Ferro gusa com
de carbono e
de silicio é carregado em um conversor a oxigênio (tipo LD) para fabricação de 100 toneladas de aço; carrega-se também
do peso total da carga metálica em sucata de aço que pode ser considerada ferro puro. Oxigênio é soprado sobre a carga até a oxidação total do silicio e do carbono contidos, e oxidaçāo parcial do ferro. Adiciona-se CaO de forma que a escória tenha basicidade (relação
) igual a 2,5 em peso. Considerando que:
- o rendimento metálico (aço bruto/carga metálica) é de 92 %
- o ferro não incorporado ao aço vai para a escória na forma de FeO;
- o Si é todo oxidado a
e vai para a escória.
- pode-se considerar que todo o carbono é queimado e forma CO.
a) Determine o volume, em normais metros cúbicos, de oxigénio a ser soprado para a obtenção de cada tonelada de aço. b) Calcule o peso da escoria obtida.
a) Determine o volume, em normais metros cúbicos, de oxigénio a ser soprado para a obtenção de cada tonelada de aço. b) Calcule o peso da escoria obtida.
Passo 1
Resumo do enunciado e dados fornecidos (vou colocar tudo claramente para não nos perder):\n
- Queremos produzir
toneladas de aço bruto. \n - O rendimento metálico (razão aço bruto / carga metálica total) é
. \n - A carga metálica é formada por ferro-gusa com
de carbono e de silício e por sucata de aço equivalente a do peso total da carga metálica (a sucata pode ser considerada ferro puro). \n - O oxigênio soprado oxida totalmente o silício a
e todo o carbono forma ; parte do ferro é oxidada e o ferro não incorporado ao aço vai para a escória como . \n - Adiciona-se
de modo que a basicidade da escória (relação em massa ) seja igual a . \n - Pedidos: (a) determinar o volume (em
) de oxigénio necessário por cada tonelada de aço; (b) calcular o peso da escória obtida (para a produção de t de aço, conforme enunciado). \n
Dados atômicos / molaridades que vou usar (explico depois por que escolhi e como usar):
Passo 2
Determinar a massa total da carga metálica que foi colocada no conversor (porque o rendimento é de
). \n
Seja a massa total da carga metálica (em toneladas). Pelo rendimento:
Seja
Logo,
Passo 3
Determinar as massas de sucata e de ferro-gusa na carga. \n
- Sucata (pura ferro) =
da carga:
- Ferro-gusa (restante):
Passo 4
Calcular as massas de carbono, silício e ferro contidos no ferro-gusa, e o ferro total da carga. \n
- Carbono no gusa:
de :
- Silício no gusa:
de :
- Ferro no gusa = massa do gusa menos C e Si:
- Ferro total na carga = ferro do gusa + sucata (sucata é ferro puro):
Passo 5
Determinar quanto de ferro fica no aço e quanto de ferro é oxidado (vai para a escória). \n
O aço produzido tem massa . Como todo o carbono e silício são oxidados (isto é, não permanecem no aço) e a sucata é ferro puro, podemos considerar que a massa do aço é, essencialmente, massa de ferro retida. Assim:
O aço produzido tem massa
Logo ferro oxidado (vai para a escória como
) é:
Passo 6
Reações químicas envolvidas e como calcular massa de
consumida (aulas rápidas de estequiometria). \n
Reações relevantes:
Reações relevantes:
Para converter massa do elemento em massa de
necessária usamos a relação molar e as massas molares. Exemplo didático para o caso do carbono: 1 mol de C (12,00 g) consome
mol de
que tem massa
g. Portanto, por massa:
Ou seja, cada kg de carbono requer
kg de
para formar CO. \n
Analogamente:
Analogamente:
- Para Si: 1 mol Si (
g) consome 1 mol (32,00 g), então razão é
- Para Fe (formando FeO): 1 mol Fe (
g) consome mol (16,00 g), razão:
Vou usar essas razões multiplicativas para obter a massa de
necessária para cada elemento oxidado.
Passo 7
Calcular massa de
necessária para oxidar todo o carbono (formação de CO). \n
Usando a razão :
Usando a razão
Passo 8
Calcular massa de
necessária para oxidar todo o silício a
. \n
Usando a razão :
Usando a razão
Passo 9
Calcular massa de
necessária para oxidar o ferro que vai para a escória (formando
). \n
Usando a razão :
Usando a razão
Passo 10
Somar todas as parcelas de
para obter a massa total de
consumida para produzir
t de aço, e converter para volume normal (Nm
) por tonelada de aço. \n
Massa total de (para
t):
Massa total de
Isso é para
t de aço; em massa por tonelada:
Agora converter massa de
por tonelada para volume em condições normais. A densidade do oxigénio em CN (0 °C, 1 atm) pode ser obtida por:
Volume normal por tonelada:
Portanto, o oxigénio necessário por cada tonelada de aço é aproximadamente
.
Passo 11
Calcular a massa da escória formada (para
t de aço). A escória é formada por:
(do ferro oxidado),
(do silício oxidado) e
(adicionado para ajustar basicidade). \n
- Massa de
formada: é a soma da massa do Si mais a massa de consumida no caso do Si:
(Verificação via molaridade: mol Si
, cada mol gera
g de
— resultado igual ao acima.)\n
- Massa de
formada: soma do ferro oxidado e do oxigénio que o oxidou:
- Massa de
necessária, dada a basicidade (em massa):
- Massa total da escória (para
t de aço) é a soma:
Passo 12
Resumindo os resultados numéricos com arredondamentos razoáveis (e encorajamento final): \n
- Oxigénio consumido por tonelada de aço: aproximadamente
. \n - Peso da escória obtida para
t de aço: aproximadamente (ou ), isto é cerca de .\n
Ficou confuso? Respira! A ideia-chave foi: 1) calcular a carga pela eficiência; 2) achar quantidades de C, Si e Fe; 3) usar estequiometria (mols → massas) para achar oconsumido; 4) somar as partes da escória e ajustar CaO pela basicidade. Estamos prontos para repetir com outros percentuais se quiseres praticar.
Resposta
(a)
\n
(b) (para
t de aço)
(b)