Problemas Del Alto Horno

PROBLEMAS SIDERURGIA

PROBLEMAS 1.-Un horno funde el siguiente mineral: Mineral

Porcentajes %

Fe2O3

78

SiO2

8.2

Al2O3

4.0

MnO

2.6

P2O5

1.9

H2O

5.3

El análisis del coque fue 88%C, 10% SiO2, 2%H2O y como fundente se emplea CaCO3 100% puro. El consumo de coque y fundente era 3/5 y ¼ del peso del mineral respectivamente . El fosforo y el hierro se redujeron en un 100%. El manganeso y la sílice cargado se reducen en la proporción de ½ y 1/5 respectivamente. El arrabio absorbe carbono equivalente al 4% de su peso. El aire soplado asciende a 1500m 3 por tonelada de mineral a) Determinar la composición en porcentaje del arrabio. b) Determinar composición en porcentaje de la escoria. c) Realizar un balance de material del alto horno.

Siderurgia Peso de mineral base 1000kg de mineral Coque = 3/5 x 1000 = 600kg. Fundente = ¼ x 1000 = 250kg. Composición del arrabio: Fe = (112/160) x 780 = 546kg. 91.2% Si = (28/60) x (8.2% x 1000 + 10% x 600) x 1/5 = 13kg. Mn= (55/71) x 26 x (1/2) = 10kg. 1.7% P = (62/142) x 1.9% x 1000 = 8kg. 1.4% C = 4% x 88% x 600 = 21kg. 3.5% Total = 598kg. 100% Composición de escoria: SiO2 = (4/5) x 142 = 113.6kg. 37.1% Al2O3 = (4/100) x 1000 = 40.0kg. 13.0% MnO = 10 x (71/55) = 13.0kg. 4.2% CaO = (56/100) x 250 = 140.0kg 45.7% Total = 306.6kg. 100%

2.2%

PROBLEMAS Balance de Materia: Calculo de la composición de los gases del tragante. O del Fe2O3 = (48/160) x 780 = 2.34kg. *El oxigeno de los óxidos cuando se producen la reducción se van a los gases como CO2. O (del SiO2 reducido)

= (32/28) x 13

=15.0kg.

O (del MnO reducido)

= (16/55) x 10

= 3.0kg.

O (del P2O5 reducido)

= (80/62) x 8

= 10kg.

O del aire

= 1500 x 1.293 x 0.232

= 450kg.

O total a reaccionado con el carbono del coque 712kg. C(consumido por el O2) = 88% x 600 – 21

= = 507kg. de C

O(oxigeno que consume el carbono para formar el CO ) = (16/12)x 507 = 676kg. De O2 28 O (oxigeno restante) =712 – 676 = 36kg de O2 Y Y=507x28/12 = 1 183 kg de CO

Siderurgia Además se produce la siguiente reacción con el oxigeno sobrante formando CO2 y gastándose CO: CO2 = Z = 36 x (144/16) = 99kg. De CO2 CO = X = 36 x (28/16) = 63kg. De CO Esta reacción se forma debido a que el gas reductor que asciende (CO) es enfriado por el mineral frio que baja y el oxigeno de los óxidos por la descomposición de los compuestos reacciona con el gas CO. Recordando que a altas temperaturas predominan el gas CO y a bajos Temperaturas predomina el gas CO2. Luego: CO restante en el gas = 1 183 – 63

= 1 120kg.

Total de CO2 en el gas = 99 + (44/100) x 250

= 209kg.

PROBLEMAS Composición del gas: CO = 1 120 x (22.4/28)

=

896 m3 = 39.5 %

CO2 = 209 x ( 22.4/44)

=

106m3 =

4.7%

H2O = (53 + 0.02 x 600) x (22.4/18) 3.6%

=

N2 = 0.79 x 1500 52.2%

= 1 185m3 = Total

81m3 =

= 2 268m3 = 100%

Siderurgia Carga kg.

Arrabio kg.

Fe2O3= 780

Fe = 546

SiO2 = 82

Si = 13

Al2O3= 40

Escoria kg.

Gases kg. O = 243

SiO2

= 54

O = 15

Al2O3 = 40

MnO = 26

Mn = 10

P2O5 = 19

P

MnO = 13

=8

O=3 O = 11

H2O = 53

H2O = 53

Fundente (250) CaCO3 = 250

CaO = 140

CO2 = 110

Coque(600) C = 528

C = 21

SiO2 = 60

C = 507 SiO2 = 60

H2O = 12

H2O = 12

Aire(1940) O = 450

O = 450

N = 1490

N = 1490

Total = 3 790

598

307

2 885

PROBLEMAS

2.-Un alto horno produce arrabio que contiene: Minerales

Por ciento %

C

3.60

Si

1.40

Fe

95.0

La composición del mineral fue de 80% Fe2O3, 12% SiO2, 8% Al2O3 El coque (1kg/Kg de arrabio) Transporto 10% SiO2, 90% C. El fundente (0.4kg/kg de arrabio) fue CaCO3 puro. El gas contuvo 28% CO y 12% CO2. Calcular: Por Tanto de arrabio:   

Peso del mineral usado. El peso de la escoria Producida. El volumen del gas del alto Horno.

Siderurgia Solución: Fe en 1kg de mineral = (112/160) x 0.8 = 0.56kg. Peso del mineral: 960 (1) kg Fe/tn arrabio =

1.696kg 0.56kg. Fe/kg. min.

SiO2 escoria: SiO2 min. + SiO2 coque –SiO2 (como Si) Arrabio (1696 x 0.12 + 1000 x 0.10) – 1000 x 0.014 x (60/28) = 274kg. Al2O3 escoria: Al2O3 mineral = 1696 x 0.08 CaO escoria: CaO fundente = 400 x (56/100) Peso de la escoria = 634kg. (2)

= 136kg. = 224kg.

C gases = C Coque + C fundente – C arrabio 1000 x 0.9 + 400 x (12/100) – 1000 x 0.036 = 912kg. Peso de C en m3 de gas : (0.28+0.12) x (12/22.4) = 0.2143 kg/m 3

912 Gas producido: = 4256 m3 0.2143

(3)

PROBLEMAS

111. El mineral usado en un alto horno tuvo la siguiente composición:

Minerales

Por ciento %

Fe2O3

82

SiO2

14

Al2O3

2

HO

2

2 Por cada libra de mineral se cargo 0.22lb de CaCO3. La cantidad de CO que usado de 1lb por libra de arrabio producido y tuvo 90% de C y 10% de ceniza. La producción diaria del horno fue de 600 ton largas de arrabio cuya composición fue de 94% Fe, 4% C, 2% Si.

El análisis del gas de alto horno demostró que la proporción de CO a CO 2 fue de 3:2 asuma que se emplea aire seco.

   

Calcular: El peso de mineral cargado por día. El volumen de gas producido por ton de arrabio. El volumen y el peso del aire por ton de arrabio. El peso del carbono quemado en las toberas por ton de arrabio .

Siderurgia Solución: Peso de mineral por ton larga de arrabio 0.94 x 2.240 + 0.92 x (112/160) =3668lb de mineral Mineral cargado por día = (3668/2240) x 600 = 983 tons

(1)

C total en los gases = (0.90 x 2240) + (12/100) x 0.22 x 3.668 - (0.04 x 2240) = 2023lb. O2 utilizado por este carbón total : O requerido para el CO = (3/5) x 2023 x (16/12) = 1618lb. O requerido por el CO2 = (2/5) x 2023 x (32/12) = 2158lb. Total = 3776lb. O en el CaCO3 = (32/12) x 96.8 = 258lb. O en el Fe2O3 = (32/160) x 0.82 x 3.668 = 902lb. O de la reducción del Si = (32/28) x 0.02 x 2240= 51lb. O2 total suministrado por la carga = 1211lb.

PROBLEMAS Volumen de gas de alto horno: N2

= (3776 -1211) x (76.8/23.2) x (359/28)

CO

= (28/16) x 1618 x (359/28)

= 36 304 pies3

CO2

= (44/32) x 2158 x (359/44)

= 24 210 pies3

H 2O

= 0.02 x 3669 x (359/18) =

Total

1 464 pies3

= 170 845 pies3 (2)

Volumen de aire (3) Peso de aire (3)

= 108 867 pies3

= (108 867/0.79)

= 137 806 x 0.0807 lb/pies3

= 137 806 pies3 = 11 121lb.

Al aire contiene 0.21 x 137 806 = 28 939 pies 3 de O2 C que consume el oxígeno del aire = 28 939 x (24/359) = 1 935lb. (4)

Siderurgia 135. Un alto horno emplea aire que al ingresar a las estufas tenía un presión manométrica de 1.6 atm y una temperatura de 45ºC. y estaba saturado por vapor de agua; calentándose hasta los 700ºC. Asume que el carbono del coque alcanzó una temperatura de 300ºC menor que la temperatura de los gases calientes resultantes de la combustión. Calcular: 1.

La temperatura teórica máxima en la zona de fusión del horno.

2.

La temperatura si el aire estuviese precalentado.

3.

La temperatura si el aire estuviese precalentado ni seco, ingresando al horno a 0º C.

PROBLEMAS Solución: Presión de vapor de H2O a 45ºC = 71.9 mm = 0.095 atm. Presión real = Presión manométrica + presión atmosférica. 0.095 Volumen del vapor de agua = x 4.444 = 0.169 m3.

(1.6 +1.0)-0.095

Su peso es: 0.169 x (18/22.4) = 0.136kg/kg de C. El calor para descomponerlo es: 0.136 x 3 210 = 437 Kcal. C consumido por el H2O: 0.136 x (12/18) = 0.0907kg. C restante a ser consumido por el aire: 0.9093 kg. Volumen del aire seco: 0.9093 x 4.444 = 4.041m3 Volumen de los gases: N2 = 0.79 x 4.041 H2 = 0.136 x (22.4/18) CO = 44.8/24 Total

= 3.192m3 =0.169m3 = 1.866m3 = 5.227m3

Siderurgia Temperatura teórica máxima con el aire precalentado y húmedo: [0.20 + 0.00011(t – 300)](t – 300) + 4.041(0.302 + 0.000022 x 700)700 + 0.169(0.373 + 0.00005 x700)700 + 2430 – 437 = 5.227(0.302 + 0.000022t)t 0.000005t2 + 1.445t – 2889 =0 t = 1 986ºC (1) Aire = (22.4/24) + 0.21 = 4.444m 3 Gases: CO = 44.8/24 = 1.866m3 N2 = 0.79 x 4.444 = 3.551m3 Total = 5.377m3 [0.20 + 0.00011(t – 300)](t – 300) + 4.444(0.302 + 0.000022 x 700)700 + 2 430 = 5.377(0.302 + 0.000022t)t. Resolviendo: 0.0000083t2 + 1.49t - 3 367 = 0 t = 2 232ºC (2) La ecuación para aire húmedo y a 0ºC es: 0.000005t2 + 1.445t -1 943 = 0 t=1 338ºC (3)

PROBLEMAS 134. Un alto horno usa aire precalentado a 600ºC En tiempo húmedo al aire contiene 5% de vapor de agua, que se descompone al ingresar al horno de acuerdo a la reacción.

Asuma que la combustión del carbono en la zona de las toberas se produce a la temperatura máxima de los gases . Calcular: 1.

La temperatura teórica de los gases en la zona de las toberas cuando el aire esta seco.

2.

Lo mismo cuando el aire contiene 5% de humedad

3.

La proporción de la variación del poder de fusión en los dos casos.

Siderurgia Solución: De la solución se obtiene el volumen de aire por kilogramo de carbono de 4.444m3 y de los gases resultantes de 5.377m 3. Temperatura teórica máxima con el aire seco: (0.2+0.00011t)t + 4.444(0.302+0.000022 x 600) + 2 430 = 5.377(0.302 +0.000022t)t Simplificando: 0.0000083t2 + 1.424t -3 270 = 0 t= 2 266ºC

(1)

Vapor de agua del aire = (18/22.4) x (5/95) x 4.4444 = 0.188kg. Calor absorbido para descomponer este vapor de agua = 0.188 x 3.210 = 603kcal. C quemado por H2O = 0.188 x (12/18) = 0.125kg; quedando 0.875 kg que será quemado por el aire . Aire requerido = 0.875 x 4.444 = 3.889m 3

PROBLEMAS Volumen de los gases: N2

= 0.79 x 3.889

= 3.072m3

H2

= 0.188 x (22.4/18)

=0.234m3

CO = (44.8/24) =1.857m3 Total = 5.173m3 Temperatura teórica máxima con el aire húmedo: (0.20+0.00011t)t + 3.889(0.302 + 0.000022 x 600)600 + 0.234(0.373 + 0.00005 x 600)600 + 2 430 – 603 = 5.173 (0.0302 + 0.000022t)t Simplificando: 0.0000038t2 + 1.362t – 2 724 = 0 t = 1 989ºC (2) Poder de fusión con el aire seco = 2 266 – 1500 = 766ºC Poder de fusión con el aire húmedo = 1 989 – 1500 = 489ºC Disminución del poder de fusión = (766-489)/ 766 = 36.2% (3)