“Facultad de Ingeniería Química y Metalurgia” Escuela Académico Profesional de Ingeniería Metalúrgica
Guía de Practica
Metalurgia Extractiva I
Autor:
Abarca Rodríguez, Joaquín José
2012
Universidad Nacional “José Faustino Sánchez Carrión”
F.I.Q.MyA- E.A.P. Ingeniería Metalúrgica USO DE EQUIPOS DE SEGURIDAD EN EL ÁREA DE ENSAYOS AL FUEGO I. 1.1. Objetivo.
Conocer el uso de equipos de seguridad para las diferentes etapas en el área de Ensayo al Fuego.
1.2. Responsables.
Jefe de práctica (Coordinar y verificar trabajo a corde con procedimiento y uso de EPP). Alumno de Ensayo al Fuego (Cumplir: con el procedimiento, con normas de calidad y de seguridad).
1.3. Normas De Seguridad. EPP básico (Traje especial protector de calor (mandil aluminizado), Mascarilla de media cara con filtro para polvo -vapor de mercurio/plomo, Protector facial (mica aluminizado transparente), Lentes de seguridad, Guantes de cuero, Guantes aluminizado, Guantes quirúrgicos, Zapatos de seguridad, Protectores auditivos). Equipos (Campanas de extracción: de polvo, vapores - humos metálicos, gases ácidos. Ducha y lavador de ojos. Botiquín de primeros auxilios). Conocimiento del MSDS sobre manejo de sustancias tóxicas. Conocimientos básicos sobre primeros auxilios en casos de quemaduras de primer, segundo y tercer grado.
1.4. Procedimiento. 1.4.1. Resumen. Acorde con los estándares de seguridad que se maneja, este procedimiento rige las normas de seguridad a tener en cuenta durante el trabajo en el área de Ensayo al Fuego.
1.4.2. Procedimiento. 1. Hacer una inspección de pre uso de los equipos de ventilación y los de protección personal antes de iniciar cualquier procedimiento. (Ver hoja de inspección 1). Tabla N° 1-1: Hoja de Inspección 1 DÍAS DEL MES EPP
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Traje aluminizado Mascarilla media cara Mica aluminizada Lentes de seguridad Guantes de cuero Guantes aluminizados Guantes quirúrgicos Protectores auditivos Zapatos especiales
EQUIPOS Campana extractora polvo (Colado) Campana extractora polvo (Adición de Reactivos) Campana extractora Horno 1 Campana extractora Horno 2 Campana extractora Horno 3 Campana extractora Horno 4 Ducha emergencia Lava ojos Alarma de ducha Botiquín
2. Precauciones en la parte de Pesado:
a. Usar máscaras anti polvo y guantes quirúrgicos para evitar la contaminación con el polvo de las muestras. 3. Precauciones en la parte de Fusión: a. Cerciorase del funcionamiento del equipo de los equipos de extracción. b. Utilizar la mascarilla de media cara con filtros de polvo y vapor de mercurio-plomo. c. Al cargar y descargar el horno, también al liberar los botones de la escoria utilizar el traje especial aluminizado, la careta de mica aluminizado, guantes aluminizados y protectores auditivos (de tapón u orejeras). 4. Precauciones en la parte de Copelación: Ing. ABARCA RODRIGUEZ, Joaquín José
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F.I.Q.MyA- E.A.P. Ingeniería Metalúrgica a. Cerciorarse del funcionamiento del equipo de extracción. b. Utilizar el traje de protección estipulado ya en el ítem IV, 4.2, 3, c de este procedimiento. 5. Partición: a. Cerciorarse del funcionamiento del equipo de extracción. b. Utilizar el traje de protección estipulado ya en el ítem IV, 4.2, 3, c de este procedimiento, con la diferencia que para mejor maniobrabilidad utilizar guantes quirúrgicos en vez de los aluminizados. 1.5. Control de Calidad. B. Cualquier desperfecto en los equipos de extracción y demás instalaciones de seguridad deben de ser reportados inmediatamente a la jefatura del área. C. Todos los trabajadores que realicen operaciones en el área de Ensayos al Fuego deberán acogerse a esta norma de seguridad, el incumplimiento por parte de estos debe ser reportado a la supervisión del área, quién determinará las acciones correctivas. 1.6. Bibliografía.
Laboratorios Merck: The Merck Manual: Disorders with Type I Hipersensitivity Reactions. Capítulo 148. Sección 12. 1999. Pág. 1 – 21 Meggs WJ: Mechanisms of allergy and chemical sensitivity. Toxicol Ind. Heath. 1999. Apr. 15: 3 – 4. Pág.. 331 – 8. Anderson, RC; Anderson, JH: Sensory irritation and multiple chemical sensitivity. Toxicol Ind. Health. 1999. Apr. 15: 34. Pág.. 339 – 45 Laboratorios Merck: The Merck Manual: Diseases due to irritant gases and others chemicals. Capítulo 75. Sección 6. 1999. Pág.. 1 y 2. “Field Testing Genetically Modified Organism” Nacional research council, Nacional Academy Press, 1989 “Laboratory Biosafety Training” World Health Organization. “Manual de Bioseguridad en el Laboratorio” , 2da edición
Organización Mundial de la Salud.
Información de internet:
Forobioquímico/ bioseguridad Universidad de Alicante/ ciencias/ seguridad. www.monografias.com
Normas de Equipo de Protección Personal.
PP-P 44.01: Trabajos en Altura. PP-P 40.01: Trabajos en Caliente. PP-P- 30.02: Conservación Auditiva. RIIS: Reglamento interno de seguridad y salud en el trabajo. DS -046 -01 EM Reglamento de seguridad e higiene minera. DS – 009 – 2005 TR. DS-055-2010 EM Reglamento de seguridad e higiene minera. NTP399.01-1.2004. Normas Técnicas peruana. Señales de seguridad. ISO 9001-2008. ISO 14001 - 2008 OSHAS -18001-2007. Ley 29783 Sistema de seguridade y salud ocupacional.
Ing. ABARCA RODRIGUEZ, Joaquín José
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F.I.Q.MyA- E.A.P. Ingeniería Metalúrgica CARBONO FIJO Y PODER CALORÍFICO 2.1. Objetivo. Determinar mediante un proceso metalúrgico la cantidad de carbono útil existente en un combustible sólido y calcular por fórmulas teóricas el poder calorífico.
2.2. Personal.
Profesor.
Grupo de 4 alumnos.
Guantes de cuero. Mameluco. Botas de jebe.
2.3. Equipo de Protección Personal (E.P.P).
Respirador para gases. Lentes contra impacto. Guantes de jebe.
2.4. Equipos, Materiales y Reactivos. Horno secador, Horno horizontal, Pinzas, Navecillas, Insufladores, flujómetro, Balanza de precisión, vidrio reloj, carbón vegetal, gas nitrógeno.
2.5. Fundamento Teórico. El carbón, debido a los diversos grados de cambios metamórficos, se conoce como una mezcla compleja de sustancias vegetales y sus estudios se la realizan de acuerdo al carbono fijo y el poder calorífico.
2.5.1. Carbono fijo. El contenido de carbono fijo de cualquier carbón se debe interpretar como un índice de su valor como combustible y reductor, porque el calor generado y la capacidad de reducir la proporciona la cantidad de carbono fijo. Un carbón común contiene, además del carbono fijo, sustancias perjudiciales que tienen que ser eliminadas y estas son; la humedad, materias volátiles, cenizas, etc. La relación que utilizaremos para determinar el carbono fijo será: %CF = 100 − %H2O − %MV − %CZ (2.1) Dónde: %MV: es el porcentaje de volátiles. %H2O: es el porcentaje de humedad. %CZ: es el porcentaje de cenizas. a) Humedad: La humedad se determinará por el secado de la muestra a 100°C aproximadamente, según la relación: Wi Wf %H 2 O (2.2) x100 Wi Dónde: Wi: es el peso inicial de la muestra. Wf : es el post secado b) Volátiles: Se determina por el sometimiento de una muestra en un ambiente inerte a 800°C, mediante la siguiente relación: Wi Wf %M V (2.3) x100 Wi Dónde: Wi: es el peso inicial de la muestra. Wf : es el post volatilización c) c) Cenizas: Se determina por combustión completa del combustible sólido en un ambiente normal a una temperatura de 850°C mediante la siguiente relación: Wi Wf %Cz (2.4) x100 Wi Dónde: Wi: es el peso inicial de la muestra. Wf : es el post combustión.
2.5.2. Poder calorífico. Poder calorífico se denomina a la cantidad de calor generado por la combustión completa de una unidad de combustible y la medición se la realiza por dos métodos los cuales son: a) Directamente, midiendo el calor liberado por la combustión calorimétrica de un peso conocido de combustible sólido. b) Teóricamente, si se conoce la composición aproximada del combustible el poder calorífico se lo puede determinar utilizando algunas fórmulas empíricas tales como: Ing. ABARCA RODRIGUEZ, Joaquín José
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F.I.Q.MyA- E.A.P. Ingeniería Metalúrgica Fórmula de Dulong [1] en función de las composiciones:
Kcal Kg
0
PC 8100C 34000 H 2200S 5869 H H 2O .. 8
(2.5)
Fórmula de Dulong en función del porcentaje de carbono fijo:
% M V %C F % H 2O Kcal 5632 586 .. 100 100 100 Kg
PC 8100
(2.6)
2.5.3. Parte experimental. 2.5.4. Procedimiento. a) Humedad: Pesar 40 g. de carbón vegetal, reducir de tamaño a −20# (mallas Tyler), de estos 40 g. reducidos, pesar 2 muestras de 2 g. cada una, colocar las muestras sobre un vidrio reloj, luego introducir al horno secador el cual debe encontrarse a una temperatura de 105°C aproximadamente, durante 2 h. luego sacar las muestras y pesar. b) Volátiles: Del proceso de secado se obtienen productos que se denominan carbón anhidro, de estas dos muestras pesar a 0.2 g. colocar en navecillas e introducir al horno horizontal a 700°C en un ambiente inerte (usar gas nitrógeno) durante 7 minutos, luego sacar las muestras y pesar. c) Cenizas: De los producto de secado, pesar 0.5 g de cada una, colocar en navecillas e introducir al horno horizontal a 850°C en un ambiente normal por el tiempo de 10 minutos, luego sacar y pesar. 2.5.5. Datos adquiridos. Presente los datos de laboratorio en este subtítulo. 2.5.6. Cálculos y resultados. Calcular el caudal de nitrógeno que se necesita para las pruebas, para ello considera las dimensiones del tubo de alúmina. Calcular la cantidad de aire teórico seco requerido para combustionar las muestras, proporcionando el 60% de exceso al teórico requerido. Calcular la cantidad de aire húmedo si el aire tiene 1,5% de vapor de agua. •
•
Calcular el porcentaje de carbón fijo mediante las fórmulas indicadas.
•
Calcular el poder calorífico mediante las fórmulas teóricas dadas.
2.6. Conclusiones y Recomendaciones. 2.7. Cuestionario. 1. Explique. Qué es un carbón vegetal?. 2. Qué es ceniza? 3. Qué es carbón incombustible? 4. Qué es carbón mineral? 5. Cuáles son los productos de una combustión completa?
6. Cuáles son los elementos principales de un carbón? 7. Qué es un coque? 8. A qué se denomina carbono fijo? 9. Describa el método estándar para determinar el carbono fijo 10. Si se da una composición de un carbón.
Tabla N°1: Composición de carbón aproximada
%C %H %O %N %S %H2O 79.00 6.90 6.60 1.40 0.90 1.80 a) Determinar los m3 de aire seco para combustionar un kilogramo de carbón. b) Determinar el poder calorífico. 2.8. Bibliografía.
% CZ 3.30
-
Álvarez, M. (2008). Ingeniería básica y de detalles tostador planta de molibdeno: Antofagasta. Barreira Moreno, V. M. (2007). Estudio hidrodinámico de un lecho fluidizado. Universidad Carlos III de Madrid: Madrid. Bellaster, A.; Felipe Verdeja, L.; Sancho, J. (s/f). Metalurgia extractiva [Vol I]. Síntesis: Madrid. Gálvez A, E. (2003). Pirometalurgia I. Universidad Católica del Norte: Antofagasta. Habashi, F. (1997).Hanbdook of extractive metallurgy [Vol. I]. Wiley-Vch: Toronto. Joffre, J (1978). Termodinámica Metalúrgica [2da Ed.]. Departamento de Publicaciones Oruro: Oruro. Kumar Gupta, C. (2003). Chemical Metallurgy. Wiley-Vch: Mumbai. Restrepo Baena, O. J.; Bustamante Rúa, M. O.; Gaviria Cartagena, A. C. (2008). Pirometalurgia. Universidad Nacional de Colombia: Medellín. - Rosenqvist,T (1987). Fundamentos de Metalurgia Extractiva. Limusa S.A: México. - Sánchez, M.; Imris, I. (2002). Pirometalurgia del cobre y comportamiento de sistema fundidos.Universidad de Concepción: Concepción. - Urday, E. (1986). Evaluación de procesos metalúrgicos. Ciencias S.R.L: Lima. SECADO DE SÓLIDOS Ing. ABARCA RODRIGUEZ, Joaquín José
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3.1. Objetivo. Eliminar la humedad de un material sólido húmedo; tal eliminación estará limitada por la humedad relativa del ambiente donde se lleva a cabo el secado de material. 3.2. Personal. Profesor. Grupo de 4 alumnos. 3.3. Equipo de Protección Personal (E.P.P). Respirador para gases. Guantes de cuero. Lentes contra impacto. Mameluco. Guantes de jebe. Botas de jebe. 3.4. Equipos, Materiales y Reactivos. Horno secador, termómetro, 10 cápsulas de porcelana, 2 recipientes metálicos y 500 g. de material húmedo. 3.5. Fundamento teórico. La operación de secado consiste en la eliminación de agua contenida en la sustancia sólida a temperaturas menores al de ebullición del agua, y esta puede lograrse mediante la circulación de gases o de aire caliente sobre la superficie libre del material húmedo. La humedad de un material se clasifica en: 3.5.1. Humedad en base seca. magua x100 H BS 3.1 m sóli do sec o 3.5.2. Humedad en base húmeda. magua x100 H BS 3.2 m m sóli do sec o sagu a En la operación de secado de sólidos en contacto con una corriente de aire a temperatura constante, la eliminación del agua será parcial y depende de las condiciones en las que se encuentre el gas secador (temperatura y presión), el cual posee una humedad relativa definida por:
P V * x100 P V
3.3
Dónde: PV: Es la presión de vapor de agua. P V : Es la presión máxima de vapor a la temperatura T. El material húmedo secará si su contenido de humedad es superior a la humedad relativa del aire. El secado se produce hasta alcanzar la humedad de equilibrio que se manifiesta cuando la presión de vapor del agua en el aire es igual a la presión parcial del agua que acompaña al sólido húmedo. La humedad que pierde el material húmedo se llama humedad libre y está definida por: HL = HT − Heq 3.4 Dónde: HL: Humedad libre. HT: Humedad total. HEq: Humedad de equilibrio La velocidad de secado [2], bajo condiciones constantes del gas secador (temperatura, presión y humedad), analíticamente está definida por: W dH V S 3.5 A dt *
Dónde:
dH
: Es la pérdida de humedad por unidad de tiempo.
dt
A: Es el área de exposición. W: masa del sólido seco. VS: velocidad de secado En la representación gráfica de la velocidad de secado en función a la humedad y de la humedad en función del tiempo se distinguen dos períodos de secado los cuales son; el período ante crítico y el período post crítico.
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a). Velocidad de secado en función de la humedad
b). Humedad en función del tiempo
Fig. N° 2-1: Secado de muestras. Dónde: HBS: promedio de la humedad en base seca. HC: Humedad crítica. A − B: Periodo ante crítico. B − C: Periodo post crítico El tiempo total que debe ser secado un material tiene dos componentes: a.
Tiempo de secado en el período ante crítico: De la ecuación (3.5) y considerando que la VS es constante, se tiene: dt
dt
W dH A
integrando entre Ho y HC V
W
H C
AV
dH
H 0
W AV
3.6
H H 0
3.7
C
Dónde: H0 : la humedad inicial y HC : la humedad crítica. b.
Tiempo de secado en el período post crítico:
De la ecuación (3.5) y considerando que la VS es función de la humedad VS = f(H): W H C dH t p 3.8 A H 0 V La integración de la anterior ecuación ha de realizarse gráficamente representando 1/VS, en función de H y el área contenida es el tiempo de secado para este período. Analíticamente el tiempo de secado post crítico se obtiene por la ecuación (3.9), considerando que la variación VS en función de la humedad es lineal. H H Eq W H C H Eq LN C t p 3.9 A V S H H f Eq
Dónde: Hf : la humedad final. 3.6. Parte experimental. 3.6.1.Procedimiento. 500 g. de material sólido dividir en dos partes y proceder de acuerdo a dos métodos. a. Primer método: • 250 g. de material húmedo dividir en 10 partes y colocar en las capsulas. • Introducir al horno secador a una temperatura de 60 a 80°C. • Extraer las muestras cada 5 min. y registrar el peso. b. Segundo método: • 250 g. de material húmedo colocar en un recipiente de área conocido. • Introducir al horno secador a una temperatura de 60 a 80°C. • Extraer las muestras cada 5 min. y registrar el peso. Ing. ABARCA RODRIGUEZ, Joaquín José
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F.I.Q.MyA- E.A.P. Ingeniería Metalúrgica 3.7. Datos adquiridos. • Presente los datos de laboratorio en este subtítulo. 3.8. Cálculos y resultados a. Completar la siguiente tabla: .
Tiempo Hrs 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00
b. c. d. e. f. g.
Masa Total
Tabla 2.1: Determinación de la velocidad de secado Masa VS HBS HBS KgH O KgH O H2O Valor medio KgS KgS 2
m1 m2 m3 m4 m5
X1 X2 X3 X4 X5
a1 a2 a3 a4 a5
2
b1 b2 b3 b4 b5
b1
a
1
a2
2
v1 v2 v3 v4 v5
Graficar la humedad en función del tiempo Graficar velocidad de secado en función del promedio de humedad. Determinar la humedad crítica Determinar la humedad de equilibrio. Determinar la Vs en el período ante crítico. Determinar el tiempo crítico y el tiempo post crítico.
3.9. Conclusiones y recomendaciones. 3.10. Cuestionario. a. b. c. d. e.
¿Cuál es la diferencia entre secado y evaporación? ¿Qué es un sólido higroscópico? ¿Explique los conceptos de humedad ligada o agua ligada y humedad desligada o agua desligada? ¿Qué riesgos se corre en la tostación de un material húmedo, sin que el material haya sido secado previamente? ¿Se tiene 500 g. de mineral húmedo con el 50% de humedad en base húmeda, cuánta agua debe eliminarse para tener el mismo material con una humedad del 10%?
3.11. Bibliografía. -
Álvarez, M. (2008). Ingeniería básica y de detalles tostador planta de molibdeno: Antofagasta. Barreira Moreno, V. M. (2007). Estudio hidrodinámico de un lecho fluidizado. Universidad Carlos III de Madrid: Madrid. Bellaster, A.; Felipe Verdeja, L.; Sancho, J. (s/f). Metalurgia extractiva [Vol I]. Síntesis: Madrid. Gálvez A, E. (2003). Pirometalurgia I. Universidad Católica del Norte: Antofagasta. Habashi, F. (1997).Hanbdook of extractive metallurgy [Vol. I]. Wiley-Vch: Toronto. Joffre, J (1978). Termodinámica Metalúrgica [2da Ed.]. Departamento de Publicaciones Oruro: Oruro. Kumar Gupta, C. (2003). Chemical Metallurgy. Wiley-Vch: Mumbai. Restrepo Baena, O. J.; Bustamante Rúa, M. O.; Gaviria Cartagena, A. C. (2008). Pirometalurgia. Universidad Nacional de Colombia: Medellín. - Rosenqvist,T (1987). Fundamentos de Metalurgia Extractiva. Limusa S.A: México. - Sánchez, M.; Imris, I. (2002). Pirometalurgia del cobre y comportamiento de sistema fundidos.Universidad de Concepción: Concepción. - Urday, E. (1986). Evaluación de procesos metalúrgicos. Ciencias S.R.L: Lima. Tiempo Hrs
Masa Total
Masa Sólido
Masa H 2O
HBS KgH 2O KgS
HBS
VS
Valor medio
KgH 2 O KgS
b1
a
1
a2
2
0.00 0.25 0.50 0.75 1.00
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F.I.Q.MyA- E.A.P. Ingeniería Metalúrgica CALCINACIÓN DE LA CALIZA 5.1. Objetivo. Obtener óxido de calcio a partir de carbonato de calcio por efecto de la temperatura, observar los efectos del tiempo y los tamaños de grano. Comprobar la obtención de CaO por termogravimetria.
5.2. Personal.
Profesor.
Grupo de 4 alumnos.
Guantes de cuero. Mameluco. Botas de cuero.
5.3. Equipo de Protección Personal (E.P.P).
Respirador para gases. Lentes contra impacto. Guantes de jebe.
5.4. Equipos, Materiales y Reactivos. Horno, navecillas, pinzas, mineral de caliza clasificada a diferentes tamaños.
5.5. Fundamento teórico. La calcinación, es la descomposición de un compuesto mediante el calor suministrado por un agente externo; el compuesto puede ser: carbonato, sulfato, óxidos o sulfuros dobles. El producto de éste proceso generalmente es un óxido sólido debido a que durante la calcinación no existe fusión ni volatilización. De la calcinación del carbonato de calcio se obtiene óxido de calcio, este producto tiene diversas aplicaciones industriales. En pirometalurgia se usa como formador de escorias por su estabilidad en ambiente reductor a elevadas temperaturas y es denominado fundente porque baja la temperatura de fusión de la escoria. En flotación se usa como regulador del pH por su alta solubilidad en agua. En siderurgia se usa como agente desulfurizante por la afinidad por el azufre, también el óxido de calcio de alta pureza se usa en pinturas como pigmento. La descomposición de la caliza se basa en la reacción (3.1), a temperatura de 855°C CaCO3 + CaO + CO2 ; GT 0 = 42490 37,70T (cal/mol) →
−
4.1
La reacción (4.1) llega al equilibrio cuando la presión parcial del CO2 es igual a la constante de equilibrio. 4.2 KEq = P CO La presión de equilibrio es conocida como la presión de descomposición del carbonato de calcio. Si, a cualquier temperatura la presión parcial del CO2 es inferior a la del equilibrio, la caliza se descompondrá hasta que la presión de CO2 alcance el valor de equilibrio. 2
5.6. Parte experimental. 5.7. Procedimiento. • • • • • • •
Obtener 50 g. de caliza clasificada al 100% a -65+100 #. Calentar el horno hasta 900°C. Tomar cuatro navecillas y pesar 1.5 g de caliza en cada una de ellas. Introducir las navecillas al horno y sacar de ella una navecilla cada 20 minutos. Pesar el contenido de las navecillas y mandarla al análisis químico. Repetir todo lo anterior para caliza clasificada a -28+65 #. Realizar la calcinación en la termobalanza utilizando reactivo puro.
5.8. Datos adquiridos. • Presente los datos de laboratorio en este subtítulo. 5.9. Cálculos y resultados. a) Calcular la temperatura teórica de descomposición de la caliza. b) Completar la siguiente tabla. Ing. ABARCA RODRIGUEZ, Joaquín José
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Tiempo Min. 0:00 20:00 40:00 60:00 80:00
Tabla N° 3.1: Determinación del rendimiento de calcinación Peso g Ley Peso g %CaO %CO2 %CO2 Rend. Inicial Final CaCO3 inalt tranf formdo elimdo formdo elimdo No elimdo %
c)
Graficar: Rendimiento Vs. tiempo % CaO formado Vs. tiempo % CO2 eliminado Vs. tiempo % CO2 no eliminado Vs. tiempo d) Realizar la comparación con los resultados obtenidos en la termobalanza. 5.10. Conclusiones y recomendaciones. 5.11. Cuestionario. 1. Si la reacción empírica que gobierna la cinética del proceso es: logR = 0,003145T−3,3085 donde: R = radio de avance de la interfaces de calcinación (cm/hr). Determinar el tiempo de calcinación total para partículas de c/u de las granulométrias empleadas en la realización de la práctica. 2. ¿Si la caliza tiene además MgCO3 cual la influencia de este compuesto en la calcinación? 3. En base a datos termodinámicos para la calcinación de la caliza, grafique: PCO2 =f(T). 4. Como se podría favorecer la formación de CaO?. 5. El proceso de calcinación del CaCO3 es un proceso exotérmico o endotérmico?, explique con datos termodinámicos su respuesta. 6. ¿Cree Ud. que es necesario agregar carbón para realizar la calcinación?; si es necesario calcule cuantos moles son necesarios, suponiendo que el aire de combustión ha sido recalentado a 500 °C; y si no es necesario diga el por qué?
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FUSIÓN ESCORIFICANTE 5.1. Objetivo
Analizar varios tipos de escoria en pruebas de laboratorio.
6.1. Fundamento Teórico . La fusión es una operación muy empleada en la metalurgia cuya finalidad es obtener metales a partir de sus minerales, la ganga que acompaña al mineral es eliminada en la escoria que es una fase independiente de la fase metálica, el peso específico de la escoria es menor con respecto al metálico lo que obliga a formar capas superpuestas, la escoria debe formarse después que el metal se hay reducido, debe ser fusible a la temperatura del horno y debe ser fluida. Es de importancia determinar la composición adecuada de las escorias y determinar las cantidades de los materiales que se requieren para obtener una escoria fluida. El cálculo de la composición de la escoria se hace basándose en la relación que debe tener los principales componentes de la misma [7]. Escorias para reducir minerales de hierro: CaO : SiO 2 : FeO Escorias para reducir minerales no ferrosas:
CaO : SiO
2
: FeO
En la bibliografía existen varios diagramas de sistemas indicados anteriormente, aquí se muestra el diagrama ternario del sistema CaO : SiO2 : FeO para realizar el laboratorio correspondiente.
Fig. N° 5.1: Diagrama de equilibrio de fases, sistema CaO − FeO − SiO2 Ing. ABARCA RODRIGUEZ, Joaquín José
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F.I.Q.MyA- E.A.P. Ingeniería Metalúrgica 6.2. PARTE EXPERIMENTAL. 6.2.1. Procedimiento. a. b. c. d. e.
Para un mineral de característica oxidada preparar dos distintas relaciones de escoria en base al diagrama de la Figura 7.1. Calcular los fundentes necesarios en gramos para que la escoria sea liquida Introducir al horno las mezclas preparadas en distintos crisol de arcilla, la temperatura debe ser de 1100oC el cual deberá medir con una termocupla. Cuando la escoria está líquida extraer el crisol y vaciar la escoria en un recipiente cónico de hierro fundido. Espere que enfríe. Registrar pesos iniciales y finales.
6.2.2. Equipos, Materiales y Reactivos . Horno, crisoles, pinzas, concentrado de estañó (casiterita, con la menor cantidad de azufre) arena, caliza, carbón y hematita.
6.3. Datos Adquiridos. Presente los datos de laboratorio en este subtítulo.
6.4. Cálculos y Resultados . 1. Discutir la clase de escoria obtenido debido a la variación de relación de escoria 2. Determinar la temperatura del proceso para cada relación en base a la Figura 7.1. 3. Realizar un balance másico del proceso. 4. Calcular la recuperación de proceso.
6.5. Conclusiones y Recomendaciones. 6.6. Cuestionario. 1. 2. 3. 4. 5.
Defina índice de basicidad de una escoria y especifique algunos ejemplos. Qué efectos tendrá los compuestos MgO, MnO, Al2O3, etc. en la escoria. Redacte un programa computacional para el balance másico. Analice en el diagrama de la Figura 5.1 si uno de los fundentes no está presente y verifique que su programa computacional responda en la realización del balance. Problema: Se tiene dos concentrados de estaño. Calcular la cantidad de arena y caliza que se deben agregar si las relaciones son: FeO SiO2
Conc. A Conc. A Arena X Arena Y
1 .3 ;
CaO SiO2
0 .5
Tabla N° 5.1: Determinación del rendimiento de calcinación Sn As Sb Fe SiO2 CaO Al2O3 44.50 0.49 0.18 12 3 0.5 0.6 44.22 0.69 0.15 15 2 0.2 0.8 90 90
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Metalurgia Extractiva I - Ciclo VII
S 11.11 6.06
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FUSIÓN REDUCTORA 6.1. OBJETIVO. Obtener estaño metálico a partir de un concentrado de alta ley por fusión reductora.
6.2. FUNDAMENTO TEÓRICO. La reducción de SnO2, previamente tostado, esta expresado por la siguiente ecuación. SnO2(s) + 2CO(g) Sn(l) + CO2(g)
o
G T
= 3500 - 7,42T (cal/mol) (6.1)
El concentrado de estaño trae otros metales como Pb, Bi, Cu, Fe, S, etc., siendo necesaria analizar el comportamiento de estos elementos en el diagrama de la Figura 6.1. Los metales considerados se reducen a temperaturas relativamente bajas y a razones CO2/CO altas, es decir a bajas concentraciones de CO, de tal manera que antes de que se reduzca el estaño se reducirán los metales indicados pasando a impurificar el metálico. El comportamiento del hierro respecto al Sn también presenta importancia debido a que el Fe3O4 pasa a FeO cuando el SnO2 se reduce a Sn(l), las fases Sn(M) y FeOesc deben constituirse como productos en el proceso metalúrgicos, sin embargo cuando las condiciones son muy reductoras (baja relación PCO2/PCO y alta concentración de CO) el FeO se reduce parcialmente a Fe(l) cuando el SnO2 se reduce en forma completa a Sn [6], las reacciones que predominan el proceso son: SnO2(s) + CO(g) SnO(esc) + CO2(g) (6.2) SnO(esc) + CO(g) Sn(M) + CO2(g) (6.3) FeO(esc) + CO(g) Fe(M) + CO2(g) (6.4) Considerando la diferencia de las dos últimas reacciones (6.3) y (6.4) se tiene. SnO(esc) + Fe(M) Sn(M) + FeO(esc) o
G T 10703 - 12.63T
Dónde: K eq
a M Sn M a Fe
x
esc a FeO esc aSnO
(cal/mol) (6.5)
(6.5)
La anterior ecuación (6.6) indica que la reducción del estaño depende de las actividades de los constituyentes en la fase metálica y fase escoria. Figura 6.1: Diagrama de relación de equilibrio PCO2/PCO en función de la temperatura
6.3.
Parte Experimental.
6.3.1.
Procedimiento.
1. 2. 3.
Calentar el horno a 1200°C En base a la composición del mineral fijar la relación de escoria CaO : FeO : SiO2. Determinar las cantidades necesarias de fundentes.
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F.I.Q.MyA- E.A.P. Ingeniería Metalúrgica 4. 5. 6. 7.
6.3.2.
Calcular la cantidad de carbón necesario para reducir el óxido de estaño tomando en cuenta que Cf = 78% y considera determinar el carbón fijo en laboratorio. Mezclar los anteriores materiales e introducir en un crisol de arcilla al horno. Cuando la carga este fluida en el crisol, sacar del horno y vaciar en una lingotera. Registrar los pesos iniciales y finales de los reactivos y productos.
Equipos, Materiales y Reactivos. Horno, crisoles, pinzas, fundentes y concentrado de estañó con mínimo% de azufre.
6.4. Datos adquiridos. Presente los datos de laboratorio en este subtítulo.
6.5. Cálculos y Resultados. 1. 2.
Analizar la recuperación del proceso fusión reductora. Realizar el balance másico con el programa redactado para el laboratorio anterior.
6.6. Conclusiones y Recomendaciones. 6.7. Cuestionario. 1. 2. 3.
4. 5.
Si utiliza otro reductor como H2 la reducción del estaño será mayor o menor?. Discuta su respuesta con datos termodinámicos. La obtención de cabezas duras depende fundamentalmente de las actividades, encontrar una relación sencilla combinando las actividades y GT. Explique en el diagrama log(PCO2/PCO) Vs. T Figura 6.1 a 1100°C, en que rangos de PCO2/PCO puede obtener: (a) Más Fe reducido en el estaño metálico. (b) Menos Fe reducido en el estaño metálico. Explique el actual flujograma de fusión de Sn en la Empresa Metalúrgica MINSUR. Resuma el proceso Ausmelt a instalarse en Bolivia.
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SINTERIZACIÓN 7.1. Objetivo. Obtener una carga sinterizada de minerales de hierro con adecuadas propiedades físicoquímicas y mecánicas para posterior tratamiento. 7.2. Fundamento Teórico. La sinterización es un proceso de aglomeración térmica que se aplica a una mezcla de finos de minerales de hierro [9], productos siderúrgicos, minerales de plomo, reciclados, escorificantes y combustibles sólidos a procesarse en altos hornos, la sinterización tiene dos propósitos: primero, eliminar el azufre de la carga en forma de gas sulfuroso y segundo, acondicionar la carga en forma apropiada para cargarla al horno (en Bolivia, este procedimiento no fue considerado debido a que no se instaló el alto horno, sin embargo existe el interés de muchos pequeños emprendimientos mineros en utilizar este proceso). Este proceso actualmente es llevado a cabo en un equipo denominado Maquina de Dwight-Lloyd. Se distinguen principalmente tres etapas o estados en el transcurso de la sinterización los cuales son: 1. Etapa inicial o de crecimiento de contactos entre partículas. 2. Etapa de densificación y crecimiento de grano. 3. Etapa final con poros cerrados.
Parte experimental.
7.3.
7.3.1.
Procedimiento.
1. En una bandeja de acero inoxidable colocar 200 g. de mineral de hierro. 2. introducir al horno a una temperatura de 1200°C 3. Preparar el mineral para una composición de escoria en base al diagrama ternario de la Figura 9.1, relación de escoria CaO : Fe2O3 : SiO2. 4. Proporcionar una flujo de aire para oxidación. 5. Remover constantemente la carga sinterizada. 6. Extraer la bandeja y esperar que enfríe. 7. Registrar los pesos iniciales y finales.
7.3.2.
Equipos, materiales y reactivos. Horno, crisoles, pinzas, concentrado de estañó (casiterita, con la menor cantidad de azufre) y fundentes.
9.4 Datos adquiridos. Presente los datos de laboratorio en este subtítulo. 9.5 Cálculos y resultados. 1. Analizar la forma del sinter 2. Realizar el balance másico con el programa redactado para el laboratorio anterior, considerando que los productos son oxidos. 9.6 Conclusiones y recomendaciones 9.7 Cuestionario 1. Que efecto tiene el tamaño de grano del mineral en la sinterización?. 2. La Máquina de sinterización funciona con cierta velocidad, cuál es esa velocidad?. 3. Cuál es el efecto de la velocidad (mayor o menor) sobre el producto sinterizado?. Ing. ABARCA RODRIGUEZ, Joaquín José
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F.I.Q.MyA- E.A.P. Ingeniería Metalúrgica 4. Cuál es el efecto de la temperatura en la sinterización? 5. Cuales son las reacciones que ocurre en la sinterización, fundamente su respuesta utilizando los diagramas kellogg graficados con el programa HSC.
Figura 9.1: Diagrama de equilibrio de fases, sistema CaO − FeO − SiO2
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