Carbón

Características. Estructura. Propiedades. Productos eléctricos derivados. Aplicaciones. Soldadura eléctrica, con gas

  • Enviado por: James Veras
  • Idioma: castellano
  • País: República Dominicana República Dominicana
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EL CARBONEl carbón es una roca sedimentaria de color castaño oscuro a negro, formadoprincipalmente de los residuos carnacios no oxidados y tejidos vegetales. Setratan de una compleja mezcla combustible de materiales orgánicos, químicos yminerales hallados en extractos en el planeta y con una amplia variedad depropiedades físicas y químicas.El carbón esta compuesto principalmente por carbono, hidrogeno y oxigeno, concantidad mínima de nitrógeno, azufre y proporciones variables de humedad eimpurezas minerales.Tipos de carbón En su orden de desarrollo metamórfico son: lignito, hulla sub-bituminosa,hulla bituminosa y antracita.La “turba” es la primera fase del proceso de hullificación, que es en el queocurre un incremento gradual de contenido de carbono del material orgánicofósil, con el consecuente descenso en el contenido del oxigeno.ClasificaciónSe clasifica por rangos conforme a su grado de metamorfismo o alteraciónprogresiva en serie natural que va de lignito a antracita.Las normas más aceptadas para la clasificación de los carbones es la ASTM D388que clasifican los carbones conforme a calor fijo y poder o valor calorífico(Btu/lb.), calculado para la base libre del material mineral.Los carbones de rango más alto se clasifican por carbono fijo en el materialseco, y lo de rango más bajo se clasifican por valor calorífico del materialhúmedo.El carácter de aglomeración se usa para diferencial entre ciertos gruposadyacentes. El carácter de aglomeración se determina examinando el residuo quequeda después de la determinación volátir. Si el residuo soporta un peso de500 gr sin pulverizarse o si presenta estructura esponjada o celular se diceque es aglomerante.Clasificación conforme a carbones durosð Clasificación de ignito.ð El valor (lord) basado en el poder calorífico del material (sincenizas, azufre y mineral).ð La razón de Perch y Russell (basado en la razón de material húmedo libre de material mineral entre porcentaje de material volátil, de materialseco y de material mineral.PRODUCTOS ELECTRICOS DE CARBON Y MATERIALES PARA SU ELABORACIONA los productos eléctricos de carbón pertenecen las escobillas para máquinaseléctricas, electrodos para hornos eléctricos, carbones para alumbrado eléctrico, piezas de conexión, resistencias de carbón de valores altos y otros artículos.Todos los productos eléctricos de carbón se preparan con mezclas sólidas ylíquidas de ciertos materiales. Los más importantes son los materiales carbónicos que contienen mayor cantidad de carbón. A los materiales carbónicos pertenecen: el grafito natural, coque de petróleo y de carbón, negro de humo antracita y carbón vegetal. Además de los materiales carbónicos, en la composición de los productos electrocarbonicos entran metales pulverizados: plomo, cobre, estaño y otros. Los metales pulverizados se aplican en la preparación de escobillas eléctricas y piezas de contacto, destinados atrabajar bajo densidades de corrientes.Además de los materiales pulverizados, enumerados en la producción deproductos electrocarbonicos se aplican materiales aglutinantes yplastificantes, tales como alquitrán de carbón mineral y brea. El alquitrán decarbón mineral se presenta en estado líquido, mientras que la brea es unmaterial sólido que se reblandece a temperaturas de 50-140°C.Como sustancias aglutinantes se aplican también alquitranes sintéticos: deresol, silicioorganico y otros. Asimismo, los alquitranes sintéticos de carbónmineral y brea se utilizan para impregnar los productos elaborados deelectrocarbones, con el propósito de elevar su densidad y su resistenciamecánica; reducir el coeficiente de fricción (en las escobillas y en laspiezas de contacto). En calidad de impregnantes se usan materiales de cera,tales como parafina, ceresina, y también algunos metales, estaño, plomo yotros.PRODUCCION DE ARTICULOS ELECTROCARBONICOSTodos los materiales electrocarbonicos, con excepción del grafito y el negrode humo, se someten a calcinación, a temperaturas de 1200-1300°C. Lacalcinación previa tiene el propósito de separar de los materiales carbónicoslas sustancias volátiles y con ello reducir la retracción volumétrica de losproductos electrocarbonicos.Una vez calcinados se pulverizan en trituradoras, hasta reducirlos a polvo.Los materiales pulverizados, tomados en relaciones determinadas (carbónicos ymetálicos) se ligan cuidadosamente en mezcladoras. Después se agregan lassustancias aglutinantes (alquitranes y brea), las cuales se mezclan con lassustancias pulverizadas a temperaturas de 80-150°C, y se hacen pasar a travésde rodillos calientes y por medio de otras mezcladoras. La masa obtenida después del proceso de mezclas se enfría a temperaturaambiente, se muele y se tamiza a través de una criba. Como resultado de ello,se obtiene el polvo listo para ser prensado (prensa de polvo). De este polvose preparan, por medio de prensado en moldes de acero, los diversos artículoselectrocarbonicos y bloques. De estos bloques se obtienen las escobillaseléctricas, por elaboración mecánica (corte y pulimento).El prensado de artículos electrocarbónicos se efectúa a temperatura ambiente oa 100 - 150 °C, dependiendo de las sustancias aglutinantes. En el caso deaglutinantes que se reblandecen o polemizan a altas temperaturas, el prensadotambién se realiza a esas temperaturas. La conformación de artículos en losmoldes se lleva a cabo a presiones especificas de 100 a 300 kg/cm3 , según lacomposición del polvo a prensar.La preparación de artículos alongados (carbones para alumbrado, bloques yotros), se realiza por el método de embutido de la masa plástica a través dela boquilla de la prensa.Los artículos electrocarbonicos obtenidos (y los bloques) se someten a untratamiento térmico de alta temperaturas -calcinación- en hornos especiales,que se efectúa a temperaturas de 200-900°C (productos metalocarbonicos) y de1000 a 1300°C. Para su calcinación, los productos electrocarbonicos seintroducen en cápsulas cerámicas refractarias.En este proceso tiene lugar el aglutamiento o unión de las partículas de losmateriales primarios y su cementación por el coke formado de las materiasaglutinantes de origen orgánico.Como resultado de la calcinación, los productos electrocarbónicos adquierenuna resistencia mecánica, que facilita la elaboración posterior. Con ello sereduce también la magnitud de su resistencia eléctrica específica. Losproductos electrocarbónicos que después de su calcinación contienen negro dehumo, coke y otros componentes no grafitosos, se someten a un tratamientotérmico adicional ( 2500 - 3600 °C), llamado grafitación. Bajo una exposiciónprolongada de los productos a temperaturas de 2500 - 3000°C, los componentesno grafitados de los artículos y la mayoría de las impurezas se evaporan.Como resultado de la grafitación, las escobillas y otros productos adquierencierta flexibilidad, disminuye su coeficiente de fricción y descienderápidamente su resistencia eléctrica específica. Los productos obtenidosdespués de la calcinación y grafitación se someten a impregnación con breafundida, alquitranes o sustancias a base de cera y en algunos casos con metales fundidos ( estaño, plomo y otros). Antes de la impregnación losartículos son secados para eliminar la humedad. La impregnación de estosartículos se realiza a temperaturas de 90 - 200°C y más, cuando la sustanciaimpregnante se encuentra en estado líquido. La impregnación tiene el propósitode eliminar la porosidad y reducir su higroscopicidad e introducir sustanciasgrasosas (de cera) y con ello rebajar la vibración en las escobillas duranteel trabajo de las máquinas eléctricas. La impregnanión de los productoselectrocarbónicos con metales eleva considerablemente su resistencia mecánicay aumenta su conductividad.Los productos impregnados y los no impregnados se someten a elaboraciónmecánica para darles su forma final y limpiar sus superficies. El materialelaborado ( bloques) para escobillas y otros artículos se cortas en trozospequeños por medio de fresadoras o con discos finos de carborundum en tornosespeciales. Después los productos se trabajan con discos de carborundum y herramientas de acero rápidas. Algunos tipos de escobillas eléctricas, despuésde su elaboración mecánica se recubren con una capa fina de cobre paragarantizar un contacto seguro entre los conductores de corriente y el cuerpode la escobilla y también entre éste y el portaescobilla ( de las máquinaseléctricas).Los conductores flexibles ( multifilamentarios) se aseguran al cuerpo de laescobilla por mandrilado, calafatco, soldadura o prensado. El mejor método esel de calafateo mediante el cual se procura un buen contacto entre elconductor y la escobilla.En los productos electrocarbónicos acabados se verifican las característicassiguientes: dimensiones, dureza, resistencia mecánica, resistencia eléctricaespecífica, caída de tensión entre la escobilla y el colector, coeficiente defricción, resistencia transitoria entre la escobilla y el conductor y algunasotras.USOS ACTUALES ( CALENTAMIENTO,GENERACION DE ELECTRICIDAD, FABRICACION DEACERO, ETC )Segun estadisticas compiladas por el U.S Department of energy, en añosrecientes el principal uso de los carbones producidos en EEUU se ha dado eninstalaciones generadoras de electricidad, (este uso comprende mas de un 80%de los casi 700 millones de toneladas cortas consumidas internamente), ademasla generacion de electricidad ha rep´resentado mas del 50% del consumo internoanual desde 1962. El segundo uso mas importante, que represento el 9.5% delconsumo total, fue la manufactura del coque.Esta demanda del carbon, mator que la existente en la decada de 1950, para la generacion de electricidad, ha venido declinando debido al surgimiento de procesos siderurgicos mas eficientes como : ð El mayor uso de desechos de metal. ð El incremento en el consumo de combustibles sustitutos en altoshornos..Y otros factores.La produccion coque a partir del carbon se realiza calentando ciertos carbonesen ausencia de aire para exúlsar humedad y materia volatil; A fin de obtenerun coque adecuado; el carbon padre debe tener ciertas propiedades como bajocontenido de cenizas y azufre, baja presion de coquizacion y elevada resistencia del coque resultante.Los hornos para sub-productos (que son los mas abundantes) reciben este nombrepor su capasidad de reutilizar los productos de desecho del calentamiento delcarbon, como : Gas del horno del coque, Alquitran, Amoniaco, Aceite,Sustancias quimicas utiles.El uso industrial del carbon exceptuando el que se hace en las plantas decoquizacion, comprendio el 8.5% del consumo interno de los EEUU; este grupoconsume carbon principalmente para generar vapor de elaboracion; tambien seusa para combustion abierta, como hornos de secar, calentadores detratamiento, etc. TIPOS Turba, material orgánico compacto, de color pardo oscuro y muy rico encarbono, que se forma como resultado de la putrefacción y carbonizaciónparciales de la vegetación en el agua ácida de las turberas. La formación deturba constituye la primera etapa del proceso por el que la vegetación setransforma en carbón. La turba seca, comprimida en ladrillos, se usa en muchos países de Europa,sobre todo en Irlanda, como combustible, aunque no es tan eficaz como elcarbón, debido a su elevado contenido en agua y cenizas La antrocita es la menor abundante de las formas de carbon mineral en estadosunidos, es llamado carbon duro; (color negro brillante, compacto) , dado quees la forma mas desarrollada en el proceso de hullificacion aveces seencuentra a mayores profundidades que la hulla bituminosa. Tiene el mayor contenido de carbono fijo y el menor contenido de materialvolátil de todos los tipos de carbón. Contiene aproximadamente un 87,1% decarbono, un 9,3% de cenizas y un 3,6% de materia volátil. Tiene un color negro brillante, una estructura cristalina y una fractura concoidal. Se utilizasobre todo como combustible y como fuente de carbono industrial.Aunque seinflama con más dificultad que otros carbones, la antracita libera una grancantidad de energía al quemarse y desprende poco humo y hollín. La antracita se formó principalmente hacia el final del periodo carboníferocomo consecuencia de movimientos telúricos que generaron calor y presión quetransformaron los materiales carbonosos que existían en la Tierra.Los principales productores mundiales de antracita son: China, la antiguaUnión Soviética, Corea del Norte, Corea del Sur, España, Alemania y EstadosUnidos. En EEUU las reservas mas importantes de los carbones antraciticos seencuentran en pennsylvania.La hulla bituminosa ( carbon suave ) esta entre la antracita y el lignito , yes la forma mas abundante y utlizada segun la ASTM, tiene entre 75% y 90% decarbono, y se divide en grupos de :ð Baja volatilidad -- Son granulosos, tienden a reducir de tamaño conla manipulacion. ð Media volatilidad -- Presenta distintas capas aveces, otras ademas de tener capas distintas que parecenhomogeneas.ð Alta volatilidad -- Son duras, menos sensibles a la reduccion detamaño Por la manipulacion.Las hullas sub-bituminosas, al igual que la antracita, el lignito suele ser noaglutinante.Los lignitos, Con frecuencia llamados ( carbon castaño ), a menudo conservanla estructura leñosa o laminar en la que suelen ser visibles remanentes defibras de madera es de calidad intermedia entre el carbón de turba y elbituminoso. Desde el punto de vista geológico, el lignito es de origen reciente pues seencuentra en los estratos del cretácico y del terciario. Suele tener colornegro pardo y estructura fibrosa o leñosa. Tiene una capacidad calorífica inferior a la del carbón común debido al grancontenido de agua (43,4%) y bajo de carbono (37,8%); el alto contenido de materia volátil (18,8%) provoca la desintegración rápida del lignito expuestoal aire. El calor del lignito es de 17.200 kJ por kg. Es muy frecuente en lospaíses de Europa y España.PROPIEDADES FISICO-QUIMICASExisten pruebas cualitativas y cuantitativas usadas para obtener informacionsobre los carbones; estas pruebas son de utilidad para el usuario y eldiseñador de equipo.1. Humedad porcentual. Se determina midiendo la perdida de peso de una muestrapreparada cuando se calienta a una temperatura entre 100°-110°C , en condiciones rigurosamente controladas.Esta humedad se llama residual y debe sumarse a las perdidas de humedadocurridas durante la preparacion de las muestras (perdidas de secado al aire).2. Material volatil porcentual , Se determina estableciendo la perdida que resulta de calentarlas a ( 950°c ) en ausencia de aire en condiciones controladas, ( Esta perdida de peso se corrige tomando en cuenta la humedad residual ).3. Porcentage de ceniza. Se determina pesando el residuo que queda despues dela combustion de una muestra preparada en condiciones rigurosamente controladas; La combustion se realiza en una atmosfera oxidante y a una temperatura de ( 750°c ) 4. Al carbono fijo. Es un valor calculando y se obtiene restando a 100 losporcentajes de materia volatil, humedad y ceniza.La cenizaEs un reciduo inerte que queda despues de la combustion del carbon y que puede plantear serias dificultades para los diseñadores y operadores de equipo de combustion, manejo de ceniza y control de la contaminacion.El contenido de ceniza en el carbón varía desde un 3% en peso paradeterminados carbones subbituminosos hasta un 28% para ciertos carbones mates.Su composición también puede variar mucho; la ceniza de carbón contienecarbonatos de sodio y potasio y grandes cantidades de silicato combinado conuna amplia gama de metales. La composición de la ceniza determina su punto defusión, es decir, la temperatura a la que forma escoria. Las temperaturas defusión más bajas son generalmente las del carbón con alto contenido desílice.Ademas, diversas propiedades fisico-quimicas de las cenizas puedencausar serios problemas de escorificacion, abrasion y encostramiento decalderas.Escorificacion. Se refiere a la formacion de cenizas fundidas a altastemperaturas en paredes de hornos y otras superficies expuestas principalmenteal calor radiante.Encostramiento. Se refiere a la formacion de depositos de ceniza fucionada aaltas temperatura en bancos de tubo de conveccion, y en particular tubos desobrecalentamiento y recalentamiento. SOLDADURAUna soldadura es una unión localizada entre dos materiales que es producidapor una adecuada terminación de temperatura y presión. En la mayoría de loscasos involucra metales, pero también se unen plásticos por medio del mismoproceso, básicamente.La unión también es facilitada por la limpieza de las superficies del metal. Puesto que la mayoría de las superficies de metal tienden a “ensuciarse” atemperaturas elevadas, debe prestarse considerable atención a los métodos deprevención de la oxidación u otra contaminación, para obtener una soldadura dealta calidad.Para obtener una soldadura satisfactoria, se cuenta con:Una soldadura de calor y/o presión.Medios de protección o limpieza del metal.Soldadura Forjada o Fraguada La soldadura fraguada o forjada es el más antiguo de los procesos desoldadura, habiéndose practicado siglos atrás por los armeros de entonces.Las piezas que debían ser soldadas se calentaban en la temperatura de forjado,y las terminaciones se ensamblan a martillazos para poderlas unir obteniendoun espesor aceptable. Las terminaciones se calentaban nuevamente hasta quealcanzaban una temperatura adecuada. Luego eran retirados de fragua, lasgolpeaba fuertemente contra el yuque con su martillo para quitar las escamas eimpurezas, colocaba luego los extremos forzándolos a unirse hasta lograr unasoldadura completa.Soldadura en matriz. La soldadura por percusión hecha de este modo por unherrero, apenas se emplea en la actualidad. Este es el proceso de soldadura atope para hacer tubos o caños.Soldadura con rodillos. Es similar a la soldadura en matriz, excepto que latira metálica para tubos es pasada por un conjunto de rodillos. Este métodose usa comúnmente para tubos de tamaño más grande.Soldadura fría. La soldadura fría no está indicada como un proceso separadoen la Carta Patrón De Procesos De Soldadura, puesto que en realidad es unaforma especial de soldadura por percusión en la cual no se usa calor externo yhay un solo golpe de martillo en la forma de una única aplicación de presión.SOLDADURA CON GASEl uso de la soldadura no se desarrolló mucho más allá de la etapa de laherrería hasta que se logró obtener una satisfactoria llama de oxiacetilenopoco después del 1900.El acetileno no es seguro cuando está envasado a presiones superiores a 15Ipc, por ello debe ser diduelto en acetona. El oxigeno para soldadura con gas obtiene casi siempre en cilindros depresión.El oxigeno y el acetileno se queman mediante un mechero o soplete. Ambosgases se conducen a la llama a través de válvulas reductoras de presión sobrecada tanque de gas y mangueras de conexión adecuadas. Las presiones usadasordinariamente varían entre 1 y 15 libras por pulgadas cuadrada.El máximo de temperatura es de 6300oF. Si la relación de oxigeno y deacetileno es de 1:1 a 1,15:1 se obtiene una llama neutra. Una proporciónmayor de oxígeno produce una llama oxidante, mientras que una proporción menorde oxigeno produce una llama carburizante. La mayoría de las soldaduras se hacen con una llama neutra debido a que éstatiene un mínimo de efecto químico sobre la mayoría de los metales calentados,las llamas oxidantes se usan sólo para soldar ciertos bronces y latones. Lasllamas carburizantes son usadas en la soldaduras monel , de aceros de muy bajocarbono, en unos pocos aceros de aleación y en la aplicación de materialespara superficies duras tales como Stellite y Colmanoy.Como resultado, desde el gran desarrollo de la soldadura de arco de metalprotegido y con gas inerte en años recientes la soldadura de oxiacetileno noes muy usada, excepto para la fabricación de piezas delgadas de metal, o parareparar trabajos donde la portabilidad es importante.SOLDADURA ELECTRICALos procedimientos de soldadura por arco son los más utilizados, sobre todopara soldar acero, y requieren corriente eléctrica. Esta corriente se utilizapara crear un arco eléctrico entre uno o varios electrodos aplicados a lapieza, lo que genera el calor suficiente para fundir el metal y crear launión.La soldadura por arco tiene ciertas ventajas con respecto a otros métodos. Esmás rápida debido a la alta concentración de calor que se genera y por lotanto produce menos distorsión en la unión. En algunos casos se utilizanelectrodos fusibles, que son los metales de aportación, en forma de varillasrecubiertas de fundente o desnudas; en otros casos se utiliza un electrodorefractario de volframio y el metal de aportación se añade aparte. Losprocedimientos más importantes de soldadura por arco son con electrodorecubierto, con protección gaseosa y con fundente en polvo.Soldadura por arco con electrodo recubierto En este tipo de soldadura el electrodo metálico, que es conductor deelectricidad, está recubierto de fundente y conectado a la fuente decorriente. Al tocar con la punta del electrodo la pieza de metal se forma elarco eléctrico. El intenso calor del arco funde las dos partes a unir y lapunta del electrodo, que constituye el metal de aportación. Esteprocedimiento, desarrollado a principios del siglo XX, se utiliza sobre todo para soldar acero.Soldadura por arco con protección gaseosa Es la que utiliza un gas para proteger la fusión del aire de la atmósfera.Según la naturaleza del gas utilizado se distingue entre soldadura MIG, siutiliza gas inerte, y soldadura MAG si utiliza un gas activo. Los gasesinertes utilizados como protección suelen ser argón y helio; los gases activossuelen ser mezclas con dióxido de carbono. En ambos casos el electrodo, unavarilla desnuda o recubierta con fundente, se funde para rellenar la unión.Soldadura por arco con fundente en polvo Este procedimiento, en vez de utilizar un gas o el recubrimiento fundente del electrodo para proteger la unión del aire, usa un baño de material fundente en polvo donde se sumergen las piezas a soldar. Se pueden emplear varioselectrodos de alambre desnudo y el polvo sobrante se utiliza de nuevo, por loque es un procedimiento muy eficaz. Equipo para soldadura eléctrica al arco compuesto, al menos por: ð Transformador eléctrico trifásico de soldadura al arco de 220-380 V.Intensidad regulable de 50 a 300 A. aproximadamente. Con capacidad de electrodos hasta 6 mm. aprox. ð 1 Manguera con pinza de masa. ð 1 Manguera con pinza portaelectrodo. ð 1 Piqueta de acero templado con mango aislante. ð 2 Caretas de protección con sujeción manual. ð 2 Pares de guantes de protección. ð 2 Mandiles. ð Accesorios necesarios para que el equipo quede dispuesto para soldar.ð Mesa para soldadura eléctrica con posicionador y gato.