Combustion en El Cubilte

8/2/2019 Combustion en El Cubilte

1/13

LA COMBUSTIN EN EL CUBILOTE.

El objetivo primordial en la operacin del horno de cubilote es producir hierrode la composicin y temperatura deseadas, a un rgimen definido, y de lamanera ms econmica.

Para poder ejercer el control en la operacin del cubilote, es necesario conoceracerca del proceso de combustin, debido a que es este quien genera el calory funde el metal, el horno de cubilote es muy diferente a otros hornoscalentados por combustible tipo gas, aceite, diesel, etc. En este horno elcombustible y el aire se introducen juntos en un solo lugar, la relacin de airey combustible puede ser directamente ajustada para dar condicionesreductoras u oxidantes en los productos de la combustin, y mayor o menorcantidad de calor, cuando el combustible se consume totalmente se llega alfinal del proceso de la combustin.

La figura No._1 ilustra algunas de las zonas de reacciones qumicas en elcubilote. En una distancia relativamente pequea enfrente de las toberas se


2/13

encuentra l oxigeno, el cual reacciona con el carbono del coque para formarCO2 y finalmente todo l oxigeno se consume. El CO2 empieza a reaccionarcon el coque caliente para formar CO y tendremos entonces una mezcla deCO2 y de CO; las temperaturas tpicas que se desarrollan en las diferenteszonas del cubilote se ilustran en la figura No. _2_

Fig. 1Fig.2

Las

propiedades del metal no estn definidassolamente por la composicin qumica real, sino que tambin estn afectadas

por la atmsfera gaseosa en contacto con el hierro fundido en el cubilote, seade carcter oxidante o reductor. Es un hecho reconocido que es necesarioejercer un ntimo control sobre los procesos de combustin en el cubilote si sehan de producir piezas coladas de alta calidad y uniformes.

ZONAS EN EL CUBILOTELos gases del cubilote, a diversos niveles, consisten principalmente de CO2,CO, O2 y N2 con cantidades variables de H2O y H2 dependiendo de lahumedad del aire soplado. El CO2 y el O y el vapor de agua son gasesoxidantes mientras que CO y el H son gases reductores. El N es un gas inerte,y su principal papel es el de ser un medio de transferencia de calor.


3/13

Las reacciones que tienen lugar, producen en el cubilote zonas ms o menosdefinidas, cuyo control es de la mayor importancia para obtener una

produccin eficiente. Estas son las zonas de combustin y oxidacin de la

cama y la zona de reduccin en la zona de precalentamiento.

Zona de oxidacin o de combustin.

En esta zona la principal reaccin es la combinacin del oxgeno con elcombustible. Sus lmites prcticos son el punto de entrada del aire y el nivelen donde la concentracin de oxgeno se reduce al 1% o menos.Este ltimo es el nivel aproximado al cual la concentracin de CO2 llega a unmximo (generalmente del 14 al 18%) y tambin el nivel de la mxima

temperatura de un cubilote (1540 - 1600C).Reaccin 1 C + O2 CO2

Zona de reduccin de la cama.

En esta zona cuyos lmites fsicos son la parte superior de la zona de


4/13

combustin (temperatura mxima entre 1540C y 1670C) y la zona de fusin(temperaturas de 1170C o ms dependiendo de la composicin del metal), la

principal reaccin es la combinacin de CO2 con el combustible, para formarCO. La mayor parte del vapor de agua presente en el soplado reaccionatambin en esta zona para producir CO y H2.

Reaccin 2 C + CO2 2CO

Reaccin 3 C + H2O CO + H

Zona de fusin.Cuando el metal llega a la zona de fusin, deber estar precalentado hasta unatemperatura sustancialmente cercana a la temperatura de fusin, la reaccin

principal es, el cambio de fase de slido a lquido.

3 Fe + 2CO2 Fe3 C + CO

Zona de precalentamiento.

La funcin principal de esta zona del cubilote, que queda arriba de la zona defusin, es servir como cambiador de calor en el que se recupera el calorsobrante por un cambio de calor directo entre los gases que suben y las cargas

que descienden junto con el combustible. Sin embargo, adems de ocurrir unintercambio de calor, tambin se tienen reacciones qumicas que no sonbenficas.

SISTEMAS EN LOS CUBILOTESSiendo el horno de cubilote la unidad de fusin en donde se produce la mayor

parte de los hierros colados en el mundo, este ha sido objeto de un sin numerode modificaciones y adaptaciones con la finalidad de hacer ms eficiente su

operacin y mantenimiento considerando, adems, al menor costo portonelada fundida.En la actualidad existen cubilotes con diversos sistemas y mtodos deoperacin siendo los ms importantes los siguientes:

1. Soplado de aire fro soplado de aire caliente.2. Enriquecimiento con O2


5/13

3. Con recubrimiento refractario.- Sin recubrimiento refractario.4. El horno de cubilote sin Coque.

1.- Soplado de aire fro:El cubilote de soplado de aire fro es el equipo ms econmico de fundicin,

debido a su bajo costo de inversin y flexibilidad de operacin los factores aconsiderar para una operacin eficiente son:

a) Altura efectiva del cubilote. (Distancia entre las toberas y la puerta decarga).

b) Altura de la cama lecho de coque, para cada cubilote debe determinarsela altura ms satisfactoria del lecho.

c) Capacidad de equipo de soplado. Es de suma importancia la seleccin delequipo adecuado para suministrar el flujo de aire a una presin ycantidades necesarias al cubilote. La presin del viento es de granimportancia, puesto que debe superar la resistencia de la columna dematerial de fusin, consistente en la cama de coque y la carga. Si la

presin y cantidad de aire son insuficientes, la velocidad de fusindisminuir y aumentara el consumo de coque.

Soplado de aire caliente:

Incrementando la temperatura del aire soplado (300- 400C), se incrementa lavelocidad de reaccin con l oxigeno y el coque; se reduce el efecto deenfriamiento del aire de entrada y suministra un calor adicional.El precalentamiento del aire aumentara la temperatura del metal, resultando

una disminucin en el consumo del coque, para la misma temperatura delmetal. Las principales ventajas obtenidas con la adopcin del aire caliente son:

a) Reduccin en el consumo de coque.b) Reduccin de las perdidas de Fe, Si y Mn por oxidacin.c) Reduccin de la absorcin de azufre de la ceniza del coque.d) Mejor control del metal y composicin mas uniforme.


6/13

e) Incremento de la temperatura del metal al pico del horno, manteniendoconstante la relacin hierro a coque.

2.- Enriquecimiento con O2

El uso del oxigeno en el cubilote, se experimento en la industria de lafundicin antes de 1960, con fines tales como; mayor temperatura de vaciado,ahorro de coque, mayor recuperacin de carbn, etc.Durante los aos sesentas en el Reino Unido de la Gran Bretaa se llevo acabo un programa de desarrollo dentro de la industria de la fundicin, loscuales confirmaron que el enriquecimiento con oxigeno era econmicamentefactible y que se podan obtener los siguientes beneficios generales.

1.- Incremento en produccin2.- Ahorro en materias primas3.- Mayor temperatura en el metal4.- Mayor recuperacin de carbn5.- Mayor control sobre el anlisis del metal

Cualquiera que sea la eleccin del tipo de cubilote, tanto el soplado friconvencional y el soplado dividido, as como los cubilotes revestidos y norevestidos pueden beneficiarse de las adiciones de oxigeno. Sin embargo, seha demostrado que la forma de aplicar el oxigeno es importante para lograr elrendimiento mximo.

As se han desarrollado dos procesos para la oxigenacin del aire.El oxigeno puede inyectarse en la solera del cubilote, mediante una lanzaespecialmente diseada o bien alimentarse en el soplo normal del aire delcubilote, despus de algunas modificaciones al sistema de soplado.El nivel de enriquecimiento de oxigeno aplicado por lo general va de 2% a4%, con las ventajas ya mencionadas.

3.- Cubilotes con recubrimiento refractario y cubilotes sin recubrimientorefractario.

Inicialmente y hasta hace unos aos atrs todos los cubilotes tenanrecubrimiento refractario. Cuando los cubilotes empezaron a ser operados por16 hrs. ms, antes de tirar el fondo se empezaron a usar camisas de agua

para enfriamiento. Finalmente algunos cubilotes empezaron a ser utilizadossin ningn recubrimiento refractario, excepto en el rea del crisol, y elenfriamiento por agua efectivo, empez a ser necesario.


7/13

En el diseo de estos hornos se sustituye el ladrillo refractario en la zona defusin (1800C) por una camisa de agua. Esta agua opera en circuito cerradocon un radiador de enfriamiento evitando su consumo. Esto permite operarhornadas o campaas mas largas, trabajando tres turnos durante una semana.Lo anterior redonda en un ahorro de material refractario de 50 a 85 Kg por

tonelada de metal colado.Este diseo tiene la caracterstica de poseer un alto grado de flexibilidad en suingeniera lo que permite incorporar los ltimos adelantos tendientes aoptimizar su operacin como son: Aprovechamiento del calor de combustinde CO, inyeccin de oxigeno inyeccin de carbn pulverizado u otroscombustibles.

4.- El horno de cubilote sin coque.Un cubilote convencional que utiliza coque puede ser convertido acokelless.El coque se sustituye por tres elementos:1. Un combustible liquido (aceite, diesel, etc.) o gaseoso aplicado con

quemadores de alta intensidad con suficiente poder calorfico.2. Una cama formada con esferas de material refractario las cuales actan

como intercambiadores de temperatura para sobrecalentar el metal fundidocuando escurre en gotas atravesando la cama.

Un material recarburizador (grafito) que permite controlar el carbono total en

el metal y obtener el anlisis qumico deseado.PARRILLA.La parrilla que soporta tanto la cama de material refractario como el peso dela carga metlica esta formada por tubos recubiertos con refractario yenfriados con agua; varan en cantidad de acuerdo con el tamao del cubilotey, adems, el cubilote esta habilitado para quitarlas e instalarlas cuando seanecesario, se considera una vida promedio de 60 Hrs. de fusin por recubierta.

FUSION.

Los gases calientes producidos por los quemadores pasan por la zona dedistribucin y suben dentro del cubilote a travs de las barras de la cama y delos materiales cargados; la carga se precalienta con los gases calientes. Lazona de fusin se localiza arriba de las esferas que forman la cama de materialrefractario.A medida que el metal fundido cae a travs de la cama, va absorbiendo mayortemperatura hasta alcanzar rangos muy superiores a los de fusin; al escurrir y


8/13

llegar al crisol, el metal liquido pasa por una capa de material recarburizadorfluidizado, el cual se inyecta dentro del cubilote en una forma controlada. Estacapa de material recarburizador fluidizado se localiza sobre la escoria y sobreel nivel del metal ya en el crisol por lo que las gotas de metal fundidofcilmente asimilan el carbn antes de llegar al fondo.

REVESTIMIENTO REFRACTARIO

Con objeto de que el horno de cubilote pueda contener el calor y los productos

fundidos, deber estar provisto de un revestimiento refractario conveniente.La calidad y la uniformidad son necesarias en este revestimiento para protegerlos componentes estructurales del horno para asegurar un trabajo consistente yayudar a un descenso suave de la carga con una mnima contaminacin delhierro fundido.

Desde el punto de vista de condiciones de servicio, el cubilote se divide encuatro zonas que, dispuestas en orden de importancia, son:

I. Zona de fusin

II. El crisol o soleraIII. Zona de cargaIV. Zona arriba de la puerta de carga

ZONA DE FUSIN.

La zona de fusin se extiende desde arriba de las toberas hacia la parte


9/13

superior del cubilote, a lo largo de una distancia que depende de la altura de lacama de coque y de la velocidad del aire de soplado. Las condiciones deoperacin ms severas se encuentran en esta zona, en donde tiene lugar laoxidacin del hierro y de otros elementos y el ataque de la escoria es msdestructivo.

La alta temperatura de esta zona incrementa la accin qumica y la erosinmecnica con las variaciones producidas por la penetracin del aire soplado enel coque.La entrada de aire por las toberas prcticamente no produce disgregamientotrmico (agrietado de los refractarios a tal grado que los fragmentos seseparen y queden expuestos nuevas superficies de la masa) ya que sutemperatura aumenta rpidamente por la carga caliente y la reaccin deoxidacin exotrmica. El revestimiento refractario en esta zona consiste endos capas, una pegada a la coraza y que acta como revestimiento de

proteccin y aislamiento y esta formada por tabiques del tipo silico -aluminosos.El espesor de este revestimiento de proteccin puede variar desde 1 hasta4.5 dependiendo del tamao del horno. Este material puede considerarsecomo un revestimiento permanente; ya que solo necesita parcharse ocambiarse cuando haya sido muy daado al fallar el revestimiento de trabajo.En hornos de dimetros pequeos generalmente se omite el revestimientoaislante.La capa interior o revestimiento de trabajo tiene un espesor variable entre4.5 y 9 dependiendo del tamao del horno y de la duracin de la fusin. Su

calidad depende del tipo de operacin del horno y podemos fijar las siguientesdirectrices.Si la escoria formada es muy cida debido a la slice del coque ms lasadiciones que hagamos, la mejor recomendacin es un tabique de slice de alta

pureza (98% mnimo). Este material resiste las escorias cidas y su precio esrelativamente bajo, lo cual lo hace muy econmico en su operacin. Tiene elinconveniente de ser poco resistente al choque trmico a bajas temperaturas,

por lo que s el horno se enfra rpidamente, el ladrillo se disgrega. Por estalimitacin este refractario se utiliza en hornos con periodos o campaas deoperacin largas.

Si la escoria es bsica, la cual se presenta si se desea tener un control defsforo y azufre, el revestimiento tambin debe de ser bsico.Este refractario debe de tener un mximo de magnesita y un mnimo de oxidode cromo y de hierro. Estos xidos (principalmente la cromita) son muysusceptibles a los cambios oxido - reductores que les acarrean fuertes cambiosde volumen y disgregacin del refractario.Si existe duda sobre el carcter qumico de la escoria o existen cambios de su


10/13

composicin durante el proceso que varen su carcter o si el tiempo de fusines corto, es preferible usar un ladrillo de tipo silico aluminoso variandodesde 40% hasta 70% de almina, dependiendo de la gravedad del ataque.

CRISOL o SOLERA

En esta zona la temperatura es de 150 a 200C ms baja que el de la zona defusin y el revestimiento esta en contacto solamente con metal fundido,escoria y coque relativamente esttico de manera que los efectos detemperatura y abrasin no son serios. A no ser que el hierro este fuertementeoxidado, la reaccin qumica con el revestimiento tiene escaso lugar, aunquesiempre es posible alguna penetracin de escoria.El disgregamiento trmico solo se presenta cuando el horno es vaciado yenfriado rpidamente, pero generalmente es un problema menor.Por lo anterior podemos considerar que esta zona acta como un recipientecontenedor del metal fundido.Para su revestimiento se recomienda una capa pegada a la coraza, que sirvecomo proteccin permanente similar a la de la zona de fusin y una capa detrabajo de 4.5 de espesor de ladrillo slico aluminoso de 40% a 42% dealmina en las paredes.El piso o lecho del fondo se puede revestir de un concreto refractario decalidad superior alta almina (65 %) una mezcla de arena slica de

moldeo 50% y 50% de arcilla refractaria.ZONA DE CARGA

El revestimiento de esta zona no esta sujeto ni a temperaturas muy elevadas nia ataque qumico, pero la abrasin es muy severa, tanto por el impacto de laoperacin de carga como por la friccin de la carga slida en su movimientodescendente. Es en esta zona tambin en donde ocasionalmente ocurre unadesintegracin que es causada por un deposito gradual de carbn, en las

porosidades del refractario, como resultado de la descomposicin cataltica del

monxido de carbono en presencia de hierro a unos 510C.Dadas estas condiciones el revestimiento puede hacerse con refractario slicoaluminoso de alta calidad (40% de Almina), de bajo contenido de fierro y,

preferiblemente de alto quemado para mejorar su resistencia a la abrasin

ZONA ARRIBA DE LA PUERTA DE CARGA


11/13

En esta zona las condiciones de operacin son totalmente benignas, por lo quela funcin del revestimiento refractario es nicamente proteger a la coraza delcalor de los gases que suben por la chimenea.Por lo tanto una proteccin de 2 de refractario slico aluminoso de calidad

intermedia, es suficiente para este propsito.

Al instalar el refractario debemos conciderar que adems de la carga slida yel metal fundido, se generan grandes cantidades de gases que pueden penetrara travs de las juntas entre los ladrillos y corroer la estructura metlica, por loque se procura que todo el revestimiento este perfectamente sellado. Esto selogra pegando los tabiques con el mortero adecuado.Para el revestimiento de proteccin y las zonas de carga y arriba de la puertase recomienda el uso de un mortero refractario de fraguado al aire, el cual dauna gran resistencia mecnica.

Para la zona de fusin y crisol se recomienda usar un mortero de losdenominados de fraguado caliente. Este mortero solo endurece a altastemperaturas y permite que el ladrillo se acomode durante su expansin alcalentarse evitndo el tener que usar juntas de expansin, si el revestimientoes de slice o de magnesita, es necesario tomar alguna precaucin adicional

para expansin, la cual puede consistir en cartones de 2 mm. (1/16)

convenientemente espaciados.La expansin de los materiales refractarios a la temperatura normal de la zonade fusin y del crisol es la siguiente:

Expansin en % de longitud de la cara de trabajo:

Tipo A 1250C A 1450C

Slico Aluminoso 0.70 0.85

70% Almina 0.80 1.00Slice 1.80 1.85Magnesita 1.70 2.10Absorcin de expansinAproximada por juntas de expansin

0.70 0.85


12/13

Como se puede observar las juntas de los ladrillos que no son perfectas y supropia porosidad ayudan a absorber parte de la expansin, apretndose elladrillo contra la coraza, la cual a su vez tambin expande.Una condicin indispensable para que una junta de ladrillo trabaje y no sea un

punto de ataque de la escoria o del metal fundido es que el mortero usado sea

de una calidad ms alta que el ladrillo.Precisamente como cada junta es un riesgo de falla, es conveniente que existael menor numero de ellas, lo cual se logra usando el ladrillo de tamao msgrande posible. Generalmente la serie de 23x11.5x7.7 cm., es la mas grandeobtenible desde el punto de vista econmico. En piezas ms grandes el costose eleva considerablemente.

Generalmente un cubilote tiene unos anillos metlicos cada 1.5 m., de altura,que ayudan a soportar el refractario repartiendo a la carga, lo que permitereparar zonas pequeas sin que exista peligro de un derrumbe o aflojamientode material.

MANTENIMIENTO

Los requerimientos para un refractario que se usa en un horno de cubiloteestn entre los ms severos encontrados en la practica metalrgica y, aun conlas condiciones mejor controladas, ser necesario reparar el revestimientoinmediatamente despus de haber completado la operacin de fusin. Eldesgaste normal del refractario esta reducido a la zona de fusin y existen

varios factores que determinan la naturaleza y cuanta de este desgaste, comoson: naturaleza de la carga, mtodo de carga, carcter del fndete, contenidode la ceniza del combustible usado, velocidad del aire caliente, temperatura decolada y continuidad de la operacin.Dependiendo de la importancia del ataque sobre el refractario de esta zona, lareparacin puede consistir en el ataque completo del ladrillo (usualmente 3 4 hiladas) en un parchado superficial.La remocin total del material es necesaria cuando el espesor remanente esmuy pequeo y no garantiza el soportar otra campaa de fusin. Para sucambio, debemos cuidar que el resto del revestimiento, este bien apoyado,

para que no se afloje al quitar estas hiladas. Esto se puede lograr usando unpequeo anillo de retencin, unido a la coraza, que soporte el peso de losladrillos superiores o, en su defecto, pequeos ngulos convenientementerepartidos, que efecten la misma funcin.Si el ladrillo todava conserva un espesor adecuado para trabajar (mnimo msde un tercio), es posible reconstruir la pared usando un parchador adecuado.Un parchador es una mezcla de material refractario en grano, del mismo tipo


13/13

que el usado como revestimiento original, mezclado con una serie deaglutinantes que, en contacto con humedad, le proporciona una granresistencia en fro.

Este tipo de materiales debe secarse con cuidado, elevando lentamente latemperatura para permitir el escape del vapor entrampado y el desarrollo deuna liga cermica que forme un refractario monoltico a la temperatura deoperacin.Los parchadores pueden venir en pasta o en polvo de diferentesgranulometrias. Si vienen en pasta debemos cuidar que no se sequen, ya queuna vez endurecidos es muy difcil regenerarlos para su uso posterior.

Si se suministran en polvo debemos evitar que se humedezcan antes de usarse,la humedad requerida es la necesaria para darle consistencia de apisonado ydebe agregarse en el momento de aplicacin, cuidando de no preparar msmaterial que el que se pueda instalar en 30 minutos.Para su instalacin debe limpiarse cuidadosamente el rea a reparar quitandotodo rastro de escoria y dejando el ladrillo base al descubierto. Esta superficiedebe ser spera y es conveniente humedecerla para evitar que la humedad dela mezcla sea absorbida por el ladrillo en el primer contacto. La mezcla

parchadora se aplica normalmente por medio de apisonable, usando pequeosmartillos de mano o martillos neumticos y se golpea hasta estar seguro quetodos los huecos han sido llenados y la superficie se nota compacta y sin

juntas.Debemos cuidar que los golpes de apisonado sean perpendiculares a la cara detrabajo para reducir al mnimo el riesgo de laminaciones.Una vez efectuado el parchado puede empezar a secarse usando algnquemador atmosfrico de gas que levante la temperatura poco a poco (50C

por hora) hasta pasar de 400C. Si se calienta ms aprisa se corre el riesgo dedejar agua dentro del refractario que estallar violentamente y votar elmaterial del parche.En cubilotes grandes el parchador puede ponerse, usando proyeccinneumtica. En este caso slo debe regularse cuidadosamente, la presin del

aire para no tener un rebote excesivo y la cantidad de agua que generalmentese aade en la descarga de la pistola. Una vez seco el material, el cubiloteestar listo para entrar en operacin nuevamente.

Combustion en El Cubilte

Documents

Transcript of Combustion en El Cubilte