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LIBRO_REDUCCION_DIRECTA

Siderurgia para metalizar y obtener un acero de alto tenor

3.3 ESTUDIO CINÉTICO DE

3.3 ESTUDIO CINÉTICO DE LA REDUCCIÓN DE LA PELLA PS5, USANDO MEZCLA DE GASES REDUCTORES TIPO MIDREX Este estudio se realizó con la finalidad de conocer los mecanismos cinéticos que controlan la reducción de la Hematita (Fe 2 O 3 ) presente en la pella Sidor PS5, utilizando mezclas de gases reductores Hidrógeno (H 2 ) y monóxido de carbono (CO), se estudió a nivel de Laboratorio el efecto de la temperatura utilizando para ello, los ensayos de reducibilidad, realizados en el Horno Gakushin, relacionando la disminución del peso por pérdida de oxígeno, con la velocidad de reducción de la hematita. Estos ensayos se hicieron a temperaturas entre 650 oC y 900 oC, usando una mezcla de gases reductores tipo Midrex. Los objetivos de este estudio fueron, identificar los mecanismos cinéticos que controlan la reducción de la hematita a través de: El estudio de las velocidades de reacción que controlan la reducción de la pella PS5 a diferentes temperaturas, utilizando mezclas de gases reductores tipo Midrex. El cálculo de las Energías de Activación correspondientes al mecanismo propuesto. Este estudio está referido a la reducción a nivel de Laboratorio de pellas Sidor PS5 con gas reductor tipo Midrex, pero las conclusiones y recomendaciones a obtener, podrían extrapolarse a reducciones de materiales similares. CONSIDERACIONES TEORICAS La reducción de la hematita (Fe 2 O 3 ) con hidrógeno y/o monóxido de carbono ocurre en varios pasos, los cuales se muestran a continuación: 6Fe 2 O 3 + (H 2 /CO) → 4Fe 3 O 4 + (H 2 O/CO 2 ) 2Fe 3 O 4 + (H 2 /CO) → 6FeO + (H 2 O/CO 2 ) 2FeO + (H 2 /CO) → 2Fe + (H 2 O/CO 2 ) Termodinámicamente, estas reacciones se pueden condensar en un solo paso, aplicando la Ley de Hess. Para la reducción con hidrógeno, la reacción en un solo paso queda como sigue: Fe 2 O 3 + 3H 2 → 2Fe + 3H 2 O El cambio en la Energía Libre (ΔG) en Cal/mol para esta reacción en el rango 773 oK (500 oC) y 1.237 K (oC) viene dado por: ΔG (Cal/mol) = 16.768 - 18,95xT (en K) (1), donde T es la temperatura en K. Esta reacción es endotérmica y se favorece con el incremento de la temperatura. Para la reducción con hidrógeno, la reacción en un solo paso queda como sigue: Fe 2 O 3 + 3CO → 2Fe + 3CO 2 El cambio en la Energía Libre (ΔG) en Cal/mol para esta reacción en el rango 773 K (500 oC) y 1.237 K (oC) viene dado por: ΔG (Cal/mol) = - 9.504 + 4,79xT (en K) (2), donde T es la temperatura en K. 58

Esta reacción es exotérmica y se desfavorece con el incremento de la temperatura. Igualando las ecuaciones 1 y 2, se obtiene la temperatura a la cual ambas reacciones termodinámicamente, tienen igual posibilidad de ocurrir. Esta temperatura corresponde a 1078 K (805 oC). Esto indica que por debajo de esa temperatura la reacción que predomina es la reducción con monóxido de carbono (reacción exotérmica), mientras que por encima de esa temperatura la reacción que predomina es la reducción con hidrógeno (reacción exotérmica). CINETICA DE LA REACCION: Cuando la reducción de la hematita (Fe 2 O 3 ), se hace con mezclas de H 2 y CO, estas especies reducen de manera independiente al sustrato, dando por resultado una velocidad de reacción igual a la suma de cada una de ellas por separado. Para mecanismos de reacción con cinéticas de primer o pseudoprimer-orden, la velocidad de reacción para cada reacción será: kH 2 Fe 2 O 3 + 3H 2 → 2 Fe + 3H 2 O kCO Fe 2 O 3 + 3CO → 2 Fe + 3CO 2 Velocidad de Reacción = d(Fe 2 O 3 )/dt = kH 2 (Fe 2 O 3 ) + kCO(Fe 2 O 3 ) = k obs(Fe 2 O 3 ), donde: k obs = kH 2 + kCO Como – d(Fe 2 O 3 )/(Fe2O3)o = k obs dt, integrando entre t = 0 y t, tenemos: Ln (Fe 2 O 3 )/(Fe2O3)o = - k obs x t (3). Si se grafica el logaritmo neperiano de la concentración de la hematita (Fe 2 O 3 ), en función del tiempo, se obtendrá una recta con pendiente negativa, cuyo valor absoluto será la constante de velocidad k obs. Esto ratifica que la reacción de reducción de la hematita, en las condiciones aplicadas en el laboratorio, sigue un mecanismo de primer-orden. REACCIONES CONSECUIVAS DE PRIMER-ORDEN. Si se considera a la reducción de la hematita (Fe 2 O 3 ), como un mecanismo cinético compuesto por dos reacciones consecutivas de primer-orden, la cual ocurre en dos pasos, con la formación de un intermediario reactivo (Wustita o FeO), se podrán obtener ecuaciones de velocidad en base a cada material. Simplificando estas ecuaciones tenemos: k 1 Fe 2 O 3 → 2 FeO + ½ O 2 k 2 FeO → 2 Fe + ½ O 2 donde: – d(Fe 2 O 3 )/dt = k 1 (Fe2O3 Fe 2 O 3 ), y d(FeO)/dt = k 1 (Fe2O3 Fe 2 O 3 ) - k 2 (FeO), integrando y sustituyendo se tiene: 59

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