UNIVER NIVER S IDAD ID AD NAC IONAL IONAL DE S AN AG US T ÍN
FACULT FACULTAD AD DE INGENIER ÍA DE PR OCESOS ES CUELA CUELA PROFESIONAL PROFESIONAL DE INGE INGE NIER NIER ÍA METALÚ METALÚRG RG ICA
PR ES ENTADO ENTADO POR POR : PAR QUI QUI AR APA R ENZO ENZO JONATHAN JONAT HAN IQU IQUIAPAZA IAPAZA PAUCAR EDDIE VICENTE VICENTE QUISP QUISP E P ALLO E DWIN DWIN COLQUE COLQUE HUANCA HUANCA CHAVE X ALE X J UNIOR NIOR A P F A TA NI NA S I V INC IN C HA R A UL USC AMAY AMAY TA PAR I CHR CHR ISTIAN ISTIAN KE VIN
AREQUIPA-PERÚ
2017
PRESENTACIÓN Un alto horno típico está formado por una cápsula cilíndrica de acero de unos 30 metros de alto forrada con un material no metálico y resistente al calor, como asbesto o ladrillos refractarios. El diámetro de la cápsula disminuye hacia arriba y hacia abajo, y es máximo en un punto situado aproximadamente a una cuarta parte de su altura total. La parte inferior del horno está dotada de varias aberturas tubulares llamadas toberas, por donde se fuerza el paso del aire que enciende el coque. Cerca del fondo se encuentra un orificio por el que fluye el arrabio cuando se sangra (o vacía) el alto horno. Encima de ese orificio, pero debajo de las toberas, hay otro agujero para retirar la escoria. La parte superior del horno contiene respiraderos para los gases de escape, y un par de tolvas redondas, cerradas por válvulas en forma de campana, por las que se introduce el mineral de hierro, el coque y la caliza. Una vez obtenido el arrabio líquido, se lo lleva al convertidor a través del torpedo (transporte) y se lo alea con el carbono que vienen desde el horno eléctrico, luego se puede introducir en distintos tipos de coladura para obtener unos materiales determinados: la colada convencional, de la que se obtienen productos acabados; la colada continua, de la que se obtienen trenes de laminación y, finalmente, la colada sobre lingoteras, de la que lógicamente se obtienen lingotes.
DEDICATORIA El presente trabajo de investigación lo dedico a Dios quien supo guiarme por el camino correcto, darme fuerzas para seguir adelante y no desmayar ante los problemas que se presentaban, enseñándome a encarar las adversidades sin perder nunca la dignidad ni desfallecer en el intento. A mi familia por su apoyo constante, sus consejos y comprensión, son el motor que me impulsa a seguir siempre para adelante. A mis compañeros con los cuales estoy continuamente interactuando y que de alguna u otra forma están dándome su apoyo.
AGRADECIMIENTO
Este proyecto es el resultado del esfuerzo conjunto de todos los que formamos el grupo de trabajo. Por esto agradezco al Ingeniero Zea, mis compañeros y mi persona, quienes a lo largo de este tiempo han puesto a prueba sus capacidades. A mis profesores a quienes les debo gran parte de mis conocimientos, gracias a su paciencia y enseñanza y finalmente un eterno agradecimiento a esta prestigiosa universidad la cual abrió abre sus puertas a jóvenes como nosotros, preparándonos para un futuro competitivo y formándonos como personas de bien.
ÍNDICE GENERAL
CARATULA ....................................................................................................................... 1 PRESENTACIÓN .............................................................................................................. 2 DEDICATORIA .................................................................................................................. 3 A G R A DE CIMIE NTO .......................................................................................................... 4 MA R C O TE OR IC O …………………………………………………………….……………………………..6
B AL AN CE META LÚR G ICO. ........................................................................................... 10 S OL UC IO N ...................................................................................................................... 11 TAB LA S DE B A LA NCE .................................................................................................. 20 CONCLUSIONES: ........................................................................................................... 22 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................... 23
MA R C O TE ÓR IC O En alto horno típico está formado por una cápsula cilíndrica de acero de unos 30 metros de alto forrada con un material no metálico y resistente al calor, como asbesto o ladrillos refractarios. El diámetro de la cápsula disminuye hacia arriba y hacia abajo, y es máximo en un punto situado aproximadamente a una cuarta parte de su altura total.
La parte inferior del horno está dotada de varias aberturas tubulares llamadas toberas, por donde se fuerza el paso del aire que enciende el coque. Cerca del fondo se encuentra un orificio por el que fluye el arrabio cuando se sangra (o vacía) el alto horno. Encima de ese orificio, pero debajo de las toberas, hay otro agujero para retirar la escoria.
En la parte superior del horno contiene respiraderos para los gases de escape, y un par de tolvas redondas, cerradas por válvulas en forma de campana, por las que se introduce el mineral de hierro, el coque y la caliza.
Una vez obtenido el arrabio líquido, se lo lleva al convertidor a través del torpedo (transporte) y se lo alea con el carbono que vienen desde el horno eléctrico, luego se puede introducir en distintos tipos de coladura para obtener unos materiales determinados: la colada convencional, de la que se obtienen productos acabados; la colada continua, de la que se obtienen trenes de laminación y, finalmente, la colada sobre lingoteras, de la que lógicamente se obtienen lingotes.
UN POCO DE HISTOR IA La primera construcción para obtener el hierro fue el horno bajo. En su forma más primitiva, llamada "bajo hogar" era un agujero en el suelo de unos 30 cm de diámetro, lleno de carbón vegetal y mineral. El fuego se avivaba generalmente mediante un fuelle de cuero. A las diez horas el horno era demolido y se obtenía una mezcla heterogénea incandescente con más o menos hierro reducido y escoria, del tamaño del puño. Aunque la temperatura alcanzada entre 700 y 900º C es suficiente para la reducción de mineral de hierro pero que está lej os de su punto de fusión 1535º C La evolución hacia el horno bajo "clásico" consistió en hacer más alta la construcción y equiparla con una abertura lateral en su base para facilitar el suministro de aire. Una corta chimenea facilitaba la recarga del horno durante la operación y activaba el tiro. Se alcanzaban de esta manera temperaturas de entre 1000 a 1200° C y las escorias, convertidas en líquido, se podían extraer por la apertura. El contenido de hierro de la escoria disminuye al aumentar la temperatura. Entonces se aviva el fuego fortaleciendo el tiro natural aumentando la altura adosando, por ejemplo, la construcci ón a un muro de contención o terraplén. Del mismo modo, los fuelles permitían un suministro de aire más eficiente y mejor controlado. Estos "hornos de tiro natural" y "fuelles" producían una mezcla con un peso que iba desde unos pocos kilogramos a varios quintales después de un tiempo de 4 a 20 horas. Esta mezcla es despojaba de inmediato de los trozos de carbón y de la escoria mediante una limpieza alternada con varios recalentamiento, y finalmente se forjaba para obtener los objetos deseados. En Europa Occidental, las instalaciones y las forjas adyacentes estuvieron muy extendidas hasta el si glo XVIII. Empleaban de 5 a 10 personas y la capacidad de los hornos bajos de ese momento estaba entre 60 y 120 t por año y consumían unos 270 kg de carbón por 100 kg de mineral de hierro
ZONAS DE TEMPERATURAS
Procesos entre 150 a 400 ℃ (zona 1). . ► Procesos entre 400 y 700 ℃ (zona 2). ► Procesos entre 700 y 1350 ℃ (zona 3). ► Procesos entre los 1350 y 1550º c (zona 4). ► Procesos entre 1550 a 1800º c. Zona de combustión (zona 5). ► Procesos entre 1300 a 1550º c. Separación metal-escoria (zona 6). ►
ME J OR A S E N LA DUR A CION DE L A LTO HOR NO
Crisol de material refractario a base de carbono con muy alta conductividad térmica (el enfriamiento del crisol crea una capa de fundición solidificada que protege los ladrillos). La vida del crisol se ha duplicado en 30 años: era de 10 años en 1980, la duración actual es de 20 años. Este factor es esencial, dado que la reparación de un alto horno viene dictada por el estado de su crisol y que esta reparación puede costar, en 2010, unos 100 millones de euros. Mejora del enfriamiento de la cuba. El objetivo es crear una capa protectora que proteja las paredes de la abrasión producida por el mineral.
ME J OR A S A MB IE NTA LE S
Construcción en circuito cerrado de los circuitos de agua de refrigeración y granulación de la escoria. Recuperación del calor, sobre todo de los gases de los hornos de recalentamiento de aire (estufas). La recuperación de energía de los gases captados en las en tradas de aire por un generador de turbina. La condensación de los vapores, especialmente los producidos durante la granulación de la escoria para evitar la emisión de dióxido de azufre o ácido sulfhídrico. El reciclaje del carbono para evitar la emisión de gases de efecto invernadero. El objetivo de la investigación actual es la inyección en las toberas de los gases capturados en la boca del horno, en lugar de quemarlos para producir electricidad
BA LANCE METALÚRG ICO PROBLEMA: Un alto horno de hierro que funde un mineral de magnetita utiliza por día 2000 toneladas cortas de mineral, 510 toneladas de coque y suficiente cal para producir una escoria de 40 por ciento de SiO2. Supongamos que todo el fósforo, una mitad del manganeso y una quinta parte sílice es cargado, se reduce y va con hierro cochino, también contiene por análisis 4 por ciento de carbono. Asumiendo que el azufre está en la escoria como CaS. 1% de hierro cargado se pierde en la escoria. Donde el aire insuflado está a 112000 pies cúbicos (60 ° F, 30 pulgadas de presión) que contiene 9 granos de humedad por pie cúbico, por tonelada de coque cargado
EL ANÁLISIS DEL MINERAL, EL FLUJO Y EL COQUE SON LOS SIGUIENTES:
mineral Fe3O4 Fe2O3 SiO2 P2O5 MnO2 Al2O3 H2O
% 70.3 4.8 10.2 0.9 3.6 2.6 7.6
fundente CaCO3 MgCO3 Al2O3 SiO2 H2O
% 95.4 2.5 0.5 0.9 0.7
coque C SiO2 FeS
% 87.2 9 2
H2O
1.8
Trabajamos con los pesos de los componentes del mineral y del coque en la columna de carga del balance, a continuación.
Al sistema entran: 2000 ∗
2000 1
= 4000000
Hallando en libras del presente en el mineral:
Fe en Fe3O4 =70.3%
4000000 ∗
.
= 2812000 mineral
lb
Fe3O4
70.3
2812000
Fe2O3
4.8
192000
SiO2
10.2
408000
P2O5
0.9
36000
MnO2
3.6
144000
Al2O3
2.6
104000
H2O
7.6
304000
Total
100
4000000
Hallando en libras en el coque: 510Tc ∗
%
= 1020000
1020000lb ∗ 2% = 20400lb
coque
%
lb
C
87.2
889440
SiO2
9
91800
FeS
2
20400
H2O
1.8
18360
total
100
1020000
Reacciones que ocurren en la parte del mineral:
Fe O + 2 → 3 + 2 Fe O =2812000 lb
Para el Fe:
2812000 Fe O ∗
Para el CO2:
−
231.55 Fe O4
2812000 Fe O4 ∗
−
∗
−
2 2 O4
∗ 1 Fe
. −
= 2034768.301
44
2 ∗ 1 = 1068693.587 2 2
Para el C: 2812000 Fe O4 ∗
1.
1 FeO4 231.55 FeO4
∗
1 FeO4
231.55 Fe O4
2 12 ∗ 1 O 4
∗ 1 Fe
= 291461.8873
2FeO + 3 → 4 + 3
Fe O =192000 lb Para el Fe:
192000 Fe O3 ∗
Para el CO2:
192000 FeO ∗
Para el C:
192000 Fe O3 ∗
1 Fe O3 319.4 Fe O3
− .
1 Fe O3 319.4 Fe O3
∗
∗
∗
4 2 Fe O3
− 2 −
− −
∗
55.85 1
= 67145.8987
∗
−
∗
−
= 39674.3895 2
= 10820.2880
P + 5 → 2 + 5 P = 36000
Para el P:
36000 ∗
∗
2 1
∗ 1 = 15709.7365
30.97
∗
5 1
∗ 1 = 35507.9611
Para el CO:
36000 ∗
−
141.94
Para el C:
− 141.94
28
36000 ∗
−
∗
1421.94
5 1
12
∗ 1 = 15217.6976
+ → + = 144000 Para el Mn:
144000 lb MnO ∗
− .
∗
− −
∗
. −
= 90997.9296
Para el CO2:
144000 lb MnO2 ∗
Para el C:
144000 lb MnO2 ∗
Reacciones que ocurren en la parte del coque:
− 2 . 2
− − 2
∗
∗
−
− − 2
∗
= 72877.8468 2
−
= 19875.7764
= 20400 Para el Fe: 20400 ∗
Para el CaS:
1 87.8
∗
− −
1
20400 ∗
87.8
∗
∗
. −
= 12976.5376
1 72 ∗ = 16728.9294 1 1
Para el CaS:
20400 ∗
. 2
∗
+ + → + +
− 2
− .
∗
1 28 ∗ 1 1
= 6505.6947
Para el C:
20400 ∗
Para el CaO:
20400 ∗
1 87.8
− .
∗
∗
− − 1 1
∗
−
= 2788.1549
56
∗ 1 = 13011.3895
Total de Fe cargado en el alimento =2103475.86lb de (Fe)
Hallando Fe presente en la ESCORIA: Por teoría: el Fe presente en escoria se pierde en forma de FeO.
Se pierde 1% de Fe en escoria:
2114417.37 lb *1/100 (Fe) =21144.1737 lb de Fe se pierde.
El Fe se pierde en forma de FeO, considerando la cantidad de FeO como si fuera Fe: () ()
∗ 21144.1737 =27207.0192 lb FeO
Hallando Fe presente en el ARRABIO:
Fe en arrabio =Fe en 2114417.37 lb - 27207.0192 lb =2087210.35 en arrabio
ARRABIO: El manganeso entra como MnO2: 4000000 ∗
3.6 100
= 144000 2
Mn en en MnO2 del mineral: 54.9() 86.9(2)
∗ 144000(2) = 90973.5328
La mitad del manganeso se va al arrabio: 90973.5328 2
= 45486.7664
Y la otra mitad va a la escoria como MnO: 70.9 45486.7664 ∗ = 58743.3832 54.9
Para determinar el contenido total de SiO2 será necesario calcular el peso del flujo, al cual asumiremos el valor de ‘’x’’
El SiO2 en el flujo será= 0,009(x) Donde el SiO2 total cargado que incluye alimentación, flujo y coque será: 408000+ 91800 + 0,009x 499800+0.009(x) En donde los 4/5 de SiO2 que entra en la escoria, constituye el 40% del peso total de la misma.
Los otros compuestos de la escoria son:
Del mineral:
FeO+MnO+Al2O3= 27207.0192 lb + 58743.3832 +104000lb =189950.402 lb
Del flujo:
CaO+MgO+Al2 O3= 0,534(x)+0,012(x)+0,005(x) =0,551(x) 100gr CaCO3----------------------95.4%
56Gr -------------------------x X=53.4% 84gr MnCO3------------------------2.5% 40gr MnO---------------------------x X=1.2%
Al2O3=0.5%*x
El CaS que es escoria, se ha formado a partir de FeS del coque y ha usado parte de CaO del flujo.
FeS +CaO +C
Fe+CaS+CO
.()
CaS en FeS=.() ∗ 20400() = 16728.9224 CaS CaO usado en el FeS ()
=
()
∗ 20400() = 12981.8182
Peso total de la escoria, incluyendo SiO2: Peso total =249415.2271 lb + ( 16682.46014 -12981.81818 )+0.551x+ 4/5(499800+o.oo9x) =594400.499+0.5582*(x)
Entonces 4/5 de SiO2 cargado es igual al 40% de SiO2 en escoria:
(1111800 + 0.009(x)) = 0.40(1592330.344 + 0.5582 ∗ x)
x=750091.64 lb El SiO2 total cargado es = 499800 + 0,009x = 499800+0.009(750091.64) =506550.825 = 506550.825 libras (SiO2)
El silicio en arrabio: = =
∗ 506550.825 = 101310.165 () ∗ 506550.825 = 40524.66 () en la escoria
fundente caco3 mnco3 al2o3 sio2 h2o total
% 95.4 2.5 0.5 0.9 0.7 100
lb 715587.424 18752.291 3750.4582 6750.82476 5250.64148 750091.64
Silicio en el arrabio : 101310.165 lb
En el flujo CaO en CaCO3: 56() 100(3)
∗ 715587.424 lb(3) = 400728.958
CaO usado en FeS para formar CaS: 56()
∗ 20400() = 12981.8182
88()
Ca en CaO: 40() 56()
∗ 12981.81818() = 9272.727
La sumatoria es : 400728.958 +12981.8182+9272.727 = 4 22983.503 lb de CaO
EXPLOSIÓN TOTAL: Donde el aire insuflado está a 112000 pies cúbicos ( 60 ° F, 30 pulgadas de presión) que contiene 9 granos de humedad por pie cúbico, por tonelada de coque cargado = +
DATOS: -COQUE: 510 TC -1TC/112000 Calcula la cantidad de aire insuflado : 510TC de coque *
air isufado
El H2O en esto ocupa 9 gr H2O/ft3
* 57100000 = 514000000 gr H2O
Dato: 1 gr
= 57100000 aire insuflado.
0.00220462 lb
514000000 gr H2O *
.
= 1133351.05 lb H2O
Para una libra molecular. Peso de un gas ocupa 359 ft3 a 0°C; 760 mmHg.
Sabiendo que el aire insuflado está a (60°F, 30 pulg de presión) 60°F, 30 pulg de presión=15.5°C, 762mmHg Con la condición convertimos de F° a K° K=
− .
−
+ 273.1 =
.
+ 273.1
K= 288.705556 Donde: 1 in hg = 1 pulgada hg
1 atm
25.40000269766 mm hg
760 mm hg
Del enunciado obtenemos que la presión es 30 pulgadas de hg y la temperatura que es 288.705556 K° Vamos convertir de pulgadas a atm: 30 ℎ ∗ 762 ℎ ∗
.
= 762 mm hg
= 1.00263158 atm
Ecuación general de los agses ideales
=
Despejamos V2 2 = 2 =
1∗1∗2 1∗2
1.00263158 ∗ 288.705556 ∗ 359 1 ∗ 273
V2 = 378 ft 3 aire húmedo Convertimos de libras de H2O a de ft 3 H2O Obtenido :1133351.05 lb de H2O
= 1242.45576
1 18
378 1
=23809199 ft 3 H2O. Volumen de aire seco=volumen de aire insuflado-H2O Volumen de aire seco =57100000 ft 3 aire insuflado-23809199 ft 3 H2O
Volumen de aire seco =33310801 ft 3 aire seco
Si el densidad del aire es de 0.0807 lb a 0°C, 760 mmHg; deseamos saber esa cantidad de aire en ft 3 a 60°F y 30 pulg de presión. DATOS= T=60°F 288.828 K° P= 30 pulg 762 mm hg p=0.0808 lb a O °C
1.00263158 atm
Entonces: 0.807
∗
273 288.828
p= 0.07634242
∗
1.00263158
1
de aire.
Determinando la cantidad de aire seco en lb:
m=
=
ft H .
= 2543027.11 lb de aire seco
DATO: O2 N2
23.20% 76.80%
0.232 0.768
La cantidad de oxígeno en lb es:
(0.232)*(2543027.11)=589982.29 lb de oxígeno.
La Cantidad de nitrógeno en lb es :
(0.768)*(254302711) =1953044.82 lb de nitrógeno
Cantidad de agua: 1133351.05 lb H2O
mineral
%
lb
escoria
%
lb
Fe3O4
70.3
2812000
FeO
2.596139 27207.0192
Fe2O3
4.8
192000
SiO2
48.33592 506550.825
SiO2
10.2
408000
MnO
5.605391 58743.3832
P2O5
0.9
36000
Al2O3
0.649137 6802.82476
MnO2
3.6
144000
CaO
40.36179 422983.503
Al2O3
2.6
104000
CaS
1.596302 16728.9294
H2O
7.6
304000
MgO
0.855321 8963.59509
100
4000000
TOTAL fundente
%
CaCo3
TOTAL
lb 95.4 715587.424
100 1047980.08
gases
%
lb
O
2.677058
54032.088
MgCo3
2.5
18752.291
CO2
61.1934 1235089.79
Al2O3
0.5
3750.4582
CO
3.431646 69262.2369
SiO2
0.9 6750.82476
H2O
15.97155
H2O
0.7 5250.64148
C
16.72635 337594.251
TOTAL coque C
100 %
750091.64
TOTAL
lb
322360
100 2018338.37
ARRABIO
%
lb
87.2
889440
Fe
89.06491 2087210.35
SiO2
9
91800
Si
4.323082 101310.165
FeS
2
20400
P
0.671011 15724.9542
1.8
18360
Mn
100
1020000
H2O TOTAL
C TOTAL
5770091.64
=
5769804.03
1.941 45486.7664 4 93738.8431 100 2343471.08
CONCLUSIONES:
Un alto horno reduce el mineral de hierro separando los objetos extraños que acompañan al metal como el oxígeno.
Si esta operación no sucedería los minerales presentes en mina, no podrían ser trabajados o no tendrían directa aplicación.
Consideramos que el objetivo primordial del alto horno es la producción de arrabio, de tal forma que el tratamiento empleado en el mismo debe ser el adecuado; ya que a partir del arrabio es que obtendremos acero.
BIBLIOGRAFÍA
allaboutmetallurgy.com/wp/wp-content/.../Metallurgical-Problems Allison-Butts.pdf iesvillalbahervastecnologia.files.wordpress.com/2009/01/altohorno.pdf es.slideshare.net/lauratoribio/alto-horno-funcionamiento uniovi.es/usr/fblanco/PrinciplesBlastFurnace.pdf ecured.cu/Alto_horno https://www.youtube.com/watch?v=UsZA22f0daw
