• Author / Uploaded
• stiven

Citation preview

EJERCICIOS DE SIDERURGIA II

1. La constante de equilibrio para la reacción 1563ºC a 1750ºC está dado por

LogK=

( H 2 ) +|O|Fe, wt =( H 2 O ) en el rango de

7050 −3,17 calcular: T

a) La expresión para la ΔGº como una función de la temperatura.

1/2 ( O2 ) =|O|Fe, wt

b) Calcular la ΔGº para la reacción.

a 1600ºC a partir

de los siguientes datos.

( H 2 ) +1/2 ( O2) =( H 2 O ) Δ G0=−60.180+13,93 T cal SOLUCIÓN a) Cálculo de la ΔGº como una función de la temperatura., de…..

7050 ( H 2 ) +|O|Fe , wt =( H 2 O ) LogK = T −3,17 … … … …(1) 0

Pero,

−ΔG LogK= … … … … … … .(2) 2,3026 RT

Igualando las ecuaciones (1) y (2)

−Δ G 0 7050 = −3,17 2,3026 RT T Δ G0=−4,575T

+ 4,575T (3,17 ) ( 7050 T )

0

Δ G =−32.253,75+14,5 T b) Cálculo de la ΔGº para la reacción.

1/2 ( O2 ) =|O|Fe, wt

a 1600ºC

( H 2 ) +1/2 ( O2) =( H 2 O ) Δ G0=−60.180+13,93 T cal

( H 2 O ) =( H 2 ) +|O|Fe , wt Δ G0=32.253,75−14,5 T cal 1/2 ( O 2 ) =|O|Fe, wt Δ G 0=−27.926,25−0,57T cal

0

Δ G =−27.926,25−0,57(1873) cal Δ G0=−28993,8 cal 0 ΔG1873 K =−29 Kcal

2. Un fundido de acero contiene 0.08%C, 0,9%Cr y 0,02%S, a) Por medio de la ecuación

log f ¿X =e XX [ %X ] +e YX [ %Y ] +… …+ e ZX [ %Z ] , y con los

datos de la tabla. Calcular la aC, en el fundido b) Calcular la aO correspondiente, si el fundido se encuentra en equilibrio con 1 ' ' atm., de CO a 1600ºC en donde el producto ( aC )( a O )=0,002 c) calcular el porcentaje de oxígeno correspondiente. SOLUCIÓN a)

log f ¿X =e XX [ %X ] +e YX [ %Y ] +… …+ e ZX [ %Z ] Cálculo la aC, en el fundido S log f C¿ =e CC [ %C ] + eCr C [ %Cr ] +e C [ %S ]

log f C¿ =22.10−2 [ 0,08 ] + (−2,4.10−2 ) [ 0,9 ] + 9.10−2 [ 0,02 ] ¿

−3

log f C =0,0176−0,0216+1,8.10 log f C¿ =−2,2.10−3 f C¿ =0,995 ac = (%C ) ( f ¿C )

ac = ( 0,08 )( 0,995 ) ac =0,0796 b)

ac aO =0,002 aO =

0,002 =0,025 0,0796

c)

aO =( %O ) ( f ¿O ) aO =( 0,025 )

( %O )=0,025

3. Un fundido de acero contiene 0.09%C, 1.2%Cr, 0.04%S y 0.03%Al a) Por medio de la ecuación y con los datos de la tabla; calcular la ac en el fundido. b) Calcule la ac correspondiente del oxígeno si el fundido se encuentra en equilibrio con 1 atm de CO2 a 1500°C en donde el producto ac * ao = 0.015 SOLUCION: a) Coeficiente de interacción Elemen to disuelt oX C H

Al

C

Cr

4.8 1.3

22 6

-2.4 -0.22

Elemento añadido y Cu Mn N

1.6 0.05

11.1 -0.14

O

S

-9.7

9 0.8

N O P S Si

b)

0.3 -9.4

13 -1.3

-4.5 -4.1

0.9 -0.9

-2.0 0

5.8 6.3

24 24

2.2

-1.2 0

-2.5 0

0 5.7 11.3 3.0 9.3

5.0 -2.0 13.5 -1.8 -23

1.3 -9.1 4.3 -2.8 5.7

ac ∗a0=0.015 0.0892∗a0=0.015

a0 =0.1682

4. Requerimientos energéticos para la obtención de hierro (acero) en horno eléctrico. Como valor estimativo, la cantidad de energía necesaria para obtener una tonelada de acero en horno eléctrico es de 5,6 GJ/Tm. Energía necesaria: (1.538 - 25) + L Calor latente del Fe, L = 3.658 cal/mol Calor específico a presión constante del hierro:

( 0,15 cal/ºC · g

5. Un convertidor Bessemer es cargado con 18 toneladas largas de arrabio de la siguiente composición: Fe: 93,2% C: 3,6% Si: 1,8%

Mn: 1,4% El soplo oxida todas las impurezas, y en adición se oxidan 1200 libras de Fe durante el segundo periodo. Dos tercios del carbono pasan a CO y el resto a CO2. Las máquinas de soplado suministran el aire a una rata de 17000ft 3/min, medido a condiciones normales. El soplo es alimentado a una presión manométrica de 2 atmosferas.Calcular: a. El volumen de aire, a condiciones normales, necesario para el soplado de la carga. b. El tiempo de duración de cada periodo de soplado c. Las composiciones de la escoria y los gases d. La potencia requerida para poner en marcha las máquinas de soplado, asumiendo una eficiencia del 80%. SOLUCION: a. Una tonelada larga = 2240 libras Arrabio = 18 x 2240 = 40320 lbs Fe = 0,932 x 40320 = 37578,24 C = 0,036 x 40320 = 1451,52 Si= 0,018 x 40320 = 725,76 Mn = 0,014 x 40320 = 564,48 -

Oxidaciones C + ½ O2 →

CO;O2 = 2/3 x 1451,52 x

0,5 x 359/12 =

14474,88ft3 C + O2 →

CO2;

Si + O2 →

SiO2; O2 = 725,76 x 359/28 = 9305, 28ft3

Mn + ½ O2

→ MnO;

O2= 1/3 x145, 52 x 359/12 = 14474,88 ft3

O2 = 564,48 x 359/2x55 = 1842,26ft3

Fe + ½ O2 = FeO; O2 = 1200 x 359/2x56 = 3846,43ft3 O2 =43943,73ft3

total

para

oxidaciones

Aire = 43943,73 / 0,21 = 209256ft 3; aire para el soplado de la carga.

b. Primer periodo de soplado = oxidación del Mn y el Si O2 para el 1° periodo = 9305, 28 + 1842,26 = 11147, 54 ft3 Aire para el 1° periodo = 11147,54/0,21 = 53083,524ft 3

t 1 =53083,524

ft3/17000ft3/min= 3,1 min

tiempo de soplado para el primer periodo=3,1 min

Segundo periodo de soplado = oxidación del C y del Fe O2 para el segundo periodo = 19ft3

14474,88 x 2 + 3846,43 = 32796,

Aire para el segundo periodo = 32796,19/0,21 = 156172,33ft 3

t 2 =156172,33

ft3/17000 ft3/min= 9,2 min

tiempo de soplado para el segundo periodo=9,2 min c. Escoria = SiO2 + MnO + FeO Composición de la escoria SiO2 = 725,76 x 60/28 = 1555,2 lbs = 40,6% MnO = 564,48 x 71/55 = 728,7 lbs = 19,1%

FeO = 1200 x 72/56

= 1542, 8 lbs = 40,3% 3826, 7 lbs = 100,0%

Gases = CO + CO2 + N2 Composición del gas

CO = 2O2 del C = 14474,88 x 2 = 28949,76ft3 = 13,9% 14474,88ft3

CO2= O2 del C = N2 = 209256 x 0,79

=

= 165312,24ft3 =

6,9% 79,2%

208736,88ft 3 = 100,0%

d. 1m3 = 35,314ft3 Utilizando la formula adiabática: W=3,45V0P0[(P1/P0)0,29 – 1] V0 = 17000/ 35,31x 60 = 8,023m3/seg P0 = 14,7psi = atm P1 = P0 + P(manométrico) = 1+ 2 = 3atm W= 3,45 x 8,023 m3/seg x 1atm . 10333Kg/m 2 x 1/atm [(3/1)0,29- 1 ] = 107310,59 Kg – m / 102x 0,8 = 1315Kw Potencia requerida por máquinas de soplado = 1315Kw

6. Una carga de 10 toneladas de arrabio en un convertidor produce una escoria con el 31,2%FeO ; 25,4 %MnO y 43,4 SiO2 . siguiente análisis: La escoria peso 915 kilogramos, incluyendo 183 kg, de SiO2 proveniente del recubrimiento del convertidor. Los gases del convertidor totalizaron 3190 metros cúbicos, medidos a 16,2%CO ; 7,0 CO 2 y 76,8 N 2 . condiciones normales; y su análisis Fue: El soplo fe alimentado a una presión (manometro) de 1,8 atmosferas. El tiempo del soplado fue de 12 minutos. Calcular: a. La composición del arrabio utilizado en el convertidor. b. Los metros cúbicos de aire requeridos para el soplado (calculado por el método del oxígeno y el del nitrógeno). c. Si la temperatura a la cual el volumen del gas dado arriba fue medido, fue de 27°C y el barómetro de 740mm. En lugar de las condiciones normales; ¿Cuánto vapor (kilogramos por metro cubico de aire), deberían adicionarse al soplo, sin cambiar el tiempo de soplado? d. La potencia requerida de las máquinas de soplado, asumiendo 88% de eficiencia. SOLUCION: a.

Arrabio=Fe+Si + Mn+ C

SiO 2 en escoria=915∗0,434=397,11 K g . SiO 2 proveniente del arrabio=397,11−183=214,11 Kg Si en arrabio=214,11∗28/60=99,82 kg Mn en arrabio=915∗0,254∗55/ 71=180,03 kg .

C del CO=3190∗0,162∗12/ 22,4=276,85 kg .

C del CO2 =3190∗0,07∗12/22,4=119,63 Kg C del arrabio=396,48 kg .

Fe del arrabio=10000−99,92−180,03−396,48=9323,57 Kg . Composición del arrabio.

Fe=9323,57 Kg=93,23

Si=99,82 Kg=1,00 Mn=180,03 Kg=1,80

C=396,48 Kg=3,97 10000,00100,00 b. Método del N2:

N 2 en gas=N 2 en soplo N 2 en gas=3190∗0,768=2449,92m 3 soplo=2449,92/0,79=3101 m3 Aire requerido para el soplado = 3101m3 Método del O2:

1 Fe+ O2=FeO :O2=915∗0,312∗22,4 /144=44,41m3 2 1 Mn+ O2=MnO : O2=180,03∗22,4/110=36,66 m3 2 Si+O2=SiO2 :O2=99,92∗22,4/28=79,94 m3 1 C+ O2=CO :O2=3190∗0,162/2=258,39 m3 2

C+O2 =CO2 :O2=3190∗0,07=223,30 m

3

642,70 m3 soplo=642,70/0,21=3060 m

3

Aire requerido para el soplado = 3060m3. c. Consideraciones: a) se supone que el aire debe estar húmedo. b) Si el tiempo del soplado no cambia, debe entrar en el mismo tiempo la misma cantidad de aire, pero húmedo. c) Como no se propone un porcentaje de saturación del aire, asumimos el 100%. El cálculo del volumen del aire se hizo a condiciones normales, trabajaremos con condiciones dadas. A 27°C, la presión máxima de saturación del agua es 26,7 mm. Cambio de condiciones de aire: 3

V 1=3101 m V 2=? P1=760 mm P2=740 mm T 1 =273 K T 2=27+273=300 K V 2=V 1∗( P1 /T 1 )∗(T 2 / P2 )=3500 m3 3

volumen de H 2 O=3500∗26,7 /740=126,3 m

peso en Kg.=Vol. ( m3 )∗( peso molecular /2)∗0,09 peso del H 2 O=126,3∗0,09∗18/ 2=102,3 Kg aire seco=3500−126,3=3373,7 m3 H 2 O=102,3/ 3373,7=0,03

3

H 2 O=0,03 Kg ./m de iare . d. Utilizando la formula adiabática:

P1 / Po ¿0,29−1 ¿ W =3,45V o Po ¿ V o=3101 /12∗60=4,31 m3 / seg . Po=14,7 psi .=1 atm P1=1+1,8=2,8 atm. eficiencia=88 0,29

2,8 ¿ −1 ¿=53462,3 Kg . m/seg . W =3,45∗10333∗¿ Potencia requerida por las máquinas de soplado = 53462,3/102x0,88 = 596 Kw. Potencia requerida por las máquinas de soplado = 596 Kw .

7. Calcular ∆� para este proceso a 25°C en kilocalorías por tonelada métrica de ��2 �3 reducida

8. Deducir la posibilidad de obtención metalotérmica de Fe metal, a partir del óxido de hierro FeO (wustita), actuando como reductor polvo de aluminio. Datos: para el Fe, calor latente de fusión= 3.600 cal/mol; calor específico 10,5 cal/K mol. Para la alúmina, Al2O3: calor latente de fusión 26.000 cal/mol; calor específico, 30,6 cal/K mol. Aluminotérmia de la wustita

2 FeO  (A)

4 2 Al  Al2 O3  2 Fe 3 3

A partir de la Fig. 0.2, la entalpía (calor) asociada a las reducciones metalotérmicas a 273 es igual:

2 Fe  O2  2 FeO

H º ( 273)  118

Kcal mol O2

H º (273)  253

Kcal mol O2

A

B

4 2 Al  O2  Al 2 O3 3 3

H º (273)( A)  135 Kcal Calor latente y de fusión del hierro:

10,5

cal (1536 ,5  273  273)  2 moles Fe  32,3 Kcal K mol cal 3600  2 moles Fe  7 ,2 Kcal mol Fe

Calor latente y de fusión de la alúmina:

30,6

cal 2 (1536 ,5  273  273)  moles Al 2 O3  31,3 Kcal Kmol 3 cal 2 26000  moles Fe  17 ,3 Kcal mol Fe 3 TOTAL=88,1 Kcal