Estudio comparativo de la reducción carbotérmica de cascarillas de piezas de acero fundido producidas en el tratamiento térmico usando carbón antracítico y vegetal

Abstract

El presente trabajo de investigación realizó una comparación entre la reducción carbotérmica de cascarillas de piezas de acero fundido producidas en el tratamiento térmico usando carbón antracítico y carbón vegetal. La metodología de trabajo fue colectar, homogenizar y preparar mecánicamente muestras de cascarillas de acero de MEFICO SRL, así como, dos tipos de carbones: antracítico y vegetal. Seguidamente, se realizaron análisis químicos, DRX, FTIR, MEB y algunas determinaciones físicas como: análisis granulométrico, densidad real y aparente, y cubicación de solo las muestras de cascarilla de acero. Los carbones fueron analizados térmicamente (análisis inmediato de carbonos y reactividad al dióxido de carbono). Se estableció un diseño de experimentos usando el método factorial 23, para interpretar las interacciones lineales, de dos y de tres términos de los factores: peso de cascarillas de piezas de acero entre el peso de carbones: carbón antracítico y vegetal (WCA/Wca y WCA/WCV); temperatura y tiempo de reducción carbotérmica sobre el % Reducción carbotérmica usando el programa estadístico MINITAB versión 2021, para finalmente estimar parámetros cinéticos de reducción carbotérmica usando los clásicos modelos de reducción de minerales de hierro (MRQI(se), MRQI (sc) y MNA (n/p)). Las cascarillas de acero procedentes de la manufactura de acero al manganeso de MEFICO SRL, contienen hierro (Fe) 74.85%, y manganeso (Mn) 11.69%. Este hierro está en la forma de wustita (FeO), 65.18%; seguido del óxido de cromo y manganeso o cromato de manganeso (MnCr2O4) con 21.11% y sulfato de manganeso (MnSO4) con 4.96%. Por otra parte, los agentes reductores: carbón antracítico y vegetal mostraron reactividades frente al dióxido de carbono de 91 y 96 %, respectivamente, asimismo, el carbón vegetal (CV) presentó un mayor contenido de Carbón Fijo, menor tenor de Cenizas y mayor % Materias Volátiles en comparación con el carbón antracítico (ca), lo cual hizo viable este estudio comparativo de reducción carbotérmica de cascarillas de acero. Para la reducción carbotérmica de la cascarilla de acero usando carbón antracítico se obtuvo un máximo porcentaje de reducción de 64% para un WCA/Wca igual a 0.33, a 1100°C y 60 min. Las interacciones de los factores lineales sobre el %Red., a, fueron: (A) WA/Wca resultaron negativas y poco significativas, en cuanto a los efectos positivos: (B) Temperatura, K, este tuvo una contribución positiva y muy alta o significativa y (C) Tiempo, min (1.5) fue la menos significativa. Este análisis puede organizarse así: B >>>> C > A. El mejor modelo de estimación de parámetro cinéticos para este proceso fue el MRQI (sc) obteniéndose una Ea y A iguales a 38.82 kJ/mol y 2.97 mHz respectivamente, y una correlación lineal (R2) de 0.9999. En el caso de la reducción carbotérmica de la cascarilla de acero usando carbón vegetal un máximo porcentaje de reducción fue alcanzado a 72.51%, para WCA/WCV igual a 0.33, a 1100°C y 60 min. Las interacciones lineales de los tres factores sobre el %Red., a, se describen como sigue. A: WA/WCV resultó negativo, con relación a los efectos positivos, C: Tiempo, min, este tuvo una contribución positiva y alta, y B: Temperatura, K fue la menos significativa. Este análisis se resume así: C > B > A. El mejor modelo de estimación de parámetro cinéticos para este proceso fue el MNA (n/p) obteniéndose una Ea y A iguales 28.89 kJ/mol y 5.54 mHz respectivamente y una correlación lineal (R2) de 0.9927. También, pudo comprobarse que, a mayor temperatura y tiempo de reducción, tanto el % Reducción (a) y la velocidad de reacción también se incrementan, mientras que los WCA/Wca y WCA/WCV tienen una relación inversa. Palabras Clave - Reducción carbotérmica, Biomasas, Cascarillas de piezas de acero fundido, Carbón antracítico y vegetal, Modelos cinéticos, Estimación de parámetros cinéticos.

The present research work carried out a comparison between the carbothermal reduction of steel casting scale produced in the heat treatment using anthracite and charcoal. The work methodology was to collect, homogenize and mechanically prepare steel scale samples from MEFICO SRL, as well as two types of coals: anthracite and charcoal. Then, chemical analysis, XRD, FTIR, SEM and some physical determinations were carried out, such as: granulometric analysis, real and apparent density and cubing of only the steel husk samples. The coals were thermally analyzed (immediate carbon analysis (proximate analysis) and reactivity to carbon dioxide). A design of experiments was established using the 23 factorial method, to interpret the linear, two- and three-term interactions of the factors: weight of steel pieces husks between the weight of coals: anthracitic and charcoal (WCA/Wca and WCA/WCV); temperature and time of carbothermal reduction on %Carbothermal reduction using the statistical program MINITAB version 2021, to finally estimate kinetic parameters of carbothermal reduction using the classical iron ore reduction models (MRQI(se), MRQI (sc) and MNA (n/p)). The steel scales from the manganese steel manufacturing of MEFICO SRL, contain iron (Fe) 74.85%, and manganese (Mn) 11.69%. This iron is in the form of wustite (FeO), 65.18%; followed by chromium manganese oxide or manganese chromate (MnCr2O4) with 21.11% and manganese sulfate (MnSO4) with 4.96%. On the other hand, the reducing agents: anthracitic and vegetable coal showed reactivities against carbon dioxide of 91 and 96 %, respectively, likewise, vegetable coal (CV) presented a higher content of fixed carbon, lower ash content and higher % of volatile matter compared to anthracitic coal (ca), which made this comparative study of carbothermal reduction of steel scale viable. For the carbothermal reduction of steel scale using anthracite coal, a maximum reduction percentage of 64% was obtained for WCA/Wca equal to 0.33, at 1100°C and 60 min. The interactions of the linear factors on the %Red, a, are: A: WA/Wca resulted negative and insignificant, as for the positive effects: (B) Temperature, K, this had a positive and very high or significant contribution and (C) Time, min (1.5) was the least significant. This analysis could be organized as follows: B >>>> C > A. The best kinetic parameter estimation model for this process was the MRQI (sc) obtaining an Ea and A equal to 38.82 kJ/mol and 2.97 mHz respectively, and a linear correlation (R2) of 0.9999. In the case of the carbothermal reduction of steel scale using charcoal a maximum reduction percentage was reached at 72.51%, for WCA/WCV equal to 0.33, at 1100°C and 60 min. The linear interactions of the three factors on the %Red, a, were described as follows. A: WA/WCV which was negative, as for the positive effects, C: Time, min, this had a positive and high contribution, and B: Temperature, K was the least significant. This analysis can be summarized as follows: C > B > A. The best kinetic parameter estimation model for this process was the MNA (n/p) obtaining an equal Ea and A 28.89 kJ/mol and 5.54 mHz respectively and a linear correlation (R2) of 0.9927. Also, it could be verified that, at higher temperature and reduction time, both the % Reduction (a) and the reaction rate also increase, while the WCA/Wca and WCA/WCV have an inverse relationship.