???? 1.5? El proceso alcanza un grado de metalización del 95% y un grado de reducción del 90%. Se pide:

Transcripción

1 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.). Entrada: Pellets óxido (kgs) Salida: Pellets metálicos (kgs) Hierro to Oxígeno Ganga Agua Carbono To ???? 1.5? El proceso alcanza un grado de meización 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

2 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 Caliza Coque 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: Calcular: CO: 26% CO2: 12% H2O: 4% N2: 58% A) La cantidad de coque utilizado por tonelada de arrabio B) Composición de la escoria C) Consumo de aire (m³) por tonelada de arrabio

3 Resolución A) Se toma como base una tonelada de arrabio Mineral hierro, 1750 Kg (80% Fe2O3; 12% SiO2; 1% MnO; 3% Al2O3; 4% H2O ) Gas salida, 4200 m³ (26% CO; 12% CO2; 4% H2O; 58% N2) Piedra Caliza, 500 Kg (95% CaCO3; 1% H2O; 4% SiO2) Coque (10% SiO2; 90% C) Alto Horno Aire (79% N 2 ) (Fe2O3, SiO2, MnO, Escoria Al2O3, CaO) Arrabio, 1000 kg (4% C; 1,2% Si; 1% Mn; 93,8% Fe) 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 CO 2 CO2 + C 2CO C + O2 CO 2

4 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, ,5 = 71,25 Kg C Coque P. caliza Arrabio Gases salida 0,9. X , = 0, ,25 (Peso atómico C=12) (Peso molecular CaCO3 = 100) 0,075. X + 4,75 = 3, ,25 X = 69,833 / 0,075 X = 931 Kg coque / tonelada arrabio 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) = = 60 kg

5 Balance SiO2 SiO2 (en mineral hierro) + SiO2 (en caliza) + SiO2 (coque) = SiO2 (escoria) + SiO2 ( Si en arrabio calculado como SiO2) SiO2 (escoria) = ,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) = ,03 = 52,5 Kg. Balance CaO CaO (caliza) = CaO (escoria) CaO (escoria) = ,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 = (100 / 79) = 3038,5 m³ / ton. de arrabio

6 CONVERTIDOR LD 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. C (%) Si (%) Mn (%) P (%) S (%) Fe (%) ARRABIO ACERO 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

7 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, Acero 0,06 0,00 0,20 0,015 0, 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 Determinar: Necesidades de O2 para obtener el acero

8 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 CO 2 (10%) 1.a) Como monóxido de carbono: 2 C + O 2 (g) 2 CO (g) 2 x x kg de C 32 kg O 2 38,16 kg de C X = 50,9 kg O 2 / ton. arrabio 1.b) Como anhídrido carbónico: C + O 2 (g) CO 2 (g) x kg de C 32 kg O 2 4,24 kg de C X = 11.3 kg. O 2 / ton. arrabio El to de oxigeno es: 50,9 +11,3: 62.2 kg. O 2 / 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 + O 2 (g) SiO 2 (g) x kg de Si 32 kg O 2 12 kg de Si X = 13,71 kg. O 2 / 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 + O 2 (g) 2MnO (g) 2x x kg de Mn 32 kg O 2 8 kg de Mn X = 2,33 kg. O 2 / ton. arrabio

9 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 O 2 (g) P 2 O 5 2x x kg. de P 80 kg. O 2 0,85 kg. de P X = 1,1 kg. O 2 / ton. arrabio NECESIDADES TOTALES DE OXIGENO ( kg. O 2 / ton. arrabio) C Si Mn P FeO + Fe 2 O 3 To molécula gramo (mol) de O 2 = 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. O 2 22,4 m 3 87,34 kg. O 2 X = 61,1 m 3 de O 2 / ton. de arrabio 61,1 / 0,995 = 61,4 m 3 de O 2 ARRABIO = 0,7 x 180 = 126 toneladas de arrabio. 61,4 m 3 de O 2 / ton. de arrabio x 126 ton. de arrabio = 7736,4 Nm 3 Cantidad de O 2: Nm 3

10 HORNO ELÉCTRICO DE ARCO 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) ETAPAS DEL PROCESO TIEMPO (Min.) Carga de chatarra y HDR 5.5 Fusión 17.1 Afinación 5.9 Colada del acero 5.7 To 55 Problema: Determinación de las energías teóricas de oxidación Determinación del oxígeno necesario para las reacciones de oxidación

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12 Carga promedio del horno Componente cantidad/colada cantidad/ Hierro esponja 52,3 t 679 kg/ Chatarra 34,9 t 453 kg/ Cal mezcla 3,6 t 47 kg/ Carbón insuflado 0,35 t 4,5 kg/ Carbón por cinta 0,35 t 4,5 kg/ Finos 1 t 13 kg/ Acero 77 t 1000 kg/ Escoria 9,9 t 129 kg/

13 Componentes Chatarra Hierro esponja Acero líquido Escoria Finos Fe T Fe metálico FeO C SiO Si 0.2 Al 2 O Al 0.02 CaO MgO MnO Mn P P 2 O S Energía teórica de las reacciones de oxidación 1.1.Oxidación del Silicio. Si + O 2 SiO 2 H = -9 Kw h. kg Si Cantidad de Si chatarra = 453 kg ch. 0,20 kg Si = 0,906 kg Si. 100 kg ch E Si = Energía de oxidación del Silicio = 9 Kw h. 0,906 kg Si = kg Si E Si = 8,15 Kw h.

14 1.2 Oxidación del Manganeso. Mn + 1 O 2 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. 100 kg ch Cantidad de Mn en acero = 0,04 kg Mn kg acero líq. 100 kg acero líq. Cantidad de Mn en acero = 0,4 kg Mn. E Mn = Energía de oxidación del Mn = 2,04 Kw h. (2,718-0,4) kg Mn. kg Mn E Mn = 4,73 Kw h Oxidación del Aluminio. 2Al + 3 O 2 Al 2 O 3. 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. 100 kg ch E Al = Energía de oxidación del Al = 7,1 Kw h. 0,091 kg Al = kg Al E Al = 0,64 Kw h.

15 1.4. Oxidación del Fósforo. 2P + 5 O 2 P 2 O 5 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. 100 kg ch Cantidad de P en acero = 0,007 kg P kg acero líq. = 0,07 kg P. 100 kg acero líq E P = Energía de Oxidación del Fósforo = 2,7 Kw h. ( 0,104-0,07) kg P kg P E P = 0,09 Kw h Oxidación del Hierro. Fe + 1 O 2 FeO. H = - 1,2 Kw h. 2 kg Fe La cantidad de FeO formado presente en la escoria es: = 25,97 kg FeO. 129 kg esc = 33,47 kg FeO. 100 kg esc. Cantidad de Fe que reacciona = 33,47 kg FeO. 56 kg FeO = 26,03 kg Fe. 72 kg FeO E Fe = Energía de oxidación del Fe = 26,03 kg Fe. 1,2 Kw h = kg Fe E Fe = 31,24 Kw h Energía de las reacciones de oxidación. E oxidación = E Si + E Mn + E Al + E P + E Fe. E oxidación = 45 Kw h = 8,15 + 4,73 + 0,64 + 0, ,24 =

16 2. Determinación del oxígeno necesario para las reacciones de oxidación. Datos: Pesos Atómicos C O Si Al Mn P Fe O 2 Silicio = 0,91 kg Si. 32 kg O 2 = 1,04 kg O kg Si O 2 Manganeso = 2,32 kg Mn. 16 kg O 2 = 0,67 kg O kg Mn O 2 Aluminio = 0,091 kg Al. 48 kg O 2 = 0,08 kg O kg Al O 2 Fósforo = 0,03 kg P. 80 kg O 2 = 0,023 kg O kg P O 2 Hierro = Fe + 1 O 2 FeO O 2 Hierro = 26,03 kg Fe. 16 kg O2 = 7,44 kg O2. 56 kg Fe O 2 = O 2 Silicio + O 2 Manganeso + O 2 Aluminio + O 2 Fósforo + O 2 Hierro O 2 = 1,04 + 0,67 + 0,08 + 0, ,44 = 9,25 kg O 2. 1 mol de O 2 en condiciones normales de presión y temperatura ocupa un volumen de 22,4 litros. 32 kg O 2 22,4 m 3 9,25 kg O 2 Cantidad de oxígeno necesario: 6,5 m 3 O 2.