UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL NORTE DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA METALÚRGICA Y MINAS Fusión de concentrado de cobre
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Carlos Cruz (carlos_cb_92@hotm (
[email protected]) ail.com) Oscar Salazar (
[email protected]) Ingeniería Ejecución en Metalurgia
Resumen: En esta experiencia se estudia una operación de fusión de concentrado de cobre a 1200°C, cuya mineralogía corresponde a 38.2% de calcopirita (CuFeS2), 10.7% de pirita (FeS2), 38.6% de Calcosina (Cu2S), 6.5% de sílice (SiO2) y 6% de otros elementos. Mediante el análisis de tres muestras a las que se les añaden distintos porcentajes de fundente (SiO2). Teniendo a las muestras 1, 2 y 3 con 0%, 5% y 15% en peso de fundente respectivamente. Durante la fusión la muestra número 2 recibe un flujo directo de aire enriquecido de oxígeno en tanto que las muestras 1 y 3 reciben un flujo indirecto, tras 3 horas de exposición a 1200°C y el posterior enfriamiento de las muestras se masan las muestras y se observa la separación que existe entre la fase sulfurada (eje o mata) de la fase oxidada y ferroso (escoria), observando que la muestra que más peso perdió es la muestra número 1 perdiendo un 42,67%, y la muestra en la que se aprecia una mejor separación eje-escoria es la muestra número 2 con una clara aglomeración de mata en el fondo del crisol. Se concluye que tanto como el flujo de aire enriquecido como la proporción de fundente (sílice) son de suma importancia ya que el oxígeno es necesario para favorecer las reacciones de oxidación y sin la cantidad adecuada de fundente no se logra la viscosidad necesaria para evitar el arrastre de cobre a la escoria.
INTRODUCCION: Dentro de la pirometalurgia, el proceso de fusión de concentrados involucra un cambio físico, desde el estado sólido a uno líquido fundido, para que se produzca ese cambio el concentrado de cobre es sometido a altas temperaturas (1200 °C). La fusión tiene por objetivo concentrar el metal a recuperar, mediante una separación de fases de alta temperatura. Una sulfurada rica en el metal que se conoce como mata (Cu2S y FeS), y otra oxidada o pobre en él que se denomina como escoria, que son inmiscibles entre ellas. Para lograr un efectivo proceso de fusión se emplean al proceso materias primas como el fundente, aire y aire enriquecido con oxígeno. La tecnología horno de fusión, corresponde a un proceso que aprovecha el calor generado en las reacciones del oxígeno presente en el aire del proceso, con los sulfuros de hierro contenidos en el concentrado alimentado al reactor. Dependiendo principalmente de las características mineralógicas o químicas del 1
concentrado, de los flujos y enriquecimientos en oxígeno del aire soplado, se generarán importantes cantidades de calor en el reactor, suficientes para tener un proceso totalmente autógeno. Se agrega sílice, que tiene como principal función, captar el hierro contenido en los minerales sulfurados fundidos y concentrarlos en la parte más liviana de la mezcla fundida, para formar una escoria que pueda ser removida fácilmente. Los objetivos de la experiencia son: Observar la formación de las fases, según las diferentes condiciones que se aplican como: cantidad de fundente y aplicación directa o indirectamente el aire enriquecido. •
Masar cada muestras tras ser fundidas y analizar las posibles causas de las diferencias y pérdidas de masa en cada muestra. •
Comparar las muestras y concluir en cual se observa la mejor separación de las fases. •
Desarrollo experimental En este laboratorio se realiza la fusión de concentrados de cobre a una temperatura de 1200 °C. Se comienza por preparar los implementos, como crisoles, concentrado y la sílice. El primer paso es masar los 3 crisoles que se emplean para este procedimiento y enumerarlos marcándolos con tiza para poder identificarlos. Se saca concentrado desde una bolsa, se agregan 70 gramos dentro de cada crisol. Luego se realiza el cálculo de sílice que debe tener cada crisol, en el caso del crisol número 1 no se le agrega sílice, en el crisol 2 se añade un 5% de sílice y por último en el crisol 3 se agrega un 15% de sílice, el porcentaje se calcula respecto a los 70 g del concentrado. Una vez listos los crisoles, se deben ingresar al horno, teniendo la protección adecuada para la exposición a altas temperaturas, se debe usar el casco, el traje y guantes aluminizados. Tomando con la pinza cuidadosamente se deben dejar los crisoles en un orden definido, donde el crisol 2 recibe directamente el flujo del aire enriquecido, y los crisoles 1 y 3 reciben un flujo indirecto de aire enriquecido. Después de haberse producido la fusión del concentrado (3 horas aproximadamente), tras 24 horas se procede a quebrar los crisoles para separarlos del material solidificado, luego observar según las condiciones de cada muestra, como resulta la separación de fases de mata y escoria, también a través de una lupa visualizar con más detalle los colores que se ven en cada muestra fundida.
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Datos y resultados Diferencia de peso tras la solidificación: Dónde:
%ΔW = [− ] ∗100
%ΔW = Diferencia de masa porcentual. Wo = Masa de la muestra inicial. Wf = Masa de la muestra solidificada.
Tabla N°1 Pérdida de masa tras la fusión. Masa de % Fundente crisoles concentrado (Sílice) [g]
Masa de fundente [g]
Masa total [g]
Masa solidificada [g]
Pérdida de masa [g]
%ΔW
1
70
0
0
70
40,13
29,87
42,67
2
70
5
3,50
73,50
61,60
11,90
16,19
3
70
15
10,50
80,50
68,91
11,59
14,40
En la tabla N°1 se observan las masas de las muestras registradas antes del ingreso al horno y después de la fusión y solidificación, demarcando la diferencia porcentual entre la masa de concentrado más fundente que se ingresó al horno y la masa solidificada que se obtiene tras la fusión. Balance metalúrgico: Las reacciones químicas producidas durante la fusión del concentrado son las siguientes 1. 2. 3. 4. 5.
2() + () = () + 2() + () Fe() + () = () + () 2() + 3() = 2() + 2() 2Fe() + Si() = 4() () + () = () + ()
El proceso responde al siguiente balance:
+ + = + +
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Observaciones de las muestras: 1. En la muestra N° 1 se puede apreciar levemente la separación mata-escoria, donde la mata no logra descender al fondo en el sólido que se obtiene de la fusión del concentrado, se observa en su gran mayoría una dispersión de las fases sin un orden aparente. 2. En la muestra N° 2 se puede observar la separación de la mata de la escoria, y la mata se ubica en el fondo del crisol, que es lo que debiese ocurrir en un proceso de fusión, en cuanto a la separación de fases pero aun así no se observa la separación esperada. 3. En la muestra no se aprecia separación aparente de fases mata-escoria con pequeñas formaciones de lo que se presume es metal blanco disperso de manera casi homogénea a lo largo de la muestra solidificada.
Discusiones
Las muestras N° 1 y 2 a las cuales se les agrego fundente (sílice) 0% y 5% respectivamente según lo observado presentan una separación apreciable entre la mata y la escoria, a diferencia de la muestra N°3 a la que se le agrego la mayor cantidad de fundente y no muestra una separación entre mata y escoria, esto se corresponde con la teoría, ya que para lograr una correcta separación se necesita una escoria fluida que no arrastre cobre, la cual se logra con una adecuada proporción de fundente. Se presume que la única forma en la que las muestras pierden masa es por medio de la liberación de gases tanto como liberado como producto de las reacciones de oxidación, además de un porcentaje de vapor de agua ya que las muestras poseían un cierto porcentaje de humedad, las muestras N°2 y 3 tuvieron una perdida más controlada de masa, esto puede ser causado por la existencia del suficiente sílice que controlase la separación de las fases inmiscibles Aun cuando las muestras N° 2 y 3 se les agrega una diferencia sustancial de fundente, agregando un porcentaje mayor de sílice a la muestra N°3, estas no presentaron una diferencia notable en la pérdida de masa pero si en la separación de la escoria de la mata ya que la muestra N°2 fue la que mejor separación experimenta, esto puede ser debido a que la muestra N°2 se expone a un flujo directo de Oxigeno enriquecido que beneficia al proceso de fusión.
SO
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Conclusiones
La agregación de sílice en la fundición de sulfuros de cobre es fundamental para producir las condiciones necesarias para conseguir la separación de las fases inmiscibles mata-escoria, pero como se puede inferir de las observaciones de las muestras, a mayor no se logra una mayor separación entre estas fases, por ende se entiende que tanto una aplicación inferior o superior de fundente del necesario provoca resultados negativos. Se presume que la muestra N°1 que posee el menor contenido de sílice, en las condiciones oxidantes del horno se oxida de manera que se consume todo su azufre, sin poder generarse las condiciones necesarias para la separación de las fases mata-escoria, explicando la pérdida del 42.6% de peso en la muestra N°1 y la baja separación de estas fases. Se concluye que el flujo de aire enriquecido de oxigeno es fundamental para favorecer el proceso de fusión de concentrados de cobre, ya que sin este se obtienen resultados deficientes como los obtenidos de la muestra N°1 y 3, esto se refuta observando los resultados obtenidos en la muestra N°2(ver pág. 4), que recibió un flujo directo de aire enriquecido de oxígeno a diferencia de las otras muestras.
%
5
Bibliografía Mena, Rossina. Laboratorio pirometalúrgia I, ingeniería en metalurgia [guía]. Antofagasta: Universidad Católica del Norte, Facultad de Ingeniería y Ciencias Geológicas, Departamento de Ingeniería Metalurgia y Minas, 2017. Codelco Educa. Fundición. Recuperado el 10 de junio de 2017. https://www.codelcoeduca.cl/procesos_productivos/tecnicos_fundicion.asp Sánchez, Mario. Imris, Ivan. Pirometalurgia del cobre y comportamiento de sistemas fundidos. Concepción, Chile. Universidad de Concepción, 2002. Schulz. Bernd, Introducción a la metalurgia, ingeniería en metalurgia [libro]. Santiago, Chile. Universidad de Santiago de Chile, departamento de ingeniería en metalurgia.
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Apéndices
% fundente
0
5
15
%Cu
40,96
39,01
35,61
%Fe
12,30
11,71
10,70
%S
7,42
7,07
6,45
%Cu2S
51,29
48,85
44,60
%FeS
19,36
18,44
16,84
%FeO
4,37
4,16
3,80
%SiO2 Total
6,50
10,95
18,70
Tabla N°2. Concentración de especies de interés según la proporción de fundente agregado. La tabla N°2 se obtiene de la realización del balance de masa mostrado con anterioridad (ver pág. 3) partiendo de la suposición que todas las reacciones ocurren con un 100% de eficiencia, observando que gracias al contenido inicial de la concentración en peso de este elemento en la muestra con más fundente se aproxima al 19%.
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