Materiales Auxiliares.Alumnos

Materia: Materiales Metálicos – Ing. Mecánica
Materiales Auxiliares
Combustibles Metalúrgicos
Refractarios y Fundentes
Ing. Víctor Gómez
U. T. N
Facultad Regional Tucumán
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.
GAS NATURAL
Hidrocarburo
Composició
n
Quími
ca
Rango (en
%)
Metano
CH4
91-95
Etano
C2H6
2-6
Dióxido de
Carbono
CO2
0-2
Propano
C3H8
0-2
Nitrógeno
N
0-1
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.
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.
• CARBONES Y DERIVADOS
T ip o d e
C arb on
P r o p ie d a d e s
S e d is tin g u e n ta llo s , h o ja s , ra íc e s y c o rte z a s
G e l d e c a r a c te rís tic a s á c id a s .
G e n e ra u n c o q u e n e g ro y p u lv u re n to .
E s c a s o in te r é s in d u s tr ia l
T u rbas
C o lo r p a rd o .
A lto p o r c e n ta je d e p r o d u c to s v o lá tile s .
R e a c c ió n á c id a c o n e l a g u a .
S in la e la s tic id a d d e la tu r b a .
G e n e ra u n c o q u e m e n o s n e g ro .
L ig n ito s
C o lo r n e g ro y b rilla n te .
G e n e r a u n c o q u e a g lo m e r a d o d e a lta c a lid a d .
A lto in te r é s in d u s tr ia l.
H u lla s
C
B
A
A n tr a c ita s
Tipo de
Carbón
Turba
Lignito
Hulla
Antracita
o lo
a ja
lto
r n e g ro y b rilla n te .
p ro p o rc ió n d e v o lá tile s .
c o n te n id o e n c a r b o n o .
Análisis Elemental
C (%)
H (%)
Otros (%)
Poder
calorífico
(Kcal/mol)
57
72
87
96
6
5
5
2
37
23
8
2
5400
6700
8700
8400
Materias
Volátiles
(%)
65
55
25
5
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 1.000 °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 is ta
e s q u e m á tic a d e u n a
d e c o q u iz a c ió n
b a te r ía
Coque metalú
metalúrgico
Residuo sólido que se
obtiene de la
destilación destructiva
de la hulla.
Coque a punto de ser
deshornado
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 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.
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
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
1.000 °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.
BOMBA CALORIMETRICA
Bombona de Oxígeno
Bomba Calorimétrica
Recipiente para el
Agua
Camisa
Adiabática
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 = 8100 . C + 2800 (H – O/8) + 2500 . S – 600a
C = % de carbono H = % de hidrógeno O = % de oxígeno S = % de azufre
a = Vapor de agua
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.
PROCESO DE FABRICACION DE LADRILLOS REFRACTARIOS
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.
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.
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.
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, 15-65
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 01
1020 °C nº 02
1045 °C nº 03
1100 °C nº 04
1150 °C nº 05
1236 °C nº 07
1263 °C nº 08
1280 °C nº 09
1305 °C nº 10
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 993-9 – Norma UNE: EN 993-19
El equipo de ensayo que se ve en la figura, posee un horno cuya temperatura llega a los 1.800 ℃.
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 1670 ℃.
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 3.200 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 2.800 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.
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 1.000 ℃ 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.