Desarrollo de programas generadores de diagramas de estabilidad del sistema Fe-C-H-O.

Flores, Ruselkis ¹⁾ López, Jesús ²⁾

Departamento de Ingeniería Metalúrgica, UNEXPO Puerto Ordaz

Correos Electrónicos ¹ ruselkis_flores@hotmail.com ² jesúsrlópezh@cantv.net.

Resumen

El objetivo de esta investigación fue desarrollar programas generadores de diagramas de estabilidad del sistema Fe-C-H-O tomando en consideración las condiciones de operación de los procesos de reducción directa. La metodología empleada consistió en realizar un diagnóstico de los sistemas de reducción directa locales mediante la evaluación de sus parámetros de operación, empleando un formato prediseñado para tal fin. Posteriormente se diseñó el formato de presentación del programa para la introducción de datos y representación de los diagramas de estabilidad del sistema Fe-C-H-O haciendo uso de una hoja de cálculo Excel ®. Finalmente se procedió a la elaboración de los diagramas del sistema Fe-C-H-O, empleando una metodología de definición de sistema previamente desarrollada que permite obtener sistemas de ecuaciones cuya estrategia numérica de resolución en el campo logarítmico genera los valores correspondientes a las fracciones de hidrógeno, oxígeno y carbono requeridas para generar las curvas que definen los diagramas. Una vez cumplidos las actividades indicadas, se obtuvo como producto final de esta investigación dos programas que generan los diagramas de estabilidad Fe-C-H-O que constituyen una valiosa herramienta que permite un mejor y mayor control de la calidad del producto obtenido en las plantas de reducción directa.

Palabras clave: Diagramas Fe-C-H-O/ Reducción Directa/ Programa Generador de Diagramas

I. INTRODUCCIÓN.

Venezuela es un país con gran potencial para el desarrollo de las industrias relacionadas con la reducción directa de mineral de hierro, ya que cuenta con abundante materia prima e insumos tales como electricidad y gas natural. Estas características han permitido la instalación de varias plantas de reducción directa en la región de Guayana, donde se obtiene una importante producción de hierro pre-reducido en forma de pellas o briquetas. El incremento de la producción y de las exigencias de calidad del producto final requiere, evidentemente, la realización de investigaciones que permitan mejorar los procesos existentes con el propósito de mantener la competitividad en los mercados nacionales e internacionales. Una de las exigencias del producto final está referida a su contenido de carbono, debido al papel que juega este elemento en los posteriores procesos de aceración. Los actuales esfuerzos están enfocados en incrementar su porcentaje mediante la formación de carburo de hierro (Fe3C) debido a las ventajas que éste ofrece. A pesar de los esfuerzos, no se han logrado establecer las condiciones bajo las cuales es posible obtener a nivel industrial un H.R.D con alto contenido de carbono en forma de Fe3C, ya que las plantas de reducción directa locales no cuentan con una herramienta para evaluar la influencia de la composición química de la mezcla de gases, temperatura y presión de trabajo en las características finales de su producto. Este desconocimiento afecta el debido control de las condiciones de operación para obtener un producto con las especificaciones y calidad requerida, por lo que es necesario desarrollar una herramienta que en función de la composición química de los gases, temperatura y presión, permita conocer las fases que estarán presentes en el hierro reducido (H.R.D). El presente estudio estuvo orientado a desarrollar un programa generador de diagramas de estabilidad del sistema Fe-C-H-O, considerando las condiciones de operación de los procesos de reducción directa, para así obtener un producto acorde con los requerimientos de calidad exigidos.

El desarrollo de este programa es muy útil para las plantas de reducción directa de mineral de hierro, ya que les permitirá un mayor y mejor control de las condiciones de operación en función de obtener un producto final con características adecuadas, con mayor valor agregado, dándole a las empresas reductoras la posibilidad de incursionar y/o mantener su producto en los competitivos mercados internacionales.

A continuación se presentarán los materiales y equipos empleados para llevar a cabo la investigación, así como también los resultados y conclusiones obtenidas.

II. DESARROLLO

1 Métodos y materiales

El presente estudio corresponde a una investigación aplicada ya que está orientado a la elaboración de programas que permite obtener los diagramas de estabilidad del sistema Fe-C-H-O para así ser empleados como herramientas en la selección de las condiciones de operación que conlleven a obtener un producto con las especificaciones requeridas.

Para llevar a cabo el estudio fue necesario el empleo de red de Internet, bibliotecas y otras fuentes, así como paquetes de computación.

Los pasos que se siguieron para el logro del objetivo planteado fueron los siguientes:

• Se realizó un diagnóstico de los sistemas de reducción directa locales mediante la evaluación de sus parámetros de operación.

• Se elaboraron los diagramas del sistema Fe-C-H-O que varían en función de los parámetros presión y temperatura. Esta etapa abarcó la elaboración de subprogramas y su posterior integración.

Para el desarrollo de cada subprograma se empleó una metodología de definición de un sistema, previamente desarrollada, que permitió obtener un sistema de ecuaciones cuya estrategia numérica de resolución en el campo logarítmico, basado en la programación geométrica, generó los valores correspondientes de las fracciones de hidrógeno, oxígeno y carbono de una mezcla gaseosa determinada. A partir de estos valores se construyeron las curvas que definen los diagramas y mediante el diseño de macros se automatizó su generación.

Es importante señalar que tomando en consideración algunos aspectos termodinámicos, se decidió crear dos programas:

Diagramas Fe-C-H-O a temperaturas menores a 570ºC y Diagramas Fe-C-H-O a temperaturas superiores a 570ºC, considerando esta temperatura como el límite que establece la presencia de fases del hierro.

Para la elaboración de los Diagramas Fe-C-H-O a bajas y altas temperaturas se tuvo que desarrollar subprogramas individuales que finalmente se integraron en un programa único. Los subprogramas desarrollados permitieron determinar los valores de fracciones de hidrógeno, oxígeno y carbono requeridas para la construcción de las líneas que delimitan las fases presentes en el sistema, así como también determinar las fracciones correspondientes a la interfase o punto donde convergen todas las líneas. La elaboración de estos subprogramas se efectúo en dos etapas:

1. Etapa de Diseño: Planteamiento y desarrollo de las ecuaciones (en papel). Consistió en: determinar el número de especies, número de componentes y fases presentes en el sistema, y en función de esto determinar los grados de libertad, número de reacciones e incógnitas; identificar y fijar variables (presión y temperatura); establecer las reacciones a emplear y plantear las ecuaciones necesarias para determinar los valores de las incógnitas; linealizar las ecuaciones.

2. Etapa de Ejecución: Desarrollo del programa y generación de Diagramas Fe-C-H-O. Consistió en: diseñar la pantalla para ingreso de datos (temperatura y presión) y botones para corridas del programa y presentación de diagramas; introducir las ecuaciones determinadas y otras que se requieran en la hoja de cálculo e hipervincular con los datos de entrada; resolver el sistema de ecuaciones mediante cálculo matricial e iteraciones automáticas realizadas a través de macros; mostrar resultados donde se presentan los valores correspondientes a dos de las fracciones de elementos; desarrollar y ejecutar macro que permita calcular los valores de ambas fracciones (p.e YH y YC) cambiando los valores de la tercera fracción (p.e YO); obtener tabla de valores donde se muestran los valores de las dos fracciones incógnitas calculadas por el programa en función de los distintos valores de la fracción conocida ingresados como datos; finalmente generar línea correspondiente mediante el uso de un asistente de gráficos.

2 Resultados

A continuación se muestran los resultados obtenidos en las experiencias realizadas para estudiar el efecto del vapor de agua en la formación de carburo de hierro (Fe3C) a partir de finos metalizados.

La Figura 1 muestra la pantalla para el ingreso de los datos del programa Diagramas Fe-C-H-O para temperaturas menores a 570ºC, donde se colocan los valores correspondientes a la temperatura en grados Celsius y a la presión de trabajo en atmósferas. También se encuentran tres botones: Ejecutar, Diagrama y Tabla de Valores. Una vez introducidos los valores correspondientes de presión y temperatura a las cuales se desea obtener el diagrama, se presiona el botón “EJECUTAR” para dar inicio a la serie de cálculos y acciones requeridas para generar cada uno de los puntos correspondientes a cada una de las líneas del diagrama. Al finalizar los cálculos, el programa retorna nuevamente la pantalla de ingreso de datos. Una vez ejecutados los cálculos, se presiona el botón “DIAGRAMA”, que lleva a otra pantalla en la que se muestra el diagrama correspondiente para los datos introducidos.

Fig. 1 Pantalla para ingreso de datos del programa Diagramas Fe-C-H-O para temperaturas menores de 570ºC.

La Figura 2 muestra la pantalla donde se observa el diagrama Fe-C-H-O, que para el caso de temperaturas menores a 570ºC, está conformado por tres líneas: Fe-Fe3C, Fe-Fe3O4 y Fe3O4- Fe3C y la Interfase 1, que es el punto donde confluyen las tres líneas. Dichas líneas se obtienen al graficar los valores correspondientes a las fracciones de hidrógeno (YH) y carbono (YC) entre los límites establecidos por el programa.

Fig 2. Pantalla donde se muestra el Diagrama Fe-C-H-O para temperaturas menores a 570ºC.

Adicionalmente, se muestra la línea YC= 1 – YH, que corresponde a la línea del carbono en el diagrama ternario C-H-O. Finalmente puede observarse la presencia del botón “MENڔ, que en el momento de presionarse retorna a la pantalla de ingreso de datos.

Una vez ejecutados los cálculos, se tiene la opción de visualizar las tablas de valores generadas por el programa presionando el botón “TABLA DE VALORES”, que lleva a otra pantalla donde se muestra, para cada línea, los valores correspondientes a las fracciones de hidrógeno, carbono y por ende de oxígeno empleadas para graficarlas.

La Figura 3 corresponde a la pantalla del programa Diagramas Fe-C-H-O a temperaturas mayores a 570ºC, donde se muestra la zona de ingreso de datos y cinco botones: Ejecutar 1, Diagrama1 (Ver Figura 4) , Ejecutar 2, Diagrama 2 (Ver Figura 5), cuyas funciones son similares a las descritas para el Diagrama Fe-CH- O a temperaturas menores a 570ºC. En este caso, la principal diferencia radica en que pueden existir dos interfases, en tal caso se emplearán los botones EJECUTAR 1 y DIAGRAMA 1, y si aparece el error por la inexistencia de una de las interfases, seemplearán los botones EJECUTAR 2 y DIAGRAMA 2.

Fig. 3 Pantalla para ingreso de datos del programa Diagramas Fe-C-H-O para temperaturas mayores de 570ºC.

Fig. 4 Pantalla donde se muestra el Diagrama Fe-C-H-O para temperaturas mayores a 570ºC con cinco líneas y dos interfases

Fig 5 Pantalla donde se muestra el Diagrama Fe-C-H-O para temperaturas mayores a 570ºC con tres líneas y una interfase.

III. CONCLUSIONES

1. Los programas desarrollados son sencillos de manejar y demuestran que pueden ser empleados para determinar rápidamente las zonas donde pueden existir determinadas fases del hierro en función de la temperatura y presión de trabajo.

2. Adicionalmente constituyen una herramienta útil para el control de la calidad del hierro pre-reducido obtenido en las plantas de reducción directa del mineral de hierro.

IV. REFERENCIAS

1. López J. R. “Modelo Cinético de Adsorción en la Carburización del Hierro desde Hematita con mezcla de H2/CO a 625ºC”. Puerto Ordaz, Venezuela. 2000. Pág. 6.        [ Links ]

2. González E. “Estudio de la Deposición de Carbono y Formación de Carburo en Feº desde hematita con mezcla de H2/CO a 650ºC”.Puerto Ordaz, Venezuela.2003. Pág. 68.        [ Links ]

3. Olivares M. J. “Estudio de la Deposición de Carbono y Formación de Carburo en Hierro Metálico desde Hematita con Mezcla de H2/CH4 a 800ºC”. Tesis de grado. Departamento de Ingeniería Metalúrgica. UNEXPO – Puerto Ordaz. 2003. Pág. 71.        [ Links ]