UNIVERSIDAD NACIONAL DANIEL ALCIDES CARRION

CATEDRA: ING. Ramiro SIUCE BONIFACIO

FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA DE FORMACION PROFESIONAL DE METALURGIA

PROCESOS SIDERURGICO DEL ACERO

1. ALTO HORNO

Es un reactor vertical continuo en contra corriente, que se utiliza para la producción del hierro de primera fusión ó arrabio, a partir de mineral de hierro.

2. PARTES DEL ALTO HORNO

2. ETALAJE. Esta parte ubicada encima del crisol; de forma cónica troncada.

5

4

3

2

15. TRAGANTE. Extremo superior

del alto horno donde se carga la carga

3. VIENTRE. Esta parte forma la zona entre los etalajes y la cuba.

4. CUBA. Forma cónica truncada es la unidad más alta del horno.

1. CRISOL. Esta parte sirve como depósito de los materiales fundidos, el arrabio y la escoria; tienen una forma cilíndrica.

3. MATERIALES UTILIZADOS

PELLETS

FUNDENTE

COKE

3.1. PELLETS

Fe2O3 .HEMATITES, contiene 70% de Fe y 30% de 02, poco P y S.

Fe2O3.nH2O LIMONITAS, (o hematita pardo) contiene 60% de Fe y 14% de

aguas de cristalización, el contenido en P varía grandemente.

Fe3O4 MAGNETITA; contiene 72.4% de Fe y 27.6% de 02, contenido en P

varia grandemente.

FeCO3 SIDEROSA; contiene 40.2% en Fe y 37.4 en C02 bajo contenido en

Mn, Mg y Ca.

FeS2 PIRITAS; contiene 46.6 % de Fe y alto contenido de azufre (mayor

de 45% en S) no utilizado como menas de hierro

Pelotillas de 15mm a 25 mm de diámetro, de color negro y posen buena resistencia mecánica, con 65 % de Fe

Es un combustible artificial sólido poroso formado por carbono, que se obtiene después de someter carbones a elevadas Tº en ausencia de O2, provocando la liberación de gases. Debe tener una resistencia mecánica del orden de 160 Kg/cm2 para resistir sin pulverizarse grandes cargas. Su poder calorífico es de 7000 Kcal/Kg. Conteniendo 15% de cenizas, siendo su tamaño mínimo 2mm.

3.2. COQUE.

3.3. EL FUNDENTE.

Es el mineral de CaCO3 que

tiene como función principal la

combinación con las

impurezas (P, S, Si, etc.)

existentes en el material de

hierro o en proporciones

reducidas de los pellets

formándose así la ESCORIA.

MATERIALES POR TONELADA DE ARRABIO

Pellets (Fe2O3) 1 480 kg. Coque 528 kg. Caliza (CaCO3) 225 kg. Cuarcita 5 kg.

4. PROCESO DEL ALTO HORNO

PROCESO

Colada del arrabio

3Fe2O3 + CO 2Fe3O4 + CO2 Fe3O4 + CO 3FeO + CO2

FeO + CO Fe + CO2

Reducción Indirecta

3Fe2O3 + C 2Fe3O4 + CO Fe3O4 + C 3FeO + COFeO + C Fe + CO

Reducción directa

5. REACCIONES DE FORMACION DEL ARRABIO

Carburización

3Fe + C Fe3 C

2C (s) + O2(g) 2 CO(g)

C(s) + CO2 (g) 2CO(g)

I. ZONA: 150° A 400° C DE TEMPERATURA eliminación del agua higroscópica II. ZONA: 400° A 700°C a) Reducción indirecta de los óxidos de hierro:

3Fe2O3 + CO 2Fe3O4 + CO2 Fe3O4 + CO 3FeO + CO2

FeO + CO Fe + CO2 b) Solución del carbono por reacción de CO2:

CO2 + C = 2CO c) Descomposición de los Óxidos de manganeso:

Mn3O4 + CO 3MnO + CO2 MnO2 + CO MnO + CO2

6. ZONA DE REACCIÓN

III ZONA: 700° A 1,350° C (absorción de calor) Reducción directa del óxido ferrico:

FeO + C Fe + CO Fe2O3 + 3C 2Fe + 3CO2

Disociación de los carbonatos:CaCO3 CaO + CO2

Reducción de los óxidos de manganeso:MnO + C Mn + CO

Formación de la escoria primaria, silicatos: El silicio existente en el mineral forma de sílice (SiO2),

MnO + SiO2 Mn SiO2 FeO + SiO2 FeO SiO2 CaO + SiO2 CaO SiO2

IV ZONA: 1,360° A 1,550° C En esta zona, el hierro conserva un estado semisólido

pastoso y esponjoso, mezclado aún con parte de la ganga aún no disuelta totalmente:Carburación de la fundición:

3Fe + C Fe3C Reducción de óxidos y formación de escorias: Reducción directa del manganeso:

MnO + C Mn + CO Reducción directa del silicio:

SiO2 + 2C 2CO + Si Reducción del fósforo:

(CaO)3P2O5 + 3SiO2 3CaO SiO2 + P2O5 P2O5 + 5C P2 + 5CO

V ZONA: 1,550° A 1,800° C (ZONA DE COMBUSTION) Las reacciones que en esta zona se producen son: Reacción de combustible, exotérmica:

C + O2 CO2

C + ½O2 CO Desulfuración de la fundición:

MnS + CaO + C Mn + CO + CaS FeS + CaO CaS + FeO

La alta temperatura reinante favorece la desulfuración del Mn Y del hierro. Los sulfuros de calcio y manganeso se incorporan a la escoria final

VI ZONA: 1,500° A 1,560 ºC (SEPARACION METAL-ESCORIA)

En esta zona se produce un descenso de temperatura, como consecuencia de la absorción de calor exigida por las reacciones endotérmicas anteriores, por estar por debajo de la zona de activación de la combustión, la cual es más intensa en el plano de las toberas que introducen aire y además por las perdidas por irradiación, así como también por la refrigeración de las paredes del crisol y etalaje.

FeO + C Fe + CO

MnO + C Mn + CO

SiO2 + C Si + 2CO

6. REACCIONES DE FORMACION DEL LA ESCORIA

Impurezas que no se funden: (CaO, MgO, Al2O3)

Impurezas que parcialmente se reducen:

(SiO2, MnO, S, FeO)

FeO + SiO2 FeO. SiO2

MnO + SiO2 MnO. SiO2

CaO + SiO2 CaO.SiO2

P2O5(CaO)3 + SiO2 3CaO. SiO2 + P2O5

P2O5 + 5C 2P + 5CO

Impurezas que forman silicatos

Desulfuración

MnS + CaO + C Mn + CaS + CO

FeS + CaO + C Fe + CaS + CO

CaCO3 CaO + CO2

Descomposición del fundente (Caliza)

7. COLADA (ARRABIO)

Se realiza en un recipiente o en unos coches llamados torpedos, siendo la composición del arrabio:

ANALISIS C Mn Si S P

STANDART 3.8/4.4 - 0.3/0.8 Max. 0.05 Max. 0.05

PROMEDIO 4.10 0.042 0.50 0.035 0.045

Se producen generalmente tres clases de arrabio, según la composición que se da a la carga: el gris, el blanco y el atruchado.

El lingote gris contiene 3 a 4 %C, en forma de escamas grafíticas. Tiene aspecto cristalino o granular y es de color gris oscuro. Su T° fusión es mas alta que la del lingote blanco, pero es mas fluido cuando esta fundido.

En el lingote blanco, todo el C esta combinado con el Fe en forma (Fe3C). Su aspecto es blanco, y algunas veces cristalino. Es más duro y frágil, que el lingote gris. Funde a < T° pero es menos fluido; no se utiliza para fundición.

El lingote atruchado es un tipo intermedio entre el gris y el blanco y contiene carburo combinado y en forma de grafito. Su aspecto es de una matriz de hierro blanco con manchas grises.

IMPUREZAS DEL ARRABIO manganeso, silicio, fósforo y azufre. En su mayor parte,

proceden de la ganga de los minerales, excepto el azufre que puede ser aportado por el coke.

(P O4)2Ca3 + 3 SiO2 P2O5 + 3 SiO3Ca El anhídrido fosfórico es reducido por el carbono

P2O5 + 5C 2P + 5 CO Y el fósforo pasa en su mayor parte al hierro en forma

de fosfuro férrico, según la reacción:

3 Fe + P Fe3 P

El azufre, es introducido en el alto horno sobre todo por el cok en forma de sulfuro o de sulfato.

FeS + CaO CaS + FeO La desulfuración por el manganeso se realiza con

arreglo a la siguiente reacciónFeS + MnO MnS + FeO

también el manganeso (Mn) procedente de la reducción del oxido de manganeso (MnO) reacciona con el FeS.

Mn + FeS MnS + FeEn resumen: La desulfuración por la cal exige un gran consumo de combustible, y la desulfuración por el manganeso una importante aportación, de mineral de manganeso.

8. ESCORIA

Sílice (SiO2) 18 a 38 %

Alumina (Al2O3) 8 a 27 %

Cal (CaO) 30 a 50 %En general, la suma de la alumina y de la sílice suele variar de 45 a 55 %.

Es el sub producto de la fabricación del arrabio en el alto

horno

se suele decir “No se hace hierro en el alto horno, se hace

escoria”.’ Es decir, que si el horno produce “buena

escoria», el funcionamiento del horno y el arrabio obtenido

serán también buenos.

Las escorias empiezan a formarse hacia los 700° a 800° SiO2FeO „ SiO22FeO „ SiO2MnO

Estos tres silicatos, al descender con la carga por el horno, reaccionan al llegar a los 1.100°, con la cal (CaO), formada de 800° a 900°, teniendo lugar las siguientes reacciones SiO2 FeO + CaO SiO2CaO + FeO

SiO22FeO + 2CaO SiO22CaO + 2FeO

SiO2MnO + CaO SiO2CaO + MnO

Diagrama ternario SiO2 – Al2O3.-CaO

GASES DE HORNO ALTO

Se obtiene 6.000 kg. (4.500 Nm3) de gases por Tn de arrabio, a T°s de 800° a 900° con una potencia calorífica media de 900 Kcal./Nm3.

Una vez depurados en los separadores de polvo se aprovechan los gases para:

Caldear el aire que se inyecta por las toberas de los altos hornos, en las estufas Cowper.

Como combustible para caldeo de los hornos de cok, hornos de fosa para laminación, etc.

Para producción de fuerza en motores adecuados. Para producción de energía eléctrica.

Composición aproximada en volumen de estos gases

Calculo de la altura total del alto horno:H = 6.44.V0.22 m

Siendo V el volumen útil en m. La altura útil del horno:

Hu = 0.88 H m. Altura del crisol:

hc = 0.115 Hu m. Diámetro del crisol:

dc = 0.32 V0.45 m. Altura del vientre:

hv = 0.08 Hu m. Diámetro del vientre:

D = 0.5 V0.4 m. Altura do la cuba:

h cuba = 0.69Hu - 3.0 m. Altura del tragante:

ht = 0.105Hu m. Diámetro del tragante:

dt = 0.30 V0.36 m. Altura del etalaje:

he = 3.0 a 3.5 m. El ángulo de la cuba = 83 - 86° y el ángulo del etalaje B = 79 a 82º

DISEÑO DEL ALTO HORNO

PROBLEMA:PROBLEMA:Que cantidad de mineral necesario, se necesita para obtener 1 ton.

De arrabioDatos:

Composición del mineral:Fe2O3 ---------- 79 % SiO2 --------------- 12 %

MnO ------------ 2.5 % Al2O3-------------- 3 %

P2O5 ----------- 2.5 % H2O---------------- 1 %

Composición de las escorias: En las escorias se encuentran 0.5 % de Fe utilizado.

Composición del Arrabio obtenidoFe------------ 92.6 % Mn ----------------0.9 %Si ------------ 2.0 % P ------------------ 0.7 %C ------------ 3.6 % S ------------------ 0.2 %

Determinando la cantidad de hierro que contiene una tonelada de mineral.Base: 1000 Kg.

Peso del Fe2O3 = 1000Kg X 0.79 =790 Kg

Peso atómico del Fe = 56, y del O2 = 48

Fe2 = X

Fe2O3 790

por lo tanto:X = 790 x 112 = 553kg

160Contenido de hierro: 553 Kg/t de mineral

Calculo del contenido de hierro que pasa a la escoria553 x 0.005 = 2.765

Contenido de hierro útil:553 – 2.765 = 550.235 Peso del mineral para obtener una tonelada de arrabio.Del análisis se tiene: 92.6 % Fe1000 kg x 0.926 = 926 t/ ton de arrabioEntonces:1000 Kg 550.235 t/ton de arrabio X 926 t/ton de arrabio

X = 1000 x 926 X = 1682.91 kg/ton de arrabio 550.235

Rta: Para 1 ton de arrabio se necesita 1682.91 kg de mineral/t de arrabio

790 kg Fe2O3 112 kg Fe

1Ton Mineral 160 kg Fe2O3=

594,21 kg Fe 1 Tn de Mineral

1000 kg Fe X Tn de mineral

x 553 kg Fe/ Tn Mineral

553 x 0.005 = 2,765 kg Fe

553 x 2.765 = 550,235kg Fe

550,235kg Fe 92.6 %

X kg Fe 100 %X = 594,21kg Fe

X = 1,683kg Mineral

Calculo del peso del arrabio

Calculo del peso Útil del Fe

Calculo del peso del Fe que pasa a la escoria

Calculo del peso Real del Fe (arrabio)

Calculo del peso del mineral para 1 Tn Fe (arrabio)

G r a c i a s