PIROMETALURGIA

Ing. Juan Vega

Dpto. Minas y Metalrgica

INTRODUCCION

El proceso de alta temperatura es usado enproduccin de metales y materiales.

Razones: estabilidad relativa de los metales,

Reacciones qumicas a mayor velocidad yseparacin de fases.

Procesos entre 300 2000 C.

Aplicado a metales(Pb, Cu, Zn, Au),materiales(secado(vapor), CaCO3 (descomposicin))

METALURGIA EXTRACTIVA

DEFINICIN

Es la ciencia y tecnologa aplicada a laobtencin de metales puros a partir deminerales y/o concentrados, empleando lasoperaciones y procesos unitarios metalrgicosadecuados.

DIVISIN:

Procesamiento de minerales

Pirometalurgia

Hidrometalurgia

Electrometalurgia.

DIVISION DE LA METALURGIA EXTRACTIVA

MATERIAS PRIMAS

Elementos nativos : Au, Ag, Cu (no son puros).

xidos : Fe (magnetita, hematita, etc.)

Hidrxidos : Al (bauxita), Fe (limonita).

Carbonatos : Fe (siderita), Mg (dolomita).

Silicatos : Si (cuarzo), Cu (crisocola).

Sulfuros : Cu(calcopirita), Zn(esfalerita),

Pb(galena). Contienen: Fe(pirita),

As, Sb, Se, Ni, Te, Au, Ag,

Pt, Mo, In, Cd, Bi.

Haluros : Na (halita), Mg (cloruro de magnesio).

FUSIONDEFINICIN:Proceso por el cual se funden minerales y/o concentradospreviamente tostados o calcinados, con el objeto de obtenerMATAS (sulfuros), METALES IMPUROS, SPEISS (arseniuros yantimoniuros de metales pesados, etc). La fusin debe realizarse atemperaturas econmicamente asequibles y en la presencia deciertas sustancias denominadas FUNDENTES.

TIPOS:Fusin de matas, fusin reductora.

Hornos usados: H. de reverbero H. de fusin flash o instantnea H. de cuba H. elctrico.

FUNDENTES

Sustancias que se aaden al lecho de fusinde un horno para disminuir el punto de fusinde la carga total y formar un tipo de escoriaapropiada con alta fluidez.

Ejemplo: CaCO3, Al2O3, MgO, P2O5, SiO2,CaO, etc.

ESCORIAS

DEFINICIN:Son compuestos complejos que resultan de la combinacinde la slice (SiO2) con otros xidos, cuya frmula global es:MeO-SiO2.

FUNCIONES: Absorber todo material no beneficiable (ganga). Proveer de oxgeno al bao del horno para la formacin de

los silicatos correspondientes. Sirve como capa protectora para evitar que las matas,

metal impuro, etc. se oxiden o contaminen con los gases dela atmsfera interior del horno.

Evitar el sobrecalentamiento.

XIDOS FORMADORES DE ESCORIA:

xidos bsicos: Son los que en fusin se disocian produciendo iones oxgeno (O2-).

Ejemplo: CaO, MgO, FeO, PbO, Cu2O, BaO, Na2O, etc.(CaO) = (Ca2+) + (O2-).

xidos cidos: Son los que en fusin absorben o consumen los iones oxgeno (O2-)

producidos por los xidos bsicos. Ejemplo: SiO2, P2O5, etc.(SiO2) + 2(O

2-) = (SiO44-)

xidos anfotricos: Son los que en fusin se comportan como bases en presencia de un

cido o como cidos en presencia de una base.Ejemplo: Al2O3, Fe2O3, Cr2O3, etc.(Al2O3) = 2(Al

3+) + 3(O2-) como bsico (en escoria cida)(Al2O3) + (O

2-) = (Al2O42-) como cido (en escoria bsica)

NDICE DE BASICIDAD DE UNA ESCORIA:

Donde:

Si B = 1 Escoria neutra.

Si B > 1 Escoria bsica.

Si B < 1 Escoria cida. Los coeficientes en la frmula anterior, es el

nmero de molculas de xido bsico paraneutralizar una molcula de xido cido.

CONSTITUCIN DE LAS ESCORIAS:

Las escorias tienen una constitucin muycompleja, sin embargo se pueden representaren un diagrama triangular (equiltero):

Ejemplo:

Representar la escoria de reverbero que tienela siguiente composicin en peso: 40% CaO,30% FeOy 30% SiO2

Al2O3(alto horno)30 % FeO

CaO FeO

SiO2

30 % SiO2

40 % CaO

FLOWSHEET GENERAL PARA EL TRATAMIENTO DE SULFUROS Y/O OXIDOS

SULFUROS, (MeS)

OXIDO (S) TOSTACIN OXIDO (S) + SULFURO (S)

FUSIN DE MATAS

CONVERSION

REFINACIN

METAL

ELECTROLISIS

PURIFICACION ELECTROLISIS

SALES FUNDIDAS

REDUCCION Y

FUSION

carbotrmicametalotrmica

LIXIVIACION

atmosfricaa presinbacteriana

No son muy tratables

S

S

PIROMETALURGIA

DEFINICIN:

Estudia a los Procesos Pirometalrgicos, esdecir los que ocurren a temperaturas elevadasen hornos metalrgicos y el calor necesariopara su realizacin, se obtiene de la quema decombustibles (carbn, petrleo, gas, etc) o deotras reacciones exotrmicas.

PIROMETALURGIA

VENTAJAS: Cintica rpida Normalmente las fases obtenidas son lquidas y

esto permite una fcil separacin. Permite tratar grandes tonelajes en una zona muy

reducida.DESVENTAJAS:

Altos costos de energa Altos riesgos de contaminacin ambiental Difcil de controlar.

TIPOS DE REACTORES EN PROCESOS PIROMETALRGICOS

GAS SOLIDO: TOSTACIN, REDUCCION.

GAS LIQUIDO: SOPLADO, DESTILACION.

LIQUIDO LIQUIDO: REACCIONES ESCORIA-METAL.

SOLIDO LIQUIDO: LIXIVIACIN, PRECIPITACION.

TOSTACIN

DEFINICIN:

Es la oxidacin de los sulfuros metlicossometindolos a la accin del aire u otraatmsfera controlada para producir xidosmetlicos y dixido de azufre.

Ejemplo:

2ZnS + 3 O2 = 2ZnO + 2SO24FeS2 + 11 O2 = 2Fe2O3 + 8SO2

La tostacin se efecta:T> 500C : Para que la velocidad de las reacciones sea elevada.T< 1000C : Para que los sulfuros y xidos que intervienen, nofundan.

Los posibles pasos controlantes de un proceso de tostacin son:

1. Difusin del reactante gaseoso (O2) a travs de la capa de

productos slidos.

2. Adsorcin de O2 sobre la superficie del slido en la interfase

de reaccin.

3. Reaccin qumica en la interfase gas/slido.

4. Desorcin del producto gaseoso (SO2) a travs de la capa de

producto slido

Cintica de la tostacin

Cintica de la tostacin

O2

SO2

TIPOS DE TOSTACION:

TOSTACIN OXIDANTE PARCIAL:

Cuando los sulfuros son oxidados parcialmente,obteniendo una mezcla de xidos y sulfuros quese utilizarn despus en una etapa de fusin.

TOSTACIN OXIDANTE TOTAL:Consiste en la insuflacin excesiva de aire, encantidades muy por encima del terico requeridopor las reacciones, con el objeto de que cadapartcula entre en contacto con el oxgeno delaire y todos los sulfuros se conviertan a xidos.

Tostador de lecho fluidizado

TOSTACIN POR SINTERIZACIN:

Proceso cuyo objetivo es oxidar sulfuros yobtener bloques aglomerados, porosos yduros llamados SINTER, destinados a serfundidos dentro de un horno de cuba, en elcual el material fino obstruira el paso del gas.

La aglomeracin es causada por la formacin defases fundidas, como los silicatos de hierro debajo punto de fusin.

Reacciones qumicas de la tostacin porsinterizacin de concentrados de plomo:

2PbS + 3O2 = 2PbO + 2SO2 2FeO + SiO2 = 2FeO.SiO2 = Fe2SiO4, bajo punto de

fusin.

Caractersticas de un aglomerado:

Uniformidad y tamao Resistencia y dureza Contenido de metal Composicin qumica

Mezcla alimentada:

Concentrado de plomoFundentesPolvo de coque: 5 %Agua: 5 10 %.

SINTERIZACION DWIGHT- LLOYD (Reactor de parrilla mvil)

TERMODINMICA DE LA TOSTACIN:

La termodinmica de la tostacin de sulfuros puededescribirse mediante las relaciones de equilibrio queexisten en un sistema ternario Me-S-O a temperaturaconstante y representarse por medio de un diagramabidimensional llamado DIAGRAMA DE KELLOG, endonde las dos coordenadas son las presiones parcialesdel SO2 y O2.

Los diagramas de Kellog, llamados tambin Diagramasde predominancia de reas, muestran zonas o reasdefinidas, dentro de las cuales es predominante, esdecir estable, cierta especie, en funcin de presionesparciales y temperatura.

Las lneas que describen el equilibrio entre dos fases condensadas en sus estados estndar, estn dadas por reacciones como:

S2 + 2 O2 = 2SO2 2SO2 + O2 = 2SO3 MeS + O2 = Me + SO2 2Me + O2 = 2MeO 2MeS + 3 O2 = 2MeO + 2SO2 2MeO + 2SO2 + O2 = 2MeSO4 MeS + 2 O2 = MeSO4

El anlisis termodinmico en el equilibrio:

Recta: Donde:

DIAGRAMA DE KELLOG DEL SISTEMA Zn-S-O A 800 Y 1200K

SECADO

Consiste en calentar los minerales yconcentrados a una temperatura que permitaeliminar el agua que acompaa a losmateriales en forma de humedad.Tericamente se analiza la reaccin:

Donde:

Presin parcial del vapor de agua en la atmsfera del horno de secado.

Presin parcial de equilibrio del vapor de agua.

Si,

Si,

Si,

En la prctica se aumenta la temperatura para secar

Eliminacin del agua contenida en sustancias por

evaporacin.

La presin de vapor de agua debe ser mayor que lapresin parcial del agua en la atmsfera circundante

Es un proceso endotrmico.

Se hacen pasar gases calientes a travs o por encimade la sustancia

Hornos utilizados el el proceso son el horno rotatorioo bien en hornos de lecho fluidizado.

Secado

Horno rotatorio de secado

CALCINACIN La calcinacin o tostacin de descomposicin,

consiste en la eliminacin de los gasesqumicamente combinados. Se aplica para ladescomposicin de carbonatos, sulfatos,hidrxidos, etc.

EQUIPO:HORNOS ROTATORIOS (para material fino).HORNOS DE CUBA (para material grueso o terrones).HORNOS DE LECHO FLUIDO.

CALCINACIN

La calcinacin es ms endotrmica que el secado.

La velocidad de calcinacin est controlada porel suministro de calor necesario por conduccin atravs de la capa de caliza calcinada

La calcinacin puede efectuarse en varios tiposde hornos, horno de cuba, horno rotatorio, lechofluidizado.

Durante la calcinacin se eliminan agua, bixidode carbono y otros gases.