Problema: Balance de Materiales Alto Horno Enunciado: Se carga

72.02 INDUSTRIAS I
Metodología problemas: AH – LD - HE
Fecha: 2/2010
Problema: Balance de Materiales Alto Horno
Enunciado:
Se carga un alto horno con mineral de hierro, caliza y coque con los siguientes
análisis:
Material
Mineral hierro
Caliza
Coque
Fe2O3
80
SiO2
12
4
10
Análisis en % (Peso)
MnO
Al2O3
1
3
H2O
4
1
C
CaCO3
95
90
El análisis 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 los gases de salida por tonelada de arrabio es 4200 m³. Su
composición es:
Gases de salida:
CO: 26%
CO2: 12%
H2O: 4%
N2: 58%
Calcular:
A) La cantidad de coque utilizado por tonelada de arrabio
B) Composición de la escoria suponiendo que el hierro entra en la arrabio
como Fe2O3
C) Consumo de aire (m³) por tonelada de arrabio
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Fecha: 2/2010
Metodología problemas: AH – LD - HE
Resolución:
A) Se toma como base una tonelada de arrabio
Mineral hierro, 1750 Kg
(80% Fe2O3; 12% SiO2;
1% MnO; 3% Al2O3; 4% H2O )
Gas salida, 4200 m³
(26% CO; 12% CO2;
4% H2O; 58% N2)
Piedra Caliza, 500 Kg
(95% CaCO3; 1% H2O;
4% SiO2)
Alto
Horno
Coque
(10% SiO2; 90% C)
Aire
(79% N2)
(Fe2O3, SiO2, MnO,
Escoria Al2O3, CaO)
Arrabio, 1000 kg (4% C; 1,2% Si;
1% Mn; 93,8% Fe)
A) Balance carbón
C (en coque) + C (p. Caliza) = C (arrabio) + C (como CO2 + CO en gases de salida)
Como C + ½ O2
C + O2
CO
CO2
Coque
P. caliza
0,9. X
12
0,95 . 500 . 12
100
12
+
nC = nCO + nCO2 = 48,75 + 22,5
= 71,25 Kg C
Arrabio
=
Gases salida
0,04 . 1000
12
(Peso atómico C=12) (Peso molecular CaCO3 = 100)
+
71,25
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Fecha: 2/2010
0,075 . X + 4,75 = 3,333 + 71,25
X = 69,833 / 0,075 ⇒
X = 931 Kg coque / tonelada arrabio
B) Composición escoria
Componentes escoria: Fe2O3; SiO2; MnO; Al2O3; CaO
Balance Fe2O3
Fe2O3 (en mineral hierro) = Fe2O3 (en escoria) + Fe2O3 (hierro en arrabio
calculado como Fe2O3)
Fe2O3 (en escoria) = 1400 – 1340 = 60 kg
Ídem con los demás componentes.
C) Consumo aire (m³ / tonelada de arrabio)
N2 (aire) = N2 (gases salida)
Consumo de aire = 2436 . (100 / 79) = 3038,5 m³ / ton. de arrabio
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Fecha: 2/2010
Metodología problemas: AH – LD - HE
Problema: Determinación de Oxígeno necesario en Convertidor LD
Enunciado:
Convertidor: Capacidad 180 tons. Carga metálica.
70 % Arrabio
30% Chatarra
Características Arrabio – Acero
Arrabio
Acero
C (%) Si (%) Mn (%) P (%) S (%) T (ºC)
4,30
1,20
1,00
0,10 0,03 1370
0,06
0,00
0,20
0,015 0,015 1620
Características Proceso
•
•
•
Humos: 90% CO y 10% CO2
8 Kgs. de O2/ton arrabio se consumen en la formación de óxidos de
hierro.
Pureza O2: 99.5%
Otros datos: Pesos Atómicos
C
12
O
16
Si
28
Mn
55
P
31
Fe
56
Determinar: Necesidades de O2 para obtener el acero
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Fecha: 2/2010
Resolución:
1) Eliminación del Carbono:
C arrabio – C acero = 4,3% – 0,06 %= 4,24 %
4,24 % x (1000 kg/100) = 42,4 kg. C / ton. arrabio
42,4 kg.: 38,16
kg. Se eliminan con el CO (90 %)
4,24 kg. Se eliminan con el CO2 (10%)
1.a) Como monóxido de carbono:
2 C + O2 (g) → 2 CO (g)
2 x 12 + 16 x 2 → 56
→ 32 kg O2
24 kg de C
38,16 kg de C → X = 50,9 kg O2 / ton. arrabio
1.b) Como anhídrido carbónico:
Se determina como 1.a
El total de oxigeno es: suma de 1.a y 1.b
2) Eliminación del Silicio:
Si arrabio – Si acero = 1,2% – 0,00 %= 1,2 %
1,2 % x (1000 kg/100) = 12 kg. de Si/ ton. de arrabio
Si + O2 (g) → SiO2 (g)
28 + 16 x 2 → 60
Se determina la cantidad de oxígeno necesario
3) Eliminación del Manganeso:
Proceso similar a punto 2.
4) Eliminación del Fósforo:
Proceso similar a punto 3.
NECESIDADES TOTALES DE OXIGENO ( kg. O2 / ton. arrabio)
Suma de necesidades parciales
1 molécula – gramo (mol) de O2 = 2 x 16 g = 32 g
Un mol de cualquier gas en condiciones normales de presión y temperatura (1
atmósfera y 273 K) ocupa 22,4 litros.
Se determina en metros cúbicos referenciados a la pureza y al arrabio
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Problema Balance Térmico: Horno Eléctrico de Arco
Enunciado:
Problema:
• Determinación de las energías teóricas de oxidación
• Determinación del oxígeno necesario para las reacciones de oxidación
Datos:
Carga promedio del horno
Componente
Hierro esponja
Chatarra
Cal mezcla
Carbón insuflado
Carbón por cinta
Finos
Acero
Escoria
cantidad/colada
52,3 t
34,9 t
3,6 t
0,35 t
0,35 t
1t
77 t
9,9 t
cantidad/tal
679 kg/tal
453 kg/tal
47 kg/tal
4,5 kg/tal
4,5 kg/tal
13 kg/tal
1000 kg/tal
129 kg/tal
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Componentes
FeT
Femetálico
FeO
C
SiO2
Chatarra
Hierro esponja Acero líquido
Escoria
Finos
92,4
29,16
61,9
90
87,8
3,19
4,6
0,2
5,7
2,3
1,55
25,97
11,81
13,2
1,56
4,15
0,76
4,63
0,8
0,47
0,2
0,1
26,94
10,57
2,75
12,5
5,9
2,55
Si
Al2O3
0,2
Al
CaO
MgO
MnO
Mn
P
P2O5
0,02
S
Fecha: 2/2010
0,6
0,023
0,07
0,04
0,007
0,048
0,003
0,63
-
0,32
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Fecha: 2/2010
Resolución:
1. Energía teórica de las reacciones de oxidación
1.1. Oxidación del Silicio.
Si + O2 ⇒ SiO2
ΔH = -9 Kw h .
kg Si
Cantidad de Si chatarra = 453 kg ch . 0,20 kg Si = 0,906 kg Si .
tal
100 kg ch
tal
ESi = Energía de oxidación del Silicio = 9 Kw h . 0,906 kg Si =
kg Si
tal
ESi = 8,15 Kw h .
tal
1.2 Oxidación del Manganeso.
Mn + 1 O2 ⇒ MnO.
2
ΔH = -2,04 Kw h .
kg Mn
Cantidad de Mn en la chatarra = 453 kg ch . 0,60 kg Mn = 2,718 kg Mn .
tal
100 kg ch
tal
Cantidad de Mn en acero = 0,04 kg Mn . 1000 kg acero líq.
100 kg acero líq.
Cantidad de Mn en acero = 0,4 kg Mn .
tal
EMn = Energía de oxidación del Mn = 2,04 Kw h . (2,718 - 0,4) kg Mn .
kg Mn
tal
EMn = 4,73 Kw h.
tal
1.3. Oxidación del Aluminio.
Similar a los anteriores
1.4. Oxidación del Fósforo.
Similar a los anteriores
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Fecha: 2/2010
1.5. Oxidación del Hierro.
Fe + 1 O2 ⇒ FeO.
2
56
16
72
ΔH = - 1,2 Kw h .
kg Fe
La cantidad de FeO formado presente en la escoria es:
= 25,97 kg FeO . 129 kg esc = 33,47 kg FeO .
100 kg esc.
tal
tal
Cantidad de Fe que reacciona = 33,47 kg FeO . 56 kg FeO = 26,03 kg Fe .
tal
72 kg FeO
tal
EFe = Energía de oxidación del Fe = 26,03 kg Fe . 1,2 Kw h =
tal
kg Fe
EFe = 31,24 Kw h .
tal
1.6. Energía de las reacciones de oxidación.
Suma de las calculadas
2. Determinación del oxígeno necesario para las reacciones de
oxidación.
Datos: Pesos Atómicos
Σ O2 = O2 Silicio + O2 Manganeso + O2 Aluminio + O2 Fósforo + O2 Hierro
Se determina en metros cúbicos por tonelada de acero líquido.