MX2011001454A - Metodo de recarburacion. - Google Patents

Abstract

Un método para recarburar una aleación de hierro fundida en un balde o un horno de balde comprende el paso que consiste en agregar un polímero que contiene carbono al balde o al horno. El polímero está adaptado para funcionar como un recarburjzador de la aleación de hierro. En este respecto, el polímero puede tener un formato el cual, cuando hace contacto con la aleación de hierro fundida, promueve la disolución de carbono del polímero dentro de la aleación de hierro fundida.

Description

METODO DE RECARBURACION Campo de la Invención Se da a conocer un método para recarburar aleaciones de hierro (tal como acero) . El método encuentra aplicación particular en la recarburación de aleaciones de hierro en baldes para sangría y hornos de balde que se emplean después de tanto la fabricación de acero en molino integrado (que comprende típicamente un horno alto y un horno al oxígeno básico) y fabricación de acero en mini -molino (que comprende típicamente un horno de arco eléctrico (EAF, por sus siglas en inglés) ) . Mientras que el método se describirá principalmente en el contexto de la recarburación en baldes para sangría y hornos de balde se debe apreciar que no está limitado a estos tipos de recarburación.

Antecedentes de la Invención Existen problemas crecientes con la eliminación de plásticos y neumáticos. El reciclaje de tanto plásticos como neumáticos representa una pequeña proporción de recuperación de material, siendo que la mayoría aún es eliminada ya sea a través de un vertedero de basura o la calcinación en incineradores. En el vertedero de basura el material no se degrada fácilmente y ya sea el material también puede lixiviar elementos tóxicos al suelo y al agua subterránea, mientras que la calcinación convencional genera REF: 217660 f ecuentemente emisiones peligrosas tales como dioxinas como también puede incrementar las emisiones de gases de efecto invernadero .

En todo el mundo la industria del acero está enfrentando una presión para minimizar su impacto sobre el ambiente al mejorar la eficiencia de utilización de energía y recursos y especialmente para reducir las emisiones de C02.

Se conoce la adición de plásticos de desecho a hornos de arco eléctrico. Los ejemplos se muestran en los documentos US 5,554,207 y JP 2004-052002.

El documento WO 2006/024069 para la presente solicitud también da a conocer la adición de plásticos de desecho a hornos de arco eléctrico y da a conocer además el posible uso de plásticos de desecho como un recarburizador, pero solo en el contexto de un horno de inducción y sin dar a conocer como se puede practicar este método.

Una referencia en la presente a un documento de la técnica anterior no es una aceptación de que el documento forma parte del conocimiento general común de una persona de experiencia ordinaria en el campo en Australia o en alguna otra parte.

Breve Descripción de la Invención En un primer aspecto se proporciona un método para recarburar una aleación de hierro fundida en un balde o un horno de balde. El método comprende el paso que consiste en agregar un polímero que contiene carbono al balde o al horno de balde, en donde el polímero está adaptado para funcionar como un recarburizador de la aleación de hierro.

No se ha investigado previamente como un polímero que contiene carbono podría funcionar mejor como recarburizador en la producción de una aleación de hierro (es decir donde el polímero se utiliza para sustituir los recarburizadores tradicionales tales como carbón mineral, coque y grafito que se utilizan a su vez para incrementar la cantidad de carbono presente en la aleación de hierro final que se produce) . Un polímero que contiene carbono se puede seleccionar y se puede adaptar de tal manera que pueda reemplazar o reducir el uso de recarburizadores costosos tales como carbón mineral de antracita y grafito.

En este respecto, mientras que el documento O 2006/024069 da a conocer el uso potencial de plásticos de desecho como recarburizador, no enseña como se puede practicar esto ni da a conocer como un plástico de desecho se puede utilizar en la recarburación de aleaciones de hierro en baldes para sangría y hornos de balde.

Cuando el término "aleación de hierro" se utiliza en este documento tiene como fin incluir un amplio rango de aleaciones de hierro-carbono (incluyendo aceros) y otras aleaciones de hierro-carbono y/o aleaciones a base de hierro, que incluyen ferrocromo, ferrocromo-silicio, ferromanganeso, ferrosilicomanganeso, ferrosilicio, magnesio-ferrosilicio, ferromolibdeno, ferroníquel, ferrotitanio, ferrofósforo, ferrotungsteno, ferrovanadio, ferrozirconio, etcétera.

En una forma del método, el polímero que contiene carbono se puede adaptar específicamente para adecuarse al balde u horno de balde antes de ser agregado de modo que el carbono en el polímero se disuelva preferentemente en la aleación de hierro y no se queme hasta un grado sustancial o perjudicial .

Por ejemplo, una manera en la cual el polímero se puede adaptar mejor para funcionar como un recarburizador puede comprender el paso que consiste en optimizar el tamaño (por ejemplo, su forma y/o dimensión) del polímero al balde u horno de balde determinado antes de la adición al mismo. Se ha observado que esta optimización del tamaño promueve la disolución del carbono y minimiza la combustión del polímero cuando entra en contacto con la aleación de hierro fundida.

En una modalidad, la optimización del tamaño puede comprender la unión de capas de polímero para formar un bloque. Por ejemplo, en el caso de un polímero que comprende caucho de desecho, las capas de huella/pared de neumático o banda transportadora se pueden atar en un bulto por medio de un alambre de aleación de hierro adecuado.

En el caso de la adición al balde, el polímero que contiene carbono se puede agregar en el balde antes de la sangría de la aleación de hierro fundida en la misma.

En el caso de la adición al horno de balde, el polímero que contiene carbono se puede agregar dentro del horno con o sobre la aleación de hierro fundida desde el balde. Por ejemplo, el polímero que contiene carbono se puede inyectar dentro del horno de balde (por ejemplo dentro de una capa superior extrema tal como una capa de escoria) .

En una forma, el polímero que contiene carbono es un plástico o caucho de desecho. En esta forma, el plástico de desecho puede comprender polietileno (por ejemplo HDPE) y otros plásticos tales como polipropileno, poliestireno, polibutadieno-estireno, ABS, etcétera, así como también plásticos difíciles de reprocesar tal como Baquelita, etcétera. También, en esta forma el caucho se puede derivar de un neumático o banda utilizado. La banda puede ser una banda transportadora de caucho utilizada/desechada.

La adición de un plástico de desecho o caucho de desecho dentro del balde o el horno de balde proporciona otro medio efectivo de eliminación de los desechos, los cuales presentan de otra manera retos ambientales.

Mientras que usualmente el polímero que contiene carbono comprenderá únicamente los átomos de C, H y opcionalmente O, otros elementos pueden estar presentes en el polímero (por ejemplo N, S, P, Si, halógenos, etcétera) . Donde estos elementos interfieren con la producción de aleaciones de hierro y/o producen contaminantes, agentes adulterantes, gases nocivos o dañinos (por ejemplo gas de hidrógeno) etcétera, el polímero que contiene carbono se puede seleccionar acertadamente y se puede agregar acertadamente y/o ciertos aditivos de flujo se pueden introducir al balde/horno de balde, para evitar o mitigar la formación de gases nocivos/dañinos y otros subproductos perjudiciales o dañinos.

En una forma, la aleación de hierro producida es un acero o una aleación de acero.

En una variación del método, además del polímero que contiene carbono, otra fuente de carbono se puede agregar al balde o al horno de balde, siendo que la otra fuente de carbono es uno o más de carbón mineral, coque, carbón, carbón vegetal y/o grafito.

En una forma, el balde o el horno de balde forma parte de un proceso de fabricación de acero de arco eléctrico, siendo que el balde recibe la aleación de hierro fundida del horno de arco eléctrico y el horno de balde recibe la aleación de hierro fundida del balde.

En un segundo aspecto, se proporciona el uso de un polímero que contiene carbono como recarburizador de una aleación de hierro en un balde u horno de balde.

En el segundo aspecto, el polímero que contiene carbono puede ser como se define en el primer aspecto.

En un tercer aspecto, se proporciona un método para recarburar una aleación de hierro fundida, el método comprende el paso que consiste en poner en contacto la aleación con un polímero que contiene carbono que puede funcionar como recarburizador, por lo cual el polímero tiene un formato el cual, cuando hace contacto con la aleación de hierro fundida, promueve la disolución del carbono del polímero dentro de la aleación de hierro fundida.

Se ha observado que el formato del polímero (por ejemplo su forma y/o dimensión) se puede optimizar de modo que, cuando hace contacto con la aleación de hierro fundida, una mayoría de carbono en el polímero se disuelve en lugar de quemarse o gasificarse. Esto, a su vez, puede mejorar la función de recarburación del polímero.

En el método del tercer aspecto, el formato del polímero puede comprender una unidad que está dimensionada para minimizar su área de superficie expuesta con relación a su masa .· Además , la dimensión del polímero se puede optimizar para el balde u horno de balde determinado. Esto permite que ocurra una disolución máxima de carbono y puede minimizar la combustión o gasificación del carbono en el polímero. Una o más de estas unidades (por ejemplo uno o más bloques de 10 kg de polímero de desecho) se pueden emplear como recarburizador de una aleación de hierro.

En el método del tercer aspecto, el polímero se puede agregar en la aleación fundida o la aleación fundida se puede agregar sobre el polímero o el polímero se puede agregar junto con la aleación fundida dentro de por ejemplo un balde o un horno de balde .

El método del tercer aspecto puede ser de otra manera como se define en el primer aspecto.

Breve Descripción de las Figuras A pesar de otras modalidades las cuales pueden encontrarse dentro del método para recarburar una aleación de hierro como se define en la Breve Descripción, ahora se describirán modalidades específicas del método, a manera de ejemplo únicamente, con referencia a las figuras asociadas en los cuales : las Figuras la y Ib muestran gráficas de Difracción de rayos X para cada uno de (Fig. la) coque metalúrgico sin procesar (como un recarburizador actual) ; y (Fig. Ib) polietileno de alta densidad sin procesar (como un recarburizador de plástico de desecho) ; como se describe en el Ejemplo 1 (cuyo título es "Patrón de XRD de (Fig. la) Coque Metalúrgico sin Procesar y (Fig. Ib) HDPE sin Procesar" ) ; las Figuras 2a y 2b muestran gráficas de Difracción de rayos X para polietileno de alta densidad sin procesar y coque metalúrgico; y polietileno de alta densidad y coque metalúrgico después de la combustión; como se describe en el Ejemplo 1 (cuyo título es "Patrones de Difracción de Rayos X de Mezclas de HDPE y Coque Metalúrgico de (Fig. 2a) 30% de HDPE sin Procesar+70% de Coque Met y (Fig. 2b) 30% de HDPE+70% de Coque Met después de la Combustión"); la Figura 3 muestra un primer diagrama esquemático de una configuración de horno de resistencia de tubo horizontal para un planteamiento de gotas sésiles, como se describe en el Ejemplo 1 (cuyo título es "Diagrama Esquemático de Horno de Tubo Horizontal"); las Figuras 4a y 4b muestran gráficas de la absorción de carbono (% de contenido de carbono) a través del tiempo, para dos conducciones experimentales como se describe en el Ejemplo 2, para un coque metalúrgico al 100% así como también para una mezcla de 30% de polietileno de alta densidad y 70% de coque metalúrgico (cuyo título es "Absorción de Carbono de una Mezcla de 70% de Coque Met y 30% de HDPE por el Hierro Líquido a 1550°C (Fig. 4a) Corrida Experimental #1 y (Fig. 4b) Corrita Experimental #2"); la Figura 5 muestra un diagrama esquemático de un horno de gota-tubo, como se describe en el Ejemplo 3 (cuyo título es "Diagrama Esquemático de Horno de Gota-Tubo"); la Figura 6 muestra un segundo diagrama esquemático de una configuración de horno de resistencia de tubo horizontal para un planteamiento de gotas sésiles, como se describe en el Ejemplo 3 (cuyo título es "Diagrama Esquemático de Horno de Tubo Horizontal"); y la Figura 7 muestra una gráfica de absorción de carbono (% de contenido de carbono) a través del tiempo, para una conducción experimental como se describe en el Ejemplo 3, para un coque metalúrgico al 100% así como también una mezcla de 30% de Baquelita y 70% de coque metalúrgico (cuyo título es "Gráfica de Absorción de Carbono de una Combinación de Baquelita/Coque con el Tiempo en Comparación con el Coque"); la Figura 8 muestra un diagrama esquemático de un proceso de arco eléctrico para la producción de una aleación de hierro tal como el acero (cuyo título es "Diagrama Esquemático del Proceso de Fabricación de Acero en EAF"); la Figura 9 muestra un detalle esquemático de un horno de arco eléctrico que es sangrado dentro de un balde (cuyo título es "Sangría de Acero desde el EAF dentro de un Balde" ) ; la Figura 10 muestra un detalle esquemático del balde de la Figura 9 (cuyo título es "Balde en un Carro de Transferencia en el Horno Metalúrgico de Balde"); las Figuras lia y 11b muestran respectivamente las vistas en perspectiva lateral y superior de un bulto de huellas de neumático adecuado para la adición a un balde para sangría; y las Figuras 12a a 12c representan gráficamente de manera respectiva la absorción (en % por muestra de 10 kg) de plástico (caucho de desecho) y recarburizador de carbono estándar (cuyos títulos son "12a Desplazamiento Verde E535, 12b Prueba en LF, 12c Datos Estandarizados").

Figura 12a - en un balde de transferencia; Figura 12b - en un horno de balde; y Figura 12c - datos estandarizados.

Descripción Detallada de la Invención Se asumió que un polímero que contenía carbono (por ejemplo un plástico de desecho o un caucho de desecho) se podía introducir en la producción de aleaciones de hierro (por ejemplo acero) para funcionar como un recarburizador (es decir para "ajustar" el contenido de carbono en la aleación) en etapas que ocurren después de la formación de aleación de hierro básica (por ejemplo después de la formación de acero en un horno alto y un horno al oxígeno básico o después de la formación de acero en un horno EAF) . En este respecto, se asumió que el polímero que contenía carbono puede funcionar como un recarburizador en cualquiera o ambos del balde de transferencia y el horno metalúrgico de balde.

Actualmente en todo el mundo, existen dos rutas de proceso principales para la fabricación de acero: la ruta de "Molino Integrado", la cual produce hierro a partir de mineral y coque y luego convierte el hierro en acero y la ruta de "Mini -Molino" , la cual produce acero a partir de acero de chatarra. Las diferencias principales entre las dos rutas son el tipo de hornos utilizados para producir el acero. Sin embargo, para ambos procesos son comunes la transferencia del acero fundido dentro de baldes, el ajuste de la temperatura del acero y la composición en los baldes utilizando un Horno Metalúrgico de Balde (LMF, por sus siglas en inglés) y el vaciado del acero (por ejemplo utilizando una Máquina de Vaciado Continuo (CCM, por sus siglas en inglés) ) .

Un molino integrado produce hierro fundido con alto contenido de carbono en un horno alto cargado con mineral de hierro, coque, flujos y alimentado con una ráfaga de aire caliente. El hierro del horno alto se transfiere en su estado fundido a uno o más Hornos al Oxígeno Básico (BOFs) . El oxígeno se utiliza para eliminar la mayoría del carbono para convertir el hierro en acero con bajo contenido de carbono. Hasta 25% de la carga de BOF puede ser acero pesado, chatarra, sólido. El ajuste del acero para el contenido de carbono luego se realiza subsecuentemente.

Un mini-molino utiliza uno o más Hornos de Arco Eléctrico (EAFs) para fundir el acero de chatarra sólido, el cual puede consistir de chatarra pesada, chatarra ligera y lingote de hierro (de hornos altos) . El oxígeno se utiliza para eliminar el carbono y otras impurezas del acero fundido, tales como silicio, aluminio y manganeso, los cuales reaccionan con el oxígeno para formar óxido de silicio (Si02) , óxido de aluminio (Al203) y óxido de manganeso (MnO) . Una gran cantidad de hierro también reacciona con el oxígeno inyectado para formar óxido de hierro (FeO o Fe202)¦ El óxido de calcio (CaO) y el óxido de magnesio (MgO) se agregan al horno con el propósito de construir una capa de escoria sobre la parte superior del acero. Esta capa de escoria atrapa los diversos óxidos de impurezas que han sido calcinadas del acero junto con un porcentaje de óxido de hierro, y protege al material refractario que recubre el horno de un ataque químico por óxidos de impurezas y también disminuye la pérdida de calor de los arcos hacia el techo y las paredes laterales del horno.

Una vez que la composición y la temperatura del acero son correctas, el horno eléctrico es sangrado. Esto involucra la transferencia del acero del horno a un balde, donde el acero puede ser movido en su estado fundido al LMF . Un diagrama esquemático del proceso de producción de EAF se muestra en la Figura 5. La Figura 6 muestra un detalle del acero que es sangrado dentro de un balde y la Figura 7 muestra un detalle del balde en el cual puede tener lugar una primera etapa de ajuste del acero.

Durante la sangría, el carbono ( "recarburizador" ) en una forma relativamente pura (típicamente carbono de grado metalúrgico) se agrega al acero (conocido como "recarburación") para llevarlo a una especificación deseada.

El carbono de grado metalúrgico es granulado y forma una parte comparativamente costosa del proceso. Varias aleaciones de hierro también se agregan al acero para mejorar las propiedades físicas del metal. De esta manera, se condujeron investigaciones en sustitutos de carbono alternativos que hasta ahora no se consideraban adecuados.

Ej emplos Los ejemplos no limitantes de métodos para producir una aleación de hierro ahora se proporcionarán. Los Ejemplos 1, 2 y 3 proporcionan datos experimentales derivados de laboratorio que sostienen que el carbono en un polímero que contiene carbono (plástico de desecho) es capaz de disolverse en un metal fundido y de esta manera funciona como un recarburizador . El Ejemplo 4 proporciona datos reales de una prueba en el lugar para un polímero que contiene carbono (caucho de desecho) como recarburizador en un balde de transferencia y en un horno de balde.

La metodología de los Ejemplos 1 a 3 implica la eliminación de material volátil (VM) antes de la prueba de disolución de carbono, mientras que el método del Ejemplo 4 (que es una prueba en el lugar) no implica esta eliminación previa. De esta manera, los datos de los Ejemplos 1 a 3 no son comparables directamente con los datos del Ejemplo 4.

También se debe tener en cuenta que el tipo y calidad del coque metalúrgico que se empleó variaron entre los Ejemplos 1 y 2 y el Ejemplo 3 y se observó que esta variación contribuía a diferentes resultados sobre la 'disolución de carbono en el acero líquido. De esta manera, una comparación directa no tiene aplicación entre los resultados de los Ejemplos 1 y 2 y el Ejemplo 3.

Se observó además que se podía realizar una experimentación sobre los efectos de las características del coque y también las características del plástico de desecho, por lo cual esas características podrían ser optimizadas para mejorar la disolución de carbono en el acero líquido.

Ejemplo 1 - Disolución de Carbono/Recarburación de Plásticos de Desecho Los experimentos se condujeron para investigar la disolución del carbono de una mezcla de 30% de HDPE y 70% de coque metalúrgico en el acero líquido a 1550 °C para verificar la idoneidad para el uso en baldes y hornos de baldes. Los experimentos proporcionaron datos que representaban la caracterización de la muestra, incluyendo análisis inmediatos y patrones de rayos X, así como también los detalles y resultados de experimentos de disolución de carbono.

Caracterización de la Muestra Los residuos carbonáceos de mezclas de plásticos de desecho y coque metalúrgico que son utilizados para un estudio de disolución de carbono se prepararon por medio de la combustión en un horno de gota-tubo (DTF, por sus siglas en inglés) . Se descubrió que los residuos recolectados del DTF contenían un nivel de material volátil. Por lo tanto, se eliminó adicionalmente el material volátil de estos residuos utilizando un horno de tubo horizontal (HF) - Figura 3. Las muestras sin procesar y sus residuos carbonáceos recolectados del horno de gota-tubo y el horno de tubo horizontal se analizaron respectivamente por los porcentajes de carbono fijo, ceniza, material volátil (VM) y humedad y sus estructuras se caracterizaron utilizando la difracción de Rayos X.

Análisis Inmediato Los datos de los análisis inmediatos de las muestras se obtuvieron y se muestran en la Tabla 1. Para el material de referencia - coque metalúrgico (Coque Met) - el contenido de carbono fijo de las muestras sin procesar y las muestras después de la combustión en el horno de gota-tubo y el horno de tubo horizontal casi fue constante a 64.5%. Por lo tanto, se entendió que la combustión del Coque Met en el horno de gota-tubo y el horno de tubo horizontal no cambió su contenido de carbono bajo las condiciones experimentales. Cuando el Coque Met se mezcló con plásticos, el contenido de carbono fijo incrementó después de la combustión en el horno de gota-tubo y el horno de tubo horizontal, mientras que el material volátil disminuyó significativamente.

Tabla 1 - Análisis Inmediato de Muestras de HDPE y Coque Met Difracción de Rayos X Los patrones de difracción de rayos X de residuos carbonáceos de mezclas de HDPE y coque se obtuvieron utilizando un difractómetro de rayos X D5000MR de Siemens. El Coque Met sin procesar y los plásticos sin procesar se analizaron en primer lugar, seguidos por sus mezclas. Luego, sus residuos después de la combustión en el horno de gota-tubo y la eliminación adicional del material volátil en el horno de tubo horizontal se caracterizaron. El coque metalúrgico se consideró como el coque de referencia y todos los patrones de rayos X de las mezclas se compararon con éste. Los patrones de rayos X para todas las muestras carbonáceas se muestran en las Figuras la-lb y 2a-2b. A partir de estas Figuras, fue claro que las mezclas sin procesar muestran picos de intensidad altos de hidrocarburos (plásticos) . Después de la combustión en el horno de gota-tubo y el horno de tubo horizontal, el patrón de rayos X de las muestras de residuos aún exhibe un pico de hidrocarburo de plásticos que tienen una baja intensidad. Esto indicó que los plásticos serían adecuados para el uso como recarburizador .

Ejemplo 2 - Detalles Experimentales para la Disolución de Plásticos de Desecho La disolución de carbono de coque metalúrgico al 100% y la mezcla de 30% de HDPE y 70% de coque metalúrgico se investigó utilizando la técnica de gotas sésiles. En primer lugar, el material a ser investigado se molió y se tamizó para obtener partículas de una dimensión menor que 1 mm y luego se quemó en el horno de gota-tubo a 1200 °C en una atmósfera de 80% de nitrógeno y 20% oxígeno. Se descubrió que el residuo recolectado del horno de gota-tubo tenía un alto contenido de material volátil. De esta manera, se eliminó nuevamente el material volátil en el horno de tubo horizontal a 1200 °C en una atmósfera de argón durante 15 minutos. El residuo recolectado se molió nuevamente en polvo utilizando una máquina moledora y luego se utilizó para el experimento de disolución de carbono.

Para hacer el substrato, se utilizó aproximadamente 1.6 g de la muestra de residuo. El residuo se compactó en un troquel de acero bajo una carga de 7 KN aplicada utilizando una prensa hidráulica. El substrato obtenido del troquel tenía un área de superficie superior de 3.14 cm2. El substrato se colocó en un soporte de muestra de grafito y luego se colocaron aproximadamente 0.5 g de hierro puro electrolítico (99.98% de Fe) en el centro del substrato. El experimento de disolución de carbono se condujo bajo una atmósfera de argón inerte a 1550°C. El ensamblaje de gotas sésiles se colocó primero en la zona fría del horno de tubo horizontal donde la temperatura era de aproximadamente 1200°C para proteger al soporte de la muestra del choque térmico y permitir que el material volátil escapara del substrato. Después de aproximadamente 15 minutos se empujó dentro de la zona caliente donde la temperatura era de 1550 °C. El generador temporal inició el conteo una vez que el metal se fundió y formó una gota líquida. La muestra se enfrió rápidamente después de l, 2, 4, 8, 15, 20, 30 y 60 minutos. Durante el experimento, la reacción dentro del horno se observó utilizando una cámara CCD. Después del experimento de las gotas sésiles, el contenido de carbono comprendido en la gota se midió utilizando un analizador LECO de carbono-azufre (modelo CS 230) . El diagrama esquemático del horno de tubo horizontal se presenta en la Figura 3.

Resultados Experimentales La absorción de carbono de los substratos carbonáceos por el hierro líquido se obtuvo y se muestra en las Figuras 4a-4b. Se observó claramente que la absorción de carbono por el hierro el cual reacciono con el substrato de 30% de HDPE + 70% de Coque Met fue más alta que el hierro el cual reaccionó con coque metalúrgico.

Ejemplo 3 Disolución de Carbono Utilizando una Combinación de Baquelita/Coque Selección y Preparación de los Materiales En este ejemplo, se empleó hierro puro electrolítico (99.98% de Fe). Los materiales carbonáceos investigados incluyen coque metalúrgico puro y combinaciones de coque con Baquelita. La Baquelita (Formaldehído de Fenol) es un material termoendurecible de alta reticulación, producido por medio de la condensación-polimerización de fenol y formaldehído. La Baquelita consiste de átomos de C, H y O. La composición química depende de la relación relativa utilizada de fenol con respecto a formaldehído (1:1 o 1:2). Sin embargo, el CaC03 se agrega comúnmente en la baquelita de grado comercial como material de relleno.

Para preparar las muestras, la Baquelita y el coque se combinaron en una relación de 30% y 70% respectivamente. La mezcla se trituró en una machacadora de mandíbulas, se tamizó hasta un tamaño menor que 1 mm y luego se mezcló de manera homogénea en un molino de bolas. La mezcla se alimentó dentro de un horno de gota-tubo (DTF) a una velocidad de 0.52 g/minuto y se calcinó a 1200 °C en una atmósfera de 20% de 02 y 80% N2. Un diagrama esquemático del horno de gota-tubo se muestra en la Figura 5.

Los residuos carbonaceos se analizaron por medio de un análisis inmediato y análisis de ceniza. Los valores del análisis inmediato de todos los carbones residuales se muestran en la Tabla 2 e incluyen carbono fijo, ceniza, material volátil y contenidos de azufre. La composición química de la ceniza en las muestras de residuos también se analizó y se reporta en la Tabla 3.

Tabla 2 Análisis Inmediato Conposición de Ceniza Si¾ A12C¾ FeA CaO P2O5 Ti<¾ MgO K20 Na20 SO3 Mn304 (% en peso) Coque 61.10 32.10 1.60 0.71 0.68 1.00 0.17 0.29 0.19 0.13 0.05 Baquelita/ 47.30 22.80 2.20 18.30 0.52 0.77 1.70 0.35 0.18 3.50 0.13 Coque Disolución de Carbono Los experimentos de disolución de carbono se llevaron a cabo utilizando el método de gotas sésiles. El método de gotas sésiles se empleó para estudiar la transferencia de carbono dentro del hierro líquido, así como también los fenómenos interfaciales durante el humedecimiento de grafito/Fe y coque/Fe. Para hacer un substrato, aproximadamente 1.6 g del residuo en polvo recolectado del DTF se colocó en un troquel y se compactó por medio de la aplicación de 75 K de fuerza utilizando una prensa hidráulica. El substrato, con un área de superficie superior de 3.14 cm2, se colocó sobre un soporte de muestra de grafito. Aproximadamente 0.5 g de hierro puro electrolítico (99.98% de Fe) se colocó en el centro del substrato. Este ensamblaje se colocó primero en la zona fría de un horno de tubo horizontal donde la temperatura era de 1200°C y se selló mientras que el gas de Ar fluía a través del horno a la velocidad de 1.0 L/minuto. Después de aproximadamente 15 minutos, el ensamblaje se insertó en la zona caliente donde la temperatura era de 1550°C. Se observó que el tiempo de reacción inició cuando el metal se fundió completamente y formó la gota. Las muestras se enfriaron rápidamente después de 1, 2, 4, 8, 15, 20, 30, 60 y 180 minutos al deslizar el ensamblaje dentro de la zona fría terminando de esta manera las reacciones que ocurrieron sobre la interfaz del metal/carbono. El diagrama esquemático del horno de tubo horizontal se presenta en la Figura 6.

Después del experimento, el contenido de carbono de la gota de metal se midió utilizando un analizador de Carbono-Azufre (LECO CS 230) . La interfaz de metal/carbono y los productos de reacción se investigaron utilizando un Microscopio Electrónico de Exploración (SEM, por sus siglas en inglés Hitachi 3400X) acoplado con una Espectroscopia por Dispersión de Energía (EDS, por sus siglas en inglés) .

Resultados La absorción de carbono de la combinación de Baquelita/Coque por el hierro líquido en comparación con el coque se representó en una gráfica con el tiempo y se muestra en la Figura 7. Los datos se tabularon y se presentan en la Tabla 4.

Tabla 4 Absorción de carbono de la combinación de Baquelita/Coque con el tiempo en comparación con el coque Tiempo (min) % de Carbono Absorbido Coque Baquelita/Coque 1 0.07812 0.1323 2 0.08280 0.1265 4 0.08333 0.1362 8 0.06800 0.1318 15 0.08702 0.1469 20 0.10690 0.1405 Tiempo (min) % de Carbono Absorbido Coque Baque1 ita/Coque 30 0.07326 0.1719 60 0.10170 0.1927 180 0.26540 0.34840 Ejemplo 4 - Recarburación en Balde de EAF y Horno de Balde EAF Utilizando Plástico de Desecho y Neumáticos de Desecho Las pruebas experimentales se condujeron en un proceso de producción de acero de EAF para investigar el uso de material polimérico como recarburizador en operaciones de fabricación de acero. El objetivo de las pruebas era reemplazar un porcentaje del material recarburizador relativamente costoso (carbono de grado metalúrgico que cuesta alrededor de $650/tonelada) en el uso actual con polímero de desecho (que se puede obtener a un costo significativamente menor) . De esta manera, se entendió que el reemplazo del material de carbono tendría beneficios en términos de costo pero también en términos del impacto ambiental .

El primer polímero sometido a prueba fue un polietileno de alta densidad (HDPE) el cual se observó que contenía aproximadamente 85% de carbono enlazado y 15% de hidrógeno enlazado en comparación con el recarburizador existente que contenía aproximadamente 95% de carbono. La primera prueba se condujo utilizando plástico virgen preferiblemente que material reciclado para optimizar las condiciones y proporcionar una factibilidad de conversión al material reciclado.

La mayoría de pruebas se condujeron con una carga de polímero en el balde de EAF justo antes de la sangría, sin embargo las pruebas adicionales también se condujeron en el horno de balde. El polímero se agregó al balde mientras que estaba en la isla antes de ser movido a la posición de sangría. 10 kg de polímero se pesaron en compartimientos listos para ser agregados al balde. Una vez que se tomó la muestra del horno de arco eléctrico, la cantidad de recarburizador requerida se tomó de una receta. El polímero luego se agregó al balde (10 kg) y se permitió que los materiales volátiles se calcinaran, dejando un residuo con alto contenido de carbono. El recarburizador normal (conocido) se agregó opcionalmente sobre la parte superior de esto de acuerdo con la receta. El balde luego se movió a la posición de sangría y se sangró.

Las pruebas en el horno de balde se realizaron con la llegada donde el material polimérico se agregó sobre la parte superior del acero encima del tapón poroso y se permitió que se disolviera. Los datos tomados para el balde de EAF fueron el contenido inicial de carbono, plástico agregado, recarburizador agregado, carbón de llegada al balde. Los datos tomados para el horno de balde fueron carbón de llegada, polímero agregado, recarburizador agregado y carbón de partida del horno de balde. Estos datos se compararon con las temperaturas normales y los Resultados Experimentales se plantean posteriormente.

Se descubrió que los aditivos poliméricos derivados de neumáticos y bandas se agregan óptimamente como bultos de esteras, que tienen típicamente un peso alrededor de 10 kg y un volumen aproximado de 300x300x300 mm3 , como se muestra en las Figuras lia y 11b. Los bultos se agregaron con la mano al balde. Las aleaciones de hierro también se agregaron en la forma de conglomerados de metal de aproximadamente 50 mm de ancho y se agruparon en tolvas antes de ser alimentados por la gravedad dentro del balde. Estas aleaciones se agregaron a la mitad del camino a través del proceso de sangría. Una proporción de carbono se agregó opcionalmente justo antes de que el EAF fuera sangrado o justo después de que comenzara el proceso de sangría.

Los bultos de esteras se formaron y se dimensionaron para minimizar el área de superficie del bulto con relación a su masa (por ejemplo una forma óptima puede aproximarse a un bulto de forma generalmente esférica) . Se observó que esto proporciona una disolución máxima en el metal fundido del carbono en el polímero y minimiza la cantidad de carbono en el bulto de polímero que se quema o gasifica. También permitió que el metal fundido cubriera rápidamente el bulto, restringiendo de esta manera el flujo de oxígeno al bulto, reduciendo adicionalmente por lo cual la combustión y gasificación del carbono en el bulto.

Los pasos de proceso fueron de la siguiente manera: 1. El balde se desmontó del pre-calentador y se colocó en el carro de balde. 2. El operador del horno de balde inspeccionó la mampostería del balde por un posible daño y lijó la tobera deslizante . 3. El balde se transfirió al EAF para la sangría. 4. Antes de ser movido bajo el agujero de sangría, las adiciones de carbono en la forma de bolsas de 10 kg de coque se agregaron al balde, de acuerdo con el porcentaje de carbono en el acero. Donde solo estaba siendo utilizado el recarburizador de polímero, se omitió este paso. Una vez que el número requerido de bolsas se había agregado, el balde se movió bajo el agujero de sangría. 5. Las barras de aluminio (30-80 kg) se agregaron a la base del balde para reducir la oxidación de la aleación durante la sangría. El recarburizador de polímero luego se colocó sobre la parte superior de esas barras. 6. El agujero de sangría se abrió y las esteras/bultos (Figuras lla-llb) del recarburizador de polímero se continuaron agregando al balde en lotes de 10 kg, de acuerdo con el porcentaje de carbono requerido en el acero/aleación. 7. Las adiciones de aleación, tales como aleaciones de hierro, se agregaron al balde una vez que estaba completo un cuarto del balde. 8. Las adiciones de flujo se agregaron al balde poco después de las adiciones de la aleación. Dependiendo del grado del acero que se hace, lo cual estipuló la cantidad de recarburizador que se agregaba al balde, algunas de las adiciones de carbono también se agruparon en tolvas, antes de la alimentación por gravedad dentro de la aleación fundida en el balde. Se observó que el recarburizador de polímero se podía agregar durante la sangría del horno y también en el horno de balde .

Resultados Experimentales Las pruebas se condujeron durante un comúnmente llamado "Desplazamiento Verde ES35" ("ES35 Green Shift") y se compararon con los resultados de absorción de recarburizador normal que ocurrieron usualmente durante el Desplazamiento Verde ES35. Los resultados de % de carbono absorbido se representan gráficamente en la Figura 12a. Estos resultados indican un nivel aceptable de absorción de carbono a partir del uso de un recarburizador de polímero. Todos los valores de carbono se tomaron de mediciones Celox (para consistencia) y se compararon con las muestras de LF de llegada. Los resultados para la columna etiquetada como "PLASTICO" son para 20 kg de plástico y el resto comprendía recarburizador normal. El diagrama muestra la absorción por 10 kg de material agregado. La Figura 12a muestra que el plástico como recarburizador es menos eficiente en peso que el recarburizador puro, sin embargo esta diferencia se atribuyó en parte a la diferencia en el porcentaje de carbono enlazado en los dos materiales (es decir menos carbono en el plástico) . Se observaron tendencias similares en la prueba del Horno de Balde como se muestra en la Figura 12b.

Para calcular la contribución de los diferentes componentes en la mezcla, el peso del plástico se multiplicó por 0.85 y el recarburizador por 0.95, asumiendo que todo el carbono enlazado se disolvió en el acero. El resultado de este cálculo se representó gráficamente y se muestra en la Figura 12c. Solo hubo un ligero incremento en la disparidad entre el "PLASTICO" y el "RECARBURIZADOR" .

A partir de este análisis se observó que la forma particular del recarburizador de carbono de grado metalúrgico dio por resultado una absorción más eficiente que aquella que surge de la forma del recarburizador de polímero. La diferencia se atribuyó a pérdidas de carbono de emisiones gaseosas (es decir en la forma de C0/C02) por lo cual una porción del polímero se quemó al contacto con la aleación fundida.

A partir de esto, el formato (por ejemplo forma y dimensión) del polímero se optimizó para mejorar y minimizar esta combustión. En este respecto, la reducción de la cantidad del área de superficie del recarburizador de polímero mientras que incrementaba su masa, en cada adición, tuvo que ser optimizada adicionalmente .

En general, los experimentos demostraron que los plásticos de desecho y el caucho de desecho pueden proporcionar una alternativa efectiva para el coque y el grafito para la recarburación de aleaciones de hierro. De esta manera, se proporciona un medio efectivo para utilizar y consumir las vastas cantidades de plásticos y cauchos de desecho en la sociedad.

Mientras que se ha descrito una variedad de modalidades específicas, se debe apreciar que el método se puede incorporar en muchas otras formas .

Por ejemplo, mientras que se han descrito plásticos de desecho y cauchos de desecho específicos, se apreciará que el polímero que contiene carbono puede venir de una amplia variedad de fuentes que incluyen (pero que no están limitadas a) polímero de desecho de electrodomésticos, alfombra de desecho (especialmente subcapas) , residuos de chatarra de automóviles, materiales textiles, materiales de desecho de la construcción y otras formas de desechos industriales y domésticos. Se prefieren las fuentes que representan actualmente un problema de eliminación o ambiental.

En las reivindicaciones que siguen, así como también en la descripción anterior, las palabras "que comprende" (y sus variantes gramaticales "comprenden" y "comprende") se utilizan en un sentido inclusivo y no en un sentido exclusivo o "que consiste únicamente de", por lo cual se pueden asociar características adicionales con las características expuestas.

Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims (15)

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones:

1. Un método para recarburar una aleación de hierro fundida en un balde o un horno de balde, caracterizado porque comprende el paso que consiste en agregar un polímero que contiene carbono al balde o al horno de balde, en donde el polímero está adaptado para funcionar como un recarburizador de la aleación de hierro.

2. Un método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el formato del polímero que contiene carbono está adaptado de tal manera que promueve la disolución de carbono del polímero dentro de la aleación de hierro fundida.

3. Un método de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque la adaptación del formato de polímero que hace posible que funcione como un recarburizador comprende el paso que consiste en optimizar la forma y configuración del polímero para ser agregado al balde o al horno de balde antes de cargarse.

4. Un método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el polímero que contiene carbono comprende capas de polímero unidas conjuntamente para formar un bloque.

5. Un método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque: - para un balde, el polímero que contiene carbono se agrega dentro del balde antes de la sangría de la aleación de hierro fundida dentro del mismo; - para un horno de balde, el polímero que contiene carbono se agrega dentro del horno con o sobre la aleación de hierro fundida del balde.

6. Un método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el polímero que contiene carbono es un plástico o caucho de desecho.

7. Un método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el caucho es de un neumático o banda usada.

8. Un método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la aleación de hierro producida es acero o una aleación de acero.

9. Un método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque, además del polímero que contiene carbono, otra fuente de carbono se agrega dentro del balde o el horno de balde, con la otra fuente de carbono que es uno o más de carbón mineral, coque, carbón, carbón vegetal y/o grafito.

10. Un método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el balde o el horno de balde forma parte de un proceso de fabricación de acero de arco eléctrico.

11. El uso de un polímero que contiene carbono como recarburizador de una aleación de hierro en un balde o un horno de balde .

12. El uso de conformidad con la reivindicación 11, en donde el polímero que contiene carbono es de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, 6 o 7.

13. Un método para recarburar una aleación de hierro fundida, caracterizado porque comprende el paso que consiste en poner en contacto la aleación con un polímero que contiene carbono que puede funcionar como recarburizador, por lo cual el polímero tiene un formato el cual, cuando hace contacto con la aleación de hierro fundida, promueve la disolución de carbono del polímero dentro de la aleación de hierro fundida.

14. Un método de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque el formato de polímero comprende una unidad que está dimensionada para minimizar su área de superficie expuesta con relación a su masa.

15. Un método de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado porque la dimensión del polímero es optimizada para el balde u horno de balde determinado.