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. http://www.oocities.org/mx/ahmsatech/Coquizadora.htm7. http://datateca.unad.edu.co/contenidos/358022/contenidoLinea/leccin_15_industria_del_coque.html8. http://juliocorrea.files.wordpress.com/2008/03/proceso-siderurgico.pdf