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INGENIERIA METALURGICA - 2020

Curso: Pirometalurgía

Ing. Henry Gustavo Polanco Cornejo

Escorias: Conceptos y funciones

Escorias: Conceptos y funciones Introducción • Uno de los capítulos de mayor importancia dentro del estudio de la pirometalurgia. • En la naturaleza, los minerales de metales como el hierro, el cobre, el aluminio y otros metales se encuentran en estados impuros, a menudo oxidados y mezclados con silicatos de otros metales. • Usada en la extracción de metales por procesos pirometalúrgicos: fundición, conversión, copelación, refinación etc. • Su estudio es importante, para desarrollar técnicas para la obtención de metales de alta pureza, así como la reducción de costos • En la actualidad se utilizan diversos procesos metalúrgicos para la obtención y recuperación de metales y en cada uno de ellos se producen residuos inevitables como la formación de escorias • Debe considerarse de que tengan el menor contenido de metal posible y que sus residuos finales tengan un valor posterior para otros procesos industriales

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Escorias: Conceptos y funciones Concepto • Producto de los procesos pirometalúrgicos • Reúne la parte estéril del proceso de obtención de metales • Es una solución de óxidos y silicatos metálicos que pueden contener fosfatos y boratos u otras sales. Funciones. • Colectar y retirar los constituyentes estériles e impurezas • Proteger al baño fundido de la atmósfera del horno • Sirve como medio o disolvente para los reactivos o Requerimientos: • Metalúrgicos: temperatura de formación lo más baja posible, viscosidad baja, bajo peso especifico, Corrosividad, etc. • Económicos 06/10/2020

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Escorias: Conceptos y funciones Características: (Mackey): • La escoria debe encontrarse completamente líquida. • La escoria debe ser fácilmente manejable. • Las escorias deben contener mínimas cantidades del metal, disuelto o en suspensión. • El rango de operación de la escoria debe admitir variaciones en la composición.

• La escoria debe asegurar buena eliminación de los elementos menores no deseados. • Las escorias, debe ser susceptible de representarse por diagramas de equilibrio.

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Escorias: Conceptos y funciones Estructura de las escorias • Aún no una definición completa de la estructura de la escoria, que permitan explicar en detalle, las propiedades de las escorias. • Las escorias se le considera como soluciones de diversos óxidos: SiO2, CaO, FeO, Fe2O3, Al2O3, etc. • El análisis se da en porcentajes de los óxidos que la componen, se considera que las escorias contienen óxidos simples, en unidades estructurales • Se considera una fase de estructura compleja en relación a otras fases • Los óxidos que la componen, tienen diferente estructura en el estado sólido que en el líquido. • En el estado líquidos los cationes se encuentran rodeados de iones oxígeno, en una red de tres dimensiones. •

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Escorias: Conceptos y funciones Estructura de los óxidos • Los óxidos no presentan la misma estructura cristalina en el estado sólido que en el líquido. • En el estado sólido los óxidos, presentan una configuración estructural definida y simple; • Los cationes se encuentran rodeados de iones oxígeno, en una red cristalina de tres dimensiones. • Pauling, establece que cada catión o ión metálico debe estar rodeado de un número máximo de iones oxígeno. • Cuando la red tiene espacios libres se considera que es una estructura inestable. • En el estado líquido, durante la fusión se destruyen las redes cristalinas de los óxidos, • Los iones formen asociaciones, por lo que el número de coordinación varía, con tendencia a disminuir

• Las asociaciones son inicialmente complejas y a medida que se incrementa la temperatura se va haciendo más simple. • De acuerdo a la estructura de los átomos, se considera que el radio atómico de los cationes es menor que la de los aniones. 06/10/2020

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Escorias: Enlace metal - oxígeno Estructura de los óxidos • Los óxidos simples, compuestos de un metal y oxígeno, presentan diferentes relaciones X/O (metal/oxígeno), X2O, XO, X2O3. • Una de las primeras estructuras determinadas con rayos X por L. Bragg en 1916 fue la estructura de la cuprita (Cu2O

• En el estado líquido, durante la fusión se destruyen las redes de la estructura de los óxidos, La asociación inicialmente complejas y al incrementar la temperatura se va haciendo más simple. • Los cationes se encuentran rodeados de aniones pero en forma menos rígida • La probabilidad es que los iones formen asociaciones, por lo que el número de coordinación varía, con tendencia a disminuir 06/10/2020

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Escorias: Enlace metal - oxígeno Estructura de los óxidos • En el estado líquido, durante la fusión se destruyen las redes cristalinas de los óxidos, • Los cationes se encuentran rodeados de aniones pero en forma menos rígida, lo más probable es que los iones formen asociaciones

• El número de coordinación varía, con tendencia a disminuir, las asociaciones son inicialmente complejas y a medida que se incrementa la temperatura se va haciendo más simple. • Cabe indicar que los iones pueden formar asociaciones moleculares en las cuales los componentes atómicos se encuentran ligados químicamente. • En los óxidos no metálicos la temperaturas de fusión y de ebullición de los óxidos, se deben a que, para el cambio de estado no se rompen los enlaces entre los átomos sino las interacciones entre las moléculas que son de poca intensidad y fáciles de vencer, por lo tanto hay que suministrar poca energía para vencerlas • Los óxidos metálicos son sólidos iónicos de elevadas temperaturas de fusión porque hay que suministrar mucha energía para vencer las fuertes interacciones electrostáticas entre iones de cargas opuestas 06/10/2020

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Escorias: Enlace metal - oxígeno Estructura de los óxidos Estructura de los óxidos sólidos

Radios atómicos de aniones y cationes

Cationes

Aº

Aniones

Aº

Ca+2 Mn+2 Fe+2 Fe+3 Mg+2 Al+3 Si+4

0.93 0.80 0.75 0.60 0.65 0.50 0.41

O-2 S F

1.40 1.84 1.36

Estructura

Nº C

Rc/Ra

Tipos

Cúbica

8

1,000 – 0.732

KCl

Octaédrica

6

0.732 – 0.414

CaO, MgO, FeO

Tetraédrica

4

0.414 – 0.255

Triangular

3

0.255 – 0.155

SiO2, P2O5 Grupos iónicos: CO3

• Entre anión y catión debe existir una relación de radios atómicos. • El tipo de estructura esta determinado por el NC • Cuando el radio del catión es menor al de la relación, se • El NC determina por la forma geométrica como se considera que no va ha tenerse una estructura estable. distribuyen los aniones y cationes 06/10/2020

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Escorias: Enlace metal - oxígeno Enlace metal – oxígeno • El análisis de las configuraciones electrónicas de los elementos indica que la mayor parte de los metales tienen pocos electrones en su última capa, en los no metales es todo lo contrario. • Debido a la existencia de carga positiva (núcleo) y carga negativa (corteza) en el átomo, cuando forma un enlace se tiene : • Las fuerzas atractivas se producen entre el núcleo (+) de cada átomo y la corteza (-) del otro. • Las fuerzas de repulsión aparecen, por la repulsión entre los núcleos (+) y entre las cortezas electrónicas (-). • En la formación de los óxidos, se tiene la unión de un elemento metálico y el oxígeno, este enlace puede ser del tipo electrovalente o iónico o del tipo covalente.

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Escorias: Enlace metal - oxígeno Enlace covalente • Este enlace se produce cuando existe electronegatividad polar, la diferencia de electronegatividades entre los átomos no es suficientemente como para que se efectúe transferencia de electrones. • Los dos átomos comparten uno o más electrones. • Es muy fuerte, difícil de romper; presenta las siguientes propiedades: Elevados puntos de fusión, muy poco solubles en cualquier tipo de disolvente, alta dureza y son malos conductores de la electricidad. • Son sustancias de este tipo el diamante, SiO2 (cuarzo), carburo de silicio (Si2C), nitruro de boro (BN), etc. • Mayormente se da entre el metal y el oxígeno, forman iones complejos por lo general de carácter aniónico o negativo como: SiO4-4, o el PO4-3, formando configuraciones estructurales en forma de red.

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Escorias: Enlace metal - oxígeno Enlaces iónicos • Una vez formados ambos iones, da lugar a la liberación de una cantidad de energía, lo que hace posible la formación de nuevos pares iónicos y de nuevos enlaces. • El arrancar un electrón a un átomo es un proceso que implica el consumo de una determinada cantidad de energía o energía de ionización , es más pequeña en los metales. • La atracción entre anión y catión, esta dada por las Fuerzas de Coulomb

F

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2 Ze 2

R c  R a  2

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Escorias: Enlace metal - oxígeno Fuerza de enlace entre aniones y cationes

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Óxido

F

Na2O BaO CaO MnO FeO ZnO MgO BeO Cr2O3 Fe2O3 Al2O3 TiO2 SiO2 P2O5

0.18 0.27 0.35 0.42 0.44 0.44 0.48 0.69 0.72 0.75 0.83 0.93 1.22 1.66

Fracción iónica 0.65 0.65 0.61 0.47 0.38 0.44 0.54 0.44 0.41 0.36 0.44 0.41 0.36 0.28

Nº Coordinación Sólido Líquido 6 6-8 8 8 - 12 6 6-8 6 6-8 6 6 6 6 6 6 4 4-6 4 4-6 4 4-6 6 4-6 4 4 4 4 4 4

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Carácter Básico Básico Básico Básico Básico Básico Básico Anfótero Anfótero Anfótero Anfótero Acido Acido Acido 13

Escorias: Enlace metal - oxígeno Tipos de óxidos • Los óxidos son compuestos binarios formados por la combinación de un elemento y oxígeno. • Virtualmente todos los elementos reaccionan en una atmósfera del oxígeno, a excepción de lo halógenos, algunos metales nobles y los gases nobles. • Algunos elementos, como: litio, sodio, potasio, rubidio, cesio, estroncio y bario; reaccione rápidamente, por esta razón los metales alcalinos y alcalinotérreos no se encuentran en la naturaleza en su estado metálico • La superficie de la mayoría de los metales consiste en los óxidos y los hidróxidos en presencia del aire. • De acuerdo a la fuerza de enlace y al carácter de los óxidos: Básicos y ácidos, entre ellos se ubican los anfóteros.

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Escorias: Enlace metal - oxígeno Óxidos básicos • Estos iones no pueden existir en apreciables concentración en solución acuosa, debido a la reacción hidrolítica • O2-(s) + H2O  2 OH- (ac)

K > 1022

• Los óxidos insolubles en agua por regla general, se disuelven en ácidos diluidos, por ejemplo: • MgO(s) + 2H+ (ac)  Mg2+ (ac) + H2O • Los miembros mas pesados de esta familia reaccionan con O2 en exceso para dar superóxidos, en estos compuestos el N° de oxidación del O es -½.

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