PIROMETALURGIA Ing. Juan Vega Dpto. Minas y Metalúrgica
INTRODUCCION •
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El proceso de alta temperatura es usado en producción de metales y materiales. Raz Razones ones:: estabil abilid idad ad rela elativ tiva de los los metales ales,, Reacciones químicas a mayor velocidad y sep separac aració ión n de fases ases.. Proc Proces esos os entr entree 300 – 2000 °C. Aplicado a metales(Pb, Cu, Zn, Au), materiale materiales(se s(secado cado(v (vapor), apor), CaCO3 (descomp (descomposici osición) ón))
INTRODUCCION •
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El proceso de alta temperatura es usado en producción de metales y materiales. Raz Razones ones:: estabil abilid idad ad rela elativ tiva de los los metales ales,, Reacciones químicas a mayor velocidad y sep separac aració ión n de fases ases.. Proc Proces esos os entr entree 300 – 2000 °C. Aplicado a metales(Pb, Cu, Zn, Au), materiale materiales(se s(secado cado(v (vapor), apor), CaCO3 (descomp (descomposici osición) ón))
METALURGIA MET ALURGIA EXTR EXTRACTIVA ACTIVA DEFINICIÓN Es la ciencia y tecnología aplicada a la obtención de metales puros a partir de minerales y/o concentrados, empleando las ope operacio ciones nes y pro proceso cesoss unit unitar ario ioss met etal alú úrgico icos adecuados.
DIVISIÓN:
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Procesamiento de minerales Pirometalurgia Hidrometalurgia Electrometalurgia.
DIVISION DE LA METALURGIA EXTRACTIVA
MATERIAS PRIMAS •
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Elementos nativos : Au, Ag, Cu (no son puros). Óxidos : Fe (magnetita, hematita, etc.) Hidróxidos : Al (bauxita), Fe (limonita). Carbonatos : Fe (siderita), Mg (dolomita). Silicatos : Si (cuarzo), Cu (crisocola). Sulfuros : Cu(calcopirita), Zn(esfalerita), Pb(galena). Contienen: Fe(pirita), As, Sb, Se, Ni, Te, Au, Ag, Pt, Mo, In, Cd, Bi. Haluros : Na (halita), Mg (cloruro de magnesio).
FUSION DEFINICIÓN: Proceso por el cual se funden minerales y/o concentrados previamente tostados o calcinados, con el objeto de obtener MATAS (sulfuros), METALES IMPUROS, SPEISS (arseniuros y antimoniuros de metales pesados, etc). La fusión debe realizarse a temperaturas económicamente asequibles y en la presencia de ciertas sustancias denominadas FUNDENTES. TIPOS: Fusión de matas, fusión reductora.
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Hornos usados: H. de reverbero H. de fusión flash o instantánea H. de cuba H. eléctrico.
FUNDENTES
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Sustancias que se añaden al lecho de fusión de un horno para disminuir el punto de fusión de la carga total y formar un tipo de escoria apropiada con alta fluidez. Ejemplo: CaCO3, Al2O3, MgO, P2O5, SiO2, CaO, etc.
ESCORIAS DEFINICIÓN: Son compuestos complejos que resultan de la combinación de la sílice (SiO2) con otros óxidos, cuya fórmula global es: MeO-SiO2.
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FUNCIONES: Absorber todo material no beneficiable (ganga). Proveer de oxígeno al baño del horno para la formación de los silicatos correspondientes. Sirve como capa protectora para evitar que las matas, metal impuro, etc. se oxiden o contaminen con los gases de la atmósfera interior del horno. Evitar el sobrecalentamiento.
ÓXIDOS FORMADORES DE ESCORIA: – •
Son los que en fusión se disocian produciendo iones oxígeno (O2-). Ejemplo: CaO, MgO, FeO, PbO, Cu2O, BaO, Na2O, etc. (CaO) = (Ca2+) + (O2-). –
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Óxidos ácidos:
Son los que en fusión absorben o consumen los iones oxígeno (O2-) producidos por los óxidos básicos. Ejemplo: SiO2, P2O5, etc. (SiO2) + 2(O2-) = (SiO44-) –
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Óxidos básicos:
Óxidos anfotéricos:
Son los que en fusión se comportan como bases en presencia de un ácido o como ácidos en presencia de una base. Ejemplo: Al2O3, Fe2O3, Cr2O3, etc. (Al2O3) = 2(Al3+) + 3(O2-) como básico (en escoria ácida) (Al2O3) + (O2-) = (Al2O42-) como ácido (en escoria básica)
ÍNDICE DE BASICIDAD DE UNA ESCORIA:
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Donde: Si B = 1 Si B >1 Si B < 1 –
Escoria neutra. Escoria básica. Escoria ácida.
Los coeficientes en la fórmula anterior, es el número de moléculas de óxido básico para neutralizar una molécula de óxido ácido.
CONSTITUCIÓN DE LAS ESCORIAS: •
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Las escorias tienen una constitución muy compleja, sin embargo se pueden representar en un diagrama triangular (equilátero): Ejemplo: Representar la escoria de reverbero que tiene la siguiente composición en peso: 40% CaO, 30% FeOy 30% SiO2
SiO2
40 % CaO
30 % SiO2
CaO
FeO
30 % FeO
Ó Al 2O3(alto horno)
FLOWSHEET GENERAL PARA EL TRATAMIENTO DE SULFUROS Y/O OXIDOS No son muy tratables
SULFUROS, (MeS)
Sí Sí
LIXIVIACION atmosf érica a presión bacteriana
OXIDO (S)
TOSTACIÓ N
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OXIDO (S) + SULFURO (S)
FUSIÓ N DE MATAS
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METAL
PURIFICACION
ELECTROLISIS SALES FUNDIDAS
REDUCCION Y FUSION carbot érmica metalotérmica •
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ELECTROLISIS
REFINACIÓ N
CONVERSION
PIROMETALURGIA •
DEFINICIÓN: Estudia a los Procesos Pirometalúrgicos, es decir los que ocurren a temperaturas elevadas en hornos metalúrgicos y el calor necesario para su realización, se obtiene de la quema de combustibles (carbón, petróleo, gas, etc) o de otras reacciones exotérmicas.
PIROMETALURGIA • •
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VENTAJAS: Cinética rápida Normalmente las fases obtenidas son líquidas y esto permite una fácil separación. Permite tratar grandes tonelajes en una zona muy reducida. DESVENTAJAS: Altos costos de energía Altos riesgos de contaminación ambiental Difícil de controlar.
TIPOS DE REACTORES EN PROCESOS PIROMETALÚRGICOS GAS – SOLIDO: TOSTACIÓN, REDUCCION. GAS – LIQUIDO: SOPLADO, DESTILACION. LIQUIDO – LIQUIDO: REACCIONES ESCORIA-METAL. SOLIDO – LIQUIDO: LIXIVIACIÓN, PRECIPITACION.
TOSTACIÓN •
DEFINICIÓN: Es la oxidación de los sulfuros metálicos sometiéndolos a la acción del aire u otra atmósfera controlada para producir óxidos metálicos y dióxido de azufre.
Ejemplo: 2ZnS + 3 O2 = 2ZnO + 2SO2 4FeS2 + 11 O2 = 2Fe2O3 + 8SO2 La tostación se efectúa: T> 500°C : Para que la velocidad de las reacciones sea elevada. T< 1000°C : Para que los sulfuros y óxidos que intervienen, no fundan.
Cinética de la tostación Los posibles pasos controlantes de un proceso de tostación son: 1. Difusión del reactante gaseoso (O 2) a través de la capa de productos sólidos. 2. Adsorción de O2 sobre la superficie del sólido en la interfase de reacción. 3.
Reacción química en la interfase gas/sólido.
4. Desorción del producto gaseoso (SO2) a través de la capa de producto sólido
Cinética de la tostación O2
SO2
TIPOS DE TOSTACION: •
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TOSTACIÓN OXIDANTE PARCIAL: Cuando los sulfuros son oxidados parcialmente, obteniendo una mezcla de óxidos y sulfuros que se utilizarán después en una etapa de fusión. TOSTACIÓN OXIDANTE TOTAL: Consiste en la insuflación excesiva de aire, en cantidades muy por encima del teórico requerido por las reacciones, con el objeto de que cada partícula entre en contacto con el oxígeno del aire y todos los sulfuros se conviertan a óxidos.
Tostador de lecho fluidizado
TOSTACIÓN POR SINTERIZACIÓN: •
Proceso cuyo objetivo es oxidar sulfuros y obtener bloques aglomerados, porosos y duros llamados SINTER, destinados a ser fundidos dentro de un horno de cuba, en el cual el material fino obstruiría el paso del gas.
La aglomeración es causada por la formación de fases fundidas, como los silicatos de hierro de bajo punto de fusión.
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Reacciones químicas de la tostación por sinterización de concentrados de plomo: –
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2PbS + 3O2 = 2PbO + 2SO2 2FeO + SiO2 = 2FeO.SiO2 = Fe2SiO4, bajo punto de fusión.
Mezcla alimentada: Concentrado de plomo Fundentes Polvo de coque: 5 % Agua: 5 – 10 %.
Características de un aglomerado:
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Uniformidad y tamaño Resistencia y dureza Contenido de metal Composición química
SINTERIZACION DWIGHT- LLOYD (Reactor de parrilla móvil)
TERMODINÁMICA DE LA TOSTACIÓN: La termodinámica de la tostación de sulfuros puede describirse mediante las relaciones de equilibrio que existen en un sistema ternario Me-S-O a temperatura constante y representarse por medio de un diagrama bidimensional llamado DIAGRAMA DE KELLOG, en donde las dos coordenadas son las presiones parciales del SO2 y O2.
Los diagramas de Kellog, llamados también “Diagramas de predominancia de áreas”, muestran zonas o áreas definidas, dentro de las cuales es predominante, es decir estable, cierta especie, en función de presiones parciales y temperatura.
Las líneas que describen el equilibrio entre dos fases condensadas en sus estados estándar, están dadas por reacciones como: • • • • • • •
S2 + 2 O2 = 2SO2 2SO2 + O2 = 2SO3 MeS + O2 = Me + SO2 2Me + O2 = 2MeO 2MeS + 3 O2 = 2MeO + 2SO2 2MeO + 2SO2 + O2 = 2MeSO4 MeS + 2 O2 = MeSO4
El análisis termodinámico en el equilibrio:
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Recta:
Donde:
DIAGRAMA DE KELLOG DEL SISTEMA Zn-S-O A 800 Y 1200ºK
SECADO Consiste en calentar los minerales y concentrados a una temperatura que permita eliminar el agua que acompaña a los materiales en forma de humedad. Teóricamente se analiza la reacción:
Donde: Presión parcial de equilibrio del vapor de agua. Presión parcial del vapor de agua en la atm ósfera del horno de secado.
Si, Si, Si,
En la práctica se aumenta la temperatura para secar
Secado Eliminación del evaporación.
agua
contenida
en
sustancias
por
La presión de vapor de agua debe ser mayor que la presión parcial del agua en la atmósfera circundante
Es un proceso endotérmico.
Se
hacen pasar gases calientes a través o por encima de la sustancia Hornos utilizados el el proceso son el horno rotatorio o bien en hornos de lecho fluidizado.
Horno rotatorio de secado
CALCINACIÓN •
La calcinación o tostación de descomposición, consiste en la eliminación de los gases químicamente combinados. Se aplica para la descomposición de carbonatos, sulfatos, hidróxidos, etc.
EQUIPO: HORNOS ROTATORIOS (para material fino). HORNOS DE CUBA (para material grueso o terrones). HORNOS DE LECHO FLUIDO.
