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Cómo se fabrica el carburo de calcio: proceso completo de síntesis electrotérmica
El carburo de calcio (CaC₂) es un compuesto iónico binario que se fabrica mediante una reacción electrotérmica a temperaturas extremas. Su fórmula química, con número CAS 75-20-7 y una masa molar de 64,1 g/mol, lo convierte en el carburo de mayor relevancia industrial del mundo. En estado puro es un sólido incoloro e inodoro, pero lo que realmente se produce en las plantas de fabricación es un material de grado técnico con tonos grisáceos y negro parduzco, salpicados por reflejos violetas o marrón rojizo, a causa de las impurezas que arrastra: carbono libre, óxidos metálicos, sulfuros y fosfuros.
La reacción central del proceso es una ecuación que, sobre el papel, parece sencilla: CaO + 3 C → CaC₂ + CO. Se trata de una reacción fuertemente endotérmica, con una entalpía estándar de unos +465 kJ/mol, lo que significa que necesita una aportación enorme de calor para avanzar. Por eso la velocidad de reacción solo se vuelve significativa por encima de los 1600 °C, y las plantas industriales operan en una franja que va de los 1800 a 2100 °C, aunque muchas trabajan entre 2000 y 2500 °C. Y aquí aparece un problema delicado: por encima de los 2000 °C surgen reacciones secundarias que nadie quiere dentro del horno, como la descomposición CaC₂ → Ca + 2 C o la reacción CaC₂ + 2 CaO → 3 Ca + 2 CO. Controlar la temperatura con precisión se vuelve entonces una cuestión de ingeniería crítica.
El mecanismo de reacción no es instantáneo, transcurre en dos etapas encadenadas. Primero se reduce la cal viva, liberando calcio metálico: CaO + C → Ca + CO. Después, ese calcio recién liberado reacciona con el carbono y forma el carburo: Ca + 2 C → CaC₂. La zona primaria donde ocurre todo esto es una fase fundida de CaC₂-CaO dentro del horno, y el paso limitante de la velocidad parece estar en el transporte del óxido de calcio disuelto hasta la superficie del grano de coque. Una vez formado, el carburo se disuelve en el baño fundido y se extrae por el fondo del horno.
Las materias primas, lo que se llama carga del horno, se dividen en dos componentes fundamentales. De un lado, la fuente carbonosa; del otro, el componente calcáreo. El coque derivado del carbón bituminoso o del lignito es la fuente de carbono predominante en todo el mundo, con un tamaño de grano habitual entre 3 y 25 mm. También se emplean antracita y coque de petróleo, total o parcialmente, en hornos cerrados. El carbón vegetal queda reservado a pequeños hornos abiertos. Para que la producción sea óptima, la humedad del coque no debe superar el 2 % y las cenizas deben quedar por debajo del 15 %. Materiales con volátiles, como la antracita sin calcinar o el coque de petróleo, exigen una calcinación previa para bajar esos volátiles bajo el 2 %.
La cal viva se obtiene en la propia planta, calcinando piedra caliza en un horno de cal. En los grandes hornos cerrados se pide un tamaño de grano entre 6 y 50 mm, con inyección de fracciones finas, magnesio por debajo del 2 % y CO₂ inferior al 2 %. Se busca una cal blanda pero duradera. El hidróxido de calcio reciclado de la generación de acetileno puede servir como materia prima barata tras granulación o briqueteado, aunque la acumulación de impurezas limita su reciclaje. Los plásticos de desecho se exploran como fuente secundaria de carbono, con un tope máximo del 12 % de cloro.
La pureza de la carga es decisiva porque las impurezas pasan al producto final. La cal no debe contener más de un 0,5 % de óxido de magnesio, aluminio o hierro, ni más de 0,004 % de fósforo. El coque debe ser bajo en cenizas y azufre. El carburo técnico resultante contiene habitualmente unos 80 % de CaC₂ en peso, siendo el resto principalmente CaO, con trazas de SiO₂, Al₂O₃, sulfuro de calcio, ferrosilicio, nitruro de magnesio, carburo de silicio y fosfuro de calcio. Ese último, el fosfuro, es el responsable del olor a fosfina (PH₃) que desprende el producto al contacto con la humedad, y el tono pardo se debe a pequeñas cantidades de óxido de hierro.
El consumo típico para producir un megagramo de carburo es revelador de la intensidad del proceso:
| Materia prima | Cantidad por tonelada de CaC₂ |
|---|---|
| Cal viva | 991 kg |
| Coque | 683 kg |
| Pasta de electrodo | 17 – 20 kg |
Más de una tonelada y media de materia prima para una sola tonelada de producto. El equipo principal es el horno de arco eléctrico de eje corto, donde la mezcla de cal y coque se somete a la acción directa del arco, y que constituye el corazón de cualquier planta de carburo.
“Se necesitan 991 kg de cal, 683 kg de coque y 17-20 kg de pasta de electrodo para producir una sola tonelada de carburo de calcio.”
Dato clave