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

• Autor: Rodríguez Ramos, Cristian Saul
• Formato: tesis de grado
• Fecha de Publicación: 2023
• Institución: Universidad Nacional de Ingeniería
• Repositorio: UNI-Tesis
• Lenguaje: español
• OAI Identifier: oai:cybertesis.uni.edu.pe:20.500.14076/27029
• Enlace del recurso: http://hdl.handle.net/20.500.14076/27029
• Nivel de acceso: acceso abierto
• Materia: Cascarillas de piezas de acero fundido; Reducción carbotérmica; Modelos cinéticos; Biomasas; Estimación de parámetros cinéticos; https://purl.org/pe-repo/ocde/ford#2.07.05

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.