AGENTES RECARBURANTES PARA HORNO ELÉCTRICO DE INDUCCIÓN EN FUNDICIÓN

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1 AGENTES RECARBURANTES PARA HORNO ELÉCTRICO DE INDUCCIÓN EN FUNDICIÓN 1. Objetivo. 2. Fundiciones. 3. Tipos de hornos en la fundición. 4. Tipos de recarburantes. 5. Influencia de los constituyentes de los materiales carbonosos. 6. Factores de influencia en la recarburación. 7. Selección de recarburantes para la fundición obtenida en hornos eléctricos. 8. Pellets de grafito y coque de petróleo calcinado. 9. Pelletización. 10. Prueba práctica. 11. Conclusiones. 1.- OBJETIVO. - Dar un repaso a los materiales que se emplean habitualmente en la recarburación del baño para la obtención de fundiciones. - Conceptos a tener en cuenta en el momento de la selección de un recarburante en función del proceso. - Dar a conocer los últimos avances para la revalorización de los finos de coque y grafito (pellets de coque de petróleo y de grafito). 2.- FUNDICIONES. Los aceros y las fundiciones son aleaciones Hierro-Carbono. Según el diagrama (Fe-C): Aceros: Hasta 1.76 % de Carbono. Fundiciones: Desde 1.76 % hasta 6.67 % de Carbono. En la práctica industrial sólo se emplean fundiciones entre 2.8 % y 3.9 % de Carbono. Las fundiciones, además de por sus características mecánicas y por su matriz, se clasifican básicamente por la forma (tipo) del grafito: laminar, vermicular, nodular (maleable) y esferoidal. Página 1 de 19

2 Características: Tienen buena maquinabilidad (gracias al grafito que actúa como lubricante), buena resistencia al calor, a la oxidación, características mecánicas similares a algunos aceros en el caso de las esferoidales, etc. Aplicaciones: Se emplean entre otras aplicaciones, para fabricar piezas para automoción, maquinaria, piezas ornamentales, etc. Propiedades mecánicas: - Resistencia a la tracción: Oscilan entre 10 Mpa para una fundición laminar ferrítica y 150 Mpa para una fundición esferoidal ADI. - Plasticidad: Oscilan entre prácticamente nula de una fundición laminar y hasta el 20 % de una fundición esferoidal ferrítica a la que se le ha efectuado un tratamiento térmico de recocido. - Dureza: Oscila entre 130 HB de una fundición esferoidal ferrítica y 321 HB de una fundición esferoidal perlítica, pudiendo llegar hasta HRc con un tratamiento térmico de temple y revenido. 3.- TIPOS DE HORNOS EN FUNDICIÓN. Los tipos de hornos más frecuentemente empleados son: Cubilote (de aire caliente, aire frío, gas). Horno eléctrico de inducción sin núcleo (de frecuencia de red, media o alta frecuencia). Horno eléctrico de electrodos. Horno eléctrico de inducción de canal. Horno rotatorio (oxigás). CUBILOTE: Excepto para el de gas, la fusión se realiza por calentamiento que efectúa el carbón de coque incandescente sobre la carga metálica mediante insuflación de aire (caliente o frío). En éste caso el coque efectúa la fusión, el recalentamiento y la recarburación ( dependiendo de la composición de la carga y de la marcha oxidante o reductora-). Se puede considerar un horno metalúrgico. La carga metálica (sobre todo el acero), se ve limitada por el poder calorífico del coque, aunque se puede cargar algo más de acero en el caso de aire caliente. HORNO ELECTRICO DE INDUCCIÓN SIN NUCLEO: El metal se funde mediante la inducción efectuada por una bobina sobre el metal a fundir, que actúa como el primario de un transformador siendo la carga metálica el secundario del mismo. Es el tipo de horno más empleado en la actualidad para la obtención de fundiciones. La carga metálica puede ser completamente sintética y se puede fundir incluso sin pié de baño en el caso de hornos de media y alta frecuencia. La recarburación puede efectuarse con cualquier agente recarburante y la única dificultad estriba en la agitación del baño, que es mayor cuanto más baja es la frecuencia. Por tanto, tendrá mejor agitación un horno de frecuencia de red 50 Hz, que otro que trabaje a 250 Hz de frecuencia. Página 2 de 19

3 HORNO ELECTRICO DE ELECTRODOS: La fusión se efectúa mediante arco eléctrico (tiene tres electrodos de grafito sumergidos en la carga o en el baño metálico). Su utilización más habitual es para fusión de aceros y obtención de ferroaleaciones. HORNO ELECTRICO DE INDUCCIÓN DE CANAL: El funcionamiento es igual al de inducción sin núcleo, excepto en que la bobina está situada en un canal por el que circula el hierro líquido. El bajo nivel de movimiento del baño, hace que éste tipo de hornos sólo se emplee para el mantenimiento de la temperatura del metal líquido, y si además se le dota de elementos como buza y stopper puede emplearse para la colada directa sobre moldes. HORNO ROTATORIO (OXIGÁS): La fusión se efectúa por calentamiento del refractario, mediante un mechero que lo calienta. Por problemas del propio proceso, que tiene tendencia a decarburar, la recarburación debe efectuarse mediante inyección de recarburante con lanza, por lo que lo más recomendable es efectuar un proceso dúplex. Un proceso bastante extendido es el PROCESO DUPLEX, que es un proceso práctico cuando el horno de fusión no garantiza una composición definida, y/o no es capaz de dar una constancia de análisis, o que existe cierta dificultad en ajustar la composición a la especificada. El metal se funde en un horno, (por ejemplo cubilote, rotatorio, etc.), y posteriormente se pasa a otro horno, normalmente de inducción sin núcleo, efectuándose en éste último los ajustes de composición, entre ellos la recarburación. 4.- TIPOS DE RECARBURANTES. Industrialmente, los materiales de carga de horno para poder obtener una fundición, son: - Lingote. - Chatarra acero. - Retornos (coladas). - Ferroaleaciones. - Recarburantes. Los recarburantes son productos capaces de incorporar Carbono al hierro en estado líquido. Existen muchos tipos de materiales con posibilidad de ser empleados como recarburantes, pero los más habituales son: - Coques (de petróleo, metalúrgico, de acetileno, de brea). - Grafitos naturales. - Grafitos sintéticos (grafito de electrodos, coques grafitizados). - Antracita calcinada. Se comentan seguidamente algunos de los agentes recarburantes más utilizados en fundición. Página 3 de 19

4 Coque de petróleo calcinado: Se obtiene a partir de la calcinación, tratamiento térmico entre y º C, del coque verde o green coke - material sólido constituido fundamentalmente por Carbono, Volátiles y Humedad - que se produce durante el refino del crudo de petróleo. El coque verde tiene un alto grado de elementos nocivos para la fundición (tabla 1). CARBONO FIJO % AZUFRE 0,3 2,5 % VANADIO PPM VOLÁTILES 9 13 % CENIZAS 0,1 0,8 % SILICIO 0,01 0,08 % SALES SOLUBLES 0,2 0,8 % CALCIO 2,5 500 PPM SODIO 2,5 100 PPM AGUA 2 4 % Tabla 1: Análisis químico típico del coque verde. Con la calcinación se obtiene un aumento en el contenido de Carbono junto a una reducción de Volátiles y Humedad. Los valores del resto de elementos (Azufre, Nitrógeno, etc.) dependerán de la materia prima empleada, distintos orígenes / calidades del crudo de petróleo explican las diferencias de análisis en los coques de petróleo calcinados. Grafito natural: Su origen es de mina, y su uso como recarburante se ha localizado principalmente en EEUU. Su utilización no se ha extendido por el alto contenido en Cenizas, que aumenta las escorias, por su bajo contenido en Carbono y por las variaciones de calidad. Grafito de electrodos: El producto que se utiliza como recarburante para fundición es el subproducto de la fabricación de electrodos de grafito que se genera durante los trabajos de corte, torneado, etc. que debidamente tratado, clasificado y controlado es de los mejores materiales que se pueden emplear para la producción de fundiciones. Para la obtención de electrodos de grafito se emplea habitualmente coque de aguja y resina de alquitrán que, una vez conformados, se someten a un primer tratamiento térmico cocción a 1700 º C seguido de un segundo tratamiento térmico grafitación entre 2800 y 3000 º C. Con ello se eliminan impurezas como Volátiles, Cenizas, Humedad, Azufre, Nitrógeno e Hidrógeno. Es esencial que las materias primas sean de buena calidad con el fin de asegurar que se mantenga un equilibrio exacto de propiedades químicas, eléctricas, mecánicas y térmicas a través del proceso de fabricación. Al aumentar la temperatura se recristaliza el producto en función de la energía, haciendo migrar los átomos dentro de su propia estructura. Al transformar su estructura en cristalina hexagonal, similar a la del grafito natural, se habla de producción de grafito sintético. Página 4 de 19

5 Coque Grafitizado: Otro agente recarburante que se puede incluir dentro de la categoría de los grafitos sintéticos es el coque grafitizado. Se obtiene a partir de coque de petróleo al que se somete a temperaturas similares a las de grafitación en la producción de electrodos de grafito. Durante éste tratamiento térmico se produce, al igual que en el caso anterior, un efecto de purificación eliminando Volátiles, Cenizas, Azufre, Nitrógeno e Hidrógeno. Tipo de Recarburante Carbono (%) Humedad (%) Cenizas (%) Volátiles (%) N (%) S (%) COQUE GRAFITIZADO GRAFITO DE ELECTRODOS GRAFITO NATURAL CRISTALINO COQUE DE PETROLEO CALCINADO COQUE DE PETROLEO CALCINADO (bajo S) COQUE METALURGICO COQUE DE ACETILENO COQUE DE BREA Tabla 2: Análisis químico típico de los recarburantes. 5.- INFLUENCIAS DE LOS CONSTITUYENTES DE LOS MATERIALES CARBONOSOS. Carbono: Incorporación: %. Se presenta en dos formas alotrópicas (amorfa y cristalina). La forma amorfa (coque de petróleo calcinado) solo incorpora Carbono, pero no influye en la calidad metalúrgica. La forma cristalina si influye en la calidad metalúrgica, bajando la tendencia al temple y al subenfriamiento, por lo que hablamos de una mejora en la calidad metalúrgica. Cenizas: En general dificultan el rendimiento del carbono, generan más escorias y bajan el rendimiento del refractario. Volátiles: Generan gases y humos durante la fusión, y potencialmente pueden generar sopladuras en las piezas. Página 5 de 19

6 Humedad: Puede ocasionar explosión cuando se incorpora el producto al baño líquido. Es una fuente de Hidrogeno que puede ocasionar sopladuras en las piezas. Azufre: Incorpora el 100 % del contenido en el agente recarburante. En fundición esferoidal: Recomendable un contenido entre y % en el horno base (antes de tratamiento con Mg). Según algunos autores, es recomendable un contenido mínimo para mejorar la tendencia metalúrgica. En fundición laminar: Recomendable un contenido entre y % en el horno base. El azufre interviene en la inoculación, por debajo de % es posible que aparezca cementita en las piezas (según pasividad). Existen inoculantes específicos que contienen azufre. Nitrógeno: Incorporación: 50 %. En general cuanto más bajo mejor por la defectología que acompaña su presencia, pero no podemos olvidar que en fundición laminar generalmente se piden piezas de calidades que oscilan entre los 220 Mpa y 300 Mpa, y que para obtener la matriz, la dureza y las características mecánicas, necesitamos obtener una matriz perlítica de grano fino, y para ello un contenido en Nitrógeno en pieza entre los 50 y 100 PPM, ha demostrado que nos ayuda a conseguirlo. 6.- FACTORES DE INFLUENCIA EN LA RECARBURACIÓN. Se puede explicar brevemente el desarrollo de la recarburación siguiendo el proceso de disolución. El principal motor de este proceso es el gradiente de concentración entre el límite de la fase productos carbonosos-fundición y el interior del baño de fusión. Cuanto más importante es el gradiente, más acelerado es el proceso de recarburación. De ello se deduce una relación de dependencia directa entre la velocidad de recarburación y el comportamiento en cuanto a solubilidad de los productos carbonosos. Uno de los factores más importantes para el fundidor son la velocidad de disolución y el rendimiento de incorporación, ya que influyen directamente en la productividad y en los costes. Influyen en general: Pureza del producto. Tamaño de partícula. Agitación del baño. Composición del baño. Tipo de horno. Forma de carga. Temperatura del baño. Contenido de Cenizas. Estructura del recarburante (Isotrópica, Anisotrópica). Página 6 de 19

7 Pureza del producto: En general cuanta más alta sea la pureza, mayor contenido de Carbono y por tanto menor contenido en Cenizas, mejor es el rendimiento. Cuando el contenido en cenizas del producto es muy alto la velocidad de disolución disminuye exponencialmente, debido a la formación de una capa de Cenizas en la periferia del grano., que evita la transferencia de Carbono al baño. Tamaño de partícula: Para granulometrías idénticas, la solubilidad de los diversos recarburantes enumerados se diferencia de una calidad a otra ya que, como se expone más adelante, existe dependencia del comportamiento en cuanto a solubilidad del recarburante y su estructura. La granulometría óptima del recarburante es función del método de adición. Si la adición del recarburante se hace con la carga no hay necesidad de granulometrías particulares, ya que se dispone de bastante tiempo para la disolución del Carbono. Por el contrario, cuando la incorporación del Carbono se efectúa como corrección-ajuste final en la superficie del baño la granulometría desempeña un papel importante (si el recarburante es demasiado fino, flota en la superficie del baño, se quema, se lo lleva el aire de aspiración o se mezcla con la escoria y se retira al desescoriar, y si la granulometría es demasiado gruesa, la profundidad de penetración y por consiguiente la superficie de reacción carbono/baño es demasiado pequeña: la recarburación es demasiado lenta y su eficacia disminuye). Para hornos eléctricos de inducción sin núcleo se suelen emplear sin problemas granulometrías entre 0.5 y 8 mm. Para el grafito de electrodos, el mejor rendimiento obtenido es con una granulometría de 3 a 5 mm. Y para lanza sumergida o insuflación en cubilote: 0-1mm. / 0-3 mm. Agitación del baño: Cuanto más alta mejor. La mejor agitación la obtenemos con los hornos de frecuencia de red, empeora cuando utilizamos hornos de Hz. Composición del baño: La disolución de carbono disminuye en el baño por la presencia de elementos que tienen una mayor afinidad con el metal de la que tiene el carbono, tales como, por ejemplo, el Silicio. Si se quiere obtener un rendimiento máximo, es preciso añadir el producto de recarburación antes de añadir el Silicio. Se recomienda que el Silicio antes de la recarburación no supere el 1,5 a 1,8 %. El nivel máximo de carbono admisible en disolución depende de la temperatura, del nivel de carbono y de los demás elementos presentes, siguiendo la fórmula: %C máx. = * T(ºC) * Si (%) * P (%) * Mo (%) S (%) Página 7 de 19

8 Tipo de horno: HORNO ELECTRICO DE ARCO: La adición de recarburante se efectúa en la carga sólida, pero si es necesario efectuar una corrección esta se suele efectuar mediante insuflación en el baño o en cuchara empleando un tapón poroso. HORNO ELECTRICO DE INDUCCIÓN SIN NUCLEO: Recuperación entre el %, dependiendo de la forma de carga y el modo operatorio, llenado completo del horno o recargas. Por ejemplo la adición de recarburante a º C nos da un rendimiento de 85 %, pero si elevamos la temperatura a 1525 º C el rendimiento se eleva al %. HORNO ELECTRICO DE INDUCCION DE CANAL: Por lo general sólo se efectúan pequeñas correcciones entre 0.1 y 0.3 % con el fin de mantener un buen nivel de nucleación, obteniendo unos rendimientos entre % CUBILOTE: Se puede adicionar entre 1 ó 2 % de recarburante mediante insuflación, obteniéndose una recuperación entre %. HORNO ROTATORIO: En general se emplea lanza de inmersión y recarburante granulado, obteniéndose unas recuperaciones entre %. Notas: El producto de recarburación que se añade en el procedimiento de insuflación debe tener una muy buena solubilidad. Se utilizará, por lo tanto, únicamente grafito de electrodos o productos de calidad análoga tales como el coque grafitizado, si se quiere alcanzar un elevado rendimiento en carbono. En insuflación, el rendimiento en carbono se determina por la calidad del producto de recarburación, el gas portador e, incluso, el manejo de la lanza. Para insuflar se emplea el aire comprimido, gases inertes o gas natural. Los mejores resultados se han obtenido con gas natural debido a su carácter reductor. Forma de la carga: Para hornos eléctricos de inducción sin núcleo de media y alta frecuencia, que tienen la capacidad de arrancar en frío, es recomendable introducir cargas regulares en el siguiente orden: Acero Recarburante Resto de acero Ferroaleaciones Retornos propios y lingote Para hornos eléctricos de inducción sin núcleo de frecuencia de red, con los que se opera muy habitualmente en recargas, por ser necesario mantener un pie de baño, es recomendable introducir primero el grafito y luego sumergirlo con chatarra de acero, seguido de las ferroaleaciones y los retornos. Para hornos de canal: en general no se emplean para fusión, pero si se requiere una adición de grafito, ésta puede hacerse mediante lanza de inmersión, siempre teniendo en cuenta que se puede dañar el refractario. Para hornos de arco: En general la adición de carbón se efectúa en la carga fría siguiendo el orden: Recarburante Acero (cubriendo recarburante) Retornos propios y lingote Ferroaleaciones Página 8 de 19

9 Si se requiere una adición posterior de recarburante, ésta puede hacerse mediante lanza de inmersión. Temperatura: Cuanto más alta mejor (ver formula para el C máximo). Contenido en Cenizas: La velocidad de disolución es inversamente proporcional al contenido en Cenizas. Un recarburante de bajo contenido en cenizas se incorporará muy rápidamente (la curva incorporación tiempo tendrá una forma exponencial), en cambio para un recarburante de alto contenido en Cenizas la misma curva adopta una forma lineal, lo que corresponde a una recarburación más lenta. Otro inconveniente que hay que tener en cuenta durante el empleo de productos con gran contenido de cenizas en la recarburación es la influencia negativa sobre la duración del revestimiento refractario: los óxidos contenidos en las cenizas ejercen un efecto de fundente. Estructura del recarburante (Isotrópica, Anisotrópica): Existe dependencia del comportamiento en cuanto a solubilidad del recarburante y su estructura. En general hablamos de estructuras cristalinas, más o menos definidas, y de estructuras claramente amorfas. Grafitos de estructuras cristalinas hexagonales y otros carbonos similares con anisotropía pronunciada son los recarburantes con mayor velocidad de disolución en el baño. A continuación, por orden de comportamiento de anisotropía / isotropía siguen el coque de petróleo y el coque metalúrgico 7.- SELECCIÓN DE RECARBURANTE PARA LA FUNDICIÓN OBTENIDA EN HORNOS ELÉCTRICOS. CARACTERISTICAS REQUERIDAS (EN GENERAL): Debe ser de fácil introducción en el baño. Con buena solubilidad (rápido). Debe aportar gérmenes de cristalización (buena nucleación del baño). Debe tener el mejor rendimiento posible. Debe tener buena homogeneidad. Constancia de análisis. CARACTERISTICAS REQUERIDAS (EN CUANTO A COMPOSICION QUIMICA): Nitrógeno: Requerido según aplicación. Humedad, Hidrógeno: El menor contenido posible. Carbono: Lo más alto posible. Volátiles: Lo más bajos posibles. Cenizas: Lo más bajas posibles. Azufre: Requerido según aplicación, laminar alto, esferoidal bajo. Página 9 de 19

10 TIPO DE RECARBURANTE GRAFITO DE ELECTRODOS GRAFITO CRISTALINO (NATURAL) COQUE DE PETROLEO CALCINADO COQUE METALURGICO COQUE DE BREA INCORPORACION ESCORIA TENDENCIA AL TEMPLE DEL BAÑO MUY BUENA POCA BAJO ESCASA MALA MUCHA BAJO ALTA BUENA POCA ALTO ALTA MUY MALA MUCHA ALTO BUENA MALA BASTANTE ALTO BUENA DISPONIBILIDAD Tabla 3: Características habituales. 8.- PELLETS DE GRAFITO Y COQUE DE PETROLEO CALCINADO. Durante todo el proceso de fabricación, y en particular durante el mecanizado de los electrodos de grafito, se obtiene polvo de grafito. También se obtiene polvo, tanto de grafito como de otros recarburantes - entre ellos el coque de petróleo calcinado -, durante los procesos de molturación, clasificación y envasado previos a su comercialización como recarburantes. Habitualmente se consideran finos la fracción que está por debajo de 0.5 mm. Este polvo tiene dos tipos de problemática respecto a su utilización en recarburación, una medioambiental y otra en cuanto a rendimiento. De todos los fundidores es conocido el problema de utilizar ésta granulometría tal cual, y es que el rendimiento cae en picado siempre que no se utilice un medio como lanza de inyección o similar. Es fácil pensar que se debe de buscar una formula que permita la revalorización y reutilización del producto. Otra justificación es que la disponibilidad de grafito de electrodos es ocasionalmente escasa, por lo que aún con más motivo es interesante la revalorización y reutilización mediante un proceso - la pelletización - que transforma un subproducto problemático en un producto de primera calidad. RECEPCION DE MATERIAS TRITURACIÓN MOLIENDA FINOS CLASIFICACIÓN MEZCLA ENVASADO Diagrama 1: Proceso de fabricación de grafito y coque de petróleo calcinado para recarburación. Página 10 de 19

11 9.- CONCEPTO DE PELLETIZACIÓN. La pelletización se define como la producción de cuerpos uniformes mediante aglomeración, a partir de materiales pulverulentos, granulares o apelmazados que, algunas veces, poseen partículas de muy diferentes tamaños. Los productos finales son pellets y el tamaño de estos gránulos es casi constante, sin embargo, la precisión no se corresponde con la de pastillas y otros aglomerados. Los pellets pueden ser, dependiendo del proceso de producción, esféricos, cúbicos o cilíndricos, con un diámetro de partícula que oscila entre 0,5-50 mm. Las limitaciones de la técnica impiden en la actualidad pelletizar de forma económica productos muy duros y/o abrasivos debido al desgaste que sufren las matrices que se utilizan en la fase de prensado (por este motivo no se suelen pelletizar productos como el coque metalúrgico). El proceso de pelletización posee varias etapas: FINOS COQUE PETROLEO FINOS DE GRAFITO DE ELECTRODOS FINOS COQUE PETROLEO RECEPCIÓN DE MATERIAS PREPARACIÓN Y ACONDICIONAMIENTO DOSIFICACIÓN Y MEZCLA PRENSADO EN PELLETS SECADO Y ENFRIADO ENVASADO: (PELETS DE GRAFITO O DE COQUE DE PETROLEO CALCINADO Diagrama 2: Proceso de fabricación y envasado de pellets de grafito y coque de petróleo calcinado. Preparación y acondicionamiento: Con el fin de obtener buenos resultados con la pelletización, el material a pelletizar suele ser acondicionado antes de ser pelletizado. Algunos productos son triturados, mezclados con otros componentes y líquidos, calentados por adición directa de vapor o calentamiento indirecto hasta la temperatura ideal del proceso Página 11 de 19

12 Dosificación y prensado por extrusión: La pasta obtenida se hace pasar a través de una matriz agujereada, que en nuestro caso puede tener un diámetro de agujero entre 1 y 40 mm. La compactación se realiza en los canales (perforaciones) de prensado que se encuentran en la matriz. (Ver dibujo 1). Dibujo 1: Detalle de la extrusión a través de la prensa. Secado y enfriado: Para éste tipo de aplicación, es recomendable la utilización de los secadores/enfriadores de cinta, puesto que éstos productos requieren controles precisos sobre los parámetros de secado y enfriado Este tipo de secadores pueden poseer configuraciones de un solo paso y de pasos múltiples (en el caso concreto de esta planta habrá dos pasos para el secado y un paso para el enfriado). Los controles de humedad y de temperatura por zona así como el flujo de aire reversible permiten un secado uniforme del producto. Producto: El producto final en nuestro caso tiene forma cilíndrica de 4 mm de diámetro y una longitud variable en torno a 8 mm. 4 mm diam. Aprox. 8 mm El aglomerante utilizado es un producto orgánico, y el producto final sólo contiene entre 0 5 y 1 % de éste aglomerante consiguiendo prácticamente la misma especificación química en los pellets que en los finos que se pelletizan según se comprueba en las siguientes especificaciones. Página 12 de 19

13 PELLETS ESPECIFICACIONES DE COMPOSICIÓN QUÍMICA: GRAFITO COQUE DE PETROLEO Carbono: > 98 % > 98 % Hidrogeno: < 0.05 % (500 ppm) < 0.05 % (500 ppm) Nitrógeno: < 0.05 % (500 ppm) < 0.1 % (1000 ppm) Humedad: < 0.5 % < 0.5 % Cenizas: < 1 % < 1 % Volátiles: < 1 % < 1 % Azufre: < 0.05 % < 0.1 % 10.- PRUEBA PRÁCTICA. COMENTARIOS Se implementan una serie de pruebas prácticas para comparar el comportamiento de: Coque Grafitizado. Grafito de electrodos. Coque de petróleo calcinado. Pellets de grafito. Pellets de coque de petróleo. CARACTERISTICAS DE LAS PRUEBAS Equipo de fusión: Las pruebas siempre se han realizado en hornos de inducción sin núcleo de 5000 Kw, con 8 Tm. de capacidad, que trabajan a 250 Hz (media frecuencia). Analítica: Análisis de Carbono realizado con LECO C-S. Análisis del recto de elementos: Espectrómetro de emisión óptica. Prueba 1: La prueba se ha realizado para los siguientes materiales: Coque Grafitizado Grafito de electrodos Coque de petróleo Pellets de grafito de electrodos Pellets de coque de petróleo - El horno se ha cargado en todos los casos con unos Kg. - La primera muestra se ha sacado a una Temperatura superior a 1410º, para determinar el % de Carbono y Silicio. - Siempre se ha añadido 25 Kg., para aumentar el Carbono equivalente en %. Página 13 de 19

14 - Una vez añadidos se ha dado corriente al horno para llevar la Temperatura del horno a 1515º º C. - La propia agitación del caldo en el interior del horno favorece la incorporación del recarburante en la masa de hierro. - De manera automática, al llegar a la temperatura final designada, el horno deja de aplicar potencia. - A los 15 minutos desde que se empezó a dar potencia sacamos muestra, para proceder al análisis de C y Si, y así determinar el rendimiento. Prueba 2: La prueba se ha realizado para los siguientes materiales: Coque Grafitizado Grafito de electrodos Coque de petróleo Pellets de grafito de electrodos Pellets de coque de petróleo - El horno se ha cargado en todos los casos con unos Kg. - La primera muestra se ha sacado a una Temperatura superior a 1410º, para determinar el % de Carbono y Silicio. - Siempre se ha añadido 18 Kg., para aumentar el Carbono equivalente en %, pero a diferencia de la prueba número 1, intentamos que el equivalente quede por debajo del 4.3 %. - Una vez añadidos se ha dado corriente al horno para llevar la Temperatura del horno a 1515º º C. - La propia agitación del caldo en el interior del horno favorece la incorporación del recarburante en la masa de hierro. - De manera automática, al llegar a la temperatura final designada, el horno deja de aplicar potencia. - A los 10 minutos desde que se empezó a dar potencia sacamos muestra, para proceder al análisis de C y Si, y así determinar el rendimiento. Prueba 3: La prueba se ha realizado para los siguientes materiales: Coque Grafitizado Grafito de electrodos Coque de petróleo Pellets de grafito de electrodos Pellets de coque de petróleo - El horno se ha cargado en todos los casos con unos Kg. - La primera muestra se ha sacado a una Temperatura superior a 1410º, para determinar el % de Carbono y Silicio. - Siempre se ha añadido 7 Kg., para aumentar el Carbono equivalente en %, pero a diferencia de la prueba número 1, intentamos que el equivalente quede por debajo del 4.3 %. - Una vez añadidos se ha dado corriente al horno para llevar la Temperatura del horno a 1515º º C. - La propia agitación del caldo en el interior del horno favorece la incorporación del recarburante en la masa de hierro. - De manera automática, al llegar a la temperatura final designada, el horno deja de aplicar potencia. - A los 5 minutos desde que se empezó a dar potencia sacamos muestra, para proceder al análisis de C y Si, y así determinar el rendimiento. Página 14 de 19

15 Comentarios Prueba 3: 1) Dado que se trata de un ajuste final de composición antes del vaciado del horno, esta prueba no se ha realizado para los materiales: Coque de petróleo Pellets de coque de petróleo 2) Siempre se ha hecho la adición una vez desescoriado el horno, para no interferir en la incorporación del recarburante en el caldo CARACTERISTICAS DE LOS MATERIALES UTILIZADOS ANALISIS QUIMICO COQUE GRAFITIZADO GRAFITO DE ELECTRODOS PELLETS DE GRAFITO DE ELECTRODOS COQUE DE PETROLEO PELLETS DE COQUE DE PETROLEO CARBONO > CENIZAS < VOLÁTILES < NITROGENO < HUMEDAD < AZUFRE < GRANULO mm mm Diámetro 4 mm mm Diámetro 4 mm La tabla anterior recoge valores proporcionados por los fabricantes de los materiales utilizados en la prueba práctica. Además en el caso del Coque Grafitizado y del Grafito de electrodos se encontraron los siguientes valores en los análisis realizados por un laboratorio externo. Grafito de Electrodos Coque Grafitizado Nitrógeno ( % ) Azufre ( % ) < 0.02 < 0.02 Volátiles ( % ) Cenizas ( % ) Aluminio ( % ) Zinc ( % ) Plomo ( % ) < 0.01 < 0.01 Página 15 de 19

16 RESULTADOS TIPO GRAFITO T Kg. C Si Kg. T tiempo C Ceq Ceq Incr. inicio horno horno horno adición final (min.) h.final 1 2 Ceq Rend. Grafito electrodos ,45 2, ,87 4,13 4,55 0,42 84,34 Grafito electrodos ,38 1, ,79 4,03 4,44 0,41 83,97 Grafito electrodos ,31 2, ,64 4,01 4,34 0,33 92,58 Grafito electrodos ,35 2, ,67 4,03 4,35 0,32 91,02 Grafito electrodos ,85 2, ,94 4,57 4,66 0,09 95,14 Grafito electrodos ,82 2, ,91 4,53 4,62 0,09 95,79 Coque de petróleo ,42 2, ,82 4,10 4,50 0,40 80,96 Coque de petróleo ,34 1, ,74 4,00 4,40 0,40 81,76 Coque de petróleo ,36 1, ,67 3,98 4,29 0,31 88,69 Coque de petróleo ,40 1, ,71 3,98 4,29 0,31 87,75 Pellets grafito electrodos ,41 1, ,84 4,06 4,49 0,43 89,10 Pellets grafito electrodos ,37 2, ,81 4,05 4,49 0,44 91,71 Pellets grafito electrodos ,36 1, ,69 4,02 4,35 0,33 95,88 Pellets grafito electrodos ,32 1, ,66 3,97 4,31 0,34 95,39 Pellets grafito electrodos ,86 2, ,94 4,57 4,65 0,08 81,71 Pellets grafito electrodos ,84 2, ,92 4,54 4,62 0,08 82,40 Pellets de coque de petróleo ,42 1, ,84 4,05 4,47 0,42 86,07 Pellets de coque de petróleo ,46 1, ,88 4,08 4,50 0,42 85,85 Pellets de coque de petróleo ,34 1, ,66 4,00 4,32 0,32 89,42 Pellets de coque de petróleo ,30 1, ,61 3,93 4,24 0,31 89,38 Coque Grafitizado ,42 1, ,83 4,06 4,47 0,41 83,72 Coque Grafitizado ,38 1, ,80 4,01 4,43 0,42 84,17 Coque Grafitizado ,31 1, ,62 3,93 4,24 0,31 88,18 Coque Grafitizado ,41 1, ,72 4,04 4,35 0,31 87,80 Coque Grafitizado ,82 2, ,91 4,52 4,61 0,09 91,99 Coque Grafitizado ,86 2, ,95 4,57 4,66 0,09 93,21 Rendimientos: Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3 Incremento Rdto. Prueba 1 respecto 2 Grafito de electrodos 84,15 91,80 95,46 7,65 Coque de petróleo 81,36 88,22 6,86 Pellets grafito electrodos 90,40 95,64 82,06 5,23 Pellets Coque de petróleo 85,96 89,40 3,45 Coque Grafitizado 83,95 87,99 92,60 4,04 Página 16 de 19

17 Rendimiento por prueba y material: 100,00 95,00 90,00 Rdto 85,00 80,00 75,00 70,00 Grafito de electrodos Coque de petróleo Pellets grafito electrodos Pellets coque de petróleo Coque grafitizado Serie1 Serie2 Serie3 Del gráfico anterior se puede observar lo siguiente: a) Comparando el "grafito de electrodos" con los "pellets de grafito de electrodos", en la prueba 1 y 2, el rendimiento obtenido con los pellets de grafito, en ambas pruebas, es superior que el obtenido con el grafito de electrodos. b) De la misma manera, comparando el "coque de petróleo" con los "pellets de coque de petróleo", en la prueba 1 y 2, el rendimiento obtenido, en ambas pruebas, es superior en los "pellets de coque de petróleo" que el obtenido en el "coque de petróleo". c) Al comparar el rendimiento del "grafito de electrodos" con el de los "pellets de grafito" en el ajuste final (prueba 3) tenemos como resultado un rendimiento más bajo en los "pellets de grafito" que en el "grafito de electrodos" (al contrario de lo que habíamos obtenido en las pruebas 1 y 2). d) Comparando el "grafito de electrodos" con el "coque grafitizado" existe una diferencia muy poco significativa en el rendimiento de ambos en la prueba 1, pero está diferencia se percibe realmente significativa en las pruebas 2 y 3. e) Cuanto menor es el incremento de Carbono equivalente, mayor es el rendimiento obtenido, excepto en el caso de los "pellets de grafito" donde queda claro que no son aconsejables para ajustes de final de horno. Página 17 de 19

18 Evolución Rdto. vs. incremento Ceq Evolución del Rdto. vs.incremento Ceq Rdto ,42 0,32 0 Ceq Rdto ,4 0,31 0 Ceq pellets de coque de petroleo coque de petróleo Evolución Rdto.vs.incremento Ceq Rdto ,42 0,31 0,09 Ceq Coque grafitizado Evolución rendimiento vs. incremento Ceq Evolución Rdto vs. incremento de Ceq Rdto ,42 0,33 0,09 Ceq Rdto ,44 0,34 0,08 Ceq grafito de electrodo pellets de grafito de electrodo Página 18 de 19

19 11.- CONCLUSIONES DE LAS PRUEBAS. Los Pellets (tanto de Grafito como de Coque de petróleo) tienen un comportamiento similar o algo mejor que los propios productos de los que proceden (Grafito de Electrodos y Coque de petróleo calcinado), haciendo si cabe más interesante su uso en la recarburación en horno para la producción de fundiciones, adicionado con la carga metálica. Para el ajuste final el comportamiento es distinto, produciéndose un descenso del rendimiento sin justificación clara y evidente. Dado que podemos considerar que la agitación del caldo, tanto en la adición de los Pellets como en la del Grafito y del Coque de petróleo, ha sido la misma (se ha adicionado a unos pesos en horno y unas temperaturas muy similares, aplicando una misma potencia), la diferencia en el rendimiento se podría explicar por la propia superficie específica y el mayor peso que tiene los conglomerados (pellets) respecto al producto del cual partieron. Se "envuelven" de caldo justo antes de disociarse, liberando los finos que tienen aglutinados. Cuando estos finos son liberados ya se encuentran atrapados dentro del baño y ofrecen una superficie específica mayor, por lo que puede facilitar enormemente su incorporación. No obstante, esto no pasa cuando se usan los Pellets de Grafito como corrección final del horno. Se podría explicar que cuando hacemos esta adición correctiva de composición el horno ya está lleno por lo que, al aplicar la máxima potencia para elevar la temperatura (a valores parecidos a los anteriores), se obtiene poca agitación del caldo (casi toda la incorporación del grafito en el caldo es por migración de los átomos de carbono por el gradiente de concentración) y si las partículas son muy finas pueden haber sido retiradas del sistema por la propia aspiración del horno antes de que se hayan incorporado en el caldo. Esto podría explicar que es lo que pasa con los pellets en el ajuste final: cuando se disgregan, las partículas finas quedan en la superficie del baño, y en su migración muchas partículas pueden ser eliminadas del caldo por la aspiración. También se aprecia una diferencia significativa entre el Grafito de Electrodos y el Coque Grafitizado, siendo ambos grafitos sintéticos. En todos los casos probados, el Grafito de Electrodos tiene rendimiento superior al Coque Grafitizado aunque, al ser los Volátiles y las Cenizas más elevados en el Grafito de Electrodos utilizado, cabría esperar un peor rendimiento del mismo. Si comprobamos las características técnicas de los materiales se observa que la granulometría del Coque Grafitizado utilizado en la prueba es más pequeña que la del Grafito de Electrodos por lo que podemos considerar que la granulometría del producto utilizado también tiene una gran influencia. Visto como varían los rendimientos en función de la variación de Carbono equivalente cabría pensar que resulta mejor efectuar varias pequeñas adiciones de recarburante durante toda la carga del horno y corrección final, que hacer una única adición masiva. Raul Biel Pedro Bayés Marzo de 2004 GRAFITOS BARCO, S.A. agradece a los autores del presente estudio el trabajo realizado. Página 19 de 19