Diagramas de estabilidad o predominancia (Kellog)
El comportamiento físico-químico de los sistemas(M-O-S): Metal – Oxígeno – Azufre, es de mucha importancia para la comprensión de los procesos de: Tostación • Oxidación de sulfuros Fusión • Reducción del óxido de hierro FeO parcialmente en estado reductora líquido • Formación de mezclas fundidas Matificación de sulfuros de metales con algunos óxidos. TOSTACIÓN Es la oxidación de los sulfuros metálicos para producir óxidos metálicos y bióxido de azufre. MS + 3/2 O2 MO + SO2 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 tres componentes: METAL OXIGENO AZUFRE M-O-S. Se tienen 3 componentes y, de acuerdo con la regla delas fases, se puede obtener un Máximo de 5 fases (con F=0):4 fases condensadas y 1 fase gaseosa.
Diagramas de estabilidad o predominancia (Kellog)
P + F=C+2; P =C+2 –F; P =3+2 –F; F = 0 mínimo valor para 3 componentes: metal, oxigeno, azufre. Donde: P = número de fases presentes en el equilibrio C = número de componentes del sistema F = número de grados de libertad del sistema (variables: presión, temperatura, composición). El número 2 en la regla corresponde a las variables de temperatura T y presión P. La fase gaseosa contiene normalmente SO2 y O2, aunque SO3 y aún S2 pueden encontrarse presentes. Entre estos componentes gaseosos existen los siguientes equilibrios: S2 + 2O2 = 2SO2 2SO2 + O2 = 2SO3 Para una temperatura dada, la composición de la mezcla gaseosa está definida por la presión parcial de cualquiera de los dos componentes gaseosos. Para composición constante de gas, la composición de las fases condensadas está fija.
Diagramas de estabilidad o predominancia (Kellog)
Así, 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 dos componentes gaseosos. Estos son denominados diagramas de Kellogg. Los diagramas de estabilidad se usan para: PREDECIR REACCIONES POSIBLES EN SISTEMAS METALÚRGICOS Hay innumerables diagramas de estabilidad. Ejemplos: Temperatura Vs. % Peso; Log PSO2 Vs. Log PO2; PCO2 / CO Vs. Temperatura; Log Pi Vs. 1/Temperatura. Los diagramas de estabilidad de los sistemas M –O – S, llamados también diag ram as d e p redo m inan cia d e áreas , muestra zonas o áreas definidas, 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 extractiva, porque conociéndoles, se puede llegar a establecer el proceso a seguirse en cierto tipo de concentrado.
Diagramas de estabilidad o predominancia (Kellog)
Las áreas predominantes, en función de presiones y temperatura, darán pautas para determinar si el proceso conveniente será una tostación: sulfatante, oxidante, tostación – reducción, etc., o una reducción directa, o reducción previa oxidación de sulfuros, o tostación seguida de lixiviación, etc. Las líneas muestran los equilibrios bivariantes y los puntos muestran equilibrios univariantes (equilibrios entre tres fases). Se identifica cada una de las reacciones: 2MeS + 3O2 → 2MeO + 2SO2 2MeS + 2SO2 + 2O2 → 2MeSO4 Se obtienen las constantes de equilibrio con la siguiente ecuación: ΔGT ° = -RT LN (k) Teniendo la constante K, las reemplazamos en la ecuación de constante de equilibrio: luego aplicamos logaritmos a ambos lados de la igualdad y despejamos log Pso: log Pso2 = 1/2Log K + 3/2Log Po2
Diagramas de estabilidad o predominancia (Kellog)
Después graficamos log (Pso 2) vs. log(Po 2) “Con este procedimiento vamos a obtener las líneas de estabilidad termodinámica, según la reacción seleccionada. ” Para una estequiometria de reacción dada, la forma de la expresión de equilibrio es la misma para todos los metales, solo los valores de las constantes de equilibrio K, son distintos de metal a metal. Las líneas que se obtienen representan el limite de estabilidad termodinámico. El área que queda entre las líneas se va a llamar área de predominancia o de estabilidad de fase en particular. Cuando la tostación se efectúa en aire, la suma de las presiones parciales de SO2 y O2 es alrededor de 0.2 atm. La temperatura de formación de sulfato difiere considerablemente de metal a metal. La mayor temperatura de tostación se alcanza en el caso del plomo y el zinc y menores temperaturas en caso del cobre y níquel. Durante la tostación de menas de sulfuros complejas pueden ocurrir otras reacciones. Los óxidos producidos pueden reaccionar entre si
Diagramas de estabilidad o predominancia (Kellog)
El diagrama de Kellogg es una herramienta de gran ayuda para controlar las reacciones que ocurren durante la tostación, indicándonos la estabilidad termodinámica que hay en ellas, y pudiendo a su vez predecir el producto que se va a obtener con las condiciones de presión existentes durante el proceso. Existe un diagrama representativo para cada temperatura. La línea de equilibrio de un diagrama de Kellogg será vertical cuando en la reacción solo exista oxígeno. Dicha línea será horizontal cuando en la reacción solo exista dióxido de azufre. La línea presentará pendiente en el caso donde existan ambos gases. La determinación de la zona que ocupa uno de los componentes del equilibrio se hace conociendo el equilibrio de uno de los componentes en otras reacciones y su distribución en el sistema.
