Siderurgia ejercicios

SIDERURGIA II Nombre: solorzano sanchez Ejercicios resueltos de conversión de arrabio, procesos de refinación , fundamentos teóricos de afinos de acero, rusmer Rafael desgasificación del baño Ciclo: IX EAP: ing metalúrgica

Ejercicios resueltos de siderurgia II

CONVERSIÓN DE ARRABIO EJERCICIO N° 1 Un convertidor Bessemer-ácido trata 20 toneladas de arrabio en 12 minutos. Se oxidan las siguientes impurezas. C

4,0%

SI

1,8%

Mn

0,8%

También se oxida el 3% del hierro. Asumir que el hierro es oxidado a una rata uniforme y que tres cuartos del C pasan al CO y un cuarto a CO2. PREGUNTAS 1. El volumen de aire requerido 2. La duración de cada uno de los periodos del soplado. 3. El peso de la escoria producida. SOLUCION 1. En este proceso, el arrabio se carga al convertidor en estado líquido, y se introduce un soplo de aire frío con el fin de oxidar todas las impurezas. A pesar que no se carga ningún combustible, la carga y los productos se mantienen líquidos debido al calor generado por la oxidación de las impurezas. Se tratan en este tipo de convertidores, arrabios con muy poco o ningún P, pero altos en Si. El proceso Bessemer-ácido se considera dividido en 2 períodos, el primero incluye la oxidación de todo el Si y el Mn, que por tener relativamente mayor afinidad por el oxígeno que el C, se oxidan primero. Durante el segundo período se oxida el C. Ocurre alguna oxidación del Fe en virtud de la gran cantidad que hay de este elemento en el arrabio y para efectos de cálculos, se asume que este se oxida a una rata uniforme durante c/u de los períodos. Con estas aclaraciones, procedamos a realizar los respectivos cálculos: Arrabio = 15000Kg. Si

SiO2 = 20000 x 0,018 = 360 Kg

O de este = 360 x 32/28 = 411.42 Kg

Mn

MnO = 20000 x 0.008 = 160 Kg.

O de este = 160 x 16/55 = 46.54 Kg.


C en arrabio =20000 x 0,04 = 800 Kg C

CO = 800 x ¾ = 600 Kg.

O de este = 600 x 16/12 = 800 Kg. C

CO2 = 800-600 = 200 Kg.

O de este = 200 x 32/12 = 533.33 Kg.

Fe en arrabio = 100 – 4 – 1,8 – 93,4% Fe en arrabio = 20000 x 0,934 = 18680 Kg. Fe

FeO = 18680 x 0,03 = 560.4Kg.

O de este = 560.4 x 16/56 = 160.11 Kg. O total para oxidación = 411.42+46.54+800+533.33+160.11 = 1951.4 Kg. = 1024,8 m3 Aire = 1024,8/0,21 = 4880 m3 Volumen del aire requerido = 4880 m3 2. Para este cálculo, distribuimos el tiempo total del proceso proporcionalmente al oxígeno empleado o consumido en cada período y como el Fe se oxida a rata uniforme durante todo el proceso; a cada período le corresponderá una proporción proporcional de oxidación de este elemento. Primer período = oxidación del Si + Mn + algo de Fe.O del Mn + Si + =309 + 35 = 344 Kg. Tiempo del segundo período sin oxidación de Fe = 12x (344/1464) = 2,82 min. O del CO + CO2 =600 + 400 = 1000 Kg. Tiempo del segundo período sin oxidación del Fe = 12 x (1000/1464) = 8,20 min. Tiempo del 1° + 2° períodos sin oxidación del Fe = 2,82 + 8m20 0 11,02 min. O del Fe = 120 Kg. Tiempo de oxidación del Fe = 12 x (120/1464) =0,98 min. Tiempo del 1° período con oxidación del Fe = 2,82 + 0,98 x (2,82/11,02) = 3,1 min Tiempo total del 1° período = 3,1 min (1-2) Tiempo del 2| período con oxidación del Fe = 8,20 + 0,98 x (8,20/11,02) = 8,9 min. Tiempo total del 2° período = 8,9 min. (1-2) 3. Escoria = SiO2 + MnO + FeO


SiO2 = 270 + 309 =

579, 0 Kg.

MnO = 120 + 35 =

155, 0 Kg.

FeO = 420, 3 + 120 =

540, 3 Kg. 1274, 3 Kg. Peso de la escoria producida = 1274, 3 Kg. (1-3)

EJERCICIO N° 2 Un convertidor Bessemer-ácido sopla 25 métricas de un arrabio que tiene la siguiente composición: C

4,0%

Mn

1,2%

Si

1,4%

Fe

93,4%

Además de las impurezas se oxida hierro equivalente al 2,5% del peso del arrabio, el cual es oxidado a una rata uniforme. Cinco octavos del carbono pasan a CO y tres octavos pasan a CO2. El soplo es suministrado a la rata de 700 metros cúbicos por minuto, medido a condiciones normales. PREGUNTAS 1. El volumen total de aire utilizado. 2. El tiempo de cada uno de los dos períodos. 3. El peso de la escoria. SOLUCION 1. El aire es utilizado solo para oxidar elementos y producir escoria. Arrabio = 25000 Kg. C = 25000 x 0,04 = 1000 Kg. C

CO = 1000 X 5/8 = 62, 5 Kg.

C

CO2 = 1000 X 3/8 = 375 Kg.

Mn = 25000 x 0,012 = 300 Kg. Si = 25000 x 0,014 = 350 Kg. Fe oxidado = 25000 x 0,025 = 625 Kg.


O del CO = 625 x 16/12 = 833,3 Kg. O del CO2 = 375 x 32/12 = 1000 Kg. O para oxidación del Mn = 300 x 16/55 = 87,3 Kg. O para oxidación del Si = 350 x 32/28 = 400 Kg. O para oxidación del Fe = 625 x 16/56 = 178,5 Kg. O total consumido = 833,3 + 1000 + 87,3 + 400 + 178,5 = 2499,1 Kg. = 1749,37 m3 Aire = 1749,37/0,21 = 8330,3 m3 Volumen de aire utilizado 0 8330,3 m3 (2-1) 2. Rata de suministro de oxígeno = 700 x 0,21 = 147 m3/min. Rata de suministro de oxígeno = 147 x 32/22,4 = 210 Kg./min.

Durante el primer período ha oxidación de Si + Mn + algo de Fe. O del 1° período sin oxidación de Fe = 400 + 87,3 = 487,3 Kg.

Durante el 2° período hay oxidación del C ( a CO y CO2) + algo de Fe. O del 2° período sin oxidación del Fe = 1000 + 833,3 = 1833,3 Kg.

O de oxidación del Fe = 178,5 Kg. Tiempo del 1° período sin oxidación del Fe = 487,3/210 = 2,32 min. Tiempo del 2° período sin oxidación del Fe = 1833,3/210 = 8,74 min. Tiempo total son oxidación del Fe = 2,32 + 8,74 = 11,06 min. Tiempo de oxidación del Fe = 178,5/210 = 0,85 min. Tiempo total del 1° período con oxidación del Fe = 2,32 + 0,85 + x 2,32/11,06 = 2,5 min. Tiempo del 1° período = 2,5 min. (2-2) Tiempo total del 2° período con oxidación del Fe = 8,74 + 0,85 x 8,74/11,06 = 9,4 min. Tiempo del 2° período = 9,4 min. (2-2) 3.


Escoria = SiO2 + MnO + FeO MnO =300 + 87, 3 = 387, 3 Kg. SiO2 = 350 + 400 = 750, 0 Kg. FeO = 625 + 178, 5 = 803, 5 Kg 1940, 8 Kg Peso de la escoria = 1940,8 Kg. EJERICIO N° 3 Un convertidor Bessemer es cargado con 18 toneladas métricas de arrabio, del cual son oxidadas las siguientes impurezas: C

4,2%

Si

1,5%

Mn

0,7%

Se oxida también suficiente hierro como para producir una escoria con 24% FeO. Asumir que le hierro se oxida a una rata uniforme. La relación de CO a CO2 en los gases es 3,1. Las máquinas de soplado suministran por 510 metros cúbicos de aire (medidos a condiciones normales), el aire leva 19 mm de vapor de agua. PREGUNTAS 1. El tiempo de cada uno de los períodos del soplo. 2. El peso de la escoria. 3. La composición (%) de los gases en cada período.

SOLUCIÓN 1. Debemos calcular el peso de la escoria, para poder determinar la cantidad de FeO producido. Escoria = MnO + SiO2 + FeO. Si oxidado = 28000 x 0,015 = 270 Kg. O de este = 270 x 32/28 = 309 Kg. SiO2 producido = 270 + 309 = 579 Kg. Mn oxidado = 18000 x 0,007 = 126 Kg. O de este = 126 x 16/55 = 36,6 Kg. MnO producido = 126 + 36,6 = 162,6 Kg.


Escoria sin FeO = 579 + 162,6 = 741,4 Kg. = 76% FeO = 741,6 x 24/76 =234,2 Kg. O de este = 234,2 x 16/72 = 52,04 Kg. C oxidado = 18000 x 0,042 = 756 Kg. C CO = 756 x ¾ = 567 Kg. C CO2 = 756 x ¼ = 189 Kg. O Del CO = 567 x 16/12 = 756 Kg. O Del CO2 = 189 x 32/12 = 504 Kg. % de humedad = 100 x 19/760 = 2, 5 % Aire seco = 510 x 0,975 = 497, 25 m3/min. O del aire = 497,25 x 0,21 = 104,42 m3/min. O del aire = 104,42 x 22,4/32 = 149 Kg. /min. H2O = 510 – 497,25 = 12,75 m3/min. O del H2O = 12,75 x 16/22,4 = 9,11 Kg./min. O total cargada = 149 + 9,11 =158,11 Kg./min. Tiempo del 1° período sin O del FeO = (309 + 36,6) / 158,11 = 2,18 min. Tiempo del 2° período sin O del FeO = (756 + 504) / 158,11 = 7,97 min. 10,15 min. Tiempo para oxidación del Fe = 52,04/158,11 = 0,33 min. Tiempo total del 1° período = 2,18 + 0,33 x (2,18/10,15) = 2,3 min. Tiempo del 1° período = 2,3 min. (3-1). Tiempo total del 2° período = 7,97 + 0,33 x (7,97/10,15) = 8,2 min. Tiempo del 2° período = 8,2 min. 2. FeO = 234,2 Kg = 24% de la escoria :. Escoria = 234,2/0,24 = 976 Kg. Peso de la escoria = 976 Kg. 3. Gases producidos durante el 1° período = N2 + H2


Composición del gas producido durante el 1° período N2 = 497,25 x 0,79 x 2,3 = 903,5 m3 = 96,9% H2 = 12,75 x 2,3 =29,3 m3 = 3,1% 932,8 m3 = 100,0% Gas producido durante el 2° período = N2 + H2 + CO + CO2 Composición del gas producido durante el 2° período N2 = 497, 25 x 0, 79 x 8, 2 = 3221, 1 m3 = 68, 0% H2 = 12, 75 x 8, 2 = 104, 6 m3 = 2, 2% CO = 567 x 22, 4/12 = 1058, 4 m3 = 22, 4% CO2 = 189 x 22, 4/12

= 352, 8 m3 4736, 9 m3

=

7, 4%

= 100, 0%

Nótese que los gases del 2° período, se sigue conservando la relación CO: CO2 = 3: 1.

EJERCICIO N° 4 Un convertidos Bessemer – ácido sopla 20 toneladas cortas de un arrabio que contiene 3.72% C; 2m 18% si; 1,24%Mn. En adición se oxida Fe en una cantidad equivalente al 4,8% del peso del arrabio. Asumir que el Fe es oxidado a una rata uniforme durante el soplado. El aire entra a una presión de 2,5 atmósferas, manómetro, a una temperatura de 45°C y se encuentra un tercio saturado con humedad. Del convertidor no sale oxígeno libre. Dos tercios del carbono pasan a CO y el resto a CO2. El soplado dura 10,5 minutos. PREGUNTAS 1. El peso total de la escoria. 2. El volumen del aire a las condiciones dadas. SOLUCIÓN

1. Escoria = Arrabio=

FeO + SiO2 + MnO 20

+ 2000 = 40000 Libras.

Fe en arrabio = 1000 – 3,72 – 2,18 – 1,24 = 92,86%

C

= 40000 x 0,0372 = 1488


Si

= 40000 x 0,0218 = 872

Mn

=40000 x 0,0124 = 496

Fe

= 40000 x 0, 9286 = 37144

Fe

FeO = 40000 x 0,048 = 1920

FeO = 1920 x 72/56 = 2468,6 SiO2= 872 x 60/28 = 1868,6 MnO= 496 x 71/55 = 640,3 4977,5 Peso total de la escoria = 4977,5 libras Vamos a utiliza la expresión: ft3 de aire

=

O2 total en aire O2

C

CO = 1488 x 2/3 = 992 libras

C

CO2 = 1488 X 1/3 = 496 libras

ft3 de aire

C + ½ O2 = CO: O = 992 x 16/12

= 1322,7 libras; O2 = 14838,7 ft3

C + O2

= 1322,7 libras; O2 = 14838,7 ft3

= CO2: O = 496 x 32/12

O del Fe = 2468,6 – 1920

=584,6 libras; O2

O del Si = 1868,6 – 872

= 996,6 libras; O2 = 11180,6 ft3

A del Mn = 640,3 – 496

= 144,3 libras; O2 = 1618,9 ft3

Total O del aire

= 4334,9 libras; O2 = 48631,5 ft3

Condiciones del aire: T = 45°C P barométrica = 2,5 x 760 0 1900 mm. Saturación del aire = 1/3 con vapor de agua. Presión de saturacióm a 45°C = 71,9 mm. Presión real de H2O = 71,9 X 1/3 = 23,97 mm.

= 6154,6 ft3


Presión de aire seco = 1900 – 23,97 – 2876,03 mm. Supongamos 1

ft3

de aire seco:

Volumen de H2O por ft3 de aire seco = 1 x 23,97/1876,03 = 0,0128 ft3 Aire húmedo = 1 + 0,0128 ft3 Composicion del aire húmedo: Aire seco

=1,0000 ft3

= 98,74%

Humedad

=0,0128 ft3

= 1,26%

1, 0128 ft3

=100,00%

Con esta composición, si introducimos al convertidor 1 ft3 de aire húmedo, el H2O se descompone en ½ O2 + H2 y el O2 reacciona con las impurezas del arrabio para que no salga libre en los gases del convertidor, por tanto, O2 / ft3 de aire húmedo = 0,9874 x 0,21 + 0,0126/2 = 0,214 Volumen de aire húmedo a C.N = 48631,5 / 0,214 ft3 Cambio de condiciones: V1 = 2272,50 ft3

V2 =?

P1 = 760 mm.

P2 = 1900 mm.

T1 = 273 K

T2 = 45 + 273 = 318 K P1 T ∗ 2 =105884 f t 3 volumen del aire humedo a condiciones norma les T1 P1

( )( )

V 2=V 1∗

EJERCICIO N° 5 Un convertidor Bessemer-acido sopla una carga de 20 toneladas métricas de un arrabio que contiene: C

3.6%

Mn 0.7 Si

1.2


Se oxida hierro en una cantidad equivalente al 2,8 % del arrabio. Dos tercios del C pasan a CO y un tercio a CO2, asumir que el hierro se oxida a una rata uniforme atravesó del soplado. El soplado tarda 13 minutos. Los gases salen del convertidor a 1500 C°. El calor de formación de la escoria es de 150 kilocalorías por kilogramo de SiO2. a) Calcular el volumen total de aire necesario para el soplado. b) El tiempo de duración de cada uno de los periodos. c) El peso de la escoria y los volúmenes producidos. Solución: Para: A Arrabio = 20000kg C = 20000kg *0.036 = 720 Mn = 20000kg * 0.007 = 140 Si =20000 kg * 0.012 = 240 Fe = 20000 kg *0.945 = 18900 Calculando el C 720∗2 C → CO= =480 3 C → C O2=720−480=560 Calculando el Fe Fe → FeO=20000∗0.028=560 Calculando el total de O. 480∗16 O delCO= =460 kg 12 O delC O2 = O del Mn= O del Si=

240∗32 =640 Kg 12

140∗16 =40.7 kg 55

240∗32 =275 kg 28

O del Fe=

560∗16 =160 kg 56

Ototal del aire=1755.7 kg=1229 m3 3 3 Aire =1229/0.21 =5852 m entonces el aire necesario es 5852 m


Para: B O del primer periodo sin O del FeO = 40.7 + 275 =315.7 Kg O del segundo periodo sin el O del FeO = 640 *2 = 1280 kg Calculando los tiempos para cada proceso. t 1 sin FeO=

t 2 sin FeO= t FeO =

13∗315.7 =2.33 min 1755.7

13∗1280 =9.48 min 1755.7

13∗160 =1.19 min 1755.7

t 1 con FeO=2.33+

1.19∗2.33 =2.6 min 1.81

tiempo de soploado del primer periodo=2.6 min

t 2 con FeO=9.48+

1.19∗9.48 =10.4 min 11.81

tiempo de soplado del segundo periodo=10.4 min Para C: Escoria = MnO + SiO2 + FeO MnO=140+ 40.7=180.7 Kg Si O2=240+275=515.0 kg FeO=560+160=720.0 kg escoria=1415.7 kg → es el peso de la escoria

Para los gases: Gas= CO + CO2 + N2 CO=480+640=1120 kg=896 m3


C O2=240+640=880 kg=448 m3 N 2=5852∗0.79=4623 m3 gas=5967 m3 → es el volumen de los gases EJERCICIO N° 6 Un convertidor Bessemer trata 30 toneladas de arrabio, recibiendo 680 metros cúbicos de aire por minuto. Las impurezas removidas del arrabio son : 4%C, 1.8%Si, 1.6%Mn. Tres cuartos del carbono pasan a CO y el resto a CO2. Hacia el final del soplo se han oxidado 900 kg de hierro. Calcular el tiempo total de soplado. Solución: Arrabio = 30000kg C = 30000*0.04 = 1200 Kg Mn =30000*0.016 = 480 kg Si = 30000*0.018 =540 Kg Calculo del carbono:

C → CO=

1200∗3 =900 kg 4

C → C O 2=

1200∗1 =300 kg 4

Calculando el total de O. 900∗16 O delCO= =1200.00 kg 12 O delC O2 = O del Mn= O del Si=

300∗32 =800.00 Kg 12

480∗16 =139.60 kg 55

5400∗32 =617.14 kg 28

O del Fe=

900∗16 =257.14 kg 56 3

Ototal de oxidacion=3013.88 kg :O2=2110 m


AIRE = 2110/ 0.21 = 10047.6 m

3

: por lo tanto el tiempo de soplo será:

10047.6/680 = 14.8 min

EJERCICIO N° 7 Una carga de 10000 kg de arrabio es tratado en un convertidor Bessemer, produciendo 527 kilogramos de escoria de la siguiente composición: 65.5%SiO2; 13.5% MnO y 21.0%FeO. Los gases del convertidor totalizan 2760 metros cúbicos y contienen 6.0%CO2; 18.1%CO Y 75.9% N2. Calcular. a) La composición del arrabio utilizado. b) El hierro puro producido después del soplado. c) Los metros cúbicos de aire utilizado para el soplado completo. Solución: Para A: Arrabio utilizado: Fe + Si + Mn + C Si O2 en escoria=527∗0.655=345.185 kg Si oxidado=

345.185∗28 =161.1kg 60

MnO en escoria=527∗0.135=71.145 kg Mn oxidado=71.145∗55/71=55.11 kg

Calculando el C total oxidado: C O2 en gas=22760∗0.06=165.60 m3 C en este=

165.6∗12 =88.7 kg 22.4

CO en este=2760∗0.06=499.56 m3 C en este=

499.56∗12 =267.6 kg 22.4


C total oxidado=88.7+276.6=356.3 kg

Calculando la composición del oxígeno. 161.1 ( 10000 )=1.61

Si=100∗

55.11 ( 10000 )=0.55

Mn=100∗

356.3 ( 10000 )=3.56

C=100∗

Fe=100−1.61−0.55−3.55=94.28

Para B: FeO en escoria = 527*0.21 =110.67 kg Fe oxidado =110.67*56/72 = 86.1 kg Fe puro producido = 9428 – 86 = 9342kg: el fe puro producido es 9342 kg Para C: N2 en gas = N2 del aire. N 2 en gas=2760∗0.759=2094.84 m Aire=

3

2094.84 3 =2651.7 m es el aire requerido 0.79

EJERCICIO N° 8 tomando los datos del ejerció anterior calcular el tiempo relativo ocupado para cada uno de los periodos. Solución: Calculamos los elementos oxidados durante el 1° periodo = Si + Mn + algo de Fe O del SiO2=345.2−161.1=184.1 kg O del MnO=71.15−55.1=16.04 kg


O del1 ° periodo sin Odel FeO=184.1+ 16.04=200.14 kg

Elementos oxidados durante el 2° periodo=C ( aCO ) +C ( aC O2) + algode Fe O delCO=

500∗1 =250 m3=357 kg 2

O delC O2 =

165.6∗32 =236.6 Kg 22.4

O del2 ° periodo sin O del FeO=357+ 236.6=593.6 Kg t 200.14 0.337 Relacionde tiempos= 1 = = ; la relacionde tiemposes t 1 :t 2 =0.337 :1 t 2 593.6 1

EJERCICIO N° 9 Un convertidor Bessemer sopla una carga de arrabio a acero m 11 minutos. 1% del hierro en el arrabio es oxidado y escorificado. El peso de la escoria producida fue de 4200 libras consistiendo de 70%SiO2; 20%MnO y 10%FeO. Además del Sí y el Mn, el arrabio contiene 4.2%C. tres cuartos del carbono se oxidan a CO y el resto a CO2. Asumir que el Fe se oxida a una rata uniforme. Calcular: a) El peso del arrabio cargado b) El volumen de aire suministrado por minuto, en pies cúbicos. Solución: Para A: Arrabio = Fe + Si + Mn + C. SiO 2 en escoria=4200∗0.7=2940 libras Si del arrabio=

2940∗28 =1372 60

MnO en escoria=4200∗0.2=840 libras


Mn del arrabio=

840∗55 =651 71

FeO en escoria=4200∗0.1=420 libras

Fe de este=

420∗56 =327 72

Fe del arrabio=

327 =32700 0.01

95.8 del arrabio=32700+651+1372=3472 libras

arrabio=

34723 =36245 libras :es el peso del arrabio cargado. 0.958

Para B: C del arrabio=36245∗0.042=1522.29libras

C → CO=

1522.29∗3 =1141.72 4

C → CO2=1522.29∗−1141.72=380.57 Calculando el O: O delCO=

1141.72∗16 =1522.29libras 12

O delCO 2=

380.57∗32 =1014.85 lbs 12

O del SiO2=2940−1372=1568 lbs O del MnO=840−651=189 lbs O del FeO=420−327=93 lbs

Ototal =1522+1015+1568+ 189+ 93=4387 lbs=49217 f t 3


aire total=

49217 =234367 f t 3 0.21 3

aire=

234367 ft =213.6 totalde aire suministrado 11 min

EJERCICIO N° 10 Tomando como referencia el enunciado del problema 9 y con los mismos datos calcular el tiempo de duración de cada periodo. Solución: el del FeO =¿ 1568+ 189=1757 lbs O del primer periodo ,sin ¿ t 1 sin Fe O=

11∗1757 =4.4 min 4387

O del segundo periodosin eldel FeO=1522+1015=2537 lbs t 2 sin Fe O=

11∗2537 =6.36 min 4387

t 1 +t 2 sin FeO=4.4+6.36=10.76 min t FeO =

11∗93 =0.23 min 4387

t 1 total=4.4+

0.23∗4.4 =4.5 min , es para el primer periodo 10.76

t 2 t otal=6.36+

0.23∗6.36 =6.5 min :es laduracion del segundo periodo 10.76

Siderurgia ejercicios

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