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Evaluación de la calidad del aire en el proceso de moldeo y fundición de hierro gris’

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Academic year: 2020

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(1)Pensamiento.. Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Química - Farmacia Departamento de Ingeniería Química. TRABAJO DE DIPLOMA. Título: ’’ Evaluación de la calidad del aire en el proceso de moldeo y fundición de hierro gris’’ Autor: Alejandro Calero Crespo Tutores: Dra. Mayra Morales Pérez Ing.Yiliam González Durán. Santa Clara, Junio del 2016 "Año 58 de la Revolución". i.

(2) Pensamiento.. El que siembra escuela cosecha hombres. José Martí.. ii.

(3) Dedicatoria. Dedico esta tesis a mi familia por ser los que han hecho posible que yo sea el hombre que soy hoy , pero en especial a dos personas que por cosas del destino no pudieron estar presente en este momento tan especial e importante de mi vida, a mi tío Raúl Dorta(Ruli ) el cual me supo guiar y darme apoyo en mi vida como estudiante preuniversitario del cual aprendí muchos valores con los cuales me he forjado y siempre lo tendré presente .A mi bisabuela Ñeña porque fue la mujer que cuando niño me brindo su amor y me cuido incondicionalmente por eso hasta los días de hoy todavía la recuerdo, pues sin ellos todo el esfuerzo realizado para graduarme como ingeniero químico no hubiera sido posible.. iii.

(4) Agradecimientos.  A mis padres Ania y Jose Manuel por ser mis guías y brindarme su amor, confianza y apoyo incondicionalmente cada vez que los he necesitado.  A mis abuelos maternos Irma y Macho, por contonearme, por brindarme su amor durante mi trayectoria por la vida y por confiar en mí.  A mis hermanas Lorena. Gabriela y mi prima Yaima por quererme apoyarme y ayudarme cada vez que me ha hecho falta.  A mis tíos Alfred e Idalmis por ser un ejemplo a seguir en mi vida, por educarme y apoyarme incondicionalmente.  A mis abuelos paternos Emida y Antonio por confiar en mí y servirme de ayuda.  A mis tíos Tony, Nino y en especial a mi tía Yayi por brindarme siempre su amor y cariño.  A mi novia Lisdany por soportarme, hacerme reir en los momentos difíciles y por ser mi apoyo, mi confesora y sobre todo por su eterno amor.  A la familia de mi novia por quererme, dejarme entrar en sus corazones y apoyarme en todo momento.  A mis tutoras Yiliam y en especial a Maira por su apoyo incondicional durante la tesis pues gracias a su ayuda se logró las expectativas logradas.  A mis compañeros y compañeras de aula en especial a Jardany, Noel, Daviel, Rocío entre otros por ser mis compatriotas en las buenas y en las malas, en las fiestas y en los estudios, por confiar en mí y brindarme su amistad y cariño.  A las chicas Lisbet, Claudia, Yuneisy y Luvia, incluyendo a sus novios por su amistad sincera y por convertirme en uno más de su grupo.  A todos los profesores del departamento que formaron parte de mi formación como ingeniero.  A todo aquel que de una forma u otra me brindó su apoyo durante estos 5 años a todos ustedes MUCHAS GRACIAS. iv.

(5) Resumen. En el presente trabajo se evalúa la calidad del aire en el proceso de fundición de hierro gris que ocurre en la Empresa División de talleres Enrique Villegas del municipio de Santa Clara. Primeramente se llevó a cabo una metodología con el objetivo de conocer los flujos de gases y residuos sólidos mediante el balance de materiales en el horno de cubilotes. Se realiza una comparación de los valores de la carga de gases contaminantes con los factores de emisión reportados para este tipo de proceso y los resultados obtenidos demuestran que las emisiones de monóxido de carbono y compuestos de nitrógeno son las más significativas. Luego las partículas fueron determinadas experimentalmente utilizando una estación de monitoreo activo con filtros de papel, mediante un método reflectométrico. Además estas partículas fueron analizadas a través del método de Fluorescencia por rayos X (XRF) para conocer las concentraciones. de. los. elementos. v. existentes. en. ellas..

(6) Abstract. In this work the air quality in the process of gray cast iron that occurs in the Enterprise Division of workshops Enrique Villegas the municipality of Santa Clara is evaluated. First it conducted a methodology in order to know the flows of gases and solid waste by material balance in the cupola furnace. a comparison of the values of pollutant loading gas emission factors reported for this type of process and the results showed that the emissions of carbon monoxide and nitrogen compounds are the most significant is performed. Then the particles were determined experimentally using a monitoring station active with paper filters, using a reflectometric method. Furthermore these particles were analyzed by the method of X-ray Fluorescence (XRF) to determine. the. concentrations. of. vi. elements. existing. therein..

(7) Índice. Introducción............................................................................................................................................... 1 Capítulo I: Revisión Bibliográfica. ....................................................................................................... 1 1.1 CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA. ............................................................................................... 1 1.2 CLASIFICACIÓN DE LOS CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS. ............................................ 3 1.3 INDUSTRIA DE FUNDICIÓN FÉRREA. .......................................................................................... 5 1.4 HORNOS PARA FUNDIR METALES. .............................................................................................. 5 1.5 HORNOS DE CUBILOTES. GENERALIDADES. ........................................................................... 6 1.6 ESTRUCTURA DEL HORNO DE CUBILOTE. ............................................................................... 7 1.7 CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA EN LA INDUSTRIA DE FUNDICIÓN FÉRREA. ............. 8 1.8 NORMATIVAS PARA LA CALIDAD DEL AIRE ............................................................................ 10 1.9 DETERMINACIÓN DE LAS EMISIONES. ..................................................................................... 11 1.10 MONITOREO DE LOS NIVELES DE INMISIÓN. ....................................................................... 13 1.11 TÉCNICAS DE MUESTREO. ........................................................................................................ 13 1.12 PRINCIPALES MÉTODOS DE MUESTREO DEL AIRE. .......................................................... 14 1.12.1 TÉCNICAS DE ANÁLISIS. ...................................................................................................... 15 1.12.2 TÉCNICAS ANALÍTICAS PARA MATERIAL PARTICULADO.......................................... 15 1.13 FLUORESCENCIA POR RAYOS X. ............................................................................................ 17 1.13.1 MÉTODOS DE FLUORESCENCIA DE RAYOS X. ............................................................ 17 Capítulo II: Materiales y Métodos. ...................................................................................................... 19 2.1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................... 19 2.2 CARACTERIZACIÓN DE LA ZONA DE ESTUDIO ...................................................................... 19 2.3 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO TECNOLÓGICO ...................................................................... 20 2.4 BALANCE DE MATERIALES........................................................................................................... 21 2.5 DETERMINACIÓN DE LA COMPOSICIÓN ELEMENTAL DE LAS MATERIAS PRIMAS. ... 23 2.6 DETERMINACIÓN DE LAS INMISIONES ..................................................................................... 30 2.7 CALCULO DE LAS INMISIONES Y DETERMINACIÓN DEL PM10 ......................................... 35 2.9 DETERMINACIÓN DE LAS CONCENTRACIONES POR ELEMENTOS. ............................... 38 Capítulo III: Análisis de Resultados. ................................................................................................. 40 3.1 BALANCE DE MATERIALES........................................................................................................... 40 3.1.1 Estimación De Las Emisiones. Resultados Del Balance De Materiales. ............................... 40 3.2 DETERMINACIÓN DE LOS NIVELES DE INMISIÓN. ................................................................ 44 3.3 RESULTADOS DEL ANÁLISIS POR XRF .................................................................................... 49 vii.

(8) Índice. Conclusiones........................................................................................................................................... 55 Recomendaciones. ................................................................................................................................ 56 Revisión Bibliográfica. .......................................................................................................................... 57. viii.

(9) Introducción. Introducción. Dentro de los problemas ambientales a que están expuestos los ecosistemas y que se han agudizado a partir de la mitad del siglo pasado, está la contaminación atmosférica, la cual es conocida por la presencia en la atmósfera de sustancias en una cantidad que implique molestias o riesgo para la salud de las personas y de los demás seres vivos, pueden ser de cualquier naturaleza principalmente por la actividad antropogénica y la originada por el hombre. Un ejemplo vigente es, en la industria de fundición, de la cual podemos mencionar que el proceso más contaminante es la fusión del metal o de las aleaciones; de allí que sea importante hacer el mayor énfasis en mantener un estricto control del mismo, además en los procesos donde no hay fusión de metales se generan contaminación por partículas. La generación de residuos está directamente relacionada con el tipo de material usado (hierro fundido) y depende del tipo de moldes y machos usados, así como de la tecnología a emplear. El tamaño de las empresas dedicadas a la fundición de metales va desde pequeños talleres hasta grandes plantas manufactureras que producen miles de toneladas de piezas fundidas cada día. Una de ellas es la empresa División de Talleres “Enrique Villegas” perteneciente al ZETI (Empresa de Servicios Técnicos Industriales) en Santa Clara, la cual consta de un taller que está dotada con el equipamiento necesario para la producción de hierro gris dotado de un horno de cubilote. Actualmente esta entidad conserva una tradición muy fuerte en la fabricación de innumerables piezas, equipos y accesorios para diferentes fábricas y sectores industriales. La misma lleva años al servicio de la industria azucarera cubana y países de Latinoamérica. Esta industria siempre ha sido de vital importancia para la economía del país, ya que existen pocas fundiciones de su tipo en el territorio nacional. Su posición geográfica la hace insustituible, pues está ubicada en el centro-norte del territorio nacional, lo cual favorece la comercialización de su producción tanto dentro como fuera de Cuba. Las fundiciones que trabajan el hierro y acero son sitios significativos en lo que se refiere al grado de contaminación. Estos probablemente se han convertido en sitios químicamente contaminados con un amplio rango de substancias producto de manufactura del hierro y acero y sus procesos asociados. La contaminación por metales, ácidos/álcalis y compuestos inorgánicos y orgánicos es común en tales sitios y las emisiones de las partículas en esta industria es compleja por su cantidad y composición química Como se puede apreciar, la naturaleza de emisión en estas industrias incluyendo material particulado es compleja. También, el tamaño de partículas es diferente y en un por ciento importante es menor que 10 µm. Lo anterior evidencia que los procesos y/o actividades desarrollados en procesos de 1.

(10) Introducción. fundición generan impactos ambientales que afectan la salud de los trabajadores lo que justifica la necesidad de incorporar la dimensión ambiental que permita el control de los ambientes de trabajo en aras de la mejora continua del desempeño de la empresa. Problema científico No conocer la magnitud de las emisiones al aire, asociado a los procesos de fundición dificulta las diversas acciones para evaluar el desempeño ambiental de la empresa y su impacto a la calidad del aire en este ambiente de trabajo.. Hipótesis Si se evalúan las corrientes gaseosas y partículas en el proceso de fundición de hierro gris se podrá realizar el diagnóstico de la calidad del aire en la Empresa División de Talleres Enrique Villegas. Objetivo general  Evaluar la calidad del aire en el proceso de fundición de hierro gris.. Objetivos específicos  Estimar los niveles de emisión de gases  Evaluar los niveles de inmisión de partículas  Caracterizar experimentalmente el material particulado monitoreado. 2.

(11) Capítulo I: Revisión Bibliográfica. Capítulo I: Revisión Bibliográfica. 1.1 CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA. Se entiende por contaminación atmosférica a la presencia en la atmósfera de sustancias en una cantidad que implique molestias o riesgo para la salud de las personas y demás seres vivos, ataquen a distintos materiales, reduzcan la visibilidad y produzcan olores desagradables. El nombre de la contaminación atmosférica se aplica por lo general a las alteraciones que tienen efectos perniciosos en los seres vivos y los elementos materiales, y no a otras alteraciones inocuas.(Martínez,2004; Echarri,2007).La contaminación atmosférica existe fundamentalmente debido a la acción antropogénica en función del desarrollo y consumo para mejorar la vida y sus necesidades pero esa acción antropogénica ha ido deteriorando su propio habitad y no hay total conciencia de los gobiernos y población del daño que se ocasiona , en la actualidad la cantidad de CO2 está aumentando de forma constante debido al uso de carburantes fósiles como fuentes de energía, lo que provoca un incremento de la temperatura de la tierra agregándole además que uno de los factores determinantes a que ocurra dicho fenómeno es la influencia humana en el sistema climático. En los últimos 800.000 años, las concentraciones atmosféricas de dióxido de carbono, metano y óxido nitroso han aumentado a niveles sin precedentes. Las concentraciones de dióxido de carbono han aumentado en un 40% desde la era preindustrial debido principalmente las emisiones netas derivadas del cambio de uso del suelo (climate/,2013). El calentamiento en el sistema climático es inequívoco y, desde la década de 1950, muchos de los cambios observados no han tenido precedentes en los últimos decenios a milenios. La atmósfera y el océano se han calentado, los volúmenes de nieve y hielo han disminuido, el nivel del mar se ha elevado y las concentraciones de gases de efecto invernadero han aumentado. Uno de los indicadores más preocupantes es que la aceleración en el incremento de los gases de efecto invernadero es cada vez mayor. El aumento en la concentración entre el 1985 y 1994 fue de media 1,42ppm anuales, mientras que entre el 2005 y el 2014 esta fue de media 2,11 ppm anuales (Canadell,2007; Acción, 2015) Aun cuando se reduzcan drásticamente las emisiones, la permanencia del CO2 en la atmósfera hará que se sigan produciendo cambios en los componentes climáticos, tal y como afirma el panel intergubernamental de cambio climático IPCC:Las emisiones de CO2 acumuladas determinarán en gran medidael calentamiento medio global en superficie a finales del siglo XXIy posteriormente. La mayoría de aspectos del cambio climáticoperdurarán durante muchos siglos, incluso aunque pararan lasemisiones de CO2, lo que supone una notable inexorabilidad del. 1.

(12) Capítulo I: Revisión Bibliográfica. cambio climático durante varios siglos, debido a las emisiones deCO2 pasadas, presentes y futuras. Las consecuencias a nivel global de este aumento de la temperatura planetaria serán: • Acentuación del contraste en las precipitaciones entre las regiones húmedas y secas y entre las estaciones húmedas y secas. • El calentamiento oceánico afectará a la circulación oceánica que determina las condiciones meteorológicas de los continentes. Además provocará el aumento del nivel del mar. • La cobertura de hielo del Ártico seguirá menguando y haciéndose más delgada, y el manto de nieve en primavera en el hemisferio norte disminuirá. Lo mismo ocurrirá con el volumen de los glaciares. • Afectará a los procesos del ciclo del carbono de un modo que agudizará el aumento de CO2 en la atmósfera y una mayor acidificación del océano. (Acción, 2015) El dióxido de carbono atmosférico tiende a impedir que la radiación de onda larga escape al espacio exterior; dado que se produce más calor y puede escapar menos, la temperatura global de la Tierra aumenta, produciéndose el efecto invernadero. Esto traería como consecuencia la aceleración de la fusión de los casquetes polares, haciendo subir el nivel de los mares, cambiando el clima regional y globalmente, alterando la vegetación natural y afectando las cosechas. Estos cambios, a su vez, tendrían un enorme impacto sobre la civilización humana. (Echarri,2007) En la contaminación atmosférica de carácter local, los efectos se constatan cerca de las fuentes de emisión, y las acciones de gestión ambiental y evaluación de impactos contribuyen a minimizar los efectos. Cuando el carácter es regional deberán unirse voluntades políticas para tomar acciones gubernamentales y desde 1992 con la Convención Marco sobre el Cambio Climático se hacen esfuerzos en este sentido a nivel mundial. En este sentido el panel intergubernamental de cambio climático (IPCC) ha producido tres informes de evaluación en 1995, 2001 y 2007, los cuales acuerdan reducir las emisiones de GEI a menos del 5% con respecto a los niveles de 1990 en el período 2008-2012. Para que tales medidas entrasen en vigor debía ser ratificado por países que representaran al menos el 55% del total de emisiones. Ejemplo de lo anterior se evidenció en la Cumbre de Copenhague en diciembre de 2009 en la que se planteó que las emisiones de CO2 en el año 2050 deben reducirse en todo el mundo a la mitad de los niveles existentes en 1990 y pretendía que se fijase un valor intermedio a cumplir en 2020.(Martínez,2004; Stanley,2007) Otro aspecto muy importante son los óxidos de nitrógeno y los de azufre que se disuelven en el agua de las nubes y producen ácidos corrosivos que dañan los ecosistemas con la lluvia ácida. 2.

(13) Capítulo I: Revisión Bibliográfica. Otros como las partículas de polvo y el humo causan daños en la salud de las personas como irritación en los ojos, en los pulmones y obstrucciones en las vías respiratorias. (WHO 2000; Martínez,2004; Stanley,2007) La contaminación antropogénica se ha estado produciendo desde hace miles de años a través de las cuantiosas actividades realizadas por los seres humanos, esta se ha elevado vertiginosamente a partir del siglo XX hasta nuestros días, donde las mayores emisiones se concentran en los últimos cuarenta años debido principalmente al crecimiento de la población mundial y al exceso de consumo de bienes materiales y de servicios en los países desarrollados, a la industrialización, generación de electricidad y calefacción con la quema de combustibles fósiles, así como el transporte.(Stanley,2007) El origen de la mayor parte de los contaminantes atmosféricos es la combustión de los combustibles fósiles (petróleo y sus derivados, carbón y gas natural) que proporcionan la mayor parte de la energía con que se mueve la sociedad industrial. Esto se le atribuye fundamentalmente al acelerado desarrollo industrial que se ha incrementado durante los últimos años. 1.2 CLASIFICACIÓN DE LOS CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS. Los contaminantes se clasifican como primarios y secundarios. Los contaminantes primarios son aquellos que se emiten a la atmósfera directamente de la fuente. Los contaminantes secundarios se generan a partir de reacciones químicas que algunos contaminantes primarios sufren en la atmósfera. Los principales contaminantes atmosféricos primarios, derivados de la actividad humana, incluyen: partículas atmosféricas, compuestos de azufre· compuestos de nitrógeno, compuestos orgánicos, compuestos metálicos, ruido y radiaciones ionizantes. (EPA,1992; Martínez,2004) También los contaminantes atmosféricos se clasifican como contaminantes criterios. Estos se han identificado como comunes y perjudiciales para la salud y el bienestar de los seres humanos. Estos son Óxidos de azufre (SOx), Óxidos de nitrógeno (NOx ), Ozono (O3 ), Material particulado (PM), Monóxido de carbono (CO), Plomo(Pb).. La combustión es el proceso químico que más contribuye a la contaminación del aire, es un conjunto de reacciones químicas con desprendimiento de calor que se produce entre el combustible que puede ser sólido, líquido o gaseoso y el comburente que es el oxígeno. Es un proceso de oxidación rápida con presencia de llama, en el que la misma se mantiene estable. Los combustibles en su mayoría están compuestos por carbono e hidrógeno, además de azufre, 3.

(14) Capítulo I: Revisión Bibliográfica. nitrógeno, humedad, cenizas, etc. Estos cuando reaccionan con el oxígeno dan lugar a la formación de dióxido de carbono, monóxido de carbono, agua, dióxido de azufre, óxidos de nitrógeno y el material particulado. El monóxido de carbono es producto de combustiones incompletas. En general se plantea que las emisiones de óxidos de azufre (SOx) se generan durante la combustión por oxidación del azufre que está contenido en el combustible,(Oland,2003) Actualmente otro que trae consigo problemas medioambientales, es la emisión de óxidos de nitrógeno (NOx) y materia particulada. Debido a los complejos mecanismos de formación de estos contaminantes de la atmósfera y las características específicas de los mismos, resulta muy difícil quemar un combustible evitando conjuntamente la emisión de hollín y NOx, sin aplicar alguna técnica específica de control de los mismos.(M,2014 diciembre) Los óxidos de nitrógenopuedenformarseportresmecanismos: . El conocido como NOx térmico, se origina cuando la combustión se produce por encima de 1000 oC, se debe a que el nitrógeno contenido en el aire de combustión reacciona con el oxígeno.. . El NOx del combustible, se forma cuando este contiene compuestos de nitrógeno que reaccionan con el oxígeno.. . El NOx puntual, que se genera en pequeñas cantidades y se debe a la formación rápida de NOx durante las primeras etapas de la combustión a partir del oxígeno y nitrógeno del aire.. Existen numerosas razones por las que los óxidos de nitrógeno y el hollín son considerados contaminantes. Así mismo, los óxidos de nitrógeno son gases irritantes que pueden provocar efectos dañinos en el sistema respiratorio de los seres vivos. Por su parte, el hollín es un contaminante liberado a la atmósfera en forma de partículas respirables de pequeño tamaño, PM10 y PM2.5, que, debido a sus características químicas al actuar como núcleo de condensación de hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAH), está asociado a efectos cancerígenos en los humanos. Además, el hollín produce problemas de ensuciamiento en los equipos al formar depósitos sólidos, empeorando el funcionamiento del sistema de combustión.(M,2014 diciembre) El material particulado incluye a las Partículas Totales Suspendidas (PTS), tienen un diámetro aerodinámico “da” ≥ 10 µm, las PM10 (partículas torácicas) con “da” ≤ 10 µm, PM2.5 (partículas respirables) con “da” ≤ 2,5 µm, PM1 con “da” ≤ 1µm y PM0.1 (partículas ultrafinas) con “da” ≤ 0,1 µm. (EPA,1992; Stanley,2007), estas se mantienen en la atmósfera durante períodos de tiempo largos debido a sus bajas velocidades de sedimentación, por lo que son transportadas a 4.

(15) Capítulo I: Revisión Bibliográfica. largas distancias de sus orígenes, las emisiones dependen de la unidad de combustión y del contenido de ceniza (específicamente en el carbón y en los combustibles líquidos destilados) o del contenido de azufre (en combustibles líquidos residuales) en el combustible. Las emisiones de partículas condensables dependen únicamente de la unidad y del contenido de azufre. El otro tipo de importantes partículas finas suspendidas en la atmósfera, se componen predominantemente de compuestos inorgánicos de azufre y nitrógeno. Las especies de azufre se originan del SO2, y por la polución (de centrales de energía y de fundiciones como es el caso que ocupa este trabajo.(EPA,1992; Rodríguez,2003; WHO,2005; Díaz,2007) 1.3 INDUSTRIA DE FUNDICIÓN FÉRREA. La fundición férrea consta de forma general de una serie de operaciones básicas: almacenamiento y manipulación de materias primas, fusión de las materias primas (carga, fusión, recarga, refino y descoriado), preparación de mezclas de machos y de moldeo, producción de moldes y machos, colada en moldes, enfriamiento de los moldes y desmoldeo y acabado. No todas las fundiciones desarrollan la totalidad de los procesos enumerados. El modo operativo individual de cada una de ellas suele ser diferente al del resto, pues el tipo de tecnología empleada vendrá impuesto por las características del producto fabricado composición química, tamaño de las piezas, producción seriada o bajo pedido, requisitos del cliente y los factores económicos que afectan a la producción.(IHOBE,Junio 2005). 1.4 HORNOS PARA FUNDIR METALES. Los hornos que se usan para fundir metales y sus aleaciones varían mucho en capacidad y diseño. Varían desde los pequeños hornos de crisol que contienen unos cuantos kilogramos de metal a hornos de hogar abierto con capacidades de hasta 200 toneladas. El tipo de horno usado para un proceso de fundición queda determinado por los siguientes factores: . Necesidades de fundir la aleación tan rápidamente como sea posible y elevarla a la temperatura de vaciado requerida.. . La necesidad de mantener tanto la pureza de la carga, como precisión de su composición.. . La producción requerida del horno.. . El costo de operación del horno. Pueden clasificarse convenientemente en cuatro grupos principales, según el grado de contacto que tenga lugar entre la carga y combustible o sus productos de combustión. 5.

(16) Capítulo I: Revisión Bibliográfica. Hornos de cubilotes: en los cuales la carga se encuentra en contacto íntimo con el combustible y los productos de combustión. El horno más importante en este el de cubilote. Hornos hogar: En los que la carga está aislada del combustible pero en contacto con los productos de la combustión. Este tipo de hornos es el horno hogar abierto para la fabricación de acero. Hornos de crisol: En que la carga se encuentra aislada tanto del combustible como de los productos de la combustión. El principal es el horno que se emplea un crisol que puede calentarse ya sea por coque, gas o petróleo. Hornos eléctricos: Pueden ser de tipo de acero o de inducción. (Hornos BE). 1.5 HORNOS DE CUBILOTES. GENERALIDADES. Los metales y aleaciones que se utilizan para la producción de diversas clases de piezas se funden en varios tipos de hornos, siendo el horno de cubilote el más difundido para la obtención de hierro. El horno de cubilote surge en el año 1794, siendo patentado por John Wilkinson. Hasta la década de los años 50 el cubilote fue el predominante para la fusión de hierro. Aunque también se utiliza algunas veces con dimensiones más pequeñas para fundir cobre. No sirve para fundir latón o bronce porque se produce una oxidación excesiva del zinc o del estaño, aunque a veces se funde el cobre en el cubilote y luego se incorporan los componentes necesarios. (Cedeño,2006) A través de los años este tipo de horno (Pino,2005)se fue mejorando, fundamentalmente en lo relacionado con su eficiencia en la combustión, mejor control del proceso y mayor flexibilidad, por lo que ha existido un continuo crecimiento en su uso y creciente interés en una mejor comprensión de la manera en que efectúa su trabajo. Ello ha conducido al desarrollo e introducción de diversos dispositivos mejorados que permiten un control más íntimo, así como la medición de los factores que determinan su comportamiento. Estos desarrollos le han dado al cubilote una posición importante como un medio de fusión. En la fusión con este tipo de horno se emite una gran cantidad de polvos y gases que deben ser limpiadas para cumplir con los estándares de emisión establecidos. Su bajo costo inicial, bajo costo de operación y sobre todo su versatilidad (especialmente los pequeños cubilotes) hacen del cubilote un horno de grandes ventajas. Pino(Pino,2005) y Titov(Titov,Moscú, 1981)plantean que el cubilote es un horno de torre vertical, que consiste en una coraza cilíndrica de acero revestida con material refractario y equipado con una caja de viento y toberas para la admisión de aire. En el nivel superior tiene 6.

(17) Capítulo I: Revisión Bibliográfica. una puerta de carga para la introducción de los materiales de fusión y combustible cerca del fondo tiene orificios y picos para sacar el metal fundido y la escoria. La mayoría de los cubilotes modernos se pueden abrir por el fondo, llevan compuertas centradas en la placa base que pueden abrirse hacia abajo después de un ciclo de funcionamiento para vaciar todos los residuos acumulados. Al principio se construían los cubilotes sobre una base de mampostería en lugar de soportarlos con columnas, todavía están en uso este tipo de hornos y se llaman de fondo fijo. En este horno la fundición líquida se obtiene a partir de la fusión de chatarras y lingotes de fundición: se trata de fundición llamada de segunda fusión o refundición. Durante la fusión, afirma (Kucher,1990)los componentes de la carga experimentan perdida por oxidación; de silicio (12%), pero si hay Mn serán menores; de manganeso 15%; el fósforo permanece constante; el azufre aumenta de 30 a 40%; el carbono no sufre variación. Con exceso de aire las pérdidas de Si y Mn aumentan un 50%. Si el coque tiene mucho azufre (más del 2 %) el aumento de éste puede llegar a un 60%, lo que conduce a la perdida de piezas por baja. (http://www.utp.edu.co/-publio17/hornos.fusion.htm). 1.6 ESTRUCTURA DEL HORNO DE CUBILOTE. Según García (García,2003) el cubilote consta de 18 partes fundamentales para su funcionamiento, según muestra la Figura 1. El cuerpo de acero del cubilote, está recubierto interiormente con material refractario (ladrillo de chamota, sílice etc.). La cuba es la parte principal del cubilote, en ésta transcurren dos procesos básicos de fusión: La combustión y la fusión del hierro. En la parte superior de la cuba se halla la boca para introducir la carga en el cubilote. Debe dejarse establecido que el cubilote es un tipo especial de horno de refundición, en el cual una vez que el metal y el coque se cargan en su interior se obtiene una calidad definida de hierro. Plantea Perdomo (Perdomo,2000)que cuando se utilizan otros hornos de refundición el metal debe inspeccionarse periódicamente para controlar su calidad y deberá efectuarse continuadamente el proceso de calentamiento, si fuere necesario, hasta que el metal tenga la calidad deseada.. 7.

(18) Capítulo I: Revisión Bibliográfica.. Figura 1.1: Horno de Cubilotes. Partes y estructura.. Leyenda 1- Fondo basculante (hoja 1).. 10- Bloques huecos de fundición.. 2- Fondo basculante (hoja 2).. 11- Deposito de carga.. 3- Columnas de apoyo. 12- Chimenea con supresor de Chispas.. 4- Plancha de la solera.. 13- Ladrillos de chamota.. 5- Abertura de trabajo.. 14-Holgura entre la camisa y el revestimiento.. 6- Toberas.. 15- Parte inferior de la cuba.. 7- Caja de viento.. 16- Piquera de hierro.. 8- Ladrillos refractarios.. 17- canal de escoria.. 9- Cuerpo de acero. 18- Canal de sangrado. 1.7 CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA EN LA INDUSTRIA DE FUNDICIÓN FÉRREA. El tamaño de las empresas dedicadas a la fundición de metales va desde pequeños talleres hasta grandes plantas manufactureras que producen miles de toneladas de piezas fundidas cada día. En la Industria de Fundición, el proceso más contaminante es la fusión del metal o de las aleaciones; de allí que sea importante hacer el mayor énfasis en mantener un estricto control del proceso. Los demás procesos de la fundición donde no hay fusión de metales generan contaminación por partículas, la generación de residuos está directamente relacionada. 8.

(19) Capítulo I: Revisión Bibliográfica. con el tipo de material usado (hierro fundido) y depende del tipo de moldes y machos usados, así como de la tecnología empleada.(,2002; IHOBE,Junio 2005). En la elaboración de piezas fundidas los principales residuos se muestran en diagrama causa efecto de la figura 1.2.. Figura 1.2. Diagrama causa-efecto. Como se observa en la figura 1.2. En las industrias de fundición férrea se generan residuos y emisiones las cuales son consideradas contaminantes ambientales como son principalmente: dióxido de azufre, material particulado, óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono, hidrocarburos reactivos, metales pesados y compuestos orgánico.. Etapas del proceso de fundición férrea donde se producen la mayor cantidad de emisiones La mayor cantidad de emisiones se producen en las etapas de Fusión, Arenería y Producción de moldes y machoslas cuales se describen a continuación:. Etapa de Fusión La fuente principal que origina las emisiones viene dada en la combustión incompleta del coque y del carbón y en la suciedad e inclusiones de la carga de chatarra. (IHOBE,Junio 2005) Hornos de Cubilotes CO2 CO SO2 NOX Partículas (pueden contener FeO, MgO, SiO2), PM10 PM2.5 Hornoeléctrico de arco (HEA). 9.

(20) Capítulo I: Revisión Bibliográfica. CO2 CO NOX PM10 Partículas sólidas que contienen óxidos minerales y otros compuestos orgánicos Horno de induccióneléctrica PM10 Partículas sólidas que contienen óxidos minerales, metálicos y compuestos orgánicos gaseosos Hornorotativooxicombustión PM10 CO2 CO NOX. Arenería y Producción de moldes y machos. Las mayores emisiones en las operaciones de producción de moldes y machos son de PM10 y proceden de la regeneración de arena, preparación de arena, mezcla de la arena con aditivos y aglomerantes, y de la conformación de moldes y machos. Las emisiones de los contaminantes gaseosos (CO, CO2, HCN, SH2, NH3, Benceno, HAP, SOX, NOX) proceden del uso de los aglomerantes orgánicos y catalizadores, y de procesos de calentamiento durante la fase de producción de los moldes y los machos. Las emisiones se producen principalmente durante el calentamiento o vulcanizado de los moldes y machos o durante la extracción de los machos de sus cajas. (IHOBE,Junio 2005). Arenería PM10 Moldeo de arena PM10 Moldeo de arena químico y machería PM10,. Compuestosorgánicos:. HAP. (Hidrocarburosaromáticospolicíclicos),. Benceno,. Compuestosinorgánicos: SOX NH3 HCN Olores SH2. 1.8 NORMATIVAS PARA LA CALIDAD DEL AIRE Para cada contaminante criterio se han establecido guías y normas con la finalidad de reducir los. riesgos. o. proteger. a. las. personas 10. de. los. efectos. nocivos. de. estos.. La.

(21) Capítulo I: Revisión Bibliográfica. UnitedStatesEnvironmentalProtection Agency (USEPA) ha creado los estándares de calidad del aire y las Guías de la Organización Mundial de la Salud (WHO) que se aplican en varios países de América Latina. En Cuba se aplican las Normas Cubanas NC1020:2014, NC 111: 2004, NC 1049:2014 y las Guías de la WHO 2005. Existen también guías y normas de emisión pero más limitadas, pero en Cuba esa es una problemática sin resolver y solo existen normas de emisión para el sector energético y se trabaja en las normas de emisión para el transporte. Los esfuerzos por reducir las emisiones al medio ambiente deben estar enfatizados a la minimización de dichas emisiones sin afectar la eficiencia técnica económica del proceso de producción. (WHO 2005) La NC 1020:2014 (NC.:1020:2014) nos permite analizar los términos higiénicos sanitarios en cuanto a las concentraciones máximas admisibles de sustancias químicas contaminantes del aire así como los radios mínimos admisibles y las zonas de protección referidas a las empresas industrias, fábricas y otras, pero no nos brinda una metodología de cálculo de la dispersión de sustancias contaminantes por lo que se sigue usando la NC 39: 1999. La NC 111: (2004) (NC.:111:2004) establece las reglas para el desarrollo de la vigilancia de la calidad del aire en los asentamientos humanos, de acuerdo al grado de contaminación se determina el Índice de Calidad del Aire (ICA), el cual tiene una escala de seis categorías (Buena, Aceptable, Deficiente, Mala, Pésima y Crítica). La NC 1049: 2014 (NC.:1049:2014)establece los datos tecnológicos que se han de tener en cuenta para la realización de un inventario de emisiones de contaminantes a la atmósfera generados por fuentes puntuales industriales, teniendo además por objetivo habilitar a los especialistas y técnicos de una herramienta practica para obtener los datos tecnológicos necesarios para la realización de un inventario de emisiones de contaminantes a la atmósfera. Por estas razones es de importancia establecer legislaciones que hablen del control de las emisiones industriales contaminantes del ambiente. Las Normas ISO 14000 proveen la implantación o la planificación para establecer el monitoreo y mejora del Sistema de Gerencia Ambiental, (EMS).. 1.9 DETERMINACIÓN DE LAS EMISIONES. Con el fin de calcular las emisiones de una fuente, por lo general,se prefieren los datos provenientes de muestreos de emisión de la fuente específica por monitoreo de la emisión continua con una estación automática instalada permanentemente sobre la fuente, ya que estos datos proporcionan la mejor representación de las emisiones de fuentes evaluadas. No obstante, los datos del muestreo provenientes de fuentes individuales no siempre se encuentran disponibles 11.

(22) Capítulo I: Revisión Bibliográfica. y aun cuando lo estén, no pueden reflejar la variabilidad de las emisiones reales en el tiempo y son específicos de la operación del equipo en condiciones muy particulares. Por lo tanto, el cálculo de las emisiones utilizando factores de emisión, con frecuencia, constituyen un método muy factible para calcular las emisiones, a pesar de sus limitaciones.Las emisiones y por defecto los factores de emisión,de material particulado en. la combustión del carbón y derivados del. petróleo dependen de la calidad y composición del combustible, el tipo, tamaño y la configuración de quemado del equipo, tipo de tecnología de control y el nivel de mantenimiento del equipo. Las emisiones del material particulado controladas en los equipos, incluyen la ceniza de la combustión del combustible (que puede sedimentarse en el equipo o entrar en el flujo de gas emitido), así como combustible no quemado resultante de la combustión incompleta. (Nuñez,2014) . Factores de emisión basados en procesos. Se denomina factor de emisión a la relación entre la cantidad de contaminante emitido a la atmósfera y una unidad de actividad como puede ser (producción, consumo de energía, combustible). Al conocer dichos factores, solo se necesita multiplicarlos para estimar las emisiones en general. Los factores de emisión son clasificados en dos tipos, los basados en procesos y los basados en censos. Los factores basados en procesos se usan para estimar las emisiones de fuentes puntuales, y con frecuencia se combinan con los datos de actividad recopilados, con encuestas o con balances de materiales. En general, se considera de gran utilidad utilizar dichos factores de emisión cuando los materiales que se utilizan se consumen o combinan químicamente en los procesos, o cuando se producen bajas pérdidas de material, por liberación a la atmósfera, en comparación con las cantidades que se tratan en proceso.(EPA,1995; López,2007). . Medicióndirecta. La medición directa se realiza con el objetivo de adquirir la información más apropiada para llevar a cabo la verificación de del cumplimiento normativo y se realiza mediante procedimientos manuales y analizadores instrumentales. El analizador instrumental es un equipo que mide directamente la concentración de contaminantes una vez que se conecta a la chimenea o ducto de emisión. Este equipo se puede emplear de manera eventual o permanente, cuando se emplea de manera permanente el analizador forma parte de un sistema complejo que recibe el nombre de Sistema de Monitoreo Continuo de Emisiones. (EPA,1995; DAMA-INAMCO,2001). 12.

(23) Capítulo I: Revisión Bibliográfica. Balance de masas. El balance de masas es considerado un método alternativo y es el encargado de hacer referencia a la cuantificación de emisiones por balance de materia y energía. En ocasiones por las características que presenta el proceso industrial es el único capaz de determinar las emisiones de los mismos, además de ser muy utilizado en situaciones donde se presentan reacciones químicas, pero también son útiles cuando se realizan operaciones que involucran variables físicas. Para algunas fuentes este procedimiento proporciona mejores estimaciones que las suministradas por medición directa, en general, se considera que los balances de masas son apropiados en situaciones donde la cantidad de material se pierde por liberación a la atmósfera y en procesos con reacción química.(EPA,1997; DAMA-INAMCO,2001). 1.10 MONITOREO DE LOS NIVELES DE INMISIÓN. Para medir la calidad del aire se requiere del monitoreo atmosférico, este se define como cualquier metodología diseñada para muestrear, analizar y procesar en forma continua las concentraciones de sustancias o de contaminantes presentes en el aire en un lugar establecido y durante un tiempo determinado. Los métodos de monitoreo se pueden dividir en cuatro tipos genéricos principales con diferentes costos y niveles de desempeño e incluyen a los muestreadores pasivos, activos, analizadores automáticos y sensores remotos. El objetivo que se persigue con el muestreo es formular los estándares de calidad de aire, llevar a cabo estudios epidemiológicos que relacionen los efectos de las concentraciones de los contaminantes con los daños en la salud, especificar tipos y fuentes emisoras, realizar estrategias de control y políticas de desarrollo acordes con los ecosistemas locales. (WHO 2000; Cuesta 2012; WHO,2005; Alejo,2012). 1.11 TÉCNICAS DE MUESTREO. Las técnicas de muestreo consisten en la selección de un subconjunto de casos de una población. Dicha muestra estadística se obtiene con el objetivo de inferir las propiedades de la totalidad de la población, por lo que debe ser representativa. Para que estas características se cumplan, la inclusión de sujetos en la muestra debe seguir una técnica de muestreo. En tales casos, puede obtenerse una información similar a la de un estudio exhaustivo con mayor rapidez y menor costo. En lo que a calidad del aire se refiere, el muestreo se define como la medición de la contaminación del aire por medio de la toma de muestras, de forma discontinua. La muestra. 13.

(24) Capítulo I: Revisión Bibliográfica. tomada deberá ser sometida a un análisis posterior en donde se detectará su concentración y caracterización. La medición de contaminantes atmosféricos se puede lograr a través de diversos métodos ya mencionados los que se agrupan de acuerdo a sus principios de medición.(www2.inecc.gob.mx/publicaciones/consultaPublicacion.html?id_pub=623). 1.12 PRINCIPALES MÉTODOS DE MUESTREO DEL AIRE.  Muestreo Pasivo Este método de muestreo colecta un contaminante específico por medio de su adsorción en un sustrato químico seleccionado. Después de su exposición por un período adecuado de muestreo, que puede variar desde una hora hasta un mes, la muestra se regresa al laboratorio donde se realiza la desorción del contaminante para ser analizado cuantitativamente. Los equipos utilizados se conocen como muestreadores pasivos que se presentan en diversas formas y tamaños, principalmente en forma de tubos o discos. , Dentro de sus ventajas están simplicidad en la operación y bajo costo (no requiere energía eléctrica). Como desventajas se tiene que no son desarrollados para todos los contaminantes, sólo proporcionan valores promedios con resoluciones típicas semanales o mensuales; no tienen gran exactitud (sirven solo como valor referencial), en general requieren de análisis de laboratorio.(Bartual,1984)  MuestreoActivo Requiere de energía eléctrica para succionar el aire a muestrear a través de un medio de colección físico o químico. El volumen adicional de aire muestreado incrementa la sensibilidad, por lo que pueden obtenerse mediciones diarias promedio. Los muestreadores activos se clasifican en burbujeadores (gases) e impactadores (partículas); dentro de estos últimos, el más utilizado actualmente es el muestreador de alto volumen “High- Vol” (para PST, PM10 y PM2.5). Ventajas: Fácil de operar, muy confiables y costo relativamente bajo (requieren energía eléctrica). Desventajas: No se aprecian los valores mínimos y máximos durante el día, sólo promedios generalmente de 24 horas; requieren de análisis de laboratorio. (www2.inecc.gob.mx/publicaciones/consultaPublicacion.html?id_pub=623). 14.

(25) Capítulo I: Revisión Bibliográfica. 1.12.1 TÉCNICAS DE ANÁLISIS.  Burbujeo mediante (impigner): Consiste en burbujear a un flujo y tiempo establecido, el aire pasa a través de una disolución absorbente y posteriormente se analiza la disolución.  Monitores Automáticos: El aire es succionado por una bomba a un flujo determinado hacia una celda de detección para algunos contaminantes de interés.  Muestreadores en fase sólida: El aire es succionado a un flujo establecido hacia un cartucho con un adsorbente sólido.  Muestreadores Gravimétricos: Se succiona el aire mediante una bomba a un flujo designado por el operador y este pasa a través de un filtro o de un censor gravimétrico.. 1.12.2 TÉCNICAS ANALÍTICAS PARA MATERIAL PARTICULADO. Las técnica de referencia para cuantificar cantidad total de partículas es la gravimetría que da cantidad de material por diferencia de peso en el filtro los cuales se pesan antes y después del muestreo .La carga total es la que representa la masa de partículas en un volumen dado de aire muestreado que pasa a través del filtro, es necesario equipos de precisión en el pesaje y rectificar contra pesaje de los blanco de campo. Este procedimiento sufre de diferentes limitaciones debido a varios factores que deben ser cuidadosamente controlados como son: frecuencia de muestreo, velocidad de flujo lineal y el filtro; que es, sin embargo, el único de manera directa para la medición de la masa y es el más adecuado para este propósito. Un volumen conocido de aire es aspirado por una bomba de caudal constante y se filtra sobre la cinta de fibras, que se mueve de forma intermitente entre una puerta de radiación de conteo y una puerta de muestreo de aire. Otros métodos se basan en las mediciones indirectas de la masa a través de propiedades físicas del material particulado. Por ejemplo, para la contaminación urbana el llamado "índice de ensuciamiento" se utiliza muy a menudo. El aire aspirado a través de un papel de filtro deja en él una mancha oscura como ocurre con la reflectometría. El oscurecimiento de la mancha se interpreta como una concentración superficial de materia en partículas, y por medio de una calibración curva obtenida, con un estándar de humo, se calcula la concentración en volumen. Estos procedimientos para la determinación de la concentración de material particulado; tanto en lo inorgánico y las fracciones orgánicas tienen que ser analizados para la determinación de aquellas especies que tienen un impacto específico en la salud humana.(Liberti,2003). 15.

(26) Capítulo I: Revisión Bibliográfica. Para la determinación de la composición elemental de partículas (metals) se utilizan métodos ópticos como la absorción atómica,fluorescencia por rayos X, PIXE y difracción de rayos x. De acuerdo al tipo de análisis se recomienda el uso de diferentes tipos de filtros según aparece en la tabla 1.1. Tabla 1.1: Métodos de análisis de diferentesfiltros Tipos de Filtros. Métodos de análisis. Fibra de vidrio. IC XRF. Cuarzo. IC XRF PIXE. Ester de celulosa. XRD. Papel. Reflectometría XRF. Para la cuantificación de iones se utiliza la cromatografía ionica si la muestra de polvo se disuelve en la solución correspondiente.  Espectrometría La espectrometría es una técnica común usada para determinar las especies presentes en la materia particulada.Sin embargo, puesto que los detectores espectrométricos sólo responden a la presencia del elemento, no proporcionan información alguna sobre los compuestos químicos y en la mayoría de los casos, no indican el estado de oxidación del elemento. De todas las herramientas analíticas de que dispone un científico, la espectrometría de masas es quizás la de mayor aplicación, en el sentido de que esta técnica es capaz de proporcionar información acerca de: la composición elemental de las muestras; la estructura de las moléculas inorgánicas, orgánicas y biológicas; de la composición cualitativa y cuantitativa de mezclas complejas y de las relaciones isotópicas de átomos en las muestras.(More,2000) Como muchas reacciones químicas usadas para análisis, el propósito básico de la Espectrometría de masas es convertir la muestra en productos que son indicativos de la molécula original. Los productos formados son bastante raros: iones positivos gaseosos, cuya masa y abundancias relativas son mostrados en el espectro de masa.(Hernández,2002). 16.

(27) Capítulo I: Revisión Bibliográfica. 1.13 FLUORESCENCIA POR RAYOS X. El fundamento de la Fluorescencia de rayos-X radica en la existencia de un sistema atómico con distintos niveles de energía y las posibles transiciones electrónicas entre ellos. La base de la técnica analítica de la Fluorescencia de rayos-X por dispersión en longitud de onda (WDFRX) es la medida de la energía de la radiación emitida en estas transiciones energéticas y es conocida como fluorescencia de rayos-X. El fenómeno de fluorescencia de rayos-X se puede describir en dos etapas: a) Excitación y b) Emisión.(Woodard,octubre 1998) Excitación: Si se considera un sistema en su estado fundamental, es decir de menorenergía, al aplicarse una energía de una magnitud suficiente, ésta puedeser absorbida por el sistema, pasando éste a un estado de mayorenergía o estado excitado debido a la salida de electrones del átomo.A la excitación producida por rayos X que provienen del tubo de rayos-X,se le llama radiación primaria o fotones de rayos-X primarios. Emisión: Los estados excitados son inestables, y el átomo tiende a volver a suestado fundamental, para lo cual se producen saltos de electrones desdelos niveles más externos hacia los niveles más internos, para ocupar loshuecos producidos. Este proceso produce desprendimiento de energía enforma de radiación de rayosX secundaria llamada fluorescencia derayosX.(Woodard,octubre 1998). 1.13.1 MÉTODOS DE FLUORESCENCIA DE RAYOS X. Los espectros de rayos X característicos se excitan cuando se irradia una muestra con un haz de radiación X de longitud de onda suficientemente corta. Las intensidades de los rayos X fluorescentes resultantes son casi 1000 veces más bajas que la de un haz de rayos X obtenido por excitación directa con electrones. El método de fluorescencia requiere de tubos de rayos X de alta intensidad, de unos detectores muy sensibles y se sistemas ópticos de rayos X adecuados. La intensidad es un factor importante, puesto que afectará al tiempo que se necesitará para medir el espectro. Es necesario que sean detectados y recibidos un determinado número de cuantos en el detector para que el error estadístico de la medición se reduzca lo suficiente. La sensibilidad del análisis, contemplada como la concentración detectable más baja de un determinado elemento en la muestra, dependerá de la relación picoradiación de fondo para las líneas espectrales. Se presentan pocos casos de interferencia espectral, debido a la relativa simplicidad de los espectros de rayos X. (Woodard,octubre 1998). 17.

(28) Capítulo I: Revisión Bibliográfica. Cuando se irradia con un haz de rayos X una muestra de composición desconocida, esta emitirá las radiaciones características de los elementos que la componen. Si se puede identificar la longitud de onda o energía de cada una de estas radiaciones características, se podrá conocer los elementos que componen la muestra, y si podemos medir sus intensidades, podremos conocer sus respectivas concentraciones. Por lo tanto es un metodo eficaz para realizar caracterizaciones de composición elemental en muestras que contienen metales.. 18.

(29) Capítulo II: Materiales y Métodos. Capítulo II: Materiales y Métodos. 2.1 INTRODUCCIÓN En el presente capítulo se describirá la metodología de evaluación de la calidad de aire en el taller de fundición. Para ello se caracteriza la zona de estudio, describe el proceso de flujo tecnológico que se realiza en la Empresa División de Talleres ´´Enrique Villegas´´, se plantean los balances de masa en la producción de hierro gris en la fundición ligera para estimar los niveles de emisión de contaminantes gaseosos que son emitidos a la atmósfera. Se explica el procedimiento de muestreo para cuantificar los niveles de inmisión de partículas, el método de análisis por reflectometría y la fluorescencia por rayos x que permite cuantificar los elementos metálicos presentes en el polvo.. 2.2 CARACTERIZACIÓN DE LA ZONA DE ESTUDIO La zona noroeste de la ciudad de Santa Clara, donde en su periferia se encuentra enclavado la División de Talleres Enrique Villegas se caracteriza por ser una zona residencial, poco compacta, con solo un edificio (doce plantas), espacios abiertos y vías más amplias con respecto a otras zonas de esta ciudad. Como premisa para el estudio se tuvo en cuenta que es un área urbana representativa de la exposición general de contaminantes, con vías transitadas y receptores, se encuentra relativamente aislada de otras fuentes emisoras. Esta zona abarca 7,2 km2, que corresponde a una escala vecinal. La zona norte de la ciudad de Santa Clara da salón 4 consejos populares. Se está densamente poblada, es decir, aproximadamente 61 611 habitantes.. En. esta. zona. existen. diferentes. fuentes. que. emiten. gases. contaminantes.(Vallero.D.A,2008; Alejo,2011). Ellas son estaciones eléctrica. Santa Clara. 110kv Fuel Oíl, Santa Clara Diesel Industrial, cocina centralizada, también. la empresa. neumática de utensilios domésticos EINPUD y fundición de hierro fundido, este último es nuestro caso de estudio y está ubicado según se muestra en la figura 2.1.. 19.

(30) Capítulo II: Materiales y Métodos.. Figura 2.1: Ubicación de la empresa fundición Enrique Villegas en Santa Clara.. 2.3 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO TECNOLÓGICO Este es un proceso que se lleva a cabo de manera discontinua comenzando con la caracterización y selección de la materia prima, la cual se somete a la primera selección por tamaño, luego se pesan y se clasifican según su composición. En este caso la chatarra como materia prima fundamental después de seleccionada y reducida la misma, se carga al horno de cubilote de 600 mm de diámetro, esta chatarra es enriquecida con aditivos materiales metálicos como lo son el ferrosilicio, ferromanganeso y el arrabio todos estos utilizados para garantizar las propiedades óptimas del producto final. Posteriormente, se introducen alternativamente cargas metálicas y no metálicas (coque y caliza) en cierta cantidad según lo que se desee obtener, hasta alcanzar el nivel de la boca de carga, que consta de los materiales metálicos mencionados anteriormente. Por las toberas cerca del fondo se inyecta aire, sin precalentamiento,por lo general proviene deun ventilador de émbolos rotatorios el cual garantiza una presión constante, lo cual posee particular importancia para un horno de cubilote, dado que la permeabilidad al aire y los gases dentro del horno puede variar durante laoperación del mismo, la cantidad de aire suministrada viene dada por la relación hierro/coque y roca caliza, para evitar la formación de escoria .Después de fundidas las piezas se pasa al llenado de los moldes los cuales se preparan con 72 h de antelación, esto garantiza que los moldes pierdan la 20.

(31) Capítulo II: Materiales y Métodos. mayor humedad posible, son elaborados con arena sílice, bentonita y miel. Fundidas las mezclas de moldeo se vierten en los moldes los cuales se dejan reposar al aire libre de 24h a 48h. Posteriormente se pasa al desmolde de las piezas. esta operación. se realiza. manualmente, haciéndolas pasar por un tambor rotatorio con un baño de granallas de pequeño tamaño para eliminar suciedades en las mismas, luego estas piezas pasan por el tallar de maquinado. Madera. Taller de Carpinteria. Moldes de Madera Arena Arimao. Bentonita Mezcladora. Miel. Arena de Retorno Mezclas Coque Ferrosilicio Ferromanganeso Arrabio Calisa Chatarra. 1. Gases. Horno 2. Aire. Vertido. Escoria. Desmoldeo. Pulido y acabado de las piezas. Figura 2.2: Diagrama tecnológico del proceso de fundición de hierro gris.. 2.4 BALANCE DE MATERIALES Para estimar el nivel de emisión de gases contaminantes. Se realiza el balance de masa en el horno de cubilotes en la Empresa División de Talleres ´´Enrique Villegas´´. .Al añadirse las materias primas para llevar a cabo el proceso de fundición de hierro gris asi como los materiales 21.

(32) Capítulo II: Materiales y Métodos. aditivos que ayudan en la mejora del mismo ocurren unas series de reacciones , en primer lugar la combustión del coque a dióxido de carbono. Y si hay exceso de coque el CO2 se reduce a alta temperatura a monóxido de carbono.En esencia en este proceso de fundición ocurre conjunto con la combustión del combustible (coque) la reducción del mineral. A continuación seconsidera el siguiente mecanismo de reacción. ec.2.1 ec.2.2 ec.2.3 ec2.4 ec.2.5 ec.2.6 ec.2.7 ec.2.8 ec.2.9 ec.2.10 ec.2.11. Mediante el mecanismo propuesto e incluyendo las reacciones típicas de un proceso de combustión, cuando la carga desciende en el interior del horno y su temperatura aumenta gradualmente, esto da lugar a la deshidratación del mineral coque (ec.2.10), la calcinación del carbonato de calcio existente en la caliza (ec.2.8) y a su vez ocurre la reducción de los óxidos de manganeso y pentóxido de fosforo (ec.2.6 y ec.2.7) al estado metálico. A la temperatura más alta parte de la sílice se reduce al estado metálico y se disuelve en el hierro fundido, la temperatura elevada produce escoria fluida y el metal fundido que segrega a través de la carga sólida reaccionante y gradualmente se extraen como dos corrientes separadas fundición de hierro y escoria fundida. La escoria es formada por la reacción de los óxidos simples y la ceniza del carbón y forma una mezcla compleja de diferentes compuestos como los aluminatos complejos de calcio y silicatos de hierro.(Suárez 2008; Hougen,1982). 22.

(33) Capítulo II: Materiales y Métodos. 2.5 DETERMINACIÓN DE LA COMPOSICIÓN ELEMENTAL DE LAS MATERIAS PRIMAS. Para determinar las composiciones del hierro fundido y de las materias primas de entrada (chatarra, ferrosilicio y ferromanganeso) se utiliza la espectrometría de emisión a muestras de base Fe, (de clasificación desconocida), de aceros de media y baja aleación y de aceros inoxidables), con el tipo de molde (cobre /acero) y el desmoldeo tiene que ser rápido. La pieza se enfría en agua, y permite obtener una muestra del análisis de un resultado fiable.Se utiliza el equipo Espectrómetro SPECTROMAXx (LMX05), figura 2.3 que da. el análisis exacto de. aceros y hierro. Utiliza además el software de trabajo Spark Análisis Visión Mx y SampleResult Manager, que oferta varias posibilidades para la dirección de los datos y archivos estadísticos, usa los resúmenes de resultados para mostrar la concentración del elemento de una serie de resultados de las muestras y pueden referirse en tablas y gráficos.. Figura 2.3: Espectrómetro SPECTROMAXx. Las composiciones fueron tomadas en los meses de mayo, noviembre y diciembre del 2015 según la cantidad de piezas producidas en ese tiempo, se tomaron diferentes muestras de hierro fundido a las cuales se les determinaron la composición química de cada elemento y se determinó una media de estos. La concentración de carbonato de calcio y oxido de calcio se determina analíticamente. Los resultados de la composición química elemental se muestran en la tabla 2.1 Conociendo las composiciones químicas de las materias primas, del hierro fundido y las cargas correspondientes para una tonelada de hierro fundido se puede determinar las cantidades molares de cada elemento químico o sustancia en las materias primas y en el material fundido de acuerdo a la siguiente ecuación.. 23.

(34) Capítulo II: Materiales y Métodos. ∑. (. ). ⁄. Tabla 2.1: Composición de la materia prima de entrada y fundido Composición de Entrada Entrada. C. Si. Mn. P. S. Fe. Humedad Ca CO3 CaO SiO2. Arrabio. 0,03. 0,04. 0,0071. 0,003. 0,0018. 0,91. 0. 0. 0. 0. Chatarra. 0,025. 0,015. 0,0041. 0,0143. 0,0029. 0,93. 0. 0. 0. 0. Ferrosilicio. 0. 0,45. 0. 0. 0. 0,55. 0. 0. 0. 0. Ferromanganeso 0. 0. 0,83. 0. 0. 0,16. 0. 0. 0. 0. Coque. 0,91. 0. 0.007. 0. 0,0032. 0. 0,04. 0. 0. 0. Caliza. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0,9. 0,57 0,02. 0. 0. Composición de Salida Fundido. 0,0357 0,0239 0,00893 0,000167 0,000122 0,9247 0. El balance en reacción química se realiza teniendo en cuenta las cantidades molares de las sustancias reaccionantes involucradas y su distribución en las corrientes de salida, ya sea gases fundidos u escoria. Los productos generados se determinan en la corriente correspondiente. En la figura 2.4.. 24. 0.

(35) Capítulo II: Materiales y Métodos.. Figura 2.4: Diagrama de bloque para las corrientes de entrada y salida en el horno de cubilotes.. Consideraciones que se tuvieron en cuanta a la hora de realizar el balance de materiales: . Se tomó como base una tonelada de fundido producido.. . Las ecuaciones fundamentales son las 2.3 y 2.4 en la cual ocurre la combustión completa en exceso de coque.. . Las ecuaciones 2.5, 2.6, 2.7, son las reacciones de reducción de óxidos y la cantidad de los mismos garantiza que el Coque utilizado esté en exceso y salga un contenido en la escoria.. . El SiO2 reacciona equimolarmente en las reacciones 2.5 y 2.9. Para cuantificar la cantidad de aire que se necesita en el proceso de combustión se determina conociendo de la potencia del ventilador (soplador) de 3.67 HP, tomando como base la producción horaria para los meses de mayo, noviembre y diciembre que fue de 0.907 ton/horas de fundido producido. Además se calculó la cantidad de aire teórico, el oxígeno teórico, la cantidad de aire en exceso y el flujo de aire teórico .Son necesarios los datos de la masa molar media y las densidades del aire seco y húmedo. El cálculo del flujo de aire en m³/kg de carbón coque se obtuvo según la metodología siguiente.. ec.2.12 25.

(36) Capítulo II: Materiales y Métodos. ⁄. ⁄. (. ) (. ). ec.2.13. ec.2.14. Pequeño (0.2-0.5) Grande (0.3-0.7) Como el soplador es pequeño se tomó un rendimiento de 0,3.. Para determinar el agua en el aire se utilizó la temperatura de bulbo seco (Tbs a 24 °C), con ella se fue a la carta Psicométrica con una humedad relativa (HR de 70%) adiabáticamente hasta la curva de saturación se tomó la (TbH igual a 19 °C). Con la temperatura de bulbo húmedo se busca la presión de vapor de agua en la Keenan(Keenan,1998), para determinar la humedad absoluta del aire según la ecuación 2.14.. ec.2.15. (. ). ec.2.16. ⁄ 26.

(37) Capítulo II: Materiales y Métodos. ⁄. (. ). ec.2.17. ó. ⁄. ⁄. ec.2.18 El combustible solo tiene carbono y azufre no tiene nitrógeno.. ec.2.19. ec.2.20. ec.2.21. 27.

(38) Capítulo II: Materiales y Métodos.. ec.2.22. Al no participar el oxígeno en exceso en la reacción de combustión completa contribuye a la formación de los compuestos de azufre y nitrógeno. EL NO formado es típico de un proceso como este de combustión a altas temperaturas. ec.2.23. ec.2.24. (. ). ). [( (. )]. (. ec.2.26. 28. ec.2.25. ).

(39) Capítulo II: Materiales y Métodos.. ⁄ ec.2.27. ec.2.28. ec.2.29. ec.2.30. ⁄ Para la determinación del CO2 se analizó la reacción química de combustión, que se forma mediante la reacción del oxígeno teórico con el combustible coque para formar el dióxido de carbono y la reacción de descarbonificación de la caliza en la cual por cada kmol de carbonato de calcio que reacciona se forma un kmol de dióxido de carbono de acuerdo a las ecuaciones 2.4 y 2.9.. 29.

(40) Capítulo II: Materiales y Métodos. ec.2.31. ⁄. Siendo los. totales de CO2 igual a los. presentes de carbonato de calcio que se. forman en la ec.2.8. ya que en exceso de coque se considera que el CO 2 producido en la reacción 2.3 se consume en la reacción 2.4 y no va a la atmósfera. Para determinar el CO se analizó la ecuación 2.5, 2.6 y 2.9, que tributan a la formación de este compuesto. ec.2.32. ⁄. ec.2.33. El CO total es la suma del monóxido de carbono presente en la deshidratación del coque, más el que se forma al reaccionar con el dióxido de carbono de la combustión completa más el formado en las ecuaciones 2.5, 2.6 y 2.7 que son las de reducción.. 2.6 DETERMINACIÓN DE LAS INMISIONES La planificación del muestreo se realizó en un período de tiempo determinado. Las muestras se tomaron en el mes de mayo, la segunda quincena de noviembre y la primera semana de diciembre del 2015, con un período de muestreo de 12 horas correspondiente con el proceso de fundición (Moldeo, fusión y desmoldeo). Para esto se utilizó el captador de pequeño volumen 30.

(41) Capítulo II: Materiales y Métodos. MCV CPV-8D/A. Apto para 8 períodos de muestreoformado por 8 barboteadores de 150 ml, con vástago interior de fondo plano abierto, 8 portafiltros de latón de 5 cm Ø y 1" de diámetro de mancha, bomba de aspiración y contador volumétrico. Posse un reloj programador alimentado por batería independiente con lo que se consigue que el cambio de canal se realice cada día a la misma hora al margen de anomalías sufridas. Posse parada automática al final del ciclo para evitar solapamiento de muestras. El muestreador está dentro de una caja metálica, protegida contra la intemperie, con tejadillo y doble puerta frontal. Posee un panel de control con interruptor principal, interruptor para calefactor, para lámpara de iluminación interior y piloto. Cuadro de control con interruptor de marcha, paro, inicio de ciclo, chequeo y cambio de canal. Conjunto de ocho leds de identificación del canal de trabajo. Llave de regulacióndel caudal de aspiración. Característicastécnicas . Caudal de aspiración: de 40 a 150 l/h.. . Lectura de caudal: contadormecánico de 00000,000 a 99999,999 m3. . Capacidad contador de caudal: 0,04 m3/h - 2,5 m3/h (máx.). . Temporizador:regulable de 1 a 24 h. por canal a intervalos de 15 min. . Áreacaptaciónhumos: 2,54 cm Ø. . Tamañoportafiltros: 5 cm Ø. . Tamañofiltro: 5,5 cm Ø. . Bomba:electromagnética de membrana. . Alimentación: 220 V / 50 Hz y 12 Vcc (batería externa). . Consumo: 75 W (sin iluminación ni calefactor). . Medidasexteriores: 1000 x 250 x 600 mm. . Peso aproximado: 60 Kg. 31.

Referencias

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