siderurgia ii

Universidad nacional “José Faustino Sánchez Carrión”Siderurgia II

1. Un convertidor Bessemer experimental purifica un arrabio que contiene Fe, 93%; C, 4; Si, 2; Mn, 1. La carga es de 22 tons. El Fe que asciende al 5% de la carga se oxida a velocidad uniforme. En el caso a, el convertidor trabaja con el aire ordinario; en el caso b, con aire enriquesido al 30% de O2. Temperatura promedio de la acero líquido, 1,500°C.

Calcular:1. Si en el caso a él soplado dura 15 min, ¿Qué tiempo durara el caso b, teniendo los

ventiladores el mismo número de revoluciones por minuto?2. Calcular para ambos casos el exceso de calor generado, sin considerar el calor

transportado por los gases, por cada periodo.

Solución:

Si =440 kg. Si + 0 = SiO2; =32/28x440=503 kg

Mn = 220 Mn + 0=Mn0; 0= 16/55x 220=64

C = CO = 660 C+O = CO; O =16/12 x 600 =880

C = CO2 = 220 C+O = CO2 ; O = 32/12x 220 =587

Fe = FeO =1,100 Fe +O =FeO; =16/56x 1,100 =314

Total =2,348 kg.

2,348 x22.4/32=1,644 m de O2 =7,829 de aire del caso a.1,644/0,30= 5,480 m de aire empleado para el caso b.Tiempo de soplado del caso b. 5,480 x 15/7829= 10,5 min. (1)

Caso a: cálculo del tiempo de soplado de cada periodo:

2,348/15 = 157 kg de O suministrado por un minuto.(503 +64)/157 = 3.621 min para el primer periodo sin Fe.(880+587)/157 = 9.34 min para el segundo periodo sin el Fe.314/157 =2.0 min para oxidar el fe.Tiempo total del primer periodo = 3,61+3.61/2,95x2,0 min= 4,2min.Tiempo total del segundo periodo= 9,34+9,34/12,95x2,0 min= 10,8min.

Calor generado en el primer periodo:

Si =440 x 7,160 =3´150,400 kcal

Mn =220 x 1,757 =386,540

Fe =3.61 x1,100 x 1,151 = 352,944 3´889,884 Kcal.

Volumen de los gases: N2 del aire = 0.79 x 7,829/15 x 4.2 = 1,732m3.

Su contenido calor específico es:

1,732(0.302 + 0.000022 x 1,500) 1,500 = 870,330 kcal.

Calor generado en el segundo periodo = 3´889,884 – 870,330 = 3´019,554 kcal (2ª)

C = CO =660 x 2,430 =1´603,800 kcalC = CO2 =220 x 8,100 =1´782,000

Fe = FeO =793 x 1,151 = 912,743Total 4´298,543 kcal.

Volumen de los gases del segundo periodo:

N2 =0.79 x 522 x 10.8 =4,454 m

CO = 660 x 22.4/12 =1,232

CO2 =220 x 22.4/12 =411


Contenido calorífico a 1,500°.

CO y N2 =5,686(0.302 + 0.000022 x 1,500) 1,500 =2´857,215 kcal

CO2 = 411(0.046 + 0.00009 x 1,500) 1,500 = 333,527

total =3´190,742 kcal.

Calor generado =4´298,543 – 3´190,742 =1´107,801 kcal.

Caso b: cálculo de tiempo de soplado de cada periodo:

2,348/10,5=224 kg de O suministrado por minuto.

(503 + 64)/224 =2.53 min para el primer periodo sin el Fe.

(880 + 587)/224 =6.55 min para el segundo periodo sin el Fe

Tiempo total del primer periodo = 2.53 + 2.53 x 1.4 = 2.9 min

Tiempo total del segundo periodo = 6.55 + 6.55 x 1.4 = 7.6 min

El calor generado del primer periodo es igual al del primer periodo del caso a =3´889,884 kcal

Volumen de los gases: N2 del aire = 0.70 x 5,480/10.5 x 2.9 = 1,060 m su contenido calorífico a 1.500°es:

1,060(0.302 + 0.000022 x 1,500) = 532,650 kcal.

Calor generado = 3,889,884 – 532,650 = 3´357,234 kcal (2b).

El calor generado del segundo periodo es igual al del caso del mismo periodo = 4´298,543 kcal.

Volumen de los gases de segundo periodo:

N2 = 0.70 x 522 x 7.6 = 2,777 m

CO = 1,232

CO2 = 411Su contenido calorífico a 1,500° es:

CO y N2 = 4,009(0.302 + 0.000022 x 1,500)1,500 =2´014,523 kcal

CO2 = 333,527Tota = 2´348,050 kcal

Calor generado = 4´298,050 = 1´950,493 kcal (2b).

2. Un convertidor Bessemer, revestido con material básico , se carga con 20 tons de arrabio

de la siguiente composición:

Por ciento

Fe 91.2

C 3.6

Si 1.7

Mn 1.1

P 2.4


El soplado oxida todo el C, Si, Mn y p y también Fe que asciende al 5.6% del arrabio.

Supónganse que el Fe se oxida a la velocidad uniforme durante el proceso. Se agrega

suficiente CaO para producir una escoria de 35% de CaO. Dos-tercios de carbono a CO y un –

tercio a CO2. Las sopladoras suministran 580 m de aire por minuto .

Calcular:

1. el volumen de aire necesario para el soplado de la carga.

2. la duración de cada periodo de soplado.

3. El peso de CaO a agregarse, y la composición en porcentaje de la escoria.

Solución:

Si = Si; Si = 340 kg O = 32/28 x 340 = 389 kgMn = MnO; Mn =220 O= 16/55 x 220 =64C = CO; C=480 O =16/12 x 480 = 640

C = CO2; C = 240 O = 32/12 x 240 =640

P = P2O5; P = 480 O = 80 / 62 x 480 = 619

Fe = FeO; Fe = 1,120 O = 15 / 16 x 1,120 =320

Total de O requerido = 2,572 kg

2,672 x 22.4 /32= 1,87cm de O =8,905 m de aire (1)

580 m x 1,293 x 0,232 = 174 kg de O suministrado por minuto (389 + 64)/174 = 2.60 min para el primer periodo sin el Fe(640 +640)/174 = 07.36 min para el segundo periodo sin el Fe.619/174 =3.56 min para el tercer periodo sin Fe.320/174 = 1.84 min para oxidar el Fe a velocidad constante.Tiempo total del primer periodo = 2.60 + 2.60 ,52/13x 1.84 =3.0 min.

Tiempo total del segundo periodo = 7.36 + 7.36/13,52 x 1.84 = 8.4 min.

Tiempo total del tercer periodo =3.56 + 3.56 /13,52x 1.84 = 4.0 min

Peso del CaO y composición de la escoria: SiO2 = 340 + 384 = 729 kg =13.3 %MnO = 220 + 64 = 284 = 5.2 P2O5 = 480 + 619 = 1,099 = 20.1FeO = 1,120 + 320 = 1,440 = 26.4 Peso de la escoria sin Ca O = 3,552 kg CaO =3,552 x 35/65 =1,913 kg = 35,0 Total =5,465 kg =100.0% (3)

3. Un convertidor bessemer fue cargado con 10,000 kg de arrabio y abastecido con 203 m 3

de aire por minuto durante 18 min , produciendo 1,200 kg de escoria que analiza SiO 2 ,


15% ;MnO, 5.9; P O; 47.3 ; FeO ; 24.0; el Cao ; 7.8.un-cuarto del carbono se oxida a CO2 y

tres- cuartos de CO. Después del soplado, fue agregado 50KG de Ferro-manganeso

desoxidante y recarburizador (Fe, 15%; min, 80; c, 5). Asuma que la mitad del

manganeso del ferromanganeso se pierde por oxidación.

Calcular:1. La Composición Del Porcentaje del arrabio empleado.

2. el volumen y la composición promedio de los gases del soplado.

3. el tiempo de cada periodo de soplado.

4. el porcentaje de acero producido al final de soplado.

Solución:

Peso del O para oxidar las impurezas, menos para el C y el FeSi = Si O2 ; O =32/60 x 0.150 x 1,200 = 96 kgMn =Mn O ; O = 16/71 x 0.059 x 1,200 =16P = P2O5 ; O = 80/ 142 x 0.473 x 1,200 =320Fe = Fe O ; O = 16/72 x 0.240 x 1,200 = 64

Total =496 kg

Peso total de O suministrado =203 x 18 x 1,293X 0.232 = 1,096 kg

1,096 – 496 = 600kg de O disponible para el C.

Como la relación de CO: CO2 = 3:1, se puede expresar mejor de la siguiente manera:

3(C + O = CO) y, 1(C + O2 =CO2)

Para poder deducir la relación del oxígeno para ambas reacciones, que es de 3 a 2.

Por lo tanto, el peso de C es:

CO = 3/5 x 600 x 12/16 = 270 kg

CO2 =2/5 x 600 x 12/32 = 90

Total = 360 kg

Composición de arrabio:

C = 360 = 360 kg = 3.60%

Si = 28/32 x 96 = 84 = 0.84

Mn = 55/16 x 16 = 55 = 0.55

P = 62/30 x 320 = 248 = 2.48

Peso de arrabio sin el Fe =747 kg


Fe = 10.000 – 747 = 9,253 = 92.53

10.000 kg = 100.00%

Volumen y composición de los gases finales:

CO = 270 x 22.4/12 = 504 m = 14.2%

CO2 = 90 x 22.4/12 = 168 = 4.7

N2 = 0.79 x 203 x 18 = 2,887 = 81.1

Total =3,559 m3 =100.0%

203 m3 x 1,293 x 0.232 =61 kg de O suministrado por minuto.

(96 + 16)/61 = 1.84 min para el primer periodo sin Fe.

600/61 = 9.84 min para el segundo periodo sin el Fe.

320/61 = 5.25 min para el tercer periodo sin el Fe.

64/61 = 1.05 min para oxidar el Fe a velocidad constante.

Tiempo total del primer, periodo =1.84 + 1.84/16,93 x 1.05 =2.0 min

Tiempo total para segundo periodo =9.84 + 9.84 /16,93x 1.05 =10.4 min

Tiempo total para tercer periodo =5.25 + 5.25 x /16,931.05 =5.6 min

Peso de acero producido:

Fe en el acero = 9.253 – 56/72 x 0.24 x 1.200 =9.029 kg

50 – 0,80 x 50 x 1/2 = 30

Total= 9,059Kg

En porcentaje = 9.05910000

% (4)

4. Un convertidor Bessemer básico se carga con 22 tons métrica de arrabio ,junto con un

fundente de CaO, y se purifica hasta producir 17.0 tons de Fe y5,7200 kg de escoria que

analiza 13% SiO2, 5 MnO. 5Mno, 19 P2O5, 25 FeO, 36 Ca O.

Asuma que el hierro se oxida a velocidad uniforme. Dos-tercios del carbono forman CO y un-tercio CO2.


El tiempo total de soplado es de 28 min. Asuma que el calor formado de la escoria es de 150 kcal/kg de SiO2 en el primer periodo y de 700 kcal/kg de CaO en el tercer periodo.

Calcular:1. el volumen total del aire requerido para el soplado.

2. el tiempo de cada periodo.

3. el calor generado por minuto durante cada periodo.

Solución: peso de cada uno de los contribuyentes de arrabio:

Si = 28/70 x 0.13 x 5,720 = 347 kg

Mn = 55/71 x 0.05 x 5,720 = 222

P = 62/142 x 0.19 x 5,720 = 474

Fe = 56/72x 0.27x 5,720 + 17,000 = 18,201

Peso de arrabio sin el C =19,244 kg

C = 20,000 – 19,244 = 756Total =20,000 kg

Peso de O requerido para el soplado:

Si = SiO2 ; O = 32/28 x 347 = 397 kg

Mn = MnO ; O = 16/55x 222 = 68

C = CO ; O =16/12x 756x 2/3 = 672

C = CO2 ; O =32/12x 756x 1/3 = 672

P = P2O5 ;O =80/62x 474 = 612

Fe = FeO; O = 16/56x 1,201 = 343

Total = 2,761 kg

2,271 x 22.4/32 = 1,933 m de O =9.205 m de aire (1).

9,205/28 =329 m de aire/min; 329x 1.293x 0.232 =99kg de O/m(397 + 65)/99 = 4.67 min para el primer periodo sin el Fe.(672 + 672)99 =13.57 min para el segundo periodo sin el Fe.343/99 = 3.46 min para oxidar el Fe a velocidad constante.

Tiempo total del primer periodo =4.67 + 4.67/24,42 x 3.46 = 5.3 min

Tiempo total del segundo periodo = 13.57+ 13.57/24,42 x 3.46 =15.5 min

Tiempo total del tercer periodo = 6.18 + 6.18/24,42 x 3.46 = 7.1 min (2)

Calor generado en el primer periodo por:

Si = 347x 7,160 = 2´484,520 kcal

Mn =222x 1,757 = 390,054


Fe = 4.67x 1,201 x 1,151 = 264,356

Formación de la escoria =150 x 744 = 111,600

Total =3´250,530 kcal

3´250,530/5,3=613,308 kcal/min (3)

Calor generado en el segundo periodo por:

C = CO = 504x2,430 = 1224,720 kcal

C = CO2 = 252x8,100 = 2041,200

Fe = FeO = 13,57/24,42x1.201x1,151 = 758, 161

Total = 4034,081 kcal

4´034.081/15,5 = 260.263 kcal/min (3)

Calor generado en el tercer periodo por:

P = P O = 474x 5,912 = 2´802,288

Fe = FeO =304x 1,151 = 349,904

Formación de la escoria = 700x 0.36x 5,720 = 1´441,440

Total = 4´593,632 kcal

4´593,632/7,1 =646,990 kcal/min (3).

5. Un gas pobre analiza:

Por ciento

CO2 3

CO 26

CH2 3

H2 14

N2 54

Es quemado en un horno siemens-Martin con el|0% de exceso de aire del requerimiento teórico. Además el 10% de exceso de aire, por las puertas del horno ingresa el 50% más de exceso aire. Los productos de la combustión pasan por los generadores para precalentar el gas y el aire ingresante y, y después llegan a las calderas y salen por la chimenea. Además el carbono del gas, el oxígeno de la carga quema 0.054 kg de carbono por metro cubico de gas a CO y el oxígeno de las fugas de aire transforma el CO a CO2.

Se midieron las siguientes temperaturas:

Aire a los generadores, 35°C.aire precalentado, 1000°.Gas a los generadores, 600°C. gas precalentado 1000°.Temperatura máxima de llama,2,100°. Gases de combustión que salen del horno, 1550°.


Gases de la combustión salientes de los regeneradores, 680°.Gases de la combustión salientes de la caldera, 350°.

Calcular:

1. el aire usado por metro cubico de gas: (a) para la combustión; (b) por las fugas.

2. la composicion de los productos de la combustión antes y después de mezclarse con las fugas de aire.

3. el calor total que ingresa al horno.4. el calor en los gases del horno a la temperatura máxima de llama.5. el calor en los gases de la combustión salientes del horno.6. el calor en los gases de la combustión salientes de los regeneradores.7. el calor en los gases de la combustión salientes de la caldera.8. la distribución del calor de la operación, en porcentaje.9. la eficiencia operativa de los regeneradores (gas y aire combinados).10. los porcentajes del calor de los gases de la combustión cedidos al gas y al

aire mediante los regeneradores.11. el porcentaje del precalentamiento del gas que es suministro por los

regeneradores y por el gasógeno.

Solución: base 1m de gas:

O2 CO2 H2O N2

2CO+ 2CO =2CO……………………….. 0.13 0.26

CH4+2O2=CO2+2H2 O………………….. 0.06 0.03 0.06

2H2+O2=2H2O…………………………… 0.07 0.14

CO2…………………………………………. 0.03

N2…………………………………………… 0.54

Totales…………….. 0.26 0.32 0.2 0.54 Aire teórico = 0.26/0,21 = 1.24 m3

Exceso de aire = 0.10 x 1.24 = 0.12 Total = 1.36 m3 (la)

Fugas de aire = 0.50 x 1.24 =0.62 m3 (lb)

Composición de los gases antes de mezclarse con las fugas de aire:

CO2 = 0.32 m = 14.8%

H2O = 0.20 = 9.3

O2 = 0.21 X 0.12 = 0.03 = 1.4

N2 = 0.54 + 0.79 X 1.36 = 1.61 = 74.5

Totales = 2.16 m3 =100.0%(2)

Composición de los gases después de mezclarse con las figas de aire:

CO2 = 0.32 + 0.054 X 22.4/12 = 0.42 m = 14.8%

H2O = 0.20 = 9.3


O2 = (0,03 + 0.21 X 0.62) – 0.054 x 11.2 = 0.11 = 3.9

N2 = 1.62 + 0.79 X 1.36 = 2.11 = 74.3

Totales = 2.84 m3 =100.0% (2)

Capacidad calorífica del gas pobre a la temperatura t:

CO2 = 0.03 (0.406 + 0.00009 x t)t = 0.012t + 0.0000027t2

CO = 0.26 (0.302 + 0.000022 x t)t = 0.078t + 0.0000057t2

CH4 = 0.03 (0.380 + 0.00021 x t)t = 0.011t + 0.0000063t2

H2 = 0.14 (0.301 + 0.00002 x t)t = 0.041t + 0,0000028t2

N2 = 0.54 (0.302 + 0.000022 x t)t = 0.163t + 0.0000118t 2

Total = 0.306t + 0.0000293t

A 1.100°C el gas pobre contiene:

0.36 x 1.100 + 0.0000293 x 1,1002 = 372 kcal

Poder calorífico del gas pobre:

CO = 0,26 X 3,034 = 799kcal

CH4 = 0.03 X 8,560 = 257

H2 = 0.14 x 2,582 =361 =1,407kcal

Calor sensible de aire:

1.360 (0. 302 + 0.000022 x 1,00) 1000 = 441 kcal Calor total que ingresa al horno = 2,220 kcal

Contenido calorífico de los gases de la combustión a la temperatura llama:

CO2 = 0.32 (0.406 + 0.00009 X 2,100)2,100 = 400 kcal

H2O = 0.20 (0.373 +0.00005 X 2,100) 2,100 = 201

O2 y N2 = 2.22(0.302 + 0.0000222.1000) 2,100 = 1,119

=1,800 kcal (4).

Capacidad calorífica de los gases de la comustion después de mezclarse con las fugas de aire a la temperatura t:

CO2 =0.42 (0.406 + 0.00009x t) t =0.171 t + 0.0000378 t2

H2O =0.20 (0373 + 0.00005x t) t =0.075 t + 0.0000100 t2

O2 y N2 =2.22 (0.32 + 0.000022 x t) t =0.670t + 0.0000488 t 2

Total =0.916t +0.0000966 t2

A 1.550°C estos gases contienen:

0.916x 1,550+0.0000966x 1,5502 =1,652 kcal (5).

Calor en los gases de la combustión salientes de los regeneradores:


0.916x 680+0.0000966x 680 2= 688 kcal (6)

Calor en los gases de la combustión salientes de la caldera:

0.19x 350+ 0.0000966x 3502 = 332 kcal (7)

Distribución del calor, en porcentaje:

2,220 – 1,800 = 420 kcal perdidas en la combustión =18.9%

1,800 – 1,652 =148 cedidas al horno = 6.7

1,652 – 668 = 984 cedidas a los regeneradores = 44.3

688 – 332 =336 cedidas a la caldera = 15.1

332 perdidas por la chimenea = 15.0

Total =2,220 kcal =100.0% (8)

Calor contenido en el gas pobre sin precalentar:

0.36 x 600+ 0.0000293x 600 = 194 kcal

Calor contenido en el aire sin precalentar:

1.36 (0.302+ 0.000022x x35x 35) = 14

Calor total en el gas pobre y aire sin precalentar =194+ 14 0208 kcal

Calor cedido por los regeneradores para precalentar el gas y el aire

(372+ 441) – 208 =605 kcal

Eficiencia de los regeneradores = 605/1,652 = 36.6% (9)

Porcentaje de calor de los regeneradores cedido: a:

Los gases =372 – 194 0178 kcal =29.4%

Al aire = 441 – 14 = 70.6

Total = 605 kcal = 100.0% (10)

Porcentaje del precalentamiento del gas pobre suministrado por:Los regeneradores =178 kcal = 47.8%El gasógeno = 194 = 52.2

Total = 372 kcal =100.0% (11).

6. Un horno siemens martin basico se cargo con 20 tn de chatarra de acero y 20tn de

arrabio. Durante la fusión se agrego 3 tn de mineral de hierro y suficiente CaCo2 para

producir una escoria final de 40% de CaO. Como desoxidante se uso 400 Kgde ferro-manganeso y 180Kg de ferro-silicio.

Se produjo 39.800Kg de acero que analiza C,0.3% ,Mn,0.2 , Si,0.1. P 0.06, Fe,99.34.

Los análisis de los materiales usados son los siguientes:

Chatarra de acero, por

Arrabio,por Ferromanganes Ferro-silicio, Mineral de hierro, por


ciento ciento o por ciento por ciento ciento

Fe 99.0 92.6 12 50 Fe2O3 80

C 0.5 4.0 6

Mn 0.3 1.5 80 MnO 4

Si 0.12 0.8 2 50 SiO2 16

P 0.08 1.1

El carbono se oxido a CO.

Asuma que la mitad del hierro de la escoria (como Feo) provino del mineral y la otra mitad de la oxidación por la acción de los gases del horno.

Calcular:

1. El peso y la composición en porcentaje de la escoria.

2. El peso necesario de CaCo33. La proporción de la oxidación del horno que es realizado por el mineral de hierro y

por los gases del horno.

Solución:

Elemento escorificado = elemento cargado- elemento en el acero.

Fe a escorificarse = (0.99 ×20.000)+(0.926×20.000)+(0.12×400)+(0.50×180)+(112/160 × 0.80 × 3.000)-(0.9934×39.800) ¿601Kg.

Mn a oxidarse =(0.003×20.000)+(0.015×20.000)+(0.80×400)-(0.002×39.800) = 600Kg.

Si a oxidarse = (0.0008×20.000)+(0.011×20.000)-(0.0006×39.800)= 212Kg.

Composición de la escoria:

FeO = 72/56 ×601 =773 kg =14.7%

MnO = 71/55 × 600 + 0.04×3.000 = 895 = 17.0

SiO2= 60/28 × 242+ 0.16× 3.000 = 999 =19.0

P2O 5 =142/62 × 212 = 486 =9.3

Peso de la escoria sin CaO = 3.153 Kg

CaO = 3.153×40/60 =2.102 Kg = 40.0

Total =5.255 Kg = 100.0% (1)

Peso del CaCo3 = 2.102×100/56 ₌ 3.754 Kg (2)

C a oxidarse =(0.005 × 20.000)+ (0.04 ×20.000) + (0.06×400)-(0.003×39.800)=805Kg.

Para el C : 16/12 × 805 = 1.073 Kg

Para el Si : 32/28 × 242 = 277

Para el Mn : 16/55 × 600 = 174

Para el P : 80/62 ×212 = 274


Para el Fe : 16/72 × 773 × 1/2 = 86

Total : 1.884Kg

0 disponible del mineral para oxidar las impurezas :

48/160 ×2.400 – 86 = 634 Kg = 33.7%

0 en los gases = 1.884 – 634 =1250 =66.3%

Total : 1.884Kg = 100.0%

7. un horno Siemens- Martin básico trata una carga compuesta de los siguientes materiales:

Arrabio liquido

(45 tn) %

Chatarra (30 tn)% Mineral (8tn ) % Fundente (8 tn) %

C 4.3 C 0.1 Fe2O3 80.0 CaCo3 99

Si 1.0 Si 0.05 SiO2 5.0 SiO2 1

Mn 1.2 Mn 0.5 Mn 0.1

P 0.11 P 0.03 P 0.07

Se produjo 75tn de acero que contiene C,0.1%; Mn 0.2;P 0.02 ;y 0.1 de FeO en solución. La

escoria contiene 15% de SiO2 , 17 FeO, 52CaO, 5.5 MgO, 9.5 MnO, 1 P2O 5.

El horno esta revestido con dolomita quemada. El acero se vierte a una cuchara colada y se le agrega 1000 lb de ferromanganeso (0% de Mn,15 Fe, 5 C).

Calcular:

1.- El peso de la escoria producida.

2.- los pesos de CaO y MgO que el revestimiento que van a formar parte de la escoria.

3.- los pesos de Fe, Mn y P que no se consideran en los calculos (probablemente debido en parte a la volatilización y al redondeo de los pesos y análisis)

solución :

Elemento escorificado = elemento cargado- elemento en el acero.

Fe a escorificarse = (0.99 ×20.000)+(0.926×20.000)+(0.12×400)+(0.50×180)+(112/160 × 0.80 × 3.000)-(0.9934×39.800) ¿601Kg.

Mn a oxidarse = (0.003×20.000)+(0.015×20.000)+(0.80×400)-(0.002×39.800) = 600Kg.

Si a oxidarse=(0.0012×20.000)+(0.008×20.000)+(0.02×400)+(0.50×180)-(0.001×39.800) = 242Kg.

P a oxidarse = (0.0008×20.000)+ (0.011×20.000)-(0.0006×39.800)= 212Kg.

Composición de la escoria:

FeO = 72/56 ×601 =773 kg =14.7%

MnO = 71/55 × 600 + 0.04×3.000 = 895 = 17.0

SiO2= 60/28 × 242+ 0.16× 3.000 = 999 =19.0


P2O 5 =142/62 × 212 = 486 =9.3

Peso de la escoria sin CaO = 3.153 Kg

CaO = 3.153×40/60 =2.102 Kg = 40.0

Total =5.255 Kg = 100.0% (1)

Peso del CaCo3 = 2.102×100/56 ₌ 3.754 Kg (2)

C a oxidarse =(0.005 × 20.000)+ (0.04 ×20.000) + (0.06×400)-(0.003×39.800)=805Kg.

O requeridopara oxidar las impurezas y la mitad del Fe escorificado:

Para el C : 16/12 × 805 = 1.073 Kg

Para el Si : 32/28 × 242 = 277

Para el Mn : 16/55 × 600 = 174

Para el P : 80/62 ×212 = 274

La composición del acero final.

Solución:

SiO2de la escoria = 60/28(0.01×90.000+0.0005×60.000)+0.05×16.000+0.01×16.000

=2.953 lb.

Peso de la escoria = 2.9530.15

= 19.687 lb (1)

CaO de la escoria = 0.52 × 19.687 = 10.237 lb

CaO del fundente = 56/100 × 0.99 × 16.000 = 8.870

Cal de revestimiento =1.367 lb (2)

MgO del revestimiento = 0.055 × 19.687 = 1.083lb (2)

Fe en la carga = (0.9289 × 90.000) + (0.9932×60.000)+(112/160×0.80×16.000) = 152.152 lb.

Fe en los productos =56/72(0.001×150.000+0.17×19.687)+(0.9958× 150.000) = 152.090 lb.

Fe volatilizado,etc =152.153-152.090 =63 lb (3).

Mn en la carga = (0.017×90.000)+(0.005×60.000)+(0.001×16.000) = 1.846 lb.

Mn en los productos = (0.002×150.000)+(55/71×0.095×19.687) = 1.749 lb.

Mn volatilizado, etc = 1.846- 1.749 = 97 lb (3)

P en la carga = (0.0011× 90.000) + (0.0003 ×60.000) + (0.0007×16.000) = 128 lb.

P en los productos = (0.0002 × 150.000) + (62/142 ×0.01 ×19.587) = 116 lb.

P volatilizado, etc = 128-116 = 12lb. (3)

Composición del acero final:

Fe = 150.000(0.9958+56/72×0.001)+0.15×1.000 = 149.637 lb = 99.13%

Mn = 0.002 × 150.000+0.80×1.000 =1.100 = 0.73

P = 0.0002×150.000 = 30 =0.02


C = 0.001 × 150.000+ 0.05×1.000-12/72×150 = 175 =0.12

Total =150.942 =100.00 %

8. Un horno Siemens-Martin básico trata una carga de 80 tn de arrabio y chatarra que tienen la siguiente composición promedio:

Por ciento

C 2.7

Mn 0.7

Si 1.0

P 0.8

Fe 94.8

El metal final (listo para la recarburacion) contiene un quinto del carbono original y un séptimo del manganeso original y nada de silicio y fosforo.

La oxidacion de las impurezas la realizan los gases del horno y el mineral agregado que

contiene 85% de Fe2O3 y 15% de SiO2: asuma la división que sigue :

Si , todo por los gases ……………………………………………………………. a SiO2

Mn , un medio por los gases,un medio por el mineral a MnO

C , un quinto por los gases,cuatro quintos por el min a CO

P ,todo por el mineral ………………………………………………………………P2O 5

La escoria contiene FeO equivalente al 2% del hierro del arrabio y de la chatarra. La mitad

del FeO se forma por acción de los gases y la otra mitad se reduce del Fe2O3.

Se carga suficiente CaCo3 para producir una escoria de 40% de CaO.

Calcular:

1.-el peso del mineral necesario

2.-el peso de la escoria producida

3.-el peso de CaCo3 usado.

4.- el peso del acero final.

Solución:

Peso de O del mineral : para oxidar las impurezas:

Mn----= MnO =16/55(0.007×160.000 -1/7× 1.120)1/2 = 140 lb

C -----= CO = 16/12(0.027×160.000 – 1/5 × 4.320)4/5 = 3.686

P -----= P2O 5 = 80/62(0.008 × 160.000) = 1.652

Fe ----= FeO = 16/56(0.948 × 160.000×0.02×1/2) = 433

TOTAL =5.911 lb


16048

×5.911 = 19.703 lb de Fe2O3= 23.180 lb de mineral (1)

Peso de la escoria sin el CaO :

SiO2 = 60/28 ×0.01 ×160.000 + 0.15 ×-23.180 = 6.906 lb

MnO = 71/55 (1.120-160) = 1.239

P2O 5= 142/62× 1.280 = 2.932

FeO = 72/65 × 151.682 × 0.02 = 3.900

Total = 14.977 lb

Peso total de la escoria = 14.9770.60

= 24.962 lb (2)

Peso del fundente = 100/56 × 0.40 × 24.962 = 17.830 lb (3)

Peso del metal liquido final :

C = 1/5 × 4.320 =864 lb

Mn = 1/7 × 1.120 = 160

Fe = 152.680 + 112/160×0.85×23.180 – 3.034 = 162.438

Total = 163,462 lb (4)

9. Un horno Siemens-Martin básico recibe 40 tn de arrabio y chatarra de la composición promedio siguiente:

Por ciento

Fe 93.7

C 3.0

Mn 0.8

Si 1.1

P 1.4

También se cargo suficiente mineral para oxidar los tres cuartos de las impurezas (C a CO,

Mn a MnO, Si a SiO2, P a P2O 5) y la cantidad necesaria de fundente para producir una

escoria de 40% de CaO. El mineral tiene 82% de Fe2O3,14 SiO2, 4 Al2O3 .La cal es CaO

puro. El 2% del Fe cargado (incluyendo al del mineral ) se pierde en la escoria como FeO.

El horno usa 50000 m3 de gas pobre que analiza :


Este es quemado con 20% de exceso de aire. Los productos de la combustión completan la

oxidación de las impurezas, oxida el Fe que ingresa a la escoria y transforma el CO a CO2 . Los gases del horno ingresan a los regeneradores a 1500°C y precalientan al combustible y al aire a 700°C.

Calcular:

1.-El peso del mineral usado, en kg

2.- El peso de la escoria.

3.- El peso del Fe producido

5.- La escoria de los regeneradores.

Solución:

O aportado por el mineral para oxidar los ¾ de las impurezas:

C --------= CO = 16/12 × 0.03 × 30000 = 12000kg

Mn ----= MnO = 16/55×0.008 ×30000= 70

Si -------= SiO2 = 32/28 × 0.011 ×30000 = 377

P -------= P2O 5= 80/62 ×0.014 ×30000 = 542

Total = 2189 kg

Fe del mineral que va a la escoria como FeO; x = peso del mineral : 0.82 ×(112/160)0.02 = 0.01148x kg.

O en este Fe = (1656

¿0.01148x = 0.00328x kg de O.

Peso total de O para oxidar los ¾ de impurezas y el Fe escorificado del mineral: 2189+ 0.00328x

O contenido en el mineral = (48160

¿0.28x =0.246x.

Peso del mineral :

2189+ 0.00328x = 0.246x

X = 9.019 kg (1)

Peso de la escoria :

Por ciento

CO 25

H 212

CO28

H 2O 4

N 51


MnO = 71/55 × 0.008 × 40000 = 413 kg

SiO2 = 60/28 × 0.011 × 40000 + 0.14x 9.019 = 2206

P2O 4 =142/62 × 0.014 x 40000 = 1283

Al2O3 = 0.04 x 9019 = 361

FeO = 72/55(0.937 x 40000+112/160x0.82x9019)0.02 = 1097

Peso de la scoria sin CaO = 5360 kg

Peso de la escoria = 53600.60

= 8933 kg

Peso de Fe producido : Fe carga + Fe mineral – Fe escoria :

37.480 + 5.177 – 56/72 x 1.097 = 41.803 kg

Productos de la combustión del gas pobre:

O2 CO2 H 2O N2

2CO+O2=¿ 2CO26.250 12.5000 --------- ---------

2H 2+ O2=2H 2O 3.000 -------- 6.000 ---------

CO2 -------- 4.000 ---------- ---------

H 2O -------- -------- 2.000 ----------

N2 -------- -------- ---------- 25.500

TOTAL 9.250 16.500 8.000 25.500

Aire teorico requerido = 9.2500.21

=44.048m3

Exceso de aire = 0.20 x 44.040 = 8.809

Total = 52.857 m3

O requerido para oxidar el resto de las impurezas:

C ------------= CO2 ; 0 = 32/12 x 1.200 x ¼ = 800kg

Mn -----------= Mno ; 0 = 16/55 x 320 x ¼ = 23

Si ------------ = SiO2; 0 = 32/28 x 440 x ¼ = 126

P ------------- = P2O 5;0= 80/62 x 560 x ¼ = 181

Fe ------------ = FeO ; 0 = 16/56 x 37.480 x 0.02 = 214

CO ----------- = CO2 ; 0 = 16/28 X1.200 X 28/16 = 1.200

TOTAL = 2.544 kg

Volumen de los gases del horno :


O2 libre = 0.21 x 8.09 – 22.4/32 x 2.544 = 69 m3

N2 = 0.79 x 52.857 + 25.500 = 67.257

CO2 = 22.4/12 x 1.200 + 16.500 = 18.740

H 2O = 8.000 = 8.000

Total = 94.066 m3 (4)

Contenido calorífico de los gases del horno a 1500°C

O2y N2 = 67.326 (0.302 + 0.000022 x 1500)1500 = 33831.315 Kcal

CO2 = 18.740 (0.406 + 0.00009 x 1500) 1500 = 15207.510

H 2O = 8000(0.373 + 0.00005 x 1500) 1500 = 5376.000

Total = 54414.825 Kcal

Contenido calorifico del gas pobre a 700°C :

CO y N2 = 38000(0.302 + 0.000022 X 700) 700 = 8442.840 Kcal

H 2 = 6000(0.301 + 0.00002 x 700) 700 = 1323.00

CO2 = 4000(0.406 + 0.00009 x 700) 700 = 1313.200

H 2O = 2000(0.373 + 0.00005 x 700 ) 700 = 571.200


Calor sensible del aire a 700°C

52.857(0.302 + 0.000022 x 700 ) 700 = 11743.768 Kcal

Calor sensible del gas pobre a 700°C = 11502.240


Eficiencia de los regeneradores = 23246.00854414.825

=42.7% (5)

10. Un horno Siemens – Martin se cargo con 40 ton de chatarra que contiene 0.5 % de C, 0.1 Si , 0.3 Mn , 0.05 P. Dos horas después se agrego 50 tn de arrabio liquido que contiene 4.0% de C , 1.0 Si ,1.5 Mn , 0.26 P. Exactamente, antes de añadirse el arrabio, los gases del horno ya oxidaron 2/3 del Si y Mn de la chatarra; asimismo, transformaron 1/8 del Fe

a FeO. Junto con el arrabio se agrego mineral que contiene 75% de Fe2O3, 13SiO2, 12

MnO, y suficiente CaCo3 para producir una escoria de 42% de CaO. Luego , el FeO

formado a partir de la chatarra reacciona con las impurezas del arrabio, suministrando el oxigeno que contiene y reduciéndose nuevamente a Fe . Se forma la cantidad necesaria

de FeO equivalente al 20% de la escoria final, el resto del Fe2O3 del mineral se reduce a

Fe.

Exactamente antes de la colada, el metal liquido debe contener el 25% del Mn contenido en el arrabio y chatarra como manganeso residual. También debe contener carbono equivalente al 0.5% del peso total del arrabio y chatarra .


Se emplea suficiente mineral para oxidar todo el balance de las impurezas (asuma que el carbono se transforma a CO)considerese la acción del FeO formado en la primera parte del proceso.

Calcular:

1.-El peso del mineral agregado.

2.-El peso del CaCo3 usado.

3.-La composición de la escoria.

4.- La composición en porcentaje del acero (antes de la recarburacion)

Solución:

Carbono a oxidarse = 0.005 x 40000 + 0.04 x 50000-0.005 x 90000 = 1.750 Kg.

Si a oxidarse = 0.001 x 40000 + 0.01 x 50000 = 540 kg

Mn a oxidarse = (0.003 x 40000 + 0.015 x 50000)0.75 = 626 kg

P a oxidarse = 0.0005 x 40000 + 0.0026 x 50000 = 150 kg

O requerido después de las 2 horas de operación para oxidar las impurezas sobrantes :

Para el C = 16/12 x 1750 = 2333 kg

Para el Si = 32/28(540 -2/3x40) = 587

Para el Mn = 16/55(626-2/3 x 120) = 159

Para el P = 80/62 x 150 = 194

Total = 3273 Kg

O tomado por 1/8 del Fe de la chatarra para formar FeO:

Si x = peso del mineral ; entonces :

SiO2 formado por el Si = 60/28 x 540 = 1157 kg

MnO formado por el Mn = 71/55 x 626 = 808

P2O 5formado por el P = 142/62 x 150 = 344

Total = 2309 kg

SiO2 y MnO del mineral = 0.13x y 0.12x.

Sumando : 2.309 + 0.25x = 39% de la escoria.

FeO = 20% de la escoria = 0.20 x 2309+0.25 x

0.38 = 1215+0.132x

O en este FeO = 16/72(1.215 + 0.132x) = 270+0.0293x

O a ser suministado por el mineral : (3273+270+0.0293x)-1415= 2128+0.0293x

De acuerdo al análisis; el O disponible del mineral es : (48/160)0.75x = 0.225x

Igualando :

2128+0.0293x = 0.225x

X= 10.874 kg (1)


Peso de la escoria : 2309+0.25 x

0.38 = 13230 kg

Peso del CaCo3 = 100/56 x 0.42 x 13230=9.923kg. (2)

Composición de la escoria :

SiO2 = 1157 + 0.13 x 10874 = 2571 kg = 19.4%

MnO = 808 + 0.12 x 10874 = 2113 = 16.0

CaO = 56/100 x 9.923 = 5557 = 42.0

P2O 5 = 344 = 344 = 2.6

Total = 13235 kg = 100.0% (3)

Composicion del acero :

Fe = 0.9905 x 40000+0.9324 x 50000 +112/160 x 0.75 x 10874 - 56/72 x 2.650 = 89.888 kg = 99.27 %

C =0.005 x 90000 = 450 = 0.50

Mn = 626 x 25/75 = 209 = 0.23

Total =90.547 kg = 100.0 %

11. Un convertidor Bessemer de revestimiento acido trata 15 tn de arrabio en 12 min. En este proceso se oxidan las siguientes impurezas:

Carbono 4%,silicio 1.8%,manganeso 0.8%,también se oxido el 3% de hierro. asúmase que el hierro se oxido a una velocidad uniforme y que los tres cuartos de carbono se convirtieron en a CO y un cuarto a CO2.

Calcular:

El volumen de aire requerido.

La duración de cada uno de los dos periodos de soplado.

El peso de la escoria producida.

Solución:

Peso de las impurezas a oxidarse:

Si = 0.018 x 15000 = 270 kg

Mn = 0.008 x 15000 = 120 kg

C = Co = 0.040 x 15000 x 3/4 = 450 kg

C = CO2 = 0.040 x 15000 x 1/4

Fe = FeO = 0.934 x 15000 x 0.03 = 420 kg

Peso de oxigeno requerido para oxidar las impurezas

Si † O2 = SiO2 = 32/28 X 270 = 309 Kg

Mn † O = MnO = 16/55 X 120 = 35

C † O = CO = 16/12 X 450 = 600

C † O2 = CO2 = 32/12 X 150 = 400

Fe † O = FeO = 16/56 X 420 = 120


TOTAL = 1464 Kg

1464 X 22.4/32 = 1024.8 m3 o2

1464 / 12 = 122 kg de o suministrado por inuto.

309 † 35/122 = 2.82 min para el primer periodo sin el fe

600 † 400/122 = 820 min para el segundo periodo sin el fe

120/122 = 0.98 min para oxidar el fe, que se dividirá entre los periodos en forma proporcional.

Tiempo total para el primer periodo 2.82 † 2.82/11.02 x0.98 = 3.1 min

Tiempo total para el segundo periodo 8.2 † 82/11.02 x 0.98 = 8.9 min

Peso de la escoria producida :

SiO2 = 270 † 309 = 579 kg

MnO = 120 † 35 = 155

FeO = 420 † 120 = 540

Total 1274 kg.

12. Un convertidor bessemer trata 25 tn métricas de arrabio que tiene l iquiente composición:

C 1.4%, Mn 1.2%, Si 1.4%, Fe 93.4%.

Además de las impurezas, se oxida hiero equivalente al 2.5% dl arrabio, a velocidad uniforme.5/8 del carbono se transforma a CO Y 3/8 a CO2.

El chorro de aire se suministra a la velocidad de 700 m3/min, a condiciones normales.

Calcular:

El volumen total del aire usado.

El tiempo de cada uno de los dos periodos.

El peso de la escoria

Peso de cada uno de las impurezas a oxidarse:

Si = 0.014 x 25000 = 350 Kg

Mn = 0.012 x 25000 = 300

C † O = CO = 0.040 x 25000 x 5/8 = 625

C † O2 = CO2 =0.040 x 25000 x 3/8 = 375

Fe † O = FeO = 0.025 x 25000 = 625

Peso de o para oxidar las impurezas

Si † O2 = SiO2 = 32/28 X 350 = 400 Kg

Mn † O = MnO = 16/55 X 300 = 87

C † O = CO = 16/12 X 625 = 833

C † O2 = CO2 = 32/12 X 375 = 1000

Fe † O = FeO = 16/56 X 625 = 179

TOTAL = 2499 kg


2499 x 22.4/ 32 = 1749 m3 O2

700 m3 X 1.293 X 0.232 = 210 kg de o por min

400 † 87 / 210 = 2.32 min para primer periodo sin el fe.

833 † 1000 / 210 = 8.73 min para el segundo periodo sin el fe.

179 / 210 = 0.85 min para oxidar el fe; que se dividirá proporcionalmente entre ambos periodos.

Tiempo total del primer periodo =2.32 † 2.32 /11.05 x 0.85 = 2.5 min.

Tiempo total del segundo periodo = 3.73 † 8.73 / 11.05 x 0.85 = 9.4 min.

Peso de la escoria producida:

SiO2 = 350 † 400 = 750 Kg.

MnO = 300 † 87 = 387 kg.

FeO = 625 † 179 = 804 kg.

Total = 1941 kg.

13. Un convertidor Bessemer se cargo con 18 tn metricas de arrabio de as que se oxidan las siquientes impurezas:

C 4.2%, Si 1.5%, Mn 0.7%,también se oxido suficiente hierro como para producir una escoria de 24% de FeO. Asuma que el hierro se oxida a velocidad constante. la proporción de CO a CO2 es de 3/4 .

Los ventiladores suministran 510 m3 de aire húmedo(medio a condiciones normales ),el aire contiene 19 mm de vapor de agua.

Calcular:

El tiempo de cada uno de los dos periodos de soplado.

El peso de la escoria.

La composición en porcentaje de los gases de cada periodo.

Solución.

Sio2 =60728 x 0.015 x 18,000 = 579 kg

MnO= 71/ 55 x 0.007 x 18. 000 = 163/742 kg

Peso del FeO = 742 x 24 / 76 = 234 kg

Peso del O empleado por la oxidación de las impurezas:

O en el SiO = 32/60 x 579 =309 kg

O en el MnO = 16/71 x 163 = 37

O en el CO = 16/ 12 x 0. 042 xx 19.000 x 3 /4 = 756

O en el CO2 = 32/21 x 756 x 1/ 4 = 504

O en el FeO = 16/72 x 234 = 52 / 1, 658 kg

Volumen de H2O = 510 x 19 / 760 = 13 m3/min.

Volumen del aire seco = 510 – 13 = 4971 m3/min.

Peso de O suministrado por minuto :

En el aire = 497 x 1. 293 x 0. 232 = 149 kg


En el H2O = 13 x 16/ 22.4 = 9 / 158 kg

309 + 37 = 2.19 min para el primer periodo sin en Fe

158

756 + 504 = 7.97 min para el segundo periodo Sin el Fe

158

52/ 158 = 0.33 min para oxidar el Fe , que se dividirá proporcionalmente entra los dos periodos


10.16

Tiempo total del segundo periodo = 7.97 +7.79 x 0.33 = 8.2 min (1)

10.16

Peso de la escoria = 742 + 234 = 976 kg (2)

Gases del primer periodo :

N2 = 0.79 x 497 x 2.3 = 903 m3 = 96.8 %

H2 = 13 x 2.3 = 30 = 3.2

Total = 933 m3= 100.0 % (3)

Gases del segundo periodo :

CO = 756 x 22. 4/ 16 = 1,058 m3 = 22.3 %

CO2 = 504 x 22..4/ 32 = 353 = 7.4

N2 = 0.79 x 497 x 82 = 3, 220 = 68. 0

H2 = 13 x 8.2 = 107 = 2.3

Total = 4,737 = 100.0 % (3)

14. Un convertidor Bessemer de revestimiento acido purifica 20 tons cortas de arrabio que contiene 3.72 % de C , 2.18 si, 1.24 Mn . además , se oxida Fe que asciende a 4. 8% del arrabio. Asúmase que el Fe se oxida a velocidad uniforme durante todo el proceso.

El chorro de aire ingresa a una presión de 2.7 atm manométricas . una temperatura de 45°C , y esta saturado con un-tercio de humedad .del convertidor no sale O2 libre . dos-tercios del carbono forman CO y un-tercio CO2 . el soplado se realiza en 10.5 min.

Calcular:

1. El peso total de la escoria 2. El volumen del aire insuflado a las condiciones dadas.3. En tiempo de cada periodo de soplado 4. La composición en porcentaje de los gases de cada periodo .

Solución: peso de la escoria

SiO2 = 60/ 28 x 0.0218 x 40. 000 = 1,896 1b

MnO = 71/ 55 x 0.0124 x 40.000 = 640

FeO = 72/ 56 x 0.048 x 40. 000 = 2,468


Total = 4, 977 1b (1)

0 a oxidarse = 0. 0372 x 40 .000 = 1. 488 1b

0 en el SiO2 = 32/ 60 x 1, 369 = 997

0 en el MnO = 16/71 x 640 = 144

0 en el CO = 17/12 x 1, 488 x 2/3 = 1,323

0 en el CO2 = 32/ 12 x 1, 488 x 1/3 =1, 323

0 en el FeO = 16/ 72 x 2 , 469 = 549

Total = 4, 336 1b

4, 336 x 359 = 48. 645 pies 3 de O2

32

Presión de vapor del h2o a 45°C y 1/3 de saturación = 71 .9 x 1/3 =

23.97mmde hg.

Si x = volumen del h2o , entonces , el volumen de aire seco a condiciones estándar es:

48,645- 1/2x = 231,643 – 2.381 x

0.21

Volumen de H2O = 23.97 x ( 231.643 – 2.381 x)

3.5 x 760 – 23.97

X= 2.106 – 0.0215x

X= 2, 062 pies 3

Aire seco a condiciones estándar = 231, 643 – 2. 318x = 226.736 pies 3 volumen de aire húmedo a condiciones a conocidas :

(226,736 + 2,062) x 273+ 45 x 1 = 76 .146 pies 3 (2)

273 3.5

Oxigeno suministrado por minuto :

En el aire = 226.736 x 0.0807 x 0. 323 = 404 1b

10.5

En el H2O = 2. 062 x 16/ 359 = 9

10.5 total = 413 1b

997+ 144 = 2.76 min para el primer periodo sin el Fe.

413

1,323 + 1.323 = 6.41 min para el segundo periodo sin el Fe .

413

549 / 413 = 1.33 min que se dividirá proporcionalmente entre ambos periodos .


9.17


Tiempo total del segundo periodo = 641 + 6.41 x 1.33 = 7.3 min (3)

9.17

Gases del primer periodo :

N2 = 0.79 x 21, 594 x 3.2 = 54 , 590 pies3 = 98.9 %

H2 = 196 x 3.2 = 627 = 1.1

Total= 55,217 pies3 = 1oo.0% (4)

Gases del segundo periodo :

CO = 1,323 x 359 / 16 = 29, 685 pies 3 = 17.4 %

CO2 = 1.323 x 359 / 32 = 14, 842 = 8.7

H2 = 196 x 7.3 = 1.431 = 0.9

N2 = 17, 059 x 7.3 = 124,531 = 73.0

170.489 pies3 = 100.0 % (4)

15. Un convertidor Bessemer Fe revestimiento acido recibe una carga de 20 tons métricas de arrabio que contiene:

Por ciento

C 3.6

Mn 0.7

Si 1.2

También se oxida Fe que asciende al 2.8 % del arrabio . dos –tercios Del carbono se transforma a Coy un –tercio a CO2 . asuma que el hierro se oxida a velocidad uniforme durante el soplado . el soplado dura 13 min . el gas sale a 1500°C. calor de formación de la escoria , 150 kca 1/ kg SiO2.

Calcular:

1. El volumen total del aire necesario para el soplado .2. El tiempo de cada uno de los dos periodos 3. El peso de la escoria y el volumen del gas producido 4. El calor generado por minuto en cada periodo 5. El calor neto perdido por minuto en cada periodo , después de descontar el calor

perdido en los gases .

Solución: peso de las impurezas a oxidación

Si = 0.012 x 20,000 = 240 kg

Mn = 0.007 x 20.000 =140

C = CO = 0. 36 x 20.000 x 2/3 = 480

C= CO2 = 0.36 x 20.000 x 1/ 3 = 240

Fe = FeO = 0.028 x 20.000 = 560

Peso de O para oxidar las impurezas :

Si + O2 = Si O2 ; O = 32/28 x 240 = 274 kg

Mn + O = MnO ; O = 16/ 55 x 140 = 41


C + O = CO ; O = 15/12 x 240 = 640

C + O2 = CO2 ; 0 = 32/ 12 = x 240 = 540

Fe + O = FeO ; 0 = 16/ 56 x 560 = 160

Total = 1,755 kg .

1.755 x 22.4 = 1.228.5 m3 de O 2 = 5.850 m3 de aire (1)

32

1,755/ 13 = 135 kg de O suministrado por minuto .

2.74 + 41 = 2,33 min para el primer periodo Sin el Fe .

135

640 + 640 = 9.48 min para el segundo periodo Sin el Fe ,

135

160 / 135 = 1.19 min para el Fe . y que se dividirá proporcionalmente en ambos periodos.


11.81

Tiempo total del segundo periodo = 9. 48 + 9.48 x 1.19 = 10.4 min (2)

11.81

Escoria producida :

SiO2 = 240 + 274 = 415 kg

MnO = 140 + 41 = 181 kg

Fe = 560 + 160 = 720

Total = 1.415 kg (3)

Volumen de gas producido :

CO = 480 x 22.4 / 12 = 896 m3

CO2 = 240 x 22. 4 / 12 = 448

N2 = 0.79 x 5. 850 = 4.621

Total = 5 , 965 m3 (3)

Calor generado por la oxidación :

Si = 240 x 7. 160 = 1´718,400 kcal

Mn = 140 x 1, 757 = 245 980

Fe = 2.33 x 560 x 1, 151 = 127, 165

11.81

Total para el primer periodo = 2´091, 545 kcal


Calor generado en el segundo = 2´ 091,545 = 804 , 440 kcal / min (4)

2.6

Calor generado con segundo periodo :

C = CO = 480 x 2, 430 =1´166,400 kcal

C = CO2 = 240 x 8, 100 = 1´944,00

Fe= FeO = 9.48 x 560 x 1,151 = 517 , 394

11.81

Formación de la escoria = 514 x 150 = 77, 100

Total = 3´ 704,894 kcal

Por minuto = 3´ 704,894 = 356 , 240 kcal (4)

1.04

Volumen del gas del primer periodo :

N2 del aire = 0.79 x 5, 850 / 13 x 2.6 = 924 m3

Contenido calorífico = 924 ( 0.302 + 0. 000022 x 1,500)1,500 = 464, 301 k cal

Pérdida neta del calor = 2 ´ 091,545 – 464.301 = 1´627,244 kcal

Por minuto = 1´627,244 = 625 ,863 kcal (5)

2.6

Contenido calorífico de los gases del segundo periodo :

CO y N2 = 4, 593 ( (0.32 + 0.000022 x 1,500)1,500 = 2´307,983 kcal

CO2 = 448 ( 0.406 + 0.00009 x 1.500) 1,500 = 363 , 552

Total = 2´671,535 kcal

Perdida neta de calor = 3´704 .894 - 2´671,535= 1´ 033,360 kcal

Por minuto = 1´ 033,360 = 99,362 kcal (5)

10.4

16. Un horno Siemens- Martin usa 390 galones de petróleo por hora, que es igual a 42 galones por ton de acero producido. La composición del petróleo es:

Se utiliza el 15 % de exceso de aire precalentado para la combustión, la intensidad calorífica es de 2320°C. Despreciar el calor sensible del combustible.Por ton de acero producido, de la carga se oxidaron 4.17 Kg de C a CO2, 12.50 Kg de C a CO, 4.62 Kg de Si, 8.79 Kg de Mn y 0.96 Kg de P. SE agregó 47.7 kg de Fe2O3, reduciéndose la mitad a Fe y la otra mitad a FeO. Se descompuso 87.7 kg de CaCO3 y se formó 121 kg de escoria. Calor de formación de la escoria, 125 Kcal por kilogramo.La temperatura de los gases del horno, determinada a diferentes niveles, fueron las siguientes:

Por ciento

N 0.60

S 0.90

Gr. Es. 27° Bé

Por ciento

C 84.35

H 11.33

O 2.82


Cerca a los quemadores: 2000°CEn el extremo del tragante (entrada a las cámaras): 1580°Salida de las cámaras (entrada a la caldera): 950°Salida de la caldera (entrada a la chimenea): 240°

Calcular:1.- Por ton de acero producido, el suministro de calor total y el porcentaje suministrado por (a) el combustible; (b) el aire precalentado y; (c) las reacciones químicas del horno.2.- El porcentaje del calor total de la combustión (es decir, suministro total menos el calor de las reacciones) que es:

a) Perdido durante la combustiónb) Cedido al horno mismo c) Extraído en las cámaras d) Extraído por las calderas e) Perdido por la chimenea

Solución: El calor suministrado por el combustible se puede calcular directamente aplicando la fórmula de Dulong. El resultado es de 10,012 Kcal por kilogramo de petróleo.

El contenido calorífico del aire no se puede calcular directamente porque no se conoce su temperatura. Como la intensidad calorífica, 2320 °C, es la temperatura teórica de los gases resultantes de la combustión del petróleo sobre la base que todo el calor disponible está representado por su contenido calorífico; en otras palabras, el contenido calorífico de los productos de la combustión a 2320° es igual a la suma del poder calorífico (10,012 Kcal) más el calor del aire precalentado; de modo que éste se puede calcular por diferencia.

Por lo tanto, en primer lugar se debe calcular el volumen de los productos de la combustión por kilogramo de petróleo; que se realiza de la manera usual y el resultado es: N2, 9.506 m; O2, 0.330; CO2, 1574; H2O, 1.270; SiO2, 0.006. A partir de estos volúmenes se calcula el contenido calorífico de los gases. Como para las otras preguntas del problema se requiere contenido calor calorífico de los gases. Como para las otras preguntas del problema se requiere el contenido calorífico a diferentes temperaturas, los cálculos se simplificarán al obtener una expresión en términos de t, que representa al contenido calorífico a cualquier temperatura; por lo tanto para t se puede sustituir a las diversas temperaturas conocidas.

Calor contenido en él:N2 y O2 = 9.836(0.302 + 0.000022t) t = 2.970t + 0.000216t2

CO2 y SO2 = 1.580 (0,406 + 0.000090t) t = 0.541t + 0.000142t2 H2 = 1.270(0.373 + 0.00005t) t = 0.473t + 0.000063t2 Contenido calorífico total (A) = 4.084t + 0.000421t2

Cuando t = 2,320 °, el contenido calorífico es de 11.741 kcal.11,741 – 10,012 = 1,729 kcal suministradas por el aire precalentado (por kilogramo de petróleo quemado).Las cantidades por kilogramo de petróleo se deben convertir a la base de ton de acero utilizándose 42 gal. de petróleo por ton de acero.42 gal x 3,785 = 159 litros El petróleo de 27°Bé tiene una densidad de 0.892.0.892 x 159 = 142 kg 142 x 10,012 = 1,422,000 kcal del combustible por ton de acero142 x 1,729 = 246,000 kcal del aire precalentado.Calor generado por las reacciones químicas: C → CO2 = 4.17 x 8,100 = 33,770 kcalC → CO = 12.50 x 2,430 = 30,380 Si → SiO2 = 4.62 x 7,160 = 33,080Mn → MnO = 8.79 x 1,757 = 15,440P → P2O5 = 0.96 x 5,912 = 5,680 Formación de la escoria = 121 x 125 =15,120 133,470 kcal

Calor absorvido por las reacciones químicas:Fe2O3 → Fe = 23.85 x 1,777 = 42,380 kcal


Fe2O3 → FeO = 23.85 z 624 = 14,880 CaCO3 → CaO = 97.7 x 433 = 37,970 95,230 kcal

Calor neto de las reacciones = 133,470 – 95,230 = 38,240 kcalCalor suministrado por el combustible = 1´422,000 kcal = 83.4 % Por el aire precalentado = 246,000 = 14.4Por las reacciones = 38,000 = 2.2 Calor total suministrado = 1´706,000 kcal = 100.0 % (1).(Nota de comparación: las reacciones químicas suministran alrededor del 2 % del calor al horno Siemens- Martin y el calor que utiliza el convertidor Sessemer en su totalidad tiene éste origen).

El calor perdido durante la combustión es igual al total del calor suministrado por la combustión menos el calor que permanece cerca de los quemadores a 2000°; calculado al sustituir t = 2000 en A. Como el volumen de los gases incrementa, en el extremo del tragante del horno, al liberarse CO2 del CaCO3 ; cuyo contenido calorífico a t° se agregará a A, antes de sustituir los otros valores de t.

CO2 del CaCO3 = 44100

x 87.7+ 22.444

= 19.6 m3 por ton de acero

Que es igual a 19.6142

= 0.138 m3 por kilogramo de petróleo.

Agregando a A: Contenido Calorífico de éste CO2 : 0.130 (0.406 + 0.00009t)t = 0.056t + 0.000012 t2

Contenido calorífico = 4.140 t + 0,000433 t2

Cuando:t = 2,000, calor total = 9,852 kcal (usado A) t = 1,580, calor total = 7,622 kcal (usado B)t = 950, calor total = 4,324t = 240, calor total = 1,018

11,714 - 9,852 = 1,889 kcal perdidas en la combustión = 16.1 %9,852 - 7,622 = 2,230 dejadas en el horno mismo = 19.07,622 - 4,324 = 3,298 extraídas por las cámaras = 28.14,324 – 1,018 = 3,306 extraídas por la caldera = 29.1 1,018 pérdidas por la chimenea = 8.7 11,741 kcal 100.0 % (2) En éste análisis del suministro y distribución del calor del horno Siemens – Martin se ha ignorado un factor que por lo general se toma en cuenta en la práctica. El horno no está completamente sellado o cerrado. A menudo tiene grietas y aberturas que permite el ingreso de grandes volúmenes de aire, denominado “fugas de aire”, que se calculará y agregará a los gases del horno. Existen dos métodos para la determinación de las fugas de aire, son los siguientes:1.- Análisis químico de los gases después de los puntos de fuga, es decir, a la entrada o salida de las cámaras. Por ejemplo, supóngase que el análisis indicó 10.0% de CO2. Los gases sin las fugas de aire analizaron 1.574 m3 de CO2 por kilogramo de petróleo, que es igual al 12.4% del total de 12.685 m3 de gas. Ahora, si 1.574m3 es el 10.0%, el total es 15.74 m3 y el volumen de las fugas es de 15.740 – 12.686 = 3.054 m3 por kilogramo de petróleo. En vez de utilizar el porcentaje de CO2, se puede determinar el porcentaje de oxígeno de los gases y a partir de su volumen calcular el volumen de las fugas.2.- Medición del volumen de los gases después de los puntos de fuga. El volumen medido se debe reducir a las condiciones normales y a la base de 1kg de petróleo. Si los resultados fuesen, por ejemplo, de 16.0 m3 , el volumen del aire sería de 16.0 – 12.685 m3.


La medición del volumen se realizará probablemente mediante un tubo pitot, que mide la velocidad del gas en algún punto donde pueda determinarse fácilmente el área de la chimenea o de la cámara. Área x velocidad = volumen por unidad de tiempo. Por ejemplo, supóngase que la velocidad medida fuese de 700 m3 /min en un punto donde el área fue de 2.0 m2 y que tuvo la temperatura de 800°C y la presión de 760 mm. Por lo tanto, el volumen de los gases sería 700 x 2.0 x (273/1,073) x (750 / 760) = 352 m3 /min a condiciones normales. El horno usa 390 gal de petróleo por hora, o 1,315 kg por hora, o 21.9 kg/min. Luego, el volumen de los gases es (352/21.9) = 16.06 m3 por kg de petróleo.

17. un mineral de hierro tiene la siguiente composicion:

Por ciento

Fe2O376SiO214MnO1Al2O39

Al fundirlo en un alto horno, produce el arrabio del siguiente analisis:

Por ciento

Fe94.2C3.5Si1.5Mn0.8

Por ton de arrabio se uso 1,100Kg de coque que contiene 88% de c y 12% de SiO2.

Los gases analizan 26% de co, 13 CO2,61N2asumaque nose pierde hierro en laescoria .

Calcular: 1. El peso del mineral necesario para producir 1 ton de arrabio.

2. El peso de caliza (CaCO3 ¿puro, por ton de arrabio, requerido para producir una escoria

que contenga 36% de CaO.3. El volumen de los gases, por ton de arrabio4. El volumen del aire, calculando por el metodo del oxigeno y del nitrogeno.

Solución:

0.94 x 1.000÷0.76 x112160

=1.771kgdemineral (1 )

SiO2=0.14 x1.771÷0.12x 1.100−0.015 x1.000 x6028

=348kg

MnO=(0.01x 1.771 )−(0.008 x1.000 x 7155 )=7Al2O3=0.09 x1771=159peso de la escoria

sin el CaO= 514Kg

pesodelCaCO3=514 x3664

KgCaO x10056

=516Kg (2 )

C total en los gases= (0.88 x1.100 )+( 12100 x516)-(0.035x 1.000)= 995Kg

peso de C en 1 m3de gas= 1222.4

(0.26+0.13 )=0.209

volumende los gases= 9950.209

=4.762m3 (3 )

Volumendel aire por elmetododel oxigeno :

2C+O2↔2CO :1.26 x 4.672 x32

2 (22.4 )=884Kg


C+O2↔CO2 :0.13 x 4.672x32

2 (22.4 )=884

total de O en tos gases = 1.768Kg

Oen lacaliza=3212

x62=165Kgo enel Fe2O3=48160

x 0.76 x1.771=404

Ode lareduccion del SiO2=3228

x15=17Ode lareduccion delMnO=1655

x 8=2

total deOdisponible en lacarga=588Kg pesodel aire=1.768−5880.232

=5.086Kg

Volumendel aire=5.0861.293

=3.934m3 (4 )volumendel aire por elmetododel nitrogeno :

61x 4.76279

=3.677m3 (4 )

18. Un horno Siemens-Martin trata una carga de 40 tons de arrabio liquido y 40 tons de chatarra (ton de 2,000 Tb).

Arrabio,

Por ciento

Chatarra.

Por ciento

Mineral, %

Por ciento

C 3.6 C 0.5 Fe O 73

Si 0.9 Si 0.1 SiO 15

Mn 1.9 Mn 0.3 MnO 12

P 0.15 P 0.05

2 hr. después de cargar la chatarra, se agrego el arrabio, durante este tiempo los gases del horno oxidaron dos-tercios del Si y Mn y un-séptimo del Fe de la chatarra. 1 hr. después de la adición del arrabio, como resultado de la acción del FeO, se oxido todo el Si sobrante de la chatarra y del arrabio y todo el Mn remanente, excepto una parte igual al 20% del total del Mn original. De acuerdo a esto, el metal líquido no perderá mas Mn porque las posibles perdidas serán balanceadas por la reducción parcial del Mn del mineral. (El manganeso que permanece en la solución metálica hasta esta parte del proceso se denomina, ¨manganeso residual¨) Todo el FeO al actuar sobre el arrabio se reduce otra vez a Fe, menos la cantidad suficiente como para dejar 20% de FeO en la escoria final. La escoria también contiene 45% de CaO, que proviene de la adición de CaCo3 a la carga.

El Fe2O3 del mineral oxida la mayor parte del C y P de la carga y que es complementada por el FeO remanente de la chatarra oxidada.

Se desea que la solución metálica contenga exactamente antes de la colada, además del manganeso residual, carbono equivalente al 0.3% del arrabio y chatarra cargada y solamente una cantidad mínima de Si y P.

Calcular:

1. El peso de mineral a agregarse.2. El peso de la escoria producida.3. El peso del CaCO3 a agregarse.4. El peso y la composición en porcentaje del acero final.


Solución: La oxidación de las impurezas se realiza en parte por la acción del oxígeno de los gases del horno (es decir, el exceso de aire) y en parte por la acción, del oxígeno que se obtiene el reducirse el Fe2O3 del mineral agregado. El peso del mineral se determina a partir de la cantidad de oxigeno que se necesita de este, que sería el oxígeno requerido por las impurezas menos la cantidad que se obtiene de los gases del horno. Esto se calculara en primer lugar, como sigue:

C a oxidarse (restándose el que permanece al final en el acero líquido) = 0.036 x 80,000 + 0.005 x 80,000 – 0.003 x 160,000 = 2,800 lb. Asúmase que el carbono se transforma a CO3

ya que la oxidación adicional a CO2 la realiza el O2 de los gases, por lo tanto, no afectara la demanda de mineral.

Si a oxidarse = 0.009 x 80,000 + 0.001 x 80,000 = 800 lb.

Mn a oxidarse = (0.019 x 80,000 + 0.003 x 80,000) x 0.80 = 1,408 lb (El 20% del Mn es residual)

P a oxidarse= 0.015 x 80,000 + 0.005 x 80,000 = 160 lb.

El oxigeno que se requiere para oxidar cada una de estas cantidades, restándose en el caso de SI y Mn los dos-tercios de la chatarra que oxidan los gases durante la fusión, es como sigue:

Para el C: 16/12 x 2,800 = 3,733 lb.

Para el Si: 32/28(800 - 2/3 x 80) = 854

Para el Mn: 16/55(1,408 - 2/3 x 240) = 363

Para el P: 80/62 x 160 = 206

5,156 lb.

De esta cantidad, no obstante, no todo será suministrado por el mineral. Durante la fusión, un-séptimo del Fe de la chatarra forma FeO3 y posteriormente una parte se reduce a Fe, suministrando de esta manera oxigeno.

Fe de la chatarra = 0.9905 x 80,000 = 79,240 lb.

O que emplea = (79,240/7) x (16/56) = 3,234 lb; de la cual se restará el oxígeno del FeO que no se reduce y que es igual al 20% de la escoria ; cuya determinación requiere que en primer lugar se calcule la cantidad de la escoria, que a su vez depende del peso del mineral empleado. De ahí que la determinación es indirecta y se desprende que se debe emplear un método algebráico. Si x es el peso del mineral agregado, la cantidad de la escoria y del FeO de la escoria se determinará en términos de x. Por lo tanto , el oxígeno que se suministrará el mineral se obtendrá en términos de x; x se determina mediante una ecuación que se deriva a partir de la composición del mineral.

Como la escoria contiene SiO2 , MnO y P2O5 , formados por la oxidación de las impurezas y el SiO2 y MnO del mineral, la suma total de estos constituyentes será igual al 35% de la escoria; el resto estará formado por 45% de CaO y 20% de FeO.

SiO2 formado por el Si = 60/28 x 800 = 1,714 lbMnO del Mn = 71/55 x 1,408 = 1,818P2O5 del P = 142/62 x 160 = 366SiO2 y MnO del mineral = 0.15x y 0.12xSumando:3,898 + 0.27x = 35% de la escoria. FeO = 20% de la escoria = 0.20 x ((3,898+0.27)/0.35) = 2,228 + 0.1543x O que contiene éste FeO = 16/72(2,228 + 0.1543x) = 496 + 0.0343xO disponible para las impurezas del FeO = 3,234 – (495 + 0.0343x).O a ser suministrado por el mineral = 5,156 – (2,738 – 0.0343x) = 2,418 +0.0343xSegún el análisis del mineral :O disponible en el mineral = 48/60 x 0.73xIgualando :


2,418 + 0.034x = 0.3 x 0.73xX=13.080 lb (1).Peso de la escoria = ((3,898 + 0.27)/0.35) = 21,200 lb ….. (2) CaO = 0.45 x 21,200 = 9,540 lb CaCO3 = 100/56 x 9,450 = 17,020 lb ….. (3).Fue agregado al acero líquido del mineral = Fe del mineral menos el Fe de la escoria.Fe del mineral = 112/160 x 0.73 x 13,080 = 6,700 lb Fe de la escoria = 56/72 x0.20 x 21,200 = 3,300 Fe del mineral = 3400 lb Total de Fe = 0.9345 x 80,000 + 0.9905 x 80,000 + 3,400 = 157,400 lb =99.48 % C =0.003 x 160,000 = 480 = 0.30 Mn = (0.20/0.80) x 1,408 = 350 = 0.22 Peso total del acero = 158,230 lb = 100% … (4)

19. Para la calefacción de un caldero se utiliza como combustible gas licuado de petróleo, GLP, que para fines de cálculo se supone que es 100% propano, el que se quema usando oxígeno puro. El análisis de los gases que salen de la chimenea del caldero es:

CO2 = 33.33%H2O = 44.45% O2 = 22.22%a) Expresar el análisis de los gases de combustión en base seca b) Calcular el exceso de oxígeno utilizado.

Solucióna) En el análisis en base seca, no se toma en cuenta entre los componentes de la fase gaseosa al vapor de agua. La suma de los porcentajes de los gases restantes, CO2 y O2 es 33.33 + 22.22 = 55.55.El análisis del gas en base seca se obtiene calculando los nuevos porcentajes en base a la suma de los porcentajes de O2 y CO2

CO2=

33.3355.55

x100=60%

O2=

22.2255.55

x100=40%

Para el cálculo del exceso de oxígeno conociendo el análisis de los productos de combustión y la fórmula del gas combustible (propano, C3H8 ; n = 3 , m = 8), se debe tomar como base las fórmulas de la columna de porcentajes.

CO2=

nβx100=3

βx 100=33.33

Despejando en esta ecuación el valor de β, que representa el número total de moles (volumen total), se tiene:

β= 30033.33

=9

El exceso de oxígeno α, puede ser calculado, cálculo del porcentaje del oxígeno:

O2=

αβx(n+m

4 )x 100=22.22Reemplazando valores:

α9x(3+ 84 )x 100=22.22α x5009

=22.22

α=0.4El exceso de oxígeno utilizado en la combustión es de 40%


20. Un horno eléctrico que funde una carga de acero para producir piezas fundidas emplea 1,000 Kw y requiere de 400 Kw para mantener la carga de 10 tons de acedro a la temperatura de colada .el calor requerido para calentar 1 Kg. De acero hasta el punto de fusión es de 250 Kcal; para fundirlo ,50 Kcal durante el proceso.

El punto de fusión de acero es de 1500 °C .calor especifico del acero líquido ,0.20.El tiempo total de operación es de 8 hr.durante el tiempo que sigue al de la fusión se desoxida la carga, se descorifica y se realiza la colada, la temperatura de colada se mantiene, 1700°C.Calcular:1.- el tiempo para calentar la carga hasta el punto de fusión2.- el tiempo para fundir la carga 3.- el tiempo para sobrecalentar la carga 4.- la eficiencia electroquímica de la operación total5.- el tiempo total requerido y la eficiencia, si emplea 1,500 Kw para calentar la carga hasta el punto de fusión.

Solución:Los 400Kw necesarios para mantener la carga a la temperatura de colada equivalen a las pérdidas de calor del horno .por lo tanto .el porcentaje de calor perdido es 400/1,000 = 40%; y el calor utilizado es de 100- 40 =50 %

Calor utilizado de 0-1500 °C = 10,000 * 250 =2500,000 Kcal.Calor suministrado 0 – 1500°C = 2500,000/ 0.60 =4166,667Tiempo de calentamiento de 0 – 1500°C 4116,667/860,000 =4.85 hr (1)Calor utilizado para la fusión = 10,000* 50 = 500,000 Kcal.Calor suministrado a la fusión = 500,000/ 0.60 = 833.333Tiempo de fusión = 833.333/860.000 = 0.97 hr (2)

Periodo de sobrecalentamiento:Calor utilizado = 10,000 * 0.20 (1700 – 1,500) = 400.000 Kcal Calor suministrado = 400.000 / 0.60 = 666.667Tiempo de sobrecalentamiento = 666.667/860.000 = 0.78 hr (3)Eficiencia total = (1,000*340)/(1,000*6.6*860) = 59.9 % (4) Tiempo de operación con 1,500 Kw 5676.000/(1500*860) = 4.4 hr Tiempo que se mantiene constante la temperatura = 8 - 6.6 = 1.4Tiempo total de operación con 1,500 Kw =5.8 hr (4)Perdidas de calor = 400/1500 =26.7 %Calor utilizado = 100 - 26.7 = 73.3 % Eficiencia con 1500 Kw = 4060.508/5676.000 = 73.3 % (5)

21. un horno eléctrico emplea 20.000 amp. A 75 voltios , con un factor de potencial de 0.80 se funde 6.000 kg de acero desde ° C hasta su punto de fusión de 1500°C en dos horas. cada kilogramop de acero liquido contiene 290 Kcal, calor latente de fusión,51 Kcal. calor especifico del acero loiquido ,a 0,21.despues de la fusión ,el acero se sobrecalentó hasta 1680 °C para la colada.

Asuma que las perdidas de calor durante cada periodo es proporcional a su temperatura media.Calcular:1.- la eficiencia térmica del horno durante el periodo de calentamiento.2.- el tiemo requerido para fundir el acero y la eficiencia de este periodo

Solución :Potencia = 20.000 * 75 * 0.80 = 1.200 KwCalor usado en el periodo de fusión = 6.000 * 290 =1740000 KcalCalor suministrado a este periodo = 1200 * 2 * 860 =2064000 KcalEficiencia térmica del calentamiento = 1740 = 8403 % (1)De acuerdo el enunciado del problema ,el calor usado en cada periodo será igual al calor periodo a la temperatura final del periodo respectivo.por lo tanto ,el calor suministrado será igual al calor usado mas el calor perdido a la temperatura media.es decir ,el calor perdido será igual al 50 % del calor usado.Calor usado en el periodo de fusión =6.000 * 51 = 306.000 KcalTemperatura media del periodo de calentamiento = 1.500/ 2 = 750 °C


Calor perdido durante la fusión =750/1,500*306.000 = 153.000 KcalCalor suministrado al periodo de fusión = 306.000 + 153.000 = 459.000 Kcal459,000/(1,200*860) = 0.44 Hrs. Requeridas para fundir el acero (2)Eficiencia de este periodo = 306/459 = 67 % (2)Calor usado en el sobrecalentamiento = 6,000 * 0.21 (1.680 – 1.500) = 226.800 KcalCalor suministrado a este periodo = 226.000 * 1.5 = 340.200 Kcal340.200/(1,200*860) = 0.33 Hr requeridos para el sobrecalentamiento (3)Eficiencia de este periodo = 226.800/340.200 = 66.7 % (3)

22. un determinado carbón bituminoso contiene lo siguiente : Por ciento C 78 H 5 O 8 Ceniza 1 H2O 1Es empleado en un horno para calentar lingotes de acero para forjaa.asuma que solo se emplea la cantidad teorica de aire para la combustión los gases salen del horno a 1000 °C por cada 1000 Kg de carbón quemado se calentó 10000 Kg de lingotes hasta 1000°C en 1 hr.Calcular:1.- el porcentaje del poder calorificvo del carbón perdido en los gases2.- el porcentaje del poder calorífico del carbón usado para el calentamiento de los lingotes.3.- ¿Qué cantidad de potencia eléctrica se requeriría para calentar los mismos ligotes ,asumiéndose que el calor perido por radiación y conducción por hora es igual al que pierde al quemar el carbón?4.- ¿Qué cantidad de potencia se requeriría para mantener los lingotes a 1000 °C ,después que se han calentado hasta esta temperatura?

Solución:Poder calorífico del carbón :8,100 * 0.78 + 34.000(0.05 - 0.08/8 )- 586 (9 * 0.05 + 0.01) = 7 408.44 Kcal/ KgRequerimiento teorico de O2 para la combustión :C + O2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . O2 =780 * 22.4/12 = 1.456 m^32H2 + O2 = H2O . . . . . . . . . . . . . . . . . . O2 =50 * 22.4/4 = 280m^3 Total 1 736 m^3

O2 presente en el carbón = 80 * 22.4/32 = 56 m^3 O2 a ser suministrado por el aire = 1,680 m^3Requerimiento teorico de aire = 1,680/0.21 = 8,000 m^3Gases de la combustión :CO2 = 1,456 m^3H2O = 2 * 280 + 10 *22,4/18 = 672N2 = 0 0.79 * 8,000 = 6,320Contenido calorífica de los gases:CO2 = 1.456 (0.406 + 0.00009 * 1.000)1.000 = 722.176 Kcal H2O = 572 (0.373 + 0.00005 * 1.000) 1.000 = 241.956 N2 = 6.320 (0.302 + 0.000022 * 1.000 ) 1.000 = 2 047.680Total = 3 011,812 Kcal

Poder calorífico perdido = 3011.812/7408.440 = 40.7 %


Como los aceros para forja contiene un minimo de C ,se puede considerar que únicamente están constituidos por hierro.por lo tanto, el calor necesario para el calentamiento por kilogramo de acero ,de acuerdo a la tabla XIV es :

Contenido calorífico a 910 °C = 161 KcalCalor ganado entre 910 y 1000 °C :1 (0.160 + 0.00001 (1.000 - 910)) (1.000 – 910) = 14Calor en 1 Kg de acero para forjar a 1000 ° C =175 Kcal

Calor utilizado para el calentamiento = 10000 * 175 = 1 750 000 Kcal.Poder calorífico usado para el calentamiento = 1750000/7408000 = 23.6 % (2)Poder calorífico para el calentamiento:7 408 ,440 - 3 011,812 = 4 396,628 KcalPotencial requerida para el calentamiento : 4396,628/860 = 5.112 Kw (3)Potencia requerida para mantener los lingotes a 1000 °C :4396,628 - 1750,000 = 2646,628 / 860 = 3.078 Kw (4) 23. durante el primer periodo(fusión ),un horno eléctrico básico trata 10 tons.de carga que

tiene la composición promedi o siguiente:

Por ciento Por ciento C 2.0 P 0.8 Mn 0.8 S 0.2 Si 1.0 Fe 95.2 El acero para el afino debe contener un cuerpo del carbono original ,un –quinto del silicio original y un medio del manganeso original.el azufre y el fosforo se eliminan por completo .la oxidación de las impurezas es efectuado por el mineral de hierro agregado que contiene Fe2O3 85 % SiO2 ,15%.la escoria producida contiene hierro igual al 2 % del hierro total cargado,asumiéndose que proviene de la reducción del Fe2O3 ,del mineral a FeO y, 40 % de CaO .ElMn se pierde en la escoria como MnO ,el Si como SiO2 ,el P como P2O5 ,el S como CaS y el C se oxida a CO.

Calcular:1.-El peso del mineral usado2.- el peso de la escoria producida3.- el peso de la cal empleada4.- el peso del acero producto

Solución:Oxigeno requerida para oxidar las impurezas

S + CaO + C = CaS + COPara el C = (200 * ¾ - 12/32 * 20) 16 /12 = 190 KgPara el Si = 32 / 28 * 100 * 4/5 = 91Para el Mn = 16/55 * 80 * 1 / 2 = 12Para el P = 80 / 62 *80 =103 Total = 396 Kg

Fe a escorificarse = 0.02 89.250 + 112 / 160 (0.85x)) = 190.4 + 0.0119 xO para este Fe = 16 / 56 (190 + 0.0119x ) 0 54.4 + 0.0034xO a ser suministrado por el mineral = 396 + (54.4 + 0.0034x ) = 450.4 + 0.0034xO disponible del mineral de acuerdo al análisis : 48 / 160 ( 0.85x ) = 0.255x


Igualando:450.4 + 0.0034x = 0.255xX =1.790 Kg (1)Escoria producida:

SiO2 = 60 / 28 * 80 + 0.15 * 1.790 = 440 KgMnO =71 / 55 * 40 = 52P2O5 = 142 / 62 * 80 =183CaS =72 /32 * 20 = 45FeO = 72 / 56 (190.4 + 0.0119x) = 272 992 Kg

Peso total de la escoria = 992/0.60 = 1.653 Kg Peso del CaO = 0.40 * 1.653 + 56 / 32 * 20 = 696 Kg (3)Acero producido:Fe = 9.250 + (112 / 160 * 0.85 * 1.790 - 56 / 72 * 272 ) = 10,373 Kg

C = 1 / 4 * 200 = 50 KgSi = 1 / 5 * 100 = 20Mn = 1 / 2 * 80 = 40 Total 10.483 Kg (4)

24. un horno eléctrico se cargó con 4 tons. De chatarra de acero y 4 tons. De arrabio. durante la fusión se agregó 600 Kg de mineral de hierro y suficiente CaCO3 para producir una escoria de 40 % de CaO .como desoxidantes se emplearon 80 Kg de ferro manganeso y 35 Kg de ferro-silicio.

Para el afino se produjo 7,960 Kg de acero que analizo C, 0.03 % ,Mn,0.2 %,Si ,0.1 , P , 0.02 ,Fe ,99.38Los materiales empleados analizaron:Calcular:1.- un balance de material de horno2.- la composición de la escoria

Solución:

C a oxidarse =( 0.005 * 4.000 )+( 0.04 * 4.000 ) + (0.06 * 80 ) – 0.003 * 7,960 = 161 KgSi a oxidarse = (0.0012 * 4,000 ) + (0.012 * 4,000 ) + (0.02 * 80 ) + (0.50 * 36 ) –(0.001 * 7.960 ) = 64 KgMn a oxidarse = (0.003 * 4,000 ) + (0.008 * 4,000 ) + (0.80 * 80 ) – (0.002 * 7.960 ) = 92 KgFe oxidarse = (0.99 * 4.000 ) + (0.92 * 4.000 ) + (112 / 160 * 0.80* 600 ) + (0.12 * 80) + (0.50*30 ) – (0.9938 * 7.960 ) = 93 Kg

Composición de la escoria:SiO2 = 60 / 28 * 80 + 0.16 * 500 = 233 Kg = 20.4 %MnO =71 / 55 *92 + 0.04 * 600 = 52 =12.5P2O5 = 142 / 62 * 82 =183 =16.5FeO = 72 / 56 * 93 = 272 =10.5 Peso de la escoria sin CaO = 684 Kg

CaO = 684 * 40 / 60 = (456 Kg)/(1 140 Kg) = (40.0%)/(100.0 %) (2)Peso total de la escoria

siderurgia ii

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