UNIVERSIDAD DE LOS ANDESFACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA INGENIERIA MECANICADEPARTAMENTO DE DISEÑO Y TECNOLOGÍAINTRODUCCION A LA PULVIMETALURGIA

GRUPO: #1

Autores

Cegarra A. José M. CI: V_18.733.032

Gracés Felipe J. CI: V_18.097.243

Valecillos A. Eduardo L. CI: V_19.812.555

Mérida, Febrero 2015

INDICE

INTRODUCCION Pág.1PROCESO DE PRODUCCION ACTUAL DEL ELECTRODO Pág. 3IMPORTANCIA DE LA PIEZA Pág. 4DISEÑO DE LA PIEZA. PRODUCCION DE POLVOS Pág. 9METODOLOGIA PARA LA CARATERIZACION DEL POLVO Pág. 11COMPACTACION Pág. 18ANALISI EMPIRICO DE LA MATRIZ MEDIANTE ANSYS WORKBENCH Pág. 24SINTERIZACION Pág. 28MECANIZADO Pág. 29GEOMETRIA FINAL DEL ELECTRODO Pág. 29CONCLUSIONES Pág. 32REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Pág. 33ANEXOS Pág. 34

INTRODUCCION

Venezuela se ha caracterizado a lo largo de su historia por ser un país donde el petróleo abunda bajo su superficie (mayormente petróleo pesado), y cuenta con la reserva de petróleo pesado más grande del hemisferio. Esta característica de país petrolero se puede considerar relativamente como un arma de doble filo para los venezolanos ya que trae consigo consecuencias negativas y positivas. Dentro de las consecuencias positivas que se pueden citar es que en materia de economía la principal fuente de ingresos del país es a través de la producción y venta de este hidrocarburo a países foráneos pero lastimosamente aunado a esto también hay una consecuencia negativa que resaltar. Esta consecuencia negativa surge debido a la explotación del petróleo y radica en el hecho que se ha contaminado reciamente el medio ambiente como también a una parte de la población que habita en las cercanías de las refinerías de petróleo, es decir, se ha contaminado con desechos derivados del petróleo y destacando entre uno de ellos el coque. El Comité Internacional para la Caracterización y Terminología del Carbón ha definido 73 conceptos diferentes en relación al coque. El coque de petróleo es un producto residual de alto contenido de carbono obtenido del proceso de mejorar y refinar petróleo pesado y extrapesado en las refinerías de crudo y es uno de los productos originarios del fondo del barril en el sistema de procesamiento de petróleo. Al extraer la totalidad de líquidos que contiene el crudo mediante procesos físicos con el fin de producir la mayor cantidad de combustibles de alto valor, se obtiene un producto sólido que en una base seca consiste de aproximadamente 85 a 89 por ciento carbón, 10 por ciento volátiles y 5,9 por ciento azufre. Dado su alto contenido de carbón, el coque de petróleo es una excelente fuente de calor. Sin embargo, como tal, las propiedades del coque de petróleo varían de acuerdo a la corriente de crudo utilizada en el proceso de refinación. (1) En las últimas décadas este desecho es el responsable del surgimiento de una problemática ambiental para la población venezolana y es que este material, más que un polvillo que desprende un olor repugnante, es un atentado a la salud pública (2). El coque concentra en si los elementos contaminantes del petróleo como el azufre y el vanadio que son perjudiciales para la salud y el medio ambiente, y es que cada vez son mayores las cantidades de petróleo pesado procesado en las refinerías del país, y la producción del coque ha ido aumentando de manera exponencial en las ultimas décadas. Esta problemática esta relacionada precisamente con el proceso del mejoramiento y de la refinación del petróleo, lo cual ha causado un impacto negativo dentro de la sociedad venezolana en materia de salud. Este hecho se puede observar fácilmente en las instalaciones físicas de las refinerías de petróleo del país donde existen almacenadas montañas de desechos de este material (coque). Como dato de relevancia al cual hay que estar alerta, en las refinerías de petróleo venezolanas que actualmente son cuatro, se producen diariamente en conjunto veinte mil toneladas de coque, que representa el seis por ciento del coque producido a nivel mundial y en los últimos diez años se estima que esta tendencia aumentara (3), además se tienen planificadas nuevas refinerías en las zonas de la faja petrolífera del Orinoco entre otras zonas del país (4), de esta serie de datos se puede concluir que la producción de coque en nuestro país aumentara aun mas en años próximos. Dicho todo esto se ha tomado la iniciativa de concebir diversas ideas para proyectos de provecho dentro del país, y que a su vez las ideas que surjan tengan una aplicabilidad para la solución de esta problemática del coque, ya que el coque puede dar mas beneficios que problemas, haciendo uso de potentes herramientas como el conocimiento teórico y práctico de cátedras que están relacionadas intrínsecamente al diseño mecánico (y otras cátedras relacionadas con otras áreas también) como lo son la mecánica de materiales y la pulvimetalurgia o metalurgia de polvos, y este desecho del petróleo sea usado como principal fuente de materia prima para poner en marcha todas esas ideas que surjan a corto y largo plazo

1

con el objeto de que vayan destinadas a rendir frutos en diversas áreas de importancia en el país como la de generar energía eléctrica, dentro de la industria cementera y cerámica, entre otras, y para efectos de este proyecto el Diseño Virtual de un Electrodo de Grafito para un Emanador Eléctrico Repelente de Zancudos. Todos los proyectos e ideas que surjan a través del tiempo deben ir en la búsqueda de perseguir un gran numero de objetivos para satisfacer las necesidades de la población venezolana y sobre todo contribuir para disminuir el impacto negativo que produce este desecho a la población y a nuestro medio ambiente, entre otros objetivos, también esta el de aportar un granito de arena para dejar una huella dentro de la sociedad con los conocimientos adquiridos en nuestras universidades en cátedras como las antes mencionadas y de esta manera contribuir con el desarrollo humano y social, cabe destacar que este ultimo objetivo seria el que mas simpatiza con la elaboración de nuestro proyecto de diseño, dichos lineamientos son en resumen las bases principales de este proyecto.En Venezuela, el coque se produce en el Complejo Refinador de Paraguaná (Cardón y Amuay) y en los Complejos Mejoradores de Crudo de Petrozuata, Cerro Negro, Sincor y Hamaca (Jose, Estado Anzoátegui). La tabla 1, resume las características predominantes del coque de petróleo producido en Venezuela (Inelectra, 2001). (3)

Tabla 1 Características del coque de petróleo. Características Valor

Contenido de cenizas 0,6%Contenido de azufre 5,9%Contenido de humedad 0,3%Contenido de carbón 89%Poder calorífico 33,727KJ/KgDisponibilidad Depende de la refinación de petróleo

En la figura 1 se observa una imagen del coque de petróleo acumulado en la refinería de Jose, estado Anzoátegui.

Fig.1 Complejo Petrolero Petroquímico e Industrial General de División José Antonio Anzoátegui, ubicado a las afueras de Barcelona, estado Anzoátegui.

2

Nuestro proyecto se basa en el diseño de un electrodo de grafito, la materia prima para obtener dicho grafito será el coque. El grafito es una de las formas elementales en las que se puede presentar el carbono y por debajo de los 600°C no se combina con el oxigeno, al ser un buen conductor de la electricidad se emplea para la fabricación de escobillas para aplicaciones eléctricas y para la elaboración de electrodos, que es la aplicación especifica para nuestro diseño. Para obtener ese grafito, se hará por medio de un proceso (donde interviene también la pulvimetaurgia) de transformación de coque de petróleo en un producto específico de grafito. El proceso que se aplicara para este proyecto será el de coquizado retardado, en el cual se obtiene el llamado de coque verde. En otra unidad operacional el coque verde es sometido a un proceso llamado de calcinación, formando el llamado coque calcinado, cuyo contenido de volátiles es bastante reducido. A partir del coque calcinado se obtendrá finalmente el grafito del cual estará hecho el electrodo, que será un grafito sintético llamado primario. Por ser un subproducto de procesos controlados el contenido de carbono y grafito es más uniforme en sus diferentes tipos. Este tipo de grafito incrementa la densidad del electrodo, la resistencia y la conductividad eléctrica. Existen varios procesos para la obtención del grafito, diferenciándose básicamente en la etapa del sinterizado (etapa de grafitización). Los procesos involucran varias etapas puntuales y tiene una duración de aproximadamente seis a ocho meses para finalmente obtener el grafito (4). Entre las etapas más generales se puede nombrar en un orden correspondiente, y son:

Pulverizado y mezclado. Amasado. Pulverizado y tamizado. Prensado isostático. Cocción e impregnación de brea. Grafitizacion Mecanizado, acabado y procesado químico.

En el mismo orden de ideas, el proceso productivo y tecnológico actual del electrodo de grafito es el mismo independientemente del tamaño de los electrodos. Tarda aproximadamente dos meses y se resume en las siguientes etapas básicas:

Molienda, mezclado y extracción: se clasifica el coque para molerlo a una granulometría especificada para cada formulación. Coque molido se mezcla con brea liquida y otros ingredientes para obtener una pasta moldeable. Se somete a un proceso de extrucción en el que se forma un cilindro sólido llamada electrodo verde cuyas dimensiones son cercanas a las del producto final. Cocimiento: El electrodo verde se somete a un proceso de cocimiento en hornos especiales que deben resistir temperaturas superiores a los 800°C. La duración del proceso de cocimiento dependerá del producto final que se desea producir. En general, el tiempo de este proceso se mide en semanas. Los objetivos de esta etapa son eliminar los volátiles existentes en el electrodo verde y convertir en coque la brea utilizada como aglutinante. Parte de la brea se sublima durante el cocimiento del electrodo verde, lo cual deja una porosidad en el electrodo. El producto que se obtiene se llama electrodo cocido.Impregnación: El objetivo de esta etapa es rellenar la porosidad del electrodo cocido. Los poros se rellenan con brea liquida que se introduce a presión. Posteriormente, el electrodo se somete a un nuevo proceso de cocción, llamada recocido, a una temperatura de hasta 800°C. Los

3

electrodos de grado AGR no requieren ser impregnados debido a la carga eléctrica que deben soportar y pasan directamente de la etapa de cocimiento a la de grafitazión. Grafitazión: El electrodo cocido o recocido, según sea el caso, se somete a un nuevo proceso de calentamiento en hornos especiales para que el coque se transforme física y químicamente en grafito. Para ellos, el electrodo se somete a una temperatura de hasta 3000°C. El producto resultante es el electrodo de grafito. Maquinado: Se trabaja el electrodo de grafito para darle sus dimensiones finales de diámetro y longitud. Se utiliza un dado exclusivo para cada medida, en el cual, la nariz de salida es la que proporciona el diámetro final. (5).

Y finalmente obtener una pieza como la mostrada en la figura 2

Fig. 2 Muestra real de un electrodo de grafito.

El dispositivo enmanador repelente de zancudos al cual estará acoplado el electrodo es un dispositivo eléctrico, el principio de funcionamiento básico del dispositivo es que por el electrodo se hará pasar una corriente al conectarlo a la toma y por medio de una resistencia se calentara el electrodo para hacer que el liquido que esta en contacto con él, al aumentar la temperatura, se evapore y produzca el olor que repele a los zancudos.

La importancia de esta pieza engloba un contexto amplio desde el punto de vista de la salud, la economía, y ambiental.Desde el punto de la salud el proyecto impactaría y cobraría importancia en dos aspectos:

La importancia de esta pieza destaca en que Venezuela solo dos o tres empresas son las encargadas de la elaboración, distribución y ventas de dispositivos repelentes de zancudos eléctricos, y considerando acontecimientos recientes como el brote de enfermedades como el dengue y chikungunya que son enfermedades producidas por la picadura de mosquitos, contar un mayor numero de empresas que elabore estos repelentes seguramente ayudara a disminuir el numero de personas afectadas por esta enfermedad o en otro caso contar con empresas que surtan de electrodos de grafito a empresas ya establecidas en el mercado venezolano, y serian empresas 100% venezolanas, que cuentan con una cantidad

4

suficiente de materia prima (coque) para elaborar una parte importante de este dispositivo repelente electrónico como, lo es este electrodo de grafito.

En otro de los aspectos, la pieza cobraría importancia en materia de salud aportando para disminuir las cantidades de coque que se encuentran amontonadas en las refinerías del país, esto contribuiría a disminuir enfermedades como respiratorias, irritaciones oculares, erupciones labiales y afecciones cutáneas para las personas que habitan en las cercanías de las refinerías como consecuencia de la inhalación continua de los olores que desprende el coque y así contribuir con disminuir con el impacto negativo que esto ha tenido dentro de la población.

Desde el punto de vista de la economía el proyecto seria viable desde el punto de vista de la obtención de la materia prima, por que en vez de importar el coque de petróleo de otras latitudes, se utilizara el coque de disponible en las refinerías del país a bajo costo y 100% venezolano, esto reduciría los costos de inversión y de esta manera hacer un aporte para disminuir las importaciones innecesarias en nuestro país. El país ahorraría divisas al no tener que importar coque, y esto conllevaría dar un ejemplo a las plantas reductores de aluminio, las cuales importan el mineral.

Desde el punto de vista del impacto ambiental el proyecto cobra suma importancia, ya que usando como materia prima para el diseño del electrodo el coque que se encuentra amontonado en las refinerías del país, esto conlleva a disminuir las cantidades desproporciónales de este mineral que contiene elementos contaminantes para el ambiente como el azufre y crear un medio ambiente mas equilibrado en el ecosistema de nuestro país.

5

MARCO FUNCIONAL DE LA INVESTIGACIÓN

Este primer apartado tiene como objetivo presentar las bases sobre las cuales se asienta el presente proyecto, tanto desde el punto de vista histórico como científico; desde los orígenes de la pulvimetalurgia hasta nuestros días. La pulvimetalurgia se basa en la transformación de polvos tanto metálicos, no metálicos como aleaciones mediante presión y calor a través de un proceso denominado sinterización. Ésta se lleva a cabo a temperaturas inferiores a las del punto de fusión del componente principal, es decir, sin fusión del mismo. Los primeros vestigios de pulvimetalurgia se remontan a la soldadura por forja. Este proceso se considera el precursor de la pulvimetalurgia moderna ya que consistía en la consolidación de varios fragmentos y partículas incandescentes en una única pieza a través de la forja en caliente. Su nacimiento se remonta a Nínive, en Mesopotamia, donde ya en el 6000 a.C. se sabía que mezclar madera y carbón en un horno permitía obtener un lingote de hierro pastoso, lo que ha sido considerado el primer producto obtenido mediante sinterizado. A partir del siglo XX, la metalurgia de polvos alcanza también a los metales pesados y porosos, y en 1909 comienza a estudiarse esta técnica como una posibilidad para la fabricación de filtros y cojinetes, que no harían su aparición en el mercado hasta veinte años más tarde; en 1910, Cooldidge comienza a explotar la adición de materiales externos para mejorar las propiedades mecánicas a elevada temperatura aunque aún quedaba lejos la técnica que hoy denominamos aleación mecánica; asimismo a partir de 1936 comienza a fabricarse hierro puro a partir de polvos de hierro para la fabricación de chapas o alambres y de aleaciones de Fe-Ni-Co y Fe-Ni-Mo. Una de las principales ventajas que ofrece la pulvimetalurgia y que explica su creciente desarrollo ha sido la posibilidad de obtener nuevos materiales que no son posibles a través de los procesos tradicionales. Aunque en sus inicios se asociaba a procesos de bajo coste, su posterior desarrollo acentuó otras cualidades como la calidad y homogeneidad.

Son tres las etapas que comprenden el proceso de la metalurgia de polvos, que comprenden desde la obtención del material en polvo hasta la obtención de la pieza final. En la figura 2 se puede ver un bosquejo representativo de dichas etapas.

Producción de polvos: Entre los métodos más comunes de obtención de polvo se encuentran:

Métodos de conminución mecánica sin cambio de fase: Éste método se basa en la transferencia de energía mecánica a las partículas, produciendo rupturas sucesivas hasta alcanzar el tamaño deseado.

Desintegración del fundido (atomización): Es un método masivo de producción de polvo tanto elemental como aleado, se basa en el impacto de un fino haz de material fundido contra un chorro de fluido, gas o liquido, a elevada presión, de forma que al solidificar el material fundido se obtiene polvo granulado.

Reducción en estado sólido de compuestos metálicos: Se trata básicamente de un método, la reducción de óxidos de hierro. El proceso consiste en triturar la mena, mezclarlo con carbón e introducirlo en un horno en que se reducirá, obteniéndose una retorta de hierro espongiforme que proporciona polvos blandos, de elevada compresibilidad y morfología irregular por lo que la resistencia en verde de las piezas obtenidas es bastante buena.

6

Fig. 3 Flujo conceptual de la PM del polvo durante el proceso hasta el final del producto.

Procesos químicos: entre estos métodos destacan los procesos de descomposición térmica o precipitación electrolítica como la descomposición térmica de carbonilos, la precipitación en celda electrolítica o la electrólisis de soluciones salinas.

Compactación: Tras mezclar el polvo, se procede a la compactación; en la industria pulvimetalúrgica donde se fabrican aceros de baja aleación, el método más corriente de compactación es la compactación uniaxial en matriz. En la compactación se obtiene, a través de la aplicación de elevadas presiones, el compacto en verde, es decir, un sólido con la forma del sinterizado y resistencia suficiente como para ser manipulado. Ésta aplicación de presión provoca la formación de uniones físicas entre las partículas de polvo, aunque sin interacción química.

Sinterización: Una vez obtenido el compacto en verde, la siguiente etapa del proceso es la sinterización; en general es el proceso por el cual los polvos de metal compactados son trasformados en un sólido coherente a temperaturas por debajo de la de fusión del constituyente principal, por lo tanto puede tener lugar en fase sólida o liquida.

Entre las ventajas o características que justifican su empleo se encuentran las siguientes: Elevada eficacia en el uso de la materia prima, el rendimiento del material bruto inicial es

de aproximadamente el 97% Consumo de energía menor comparado con otras alternativas tecnológicas. Baja contaminación de las plantas donde se lleva a cabo. Bajo coste de inversión comparado con otros procesos (resulta un proceso muy

recomendable en fases de prototipado). Permite la producción masiva de piezas de elevada precisión.

7

En algunos casos es el único método posible debido a la ausencia de procesos de conformado alternativos.

La homogeneidad en el tamaño final del polvo es independiente del tamaño inicial del polvo.

A pesar de la multitud de aplicaciones posibles, su aceptación ha sido lenta debido a la reticencia de la industria por las siguientes razones:

Elevado coste. La renuencia a probar nuevos materiales. La falta de experiencia en servicio. La no disponibilidad de formas necesarias para fabricar los productos (barras, hojas,

cable, tubo). El rango de tamaño; el límite superior depende de las instalaciones para producción por

moldeo, mientras el límite inferior (espesor) depende de las características de trabajo de la aleación. (6)

DISEÑO DE LA PIEZA

8

Para el diseño del electrodo de grafito, el proceso de conformado que se aplicara será por vía de la metalurgia de polvos, a continuación se explicara el proceso de forma metodológica, definiendo cada uno de los parámetros mas relevantes en cada etapa del proceso de conformado.

1) Producción de polvos:

Existen varios métodos de la producción y obtención de polvos en la primera etapa de la pulvimetalurgia que son: Mecánicos, que se clasifican en: Impacto (molienda), desgaste (fricción), corte (mecanizado, trituración) y compresión., Electrolíticos, por me dio de precipitación catódica en celdas electrolíticas. Químicos, subclasificados en: Descomposición de un sólido por un gas (oxido reducción), descomposición térmica (carbonillos), precipitación desde un liquido, precipitación desde un gas. Por medio de atomización, clasificados en: Atomización con gas y con agua, atomización centrifuga, atomización por vacío y solidificación ultrarrápida.

Dentro de los métodos de producción de polvos, para el diseño del electrodo de grafito se seleccionará un método mecánico, y dentro de su subclasificación se partirá del método de impacto de la molienda (convencional) mecánica de alta energía La molienda mecánica es un proceso tecnológico utilizado desde hace muchos años y lo que hace es mejorar el afino y la homogenización de los distintos polvos y materiales de partida que pueden tener un rango de tamaño de partícula desde 1 a 200µm. Sin embargo, el tamaño de partícula de polvo no es determinante en el proceso

Fig. 4 Esquema de la molienda mecánica.

El tipo de molino apropiado para la molienda será un molino planetario de un diámetro de 3 metros con un cuerpo moledor en forma de bolas y un revestimiento liso. Con el diámetro del molino podemos estimar la velocidad de rotación del molino, dicha velocidad es aquella alcanzada por el molino, de forma que la fuerza centrifuga creada es suficiente para conseguir que las bolas queden adheridas a los revestimientos del molino. La ecuación que rige dicho fenómeno es la siguiente: (7)

9

V critica=42,3

√DM (1)

V critica : Velocidad crítica (RPM)DM : Diámetro del molino (m)

Sustituyendo en la ecuación 1 nos queda que:

V critica=42,3

√DM=42,3

√3=24,42RPM

Los molinos de bolas suelen trabajar con velocidades comprendidas entre un 72 y 77% de la velocidad crítica, para que la molienda sea efectiva. VMolienda=17,58RPM

La mezcla de material del tipo Dúctil-frágil, ósea el sistema estará compuesto por un componente dúctil (bolas) y un elemento frágil (coque). El parámetro de la relación de bola-carga será de 10 a 1 (10:1)

Finalmente nos quedarían definidos todos estos parámetros de la producción de polvos resumidos en la tabla 2.

Tabla 2 Parámetros de la producción de polvos.PRODUCCION DEL POLVO

Método de producción Mecánico, de impacto (Molienda)Tipo de molino Planetario de bolasDiámetro del molino (m) 3Revestimiento del molino LisoRelación bolas-carga 10:1Velocidad de molienda (RPM) 17,58

Fig. 5 Esquema de un molino de bolas.

10

Metodología para la caracterización del polvo: Caracterización microestructural del coque calcinado de petróleo por técnicas petrográficas: El experimento se basara en un diseño de medición y selección de materia prima, en este caso se tomo una muestra del coque de petróleo calcinado llamada C1. La caracterización microestructural de la textura óptica se llevo a cabo en varias etapas que abarcan desde la recolección y preparación de la muestra y su observación bajo el microscopio hasta la determinación del Índice de Textura Óptica (OTI por sus siglas en ingles), un esquema representativo se muestra en la figura 6. (8)

Fig. 6 Análisis petrográfico.

La nomenclatura usada para describir estas características ya ha sido desarrollada y estandarizadas de acuerdo a los valores de la tabla 3. El factor OTI es una medida para describir la anisotropía de la estructura del coque.

Tabla 3. Clases de anisotropías ópticas del coque.

11

El OTI obtenido da un indicio de la anisotropía que presenta el coque con lo cual se puede predecir sus propiedades mecánicas El procedimiento es el siguiente:

Preparación de la muestra: Para la preparación de la muestra se aplico la norma ASTM D3997

Preparación petrográfica: Para lograr la caracterización microestructural de la muestra se realizaron las siguientes etapas:

Desbaste fino: Se empleo papel abrasivo de (lijas) resistente al agua N° 240, 320, 400, y 600 respectivamente. En esta etapa se paso la muestra por cada una de las lijas girándolas 90°, permitiendo eliminar con mayor facilidad las rayas e irregularidades de la superficie.

Pulido grueso: En esta etapa se persiguió eliminar ralladuras que se generan en el desbaste manual y así obtener una superficie plana.

Pulido fino: En esta etapa se persiguió eliminar las ralladuras que se generan del pulido grueso y así obtener una superficie plana y libre.

Observación de la muestra bajo el microscopio óptico y analizador de imágenes: Para que pueda existir una buena observación óptica de la estructura de la muestra, esta debería estar muy bien preparada para así evitar distorsiones en dichas estructuras. Se colocara la muestra en la placa móvil del portamuestras en el microscopio de luz invertida, empleando para ellos un lente de 10X, por lo que resulta una magnificación de 100X Se toman alrededor de quince (15) campos de imágenes representativos para realizar las observaciones. Se ajusta el programa OTI previamente desarrollado, que esta contenido en el analizador de imágenes de acuerdo a las características de los límites establecidos en la tabla 3. Los resultados se pueden observar en las tablas 4 y 5, y de forma grafica en la figura 7, representan los resultados obtenidos del estudio de Índice de Textura Óptica o factor OTI de la muestra de coque, empleados en este análisis.

Tabla 4. Cantidad de puntos correspondientes a cada microestructura visualizada en 420 campos.

12

Del los resultados se puede interpretar que este coque exhibe parámetros como anisotropía fluida gruesa (CFA), dominios (D), dominios fluidos (FD), sin embrago como lo muestra la figura 7el porcentaje de una estructura muy importante como lo es la anisotropía fluida media (AFM), es bastante bajo. No obstante, para este coque también predomina el porcentaje de los pequeños dominios (SD) y un porcentaje bastante representativo de supramosaicos (MS).

Tabla 5 Índice de Textura Óptica del coque.

Fig. 7 Distribución porcentual de la microestructura del coque.

Caracterización microestructural por técnicas de microscopia electrónica de barrido (MEB) y microanálisis por EDS: El procedimiento en esta etapa es similar al anterior e igualmente estandarizado por la norma ASTM 3997, Después de la etapa de pulido la muestra debe ser lavada cuidadosamente a fin de remover cualquier partícula de carburo de silicio la cual puede

13

enmascarar una estructura, posteriormente la muestra fue secada con aire seco para su posterior evaluación. Las microestructuras del coque C1 observadas al microscopio óptico se observan en las figuras 8, 9,10 y 11

Fig. 8 Anisotropía fluida media.

Fig. 9 Dominio fluido del coque C1. Objetivo inmerso en aceite, 320X.

En la figura 8 se presenta un considerable ordenamiento estructural característico de la anisotropía. En las figuras 9,10 y 11 un dominio fluido y pequeños dominios respectivamente, como se especifica en la tabla 5 estas estructuras tienden a presentar las mas altas correlaciones en lo que respecta al OTI, lo que significa que este coque presentara una anisotropía.

14

Fig. 10 Pequeños dominios correspondientes. Objetivo inmerso en aceite, 320X.

Fig. 11 Pequeños dominios y mosaicos gruesos. Objetivo inmerso en aceite, 320X.

En la figura 12 se aprecia un rectángulo señalando una partícula de color claro, a esta partícula se le realizo un análisis químico elemental y el resultado arrojo una gran concentración de azufre. Cabe destacar que el pico de azufre es mayor que el pico de carbono en este caso. Cabe destacar que todos los espectros de EDS mostrados en este análisis, no se les aplico una limpieza de fondo (background) del espectro, lo que trae como consecuencia el incremento del pico de azufre, siendo este pico muchas veces muy cercano o mayor al pico de carbono.En la figura 13 se presenta otra estructura de las predominantes, siendo esta de anisotropía de pliegues lameliformes, ofreciendo el coque baja reactividad al aire y al CO2 gracias a su ordenamiento estructural. En la figura 14 se puede observar la micrografía del coque a menor magnificación y en ella se aprecia la baja porosidad que presenta este coque, solo presentan

15

grietas significativas. A la micrografía de la figura 14 se le realizo un análisis químico elemental a través de EDS y proyecto valores representativos de azufre.

Fig. 12 Estructura fibrosa alongada del coque y el espectro EDS de la partícula clara denotada con el rectángulo. (MEB), 500X.

Fig. 13 Estructura fibrosa lameliforme del coque.

Fig. 14 Presencia de grietas del coque y el espectro EDS. (MEB), 24X.

16

Caracterización fisicoquímica del coque calcinado de petróleo: A la muestra se le realizara el siguiente análisis de acuerdo a los procedimientos descritos en las normas que se listan a continuación: % Materia volátil (ASTM D 3175)%Ceniza (ASTM D 3174)%Humedad (ASTM D 346)%Carbón fijo (ASTM D 3172)Densidad vibrada a granel (Kg/m3) (ASTM 4292)Distribución granulométrica (ASTM 293)Al coque calcinado se le realizo un estudio químico basándose en la norma ASTM D 3682 para hallar las concentraciones en ppm de calcio, hierro, níquel, silicio, sodio y vanadio y para hallar el porcentaje de azufre se fundamento todo en la norma ASTM D 4239Los resultados obtenidos se pueden observar en la tabla 6, a continuación.

Tabla 6 Resultados de análisis fisicoquímico.

Caracterización de algunas propiedades: Tablas 6.1

17

2) Compactación:

En esta etapa de compactación el polvo se liga con un aglomerante, brea y al polvo se la aplica una presión de una magnitud adecuada por medio de un mecanismo de punzones, para darle la forma requerida al mismo.

El método convencional de compactación es el prensado, en el cual punzones opuestos aprietan el polvo contenido en un dado o matriz o en un molde. Las prensas que se usan son de acción hidráulica o neumática. Los objetivos de la compactación son obtener la forma, densidad y contacto entre partículas necesarios para que la parte tenga la resistencia suficiente y se pueda seguir procesando.

El objetivo es aumentar la densidad del polvo, por arriba de la densidad aparente y reducir la porosidad en el material. En la figura 15 se observa la condición que sufren las partículas en esta etapa.

Fig. 15 Fenómeno de la compactación.

El ciclo de compactación es el siguiente: Llenado del molde Transferencia de polvo Compactación del polvo: Deformación elástica, deformación plástica, unión en frío de las

partículas de polvo. Eyección de la pieza en verde.

Para esta etapa se ha decidido trabajar con un método de aplicación de presión unidireccional y una configuración del mecanismo de prensado doble donde la matriz estaría fija y ambos punzones se desplazan verticalmente aplicando la presión. La prensa a utilizar será del tipo: prensa de acción hidráulica. En la figura 16 podemos observar una representación del proceso de prensado doble ya que esto es lo recomendados para cilindros con una relación de altura entre su diámetro mayor a uno y alturas mayores de 6.5mm. Para el caso del electrodo de grafito, posee una relación de su altura entre su diámetro que es mayor a diez, por lo tanto de esta manera

18

cumple con las especificaciones requeridas para la compactación. En la figura 17 se explica mejor este fenómeno.

Fig. 16 Proceso del prensado doble.

Fig.17 Recomendación para el tipo de presado según la relación H/D

19

La presión de compactación para el coque se puede observar en la figura 18

Fig. 18 Rango de presiones de compactación.

La presión de compactación para nuestro diseño se tomara como 140Mpa. A partir de la presión de compactación se pueden obtener otros parámetros.

A partir del valor de la porosidad de la tabla 6.1 estima el número de coordinación, con la siguiente ecuación:

Nc=14−10 ,4∗ε 0,38(2)

Nc=14−(10,4∗(22100 )

0,38)=8,15

La resistencia en verde y la densidad en verde son parámetros importantes en esta etapa, y se calcularan por las ecuaciones 3 y 4 respectivamente cada una de ellas.

σ=P [1−u . z (H /D ) ] (3)Ecuación para el cálculo de la resistencia en verde.

ρv=ρa .H 0/ (H 0−ΔH ) (4)Ecuación para el cálculo de la densidad en verde,

20

Luego se procede a realizar la geometría preeliminar de las matrices y de los punzones. En la figura 19 se presenta un bosquejo representativo de cómo se formaría el electrodo en el proceso de compactación.

Fig. 19 Compactación del electrodo.

En la figura 20 se muestra una representación de la forma de la matriz para la compactación del electrodo.

Fig. 20 Forma de la matriz.

A continuación se muestra mediante imágenes una representación de lo que seria las etapas de la compactación:

21

Fig. 21 Movimiento de ambos punzones.

Fig. 22 Proceso de compactación, punzones aplicando la presión.

22

Fig. 22.1 Vista mejorada del proceso de compactación de los punzones aplicando presión.

Fig. 22.2 Zoom de la figura 22.1.

23

Análisis empírico de la matriz de compactación:

Un análisis del esfuerzo y la deformación a la que se encuentra sometida la matriz de compactación durante el proceso se realizo con el programa ANSYS WORKBENCH para observar el comportamiento de este tipo de matrices ante una carga radial. El material que se utilizo para el análisis fue ACERO. Los datos tomados empíricamente fueron tomados de un ensayo a una matriz de acero en la compactación de polvos a una presión seleccionada aleatoriamente. Dichos datos se pueden observar en la figura 23.

Fig. 23 Datos empíricos de valores de presiones. Presión de 727Mpa

En las siguientes imágenes se muestra una secuencia paso a paso del proceso seguido en el programa, obteniendo los siguientes resultados:

Fig. 24 Geometría de la pieza.

24

Fig. 25 Generación del mallado

Fig. 26 Presión de 727Mpa

25

Fig. 27 Restricción de empotramiento total.

Resultados:

Fig. 28 Esfuerzos de 9,91E5 Pa

26

Fig. 29 Esfuerzos máximos y mínimos en sus correspondientes zonas localizados por el programa.

Fig. 30 Deformación de 1,05e-8m

27

Fig31 Factor de seguridad de 15

Comentarios del proceso: 1. En las figuras 23 y 24 se selecciono la presión de mayor y magnitud y se muestra la

geometría de la matriz modelada en el programa inventor.2. En la figura 25 se muestra el mallado de la pieza, por medio del cual el programa realiza

los cálculos respectivos.3. En la figura 26 observamos la dirección en la que se le coloco la presión a la que esta

sometida la matriz que es de un orden de magnitud de 727Mpa aproximadamente.4. En la figura 27 se le coloco a la matriz una restricción, simulando el comportamiento de la

matriz, que estaría totalmente fija durante el proceso de compactación. 5. En la figura 28 ya se observa el resultado que arroja el programa a través del esfuerzo

equivalente de Vos Misses, y es del orden de los 991Kpa6. En la figura 29 se observa la localización de los esfuerzos máximos y mínimos que hace

el programa.7. En la figura 30 se observa el resultado de las deformaciones totales que es de un orden,

según el programa, de 1,05E-8metros8. Por ultimo en la figura 31 se observa el factor de seguridad que se obtiene al someter a

esa matriz de acero al estado de cargas (de presiones en este caso) ya antes dicho. Observamos que el valor que arrojo el programa fue de 15, valor alto, quiere decir que esa matriz esta trabajando en buenas condiciones.

3) Sinterización:

Después de prensado, el compactado verde carece de fuerza y resistencia, se desmorona fácilmente al menor esfuerzo. El sinterizado, o la sinterización, es el proceso de calentar los comprimidos crudos en un horno con atmósfera controlada, hasta una temperatura menor al punto de fusión, pero lo suficientemente alta (0,7 a 0,9 del punto de fusión) como para permitir la

28

adhesión (fusión) de las partículas individuales, incrementando así su resistencia y su fuerza. Se cree que la fuerza básica que mueve al sinterizado es la reducción de la energía superficial. El compactado verde consiste en muchas partículas distintas que tienen su propia superficie, por tanto la superficie total contenida en el compactado es muy alta. Bajo la influencia del calor, el área se reduce por la formación y crecimiento de las uniones entre las partículas, implicando una reducción de la energía superficial. Mientras más fino sea el polvo inicial, más alta será la superficie del área total y más grande la fuerza que mueve al proceso. Las variables principales del sinterizado son la temperatura, el tiempo y la atmósfera del horno.

En el caso de nuestro diseño, la temperatura de sinterizado se encuentra en un rango comprendido desde 2/3 hasta 4/5 de la temperatura de fusión. La temperatura de fusión del grafito es de 3800K, quiere decir entonces que el rango de temperaturas usado para el sinterizado será de 2530K hasta 3040K.

Para la sinterización se utilizara un horno continuo de banda sin fin con atmosfera controlada, por la razón de que estos hornos son ideales para volúmenes reproducción alto, y es lo que se busca para este proyecto.

4) Mecanizado:

Se trabaja el electrodo de grafito para darle sus dimensiones finales de diámetro y longitud. Se utiliza un dado exclusivo para cada medida, en el cual, la nariz de salida es la que proporciona el diámetro final Al ser un material frágil se ha de extremar la precaución en el proceso. Se pueden obtener tolerancias muy estrechas con herramientas de acero rápido. Por lo general es mecanizado en seco, aunque puede ser beneficioso el lubricarlo con el mismo líquido que se vaya a utilizar en el proceso de electroerosión.La viruta de grafito es polvo, por lo que es necesario utilizar dispositivos de aspiración, a fin de asegurar un máximo de limpieza. Este polvo es muy erosivo por lo que se han de limpiar bien las guías de las máquinas para evitar el desgaste con el tiempo. Además este polvo mezclado con el aceite de las guías forma una pasta que se va endureciendo, perdiendo precisión en el trabajo.Las velocidades de corte han de ser bajas (10-15 m/min) para conseguir un mínimo desgaste en las fresas y con ello una reproducción más perfecta. Es preferible trabajarlo en húmedo con el mismo líquido que se vaya a utilizar en Electroerosión.

5) Geometría final del electrodo: Finalmente se obtendrá un electrodo con las características ideales para su funcionamiento. A continuación se muestra un diseño de la geometría del electrodo mediante el uso del programa inventor. En la figura 32 y 33 se muestra una imagen de la geometría y el aspecto final del electrodo modelada mediante el uso de programas computacionales. En la figura 34 se observa un plano técnico del electrodo bajo la norma ISO E.

29

Fig. 32 Modelado de la geometría del electrodo.

Fig. 33 Vista en 3D del electrodo.

30

Fig. 34 Plano técnico del electrodo de grafito.

31

CONCLUSIONES

La aplicación de los conocimientos transmitidos por el profesor y adquiridos por el alumno en la cátedra de Pulvimetalurgia de la Universidad de los Andes nos crea una visión real acerca de lo exitosa que resulta la metalurgia de polvos en el ámbito industrial y lo provechosa que puede ser para fines futuros, además de formar parte de un conocimiento que alimenta nuestra cultura general y nuestra ecuación.

El diseño mecánico de un electrodo de grafito por vía de la pulvimetalurgia es un proceso totalmente exitoso, para grandes volúmenes de producción, que es lo que se quiere a futuro para este proyecto, esta vía de la metalurgia de polvos es totalmente aceptada para la elaboración de este proyecto.

A diferencia del proceso de diseño y de conformado convencionales usados por las empresas productoras de electrodos de grafito, el proceso utilizado en este proyecto se diferencia solo en la etapa de compactación, concluyendo así que aplicando el procedimiento seguido en este proyecto para el diseño del electrodo, este proyecto estima ser menos costoso.

El aprovechamiento del coque calcinado de petróleo es de carácter fundamental y tiene que impulsar en nuestro país una cultura de explotación al máximo de esta materia prima tan extraordinaria, y que esto conlleve a erradicar por completo la cultura de exportaciones del coque que se presentan en el país por parte de empresas que utilizan esta materia prima para sus fines y contar con mas proyectos como este que satisfagan las necesidades del venezolano con ideales venezolanos con coque de petróleo 100% venezolano.

En el mismo orden de ideas, el aprovechamiento del coque de petróleo nos llevara a disminuir el impacto ambiental desencadenado por el almacenamiento de este residuo en las adyacencias de las refinerías de petróleo del país, ya que la producción del mismo se equilibra con la utilización como materia prima para nuestro proyecto y los proyectos puestos en marcha a nivel nacional.

El uso del coque de petróleo como materia prima principal para el diseño del electrodo y la aplicación de la metalurgia de polvo conlleva a una disminución sustancial de los costos de diseño para la realización de este proyecto.

El uso de las técnicas aplicadas para el diseño virtual del electrodo de grafito, además del uso de herramientas CAD configuran un proceso fácil para llevar a cabo este proyecto y así disminuir los tiempos de producción.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

32

[1] Ciencia libre. El coque en Venezuela. http://cienciacatalisislibre.blogspot.com/2011/09/el-coque-en-venezuela.html. Consulta 01-10-2014.[2] Moralis Lara Berenguel. El coque.http://eltiempo.com.ve/locales/regionales/industria/el-coque-puede-dar-mas-beneficios-que-problemas-si-dejaran-de-acumularlo/60752. Consulta 01-10-2014.[3] José Da Silva, Armando Ferreira, Ana Neira, Guillermo Matas, Mariela Brandt. Alternativas de generación termoeléctrica utilizando el coque de petróleo como fuente de energía. Revista de la facultad de ingeniería de la U.C.V. Vol 23 n.4, 2008, pp. 81-92.[4] Tolosa Ramón. Proyecto de Pulvimetalurgia, Conversión del coque de petróleo en grafito. Investigación documental. http://moodle.ula.ve/pluginfile.php?file=/9491/mod_label/intro/PROYCT%20CONVERSI%C3%93N%20COQUE%20DE%20PETR%C3%93LEO%20EN%20GRAFITO.pdf. Consulta 01-10-2014.[5] Linca C.A. Electrodos de grafito. http://www.corporacionlinca.com/venezuela/index.php/electrodos-de-grafito. Consulta 01-10-2014[6] Ainhoa Moreno Sanchez. Desarrollo de aceros sinterizados con nanofibras de carbono. http://e-archivo.uc3m.es/bitstream/handle/10016/12843/PFC_Ainhoa_Moreno_Sanchez.pdf?sequence=1. Consulta 10-11-2014. [7] Tema 4. Reduccion de tamaño. (Molienda). http://ocw.bib.upct.es/pluginfile.php/5547/mod_resource/content/1/Tema_4_-_Molienda_I_.pdf. Consulta 20-11-2014.[8] Tosta M. Rafael. Correlación microestructural del coque y brea empleados en la fabricación de anodos para la industria del aluminio. http://www.cidar.uneg.edu.ve/DB/bcuneg/EDOCS/TESIS/TESIS_POSTGRADO/MAESTRIAS/CIENCIAS_MATERIALES/TGMQT68M452008%20Rafael%20Tosta.pdf . Consultado 28-11-2014.

ANEXOS

33

PLANOS TECNICO DEL GRAFITO

FORMA DE LA MATRIZ DE COMPACTACION.

34

FORMA DEL PUNZON INFERIOR EN LA COMPACTACION.

FORMA DEL PUNZON SUPERIOR EN LA COMPACTACION.

35

FINALMENTE EL ELECTRODO DE GRAFITO

EMANADOR ELECTRICO REPELENTE DE ZANCUDOS

36

MUESTRA DE GRAFITO REAL

37