CURSO DE METALURGIA Y MATERIALES-SENA
INTRODUCCIN El coque metalrgico es un material carbonceo
resistente y poroso producido mediante la destilacin destructiva de
carbones minerales coquizables, efectuada en cmaras refractarias
conocidas como "HORNOS DE COQUIZACIN". Aunque el coque es utilizado
en un gran nmero de Industrias, aproximadamente el 90% de la
produccin de coque est destinada a la fabricacin de hierro primario
(arrabio) mediante el proceso del Alto Horno. Siendo el coque la
mayor fuente de calor, as como el principal generador gas como
agente reductor dentro del Alto Horno; tambin tiene la funcin no
menos importante de mantener la permeabilidad del lecho y soportar
la carga durante su descenso a travs del horno ocupando
aproximadamente el 50% del volumen total del horno. Para lograr
mantener una marcha estable del alto horno as como buen flujo de
material lquido y gases en el interior, la calidad del coque debe
ser ptima, clasificado dentro de un rango de tamao adecuado y
poseer buenas propiedades de resistencia, adicional a estas
propiedades fsicas el coque para el alto horno debe contar con un
alto contenido de carbn fijo y mnimas impurezas. El proceso de
coquizacin ha involucrado desde su concepcin ms simple una serie de
etapas de desarrollo como son: recuperacin de subproductos, hornos
de tipo regenerativo, utilizacin de ladrillo de slice, hasta llegar
a la operacin altamente tecnificada de nuestros das. El coque
metalrgico actualmente se produce casi exclusivamente en hornos de
"Retorta" con recuperacin de los subproductos y los nuevos procesos
no necesariamente restringidos al uso de carbones coquizables para
poder obtener un producto que pueda ser ampliamente utilizado en el
alto horno; se cree que podrn ser completamente desarrollados en un
lapso de 20 aos.
1. DESARROLLO HISTORICO La utilizacin de alguna forma de
material slido carbonceo en la produccin en hierro primario es
inseparable en la historia y desarrollo de la fusin de xidos de
fierro. El advenimiento del coque para este propsito y tambin el
nacimiento de la moderna industria del coque deben atriburseles a
Abraham Darby (1678-1717) quien fue el primero en utilizar
exitosamente el coque para fundir fierro en Coalbrookdale de
Shropshire, Inglaterra.La transicin del paso del carbn vegetal al
uso del coque como principal combustible en el alto horno ocurri de
una manera bastante rpida, debido que las reas deforestadas fueron
siendo cada vez mayores y se tena que transportar el carbn vegetal
desde lugares cada vez ms lejanos. Adems tratndose de un recurso
renovable, la velocidad de reforestacin era menor que la velocidad
de consumo. Este dficit y el aumento del costo del carbn vegetal
forzaron a la industria del hierro, en aquel pas a usar un
combustible ms barato y disponible, que fue el coque.Ya para 1796
los hornos que consuman carbn vegetal en Inglaterra eran solo unos
cuantos y muy dispersos. Incidentemente pequeas cantidades de
fierro son an producidas en pequeos altos hornos de carbn vegetal
en ciertas partes del Mundo donde las condiciones locales lo
justifican.Durante la evolucin de la coquizacin es lgico aceptar el
hecho que el primer proceso de coquizacin fue en esencia la
substitucin del carbn mineral por la madera en el mtodo de
fabricacin del carbn vegetal durante este perodo. Un proceso
conocido como el mtodo al "aire libre" fue inicialmente utilizado,
y constaba de pilas o montones rectangulares de carbn en una fosa
abierta con un arreglo burdo de chimenea para ayudar a controlar la
combustin del coque. La descomposicin del carbn se iniciaba
mediante la ignicin de lea por los "caones" de carbn. Los gases
envolventes se encendan y constituan la fuente de calor. Adems los
montones de carbn se cubran de coque para evitar o reducir la
combustin extrema de los montones y se necesitaban alrededor de 8
das para la coquizacin de los montones con un rendimiento menor al
60%. El mtodo al "aire libre" para producir coque era por lo tanto
una labor intensiva, burda, ineficiente con condiciones peligrosas
de trabajo.Con el incremento en la demanda de coque, el proceso se
fue modificando y mejorando mediante la introduccin de cmaras
refractarias. Este cambio en el mtodo de fabricar coque fue el
inicio de los hornos de coque tipo "colmena.La caracterstica
principal de estos primeros mtodos fue el calentamiento autnomo del
carbn mediante la combustin de los gases envolventes sobre la carga
del horno. As mismo un requisito indispensable para prevenir un
excesivo quemado del carbn o coque fue el control de la alimentacin
o entrada del aire de combustin. Estos hornos estaban constituidos
de mampostera de ladrillo refractario y tejas demasiado simples con
un perfil estructural de domo (similar a una colmena de abeja) de
alrededor de 3.5 metros de dimetro y de 2 a 2.5 metros de altura.
El piso estaba construido de tejas planas y el domo contaba con un
orificio de carga que a su vez serva como escape para los gases de
combustin. El control de la combustin dentro del horno se efectuaba
mediante la regulacin del aire que pasaba a travs de una puerta en
forma de arco a un lado del horno que tambin serva para nivelar,
enfriar y evacuar el coque una vez que la carbonizacin se
completaba.El perfil circular de los Hornos de colmena dificultaban
la adopcin de innovaciones mecnicas para mejorar las operaciones
del manejo del carbn y el coque, lo que dio como resultado que
durante la ltima parte del siglo XIX emergiera un nuevo tipo de
diseo de horno clasificado como una cama rectangular horizontal,
que comprenda largas cmaras angostas con una puerta de cada lado. Y
ya este arreglo longitudinal permiti el desarrollo del equipo
auxiliar similar pero menos sofisticado al que se encuentra en las
modernas plantas coquizadoras con tratamiento de subproductos.
Algunos diseos posteriores fueron bastantes similares a este tipo,
pero un poco ms sofisticado y empleaban un calentamiento
bi-direccional de la carga del carbn mediante la recirculacin de
los gases emitidos a travs de una serie de conductos localizados
bajo el suelo del horno, con lo anterior se elev la eficiencia del
horno en un 40% y se logr la carbonizacin del carbn a ms alta
temperaturaAnte el creciente auge industrial, pronto fue reconocida
como una buena rea de oportunidad el aprovechamiento de los
subproductos generados en la fabricacin del coque. El desarrollo
del proceso de recuperacin de subproductos debe atribuirse a la
necesidad de contar con un combustible libre de humos para
abastecer el creciente mercado de carboqumicos (Industrias de
colorantes y farmacuticas), as como mantener una fuente de gas
urbano. No obstante que las primeras patentes para el
aprovechamiento de los subproductos del carbn datan de 1681 el
prototipo del primer horno con procesamiento de subproductos tal
como se conoce en la actualidad no apareci sino hasta finales del
siglo XIX.
2. DESCRIPCION GENERAL
En la industria existen un gran nmero de diseos de hornos de
coquizacin (Koppers, Wilputte, Koppers Becker, Still, Otto,
Somet-Solvay, Simn Carves, Coppee Didier, etc...) pero en general
una batera de hornos de coque y subproductos est formada de 10 a
100 hornos que tienen cmaras de calentamiento, cmaras de coquizacin
y cmaras regenerativas; las cmaras de calentamiento y coquizacin se
encuentran alternadas de tal forma que existe una cmara de
calentamiento con series de conductos en cada lado de la cmara de
coquizacin y cmaras regenerativas localizadas por debajo.El tamao
de los hornos vara considerablemente; en la actualidad existen
hornos de 3 a 6 metros de alto, 11 a 15 metros de largo y 42.5 a 50
cm de ancho, pero estn en desarrollo o construccin hornos de mayor
capacidad.El ciclo de coquizacin se inicia con la introduccin de la
carga de carbn al horno operacin que se lleva a cabo con la ayuda
de un "carro carga" que opera sobre rieles a lo largo de la batera.
El carro carga recibe el carbn de la torre de almacenamiento al
final de la batera en varias tolvas que son iguales en nmero a los
orificios de carga del horno y la operacin es la siguiente: El
"Carro Carga" se desplaza a travs de la batera hasta el horno que
va a ser cargado. Se remueven las tapas o sellos de la parte
superior del horno y se acomoda el carro sobre orificios a travs de
los cuales son descargadas las tolvas del carro carga.Durante la
operacin de carga, se limita el escape de los gases del horno
mediante aspiradores de vapor y se recolectan para su procedimiento
en la planta de subproductos.El "tiempo de coquizacin" que es el
tiempo requerido para producir el coque a partir del carbn, est
gobernado por numerosos factores que incluyen las condiciones y
diseo del sistema de calentamiento del horno, el ancho de la cmara
de coquizacin humedad del carbn y la naturaleza de los carbones a
coquizar.El tiempo de coquizacin es seleccionado para alcanzar en
el coque adyacente a las paredes de la cmara una temperatura entre
1050C a 1100C. Una vez que el carbn ha sido completamente coquizado
hasta el centro. La temperatura mxima en los conductores de la
cmara de calentamiento no puede exceder de 1550C que es el lmite
para el ladrillo refractario. El tiempo de coquizacin requerido
para el coque del alto horno oscila entre 16 y 24 horas. siendo
mayor en el caso de tratarse de coque para fundicin.
Figura 1.Horno de Coquizacin.
Cuando el carbn ha sido completamente coquizado se remueven las
puertas de los lados de la cmara y el coque encendido es empujado
mediante un dispositivo mecnico que se conoce como "Carro
Empujador" hacia el extremo opuesto del mismo a travs de un "carro
gua" que lo canaliza a un "carro de apagado. El carro de apagado se
mueve por rieles a lo largo de la batera hasta las "torres de
apagado" donde el coque es apagado y enfriado mediante la adicin de
agua.Posteriormente el coque apagado es enviado a una estacin de
quebrado y cribado donde se clasifica y selecciona el coque de
tamao adecuado para utilizarse en el alto horno.El proceso de
coquizacin involucra una serie de reacciones que pueden dividirse
en tres etapas bsicas como son: primero existe una descomposicin
del carbn a temperaturas abajo de 700C a productos primarios
consistentes de; agua, monxido de carbn, Dixido de carbn, sulfuro
de hidrgeno, olefinas, parafinas, hidroaromticos y compuestos
fenlicos y nitrogenados.Segundo, las reacciones trmicas de los
productos primarios ocurren a medida que atraviesan el coque
caliente y paredes espacios de temperatura superior a 700C,
resultando la formacin de hidrocarburos aromticos y metano, as como
evolucin de grandes cantidades de hidrgeno, cianuro de hidrgeno,
bases de piridina, amoniaco, nitrgeno y la descomposicin de los
compuestos nitrogenados. Y tercero, la produccin de coque compacto
mediante la remocin progresiva del hidrgeno.Aproximadamente del 25
al 30% en peso de la carga inicial de carbn se desprende como
vapores y gases que son recolectados para su tratamiento. Una
tonelada de carbn dar aproximadamente los siguientes
rendimientos:
Coque Metalrgico545 - 635Kg Coque Breeze (finos)45 - 90Kg Gas de
coque285 - 345m3 Brea27 -34lts Sulfato de amonio7 -9Kg Licor
amoniacal55 - 135lts Aceite ligero8 -12.5ltsEl gas coque est
compuesto por una serie de gases como son: hidrgeno, metano, etano,
monxido de carbn, dixido de carbono, etileno, propilno, butileno,
acetileno, sulfato de hidrgeno, amoniaco, oxgeno y nitrgeno.El
licor amoniacal es una solucin acuosa de sales amoniacales
condensadas del gas. La brea es un lquido negro viscoso que
condensa del gas en el colector principal y es la fuente de
piridina, cidos de alquitrn, naftalno, aceite de creosota, etc...
El aceite ligero es un lquido caf amarillento de composicin
variable. Los principales productos recuperados del aceite ligero
son el benceno, xileno, tolueno y los solventes de nafta.
FIGURA 2. Flujo de proceso coquizacin
3. DIAGRAMA DEL PROCESO DE COQUIZACIN ETAPA DE COQUIZACINCuando
un carbn es pirolizado trmicamente o destilado destructivamente (a
altas temperaturas) sin entrar en contacto con el aire, se
convierte en una gran variedad de productos slidos, lquidos y
gaseosos. La eliminacin de la fase gaseosa hace que el proceso se
denomine desgasificacin de carbones, mientras que la obtencin final
del coque da origen al trmino carbonizacin o coquizacin.La planta
de Coquera tiene por objeto producir el coque metalrgico mediante
una destilacin a altas temperaturas de la hulla o carbn mineral en
hornos, sin presencia del aire.La planta de Coquera est compuesta
bsicamente por: La batera de hornos. La planta de
Subproductos.3.1.1 BATERA DE HORNOSEl objetivo de la Batera es
producir el coque para el alto horno denominado "Coque Metalrgico"
y de los gases obtener algunos subproductos.El carbn ptimo para
coquizar tiene aproximadamente 31% de materias voltiles y se
obtiene de una mezcla de carbones.Los carbones se reciben de tres
clases con el fin de obtener un carbn apropiado: 40% de Carbn Alto
Voltil (38-41% materia voltil) 20% de Carbn Medio voltil (30-33%
materia voltil) 40% de Carbn Bajo Voltil (23-27% materia
voltil).
La coquizacin se practica en hornos verticales tipo Koppers -
Becker, en un proceso de calentamiento de dos tiempos. Esta batera
posee dos partes denominadas lado coque y lado mquina, construidos
en alto slice y ladrillo sillico - aluminoso en su mampostera
refractaria; ladrillo comn y material aislante en su mampostera
estructural y soportados por una estructura metlica.3.1.2 SISTEMA
DE CALENTAMIENTO DE LA BATERALa batera se calienta con gas de coque
que es el mismo que ha sido depurado o limpiado en la planta de
subproductos y que se recircula para ser utilizado como combustible
y dador de la carga trmica que necesita la batera.El gas entra por
un sistema de tuberas hasta unos inyectores colocados en las cmaras
de combustin para que se mezcle con aire que ha sido previamente
precalentado en unos ductos con empaquetados de anillos llamado
regenerador.Luego de que se ha producido la mezcla gas - aire se
produce una combustin formndose humos que tienen la funcin de
calentar los hornos de manera uniforme.En este calentamiento los
gases circulan de un lado hacia el otro del horno por medio de una
mquina llamada Torno de Inversin el cual se encarga de abrir y
cerrar las boquillas de entrada del aire en un ciclo que dura 40
minutos ( 20 minutos en cada sentido ) . Este torno de inversin
trabaja con un reloj temporizado que cada 20 minutos hace un cambio
en el sentido de la combustin, permitiendo que los hornos de la
batera estn calentados uniformemente de lado y lado ofreciendo un
buen aprovechamiento de la temperatura o capacidad calorfica del
gas y el humo por eficiencia trmica.La reaccin de destilacin
destructiva que ocurre en el proceso de coquizacin es la
siguiente:C357H281O39C280H26O8+ C27H22O2+ 5C10H41O3+ 14 H2O(Hulla)
(Coque) (Alquitrn) (Gases)3.1.3 DESCRIPCIN DEL PROCESO DE
COQUIZACINLos carbones son trados a la planta de coque en camiones
de donde se descarga a una tolva. El carbn es conducido en
transportadores de banda a un triturador de rodillos de donde sale
con un tamao inferior a 1 Pulg. El carbn de tamao inferior de 1
pulg es conducido por una banda transportadora al silo de mezclas.
Este, est dividido en cuatro silos y acondicionados individualmente
en su parte inferior con un dosificador de carbn automtico, que
suministra en forma constante la misma cantidad en peso, sin
importar las condiciones en que vengan (humedad, granulometra,
etc.).Se hacen las mezclas de los diferentes carbones y despus se
les adiciona agua de acuerdo al estado de humedad en que se
encuentre ya que un carbn demasiado seco produce polvo que afecta
las partes elctricas y mecnicas as como tambin hay mayor propensin
a incendios en los cargues y produccin de grafito. Tambin a la
mezcla de carbones se le adiciona ACPM con el fin de aumentar la
densidad del carbn y por consiguiente la calidad de produccin del
coque en la Batera.El carbn en estas condiciones pasa a una criba
vibratoria con mallas de 3mm, donde pasa a un molino de martillos
que pulveriza y mezcla el carbn dando un producto cuya granulometra
no debe pasar del 10 % por encima de 3mm, que es el tamao ms
adecuado y apropiado para cargar en los hornos y obtener un coque
de buena calidad.Los carbones que salen de la criba y del molino de
martillos caen a un transportador y pasan a los silos de la Batera.
Los silos de batera son cuatro con capacidad de 400 Ton cada uno.
Esos silos en su parte inferior tienen compuertas movibles que son
a condicionadas con el fin de cargar el carbn al horno.Los Hornos
tienen cuatro aberturas de cargue y una para evacuacin del gas
producido por la destilacin del carbn al igual que dos compuertas
para facilitar el deshorne y descarga del coque.La mquina
Deshonradora es la que se encarga de retirar el coque de los
hornos. Esta mquina tiene translacin propia y fundamentalmente:
quita las puertas, deshorna y nivela los hornos. La mquina Gua de
Coque que sirve de puente entre el horno a deshornar y el vagn de
apagado; tiene translacin propia y sus funciones son: quitar las
puertas y guiar el coque durante el deshorne.Luego de 20 horas, el
coque se encuentra listo para deshornarlo y trasladarlo a unvagn de
apagado el cual lo transporta inmediatamente a la torre de apagado,
para evitar que el coque entre en combustin con el aire, en donde
se le vierte una cantidad de agua durante 90 segundos
desprendindose una gran nube de vapor de agua (templado del
coque).Luego el coque apagado se descarga en una rampa para su
reposo con el fin de que el agua se evapore completamente y apagar
los que estn encendidos. Esta rampa est revestido en ladrillo
prensado.A continuacin viene un proceso de estabilizacin en el cual
el coque se tritura para reducirlo de tamao y se criba para separar
la fraccin menor de 1 pulgada y la fraccin mayor de 3 pulgadas y
dejarlo del tamao de 1- 3 pulgadas para que sea utilizado en el
Alto Horno. El diagrama de flujo de este proceso se muestra en la
grfica.3.1.4 ETAPA DE SINTONIZACINDurante los procesos de extraccin
de minerales, transporte y manipulacin de las materias primas, se
producen grandes cantidades de material, de una granulometra
excesivamente fina que no permite el adecuado flujo de gases
calientes a travs de la carga, impidiendo llevar a cabo la fundicin
de la misma, por lo que se aglomera a un tamao que permita su
utilizacin.Las materias primas de esta etapa son: Caliza, mineral
de Hierro, Coquesillo, y finos del mismo Sinter.Caliza:Llega entre
6-120 mm de grosor; se le hace un cribado para una granulometra
inferior de 3.36 mm.Mineral de hierro.Debe tener una granulometra
menor de 9.5 mm.Coquesillo:Son los finos de la planta de Coquera y
se debe obtener a una granulometra menor a 3,36 mm.
Figura 3. Diagrama de flujo de la Planta de Coque
Figura5 .Proceso de produccin del coque
4. CARACTERSTICAS DEL COQUE PARA ALTO HORNOEntre las propiedades
del coque para uso en el alto horno que mayor repercusin tienen en
la eficiencia del proceso destacan las siguientes:Caractersticas
qumicas:Carbn fijo. Deber ser lo ms elevado y constante posible, ya
que as durante su combustin frente a las toberas se tendr la mayor
capacidad y la mnima variacin trmica por unidad en peso.Contenido
de cenizas.En contra-posicin al carbn fijo, deber ser lo ms bajo
posible. Fusin es la de formar escoria mediante su neutralizacin
con fundentes y cualquier aumento y variacin en su contenido
repercutir directamente en los volmenes de escoria producida, as
como en el ndice de basicidad de la misma, puesto que las cenizas
estn constituidas principalmente por compuestos de carcter cido
como son: SiO2 y Al2O3.Azufre.Por lo general un 80% mnimo del
azufre de entrada al alto horno proviene del coque; de ah la
importancia que este elemento alcance una baja concentracin en el
combustible pues su presencia afecta directamente la calidad del
arrabio y la necesidad de su eliminacin determinada por el volumen
de escoria lo que su vez influye en la productividad del horno y en
el rendimiento trmico del mismo.
Reactividad.Afinidad que presenta el coque para combinarse con
el oxgeno y bixido de carbono. En el caso del alto horno es comn
hablar de un buen coque a este respecto, cuando su reactividad es
relativamente baja o sea que la reactividad deber ser suficiente
para que el coque se combustiona bien al contacto con el oxgeno del
aire frente a las toberas, pero que no sea tan alta como para que
entre fcilmente en reaccin con el oxgeno de los xidos ferrosos,
antes de que alcance el nivel de toberas, lo que finalmente se
traduce en un aumento del consumo de combustible.Caractersticas
fsicas.Granulometra. El tamao del coque estar en parte influenciado
por el tamao del resto de los componentes de la carga; sin embargo,
se considera como aceptable el comprendido entre el rango de 16 a
19 mm como mnimo y 64 a 75 mm como mximo. La importancia de un buen
control en el tamao del coque cargado al alto horno se reflejar
principalmente en la permeabilidad de la columna de carga.ndice de
estabilidad.Constituye un ensayo fsico que determina la resistencia
del coque a la degradacin o la prdida de tamao del mismo, por el
efecto combinado de la abrasin (desgaste por roce) y la cada. Este
es uno de los indicadores a los que se les presta mayor atencin ya
que es un reflejo fiel de lo que ser el comportamiento del coque en
el interior del horno, por ejemplo: si se tiene un coque de baja
estabilidad crear problemas al ser cargado al horno, ya que perder
su tamao inicial tendiendo a pulverizarse lo que afectar la
permeabilidad de la columna de carga dando un descenso irregular de
la misma, favoreciendo la formacin de incrustaciones sobre las
paredes, disminuyendo la produccin de arrabio y su calidad, as como
aumentando el consumo de combustible.La prueba de estabilidad se
rige por las normas A.S.T.M. y una breve descripcin de la misma
sera la siguiente. Se seleccionan 10 Kg de muestra de coque entre
+2" y -4", la cual se introduce a un tambor de 36" dimetro por
18"ancho con dos placas de 2" en su interior a 180; se hace girar
400 vueltas a 23 rpm. Despus de las vueltas se extraen las
fracciones resultantes y se criban a las siguientes mallas +1 1/2"
+1" +1/2", +1/4" y -1/4".El % de muestra total retenido a +1" ser
el % de estabilidad; a su vez el % de dureza estar comprendido por
la fraccin acumulada a +1/4".ndice de Dureza.Por medio de este
ensayo se mide la resistencia del material al impacto, pero no es
tan representativo como el ndice de estabilidad y debe tomarse
justamente asociado a este ltimo para tener una evaluacin ms exacta
de las cualidades mecnicas del coque.Humedad del coque.Su
determinacin es importante y debe efectuarse con la regularidad
necesaria, ya que el peso del coque efectivamente cargado al horno
deber ajustarse en base seca (eliminando la humedad) para descontar
las variaciones en el peso debidas a la humedad involucrada, mismas
que se reflejaran en el balance trmico dentro del
horno.BIBLIOGRAFA
1. www.wikipedia.com2. http://www.pazdelrio.com.co/3.
http://www.gecarbon.org/boletines/articulos/boletinGEC_024_art.3.pdf4.
http://homeworksingenieria.blogspot.com/2010/02/coquizacion-del-carbon.html5.
http://www.trituradoras-machacadora.mx/blog/triturador-de-coque-proceso-de-la-planta-de-coque-trituracion-de-coque.html6.
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http://juliocorrea.files.wordpress.com/2008/03/proceso-siderurgico.pdf