ALTO HORNO

Ing. Alberto Landauro

EL ALTO HORNOEl alto horno, es un horno de cuba que trabaja en forma continua y se usa para producir arrabio (Hierro fundido) a partir de mineral de hierro; los minerales de hierro que actualmente más se emplean son la Hematita (Fe2O3) y la magnetita (Fe3O4). Como reductor se usa el coque y como fundente la caliza, para la combustión del coque se inyecta aire precalentado por las toberas, actualmente se usa aire enriquecido con oxígeno, además se inyecta petróleo, gas natural o carbón pulverizado para optimizar el uso del coque.

1.1 REDUCCION DE LOS OXIDOS DE HIERRO

A la temperatura superior a 570 ºC, se cumple que:

Fe2O3 Fe3O4 FeO Fe No es, desde luego, un esquema preciso, ya que en la realidad se forman las soluciones sólidas de Fe3O4 en FeO (Wustita) y Fe2O3 en Fe3O4.

En calidad de reductores de los óxidos de hierro en el alto horno sirven el carbono y el hidrógeno. La reducción por carbono se llama reducción directa y la reducción por gases, reducción indirecta. Sin embargo, la interacción directa del carbono con los óxidos sólidos está limitada por el contacto imperfecto entre los pedazos del material.

La reducción directa: reacción del carbono del coque con los óxidos. 2FeO + C = 2Fe + CO2

El proceso de dos etapas: la reducción indirecta (CO)

y la reducción entre CO2 y el carbono, formando el CO.

MeO + CO = Me + CO2

CO2 + C = 2CO

.

La reducción de los óxidos de hierro por el óxido de carbono transcurre por las reacciones siguientes:

A una temperatura superior a 570 ºC:

1. 3Fe2O3 + CO =2 Fe3O4 + CO2 + 12,835 cal2. Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 - 8.760 cal3. FeO + CO = 3Fe + CO2 + 3,835 cal

A una temperatura inferior a 570º C:

4. 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 + 12,835 cal5. 1/4Fe3O4 + CO = 3/4 Fe + CO2 + 685 cal.

1.2 DISEÑO DEL ALTO HORNO

De acuerdo a los parámetros propuestos por el metalurgista N. Ramn se tiene:

Cálculo de la altura total del alto horno

H = 6. 44 V0.22 (m), V=Produc(Ton)/K(Ton/m3)

Siendo V el volumen útil en m3

La altura útil del horno:

Hu = 0.88 H (m)

Altura del crisol:

hc = 0.115 Hu ( m)

.

Diámetro del crisol:de = 0.32 V0.45 ( m)

Altura del vientre:Hv=0.08 Hu (m)

Diámetro del vientre:D = 0.5 V0.4 m

Altura de la cubah cuba = 0.69 Hu – 3.0 ( m)

Altura del traganteht = 0.115 Hu m

Diámetro del tragantedt = 0.5 V0.36 (m)

Altura del etalaje:he = 3.0 a 3.5 m

El ángulo de la cuba: = 83 - 86ºy el ángulo del etalaje: = 79 a 82º

Temperaturas en Alto horno

• colada

TERMODINÁMICA EN EL ALTO HORNOEcuaciones de Reducción en el Alto Horno:

KCO

CO

pCO

pCO

CO

T

TK

JCOFeOCOO

TR

S

calCOOOFe

k

k

k

%

%

%100%%CO

9,0688

logK

)cal(16060J 3835CO FeCOFeO .3

10,21850

log

)3668(cal 87603Fe 2.

2,51 2810

RT

H- K log

J) 53741(128352FeCO 3 .1

22

2

º3

2

º2

243

º

2982981

24332

Ejemplo: Calcular la cantidad de CO, a 800ºC, en la ecuación nº3:

5,64%

%100%%

55,0%

%

55,0K

0,9 - 273800

688log

CO Fe CO FeO

2

23

3

3

2

CO

COCOCO

COK

K

CO2+C=2CO-39600cal (Boudouard)

• Kp=p2co/pco2, logKp=-8208/T+5,46+logT

• Para T=700ºC=973ºK, logKp=0.01, Kp=1

• %CO+%CO2=100%, pCO+pCO2=1Atm=p

• ,

• , si Kp=1 , p=1 Atm x= %CO, T=700º C

• x=60% ;

px

xKp .

)100(100

2

px

pco .100

1002

px

pco .100

Fig. 1.2 Diagrama de Bounduard - Chaudron

Carburación del hierro y formación del arrabio

El hierro reducido en el alto horno absorbe el carbono y otros elementos formados el arrabio. El proceso de carburación comienza aún en el estado sólido, lo que señala el análisis de muestras tomadas desde la parte central y la superior de la cuba en las cuales se contiene hasta 1,0 a 1,2% de C. En este proceso desempeña gran papel el hierro recién reducido que sirve de catalizador para descomponer el óxido de carbono en carbono y dióxido de carbono según la reacción:

2CO = C + CO2+165 197J (H298=-165 197J ó–39 600 cal)

Esta reacción se desarrolla sobre la superficie del hierro esponjoso, con una actividad química elevada, el carbono del coque, interacciona con los átomos del hierro formando los carburos de hierro. Así, pues, el proceso de carburación del hierro se puede representar por el esquema siguiente:

2CO = CO2 + C + 39,600 cal3Fe + C = Fe3C + 4,400 cal

3Fe + 2C0 = Fe3C +CO2+ 44,000 calH298 = -180,493 J (-44,000 cal)

Por tanto, los elementos con más frecuencia presentes en el alto horno lo podemos clasificar en tres grupos bien definidos:

1. Elementos no reducibles en el alto horno y que, por lo tanto, pasan totalmente a la escoria CaO,Al2O3,MgO.

2.Elementos que parcialmente se reducen en las condiciones presentes en el horno y que, por lo tanto, pasan una parte al arrabio y otra parte a la escoria.Estos son: SiO2, TiO2, MnO, Cr2O3, S

3.Elementos más fácilmente reducibles que el hierro y que pasan en su totalidad al arrabio, excepto alguna pérdida por volatilización que pueda producirse.Estos son: ZnO, PbO, NiO, CoO, Cu2O, P2O5, As2O3, WO2, MoO2.

Veamos en detalle la forma en que se produce la reducción de algunos de los más importantes de estos elementos.

Reducción del Si y Ti:La reducción directa del SiO2, por el C, o por el CO y reducción inmediata del CO2, formado por el C, de forma que finalmente la reacción pueda considerarse como directamente reducir por el C, según:

SiO2 + 2C = Si + 2COTeniendo en cuenta los valores de Cp (capacidad calorífica molar a presión constante) y los valores de H y S a distintas temperaturas, nos encontramos que los valores de la energía libre negativos no se consiguen más que a temperaturas muy elevadas.

Así a 1,743ºK=1, 470ºC, tendremos:G1743º = H1743 +T S1743

G1743º = 153.417-1743*84.62 = +5.934 cal

Por tanto, la reacción no es posible a 1,470ºC

A 1,983ºK = 1710ºC, los valores de G son ya negativos

G1983 = 150.553-1983(83.12) = -14.274 cal

La presencia de hierro en la reducción de la SiO2, como es el caso el alto horno, según la reacción:

SiO2 + 2C + Fe = FeSi + 2CO

Produciendo ferrosilicio que se disuelve en el arrabio, reduce fuertemente la temperatura, a la cual puede verificarse esta reacción, y, por tanto, puede reducirse SiO2, en el alto horno, en proporciones limitadas, ya que el calor de formación del FeSi a 25ºC.Es de H = 29.000 cal y la variación de la energía libre con la temperatura es:

G=-28.500-0.64TAsí la reacción:

TiO2 + 2C = Ti + 2CO, tieneG=164.100-83.3T

No empieza a ser negativa la energía libre más que a partir de 1697ºC temperatura no alcanzable normalmente en el alto horno

En cambio es posible la formación de carburo de titanio, según la reacción.

TiO2 + 3C = TiC + 2CO

G=106.850-80.80T

El cual empieza a tener energía libre negativa a partir de 1.049ºC.

Reducción del Mn:

La reducción de los óxidos de manganeso superiores a óxido manganoso, MnO, es perfectamente factible en las condiciones que se reúnen en el alto horno.

Así, por ejemplo, por simple calentamiento a 527ºC se produce la reacción:

2MnO2 = Mn2O3 + ½ O2

Y a su vez a 900ºC, se produce la reacción:

3MnO3 = 2 Mn3O4 + ½ O2

El Mn3O4, es más estable, pero no obstante a 1.172ºC, se descompone según:

Mn3O4 = 3MnO + ½ O2

El MnO es ya muy estable y sólo parcialmente y a temperaturas elevadas de la zona baja del alto horno o se carbura, según las reacciones.

2MnO + 8/3 C = 2/3Mn3C + COG=121.800-81.42T

Factible a partir de 1.223ºC

Reducción del Zn:Las pequeñas cantidades de zinc que en forma de distintos compuestos pueden acompañar a algunos minerales de hierro, son fácilmente reducidas a zinc metal en las condiciones del alto horno a temperaturas en general inferiores a 1.000ºC, pero como las temperaturas que se alcanzan son superiores a la volatilización del zinc, este se evapora y alcanza las zonas superiores del horno, donde reacciona con el CO y el CO2, produciendo óxido de zinc que se condensa en las zonas relativamente altas del alto horno, reaccionando con el material refractario y produciendo concreciones y pegotes que perjudican la marcha regular del alto horno.Se puede, considerar el zinc en los minerales de hierro como elemento perjudicial para la buena marcha de los altos hornos.

Reducción del P:

El fósforo presenta en la carga del alto horno , salvo pequeñas cantidades siempre acompaña a los minerales de hierro y la cenizas del coque.

La presencia de P en la carga suele ser, bien en forma de fosfuro de hierro o en forma de fosfato de calcio.

El fosfato de hierro en presencia de CO y a temperaturas relativamente elevadas de unos 1.100ºC, reacciona según:

2Fe3(PO4)2 + 16 CO = 3Fe2P + P + 16CO2

Comportamiento de otros componentes

Como ya hemos dicho anteriormente el CaO, MgO, Al2O3 y BaO, son óxidos no reducibles en el alto horno y pasan a la escoria.Comportamiento el azufre en el alto hornoEl azufre es un elemento nocivo que empeora la calidad del metal, comunica al acero la fragilidad en caliente, durante su laminado y disminuye la fluidez de los arrabios para fundición, debido a lo cual las piezas de fundición se obtienen con inclusiones.

Cierta cantidad de azufre, en forma de vapor, pasa a los gases (SO2, H2S y otros). El proceso de volatilización del azufre se intensifica con el aumento de la temperatura.Una parte considerable del azufre queda en la carga en forma de Fe S que se disuelve en el arrabio. Para eliminar el azufre a partir del arrabio hay que transformarlo en compuestos insolubles en este metal, por ejemplo CaS. Por eso en la escoria se necesita una escoria líquida (alta temperatura), y entonces transcurre las reacciones siguientes:

FeS + CaO = CaS + FeOFeO + C = Fe + CO

FeS + CaO = CaS + Fe + CO

El factor de distribución del azufre en la escoria y en el arrabio, o sea, la relación L=(S)/[S] depende de la composición de la escoria y, si la basicidad de esta es suficiente, alcanza un valor considerable (más de 100-150). No obstante, para fines prácticos no tiene interés el índice de equilibrio de distribución del azufre entre la escoria y el arrabio, sino el real. Basándose en investigaciones de laboratorio, para tal índice a la temperatura de 1450ºC hemos la dependencia siguientes:

L = 98x2 – 160x + 72 – [0,6Al2O3-0.012(Al2O3)2-4.032]x4

Donde X es la relación (CaO+MgO+MnO)/SiO2 ,Al2O3 es el contenido de alúmina en la escoria)

Para determinar el índice real de distribución del azufre entre la escoria y el arrabio a cierta temperatura de la escoria, se usa la siguiente formula:

L s,t= (L 1450)

Aquí, es el coeficiente de temperaturas que puede ser determinado por la fórmula:

= 2.7A–0.67 A2- 24.063

Donde A = t/100, en ºC

Suministro de viento y su calentamiento

Para enviar el viento al alto horno y comprimirlo se emplea las máquinas soplantes de diferentes tipos, tienen la más amplia aplicación las máquinas soplantes centrífugas accionadas por turbinas, con el rendimiento de 4000 a 7000 m3/min que crea a la salida una presión de viento igual a 400-500 kPa(4-5 atm).

Fig. Corte del calentador del aire:

1. Cámara de combustión; 2 Espacio situado debajo de la cúpula; 3, enrejado; 4, enrejado inferior; 5 válvula de escape; 6, válvula de suministro de aire frío; 8, válvula de evacuación de viento caliente; 9, escotilla para encender los gases; 10, quemador

El viento enviado por la máquina soplante se calienta hasta 1060-1300ºC, en los calentadores de aire llamados estufas Cowpers en honor del Ingeniero Inglés E. Cowper, quien en 1857 recibió en patente de invención del calentador de aire provisto de un enrejado de ladrillos refractarios.La altura hasta su parte superior de la cúpula llega a los 30 m, la parte superior del enrejado, y la cúpula se hacen de ladrillo hiperaluminoso y la parte inferior de ladrillo se chamota. La superficie de calentamiento esta compuesta por un enrejado con bloques hexaedros de celdas redondas que tienen una superficie de calentamiento de 30 m2 por 1 m3 de volumen de enrejado.

El periodo de paso de gas dura dos veces más que el paso del aire, aproximadamente, por consiguiente, se necesita tres cowpers, por lo menos: dos se calientan simultáneamente con gas y otro caliente el aire.

Para garantizar el calentamiento del viento hasta una alta temperatura (1200ºC y más) es necesario, además de disponer de la superficie requerida de calentamiento, emplear en la parte situada debajo de la cúpula los materiales suficientemente refractarios. En calidad de tales materiales se utiliza el ladrillo hiperaluminoso. Últimamente con el fin de aumentar la superficie de calentamiento de los calentadores de aire, se han comenzado a aplicar las cámaras de combustión salientes. Una de las variantes de tal calentador moderno se muestra en la figura 1.6. En este calentador de aire se calienta hasta los 1500º, empleándose quemadores cerámicos.

Enriquecimiento del viento con oxígeno

Al enriquecer el viento con oxígeno es posible elevar la cantidad total de viento que se suministra al horno por unidad de tiempo y ello significa el aumento de la productividad del horno. Por ello el crecimiento de la concentración del oxígeno en el viento más del 23%...24% al fundir arrabio para fabricación de acero, va acompañado de un retardo de la fusión y el atascamiento de la carga. Para evitar estos fenómenos indeseables y aumentar el rendimiento del horno, es preciso insuflar con el viento aditivos que reduzcan la temperatura en el horno. En este caso es posible obtener un contenido de oxígeno en el viento de hasta 35%, además aditivos como el gas natural. Al elevar el contenido de oxígeno en el viento hasta un 30%, la productividad del horno aumenta en un 10% y el gasto de coque se reduce en un 9%.

Fig 1.5 Sistema de Toberas

Fig. 1.6 Moderno calentador de aire provisto de cámara de combustión saliente: 1, cámara de enrejado; 2, cámara de combustión; 3, reactor de la válvula de viento caliente; 4, reactor de quemador de gas, 5, reactor de la válvula de humo.

Insuflado de gas natural en el horno

El coste de coque alcanza un alto porcentaje del coste de la fundición del arrabio para la fabricación del acero. El sustituto más eficiente del coque es el gas natural. Su insuflado en el crisol a través de las toberas junto con el viento caliente ha contenido la mejor aceptación. El gas natural consta principalmente de metano CH4. Al penetrar en la zona de alta temperatura el metano se descompone por la reacción :

CH4 = C + 2H2

.

El carbono se quema 2C + O2 = 2CO, y la reacción total de combustión del gas natural puede ser expresada por la ecuación 2CH4 + O2 = 2CO + 4 H2.

Como resultado de esta reacción, el gas del crisol, se enriquece con gases de reducción, el insuflado de gas natural brinda la posibilidad de reducir considerablemente el gasto de coque, en un 15% a 20%

.

Elevación de la presión de los gases en el horno

La elevación de la presión de los gases en el horno aumenta notablemente el rendimiento del horno y reduce un tanto el gasto de coque.Para elevar la presión del gas dentro del alto horno, se utiliza un dispositivo especial de estrangulación en el conducto de gas purificado del tragante, ello permite aumentar la cantidad del aire que se suministra al horno.Como se sabe, el aumento del gasto de viento acarrea una marcha más forzada del alto horno, una fusión más rápida de los materiales, el aumento de la productividad del horno por hora o día. El gasto de coque se reduce como consecuencia del mejoramiento del empleo de los gases en el horno. Además de aumentar el rendimiento del horno y reducir el gasto de coque, la elevación de la presión contribuye a disminuir la evacuación de polvo, como resultado de la reducción de la velocidad de los gases en el tragante.

Inyección del carbón pulverizado

La inyección del carbón pulverizado en los altos hornos empezó en el Armco Steelworks en E.U. en los años 60.

La inyección de carbón fue para usar menor cantidad de coque. Con el aumento del precio de los hidrocarburos, estas compañías las cuales tuvieron libre acceso al favorable mercado del carbón en el mercado mundial, inmediatamente decidieron construir plantas de preparación e inyección de carbón.

Fig. 1.7 Sistema de Inyección de Carbón Pulverizado ARMCO

Procesos de combustión del combustible en el crisol del alto horno

A través de las toberas de alto horno se suministra el soplado con aire caliente a la temperatura de 1000....1200ºC. Directamente frente a las toberas ocurre la combustión del coque, se crean las zonas de oxidación. En estas zonas el coque se quema en estado de suspensión. Se provoca la circulación de los trozos de coque. Los trozos de coque se trasladan por lo flujos de aire desde las toberas y su lugar lo ocupan los trozos de coque caldeados hasta 1500ºC, los cuales aquí se queman. Durante la combustión se desarrolla una temperatura de hasta 2000ºC, la profundidad en la zona alcanza 1500 mm. Alrededor de la zona de circulación se dispone la región, cuya fase gaseosa contienen CO2, el espacio delante de las toberas, en el cual tiene lugar la oxidación del carbono del coque con el oxígeno de soplado y se forma CO2, se llama zona de oxidación, cuyo esquema se presenta en la figura .

En núcleo de la zona de oxidación lo compone la zona de oxígeno 1; la circunda la zona carbónica 2.A medida que se aleja de las toberas en las condiciones de alta temperatura y exceso de carbono y se reduce hasta CO

Fig. 1.8 Circulación del coque en las toberas

a) Vertical

b) Plano

Fig 1.9. Zona de oxidación en toberas

1.Oxigeno(O2+CO2)

1) CO

Transporte arrabio

• torpedo

Colada de arrabio al convertidor

• arrabio

Proceso en alto horno

• x

Limpieza del gas del alto horno

Junto con el gas se arrastra del alto horno gran cantidad de polvo cuyo contenido es de 2 a 40 g/m3. El gas ensuciado de polvo no se puede usar como combustible en muchos quemadores y dispositivos modernos, por eso gas se somete a la purificación de modo que la concentración residual del polvo sea de 0,002 a 0,015 gr/m3 al final del proceso de la limpieza. Para transportar el gas y depurarlo junto al alto horno se instala un sistema de gasoductos y dispositivos purificadores por los cuales el gas se somete a tres etapas de depuración: basta, semi-fina y fina.Durante la depuración basta, el polvo se deposita como resultado de aumento del volumen de gas y disminución de su velocidad cuando el gas pasa de un producto de menor sección a un equipo de sección mayor, esto tiene lugar en los recogepolvos con suministro radial del gas.

En estos recoge-polvos se deposita cerca del 80% de todo el polvo y el contenido de polvo en el gas disminuye hasta 1-2g/m3.

La depuración semi-fina del gas se lleva a cabo en los lavadores de gas llamados scrubbers que no son más que una torre cilíndrica de unos 30 m., de alto provisto de regaderas en su parte superior. En el lavador (scrubber) como resultado del aumento de su volumen, la velocidad del gas disminuye bruscamente y, además se le inyecta el agua.

Las partículas mas gruesas se depositan en el agua formando un lodo y el gas con partículas menudas de polvo se elevan hacia arriba. En algunos casos, se coloca en el interior del lavador un enrejado de materiales (empacado) el enrejado divide el flujo de gas en numerosos chorros, creando de este modo una gran superficie de humectación.

El polvo captado se arrastra en los lavadores junto con agua.

El rendimiento de los lavadores de gas es más de 25 mil m3 de gas por hora consumiendo hasta 0.003 m3 de agua por 1 m3 de gas. El grado de depuración del gas pueden llegar entre 0.05 g/m3 a 0.5 g/m3 aproximadamente.

La depuración fina se realizan en precipitadores electrostáticos, llegando el gas a tener 0.015 g/m3 en polvo.

Según normas internacionales, estos electrofiltros usan una diferencia de potencial de 50 a 100 KV y bajo el efecto de fuerzas electrostáticas se atraen a los electrodos las partículas en el polo positivos y el polo negativo se encuentra en un hilo tenso conductor, se crea la descarga por efecto corona ,el gas se ioniza, los iones negativos de los gases se precipitan sobre las partículas de polvo comunicándole la carga negativa.

Fig Proceso de Limpieza del Gas del Alto Horno

Fig 1.12 Saco de Polvo

Fig Ciclón

Fig SCRUBBER (Lavador de Gases)

Fig 1.15 Electrofiltro0,015 g/m3

Fig 1.16 (a) Sistema de Limpieza de Gases en el Electrofiltro

Fig 1.16 (b) Sistema de Limpieza de Gases en el Electrofiltro

Calculo de temperatura en toberas

• Un alto horno usa 3250m3de aire por Ton. de arrabio, él aire se precalienta en una estufa que tiene una eficiencia térmica del 60%.El horno produce 1000 Ton por día, la

• temperatura del aire es de 1020ºC. La composición del gas es: 24.5%CO, 13.4%CO2;28,0%H2O;59,3%N2 a) calcular

• el % de gas que se usa en la estufa

b)Calcularla temperatura en toberas

• Solución: base 1 Ton arrabio

• N2 del aire:3250x0,79=2567m3

• vol gas=2567/0.593 =4330m3 gas

• contenido calorífico del aire=3250(0.302+

• 0,000022x1020)1020=1´056 250 Kcal.

• Calor suministrado por el gas=1056250/0,6

• = 1´760417 Kcal.

Poder calorífico del gas/m3=

• 0,245m3COx3031Kcal/m3co=743Kcal/m3

• volumen de gas=1’760417/743=2369m3

• % uso gas =2369/4330 x100=54,7%

• B) temperatura en toberas:

• O2: 3250x0,21x32/22,4=975 Kg. O2

• C quemado en toberas: C+1/2O2=CO

• 975x12/16 =731 Kg.

Volumen de gases en toberas:

• Vco=731x22,4/12= 1365 m3

• VN2=3250x0,79= 2563 m3

• Vgas toberas: 3928 m3

• En toberas: reaccionantes= productos

• Q coque-precaliente+Q aire+Qcoque quemado=QCO+QN2

• 731(0.2+0.00011(T-300))(T-300)+ 3250(0.302+0.000022x1020)(1020)+

• +731x2430=(1365+2563)(0.302+0.000022T)T

• T=2300°C

Q Q

Gases del Alto horno-estufa

ESCORIA DEL ALTO HORNO

Además del arrabio, en el alto horno se forma la escoria, la cual esta formada por oxidos como CaO, Al2O3, SiO2, y una pequeña cantidad de MnO , FeO, MgO.

Primeramente se forma la escoria primaria que contiene una cantidad elevada de FeO y MnO. A medida que desciende y se calienta la escoria primaria, varían la composición y la cantidad de la misma.

La escoria final se compone, en 85%-95% de SiO2, Al2O3 y CaO y además contiene de 2 a 10% de MgO, 0.2 a 0.6% de FeO, 0.3-3% de MnO y 1.5 a 2.5% de S, principalmente en forma de CaS

La viscosidad de la escoria origina dificultades en la transferencia de las partículas en el seno de la masa fundida, a partir de un centro de equilibrio al otro, nos da un noción de la mayor ó menor fluidez de la masa fundida y representa, en cierta medida, la estructura interna de la misma.

La viscosidad es una magnitud inversa a la fluidez sin embargo si la fluidez es un concepto no muy bien describible con ayuda de las nociones físicas, la viscosidad originada por el rozamiento interno que surge entre las capas del líquido que se desplazan con diferentes velocidades se puede determinar basándose en la ley de Newton sobre la fuerza de rozamiento interno.

Donde: =(P/F) (dx)/(dw)donde P es la fuerza que vence la resistencia de las fuerzas del rozamiento interno (cohesión) entre las partículas de diversas capas, en N (ó dinas); es la coeficiente de rozamiento, F es la superficie de contacto de las capas, en m2(cm2); dw/dx es el gradiente de la velocidad de movimiento del líquido [m/(s.m)] o cm/(s.cm)] en la distancia entre las capas en cuestión, en m (cm).Los vértices del triángulo designan los componentes CaO, SiO2, y Al2O3. En el diagrama representando el contenido de SiO2 es limitado entre el 20 y 60%; el de Al2O3 entre O y 40% y del CaO entre 20 a 70%, respectivamente. La temperatura de fusión de las escorias es una noción bastante compleja , y se estudia con diagramas ternarios.La escoria se usa para fabricar Cemento, concreto, como agregado , aislante como lana de escoria, etc.

x

wdd

FP

Fig. 1.17 Diagrama de estado del sistema-CaO-SiO2-Al2O3

Colada del alto horno

• Escoria-arrabio

Fig 1.18 Tratamiento de la escoria de Alto Horno

Modelo Matemático de un balance estequiómetrico, usando la regla de Rist

Recta de Rist: ecuaciòn I:

Donde:nB O = moles O/moles de Fe (en aire)(O/Fe)x = moles O/mol de Fe (en el mineral de Fe)

nAc = moles C/moles de Fe (C para reducir)(O/C)g = mol O/mol de C (salen en gases) también se sabe que:Xg

CO2 = (O/c)g-1Xg

CO = 2-(O/C)g

XgCO y Xgco son las fracciones molares del; CO2 y CO en el gas de

tragante

gx COnFeOn AC

B /./0

La ecuación (I) estequiómetrica, se puede describir como una recta, según la siguiente relación:

(O/Fe)x – (-nBO ) =nAc ((O/C)g –0 )

y2 - y1 = m (x2 - x1)

Problema. Se carga en un Alto Horno mineral Hematita (Fe2O3) lo necesario para producir 1000 Kg de Fe, el arrabio contiene 5.3% de C. Se usa 550 Kg de coque/ Ton de Fe, con 90% de C fijo y el Oxigeno del aire se sopla en una cantidad de 400Kg O/Ton Fe.

Material Kg/Ton Fe Kg-mol/TonFe Variable del modeloKg/Kg.molFe

Fe 1000 1000/56=17.9

Mineral(Fe2O3) (O/Fe)x=3/2=1.5

Arrabio (5.3%C) 53 53/12=4.4 C/Fe=4.4/17.9=0.25

Coque (90%C) 550Kg

495 495/12=41.3 niC= 41.3/17.9=2.3

C activo nAC=2.3-0.25=2.05

Oxigeno del soplo 400 400/16=25.0 nBO=25/17.9=1.4

(O/Fe)x + nBO = nA

C (O/C)g

3/2 + 1.4 = 2.05 (O/C)g

(O/C)g =1.41

Fracción molar en los gases:

Xg CO2 = (O/C)g -1= 1.41-1 = 0.41 ....41%

Xg CO = 2-(O/C)g = 2-1.41 = 0.59…….59%

Balance de Entalpia

• nFe2O3(-HFe2O3)=1KmolFe(- H1800Fe)+ +ngCO(-

HCO)+ngCO2(-HCO2)

• nFe2O3=moles Fe2O3/ mol Fe ,ngCO=molCO/molFe

• ngCO2=molCO2/molFe,

• nFe2O3(-HFe2O3)-1KmolFe( H1800Fe)=

• +ngCO(-HCO)+ng

CO2(-HCO2)

Con datos termodinámicos:

• nFe2O3(-(-826000KJ/KmolCO)+1KmolFe(73000)=

• +ngCO(-(-111000KJ/KmolCO)+

• +ngCO2(-(-394000KJ/KmolCO2)

• nFe2O3(826000KJ/KmolCO)+1(73000)=

• +ngCO(111000KJ/KmolCO)+

• +ngCO2(394000KJ/KmolCO2)

Se sabe que:

• ngCO2 =nA

C.XgCO2=nA

C((O/C)g-1)• ng

CO = nAC.Xg

CO=nAC(2-(O/C)g)

• 1/2mol de Fe2O3 se necesita para obtener 1 mol de Fe.

• ½ (826000) + 73000 = 486 000 KJ/Kmol Fe=

• = nAC[{2-(0/C)g.111000 +

• +{(O/C)g-1)394000} }• D=S• Si D= ½ (826000) + 73000 = 486 000 KJ/Kmol Fe=

Reemplazando datos :1/2(826 000)+73000=nA

c (283000((O/C)g–172000) (ec. II) ecuación de EntalpíaCombinando la ecuación Estequiométrica (I) y de Entalpía(II)se tiene : Siendo D la demanda de calor en el alto horno

(III) 283000172000

283000

/0

A

cx n

DFeOnB

D = ½ (H298 (Fe203) + [H 1800 (Fe Liq) – H298 (Fe sol.)

D = ½ (826000) + 73000 = 486 000 KJ/Kmol FeS = nc

A [{2-(0/C)g.111000 + {(0/C)g –1} 394.00} D=S

Y se sabe:

De I y II se tiene (III)

(II) 172000/283000 gCOnD AC

(I) /./0gx COnFeOn A

CB

(III) 283000172000

283000

/0

A

cx n

DFeOnB

Toma la forma de una recta

)X-m(X Y - Y

(III) 0283000172000

283000

/

1212

0

A

cx nn

DFeO B

Representación Grafica de la combinación de la ecuación estequiometrica y entálpica

PROCESO COREX

COREX es un proceso de dos etapas para producir metal caliente (arrabio), usando partículas de coque,ó carbón. Con valores de silicio de 0.3% y de azufre con valores debajo de 0.05% el metal caliente (arrabio) tuvo la misma calidad que la producida en un alto horno.El costo de producción puede ser 30% menor al costo del alto horno.

Descripción del Proceso.-La masa de mineral, sinter, pellets o mezclas, son metalizadas aproximadamente en 90% en una columna de reducción (parte superior) en contracorriente con el proceso de reducción del gas, la vía de descarga es por un tornillo conductor. El mineral reducido es conducido hacia el crisol (gasificador) que se encuentra en la parte inferior.El carbón es gasificado en el crisol (gasificador) con oxígeno como agente gasificante.

El gas crudo (sale del gasificador) el cual tuvo una temperatura de más o menos 1000 y 1100 °C, y básicamente consiste en CO y H2 sale mezclado con polvo fino, el cual es separado en un ciclón y cae dentro del crisol gasificador vía un sistema de polvo recirculante. EL O2 caliente convierte el carbono contenido en el polvo del carbón en CO, reacción exotérmica, y funde la ceniza contenida y los sólidos residuales del polvo. La energía liberada puede ser usada para mejorar el balance energético en el crisol gasificador.

- Para crear óptimas condiciones de reducción, en la columna de reducción, la temperatura del gas de reducción es ajustada cerca de 800-850ºC con el gas caliente.

- La parte superior de la columna por donde el gas sale es limpiada y calentada, este gas exportado puede ser usado como fuel o para propósito no metalúrgicos.

Tabla NºHORNO PARA 300,000 TON/AÑO

Producción nominal: 40 ton / hora arrabioCámara Gasificador (crisol) Diámetro inferior : 5.5 m Diámetro Superior : 10.0 m Altura : 22.0 m Toberas de O2 : 20

Cámara de reducción Diámetro interno : 5 m Altura : 19 m

TABLA NºComposición del Mineral de hierro Mineral Pellets

Fe 62.9% 65%

SiO2 5.0 0.8

Al2O31.0 0.8

CaO 0.9 3.9

MgO 0.5 0.4

K2O 0.1 0.01

P 0.05 0.03

S 0.01 0.01

Resultados Operacionales

Las tablas muestran los principales datos de la planta. La capacidad nominal del crisol es de 40 Tn/hora de metal caliente, basado en la capacidad del crisol, la performance nominal de 300,00 Ton/año, ha sido extendida y aún considerablemente excedido.

La medida de distribución de la mezcla del carbón en los rangos entre 0 y 50 mm. El único pretratamiento practicado al carbón es el secado para lograr un contenido de humedad de 4 a 5%, así como la calidad uniforme del gas.

La tabla Muestra la composición química de la masa de mineral usado de la carga principal, la porción fina del mineral de hierro es de 6 a 30 mm. El promedio del grado de metalización del hierro esponja es más del 90%.

Como ya fue mencionado, hubieron también campañas usando 100% pellets para el alto horno. Como los pellets son fáciles de reducir y requieren un bajo volumen de gas. La producción del crisol fue incrementada en 30% comparada a la capacidad nominal.

La basicidad de la escoria es ajustado entre 1.1 y 1.15.

La Calidad del arrabio y del gas

El arrabio producido de acuerdo al proceso Corex, tuvo un promedio de contenido de carbono de 4,3% un contenido de silicio de 0.3%, de azufre de 0.04%, el N2 contenido es sustancialmente bajo 0,003%, considerando que la temperatura es ligeramente alta (1470°C), el contenido de P es de 0.03 a 0.09.

Consumo y producción en una planta corex

MineralPellet

s

Capacidad de fusión (Ton/hora}) 45 52

Consumo de carbón (Kg/Ton) 1020 950

C. fijo (Kg/ton) 570 530

O2(m3/Ton (STP) 540 500

Escoria (KG/ton) 450 300

Gas (m3/ton (STP) 1650 1550

Poder calorífico KJ/m3 7000 7000

PROPIEDADES DEL GAS

CO 35 – 40%H2 15 – 20%CO2 34 – 36%CH4 1%H2S...10 – 70 PPMN2 Resto POLVO 5 mg/m3

Corex

cuchara

Mineral de hierro

• Pellets mineral- hematita

Diagrama Fe-C

• Arrabio 4-5%C

Fin