L(ltinAmeriwlI [ourna] o/ Mdaffl/rgy and Mtlferitlls, vs: 2, N° 2, 1982

Modelo Matemático del Mecanismo de Reducción del Mineral de Hierro por GasReductor

Mokka N. Rao y Jesús Ramón López

Departamento de Metalurgia, Instituto Universitario Politécnico, apartado 78 - Puerto Ordaz, CiudadGuayana, Venezuela

El modelo matemático de reducción directa de conjunto de pellas en gas reductor (H2) representado por las tres resistencias;resistencia convectiva en fase gaseosa, resistencia por difusividad efectiva a través de poros del mineral reducido, y resistenciapor reacción química de tres interfases, es usado para calcu lar la velocidad de reducción y el perfil de productos de reducción,en condiciones no estacionarias (lecho fijo). El desarrollo de una técnica experimental para verificar el modelo, resultósatisfaeto río.

Mathematical Model of the Mechanism of Iron Mineral Reduction by Reducing Gas.The mathematical model of direet reduction of pellets in reducing gas (H2) represented by three resistences; the convectivesresistances in gas phase, the effective diffusion resisrance thr ough pares of reduced mineral, and the resistance by chemicalreaction of th ree interphases, is used for the ea lculation of reduetion velocity and profile of the reduction producs in no nst e-ady co ndit io n (fixed bed). The experimental teehnique developed for the verification of the model was satisfactory.

NOMENCLATURA

Símbolo Descripcion

C =e,

Gkkr=

KLP

ri =roR =

R =R.,=p

S =Se =

S, =

t ==;T =

V =

w=y =

Ye=Z

Concentración del gas reductorConcentración de equilibrio del gas re-ductorContenido inicial de átomos de oxígeno enla pella.Diámetro de la pella.Coeficiente de difusión del gas reductor.Coeficiente de difusión efectiva.Fracción reducida = espesor de capa redu-cida/espesor de capa inicial.Flujo molar de gas.Constante de velocidad de reacción.Coeficiente de transferencia de masa a travésde la película de gas.Constante de equilibrio de reacción.Longitud axial del reactor.Presión PG = presión parcial del H2 en lafase gaseosa.Radio del núcleo no reducido.Radio de la pella.Constante de gas.Reducción fraccional.Número de Reynold.Sección transversal del tubo de reacción.Número de Schmidt.Número de Sherwood.Tiempo.Temperatura.Velocidad de reacción.Flujo de alimentación de pella.Fracción molar de hidrógeno.Fracción molar de equilibrio de hidrógeno.Altura de lecho.Fracción de vado del lecho.Viscosidad del gas.

Suscrtpciones:

Reacción química de Fe20, a Fe304.Reacción química de Fe304 a FeO.Reacción química de FeO a Fe.

M =

w=F1. REVISION BIBLlOGRAFICA

1.1. Reducción de una sola pella

En las publicaciones de Mckewan y otros [1, 2,3 y4], desarrollaron métodos experimentales termogra-vimétricos para estudiar el mecanismo de reducciónde pellas de mineral de Fe con hidrógeno. En la refe-rencia [1], se observó que la velocidad de reducciónpor unidad de área se mantenía constante con res-pecto al tiempo y directamente proporcional a la pre-sión parcial de H2 (como observamos después, estemecanismo ofrecido no es exacto puesto que hay quecalificarlo en conjunto con otros parámetros). En lareferencia [2], se confirmaron las ecuaciones desa-rrolladas, usando una mezcla de H2 - vapor de aguade composición constante; el punto adicional esque incrementando la presión parcial del vapor deagua, la velocidad de reducción tiende a cero en lamedida que la presión parcial del vapor de agua co-rresponda al punto de equilibrio con wustita/Fe. Enla referencia [3] para un mejor entendimiento delmecanismo de reducción, se hizo un estudio de lavelocidad de difusión equimolar del H2 y vapor deagua medida a través del Fe-poroso y alúmina. En lareferencia [4] se estudió la contradifusión del H2 yvapor de agua a través de los poros de Fe formado porla reducción de pellas densas de hematita, magnéticay mineral de hierro con H2•

Así fijaron que el mecanismo de reducción deuna pella de mineral de hierro con H2 es controladopor: el tamaño de partícula, la presión parcial del H2,la temperatura de reducción y la contradifusión H2

- vapor de agua a través de los poros de Fe formadode la reducción del mineral de Fe. Podemos conside-

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Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 2, N° 2, 1982

rar que lo anterior constituye una fase del desarrolloexperimental del mecanismo de reducción directa depellas de mineral de Fe, que forma una base paracuantificarlas en estudios posteriores.

1.2. Efecto de la Difusividad en Fase Gaseosa

Warner [5] hizo estudios experimentales paradeterminar la influencia de la difusión en la fase ga-seosa sobre la cinética de reducción de la hematita. Laaplicación de la ecuación de Ranz y Marshall:

Sh = 2.0 + 060 (Re)O' (SC)033

para una sola partícula, se confirma para el caso de latransferencia de masa convectiva. El efecto de lavelocidad de flujo másico del gas es demostrado ex-perimentalmente. Hills [6] confirmó la importanciade la transferencia de masa convectiva en la reduc-ción de hematita por gases reductores. Medicionesrecientes de los coeficientes de difusión gaseosa en elFe - poroso y en capas de óxido intermedios produci-dos por la reducción, mostró que la difusión gaseosajuega un papel de creciente importancia especial-mente al final de la reacción. Se hace una compara-ción cuantitativa entre la velocidad másica necesariapara sostener a la velocidad de reacción en las expe-riencias recientes de reducción de hematita y las velo-cidades predecidas por las teorías establecidas detransferencia de masa.

Esta comparación muestra que la transferenciade masa convectiva puede jugar mayor papel en elcontrol de la velocidad de reducción, aunque la mag-nitud relativa de su contribución varíe con el tamañode la partícula y con la temperatura de reducción.

1.3. Mecanismos Controlantes de la Velocidadde Reducción

El trabajo de Turkdogan y otros [7 y 8] confir-man los mecanismos de reducción referidos en lostrabajos de Mckewan y otros. Se definieron los tresprocesos básicos que controlan velocidad de la re-ducción de la hematita con H¿ individual o colectiva-mente, y ciertos casos limitantes son: 1) Re-ducción interna uniforme, 2) Control mixto limitan-te, y 3) Difusión de gas a través de la capa de Fe reduci-do. Por otro lado, la velocidad de reducción internacon mezclas de Hz-CO, se ha explicado en términosde dos reacciones paralelas con H2 y CO. Ambos delos datos de reducción y deposición de carbonoobservados indican que bajo 10000 C reac-ciones gaseosas próximas al equilibrio agua-gas sonlentas.

1.4. Reducción de un Conjunto de Pellas

Philbrook y otros [9] modelaron matemática-mente las condiciones estacionarias de operación de

un reactor a contracorriente e isotérmico en la cualun lecho móvil de partículas de hematita es reducidocon H¿ usando la formulación cinética generalizadade una sola partícula por reducción topoquímica conla formación de óxidos intermedios,wustita y magne-tita. Los perfiles de reducción han sido generadospara variar condiciones de operación seleccionadas afin de demostrar la influencia de variables tales como,la velocidad de flujo de gas y sólido, la longitud dellecho y el tamaño de las partículas.

Estos perfiles ilustran entre otras cosas, que elrequerimiento de gas reductor depende del equili-brio Fe-wustita, casi de manera similar como en unreactor de etapa.

Ornari y otros [10] hicieron investigaciones so-bre un reactor de lecho móvil, a escala de laboratorio,en el cual pellas de mineral de Fe fueron reducidas aFe metálico con H». Fueron realizadas dos series deexperiencias: A) Distribución de temperatura con-trolada por calor externo, B) Pellas calentadas sólopor el gas reductor. Para la simulación de los datosexperimentales sobre el reactor de lecho móvil, sedescribe un modelo matemático unidimensiona1 elcual hará uso del modelo de tres interfases como unaexpresión de la cinética de reducción de una solapella. Los parámetros de velocidad en el modelo fue-ron determinados sobre la base de los datos obteni-dos de las experiencias de reducción por etapas yanalizados según los análisis de control mixto. Estosparámetros pueden ser usados en la de un horno ver-tical, industrial.

1.5. Determinación de los Parámetros de la Velo-cidad de Reducción por Etapas

1.5.1. El coeficiente de transferencia de masa (K¡)

Sh = 2.0 + 0.6 Reb12 Se1l,

Donde Sh = K¡ dp ; Re, = Vdp P;DH2·H20 f.L

1.5.2. Coeficientes de difusión mtraparticular (De)

DeM= 0.13 DH2.H20Dew= exp. [- 5.051- (5.281 X 103fT)]DeF = exp. [- 0.6947 - (10.17 X 103fT)]

1.5.3. Constantes de equilibrio para cada reacción

3Fe20, + H2 -+ 2Fe304 + H20Fe304 + Hz ---> 3FeO + H20FeO + H2 --+ Fe + H20

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Larm Americnn [ourna! 01 Met(//I/lrgy and Maferials, Vol. 2, N° 2, 1982

Siendo las constantes de equilibrio para cadareacción:

K~[= exp. (10.32 + 362.3/1)KIX' = exp. (8.454 - 7910.6/T)KF = exp. (0.930 - 1585.0/1)

y las constantes de velocidad de reacción son:

k= exp. [8.621- (113.6x 10'/RT)]k= exp. [8.971 - (119.8 X 10J/RT)]k = exp. [1.381 - (42.81 X 10'/RT)]

1.6. Modelo Matemático Unidimensional.Condiciones Estacionarias

Para la formulación de este modelo, se tornócomo referencia a un reactor de lecho móvil de pe-Has, a contracorriente con el gas reductor (H2).Dentro de las suposiciones hechas, tenemos:

i) Condiciones estacionarias.ii) Flujo de gas uniforme a través de las par

tículas sólidas.iii) Temperatura uniforme dentro del sólido.iv) Modelo de reacción a tres interfases para-

lelas.v) Ignora la diferencia de temperatura entre gas

y sólido.

Las ecuaciones gobernantes del proceso, puedenser escritas:

Balance de materia para el gas (H2):

dy _ 6(1-E)S(VM+Vw+VF)dz-- 1Td~G (1)

Balance de materia para el sólido:

dRM _ 6(1 - E) s(VM)---¿z- - 7Td~W cL,M (2)

dRw _ 6(1 - E) s(Vw)---¿z- - 7Td~W d,w (3)

dRF _ 6(1 - E) s(VF)---¿z- - 1Td~W cL,F (4)

R = 0.1111 RM+ 0.2222 Rw + 0.6667 RF (5)

La velocidad de reacción para cada etapa de re-ducción VM, v; y VF en las ecuaciones (1) a (4) puedeser calculada según el modelo de tres interfases des-arrollado por Hara y otros [11] el cual se muestra acontinuación:

P 41TrilVM = =---I[A3(A2 + B2+ B3+ F)

RT W3

+ (A2 + B2) (B, + F)] (Y - YeM) - [Al(B2+ B, + F) + B2(B3+ F)] (Y - YeW)- A2(B, + F)(Y - YeF)} (6)

P 41TrilVw = =--I[(Al + B, + B2) (Al + B, + F)RT W3

+ Al(Bl + F)] (Y - YeW) - [B2(A2 + B, + F)+ Al(B3 + F)] (Y - Y.M)- (Al + Bi)X (B, + F) (Y - YeF)} (7).

P 47Tr6VF= =--I[(A¡ + Bi) (A2 + B2 + B, + F)

RT W3

+ A2(B2 + B, + F)] (Y - YeF) - Al(B3 + F)X (Y - YeM) - (Al + B¡) (B3+ F)(Y - Yew)l (8)

1 1Al = -:-:--=-~- -;--.....,-----=:~(1 - RM)2/l kcM(1 + l/KM)

1 1A2= ---;-:;--n-~~ -;,-~--:-::-rr"T">(1 - Rw)2/3 kcw(l + l/Kw)

1 1Al = (1 - RF)2/l kcF(1 + l/KF)

(1 - RW)I/l - (1 - RM)I/l roBl= --(1 - RM)1/l (1 - RW)I/l DeM

(1 - RF)l/J - (1 - RW)I/l roB2= ---(1 - RW)l/l (1 - RF)I/J DeW

1 - (1 - RF)I/J roB, = (1 - RF)I/l DeF

F= l/kt

w, = (Al + BI) [A3(A2+ B2 + n, + F)+ (A2+ B2) (B3+ F)] + A2[A3(Bl + Bl + F)+ B2(B3+ F)]

n. MODELO MATEMATICO UNIDIMENSIO-NAL - REACTOR LECHO FIJO,CONDICIONES NO ESTACIONARIAS

El modelo matemático desarrollado para la re-ducción directa en un lecho móvil tiene como base:Mecanismo de la dinámica gas-sólido, la difusivídadefectiva del gas a través de los poros de la capa del hie-rro reducido y el modelo de tres fases de reaccionesquímicas de reducción por etapas. La diferencia prin-

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Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 2, N° 2, 1982

cipal está en que las condiciones de interacción sonestacionarias en el caso del lecho móvil, mientras quepara el lecho fijo estas condiciones son no estaciona-rias. Por esta razón, las ecuaciones diferenciales seránformadas y los datos de conversión serán obtenidosen base a pequeños intervalos de tiempo, para facili-tar la solución de estas ecuaciones por métodosnuméricos.

n.1. Solución del Modelo Matemático

Balance de materia para el gas (H2)

dI' 6(1 - e) S(VM+ Vw + VF)dZ 1T d~G

Balance de materia para el sólido.

dRM = 6VM dt1T d~dOM

dRw= 6Vw dt1T d~dow

dRF = 6VF dt1T d~ dOF

R= 0.1111 RM+0.2222 Rw+0.66·67 R~ (13)

(9)

(10)

(11)

(12)

La velocidad de reacción para cada etapa de re-ducción VM,Vw, VF,en las ecuaciones (9)a(12)puedeser calculada por las ecuaciones (6), (7), (8).

n.2. Método de Cálculo

Condiciones iniciales: Para el tiempo inicial dereducción (t = ) se tiene RM= Rw = RF= RT= O Y lafracción molar del gas (H2) a la entrada del reactorY= 1.0.

1. Para At considerado, se calcula para P secciónAz: AY, ARM, ARw, ARF•

2. Para la siguiente sección (2a Az) la fracción molarinicial será Y2 = Y¡ - AY] Y se calcula A Y, ARM,ARw,ARF'

3. Se repite el paso (2) para las siguientes seccionesde Az, hasta Yi:::!!Ye, no necesariamente se hancumplido todas Az.

4. Cumplido Y = Ye o todas Az, las nuevas condi-ciones iniciales serán: a la entrada del reactor,Y = 1 Y para cada Azi los Ri = R (anterior)¡ + ARi(previamente calculados).

5. Luego .se repiten los pasos (1), (2), (3), (4), conAt considerado.

6. Se efectúa el cálculo hasta condiciones de tiempoteórico de reducción deseado.

n.s. Datos teóricos obtenidos

Con los datos de operación de un reactor de labo-ratorio instalado en el local de Reducción Directa enel Depto. de Metalurgia del I.U.P.E.G. se realizó unprograma de computación con el método de cálculodescrito dando los resultados que están graficados.Cálculos teóricos (ver Fig. I.1 a 1.11).

III. RESULTADOS EXPERIMENTALES

Operaciones a realizar en el equipo de reduc-ción directa:

1) Se coloca la cesta que contiene la carga de pe-llas frescas de seis capas (7 pellas c/u) dentro del reac-tor. 2) En el momento en que se alcancen las tem-peraturas de operación, se hace circular N2 a través delas líneas, con el objeto de purgarlas, así como tam-bién comprobar que no existan fugas en las mismas.3) Una vez que todo el equipo está en condiciones deoperación, se cierra lentamente el suministro de N2 yse abre en la misma forma la alimentación del H2• Eneste momento, se toma nota del tiempo de comienzodel ciclo de reducción. Las mediciones del flujo de H2

a la entrada ya la salida, así como también, la cantidadde H20 absorbida se efectuarán a intervalos detiempos determinados. 4) Después, se cierra el sumi-nistro de hidrógeno y de inmediato se hace circularnitrógeno suficiente, a objeto de enfriar al producto.Cumplida esta etapa, se extrae la cesta y se pesa cadacapa de pellas reducidas por separado. 5) Se analiza-ron su contenido de FeT. FeO.Fe+2, Fe+3, Y se realiza-ron ensayos metalográficos (ver fotografías).=-Equípo de Reducción Directa (Fig. n.l y H.2)..

- Tablas de datos experimentales (ver tablas 1.1 alA).

-Gráficos de datos experimentales (ver figs. IIl.1a IlI.6).

-Fotografías de metalografía por capas de pellas.

Cálculos de la proporción de óxidos resultantesde la reducción en función de RM" Rw" RFt•

X - (grs) Fe203 t = O ( R)Fe203t - 1- Mt·a

X 0.70 I( )FeO = --- \ grs [Fe203t~ o] RFtl

a

a= (grs) Fe203t+(grs) Fe304,+(grs) FeOt+(grs) Fe;

111

Latmámerica» [oumal o/ Metallurgy and Materials, Vol. 2, N° 2, 1982

TABLA I. - RESULTADOS EXPERIMENTALES

TABLA I.1

EXPERIMENTO N° 1 TIEMPO DE REDUCCION: 10 min ALTURA DE LECHO: 81 mm FLUJO H2 = 8 Its/rnín

Gramos Gramos GramosCapa N° Inicia/es Posteriores Perdidos % Fe+2 % Fe+3 % feT %F~ % FeO % Fe304 % Fe203 %M %R

I

6 34.199 31.659 2.540 41.25 26.72 69.89 1.92 35.83 55.34 28 265 34.444 41.438 3.006 47.25 20.61 70.77 2.91 47.47 47.68 41 314 33.785 29.848 3.037 31.50 34.26 71.76 6.00 18.46 70.96 8 323 34.320 31.231 3.089 37.75 26.22 71.39 8.42 31.66 54.30 12 322 33.733 31.057 2.676 40.75 15.98 74.14 17.41 42.09 33.09 23 281 33.865 29.247 4.620 31.75 14.56 76.00 29.66 31.44 30.15 39 49

TABLA I.2

EXPERIMENTO N° 2 TIEMPO DE REDUCCION: 111/2 mín ALTURA DE LECHO: 90 rnm FLUJO H2= 8 lts/rnin

Gramos Gramos GramosCapa N° Iniciales Posteriores Perdidos % Fe+2 % Fe+3 %FCT % FIf % FeO % Fe¡ O.• % Fe20J %M %R

6 17.765 16.448 1.317 46.30 21.15 70.95 3.50 45.90 43.80 5 26;5 17.767 16.216 1.551 57.06 11.42 71.56 3.08 65.98 23.65 4 314 17.770 15.989 1.781 56.56 9.78 72.20 5.83 66.39 20.25 8 353 17.769 15.792 1.977 54.30 8.89 72.95 8-.75 64.06 18.41 12 392 17.770 15.506 2.264 47.55 9.96 74.02 16.51 54.70 20.62 22 451 17.763 14.986 2.777 38.70 9.97 77.20 28.53 43.32 20.64 36 56

TABLA I.3

EXPERIMENTO N° 3 TIEMPO DE REDUCCION: 20 min ALTURA DE LECHO: 90 mm FLUJO H2= 8 lts/rnin

Gramos Gramos GramosCapa N° Inicia/es Posteriores Perdidos % Fe+2 % Fe+3 % FeT %F~ %F«J % FeJO .• % Fe20J %M %R

6 17.765 15.591 2.174 40.00 13.47 76.38 22.91 42.74 27.89 30 435 17.769 15.497 2.272 41.25 15.26 74.26 10.00 43.20 31.60 24 454 . 17.770 15.161 2.609 39.00 10.72 76.58 26.66 43.23 22.20 35 523 17.769 15.016 2.753 46.25 9.68 74.26 18.33 53.21 20.05 24 552 17.770 14.768 3.002 30.26 7.22 79.88 42.41 34.23 14.95 53 601 17.763 14.052 3.711 25.00 7.05 80.88 48.83 27.59 14.60 60 74

TABLA 1.4

EXPERIMENTO N° 4 TIEMPO DE REDUCCION: 3 horas ALTURA DE LECHO: 170 rnm FLUJO H2= 8 lts/min

Gramos Gramos GramosCapa N° Inicia/es Posteriores Perdidos % Fe+2 % Fe+3 % FeT %F~ % FeO % FeJO .• % FC203 %M %R

65 51.600 39.765 11.835 6.00 14.37 83.37 63.00 24.85 3.38 75 824 51.524 37.731 13.793 4.00 4.20 87.39 79.14 2.44 8.70 90 953 51.559 37.346 14.213 1.25 1.10 89.40 87.05 0.90 2.28 97 982 51.605 37.253 14.352 1.00 0.89 89.89 87.89 0.642 2.07 97 991 51.520 37.091 14.429 0.50 0.25 89.90 89.15 0.42 0.52 99 99

112

Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 2, N° 2, 1982

FIG. 1. CALCULOS TEORICOS

6 RM % REDuce ION VI

X Rw ALTURA DE CAPA

O R,. DE PELLASH 60 "'~ • RT

( ""fII. )

~O -,'1..0 A ntmpo: I mi nu te-40 \ \ -. Fig. I.1

30 ~o A

\\ -.20 , A

10 ~. ~4

20 60 80 100

% R

~ ~ % REOUeCION lis

hX Rw ALTURA DE CAPA

70 O RF DE PELLAS

A~ • RT

H 60( film) • 4 T it mpo: 2 minutos

50\ \ ~gu

40 )( .\ \

30 ')( . 4

20 \\ \O ~.

10~ o.,., A

20 40 60 eo 100% R

113

Latin/unerican [ournai o/ Metal/lIrgy and Materials, Vol. 2, N° 2, 1982

% REDUCCION VI Il RM

AL TU R A DE CA PA X RW

70 DE PELLAS O RFX • • RT

H 60 \ I(mm) X •50 \ \ Tiempo: 4 minutol•40 Pig, 1.3

30

20

10• Xo

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

% R

H 70(mm) -,(t Tiempo: 6 minutos

60 '! Pig, 1.4

50 '\~• i...

40\, ~"

30 . ~ ~20

~ .. ~

10o. 'X

% REDUCCION VI

ALTURA DE CAPA

DE PELLAS

10 20 40 5030 60 70 80 90 100

% R

114

Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 2, N° 2, 1982

6 RM % RE DUCC ION VIX RW ALTURA DE CAPA

O R DE PELLAS.'ro F• X • RT

H ;0 \ -,( 1ft 1ft ) • )( Ti.m pe: 8 minutos

,to \ -. Fig. 1.5

Q •~~40 -, -,

30 .~"-- X -,~O

O • X

10~ O.

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

% R

% RE DUCC ION V. !J. RM

ALTURA DE CAPA X RWDE PELLAS. O RF

• RT

H 70 , >( .Tiemp·o: 10 minutol( 1ft 1ft )

\ \10 Fig. 1.6

, xSO \ -,

X40

~ -,Jo(30 .~

20 oe

10 ~•10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

% R

115

70

H 60(mm)

o

50

40

30

20

10

H 70mml

60

50

40

30

20

10

Latm.American Journal o/ Metollurgy ol1d Matcrials, Vol. 2, N° 2, 1982

% REDUCCION VI

AL TURA DE CAPA

DE PELLAS.

•

10 20 30 40 5060 70 80 90100

O/o R

% RE DUCCION V5

A LTUR A DE e A P A

DE PELLAS,

Ti. ""PO:14""i!luto.Fig. 1.8,

)(

\

10 20 70 80 90 10030 4 o 5 O 60

% R

116

70

H60

(mm)

50

40

30

20

10

Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 2, N° 2, 1982

% RE O U e e ION Vs

AL TURA DE CA PA

DE PE L LAS

Tiempo: 16 minutos

.~ Fig.1.9

o~.O

70

60

H 50(mm)

40

30

20

10

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100% R

% REDUCe 1ON V.

A L T U R A DE e A P A

DE PELLAS

Tiempo: 18 minutos

Fig. 1.10

10 20 10030 40 50 60 70 80 90

117

Latin America» [oumai o/ Metallurgy and Materials, Vo!. 2, N" 2, 19R2

100

90

80

% R

70

60 -/ a Copo N2o Capa Nº 2

•• • Capa Nº 3

50 X Capa Nº 4

t::J Capa Nº 5

* Copo NCl 640

Fig. 1.11

30

VITI EMPO PARA CADA

20CAPA DE PELLAS.

10

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118

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III

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REACTOR

de Metalurgia y Materiales, VoL 2, N° 2, 1982Revista Latinoamericana

A ~LA ATMOSFERA ~ ~ I

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NOTA: TODAS LAS DIMENSIONES ESTAN DADAS EN m. m.

TAPA SUPERIORK _ .. 480 5

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inoxidable calibre 20

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TAPA DEL FONDO

TAPA INFERIOR

Fig. 11.2. Reactor y Cesta de Pellas

119

Latin American [ourna! o/ Meta!!urgy flnd Materia!s, Vol. 2, N° 2, 19R2

70FIG. III. RESUL TADOS EXPERIMENTALES

•60

H 50 Tiem po: 10 minutOI(mm)

Fig. III.l

40% REDUCCION VI

30 ALTURA DE CAPA

DE PELLAS.20

10

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 % "70

60

H50 Tiempo: 11 I¡, minutol( mm) 2

40 Fig. BU

30 e REDU CC 10 N VI

AL TUR A DE CAPA

20 DE PELLAS.

10

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0/. R

70 •60

H Tiempo: 20 minutos(mm)

50 Fig. III.3

40% REDUCCION V.AL T URA DE CAPA

30 DE PELLAS.

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10 20 30 ~O 50 60 70 80 90 100 0A. lit

120

Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 2, N° 2, 1982

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I / Fig. III.4

20 '¡( % COM PONENTE S DE REDUCC ION V•. o /J¿ AL TUR A DE CAPA DE PELLAS.10

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

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Fig. Ul.5

30 O\; X Ojo COMPONE NTES DE RE DUCCION V.I ALTURA DE CAPA DE PELLAS.

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10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 %

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7 Ti empo: 20 minutos40 Fig. III.6

/30 O. % COMPONENTES DE REDUCCION V.

I ALTURA DE CAPA DE PELL AS.

20 /•10

•

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 % .

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Laiin American [ourna! o/ Metallurgy and Materials, Vol. 2, N° 2, 1982

Exp. N° 1 (tiempo 10 min.)FOTOGRAFIASj)E ENSAYOS METALOGRAFICOS

Exp. N° 2 (tiempo 11.5 min.)

Capa N° 6

Capa N° .5

Capa N° 4

Capa N° 3

Capa N° 2

Capa N° 1

Capa N° 6

Capa N° 5

Capa N° 4

Capa N° 3

Capa N° 2

Capa N° 1

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Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, VoL 2, N° 2, 1982

Exp. N° 3 (tiempo 20 min.)

Capa N° 5

Capa N° 4

Capa N° 3

Capa N° 2

Capa N° 1

Exp. N° 4 (tiempo 3 horas)

Capa N° 5

Capa N° 4

Capa N° 3'

Capa N° 2

Capa N° 1

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Latis Amcricen jOUTI7üj o/ lvIetüllurgy tilhf Mflt,'r¡{¡[s. Vol. 2, N° 2, 19R2

LV. DISCUSION y CONCLUSIONES

IV.l. Discusión

a) En los cálculos del térmico de resistencia corrvec-tiva en fase gaseosa, usamos los valores actualesde condiciones experimentales conjuntamentecon la ecuación de Ranz-Marshall, para flujo degas a través de conjunto de pellas.

b) Para el caso de reacción química de tres fases(Fe20,-J-12- Fe304-J-12- FeO_H2-+ Fe), usa-mos los valores termodinámicos de constantesde equ ilibr io: KM, Kw, KF, y para las constantesde velocidad de reacción k~l,kw, kF, corno funcio-nes de la temperatura.

c) Mientras que usamos los valores de difusividadefectiva para contradífusión Hz-H20 a través deporos, del trabajo de investigación de Omari yotros.

Es de notar que a) y b) se aplican rigurosamentebien, mientras que c) tiene las siguientes limi-taciones:

-La porosidad de la pella inicial.

-La variación de la porosidad durante el pro-greso de la reducción.

Las cuales son características específicas del mi-neral y método de fabricación de pellas y delefecto de la temperatura sobre las capas en elproceso de reducción.

IV.2. Conclusiones

a) La aplicabilidad del modelo de tres resistencias:Resistencia convectiva, 'resistencia por difusiónefectiva a través de poros, resistencia por reac-ción química de tres interfases, es confirmadoexperimentalmente en lechos fijos.

b) El método de cálculo de distribución de los óxi-dos, Fe203, Fe104, FeO, FeO,progresivamente enlas capas de pellas con el tiempo, usando el mo-delo matemático, es satisfactorio. Los cálculosson efectuados por métodos de diferencias fini-tas usando la computación del modelo.

c) Este equipo de laboratorio sirve para la eva-luación de la reductibilidad de las pellas que vie-nen de la planta de fabrica de pellas por % RT,en condiciones estandardizadas con respectoa: Flujo de gas, Temperatura, Intervalos detiempos.

AGRADECIMIENTOS

Nuestros agradecimientos a las siguientes perso-nas quienes colaboraron durante la construcción ycalibración del equipo: Ing. Luis Corrales, Ing. Ab-dón Calderón, Ing. Rudy Castillo. Br. OscarGonzález.

REFERENCIAS

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2. McKewan, W. M.: "Reduction Kinetics of Hematite inHydrogen-Water Vapor-Nitrogen mixture", TMS-AIME,224(1962) 2.

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4 McKewan, W. M. and Olsso n: "Diffusion ofH2·H20 throughPorous Ir o n formed by the Reduction of iron oxídcs", Me-tallurgical Transactions, 1(1970) 1507.

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10. Yanogiva, T., Yagi, j. and Omari, Y.: "Reducrio n of Ir o nOxides Pellcts in moving b ed", Iron making und Ste el-meking, 3(1979)93.

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