CLASE 05 SIDERURGIA I SEMANA 05CONTENIDO:

CONTENIDO:5.1 FABRICACIÓN DE COQUE SIDERÚRGICO. MATERIAS PRIMAS.5.2 COQUE METALÚRGICO. PROCESO COQUIZACIÓN.5.3 CONTROL DE LA CONTAMINACIÓN DURANTE LA COQUIZACIÓN.5.4 PREPARACIÓN DEL COQUE PARA SU UTILIZACIÓN EN EL H. A.

DESARROLLO

5.1 FABRICACIÓN DE COQUE SIDERÚRGICO. MATERIAS PRIMASFabricación de coque siderúrgico.

Fundamentos. Materias primas.

CARBÓN DE COQUEEl CARBÓN es la materia prima para obtener COQUE. Sólo son aptas las hullas grasas y semigrasas de llama corta, con contenido en materias volátiles entre 22% y 30%, azufre <1% y cenizas <9%Misión del coque en el proceso siderúrgico:

Producir por combustión el calor necesario para la reacción de reducción (eliminar oxígeno) y fundir la mena dentro del horno.

Soportar las cargas en el alto horno Producir el gas reductor (CO) que transforma los óxidos en arrabio.

¿Cómo se obtiene el coque? Calentando a >1000 ºC las hullas.

Características de un buen coque: Buena resistencia al aplastamiento Baja humedad (<3%) Bajo contenido en azufre (<1%) Bajo contenido en cenizas (<9%) Alto poder calorífico (6500 – 8750 Kcal/kg) Mínimo contenido en fósforo y azufre (hacen frágil la fundición.

5.2 COQUE METALÚRGICO. PROCESO COQUIZACIÓN. Coque metalúrgico. Características y ensayos. Coque moldeado.

1. El coque metalúrgico 2. Coquización 3. Carbón 4. Utilidad

El coque metalúrgico

Coque metalúrgico

El coque metalúrgico es el residuo sólido que se obtiene a partir de la destilación destructiva, o pirolisis, de determinados carbones minerales, como la hulla (o carbones bituminosos) que poseen propiedades coquizantes; es decir capacidad de transformarse en coque después de haber pasado por una fase plástica. En la práctica, para la fabricación del coque metalúrgico se utilizan mezclas complejas que pueden incluir más de 10 tipos diferentes de carbones minerales en distintas proporciones. El proceso de pirólisis mediante el cual se obtiene el coque se denomina coquización y consiste en un calentamiento (entre 1000 y 1200 ºC) en ausencia de oxígeno hasta eliminar la practica totalidad de la materia volátil del carbón, o mezcla de carbones, que se coquizan. La mayoría del coque metalúrgico se usa en los  altos hornos de la  industria siderúrgica para la producción del acero (coque siderúrgico). Dada el gran consumo de coque que es necesario para el funcionamiento de los altos hornos, los hornos de coquización suelen ser una instalación anexa a las industrias siderúrgicas.  El coque metalúrgico también se utiliza en la industria de la fundición del hierro (coque de fundición). En general, el coque de función suele ser de un tamaño mayor que el siderúrgico. 

LA PIRÓLISIS: Es la descomposición química de materia orgánica y todo tipo de materiales excepto metales y vidrios causada por el calentamiento en ausencia de oxígeno. En este caso, no produce ni dioxinas ni furanos, en la actualidad hay una tecnología muy eficiente en Inglaterra que puede tratar todo tipo de residuos.La pirólisis extrema, que sólo deja carbono como residuo, se llama carbonización. La pirólisis es un caso especial de termólisis.Un ejemplo de pirólisis es la destrucción de neumáticos usados. En este contexto, la pirólisis es la degradación del caucho de la rueda mediante el calor en ausencia de oxígeno.

PIRÓLISIS ANHIDRALa pirólisis es normalmente anhidra (sin agua).Este fenómeno ocurre normalmente cuando un compuesto orgánico sólido se calienta suficientemente (como por ejemplo al freír o asar; aunque estos procesos se llevan a cabo en una atmósfera normal, las capas externas del material conservan el interior sin oxígeno.El proceso también ocurre cuando se quema un combustible sólido compacto, como la madera. De hecho, las llamas de un fuego de madera se deben a la combustión de gases expulsados por la pirólisis, no por la combustión de la madera en sí misma.Un antiguo uso industrial de la pirólisis anhidra es la producción de carbón vegetal mediante la pirólisis de la madera. Más recientemente la pirólisis se ha usado a gran escala para convertir el carbón en carbón de coque para la metalurgia, especialmente en la fabricación de acero.Se piensa que la pirólisis anhidra tiene lugar durante la catagénesis, la conversión de querógeno a combustible fósil.En muchas aplicaciones industriales este proceso es llevado a cabo bajo presión y a temperaturas por encima de los 430°C. La pirólisis anhidra también se puede usar para producir un combustible líquido similar al gasoil a partir de biomasa sólida o plásticos. La técnica más común utiliza unos tiempos de residencia muy bajos (menos de dos segundos) y temperaturas de entre 350 y 500 ºC.

LA PIRÓLISIS Y EL TRATAMIENTO DE RESIDUOSLa aplicación de la pirólisis al tratamiento de residuos ha ganado aceptación en la industria junto con otras tecnologías avanzadas de tratamiento de residuos pero no los elimina sino que los transforma en carbón, agua, residuos líquidos, partículas, metales pesados, cenizas o tóxicos -en algunos casos-, entre otros, vertiendo al aire desde sustancias relativamente inocuas hasta muy tóxicas y reduciendo así su volumen. Esta destilación destructiva obviamente imposibilita el reciclado o la reutilización.La pirólisis se puede utilizar también como una forma de tratamiento termal para reducir el volumen de los residuos y producir combustibles como subproductos. También ha sido utilizada para producir un combustible sintético para motores de ciclo diésel a partir de residuos plásticos.1

PIRÓLISIS ACUOSAEl término pirólisis se utiliza en ocasiones para denominar también la termólisis con presencia de agua, tal como el craqueo por vapor de agua del petróleo o la depolimerización térmica de los residuos orgánicos en crudo pesado.

PIRÓLISIS AL VACÍOEn la pirólisis al vacío el material orgánico se calienta en el vacío para reducir el punto de ebullición y evitar reacciones químicas adversas

PROCESO DE COQUIZACIÓN Coquización es un proceso de destilación seca destructiva de carbón para convertirlo de un material denso y frágil a uno fuerte y poroso; los subproductos valiosos se recuperan en el proceso.No todas las clases de carbón son útiles para fabricar coque. Entre los que no son útiles se encuentran los porosos pero con baja resistencia a la compresión o con residuos de polvo. Fuera de las tres clases de carbón reconocidas en la industria alta, media o baja volatilidad, solo una subclase entre los de alta volatilidad y algunos pero no todos los de media volatilidad son producidos para el alto horno. Por lo tanto la mezcla es de mayor importancia. Grandes cantidades de carbón de alta volatilidad son mezcladas con carbón de media o baja volatilidad. Otra razón para mezclarlos es su química no la estructura del carbón. Muchos carbones contienen grandes cantidades de cenizas de: arena de sílice, arcillas aluminosas, sulfuros de hierro y otros. Por lo tanto casi todos los carbones son lavados.Como ya se menciono anteriormente la coquización es un proceso de destilación destructiva usando calor externo. El coque es ampliamente clasificado de acuerdo a su temperatura final del proceso de coquización – coque de alta, media y baja temperatura. Solo el último terminado entre 1700 y 2000° F (930 y 1100° C) se unas para el alto horno. Aunque algunos de los de bajas temperaturas se utilizan para mezclarlos. Las producciones de carbón por tonelada son:De 65 a 73% de coque y de 5 a 10 % de residuos, para una producción de coque del 75%. Puesto que cerca del 75% de sulfuro contenido en el carbón, permanece en el coque, lo cual es que el contenido de sulfuro es alrededor de la misma cantidad carbón en el coque, a menos que se empleen las técnicas adecuadas para remover los sulfuros. (Peters, 1982)

COQUIZACIÓN Se conoce con el nombre de carbonización al proceso de destilación destructiva de sustancias orgánicas en ausencia de aire para dar un producto sólido rico en carbono, además de productos líquidos y gaseosos.  La carbonización de madera y otros materiales vegetales produce carbón vegetal. La carbonización de cierto tipo de carbones minerales (carbones coquizables, i.e. carbones bituminosos o hulla), o mezclas de estos carbones, producen el coque. En este caso el proceso de carbonización es denominado coquización. La coquización se diferencia de la carbonización en que durante el proceso de calentamiento en atmósfera inerte de los carbones coquizables o cualquier otra sustancia que de lugar a un coque, como por ejemplo la brea u otros materiales termoplásticos, se pasa por un estado fluido transitorio durante un determinado intervalo de temperaturas que varía según el material que se esté coquizando (en el caso de los carbones coquizables este intervalo puede oscilar entre los 350 y 500 ºC). Pasado el intervalo fluido (también denominado etapa plástica) se forma el semicoque. Al seguir aumentando la temperatura sigue el desprendimiento de gases hasta que finalmente se forma el coque. Durante la etapa fluida, o plástica, se produce una total reorganización en la micro estructura del material. Así, mientras que los carbonizados presentan una microestructura desordenada y, salvo raras excepciones, no pueden ser grafitizados (i.e. carbones no grafitizables); los coques presentan una microestructura más ordenada y pueden ser grafitizados si se someten a un proceso de grafitización (i.e. carbones grafitizables).

El primer uso de coque en el horno alto se debió a Abraham Darby en 1709, en Coalbrookdale (Inglaterra). ésta es una fecha histórica, puesto que la aplicación con éxito del coque en el horno alto fue responsable del desarrollo posterior de la industria del hierro y del acero, y del comienzo de la Revolución Industrial. El proceso primitivo de calentar el carbón en pilas para producir coque permaneció como el más importante durante aproximadamente un siglo. No obstante, un horno con forma de colmena fue desarrollado en 1759 en Newcastle (U.K.), siendo este tipo de hornos usado todavía en algunas partes del mundo. Sin embargo, el rápido incremento de la demanda de coque en el siglo XIX dio lugar a la introducción de los hornos de cámara rectangular, capaces de ser descargados utilizando máquinas. Estos hornos, al principio de tipo no recuperativo, pero desde 1882 capaces de recuperar subproductos (gases, breas y otros compuestos químicos), son los antecesores de los hornos actuales de gran capacidad. En todos ellos se observan las características básicas de los hornos modernos: 

Batería de hornos de coque (I) Están construidos en baterías.(II) Poseen cámaras rectangulares separadas por paredes huecas que contienen los canales de calentamiento, en los cuales el gas se quema para calentar el horno. (III) Son cargados por una máquina y descargados por una deshornadora mecánica, después de la retirada de las puertas de ambos lados.(IV) El gas sale del horno por el tubo montante y se lleva a la planta de subproductos, retornando una parte del mismo a los hornos para su calentamiento. Las baterías modernas únicamente difieren de éstas en la escala y la sofisticación de los detalles. Una batería moderna puede estar formada por unos 70 hornos de coque. Cada horno tiene del orden de 6 m de altura, 450 mm de anchura y 16 m de longitud o fondo. Esto significa unos 37 m3 de volumen y unas 30 t de carbón por horno. El aumento de la anchura de los hornos, junto con una velocidad de coquización más baja, al utilizar cámaras más anchas, dio lugar a resultados inesperados en cuando a la ampliación de la gama de carbones que podían ser coquizados. 

CARBÓN Es un combustible sólido de origen vegetal .Además de carbono, el carbón contiene hidrocarburos volátiles, azufre y nitrógeno, así como cenizas y otros elementos en menor cantidad (potasio, calcio, sodio, magnesio, etcétera).

ORIGENEn eras geológicas remotas, y sobre todo en el periodo carbonífero (que comenzó hace 362,5 millones de años), grandes extensiones del planeta estaban cubiertas por una vegetación abundantísima que crecía en pantanos. Al morir las plantas, quedaban sumergidas por el agua y se producía la descomposición anaeróbica de la materia orgánica.. Debido a la acción de las bacterias anaeróbicas, la materia orgánica fue ganando carbono y perdiendo oxígeno e hidrógeno, y se

formaron las turberas( La formación de turba constituye la primera etapa del proceso por el que la vegetación se transforma en carbón); este proceso, unido a los incrementos de presión por las capas superiores, así como los movimientos de la corteza terrestre y, en ocasiones, el calor volcánico, comprimieron y endurecieron los depósitos con el paso del tiempo, y provocaron cambios físicos y químicos en los restos orgánicos y los transformaron en lo que hoy conocemos como carbón

TIPOSLos diferentes tipos de carbón se clasifican según su contenido de carbono fijo. La turba, la primera etapa en la formación de carbón, tiene un bajo contenido de carbono fijo y un alto índice de humedad. El lignito, el carbón de peor calidad, tiene un contenido de carbono mayor. (Tiene una capacidad calorífica inferior a la del carbón común debido al gran contenido de agua (43,4%) y bajo de carbono (37,8%); el alto contenido de materia volátil (18,8%) provoca la desintegración rápida del lignito expuesto al aire. El calor del lignito es de 17.200 kJ por kg. ) El carbón bituminoso tiene un contenido aún mayor, por lo que su poder calorífico también es superior. La antracita (tb llamado hulla seca) es el carbón con el mayor contenido en carbono y el máximo poder calorífico. La presión y el calor adicionales pueden transformar el carbón en grafito, que es prácticamente carbono puro.Turba: combustible fósil formado por materias vegetales más o menos carbonizadas. La turba contiene el 60% d carbono y es un combustible d poco poder calorífico que desprende mucho humo y deja como residuo cenizas.en las turberas altas la variedad de carbón obtenido, el lignito, será más rico en carbono y más pobre en oxígeno que la turba, y por tanto de mejor calidad. Sin embargo, su poder calorífico es aún inferior al de la hulla (otra forma de carbón).

La hullaSi el fondo de la marisma o pantano tiene una pendiente relativamente acentuada, no se formará lignito, sino hulla, otra variedad de carbón. El bosque se presenta entonces como una banda relativamente estrecha que bordea la marisma, de la cual parten a la deriva viejos troncos y ramas rotas que se empapan de agua y terminan por zozobrar. Los restos más ligeros, como las hojas, que flotan mejor, son trasladados más lejos antes de caer al fondo. En ciertos casos se puede observar la huella de todos estos restos vegetales a lo largo de la veta de carbón: en primer lugar, los tocones de los árboles enraizados en los sedimentos depositados por los ríos; a continuación, las ramas y troncos caídos; y, por fin, las ramillas con las hojas (hullas grasas) e incluso los granos de polen. A partir de observaciones hechas en las minas se ha podido reconstruir el paisaje marismeño que acaba de ser descrito, pues no se conoce ningún ejemplo actual.En tiempos geológicos primero se formó la turba, posteriormente el carbón café; éste se convirtió en lignito, que a su vez pasó a ser carbón subituminoso; este último se transformó en carbón bituminoso, que incluye a la hulla (el carbón que se usa para cocinar) y finalmente en antracita, que es el carbón más antiguo. Todos éstos son los diferentes tipos de carbón.

EXPLOTACIÓNEl carbón se encuentra en casi todas las regiones del mundo, pero en la actualidad los únicos depósitos de importancia comercial están en Europa, Asia, Australia, Suráfrica y América del Norte.Cuando los expertos realizan estimaciones sobre la cantidad de carbón en el mundo, distinguen entre reservas y recursos. Se consideran reservas los depósitos de carbón que pueden ser explotados con la tecnología existente, es decir, con los métodos y equipos actuales. Los recursos son una estimación de todos los depósitos de carbón existentes en el mundo, independientemente de que sean o no accesibles desde el punto de vista comercial. Las exploraciones geológicas han permitido localizar los yacimientos de carbón más extensos del mundo El carbón se puede obtener de dos formas: en minas de cielo abierto o de tajo y en minas subterráneas. Cuando se descubre una veta de carbón, se requiere conocer tanto el volumen del

yacimiento como la profundidad, ya que estos factores determinan el hecho de que la explotación de la mina sea económicamente rentable. Una vez que se obtiene el carbón, se lava para quitarle el azufre 0(en las centrales carboeléctricas puede utilizarse sin lavar), después se pulveriza en un molino y se transporta en ferrocarril o en tuberías, suspendido en agua y posteriormente se recupera por centrifugación.

UTILIDADLa diversidad y abundancia de las reservas de carbón a nivel mundial, significan que el carbón puede afrontar el desafío estratégico de contar con energía segura., Se pronostica que una vez las reservas económicas de petróleo y gas se hayan agotado, habrá todavía muchas reservas de carbón ampliamente disponibles para satisfacer las necesidades de energía del mundo. El carbón puede también atender el desafío económico de producir energía para las industrias y hogares a un costo razonable y con la debida atención al medio ambiente.¿Por qué es el carbón tan importante para la vida diaria en el mundo entero?El carbón es el combustible fósil más abundante, seguro y de suministro garantizado en el mundo. Puede utilizarse en forma limpia y económicamente.- Abundante: Las reservas de carbón son extensas y están presentes en muchos países; en la actualidad el carbón se explota en más de 50 países. - Seguro: El carbón es estable y por tanto es el combustible fósil más seguro desde los puntos de vista de su transporte, almacenamiento y utilización. - Suministro Garantizado: La abundancia de las reservas significa que a los usuarios de carbón se les puede garantizar la seguridad de los suministros del recurso y ello a su vez, a precios competitivos, asegura el suministro de la electricidad necesaria para los usos industriales y domésticos. - Limpio: Usando tecnologías disponibles, puede ahora quemarse el carbón limpiamente en todo el mundo. - Económico: A nivel mundial, el carbón es un combustible competitivo para la generación de electricidad, sin la cual la vida en el mundo moderno sería virtualmente imposible. Es la principal fuente de energía para la generación eléctrica en el mundo entero.

Usos del CarbónEl carbón tiene muchos usos importantes, aunque los más significativos son la generación eléctrica, la fabricación de acero y cemento y los procesos industriales de calentamiento. En el mundo en desarrollo es también importante el uso doméstico del carbón para calefacción y cocción.El carbón es la mayor fuente de combustible usada para la generación de energía eléctrica. Más de la mitad de la producción total de carbón a nivel mundial, provee actualmente cerca del 40% de la electricidad producida mundialmente. Muchos países son altamente dependientes del carbón para su electricidad; el mismo es también indispensable para la producción de hierro y acero; casi el 70% de la producción de acero proviene de hierro hecho en altos hornos, los cuales utilizan carbón y coque. La mayoría de las plantas de cemento del mundo son alimentadas con carbónEl carbón se utiliza en la industria siderúrgica, como coque, la industria metalúrgica, los sistemas de calefacción central, la producción de gas y otros combustibles sintéticos y en las centrales carboeléctricas. Los carbones bituminosos son coquizables, es decir, que mediante un proceso de destilación se elimina la materia volátil del carbón, quedando un carbón de muy buena calidad que se denomina coque y que es de gran utilidad en la industria siderúrgica (producción de hierro y acero, este último es precisamente una aleación de hierro y carbono) y metalúrgica. Los carbones subbituminoso, llamados de flama larga por la forma en que se realiza la combustión, no se pueden transformar en coque y se utilizan en las centrales carboeléctricasTodos los tipos de carbón tienen alguna utilidad. La turba se utiliza desde hace siglos como combustible para fuegos abiertos, y más recientemente se han fabricado briquetas de turba y lignito para quemarlas en hornos. La siderurgia emplea carbón metalúrgico o coque, un combustible

destilado que es casi carbono puro. El proceso de producción de coque proporciona muchos productos químicos secundarios, como el alquitrán de hulla, que se emplean para fabricar otros productos. El carbón también se utilizó desde principios del siglo XIX hasta la II Guerra Mundial para producir combustibles gaseosos, o para fabricar productos petroleros mediante licuefacción. La fabricación de combustibles gaseosos y otros productos a partir del carbón disminuyó al crecer la disponibilidad del gas natural. En la década de 1980, sin embargo, las naciones industrializadas volvieron a interesarse por la gasificación y por nuevas tecnologías limpias de carbón. La licuefacción del carbón cubre todas las necesidades de petróleo de Suráfrica.Ciertos productos de la combustión del carbón pueden tener efectos perjudiciales sobre el medio ambiente. Al quemar carbón se produce dióxido de carbono entre otros compuestos. Muchos científicos creen que debido al uso extendido del carbón y otros combustibles fósiles (como el petróleo) la cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera terrestre podría aumentar hasta el punto de provocar cambios en el clima de la Tierra (véase Calentamiento global; Efecto invernadero). Por otra parte, el azufre y el nitrógeno del carbón forman óxidos durante la combustión que pueden contribuir a la formación de lluvia ácida.

1.2 CARBÓNEs una roca sedimentaria combustible de origen orgánico compuesto principalmente por escombros de plantas, alterados y consolidados químicamente.Norma ASTM D-121 [4], que dan origen a un gran número de microconstituyentes orgánicos llamados Macerales y otras cantidades menores de sustancias inorgánicas minerales. Los macerales conforman grupos (Tabla 1) con propiedades físicas y químicas específicas, que determinan el comportamiento del carbón. La petrografía del carbón estudia micro y microscópicamente la composición maceral del carbón, sus propiedades, su origen y los subsecuentes cambios originados por su historia geológica. ASTM D-121 [4].

COMPONENTES DEL CARBÓN. Macerales: son restos vegetales macerados pero aún reconocibles, que conforman la parte orgánica del carbón.Grupos Macerales: Son conjuntos de macerales con propiedades similares que se pueden diferenciar en muestra de mano (litotipos) o al microscopio (microlitotipos).

Hay 3 grupos macerales:– Huminita (o vitrinita si se trata de hullas): Es el principal grupo en la mayoría de carbones y procede de tejidos leñosos de las plantas. Presenta una densidad, reflectancia y contenido en C e H intermedios entre los demás grupos Macerales.

TABLA 1. GRUPOS DE MACERALES (Fuente Speight [5] ).Grupo MaceralesVITRINITA Telinita, Colinita, Vitrodetrinita.LIPTINITA (Exinita) Esporinita, Cutinita, Resinita, Fluorinita, Suberinita, Bituminita, Alginita,

Exudatinita, Liptodetrinita.INERTINITA Fusinita, Semifusinita, Inertodetrinita, Macrinita, Esclerotinita, MicrinitaMATERIA MINERAL Sulfuros, óxidos, etc.

La norma ASTM D-388 clasifica los carbones por rango, de acuerdo con el grado de evolución, definido específicamente por un cambio de las propiedades fisicoquímicas, en orden descendente, así: antracitas, bituminosos, subituminosos y lignitos. Norma ASTM D 388 [6]. Las propiedades fisicoquímicas del carbón, están determinadas por humedad, cenizas, materia volátil, carbono fijo, índice de hinchamiento, dilatometría, plastometría y composición elemental (C, O, N, H, S).

1.3 COQUESe define como el producto de la destilación del carbón coquizable a altas temperaturas y se lleva a cabo en tres pasos: Un primer fraccionamiento a temperaturas por debajo de los 700 ºC donde se descompone en subproductos como agua, óxidos del carbón, sulfuro de hidrógeno, compuestos hidroaromáticos, parafinas, oleofinas, fenoles y compuestos nitrogenados. En un segundo paso, se presentan reacciones térmicas secundarias; por encima de 700 ºC se presenta una gran evolución del hidrógeno y la formación de hidrocarburos y metano. La descomposición de compuestos complejos con altos contenidos de hidrógeno produce amoniaco, cianuro de hidrógeno, bases de piridina y nitrógeno. Finalmente, en un tercer paso,se lleva a cabo la formación del coque por la remoción progresiva de hidrógeno. Durante la carbonización, un 20 a 35% en peso de la carga de carbón evoluciona como una mezcla de gases y vapores, que pueden producir cantidades variables de coque para alto horno, finos de coque, gas de coque, Alquitrán, Sulfato de Amonio y Aceites ligeros. A una presión de 760 mmHg. y 15.5 ºC, los gases contenidos en el gas de coque con H2, CH4, C2H6, CO, CO2, gases iluminantes los cuales son esencialmente hidrocarburos insaturados tales como C2H8 y C2H2. Otros gases presentes son el H2S, NH3, O2 y N2. Díaz [7].

1.3.1 Resistencia mecánica del coque.Un coque siderúrgico es de mejor calidad, en función de la resistencia mecánica en frío, cuanto mayor sea el nivel de esfuerzos mecánicos que soporta, sin degradarse. Cuando se somete el coque a una prueba de impacto y fricción (vueltas dentro de un tambor) se fragmenta, constituyendo mínimo dos familias granulométricas distintas; la dimensión media de los trozos disminuye, muy rápidamente al principio y después, paulatinamente muy poco. Se puede entonces diferenciar dos fases en la degradación del coque: Una, que corresponde a la abertura de las fisuras preexistentes, y otra de abrasión pura, en que la dimensión de los trozos disminuyen en menor proporción, por efecto de erosión superficial. Sirgado [8]. Esta prueba corresponde en la Norma Internacional ISO 556 al procedimiento para determinación de resistencia mecánica del coque (en tamaños mayores a 20 mm.). Norma ISO 556 [9].

1.3.2 Predicción de la resistencia mecánica del coque.El coque tiene funciones fundamentales en el alto horno, que lo hacen prácticamente insustituible:Como combustible, suministrando el calor necesario para que se produzcan las reacciones endotérmicasInvolucradas en el proceso de reducción, la fusión del arrabio y de la escoria; como productor y regenerador de gases, el coque reacciona con el oxigeno, el agua y el dióxido de carbono, produciendo los gases reductores, que intervienen en la reducción directa e indirecta; como soporte estructural, forma un lecho permeable a gases ascendentes, y a líquidos descendentes en contracorriente. Este hecho tiene importancia capital, sobre todo en la parte inferior del horno, donde el coque es el único material que se mantiene sólido y, por tanto, es el responsable de formar las vías de paso de los fluidos circulantes y el único soporte existente en aquellos niveles de la totalidad del lecho de fusión. Sirgado [8].Es necesario resaltar que con el progresivo aumento en el tamaño de los hornos altos (hasta 5.000 m3 de volumen útil en algunos hornos Japoneses) y la paralela reducción del consumo especifico del coque, se produce una relativa reducción del volumen de coque respecto del mineral, lo que provoca: Una disminución relativa del volumen del material causante de la permeabilidad del horno alto en sus niveles inferiores. Un aumento de la presión que tiene que soportar el coque y que se concentra en la zona cohesiva, como consecuencia de la mayor altura y densidad de la columna de carga que gravita sobre él. Un aumento del recorrido que tiene que hacer el coque desde que se carga por el tragante hasta que se quema en toberas (como consecuencia del aumento de la temperatura del horno) y, por ello, un aumento de los esfuerzos mecánicos a los que es sometido mientras lo atraviesa. Por todo ello, cuanto mayor es el horno, tanto más necesario es disponer de

un coque que, mantenga una granulometría óptima para que el horno funcione de manera eficiente. Sirgado [8].

1.3.3 Métodos de Preestimación de la resistencia mecánica del coque.Los primeros ensayos se realizaron a partir de las propiedades plásticas de los carbones, tales como el hinchamiento al crisol (FSI), la dilatación Arnu, la fluidez Gieseler, las materias volátiles, etc. Los Rusos Ammosov y Eremin, a partir de datos petrográficos, obtuvieron un índice de la capacidad de aglomeración de los carbones. Posteriormente, los investigadores de la U.S Steel, Schapiro, Gray y Eusner perfeccionaron el método. Los investigadores Alemanes Simonis y Beck, del Bergbau forschung, desarrollaron en la década de los años 60, un método que utilizaban el “poder coquizante” G, derivado del ensayo de dilatación y que, a diferencia de los anteriores, tenia en cuenta las condiciones de fabricación del coque. Sirgado [8]. La tabla 2 registra los principales métodos de predicción de la Resistencia Mecánica del Coque:

4.5Características y ensayosCOQUE METALÚRGICO GRUESO

1. Composición QuímicaPropiedad Unidad Valor Límite Método de ensayoHumedad % 1,5 máx ASTM D 3173 - 00Volátiles % 1,5 máx ASTM D 3175 - 01Cenizas % 12,0 máx ASTM D 3174 - 00Azufre % 1,0 máx ASTM D 4239 - 02Hierro % 1,0 máx ASTM D 3682 - 01Silicio % 2,5 máx ASTM D 3682 - 01Carbón fijo % 85 min ASTM D 3172 – 02

2. Propiedades FísicasPropiedad Unidad Valor min Valor máx Método de ensayoDensidad Real g/cc 1,9 - ASTMD 2638 - 97Índice de Molturabilidad (H.G.I.) 25 35 ASTM D 409 – 02

3. Distribución GranulométricaMallas Unidad Valor Límite Método de Ensayo-19mm +16 mm % 15 máx ASTM D 293 - 99-16mm + 9,5 mm % 52 min. ASTM D 293 - 99-9,5mm + 4,75mm % 25 máx ASTM D 293 - 99-4,75mm % 8 máx ASTM D 293 - 99

1. Presentación A GranelÍndice de Molturabilidad: El índice de molturabilidad de Hardgrove (Hg) se puede transformar en el índice del trabajo de molienda (Wi) = 11,37 para el carbón de peso específico 1,63 para escorias de Alto Horno Wi = 12,16 de peso especifico 2,39Índice de Molturabilidad de Hardgrove, de diversos materiales (con índice creciente aumenta la Molturabilidad es decir el material es mas fácil de moler (H.G.I.):

Coque moldeado. Procedimiento para la fabricación de coque moldeado en un horno cuba vertical. consiste en introducir una primera parte de la fracción de los gases de cabeza reciclados a la base de la parte inferior (23) del horno; introducir el resto de la fracción de los gases de cabeza reciclados bajo la forma de una corriente de enfriamiento secundario, dentro de una zona (34) unida herméticamente a la salida de la parte inferior (23); aspirar la corriente de enfriamiento secundario de la zona (34);

reintroducir dicha corriente en cabeza del horno para diluir los gases producidos; y mantener los medios de recuperación (15a, 15b) de estos gases a una temperatura suficientemente elevada para impedir toda condensación, siendo el coque frio evacuado de la zona (34) por una esclusa hermética (46). la patente se refiere también al horno en que se lleva a cabo el procedimiento.

PROCEDIMIENTO PARA LA PREPARACION DE COQUE FUNDIDO: procedimiento de preparación de coque moldeado a partir de carbones no coquificables según el cual se calientan aglomerados en una atmosfera no oxidante, caracterizándose este procedimiento en cuanto a que los aglomerados se preparan por compresión a partir de una pasta contentiva de 60 a 85% por peso de carbones no coquificables de 10 a 30% por peso de carbones aglutinantes con índice de recrecimiento superior de 2, y 5 a 13% por peso de aglutinante.

5.3 CONTROL DE LA CONTAMINACIÓN DURANTE LA COQUIZACIÓN.Operaciones de producción de coquePreparación del carbónEl factor más importante por sí solo para la producción de coque metalúrgico es la elección de carbones. Los mejores son los carbones con un bajo contenido de cenizas y azufre. El carbón de baja volatilidad suele mezclarse en cantidades de hasta un 40 % con carbón de alta volatilidad para lograr las características deseadas.La propiedad física más importante del coque metalúrgico es su resistencia y capacidad para soportar la rotura y la abrasión durante su manipulación y empleo en el alto horno.Las operaciones de manipulación de carbón consisten en la descarga de los coches ferroviarios, barcazas marinas o camiones; la mezcla del carbón; la dosificación; la pulverización; el control de la densidad volumétrica con aceite de grado diesel o similar; y el transporte a la batería de coquización.Coquización En su mayoría, el coque se produce en retortas de coquización diseñadas para acumular el material volátil del carbón. Las retortas constan de tres partes principales: las cámaras de coquización, los conductos de caldeo y la cámara de regeneración.Aparte del soporte estructural de acero y hormigón, estas retortas se construyen con ladrillo refractario. Normalmente, cada batería contiene aproximadamente 45 retortas independientes. Las cámaras de coquización suelen tener de 1,82 a 6,7 metros de altura, 9,14 a 15,5 metros de longitud y alcanzan una temperatura de 1.535 °C en la base de los conductos de caldeo. El tiempo necesario para la coquización varía dependiendo de las dimensiones de la retorta, pero suele oscilar entre 16 y 20 horas.En los grandes hornos verticales, el carbón se carga por unas toberas situadas en el tragante utilizando una vagoneta sobre rieles que lo transporta desde la carbonera. Una vez convertido el carbón en coque, se extrae del horno por un lateral empleando un émbolo automático llamado “deshornador”. Las dimensiones de este émbolo son ligeramente inferiores a las del horno para evitar que entre en contacto con las superficies interiores de éste. El coque se recoge en una vagoneta sobre rieles o en un lateral de la batería situada frente al deshornador y se transporta a la instalación de templado. El coque caliente se tiempla mojándolo con agua antes de descargarlo en el muelle de coque. En algunas baterías, el coque caliente se templa en seco para recuperar el calor sensible para la generación de vapor.Las reacciones que tienen lugar durante la carbonización del carbón para la producción de coque son complejas. Entre los productos de descomposición se encuentran inicialmente agua, óxidos de carbono, sulfuro de hidrógeno, compuestos hidroaromáticos, parafinas, olefinas, compuestos fenólicos y compuestos nitrogenados. Los productos primarios experimentan procesos de síntesis y degradación que generan grandes cantidades de hidrógeno, metano e hidrocarburos aromáticos. La posterior descomposición de los complejos compuestos nitrogenados da lugar a amoniaco, cianuro de hidrógeno, bases de piridina y nitrógeno. La continua extracción de hidrógeno de los residuos que permanecen en el horno produce coque duro. Las retortas de coquización que disponen de equipos para recuperar y procesar los productos químicos del carbón producen los materiales enumerados en la Tabla 73.1.

Tabla 73.1 Subproducto Componentes recuperablesGases de los hornos de coque Hidrógeno, metano, etano, monóxido de carbono,

dióxido de carbono, etileno, propileno, butileno, acetileno, sulfuro de hidrógeno, amoníaco, oxígeno y nitrógeno

Aguas amoniacales Amoníaco libre y estableAlquitrán Piridina, ácidos de alquitrán, naftaleno, aceite de creosota

y pez de alquitrán de hullaAceites ligeros Cantidades variables de productos gaseosos del carbón con puntos de

ebullición de alrededor de 40 ºC a 200 ºC, y benceno, tolueno, xileno y nafta disolvente

Tras un enfriamiento suficiente para que la cinta transportadora no sufra daños, el coque se traslada al puesto de clasificación y trituración, donde se separan los tamaños adecuados para el alto horno.RiesgosRiesgos físicosDurante las operaciones de descarga, preparación y manipulación del carbón, se manejan miles de toneladas de carbón, produciéndose polvo, ruido y vibraciones. La presencia de grandes cantidades de polvo acumulado puede representar un peligro de explosión añadido al riesgo de inhalación.Durante la coquización, el calor ambiental y radiante constituye el principal problema físico, particularmente en los tragantes de las baterías, donde se sitúan la mayoría de los trabajadores.El ruido puede constituir un problema en los equipos móviles, debido principalmente a un mantenimiento inadecuado de los mecanismos de transmisión y los componentes vibratorios.A efectos de alineación de los equipos móviles puede utilizarse radiación ionizante y/o aparatos de láser.

Riesgos químicosSuele utilizarse aceite mineral para controlar la densidad volumétrica y suprimir el polvo. Antes de llevar el carbón a la carbonera se le pueden aplicar sustancias que minimicen la acumulación y faciliten el vertido de desechos peligrosos derivados de las operaciones con subproductos.El principal problema para la salud asociado a las operaciones de coquización son las emisiones de las retortas durante la carga del carbón, la coquización y el deshornado del coque. Estas emisiones contienen numerosos hidrocarburos aromáticos policíclicos(HAP), algunos de los cuales son cancerígenos. Los materiales utilizados para sellar tapas y puertas también pueden constituir un problema durante la mezcla y al quitar las tapas y puertas. Puede haber amianto y filtros cerámicos refractarios en forma de juntas y materiales aislantes, aunque se han venido utilizando sustitutos adecuados para productos que anteriormente contenían amianto.

Riesgos mecánicosEs preciso reconocer los riesgos de la producción de carbón asociados a los coches ferroviarios, las barcazas marinas y el tráfico de vehículos, así como al movimiento de las cintas transportadoras. La mayoría de los accidentes se producen por atropello, aplastamiento, arrastre, enganche o caída de los trabajadores, o por no dejar estos equipos bloqueados (también eléctricamente).Los riesgos mecánicos más problemáticos son los planteados por los equipos móviles del lado del deshornador, del coque y de la vagoneta en el tragante de la batería. Estos equipos se mantienen en funcionamiento prácticamente durante todo el turno de trabajo y se deja poco espacio entre los mismos y las operaciones. Los accidentes por atropello y aplastamiento asociados a equipos móviles sobre raíles representan la cifra más alta de incidentes fatales en la producción de coque. Las quemaduras cutáneas superficiales provocadas por materiales y superficies calientes y la irritación ocular ocasionada por partículas de polvo son las responsables de incidentes más numerosos, pero menos graves.

Medidas de salud y seguridadPara mantener la concentración de polvo a un nivel aceptable durante la producción de carbón, hay que confinar y encerrar los sistemas de clasificación, trituración y transporte. También puede ser necesario disponer de ventilación por extracción localizada además de aplicar agentes humectantes al carbón. Se deben implantar programas adecuados de mantenimiento y limpieza para minimizar los derrames y mantener libres de carbón las zonas de paso junto a los equipos de proceso y transporte. En el sistema de transportadores se utilizarán componentes conocidos por su eficacia para la reducción de derrames y el mantenimiento del confinamiento, como limpiadores de cintas, rodapiés, una correcta tensión de las cintas, etc.Debido a los riesgos para la salud asociados con los PAH liberados durante las operaciones de coquización, es importante contener y recoger estas emisiones. La mejor forma de conseguirlo es combinar controles técnicos, prácticas laborales y un programa de mantenimiento. También es necesario disponer de un programa de respiradores efectivo. Entre los controles deben incluirse los siguientes:• diseñar y ejecutar un procedimiento de carga para eliminar las emisiones controlando el volumen de la carga de carbón, alineando correctamente la vagoneta sobre el horno, apretando bien los manguitos de carga y cargando el carbón de acuerdo con una secuencia que permita mantener un canal adecuado por encima del carbón para los flujos de emisiones al colector y recolocar la tapa nada más realizada la carga;• disponer tubos de tiro en dos o más puntos del horno cargado y diseñar y emplear un sistema de aspiración para mantener suficiente flujo y presión negativa;• disponer juntas de obturación de aire en las barras de nivel de la máquina deshornadora para controlar la infiltración durante la carga y reductores de carbono para evitar la acumulación de carbono;• mantener en el colector una presión uniforme adecuada para transportar las emisiones;• disponer las juntas y puertas de plato necesarias para mantener la estanqueidad y velar por una adecuada limpieza y mantenimiento de los bordes de cierre del lado del coque y del lado del deshornador;• sellar tapas y puertas y mantener los burletes de las puertas del modo necesario para controlar las emisiones tras la carga;• minimizar el deshornado prematuro calentando el carbón uniformemente durante un período de tiempo adecuado;• instalar grandes cerramientos que cubran toda la zona del lado del coque para controlar las emisiones durante el deshornado del coque, o utilizar campanas móviles que puedan trasladarse de una retorta a otra a la hora de deshornar.• inspección, mantenimiento y reparaciones de rutina para una adecuada contención de las emisiones;• instalar cabinas de presión positiva y temperatura controlada para los operarios de los equipos móviles a fin de controlar los niveles de exposición de los trabajadores. Para conseguir la presión positiva en la cabina, es obligada su integración estructural, con puertas y ventanillas de montaje ajustado, eliminando las separaciones en la obra estructural.También es necesario adiestrar a los trabajadores para que utilicen unas buenas prácticas laborales y comprendan la importancia de los procedimientos adecuados para minimizar las emisiones. Se practicará un control rutinario de la exposición de los trabajadores para determinar qué niveles son aceptables. Se adoptarán programas de control de gases y de rescate, principalmente por presencia de monóxido de carbono en los hornos de gases de coque. Asimismo, deberá implantarse un programa de vigilancia médica.

6.4 PREPARACIÓN DEL COQUE PARA SU UTILIZACIÓN EN EL H. A.El empuje 

Es conocido que al calentar los carbones coquizables en atmósfera inerte, pasan por un estado plástico en un intervalo de temperaturas que oscila entre 350 ºC y 500 ºC, dependiendo del tipo de carbón. Dentro del horno existirán, por lo tanto, dos zonas plásticas que tienden a desplazarse perpendicularmente a la dirección de calentamiento y hacia el centro del horno a medida que progresa la coquización. Además, dado que tanto la solera como la bóveda del horno son también superficies calientes, aparecerán otras dos zonas plásticas secundarias, que se desplazan en dirección vertical. 

Horno de coque a punto de ser deshornado

Evolución de la zona plástica durante la coquización en un horno de coque

El proceso durante el cual se desarrolla el fenómeno denominado "empuje" se puede dividir en dos etapas: antes del encuentro de las dos zonas plásticas, y en el momento en que se realiza este

encuentro (temperatura en el centro inferior o superior a 350 ºC, respectivamente). En la primera etapa, la presión existente en el carbón que está dentro de la envoltura plástica, es del orden de 20 a 40 mbar en el centro de la carga. Por el contrario, la presión en el seno de las capas plásticas, es muy elevada y al transmitirse a los pies derechos por intermedio del semicoque y coque origina el empuje. A lo largo de la primera etapa existe un crecimiento del empuje y de la presión interna en las zonas plásticas. Ello es debido, por una parte, a la disminución del gradiente térmico a medida que nos aproximamos al centro del horno, lo que hace que los gases tengan que atravesar un mayor espesor de la zona plástica. Por otra parte, los vapores de aceites y alquitranes que se desprenden de las zonas plásticas se van condensando en las zonas menos calientes, con lo que resulta que el carbón estará más impregnado de aceites y alquitranes cuanto más nos aproximamos al centro y por tanto aumentará el desprendimiento gaseoso y en consecuencia la presión. Cuando se encuentran en el centro las dos capas plásticas forman una única capa plástica de anchura doble, produciéndose una subida brusca de la presión de los gases, que ahora tienen una gran dificultad para escapar. En este momento se produce la presión y el empuje máximos. El hinchamiento o expansión de la zona plástica se corresponde con una contracción del semicoque y con la posibilidad de compresión del carbón que aún no ha entrado en la zona plástica. Se producen así dos fenómenos contrapuestos, uno de expansión o empuje hacia las paredes del horno de la fase plástica y otro de contracción del semicoque y el carbón. La resultante de estos dos fenómenos  puede dar lugar a que el empuje sobre las paredes del horno alcance valores peligrosos para la integridad del propio horno, si predomina la expansión (carbones peligrosos). Por contra, si predomina la contracción los carbones serán no peligrosos y perfectamente coquizables. 

Fuerzas que se desarrollan durante la coquizaciónEL COQUE METALÚRGICO EN EL HORNO ALTO El coque metalúrgico es utilizado como combustible y reductor en distintas industrias, pero su principal empleo es en el horno alto (coque siderúrgico). El coque cumple tres papeles principales en el horno alto: (I) Como combustible, proporcionando calor para los requerimientos endotérmicos de las reacciones químicas, y para la fusión de la escoria y del metal. Este papel ha perdido cierta importancia debido a las adiciones de fuel y gas por las toberas y, recientemente, por la inyección de carbón. (II) Como reductor que produce y regenera los gases para la reducción de los óxidos de hierro. (III) Como soporte de la carga y responsable de la permeabilidad de la misma. Este papel es cada vez más importante, a medida que aumenta el tamaño de los hornos altos.  CALIDAD DEL COQUE METALÚRGICO La calidad del coque está en función del uso específico a que esté destinado. Así, por ejemplo, el coque de horno alto va a tener que soportar una gran carga, debido al material que existe encima de

él, y que aumentará a medida que va descendiendo en el horno alto hasta llegar a la zona de reacción. Para soportar esa presión sin desmoronarse antes de llegar a reaccionar, ha de poseer una buena resistencia mecánica. Por otro lado, los trozos de coque, a medida que descienden en el horno alto, se van a ver sometidos a una acción continua de los gases oxidantes que se desprenden en la zona de reacción y que ascienden por el horno hasta salir por su parte superior. En estas circunstancias, el coque necesita presentar una reactividad moderada frente a los gases desprendidos para poder llegar, lo más íntegramente posible, a la zona de reacción con el mineral de hierro. Para conseguir esto, se requiere un coque con una textura porosa adecuada, que hagan que su reactividad sea lo más idónea posible.

EL COQUE DE PETRÓLEO COMO ADITIVO EN LA PRODUCCIÓN DE COQUES METALÚRGICOS

Producto sólido, muy cargado de carbono, de densidad próxima a 1.2, color entre pardo oscuro y gris negro y estructura celular o granular (sirve para la fabricación de electrodos de grafito artificial, abrasivos, pigmentos, y como combustible). Existen muchas empresas cuya materia prima es coque en piedra y el producto es coque con un diámetro de partícula muy pequeñoCoque del petróleo (abreviado a menudo petcoke) es a carbonoso el sólido derivó de refinería de petróleo unidades del coker u otro el agrietarse procesos.[1] Otro coque se ha derivado tradicionalmente de carbón.Coque comercial es el coque que es relativamente puro carbón y puede ser vendido para el uso como combustible (coque del grado del combustible del IE), o para la fabricación de pilas secas, electrodos (coque del grado del ánodo del IE). Coque de la aguja, también llamada coque acicular, es a altamente cristalino coque del petróleo usado en la producción de los electrodos para acero y aluminio industrias. Coque del catalizador es el coque que ha depositado en catalizadores utilizado en la refinación del petróleo, tal como ésos en a galleta catalítica flúida. Este coque es impuro y se utiliza solamente para el combustible.Su de alta temperatura y bajo ceniza el contenido le hace un buen combustible para la generación de energía en con carbón calderas, solamente el coque del petróleo es alto adentro sulfuro y bajo adentro volátil contente que plantean algunos problemas ambientales y técnicos con su combustión. Para satisfacer estándares norteamericanos actuales de las emisiones una cierta forma de sulfuro se requiere la captura. Combustión de estrato fluidificado es de uso general quemarse coque del petróleo. Gasificación se utiliza cada vez más con esta materia de base (que usa a menudo los generadores de gas colocados en las refinerías ellos mismos).Coque calcinado del petróleo es el producto de calcinación de coque del petróleo. Este coque es el producto de la unidad del coker en un petróleo bruto refinería de petróleo. El coque calcinado del petróleo se utiliza para hacer ánodos para aluminio, acero y titanio industria de la fundición. El coque verde debe tener contenido suficientemente bajo de los metales para para ser utilizado como material del ánodo. El coque verde con este contenido bajo de los metales se refiere como coque del grado del ánodo. El coque verde con el contenido de los metales demasiado altos no será calcinado y se utiliza para quemarse. Este coque verde se llama coque del grado del combustible.

En esta Memoria se presenta una contribución al estudio de la influencia de la adición de coque verde de petróleo a carbones coquizables, sobre las propiedades coquizantes de las mezclas (propiedades reológicas y empuje) y sobre las de los coques metalúrgicos obtenidos (resistencia mecánica, reactividad y textura). La influencia en las propiedades anteriormente mencionadas se estudia en base al porcentaje de adición, a la granulometría y al tipo de coque de petróleo, así como al tipo de carbón utilizado en la mezcla. Se seleccionaron tres carbones unitarios y dos pastas industriales, utilizadas por ENSIDESA en sus Baterías para la producción de coque de Horno Alto. En lo que respecta al coque verde de petróleo, se seleccionaron cinco de diferentes características y "grado de evolución térmica"; así como un coque de petróleo calcinado. Estos coques fueron caracterizados tanto por métodos químicos, como por técnicas microscópicas y espectroscópicas. Se

desarrolló una sistemática experimental, a escala de laboratorio, que cubre los ensayos de carbonización con adiciones en el rango de 2 a 20 % en un horno de 400 g de capacidad, y posterior caracterización de los coques metalúrgicos. Los resultados obtenidos ponen de manifiesto el efecto positivo de la adición de coque de petróleo, que se produce en mayor o menor grado en función de las características de dichos coques. Los resultados son cualitativamente extrapolables a escala semi-industrial, tal y como se pone de manifiesto en los ensayos realizados en la Coquería Experimental del INCAR.