Calidad y características requeridas

del Coque metalúrgico

Análisis químico

Propiedades físico-químicas

Propiedades físico-mecánicas

Carbono del coque

El contenido de carbono es la variable principal del análisis elemental. Sin embargo la información del contenido total de carbono es insuficiente para los alto-hornistas. La materia volátil presente en el la masa orgánica del coque escapa alrededor de los 850ºC. Es importante conocer el contenido de carbono fijo, que permanece en el horno y lleva a cabo el trabajo metalúrgico.

Puesto que el coque es usado como combustible y como reductor, su contenido de carbono fijo y en consecuencia su poder calorífico debieran ser lo mas alto posible. Cfijo = 100 - (MV+Cen).

Cenizas.

Se denomina ceniza al residuo resultante de la combustión completa de la materia orgánica del carbón. La ceniza es un indicador de la calidad del carbón, por cuanto provee una medida del material no combustible. Altos contenidos de cenizas contribuyen a disminuir el poder calorífico de la muestra, representando un “peso muerto” en los procesos de conversión, especialmente en la combustión y coquificación.

Ceniza del coque

La ceniza debe ser incorporada en la escoria, la cual requiere energía para la formación de escoria y sobrecalentamiento. Ello produce un incremento en el consume de coque por tonelada de arrabio a razón de 1.5 a 2.5 por ciento por cada 1 por ciento de aumento en el coque. En aumento en el contenido de ceniza disminuye la resistencia mecánica del coque. El contenido de cenizas no debiera exceder el 10-15%

Usualmente este valor esta en el rango de 8-13% pero por ejemplo coque procedentes de carbones de la India poseen contenidos de ceniza del orden del 20%.

Composición de la cenizaLa composición de la ceniza juega un rol importante en el proceso de formación de escoria. La ceniza del coque consiste principalmente de componentes ácidos: 50-75% de SiO2+Al2O3, razón

SiO2/Al2O3=1.5-2.0

Los óxidos de hierro contribuyen con 10-20%. El resto son óxidos básicos (CaO, MgO), SO2, P2O5, Mn3O4, álcalis. Se

requiere caliza para fundir la sílice.

Fósforo

El coque contiene pequeñas cantidades de fósforo el cual como es sabido es deleterio para la calidad del arrabio y acero y no debería sobrepasar un 0,045%.

Alcalis en la cenizas

Altos contenidos de álcalis en la ceniza son indeseados debido al consumo de calor asociado a la recirculación de los álcalis. Además los álcalis aumentan la reactividad del coque y disminuyen su resistencia. El ataque de los álcalis debilita las paredes de las celdas del coque e incrementa la susceptibilidad de rompimiento del coque bajo carga. El alto grado de ruptura afecta la permeabilidad el lecho en el alto horno conduciendo a una operacion poco uniforme y con cargas colgadas.

Azufre del coqueEl contenido de azufre del coque es de gran interés para el proceso del alto horno ya que alrededor del 70-95% de la entrada de azufre al horno proviene de los combustibles. Para alcanzar los bajos niveles de azufre requeridos en el arrabio y dependiendo de su entrada, debe operarse con altas basicidades en la escoria, alto volumen de escoria y altas temperaturas.Por cada 0.1% de aumento del contenido de azufre en el coque, el coke rate aumenta entre 0.5-1.8% y la productividad del horno disminuye en un 2% El contenido de azufre del coque alcanza hasta valores de 0.5 a 1.5% dependiendo del contenido de azufre de los carbones empleados en su elaboración.

Materia VolátilLas materias volátiles son desprendimientos gaseosos de la materia orgánica durante el calentamiento. A medida que el carbón se calienta, se desprenden productos gaseosos y líquidos. Los constituyentes son principalmente agua, hidrógeno, dióxido de carbono, monóxido de carbono, sulfuros de hidrógeno, metano, amoniaco, benceno, tolueno, naftaleno y vapores alquitranes.La materia volátil incluye los componentes del carbón, excepto el agua, que se libera a altas temperaturas en ausencia de oxígeno.

Propiedades Físico-químicas Reactividad del coque: Describe la producción y regeneración de gas reductor por la reacción del carbono del coque con el dióxido de carbono. La reactividad del coque es función de los carbones empleados en su fabricación, el tiempo de coquización y características de diseño de los hornosEl Indice de Reactividad del Coque (CRI) debiera ser bajo, especialmente para altas tasas de inyección de combustibles auxiliares. Combustibilidad del coque: es determinada por la velocidad de su reacción con el oxígeno con formación de dióxido de carbono. La temperatura de Ignición es también una caracteristica de la combustibilidad: Para el coque metalúrgico es de 650 a 700°C,

Propiedades Físico-mecánicasCorresponden a la generación de partículas carbonáceas finas y permeabilidad en el alto horno. Para una buena permeabilidad y drenaje de los productos líquidos se requieren trozos grandes de coque y baja cantidad de partículas carbonáceas finas.El tamaño del coque no debiera ser inferior a 40 mm (40-60 o 40-80 mm). El diámetro promedio deseado debiera ser mayor para alto hornos grandes. Se emplea coque con rango estrecho de tamaños para obtener una distribución óptima de los gases. El coque debiera mantener su resistencia mecánica hasta la zona inferior del crisol.

Resistencia mecánicaDado que el tamaño del coque disminuye a medida que desciende en el horno por rompimiento mecánico, atrición, etc., la resistencia del coque es de importancia fundamental. El coque debiera incluso resistir la mayor parte de las solicitaciones despues de reacción. La resistencia en frío y en caliente del coque se miden por los índices I10, I40 (tamaños de granos menos 10 y más 40mm) y por el CSR (Resistencia del Coque después de Reacción), respectivamente. El valor del CSR es determinado en un sólo procedimiento junto con el índice CRI bajo gasificación de una muestra de coque con dióxido de carbono y expresado por la fracción de tamaños por sobre 10mm.

MICUM

Fue impuesto después de la primera guerra mundial para el control de la producción en las coquerías alemanas cedidas como titulo de dominio de guerra. De ahí deriva su nombre Misión Internacional de Control de las Usinas y Minas.

El coque es cargado en un tambor ISO de 1 m de largo y 1 m de diámetro y es sometido a 100 vueltas a 25 rpm.

Después de ello el coque es cribado sobre mallas de 10 y 40 m.

La fracción -10 mm se llama M10 y mide resistencia a la abrasión.

La fracción +40mm llamada M40 mide la resistencia a la fragmentación o ruptura del coque.

Tipos de pellets

• Pellet feed, material fino con una ley de 69% de Fe y dimensiones menores a 44 micrones.

• Pellet autofundente (básico), como finos de mineral aglomerados en nódulos y una ley de 65,5% de Fe de dimensiones 9 a 16 mm.

• Pellet de reducción directa, como aglomerado en forma de pellets para ser cargados en procesos de reducción directa, con una ley de 66,4% de Fe y tamaños entre 9 y 16 mm.

• Finos, como aglomerados por sinterización para alimentar el alto horno, con una Ley de 65% de Fe y entre 10 y 44 micrones.

• Granzas, con una ley de 63% de Fe y tamaños entre 10 y 30 mm

• Pellet chip, como pellet que se ha quebrado en su proceso de producción, con una ley de entre 65,5 y 66,4% de Fe y dimensiones menores a 9 mm.

Especificación de Insumos.

Coque

Micum 40 71% min

Micum 10 11% max

Mat.Vol. 2% max

Cenizas 12% max

Azufre 0.5% max

+2” 70% min

Mineral de Hierro

Fe 62% min

P 0.160 max

S 0.085% max

SiO2 7% max

Al2O3 2% max

Na+K .210% max

Especificación de Insumos.

Pellets

Fe 65% minP 0.050 maxS 0.030% max

SiO2 3.5% max

Al2O3 1.25% max

Na2O+K2O 0.250% max

Especificación de Insumos. CALIZA

CaO 52-55%

SiO2 1.0-2.5%

Al2O3 0.5-1.0%Fe 0.5-1.0%MgO 0.70-0.99%P 0.010-0.030%S 0.010-0.030%

Especificación de Insumos.

CUARZO

SiO2 96% min

Na2O+K2O 0.10%Max

COQUECILLO NUEZ

Azufre 0.5% max

Ceniza 15% max

Mat.Vol 3% max

MINERAL DE Mn

Mn 27% min

P .05 max

S 1.25% max

SCRAP

Fe 65%min

Na2O+K2O .20%max

Descripción del Proceso Interno

C + O2 == CO2 Exotérmica

C + CO2 == 2CO Endotérmica

C + 1/2 O2 == CO Exotérmica

MATERIAS PRIMAS

Coque MetalúrgicoGas Reductor

Calor Para las reacciones de reducción y para la fusión del Material reducido y la Escoria

Permeabilidad de la carga

Carburación del Arrabio

Granzas de Mineral de FierroFe3O4 62.5% Fe

Pellets de Mineral de HierroDiámetro < 19mm 65% Fe

Caliza Y Cuarzo

CaO como fundente de la sílice y Alúmina presente en el mineral y el coque, produciendo un bajo punto de fusión y una escoria fluida

La composición química de la escoria es controlada para: Remover parte del Azufre de la carga, introducido principalmente como impureza en el coque y en el mineral.Absorber K2O y Na2O los cuales tienden a entorpecer el trabajo del Alto Horno debido a su papel de agentes formadores de adherenciasControlar el contenido de Silicio en el metal

IB= (CaO + MgO)/SiO2Valores de IB entre 1.3 a 1.4 son adecuados para estos propósitos

DESCRIPCION AL INTERIOR DEL

ALTO HORNO

CAPAS DE CARGA

A nivel Toberas

Aire CalienteAire precalentado a 1050ºC

Quemar coque incandescente frente a toberas para generar el calor necesario para:

Reacciones de ReducciónCalentamiento y fusión de la carga y productos de reacción

Hidrocarburos Sólidos o LíquidosProporcionan una cantidad adicional de gas reductor (CO y

H2) para el proceso de reducción

Petróleo y algunas veces alquitrán en el Alto Horno

PROCESO ALTO HORNO

Coque 460 KCoquecillo 15 KGranzas 550 KPellets 930 KCaliza 155 KMin Mn 20 KCuarzo 15 K

Aire Caliente 1250 M3Petróleo 18 KAlquitrán 17 K

Arrabio 1000 K4.5%C 0.45%Si

0.45%Mn 0.025%S0.130%P

Escoria 250 K

Gas Tope 1830 M3Polvillo 6 k

OPERACION ALTO HORNO

•Cargas periódicas de sólidos a través del Tope

•Extracción periódica de productos líquidos del crisol del horno

•Inyección continua de aire caliente e hidrocarburos por toberas

•Extracción continua de gas y polvillo a través del tope del horno

Proceso Alto HornoFrente a las toberas

El ingreso a alta velocidad del viento, crea frente a cada tobera una zona o bolsón de

gas, conocido como “Raceway” y rapidamente consume el coque del frente de

cada tobera.

Los “Raceway” estan limitados por el frente, por los lados y por debajo por regiones firmes

de trozos de coque.

También están limitados por arriba por trozos de coque, pero compactados libremente

debido al rápido ascenso del gas entre las partículas

El principal proceso físico-químico de esta zona es la transferencia de calor desde los

gases a las piezas descendentes de coque y a las gotas de arrabio y escoria

Proceso Alto HornoZONA CRISOL – TOBERAS - ETALAJE

Casi todo el material sólido que está en esta zona es coque. El arrabio líquido y la

escoria percolan a través del coque hacia el crisol

C + O2 = CO2 + Calor

CO2 + C = 2CO

Los gases desde las toberas ascienden a través de la zona de coque activo,

transfiriendo calor al coque descendente y fundiendo el Fierro y la escoria

Proceso Alto HornoZONA COHESIVA

Formada por capas alternadas de Coque y de mineral y caliza ablandados y fundidos

Su forma, de U invertida y la presión bajo ella, tienden a soportar la carga del horno

Las capas de coque permiten distribuir radialmente el gas reductor a través del horno.

PRINCIPAL PROCESO FISICO QUIMICO Fusión del Metal y la escoria

Cualquier oxido de hierro presente , será reducido durante su descenso a través del percolador de coque.

CoqueGas Reductor

Calor Para las reacciones de reducción y para la fusión del Material reducido y la Escoria

Permeabilidad de la carga

Carburación del Arrabio

Alto Contenido de Carbono

Reactividad a Alta Temperatura

Resistencia Mecánica

Reducción Indirecta de la WustitaSOBRE LA ZONA DE FUSION

Presencia de Fe sólido, en la forma de Wustita (FeO)

Capas alternadas de coque y minerales.

El gas que ingresa a esta zona es virtualmente todo CO

FeO + CO = Fe + CO2 (1)

CO2 + C = 2CO (2)

La reacción (2) altamente endotérmica, y produce un rápido enfriamiento de los gases ascendentes. La reacción (1) es altamente exotérmica, pero su calor no alcanza para compensar el efecto de la reacción de gasificación del coque (2).

La temperatura de los gases tiene un marcado descenso, hasta que se enfrían bajo los 1200ºK, temperatura a la cual la reacción (2) prácticamente deja de ocurrir.

SOBRE LA ISOTERMA DE LOS 1200ºK

El CO del gas que asciende sobre la isoterma de los 1200 ºK reacciona con la Wustita

CO + FeO = Fe + CO2

Reacción altamente exotérmica. Los gases prácticamente no se enfrían durante su ascenso a

través de esta región, conocida como “ZONA DE

RESERVA TERMICA”

Reducción de Oxidos principales

El gas ascendente demasiado pobre en CO para reducir la FeO, Pero es lo suficientemente enérgico para reducir Magnetita a Wustita

CO + Fe3O4 = 3FeO + CO2

Cada mol de CO convertido a CO2 produce 3 moles de FeO

Se crea región vertical donde los óxidos superiores son reducidos a Wustita, y donde el gas no es capaz de

reducir cantidades suficientes de Wustita a Fe

Restricción de los óxidos superiores a una pequeña zona cerca del tope del horno (primer cuarto de la

cuba), que tiene solo el espesor suficiente para que su grado de producción de Wustita sea igual al

grado de reducción de Wustita en la zona inferior del horno

La región donde el material férrico es virtualmente todo Wustita (FeO) es conocida como ZONA DE

RESERVA QUIMICA y es también una zona de temperatura constante

El Primer cuarto de la CubaEl CO desarrollado en la Zona de Wustita – Fe

es utilizado para la reducción de Oxidos superiores a Wustita

En esta zona el gas reductor toma contacto con la Hematita (Fe2O3) y se genera una zona de óxidos mixtos

3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2

Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2

La temperatura de los gases desciende rápidamente

Naturaleza endotérmica de las reacciones de reducciónEvaporación de la humedad

SUMARIO DEL PROCESO3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2

Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2

Reducción Indirecta de la Wustita FeO + CO = Fe + CO2

FeO + CO = Fe + CO2CO2+C = 2CO

Red. Directa FeO + C = Fe + CO

CO2+C = 2COC+O2 = CO2 + Calor

PROCESO ALTO HORNOCombustión del Coque con Aire

Caliente frente a las toberas, para producir CO + Calor

Transferencia de Oxigeno desde los Oxidos de Fierro componentes de

la carga descendente, al CO del gas ascendente