siderurgia 4º . junio-2002

SIDERURGIA 5º AÑO-PLAN ANTIGUO. JUNIO 2002.
Primera Parte:
Dos calidades de cok presentan las siguientes velocidades de gasificación evaluadas en unidades de fracción
dX
de carbón gasificado por minuto,
, a 850 ºC para el sistema C - O a la presión total de 1,00 atmósfera y
dt
cuando las presiones parciales de los gases reaccionantes se expresan en atmósferas:
0,85 PCO2
dX
Calidad A:

dt
1  7500  1300PCO2
Calidad B:
dX
dt

0,90 PCO2
1  5300  1700PCO2
Calcular:
1.- Las constantes cinéticas del proceso de gasificación del cok para cada una de las calidades indicadas
suponiendo que la constante de velocidad de la etapa específica de gasificación de los átomos carbón a 850 ºC
es igual a 1,00 10-5 m2. min-1.
 Constante de absorción del CO2 gas sobre el cok.
 Constante de desorción del CO2 gas sobre el cok.
 Concentración total de centros activos por m2 de superficie.
2.- A la temperatura de 850 ºC y cuando la presión total es de 2,0 atmósferas ( Sistema C – O - N) y la presión
parcial de CO2 es de 0,60 atmósferas y la de N2 es de 0,60 atmósferas ¿ cual de las dos calidades se piensa que
será más adecuada para su utilización en el alto horno. Razonar la respuesta.
Calcular, para estas condiciones, cual sería la concentración de centros libres de las moléculas de CO2 sobre
la superficie del cok para ambas calidades.
3.- Calcular el tiempo que tardaría en gasificarse una partícula de cok de 40 mm. de diámetro de las calidades
A y B a 850 ºC bajo las siguientes condiciones ( Sistema C – O – N ): Presión total de 3,0 atmósferas; P(CO)
= 0,40 atmósferas y P(CO2) = 0,80 atmósferas.
A tenor de los resultados, indicar si existe alguna ventaja para los altos hornos el trabajar con presiones altas
de gases en el interior de la cuba.
Segunda Parte:
La distribución de temperaturas en el proceso de soldadura de dos chapas gruesas (figura 2.52) de un acero
perlítico (0,77%C) puede simularse por medio de la segunda Ley de Fourier, en la cual se considera la
restricción que la transmisión de calor tiene lugar en una sola dirección. La solución a la ecuación diferencial
en derivadas parciales para una fuente de calor finita (fundido - soldadura) es igual:
 x2 
B

T ( x, t )  18 
exp  
t
 4at 
donde a es la difusividad térmica y la temperatura de referencia es de 18 ºC . Calcular:
1.- El valor de la constante de integración, B , de la ecuación anterior.
2.- Si el espesor del cordón de soldadura es de 5,0 mm., estimar la temperatura en la intercara acero –
soldadura a 3,0 mm. y a 3,5 mm del centro de la soldadura después un segundo. Suponer que para t = 0, la
temperatura máxima que alcanza el fundido (soldadura) del cordón es de 1750 ºC.
3.- Determinar, después de un segundo y medio, que espesores de la chapa de acero pueden verse afectados
por procesos de temple al ser enfriados de forma violenta con agua.
4.- Consecuencias prácticas que se pueden derivar del análisis - simulación del proceso de soldadura de aceros
perlíticos y que precauciones se deberían de tomar.
Datos:
Calor específico medio del acero entre 18 y 1538 ºC = 38,57 J./átomo-g. K.
Calor de fusión del hierro = 13807 J./átomo-g.
Calor específico medio del acero líquido = 46,02 J./átomo-g. K.
Conductividad térmica del acero = 35 W/m. K.
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Densidad del acero = 7600 kg./m3.
SIDERURGIA 4º . JUNIO-2002
En una primera etapa del proceso de reducción FASTMET, los residuos férricos, tales como son los polvos del horno alto, se
aglomeran con alquitrán y se introducen al Horno Circular Rotativo. En un primer estadio, la carga se calienta y se reduce por medio
de un gas ( gas de horno alto enriquecido con gas de baterías u otro gas de sintético). En una segunda etapa el producto parcialmente
reducido se metaliza a alta temperatura con el carbón que contiene la carga. Determinar durante la primera etapa del proceso, cuyo
balance se adjunta, que cantidad de calor (expresado en Mcal.) se utiliza en reacciones de proceso (reducción, descomposición y
formación de compuestos químicos) y aquella que se destina a calentar corrientes entrantes y salientes del sistema.
Corrientes de Entrada
Polvos de Alto Horno
C
Fe2O3
SiO2
ZnO
Na2O
Temperatura ºC
25
25
25
25
25
Cantidad kg.
30
60
8
1
1
Gas reductor
CO
CO2
H2
N2
Temperatura ºC
800
800
800
800
Cantidad kg.
85
5
10
35
Fundentes
CaCO3
Temperatura ºC
25
Cantidad kg.
26,650
Aire
O2
N2
Temperatura ºC
25
25
Cantidad kg.
35,414
116,576
Corrientes de Salida
Hierro reducido (1ª Fase)
FeO
Fe2O3
2CaO·SiO2
C
ZnO
Na2O
Temperatura ºC
1050
1050
1050
1050
1050
1050
Cantidad kg.
52,189
2,000
22,931
28,000
0,007
0,008
Gas oxidante
CO
CO2
H2
H2O
N2
Zn
Na
Temperatura ºC
1265
1265
1265
1265
1265
1265
1265
Cantidad kg.
70,00
47,615
6,500
31,280
151,576
0,798
0,736
Datos:
Calor asociado a la descomposición del carbonato de cal = 425 cal./g. de CaCO 3.Entalpía asociada a la formación del ZnO a 298 K=
-350619 J./mol ZnO. Calor de sublimación del Zn = 122687 J./átomo-g Zn. Entalpía asociada a la formación del Na2O a 298 K=
- 415052 J./mol Na2O. Calor asociado a la sublimación del Na= 100519 J./átomo-g Na. Entalpía asociada a la formación del
2CaO·SiO2 a 298 K= - 7373 J./mol 2CaO·SiO2 .
 Qué tanto por ciento del calor total disponible para llevar a cabo esta primera etapa de reducción puede ser recuperable.
 El gas oxidante a la salida de esta primera etapa del FASMET es estable o no. Razonar la respuesta.
 Durante la segunda etapa del FASMET, el producto parcialmente reducido de FeO (1050 ºC) se calienta a 1300 ºC y se realiza
la reducción directa con el carbón alcanzándose un grado de metalización del 95% en 13 min.. Calcular el gradiente de
concentración del gas reductor (CO) necesario para llevar a cabo la reducción si la reacción entre al FeO y las partículas
carbonosas puede tratarse con ecuaciones cinéticas semejantes a las que se desarrollan para partículas porosas cuando la
reacción tiene lugar a lo largo de una pequeña porción de sólido. Ea posible medir experimentalmente el gradiente de gas
reductor alrededor de las partículas de wustita.
Datos:
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Densidad real de la wustita = 5000 kg./m3. Tamaño medio de las partículas de FeO = 60 micras. Constante cinética del proceso
químico = 8,73 10-5 cm./s. Coeficiente de difusión del CO = 3,83 cm2/s.
SIDERURGIA- 5º (PLAN ANTIGUO). FEBRERO-2003
Tiempo Total: 2 horas y media
Primera parte
1. La máxima solubilidad del nitrógeno en el hierro líquido a 1600 ºC en equilibrio con una atmósfera en la
cual la presión parcial del gas (N2) es de 0,79 atmósferas es de 400 ppm. Calcular para estas condiciones:
a) La actividad de Henry del nitrógeno.
b) La actividad de Raoult del nitrógeno cuando el estado de referencia del mismo es el estado molecular.
c) La actividad de Raoult del nitrógeno cuando el estado de referencia del mismo es el átomo de nitrógeno.
2. En una escoria de acería LD ( CaO-FeO-SiO2) a 1600 ºC, el fundido se encuentra en equilibrio con dos
fases sólidas: 2CaO·SiO2 y 3CaO·SiO2 . Calcular:
a) La composición de la escoria.
b) La actividad del óxido de silicio en el fundido y su coeficiente de actividad.
Segunda Parte
1. Una escoria de afino de horno eléctrico esta formada por CaO y FeO y su temperatura líquidus es de
1550ºC. Calcular:
a) La composición química de la misma. Determinar la actividad del FeO al suponer comportamiento ideal
del fundido.
Si la carga férrica que alimenta al horno está constituida por chatarra, prerreducidos y arrabio, el fundido
metálico resultante a 1550 ºC tiene una concentración del carbono del 1,00%. Calcular para estas condiciones,
con la escoria de afino anteriormente citada:
a) La actividad de Raoult del carbono en el fundido.
b) La cantidad de FeO en equilibrio compatible con un 1,00% de C y una presión de CO en el gas de 0,40
atmósferas.
c) La constante de velocidad del proceso de decarburación del fundido metálico con la escoria de afino a
1550 ºC, 1,00% C y P(CO) = 0,40 atmósferas.
d) La velocidad de decarburación del proceso de afino en % C por hora.
Datos:
-
La etapa controlante de la decarburación es la difusión del FeO en la escoria. El coeficiente de difusión es:
6,0·10-9 m2·s-1.
La viscosidad de la escoria es de 2,0·10-2 Pa·s.
Densidad de la escoria: 4.000 kg·m-3.
Velocidad de movimiento relativo escoria - metal: 4,0·10-2 m/s.
Altura media de la escoria ( espesor) en el horno eléctrico: 25 cm.
Diámetro del horno eléctrico: 6,0 m.
Relación Area/Volumen de la operación de Afino en el horno eléctrico: 2,0 m-1.
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SIDERURGIA- 4º . FEBRERO-2003
1. Calcular el valor de la actividad de Henry del azufre bajo las siguientes condiciones:
a) Acero con la siguiente composición: %C = 0,40%; %S = 0,040%; %Si = 0,080%; T = 1600 ºC.
b) Arrabio con la siguiente composición: %C = 4,50%; %S = 0,040%; %Si = 0,60%; T = 1450 ºC.
Indicar igualmente, desde el punto de vista termodinámico, cual serían las mejores condiciones para eliminar
el azufre con cal (escoria sintética que incorporara cal, tal y como podría ser las del sistema CaO-F2Ca) el
arrabio o el acero. Razonar la respuesta.
2. Un alto horno cuya temperatura en el crisol y, por lo tanto de operación, es de 1400ºC presenta los
siguientes parámetros de marcha:
- El consumo de coque por tonelada de arrabio es de 570 kg.
- La cantidad de aire soplado por toberas, con el 23,3% en peso de oxígeno, es de 2.168 Nm3 de aire por
tonelada de arrabio.( Nm3: metros cúbicos medidos en condiciones normales).
- El arrabio producido tiene un 1,5% Si , el 94,2% Fe y el 4,3% C.
- La cantidad de escoria producida con el 0,5%S es de 1240 kg. por tonelada de arrabio.
Calcular la recta operativa del horno y compararla con la recta operativa ideal que se pueda obtener
manteniendo el mismo consumo de coque. Representar gráficamente los resultados y comentar el resultado
obtenido. Indicar cualitativamente, que medidas podríamos tomar para mejorar el consumo específico de
coque en el horno que es de 570 kg./tonelada de arrabio. Calcular finalmente la producción diaria de arrabio
si el caudal de soplado es de 150.000 Nm3 aire/hora.
Una de las consecuencias del alto contenido en silicio del arrabio es que el horno trabaja con escorias ácidas
del sistema seudoternario SiO2-Al2O3-CaO. Se pregunta:
-
-
Indicar cualitativamente el tipo de carga férrica que procesa: sinter, pelet, mineral de Fe o mezcla.
Si la temperatura de líquidus de la escoria es de 1300ºC calcular su composición si las primeras fases
sólidas en solidificar - cristalizar conjuntamente del fundido son la tridimita (SiO2) y la seudowollastonita
(CaO·SiO2).
Calcular la temperatura a la cual la escoria es totalmente sólida y, por lo tanto, el horno no podría trabajar
por debajo de la misma.
Calcular la actividad del óxido de calcio y del óxido de silicio en la escoria seudoternaria del horno alto a
la temperatura de 1300ºC.
2. Un planchón de acero ferrito – perlítico ( 200x1200x5000 mm) con el 0,35 % C y el 0,030% Ti, es tratado
térmicamente antes de ser laminado en caliente a 1250 ºC durante 4 horas en un horno de vigas
galopantes. Calcular:
a) Temperatura mínima para la cual se podrá realizar la disolución del TiC en la austenita.
b) Si la cinética de disolución de los precipitados esféricos de carburo de titanio de diámetro 0,10 micras
tiene lugar mediante la siguiente ecuación:
 r2 
B
  A
C (r , t ) 
exp  
t
 4 Dt 
calcular las constantes A y B de la expresión anterior.
c) Estimar la pérdida metalúrgica que se produce en el planchón por oxidación del acero a 1250 ºC.
Datos:
La constante de oxidación del acero a 1250 ºC es de 1,20·10-6 cm2· s-1.
Los coeficiente de difusión del titanio y del carbono en el acero a 1250 ºC son iguales a 6,0·10-6 cm2·s-1.
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SIDERURGIA (5º). PLAN ANTIGUO. FEBRERO-2004
1ª Parte
1. Calcular la variación de energía libre asociada a la disolución a 1900 K de 1 mol de aluminio sólido en
hierro líquido. El coeficiente de actividad de Raoult del aluminio disuelto en hierro líquido a 1900 K es de
0,063. La concentración final de aluminio en el hierro líquido es de 0,024%. Peso atómico del aluminio, 27 y
del hierro, 56. Calcular igualmente, la actividad de Henry del aluminio en el hierro líquido, cuando su
concentración es igual al 0,024%.
2. Calcular las velocidades de transporte diferencial y convectivo del CO en un Horno Alto.
Datos:
P(CO) tragante = 0,25 atmósferas
P(CO) toberas = 1,0 atmósferas
Sección media del horno: 8,5 metros.
Caudal de Soplado: 165.000 Nm3·hora-1.
Coeficiente de difusión del monóxido de carbono: DCO = 0,20 cm2· s-1
Distancia entre el tragante y toberas del horno : 30 metros.
2ª Parte
3. Estudiar la posibilidad termodinámica de disolver N2 a la presión de 0,79 atmósferas en hierro líquido puro
a 1600 ºC, en una cantidad equivalente a 100 ppm.. Calcular el tanto por ciento de nitrógeno máximo que
admite el hierro a 1600 ºC. El coeficiente de actividad de Raoult a dilución infinita de nitrógeno en el hierro
líquido es de 552. Peso atómico del nitrógeno, 14 y del hierro, 56.
4. Calcular la variación de energía libre asociada a la disolución de 1 mol de carbono en el hierro a 1000 ºC
(hierro gamma, austenita), si la concentración final de la solución sólida es del 1% de carbono. Peso atómico
del carbono, 12 y del hierro, 56. Es termodinámicamente posible la disolución de un 1% C en la austenita a
1000 ºC?.
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SIDERURGIA (4º). PLAN NUEVO. FEBRERO-2004
1. Para reducir 40.000 kg·hora-1 de mineral de hierro ( suponer que esta formado por el 100% Fe2O3) con
hidrógeno (97,5% H2; 2,5 % CO2) para obtener un producto (esponja de hierro) formado por (Fe + Fe2O3). El
rendimiento en la reducción del Fe2O3 con H2 es del 95% y el gas producto de la reducción con H2 se recicla:
El gas exento de vapor de agua esta formado exclusivamente por H2 y CO2.
Con el propósito de evitar que la concentración del CO2 en el gas supere el 2,5 %, se tiene que producir una
descarga de gas en el circuito. Si la composición de gas reductor utilizado para la reducción del Fe2O3 es: 99%
H2 ; 1% CO2 , y la relación entre los caudales másicos del gas reciclado a gas reductor es igual a 4, calcular:
a) El grado de metalización alcanzado por la esponja de hierro.
b) La producción anual de la planta: expresada en toneladas de esponja de hierro.
c) Cantidad de agua por hora que es necesario condensar.
d) Cantidad y composición del gas que se tiene que purgar del circuito de la planta.
2. Dos escorias seudoternarias de horno alto de la siguiente composición:
Escoria A: 40% Gelenita; 20% Anortita y 40% Seudowollastonita.
Escoria B: 26% Seudowollastonita; 40% Anortita; 34% Tridimita.
Indicar, utilizando el diagrama ternario CaO – Al2O3 – SiO2 :
a) Composición química elemental de cada escoria.
b) Temperatura de aparición de las primeras fases líquidas para cada una de las escorias.
c) La temperatura líquidus.
d) Primera fase sólida que aparece durante el enfriamiento del fundido.
3. La desulfuración de un hierro líquido al carbono tiene lugar a 1600 ºC en una cuchara de 250 t. de 4,50 m
de altura utilizando una escoria sintética y una inyección de argón, a través de tapón poroso, de 2,0 Nm3· min1
. Si la presión del gas a la entrada del tapón poroso es de 3,5 atmósferas, calcular:
a) La potencia de mezcla, consecuencia de la inyección de argón, en W·t-1.
b) El coeficiente de transporte de materia entre el fundido y la escoria en min-1.
c) El tiempo que tardaría en desulfurar un fundido con el 0,020% de S hasta alcanzar un 0,007 % S, si la
concentración de azufre en el metal para en equilibrio con la escoria se puede asumir que es igual a cero.
4. El sistema Fe-P, además de los datos correspondientes al punto de fusión y transformaciones alotrópicas del
hierro (pág. 66, Vol. II, cuadro 1.24), presenta las siguientes características:
La máxima solubilidad del P en el Fe-, se alcanza a los 1100 ºC para el 2%P (expresado en átomos por
ciento).
A 1048 ºC, presenta un eutéctico: SS del P en el Fe- (5%P) + Fe3P  Líquido (17%P).
La máxima solubilidad del P en el Fe- se alcanza precisamente a los 1048 ºC : 5%P, mientras que a 400 ºC ,
la solubilidad del P en el Fe- es prácticamente nula. Por otra parte, el Fe3P se descompone a 1116 ºC en Fe2P
y en un líquido con el 23 % P. Finalmente, el Fe2P funde a 1370 ºC. Se pide.
a) Dibujar el binario Fe-P cuando el %P ( expresado en átomos por ciento) es igual o inferior al fósforo
existente en el intermetálico Fe2P.
b) Que inconvenientes plantea la laminación en caliente (1100ºC) de aceros con altos contenidos en P.
c) Es el fósforo un elemento gammágeno o alfágeno. Razonar la respuesta.
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SIDERURGIA 4º . Septiembre-2008- ETSIMO
EL PAPEL DEL SILICIO EN LA SIDERURGIA
Uno de los procedimientos habituales para la obtención del silicio es a través de la reducción carbotérmica del óxido de silicio
(cuarzo). Se pide:
1.
Plantear la reacción química correspondiente a la reducción carbotérmica del óxido de silicio.
2.
Dentro del sistema Si-O-C, especificar las variables intensivas que será necesario fijar para tener definido el sistema.
3.
Calcular la energía libre asociada a la reducción carbotérmica del cuarzo, SiO 2, cuando la temperatura es de 1600 ºC y la
presión total es de 2,50 atmósferas.
4.
En siderurgia, se suele utilizar la ferroaleación Fe-Si (75%), como desoxidantes. Calcular la energía libre asociada a la reacción
de disolución del silicio metálico en hierro líquido a la temperatura de 1600 ºC para formar una disolución con el 75% Si:
Suponer comportamiento ideal.
5.
El ferrosilicio Fe-Si (75%), era uno de los productos habituales en los comienzos de la colada continua para calmar el acero.
Señalar la reacción de calmado del acero con el silicio.
6.
Frente a los aceros calmados con ferrosilicio, se han desarrollado con posterioridad los calmados con aluminio. Que ventajas o
inconvenientes en las propiedades mecánicas (carga de rotura y tenacidad) pueden tener los aceros ferrito-perlíticos calmados
con aluminio frente a la utilización del silicio.
7.
Indicar cual serían los dos inconvenientes más importantes para obtener los aceros calmados con un porcentaje en silicio es
inferior al 0,01%.
8.
El comportamiento del acero al carbono a la corrosión acuosa es deficiente. Indicar cual sería la reacción de corrosión anódica.
9.
Una de las maneras de prevenir la corrosión del acero al carbono, sería recubrir el material con una capa de zinc. En este caso,
cual serían las reacciones de corrosión anódica y catódica.
10. Para obtener aceros galvanizados con capas adherentes y brillantes, ¿cual debería ser la concentración del silicio en el acero al
carbono?.
Datos: Para aceros ferrito-perlíticos
Rm ( MPa )  295  28 %Mn  83 %Si  4 % perlita  8 d  0,5
ITT º C    19  11,5 d  0 ,5  44 % Si   700 % N f  2,2 % perlita 
en donde d, es el tamaño de grano en milímetros y % N f es el porcentaje de nitrógeno libre en el acero.
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