UNIVERSIDAD DE LOS ANDESFACULTAD DE INGENIERIAESCUELA INGENIERIA MECANICADEPARTAMENTO DE DISEO Y TECNOLOGAINTRODUCCION A LA PULVIMETALURGIA

Conversin del Coque en Grafito para la produccin de minas de lpices.

GRUPO: Lpiz de GrafitoAutores:Leovaldo Vsquez 18.123.058.Leonel Santiago C.I. 19.103.357.Juan Parra C.I. 19.146.379.Mrida, 11 de Octubre 2013.Introduccin.

Un Poco de Historia:

La palabra lpiz proviene del latn lapis, que significa piedra este nombre se le dio en relacin a la piedra de grafito. El lpiz de grafito es uno de los materiales ms usado y quizs el primero que todos tomamos en nuestros primeros intentos de plasmar algo sobre una hoja de papel. Es una herramienta muy verstil y sensible que permite ser usado para tomar desde un simple apunte o boceto a un trabajo con mayor detalle. Pudiendo aplicar distintos valores, intensidades, y texturas a la vez de tener la posibilidad ser de corregido dado que es un material borrable.

En 1564 se descubri el grafito, en Cumberland, (Inglaterra, cercana a la frontera con Escocia). Esto permiti la invencin de los lpices de grafito, que se introdujeron en Francia, en la corte de Luis XIII.

A partir de la mitad del Siglo XVII, las minas inglesas de grafito eran explotadas por la corona, y servan tambin para la fundicin de caones y su produccin estaba muy reglamentada, por lo que se penaba con pena de muerte al obrero que llegara a extraer un fragmento de dicho material.

En 1792 se cortaron las relaciones entre Francia e Inglaterra. Esto hizo que el ingeniero francs Jacques-Nicols Cont, ideara unos lpices de grafito y arcilla, rodeados de madera de cedro. Pronto se impusieron en todo el mundo. Aunque otras documentaciones indican que el verdadero inventor fue el hijo de un carpintero, el austracoJosef Hardtmuth.

La dureza de los lpices depende de la proporcin entre grafito y arcilla: cuanto ms grafito se utilice, ms blando u oscuro es el trazo del lpiz. Se mezclaba polvo de grafito con arcilla, cortando en pequeas barras que luego se cocan.

En 1812 el estadounidense William Monroe perfeccion este proceso.

John Eberhard (nacido en 1822) construy la primera fbrica de lpices en gran escala, en Estados Unidos de Amrica.

En las ltimas dcadas del Siglo XX, Brasil era uno de los principales productores de lpices, con 4.500 millones de unidades por ao.

Materia Prima El Coque:

El coque de petrleo es un producto residual de elevado contenido en carbono, resultante de la pirolisis de las fracciones pesadas obtenidas en el refino del petrleo, que ha pasado a travs de un estado lquido cristalino (tambin denominado mesofase) durante el proceso de carbonizacin y que est constituido por carbono no graftico. Bsicamente, se pueden clasificar los distintos tipos de coque de petrleo en tres calidades distintas:

Coque de petrleode combustin Coque de petrleoregular Coque de petrleo de aguja

El desarrollo de procesos de conversin del coque en grafito es de gran importancia en Venezuela debido a que las refineras (Centro de Refinacin Paraguan, Complejo petroqumico e industrial General de divisin Jose Antonio Anzotegui) producen en total 20mil Ton/da de coque, y debido a que el grafito es usado ampliamente en diversos campos como materia prima.

Informacin Fsico-Tcnica:

Los dos elementos base de un lpiz son: El grafito y La arcilla.

El grafito: no es ms que tomos de carbono asociados en una especie de mallas hexagonales mediante enlaces covalentes. Por ello aunque su apariencia confundi a los qumicos del pasado no tiene nada que ver con el plomo. Estas mallas no estn unidas unas a otras del mismo modo, sino slo mediante dbiles enlaces, de modo que si se frota grafito con algo, las finas mallas hexagonales se pelan y se deslizan unas sobre otras, quedando pegadas al material sobre el que se frotan. Por eso el grafito pinta.

Su color es negro grisceo, graso al tacto y no es combustible. El grafito fue usado desde la antigedad como pigmento negro escasamente en la pintura, su principal empleo fue como material para escribir y dibujar.

La arcilla: Es una roca dendrtica muy fina, parcialmente deshidratada, constituida por un agregado de silicatos de aluminio hidratados, que pueden ir acompaados de otros minerales.

Construccin: los lpices modernos se fabrican industrialmente mezclando polvo de grafito y arcilla molidos finamente, agregando agua, formando minas largas que se cuecen en un horno (compartimientos trmicamente aislados). Las minas resultantes se sumergen en aceite o cera fundida, que filtra en los agujeros minsculos del material, dando por resultado una escritura ms lisa.

Cmo se hace un lpiz? Fabricacin, Proceso de fabricacin de un lpiz:

Alrededor del globo terrqueo se fabrican al ao ms de 6000 millones de unidades, pero en el momento que cuestionarse sobre cmo se elaboran loslpices? las preguntas a las que se debe responder son las siguientes cmo meten las minas dentro del lpiz? Y de que material est compuesta tal mina?

Las minas estn elaboradas de grafito que es una sustancia muy parecidafsicamente al carbono, pero esta difiere sustancial mente en su composicin qumica ya que es una especie de carbnmineral hecho de depsitos de algas prehistricas que estn almacenadas hace ms de 200 millones de aos bajo la superficiede la tierra, este material es muy difcil de encontrar en las excavaciones lo que repercute en el grado de dificultad para sacarlo a la superficie.

Despus de su extraccin el grafito es llevado a cmaras de flotacin donde es mezclado con una solucin bsica o alcalina muy potente para ser separado y refinado de las impurezas naturales que contiene, por lo general otros minerales que reaccionan en medio bsico, continuamente este es secado para poder ser transportado a una fbrica de procesamiento industrial, momento en el cual es mezclado proporcionalmente con arcilla china que es la encargada de dar consistencia al material, esta es batida con agua por unos cuantos minutos, hasta dar una composicin homognea, dela batidorala horno el proceso de elaboracin de las minas continua pasando por unos embudos que proporciona al grafito la forma cilndrica que todos conocemos.

Pero en este punto las minas no estn terminadas, ests deben pasar por unas etapas que se encargan de hornear y seguidamente enfriarlas para generar una alta resistencia y de esta forma poder cumplir con su aplicacin principal, ya que si las minas no pasan por este proceso seguirn siendo tan elsticas como una goma, despus del horno ya mencionado viene la etapa de la freidora que es un recipiente con una mezcla de cera y aceitecalienteencargadas de generar el endurecimiento, porque entre ms cera se introduzca en la estructura de la mina esta ser ms dura.

Por otro lado se desarrolla todo lo referente a cortar, procesar y ensamblar la madera que va a servir de soporte para la mina, este tipo de proceso cuenta en la actualidad con grandes maquinas que facilitan y agilizan el proceso de elaboracin de loslpices.Para finalizar, dos segmentos de madera, la mina y una parte de pegante son horneados durante aproximadamente 90 minutos, tiempo en el cual todos los segmentos se transforman en una sola pieza, para que continuamente se le agregue el borrador cuando es necesario.

Para darle un acabadofinalal lpiz, se cuenta con un barnizado a base de agua, con el cual se proporciona el cubrimiento necesario para proteger la estructura del lpiz, ya que no solo loslpicesson utilizados para escribir, tambin las personas en ocasiones los muerden, prctica requiere de precauciones especiales.

Diagrama de fabricacin de lpices:

Acerca de las durezas: Como ya he dicho anteriormente la proporcin de arcilla con respecto al grafito determina su dureza del lpiz. Por lo tanto se establecen dos grupos:

Los lpices duros: son de mina seca, ms fuertes, grisceos y estrechos.

Los lpices blandos: son de mina ms aceitosa, oscura, frgil y gruesa.Proceso de Conversin del Coque en Grafito.

El Coque es un material producto de la extraccin del petrleo, dicho material es abundante en esta industria, tal es el caso de las refineras en Venezuela como Amuay y Jos donde se consiguen montaas de coque. Este proceso se realiza en los siguientes pasos:

1. Se extrae el Coque de la Industria Petrolera en los estados Falcn y Anzotegui.

2. Se realiza el Proceso de Grafitizacin del Coque:

2.1. Se realiza el proceso de calcinado del coque, a una temperatura de 3000 C la cual a medida que se va incrementando de 0C a 3000C ocurren diferentes fases, a los 1200C se va removiendo el Hidrogeno, Sulfuro y otros elementos alcanzando la temperatura de carbonizacin.

2.2. Si se incrementa a 1800C es donde comienza y ocurre la conversin de una estructura Turboestatigrafica (Turbinitas) a la estructura del grafito. Este es un cambio que se produce lentamente hasta alcanzar una temperatura de 2200C donde ocurre de manera rpida, este proceso es controlado a travs de difraccin de rayos X.

En esta fase el tamao del cristal aumenta de 5nm a 100nm o ms y los espacios intersticiales disminuyen de 0.34nm a 0.33nm que es el tamao ideal para el grafito, trayendo como consecuencia la eliminacin de los defectos cristalinos, tambin ocurre una diferencia de peso por la prdida de las especies qumicas procedente del coque original que no se desean en el producto final.

En el coque para que ocurra una grafitizacin completa se debe mantener una temperatura de 3000C en un tiempo estipulado de entre 2h a 3h. Este proceso se puede acelerar an ms para obtener un coste menor energtico con la presencia de un gas oxidante o un metal catalizador, tambin se puede modificar la atmosfera del mismo realizando un aumento en la presin del horno y as disminuir la temperatura garantizando la disminucin de los costos.

3. Luego producto del proceso de carbonizacin, la ceniza que se obtiene (Grafito sinttico) es pasada a un proceso de Molienda, cuya finalidad es dar la textura de polvo fino al grafito, no importa las dimensiones que el grano de polvo se obtenga, pero s que este en pequeas partculas (polvo fino).

Generalidades del Lpiz de grafito.

El lpiz es el elemento que mancha el papel y lo pigmenta logrando crear un rastro tras de s conocido como trazo.

El lpiz est formado por una mezcla de grafito natural pulverizado y arcilla horneados a unas temperaturas especficas.

Segn la dureza de la mina se emplea una proporcin mayor o menor de grafito-arcilla. A mayor arcilla mayor dureza.

El grafito: Hoy sabemos, que el grafito no es ms que tomos de carbono asociados en una especie de mallas hexagonales mediante enlaces covalentes. Por ello aunque su apariencia confundi a los qumicos del pasado no tiene nada que ver con el plomo. Estas mallas no estn unidas unas a otras del mismo modo, sino slo mediante dbiles enlaces, de modo que si se frota grafito con algo, las finas mallas hexagonales se pelan y se deslizan unas sobre otras, quedando pegadas al material sobre el que se frotan. Por eso el grafito pinta.

La arcilla: Es una roca detrtica muy fina, parcialmente deshidratada, constituida por un agregado de silicatos de aluminio hidratados, que pueden ir acompaados de otros minerales. Su color se debe a las inclusiones que presenta. Manifiesta propiedades plsticas cuando el contenido de agua oscila entre determinados lmites. Por calcinacin pierde esta propiedad y se contrae quedando permanentemente endurecida. Se ha utilizado desde la ms remota Antigedad como material de construccin (en la fabricacin de ladrillos, adobes y tapias), como materia bsica para varios tipos de pastas cermicas, como material de moldeado en esculturas, as como soporte de la escritura (tablillas de arcilla).

El lpiz puede clasificarse en dos grupos segn sea la dureza (como ya se explic determinada por la cantidad de arcilla):

Lpices duros:De mina seca, tenaz, a griscea y algo ms estrecha.

Lpices blandos:De mina aceitosa, frgil, oscura y ms gruesa.

Dentro de estas dos clasificaciones existe un amplio gradiente de opciones que satisfacen todas las demandas. Desde el lpiz superduro al superblando. Para poder diferenciarlos, adems de probarlos sobre el papel y experimentar por nuestra propia piel los diversos tonos que generan, observando la numeracin o las letras que llevan impresa en la caa de madera.

Los lpices durosllevan la letra H (hard, duro en ingls) o nmeros altos: 3,4,5,6...

Los lpices blandos, por el contrario, se identifican con la letra B (bold, marcado en ingls) o nmeros bajos 0,1...

Aunque tambin se pueden encontrar los que mezclan nmeros y letras, que siguiendo con el esquema anterior diferencian las diversas durezas:

Los lpices durosvienen definidos por la letra H seguido por un nmero (cuando ms alto ms duro):2H, 3H, 4H, 5H...

Los lpices blandosvienen definidos por la letra B seguido por un nmero (cuando ms alto ms blando):2B, 3B, 4B, 5B...

En la creacin de nuestra mina de lpiz usaremos grafito sinttico

GRAFITO SINTTICO.El grafito sinttico primario es esencialmente carbono producido a partir decoquede petrleo calcinado. El grafito sinttico secundario (polvo y desecho) es producido en forma similar a partir de rellenos carbonosos y materiales aglomerantes.Por ser un subproducto de procesos controlados el contenido de carbono y grafito es ms uniforme en sus diferentes tipos. Este tipo de grafito incrementa la densidad del electrodo, la resistencia y la conductividad elctrica.Por lo general los grafitos naturales y sintticos tienen diferentes usos y funciones, por ello no compiten en los mismos mercados. Slo en la produccin de acero se prefiere grafito sinttico al natural (amorfo), para aumentar el contenido de carbono en el acero.

PropiedadCaractersticas

Temperatura de fusinTiene dos puntos triples(punto en que coexisten en equilibrio tres fases)-3,550C bajo una presin de 88 kg/cm2-3,726C a las 100,000 atmsferas de presin

SublimacinEntre 3,300 y 3,550C a una presin de 1.033 kg/cm2

Oxidacin trmicaEn presencia de oxgeno comienza a 300C

CombustinA 620 y 670C es combustible en presencia de oxgeno

Caractersticas del grafito sinttico:ComponenteUnidadPrimarioSecundarioHojuelas

Carbono%99.999.097.00

Azufre%0.000.010.07

Densidadg/cm32.252.242.24

Contenido de grafito%99.992.395.0

Densidad de cenizasg/cm32.652.684.68

Resistenciaohm-cm0.0350.0420.024

El tipo de grafito a emplear es el primario.

Proceso de fabricacin de la mina de lpiz de grafito.

En este proceso de fabricacin de la mina de lpiz se emplea cuando ya el grafito existe en las condiciones mnimas requeridas en polvo fino:

1. Se realiza un proceso de mezclado el cual se combina el grafito con arcilla y agua, obteniendo partculas ms grandes de la mezcla.

2. Dichos granos grandes producto de la mezcla son compactados en un tocho de dimensiones 15cm de dimetro por 30cm de alto obteniendo as el compacto en verde.

3. Este compacto en verde es puesto en una mquina de extrusin el cual dar las dimensiones finales de las minas de lpices. (mina de 2mm de dimetro).

4. Luego esta mina extruida es pasada por unas trefilas y se procede a cortarlas en 18mm de largo.

5. Dichas minas poseen agua en su interior y son muy flexibles por lo que se realiza un proceso de secado en el horno rotatorio a 160C por 12 horas para extraer el agua.

6. Luego se procede a realizar el tratamiento trmico (sinterizado) el cual le daremos a las minas de lpiz la propiedad de rigidez y dureza caracterstica de la mina del lpiz, calentndolo por 10 horas a 427C.

7. Por ultimo para dar la textura y caractersticas de la mina de grafito se le realiza un bao de cera y aceite durante 12 horas a las minas de lpiz y as dar las caractersticas finales de dureza y propiedad de impregnacin al momento de utilizar las minas.

8. Luego se emplea la madera en las minas pero estas ya vienen preestablecidas de fbrica con los requerimientos de geometra necesaria para ser puestas en ellas.

9. Estas tablas de Madera de Cedro se les realiza unas ranuras y se acompaa en ellas con pegamento y as la mina de lpiz queda adherida a la tabla.

10. Luego a la tabla con la mina se procede a realizar lo denominado sndwich que es colocar otra tabla de madera encima de la que ya tenemos anteriormente.

11. Estas son enviadas a un horno de secado por 1 hora y luego son llevadas a una prensa la cual les da la forma final hexagonal para mayor comodidad y agarre.

12. Se realiza un recubrimiento de proteccin con pintura o acrlicos para su mayor proteccin y durabilidad.

13. Finalizando este proceso con la respectiva numeracin e identificacin de los lpices, dando origen al Pulvi-Lpiz 3000.

Caractersticas, geometra, cargas, densidad en verde en el diseo del lpiz de grafito.

La densidad en verde del grafito sinttico primario es el 85% de la densidad real de este es decir:

2.65 g/cm3*0.85= 2.25 g/cm3

Utilizamos un 85% debido a que el 15% restante se traduce en porosidad.

Dicha porosidad ser aprovechada posteriormente ya que en esta se alojara la cera con la que son impregnadas las minas de grafito.

Esfuerzo de compactacin o = . Valor Utilizado en la industria en la compactacin en verde para la extrusin de la mina del lpiz.

Para mayor informacin ver: http://www.youtube.com/watch?v=LFkEH7C4gWo minuto 2:05.

Carga de Compactacin:

Esfuerzo mximo durante la expulsin: de igual modo se establece que tericamente dicho esfuerzo debe ser menor al

Tamao, forma y dimensiones de la pieza:

Un lpiz es un instrumento comn de mano utilizado para escribir o dibujar sobre papel de forma cilndrica hexagonal, Consta de una barra o varilla cilndrica formada por una combinacin especial de arcilla y grafito visible en la punta, a la que se le llama mina o grafo (excepto para lpices de color), la cual se encarga de marcar sobre el papel lo que se desea. Viene recubierta con una capa de madera en forma generalmente hexagonal, aunque pudiese ser circular, ovalada o triangular, pintada en su exterior, la cual permite sujetar adecuadamente el instrumento para dibujo o escritura.

Los lpices comunes nuevos suelen tener de 6 a 8 mm de dimetro y de 16 a 18 cm de longitud.

Por otra parte la mina generalmente es de 2mm de dimetro y de 16 a 18 cm de longitud.

Su duracin es variable de acuerdo a la frecuencia de su uso y normalmente uno de grado duro ser ms durable que uno de graduacin suave, pero ser menos oscuro o visible lo que se escribe o dibuje.

Existen tambin los llamados lpices mecnicos o portaminas, instrumentos capaces de contener en su interior minas de pequeo dimetro (usualmente 0,3 mm, 0,5 mm y 0,7 mm) que se deslizan hacia el exterior segn se va necesitando.

La forma hexagonal de un lpiz en lugar de otras hace que tenga ms agarre y por lo tanto es mejor y ms cmodo.

Para la compactacin del material usaremos el proceso de extrusinel cual es utilizado para crear objetos con seccin transversal definida y fija.

El material se empuja o se extrae a travs de un troquel de una seccin transversal deseada, en este caso circular.

Las dos ventajas principales de este proceso por encima de procesos manufacturados son la habilidad para crear secciones transversales muy complejas y el trabajo con materiales que son quebradizos, porque el material solamente encuentra fuerzas de compresin y de cizallamiento.

El proceso de extrusin se hace con el material en frio.

Para este proceso se empleara una matriz y un punzn con las siguientes medidas:

Punzn de extrusinMatriz de extrusin

Punzn de extrusin

El tocho de material que ser introducido es de 30x15cm las dimensiones de la matriz y punzn para lograr el compactado del tocho es de:

Punzn de compactacinMatriz de compactacinTocho

Tocho

Dimensiones del Lpiz a fabricar:

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Libro

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