3.1.- Físico Química y Termodinámica de la Reacción del Fósforo

La reacción entre el fósforo y el oxígeno disueltos en el baño se plantea de la siguiente forma:

2[ P ] +5 [ O ] = (P2O5) log KP-O = 36850/T -20,07 (9)*

Donde el oxígeno del baño proviene de la inyección de oxígeno gaseoso a través de la reacción:

1/2{O2} = [ O ] ΔGº = -28.220 - 0,57T (2)

En este caso es necesario considerar que durante la inyección de oxígeno no solo se oxidan el carbono y el hierro sino que también el resto de los elementos de acuerdo a su estado, concentración y afinidad; en el caso del Fósforo; cuando éste viene en forma elemental, la reacción 9 es factible.

3.1.1.- Distribución del Fósforo entre la Escoria y el Metal. El coeficiente de distribución del fósforo ( LP)

La Distribución del Fósforo entre la Escoria y el Metal es representada por la ecuación (9); tal y como se mostró anteriormente:

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

Donde la constante de equilibrio de esta reacción es:

KP-O = a P2O5 (hP)2.(hO)5

Considerando las actividades henryanas y raoultianas correspondientes; tenemos:

a P2O5 = Actividad raoultiana del P2O5 = γ P2O5 . X P2O5

γ P2O5 = Coeficiente de actividad raoultiano del P2O5 X P2O5 = Fracción molar del P2O5 [%P] = % Fósforo en el baño metálicofP = Coeficiente de actividad henryano del Fósforo[%O] = % Oxígeno en el baño metálicofO = Coeficiente de actividad henryano del OxígenoKP-O = Constante de equilibrio de la reacción P - O.

Elaborado por José Luis López

Acomodando la ecuación anterior, tenemos:

X P2O5 = KP-O . fo 5 .[%O] 5 . fP 2 (10) [%P]² γ P2O5

donde: X P2O5 = LP [%P]²

LP = Se puede estimar como el Coeficiente de distribución del fósforo entre la escoria y el metal

Ahora bien, si consideramos condiciones ideales:fo y fP deben ser iguales a 1 y el γ P2O5 también igual a 1.

La expresión anterior queda:

LP = KP-O. [%O]5

Aquí podemos considerar que el LP es directamente proporcional al contenido de Oxígeno del baño y que para poder defosforar, el LP; el Coeficiente de distribución del fósforo entre la escoria y el metal debe presentar un valor alto; indicativo de que el fósforo se está desplazando desde el baño hacia la escoria; y esto ocurre, debido a que [%O] es alto. Sin embargo, no es usual asociar el [%O] con la defosforación por lo que universalmente se considera el FeO como mejor indicador para monitorearla.

3.1.2.- Estabilidad del (P2O5)

Tal y como podemos observar en el diagrama de la Figura (Diagrama de Ellingham), el Fósforo no es estable y que puede ser reducido por lo que es necesario asociarlo con un elemento de mayor estabilidad para que permanezca en la escoria.

Ese elemento es el CaO, que puede reaccionar con el P2O5 para formar lo siguiente:

3(CaO)+(P2O5) =3(CaO.P2O5) ΔGº =- 396.350 + 75,53T(11)*

Elaborado por José Luis López

Fuente: Ward R.G. “ An introduction to the Physical Chemistry of Iron and Steelmaking “ * Falconi C. V. “ Tecnologia Fabricaciao de Aco“ . Fundamentos. UFMG , ABM.

Sin embargo, ante su inestabilidad, será necesario tomar otras medidas para garantizar que el fósforo no sea devuelto al baño metálico.

3.1.3.- Reversión del Fósforo desde la escoria hasta el baño metálico.

Tal y como se observó en el Diagrama anterior, el P2O5 puede ser reducido por varios elementos entre los que se encuentran el Fe, Si, Mn, pero la reducción más impactante es la que ocurre con el Carbono.

Esta puede ocurrir de acuerdo a la siguiente reacción:

Elaborado por José Luis López

(P2O5)+ [C] =5{CO}+2[P] ΔGº =179.500-248,4T (12)*

Por otra parte, un alto grado de basicidad en la escoria, (ideal para desulfurar), promueve la reversión de Fósforo presente como P2O5 en la escoria, lo que resulta en un alto contenido de este elemento en el acero. Por ello es importante minimizar la escoria que proviene del HEA mediante un proceso controlado de desescoriado. Fuente: Ward R.G. “ An introduction to the Physical Chemistry of Iron and Steelmaking “ * Falconi C. V. “ Tecnologia Fabricaciao de Aco“ . Fundamentos. UFMG , ABM. 3.1.4.- Condiciones mínimas para defosforar

En la figura se muestra un esquema del proceso:

Las Condiciones Mínimas para Defosforar son:

Elaborado por José Luis López

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

3(CaO)+(P2O5) =3(CaO.P2O5)

(P2O

5)+

5[F

e] =

5(F

eO

)+2[P

]

(P2O

5)+

[C] =

5{CO

}+

2[P

]

Baño Metálico

Escoria

Escoria básica y fluida, Alto contenido de (FeO), Temperatura “Baja”,

Desescoriado, Bajo contenido de Carbono, Adecuada agitación del baño.

Actividades

Aquí debes consultar los recursos de aprendizaje y desarrollar individualmente:

Actividad 3.1.1.- Analizar de la referencia: Reacciones entre Acidos y Bases (Reactions between acids and bases):

http://www.schoolscience.co.uk/content/4/chemistry/steel/msch1pg2.html

Responder la pregunta.

¿Qué opinas de las reacciones 2, 3, 4, 5 y 6?

Actividad 3.1.2.- Analizar desescoriado (De-Slagging) de la referencia:

http://www.steel.org/learning/howmade/eaf.htm#deslagging

Actividad 3.1.3.-- Analizar del punto 2.2.- Equilibrio del Fósforo entre la escoria y el metal; páginas 22 y 24 del trabajo: AISI/DOE Technology Roadmap Program: Behavior of Phosphorus in DRI/HBI During Electric Furnace Steelmaking , de los autores: Richard J. Frueham ; Christopher P. Manning cmanning@bu.edu que se encuentra en el enlace:

http://www.osti.gov/bridge/product.biblio.jsp?osti_id=797096

¿Qué opinas de las reacciones 2, 3, 4, 5 y 6?

Elaborado por José Luis López