Aglomeracion y Calcinacion de Minerales

AGLOMERACIÓN Y CALCINACIÓN DE MINERALES

MARYURY BLANCO PAZ DIANA CAROLINA CÁRDENAS GUERRERO

Presentado a: GUSTAVO NEIRA

Ph. D Ingeniero Metalúrgico

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERÍAS FISICOQUÍMICAS ESCUELA DE INGENIERÍA METALÚRGICA Y CIENCIA DE MATERIALES LABORATORIO PIROMETALURGIA BUCARAMANGA 2007 OBJETIVOS

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Identificar las principales variables que intervienen y controlan los procesos de calcinación, briquetización y peletización de los minerales.

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Conocer las ventajas que posee la aplicación de los diferentes procesos de aglomeración de minerales, analizando así, su influencia a nivel industrial.

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Realizar un modelo cinético que se ajuste a los datos obtenidos en el laboratorio, para los procesos de briquetización, peletización y calcinación.

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Analizar termodinámicamente la calcinación del carbonato de calcio y de un mineral de hierro.

INTRODUCCIÓN

La aglomeración de minerales es un proceso mediante el cual, las partículas finas que causan grandes problemas en los procesos de obtención de metales, son transformados mediante fusiones parciales y sinterización de las partículas, en una estructura resistente, porosa y totalmente diferente al mineral inicial. En los últimos años, la aglomeración de minerales industriales ha proliferado favorablemente gracias al aprovechamiento de las nuevas tecnologías que posibilitan una modificación de las propiedades físicas y/o químicas, de los

minerales mejorando sus características para su posterior aprovechamiento y manipulación. Este proceso se aplica a minerales molidos o bien a polvos resultantes de los procedimientos de reducción de tamaño; este consiste en aglomerar y consolidar partículas finas, produciendo granos de mayor tamaño. La calcinación teniendo como objeto la remoción de agua, CO2 y otros gases que se encuentran químicamente unidos al mineral, tiene una gran importancia en ciertos procesos pirometalúrgicos, donde los minerales involucrados son utilizados principalmente como fundentes en los procesos del alto horno y el afino del arrabio. Por otro lado tenemos la peletización la cual consiste en la formación de esferas de dimensiones apropiadas en un disco granulador el cual gira con velocidad y ángulo de inclinación determinado para cada tipo de mineral en virtud de las propiedades físicas. Por medio de este proceso se desea obtener esferas o pellets con características especiales. La briquetización se entiende como un proceso de prensa al cual es sometido el mineral con el objeto de incrementar sus propiedades metalúrgicas, por medio de un tratamiento térmico y químico. Teniendo un conocimiento previo de los procedimientos para llevar a cabo los procesos de calcinación, briquetización y peletización se pretende aglomerar y por ende analizar la transformación que se muestre en el mineral en el transcurso del tiempo, para después determinar un modelo cinético que se asemeje a las condiciones provistas durante la práctica.

FUNDAMENTO TEÓRICO

AGLOMERACIÓN Es un proceso mediante el cual, las partículas finas de un mineral, previamente sometido a procesos de trituración o reducción y homogenización de tamaño, son compactadas mediante fusiones parciales, obteniendo una estructura con resistencia mecánica y porosidad mayor, diferente a la inicial; al mismo tiempo

se logra un mejoramiento en la manipulación, transporte y almacenamiento debido a su tamaño y forma homogénea. La aglomeración es posible por: •

Uniones líquidas entre partículas que aparecen por fenómenos de mojabilidad o tensión superficial.

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Agentes enlazantes de alta viscosidad que al solidificarse cristalizan.

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Uniones sólidas que establecen puentes entre partículas, como por ejemplo: cristalización de sales, adhesión, crecimiento, fusión y cristalización del ligante.

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Fuerzas de tipo Van Der Walls.

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Fuerzas electrostáticas.

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Fuerzas de Coulomb.

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Fuerzas de atracción magnética.

Para llevar a cabo este tipo de proceso, se utiliza un aglomerante, el cual debe cumplir las siguientes características: •

Sirve como medio de adherencia entre partículas.

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No contaminante.

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No debe inferir ni reaccionar cuando se realice el proceso de tratamiento metalúrgico.

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Granulometría fina (para ocupar los volúmenes vacíos entre partículas).

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Debe ser económico, abundante y estar al alcance del consumidor.

Los principales procesos de aglomeración son: Proceso de briquetización Es un proceso de compactación que se lleva a cabo sometiendo el material fino a prensa con el objetivo de obtener trozos de igual forma y dimensión, este proceso se realiza con o sin la adición de aglomerantes que pueden ser de tipo orgánico o mineral; también se realiza en frío o en caliente. El producto en este proceso se conoce como briquetas, las cuales son sometidas a tratamientos térmicos con temperaturas cercanas a los 1200˚C con el fin de mejorar sus

propiedades mecánicas. Cuando se utilizan aglomerantes de tipo orgánico el endurecimiento se hace a temperatura ambiente por curado. Proceso de peletización Es un proceso de preparación de minerales finos que consiste en a formación de esferas con la adición de aglomerantes como la bentonita, agua, calo material orgánico. El quipo utilizado para llevar a cabo este proceso es un disco granular el cual gira con velocidad y ángulo de inclinación determinados para cada tipo de mineral en función de sus propiedades físicas. El método de peletización se divide en dos etapas: •

Formación de los pellets verdes: Se lleva a cabo en el disco peletizador, a temperatura ambiente, produciendo esferas que se retiran cuando se alcanza el tamaño deseado, estas esferas llamadas pellets se forman debido a la acción de fuerzas capilares que enlazan las partículas continuamente permitiendo el crecimiento de estos. Esta etapa está principalmente influenciada por el contenido de agua, las características de las partículas de mineral como el área superficial y la granulometría y los parámetros de operación del aparato peletizador.

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Secado, cocción y formación de la estructura: Durante el secado los pellets son sometidos a temperaturas que comprenden entre los 200 y 400˚C, mientras que en la cocción se someten a 1200-1350˚C con el objetivo de evaporar el agua de manera que el aglomerante enlace las partículas confiriéndoles resistencia y evitar el choque térmico y por consiguiente la destrucción de los pellets.

CALCINACIÓN La fabricación de la cal consiste en la calcinación de la caliza, a una temperatura superior a 900 ˚C, según un proceso químico simple; ΔH [kcal] = 42520. El carbonato cálcico se descompone mediante el calor de acuerdo con la ecuación: CaCO3 + 753kCal / kg.CaO  → CO2 + CaO La reacción de descomposición de la caliza se caracteriza por el hecho de que se produce en un frente de descomposición (zona de reacción), en el que el núcleo no es descompuesto de CaCO3 y la envoltura de CaO que se ha formado se tocan. Este frente de descomposición se desplaza de la periferia

hacia el centro a una velocidad determinada. Al mismo tiempo hay una transferencia de calor del exterior hacia el núcleo y un desprendimiento de CO2 hacia el exterior. Hoy en día, la calcinación de la cal se realiza fundamentalmente en hornos regenerativos de corriente paralela que por oposición a loa clásicos a contracorriente, permitan precalentar y recuperar los gases de combustión. Son hornos de doble cuba, en funcionamiento alternativo. Esta tecnología permite una optimización del consumo de energía. Los sulfuros metálicos al igual se tratan mediante calcinación, calentándolos hasta una temperatura por debajo del punto de fusión del metal. Cuando se calcinan sulfuros, el azufre se combina con el oxígeno del aire para formar dióxido de azufre gaseoso, y también resulta un óxido metálico. Los óxidos se reducen después por fundición.

SINTERIZACIÓN Es un proceso de aglomeración de partículas de mena por el calentamiento de finos de mineral a temperaturas elevadas, causada principalmente por el crecimiento de cristales, recristalización y parcialmente la formación de fase fundida, tal que las partículas de sólido en contacto unas con otras se adhieren y aglomeran. Los mecanismos predominantes en la acción de sinterización son difusión superficial y fusión incipiente, y ambas ocurren en la sinterización del material. Las etapas presentes en la sinterización son: •

La etapa inicial de sinterización ocurre cuando las partículas se tocan y forman cuellos.

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La etapa intermedia puede describirse como porosidad interconectada.

•

La etapa final de la sinterización se refiere a la eliminación de la porosidad aislada.

El combustible requerido para la sinterización de minerales de óxidos de hierro se encuentra en rangos de 5-8% de carbón o coque y relativamente independiente del mineral que se sinteriza. Las variables presentes en la sinterización son: •

Temperatura

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Tiempo

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Porcentaje de aglomerante

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Granulometría

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Humedad

MATERIALES Y EQUIPOS •

Mineral de hierro y níquel (Saprolito café)

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Carbón pulverizado

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Muestras de mineral triturado a 10 mallas

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Cemento (aglomerante)

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Trituradora

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Molino

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Disco peletizador

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Briqueteadora

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Mufla

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Horno rotatorio

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Microscopio

PROCEDIMIENTO

1. ELABORACIÓN DE PELETS Y BRIQUETAS DE MINERAL LATERÍTICO Y PREPARACIÓN DE PIEDRA CALIZA •

Se preparó 300 g de piedra caliza previamente tamizada a -10 mallas.

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Se preparó 200 g de carbón pulverizado a -100 mallas y 4 kg de mineral laterítico a -65 mallas.

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Se hicieron dos mezclas de la siguiente manera: Mezcla 1: 2 kg de mezcla mineral (10% cemento y 5% carbón). Mezcla 2: 2 kg de mezcla mineral (10% cemento) – Sin carbón.

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Con la mezcla 1 se hizo un kg de pellets y 1 kg de briquetas (para la elaboración de las briquetas se agregó a la mezcla un 12% de agua).

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Con la mezcla 2 se hizo un kg de pellets y 1 kg de briquetas (para la elaboración de las briquetas se agregó a la mezcla un 10% de agua).

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Se dejaron los pellets y briquetas por separado en una bandeja para su secado a temperatura ambiente.

2. CALCINACIÓN DE MINERALES Y PIEDRA CALIZA •

Se introdujeron los pellets y briquetas de la bandeja a la estufa a 110˚C por una hora antes de su calcinación.

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Se formaron 5 grupos para dividir el trabajo de la siguiente manera: Grupo 1: Realizó la calcinación de pellets elaborados con carbón en el horno rotatorio (500 g de pellets). Grupo 2: Realizó la calcinación de briquetas elaborados con carbón en el horno rotatorio (500 g de briquetas). Grupo 3: Realizó la calcinación de pellets elaborados sin carbón en el horno rotatorio (500 g de pellets). Grupo 4: Realizó la calcinación de briquetas elaborados sin carbón en el horno rotatorio (500 g de briquetas). Grupo 5: Calcinó la piedra caliza. NOTA: En todos los casos se tomaron muestras a los 0, 2, 5, 15, 30 y 45 minutos de calcinación. Tiempo total de calcinación 45 minutos. La calcinación se hizo a una temperatura aproximada de hasta 950 ˚C.

3. OBSERVACIÓN DE LAS MUESTRAS REALIZACIÓN DE CÁLCULOS

AL

MICROSCOPIO

Y

Se observaron las muestras en el microscopio, para ver el progreso de las transformaciones del mineral con el tiempo de calentamiento.

INFORME

Describir la termodinámica y la cinética de la calcinación del mineral aglomerado en forma de pellets y de briquetas: Cuáles son las variables que controlan el proceso de calcinación; Estabilidad termodinámica de

las fases de hierro y níquel presentes en el mineral; Efecto del calentamiento sobre el mineral y Modelo cinético de la reacción. Entre las variables que controlan el proceso de calcinación se encuentran: •

Temperatura: un aumento en la temperatura produce un aumento en la velocidad de reacción.

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Interfase: Tamaño, estructura cristalina, porosidad, forma y densidad, así un aglomerado muy denso y con baja porosidad presentará una velocidad de reacción lenta. Por otra parte el tamaño de los aglomerados es proporcional con el tiempo de reducción.

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Presencia de impurezas: Impide la velocidad de reacción del aglomerado.

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Presión parcial de los gases.

El mineral tratado consta principalmente de óxidos de hierro y níquel; y las reacciones que se dan en la reducción son: NiO + CO  → Ni + CO2 3Fe2 O3 + CO  → 2 Fe3 O4 + CO2 Fe3 O4 + CO  → 3FeO + CO2 FeO + CO  → Fe + CO2 En donde el primer óxido que reacciona es el FeO y su desaparición ocurre hasta la reacción completa del NiO, de los óxidos de hierro los mas estables termodinámicamente hablando son Fe3O4 y Fe2O3. Es posible la reducción del NiO sin reducir simultáneamente el FeO a metal a temperaturas inferiores a 650˚C aunque suele ser un proceso demasiado lento; es por esto que al reducir el NiO se reduce poco Fe altamente oxidado a Fe3O4, proporcionando una buena velocidad del proceso cuando son temperaturas mayores a 760˚C. Podría decirse que para hacer un modelo cinético para la calcinación de los pellets y las briquetas es algo mas complicado, dado a la dificultad visual que podría llevar a errores y a que la forma geométrica de una briqueta no es común y fácil de medir y los pellets no son completamente esféricos como para hacer un modelo basado en el modelo de núcleo sin reaccionar.

Discutir el efecto de la presencia del carbón y el efecto de la porosidad del aglomerado sobre la cinética del proceso. La presencia de carbón en los aglomerados produce un aumento en la velocidad de la reacción debido a la formación de CO que con el carbono libre favorecen la reducción de los óxidos presentes en el material laterítico. El efecto de la porosidad en el aglomerado varía según el proceso; en el caso de los pellets presentan una porosidad mayor que las briquetas (debido a la presión que se necesita para su formación); luego estos poros facilitan la penetración de los gases en el interior, aumentando así la velocidad de reacción; mientras que en el caso de la briquetas los gases encuentran mayor obstáculo a su paso retardando así la reacción.

Calcular la temperatura de disociación del carbonato de calcio a partir de los datos de laboratorio y compararlo con el valor teórico. La reacción de descomposición de los carbonatos se define por su presión de disociación y por la temperatura, la presión parcial del CO2 en la fase gaseosa y la presión total de los gases en el espacio de la reacción. La presión de disociación se puede calcular a partir de la constante de equilibrio de la reacción. k=

a MeO ∗ PCO2 a MeCO3

Las actividades del óxido y del carbonato metálico son 1 porque son cuerpos puros y no forman entre sí soluciones sólidas. k = PCO2

La presión de disociación del carbonato se incrementa con el aumento de la temperatura. La presión de disociación caracteriza la estabilidad de los carbonatos; si la presión de disociación es baja, el carbonato es el más estable; si la temperatura aumenta, la presión de disociación aumenta y la estabilidad disminuye.

La reacción de la disociación del carbonato de calcio es: CaCO3  → CaO + CO2 El valor teórico de la temperatura de disociación del carbonato de calcio se halla utilizando las ecuaciones: ∆G°( CaCO3 ) = 40250 − 34.4T

(

∆G° = − RT ∗ Ln( K ) = − RT ∗ Ln PCO2

)

Igualando las ecuaciones anteriores, entonces: − RT ∗ Ln( k ) = 40250 − 34.4T Si se asume PCO2 es de 1 atm y R=8.314 J/mol*K; reemplazando en la ecuación anterior se obtiene: 0 = 40250 − 34.4T T=

40250 = 1170° K = 897°C 34.4

El valor experimental de la temperatura es 900-950˚C, este valor corresponde a la temperatura de la mufla del laboratorio.

La presión de disociación para varas temperaturas puede calcularse por:

(

)

Log PCO2 =

− 8920 + 7.54 T

PCO2 = k = 0.141

Proponer un posible modelo cinético para la calcinación del carbonato de calcio. Peso antes de calcinar (CaCO3) 9.682

Mol antes de calcinar (CaCO3) 96,82

t de calcinac ión (min) 0

Peso después de calcinar (g) 9.682

Peso C02 producido (g)

Mol CO2 produci das

% peso perdi do

0

0

0

9.514 9.802 9.619 9.855 9.773

95,14 98,02 96,19 98,55 97,73

2 5 15 30 45

8.717 7.980 7.460 5.822 0.004

0.797 1.822 2.159 4.033 9.769

0.181 0.041 0.049 0.091 0.222

8.37 18.58 22.44 40.92 99.95

De los datos de la tabla anterior se grafica tiempo vs, el % de peso perdido, con el fin de observar el comportamiento global de la reacción.

La reacción que ocurre en la calcinación de la piedra caliza, es una reacción de descomposición, es decir, un compuesto se descompone en dos o más compuestos, generalmente por acción del calor. Debido a que no se conoce el orden de la reacción estudiada, se propone un modelo cinético del tipo: − rA =

− dC A = KC An dt

Se separan variables, y se integra para obtener una ecuación de la forma: C 1A−n − C 1A−0 n = ( n − 1) Kt n = Orden de la reacción k =Constante de equilibrio de la reacción

n≠1

CA0 = Concentración inicial de la caliza CA = Concentración de la caliza en el tiempo t Para resolver esta ecuación se cuenta con la composición inicial de la caliza, los tiempos y la composición de la caliza en cada uno de ellos, por lo tanto es necesario calcular los valores de n y k, para lo cual es necesario tener en cuenta dos condiciones: n