Metalurgia y Materiales ILC-204Certamen 2, Junio 04, 2013 Nombre: PAUTA

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Pregunta 1 2 3 Total

Puntos 25 45 30 100

Puntaje

Pregunta 1 (25 puntos)Beneficio de Minerales de Hierro

(a) (10 puntos) Esquematice el proceso de beneficio de minerales de hierro desde el mineral ROMhasta el concentrado. Incluya en su esquema: leyes iniciales y finales, entradas y salidas de cadaetapa. Adems, considere la etapa de peletizacin.

Solution:

chancado moliendaConcentracin

magntica

Mineral

ROM

~40% Fe

Conc tipo Fe3O460-70% Fe

relaves

peletizacin

aguabentonita

pelet

Calcinacin

~1300 C

Pelet Fe2O3 a Alto Horno

Ley 1 pto 1 pto 1 pto

2 ptos

Ley y Min

1 pto

2 ptos

2 ptos

(b) (5 puntos) Explique por qu es necesario peletizar el mineral de hierro

Solution:La peletizacin se realiza por dos razones:

1. Para que el pelet de mineral de hierro adquiera dureza y resistencia mecnica.

2. Para minimizar las perdidas de mineral en el Alto horno. Esto porque si el mineral fueraalimentado en forma de particulas finas sera arrastrado por el aire hacia la parte superiordel horno y, por consiguiente, fuera del horno.

(c) (10 puntos) Minera Los Colorados procesa actualmente 12.000 (tpd) de mineral ROM que contie-ne mineral de hierro tipo Fe3O4. Calcular la toneladas por da de hierro en el concentradoy en los relaves que se obtienen en la planta de beneficio de minerales. La recuperacinde hierro es de 98%. Asuma las leyes de hierro en la alimentacin y en el concentrado.

Solution:

Mineral

ROM

Beneficio deMinerales

Conc tipo Fe3O4

relaves

RecFe=98%

mROMFe = 0,4012000 = 4800[tpd] 3 puntos

mconcFe = 0,984800 = 4704[tpd] 4 puntos

mreesFe = 4800 4704 = 96[tpd] 3 puntos

Metalurgia y Materiales ILC-204Certamen 2, Junio 04, 2013 Nombre:

Pregunta 2 (45 puntos)Verdadero o Falso. Justificar tanto las sentencias que sean verdaderas como las falsas.

1. F En el alto horno, el mineral de hierro es oxidado por el aire que ingresa al reactor y, de estamanera, se genera el calor que funde la carga.(1 pto) El coque de la carga es oxidado por el aire que entra al horno. El gas CO producido reduce

al mineral de hierro conviertindolo en hierro metlico. A su vez, el calor producido por lareaccin de oxidacin del coque funde la carga (4 ptos)

2. V Piedra caliza (CaCO3) se alimenta al alto horno como fundente para bajar el punto de fusinde la escoria y proteger el arrabio

(1 pto) Piedra caliza se descompone a altas temperaturas formando CaO y CO2. El CaO va a la escoriay baja su punto de fusin. La escoria es menos densa y flota sobre el arrabio protegindolo y,de esta manera, minimiza la oxidacin del Fe contenido en el arrabio (4 ptos)

3. VEl horno convertido oxgeno es alimentado con chatarra de acero para controlar la temperaturadentro del equipo

(1 pto) Se agrega chatarra fra al convertido oxgeno para bajar la temperatura dentro del horno yaque al utilizar oxgeno puro para oxidar el carbono del arrabio se libera una gran cantidad decalor que pondra problemas a la estabilidad del convertidor (refractarios y carcasa de acero)(4 ptos)

4. V El proceso de reduccin directa transforma el mineral de hematita en hierro a travs de unproceso en estado slido.(1 pto) El mineral de hierro hematita Fe2O3 ingresa a un horno que opera contra-corriente. El mineral

se alimenta por la parte superior del horno, mientras que los gases reductores (H2 y CO)ingresan por la mitad del horno. Los gases reducen el mineral de hierro generando un productoporoso llamado hierro esponja. Toda la operacin de reduccin se realiza a app. 900 C nollegando a fundir la carga (4 ptos)

5. F Es posible reducir el espesor de un planchn de colada continua desde 10 [cm] a 1 [cm]utilizando laminacin en fro (40% deformacin) sin requerir recocidos intermedios.(1 pto) No es posible ya que en la primera etapa de deformacin se reduce el espesor a 6 [cm] y no

es posible continuar con la deformacin en fro sin generar fallas en la pieza. Por lo tanto, esnecesario realizar recocidos intermedios para que se produzca la recristalizacin de los granosdeformados (4 ptos)

6. V La estructura de colada se caracteriza por poseer tres regiones perfectamente reconocibles:zona chill, zona columnar y zona equiaxial.(1 pto) Durante la solidificacin los granos que crecen en la pared son muy pequeos producto del alto

gradiente de temperatura. Los granos columnares de orientan en la direccin de la extraccindel calor. Por ltimos, los granos equiaxiales nuclean y crecen en el centro de la pieza (4 ptos)

7. V El rechupe ocurre en piezas fundidas coladas en moldes (lingotes).(1 pto) El rechupe se origina cuando el volumen del lquido alimentado al molde es menor o igual alvolumen de la cavidad del molde. Es decir, no se consider el cambio volumtrico originadodurante la solidificacin (4 ptos)

8. V El esfuerzo de fluencia corresponde al mximo esfuerzo que un material puede soportar sindeformarse plsticamente.(1 pto) A esfuerzo menores al esfuerzo de fluencia el material slo se deforma elsticamente y el com-

portamiento es lineal en una curva -. Sobre el esfuerzo de fluencia comienza la deformacinplstica del material (4 ptos)

9. F La ductilidad de un material corresponde a la energa absorbida durante la deformacin pls-tica.(1 pto) Corresponde a la deformacin plstica que un material es capaz de experimentar /o/ Tenacidad

es la energa que un material absorbe cuando se deforma plsticamente. (4 ptos)

Metalurgia y Materiales ILC-204Certamen 2, Junio 04, 2013 Nombre:

Pregunta 3 (30 puntos)Balance de masa: Se carga un alto horno con mineral de hierro, caliza (CaCO3) y coque en la siguienteporcentaje en peso:

Material Mineral Caliza CoqueFe2O3 80 - -SiO2 12 4 10 -MnO 1 - -Al2O3 3 - -H2O 4 1 -C - - 90CaCO3 - 95 -masa [Kg/ton de arrabio] 1500 250

El arrabio producido contiene: 4% C, 1% Si, 1% Mn y 94% Fe. Se producen 3.500 [m3] de gases desalida por tonelada de arrabio cuya composicin en peso es: 26% CO, 12% CO2, 4% H2O y 58% N2.Calcular:

(a) (10 puntos) La masa de coque por tonelada de arrabio producido.

Solution:Balance de carbono: mczC +m

coqeC =m

rrboC +m

gsesC

Masa de carbono en la piedra caliza:

mczC =250 0,95

100 12 = 28,5[Kg]

Masa de carbono en el coque:mcoqeC =m

coqe 0,9Masa de carbono en el arrabio. Considerando 1 [ton] de arrabio:

mcrrboC = 1000 0,04 = 40[Kg]Masa de carbono en los gases de salida. Con los porcentaje en volumen podemos calcular elvolumen de cada uno de los componentes del gas de salida. Utilizando la ecuacin de gas idealpodemos calcular los moles de cada componente. Considerando 298 K y 1 atm de presin:

nCOC =101325 [Pa] 0,26 3500[m3]

8,314 [J/mol K] 298 K = 37216,2 moles

nCO2C =

101325 [Pa] 0,12 3500[m3]8,314 [J/mol K] 298 K = 17176,7 moles

Luego, la masa de carbono en los gases es:

mC =(37216,2 + 17176,7) 12

1000= 652,7 [Kg]

Finalmente, remplazando los valores obtenidos en la expresin del balance de masa de carbono:

mcoqe =40 + 652,7 28,5

0,9= 738 [Kg]

(b) (10 puntos) Consumo de aire por tonelada de arrabio en [m3].

Solution:Todo el nitrgeno que ingresa al Alto Horno se va a los gases de salida. Luego, el volumen delaire alimentado es:

Vre = 0,58 3500 10,79

= 2569,6 [m3]

(c) (10 puntos) En colada continua se obtienen planchones de 30 [cm] de espesor. Calcular cuntasetapas de deformacin en fro son necesarias para obtener una lamina de 1[cm]. Considere quecada deformacin en fro puede producir un 50% de deformacin (%def=t/ t0). Indique el% dedeformacin que debe realizar en la ltima etapa. Adems, indique qu proceso intermedio deberealizar para continuar la deformacin y cuntas etapas de ste proceso necesita para lograr elespesor final.

Solution:

30 cm

50%

15 cmrecocido

7,5 cmrecocido

3,75 cmrecocido

1,875 cm

1,875 cm 1,00 cm

Recocido para recristalizar nuevos granos y finos.

Alta Resistencia mecnica, ductilidad y tenacidad

46,7%

recristalizacin

50% 50% 50%

recristalizacin recristalizacin

Laminado en fro con alta resistencia

mecnica pero baja tenacidad

recocido

recristalizacin

Metalurgia y Materiales ILC-204Certamen 2, Junio 04, 2013 Nombre:

Se requieren 5 etapas de deformacin en fro (6 puntos).

En la ltima etapa de deformacin se debe aplicar slo 47% de deformacin (2 puntos).

Se requieren 4 etapas de recocido intermedio para continuar con la deformacin en fro. Altermino de la ltima etapa de deformacin se puede realizar un recocido final para obtenerun producto de granos finos y equiaxiales. Si es necesario obtener un producto con altaresistencia mecnica, el material deja deformado en fro. (2 puntos)

Pesos atmicos [g/mol: Fe=56, O=16, C=12, Al=27, Si=28, Mn=55, H=1, Ca=40.Gas ideal: PV = nRT, R = 8,314 [J/mol K].