UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERIAS CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA DE MINAS CICLO: VI DOCENTE: ING.RICHARD SANZ FERNANDEZ CURSO: METALURGIA METALURGIA EXTRACTIV EXTRACTI VA TEMA: DIAGRAMA DE KELLOGG DE HIERRO-OXIGENO- AZUFRE ALUMNO: ANTONY EDWAR CCALLATA CCALLATA CASANI CA SANI YERSIN JEFFERSON JEFFERSON SOTO MAMANI JASON MEDINA MEDINA HUAMACHUCO HUAMACHUCO TURNO: MAÑANA AULA: !"A
ARE#UIPA $ PERÚ %!&'
I()*+,/0( 1
Los procesos piro metalúrgicos son los métodos más antiguos y de aplicación más frecuentes de extracción y puricación de metales. Los metales más comunes que se tratan por estos métodos incluyen cobre, níquel, plomo cobalto !on los procesos que utili"an una combinación de tostación, fusión, con#ersión renación a fuego, renación electrolítica y renación química. La tostación, que es el primer proceso, se emplea para cambiar los compuestos metálicos a formas de tratamiento más fácil por las operaciones que siguen, así como también para remo#er algunas algunas impure"as #olátiles #olátiles en la corriente corriente de gas. $ediante la fusión y la con#ersión se funden los compuestos metálicos y se forman nue#os compuestos en estado líquido, los cuales se separan en capas de #alores metálicos pesados y escoria más ligera que se forman con la roca de desec%o. Los #alores metálicos, a los que se les %a separado la mayor parte de las impure"as iniciales, se purican después por procesos de renación electrolítica o química &l comp compor orta tami mien ento to físi físico' co'qu quím ímic ico o de los los sist sistem emas as ($')'! ($')'!** metal metal'' oxígeno'a"ufre, es de muc%a importancia para la comprensión de los procesos de+
TOSTACI1N
FUSI1N REDUCTORA MATIFICACI1N
•
•
•
)xidación de sulfuros.
educción del óxido de %ierro -e ) parcialmente en estado lí uido. -ormación de me"clas fundidas de sulfuros.
Í(,/2 1. /ítulo+ .........................................................................................................0 . )beti#os.....................................................................................................0 .1. )beti#o general............................................................................0 .. )beti#os especícos.....................................................................0 2. 3roblema.....................................................................................................0 0. 4ipótesis...................................................................................................... 0 5. marco teórico..............................................................................................5 5.1. /ostación de sulfuros.....................................................................5 5.. termodinámica de la tostación......................................................6 5.2. regla de las bases de gibbs...........................................................6 5.0. /ermodinámica de la tostación......................................................7 5.5. diagramas de estabilidad..............................................................7 5.5.1. tipos de diagrama de estabilidad............................................7 5.6. diagramas de 8ellogg....................................................................9 5.7. :cómo se construye el diagrama de ;ellogg<................................= 5.9. aspectos generales del diagrama de 8ellogg..............................11 5.1>. sistema -e ? ! ? ).....................................................................1 5.1>.1. Línea de equilibrio -e'-e2)0..................................................12 5.1>.. Línea de equilibrio -e ? -e!...................................................16
2
1. T3)4+: diagrama de 8ellogg sistema %ierro'oxigeno'a"ufre %. O562)/7+8 %.&. O562)/7+ 92(2*4 @n#estigar el diagrama de 8ellogg del sistema -e')'! %.%. O562)/7+8 28;23<+8 Aonocer concepto de tostación, termodinámica de tostación y regla de las bases de gibbs . Aonocer diagrama de estabilidad. Bescribir el diagrama 8ellogg. Aonocer el sistema -e')'!. =. P*+542> -alta de conocimiento del tema diagrama de 8ellogg del sistema -e')'! . H/;0)28/8 !i %ay una mayor in#estigación en este tema entonces probablemente exista mayor difusión de este tema entre los alumnos del C@ ciclo de la carrera profesional de ingenierías e minas de la uni#ersidad tecnológica del 3erú.
". >*+ )20*/+ ".&. T+8)/0( ,2 84?*+8 T+8)/0(
&s la oxidación de los sulfuros metálicos para producir óxidos metálicos y bióxido de a"ufre. 0
MS B =% O% MO B SO%
Dxidos compleos En-e)
-ormación de !)2 )tras eacciones
!ulfatos $etálicos
M2(8 )3;/8 @2 82 )28)(
SULFUROS
.CORE .ZINC . PLOMO
".%. )2*>+,/(>/ ,2 4 )+8)/0(
Las condiciones necesarias para la formación de distintos productos de tostación pueden ilustrarse mediante las relaciones de equilibrio que existen en un sistema que contiene los siguientes 2 componentes+ 5
METAL
OXÍGENO
AZUFRE
!e tienen 2 componentes y, de acuerdo con la regla de las fases, se puede obtener un máximo de 5 fases+ ?828 +(,2(8,8 & ?82 982+8
".=. *294 ,2 48 5828 ,2 9/558 PBFCB%
3
FAG?-
3 F = G ? F #alor*
F ! (mínimo
2 componentes >2)4 +/92(+ ?*2 D+(,2: P número de fases presentes en el equilibrio. C número de componentes del sistema. F número de grados de libertad del sistema 7*/5428: ;*28/0( )2>;2*)* +>;+8//0(.
&l número % en la regla corresponde a las #ariables de temperatura T y presión P. ".. T2*>+,/(>/ ,2 4 )+8)/0( La fase gaseosa contiene normalmente !) y ), aunque
!)2 y aun ! pueden encontrarse presentes. &ntre estos componentes gaseosos existen los siguientes equilibrios+ 6
• •
! G ) F !) !) G ) F !)2
3ara una temperatura dada, la composición de la me"cla gaseosa está denida por la presión parcial de cualquiera de los dos componentes gaseosos. 3ara composición constante de gas, la composición de las fases condensadas esta a. Hsí las relaciones de fase en el sistema ternario a temperatura constante pueden describirse por medio de un diagrama bidimensional en donde las coordenadas
son
las
presiones
parciales
de
los
componentes gaseosos. &stos son denominados diagramas de KELLOGG.
".". ,/9*>8 ,2 28)5/4/,,
Los diagramas de estabilidad se usan para+ • •
3redecir reacciones posibles en sistemas metalúrgicos Aonocer los factores que rigen las reacciones como la temperatura y reacciones parciales.
".".&. )/;+8 ,2 ,/9*> ,2 28)5/4/,,
4ay innumerables diagramas de estabilidad. &emplos+
/&$3&H/H #s J 3&!) L)I 3 so #s L)I 3 o A)KA) #s J /&$3&H/H L)I 3i #s J 1K/&$3&H/H
7
".'. ,/9*>8 ,2 K244+99
Los diagramas de estabilidad
de los sistemas $')'!,
llamados también diagramas de predominancia de áreas, muestra "onas o áreas denidas, dentro de las cuales es predominante, es decir estable, cierta especie, en función de presiones parciales y temperatura, estos diagramas tienen particular importancia en metalurgia extracti#a, porque conociéndoles, se puede llegar a establecer el proceso a seguirse en cierto tipo de concentrado.
F/9* &. D/9*> ,2 K244+99 •
Las áreas predominantes, en función
de presiones y
temperatura, darán pautas para determinar si el proceso 9
con#eniente será una tostación+ sulfatante, oxidante, tostación ? reducción, etc., o una reducción directa, o reducción pre#ia oxidación de sulfuros, o tostación seguida de lixi#iación, etc. •
Las líneas muestran los equilibrios bi#ariantes y los puntos muestran equilibrios uni#ariantes (equilibrios entres 2 fases*.
".. 0>+ 82 +(8)*2 24 ,/9*> ,2 244+99 a. !e identica cada una de las reacciones. • •
$e! G 2 ) F $e) G !) $e! G !) G ) F $e!)0
b. !e obtienen las constantes de equilibrio con la siguiente ecuación+ •
I/ M F '/ Ln (;*
c. /eniendo la constante 8, las reempla"amos en la ecuación de constante de equilibrio+
d. Luego aplicamos logaritmos a ambos lados de la igualdad y despeamos log 3 !).
=
e. Bespués gracamos log (3 !)* #s log (3 )*
F/9* %. L+9 P SO % 78 4+9 P O% +( 28)2 ;*+2,/>/2()+ 7>+8 +5)2(2* 48 43(28 ,2 28)5/4/,, )2*>+,/(>/ 829Q( 4 *2/0( 8242/+(,.N ".. 8;2)+8 92(2*428 ,24 ,/9*> ,2 K244+99 3ara una estequiometria de reacción dada, la forma de la
expresión de equilibrio es la misma para todos los metales, solo los #alores de las constantes de equilibrio 8, son distintos de metal a metal.
Las líneas que se obtienen representan el límite de estabilidad termodinámico. 1>
&l área que queda entre las líneas se #a a llamar área de
predominancia o de estabilidad de fase en particular. ".. 8;2)+8 />;+*)()28 2( 4 )+8)/0( Auando la tostación se efectúa en aire, la suma de las presiones parciales de !) y ) es alrededor de >. atm.
La temperatura
de formación de sulfato diere
considerablemente
de
metal
a
metal.
La
mayor
temperatura de tostación se alcan"a en el caso del plomo y el "inc y menores temperaturas en caso del cobre y níquel.
Burante la tostación de menas de sulfuros compleas pueden ocurrir otras reacciones.
Los óxidos producidos pueden reaccionar entre si dando óxidos compleos.
".&!.8/8)2> F2 $ S $ O
La construcción de estos diagramas es fácil siempre que se cuente con los datos necesarios. &stos datos se obtienen de las tablas, principalmente de las de formación de compuestos a partir de sus componentes puros y asociando estos datos con los de p so y p o. !e tiene el sistema -e ' ! ? ) a una temperatura de 7>>8 en función de 3 so y 3 o y se indican las "onas de estabilidad, a esta temperatura toda#ía no existe la fase -e ). !e mostrara la obtención de algunas rectas para este sistema.
11
F/9* =.8/8)2> F2-O-S ".&!.&. L3(2 ,2 2@/4/5*/+ F2-F2=O
1. Benimos la reacción química que representa el equilibrio+
. Oo %ay presencia de !) en la reacción, por lo tanto la línea será independiente del Log 3!) y dependerá solo de la presión de oxígeno a la temperatura dada. &sto %ace que la línea sea paralela al ee del cual no depende es decir Log 3 !) (Línea #ertical cuyo máximo punto será el punto uni#ariante equilibrio -e ? -e 2 )0 ? -e !*.
1
F/9* . E@/4/5*/+ F2-F2=O
2. !e determina la constante de equilibrio para la reacción. 3ara el cálculo de este diagrama se asume que se trata de metales, óxidos, sulfuros, sulfatos, etc. La constante de equilibrio a presión constante 8 para la reacción dada será.
0. Beterminación del #alor de la constante de equilibrio mediante la relación de la energía libre+ 12
I F '/ Ln (8* 3ara la formación de -e2 )0 la energía libre es+ I F '11>>> G 2>7,0 P / F '/ Ln (8* /omando / F 7> 8 se tiene+ Ln (8* F 15,01
8
¿ 1,55∗10
66
5. Beterminación de recta+ Bel paso 2 se obtiene la ecuación+ log PO 2=
−1
2
log k
66
1,55∗10 ¿
log PO 2=
−1
log PO 2=¿
2
log ¿
*
' 22,>=
!e puede obser#ar el #alor de la línea de equilibrio -e ? -e 2 )0 que corta el ee log 3) F '22,>=.
10
F/9* ". L3(2 ,2 2@/4/5*/+ F2 $ F2 = O ".&!.%.
L3(2 ,2 2@/4/5*/+ F2 $ F2S.
1. eacción química que representa el equilibrio -e! G ) F -e G !) . &n este caso el equilibrio dependerá tanto de !) como de ) y será una línea oblicua, que nali"a en el punto mono#ariante -e ? -e! ' -e2 )0.
15
F/9* '. L3(2 ,2 2@/4/5*/+ F2 $ F2S.
2. Aonstante de &quilibrio+ La constante de equilibrio a presión constante, 8 para la reacción dada será+ K =
PSO 2 PO 2
log K = log PSO 2 −log PO 2
0. Aonstante de equilibrio mediante la energía libre+ I F ' / Ln ( 8* 3ara @a formación de -e! @a energía libre es+ I F Q15>>> G 5,55 P / 3ara @a formación de !) @a energía libre es+ 16
I F Q2617>> G 76,69 P / Hsí se obtiene @H energía total para @a reacción inicial+ I F Q115>> G 0,12 P / F Q/Ln(8* /omando /+ 7>> 8 se tiene+ Ln(8* F 22,0 8 F 2,22 P
14
10
5. Beterminación de recta+ Bel paso 2 se obtiene la ecuación+ log3!) F Log 3) G log8 log 3!) F log 3) G log(2,22 P
10
14
*
log 3!) F log 3) G 10,5 Hplicando #alores al logaritmo de la presión del oxígeno se construye la trayectoria de la recta en el diagrama y la respecti#a delimitación de las "onas. a. !e log 3) F '22,>= Log 3!) F '22,>= G 10,5 F '19,57 b. !ea log 3) F '5> Log 3!) F '5> G 10,5 F '25,5
Los puntos anali"ados anteriormente constituyen los extremos de la línea de equilibrio -e ? -e2 )0.
17
F/9* . E@/4/5*/+ F2 $ F2= O.
F/9* . S/8)2> F2-O-S
19
C+(48/+(28
!e concluye que el comportamiento físico'químico de los sistemas($')'!*$etal
?
)xígeno
?
H"ufre,
es
de
muc%a
importancia para la comprensión de los procesos de tostación, oxidación de sulfuros -usión ,educción del óxido de %ierro -e) parcialmente en estado reductora líquido y formación de me"clas fundidas $aticación de sulfuros de metales con algunos óxidos.
se concluye que la tostación puede efectuarse en #arios tipos de %ornos, durante los últimos aRos el más usado es el %orno de lec%oSuidi"ado.
!e concluye que los diagramas de estabilidad se usan para+ predecir reacciones posibles en sistemas metalúrgicos por eemplo la temperatura, las presiones y las reacciones parciales
!e concluye que el diagrama de 8ellogg es una %erramienta de gran ayuda para controlar @as reacciones que ocurren durante @a tostación, indicándonos @a estabilidad termodinámica que %ay en ellas, y pudiendo a su #e" predecir el producto que se #a a obtener con @as condiciones de presión existentes durante el proceso.
La línea de equilibrio de un diagrama de 8ellogg será #ertical cuando en @a reacción solo exista oxígeno. Bic%a línea será %ori"ontal cuando en @a reacción solo exista dióxido de a"ufre. La línea presentará pendiente en el caso donde existan ambos gases.
1=
R2+>2(,/+(28
!e recomienda in#estigar más sobre este tema de diagrama de 8ellogg del sistema -e')'! ya que es de suma importancia de conocer sobre todo las reacciones que ocurren durante la
tostación. !e recomienda al ing. ic%ard !an" -ernánde" de dear más temas de in#estigación relacionado con el curso de metalurgia extracti#a ya que es de suma importación conocer los diferentes
temas ya que aplicaremos cuando terminemos la carrera de ingeniería de minas. !e recomienda %acer pruebas de laboratorio para comprender meor el tema in#estigado.
>
/54/+9*?3
Biagrama de 8ellogg, recuperado de+ %ttp+KKes.slides%are.netKcostafroKdiagramas'de';ellogg'diagramas' de'predominancia.
/ostación, operaciones de preparación de carga, recuperado de + %ttp+KKdocentes.uto.edu.boKc#elasco%KTp'contentKuploadsK/ostaci JA2JU2nV1.pdf
$HLB)OHB) A&DO, Luis Hlfonso. -undamentos de los procesos piro metalúrgicos. Uucaramanga+ @!, 1=95.
)!&OWC@!/, /er;el. -undamentos de metalurgia extracti#a. $éxico+ Limusa, 1=97. 560p.
X)--&, Xuan. /ermodinámica metalúrgica. ni#ersidad Hutónoma de !an Luis 3otosí, 1==2. IH!8&LL, Ba#id. @ntroduction to metallurgical t%ermodynamics. Yas%ington+ !cripta publis%ing, 1=72. 5>p.
A)B@&, Lucien. Y@L8&$@!8Z, @gor. -undamentos de los procesos metalúrgicos. A%ile+ ni#ersidad de concepción, 1=71. 526p.
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