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Carburo de calcio para la desulfuración de acero: ¿Cómo puede un tamaño de partícula de 2-10 mm mejorar la eficiencia de la desulfuración?
2026-01-13
Ver la formación de escoria sobre el acero fundido durante la metalurgia en cuchara es una hermosa imagen que indica progreso. Significa que la capa sintética de refinación se ha formado y que la limpieza del acero ya ha comenzado. Sin embargo, la gruesa capa que absorbe las impurezas e impide el contacto entre el acero y el oxígeno también actúa como barrera física, impidiendo que el desulfurante ( carburo de calcio ) llegue al acero fundido subyacente. ¡Aquí es donde el tamaño de partícula del carburo de calcio se vuelve esencial!
La eliminación del azufre del acero es un paso crítico del refinado secundario. Garantiza que el acero formado sea mecanizable y tenga un mínimo de impurezas. La adición de CaC₂ es una técnica bastante consolidada que se remonta a la década de 1970. Sin embargo, el uso de partículas de pequeño tamaño sigue siendo la práctica habitual para fines de control.
En este artículo, exploraremos cómo el tamaño del carburo de calcio (2-10 mm) afecta el proceso de desulfuración. Además, analizaremos su eficacia, seguridad y costos. Al final, el lector tendrá una idea clara del tamaño de partícula ideal para su proceso de desulfuración de acero. Comencemos con lo básico: por qué se elimina el azufre del acero.
Antecedentes sobre el azufre en el acero
El azufre presente en el acero suele provenir de materias primas como el mineral de hierro, la chatarra de acero o las ferroaleaciones. El metal fundido contiene azufre proveniente de las fuentes mencionadas. Es necesario eliminarlo para garantizar que las propiedades mecánicas del acero se mantengan intactas. Normalmente, la salida de un alto horno contiene...100-800 ppm de azufre, que debe reducirse a 35-10 ppm, dependiendo de los requisitos del proceso.
La necesidad de desulfuración
El acero de alta calidad con bajo contenido de azufre también se denomina "acero limpio". El acero resultante de hornos de arco eléctrico (EAF) y hornos de oxígeno básico (BOF) debe someterse a un proceso metalúrgico secundario para mejorar su pureza. Estas son las principales razones por las que el acero debe someterse a desulfuración:
● Corrosión en caliente: El hierro presente en el acero reacciona con el azufre para formar FeS. El sulfuro de hierro tiene un punto de fusión bajo de 988 °C, lo que afecta la maquinabilidad del acero, especialmente durante el laminado en caliente y la forja. El FeS se funde, debilitando el acero y volviéndolo frágil y propenso al agrietamiento.
● Baja soldabilidad: Durante la soldadura, el calor intenso provoca la fusión del metal. La porción buena se solidifica, generando tensiones de tracción internas. Mientras el FeS permanece líquido durante un tiempo, las tensiones se vuelven insoportables, lo que provoca una grieta de solidificación o un desgarro por calor.
● Resistencia a la corrosión: Se pueden formar pequeños agujeros profundos en la superficie a medida que el azufre reduce la resistencia a la corrosión del acero.
●SO 2 Emisiones: La eliminación del azufre ayuda a mantener las emisiones de dióxido de azufre dentro del rango permitido. Es fundamental para garantizar el cumplimiento de las estrictas regulaciones atmosféricas que suelen exigir 20 mg/ m³.
● Subproducto de reciclaje: la adición de CaC 2 provoca la formación de escoria de carburo, que es reciclable, lo que garantiza la sostenibilidad (Qi et al., 2022)
La ciencia detrás de la desulfuración con carburo de calcio
Antes de profundizar en el impacto del tamaño de partícula del carburo de calcio ( CaC₂ ) en la desulfuración, comprendamos cómo funciona el proceso. Abordaremos el impacto del tamaño del carburo de calcio y cómo mejora estos mecanismos en una sección posterior.
Mecanismo de reacción
La reacción principal que da lugar a la formación de babosas en la parte superior del acero fundido es:
CaC2 + S → CaS + 2C
El carburo de calcio reacciona con el azufre para formar sulfuro de calcio, liberando carbono en el acero. El CaS es insoluble, por lo que flota en la superficie del acero fundido, donde puede eliminarse fácilmente después de un tiempo adecuado.
Efecto de los parámetros del proceso
Calidad del reactivo
Pureza del reactivo: Es simple. Un CaC₂ puro produce una reacción más intensa. Un carburo de calcio puro >63-68 % y bajos niveles de Si (<2 %) y P (<0,02 %) garantizan una reacción máxima y una baja contaminación.
● Caudal del reactivo: controlar la adición de reactivo es necesario para lograr altas tasas de eliminación. Se considera que lo ideal es entre 200 y 300 g/min.
Factores químicos
● Estado de desoxidación: para evitar que el CaC 2 sea consumido por el oxígeno, el acero fundido debe mantenerse en un estado con bajo contenido de oxígeno.
● Tiempo de incubación: El carburo de calcio no reacciona inmediatamente. Requiere un período de incubación inicial de 20 a 40 segundos antes de que se active la cinética de reacción.
● Paso limitante de la velocidad: La difusión de azufre al CaC 2 es el paso limitante de la velocidad del proceso.
Temperatura: El efecto es mínimo, con un 3 % por encima de 100 °C. Por lo tanto, es fundamental centrarse en otras áreas, como la mezcla.
Aspectos mecánicos
● Relación de penetración (β): La eficiencia de la reacción depende de la relación de penetración, que es el flujo de gas (para agitación) en relación con el flujo de reactivo (para inyección).
● Variante del proceso: la elección entre el pretratamiento de metal caliente y el refinado en horno cuchara determina el resultado.
● Mezcla/Agitación: La configuración de los sistemas de inyección de reactivos, como los sistemas de doble lanza, y el nivel de agitación del gas inerte determinan el contacto del azufre con el carburo de calcio.
El impacto del tamaño de partícula de 2 a 10 mm en la desulfuración
Tras comprender a fondo el proceso de desulfuración y el impacto de diversos parámetros en su eficiencia, podemos pasar a la parte más crítica de nuestro análisis: el impacto del tamaño de partícula del carburo de calcio en la eficiencia de la desulfuración. En los procesos de alta productividad, el tamaño óptimo de partícula es de 2 a 10 mm.
Cinética y reactividad sostenida
Analizaremos cómo el aumento de la superficie reactiva afecta la cinética general de la reacción. El carburo de calcio debe permanecer estable en el metal fundido durante todo el proceso. El rango de 2 a 10 mm es crucial para la eficiencia.
● Tasa de reacción sostenida
Aunque reducir el carburo de calcio a polvo para añadirlo al acero fundido puede acelerar la reacción, el efecto desaparece rápidamente. El tamaño de 2 a 10 mm proporciona un diámetro de transferencia de masa constante y efectivo, lo que garantiza una reacción fiable durante todo el proceso de refinado (Coudure & Irons, 1994).
● Evitar la desaceleración química
La moderada superficie de las partículas de 2 a 10 mm limita la rápida formación de una capa de sulfuro de calcio (CaS) que obstruye las partículas ultrafinas en cuestión de segundos (Chiang et al., 1990). Este crecimiento más lento de la capa garantiza que el núcleo de carburo siga reaccionando eficazmente, siguiendo una cinética de difusión predecible.
Utilización y control físico
La robustez física de las partículas de carburo de calcio de 2 a 10 mm da como resultado una utilización superior del material, a diferencia del polvo.
Alta tasa de utilización
Las partículas en el rango de 2 a 10 mm alcanzan un aprovechamiento del reactivo del 55 al 75 %, frente a solo el 40 al 55 % para polvo <1 mm. Esto se debe a que el gas portador expulsa inmediatamente menos partículas (Coudure & Irons, 1994).
Excelente relación de penetración ( β )
A velocidades de inyección típicas, la tasa de penetración β alcanza el 25-35 %, significativamente mayor que la de los polvos finos. La mayor masa de estas partículas les permite resistir el arrastre de las burbujas de gas y garantiza su penetración profunda en el metal fundido.
Tiempo de residencia suficiente
Aunque el tiempo de residencia en la columna de inyección es corto (0,8 a 3 segundos), se inyectan miles de millones de partículas, lo que proporciona una exposición acumulativa suficiente para una desulfuración del 75 al 90 % en 180 a 240 segundos (Guo et al., 2023).
Resultados predecibles
Un control de tamaño estricto (>90 % dentro de las especificaciones) garantiza valores K y β repetibles cambio tras cambio, lo que hace que la reacción sea más fácil de controlar y los resultados altamente predecibles.
Ventajas de utilizar un tamaño de partícula de 2 a 10 mm
Reacción optimizada Equilibra el área de superficie para una cinética efectiva al tiempo que evita la formación rápida de la capa de CaS, manteniendo la reacción por más tiempo. | Mejor penetración La alta relación de penetración (β=25-35%) en el transporte neumático garantiza un contacto profundo, lo que genera ganancias de desulfuración sustanciales por cada adición de reactivo. |
Mezcla mejorada Los gránulos permiten una agitación y circulación eficientes con burbujeo de gas, reduciendo las "zonas muertas" inertes y maximizando la difusión del azufre. | Mayor seguridad Reduce significativamente el riesgo de explosión de gas acetileno por exposición a la humedad en comparación con polvos finos, altamente reactivos y polvorientos. |
Eficiencia del proceso El control de tamaño estricto proporciona constantes de velocidad repetibles K y penetración, lo que garantiza resultados altamente predecibles y eficiencia del proceso. | Facilidad de manejo Los gránulos son menos abrasivos, lo que permite velocidades de flujo más altas y estables y protege equipos como las lanzas de inyección contra el desgaste. |
Reducir el costo de los reactivos Una mejor utilización y una menor pérdida dan como resultado un consumo de reactivos estimado en un 25 % menor en comparación con los métodos de polvo de tamaño micrométrico. | |
Estudio de caso: Ejemplo de TYWH
El tamaño de gránulo de 2-10 mm es un producto comercial exitoso, con importantes productores como TYWH especializados en su producción y exportación global. TYWH tiene una capacidad de producción anual de 120.000 toneladas y exporta grados especializados de 2-4 mm y 4-7 mm a todo el mundo. Estos productos presentan una consistencia de tamaño precisa (más del 90 % de calificación) y se envasan de forma segura en tambores N2 para garantizar su calidad y seguridad.
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Conclusión
En resumen, podemos concluir que optimizar el tamaño de las partículas de carburo de calcio resulta en una alta utilización, una mejor penetración y una reacción optimizada y sostenida durante más tiempo. Esto se traduce en un menor costo de reactivos y una mayor seguridad al reducir los riesgos de explosión y garantizar resultados predecibles.
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