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• Celica Peña Espinoza

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“Año de la Promoción de la Industria Responsable y del Compromiso climático”

FACULTAD DE INGENERIA QUIMICA Y METALURGIA. ASIGNATURA

: SIDERURGIA I

TEMA

: PROBLEMAS

E.P. A.

: ING: METALURGIA

DOCENTE

: ING: VEGA PEREDA, Manuel

ALUMNA

: PEÑA ESPINOZA, Etelvina Ursula

CICLO

: VIII

HUACHO – PERU 2014

UNIVERSIDAD JOSE FAUSTINO SANCHES CARRION PROBLEMA 1

Un mineral de hematita que contiene 78% de Fe 2O3 es reducido en un alto horno mediante el coque que contiene 83% de C. El gas de horno debe contener un exceso de CO, la ecuación de reducción tiene la forma:

Asuma que la proporción de CO:CO2 en el gas producido es de 7:4. El arrabio producido contiene 93% Fe y 4% C.

Calcular:

a) Calcular la ecuación de reducción, balanceado con números enteros. b) El consumo de coque por ton métrica de arrabio. c) El CO para la reducción es producido por la combustión del carbono del coque con el aire (inyectado). ¿Cuántos metros cúbicos de aire se requerirán por ton métrica de arrabio producido? ¿cuánto tones de aire? d) ¿Cuál será la composición en porcentajes del gas resultante de la combustión y reducción? SOLUCIÓN: Entonces y = 5.25; de acuerdo a la ecuación de reducción. Luego, X = 3 + 5.25 = 3.25; en consecuencia la nueva ecuación es:

En número enteros es:

Simplificando:

Peso del C del coque

Peso del coque

ING: METALURGICA

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UNIVERSIDAD JOSE FAUSTINO SANCHES CARRION

Volumen del aire

Tons de aire 3653 x 1.293 = 4.724

(3)

Mineral por ton de arrabio = 930 + 112/160 x 0.78 = 1.703 Kg O en el Fe2O3 = 48/160 x 0.78 x 1703 = 329 kg Total de CO producido = 28/12 x 822 = 1918 Kg CO transformado a CO2 = 28/16 x 399 = 698 Kg. CO2 producido = 1918 – 698 = 1220 Composición del gas resultante: CO = 1220 x 22.4/28 = 936m2 = 22.1% CO2 = 1097 x 22.4/44 = 559 N2 = 0.79 x 3653

= 12.6

= 2886 4420 m3

= 65.3 100:% ……

(4)

PROBLEMA 2 Se desea analizar una caliza; se pesan 3 gramos de la misma y se atacan con ácido clorhídrico obteniéndose 0,5 litros de CO2. Calcular la riqueza de la caliza.

La reacción que tiene lugar es :

Solución Y a partir de ahí, Si 100 gramos de carbonato cálcico dan 22,4 litros de CO 2, entonces 3 gramos de carbonato cálcico darán X litros de CO2. Operando resulta X = 0,672 litros de CO2, pero como realmente hemos obtenido 0,5 litros, el rendimiento de la operación será:

ING: METALURGICA

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UNIVERSIDAD JOSE FAUSTINO SANCHES CARRION PROBLEMA 3

Un alto horno funde mineral que contiene 75% de Fe 2O3 y 5% de H2O, produciendo un arrabio que contiene 4% de C y 92% de Fe. Se emplea 1 ton de CO que por cada ton de arrabio producido, que tiene 90% de C y 1% de H2O, y 260Kg de CaCO3 por cada ton arrabio. El volumen del aire insulfurado es de 3250 m3 por ton de arrabio. Asuma que se reduce todo el hierro, y desperdicie la reducción del Si y de los otros elementos.

Calcular:

a) El peso de mineral usado para producir 1 ton de arrabio. b) El porcentaje de carbono del coque que es quemado en y sobre las toberas c) El volumen y la composición en porcentaje del gas formando en las toberas, por ton de arrabio d) El volumen y la composición en porcentaje del gas de alto horno e) El porcentaje del poder calorífico del coque que es desarrollando en el horno. SOLUCIÓN: 0.92 + 112/160 x 0.75 = 1.75 tons

(1).

C que reacciona con el O del aire: 12/16 x 0.21 x 3250 x 16/11.2 = 731Kg

C que reacciona sobre las toberas

=

900 – 731 – 40 = 129 Kg

CO = 22.4/28 x 731 x 28/12 = 1364 m3 = 34.7% N2 = 0.79 x 3250 Gas formado en las toberas

ING: METALURGICA

= 2568

= 65.3

3932 m3 = 100.0%

(3)

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UNIVERSIDAD JOSE FAUSTINO SANCHES CARRION O en el Fe2O3 = 48/160 x 0.75 x 1750 = 394 Kg O en el aire

= 32/22.4 x 682.5

O que tiene que reaccionar con el C

= 975 1369 Kg

O que reacciona con el C del coque = 16/12 x 860 = 1147 ; formando 28/16 x 1147 = 2007 Kg de CO total. O restantes para convertir el CO a CO2 = 1369 – 1147 = 222Kg CO transformado a CO2 = 23/16 x 222 = 289 Kg; formándose 44/28 x 389 611 Kg de CO2 CO sobrante en el gas = 2007 – 389 = 1618 CO2 total en el gas

= 611 + 44/100 x 260 = 725 Kg

Gas del alto horno:

Valor calorífico del coque = Valor calorífico del gas

900 x 8100 = 7290000 Kcal

= 0.297 x 3.034 x 4352 = 3921578 Kcal

Valor calorífico del C en el arrabio =

40 x 8100 = 324000

Kcal

= 3245578 Kcal Calor desarrollado en el horno = 7290000 – 3245578 = 3044422 Kcal

ING: METALURGICA

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UNIVERSIDAD JOSE FAUSTINO SANCHES CARRION PROBLEMA 4

El arrabio producido en un alto horno sale libre de humedad, pero al analizarlo se encontró que contenía: Fe 84.72% en peso, C 3.15%, Si 1,35%, Mn 0.72%, H2O 10.06%. ¿Cuál era el porcentaje en peso de hierro al salir del horno? B.C: 100 Kg de arrabio humedo.

(

)

PROBLEMA 5 Calcinando CaCO3 obtenemos 8 litros de CO2 medidos a 27 ºC y 2 atmósferas. ¿Cuántos gramos de carbonato se han calcinado sabiendo que se trata de un mineral impuro del 70 % de riqueza.

SOLUCIÓN Para saber que volumen ocupan en condiciones normales los 8 litros recogidos a 27 ºC y 2 atmósferas, aplicamos la fórmula de la ecuación general de los gases perfectos: Condiciones iniciales: P1 = 2 atmósferas; T1 = 300 ºK ; V1 = 8 litros Condiciones finales : P2 = 1 atmósfera ; T2 = 273 ºK ; V1 = x litros Con lo cual:

Litros de CO2. A partir de ahí, Si 22,4 litros de CO2 proceden de 100 gramos de carbonato cálcico, entonces 14,56 litros de CO2 procederán de X gramos de carbonato cálcico. Operando: X = 65 gramos de carbonato cálcico puro. Pero como la caliza es de una riqueza del 70 %, tendremos:

de carbonato cálcico del 70 % de riqueza.

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UNIVERSIDAD JOSE FAUSTINO SANCHES CARRION PROBLEMA 6 Despreciando el gas carbónico que resulta de la descomposición de los carbonatos de la carga, se puede representar globalmente la reducción de óxido férrico en el alto horno mediante la ecuación:

Sabiendo que la relación de los volúmenes de gas carbónico y del óxido de carbono es igual a ½ se pide:

1. El valor de x en la ecuación anterior 2. El peso de coque (de 90% de carbono) necesario para reducir una tonelada de oxido férrico. 3. El volumen de aire inyectado (0 °C , 1atm) correspondiente. Solución:

1.

Quedando la ecuación de la siguiente manera:

2.

ING: METALURGICA

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UNIVERSIDAD JOSE FAUSTINO SANCHES CARRION

Las cantidades de coque y de mineral que se necesita son usualmente mayores que las calculadas, una primera razón es que ni el coque es puro carbón, ni el mineral es puro oxido férrico III, por lo que la cantidad de coque a utilizar es más de 225000 gr. Para garantizar las cantidades de de C necesarios para reducir 1tonelada de nos preguntaremos lo siguiente: Sabemos que el coque tiene 90% de pureza, esto es de cada 100gr de coque solo 90gr son de carbono entonces para garantizar los 225 000gr de C se requiere de:

Necesitaremos 250kg de coque para reducir una tonelada de óxido férrico 3. primeramente calculamos los moles de aire seco inyectado se realiza por un balance de nitrógeno a) entrada del carbón

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UNIVERSIDAD JOSE FAUSTINO SANCHES CARRION Salida al gas de alto horno seco: 12.4208mol - kg.

b) del aire (por diferencia) 12.4208 – 0.0455 = 12.3753mol - kg

El aire seco hasta humedad baja antes de ser admitido a los precalentadores que proporcionan el aire al alto horno. El contenido de humedad de aire por tanto es despreciable.

Utilizando la siguiente formula calcularemos el volumen de aire inyectado:

PROBLEMA 7 Las siguientes composiciones centesimales son las pertenecientes a las cargas de cierto alto horno, el arrabio producido y a los gases recogidos:

Para cada tonelada de arrabio, se introducen en el alto horno 1.6 toneladas de mineral y 1 tonelada de coque.

Mineral %

Coque %

Fundente

Arrabio %

Gases %

% Fe2O3

C 87=870 Kg

CaO 52.5

Fe 94.8

CO 28.41

SiO2 6=60 Kg

SiO2 6.25

Si 1.4

CO2 10.85

Al2O3 1=44.8

Al2O3 5=50

CO2 41.25

C 3.8

N2 60.78

Kg

kg

CaO 2.8=35.2

H2O 2=20 kg

85=1360 Kg SiO2 9=144 Kg

Kg ING: METALURGICA

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UNIVERSIDAD JOSE FAUSTINO SANCHES CARRION H2O 2.2=35.2 Kg

a. Hallar la masa del fundente utilizado si se sabe que la escoria:

Al2O3 = 66 Kg;

CaO = 44.8 + 0.525X

b. El volumen de gases supuestamente secos. Como se tienes: CO2 = 28.4 1% y CO2 10.85 % Establecemos la siguiente relación: Carbón empleado en los gases: 870 – 38(carbón en el arrabio) = 832 Kg Volumen de CO: (

)

Para el volumen de los gases será: si 1124 X

28.41 % 100 %

X = 3956.35 c. Proporción de hierro que pasa al arrabio. Fe total en el mineral: ING: METALURGICA

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UNIVERSIDAD JOSE FAUSTINO SANCHES CARRION Fe en el arrabio: 0.948 x 1000 = 948 Calculamos el % de Fe: 1. Para fabricar una tonelada de arrabio (94% de hierro, 4% de carbono, 2% de silicio); se emplea:

960 Kg de coque (88% de carbón, 10% de sílice, 2 de cal) X Kg de mineral (80.1% de oxido magnético, 12,9% de sílice, 7% de cal) Y Kg de fundente (92% de carbonato de calcio, 8% de sílice)

Determinar X e Y sabiendo que el cociente de SiO2/CaO de las escorias es de 0.8 Tenemos: %

Fe3O4

SiO2

CaO

Mineral

80.1

12.9

7

Coque

10

2

Fundente

8

C

CaCO3

88 92

Solución:

Balance de hierro: Hierro del mineral + hierro en el coque + hierro en el fundente = hierro en el arrabio

Balance de sílice:

ING: METALURGICA

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UNIVERSIDAD JOSE FAUSTINO SANCHES CARRION Sílice del mineral + sílice del fundente + silice del coque = sílice en la escoria + sílice reducida (SiO2/Si)

0.129 x1621 + 0.08Y + 0.1 x 960 = sílice en la escoria + 60/28 x20

262.25 + 0.08Y = sílice en la escoria

Balance de oxidos básicos:

Total de óxidos = 0.02 x960 +0.07x1621 + 0.515Y 132.67 + 0.515Y

0.8 (132.67 + 0.515Y)=262.25 + 0.08Y Y=469 Kg

PROBLEMA 8

El gas producido en un alto horno ascenderá a 4200 m3 por cada 1000 Kg de arrabio, cuyo análisis es: Por ciento CO

28.7

CO2

10.3

H2

0.5

N2

59.0

H2O

1.5

El horno produce 528 tons de arrabio que contiene 4% de C al día, utilizando 70 tns de caliza (CaCO3). El coque usado tiene 85% de C. El aire insuflado se precalentó a una temperatura de 700 C° en estufas que tienen una eficiencia térmica del 65%. ING: METALURGICA

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UNIVERSIDAD JOSE FAUSTINO SANCHES CARRION El gas no empleado en las estufas se uso en motores a gas que operan a una eficiencia neta del 22%.

Calcular:

a) Los metros cúbicos de aire inyectado, por ton de arrabio. b) Los kilogramos de coque usado, por ton de arrabio. c) El porcentaje del carbono del coque que es quemado en las toberas. d) El poder calorífico del gas, por metro cubico. e) El porcentaje del gas total usado en las toberas. f) La potencia generada por los motores a gas.

SOLUCIÓN: H2 contiene en el aire = 0.59 x 4200 = 2478 m3 Volumen de aire = C del coque = 12/22.4(0.287 + 0.103)4200 -

x 1000 + 40 = 902

Kg

Peso de O en el aire = 32/22.4 x 0.21 x 3.137 = 941 Kg C quemado en las toberas = 12/16 x 914 = 706 Kg en porcentaje es:

Poder calorífico de 1 m3 de gas; datos tomados de tabla CO = 0.287 x 3.304 = 871 H2 = 0.005 x 2.582 = 13 total = 884 Kcal …. (4) A 700°C el aire contiene 3137(0.302 + 0.000022 x 700)700 = 696979 Kcal Poder calorífico del combustible suministrado a las estufas : ING: METALURGICA

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Volumen de gas empleado por las estufas =

,

porcentaje es:

El volumen del gas sobrantes es de 4200 – 1213 = 2987 m3. Su valor calorífico es de 884 x 2987 = 2640508 Kcal por dia, 6 de

Potencia generada = 0.22 x

28.2 Kw por ton, y de acuerdo a la

producción diaria es de 28.2 x 258 = 14900 Kw

(6)

PROBLEMA 9 El mineral usado en alto horno tuvo la siguiente composición: Por ciento Fe2O3

82

SiO2

14

Al2O3

2

H2O

2

Por cada libra de mineral se cargo 0.22 lb de CaCO3. La cantidad de coque fue de 1 lb 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 CO2 fue de 3:2. Asuma que se emplea aire seco. Calcular:

a) El peso de mineral cargado por día b) El volumen de gas producido por ton de arrabio c) El volumen y el peso del aire por ton de arrabio d) El peso del carbono quemado en las toberas por ton de arrabio ING: METALURGICA

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SOLUCIÓN: Peso de mineral por ton larga de arrabio

0.94 x 2240 + 0.82 x

= 3668 lb de mineral

Mineral cargado por día =

(1) x 0.22 x 3668 – (0.04 x 2240) =

C total en los gases = (0.90 x 2240) + 2023 lb. O2 utilizado por este C total: O requerido para el CO = x 2023 x

= 1618 lb

O requerido para el CO = x 2023 x

= 2158 lb Total = 3776

O en el CaCO3 =

x 96.8

O en el Fe2O3 =

x 0.82 x 3668

O en la reducción del Si =

= 258 lb = 902 lb

x 0.02 x 2240 = 51 lb

O2 total suministrado por la carga = 1211 lb Volumen del gas de alto horno: N2 = (3776 – 1211) CO =

= 108867 pies3

X

x 1618 x

CO2 =

x 2158 x

H2O = 0.02 x 3669 x Volumen de aire =

= 36304 = 24210 =

= 137806 pies3

(2) (3)

Peso del aire = 137086 x 0.0807 lb/pie3 = 11121 lb (3) Al aire contiene 0.21 x 137806 = 28939 pies3 de O2 C que consume el oxígeno del aire = 28939 x

ING: METALURGICA

= 1935 lb

(4)

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PROBLEMA 10 Se desea analizar una caliza; se pesan 3 gramos 8 ácido clorhídrico) obteniéndose 0.5 litros de

y se atacan con clacular la riqueza de la

caliza. Solución La reacción que tiene lugar es ⁄

(

)

Pero realmente se ha obtenido 0,5 litros de

entonces:

Rendimiento de la operación será = (

)

ING: METALURGICA

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