FUSIÓN (22-03-2015)

MATERIA PRIMA DE ALIMENTACIÓN FUNDICIÓN

Concentrado de Cobre: Mezcla de sulfuros de cobre, hierro y ganga mineral: a) Sulfuros de hierro y cobre * Cu2S Calcosina * CuS Covelina * CuFeS2 Calcopirita * FeS2 Pirita * Cu5FeS4 Bornita b) Ganga * SiO2 Sílice * Al2O3 Alumina * CaO Cal * MgO Magnesita

OBJETIVO DE LA FUNDICIÓN

Obtener cobre metálico a partir del concentrado de cobre:

* Separar el cobre del hierro, azufre y ganga contenido en el concentrado.

* Asegurar calidad del producto final acorde a los requerimientos de procesos posteriores.

CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DEL PROCESO PIROMETALÚRGICO

* Se realiza a altas temperaturas (1.150 – 1.250°C) en equipos (hornos) diseñados para ello.

* Los productos intermedios (materiales en proceso) se encuentran en estado fundido (líquido a altas temperaturas).

* Recurre al uso de insumos específicos para poder desarrollarse: combustible, aire comprimido, oxígeno industrial, electricidad, fundentes (sílice, carbonatos de calcio y sodio, etc.)

En términos simples se puede decir que la fusión de concentrados, es una etapa donde existe un cambio físico, desde el estado sólido a uno líquido fundido.

En este cambio físico ocurre la separación de las especies útiles que forman el eje o mata (45 a 65% Cu), de las especies inservibles que conforman la escoria. Esta separación ocurre por un fenómeno natural cuando sus densidades son diferentes.

Proceso de Fusión

La mata o eje, principalmente Cu2S-FeS, tiene una densidad superior a la de la escoria, por lo que ésta se va al fondo del reactor, esta fase, es una solución homogénea de cobre, hierro y azufre, con pequeñas cantidades de otros metales básicos y metales preciosos (metales nobles)

La escoria estará formada por los óxidos naturales que contiene la carga, tales como SiO2; Al2O3; CaO, además de los óxidos de hierro (FeO, Fe2O3, Fe3O4), los cuales se ve incrementados al existir una etapa previa de tostación. Estos compuestos tienen altos puntos de fusión, incluso más que los compuestos metálicos, es necesario la adición de fundentes, cuyo objetivo es disminuir el punto de fusión de la carga. Generalmente se adiciona como fundentes SiO2, reactivo que junto a los óxidos de hierro forman una escoria fayalítica (2FeO*SiO2), que tiene bajo punto de fusión y es bastante fluida.

Durante el proceso de fusión ocurre pérdida de cobre en la escoria en forma de óxido de cobre, pero esta debiera ser mínima, ya que los óxidos de cobre reaccionan con los sulfuros de hierro presentes en el sistema, permitiendo la sulfidización del cobre, el cual pasa a formar parte de la mata, según la siguiente reacción.

Cu2O + FeS = Cu2S + FeO

Fusión Flash o inmediata

Se caracteriza por fundir el concentrado mientras se encuentra suspendido en el gas que provee el oxígeno necesario para las reacciones de fusión conversión

Los reactores utilizados para la fusión de concentrados sulfurados de cobre por el método de fusión instantánea son los Hornos de Fusión Flash, de los cuales se conocen dos opciones típicas el proceso Flash Finlandés de Outokumpu Oy y el proceso Flash Canadiense de INCO.

Fusión Flash o inmediata

El proceso de fusión a eje involucra una oxidación, calentamiento y fusión de concentrados Cu-Fe-S en un ambiente alrededor de 1.200°C.

Para apoyar el proceso de fusión, se utiliza aire, aire enriquecido con oxígeno, de manera de oxidar parte del Fe y S contenido en los concentrados, dejando una fase metálica líquida de Cu-Fe-S, llamada eje (60-65%Cu).

Fusión Flash o inmediata

Aún cuando los concentrados sulfurados de cobre contienen diversos componentes mineralógicos, las reacciones características para representar la fusión a eje son las siguientes:

CuFeS2(conc.) + ½ O2 (aire+ox.) = ½ Cu2S FeS (eje) + ½ SO2(g)

FeS2(conc.) + O2 (aire+ox.) = FeS(l, eje) + SO2 (g)

Fusión Flash o inmediata

2 FeO(l) + SiO2 (fundente) = 2 FeO SiO2 (esc)

3 FeO(l) + ½ O2 (aire+ox.) = Fe3O4 (esc, eje)

FeS(con.,eje) + 3/2 O2 (aire+ox.) = FeO (l) + SO2 (g)

Fusión Flash o inmediata

En los hornos de fusión, ocurre con frecuencia la aparición de magnetita sólida que origina perturbaciones en la marcha de los mismos.

Fusión Flash o inmediata

Los mayores componentes de la escoria son el Fe(30-40%), sílice (30-40%), Alúmina (~55), Cal (~5%).

Fusión Flash Outokumpu con aire enriquecido

Fusión Flash INCO

CONVERTIDOR TENIENTE

La versión inicial del convertidor teniente tuvo las siguientes características:

• Operación con concentrados húmedos 8%.

• Alimentación periódica, a través de la boca, de eje de los hornos reverberos (45-55%Cu)

• Inyección de aire, a través de toberas moderadamente enriquecido (26-28% O2).

• Tratamiento de las escorias de los CT (7-10%Cu) en los hornos reverberos

CONVERTIDOR TENIENTE

Desarrollo de la tecnología de los CT

• Incremento de enriquecimiento en oxígeno del aire de proceso hasta valores de 33-36%.

• Reemplazo del concentrado húmedo alimentado por concentrado seco (0,2%).

CONVERTIDOR TENIENTE

El CT ha evolucionado hasta su versión más reciente, la que tiene los siguientes rasgos.

• Operación de fusión con concentrado seco inyectado a través de toberas.

• Alto enriquecimiento de aire con oxígeno (34-36% O2)

• Operación continua a una ley pareja y constante del metal blanco.

• Tratamiento de escoria del CT en un horno de limpieza de escoria u horno eléctrico de limpieza de escoria u otros tratamientos.

CONVERTIDOR TENIENTE

Las reacciones que se consideran que ocurren en las diferentes fases son:

a) Reacción de oxidación del baño:

El sulfuro de hierro, FeS, es oxidado parcialmente a FeO y parcialmente a magnetita (evitar).

CONVERTIDOR TENIENTE

b) Reacción de descomposición del concentrado:

Se supone que el azufre pirítico evolucionará a partir del concentrado después de ser éste calentado y descomponiéndose en los sulfuros de cobre (Cu2S) y hierro (FeS) que entran al baño.

Reacciones similares se consideran para la bornita, covelina y pirita.

CONVERTIDOR TENIENTE

c) Reacciones en la escoria:

La sílice se disuelve en la escoria y reacciona con FeO para formar la fayalita.

2 FeO(l) + SiO2 (s) = 2 FeO SiO2 (l)

Reactor continuo Noranda

Reactor continuo Noranda

Tecnología Bath Smelting que cuenta el reactor de fusión continuo con inyección de concentrado seco por toberas en el baño y trabaja con aire enriquecido.

Metal Blanco ~ 74% Cu Escoria ~ 6% Cu

Isasmelt

Es un proceso de fusión en baño simple y muy eficiente para la producción de metales no ferrosos. Desde que comenzó su producción comercial en la década de los 90 la tecnología ha sido instalada en importantes plantas tanto nuevas como ya existentes alrededor del mundo.

Es un horno cilíndrico con revestimiento refractario simple y opera con una sola lanza de combustión sumergida generando así un baño de alta turbulencia.

Isasmelt

La característica principal del proceso es la lanza ISASMELT que desciende de la parte superior del horno.

La punta de la lanza entra en contacto con la escoria liquida que se encuentra en la parte inferior del horno.

La alimentación es cargada por la parte superior del horno, y al mezclarse con el baño líquido reacciona con el aire enriquecido con oxígeno inyectado por la lanza. La inyección de estos gases en el baño líquido crea una gran turbulencia dando al horno una alta intensidad de reacción.

A diferencia de una tobera, la lanza se puede elevar o descender automáticamente de modo que su punta siempre esté ubicada en el mejor lugar.

El horno se puede sangrar de manera intermitente o continua. Los productos líquidos fluyen a un horno de retención, donde la mata o metal se separa de la escoria

VIDEO

Concepto de enriquecimiento de oxígeno

El nitrógeno (N2) es un elemento inerte, es decir, no reacciona. Entra al equipo en el aire, aire enriquecido u oxígeno industrial son usados, pero no participa en las reacciones químicas del proceso pirometalúrgico

N2 (79%)

O2 (21%)

N2 (65%)

O2 (35%)

N2 (5%)

O2 (95%)

Aire (21%O2) Aire enriquecido con oxígeno (35%)

Aire industrial (95%)

Análisis termodinámico de la mata El ternario Cu-Fe-S resulta ser una forma simple para representar las matas comerciales de cobre, como muestra la porción cuasitrapezoidal Cu-Cu2S-FeS-Fe del diagrama .

C

Amplia laguna de inmiscibilidad en la fase líquida, la que nace en el cuasibinario Cu-Cu2S y se cierra en el punto crítico C a 1355 °C.

E

E’ M

M’

Se funde en un horno flash una carga que contiene un concentrado cuya composición mineralógica se indica en la siguiente tabla: a. Calcular la ley de concentrado que entra al reactor b. Calcular la masa de mata o eje. c. ¿Cuánta escoria fayalítica se forma. Es necesario agregar fundente? ¿En qué

cantidad? d. Si se produce un eje de 65% Cu. ¿Cuánto aire requiere para fundir a metal blanco?. Considere aire enriquecido al 25% de oxígeno con un 30% de exceso.

EJERCICIO