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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.





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.





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.





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.





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

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