiente de expansión térmica. 4.- Alta resistencia a la rotura bajo cambios bruscos de temperatura. 5.- Alta resistencia a la acción química de las escorias y de los gases. 6.- Uniformidad del refractario en cuanto a sus propiedades y a sus dimensiones.

13 PROCESO DE FABRICACION DE LADRILLOS REFRACTARIOS

14 TIPOS DE REFRACTARIOS Refractarios ácidos: Constituidos principalmente por sílice (Si O2), la materia prima principal es el cuarzo que contiene un 98% de sílice. Se hacen mezclas de cuarzo y materiales que contengan alúmina (Al2 03), como la arcilla, la bauxita, etc. Podemos clasificarlos como refractarios silicosos (con alta Si 02), aluminosos (con mas de 47% de Al2 03) y los silicoaluminosos (intermedios) Refractarios básicos: Conformado por magnesia (Mg O) y cal (Ca O), las materias primas principales son la magnesita (CO3 Mg) y la dolomita que es carbonato doble de calcio y magnesio (CO3 Ca. CO3 Mg). Refractarios neutros: Están fabricados sobre la base de óxido de cromo y alúmina fundida y carburo de silicio (carburundum) Refractarios aislantes. Refractarios especiales: Incluye materiales Refractarios de alto coste: Zr O2, Si C, Si3 N4,.. PROPIEDADES Se usan principalmente en forma de ladrillos y bloques. La fabricación de los ladrillos es mediante prensado manual o mecánico. El modo de prensado influye sobre la densidad y la resistencia. También se emplean concretos refractarios, que se usan para revestir hornos, paredes o pisos monolíticos y deben tener la misma calidad que los ladrillos (químicas y mecánicas). En la imagen, observamos el montaje y colocación de los ladrillos.

15 Diagramas de fases Refractarios Ácidos: Diagrama de fases Sílice Alumina, base para los refractarios de silicatos de alumina. Refractarios Básicos: Diagrama de fases que muestra una solubilidad plena en el estado sólido. A la izquierda del grafico la FOSTERITA y la derecha la FAYALITA, son rocas denominadas con estos nombres.

16 RECEPCION DE LOS LADRILLOS REFRACTARIOS Se basa en un control de recepción, empleando normas como las IRAM o ASTM, entre otras. Se ensayan: 1: Composición química de los óxidos. 2: Refractariedad sin carga en el numero de CPE en. 3: Refractariedad bajo carga. 4: Resistencia a la compresión a temperatura normal. 5: Resistencia al choque térmico. 6: Peso especifico, densidad y porosidad. 7: Tolerancia de dimensiones y aspecto general. 8: Uniformidad de la partícula.

17 Cocción de los refractarios Cuando los ladrillos son sometidos a la cocción, en su masa se desarrolla una liga cerámica (se ablandan los granos y se unen), esto los vuelve rígidos y esta rigidez les confiere una elevada resistencia mecánica, en frío y caliente. Los factores que influyen en la rigidez del ladrillo, su resistencia al ataque químico de los medios que se encuentran en el horno y otras propiedades son: La composición química, el intervalo de la temperatura de cocción y la aptitud de absorber los cristales adyacentes. Las impurezas de las materias primas, también participan en la formación de las propiedades de las ligas, estas a veces, empeoran las condiciones refractarias. Refractariedad sin carga: Es la temperatura a la cual un refractario comienza a ablandarse. La medición de la temperatura se efectúa con conos pirométricos. MEDICION DE TEMPERATURAS DE UN HORNO O PARA CONTROLAR DESEMPEÑO DE UN TIPO DE REFRACTARIO Conos Normalizados: ASTM: C-24 IRAM: 15-45, 15-35, 15-53, 15-55, 15-56, 15-64, Conos pirométricos EL KELPER El cono pirométrico es un cuerpo piramidal triangular de 6cm de altura moldeado y pre horneado acorde a su rango térmico. Se expenden en envases de 10 y 25 unidades, fabricados en series cortas para su mejor control de calidad, graduados para calentamientos de 150 C/h. Disponibles en temperaturas de: 950 C nº C nº C nº C nº C nº C nº C nº C nº C nº 10

18 REFRACTARIEDAD BAJO CARGA: Es la temperatura que alcanza un refractario, siendo sometido a presión, hasta que se produce una reducción de su altura como consecuencia de su ablandamiento. Para la determinación de este valor, se utiliza una probeta cilíndrica de 50 mm de diámetro y 50 mm de altura, bajo la acción de una carga de 2 Kg./cm2. Se calienta hasta la temperatura que provoca una reducción de altura de o,3 mm. Norma ISO 1893 Norma UNE: EN Norma UNE: EN El equipo de ensayo que se ve en la figura, posee un horno cuya temperatura llega a los

19 CEMENTOS REFRACTARIOS Se los utiliza para formar una liga entre los ladrillos refractarios. La refractariedad del cemento, es siempre un poco mas baja que la del ladrillo, debido a que el cemento debe licuarse para facilitar la unión entre ladrillos, este efecto se consigue ajustando la composición química del cemento. Por este motivo, es que la dimensión de la unión, en cuanto a su altura, debe ser muy pequeña de tal manera de no ofrecer una superficie grande a la acción de los elementos internos de un horno. (Temperatura, erosión, etc.) Tipos de cementos: Los mismos deben de la misma naturaleza de los ladrillos refractarios. Cementos silico aluminosos: Se preparan mezclando un 40% de arcilla refractaria con un 60% de chamota (ladrillos refractarios que se muelen) ambos molidos a un máximo de 2 mm de diámetro. Cementos silicosos: Se preparan con una mezcla de cuarzo natural con un 5 a 7% de arcilla refractaria, molidos a un máximo de 2 mm de diámetro. Debe contener 87% de sílice como mínimo y no mas de 2% de oxido ferrico (Fe2 O3). La refractariedad es de Cementos de magnesita: Se obtiene de la magnesita natural molida con un diámetro de 1 mm, con un máximo contenido de oxido de magnesio de 80%. Cementos de Cromita: Oxido de cromo, puede unir todos los ladrillos básicos, cualquiera sea su tipo. Duración de los materiales refractarios en servicio: Cuando un horno esta funcionando, se van desgastando partes como los arcos y bóvedas, disminuyendo su espesor hasta que el horno se hace inservible. El tiempo total de trabajo util del revestimiento determina la duración de la campaña del horno o aparato. Ultra Green-80: Cemento de ultra bajo contenido de cemento. Resiste ºF. (1.760 ºC.) Material para aplicaciones de altísima temperatura. Muy bueno para la abrasión y desgaste. Un pié cúbico requiere de 175 libras de este material ó Kg/M3. Para su instalación se necesita un batido especial y un vibrado para su compactación. Tiene 81% de alúmina. Para su preparación se usan 2,5 litros de agua por cada saco de 100 libras.

20 FUNDENTES El fundente tiene por finalidad disminuir el punto de fusión de las cenizas y la ganga con el propósito de difundirlas o licuarlas para poder escurrir la escoria y eliminarlas. Los fundente utilizados en procesos metalúrgicos son: Carbonato de calcio (Piedra caliza) C03 Ca Carbonato de Magnesio C03 Mg Dolomita C03 Ca + C03 Mg Dolomita calcinada 0Ca + OMg Composición química del fundente Alúmina (Al2 03) - Sílice (Si 02) - O. de Calcio (Ca0) O. de Mg (Mg0) - Anhidro Fosfórico (P12 05) Anhidro Sulfuroso (S03) El fundente debe tener la menor cantidad de impurezas posible. Además de las cenizas y la ganga, parte del refractario pasa a formar parte de las escorias, como consecuencia de acción erosiva ocasionada por la carga. La función del fundente es mantener al metal con la mayor pureza posible. En los A. H. no emplea Oca, es muy higroscópico y con la humedad de la carga a la temperatura de 400 a 500 y forma hidróxido de calcio Ca(0H)2, el cual puede actuar como cemento y dificultar el proceso. Por esto se usa C03 Ca, cuya disociación ocurre entre los 700 a 850 en un 30%, entre los 850 a el resto del fundente. En los convertidores se usa 0Ca por el proceso es muy ajustado y no se podría consumir calor para la descomposición del C03 Ca.