Proyecto de Investigaciónsappi.ipn.mx/cgpi/archivos_anexo/20070381_4443.pdf · 2011-11-14 ·...

25
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS DEPARTAMENTO DE INGENIERIA METALURGICA SECCION DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACION Proyecto de Investigación: Desfosforación de Ferromanganeso Líquido Clave: 20070381 DIRECTOR DEL PROYECTO DR. J. ANTONIO ROMERO SERRANO MEXICO D.F. Enero 2008

Transcript of Proyecto de Investigaciónsappi.ipn.mx/cgpi/archivos_anexo/20070381_4443.pdf · 2011-11-14 ·...

Page 1: Proyecto de Investigaciónsappi.ipn.mx/cgpi/archivos_anexo/20070381_4443.pdf · 2011-11-14 · ferromanganeso utilizando para ello escorias a base de MnO y BaO a las temperaturas

INSTITUTO POLITECNICO

NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E

INDUSTRIAS EXTRACTIVAS DEPARTAMENTO DE INGENIERIA METALURGICA

SECCION DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACION

Proyecto de Investigación:

Desfosforación de Ferromanganeso Líquido

Clave: 20070381

DIRECTOR DEL PROYECTO DR. J. ANTONIO ROMERO SERRANO

MEXICO D.F. Enero 2008

Page 2: Proyecto de Investigaciónsappi.ipn.mx/cgpi/archivos_anexo/20070381_4443.pdf · 2011-11-14 · ferromanganeso utilizando para ello escorias a base de MnO y BaO a las temperaturas

1. RESUMEN

México ocupa el 13avo. lugar de producción de manganeso a nivel mundial. Este

metal se utiliza como elemento de aleación en prácticamente todos los aceros de

baja y media aleación. El manganeso se introduce en los aceros en forma de una

aleación de fierro y manganeso, llamado ferromanganeso. Una de las impurezas

de esta aleación es el fósforo, ya que si no se elimina puede formar parte del

producto final del acero con lo cual sus propiedades mecánicas se verán

disminuidas. En el presente trabajo se estudia el proceso de desfosforación de

ferromanganeso utilizando para ello escorias a base de MnO y BaO a las

temperaturas de 1400° y 1500°C. El ferromanganeso, con 74 % Mn, es preparado

inicialmente con 0.1 y 0.2 masa de fósforo y se prueban diferentes escorias con

%MnO de 5 y 10 % y con %BaO de 5 y 10%. La relación CaO/SiO2 es igual a 2.

Las pruebas se efectúan en un horno de inducción utilizando crisoles de alúmina.

Dentro de la parte experimental son empleados sensores de oxígeno con el fin de

relacionar el grado de oxidación del baño con el proceso de desfosforación.

También se efectúa un estudio termodinámico con el fin de comprender el efecto

de los parámetros del proceso con la eliminación de fósforo del baño metálico.

1

Page 3: Proyecto de Investigaciónsappi.ipn.mx/cgpi/archivos_anexo/20070381_4443.pdf · 2011-11-14 · ferromanganeso utilizando para ello escorias a base de MnO y BaO a las temperaturas

2. INTRODUCCION

El ferromanganeso es muy importante en la industria siderúrgica ya que el

manganeso ayuda a mejorar ciertas propiedades de los aceros. El Manganeso en

la producción de acero cumple 2 funciones principales:

Desoxidación del baño metálico por su gran afinidad con el oxigeno.

Descomposición de sulfuros de hierro y absorción de azufre contenido en el

acero, formando sulfuro de manganeso que evita globulización y permite

que el acero sea maleable.

En México existe una gran cantidad de minerales de Manganeso que puede ser

procesada y utilizada en la industria de la siderurgia y fundición. Las impurezas

que tiene el Ferromanganeso principalmente son azufre y fósforo, las cuales se

pueden eliminar con diferentes técnicas para que el acero no se vea afectado en

sus propiedades.

Para poder eliminar el fósforo del Ferromanganeso se utilizan escorias basadas en

FeO, y CaO - FeO aplicados básicamente con alta basicidad en la escoria

(CaO/SiO2 : 1.5 – 3.0). Los requerimientos del proceso para eliminar el fósforo del

baño metálico son:

Baja Temperatura

Alto Potencial de Oxígeno

Elevada basicidad en la escoria (creando bajo coeficiente de actividad para

el óxido de fósforo en la escoria)

El Oxido ferroso es necesario para oxidación de fósforo en la fase del metal

Bajo pentóxido de fósforo en la escoria lleva un bajo fósforo en el metal

2

Page 4: Proyecto de Investigaciónsappi.ipn.mx/cgpi/archivos_anexo/20070381_4443.pdf · 2011-11-14 · ferromanganeso utilizando para ello escorias a base de MnO y BaO a las temperaturas

En este trabajo de tesis se utilizará un sensor de oxigeno para poder establecer el

grado de oxidación de Ferromanganeso y determinar la presión parcial de oxigeno

presente en el metal ya que éste tiene un efecto importante sobre el proceso de

desfosforación.

El sensor está constituido por Zirconia estabilizada con itria (ZEI) como electrolito

sólido. El electrodo de referencia es una mezcla de Cr y Cr2O3 sólidos. De esta

forma el potencial de oxígeno en el baño metálico y en el electrodo de referencia

serán relacionados mediante la ecuación de Nernst.

OBJETIVO

Estudiar el proceso de desfosforación de ferromanganeso empleando fundentes a

base de MnO y BaO. Emplear asimismo un sensor de oxígeno para relacionar el

grado de oxidación del baño metálico con el contenido de fósforo.

3

Page 5: Proyecto de Investigaciónsappi.ipn.mx/cgpi/archivos_anexo/20070381_4443.pdf · 2011-11-14 · ferromanganeso utilizando para ello escorias a base de MnO y BaO a las temperaturas

3. METODOS Y MATERIALES

El procedimiento experimental de este trabajo está dividido en dos etapas. La

primera consiste en fundir y desfosforar Fe-Mn con escorias a base de MnO y

BaO para determinar la cantidad de P2O5. La segunda etapa consiste en construir

y utilizar un sensor de oxígeno para determinar la presión parcial de oxígeno

presente en el baño y relacionarlo con la eliminación de fósforo a través de la

reacción:

2[P] + 5[O] = (P2O5)

3.1 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL El Fe-Mn se funde en un horno de inducción donde se llegará a las temperaturas

de 1400 y 1500 ºC y será medida por un termopar tipo R (Pt y Pt-13% Rh). Se

partirá de un FeMn bajo en fósforo y se adicionará fósforo de fierro para formar un

baño con una cantidad determinada de fósforo. La figura 1 muestra en forma

esquemática la secuencia experimental.

4

Page 6: Proyecto de Investigaciónsappi.ipn.mx/cgpi/archivos_anexo/20070381_4443.pdf · 2011-11-14 · ferromanganeso utilizando para ello escorias a base de MnO y BaO a las temperaturas

Adición de fósforo en Ferromanganeso líquido

Adición de la escoria desfosforante

Muestreo para análisis químico

Fusión de FeMn en horno de inducción

Medición de pO2Sensor ZEI (ZrO2+8%Y2O3)

Figura 1. Diagrama del procedimiento experimental

3.2 MATERIAL Y EQUIPO A continuación se mencionan los materiales y equipos utilizados en la parte

experimental del presente trabajo.

MATERIALES:

Reactivos analíticos: MnO, BaO, CaO, SiO2, CaF2

Zirconia estabilizada con Itria(ZrO2-8%Y2O3)

Alambre de Pt

Ferromanganeso (75% Mn) con bajo fósforo

Fósforo de Fierro

5

Page 7: Proyecto de Investigaciónsappi.ipn.mx/cgpi/archivos_anexo/20070381_4443.pdf · 2011-11-14 · ferromanganeso utilizando para ello escorias a base de MnO y BaO a las temperaturas

EQUIPOS:

Horno de inducción de alta frecuencia

Bomba recirculadora de agua

Sensores de electrolito sólido (ZrO2-8% Y2O3)

Termopar tipo R(Pt-Pt-13%Rh)

Medidor de voltaje digital de 4 canales

Balanza analítica

Equipo CVD (Chemical Vapor Depositation) de paredes calientes

La figura 2 muestra en forma esquemática el horno de inducción que se usará

en el desarrollo experimental.

HORNO DE INDUCCIÓN

1 Termopar 2 Escoria fundida 3 Refractario 4 Sensor de Oxígeno 5 FeMn líquido

Figura 2. Esquema del Horno de Inducción

4 1

2 3 5

(b) (a)

6

Page 8: Proyecto de Investigaciónsappi.ipn.mx/cgpi/archivos_anexo/20070381_4443.pdf · 2011-11-14 · ferromanganeso utilizando para ello escorias a base de MnO y BaO a las temperaturas

3.3 PARÁMETROS CONSTANTES Y VARIABLES DE TRABAJO

Los parámetros constantes y las variables que se seleccionaron para estudiar la

desfosforación de FeMn son los siguientes:

PARÁMETROS CONSTANTES

Masa Fe-Mn: 7 kg

Masa de escoria: 280 g (4% del metal)

CaO/SiO2 = 2.5

%CaF2 = 10

% de P inicial en el Fe-Mn : 0.2

PARÁMETROS VARIABLES

o % de BaO : 10, 20, 30

o % de MnO : 5, 10, 20

o Tiempo de muestreo: 0, 4, 8, 12, 16, 20 min.

o T = 1400 y 1500 ºC

La tabla 1 muestra el diseño experimental para el sistema propuesto teniendo un

total de 18 pruebas de acuerdo a la combinación de parámetros mostrados con

anterioridad.

7

Page 9: Proyecto de Investigaciónsappi.ipn.mx/cgpi/archivos_anexo/20070381_4443.pdf · 2011-11-14 · ferromanganeso utilizando para ello escorias a base de MnO y BaO a las temperaturas

Tabla 1. Diseño de experimentos

No. Experimento

T ( °C) % BaO % MnO % P inicial

5

10

10

20

0.2

5

10

20

20

0.2

5

10

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1400

30

20

0.2

5

10

10

20

0.2

5

10

20

20

0.2

5

10

10

11

12

13

14

15

16

17

18

1500

30

20

0.2

8

Page 10: Proyecto de Investigaciónsappi.ipn.mx/cgpi/archivos_anexo/20070381_4443.pdf · 2011-11-14 · ferromanganeso utilizando para ello escorias a base de MnO y BaO a las temperaturas

4. RESULTADOS

Resultados de la Revisión Bibliográfica. META No. 1

Aspectos Termodinámicos de la Desfosforación de acero y ferromanganeso En los últimos años, la eliminación de fósforo del acero líquido se ha representado

mediante alguna de las siguientes reacciones químicas considerando que se

forman especies moleculares neutras durante este proceso:

2 P + 5 O = (P2O5) (1)

2 P + 5 O + 4(CaO) = (4CaO•P2O5) (2)

2 P + 5(FeO) = (P2O5) + 5 Fe (3)

Sin embargo, a partir de los años 1970’s ha sido común considerar que el fósforo

se presenta en forma de especies iónicas en la escoria. Las reacciones químicas

propuestas son:

P + 5/2 O 3/2 (O2-) = (PO43-) (4)

P + 5/2 (FeO) + 3/2 (O2-) = (PO43-) + 5/2 Fe (5)

P + 5/2 (FeO) + 3/2 (CaO) = ½ (Ca3(PO4)2) + 5/2 Fe (6)

A pesar de que se ha aceptado en forma general que la desfosforación se efectúa

a través de una disociación iónica en la escoria, muchos investigadores siguen

empleando por conveniencia la reacción (1).

Sin importar que reacción de desfosforación se utilice, se deducen 3 conclusiones

de las ecuaciones antes mencionadas:

9

Page 11: Proyecto de Investigaciónsappi.ipn.mx/cgpi/archivos_anexo/20070381_4443.pdf · 2011-11-14 · ferromanganeso utilizando para ello escorias a base de MnO y BaO a las temperaturas

1. Una escoria altamente básica se requiere para que el fósforo pase del

metal a la escoria.

2. Debe existir un alto potencial de oxígeno para transferir el fósforo del metal

a la escoria

3. Una baja temperatura promueve la eliminación de fósforo

Efecto de la basicidad de la escoria sobre la desfosforación

La importancia de la basicidad de la escoria sobre la desfosforación puede

mostrarse a partir de la reacción (7)

P + 5/2 O 3/2 (O2-) = (PO43-) (7)

La escorias básicas (que poseen altos contenidos de iones O2-) son esenciales

para lograr una buena desfosforación porque permiten que el ión fosfato pase a

formar parte de la escoria. En el pasado muchos investigadores han considerado

que el fósforo se presenta en la escoria como un ión monomérico PO43-. Esta

suposición está basada en la siguiente reacción:

2(PO43-) = (P2O7

4-) + (O2-) (8)

También se ha reportado que para niveles de fósforo en la escoria menores a

1.5% es razonable considerar que el fósforo está presente en la escoria como un

anión fosfato monomérico. Para escorias con mayores contenidos de fósforo, será

necesario incluir el equilibrio ión-dímero en los cálculos.

La basicidad de una escoria en el BOF puede incrementarse mediante la adición

de los fundentes básicos en el horno. Cuando se han agregado compuestos muy

básicos, tales como Na2O o BaO, se han reportado valores elevados de

desfosforación del acero. Sin embargo, estos compuestos son generalmente

considerados muy costosos y peligrosos para uso industrial. El método más

común para controlar la basicidad de la escoria es mediante la adición de CaO.

10

Page 12: Proyecto de Investigaciónsappi.ipn.mx/cgpi/archivos_anexo/20070381_4443.pdf · 2011-11-14 · ferromanganeso utilizando para ello escorias a base de MnO y BaO a las temperaturas

Oxidación de los elementos en acero líquido

Al inyectar oxígeno en un acero líquido, el orden en que se empiezan a oxidar los

elementos está determinado inicialmente por la energía libre de formación de los

óxidos de dichos elementos. Cuando los elementos están muy diluidos es

conveniente expresarlos en el estado estándar del 1 %peso (1%w), considerando

al solvente como Fe. Por ejemplo, el cambio de energía libre de la reacción de

oxidación del manganeso se puede obtener sumando las siguientes energías

libres:

Mn(l) + ½ O2(g) = MnO(l) ∆G° = -343,400 + 56.1 T J/mol (9)

Mn(l) = Mn(1%w) ∆G° = -28.6 T J/mol (10)

½ O2(g) = O(1%w) ∆G° = -118,000 + 2.4 T J/mol (11)

Con lo cual resulta:

Mn(1%w) + O(1%w) = MnO(l) ∆G° = -225,400 + 97.1 T J/mol (12)

Las reacciones de oxidación de los otros elementos en el baño son:

Si(1%w) + 2O(1%w) = SiO2(l) ∆G° = -567,989 + 215.054 T J/mol (13)

C(1%w) + O(1%w) = CO(g) ∆G° = -22367.2 - 39.6405 T J/mol (14)

2 P(1%w) + 5 O(1%w) = P2O5(l) ∆G° = -683,655 + 580.245 T J/mol (15)

S(1%w) + 2 O(1%w) = SO2(g) ∆G° = -5745 + 61.28 T J/mol (16)

Y para la oxidación del Fe se tiene:

Fe + O(1%w) = FeO(l) ∆G° = -136999.1 + 55.918T J/mol (17)

11

Page 13: Proyecto de Investigaciónsappi.ipn.mx/cgpi/archivos_anexo/20070381_4443.pdf · 2011-11-14 · ferromanganeso utilizando para ello escorias a base de MnO y BaO a las temperaturas

La variación con la temperatura de los valores de ∆G° de las reacciones anteriores

se muestra en la Figura 3, la cual indica que el C, Mn y Si pueden oxidarse

preferentemente, pero el P y S no pueden eliminarse antes de que se oxide el Fe.

Como se observa en la Figura 3, las curvas de oxidación de Fe y Mn están muy

cercanas. Aunque no se han visto reportados muchos trabajos sobre

desfosforación de FeMn, se piensa que se pueden usar condiciones similares a

las empleadas para desfosforar acero líquido, por lo cual se requieren efectuar

estudios como el del presente trabajo.

1300 1400 1500 1600 1700 18004 .105

2 .105

0

2 .105

4 .105

Temperatura (K)

Del

ta G

de

reac

ción

(J)

Mn

Si

C

P

S

Fe

T

Mn

Si

P

S

C

Fe

Figura 3. Gráfica ∆G° vs T de las reacciones de oxidación de los elementos en el

acero

12

Page 14: Proyecto de Investigaciónsappi.ipn.mx/cgpi/archivos_anexo/20070381_4443.pdf · 2011-11-14 · ferromanganeso utilizando para ello escorias a base de MnO y BaO a las temperaturas

Preparación del Equipo y Materiales. META No. 2

El equipo adaptado para la experimentación es un horno de inducción de

recubrimiento de alúmina.

Los experimentos se realizaron mediante la fusión de 7000 g de ferromanganeso a

a 1500° C. En el metal se introdujo un sensor electroquímicos con recubrimiento

de Pt (CVD). Durante el proceso se realizó un muestreo y el monitoreó de la

diferencia de potencial durante 20 minutos.

Preparación de los sensores de oxígeno. META No. 3

Recubrimiento de la superficie externa del sensor con una película de Pt por la

técnica de CVD. La técnica de CVD consiste en la reacción de una mezcla de

gases en el interior de una cámara de vacío (reactor) para dar lugar a una

reacción químicareacción química en la superficie generando, al menos, un producto sólido. Los

subproductos de la reacción son evacuados hacia el exterior mediante un sistema

de alta velocidad de bombeo. Dependiendo del proceso y de las condiciones de

operación los compuestos pueden condensar por nucleación homogéneanucleación homogénea o

nucleación heterogénea sobre el sustrato.

Esta técnica permite preparar películas metálicas muy finas mediante el control de

las condiciones del proceso. Al tubo de ZrO2 (Y2O3) se le realizará un depósito de

película porosa de Pt sobre la pared externa mediante la técnica de CVD, el

depósito se llevó a cabo en un equipo CVD horizontal, el cual se muestra en la

figura 4, se utilizó como precursor sólido acetilacetonato de Platino [Aldrich 97% ,

(CH3COCHCH-CH3)2Pt]. La figura 5 muestra una fotografía del sensor recubierto

con Pt .

13

Page 15: Proyecto de Investigaciónsappi.ipn.mx/cgpi/archivos_anexo/20070381_4443.pdf · 2011-11-14 · ferromanganeso utilizando para ello escorias a base de MnO y BaO a las temperaturas

Figura 4. Representación esquemática del equipo CVD

Figura 5 . Sensor recubierto con Pt mediante la técnica de CVD

Las condiciones del depósito para el recubrimiento del sensor se presentan en la

tabla 2.

Tabla 2.- Condiciones de depósito en el proceso CVD

Temperatura

set point (°C)

Temperatura del

Sustrato (°C)

Temperatura del

Precursor (°C)

Presión total

(Torr)

Flujo de Ar

(cm3/min)

700 400 180 - 240 1 180

14

Page 16: Proyecto de Investigaciónsappi.ipn.mx/cgpi/archivos_anexo/20070381_4443.pdf · 2011-11-14 · ferromanganeso utilizando para ello escorias a base de MnO y BaO a las temperaturas

Antes de realizar los depósitos al tubo de zirconia se le adhiere un alambre de

platino mediante una mezcla de refractario (Duralig 63) y una pasta de platino

(Alfa-AESAR, fuell cell grade) sobre la pared externa , esta mezcla se calienta a

1000°C durante 1hr para sinterizar la mezcla de refractario y Pt . Una vez que se

aplica la capa de Pt, el sensor se arma colocando en su interior el electrodo de

referencia y colocando el alambre de platino que se usará para obtener la señal

que se genera, se rellena con polvo de Al2O3 y se sella con material refractario.

Acto seguido se deja fraguar el refractario y se monta el sensor en un tubo

refractario de Al2O3 (Figura 6).

(a) (b)

Fig. 6. (a) Esquema representativo del armado final del sensor, (b) fotografía que

muestra al sensor listo para ser usado.

15

Page 17: Proyecto de Investigaciónsappi.ipn.mx/cgpi/archivos_anexo/20070381_4443.pdf · 2011-11-14 · ferromanganeso utilizando para ello escorias a base de MnO y BaO a las temperaturas

Pruebas de Fusión de Ferromanganeso. META No. 4 A continuación se presentan los resultados de los experimentos efectuados.

Tabla 3.- Resultados experimentales con contenidos de MnO2 = 5 %,

BaO = 10%, CaF2 = 10% B = 2.5

t (min)

E (v)

T (°C)

T (K)

ΔG°Ct (J/mol)

pO2(ref) pO2(metal) %P

0 0.9025 1510 1783.15 -449361.4 6.8576E-14 3.3017E-23 0.20

1 0.5510 3.1107E-19

2 0.4815 1.8995E-18

3 0.4583 3.4748E-18

4 0.4650 1537 1810.15 -444926.6 1.4471E-13 7.4479E-18 0.15

5 1.1737 9.5252E-26

6 1.0449 2.5905E-24

7 0.0484 3.2503E-13

8 0.0436 1527 1800.15 -446569.7 1.1003E-13 2.7682E-13 0.13

9 0.2188 3.0204E-15

10 0.2083 3.9596E-15

11 0.1445 2.0520E-14

12 0.0040 1416 1689.15 -464767.2 4.2383E-15 2.8149E-14 0.12

13 0.1515 4.8865E-16

14 0.0986 2.0911E-15

15 0 3.1420E-14

16 0.0415 1569 1842.15 -439664.1 3.4100E-13 9.4101E-13 0.13

17 0.0528 7.0783E-13

18 0.1899 2.2361E-14

19 0.2985 1.4487E-15

20 0.1032 1525 1798.15 -446898.2 1.0412E-13 5.6126E-14 0.13

16

Page 18: Proyecto de Investigaciónsappi.ipn.mx/cgpi/archivos_anexo/20070381_4443.pdf · 2011-11-14 · ferromanganeso utilizando para ello escorias a base de MnO y BaO a las temperaturas

1.00E-26

1.00E-24

1.00E-22

1.00E-20

1.00E-18

1.00E-16

1.00E-14

1.00E-12

0 4 8 12 16 20

tiempo (min)

pO2

FIG.- 7 Relación pO2 vs tiempo con contenidos de MnO2 = 5 %, BaO = 10%

CaF2 = 10% B = 2.5

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0 5 10 15 20

TIEMPO (min)

% F

OSF

ORO

FIG.- 8 Relación %Fósforo vs tiempo con contenidos de MnO2 = 5 %, BaO = 10%,

CaF2 = 10% B = 2.5

17

Page 19: Proyecto de Investigaciónsappi.ipn.mx/cgpi/archivos_anexo/20070381_4443.pdf · 2011-11-14 · ferromanganeso utilizando para ello escorias a base de MnO y BaO a las temperaturas

Tabla 4. Resultados experimentales con contenidos de MnO2 = 5 %,

BaO = 20%, CaF2 = 10% B = 2.5

t (min)

E (v)

T (°C)

T (K)

ΔG°Ct (J/mol)

pO2(ref) pO2(metal) %P

0 0.9883 1489 1762.15 -452807.6 3.7770E-14 1.4227E-24 0.22

1 1.073 1.5278E-25

2 1.1587 1.5980E-26

3 1.0923 9.1885E-26

4 1.1081 1633 1906.15 -429116.6 1.7394E-12 2.6514E-23 0.17

5 1.1135 2.3246E-23

6 1.0856 4.5861E-23

7 1.0349 1.5764E-22

8 0.7615 1522 1795.15 -447391.0 9.5831E-14 2.0780E-21 0.12

9 0.7341 4.2205E-21

10 0.6778 1.8099E-20

11 0.6818 1.6320E-20

12 0.2568 1608 1881.15 -433240.5 9.3240E-13 1.3106E-14 0.12

13 0.4851 4.6855E-17

14 0.4472 1.1938E-16

15 0.4232 2.1585E-16

16 0.2514 1583 1856.15 -437359.5 4.9164E-13 7.2102E-15 0.13

17 0.2227 1.4780E-14

18 0.2167 1.7173E-14

19 0.2162 1.7389E-14

20 0.2133 1531 1804.15 -445912.5 1.2282E-13 3.9383E-15 0.12

18

Page 20: Proyecto de Investigaciónsappi.ipn.mx/cgpi/archivos_anexo/20070381_4443.pdf · 2011-11-14 · ferromanganeso utilizando para ello escorias a base de MnO y BaO a las temperaturas

1.00E-26

1.00E-24

1.00E-22

1.00E-20

1.00E-18

1.00E-16

1.00E-14

1.00E-12

0 4 8 12 16 20

tiempo (min)

pO2

FIG.- 9 Relación pO2 vs tiempo con contenidos de MnO2 = 5 %, BaO = 20%

CaF2 = 10% B = 2.5

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0 5 10 15 20

TIEMPO (min)

% F

OSF

OR

O

FIG.- 10 Relación %Fósforo vs tiempo con contenidos de MnO2 = 5 %,

BaO= 20%, CaF2 = 10% B = 2.5

19

Page 21: Proyecto de Investigaciónsappi.ipn.mx/cgpi/archivos_anexo/20070381_4443.pdf · 2011-11-14 · ferromanganeso utilizando para ello escorias a base de MnO y BaO a las temperaturas

Tabla 6. Resultados experimentales con contenidos de MnO2 = 5 %,

BaO = 30%, CaF2 = 10% B = 2.5

t (min)

E (v) T (°C) T (K) ΔG°Ct (J/mol)

pO2(ref) pO2(metal) %P

0 1577 1850.15 0.19

1

2

3

4 1351 1624.15 0.16

5

6

7

8 1502 1775.15 0.13

9

10

11

12 1553 1826.15 0.13

13

14

15

16 1557 1830.15 0.11

17

18

19

20 1438 1711.15 0.09

20

Page 22: Proyecto de Investigaciónsappi.ipn.mx/cgpi/archivos_anexo/20070381_4443.pdf · 2011-11-14 · ferromanganeso utilizando para ello escorias a base de MnO y BaO a las temperaturas

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0 5 10 15 20

TIEMPO (min)

% F

OSF

ORO

FIG.- 11 Relación %Fósforo vs tiempo con contenidos de MnO2 = 5 %, BaO = 30%CaF2 = 10% B = 2.5

21

Page 23: Proyecto de Investigaciónsappi.ipn.mx/cgpi/archivos_anexo/20070381_4443.pdf · 2011-11-14 · ferromanganeso utilizando para ello escorias a base de MnO y BaO a las temperaturas

Análisis de Resultados. META No. 5 En la tabla 4 se muestran los resultados experimentales de voltaje, potencial de

oxígeno de referencia, potencial de oxígeno en Ferromanganeso y %P con

contenidos de MnO2 = 5%, BaO = 10%, CaF2 = 10% B = 2.5. En dicha tabla se

puede observar que a medida que transcurre el tiempo del proceso el voltaje

disminuye lo cual está asociado con el aumento del potencial de oxígeno. De esta

manera se cumplen dos de las condiciones importantes para la desfosforación:

alta basicidad de la escoria y alto potencial de oxígeno en el baño metálico. Es

clara la variación de dichos parámetros (FEM, pO2 y % fósforo) conforme

transcurre el tiempo del proceso. En el caso particular de los valores de la FEM de

la celda electroquímica existen algunos puntos experimentales que se alejan de la

tendencia general, lo cual puede deberse a que se produjeron algunos

movimientos en el sistema experimental en los momentos de toma de muestra del

metal. A pesar de ello, la tendencia de la curva FEM vs tiempo es clara,

evidenciando una continua disminución a todo lo largo del experimento.

De igual manera, la curva pO2 vs tiempo tienda a aumentar conforme progresa el

experimento, aunque también se presentan algunos valores fuera de la tendencia

general asociados a un error experimental. Finalmente, los valores del contenido

de fósforo en el metal disminuyen de manera gradual, como era de esperarse,

gracias a las condiciones desfosforantes del sistema. Para este caso el contenido

de fósforo se disminuyó de 0.20% a 0.13%.

En la tabla 5 se muestran los resultados experimentales de la FEM, potencial de

oxígeno en el metal y %P con contenidos de MnO2 = 5 %, BaO = 20%, CaF2 =

10% B = 2.5. Aquí se puede observar que durante los primeros instantes del

proceso la FEM aumenta lo cual puede deberse a que la escoria tarda más tiempo

en fundirse y empezar a reaccionar con el baño metálico. Una vez fundida la

escoria, la curva de FEM-tiempo empieza a disminuir y con esa tendencia se

mantiene hasta el final del proceso.

22

Page 24: Proyecto de Investigaciónsappi.ipn.mx/cgpi/archivos_anexo/20070381_4443.pdf · 2011-11-14 · ferromanganeso utilizando para ello escorias a base de MnO y BaO a las temperaturas

A diferencia del experimento anterior, en este caso se incrementó el contenido de

BaO de 10 a 20 %. Sin embargo, no se observó una diferencia notable de los

valores de FEM y pO2 del metal entre ambos experimentos, aunque sí se observó

un ligero incremento en la eficiencia de la eliminación de fósforo, ya que en este

caso se logra disminuir de 0.22% a 0.12%.

Durante el tercer experimento (con 30 % BaO), lamentablemente se presentaron

problemas con el sensor, ya que el choque térmico que se produjo al introducirlo al

baño metálico fracturó el tubo de zirconia. Por esta razón solo se reportan para

este experimento los valores de temperatura a las cuales se tomaron muestras.

Los resultados de esta prueba muestran que el contenido de fósforo baja de

manera gradual, como en los dos experimentos previos. En este caso el contenido

de fósforo disminuyó de 0.19% a 0.09%.

En general, ha sido difícil controlar la temperatura del baño metálico, ya que a

diferencia de un acero, el ferromanganeso tiene una mayor cantidad de

manganeso que de fierro y debido a la diferencia en sus capacidades caloríficas el

incremento en la temperatura de estos materiales es distinto durante su

calentamiento en el horno.

En el trabajo que falta por realizar se contempla estudiar el efecto de la

temperatura y del contenido de óxido de manganeso en la escoria sobre la

eficiencia del proceso de desfosforación. Actualmente se siguen preparando

sensores de oxígeno para realizar las pruebas que se programaron en el diseño

experimental.

Reporte Final META No. 6

El presente reporte comprende la meta número 6 del protocolo del proyecto.

23

Page 25: Proyecto de Investigaciónsappi.ipn.mx/cgpi/archivos_anexo/20070381_4443.pdf · 2011-11-14 · ferromanganeso utilizando para ello escorias a base de MnO y BaO a las temperaturas

5. IMPACTO

El presente proyecto ha permitido establecer el efecto del óxido de bario,

contendido en la escoria, sobre la eliminación del fósforo en ferromanganeso. Esto

de gran importancia si se considera que una de las impurezas de esta aleación es

el fósforo, ya que si no se elimina puede formar parte del producto final del acero

con lo cual sus propiedades mecánicas se verán disminuidas. En el presente

trabajo también se efectuó un estudio termodinámico con el fin de determinar el

efecto de los parámetros del proceso, tales como la temperatura y la composición

de la escoria.

24