Pirometalurgia del Plomo.pptx

IROMETALURGIA RGIA DEL PLOMO PIROMETALU P. Pirometalúrgicos II

1. FUSIÓN A MATA DEL PLOMO 

 El   plomo   se presenta en la naturaleza principalmente como  galena, PbS.

1.1. Método de tostación-reducción 

El método estándar para la producción del   plomo   consiste primero en tostar o sinterizar la mena para producir el PbO. Este se funde después con carbón en el alto horno de producción de plomo. PbS + 3/2 O2 = PbO + SO2 2PbO + C = 2Pb + CO2

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Si la mena no contiene óxido de hierro suficiente como para formar una escoria adecuada, puede añadirse chatarra de Fe. En tal caso, el hierro actúa también como un agente reductor PbO + Fe = Pb + FeO, haciendo que disminuyan los requerimientos de coque y que aumente la capacidad de fusión del horno.

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 La escoria que sale del horno de plomo tiene un punto de fusión de casi 1200°C; el plomo se funde a 327° C.

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 La parte inferior de la cuba del horno está formada por placas de acero enfriadas por agua. Sobre éstas solidifica una capa de escoria la cual forma un recubrimiento.

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 El crisol se encuentra generalmente recubierto con ladrillo de óxido de Mg de alta calidad.

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 Los productos del alto horno de plomo son el  plomo crudo (plomo de obra), el cual contiene impurezas como Sb, Sn,  As y Cu. También, cualquier metal noble presente, como el  Au y la Ag, se concentrarán en el plomo.

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  La escoria está formada esencialmente por silicato de Fe y algo de CaO. Si la carga contiene algo de ZnO, éste se encontrará también en la escoria.

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 Si la carga contiene S, éste reaccionará con algo del Fe para formar un   fundido de sulfuros o mata .  La mayor parte del Cu en la carga se concentrará en la mata.

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 Si la carga es rica en Sb o en As éstos pueden reaccionar con el Fe formando una fase líquida separada, el   speiss,   en el cual se concentran el Co y el Ni, en caso de encontrarse presentes.

1.2. Método de tostación-reacción 

 La reacción global del método de tostación-reacción es 2PbO + PbS = 3Pb + SO2

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El cambio en la energía estándar de Gibbs para esta reacción es negativo por encima de 900°C, si bien es menor que para la reacción correspondiente en el cobre.

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 Además, el PbS, PbO y Pb son bastante volátiles lo que obliga a una cota superior a la temperatura que puede usarse sin que se tengan pérdidas excesivas de vapor.

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 El método de tostación-reacción es probablemente el más viejo de todos los procesos metalúrgicos: mediante la oxidación controlada de la mena de sulfuro de plomo en un crisol alrededor de 900°C, se obtiene el metal el cual puede drenarse.

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 Puesto que el cambio en la energía de Gibbs de la reaccióntostación es sólo un poco negativo, la actividad química del PbO para coexistir con PbS y Pb será apreciable y las pérdidas de plomo en la escoria, la cual está formada por material de ganga contenido en la mena, serán grandes.

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 Con la disponibilidad actual de concentrados con bajos contenidos de ganga, la tostación-reacción del plomo ha llamado nuevamente la atención y se han desarrollado varios procesos nuevos.

Proceso Boliden 

En el proceso Boliden, se funde y oxida concentrado de PbS dentro de un horno eléctrico.

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La oxidación se lleva hasta el punto en que el plomo crudo contiene aún alrededor de 3% de azufre y tiene que refinarse posteriormente.

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Al mismo tiempo, las pérdidas de plomo en la escoria son apreciables. Los menores contenidos de plomo, ~ 4%, se obtienen para una escoria básica con aproximadamente 34% de CaO.

1.3. Método de reducción con hierro metálico 

  El sulfuro de plomo puede descomponerse también por medio de hierro metálico PbS + Fe = Pb + FeS

∆G°1273 ≈ -25

kJ

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La reacción se facilita debido al hecho de que el hierro es prácticamente insoluble en el plomo líquido; así, el metal producido será bastante puro.

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 Para poder obtener una buena recuperación se necesita un exceso de hierro con lo cual se forma una mata de sulfuro de hierro con un pequeño contenido de plomo.

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La descomposición con hierro puede utilizarse también con el sulfato de plomo, en cuyo caso, además de una mata de sulfuro de hierro, se obtiene una escoria de óxido ferroso.

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Entonces, la fusión con hierro metálico es particularmente adecuada para el procesado de chatarra de  baterías viejas de plomo.

2. REFINACIÓN POR SEPARACIÓN METAL-METAL 

 El plomo crudo que viene del alto horno generalmente contiene algo de cobre. Parte de este cobre puede separarse enfriando simplemente el plomo impuro hasta una temperatura ligeramente arriba de su punto de fusión.

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 La presencia de azufre, arsénico, antimonio o estaño favorecen la separación del cobre cuando se encuentran en el plomo crudo. Estos elementos forman compuestos sólidos estables con el cobre los cuales se separan del líquido durante el enfriamiento.

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 El cobre metálico y los compuestos sólidos son más ligeros que el plomo por lo que ascienden hacia la superficie y pueden ser despumados.

  Tales fases sólidas que flotan encima del metal se llaman generalmente escoria metálica o escoria de metal fundido. Estas impurezas pueden ser de metal insoluble, pero más frecuentemente están formadas por sulfuros, arseniuros u óxidos.

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 La separación de estas escorias del metal no es tan buena como para el caso de escorias líquidas en los metales; este tipo de escorias contienen generalmente grandes cantidades de metal ocluido.

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 Al mezclar estas escorias con aserrín o con cloruro de amonio, la fase líquida de plomo aglutina y puede sacarse parcialmente. La porción restante puede recuperarse durante el tratamiento posterior de la escoria.

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Se puede eliminar una mayor cantidad del cobre que se encuentra en el plomo líquido mediante la introducción de un poco de azufre elemental el cual, a la temperatura en cuestión, estará abajo del punto de ebullición.

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 Al reaccionar con el azufre elemental, el contenido de cobre del plomo puede ser mucho menor que el que se calcula para el equilibrio PbS(s) + 2Cu = Cu2S(s) + Pb(1)

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Este fenómeno se explica diciendo que el azufre líquido representa un potencial de azufre mucho mayor que el dado por el equilibrio (1) y que las dos reacciones proceden hacia la derecha. Pb + S(l) = PbS(s) (2-x) Cu + S(l) = Cu 2-xS(s)

(2) (3)

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Parece ser que la rapidez de la reacción (3) es mucho mayor que la de la (2) y que casi se alcanza un cierto equilibrio parcial con azufre elemental para el cobre, pero no para el plomo.

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 Para complicar aún más las cosas, la observación arriba mencionada se refiere a condiciones industriales en donde el plomo contiene también impurezas como estaño y plata. En ausencia de estas impurezas no se observa el fenómeno.

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Parece entonces que el estaño y la plata catalizan la reacción (3) o inhiben la reacción (2).

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Una vez que todo el azufre ha reaccionado o se ha evaporado, el contenido de cobre del plomo aumentará nuevamente debido a la inversión de la reacción (1) hasta que se establece el equilibrio con el PbS.

2.1. Proceso Pattison 

 Existe un tipo de licuación inversa la cual ocurre cuando el metal puro tiene un punto de fusión mayor que el fundido impuro.

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Un ejemplo típico lo constituye el denominado   proceso Pattison, utilizado antiguamente para el desargentizado del plomo.

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La figura 13.16 muestra el diagrama de fases plomo-plata.

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 El plomo crudo contiene frecuentemente alrededor de 0.2% de plata. Si éste se enfría lentamente, cristalizará plomo esencialmente puro y el liquido se enriquecerá con plata hasta la composición eutéctica de 2.5% de Ag.

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  En la práctica se utilizaba un sistema de cristalizaciones y fusiones sucesivas con lo que se obtenía una fase líquida con hasta 2% de Ag.

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 Si bien esta plata aún contiene 98% de plomo, es el resultado de una relación de concentración de alrededor de diez. La plata podía entonces recuperarse de la aleación plomo-plata mediante la refinación oxidante, copelación, es decir, el 98% del plomo se oxidaba y el dos porciento

2.2. Proceso Parkes 

 El desargentizado del plomo se efectúa actualmente por medio del   proceso Parkes. En este proceso se añade algo de zinc al plomo impuro.

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El zinc forma varias fases sólidas estables con la plata, mientras que, como puede deducirse de la curva de   liquidus en la figura 13.16, el sistema plomo-plata muestra una desviación positiva respecto al mezclado ideal.

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 Al enfriar un fundido de plomo-zinc-plata hasta exactamente arriba del punto de fusión del plomo, las fases sólidas de zincplata precipitarán y pueden ser despumadas.

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 Para poder obtener una alta recuperación de plata es común efectuar un tratamiento doble con zinc.

 El tratamiento posterior de la aleación zinc-plata, la cual contiene cantidades apreciables de plomo ocluido, es como sigue:

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 Primero se destila el zinc calentando la aleación dentro de una retorta hasta una temperatura superior al punto de ebullición del zinc.

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 La aleación plomo-plata restante, que puede contener hasta 50% de plata, se oxida dentro de un horno de crisol (copelación) hasta que todo el plomo se ha oxidado.

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 El metal noble restante se refina por electrólisis para producir plata pura y recuperar su contenido de oro.

2.3. Otros procesos 

Una vez eliminado el compuesto de zinc-plata, el fundido de plomo contiene hasta 1% de zinc, el cual debe ser eliminado.

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La deszincificación del plomo podía efectuarse por oxidación o por tratamiento con cloro para formar cloruro de zinc.

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 También, la deszincificación se realiza mediante un tratamiento al vacío con lo cual el zinc se evapora y puede recuperarse en forma metálica para su uso posterior.

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  Un método parecido al proceso Parkes se utiliza a veces si el plomo contiene bismuto. En este caso, se añade una aleación de Ca-Mg al fundido. Esta forma una aleación sólida con el bismuto la cual puede despumarse.

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Sin embargo, es más común eliminar el bismuto y recuperarlo mediante refinación electrolítica.

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 Debe mencionarse finalmente que el   arsénico y el antimonio en el zinc crudo que viene del alto horno ISP (Imperial Smelting Process) pueden eliminarse por tratamiento con sodio metálico con lo cual se produce la precipitación de NaAs y NaSb.