siderurgia ii

Ejercicios resueltos de siderurgia IIUniversidad nacional Jos Faustino Snchez Carrin

CONVERSIN DE ARRABIOEJERCICIO N 1 Un convertidor Bessemer-cido trata 20 toneladas de arrabio en 12 minutos. Se oxidan las siguientes impurezas.C4,0%SI1,8%Mn0,8%Tambin 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.PREGUNTAS1. El volumen de aire requerido2. La duracin de cada uno de los periodos del soplado.3. El peso de la escoria producida.SOLUCION1. En este proceso, el arrabio se carga al convertidor en estado lquido, y se introduce un soplo de aire fro con el fin de oxidar todas las impurezas. A pesar que no se carga ningn combustible, la carga y los productos se mantienen lquidos debido al calor generado por la oxidacin de las impurezas.Se tratan en este tipo de convertidores, arrabios con muy poco o ningn P, pero altos en Si.El proceso Bessemer-cido se considera dividido en 2 perodos, el primero incluye la oxidacin de todo el Si y el Mn, que por tener relativamente mayor afinidad por el oxgeno que el C, se oxidan primero. Durante el segundo perodo se oxida el C. Ocurre alguna oxidacin del Fe en virtud de la gran cantidad que hay de este elemento en el arrabio y para efectos de clculos, se asume que este se oxida a una rata uniforme durante c/u de los perodos.Con estas aclaraciones, procedamos a realizar los respectivos clculos:Arrabio = 15000Kg.Si SiO2 = 20000 x 0,018 = 360 Kg

O de este = 360 x 32/28 = 411.42 KgMn 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 KgCCO = 800 x = 600 Kg.

O de este = 600 x 16/12 = 800 Kg.CCO2 = 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 oxidacin = 411.42+46.54+800+533.33+160.11 = 1951.4 Kg. = 1024,8 m3Aire = 1024,8/0,21 = 4880 m3Volumen del aire requerido = 4880 m32. Para este clculo, distribuimos el tiempo total del proceso proporcionalmente al oxgeno empleado o consumido en cada perodo y como el Fe se oxida a rata uniforme durante todo el proceso; a cada perodo le corresponder una proporcin proporcional de oxidacin de este elemento.Primer perodo = oxidacin del Si + Mn + algo de Fe.O del Mn + Si + =309 + 35 = 344 Kg.Tiempo del segundo perodo sin oxidacin de Fe = 12x (344/1464) = 2,82 min.O del CO + CO2 =600 + 400 = 1000 Kg.Tiempo del segundo perodo sin oxidacin del Fe = 12 x (1000/1464) = 8,20 min.Tiempo del 1 + 2 perodos sin oxidacin del Fe = 2,82 + 8m20 0 11,02 min.O del Fe = 120 Kg.Tiempo de oxidacin del Fe = 12 x (120/1464) =0,98 min.Tiempo del 1 perodo con oxidacin del Fe = 2,82 + 0,98 x (2,82/11,02) = 3,1 minTiempo total del 1 perodo = 3,1 min (1-2)Tiempo del 2| perodo con oxidacin del Fe = 8,20 + 0,98 x (8,20/11,02) = 8,9 min.Tiempo total del 2 perodo = 8,9 min. (1-2)3. Escoria = SiO2 + MnO + FeOSiO2 = 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 2Un convertidor Bessemer-cido sopla 25 mtricas de un arrabio que tiene la siguiente composicin:C4,0%Mn1,2%Si1,4%Fe93,4%Adems 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 cbicos por minuto, medido a condiciones normales.PREGUNTAS1. El volumen total de aire utilizado.2. El tiempo de cada uno de los dos perodos.3. El peso de la escoria.SOLUCION1. 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.

CCO2 = 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 oxidacin del Mn = 300 x 16/55 = 87,3 Kg.O para oxidacin del Si = 350 x 32/28 = 400 Kg.O para oxidacin 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 m3Aire = 1749,37/0,21 = 8330,3 m3Volumen de aire utilizado 0 8330,3 m3 (2-1)2.Rata de suministro de oxgeno = 700 x 0,21 = 147 m3/min.Rata de suministro de oxgeno = 147 x 32/22,4 = 210 Kg./min.

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

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

O de oxidacin del Fe = 178,5 Kg.Tiempo del 1 perodo sin oxidacin del Fe = 487,3/210 = 2,32 min.Tiempo del 2 perodo sin oxidacin del Fe = 1833,3/210 = 8,74 min.Tiempo total son oxidacin del Fe = 2,32 + 8,74 = 11,06 min.Tiempo de oxidacin del Fe = 178,5/210 = 0,85 min.Tiempo total del 1 perodo con oxidacin del Fe = 2,32 + 0,85 + x 2,32/11,06 = 2,5 min.Tiempo del 1 perodo = 2,5 min. (2-2)Tiempo total del 2 perodo con oxidacin del Fe = 8,74 + 0,85 x 8,74/11,06 = 9,4 min.Tiempo del 2 perodo = 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 Kg1940, 8 KgPeso de la escoria = 1940,8 Kg.EJERICIO N 3 Un convertidor Bessemer es cargado con 18 toneladas mtricas de arrabio, del cual son oxidadas las siguientes impurezas:C4,2%Si1,5%Mn0,7%Se oxida tambin suficiente hierro como para producir una escoria con 24% FeO. Asumir que le hierro se oxida a una rata uniforme. La relacin de CO a CO2 en los gases es 3,1. Las mquinas de soplado suministran por 510 metros cbicos de aire (medidos a condiciones normales), el aire leva 19 mm de vapor de agua.PREGUNTAS1. El tiempo de cada uno de los perodos del soplo.2. El peso de la escoria.3. La composicin (%) de los gases en cada perodo.

SOLUCIN1.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 = 567 Kg.

C CO2 = 756 x = 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 perodo sin O del FeO = (309 + 36,6) / 158,11 = 2,18 min.Tiempo del 2 perodo sin O del FeO = (756 + 504) / 158,11 = 7,97 min. 10,15 min.Tiempo para oxidacin del Fe = 52,04/158,11 = 0,33 min.

Tiempo total del 1 perodo = 2,18 + 0,33 x (2,18/10,15) = 2,3 min.Tiempo del 1 perodo = 2,3 min. (3-1).

Tiempo total del 2 perodo = 7,97 + 0,33 x (7,97/10,15) = 8,2 min.Tiempo del 2 perodo = 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 perodo = N2 + H2

Composicin del gas producido durante el 1 perodo 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 perodo = N2 + H2 + CO + CO2

Composicin del gas producido durante el 2 perodoN2 = 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= 7, 4% 4736, 9 m3 = 100, 0%

Ntese que los gases del 2 perodo, se sigue conservando la relacin CO: CO2 = 3: 1.EJERCICIO N 4Un convertidos Bessemer cido sopla 20 toneladas cortas de un arrabio que contiene 3.72% C; 2m 18% si; 1,24%Mn. En adicin 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 presin de 2,5 atmsferas, manmetro, a una temperatura de 45C y se encuentra un tercio saturado con humedad. Del convertidor no sale oxgeno libre. Dos tercios del carbono pasan a CO y el resto a CO2. El soplado dura 10,5 minutos.PREGUNTAS1. El peso total de la escoria.2. El volumen del aire a las condiciones dadas.SOLUCIN

1. Escoria = FeO + SiO2 + MnO Arrabio=20 + 2000 = 40000 Libras.Fe en arrabio = 1000 3,72 2,18 1,24 = 92,86%

C= 40000 x 0,0372 = 1488Si= 40000 x 0,0218 = 872Mn=40000 x 0,0124 = 496Fe= 40000 x 0, 9286 = 37144

Fe FeO = 40000 x 0,048 = 1920

FeO = 1920 x 72/56 = 2468,6SiO2= 872 x 60/28= 1868,6MnO= 496 x 71/55= 640,3 4977,5Peso total de la escoria = 4977,5 libras Vamos a utiliza la expresin:ft3 de aire = O2 total en aire O2 ft3 de aireC CO = 1488 x 2/3 = 992 libras

CCO2 = 1488 X 1/3 = 496 libras

C + O2 = CO: O = 992 x 16/12= 1322,7 libras; O2 = 14838,7 ft3C + O2 = CO2: O = 496 x 32/12= 1322,7 libras; O2 = 14838,7 ft3O del Fe = 2468,6 1920=584,6 libras; O2 = 6154,6 ft3O del Si = 1868,6 872= 996,6 libras; O2 = 11180,6 ft3A del Mn = 640,3 496= 144,3 libras; O2 = 1618,9 ft3Total O del aire= 4334,9 libras; O2 = 48631,5 ft3 Condiciones del aire: T = 45CP baromtrica = 2,5 x 760 0 1900 mm.Saturacin del aire = 1/3 con vapor de agua.Presin de saturacim a 45C = 71,9 mm.Presin real de H2O = 71,9 X 1/3 = 23,97 mm.Presin 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 ft3Aire hmedo = 1 + 0,0128 ft3Composicion del aire hmedo:Aire seco=1,0000 ft3= 98,74%Humedad=0,0128 ft3= 1,26% 1, 0128 ft3=100,00%Con esta composicin, si introducimos al convertidor 1 ft3 de aire hmedo, el H2O se descompone en 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 hmedo = 0,9874 x 0,21 + 0,0126/2 = 0,214Volumen de aire hmedo a C.N = 48631,5 / 0,214 ft3 Cambio de condiciones:V1 = 2272,50 ft3V2 =?P1 = 760 mm.P2 = 1900 mm.T1 = 273 K T2 = 45 + 273 = 318 K

EJERCICIO N 5Un convertidor Bessemer-acido sopla una carga de 20 toneladas mtricas 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 atraves del soplado. El soplado tarda 13 minutos. Los gases salen del convertidor a 1500 C. El calor de formacin de la escoria es de 150 kilocaloras por kilogramo de SiO2.a) Calcular el volumen total de aire necesario para el soplado.b) El tiempo de duracin de cada uno de los periodos.c) El peso de la escoria y los volmenes producidos.

Solucin:

Para: AArrabio = 20000kgC = 20000kg *0.036 = 720Mn = 20000kg * 0.007 = 140Si =20000 kg * 0.012 = 240Fe = 20000 kg *0.945 = 18900

Calculando el C

Calculando el Fe

Calculando el total de O.

Aire =1229/0.21 =5852 entonces el aire necesario es 5852

Para: BO del primer periodo sin O del FeO = 40.7 + 275 =315.7 KgO del segundo periodo sin el O del FeO = 640 *2 = 1280 kgCalculando los tiempos para cada proceso.

Para C:Escoria = MnO + SiO2 + FeO

Para los gases:Gas= CO + CO2 + N2

EJERCICIO N 6Un convertidor Bessemer trata 30 toneladas de arrabio, recibiendo 680 metros cbicos 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.Solucin:Arrabio = 30000kgC = 30000*0.04 = 1200 Kg Mn =30000*0.016 = 480 kgSi = 30000*0.018 =540 KgCalculo del carbono:

Calculando el total de O.

AIRE = 2110/ 0.21 = 10047.6 : por lo tanto el tiempo de soplo ser:10047.6/680 = 14.8 min

EJERCICIO N 7Una carga de 10000 kg de arrabio es tratado en un convertidor Bessemer, produciendo 527 kilogramos de escoria de la siguiente composicin: 65.5%SiO2; 13.5% MnO y 21.0%FeO. Los gases del convertidor totalizan 2760 metros cbicos y contienen 6.0%CO2; 18.1%CO Y 75.9% N2. Calcular.

a) La composicin del arrabio utilizado.b) El hierro puro producido despus del soplado.c) Los metros cbicos de aire utilizado para el soplado completo.Solucin:Para A:Arrabio utilizado: Fe + Si + Mn + C

Calculando el C total oxidado:

Calculando la composicin del oxgeno.

Para B:FeO en escoria = 527*0.21 =110.67 kgFe oxidado =110.67*56/72 = 86.1 kgFe puro producido = 9428 86 = 9342kg: el fe puro producido es 9342 kgPara C:N2 en gas = N2 del aire.

EJERCICIO N 8 tomando los datos del ejerci anterior calcular el tiempo relativo ocupado para cada uno de los periodos.Solucin:Calculamos los elementos oxidados durante el 1 periodo = Si + Mn + algo de Fe

EJERCICIO N 9Un 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. Adems del S 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 cargadob) El volumen de aire suministrado por minuto, en pies cbicos.Solucin:Para A:Arrabio = Fe + Si + Mn + C.

Para B:

Calculando el O:

EJERCICIO N 10Tomando como referencia el enunciado del problema 9 y con los mismos datos calcular el tiempo de duracin de cada periodo.Solucin: