Cokemaking

AHMSATECH • Cokemaking • Sinter • Pellet • Ironmaking • Continuos Casting • BOF • Rolling

 

Descripción de Proceso

Process Description

Instalaciones

Facilities

Artículos

Papers

Regresar / Back

 

 

PROCESO DE COQUIZACIÓN

EXTRACCION Y LAVADO DEL CARBON, PROCESO DE COQUIZACIÓN

 

 

EXTRACCION Y LAVADO DEL CARBON.

 

1.- GENERALIDADES.

 

La historia y desarrollo del proceso del Alto Horno desde sus inicios ha estado estrechamente ligada con el uso de combustible sólido carbonáceo. Durante siglos el carbón vegetal o leña fue el principal combustible utilizado para fundir fierro, antes de ser desarrollado el proceso de coquización a principios del siglo XIX a partir del carbón mineral, sin el cual no hubiera sido posible alcanzar el desarrollo actual en la Industria Siderúrgica. más aún, los combustibles sólidos carbonáceos utilizados antes de la era del coque no hubiera sido capaces de cubrir las demandas de cantidad y calidad adecuadas dada la intensificación del proceso del Alto Horno que permitiera cubrir los cada vez mayores requerimientos del acero a nivel mundial.

 

 

2.- DESCRIPCION DEL CARBON

 

Siendo el carbón mineral el elemento primario para la fabricación del coque, es necesario revisar algunos aspectos importantes que se dan durante su formación y explotación como son:

 

 

2.1- FORMACION DEL CARBON.

 

El carbón se encuentra en la naturaleza en forma de mantos. Usualmente formados a partir de la compactación de sedimentos vegetales ("Turba") depositados en pantanos, esteros de ríos  o lagos de agua estancada a través del tiempo. Generalmente se estima que la compactación de la turba a carbón café y posteriormente a carbón bituminoso es en porción 6:3:1 o sea que un metro de turba depositada producirá alrededor de  50 cm de carbón café y 15 cm. de carbón bituminoso. Los mantos de carbón así formados debido a los movimientos telúricos y contracciones de la corteza terrestre se elevaron junto con las demás capas formando cerros y pequeños montes que se fueron erosionando con el paso del tiempo y formaron lo que se conoce como "Cuencas carboníferas".

 

 

Clasificación y localización del carbón:

 

La clasificación más usual para los carbones se encuentra recopilada por la American Society for Testing and Materials (ASTM), basado en el contenido de carbón fijo, cantidad de materia volátil y características de aglomeración, existe una clasificación de los carbones por rango, pertenecientes a la norma D-338-66 de la ASTM de donde se observa que los carbones antracíticos subituminosos y ligníticos son los no coquizables debido a su carácter no aglomerante y los carbones bituminosos son los coquizables dado su carácter aglutinante.

 

En México, se ha encontrado depósitos de diferentes tipos de carbones en los Estados de Chihuahua, Coahuila, Hidalgo, Nuevo León, Oaxaca, Sonora y Veracruz . De estas regiones carboníferas, destacando la mas importante la del Estado de Coahuila y en la cual se ha venido produciendo la totalidad del carbón en México, en esta región carbonífera se  localizan dos áreas principales que son:

 

Area de Sabinas:

 

Está compuesta por las cuencas del Golfo de Sabinas, Las Esperanzas, Saltillito, San Patricio, Lampacitos, Las Adjuntas, Monclova y San Salvador.

 

 

Area de Fuentes:

 

Localizada en la parte Noreste del Estado (Río Escondido) en las inmediaciones a la zona fronteriza con USA (Piedras Negras).

 

 

2.2 RESERVAS DE CARBON.

 

Las reservas totales de carbón mineral positivas son del orden de 1675 millones de toneladas "in situ"; el 65% corresponde a carbón coquizable (760 millones toneladas.) y el 35% restante al tipo de carbón no coquizable, lo cual da por resultado que mediante una explotación  racional y programada, el período de duración de las reservas de carbón coquizable será para 76 años.

 

 

2.3 SISTEMA DE EXPLOTACION.

 

En la región carbonífera del Estado de  Coahuila, el carbón se presenta en forma de mantos una relativa gran extensión pero de espesor reducido, presentan una determinada inclinación de acuerdo con la cual varía en un punto dado la profundidad de la capa de carbón, así la extensión e inclinación de las capas de carbón determinan el sistema de minado que se aplica para su explotación.

 

 

Explotación a cielo abierto. (tajos):

 

Este tipo de explotación constituye la forma más sencilla y económica de extraer el carbón , es aplicable solamente para casos de mantos poco profundos y de poca inclinación, ya que a mayor pendiente el área de explotación se disminuye por lo que existe una profundidad máxima a la cual debe utilizarse este método (entre 50-60 metros) si este límite es rebasado los problemas de explotación se multiplican debido a la cantidad de material estéril (impurezas que acompañan al carbón) que  habría que extraer y manejar por lo que la operacion de minado resultaria incosteable la extracción.

 

Cuando el espesor del manto es menor a 20 cm. es prácticamente es difícil  efectuar la separación, a a pesar de que la profundidad sea menor a 50 metros, además que la relación de toneladas de estériles a remover por tonelada de carbón bruto se incrementaria por arriba de 14 ton. de material estéril por tonelada de carbón resultando incosteable la operación

 

Generalmente cuando se inicia la explotación del tajo se desecha el carbón que se encuentra en los primeros 15 metros de profundidad debido a su composición química ha sido afectada por estar en contacto con el aire de la superficie. Este fenómeno no se conoce como "Aceración del Manto" y causa una oxidación del carbón que se manifiesta en una disminución de sus propiedades coquizables y su densidad.

 

 

Explotación subterránea

 

Existen dos métodos principales de explotación subterránea que son; De "Bordos" y  "Frente Larga" siendo este ultimo el más común utilizado en las minas bajo control de AHMSA, Para el caso de ambos métodos es necesario una previa preparación de la zona a explotar.

 

Esta preparación consiste delimitar  la zona o bloque por medio de "cañones" que pueden desarrolla en forma manual o bien empleando máquinas llamadas "Mineros Continuos" cuya forma de operar es la siguiente:

 

El minero continuo en un tambor giratorio con picos montado sobre un brazo orientable que arranca o desbarata el manto de carbón, cayendo éste sobre una mesa frontal de la máquina de donde es tomado por un mecanismo en forma de  "brazos de cangrejo" que lo depositan a un sistema de transportadores de banda que lo llevan al exterior.

 

 

 Método de bordos:

 

La zona por explotar se delimita abriendo unos pasillos longitudinales paralelos denominados "Cañones" con una separación de 60 a 150 metros, posteriormente, estos cañones se comunican entre sí, abriendo  pasillos llamados "Galerías" que distan de 15 a 20 metros una de otra y que son perpendiculares a los cañones. Nuevamente se abren  pasillos para comunicar estas Galerías y se denominan "Cruceros", los que son paralelos a los "Cañones" y están espaciados en forma similar a las Galerías con lo que queda formada una cuadrícula de pilares conocido como "Bordos de Carbón".

 

En esta primera fase se extrae aproximadamente el 30% del carbón recuperable obteniéndose el resto con la extracción de los bordos de la cuadrícula.

 

 

Método de frente larga:

 

En forma similar al de bordos el método de frente larga consiste esencialmente en delimitar  del manto de carbón mediante "Cañones" y "Galerías" pilares rectangulares de carbón de 100 a 200 metros de ancho con un mínimo de 500 metros de largo pudiendo ser bastante más si las condiciones lo permiten. Los pilares se explotan mediante cortes a lo largo de la cara hacia éste, por lo que se le da el nombre de corte en retroceso.

 

La explotación en forma de la mina, depende de la profundidad del manto de su inclinación de su espesor y en sí la geología general del terreno y se determina su superficie en base a los resultados previos de la explotación.

 

Dado que la mina necesita conductos de determinadas dimensiones establecidas para poder mover el equipo en su interior con facilidad,  para que sea consteable la operación de extracción es necesario explotar mantos bajo éste método con un espesor mínimo de 1 metro para que se obtenga una altura total de explotación de 1.40 mts..

 

Generalmente el avance de la explotación inicia en la parte de menor espesor del manto hacia las de mayor espesor para evitarse problemas, sin embargo en ocasiones y debido a la misma conformación del manto éste se adelgaza originando una disminución en el rendimiento del material cortado.

 

El abastecimiento más importante a una mina puede decirse que es el aire de ventilación para lo que hay que diseñar los ductos de ventilación en forma que se pueda establecer un circuito eficiente en toda la superficie y puntos críticos del interior de la mina

 

Este tipo de explotación subterránea por lo general tiene lugar a una profundidad mayor a los 60 metros pudiendo llegar hasta los 300 metros a través de un túnel inclinado de aproximadamente 1,000 metros.

 

 

3.- LAVADO DEL CARBÓN .

 

 

Una vez extraído el carbón se requiere de una separación del material no utilizable ( estéril ), con el propósito de reducir la cantidad de ceniza. Esta separación se efectúa por medio de un lavado que involucra la utilización de métodos gravimétricos.

 

Las plantas lavadoras bajo control de GAN/AHMSA estan diseñadas para reducir el contenido de cenizas desde valores iniciales que varían entre 38 % y 40% para obtener un carbón lavado con cenizas entre 13 % y 15%.

 

El diseño de una planta lavadora depende básicamente del tipo del material que va a ser tratado y sobre todo del tipo de producto, ya bien sea carbón metalúrgico o  térmico. Generalmente La planta lavadoras de carbón constan de tres secciones como son:

  

- Circuito de lavado de los gruesos (+6mm -250mm)

- Circuito de lavado de los finos (+0.5mm -6mm)

- Circuito de lavado de los ultrafinos (flotación -0.5mm)

 

 

Circuito de lavado de gruesos:

 

Como primer paso, el carbón bruto ("Todo uno")de las tolvas de almacenamiento es alimentado hacia la estación de cribado en la que se adiciona agua limpia en abundancia para separa las partículas y aumentar la eficiencia del cribado. Aquí se separa la fracción menor a 6mm para su posterior tratamiento en el circuito de finos.

 

Las partículas mayores a 50 mm y entre 6 y 50mm caen a una banda respectiva que las conduce hasta el "Drew-Boy" es un aparato de separación por "medio pesado" el cual realiza su función basado en la diferencia de densidades que existe entre el medio, el carbón y la piedra o estériles.

 

La densidad del medio depende de la calidad del carbón a tratar y este se logra mediante una suspensión de agua y magnetita (Fe3O4). Generalmente la densidad del medio oscila entre 1.4-2.09 gr./c.c.

 

El "Drew-Boy" se encuentra dividido en dos secciones longitudinales en cada una de las cuales se depositan las fracciones de +50mm y de 6 a 50mm respectivamente.

 

Las partículas cuya densidad es menor que la del medio pasado en este caso carbón con algo de estériles (mixtos) flotan y son desalojadas mediante la acción de dos "Molinete" de paletas uno para cada sección que lo arroja a una criba, desaguador respectivamente cuya función es la separar la suspensión de agua y magnetita arrastrados por el carbón al salir de "Drew-Boy", así como las partículas mayores de 50mm que son pasadas a un quebrador de rodillos para reducir su tamaño a 50mm y juntarlos con la fracción de igual tamaño que no pasó por el quebrador y se envían a un "Drew-Boy" secundario con una densidad menor en el medio (1.7 gr./c.c.) donde se repite el mismo proceso que en el "Drew-Boy" primario.

 

Las fracciones hundidas de ambos "Drew-Boys", estériles y mixtos son recolectadas por la parte inferior de los mismos para desaguarse y posteriormente desecharse.

 

La suspensión de agua con magnetita recolectada en los desagües es tratada en tambores recuperadores magnéticos para separar la magnetita y recircularla al proceso.

 

La fracción de carbón después de desaguada se envía a tolvas de almacenamiento donde queda lista para su embarque.

 

 

Circuito de lavado de finos:

 

La fracción de 0.6-mm separada en el sistema del circuito de gruesos es pasada a través de un sistema de cribas de deslamado o desenlodado donde se separan las fracciones entre 0-0.5 mm (lamas) que después serán tratados por el circuito de flotación.

 

Tanto a la salida de las cribas de gruesos como a la entrada de las cribas deslamadoras se adiciona agua limpia en abundancia para separar las partículas y facilitar la separación.

 

Las partículas de +0.5mm de las cribas deslamadoras se juntan y se envían a un tanque en donde se mezclan a un sistema de ciclones en el cual, mediante la acción de la fuerza centrífuga las partículas de mayor densidad tienden a permanecer en el exterior de la corriente formada y las de menor densidad permanecen en el centro lo que permite que puedan descargarse las fracciones por los extremos del ciclón . Las partículas de carbón (menor densidad) se desalojan por la parte posterior del ciclón y se depositan a cribas desaguadoras de dos secciones similares a las del circuito de gruesos.

 

Seguidamente el carbón lavado pasa a un sistema de centrífugas en la cual se trata de eliminar al máximo el agua del carbón después se transfiere a tolvas o patios de almacenamiento listo para embarcarse.

 

La fracción de mayor densidad que forma el estéril es desalojada por la punta del ciclón, extremo opuesto al que sirve para desalojar el carbón y se deposita en cribas desaguadoras de dos secciones cayendo posteriormente a unirse con los deshechos del circuito de gruesos.

 

 

 Flotación:

 

Las "Lamas" separadas en el circuito de finos son transportadas hacia un decantador hidráulico que tiene como finalidad el asentamiento de material para bombearse a las celdas de flotación pasando por cribas curvas que separan las partículas mayores de 0.5mm

 

Antes de entrar a las celdas de flotación, se determina la densidad, con el fin de estimar el grado de finura y la dosificación de los reactivos.

 

En la flotación se utilizan dos reactivos, el petróleo y el metil-isobutil-carbonilo. El petróleo actúa como recolector de partículas de carbón y el metil-isobutil-carbonilo como espumante para formar burbujas y elevar el carbón a la superficie.

 

Las celdas de flotación son depósitos rectangulares de pisos de acero que cuenten en su centro con un agitador de paletas, que mantiene en suspensión las partículas de carbón permitiendo que sean atrapadas y elevadas por las burbujas. El giro de las paletas establece un tiro inducido de aire del exterior hacia el interior de la celda para la formación de las burbujas. El agitador cuenta en un difusor que evita que las burbujas salgan inmediatamente a la superficie permitiendo así un mayor tiempo de contacto

 

 

Se cuenta con dos bancos de celdas; la espuma formada en la superficie del primer banco es desalojada mediante "Molinetes" de paletas y desemboca en el segundo banco para un relavado.

 

La alimentación a las celdas así como la circulación de las partículas hundidas se hace por el fondo y el nivel del agua se mantiene mediante un sistema de compuertas que tiene cada una en la superficie.

 

El material de desecho de los dos bancos se juntan y se envían a un decantador químico.

 

El producto flotado en el segundo tajo mediante un "molinete" se recolecta en un depósito de espumas que se bombea a un tanque que alimentan a un sistema de filtros de disco giratorios, los filtros consisten en un eje vertical al cual van unidos ocho secciones que forman un disco siendo en total nueve discos forrados de material filtrante (lona) a la que se adhiere el carbón. El eje consta de un cabezal que lo divide en dos secciones una a través de la cual se hace succión y sirve para que la carta se adhiera a los discos cuando se sumergen en ella. Por la segunda sección se introduce aire a presión para despegar la torta de la superficie del disco y que pueda ser desprendida posteriormente por unos raspadores, además cuenta con un agitador en el fondo del depósito del filtro para evitar asentamientos de la carga y tiene conectada una tubería que conduce la carga al depósito de espumas cuando el filtro se desborda.

 

El agua extraída durante la sección se envía a un depósito de aguas filtradas que surte la línea que va del primer al segundo banco con el fin de facilitar el transporte.

 

 

El carbón fino recuperado se deposita sobre la banda de carbón grueso lavado que va a las tolvas o patios de almacenamiento listo para su transporte hacia las plantas coquizadoras.

 

 

PROCESO DE COQUIZACIÓN.

 

 

 

1.- INTRODUCCION.

 

 

El coque metalúrgico es un material carbonáceo resistente y poroso producido mediante la destilación destructiva de carbones minerales coquizables, efectuada en cámaras refractarias conocidas como "HORNOS DE COQUIZACIÓN". Aunque el coque es utilizado en un gran número de Industrias, aproximadamente el 90% de la producción de coque está destinada a la fabricación de hierro primario (arrabio) mediante el proceso del Alto Horno.

 

 

Siendo el coque la mayor fuente de calor, así como el principal generador gas como agente reductor dentro del Alto Horno; también tiene la función no menos importante de mantener la permeabilidad del lecho y soportar la carga durante su descenso a través del horno ocupando aproximadamente el 50% del volumen total del horno.

 

 

Para lograr mantener una marcha estable del alto horno así como buen flujo de material líquido y gases en el interior, la calidad del coque debe ser óptima, clasificado dentro de un rango de tamaño adecuado y poseer buenas propiedades de resistencia , adicional a estas propiedades físicas el coque para el alto horno debe contar con un alto contenido de carbón fijo y mínimas impurezas.

 

 

El proceso de coquización ha involucrado desde su concepción más simple una serie de etapas de desarrollo como son: recuperación de subproductos, hornos de tipo regenerativo, utilización de ladrillo de sílice, etc... hasta llegar a la operación altamente tecnificada de nuestros días. El coque metalúrgico actualmente se produce casi exclusivamente en hornos de "Retorta" con recuperación 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 podrán ser completamente desarrollados en un lapso de 20 años.

 

 

2.- DESARROLLO HISTORICO :

 

La utilización de alguna forma de material sólido carbonáceo en la producción en hierro primario es inseparable en la historia y desarrollo de la fusión de óxidos de fierro. El advenimiento del coque para este propósito y también el nacimiento de la moderna industria del coque deben atribuirseles a Abraham Darby (1678-1717) quien fue el primero en utilizar exitosamente el coque para fundir fierro en Coalbrookdale de Shropshire, Inglaterra.

 

 

La transición del paso del carbón vegetal al uso del coque como principal combustible en el alto horno ocurrió de una manera bastante rápida, debido que las áreas deforestadas fueron siendo cada vez mayores y se tenía que transportar el carbón vegetal desde lugares cada vez más lejanos. Además tratándose de un recurso renovable, la velocidad de reforestación era menor que la velocidad de consumo. Este déficit y el aumento del costo del carbón vegetal forzaron a la industria del hierro, en aquel país a usar un combustible más barato y disponible, que fue el coque.

 

 

Ya para 1796 los hornos que consumían carbón vegetal en Inglaterra eran solo unos cuantos y muy dispersos. Incidentemente pequeñas cantidades de fierro son aún producidas en pequeños altos hornos de carbón vegetal en ciertas partes del Mundo donde las condiciones locales lo justifican.

 

 

Durante la evolución de la coquización es lógico aceptar el hecho que el primer proceso de coquización fue en esencia la substitución del carbón mineral por la madera en el método de fabricación del carbón vegetal durante este período. Un proceso conocido como el método al "aire libre" fue inicialmente utilizado, y constaba de pilas o montones rectangulares de carbón en una fosa abierta con un arreglo burdo de chimenea para ayudar a controlar la combustión del coque. La descomposición del carbón se iniciaba mediante la ignición de leña por los "cañones" de carbón. Los gases envolventes se encendían y constituían la fuente de calor. Además los montones de carbón se cubrían de coque para evitar o reducir la combustión extrema de los montones y se necesitaban alrededor de 8 días para la coquización de los montones con un rendimiento menor al 60%. El método 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 introducción de cámaras refractarias. Este cambio en el método de fabricar coque fue el inicio de los hornos de coque tipo "colmena" .

 

 La característica principal de estos primeros métodos fue el calentamiento autónomo del carbón mediante la combustión de los gases envolventes sobre la carga del horno. Así mismo un requisito indispensable para prevenir un excesivo quemado del carbón o coque fue el control de la alimentación o entrada del aire de combustión. Estos hornos estaban constituidos de mampostería 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 diámetro y de 2 a 2.5 metros de altura. El piso estaba construído de tejas planas y el domo contaba con un orificio de carga que a su vez servía como escape para los gases de combustión. El control de la combustión dentro del horno se efectuaba mediante la regulación del aire que pasaba a través de una puerta en forma de arco a un lado del horno que también servia para nivelar, enfriar y evacuar el coque una vez que la carbonización se completaba.

 

El perfil circular de los Hornos de colmena dificultaban la adopción de innovaciones mecánicas para mejorar las operaciones del manejo del carbón y el coque, lo que dió como resultado que durante la última parte del siglo XIX emergiera un nuevo tipo de diseño de horno clasificado como una cama rectangular horizontal , que comprendía largas cámaras angostas con una puerta de cada lado. Y ya este arreglo longitudinal permitió el desarrollo del equipo auxiliar similar pero menos sofisticado al que se encuentra en las modernas plantas coquizadoras con tratamiento de subproductos. Algunos diseños posteriores fueron bastantes similares a este tipo, pero un poco más sofisticado y empleaban un calentamiento bi-direccional de la carga del carbón mediante la recirculación de los gases emitidos a través de una serie de conductos localizados bajo el suelo del horno, con lo anterior se elevó la eficiencia del horno en un 40% y se logró la carbonización del carbón a más alta temperatura

Ante el creciente auge industrial, pronto fue reconocida como una buena área de oportunidad el aprovechamiento de los subproductos generados en la fabricación del coque. El desarrollo del proceso de recuperación de subproductos debe atribuirse a la necesidad de contar con un combustible libre de humos para abastecer el creciente mercado de carboquímicos (Industrias de colorantes y farmacéuticas), así como mantener una fuente de gas urbano. No obstante que las primeras patentes para el aprovechamiento de los subproductos del carbón datan de 1681 el prototipo del primer horno con procesamiento de subproductos tal como se conoce en la actualidad no apareció sino hasta finales del siglo XIX.

 

 

3.- DESCRIPCION DEL PROCESO CONVENCIONAL :

 

En la industria existen un gran número de diseños de hornos de coquización (Koppers, Wilputte, Koppers Becker, Still, Otto, Somet-Solvay, Simón Carves, Coppee Didier, etc...) pero en general una batería de hornos de coque y subproductos está formada de 10 a 100 hornos que tienen cámaras de calentamiento, cámaras de coquización y cámaras regenerativas; las cámaras de calentamiento y coquización se encuentran alternadas de tal forma que existe una cámara de calentamiento con series de conductos en cada lado de la cámara de coquización y cámaras regenerativas localizadas por debajo.

 

El tamaño de los hornos varía 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 están en desarrollo o construcción hornos de mayor capacidad.

 

El ciclo de coquización se inicia con la introducción de la carga de carbón al horno operación que se lleva a cabo con la ayuda de un "carro carga" que opera sobre rieles a lo largo de la batería. El carro carga recibe el carbón de la torre de almacenamiento al final de la batería en varias tolvas que son iguales en número a los orificios de carga del horno y la operación es la siguiente: El "Carro Carga" se desplaza a través de la batería 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 través de los cuales son descargadas las tolvas del carro carga.

 

 

Durante la operación 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 coquización" que es el tiempo requerido para producir el coque a partir del carbón, está gobernado por numerosos factores que incluyen las condiciones y diseño del sistema de calentamiento del horno, el ancho de la cámara de coquización humedad del carbón y la naturaleza de los carbones a coquizar.

 

El tiempo de coquización es seleccionado para alcanzar en el coque adyacente a las paredes de la cámara una temperatura entre 1050°C a 1100°C. Una vez que el carbón ha sido completamente coquizado hasta el centro. La temperatura máxima en los conductores de la cámara de calentamiento no puede exceder de 1550°C que es el límite para el ladrillo refractario. El tiempo de coquización requerido para el coque del alto horno oscila entre 16 y 24 hrs. siendo mayor en el caso de tratarse de coque para fundición.

   

Cuando el carbón ha sido completamente coquizado se remueven las puertas de los lados de la cámara y el coque encendido es empujado mediante un dispositivo mecánico que se conoce como "Carro Empujador" hacia el extremo opuesto del mismo a través de un "carro guía" que lo canaliza a un "carro de apagado" . El carro de apagado se mueve por rieles a lo largo de la batería hasta las "torres de apagado" donde el coque es apagado y enfriado mediante la adición de agua.

 

 

Posteriormente el coque apagado es enviado a una estación de quebrado y cribado donde se clasifica y selecciona el coque de tamaño adecuado para utilizarse en el alto horno.

 

El proceso de coquización involucra una serie de reacciones que pueden dividirse en tres etapas básicas como son: primero existe una descomposición del carbón a temperaturas abajo de 700°C a productos primarios consistentes de; agua, monóxido de carbón, Dióxido de carbón, sulfuro de hidrógeno, olefinas, parafinas, hidroaromáticos y compuestos fenólicos y nitrogenados.

 

Segundo, las reacciones térmicas de los productos primarios ocurren a medida que atraviesan el coque caliente y paredes espacios de temperatura superior a 700°C, resultando la formación de hidrocarburos aromáticos y metano, así como evolución de grandes cantidades de hidrógeno, cianuro de hidrógeno, bases de piridina, amoniaco, nitrógeno y la descomposición de los compuestos nitrogenados. Y tercero, la producción de coque compacto mediante la remoción progresiva del hidrógeno.

 

Aproximadamente del 25 al 30% en peso de la carga inicial de carbón se desprende como vapores y gases que son recolectados para su tratamiento. Una tonelada de carbón dará aproximadamente los siguientes rendimientos:

 

 

Coque Metalúrgico 545 - 635  Kg

Coque Breeze (finos)   45 - 90  Kg

Gas de coque 285 - 345  m3

Brea 27 -  34  lts

Sulfato de amonio   7 -   9  Kg

Licor amoniacal 55 - 135  lts

Aceite ligero   8 -  12.5lts

 

El gas coque está compuesto por una serie de gases como son: hidrógeno, metano, etano, monóxido de carbón, dióxido de carbono, etileno, propiléno, butileno, acetileno, sulfato de hidrógeno, amoniaco, oxígeno y nitrógeno.

 

El licor amoniacal es una solución acuosa de sales amoniacales condensadas del gas. La brea es un líquido negro viscoso que condensa del gas en el colector principal y es la fuente de piridina, ácidos de alquitrán, naftaléno, aceite de creosota, etc... El aceite ligero es un líquido café amarillento de composición variable. Los principales productos recuperados del aceite ligero son el benceno, xileno, tolueno y los solventes de nafta.

 

 

4.- CARACTERÍSTICAS DEL COQUE PARA ALTO HORNO.

 

Entre las propiedades del coque para uso en el alto horno que mayor repercusión tienen en la eficiencia del proceso destacan las siguientes:

 

 

Características químicas:

 

Carbón fijo. Deberá ser lo más elevado y constante posible, ya que así durante su combustión frente a las toberas se tendrá la mayor capacidad y la mínima variación térmica por unidad en peso.

 

 

Contenido de cenizas.

 

En contra-posición al carbón fijo, deberá ser lo más bajo posible. Fusión es la de formar escoria mediante su neutralización con fundentes y cualquier aumento y variación en su contenido repercutirá directamente en los volúmenes de escoria producida, así como en el índice de basicidad de la misma, puesto que las cenizas están constituidas principalmente por compuestos de carácter ácido como son: SiO2 y Al2O3.

 

 

Azufre.

 

Por lo general un 80% mínimo del azufre de entrada al alto horno proviene del coque; de ahí la importancia que este elemento alcance una baja concentración en el combustible pues su presencia afecta directamente la calidad del arrabio y la necesidad de su eliminación determinada por el volumen de escoria lo que su vez influye en la productividad del horno y en el rendimiento térmico del mismo.

 

 

Reactividad.

 

Afinidad que presenta el coque para combinarse con el oxígeno y bióxido de carbono. En el caso del alto horno es común hablar de un buen coque a este respecto, cuando su reactividad es relativamente baja o sea que la reactividad deberá ser suficiente para que el coque se combustiona bien al contacto con el oxígeno del aire frente a las toberas, pero que no sea tan alta como para que entre fácilmente en reacción con el oxígeno de los óxidos ferrosos, antes de que alcance el nivel de toberas, lo que finalmente se traduce en un aumento del consumo de combustible.

 

 

        Características físicas.

 

Granulometría. El tamaño del coque estará en parte influenciado por el tamaño 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 mínimo y 64 a 75 mm como máximo. La importancia de un buen control en el tamaño del coque cargado al alto horno se reflejará principalmente en la permeabilidad de la columna de carga.

 

 

  Indice de estabilidad.

 

Constituye un ensayo físico que determina la resistencia del coque a la degradación o la pérdida de tamaño del mismo, por el efecto combinado de la abrasión (desgaste por roce) y la caída. Este es uno de los indicadores a los que se les presta mayor atención ya que es un reflejo fiel de lo que será el comportamiento del coque en el interior del horno, por ejemplo: si se tiene un coque de baja estabilidad creará problemas al ser cargado al horno, ya que perderá su tamaño inicial tendiendo a pulverizarse lo que afectará la permeabilidad de la columna de carga dando un descenso irregular de la misma, favoreciendo la formación de incrustaciones sobre las paredes, disminuyendo la producción de arrabio y su calidad, así como aumentando el consumo de combustible

 

La prueba de estabilidad se rige por las normas A.S.T.M. y una breve descripción de la misma sería la siguiente. Se seleccionan 10 Kg de muestra de coque entre +2" y -4", la cual se introduce a un tambor de 36" diam. por 18"ancho con dos placas de 2" en su interior a 180°; se hace girar 400 vueltas a 23 rpm. Después 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" será el % de estabilidad; a su vez el % de dureza estará comprendido por la fracción acumulada a +1/4".

 

 

          Indice de Dureza.

 

Por medio de este ensayo se mide la resistencia del material al impacto, pero no es tan representativo como el índice de estabilidad y debe tomarse justamente asociado a este último para tener una evaluación más exacta de las cualidades mecánicas del coque.

 

 

             Humedad del coque.

 

 

Su determinación es importante y debe efectuarse con la regularidad necesaria, ya que el peso del coque efectivamente cargado al horno deberá ajustarse en base seca (eliminando la humedad) para descontar las variaciones en el peso debidas a la humedad involucrada, mismas que se reflejarían en el balance térmico dentro del horno.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

COKE PRODUCTION FOR BLAST FURNACE IRONMAKING

 

INTRODUCTION

A world class blast furnace operation demands the highest quality of raw materials, operation, and operators. Coke is the most important raw material fed into the blast furnace in terms of its effect on blast furnace operation and hot metal quality. A high quality coke should be able to support a smooth descent of the blast furnace burden with as little degradation as possible while providing the lowest amount of impurities, highest thermal energy, highest metal reduction, and optimum permeability for the flow of gaseous and molten products. Introduction of high quality coke to a blast furnace will result in lower coke rate, higher productivity and lower hot metal cost.

COKE PRODUCTION

The cokemaking process involves carbonization of coal to high temperatures (1100°C) in an oxygen deficient atmosphere in order to concentrate the carbon. The commercial cokemaking process can be broken down into two categories: a) By-product Cokemaking and b) Non-Recovery/Heat Recovery Cokemaking. A brief description of each coking process is presented here.
a) By-product Coke Production:

The majority of coke produced in the United States comes from wet-charge, by-product coke oven batteries (Figure 1). The entire cokemaking operation is comprised of the following steps: Before carbonization, the selected coals from specific mines are blended, pulverized, and oiled for proper bulk density control. The blended coal is charged into a number of slot type ovens wherein each oven shares a common heating flue with the adjacent oven. Coal is carbonized in a reducing atmosphere and the off-gas is collected and sent to the by-product plant where various by-products are recovered. Hence, this process is called by-product cokemaking.



Figure 1: "Coke Side" of a By-Product Coke Oven Battery. The oven has just been "pushed" and railroad car is full of incandescent coke that will now be taken to the "quench station".



Figure 2: Incandescent coke in the oven waiting to be "pushed".
The coal-to-coke transformation takes place as follows: The heat is transferred from the heated brick walls into the coal charge. From about 375°C to 475°C, the coal decomposes to form plastic layers near each wall. At about 475°C to 600°C, there is a marked evolution of tar, and aromatic hydrocarbon compounds, followed by resolidification of the plastic mass into semi-coke. At 600°C to 1100°C, the coke stabilization phase begins. This is characterized by contraction of coke mass, structural development of coke and final hydrogen evolution. During the plastic stage, the plastic layers move from each wall towards the center of the oven trapping the liberated gas and creating in gas pressure build up which is transferred to the heating wall. Once, the plastic layers have met at the center of the oven, the entire mass has been carbonized (Figure 2). The incandescent coke mass is pushed from the oven and is wet or dry quenched prior to its shipment to the blast furnace.

b) Non-Recovery/Heat Recovery Coke Production:
In Non-Recovery coke plants, originally referred to as beehive ovens, the coal is carbonized in large oven chambers (Figure 3). The carbonization process takes place from the top by radiant heat transfer and from the bottom by conduction of heat through the sole floor. Primary air for combustion is introduced into the oven chamber through several ports located above the charge level in both pusher and coke side doors of the oven. Partially combusted gases exit the top chamber through "down comer" passages in the oven wall and enter the sole flue, thereby heating the sole of the oven. Combusted gases collect in a common tunnel and exit via a stack which creates a natural draft in the oven. Since the by-products are not recovered, the process is called Non-Recovery cokemaking. In one case, the waste gas exits into a waste heat recovery boiler (Figure 3) which converts the excess heat into steam for power generation; hence, the process is called Heat Recovery cokemaking.




Figure 3: Heat Recovery Coke Plant.

COKE PROPERTIES

High quality coke is characterized by a definite set of physical and chemical properties that can vary within narrow limits. The coke properties can be grouped into following two groups: a) Physical properties and b) Chemical properties.
a) Physical Properties:
Measurement of physical properties aid in determining coke behavior both inside and outside the blast furnace (Figure 4). In terms of coke strength, the coke stability and Coke Strength After Reaction with CO2 (CSR) are the most important parameters. The stability measures the ability of coke to withstand breakage at room temperature and reflects coke behavior outside the blast furnace and in the upper part of the blast furnace. CSR measures the potential of the coke to break into smaller size under a high temperature CO/CO2 environment that exists throughout the lower two-thirds of the blast furnace. A large mean size with narrow size variations helps maintain a stable void fraction in the blast furnace permitting the upward flow of gases and downward of molten iron and slag thus improving blast furnace productivity.




Blast Furnace Operating Zones and Coke Behavior.
b) Chemical Properties:
The most important chemical properties are moisture, fixed carbon, ash, sulfur, phosphorus, and alkalies. Fixed carbon is the fuel portion of the coke; the higher the fixed carbon, the higher the thermal value of coke. The other components such as moisture, ash, sulfur, phosphorus, and alkalies are undesirable as they have adverse effects on energy requirements, blast furnace operation, hot metal quality, and/or refractory lining. Coke quality specifications for one large blast furnace in North America are shown in Table I.

Table I. Coke Quality Specifications:

Physical: (measured at the blast furnace) Mean Range
Average Coke Size (mm) 52 45-60
Plus 4" (% by weight) 1 4 max
Minus 1"(% by weight) 8 11 max
Stability 60 58 min
CSR 65 61 min
Physical: (% by weight)    
Ash 8.0 9.0 max
Moisture 2.5 5.0 max
Sulfur 0.65 0.82 max
Volatile Matter 0.5 1.5 max
Alkali (K2O+Na2O) 0.25 0.40 max
Phosphorus 0.02 0.33 max

FACTORS AFFECTING COKE QUALITY

A good quality coke is generally made from carbonization of good quality coking coals. Coking coals are defined as those coals that on carbonization pass through softening, swelling, and resolidification to coke. One important consideration in selecting a coal blend is that it should not exert a high coke oven wall pressure and should contract sufficiently to allow the coke to be pushed from the oven. The properties of coke and coke oven pushing performance are influenced by following coal quality and battery operating variables: rank of coal, petrographic, chemical and rheologic characteristics of coal, particle size, moisture content, bulk density, weathering of coal, coking temperature and coking rate, soaking time, quenching practice, and coke handling. Coke quality variability is low if all these factors are controlled. Coke producers use widely differing coals and employ many procedures to enhance the quality of the coke and to enhance the coke oven productivity and battery life.


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Artículos/Papers

 

MEJORA EN LA CALIDAD DE COQUE PARA CONSUMO DE LOS ALTOS HORNOS

Alberto Sandoval Torres, Raúl Martínez Quiroz, Osvaldo Cepeda Cárdenas

 

 

1