Universidad Católica del Norte Facultad de Ingeniería y Ciencias Geológicas Departamento de Ingeniería Metalúrgica y Minas
FUSIÓN DE CONCENTRADO DE COBRE Autores Ignacio Castillo López Kevin Collao Núñez
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Carrera Ingeniería Civil de Minas
I.
Resumen
En esta experiencia se realiza la fusión de un concentrado de cobre seco depositado contenido en un crisol en un horno a una temperatura de 1200°C, donde recibe aire enriquecido en oxígeno de manera directa. Una vez terminada la etapa de fusión del concentrado de cobre, se espera que enfríe y con esto se produzca la solidificación de las capas formadas mata y escoria una por encima de otra por diferencia en sus densidades, luego se procede a romper el crisol y se analizan e identifican los minerales presentes en cada una mediante la utilización de una lupa. Por otra parte, se analizan las reacciones químicas que se llevan a cabo en este proceso, para con ello poder obtener los moles y masas de oxígeno (O 2) y sílice (SiO2) para que la reacción pueda ocurrir, además de poder estimar los excesos de SiO 2 que puedan incurrir en las demás reacciones estudiadas. Con los resultados obtenidos se puede concluir que,
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II.
Introducción
El proceso de fusión es una de las etapas que constituye el tratamiento pirometalúrgico al cual son sometidos los minerales sulfurados de cobre para la recuperación del metal rojo. El objetivo de la fusión es crear dos fases inmiscibles: una pesada, que contiene la mayoría de los sulfuros, conocida como eje o mata (Cu 2S-FeS) y una fase oxidada y ferrosa denominada escoria. Esta separación se realiza a través de un cambio físico desde un estado sólido, el concentrado, a uno líquido, fusión realizada mediante la exposición a altas temperaturas (1.200°C) potenciadas por la inyección de aire enriquecido con oxígeno y la adición de sílice. Actualmente, con el avance tecnológico ha sido posible obtener mayores leyes de mata, llegando a leyes de un 65-70% de cobre, todo esto gracias al aprovechamiento de la temperatura generada por la descomposición pirítica mediante la utilización de hornos continuos como el Flash, Convertidor Noranda y Convertidor Teniente. [Mena, 2017]
Objetivos
Visualizar la formación de las fases de fases mata y escoria en el proceso de fusión de concentrado de cobre. Analizar el fundamento teórico de las reacciones químicas que ocurren dentro del horno en el proceso de fusión. Comparar el procedimiento realizado en el laboratorio con lo que ocurre realmente en la industria en una planta a escala industrial de fundición de cobre.
III.
Desarrollo experimental
Procedimiento
Se prepara una muestra de concentrado de cobre en un crisol cerámico con las siguientes proporciones: 80 (g) de concentrado y un 40 % de sílice. Una vez realizado el paso anterior se ingresa al horno donde es sometido a una temperatura de 1200°C y a un flujo directo de aire enriquecido con oxígeno, donde debe permanecer durante 180 minutos. Transcurrido ese tiempo, se debe esperar a que la muestra enfríe por un período de 24 horas y se retira al día siguiente, donde se posiciona sobre ladrillos refractarios, y una vez que esté totalmente fría se procede a romper el crisol para examinar a través de una lupa la formación y composición de las capas de mata y escoria.
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IV.
Resultados y discusiones
Fortalezas: Al disponder de un agitador mecánico el proceso de lixiviación se puede llevar a cabo de manera más eficiente.
Debilidades: Al ser una experiencia de manipulación y “tanteo”, tiende a incurrirse en errores humanos, los cuales pueden repercutir de manera significativa en los resultados.
Tabla N°1 Porcentaje pérdida de peso en el proceso de fusión. Crisol
Masa Concentrado (g)
% SiO2
W0 (g)
Wf (g)
1
80,000
40,000
98,000
86,710
11,290
11,520
2
80,000
20,000
84,000
68,710
15,290
18,202
80,000 5,000 73,500 62,500 11,000 Para los cálculos de los porcentajes de pérdida de peso ver apéndice.
14,966
3
∆
W
%W
Tabla N°2 Masas y n° de moles requeridos y en exceso presentes en la fusión. Requerido
SiO2
SiO2
O2
Crisol 1
Crisol 2
Crisol 3
N° moles
0,1187
0,8
0,5333
0,2667
0,0067
Masa (g)
7,122
12,8
32
16
4
V. i.
ii.
Discusiones En la Tabla N°1 se detallan las variaciones porcentuales en peso de los 3 crisoles en estudio después de ser sometidos a la fusión del concentrado sólido que ellos contienen, todas las muestras fueron sometidas al mismo tiempo al interior del horno. Se observa que la muestra que sufre la mayor variación es la que tiene un 20% adicional de sílice. La Tabla N°2 muestra la cantidad de SiO 2 que existe en el concentrado de cobre y el exceso de éste que hay producto de la adición de los distintos porcentajes en cada una de las muestras, donde podemos ver cómo impacta en la pérdida de peso, por lo que se puede decir que el crisol N°2 es el que mayor diferencia porcentual de peso tiene registrando un 18,202%.
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Observando los restos de crisoles a simple vista y mediante la utilización de una lupa se puede observar que en algunos hay fases bien formadas y en otro crisol no se logra apreciar de manera tan clara cada una de estas zonas, esto puede deberse a la cantidad de sílice añadida al sistema para llevar a cabo la reacción.
VI. i.
ii.
Conclusiones Con los datos obtenidos a partir de la Tabla N°1, se puede afirmar que la muestra que registra una mayor pérdida de peso es la contenida en el crisol n°2, perdiendo un 18,202%. La sílice es agregada porque es el fundente y hace bajar la presión del sistema para la formación de las fases (eje y escoria). La función que cumple es impedir que el líquido de fundición alcance las temperaturas de fusión del hierro y así evitar la formación de magnetita Fe 3O4, ya que de formarse se crea un fondo falso debido a que es más densa que la mata y que la escoria [USACH]. Es por esto que la cantidad adicional de sílice que se agregue al sistema debe ser regulada, ya que al existir un exceso considerable de sílice, como es el caso del crisol n°1 se producirá un aumento en la viscosidad del concentrado y tendrá como consecuencia un arrastre de cobre hacia la escoria y producirá pérdidas en la recuperación del metal de interés. Observando los crisoles a simple vista y a través de la lupa, se aprecian muestras en donde ambas fases están claramente definidas y otras donde resulta más complejo identificar el eje o mata de la escoria. Se pueden identificar una matriz grisácea con aspecto metálico que corresponde a la mata y por sobre esta se identifica una matriz color negro más opaca que la anterior con incrustaciones circulares de aspecto dorado. Los minerales más comunes encontrados en los concentrados de cobre son la calcopirita y la pirita, aunque también pueden estar presentes otros sulfuros de cobre como la bornita, la calcosina, covelina y cuarzo.[USACH] En la escoria se identifica presencia de lo que podría ser pirita (cristales dorados) y hematita en forma de cristales con aspecto más metálico plateado. Por otro lado en la mata se aprecia una matriz mucho más homogénea que la escoria y con ciertas incrustaciones grises metálicas, que por sus características podrían representar calcosina.
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Actualmente, las fundiciones realizan las etapas de fusión y conversión en un mismo proceso, tal es el caso de los convertidores Teniente, desarrollado y patentados por la División el Teniente Codelco. Consiste en un cilindro metálico de 5 m de diámetro por 22 m de largo, dispuesto en forma horizontal y revestido por ladrillos refractarios en su interior. Este horno está montado sobre un sistema de cremalleras que le permite oscilar. Dispone de una abertura en su parte por el cual se añade el concentrado de cobre y sílice, además de un sistema de cañerías en el interior, las cuales insuflan aire enriquecido con oxígeno, permitiendo oxidar el hierro y el azufre presente en los minerales. El hierro forma magnetita que se concentra en la escoria y el azufre forma gases, los cuales son evacuados por chimeneas. Finalmente, obtienen un material fundido denominado Metal Blanco, con un 70 a 75% de cobre.
VII. Referencias MENA, Rossina y TORO, Norman. 2016. Manual de Laboratorio Metalurgia Extractiva II Ingeniería civil de Minas. Antofagasta. Manual Universidad Católica del Norte, Facultad de Ciencias de la Ingeniería y Ciencias Geológicas.
VIII. Apéndice Cálculos
iv.
Cálculo del porcentaje de variación en peso % ∆W:
Cálculo
%∆−
:
86,710(g)98,000(g)| ∗100=11,520% %∆− = | ∗100= | | 98,000(g) 68,710(g)84,000(g)| ∗100=18,202% %∆− = | ∗100= | | 84,000(g) 62,500(g)73,500(g)| ∗100=14,966% %∆− = | ∗100= | | 73,500(g)
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v.
Masa y número de moles presentes en el concentrado: Mineral
Contenido % Masa (g) Peso Molecular (g/mol)
Calcopirita CuFeS2
38,200
30,560
184,000
0,1661
Calcosina Cu2S
38,600
30,880
160,000
0,1930
Pirita FeS2
10,700
8,560
120,000
0,0713
Sílice SiO2
6,500
5,200
60,000
0,0867
Otros
6,000
4,800
-
-
30,56 () = 0,1661 () = 184,00 ) ( 30,88 () = 0,1930 () = 160,00 ) ( 8,56 () = 0,0713 () = 120,00 ) ( 5,20 () = 0,0867 = 60,00 ) (
38,20% 80 () =30,56 () Masa= 100% Calcopirita, 38,60% 80 () =30,88 () Masa= 100% Calcosina, 80 () = 8,56 () Masa= 10,70%100% Pirita, Sílice,
80 () = 5,20 () Masa= 6,5%100%
80 () = 4,80 () Masa= 6%100%
Otros
vi.
Moles
Balance metalúrgico de masas:
Para Calcopirita, CuFeS2:
2 + → +2+ Moles 80 (g)100%
0,166 0,083 0,083 0,166 0,083 X (g)= 30,560 (g) X moles
X moles=0,166
184 (g) 1 mol 2 moléculas de equivalen a 0,166 moles, por lo tanto, para el resto que tiene 1 X (g)38,200%
molécula será la mitad 0,083. Para Pirita, FeS2:
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+ →+ Moles
80 (g)100% X (g)10,700 %
0,071 0,071 0,071 0,071 X (g)= 7,490(g) X moles
X moles= 0,071
120 (g) 1 mol
Como todos los coeficientes estequiométricos tienen el valor 1, todos toman el mismo valor.
Para Pirrotita, FeS:
+ 32 →+ Moles
0,237 0,355 0,237 0,237
∑ = 0,166+ 0,071 = 0,237 3 = 3 ∗0,209=0,355 2 2
Para el se suman los moles totales de este compuesto y se repite el proceso anterior para los demás.
Para la Wustita, FeO:
2+ → Moles
Para la molécula de
0,237 0,119
0,119
se usa el número de moles acumulados del proceso anterior.
Para la Calcosina, Cu2S:
+ 32 → + Moles 80 (g)100%
0,193 0,289
0,193 0,193
X (g)= 30,880(g) X moles
X moles=0,193
Universidad Católica del Norte Facultad de Ingeniería y Ciencias Geológicas Departamento de Ingeniería Metalúrgica y Minas X (g)38,600 %
160,000(g) 1 mol
Se calcula los números de moles de que es igual a 0,193. A todos los componentes que tengan como coeficiente 1 reciben este valor.
