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ESCUELA DE INGENIERA DE MINAS, ENERGA Y MATERIALES-UNIVERSIDAD DE OVIEDO
MSTER EN INGENEIRA DE MINAS
ASIGNATURA: INGENIERA METALRGICA
Tema 3.-Horno alto HOJA 1.
P1 (p.11; p.43).- Calcular el valor de potencial de oxgeno que es necesario alcanzar en un horno alto para
realizar la reduccin de la wustita y de la fayalita a 1000 K.
P2 (p.12).- Estimar la cantidad de carbn (coque siderrgico) que se precisa para producir una tonelada de
hierro a partir de hematites Fe2O3 si:
(a).- El mecanismo de reduccin del Fe2O3 es el directo y la proporcin de CO/CO2 en la fase gaseosa producto
es igual a la unidad.
(b).- El mecanismo de reduccin del Fe2O3 es el indirecto y la proporcin de CO/CO2 en la fase gaseosa
producto es igual a la unidad.
P3 (p.13).- Calcular la mxima concentracin que puede alcanzar el manganeso en un arrabio a 1500 C si el
contenido de MnO en la escoria es del 0.80% y las condiciones de operacin en el horno alto son las siguientes:
(a).- Actividad del carbono: a(C,Fe, lquido) = 0.95
(b).- La presin parcial de CO es 1.0 atmsfera.
(c).- El coeficiente de actividad de Raoult del manganeso en el arrabio a 1500 C 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 xidos metlicos de la escoria es de 65 g/mol.
P4 (p.14).- Utilizando los datos que se adjuntan, calcular la distribucin del silicio entre el metal y la escoria
expresada como:
m
e2
(Si)
(SiO )
x
x
en un horno alto que trabaja a 1500 C con una relacin de CaO/SiO2 en la escoria de 1.50.
Datos: P(CO)=1.0 atmsferas; a(C)=0.95; el coeficiente de actividad de Raoult del (Si) en el arrabio a 1500
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 qu 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 est en equilibrio con la wustita, FeO.
P6 (p.16).- Demostrar que la coordenada X(A) del diagrama de Rist que nos indica la proporcin de tomos-
gramo de oxgeno/tomos-gramo de carbono en el gas del tragante del horno es igual:
2
2
%( ) 1
% %
COX A
CO CO
P7 (p.16).- Calcular la recta operativa ideal de un horno alto cuya carga frrica est constituida exclusivamente
por Fe2O3 y en el cual la composicin 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 especfico de cok.
P8 (p20, p61).- Estudiar la desulfuracin de un arrabio con una escoria sinttica en la cual la actividad del
CaO, a(CaO)=0.50 a la temperatura de 1400 C bajo las siguientes condiciones de operacin:
(a).- La composicin del arrabio es: 4.50 %C y 0.050 %S.
(b).- La actividad del SCa en la escoria, a(SCa)=0.05.
(c).- La presin parcial de CO es igual a 1.0 atmsferas.
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MSTER EN INGENEIRA DE MINAS
ASIGNATURA: INGENIERA METALRGICA
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 C; PT=3.00 atmsferas; CO=35 % en volumen.
Calcular el potencial en oxgeno, p(O2) o log[p(O2)] y en dixido de carbono del sistema.
Razonar, aplicando la regla de las fases, la varianza del sistema.
P10 (p.35; p.70).-Calcular la expresin generalizada que nos indique la relacin existente entre la fraccin
volumtrica expresada en % CO en el gas, en equilibrio con las fases slidas Fe3O4 y FeO, y de la temperatura
del sistema a la presin total de una atmsfera.
Al aumentar la temperatura, resultar ms fcil 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 inyeccin de fuel-oil y enriquecimiento de oxgeno del viento, presenta los siguientes
datos operativos (segn Boustead, I: Iron and steel production. The Open University Press, vol. 8 y 9, 2
edicin, Walton Hall, Milton Keynes, Gran Bretaa, 1981)
Balance de Materia
Composicin del Arrabio: 3.8 %C; 0.36 %Si; 0.060 %S.
Carga expresada en kg por t de arrabio
Sinter. 947
Mineral de hierro 747
Chatarra de laminacin (calamina) 90
Escoria de acera 135
Cal 23
Coque siderrgico 549
Condiciones de operacin
Flujo volumtrico del viento Nm3/min. 1640
Temperatura del viento, K 1300
Humedad del viento (g/Nm3) 20
Enriquecimiento en O2 del viento (%) 4.0
Inyeccin de fuel (kg/t de arrabio) 65
Produccin
Arrabio (t/da) 1731
Escoria (kg/t de arrabio) 478
Polvo (kg/t de arrabio) 76
Balance de Energa (106 kJ/t. de arrabio)
Entradas de calor
Calor sensible en el viento 2.05
Energa qumica del coque y del fuel 9.71
TOTAL 11.76
Salidas de Calor
Calor sensible del gas del tragante y calor de vaporizacin del agua de las materias
primas
0.54
Calor sensible del metal 1.21
Calor sensible de la escoria 0.71
Disociacin carbonatos 0.34
Reduccin de los xidos de hierro 7.74
Prdidas de calor 1.11
TOTAL 11.76
Estimar cual sera la ecuacin de la recta operativa ideal del horno.
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MSTER EN INGENEIRA DE MINAS
ASIGNATURA: INGENIERA METALRGICA
Tema 3.-Horno alto HOJA 3.
P12 (p.31).- Razonar cual de estos tres compuestos de hierro:
Silicato de hierro, fayalita: 2FeO. SiO2.
Ferrita diclcica: 2CaO.Fe2O3.
Ferrita de aluminio: FeO. Al2O3.
Sera ms fcilmente reducible con hidrgeno gas a la temperatura de 900 C.
Si el gas reductor fuera monxido de carbono, estimar cual de los tres compuestos anteriormente citados es el
que se puede reducir con mayor facilidad a 900 C.
P13 (p.39).-Obtener la expresin que relaciona la composicin volumtrica del monxido de carbono en el
gas en equilibrio con el carbono-grafito en funcin de la temperatura a la presin total de 2 atmsferas.
P14 (p.18).- Calcular la recta operativa del horno que, trabajando sin inyeccin de combustibles y con una
carga frrica formada por un 100% de sinter, presenta los siguientes datos operativos (segn Boustead, I: Iron
and stell production. The Open Universitiy Press, Vol. 8 y 9, 2 edicin, Walton Hall Milton Keynes, Gran
Bretaa, 1981):
Balance de Materia
Composicin 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 fbrica 46
Chatarra de laminacin (calamina) 23
Coque siderrgico 811
Condiciones de operacin
Flujo volumtrico del viento Nm3/min. 2400
Temperatura del viento, K 1260
Humedad del viento (g/Nm3) 8
Produccin
Arrabio (t/da) 764
Escoria (kg/t de arrabio) 1320
Polvo (kg/t de arrabio) 21
Balance de Energa (106 kJ/t. de arrabio)
Entradas de calor
Calor sensible en el viento 2,97
Energa qumica del Coque Siderrgico (2C+O2=2CO) 9,96
Reacciones de escorificacin 0,33
TOTAL 13,26
Salidas de Calor
Calor sensible del gas del tragante y calor de vaporizacin 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
Reduccin de los xidos de hierro 6,82
Reduccin del P2O5, SiO2, MnO, etc 0,46
Formacin del metal liquido (fusin) 0,41
Prdidas de calor 1,30
TOTAL 13,26
Estimar cual ser la ecuacin de la recta operativa ideal del horno.
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MSTER EN INGENEIRA DE MINAS
ASIGNATURA: INGENIERA METALRGICA
Tema 3.-Horno alto HOJA 4.
P15 (p.36; p.70).-Calcular la temperatura para la cual podra establecerse el equilibrio entre las siguientes fases
slidas: FeO-Fe3O4-Fe y el oxgeno gas en el sistema Hierro- Oxgeno.
P16 (p38).- (PELETIZACIN).-Determinar cual sera la temperatura para la cual Fe2O3 no sera un compuesto
estable en una atmsfera de aire en la que la presin parcial de oxgeno es de 0.20 atmsferas.
P17 (p34).-Para fabricar un sinter autofundente, se utiliza doloma (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 factora fueran del 2 % CaO y en
el sinter alcanzara un 12 % CaO. Calcular la capacidad de produccin de la planta.
Si la humedad de la materia prima que se introduce a la mquina es del 6 %, calcular la cantidad de agua que
tiene que suministrarse al mezclador.
Suponer que las nicas prdidas en el sistema son el CO2 de la doloma y el agua.
P18 (p39).-Las velocidades de gasificacin del cok para partculas de pequeo tamao a 900 C en atmsfera
de CO2+CO a la presin de una atmsfera (Turdogan; 1996) expresadas como fraccin de slido gasificado
por minuto (dF/dt), son las siguientes:
[dF/dt]min-1 %CO2 en volumen
10-5 20
2.0x10-5 25
3.5x10-5 35
5.0x10-5 50
7.0x10-5 60
Calcular, si el proceso controlante de la gasificacin es la reaccin qumica, las constantes cinticas de la
ecuacin de velocidad y la fraccin de centros ocupados por tomos de oxgeno cuando la concentracin de
CO2 es del 20 y del 60 %.
P19 (p37).- (PELETIZACIN).-Si la cintica de reduccin de un pelet (slido denso) por hidrgeno puede
representarse por la siguiente ecuacin:
220 0
0 0(3 2 )
qi i i i i
R Rt f f f
D C C k C C
Calcular el tiempo necesario para alcanzar un 100 % de conversin en la reduccin del pelet a 500 C y 1100
C bajo las siguientes condiciones:
Densidad del pelet: 4500 kg/m3.
Dimetro de partcula: 1.0 cm.
P0(H2)=1.0 atmsferas.
Pi=(H2)=0.40 atmsferas.
D(H2)=0.76(T/273)1.8 (cm2/seg) y T(K)
Kq=104 exp [-20000/RT] cm/seg.
Determinar el rgimen cintico del proceso de reduccin a 500 C y 1100 C. Qu dificultades nos podemos
encontrar si quisiramos efectuar la reduccin de compuestos frricos a 500 C?. .
P20 (p40).-Calcular la cantidad de carbn (coque siderrgico) que se precisa para reducir una tonelada de
hierro a partir del hematites, Fe2O3, si:
(a).- El mecanismo de reduccin del Fe2O3 fuera directo y la proporcin de CO/CO2 en la fase gaseosa
producto fuera igual a dos.
(b).- El mecanismo de reduccin del Fe2O3 fuera indirecto y la proporcin de CO/CO2 en la fase gaseosa
producto fuera igual a dos.
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ESCUELA DE INGENIERA DE MINAS, ENERGA Y MATERIALES-UNIVERSIDAD DE OVIEDO
MSTER EN INGENEIRA DE MINAS
ASIGNATURA: INGENIERA METALRGICA
Tema 3.-Horno alto HOJA 5.
P21 (p40).- (REDUCCIN DIRECTA).-Calcular los balances trmicos de las reacciones de reduccin del
Fe2O3 suponiendo:
(a).- Que la proporcin CO/CO2=2
(b).- Que la temperatura de reduccin con gas es:
1200K para la reduccin con gas.
1700K para la reduccin directa.
P22 (p41).- (REDUCCIN DIRECTA).-Calcular los balances trmicos de los procesos de reduccin directa
e indirecta de la magnetita, Fe3O4, referidos a la tonelada de hierro, suponiendo:
(a).- Que la proporcin CO/CO2 en los gases reductores residuales fuera igual a tres.
(b).- Que la temperatura a la cual tienen lugar los mecanismos de reduccin es constante e igual a 1.400K.
P23 (p.11).- (PRODUCCIN DE HIERRO EN EL HORNO ALTO).-Calcular la relacin de presiones
parciales de CO/CO2 en equilibrio con la wustita a la presin total de una atmsfera 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 atmsfera.
P24 (p.12).- (PRODUCCIN DE HIERRO EN EL HORNO ALTO).-Calcular el %CO en equilibrio en una
atmsfera 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 anlisis:
Anlisis 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 anlisis 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 estn 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 composicin de la escoria suponiendo que el hierro entra en la escoria como Fe2O3.
(iii).- El composicin de los gases de salida
(iv).- El consumo de aire (Nm3) por tonelada de arrabio