El coque metalúrgico

El coque metalúrgico el residuo sólido que se obtiene a partir de la destilación destructiva, o pirólisis, de determinados carbones minerales, como la hullas (o carbones bituminosos) que poseen propiedades coquizantes; es decir capacidad de transformarse en coque después de haber pasado por una fase plástica. En la practica, para la fabricación del coque metalúrgico se utilizan mezclas complejas que pueden incluir más de 10 tipos diferentes de carbones minerales en distintas proporciones. El proceso de pirólisis mediante el cual se obtiene el coque se denomina coquización y consiste en un calentamiento (entre 1000 y 1200 ºC) en ausencia de oxígeno hasta eliminar la practica totalidad de la materia volátil del carbón, o mezcla de carbones, que se coquizan. La mayoría del coque metalúrgico se usa en los  altos hornos de la  industria siderúrgica para la producción del acero (coque siderúrgico). Dada el gran consumo de coque que es necesario para el funcionamiento de los altos hornos , los hornos de coquización suelen ser una instalación anexa a las industrias siderúrgicas.  El coque metalúrgico también se utiliza en la industria de la fundición del hierro (coque de fundición). En general, el coque de función suele ser de un tamaño mayor que el siderúrgico. 

Coquización 

Se conoce con el nombre de carbonización al proceso de destilación destructiva de sustancias orgánicas en ausencia de aire para dar un producto sólido rico en carbono, además de productos líquidos y gaseosos. La carbonización de madera y otros materiales vegetales produce carbón vegetal. La carbonización de cierto tipo de carbones minerales (carbones coquizables, i.e. carbones bituminosos o hulla), o mezclas de estos carbones, producen el coque. En este caso el proceso de carbonización es denominado coquización. La coquización se diferencia de la carbonización en que durante el proceso de calentamiento en atmósfera inerte de los carbones coquizables o cualquier otra sustancia que de lugar a un coque, como por ejemplo la brea u otros materiales termoplásticos, se pasa por un estado fluido transitorio durante un determinado intervalo de temperaturas que varía según el material que se esté coquizando (en el caso de los carbones coquizables este intervalo puede oscilar entre los 350 y 500 ºC). Pasado el intervalo fluido (también denominado etapa plástica) se forma el semicoque. Al seguir aumentando la temperatura sigue el desprendimiento de gases hasta que finalmente se forma el coque. Durante la etapa fluida, o plástica, se produce una total reorganización en la micro estructura del material. Así, mientras que los carbonizados presentan una microestructura desordenada y, salvo raras excepciones, no pueden ser grafitizados (i.e. carbones no grafitizables); los coques presentan una microestructura más ordenada y pueden ser grafitizados si se someten a un proceso de grafitización (i.e. carbones grafitizables).

El primer uso de coque en el horno alto se debió a Abraham Darby en 1709, en Coalbrookdale (Inglaterra). Ésta es una fecha histórica, puesto que la aplicación con éxito del coque en el horno alto fue responsable del desarrollo posterior de la industria del hierro y del acero, y del comienzo de la Revolución Industrial. El proceso primitivo de calentar el carbón en pilas para producir coque permaneció como el más importante durante aproximadamente un siglo. No obstante, un horno con forma de colmena fue desarrollado en 1759 en Newcastle (U.K.), siendo este tipo de hornos usado todavía en algunas partes del mundo. Sin embargo, el rápido incremento de la demanda de coque en el siglo XIX dio lugar a la introducción de los hornos de cámara rectangular, capaces de ser descargados utilizando máquinas. Estos hornos, al principio de tipo no recuperativo, pero desde 1882 capaces de recuperar subproductos (gases, breas y otros compuestos químicos), son los antecesores de los hornos actuales de gran capacidad. En todos ellos se observan las características básicas de los hornos modernos: 

(i) Están construidos en baterías.

(ii) Poseen cámaras rectangulares separadas por paredes huecas que contienen los canales de calentamiento, en los cuales el gas se quema para calentar el horno.

 (iii) Son cargados por una máquina y descargados por una deshornadora mecánica, después de la retirada de las puertas de ambos lados.

(iv) El gas sale del horno por el tubo montante y se lleva a la planta de subproductos, retornando una parte del mismo a los hornos para su calentamiento. 

Las baterías modernas únicamente difieren de éstas en la escala y la sofisticación de los detalles. Una batería moderna puede estar formada por unos 70 hornos de coque. Cada horno tiene del orden de 6 m de altura, 450 mm de anchura y 16 m de longitud o fondo. Esto significa unos 37 m³ de volumen y unas 30 t de carbón por horno. El aumento de la anchura de los hornos, junto con una velocidad de coquización más baja, al utilizar cámaras más anchas, dio lugar a resultados inesperados en cuando a la ampliación de la gama de carbones que podían ser coquizados. 

El empuje 

Es conocido que al calentar los carbones coquizables en atmósfera inerte, pasan por un estado plástico en un intervalo de temperaturas que oscila entre 350 ºC y 500 ºC, dependiendo del tipo de carbón. Dentro del horno existirán, por lo tanto, dos zonas plásticas que tienden a desplazarse perpendicularmente a la dirección de calentamiento y hacia el centro del horno a medida que progresa la coquización. Además, dado que tanto la solera como la bóveda del horno son también superficies calientes, aparecerán otras dos zonas plásticas secundarias, que se desplazan en dirección vertical. 

El proceso durante el cual se desarrolla el fenómeno denominado "empuje" se puede dividir en dos etapas: antes del encuentro de las dos zonas plásticas, y en el momento en que se realiza este encuentro (temperatura en el centro inferior o superior a 350 ºC, respectivamente). En la primera etapa, la presión existente en el carbón que está dentro de la envoltura plástica, es del orden de 20 a 40 mbar en el centro de la carga. Por el contrario, la presión en el seno de las capas plásticas, es muy elevada y al transmitirse a los pies derechos por intermedio del semicoque y coque origina el empuje. A lo largo de la primera etapa existe un crecimiento del empuje y de la presión interna en las zonas plásticas. Ello es debido, por una parte, a la disminución del gradiente térmico a medida que nos aproximamos al centro del horno, lo que hace que los gases tengan que atravesar un mayor espesor de la zona plástica. Por otra parte, los vapores de aceites y alquitranes que se desprenden de las zonas plásticas se van condensando en las zonas menos calientes, con lo que resulta que el carbón estará más impregnado de aceites y alquitranes cuanto más nos aproximamos al centro y por tanto aumentará el desprendimiento gaseoso y en consecuencia la presión. Cuando se encuentran en el centro las dos capas plásticas forman una única capa plástica de anchura doble, produciéndose una subida brusca de la presión de los gases, que ahora tienen una gran dificultad para escapar. En este momento se produce la presión y el empuje máximos. El hinchamiento o expansión de la zona plástica se corresponde con una contracción del semicoque y con la posibilidad de compresión del carbón que aún no ha entrado en la zona plástica. Se producen así dos fenómenos contrapuestos, uno de expansión o empuje hacia las paredes del horno de la fase plástica y otro de contracción del semicoque y el carbón. La resultante de estos dos fenómenos  puede dar lugar a que el empuje sobre las paredes del horno alcance valores peligrosos para la integridad del propio horno, si predomina la expansión (carbones peligrosos). Por contra, si predomina la contracción los carbones serán no peligrosos y perfectamente coquizables. 

El coque metalúrgico en el horno alto 

El coque metalúrgico es utilizado como combustible y reductor en distintas industrias, pero su principal empleo es en el horno alto (coque siderúrgico). 

El coque cumple tres papeles principales en el horno alto: 

(i) Como combustible, proporcionando calor para los requerimientos endotérmicos de las reacciones químicas, y para la fusión de la escoria y del metal. Este papel ha perdido cierta importancia debido a las adiciones de fuel y gas por las toberas y, recientemente, por la inyección de carbón. 

(ii) Como reductor que produce y regenera los gases para la reducción de los óxidos de hierro. 

(iii) Como soporte de la carga y responsable de la permeabilidad de la misma. Este papel es cada vez más importante, a medida que aumenta el tamaño de los hornos altos. 

Calidad del coque metalúrgico 

La calidad del coque está en función del uso específico a que esté destinado. Así, por ejemplo, el coque de horno alto va a tener que soportar una gran carga, debido al material que existe encima de él, y que aumentará a medida que va descendiendo en el horno alto hasta llegar a la zona de reacción. Para soportar esa presión sin desmoronarse antes de llegar a reaccionar, ha de poseer una buena resistencia mecánica. Por otro lado, los trozos de coque, a medida que descienden en el horno alto, se van a ver sometidos a una acción continua de los gases oxidantes que se desprenden en la zona de reacción y que ascienden por el horno hasta salir por su parte superior. En estas circunstancias, el coque necesita presentar una reactividad moderada frente a los gases desprendidos para poder llegar, lo más íntegramente posible, a la zona de reacción con el mineral de hierro. Para conseguir esto, se requiere un coque con una textura porosa adecuada, que hagan que su reactividad sea lo más idónea posible.