REDUCCION DIRECTA Un ensayo de laboratorio de un proceso de reducción directa de pellets de mineral de hierro muestran los resultados obtenidos (ver tabla, valores expresados en Kg.).

Hierro total

Oxígeno Ganga Agua Carbono Total

Entrada: Pellets óxido (kgs)

64 28 6 2 0 100

Salida: Pellets metálicos (kgs)

¿? ¿? ¿? ¿? 1.5 ¿?

El proceso alcanza un grado de metalización del 95% y un grado de reducción del 90%. Se pide: a. Completar la tabla con los pesos (kgs) de los componentes del material reducido. b. La cantidad de hierro metálico (kgs) obtenido con este proceso de reducción directa

Problema: BALANCE DE MATERIALES ALTO HORNO Enunciado Se carga un alto horno con mineral de hierro, caliza y coque con los siguientes análisis:

Análisis en % (Peso)

Material Fe2O3 SiO2 MnO Al2O3 H2O C CaCO3

Mineral hierro

80 12 1 3 4

Caliza 4 1 95

Coque 10 90

El análisis del arrabio producido es: C: 4% Si: 1,2 % Mn: 1 % Fe: 93,8% Se utilizan 1750 Kg. de mineral de hierro y 500 Kg. de piedra caliza por cada tonelada de arrabio producido. El volumen de los gases de salida por tonelada de arrabio es 4200 m³. Su composición es: Gases de salida: CO: 26% CO2: 12% H2O: 4% N2: 58% Calcular:

A) La cantidad de coque utilizado por tonelada de arrabio B) Composición de la escoria C) Consumo de aire (m³) por tonelada de arrabio

Resolución

A) Se toma como base una tonelada de arrabio

Reacciones Reducción indirecta del óxido de hierro Fe2O3 + 3CO 2 Fe + 3CO2

Calcinación Piedra Caliza CaCO3 CaO + CO2 Combustión carbón en el coque C + ½ O2 CO Reducción SiO2

SiO2 + 2C Si + 2CO Reducción MnO MnO + C Mn + CO Disolución carbón en el arrabio C C(arrabio) Formación de CO y CO2

CO2 + C 2CO C + O2 CO2

(Fe2O3, SiO2, MnO, Escoria Al2O3, CaO)

Arrabio, 1000 kg (4% C; 1,2% Si;

1% Mn; 93,8% Fe)

Alto Horno

Gas salida, 4200 m³ (26% CO; 12% CO2;

4% H2O; 58% N2)

Aire

(79% N2)

Mineral hierro, 1750 Kg (80% Fe2O3; 12% SiO2;

1% MnO; 3% Al2O3; 4% H2O )

Piedra Caliza, 500 Kg (95% CaCO3; 1% H2O;

4% SiO2)

Coque

(10% SiO2; 90% C)

A) Balance carbón C (en coque) + C (p. Caliza) = C (arrabio) + C (como CO2 + CO en gases de salida)

Como C + ½ O2 CO C + O2 CO2 nC = nCO + nCO2 = 48,75 + 22,5 = 71,25 Kg C Coque P. caliza Arrabio Gases salida

12

X .9,0 +

12

10012 . 500 . 95,0

= 12

1000 . 04,0 + 71,25

(Peso atómico C=12) (Peso molecular CaCO3 = 100) 0,075 . X + 4,75 = 3,333 + 71,25 X = 69,833 / 0,075

B) Composición escoria Componentes escoria: Fe2O3; SiO2; MnO; Al2O3; CaO Balance Fe2O3 Fe2O3 (en mineral hierro) = Fe2O3 (en escoria) + Fe2O3 (hierro en arrabio calculado como Fe2O3)

Fe2O3 ( en escoria) = 1400 – 1340 = 60 kg

X = 931 Kg coque / tonelada arrabio

Balance SiO2 SiO2 (en mineral hierro) + SiO2 (en caliza) + SiO2 (coque) = SiO2 (escoria) + SiO2 ( Si en arrabio calculado como SiO2) SiO2 (escoria) = 210 + 20 + 93,1 – 25,7 = 297,4 Kg.

Balance MnO MnO (mineral hierro) = MnO (escoria) + MnO (Mn en arrabio calculado como MnO) MnO (escoria) = 17,5 – 12,9 = 4,6 Kg.

Balance Al2O3

Al2O3 (mineral hierro) = Al2O3 (escoria) Al2O3 (escoria) = 1750 . 0,03 = 52,5 Kg.

Balance CaO

CaO (caliza) = CaO (escoria) CaO (escoria) = 500 . 0,95 . (56 / 100) = 266 Kg.

Composición escoria Fe2O3 60 Kg. 8,82 % SiO2 297,4 Kg. 43,70% MnO 4,6 Kg. 0,67% Al2O3 52,5 Kg. 7,71% CaO 266 Kg. 39,10% 680,5 Kg. 100,00%

3) Consumo aire (m³ / tonelada de arrabio)

N2 (aire) = N2 (gases salida) Consumo de aire = 2436. (100 / 79) = 3038,5 m³ / ton. de arrabio

CONVERTIDOR LD

ETAPAS DEL PROCESO TIEMPO (Min.)

Carga de chatarra y arrabio 5.5

Soplado de oxígeno 17.1

Toma de muestras y temperatura 5.9

Colada del acero 5.7

Vaciado de escoria 2.2

C (%) Si (%) Mn (%) P (%) S (%) Fe (%)

ARRABIO 4.3 1.2 1.00 0.12 0.03 93.4

ACERO 0.08 0.00 0.20 0.02 0.015 99.7

REACTOR ABIERTO: 80% ARRABIO LÌQUIDO 1350

C

20% CHATARRA Temp. Amb.

ARRABIO LÍQUIDO:

5% DE ELEM. OXIDABLES:

4% carbono

1% silicio

1% manganeso

0.1% fósforo

OXÍGENO:

57 Nm3 de alta pureza /ton de

acero

ESCORIFICANTE:

cal, caliza, dolomita

OPERACIÓN:

1350 C a 1750 C y fusión de la

chatarra.

CONVERTIDOR LD

PROBLEMA: DATOS

Convertidor: Capacidad 180 tons. Carga metálica. 70 % Arrabio 30% Chatarra

Características Arrabio – Acero

C (%) Si (%) Mn (%) P (%) S (%) T (ºC)

Arrabio 4,30 1,20 1,00 0,10 0,03 1370 Acero 0,06 0,00 0,20 0,015 0,015 1620

Características Proceso

Humos: 90% CO y 10% CO2

8 Kgs. de O2/ton arrabio se consumen en la formación de óxidos de hierro.

Pureza O2: 99.5% Otros datos: Pesos Atómicos

C O Si Mn P Fe

12 16 28 55 31 56

Determinar: Necesidades de O2 para obtener el acero

1) Eliminación del Carbono: C arrabio – C acero = 4,3% – 0,06 %= 4,24 % 4,24 % x (1000 kg/100) = 42,4 kg. C / ton. arrabio 42,4 kg.: 38,16 kg. Se eliminan con el CO (90 %) 4,24 kg. Se eliminan con el CO2 (10%) 1.a) Como monóxido de carbono:

2 C + O2 (g) 2 CO (g)

2 x 12 + 16 x 2 56

24 kg de C 32 kg O2

38,16 kg de C X = 50,9 kg O2 / ton. arrabio 1.b) Como anhídrido carbónico:

C + O2 (g) CO2 (g)

12 + 16 x 2 44

12 kg de C 32 kg O2

4,24 kg de C X = 11.3 kg. O2 / ton. arrabio

El total de oxigeno es: 50,9 +11,3: 62.2 kg. O2 / ton. arrabio

2) Eliminación del Silicio: Si arrabio – Si acero = 1,2% – 0,00 %= 1,2 % 1,2 % x (1000 kg/100) = 12 kg. de Si/ ton. de arrabio

Si + O2 (g) SiO2 (g)

28 + 16 x 2 60

28 kg de Si 32 kg O2

12 kg de Si X = 13,71 kg. O2 / ton. arrabio

3) Eliminación del Manganeso: Mn arrabio – Mn acero = 1 % – 0,2 %= 0,8 % 0,8 % x (1000 kg/100) = 8 kg. de Mn/ ton de arrabio

2Mn + O2 (g) 2MnO (g)

2x 55 + 16 x 2 142

110 kg de Mn 32 kg O2

8 kg de Mn X = 2,33 kg. O2 / ton. arrabio

4) Eliminación del Fósforo: P arrabio – P acero = 0,1 % – 0,015 %= 0,085 % 0,085 % x (1000 kg/100) = 0,85 kg. de P/ ton de arrabio

2 P + 5/2 O2 (g) P 2O5

2x 31 + 5 x 16 142

62 kg. de P 80 kg. O2

0,85 kg. de P X = 1,1 kg. O2 / ton. arrabio

NECESIDADES TOTALES DE OXIGENO ( kg. O2 / ton. arrabio)

C Si Mn P FeO + Fe2O3 Total

62.2 13.71 2.33 1.1 8 87.34

1 molécula – gramo (mol) de O2 = 2 x 16 g = 32 g Un mol de cualquier gas en condiciones normales de presión y

temperatura (1 atmósfera y 273 K) ocupa 22,4 litros.

32 kg. O2 22,4 m3

87,34 kg. O2 X = 61,1 m3 de O2 / ton. de arrabio

61,1 / 0,995 = 61,4 m3 de O2

ARRABIO = 0,7 x 180 = 126 toneladas de arrabio. 61,4 m3 de O2 / ton. de arrabio x 126 ton. de arrabio = 7736,4 Nm3

Cantidad de O2: 7736.4 Nm3

HORNO ELÉCTRICO DE ARCO

ETAPAS DEL PROCESO TIEMPO (Min.)

Carga de chatarra y HDR 5.5

Fusión 17.1

Afinación 5.9

Colada del acero 5.7

Total 55

Problema:

Determinación de las energías teóricas de oxidación

Determinación del oxígeno necesario para las reacciones de oxidación

HORNO: CARGA METÁLICA: 1132 KGS. % HDR en carga: 60% Tons. Acero /colada: 77 T/C CHATARRA Y HDR: Elementos Oxidables: C, Mn, Si, P, Al, Fe. ENERGÍA ELÉCTRICA: Consumo: 610 Kwh / Ton acero ESCORIFICANTE: Cal OPERACIÓN: 1590 ºC a 1640 ºC ( Temperatura de Colada)

Carga promedio del horno

Componente cantidad/colada cantidad/tal

Hierro esponja 52,3 t 679 kg/tal

Chatarra 34,9 t 453 kg/tal

Cal mezcla 3,6 t 47 kg/tal

Carbón insuflado 0,35 t 4,5 kg/tal

Carbón por cinta 0,35 t 4,5 kg/tal

Finos 1 t 13 kg/tal

Acero 77 t 1000 kg/tal

Escoria 9,9 t 129 kg/tal

Componentes Chatarra Hierro esponja Acero líquido Escoria Finos

FeT 92.4 29.16 61.9

Femetálico 90 87.8 3.19 4.6

FeO 5.7 25.97 13.2

C 0.2 2.3 0.07 - 1.56

SiO2 1.55 11.81 4.15

Si 0.2

Al2O3 0.76 4.63 0.8

Al 0.02

CaO 0.47 26.94 12.5

MgO 0.2 10.57 5.9

MnO 0.1 2.75 2.55

Mn 0.6 0.04

P 0.023 0.007 -

P2O5 0.048 0.63

S 0.003 - 0.32

1. Energía teórica de las reacciones de oxidación

1.1.Oxidación del Silicio.

Si + O2 SiO2 H = -9 Kw h . kg Si Cantidad de Si chatarra = 453 kg ch . 0,20 kg Si = 0,906 kg Si . tal 100 kg ch tal ESi = Energía de oxidación del Silicio = 9 Kw h . 0,906 kg Si =

kg Si tal ESi = 8,15 Kw h . tal

1.2 Oxidación del Manganeso.

Mn + 1 O2 MnO. H = -2,04 Kw h . 2 kg Mn Cantidad de Mn en la chatarra = 453 kg ch . 0,60 kg Mn = 2,718 kg Mn . tal 100 kg ch tal Cantidad de Mn en acero = 0,04 kg Mn . 1000 kg acero líq. 100 kg acero líq. Cantidad de Mn en acero = 0,4 kg Mn . tal EMn = Energía de oxidación del Mn = 2,04 Kw h . (2,718 - 0,4) kg Mn . kg Mn tal EMn = 4,73 Kw h. tal 1.3. Oxidación del Aluminio.

2Al + 3 O2 Al2O3. H = -7,1 Kw h . 2 kg Al Cantidad de Al en la chatarra = 453 kg ch . 0,020 kg Al = 0,091 kg Al . tal 100 kg ch tal EAl = Energía de oxidación del Al = 7,1 Kw h . 0,091 kg Al = kg Al tal EAl = 0,64 Kw h . tal

1.4. Oxidación del Fósforo.

2P + 5 O2 P2O5 H = -2,7 Kw h . 2 kg P Cantidad de P en la chatarra = 453 kg ch . 0,023 kg P = 0,104 kg P . tal 100 kg ch tal Cantidad de P en acero = 0,007 kg P . 1000 kg acero líq. = 0,07 kg P . 100 kg acero líq tal EP = Energía de Oxidación del Fósforo = 2,7 Kw h . ( 0,104 - 0,07) kg P kg P tal EP = 0,09 Kw h . tal 1.5. Oxidación del Hierro.

Fe + 1 O2 FeO. H = - 1,2 Kw h . 2 kg Fe 56 16 72 La cantidad de FeO formado presente en la escoria es: = 25,97 kg FeO . 129 kg esc = 33,47 kg FeO . 100 kg esc. tal tal Cantidad de Fe que reacciona = 33,47 kg FeO . 56 kg FeO = 26,03 kg Fe . tal 72 kg FeO tal EFe = Energía de oxidación del Fe = 26,03 kg Fe . 1,2 Kw h = tal kg Fe EFe = 31,24 Kw h . tal 1.6. Energía de las reacciones de oxidación. E oxidación = ESi + EMn + EAl + EP + EFe. = 8,15 + 4,73 + 0,64 + 0,09 + 31,24 = E oxidación = 45 Kw h tal

2. Determinación del oxígeno necesario para las reacciones de

oxidación. Datos: Pesos Atómicos

C O Si Al Mn P Fe

12 16 28 27 55 31 56

O2 Silicio = 0,91 kg Si . 32 kg O2 = 1,04 kg O2. tal 28 kg Si tal O2 Manganeso = 2,32 kg Mn . 16 kg O2 = 0,67 kg O2. tal 55 kg Mn tal O2 Aluminio = 0,091 kg Al . 48 kg O2 = 0,08 kg O2. tal 54 kg Al tal O2 Fósforo = 0,03 kg P . 80 kg O2 = 0,023 kg O2. tal 62 kg P tal O2 Hierro =

Fe + 1 O2 FeO. 2 56 16 72 O2 Hierro = 26,03 kg Fe . 16 kg O2 = 7,44 kg O2. tal 56 kg Fe tal

O2 = O2 Silicio + O2 Manganeso + O2 Aluminio + O2 Fósforo + O2 Hierro

O2 = 1,04 + 0,67 + 0,08 + 0,023 + 7,44 = 9,25 kg O2. tal

1 mol de O2 en condiciones normales de presión y temperatura ocupa un volumen de 22,4 litros.

32 kg O2 22,4 m3

9,25 kg O2 Cantidad de oxígeno necesario: 6,5 m3 O2. tal