FUSIÓN
Operación de concentración a alta temperatura
Se logra el rompimiento de la estructura mineralógica para liberar elementos de interés Pasar de una fase mineral sólida a una mezcla de elementos en estado líquido La energía se suministra mediante: Combustible fósil, electricidad o por oxidación oxidación de la carga a fundir Los constituyentes constituyentes principales de una carga carga de fusión son: 1. Sulfur Sulfuros os y óxidos de Cu Cu y Fe Fe del conce concentrad ntradoo 2. Óxidos (Al2O3, CaO, MgO y SiO2) del concentrado o se agregann como fundente y/o escorificante agrega El Fe, Cu, S, O y los óxidos determinan las propiedades químicas y físicas de las fases condensadas producidas durante la fusión: MATA Y ESCORIA
El objetivo principal de la fusión es asegurar que todo el Cu alimentado esté como sulfuro en la mata FeS de la mata convierte en sulfuro a todo el Cu, debido a la oxidación preferencial del hierro, FeS(mata) + Cu2O(esc) = FeO(esc) + Cu2S(mata) a
a 1200ºC
K
Cu 2S
a
Cu 2 O
a
FeO
a
15850
FeS
a
Cu 2S
a
1 aFeO
0.3 aCu
-5
2
S
1.19 10
FeS
Cantidad despreciable de Cu 2O en la fase sulfurada
Generalmente el Cu en la carga viene como CuO, CuSO 4, CuO*CuSO4, CuOFe2O3, CuFeS2, etc Se produce Cu2S Las PCuS y PFeS2 son altas
CuS y FeS2 son inestables
Fase saturada, mata, principalmente se compone de Cu 2SFeS con pequeñas cantidades de otros sulfuros (Co, Ni, Zn, etc) y metales preciosos asociados a: As, Bi, Se y Te El eje o mata es también un excelente disolvente para los metales preciosos que en un 90-95% entran a la mata
REACCIONES EN LA FUSIÓN: Fusión
cambio de estado
reacciones son subproductos
Descomposiciones piríticas: Especie Covelita Pirita Calcopirita
Reacción 4CuS(s)=2Cu2Sβ(s)+S2(g) 2FeS2(s)=2FeSβ(s)+S2(g) 4CuFeS2(s)=2Cu2Sγ(s)+4FeS(s)+S2(g)
Tº transf. 502 626 949
El azufre pirítico se oxida en la atmósfera del horno a SO2 y parcialmente a SO3 Reacciones heterogéneas, endotérmicas y espontáneas entre 500900ºC
Formación de magnetita: La aparición de Fe3O4 sólida en la escoria origina serías perturbaciones en la marcha de los procesos Si la escoria está saturada en Fe3O4 entonces existe una fase líquida saturada en un material sólido de elevado punto de fusión (≈1600ºC)
Dadas las densidades medias de las escoria (2.8 a 3.8 g/mL), mata (4.8 a 5.6 g/mL) y Fe3O4 (5.1 g/mL), y la inmiscibilidad escoria/mata se tienen los siguientes problemas
Pérdidas de cobre: Equilibro termodinámico entre Cu disuelto en la escoria y en la mata
Cu2S(m) + FeO(esc) = Cu2O(esc) + FeS(m) Para lo cual se puede definir un coeficiente de distribución D
%Cu (forma oxidada) %Cu (forma sulfurada)
%Cu (escoria) %Cu (mata)
Termodinámicamente aCu2O=4.25×10-7
No debería aparecer Cu 2O en la escoria Experimentalmente se ha encontrado que la solubilidad del Cu2O en la escoria podía variar entre 1% para una escoria
GASES
Pérdida física de cobre
ESCORIA MAGNETITA SÓLIDA MATA ALTA LEY
GASES ESCORIA MATA BAJA LEY MAGNETITA SÓLIDA
Pérdida de capacidad de tratamiento
Fe3O4 reacciona con el FeS de la mata originando una reacción con enérgica formación de SO2 lo cual provoca una FLOTACIÓN de partículas de mata que se emulsionan en la escoria
PÉRDIDAS POR ATAPAMIENTO DE COBRE EN LA ESCORIA Para reducir la magnetita: 3Fe3O4(s) + FeS(l) = 10FeO(l) + SO2(g) Fe3O4(s) + Fe(s) = 4FeO(l) Fe3O4(s) + C(s) = 3FeO(l) + CO(g)
Oxidaciones en la mata El azufre presenta el mecanismo de oxidación selectiva el FeS se oxidará preferentemente al Cu 2S
FeS(l) + 3/2O2(g) = FeO(l) + SO2(g) 3Fe2O3(s) + FeS(l) = 10FeO(l) + SO2(g)
interfase G-M interfase M-E
Oxidaciones en la escoria Desde el punto de vista termodinámico pueden plantearse los equilibrios redox: FeO/Fe3O4 o FeO/Fe2O3 Desde el punto de vista de mecanismos el equilibrio más real es: FeO/Fe3O4
3FeO(l) + 1/2O2(g) = Fe3O4(s)
Oxidaciones en la fase gaseosa Estas son reacciones homogéneas con azufre:
1/2S2(g) + O2(g) = SO2(g) 2SO2(s) + O2(g) = 2SO3(g) A bajas temperaturas
GºT=-86620+17.21T, cal GºT=-45200+42.72T, cal ii) PSO3 es predominante
SO3 en presencia de vapor de agua generación de H2SO4, el que una vez que alcanza su punto de rocío se torna muy agresivo frente a diversos materiales
A qué temperatura pSO2=pSO3?
A 1200ºC, 1 atm de presión de oxígeno y asumiendo la misma presión para el azufre, cuál es la razón: pSO2/PSO3?
FASES CONDENSADAS EN LA FUSIÓN: MATA Básicamente es una solución de sulfuros de Cu y Fe presentes en proporciones muy variables, en la que se disuelven otros sulfuros metálicos (Co, Ni, Pb, Zn, etc) presentes originalmente en la alimentación
Se disuelven también seleniuros, telururos (de Cu y metales nobles), arseniuros, antimoniuros, sulfoarseniuros y sulfoantimoniuros de Cu La mata también puede tener hasta un 3% de oxígeno disuelto Para efectos prácticos se puede considerar que una mata líquida es una solución homogénea de Cu 2S y FeS
Análisis termodinámico de la mata se emplea el ternario Cu-Fe-S como la forma más simple para representar las matas comerciales de cobre, como muestra la porción cuasitrapezoidal Cu-Cu2S-FeS-Fe del diagrama Amplia laguna de inmiscibilidad en la fase líquida, la que nace en el cuasibinario Cu-Cu2S y se cierra en el punto crítico C a 1355ºC Se distinguen dos puntos invariantes, el E (eutéctico ternario FeS-FeγCu2S) y E’ (eutéctico ternario Cu -Cu2S-Feγ), y la línea invariante MM’ a 1077ºC (transformación monotéctica ternaria). La línea punteada representa la isoterma a 1200ºC
En el sistema Cu-Fe-S a las temperaturas y presiones de fusión (1200ºC y 1 atm) se vaporiza el azufre en exceso del pseudobinario Cu2S-FeS1.08 Las matas pueden existir sólo dentro de un intervalo estrecho de composiciones entre la región de inmiscibilidad y el pseudobinario Cu2S-FeS1.08
Las matas industriales contienen algo menos de azufre del necesario para formar el par Cu2S-FeS, es decir, las composiciones están hacia la izquierda de la línea de Alkemade Cu2S-FeS Esto es por las condiciones ligeramente oxidantes dentro de los hornos
FASES CONDENSADAS EN LA FUSIÓN: ESCORIA Las escorias se forman a partir de los óxidos presentes en la carga o en aquellos agregados y de los óxidos de hierro que se producen por la oxidación Las escorias obtenidas en la fusión de concentrados tienen composiciones que varían de una fundición a otra debido básicamente a: naturaleza de los minerales, naturaleza de los concentrados, naturaleza de los fundentes, condiciones de operación y otros factores diversos La composición de la escoria debe considerar que ésta debe ser: i) Inmiscible con la fase mata ii) De baja solubilidad para el Cu2S iii)Suficientemente fluida para reducir el arrastre de mata y eventualmente de concentrado Los óxidos fundamentales son FeO, Fe3O4, SiO2, CaO y Al2O3 Ocasionalmente aumentan los niveles de MgO y Cr O
Para el estudio de las escoria de fusión a mata el sistema de mayor importancia es el ternario Fe-Si-O. Más específicamente la sección dada por FeO-Fe2O3-SiO2 Al interior de la región ABCD indica el rango de composición en el cual las escorias se funden completamente a las temperaturas normales de fusión. Este campo liquido está rodeado por 4 regiones de saturación sólida La línea AD muestra la cantidad de SiO 2 que se necesita para saturar la escoria. Este factor es importante ya que la separación metal/escoria se logra en condiciones cercanas a la saturación con sílice La línea CD muestra la saturación con magnetita sólida la magnetita sólida será una fase en equilibrio cuando la PO2 exceda 10-9 (C) o 10-8
El diagrama FeO-Fe2O3-SiO2 real con distintas proyecciones isotérmicas e isobáricas La característica principal de este diagrama es que es un sistema condensado que depende de la presión parcial de oxígeno con la cual están en equilibro las fases condensadas, lo que se debe a la existencia de la cupla redox Fe2+/Fe3+
Se indica la composición típica de escorias de hornos de reverbero (A), flash (B) y Teniente (C) Dada la cercanía que representa la región líquidus de operación al compuesto 2FeO*SiO2 (fayalita), es que éstas escorias se denominan
Existen otros óxidos que también están presentes en las escorias CaO es un componente importante de las escorias de fusión, se agrega como fundente o como mineral de ganga
Fusión de concentrados con alto SiO 2 y CaO contar con al menos un 35% de FeO para formar escorias fundidas de una viscosidad adecuada
Otro sistema de interés en las escorias de fundición es el CaO-Al2O3-SiO2 La ganga de los concentrados son principalmente sílice y aluminosilicatos, mientras que el CaO viene de la ganga calcárea o es agregada como fundente
Si la escoria de la fusión de un concentrado no tiene óxidos de hierro en proporciones significativas, este diagrama puede representarla. Además, este diagrama tiene dos puntos eutécticos de interés
SEPARACIÓN MATA-ESCORIA La separación natural a alta temperatura entre fase metálica y fase escoria, puede alterarse ventajosamente con la incorporación de fundentes adecuados El FeS y el FeO son completamente miscibles en fase líquida como lo muestra el diagrama de fases A 1200ºC una mezcla de 50% FeS y 50% FeO mezcla líquida homogénea no existe una separación de fases Por lo tanto, las fases mata y escoria no pueden ser físicamente separadas
Al agregar SiO2 sólida, ésta se disuelve en la mezcla y la composición global del sistema se mueve en la dirección XYZ como muestra el diagrama de fases La adición de sílice por sobre un 5% resulta en la formación de 2 fases líquidas de diferente composición química Cuando la composición general de la mezcla es Y (44% FeO, 44% FeS y 12% SiO2) la composición de las dos fases líquidas en equilibrio son Y’’ (55% FeO, 19% FeS y 26% SiO2) e Y’
(33% FeO, 67% FeS y 1%SiO 2)
La laguna de inmiscibilidad presenta un amplio rango de existencia cuando el sistema está saturado en sílice
El sistema que importa es el Cu 2S-FeS-FeO-SiO2, en el cual se observa el mismo fenómeno de la separación de fases por la presencia de SiO2
La separación metal/escoria es mucho mejor que en el sistema FeS-FeO.SiO2 Cuando el sistema contiene Cu 2S: i) Hay menos FeO en la mata ii) Existe menos FeS en la escoria iii)El Cu2S se concentra casi completamente en la mata
BALANCE DE MATERIALES EN LA FUSIÓN A MATA La fusión a mata es una operación de concentración sin reacciones en que: - El Cu pasa a la mata (prácticamente en su totalidad) como Cu2S - El Fe se reparte entre la mata (FeS) y la escoria (FeO y Fe3O4) La forma más simple de efectuar un balance es:
- Repartición del Fe: A la mata y suficiente Fe para satisfacer el S de la mata como FeS, el resto va a la escoria - Para calcular el S de la mata debe conocerse el %S en la carga que se oxida. Este valor oscila entre 20 y 40% siendo usual un 25%
Ejemplo: Se funde un concentrado que tiene 36% Cu, 27% S, 27% Fe y 10% SiO2 1) Cuál será la ley del eje si un 25% del S de la carga se funde? 2) Cuál será el peso del azufre en el eje y de la escoria producidos por tonelada de concentrado si la escoria tiene un 42% FeO? 3) Cuánto fundente (CaO) debe agregarse y cuál es su % en la escoria?
