LABORATORIO DE PIROMETALURGIA
SERGIO LEONARDO CEPEDA NELSON VIRGILIO TORRES SERGIO DAVID TORRES JULIAN ANDRES MUÑOZ
UNIVERSIDAD PEDAGOGICA Y TECNOLOGICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE METALURGIA. TUNJA 2016 1
LABORATORIO DE PIROMETALURGIA No 3 FUSION
SERGIO LEONARDO CEPEDA NELSON VIRGILIO TORRES SERGIO DAVID TORRES JULIAN ANDRES MUÑOZ
PRESENTADO A: ING. RAFAEL ESSAU BOTIA
UNIVERSIDAD PEDAGOGICA Y TECNOLOGICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE METALURGIA. TUNJA 2016
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1. OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Obtener cobre metálico a partir de un mineral de calcopirita concentrado por medio de la tostación del mismo y ayudados del horno de foso, Mediante el proceso de fusión. OBJETIVOS ESPECIFICOS Preparar todo lo necesario como puede ser el coque y madera además limpiar tanto horno como crisol para luego prender el horno de foso y llevar a cabo la fusión. Controlar la temperatura hasta aproximadamente 1250°C y mantener la temperatura para lograr reducir completamente el óxido de cobre para obtener cobre metálico. Tener una experiencia más cercana y práctica del proceso de fusión además de las reacciones que allí ocurren. Realizar la fusión obteniendo datos satisfactorios en el laboratorio de pirometalúrgica de la U.P.T.C.
2. MARCO TEORICO 3
Lafusiónesunprocesodeconcentración, enelqueunapartedelas impurezas de la cargasereúnenformandounproductoligerollamado escoria elcualpuedesepararse porgravedaddelaporciónmáspesada que contiene prácticamentetodoslos componentesmetálicos, quees la mata. Calentandoporencimadelos1.100ºCelproductoobtenidopor tostación parcialfunde. Los concentrados sulfurados de cobre son básicamente combinaciones, en proporciones variables, de sulfuros de hierro y cobre mezclados con ganga silícea ácido o básica. Las reacciones que tienen lugar en el Horno de Fusión (HF) transcurren entre estos constituyentes del concentrado y los fundentes, y corresponden principalmente a la reducción de los óxidos de cobre por el sulfuro cuproso y a la sulfuración de los óxidos de cobre por el sulfuro ferroso. Todo el sulfuro de cobre se descompone de acuerdo con las siguientes reacciones:
Elhierroqueesmásoxidablequeelcobreseoxidaaóxidoferrosoycomo elcobretiene mayorafinidadporelazufrequeelhierro, elpocoóxidode cobreformadopasaasulfuro cuprososegúnlasiguientereacción: Cu2O+FeS
Cu2S+FeO
Elóxidodehierroasíformadooelresultantedelatostaciónparcialse une alasíliceyalacal (gangaoadicción) yseeliminaconla escoria enforma deunsilicatocomplejo. LAESCORIA꞉ EnellastenemoslosóxidosdeFe, unacomposiciónpuedeser: 30‐40% de FeO, Fe2O3 30‐40% de SiO2 10% de Al2O3 10% de CaO+MgO+PbO SeutilizacomoescorificantesíliceSiO2 Lasescoriasdebendeser: inmisciblesconlamata 4
ysuficientementefluidasparaquenoquedecobreatrapado dentrodeellas. Paradisminuirelpuntodefusiónyhacerlasmasfluidasseañadeóxidode calcio comofundentesiesnecesario. HORNOSEMPLEADOSENLAFUSIÓN LafusiónparamatadeCusepuedehacerenlossiguienteshornos:
hornodeCuba. hornodeReverbero hornoEléctrico hornosdeFusiónRelámpagoFLASH(Outokumpo,Inco)
Elhornodecubaseusaconpreferenciaparafabricarel“Cunegro”que se obtieneapartir delachatarra. Elhornodereverberoseempleacomúnmenteparafundirmataperotiene el inconveniente, queconsumemuchocombustiblepor lo que se están introduciendo losdefusiónrelámpago (flashsmelting) queempleanlas reaccionesdetostacióncomo fuentesdecalorparafundir. Losefectosdelasimpurezassobrelaspropiedadesmecánicas delCuson: Eloxígeno, seencuentraenformadeCu2Oypuedehaberhasta6%, enel afinose reducehasta0.15%.HacefrágilalCu. ElazufreestáenformadesulfurodeCu(Cu2S) hastaun0,25%deSelCuesmaleable con0,5%S,elCuesfrágil cantidadessuperioresa0,5%yadificultaellaminadoylaflexión. La presencia deAlyMnreducelaacciónperjudicialdelazufre. ElBismutoesunaimpurezamuynociva,conmásde0.005%nose puede trefilar. ElHierrohacealCufrágilyduro. El Níquel forma con el Cu soluciones sólidas que aumentan mucho la durezadel cobre. impidiendoeltrefilado disminuyeconductividaddelcobre. ElArsénico, reducemucholaconductividadeléctricadelCu con0.03 % lareduceun9,1% con0.2 % lareduceun38,6%. ElAntimonio, un0,1%se formaunCu micáceo que se agrietay escamaen la superficie.
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3. MATERIALES Y EQUIPOS
Crisol Horno de foso Coque Lingotera Carretilla Balanza Pinzas Calcina Fundentes (sílice, bicarbonato de sodio, carbón vegetal)
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4. ELEMENTOS DE PROTECCION PERSONAL Casco. Gafas. Protectores auditivos. Mascarilla. Guantes. Overol. Botas de seguridad. Peto de cuero Careta
5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 5.1 Se pesó en la balanza la cantidad de calcina, previamente obtenida, así como los demás insumos. 5.2 Colocamos la calcina, el carbón vegetal, la sílice, el carbonato de sodio en el crisol. 5.3 Prendemos el horno de foso, con leña y coque 5.4 Colocamos el crisol con la mezcla en el horno de foso.
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5.5 alcanzamos una temperatura de 1.200 grados Celsius, aproximadamente y mantenemos el crisol a esta temperatura hasta obtener la fusión completa. 5.6 Colamos el líquido en la lingotera y dejamos enfriar. 5.7 luego se toma el producto obtenido para su posterior pesado.
6 DATOS OBTENIDOS.
6.1 Peso del metal obtenido: 211,20 g de Cu 6.2 Peso de la escoria obtenida: 1162,6 g
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6.3 Rendimiento del proceso de Fusión: 211.20 g de Cu /(2150.2Calcina+430.04carbonato de sodio+1290.12Silice +129.01Carbon de leña+ 430.04carbonato de calcio) x 100 =4.768% 6.4 Reacciones principales de la fusión.
REACCIONES EN UN CONVERTIDOR
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6.5 Cantidad de coque utilizado: 12 Kg
7 CALCULOS Y RESULTADOS.
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7.1 Reacción termodinámica del proceso de fusión. Delta Go y Constante de equilibrio para la reacción. REACCIÓN TERMODINÁMICA 5 2CuFeS2 + 2 O2 = CU2 S + FeS + FeO + 2SO2 Cu2S +2O2 = 2CuO + SO2 CuO(s) + CO (g) = Cu (l) +CO2 (g) Es decir que la fusión es de tipo reductora; por lo tanto la reacción de reducción- fusión será: MeO + CO = Me +CO2
7.3 Como se controla el proceso de la fusión? R. El proceso se controla por medio de la temperatura del horno y la adición de sustancias catalizadoras como la sílice y los carbonatos. 7.4 De que variables depende la velocidad de fusión. R. En el estado sólido las partículas están ordenadas y se mueven oscilando
alrededor de sus posiciones. A medida que calentamos el material, las partículas ganan energía y se mueven más deprisa, pero conservan sus posiciones. Cuando la temperatura alcanza el punto de fusión la velocidad de las partículas es lo suficientemente alta para que algunas de ellas puedan vencer las fuerzas de atracción del estado sólido y abandonan las posiciones fijas que ocupan. La estructura cristalina se va desmoronando poco a poco. Durante todo el proceso de fusión la temperatura se mantiene constante, También hay que mantener una presión constante; durante la practica el experimento sé realizo bajo estas condiciones controladas. Concentración de los reactantes: Mientras mayor sea la cantidad de reactantes que se utilice en una determinada reacción, mayor será la velocidad con que se forman el o los productos. Por ejemplo, si al encender un brasero se aplica aire
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(oxígeno) con un cartón o un secador de pelo, más rápidamente se encenderá el carbón. Presencia de un catalizador:Los catalizadores son sustancias que aumentan o disminuyen la rapidez de una reacción sin transformarse. La forma de acción de los mismos es modificando el mecanismo de reacción, empleando pasos elementales con mayor o menor energía de activación. En ningún caso el catalizador provoca la reacción química; no varía su calor de reacción. Los catalizadores se añaden en pequeñas cantidades y son muy específicos; es decir, cada catalizador sirve para unas determinadas reacciones. El catalizador se puede recuperar al final de la reacción, puesto que no es reactivo ni participa en la reacción.
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7.5. Utilizando el diagrama de ELLINGHAM, nombre algunos metales fáciles de reducir, medianamente fáciles de reducir y difíciles de reducir.
Cu, Ni, Sn, Ag, Au, Zn, Pb fáciles de reducir.
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7.6 Para los metales difíciles de reducir que aplicación industrial les daría usted? Los metales difíciles de reducir son los del grupo IA, Metales alcalinos:
Algunos de estos ya se están recuperando por medio de biolixiviación, se esta trabajando con la recupreación de el Litio de las baterías de teléfonos celulares
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8. CUESTIONARIO RELACIONADO. 8.1 En Colombia existe alguna planta en la cual se funda y obtenga cobre metálico? Actualmente existe una mina productora de cobre – El Roble – ubicada en el municipio de Carmen de Atrato en Chocó, la cual es explotada por la empresa estadounidense MiningCorporation. 8.2 Que especies entran en el proceso de fusión? ¿Qué especies salen del proceso de fusión? El concentrado esta formado por CuFeS2, FeS2, Cu2S, CuS y Cu5FeS4, las principales reacciones químicas de el proceso serían las siguientes. CuFeS2(g) = Cu2S (L) + FeS(l) + ½ S2 FeS2(S) = FeS(s) + ½ S2 (g) Cu2 S (l) = Cu2S (l) 2CuS (l) = Cu2S(l) + ½ S2 Cu2FeS4 (s) = 5Cu2S (l) + FeS (L) + ½ S2 (g) Se observa que en proceso de de la fusión se elimina azufre gaseoso el que se denomina azufre pirico. Además se forma un material fundido compuesto por Cu2S (l) y FeS (l) que recibe el nombre de mata o eje.
8.3 A nivel industrial en que tipos de horno se realizan los procesos de fusión? Horno de reverbero Es una edificación de gran superficie (250 m2) construido con ladrillos refractarios que se fabrican con materiales especialmente resistente a las altas temperaturas. Se conoce como reverbero porque la llama producida en el encendido del combustible se refleja en la masa fundida con una intensidad de luz variable denominada “reverberación”. 15
Horno de fusión flash La fusión Flash se basa en suspender y fundir la carga seca en un flujo vertical u horizontal de aire enriquecido con oxígeno u oxígeno. Para ello la carga preparada (0,2 %) se alimenta por intermedio de un quemador o una “Torre de Reacción”. El material fundido que se forma en la torre de reacción, se recolecta en la Cámara de Separación, donde el Eje se separa de la escoria por diferencia de pesos específicos al igual que el reverbero Convertidor modificado tipo Teniente EL CMT es cargado en forma continua concentrado de Cobre y Sílice por una abertura ubicada en su parte superior.• La Sílice tiene por objeto captar el hierro contenido en los minerales fundidos y ubicarlo en la parte más liviana de la mezcla fundida.• Tiene un sistema de cañerías en el interior, los cuales insuflan aire enriquecido con oxígeno el cual permite la oxidación del hierro y del azufre presentes en los minerales que constituyen el concentrado.• El hierro forma magnetita que se concentra en la escoria y el azufre forma gases (monóxidos y dióxidos) los cuales, son evacuados a través de la chimenea junto a otros gases, donde son captados en gran parte para producir H2SO4 8.4 Investigue y describa resumidamente el proceso de reducción-fusión de la empresa Cerro matoso S.A. PROCESO INDUSTRIAL DE FERRONIQUEL 1. Homogenización 2. Secado 3. Calcinación 4. Fundición La Calcina Caliente Pre-Reducida entregada por las fases de Calcinación Línea 1 y Línea 2 es procesada en la fases de Fundición Línea 1 y Línea 2, en las cuales, se completan las reacciones químicas de “Reducción” y se funde la calcina para entregar un Metal Líquido Sobrecalentado y Crudo a la Fase de Refinación – Granulación. 16
La Fase de Fundición consta de las siguientes fases y subfases: Fase de Fundición Línea 1 y Línea 2: • SúbFase de Transferencia de Calcina y Carga de Tolvas Línea 1 y Línea 2: La calcina caliente y pre-reducida recolectada en las tolvas principales de calcina y proveniente de las Fases de Calcinación Línea y Línea 2, es descargada en forma intermitente y depositada en los contenedores de calcina de donde es recibida, transportada y distribuida para entregar un Stock distribuido en las tolvas de calcina a las subfases de Reducción y Fusión Línea 1 y Línea 2. • Subfase de Reducción y Fusión Línea 1 y Línea 2: El Stock distribuido de calcina proveniente de la subfases de Transferencia de Calcina es alimentado en forma dosificada a los Horno Eléctricos en los cuales dicha calcina se funde mediante la aplicación de energía eléctrica, la cual genera las condiciones para que se completen las reducciones de los Óxidos de Hierro y Níquel principalmente con el carbón residual que contiene, y así poder calentarla hasta llevarla al estado líquido, formando, por diferencia de densidades, un nivel de escoria y uno de meta. Como producto principal se genera un nivel de Metal Líquido Sobrecalentado a las subfases de Colada Línea 1 y Línea 2 y como desecho que se debe transformar se genera un nivel de Escoria Líquida Sobrecalentada a las subfases Sangría y Granulación de Escoria Línea 1 y Línea 2. De esta operación, específicamente en los Hornos Eléctricos, también se generan gases calientes con finos los cuales entran a las subfases de Limpieza de Gases y Recuperación de Finos Horno Eléctrico Línea 1 y Línea 2. Adicionalmente, por la operación de las subfases de la Fase de Reducción y Fusión Línea 2, se generan gases con finos los cuales entran a las subfases de Limpieza de Gases y Recuperación de Finos del Edificio de Fundición Línea 2. • Subfase de Colada Línea 1 y Línea 2: En esta se evacua de los hornos eléctricos en forma intermitente el metal líquido sobrecalentado proveniente de las subfases de reducción y fusión. El metal líquido se extrae hasta que el nivel de metal en los Hornos Eléctricos llegue a la referencia obtenida mediante una Barra de medición. El metal líquido sale y fluye por las canales de metal para caer a un crisol y ser llevado a la Fase de Refinación - Granulación. • Subfase de Sangría y Granulación de Escoria Línea 1 y Línea 2: En esta se evacua de los hornos eléctricos en forma casi continúa la Escoria líquida 17
Sobrecalentada producida en las subfases de Reducción y Fusión. La escoria líquida sobrecalentada es sometida a la acción de chorros de agua a alta presión para lograr su granulación. Seguidamente la escoria sólida es separada del agua, obteniendo de esta manera, escoria sólida granulada con alto porcentaje de humedad la cual es transportada y dispuesta en el sitio de almacenamiento final o botaderos de escoria de la planta. • Subfase de Limpieza de Gases y Recuperación de Finos del Horno Eléctrico Línea 1: El sistema de control de los gases del Horno Eléctrico 1 está conformado por un scrubber o Lavador de gases. Los finos que vienen junto con los gases calientes provenientes de la subfase de Reducción y Fusión Línea 1 son conducidos hasta el lavador de gases para recuperar los finos secos en forma de lodo y enviar los gases limpios a la atmósfera. Los lodos recuperados en esta subfase son enviados a la Fase Calcinación Línea 1. • Subfase de Limpieza de Gases y Recuperación de Finos del Horno Eléctrico Línea 2: Los finos que vienen junto con los gases calientes provenientes de la subfase de Reducción y Fusión Línea 2, son enfriados y luego usando aire a presión y un tiro de succión se logra la recuperación de los finos secos a través de un Baghouse (Filtro de Mangas) y se envían los gases limpios a la atmósfera. Los finos secos recuperados en esta subfase son recirculados en la subfase de Reducción y Fusión Línea 2. • Subfase de Limpieza de Gases y Recuperación de Finos del Edificio de Fundición Línea 2: Los finos que vienen junto con los gases provenientes de las piqueras de escoria, piqueras de metal, canales de metal, de la descarga de la Tolva principal de calcina y de las tolvas de alimentación al Horno Eléctrico son succionados hacia el Baghouse secundario (Filtro de Mangas). Posteriormente, se separa el aire de los finos para recuperar los finos y recircularlos junto con los finos recuperados en la Subfase de Limpieza de Gases y Recuperación de Finos Horno Eléctrico Línea 2 y enviar los gases limpios a la atmósfera 5. Refinación 8.5 ¿En qué consiste la reacción de Boudouard, ¿cuál es su energía libre estándar de formación, es exotérmica o endotérmica? y en que procesos se aplica.
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La reacción del equilibrio de Boudouard (gasificación del coque – carbón por un gas oxidante, dióxido de carbono) es la siguiente: C(s) + CO 2 (g) 2CO (g) Para esta reacción, la energía libre estándar de formación será: r G 159000 169T
J PCO RT ln mol PCO2 aC
Esta es la reacción de equilibrio que ocurre en la zona de toberas del alto horno. La desgasificación del coque no es otra que la reacción del equilibrio de Boudouard. Se puede representar gráficamente la fracción volumétrica de CO en función de la temperatura para obtener una curva de aspecto sigmoidal en la que se distinguen dos zonas: Zona de estabilidad del gas (CO).
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Si el gas de toberas se enfría muy rápidamente, se forma coque finísimo que precipita como “carbonilla”.
8.6 Cuál es la importancia de la escoria en un proceso de fusión Es de importancia determinar la composición adecuada de las escorias y determinarlas 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 tenerlos principales componentes de la misma. En el proceso de fusión la escoria ayuda al control de temperatura, minimiza la reoxidacion del metal, atrapa las impurezas, debe ser compatible con el material refractario, poseer menor una viscosidad adecuada.
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9 REALICE UN BALANCE ECONÒMICO DEL PROCESO REALIZADO BALANCE ECONOMICO EMPRESA: grupo de pirometalurgia CLIENTE: ing. RAFAEL BOTIA
ITEM Mano de obra Consumo de coque para la fusion. Valor de coque
Valor de calcopirita
Valor del mineral tostado
FECHA: 02/05/2016
PRECIO 10.000p esos /h 3 arrobas 127.284. 00 Tonelada 10.800p esos/ ton _________
DESCRIPCION Valor tomado del libre albedrio de los autores. Tomado de las especificaciones de la mufla y el valor de energía en el país y un 220 v necesarios para la mufla. Tomado de el precio de una empresa de samaca / boyaca. Tomado del valor estimado de quiminet para precios de minerales de cobre en bruto. Este valor es el resultado de todos los cosos necesarios para producirlo incluida mano de obra mas un valor agregado de 4% 20
Valor de cobre metalico
ITEM Mano de obra
Este valor se tomo de la pagina preciocobre.net
14.043,3 30 VALOR 10.000 pesos
Consumo de coque Valor de la calcopirita
15.970 pesos 10.800 pesos
Valor para hacer la fusión en el horno de foso
176.770 pesos
DESCRIPCIÓN Valor de trabajo por persona multiplicarlo por cuatro personas. Valor del consumo Valor de un kilo de acuerdo con el valor en toneladas Valor de gastos
10 DESARROLLE LOS PROBLEMAS No 113 Y 123 del BUTS.
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11 RESUMA EL PROCESO DE PAZDELRIO VOTORANTIM S.A. (HASTA LA OBTENION DEL ARRABIO).
En la planta el proceso inicia con la obtención del Coque metalúrgico en la planta de Coquería, proceso que consiste en extraerle las impurezas al carbón como el azufre y el porcentaje de carbono. El Coque obtenido es llevado al Alto Horno y a
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la planta de Sinter.En la planta de Sinter lo que se hace es mezclar, fundir y dar la granulometría necesaria para su aceptación por el Alto Horno a la mezcla entre el mineral de hierro, piedra caliza, chatarra de Acero y el Carbón. En el alto Horno que es la planta Central se introducen el Coque, el Singer, mineral de hierro, Piedra Caliza y chatarra para obtener Arrabio. El arrabio es transportado en Ferrocarril hasta la planta de Acería donde se le extraen las impurezas al Arrabio mediante el soplado con Oxígeno y además se le incorporan ferro aleaciones (Mn, Ni, Cr, V, Mo, Pt, Ti, Zn) para dar las características del Acero. Luego el Acero es transportado en ferrocarril hasta la planta de Colada Continua donde se le da dimensiones de 100mm 2 * 12 metros, se reduce la temperatura y se lleva a la planta de laminación. En la planta de laminación es recibido por el Tren 710 donde se vuelve a subir la temperatura a 700 ºC más o menos y se le rebaja el diámetro para entregarlo al tren 450 o el tren Morgan. En el tren Morgan lo que se hace es sacar las Chipas de Acero de 1 tonelada listas para su comercialización. En el tren 450 se obtiene la varilla Sismorresitente de diámetros de 1”, ¾”, 5/8”, 12 mm, 10 mm por 12 o 6 metros de longitud lista para su comercialización. 12. CONCLUSIONES Mediante los conocimientos teóricos e experimentales del horno de foso de los laboratorios de metalurgia de la uptc se pudo realizar la práctica de fusión a partir de un concentrado de cobre que fue tostado en la práctica anterior. La fusión de mata se lleva a cabo al fundir la carga total del horno a una temperatura aproximada de 1200ºC, normalmente con fundentes de sílice y carbonato de calcio. Hoy en día la fundición se realiza de forma mayoritaria en hornos de reverbero aunque todavía se utilizan altos hornos y hornos eléctricos. La mata fundida resultante del proceso de fundición contiene cobre, hierro y azufre como componentes principales y hasta un 3% de oxígeno disuelto.
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13. BIBLIOGRAFIA
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