CINÉTICA Y REACTORES (MET 245)

DESCARBURACIÓN DEL ACERO MEDIANTE

HORNOS DE INDUCCIÓN.

1. INTRODUCCIÓN

Todos los procesos químicos industriales presentan en su funcionamiento reacciones específicas que nos indican el objetivo de su proceso. Cada reacción, cada etapa de un proceso tiene una determinada cinética que nos muestra que bajo condiciones apropiadas una determinada sustancia o cantidad de materia puede llevar a cabo una transformación, y por ende podemos hablar de productos sin embargo un solo proceso puede llevarse a cabo de diferentes formas, es decir que si hablamos de reacciones químicas vamos a clasificarlas homogéneas y heterogéneas, demostrando así que el funcionamiento no es el mismo cuando se imponen diferentes condiciones.

Específicamente hablando de los hornos de inducción que nos muestran un procedimiento de fusión de diferentes metales tienen una aplicación importante y bastante amplia ya que la tecnología que implican comparada con otro tipo de reactores es superior y eficaz sin embargo también hay que recordar que como en toda ejecución se tiene ciertas desventajas comparadas con otro tipo de operaciones similares.

Debemos recordar que la inducción es un método de calentamiento sin contacto ni llama, que puede poner al rojo vivo en segundos, una sección determinada de una barra metálica con gran precisión. El calentamiento por inducción se emplea industrialmente para múltiples aplicaciones como tratamientos térmicos, principalmente temple, revenido y normalizado por inducción; generación de plasma, procesos de unión como braseado y soldadura, forja y por supuesto fundición por inducción.

La fundición por inducción supera en el sentido en que es extremadamente rápida, limpia y uniforme cuando se realiza correctamente es tan limpia que permite omitir la fase de purificación necesaria con otros métodos; el calor uniforme inducido en el metal también contribuye a un resultado final de alta calidad ya que los sistemas de hornos de inducción modernos tienen avanzadas características tecnológicas.

Para hablar de hornos de inducción hay que remontarse a los años 50 cuando la industria de la fundición se da cuenta de las ventajas económicas de los sistemas eléctricos frente a la producción con otras clases de hornos. A mediados de los 70 se convierten en la mejor opción para fundir materiales ferrosos y no ferrosos y en los 80 surgen unidades de alta potencia y frecuencia que demuestran mayor eficiencia y productividad. Convirtiéndose así en la manera preferida de fundir metales.

2. FUNCIONAMIENTO

En general este tipo de hornos por el consumo de energía eléctrica se utilizan en países donde esta es relativamente barata al igual que el alto horno se puede utilizar para la reducción de óxidos metálicos, es decir que se pueden utilizar en un tratamiento para la

mena de hierro mediante electricidad. Con respecto al alto horno, como sabemos este requiere generar calor y lo hace por combustión del coque generando una cantidad considerable de gases mientras que en un Horno de Inducción y debido a que no se suministra aire en el proceso el volumen de los gases generado es mucho menor comparado con el alto horno.

Aun así la reducción de los minerales se la realiza también con coque y básicamente se rige a la siguiente reacción:

Fe2O3+3C→2 Fe+3CO

Básicamente los hornos de inducción son equipos eléctricos que utilizan una corriente inducida para fundir la carga (material). Es decir consisten en una unidad de potencia o inversor que inyecta corriente de frecuencia alterna y variable a una bobina, la cual contiene una sección de cobre reforzado y alta conductividad maquinada en forma helicoidal; la corriente que pasa por la bobina forma un campo electromagnético. La fuerza y magnitud de este varía en función de la potencia y corriente que pasa a través de la bobina y su número de espiras.

La energía calorífica se logra por efecto de la corriente alterna y el campo electromagnético que generan corrientes secundarias en la carga el crisol es cargado con material que puede ser chatarra, lingotes, retornos, virutas u otros. Cuando el metal es cargado en el horno, el campo electromagnético penetra la carga y le induce la corriente que lo funde; una vez la carga esta fundida el campo y la corriente inducida agitan el metal, la agitación es producto de la frecuencia suministrada por la unidad de potencia la geometría de la bobina, densidad, permeabilidad magnética y resistencia del metal fundido.

El rango de capacidades de los hornos de inducción abarca desde menos de 1 kilogramo hasta 320 toneladas. El rango de frecuencias de operación de los hornos de inducción va desde la frecuencia de red (50 o 60Hz) hasta los 10KHz, en función del metal que se requiere fundir, la capacidad del horno y la unidad del inversor. Frecuencias menores generan más turbulencias en el metal y reducen la potencia que puede aplicarse al metal fundido.

Existen dos tipos de hornos de inducción: el horno sin núcleo de alta frecuencia, el cual consta en un crisol totalmente rodeado de una bobina de cobre, enfriada por agua a través de la cual pasa la corriente que genera el campo magnético lo que calienta el crisol y funde el metal en su interior.

Estos hornos se emplean en la mayoría de aleaciones ordinarias, su temperatura máxima solo está limitada por el refractario y la eficacia del aislamiento frente a las pérdidas del calor. Los sistemas de alta frecuencia facilitan un buen control de la temperatura y la composición, cuentan con capacidades desde 3 onzas para fundir oro hasta 320 toneladas para galvanización de zinc y tiene ventaja en producir un metal muy puro. Dado que se presenta una fuerte acción de agitación electromagnética durante la calefacción

por inducción este tipo de horno tiene excelentes características de mezcla para aleaciones y para agregar nuevas cargas de metal.

El otro tipo, llamados horno de núcleo o de canal, de baja frecuencia (60Hz), estos equipos tienen una bobina que rodea una pequeña porción de la unidad; es decir la bobina o bobinas hace las veces de primaria y el bucle o movimiento cerrado del propio metal fundido, de secundario; como el secundario tiene una sola espira este se induce a sí mismo una corriente eléctrica de baja tensión y gran amperaje que produce el calor necesario para fundir.

Lo que quiere decir que para iniciar el funcionamiento de un horno de inducción de baja frecuencia debe emplearse un poco de metal fundido, de modo que forme el secundario. En estos equipos la velocidad de calentamiento es muy elevada y la temperatura se controla fácilmente lo que hace que dichos hornos sean muy útiles y se empleen ampliamente en el mundo.

Ventajas y desventajas del horno de inducción

Las ventajas son las siguientes:

- Los hornos son siempre rebatibles, sea mecánica o hidráulicamente.- Las pérdidas de material por oxidación son mínimas, son funcionalmente

económicos y por ende hay una producción de gran calidad.- Supresión de electrodos, que implica una economía en gastos de funcionamiento

por el menor consumo de energía eléctrica.- Son menos riesgosos para la planta de fundición.

- No hacen demasiado ruido.- Es limpio y eficiente desde el punto de vista energético.- Costos de operación más bajos en diferentes aspectos como la materia prima

(refractaria, electrodos, consumibles, etc.) - Operación amigable con el medio ambiente, quizás una de sus mayores

fortalezas. Reduce además requerimientos para la recolección del polvo resultante.

Las desventajas son las siguientes:

- Si se cuenta con factores de potencia relativamente bajos, obligaría a acoplar bancos condensadores.

- Gasto de instalación elevado.

Habiendo presentado los antecedentes de este tipo de hornos es posible escoger la función que van a desempeñar estos según el requerimiento de cada proceso, generalmente como se había mencionado estos hornos son utilizados para la fusión de elementos metálicos, sin embargo también se utilizan para el proceso de afino del acero.

El objetivo principal de los procesos de afino es la descarburación y eliminación de impurezas a las que se somete el arrabio, que es material fundido que se obtiene en el Alto Horno mediante la reducción del mineral de hierro, y que se utiliza como materia prima en la obtención del acero.

La principal característica de dichos procesos de afino en los hornos eléctricos, respecto de los demás tipos de horno es que el metal puede ser tratado sin intervenir el aire atmosférico, con lo cual se evita calentar inútilmente gases inertes y siendo la fuerte concentración de calor favorable por disminuir las perdidas por conducción y radiación; así se logran productos con pocas impurezas y de gran calidad.

Clasificación según revestimiento

Los hornos de inducción pueden tener revestimiento ácido (cuarcita o arena silícea), neutro (alúmina) o básico (magnesia o dolomita). El revestimiento ácido se emplea para aceros corrientes al carbono o cuando se dispone de chatarras de muy buena calidad. Para aceros muy aleados el revestimiento ácido no sirve pues aparte de su menor resistencia piroscópica se producirán reacciones metal-escoria-revestimiento que atacarían el refractario y rebajarían la calidad y aleación del acero. Por ello, para estos aceros de alta aleación se emplean refractarios básicos, especialmente magnesia. También es válida la alúmina que es bastante versátil. El crisol se construye en el mismo horno por atacado del refractario entre la bobina inductora de cobre y un molde cilíndrico de chapa que tiene la forma y dimensiones que ha de tener el crisol.

Calentamiento del horno

El calentamiento por inducción utiliza las propiedades del campo magnético para la transferencia de energía eléctrica en energía calórica, sin recurrir al contacto directo. La

bobina de los hornos de inducción es de cobre. Se consigue un mayor rendimiento en la fusión del material producto del campo eléctrico, cuanto más delgada sea la pared refractaria. Debido a esto, la bobina debe ser refrigerada internamente con agua. La temperatura de la bobina no debe pasar los 45°C, ya que a los 60°C se favorece la formación de incrustaciones que tienden a cerrar los canales.

La intensidad de las corrientes inducidas es función de la potencia de la bobina, que a su vez es proporcional al volumen de material a ser fundido.

La frecuencia de alimentación de la bobina es uno de los parámetros importantes de los hornos a inducción, cuya definición está íntimamente ligada a la aplicación del horno.

Los hornos de inducción se pueden clasificar por su frecuencia de trabajo como:

- Hornos de baja frecuencia o frecuencia de línea si esta corresponde a la frecuencia de la corriente suministrada exteriormente: 50 o 60Hz.

- Hornos de media frecuencia: 200 a 10000Hz.- Hornos de alta frecuencia: sobre 10000Hz.

Los hornos de inducción específicamente utilizados para la fusión de metales se subdividen en:

- Hornos de canal.- Hornos de crisol.

Los primeros operan siempre a la frecuencia de la red (50-60Hz), mientras que los segundos en función del tamaño del equipo, de la aplicación y la potencia, pueden ser de baja frecuencia (50-60Hz), de media frecuencia (150 a 10000Hz) y, en casos muy especiales, de alta frecuencia (más de 10KHz).

El calor generado por inducción en la carga se transmite al resto de la carga por conducción en estado sólido, por convección en estado líquido y produciéndose pérdidas

por radiación y convección al ambiente, y por conducción a través del revestimiento del horno.

En los hornos de fusión de crisol el calor conducido en la carga eleva su temperatura, en un tiempo corto, provocando fusión en la periferia. Como consecuencia de las fuerzas electromagnéticas que se originan se produce un movimiento de metal fundido que provoca la introducción de metal sólido en la colada, dando lugar a un baño fundido de temperatura prácticamente uniforme.

- Transmisión de calor en la carga.- al inicio, la transformación del calor se transmite por conducción en estado sólido. Se aprecian tres periodos transitorios hasta la fusión de la carga.

Un periodo inicial en que la temperatura superficial sube rápidamente.

Un periodo de elevación permanente en toda la masa que termina con la disgregación de toda la masa.

Un periodo de empapamiento en que tiende a igualarse a la temperatura en toda la masa debido a la inminente fusión.

Durante la etapa liquida, la transmisión de calor por convección es parecida al mecanismo de convección natural debido al flujo laminar que adquiere el metal durante el movimiento debido a las fuerzas electromagnéticas. Debido a que el gradiente de temperatura es mínimo, se puede considerar a este mecanismo casi nulo.

- Perdidas de calor por radiación.- tienen escasa importancia, pero se toma en cuenta en los balances energéticos finales. La pérdida de calor se produce por la boca del horno y cuando la carga se encuentra en estado líquido por lo que emite radiación en forma de luz.

- Perdidas de calor por convección.- además de las pérdidas de calor por radiación, se produce pérdida de calor por convección natural, que pueden calcularse.

- Perdidas de calor por conducción.- se presenta en los hornos de fusión, en forma representativa, a través del revestimiento refractario, desde el interior del crisol hacia la bobina de cobre enfriada por agua.

- Perdidas por el agua de enfriamiento.- el agua utilizada en este tipo de hornos enfría bobinas, placas exteriores, calderería sujeta a campo magnético, fondo del horno, cables flexibles, circulación por tuberías apropiadas.

Estas pérdidas comprenden las generadas por el efecto Joule y pérdidas a través del revestimiento refractario.

Hornos de Canal

Los hornos de canal se utilizan preferentemente para mantenimiento de la temperatura de un baño de metal líquido. El principal elemento del horno es un canal cerrado de revestimiento cerámico, que es llenado con metal procedente del baño del horno.

Un horno de canal está constituido básicamente por:

- Un inductor compuesto por núcleo magnético cerrado, una bobina primaria y un anillo secundario de metal fundido que llena un canal de material refractario.

- Un cuerpo de horno situado encima o a un lado del inductor cuya capacidad del metal es netamente superior a la del canal.

El principio de funcionamiento es el mismo de los transformadores eléctricos: el paso por el primario de una corriente alterna de frecuencia normal produce un campo magnético, también alternativo, que se canaliza por el núcleo de chapa magnética y da lugar a una corriente inducida en la espira única de metal fundido. Dicha corriente eléctrica inducida se transforma en calor por efecto Joule, elevando consiguientemente su temperatura.

Hornos de Crisol

Los hornos de crisol no requieren núcleo ni metal fundido siendo la bobina primaria tubular, refrigerada y enrollada alrededor del crisol.

Este tipo de horno se utiliza con preferencia para la producción de aceros y aleaciones especiales. Generalmente son de media o alta frecuencia y el equipo eléctrico requiere de un motor generador de alta frecuencia, además de un equipo de condensadores para regular la corriente, junto con un transformador para reducir el voltaje.

En un sistema de fusión inductiva los parámetros que están íntimamente ligados son:

- Material a ser fundido, determinado por el usuario.- Tamaño del horno, determinado generalmente por el tamaño de la mayor pieza

producida.- Potencia, según la producción por hora necesaria.- Frecuencia, de acuerdo con los tres parámetros anteriores.

En función de dichos parámetros, el fabricante podrá determinar la mejor combinación y suministrar el equipamiento más adecuado.

Los hornos de baja frecuencia normalmente son de gran capacidad de unas 6 a 60Ton. Con potencias de 1000 a 17000KW.

Los hornos de media frecuencia varían desde pocos kilogramos (2Kg) a 10000Kg con frecuencias entre 200Hz a 10000Hz y potencias desde unos pocos KW (3KW) a 3000KW o más.

La fundición se hace rápidamente y antes de terminar se introducen al horno los desoxidantes y si es necesario las adiciones de aleación.

Las ventajas de este método es que en él se puede calentar el metal a temperaturas muy altas y sin grandes dificultades hacer la fundición al vacío, por eso, además de producir aceros normales, se pueden producir aceros especiales como los inoxidables, los termorresistentes y otros de destinación muy especial.

Reacciones químicas en el proceso de afino mediante un horno de Inducción

Anteriormente se había mencionado algunas aplicaciones que tienen los hornos de inducción siendo su mayor utilización en la fundición de metales o aleaciones, sin embargo también es posible llevar a cabo la afinación de un acero pero hay que tener en cuenta algunos inconvenientes o limitaciones como por ejemplo algunas reacciones son casi imposibles en este proceso teniendo como las principales etapas las siguientes:

Dentro del proceso coexisten tres fases distintas: atmosfera, escoria y el baño metálico. Dentro de la nomenclatura generalmente utilizada, las concentraciones de la fase gaseosa se indican entre llaves . Las correspondientes a la escoria entre paréntesis (), mientras que las concentraciones de baño metálico se representan con una raya debajo.

El proceso en si comienza cuando el oxígeno soplado se disuelve en el baño metálico según la siguiente reacción:

½ O2 ------→ O

Habiéndose disuelto el oxígeno dentro del baño metálico, se combina con el hierro disuelto formando óxido ferroso que va a la escoria:

Fe + S ----------→ (FeO)

Es así como se produce la re monición del carbono, silicio y manganeso, ya sea por acción directa del oxígeno o a través de la escoria altamente oxidada:

Carbono: C + O -----------→ CO

C + (FeO) -------→ CO + Fe

Silicio: Si + 2O ---------→ (SiO2)

Si + 2(FeO) -------→ (SiO2) + 2Fe

Manganeso: Mn + O --------→ (MnO)

Mn + (FeO) -----→ (MnO) + Fe

Las anteriores reacciones son las principales debido a que la desfosforación y la desulfuración por ejemplo son más difíciles de realizar en este horno por las condiciones que requieren por eso es preferible usar en estos casos un horno de arco eléctrico.

Cuando tenemos carbono en el baño metálico, en este tipo de hornos es posible la descarburación pero es preferible tratar con aceros bajos en carbono. Como en todo proceso que tiene en si diferentes reacciones químicas, existe una reacción principal que es la controlante; en este caso no todas las reacciones se llevan a cabo ya que es posible que elementos o impurezas existan en menor cantidad o no existan así como también puede interferir en la velocidad del proceso la presencia de otros elementos como el azufre que no es tomado en cuenta por los antecedentes mencionado.

En este caso como se había mencionado existe una reacción principal que controla el proceso y debido a que un acero contiene una gran cantidad de carbono cuando sale del alto horno por ejemplo (arrabio), cerca del 4%, la finalidad principal es eliminar la mayor cantidad posible de carbono para obtener un acero de composición deseada, por este motivo la reacción principal y la que se va a estudiar en este trabajo es la de descarburación.

3. CARACTERÍSTICAS DEL REACTOR EMPLEADO

Para nuestro estudio vamos a considerar un horno de inducción de alta frecuencia.

En esta sección vamos resumir las características que tienen este tipo de hornos ya que la descripción a grandes rasgos se la realizo en los subtítulos previamente explicados.

Como bien conocemos los principios de funcionamiento de este horno son la generación de calor por la inducción eléctrica a un medio conductivo (un metal) en un crisol alrededor

del cual se encuentran enrollados bobinas magnéticas. El principio de calentamiento de un metal por medio de la inducción fue descubierto por Michael Faraday en 1831.

Un horno consta de una bobina inductora de forma cilíndrica que se reviste interiormente de un material refractario, dejando espacio para el crisol donde se funde la carga. Este conjunto va dispuesto dentro de una estructura metálica de gran rigidez. En hornos de capacidad reducida, la estructura metálica es de acero, lo que implica la instalación de núcleos magnéticos que recojan el flujo magnético desde el exterior para evitar calentamientos en la estructura.

La corriente eléctrica aplicada a la bobina puede ser de frecuencia de red (50Hz) y media frecuencia (150 a 3000Hz). Frecuencias mayores son muy escasas a nivel industrial. La capacidad del horno varía desde 0,2kg de aluminio hasta 50-60Ton de acero o bronce, pudiéndose llegar a las 1000Ton.

A continuación presentaremos algunos esquemas de los hornos de inducción sin núcleo que será utilizado en el proceso; para comprender mejor las características que se van a mencionar y las que han sido especificadas anteriormente.

Esta sección transversal muestra la estructura básica del horno de inducción sin núcleo, la poderosa corriente eléctrica que recibe la bobina de cobre crea un campo magnético, el cual atraviesa el revestimiento refractario para fundir el material de carga dentro del horno. El flujo de agua a través de la bobina previene a esta de un sobrecalentamiento.

Las bobinas deberán inspeccionarse mensualmente buscando señales de arqueamiento, sobrecalentamiento o decoloración.

Capacidad y frecuencia

Se aplica el concepto de profundidad de penetración, por lo que se supone que el diámetro de la carga fundida debe ser varias veces superior el valor de dicha profundidad.

El factor de multiplicación está en relación directa con el rendimiento eléctrico que se quiera conseguir. En equipos de media frecuencia el transformador principal se conecta a través de un convertidor cuyo rendimiento es de 94 a 97% por lo que el factor de multiplicación es del orden de 5 a 10. El material de la carga también influye en este factor debido a los valores de resistividad y si esta es baja (Cu o Al) el factor se eleva.

Para llegar a la fusión, es necesario que las piezas individuales de la carga tengan un tamaño suficiente, de acuerdo a las anteriores consideraciones aunque el espesor puede bajar hasta 3 veces la profundidad de penetración. Basta con medidas en dos dimensiones. Para una frecuencia de 1000Hz se recomienda 10mm para aceros y fundiciones, 4mm para Cu, 7mm para latones y 5mm para Al. Esto demuestra que se puede fundir virutas pero se recomienda (dada por el fabricante) que l pie de colada no debe ser inferior al 30% de la capacidad del crisol. Además queda definida que la relación altura/colada es de 1,5 se define la capacidad mínima del horno en función de la frecuencia, lo que implica también la potencia transmitida a la carga.

Agitación electromagnética

La corriente eléctrica inducida en la carga es paralela y de sentido inverso a la corriente a la corriente de la bobina inductora, por lo que se produce una fuerza de repulsión entre ambas. Esta fuerza se ejerce sobre el metal fundido dando lugar a la formación de un menisco y la aparición de una fuerza metalostática para compensar la fuerza electromagnética. Este menisco se calcula mediante la siguiente forma:

h=3,22∗10−5 Psδ √ 1

p∗f[m ]

Donde:

Ps= potencia especifica (W/m2)

δ= densidad (kg/m3)

p=resistividad (Ωm)

f=frecuencia (Hz)

La agitación puede interesar para introducir carga ligera o adiciones de baja densidad como grafito o carburo. Es necesaria poca agitación cuando hay oxidación de la colada como en los caeros inoxidables. En los hornos de media frecuencia el circuito resonante del horno se adapta a las condiciones variables de la carga, por lo que es posible aplicar potencia nominal durante todo el periodo de fusión.

La agitación inductiva del baño de metal es la causa principal “normal” de desgaste del revestimiento, el cual es más frecuentemente visto en la interfase del metal/escoria, donde las paredes se juntan con el piso y en los puntos delgados causados por un pobre procedimiento de instalación.

La anterior figura nos muestra un esquema del medio por el cual el campo electromagnético levita el metal y el mecanismo por el cual se forma autocrisol en la base del crisol. La agitación electromagnética proporciona una temperatura y composición uniformes.

Relación entre capacidad, potencia y frecuencia

Capacidad y frecuencia relacionadas con profundidad de penetración y agitación electromagnética llevan a definir valores de potencia específica en función de la capacidad para diferentes frecuencias. Para aceros y fundiciones, para una frecuencia de 1000Hz, una capacidad de 0,2 a 2 Ton se emplea 1300KWh/Ton. La potencia del horno viene determinada por la producción requerida en Ton/h, y el factor de utilización de la potencia que depende del tipo de chatarra, tiempos muertos de carga y descarga, adiciones, mediciones y análisis, colada, limpieza. Con la potencia requerida y la potencia específica máxima se determina para cada frecuencia la capacidad mínima del crisol. Se introduce el concepto de agitación de la colada para conseguir una uniformidad de temperatura y composición y facilitar la absorción de material menudo como virutas. El factor de agitación es función de la potencia, la capacidad mínima y máxima se determina a partir de los coeficientes de agitación correspondientes a cada metal y tipo de chatarra.

Potencia y factor de agitación en media frecuencia.

Para calcular las capacidades máxima y mínima se divide el factor de agitación correspondiente a la potencia en una frecuencia dada, para la gama recomendada por el fabricante. A continuación se muestra en una tabla los valores sugeridos por fabricantes:

Metal Gama recomendadaAcero 0,06-0,125Fundición gris 0,125-0,2Fundiciones aleadas 0,1-0,15Bronce 0,07-0,125Aluminio y aleaciones 0,05-0,2

Coeficientes de agitación y tipo de materiales.

4. REACCIÓN QUÍMICA

Hay muchas maneras de clasificar las reacciones químicas. En la ingeniería de las reacciones químicas probablemente el esquema más útil es el que resulta de dividirlas, de acuerdo con el número y tipo de fases implicadas, en dos grandes grupos: sistemas homogéneos y heterogéneos. Una reacción es homogénea si se efectúa solamente en una fase, y es heterogénea si, al menos se requiere la presencia de dos fases para que transcurra a una velocidad deseada. Es indiferente que la reacción heterogénea tenga lugar en una, dos o más fases, o en la interfase, o si los reactantes y los productos están distribuidos entre las fases o están todos contenidos en una sola fase; lo único que interesa es que se necesitan, al menos, dos fases.

En nuestro caso vamos a estudiar una reacción heterogénea fluido-fluido del tipo líquido-líquido estas reacciones se realizan por alguna de las tres razones siguientes:

- El producto de la reacción de los reactantes inmiscibles puede ser una sustancia que nos interese; estas reacciones son muy numerosas y se presentan prácticamente en todos los campos de la industria química en los que se efectúan síntesis orgánicas. Como por ejemplo las reacciones líquido-líquido tenemos la nitración de sustancias orgánicas con una mezcla de ácidos nítrico y sulfúrico, para dar productos tales como la nitroglicerina. La cloración del benceno líquido y otros hidrocarburos con cloro gaseoso es un ejemplo de reacciones gas-líquido.

- Las reacciones fluido-fluido pueden efectuarse también para facilitar la separación de un componente contenido en un fluido. Por ejemplo, la absorción de una sustancia gaseosa por el agua puede acelerarse añadiendo al agua una sustancia adecuada que reacciones con el soluto absorbiéndolo.

- La tercera razón del empleo de sistemas fluido-fluido es la de obtener una distribución más favorable del producto en reacciones múltiples en fase homogénea de la que podría obtenerse utilizando una sola fase.

La expresión de la velocidad global.- como las sustancias que se encuentran en las dos fases han de ponerse en contacto antes de que puedan reaccionar, en la expresión global de la velocidad de reacción ha de tenerse en cuenta la velocidad de transporte de la materia y la velocidad de la reacción química.

La solubilidad de equilibrio.- la solubilidad de los componentes reactantes limitará su desplazamiento de una fase a otra. Este factor influirá en la forma de la ecuación cinética ya que determinara si la reacción tiene lugar en una fase o en ambas.

El método de contacto.- en los sistemas gas-líquido predominan los esquemas de contacto semicontinuos y en contracorriente; en los sistemas líquido-líquido se emplea el flujo en la mezcla completa (mezclador-sedimentador) y el contacto discontinuo, además de los de corriente directa y contracorriente.

Pueden imaginarse muchas combinaciones posibles de velocidad, equilibrio y métodos de contacto; sin embargo, solamente son importantes algunas en el sentido de que se emplean mucho a escala técnica.

Como se había mencionado para el caso de la descarburación se va a tomar en cuenta la siguiente reacción heterogénea del tipo líquido-líquido:

A (fase líquida) + B (fase líquida) -------→ Productos

C + (FeO) -------→ CO + Fe

Donde, por la nomenclatura que se está utilizando los elementos que tienen una raya debajo son aquellos que se encuentran en el baño metálico, los que están entre paréntesis son los correspondientes a la escoria y por último los de la fase gaseosa están entre corchetes.

5. ECUACIÓN QUÍMICA QUE LA RIGE (VELOCIDAD CINETICA)

Por comodidad llamaremos a las dos fases fase A (C) y B (FeO). Por otra parte supondremos que el reactante A líquido es soluble en el líquido (baño metálico) pero que el reactante B no es soluble en A. por consiguiente antes de que A pueda reaccionar ha de penetrar y moverse dentro de la fase líquida y la reacción se efectuara solamente en esta fase.

Ahora bien si la expresión global de la velocidad ha de tener en cuenta la resistencia al transporte de materia (para poner en contacto los reactantes entre sí) y la resistencia de la etapa de reacción química. Como el valor relativo de estas dos resistencias puede variar ampliamente tendremos una inmensa gama de posibilidades y como cada caso requiere un análisis particular, nuestro primer problema cosiste en identificar estos regímenes cinéticos y seleccionar aquel que se ajuste a la situación física considerada.

De acuerdo con la teoría de la doble capa de Lewis y Whitman (1924) a continuación se presentan los distintos casos que pueden presentarse cuando el valor relativo de las velocidades de transporte de materia y de reacción química varían de un extremo al otro. Empezaremos por la etapa de reacción infinitamente rápida.

a) Reacción instantánea con respecto al transporte de material. Como en elemento del líquido puede contener A o B, pero no ambos componentes, la reacción se efectuara en un plano situado entre el líquido que contiene A y el líquido que contiene B por otra parte como los reactantes han de difundirse hasta alcanzar este plano de reacción, las velocidades de difusión de A y B determinaran la velocidad global, de tal manera que al variar CA o CB este plano se desplazara en un sentido o en el contrario.

b) Reacción instantánea; CB alta. En este caso especial el plano de reacción se desplaza a la interfase líquido-líquido; por consiguiente, la velocidad global estará controlada por la difusión de A a través de la película gaseosa. Un aumento de CB

por encima del valor mínimo necesario para que el plano de reacción sea el de la interfase no influirá sobre la velocidad global.

c) Reacción rápida; cinética de segundo orden. El plano de reacción correspondiente al caso A se convierte ahora en una zona de reacción en la que están presentes A y B. Sin embargo, la reacción es lo suficientemente rápida para que esta zona de reacción permanezca totalmente dentro de la película líquida. Por lo tanto A no alcanza el seno del líquido para reaccionar en la masa global del mismo.

d) Reacción rápida; CB alta y por lo tanto la cinética es de pseudo primer orden. Para este caso especial, en el que CB no desciende apreciablemente dentro de la película, podemos suponer que permanece constante en toda la película y la cinética de reacción de segundo orden (caso c) se simplifica para dar la expresión cinética de primer orden, que resulta más fácil de resolver.

e) Velocidad intermedia con respecto al transporte de materia. En estos casos la reacción es lo suficientemente lenta para que parte de A se difunda a través de la película hasta el seno del fluido. En consecuencia, A reacciona tanto dentro de la película como en el seno del fluido.

f) Velocidad intermedia con respecto al transporte de materia. Resulta de la misma forma que el inciso (e).

g) Reacción lenta con respecto al transporte de materia. Este caso resulta curioso debido a que toda la reacción se efectúa en el seno del líquido; sin embargo, la película líquida todavía presenta una resistencia al transporte de A hacia el seno del líquido.

h) Reacción infinitamente lenta. En este caso la resistencia al transporte de materia es despreciable, son uniformes las composiciones de A y B en el líquido y la velocidad viene determinada solamente por la cinética química.

Para explicar la cinética de la reacción que estamos estudiando debemos decidir si nuestra reacción es rápida o lenta, según los conceptos previamente mencionados vamos a clasificar a la reacción en el caso (e), el cual nos indica que la reacción es lo suficientemente lenta para que parte de A que es el carbón en el baño metálico (C), reaccione dentro de la película (interfase baño metálico-escoria) como en el seno del líquido. La reacción tiene una velocidad intermedia con respecto al transporte de materia.

A (fase líquida) + B (fase líquida) -------→ Productos

C + (FeO) -------→ CO + Fe

Estos casos representan el comportamiento general en que la reacción se efectúa tanto en la película como en el seno líquido. Hatta (1929) fue el primero que estudio este problema; sin embargo no se dispone todavía de expresiones exactas generales de la velocidad para este régimen, y aun para los casos especiales, las ecuaciones resultantes son bastante complicadas.

Para nuestro objetivo es suficiente saber que la velocidad depende tanto de la superficie de interfase como el volumen del líquido. Por consiguiente la relación:

a i=SV l

= superficiede interfasevolumendel líquido

Será un parámetro de este régimen.

Por consiguiente para conseguir un modelo o ecuación de velocidad podemos escribir:

−1Sd N Adt

=K A (l )(CAi−CA)

Y−1V l

d N Adt

=KC ACB

Efectuando operaciones resulta:

(−r A )=CAi

1KBM aA

+ 1K l aA E

+ 1K βCBo

Donde:

a A= parámetro que depende de la superficie de la interfase y el volumen del líquido, en nuestro caso el volumen del baño metálico.

E= factor de crecimiento viene dado por la relación:

E= velocidad dereacciónvelocidad de transporte demateria

β= retención líquida; representa el volumen de líquido retenido por unidad de volumen de reactor.

K= coeficientes de transporte de materia en la fase líquida.

6. COMO MEJORAR EL PROCESO

El proceso estudiado es la descarburación del acero y como sabemos forma parte de las reacciones de afino de este, sin embargo por la cinética de la reacción podemos mencionar algunas opciones para mejorar el proceso:

- Regular el consumo de energía, la potencia transmitida y el tiempo de operación, todo esto con la finalidad de ahorrar en la economía del proceso.

- Usar capacitores para elevar el factor de potencia.- Para cargar el horno, debe hacerse de tal modo que la carga sea lo más compacta

posible. - Según el tipo de acero a refinar se sugiere utilizar diferentes tipos de refractario.

Por ejemplo se debe usar refractario ácido en el siguiente caso. Este refractario debe presentarse como cemento refractario que soporte 1700°C de temperatura como mínimo. En el caso que el refractario sea neutro o con alto contenido de alúmina, se recomienda incorporar a la mezcla sílice para darle un carácter ácido. Generalmente para los hornos de inducción el refractario ácido puede ser de cuarcita o arena silícea. El revestimiento ácido se emplea para aceros corrientes al carbono o cuando se dispone de chatarras de muy buena calidad.

- Se ha mencionado anteriormente que la temperatura que el refractario soporte debe ser por lo menos 1700°C, esto debido a que la descarburación es una reacción exotérmica, en la que el horno tendría una energía adicional que deberá ser evacuada por el sistema de enfriamiento, en forma no uniforme sino de imprevisto, lo que acarrearía problemas en el refractario.

7. ECONOMÍA DEL HORNO DE INDUCCIÓN

Para comenzar el proceso debemos elegir un horno de inducción, a la hora de escoger uno adecuado a las necesidades que se presenten, conviene evaluar detalladamente entre otros los siguientes aspectos:

- Precio por KW/h de la zona donde será instalado el horno.- El precio por kilo de las piezas que serán producidas.- Todos los costos asociados con la producción adicional.

Tomando en cuenta la producción debemos considerar:

- Horas trabajadas al día.- Días trabajados al mes.- Necesidad de kilos fundidos por hora teniendo en cuenta la cantidad de metal

perdido en los sistemas de alimentación y por rechazos.- Tamaño de la pieza más grande y la más pequeña que serán fundidas y su

respectivo porcentaje dentro de la producción total.- Características, calidad y porcentaje de material de carga que será fundido

(chatarra, retornos, lingotes y otros).- El proceso que será utilizado, ya sea solamente fusión, sostenimiento,

calentamiento o la combinación de dichos procesos.- Los tipos de aleaciones que se van a producir, si es otro tipo de tratamiento que no

sea la refinación del acero.- Temperatura del metal cuando se bascula del horno a la cuchara.- Temperatura a la que se cuelan las piezas.

8. BIBLIOGRFÍA - Gualda Contreras Ignacio, Mejoras en el Proceso de Desoxidación de Acero en

Horno de Inducción, Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales y de Telecomunicación (Universidad de Cantabria), 2012.

- Portilla Carrera Efraín M., Elaboración de un procedimiento para fundir acero de medio carbono en el horno de inducción para el laboratorio de fundición, Escuela Politécnica Nacional (Ecuador-Quito), 2012.

- Wanagoff Nicolás, Hornos Industriales. - http://www.metalactual.com/revista/20/maquinaria_hornos.pdf

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES.FACULTAD DE INGENIERIA.INGENIERÍA METALÚRGICA Y DE MATERIALES.

DOCENTE: ING. CARLOS VILLCA

ALUMNO: UNIV. MAURICIO ORLANDOANTEZANA CARVAJAL

MATERIA: CINÉTICA Y REACTORES(MET-245)

GESTIÓN: I / 2014

PROYECTO:

DESCARBURACIÓN DEL ACERO MEDIANTE

HORNOS DE INDUCCIÓN