PIROMETALURGIA

UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE ICA FACULTAD DE INGENIERIA DE MINAS Y METALURGIA

PIROMETALURGIA URBANO RICARDO CRUZ CONDORI ING. METALURGISTA

PIROMETALURGIA Es la rama de la metalurgia extractiva, que se encarga de la extraccion y purificación de los metales, a través de la utilización del calor. Técnica extractiva de metales, a partir de los minerales, eliminando la ganga, que se trata de silicatos u otros minerales sin interés, que se desechan para obtener el metal.

Cu2SFeS

PIROMETALURGIA Es la rama de la metalurgia extractiva, que se encarga de la extraccion y purificación de los metales, a través de la utilización del calor. Técnica extractiva de metales, a partir de los minerales, eliminando la ganga, que se trata de silicatos u otros minerales sin interés, que se desechan para obtener el metal.

Cu2SFeS

METALURGIA EXTRACTIVA 1.Metalurgia 2 Menas: clasificación 3 Los metales: distribución y clasificación 4 Procedimientos de la metalurgia extractiva 5 Diagramas de flujo 6 Estequiometría y balances metalúrgicos

22/10/08- URCC - FIMM - NASCA

METALURGIA La metalurgia es la ciencia, arte y la tecnología de la extracción de metales de sus fuentes naturales y su preparación para usos prácticos. Implica varios pasos: explotación de las minas, donde la extracción del mineral puede ser a tajo abierto o minado subterráneo concentración de la mena, mediante flotación. C. gravimetría, c. Magnética o lixiviación. Fundición de la mena para obtener el metal libre, refinación o purificación del metal Obtención de aleaciones, que se produce mezclando el metal purificado con otros elementos para modificar  sus propiedades químicas, físicas y mecánicas. •

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EXPLOTACIÓN DE LAS MINAS TAJO ABIERTO Se explotan cuando los yacimientos son de gran tamaño, presentan una forma regular, y están ubicados en la superficie o cerca de ésta. Una ves removido el mineral, se realiza el carguío en camiones o fajas transportadoras, usando cargadores frontales o palas mecánicas, que lo llevan hasta la Planta de Chancado para iniciar el proceso de concentración. MINA PIERINA TAJO ABIERTO

MINADO SUBTERRÁNEO son las minas cuya explotación se realiza bajo tierra. En estas minas, el sistema 22/10/08- URCC -voladura, FIMM - NASCA de explotación consiste en: perforación, acarreo y transporte fuera de

EXPLOTACIÓN DE LAS MINAS

CONCENTRACIÓN DE LA MENA Las menas con valor económico, pueden ser : sulfuros y óxidos Los óxidos se lixiviación y Los sulfuros se flotan como medios de concentración LA LIXIVIACIÓN.- consiste en disolver los minerales oxidados en una solución ácida que, ante la presencia de chatarra de fierro, permite liberar el cobre como precipitado metálico. Las finas partículas de cobre obtenidas mediante este proceso constituyen el precipitado o cemento de cobre de una ley entre 70% a 85%. EL PROCESO DE FLOTACIÓN.- se funda en la propiedad que poseen las partículas mineralizadas de mena finalmente molidas para adherirse a las burbujas de aire generadas en un recipiente con agua y reactivos en agitación. Al emerger, las burbujas recogen las partículas de menas de sulfuro y constituyen el concentrado que tiene leyes entre 18% y 40%. 22/10/08- URCC - FIMM - NASCA

FUNDICIÓN Consiste en separar  el metal de la ganga, mediante altas temperaturas, El concentrado húmedo se seca en horno rotatorio luego se funde en el Convertidor. De este proceso, (cobre), sale el metal blanco, pasa a la etapa de conversión en reactores Pierce Smith, produciendo cobre Blister de 99% de pureza. Los gases residuales se procesan, para producir ácido sulfúrico. La escoria se procesa en el Horno Eléctrico para extraer el cobre residual y se descarta, con un contenido de cobre inferior al 0,6 %, en el escorial.

REFINACION A FUEGO DE COBRE En el refinado a fuego los hornos se alimentan del cobre blister. Después de un breve proceso térmico, el producto queda en condiciones de moldearse en placas de 275 kg., llamadas ánodos de 99,6 % de pureza. Esta transformación es indispensable para iniciar el proceso de refinación electrolítica. Cátodo: Cu++ --+ 2e- Cu°

Anodo: SO4= -- - 2e- SO4°

Reacción global: SO4 + Cu -- CuSO4

REFINACION ELECTROLITICA DE COBRE En la refinación electrolítica, se separan las últimas impurezas del cobre refinado a fuego. En un período entre 8 y 11 días, el cobre (ánodo) pasa cátodo, hasta alcanzar 115 kg. de cobre 99,99% de pureza, para ser  comercializado y manufacturado en la industria nacional o extranjera. Las impurezas obtenidas en la refinación electrolítica forman el barro anódico que al procesarlo en una planta de metales nobles, permite recuperar oro, plata y selenio.

MENAS: CLASIFICACIÓN Mineral: parte del yacimiento que contiene sustancias útiles en proporción variable Mena: (ore): minerales de valor económico, los cuales constituyen entre un 5 y 10% del volumen total de la roca. Corresponden a minerales sulfurados y oxidados, que contienen el elemento de interés, por ejemplo cobre, molibdeno, zinc, etc.

Menas más importantes Óxidos metálicos Carbonatos Sulfuros

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MENAS: CLASIFICACIÓN Elementos nativos o sustancias simples Nitruros, carburos, y fosfuros. Metales Oro [Au], Plata [Ag], Cobre [Cu]; No metales,

Diamante [C], Grafito [C]. S u l fu r o s S u l f u r o s y   S el en i u r o s , T e l u r u r o s , Arseniuros, Antimoniuros y  .Bismuturos 

Galena [PbS], Antimonita [Sb2S3], Blenda [ZnS], Cinabrio [HgS].

ÓXIDOS E HIDRÓXIDOS

Son minerales donde el oxígeno forma enlaces con metales: Arenas [SiO2], Casiterita [SnO2 , Cromita [Fe,Mg(Cr2O4)], Cuarzo [SiO2], Hematita [Fe2O3], Ilmenita [FeTiO3], Pirolusita [MnO2], Bauxita [FeAl2(PO4)2(OH)2. 6H2O]. CARBONATOS Calcita [CaCO3], Caliza [CaCO3].

SULFATOS Baritina [BaSO4],  Yeso [CaSO4.2H2O]. FOSFATOS Apatito [Ca5(F, Cl)/(PO4)]. SILICATOS Arcilla; Bentonita [Al2(OH)2(Si4O10)], Caolín [Al4(OH8)/Si4O10], Cianita [Al[6](O/SiO4)], Garnierita [(Ni,Mg)6(OH)8/Si4O14], Moscovita [KAl2(OH,F)2/AlSi3O10], Talco [Mg3(OH)2/Si4O10].

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LOS METALES: DISTRIBUCIÓN Y CLASIFICACIÓN Los metales: Son sustancia que tiene un lustre específico y que es buen conductor del calor  y de la electricidad y que se puede golpear y moldear en varias formas. Metal: es una sustancia que tiene lustre específico y que es buen conductor del calor y de la electricidad y que se puede golpear y moldear en varias formas

PROCEDIMIENTOS DE LA METALURGIA EXTRACTIVA

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Proceso de concentración del mineral. “Flotación” selectiva de compuestos de cobre y molibdeno . Espesamiento y filtración del concentrado de cobre. Procesos pirometalurgico Secado de concentrados. Fusión de concentrados para obtener “matas” Conversión del eje acore “Blister”. Refinación a fuego para llegar a cobre Moldeo de ánodos Procesos electroquímicos. Refinación electrolítica, para obtener finalmente “Cátados” de alta pureza.

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PROCESOS PIROMETALÚRGICOS Y DIAGRAMAS DE FLUJO EN LA PRODUCCIÓN DE COBRE

CONCENTRADO DE COBRE SECADO

FUSION A MATA

FUSION DIRECTA A BLISTER 

Mata

Escoria

Blister

CONVERSION

CONVERSION

DISCONTINUA

CONTINUA

Blister

Escoria

REFINACION A FUEGO

Blister

Escoria

Escoria

LIMPIEZA DE ESCORIA

Mata /AleaciónCu Escoria de Descarte

Anodos/ RAF

MOLDEO

Escoria

Cu Rechazado

FUSION CONCENTRADO - PROCESOS EN BAÑO CONCENTRADO DE COBRE

FUSION

Calcopirita: CuFeS Calcocina: CuS

Polvo Ducto  As,Sb,Zn,Pb

Impurezas: As, Sb, Bi, Zn, Pb Metales Preciosos Ag, Au, Pt Ganga Cuarzo: SiO2 Dolomita: CaCOMgCO  Aluminatos: SiO*Al2O

Gas Salida SO2, CO, O2

MATA: Cu2S-FeS, Fe3O4 As, Sb, Bi, Zn, Pb, Ag, Au, P

ESCORIA SiO2, Fe3O4, CaO MgO, Al2O3, Cu2O Cu(CuS-FeS), As, Sb Bi, Zn, Pb.

PROCESO TENIENTE

PROCESOS FUSION FLASH HORNO OUTOKUMPU

PROCESO FLASH INCO

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MECANISMO DE FUSION DEL CONCENTRADO – MODELACION MATEMATICA

PROPIEDADES INTRÍNSECAS DE LOS PROCESOS DE ALTA TEMPERATURA

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Altas tasas de reacción a alta temperatura. Puede utilizarse una variación de temperatura para cambiar el equilibrio de una reacción. Los sulfuros metálicos pueden utilizarse como combustible. Los flujos involucrados tienen altas concentraciones de metal. Muchos metales fundidos son inmiscibles con las escorias fundidas. Los metales preciosos son solubles en el metal fundido. Las presiones de vapor son por lo general elevadas a alta temperatura. Invariablemente todos los procesos piro metalúrgicos originan subproductos gaseosos. Las escorias metalúrgicas son relativamente estables en el ambiente natural.

PIROMETOLURGIA DEFINICIONES FASE METALICA (molten) En estado líquido. Los metales fundidos fluyen como líquido

MATA

ESCORIA

COQUE

(slag) Fundente enfriado que se forma arriba del baño metalico. La escoria protege el metal que se enfría y luego se le hace la colada.

FUNDENTES flux) Material no metálico que se usa para proteger la fase metálica de la contaminación atmosférica

ALGUNAS DEFINICIONES •

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INMISCIBILIDAD: Se dice de cada uno de dos o más elementos o compuestos que no se mezclan entre sí. SOLUBILIDAD: Es una medida de la capacidad de una determinada sustancia para disolver en un líquido. Puede expresarse en moles por litro, en gramos por litro, o en porcentaje de soluto; en algunas condiciones puede sobrepasarla, denominándose solución sobresaturada. La solubilidad de una sustancia depende de la naturaleza del disolvente y del soluto, así como de la temperatura y la presión del sistema.

ALGUNAS DEFINICIONES PRESIÓN DE VAPOR: La presión de vapor o más comúnmente presión de saturación es la presión a la que a cada temperatura las fases líquida y vapor se encuentran en equilibrio; su valor es independiente de las cantidades de líquido y vapor presentes mientras existan ambas. En la situación de equilibrio, las fases reciben la denominación de líquido saturado y vapor saturado. El factor más importante que determina el valor de la presión de saturación es la propia naturaleza del líquido, encontrándose que en general entre líquidos de naturaleza similar, la presión de vapor a una temperatura dada es tanto menor cuanto mayor es el peso molecular del líquido. •

ESCORIA: Las escorias son un subproducto de la fundición de la mena para purificar los metales. Se pueden considerar como una mezcla de óxidos metálicos; sin embargo, pueden contener sulfuros de metal y átomos de metal en forma de elemento. Durante la fundición, cuando la mena está expuesta a altas temperaturas, sus impurezas se separan del metal fundido y se pueden retirar. La colección de compuestos que se retira es la escoria. La escoria tiene muchos usos comerciales y raramente se desecha. A menudo se vuelve a procesar para separar  algún otro metal que contenga. •

PIROMETALURGIA PRINCIPALES REACCIONES CALCINACION: Descomposición de un mineral en sus óxidos formadores por  la acción del calor  TOSTACION :

FUSION:

Oxidación de un sulfuro en presencia de aire

Obtención de una fase fundida

Oxidante

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--- Oxido de metal

Sulfatante --- Sulfato

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Clorurante --- Cloruro

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Aglomerante --- Oxido aglomerado

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Fase metálica reducida (Me)

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Fase oxidada (escoria)

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Fase sulfurada (mata)

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Fase con arsénico (speiss)

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PIROMETALURGIA PRINCIPALES REACCIONES VOLATILIZACION Obtención del metal o compuesto del metal como gas Oxidante y neutra ------ Compuesto Reductora

------- Metal

METALOTERMIA Desplazamiento de un metal de un compuesto por otro metal mas ávido por el metaloide formador del compuesto ELECTROLISIS IGNEAS O DE SALES FUNDIDAS Obtencion de un metal a partir de un compuesto en estado fundido utilizando como reductor la corriente electrica

ESTEQUIOMETRÍA Y BALANCES METALÚRGICOS

ESTEQUIMETRIA Es el estudio de las relaciones cuantitativas entre las masas, los volúmenes y el número de moles de moléculas de los reactivos que intervienen en una reacción química y los productos obtenidos. Es el estudio cuantitativo de reactivos y productos en una reacción química

ESTEQUIOMETRÍA Y BALANCES METALÚRGICOS REACCIONES QUIMICAS EN LA TECNOLOGIA TENIENTE

PRINCIPIOS DE CONSTRUCCIÓN DE BALANCES DE MASA Y CALOR REGLAS GENERALES Ley de Conservación de la Materia Ley de Conservación de la Energía

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Entrada

SISTEMA (Acumulación)

Los balances de materiales pueden ser descritos en términos de: Masa total Moles totales Masa de una especie en particular  Moles de una especie en particular  Masa de una especie atómica Moles de especies atómicas Para un proceso en estado – estable continuo la acumulación = 0 ENTRADA = SALIDA

Salida

DEFINICIÓN DE “SISTEMA” – PRINCIPIO DE “CAJA NEGRA”

DEFINICIÓN DE “SISTEMA” – PRINCIPIO DE “CAJA NEGRA” BALANCE DE MASA TOTAL: mconc + mfund + mretornos + maire + moxigeno – mmata – mescoria – mpolvo – mgas = Dmescoria + Dmmata A causa que el proceso no es continuo, no hay estado estacionario de entrada y salida de materiales y debe estar referido a la unidad de tiempo Dmescoria , Dmmata : acumulación de escoria y mata en el Reactor  BALANCE DE MASA DE COBRE: mconc %Cuconc + mretornos %Curotornos – mmata %Cumata – mescoria %Cuesccoria – mpolvo %Cupolvo = Dmescoria %Cuescoria + Dmmata %Cumata

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BALANCE DE MATERIALES PARA UNA MASA DESCONOCIDA DE PRODUCTOS

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SUPOSICIONES Y PROCEDIMIENTO La masa de polvos es conocida como un porcentaje de la alimentación. La composición química de los productos es conocida. La masa de la escoria y mata de cobre es calculada por la comparación del balance de fierro y cobre. Masa de cobre se verifica por balance de sílice Para saber la utilización de oxígeno, la masa de gases de salida se calcula basado en los balances de azufre y oxígeno. La acumulación de mata de cobre y escoria es conocida

EJEMPLO 1.

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Un concentrado húmedo que contiene 8% H2O, 89,2% CuFeS2 y 2,8% SiO2, se funde en un horno de reverbero, obteniéndose un eje compuesto de Cu 2S y FeS (42 % Cu) y una escoria con 65% FeO y 35% SiO 2. El calor y oxígeno necesario para producir estos productos, es suministrado por un quemador. Calcule: Peso del metal blanco, de la escoria y fundente necesario. Volumen de oxígeno requerido y de SO 2 producido. (no considere nitrógeno).

PIROMETALURGIA VENTAJAS Velocidades de reacción muy rápidas Producción elevada y en grandes instalaciones Idóneos para el tratamiento de materias primas complejas y heterogéneas

DESVENTAJAS poca selectividad y eficiencia de las reacciones químicas debido a la existencia de materiales impuros Muchas veces es necesario repetir  etapas Problemas de contaminación ambiental Por residuos gaseosos (so2)

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Por ruidos

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Consumo energético elevado