Tema3.HornoAlto.EnunciadosProblemas

ESCUELA DE INGENIERÍA DE MINAS, ENERGÍA Y MATERIALES-UNIVERSIDAD DE OVIEDO
MÁSTER EN INGENEIRÍA DE MINAS
ASIGNATURA: INGENIERÍA METALÚRGICA
Tema 3.-Horno alto
HOJA 1.
P1 (p.11; p.43).- Calcular el valor de potencial de oxígeno que es necesario alcanzar en un horno alto para
realizar la reducción de la wustita y de la fayalita a 1000 K.
P2 (p.12).- Estimar la cantidad de carbón (coque siderúrgico) que se precisa para producir una tonelada de
hierro a partir de hematites Fe2O3 si:
(a).- El mecanismo de reducción del Fe2O3 es el directo y la proporción de CO/CO2 en la fase gaseosa producto
es igual a la unidad.
(b).- El mecanismo de reducción del Fe2O3 es el indirecto y la proporción de CO/CO2 en la fase gaseosa
producto es igual a la unidad.
P3 (p.13).- Calcular la máxima concentración que puede alcanzar el manganeso en un arrabio a 1500 ºC si el
contenido de MnO en la escoria es del 0.80% y las condiciones de operación en el horno alto son las siguientes:
(a).- Actividad del carbono: a(C,Fe, líquido) = 0.95
(b).- La presión parcial de CO es 1.0 atmósfera.
(c).- El coeficiente de actividad de Raoult del manganeso en el arrabio a 1500 ºC es 0.80.
(d).- El coeficiente de actividad del MnO en la escoria es 1.60 cuando el % MnO es de 0.80%.
(e).- El peso molecular medio de los óxidos metálicos de la escoria es de 65 g/mol.
P4 (p.14).- Utilizando los datos que se adjuntan, calcular la distribución del silicio entre el metal y la escoria
expresada como:
x(Si)m
x(SiO2 )e
en un horno alto que trabaja a 1500º C con una relación de CaO/SiO2 en la escoria de 1.50.
Datos: P(CO)=1.0 atmósferas; a(C)=0.95; el coeficiente de actividad de Raoult del (Si) en el arrabio a 1500º
C es de 0.01 y el coeficiente de actividad de Raoult del (SiO2) en la escoria es de 0.04 para una x(SiO2)=0.25.
P5 (p.15).- Demostrar por qué la recta operativa ideal de un horno alto que pasa por el punto X(W) del
Diagrama de Rist es igual a 1.29, punto en el cual, el gas del horno está en equilibrio con la wustita, FeO.
P6 (p.16).- Demostrar que la coordenada X(A) del diagrama de Rist que nos indica la proporción de átomosgramo de oxígeno/átomos-gramo de carbono en el gas del tragante del horno es igual:
X ( A)  1 
% CO2
% CO  % CO2
P7 (p.16).- Calcular la recta operativa ideal de un horno alto cuya carga férrica está constituida exclusivamente
por Fe2O3 y en el cual la composición de los gases del tragante es:
CO=20 %; CO2=20 %; N2=5 9%; H2=1 %.
Si el arrabio obtenido tiene un 4.5 % C y el 92.5 % Fe, calcular el consumo específico de cok.
P8 (p20, p61).- Estudiar la desulfuración de un arrabio con una escoria sintética en la cual la actividad del
CaO, a(CaO)=0.50 a la temperatura de 1400 ºC bajo las siguientes condiciones de operación:
(a).- La composición del arrabio es: 4.50 %C y 0.050 %S.
(b).- La actividad del SCa en la escoria, a(SCa)=0.05.
(c).- La presión parcial de CO es igual a 1.0 atmósferas.
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Tema 3.-Horno alto
HOJA 2.
P9 (p.22; p.25; p.74).- Las condiciones que presenta el gas de la zona de toberas de un horno alto son las
siguientes:
T=2200 ºC; PT=3.00 atmósferas; CO=35 % en volumen.
Calcular el potencial en oxígeno, p(O2) o log[p(O2)] y en dióxido de carbono del sistema.
Razonar, aplicando la regla de las fases, la varianza del sistema.
P10 (p.35; p.70).-Calcular la expresión generalizada que nos indique la relación existente entre la fracción
volumétrica expresada en % CO en el gas, en equilibrio con las fases sólidas Fe3O4 y FeO, y de la temperatura
del sistema a la presión total de una atmósfera.
Al aumentar la temperatura, resultará más fácil reducir el Fe3O4 a FeO.
P11 (p.17).- Calcular la recta operativa del horno que, trabajando con una carga formada por el 55% de sinter
y el 45% de mineral con inyección de fuel-oil y enriquecimiento de oxígeno del viento, presenta los siguientes
datos operativos (según Boustead, I: Iron and steel production. The Open University Press, vol. 8 y 9, 2ª
edición, Walton Hall, Milton Keynes, Gran Bretaña, 1981)
Balance de Materia
Composición del Arrabio: 3.8 %C; 0.36 %Si; 0.060 %S.
Carga expresada en kg por t de arrabio
Sinter.
Mineral de hierro
Chatarra de laminación (calamina)
Escoria de acería
Cal
Coque siderúrgico
Condiciones de operación
Flujo volumétrico del viento Nm /min.
Temperatura del viento, K
Humedad del viento (g/Nm3)
Enriquecimiento en O2 del viento (%)
Inyección de fuel (kg/t de arrabio)
Producción
Arrabio (t/día)
Escoria (kg/t de arrabio)
Polvo (kg/t de arrabio)
Balance de Energía (106 kJ/t. de arrabio)
Entradas de calor
Calor sensible en el viento
Energía química del coque y del fuel
947
747
90
135
23
549
3
1640
1300
20
4.0
65
1731
478
76
2.05
9.71
TOTAL 11.76
Salidas de Calor
Calor sensible del gas del tragante y calor de vaporización del agua de las materias
primas
Calor sensible del metal
Calor sensible de la escoria
Disociación carbonatos
Reducción de los óxidos de hierro
Pérdidas de calor
TOTAL
Estimar cual sería la ecuación de la recta operativa ideal del horno.
0.54
1.21
0.71
0.34
7.74
1.11
11.76
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Tema 3.-Horno alto
HOJA 3.
P12 (p.31).- Razonar cual de estos tres compuestos de hierro:
Silicato de hierro, fayalita: 2FeO. SiO2.
Ferrita dicálcica: 2CaO.Fe2O3.
Ferrita de aluminio: FeO. Al2O3.
Sería más fácilmente reducible con hidrógeno gas a la temperatura de 900 ºC.
Si el gas reductor fuera monóxido de carbono, estimar cual de los tres compuestos anteriormente citados es el
que se puede reducir con mayor facilidad a 900º C.
P13 (p.39).-Obtener la expresión que relaciona la composición volumétrica del monóxido de carbono en el
gas en equilibrio con el carbono-grafito en función de la temperatura a la presión total de 2 atmósferas.
P14 (p.18).- Calcular la recta operativa del horno que, trabajando sin inyección de combustibles y con una
carga férrica formada por un 100% de sinter, presenta los siguientes datos operativos (según Boustead, I: Iron
and stell production. The Open Universitiy Press, Vol. 8 y 9, 2ª edición, Walton Hall Milton Keynes, Gran
Bretaña, 1981):
Balance de Materia
Composición del Arrabio: 3.77 %C; 0.87 %Si; 0,96 %Mn; 1.34 %P; 0.23 %S.
Carga expresada en kg por t de arrabio
Sinter autofundente.
2772
Escoria o retornos de la fábrica
46
Chatarra de laminación (calamina)
23
Coque siderúrgico
811
Condiciones de operación
Flujo volumétrico del viento Nm3/min.
2400
Temperatura del viento, K
1260
3
Humedad del viento (g/Nm )
8
Producción
Arrabio (t/día)
764
Escoria (kg/t de arrabio)
1320
Polvo (kg/t de arrabio)
21
Balance de Energía (106 kJ/t. de arrabio)
Entradas de calor
Calor sensible en el viento
2,97
Energía química del Coque Siderúrgico (2C+O2=2CO)
9,96
Reacciones de escorificación
0,33
TOTAL 13,26
Salidas de Calor
Calor sensible del gas del tragante y calor de vaporización del agua de las materias
primas
Calor sensible del metal
1,13
Calor sensible de la escoria
2,26
Calor sensible de los polvos
0,04
Reducción de los óxidos de hierro
6,82
Reducción del P2O5, SiO2, MnO, etc
0,46
Formación del metal liquido (fusión)
0,41
Pérdidas de calor
1,30
TOTAL 13,26
Estimar cual será la ecuación de la recta operativa ideal del horno.
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HOJA 4.
P15 (p.36; p.70).-Calcular la temperatura para la cual podría establecerse el equilibrio entre las siguientes fases
sólidas: FeO-Fe3O4-Fe y el oxígeno gas en el sistema Hierro- Oxígeno.
P16 (p38).- (PELETIZACIÓN).-Determinar cual sería la temperatura para la cual Fe2O3 no sería un compuesto
estable en una atmósfera de aire en la que la presión parcial de oxígeno es de 0.20 atmósferas.
P17 (p34).-Para fabricar un sinter autofundente, se utiliza dolomía (70% CaCO3 y 30% MgCO3) que se
alimenta al mezclador de una planta con un velocidad de 12000 kg/hr.
Si el contenido de CaO en la mezcla de mineral de hierro y los retornos de factoría fueran del 2 % CaO y en
el sinter alcanzara un 12 % CaO. Calcular la capacidad de producción de la planta.
Si la humedad de la materia prima que se introduce a la máquina es del 6 %, calcular la cantidad de agua que
tiene que suministrarse al mezclador.
Suponer que las únicas pérdidas en el sistema son el CO2 de la dolomía y el agua.
P18 (p39).-Las velocidades de gasificación del cok para partículas de pequeño tamaño a 900 ºC en atmósfera
de CO2+CO a la presión de una atmósfera (Turdogan; 1996) expresadas como fracción de sólido gasificado
por minuto (dF/dt), son las siguientes:
[dF/dt]min-1 %CO2 en volumen
10-5
20
2.0x10-5
25
-5
3.5x10
35
-5
5.0x10
50
7.0x10-5
60
Calcular, si el proceso controlante de la gasificación es la reacción química, las constantes cinéticas de la
ecuación de velocidad y la fracción de centros ocupados por átomos de oxígeno cuando la concentración de
CO2 es del 20 y del 60 %.
P19 (p37).- (PELETIZACIÓN).-Si la cinética de reducción de un pelet (sólido denso) por hidrógeno puede
representarse por la siguiente ecuación:
 R02
 R0
t
f 2 (3  2 f ) 
f
0

Di Ci  Ci
kq Ci0  Ci




Calcular el tiempo necesario para alcanzar un 100 % de conversión en la reducción del pelet a 500 ºC y 1100
ºC bajo las siguientes condiciones:
Densidad del pelet: 4500 kg/m3.
Diámetro de partícula: 1.0 cm.
P0(H2)=1.0 atmósferas.
Pi=(H2)=0.40 atmósferas.
D(H2)=0.76(T/273)1.8 (cm2/seg) y T(K)
Kq=104 exp [-20000/RT] cm/seg.
Determinar el régimen cinético del proceso de reducción a 500 ºC y 1100 ºC. ¿Qué dificultades nos podemos
encontrar si quisiéramos efectuar la reducción de compuestos férricos a 500 ºC?.
.
P20 (p40).-Calcular la cantidad de carbón (coque siderúrgico) que se precisa para reducir una tonelada de
hierro a partir del hematites, Fe2O3, si:
(a).- El mecanismo de reducción del Fe2O3 fuera directo y la proporción de CO/CO2 en la fase gaseosa
producto fuera igual a dos.
(b).- El mecanismo de reducción del Fe2O3 fuera indirecto y la proporción de CO/CO2 en la fase gaseosa
producto fuera igual a dos.
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Tema 3.-Horno alto
HOJA 5.
P21 (p40).- (REDUCCIÓN DIRECTA).-Calcular los balances térmicos de las reacciones de reducción del
Fe2O3 suponiendo:
(a).- Que la proporción CO/CO2=2
(b).- Que la temperatura de reducción con gas es:
1200K para la reducción con gas.
1700K para la reducción directa.
P22 (p41).- (REDUCCIÓN DIRECTA).-Calcular los balances térmicos de los procesos de reducción directa
e indirecta de la magnetita, Fe3O4, referidos a la tonelada de hierro, suponiendo:
(a).- Que la proporción CO/CO2 en los gases reductores residuales fuera igual a tres.
(b).- Que la temperatura a la cual tienen lugar los mecanismos de reducción es constante e igual a 1.400K.
P23 (p.11).- (PRODUCCIÓN DE HIERRO EN EL HORNO ALTO).-Calcular la relación de presiones
parciales de CO/CO2 en equilibrio con la wustita a la presión total de una atmósfera a 1000 K.
Considerar si estamos cerca de alcanzar el equilibrio en una zona del horno alto a 1000 K con un gas del 82
% de CO. Suponer que P(CO)+P(CO2)=1.00 atmósfera.
P24 (p.12).- (PRODUCCIÓN DE HIERRO EN EL HORNO ALTO).-Calcular el %CO en equilibrio en una
atmósfera de CO/CO2 en contacto con la ferrita de calcio, CaFe2O4 a 1000K.
P25.- A blast furnace makes hot metal containing 3.6 wt.% C, 1.4% Si, the remainder being Fe (i.e. 95% ).
Other data are:
• The ore contains 85 % Fe2O3, the remainder being 15 % gangue of SiO2 and Al2O3.
• The coke contains 85 % fixed carbon and 15 % ash.
• Coke consumption is 800 kg per tonne of hot metal.
• Flux contains 95 % CaCO3 and the remainder is SiO2 and its consumption is 400 kg/tonne hot metal.
• The blast furnace top gas contains a ratio of CO/CO2 = 28/12.
Calculate (per tonne of hot metal): (i) the weight of ore used (Wore), (ii) the weight of slag made (Wslag), and
(iii) the volume of BF gas (Vg).
P26.- Se carga un horno alto con mineral de hierro, caliza y coque con los siguientes análisis:
Análisis en % (peso)
Material
Fe2O3 SiO2 MnO Al2O3 H2O C CaCO3
Mineral de 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 gases de salida por
tonelada de arrabio es 4200 m3. Los gases están compuestos por CO CO2, H2O y N2 y se sabe que:
CO: 26 %; CO2: 12 %
Se pide calcular: (i).- La cantidad de coque utilizado por tonelada de arrabio
(ii).- La composición de la escoria suponiendo que el hierro entra en la escoria como Fe2O3.
(iii).- El composición de los gases de salida
(iv).- El consumo de aire (Nm3) por tonelada de arrabio