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LIBRO_REDUCCION_DIRECTA

Siderurgia para metalizar y obtener un acero de alto tenor

Fig. No 19. Cambio de

Fig. No 19. Cambio de Energía (∆G) libre vs. Temperatura (en K), para las reacciones que depositan carbono. En algunos procesos la deposición de carbono ocurre durante el “Enfriamiento Activo”, en aquellos procesos donde se enfría el HRD antes de salir del horno de reducción. En este proceso es posible depositar carbono a temperaturas entre 900 oC (1.173 K) y 500 oC (773 K), y como puede observarse en el gráfico, correspondiendo termodinámicamente al craqueo del metano la posibilidad de depositar el carbono, por esta razón al gas de enfriamiento se le agrega un porcentaje adicional de gas natural. Por debajo de 500 oC no es cinéticamente posible depositar carbono con gas natural, por lo que este enfriamiento recibe el nombre de “Enfriamiento Inerte”, en este caso el material se enfría con gases de “cola”. Como puede verse en el gráfico, por encima de 677 oC (950 K) sólo deposita carbono la reacción de craqueo de metano, mientras que a temperaturas inferiores depositan carbono la reacción de Boudouard y consumo de reductores. Por esta razón el producto “hierro esponja” siempre tendrá mayor contenido de carbono que la “briqueta”. El carbono depositado en el HRD puede estar de dos formas: como grafito o unido al hierro metálico formando Cementita o Carburo de Hierro (Fe 3 C). El carbono grafito puede difundir a través de los átomos de hierro, pero el carbono de la cementita se mantiene unido al hierro y es más aprovechable como reductor de los óxidos de hierro residuales, por esto es ideal que un máximo posible del carbono del HRD este como carbono en cementita. La cementita o carburo de hierro tiene peso molecular 179,55 g/mol y contiene 93,32 % de hierro y 6,68 % de carbono. La reacción de formación de la cementita se muestra a continuación: Fe + 3C → Fe 3 C Esta reacción es endotérmica y su cambio de energía libre está representado en la siguiente relación: ΔG (en Cal/mol) = 4.420 - 3,63xT (en K), Para un mismo contenido de carbono total, el carbono puede estar presente como carbono grafito o como carbono en cementita, como se muestra a continuación: 46

HRD con 100 % Carbono Grafito HRD con 100 % Carbono Cementita Fe° = 85,00 % Fe° = 57,07 % C = 2,00 % Fe 3 C = 29,93 % Fe° + C = 87, 00 % Fe° + Fe 3 C = 87,00% FORMACIÓN DE CEMENTITA En todos los procesos de Reducción Directa, ocurre la deposición de Carbono en la superficie del hierro ya reducido, el cual puede ser absorbido por éste y disolverse en la austenita, precipitar en forma de grafito o incluso formar el carburo metaestable (cementita). En este proceso de carburización, el Carbono libre es absorbido por la superficie metálica que tiene un relativo bajo contenido de carbono. El Carbono libre puede provenir de un gas en contacto con la superficie del metal por medio de reacciones químicas que no necesariamente involucran el metal, pero puede este servir como catalizador. La absorción del carbono en la superficie establece un gradiente de concentración y los átomos de carbono se mueven por difusión hacia el interior del cuerpo metálico. Teóricamente la capa superficial del metal puede alcanzar un contenido de carbono determinado por la concentración de carbono de la atmósfera circundante y por la temperatura del ambiente considerado. Desde el punto de vista siderúrgico, la carburización está presente en las plantas de reducción directa, donde ocurre la deposición de carbono sobre el H.R.D. Los principales gases carburantes son el monóxido de carbono (CO) y el metano (CH 4 ), como puede observarse en el gráfico de la figura No 18. Una atmósfera carburizante puede contener una mezcla de gases compuestos por nitrógeno (N 2 ), monóxido de carbono (CO), hidrógeno (H 2 ) y un hidrocarburo. En el reactor la mezcla de gases enriquecidos genera CO, CO 2 , CH 4 y vapor de agua; de estos compuestos el CO y el CH 4 son fuentes de carbono. Las reacciones químicas entre el CO y el CO 2 y entre el H 2 y el vapor de agua, controlan la deposición de carbono en el hierro metálico. El carburo de hierro o cementita puede producirse al final de la reducción, como un proceso subsiguiente, la deposición de carbono, según la siguiente reacción: 3 Fe + 2 CO → Fe 3 C + CO 2 ΔG (en Cal/mol) = 34.600 - 36,17xT(en K), La reacción anterior representa la formación del carburo de hierro termodinámicamente similar a la deposición de carbono por reacción de Boudouard y es favorecida por altas temperaturas y altas concentraciones de monóxido de carbono. El cálculo de la constante de equilibrio termodinámica de esta reacción es más complejo, debido que el carbono o cementita producido no puede ser tratada como una sustancia pura con actividad igual a uno (1), por la razón de que esta es un tipo de “solución” en el hierro, así que la actividad del componente carbono en “solución” debe ser tomada en cuenta. La formación del carbono, como grafito en solución en hierro metálico, indica la necesidad de tener mayor metalización en el hierro esponja y más superficie con centros activos para obtener óptimos valores de transformaciones. Las estimaciones de equilibrio involucradas en la Figura Nº 17 representa la relación pCO 2 /pCO versus temperatura con la línea de equilibrio de reversión del CO, (2CO → CO 2 + C) y las líneas de % de C en solución sólida en hierro austenítico, 2CO → CO 2 + C (en Fe). 47

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Orosco, P., D. Lavarra, E. Perino, M. del C. Ruiz y J. González. 2008.