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• Jorge Benavente

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ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA METALURGICA

LABORATORIO Nº 7: TOSTACION Y FORMACION DE MATAS DE COBRE

I.

OBJETIVOS  

II.

Formar fases pirometalúrgicas inmiscibles entre sí de diferentes tipos de materiales, y poder identificarlas. Reconocer las variables que afectan al proceso y cuáles son las más relevantes.

FUNDAMENTO TEÓRICO 1. El proceso de fusión de concentrado de cobre El objetivo de la fusión es llevar a estado líquido el concentrado de cobre sólido y producir en este estado la separación de fase sulfuradas (metal blanco o eje) y fase oxidada (escoria). La fase de sulfuros en lo posible debe contener todo el cobre alimentado mientas que la escoria debe estar, en lo posible, exenta de cobre.

El proceso de fusión ocurre a temperaturas del orden de 1200°C, en un sistema fundido, con suspensión de partículas sólidas en el baño, correspondiente a compuestos de alto punto de fusión (sílice, magnetita, etc). El proceso se puede resumir como producción de Metal blanco o Eje más escoria y gases debido a la reacción de concentrado más fundente y energía.

2. Productos del proceso El proceso da como productos principales tres fases:  Escoria Corresponde a la fase más liviana del material fundido, formada por óxidos de hierro y componentes del fundente agregado. Consiste en una mezcla LABORATORIO DE TECNOLOGIA DE METALES NO FERROSOS 1

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA METALURGICA líquida que contiene principalmente en Fayalita (Fe2SiO4), Magnetita (Fe3O4) y Sílice (SiO2). Contiene otros compuestos en menores cantidades como Alúmina (Al2O3), Cuprita (Cu2O) y Calcosina (Cu2S).

 Metal Blanco o Eje (mata) Corresponde a la fase más densa del material fundido, por lo cual se ubica en la parte inferior del baño y está compuesto principalmente por Cu2S yFeS. La cantidad de eje producido está determinada por contenido de azufre en la carga del horno ya que el cobre es el primero que toma el azufre necesario para formar Cu2S. La proporción es aproximadamente una cuarta parte de azufre por unidad de cobre según la fórmula del Cu2S. Luego de que el cobre presente se haya combinado con el azufre, el resto del azufre se combinará con el hierro para formar FeS (1,75 unidades de Fe por 1 unidad de S).

 Gases de salida Los gases de salida contienen SO2 generado por las reacciones de oxidación, N2 proveniente del aire empleado para oxidar el concentrado y pequeñas cantidades de CO2, H2O y compuestos volátiles. El gas tiene un contenido de SO2 del orden del 10 a 60% y está determinado por la cantidad de aire soplado, el tipo de concentrado y el grado de mata producido. En los últimos años el volumen de SO2 producido por reactores de fusión ha aumentado debido al uso de aire con mayor cantidad de enriquecimiento, lo cual reduce la cantidad de nitrógeno y quemado de combustible en el horno. Los gases de salida también suelen contener cantidades substanciales de polvo (hasta 0.3 Kg/Nm3). El polvo proviene de (1) pequeñas partículas de concentrado que no reaccionó, (2) gotas de mata/escoria que no sedimentaron y (3) elementos volátiles contenidos en el concentrado, como arsénico, antimonio, bismuto y plomo, los que se solidificaron mientras el gas se enfriaba o reaccionaron para formar compuestos no volátiles. El polvo normalmente contiene entre 20 y 40% en peso de cobre, haciéndolo potencialmente valioso. Los gases de salida son normalmente tratados para la recuperación de calor, captación del SO2 y recuperación de sólidos.

3. Efecto del fundente La separación natural a alta temperatura, entre las fases del sistema, puede alterarse positivamente con la adición de fundente. Esto se puede apreciar si se observa el diagrama ternario de la figura 2.1. De la figura 2.1 se puede observar el efecto de la sílice (SiO 2) en la separación de mata sulfurada y escoria oxidada. A 1200°C y en ausencia de LABORATORIO DE TECNOLOGIA DE METALES NO FERROSOS 2

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA METALURGICA SiO2 no existiría una separación real entre la fase sulfurada y oxidada, sino una mezcla líquida homogénea.

Figura 2.1. Equilibrio líquido-líquido para el sistema FeO—FeS—SiO 2 a 1200°C. Al adicionar SiO2, aparece una zona de inmiscibilidad con una separación entre dos líquidos: Uno rico en FeS y otro rico en FeO. A medida que el contenido de SiO2 aumenta, también aumenta el grado de separación,llegándose a un valor máximo con las composiciones más alejadas entre la fase oxidada y sulfurada, para contenidos de SiO 2 del orden de 35 a 40% en peso. A partir de ese momento, cualquier otra adición de fundente involucrara la aparición de una fase sólida rica en sílice. La sílice en la escoria se muestra en el ternario FeO—Fe2O3—SiO 2 de la figura 2.2.

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Figura 2.2. Sistema FeO—Fe2O3—SiO2 a 1200 y 1250°C. Del diagrama de la figura 2.2 se puede observar como existe una pequeña región líquida delimitada en sus costados por tres regiones saturadas: Sílice (SiO2), magnetita (Fe3O4) y wustita (FeO). El proceso de fusión de concentrado de cobre opera típicamente cerca de la saturación con magnetita (línea CD). Existen pequeñas solubilidades de sílice y oxígeno en la mata, pero se ha demostrado que el incremento de Cu2S en la mata disminuye estassolubilidades dramáticamente. Como resultado de esto, las matas industriales contienen cerca de un 1% de oxígeno. Agregar sílice implica un mayor costo energético además del costo en sí de adicionar este flujo. Por otro lado, la viscosidad de la escoria aumenta con el contenido de sílice. Esto hace que la escoria sea más difícil de manejar y reduce la tasa con la cual las partículas de mata sedimentan a través de la capa de escoria. Si las partículas de mata no pueden decantar rápidamente, éstas quedarán contenidas en la escoria. Lo cual aumentará las pérdidas de cobre. 4. Efecto del oxígeno El proceso de fusión se basa en fundir el concentrado gracias a la oxidación de la carga de minerales sulfurados. El oxígeno es comúnmente adicionado al sistema como un flujo de aire enriquecido. Inyectar grandes cantidades de O2 oxidará una mayor cantidad del fierro presente en el concentrado, lo cual implicará menor cantidad de sulfuro de fierro en la mata, generando una mata de mayor grado. Sin embargo, usar demasiado oxígeno favorece la oxidación del cobre, el óxido de cobre generado por esta situación se disuelve de manera indeseable en la escoria. LABORATORIO DE TECNOLOGIA DE METALES NO FERROSOS 4

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA METALURGICA Como resultado, agregar la cantidad de O 2 correcta es fundamental para producir un grado aceptable de mata sin generar una escoria alta en cobre. Las reacciones de oxidación que se verifican en el sistema son exotérmicas, es decir, liberan energía en forma de calor. Esto ayuda a disminuir el consumo de combustible necesario para lograr la elevada temperatura de fusión (~1200 a 1250°C) y para mantener la temperatura del proceso. Principales variables y parámetros de la Fusión de Concentrados de Cobre



Enriquecimiento

El enriquecimiento regula la capacidad de procesamiento y eficiencia energética. A mayor enriquecimiento se tendrá una mayor capacidad de procesamiento y una mayor eficiencia energética. La cantidad de oxígeno es fuertemente controlada para obtener la cantidad deseada de Fe y S oxidados.



Ley del Eje

La ley del eje se ajusta con el flujo de oxígeno alimentado y la entrada de concentrado. Disminuir la ley del Eje implica más tiempo de soplado en el proceso de conversión posterior.



Inmiscibilidad Eje/escoria

Corresponde a la separación entre estas fases y se controla con el flujo de fundente y concentrado alimentado.



Humedad del concentrado

A menor humedad del concentrado por toberas se tendrá mayor eficiencia energética y capacidad de procesamiento.



Temperatura de operación

El desgaste del refractario aumenta drásticamente con la temperatura. La temperatura del eje y la escoria se ajusta con el quemado de combustible.



Tiempo de soplado

Determina capacidad de procesamiento, aumentar el tiempo de soplado da como resultado un incremento en la capacidad de procesamiento del Convertidor Teniente.

III.

EQUIPOS Y MATERIALES EQUIPOS LABORATORIO DE TECNOLOGIA DE METALES NO FERROSOS 5

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1. Balanza Digital La balanza digital es un instrumento de medición se caracteriza por dos rasgos fundamentales: su gran rango de pesaje y su capacidad para obtener el peso con una precisión asombrosa. En cuanto a su constitución, la conforman un plato cuya función es la del pesado, que además es extraíble, con lo cual la limpieza del aparato en su totalidad podrá ser ejecutada sin demasiadas dificultades. Los equipamientos más comunes poseen, asimismo, una función destinada al cómputo de piezas. 2. Horno a gas Los avances en la utilización del gas natural como combustible, han permitido conceder a los hornos de gas una opción viable en las alternativas que nos brinda su uso, mostrándose muy eficaces, tanto por la reducción de los tiempos de cocción de las materias primas, como la reducción de las emisiones al ambiente. La regulación de la atmósfera en el interior del horno, se puede controlar variando la inyección de la mezcla de gas y aire, por lo que resultan muy útiles para hacer reducciones. Otra ventaja digna de mención es que se alcanzan altas temperaturas en un menor tiempo. 3. Tenazas La tenaza es una herramienta muy antigua que se utiliza para extraer clavos, cortar alambre u otros elementos entre otras funciones, está hecho de acero, para que se pueda adaptar de acuerdo al criterio de aquel que la emplea. Una variedad es la tenaza extensible, también conocida como pico de loro o pinza pico de loro, de creación mucho más reciente. Tiene gran versatilidad de funciones, pudiéndose sujetar elementos de diferentes grosores, a diferencia de la tenaza normal cuya apertura se fija y alcanza una medida de abertura que la hace más limitada en este aspecto.

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4. Crisol El crisol es un aparato que normalmente está hecho de grafito con cierto contenido de arcilla y que puede soportar elementos a altas temperaturas, ya sea el oro derretido o cualquier otro metal, normalmente a más de 500 °C. Algunos crisoles aguantan temperaturas que superan los 1500 °C. También se le denomina así a un recipiente de laboratorio resistente al fuego y utilizado para fundir sustancias.

5. Lingotera Molde metálico o de arena refractaria en donde se vierte el material fundido para que al enfriarse tome la forma de aquel, para nuestro caso este será un molde metálico de forma cónica invertida

MATERIALES 1. Concentrado de Cu Los concentrados de cobre provienen de las celdas de flotación y son el resultado de la trituración, chancado y molienda de los minerales sulfurados de minas subterráneas. Producto de la flotación y sus repasos, de estos minerales pulverizados se obtiene el concentrado y un residuo que constituyen los relaves o colas. La composición química de los concentrados declarada, se reduce generalmente a tres elementos: cobre, oro, plata y se informa el contenido porcentual de cobre en el concentrado, del orden del 30% y en grs/ton. Los de oro y plata. Para la ejecución de ésta práctica, se requirió de 30 gr. De concentrado de Cu.

2. Carbonato de Sodio: Na2CO3 El carbonato de sodio o carbonato sódico es una sal blanca y translúcida de fórmula química Na2CO3, usada entre otras cosas en la fabricación de jabón, vidrio y tintes. Es conocido comúnmente como barrilla, natrón,

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ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA METALURGICA sosa Solway, sosa Solvay, sosa Ash, ceniza de soda y sosa (no se la confunda con la soda cáustica). Puede hallarse en la naturaleza u obtenerse artificialmente.

PROPIEDADES Toxicológicas : Apariencia: Punto de fusión: Masa molecular: Estabilidad:

Irritación de la piel y ojos Polvo blanco inoloro 851 °C 106 g/mol Es estable siempre y cuando no se lo junte con metales alcalinotérreos, aluminio, compuestos orgánicos nitrogenados, óxidos no metálicos, ácido sulfúrico concentrado, óxidos del fósforo.

Para la ejecución de ésta práctica, se requirió de 20 gr. De carbonato de sodio.

3. Bórax El bórax es un compuesto importante del boro. Es un cristal blanco y suave que se disuelve fácilmente en agua. Si se deja reposar al aire libre, pierde lentamente su hidratación y se convierte en tincalconita.

PROPIEDADES FÍSICAS

IV.

Fórmula: Masa molar:

Na2B4O7·10H2O 381,37 g/mol

Denominación de la IUPAC: Punto de fusión: Densidad: Punto de ebullición:

Sodium tetraborate decahydrate 743 °C 1,73 g/cm³ 1.575 °C

PROCEDIMIENTO LABORATORIO DE TECNOLOGIA DE METALES NO FERROSOS 8

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SECUENCIA 1º Se pesa las cantidades respectivas de cada material, se mezclan hasta homogenizar.

2ºLa mezcla homogénea se coloca en el crisol y se lleva al horno hasta una temperatura de 1000 – 1050ºC, a esta temperatura la mezcla en el crisol ya habrá fundido (estará al estado liquido).

3º Se procede a la colada de la mezcla fundida en una lingotera.

4º Después de solidificar la mezcla en la lingotera, se observará las 3 fases inmiscibles entre sí. LABORATORIO DE TECNOLOGIA DE METALES NO FERROSOS 9

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NOTA: Cuando se trabaja con carbonatos, se forman gases, por lo que se debe cubrir la mezcla homogénea en el crisol con una capa de bórax para que durante la etapa de calentamiento en el horno, la espuma (ocasionada por los gases) que se forme no rebalse.

V.

RESULTADOS Durante y después de la práctica, se observó lo siguiente: ETAPA DE CALENTAMIENTO: Durante la etapa de calentamiento de la mezcla en el horno, se observó: Primero: la mezcla se esponja, es decir, aumenta el volumen. Segundo: Adquiere la apariencia de estar hirviendo, esto debido al desprendimiento de CO2, producto de la descomposición del Na 2CO3 en Na2O y CO2. Tercero: Paralelamente a la descomposición del Na2CO3, se descompone el bórax en B2O3 (oxido formador de excoria) y Na2O (oxido modificador de escoria), ambos formaran la solución de óxidos: escoria. Cuarto: Como el concentrado de Cu es calcopirita (CuFeS 2), éste se descompondrá en Cu y Fe (en menor proporción), SCu y SFe (en mayor proporción) las cuales funden y forman una solución de sulfuros: Mata. Quinto: El metal Cu, solo funde y no reacciona con la solución de sulfuros (mata) ni con la solución de óxidos (escoria). Sexto: A la temperatura aproximada de 1200ºC, la mezcla se asienta y se vuelve liquido. ETAPA DE SOLIDIFICACION: Durante esta etapa, las 3 fases decantan, enfrían y observándoselas siguientes fases en forma no proporcionada:

solidifican,

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ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA METALURGICA  Escoria: cuerpo amorfo y frágil (debido a que no tiene estructura cristalina) de color negro que viene a ser la solución de óxidos, que debido a su menor peso específico al de las otras fases, queda en la parte superior cubriendo a las demás fases.  Mata: Cuerpo amorfo menos frágil que la escoria, pero si se rompe por no tener estructura cristalina.  Metal: Debido a su mayor peso específico, el metal queda en la parte de abajo y gracias a que posee estructura cristalina, no se rompe y solo se deforma. A nivel Industrial, la formación de fases es en forma proporcionada, el Cu va a la solución de sulfuros.

VI.

EVALUACIÓN DE RESULTADOS Finalizada la práctica, se ha totalmente inmiscibles entre sí:

logrado

observar

tres

fases

 Metal: en la parte inferior, debido a su mayor peso específico  Mata: en la parte media (entre la escoria y el metal)  Escoria: en la superficie, nadando, debido a su menor peso específico.

Por lo que podemos decir que la separación de fases se logra debido a que:  El peso específico de cada fase se diferencia de las otras.  Cada fase posee una diferente estructura y tensión superficial frente a las otras, por lo que son inmiscibles entre sí, lográndose su separación. La solución de sulfuros tiene un relativo alto punto de fusión y para poder fundir se requiere una temperatura aproximada de 1000ºC.

VII.

CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS CONCLUSIONES Al finalizar la práctica, se concluye que: 1. Se logró la formación, separación e identificación de fases pirometalúrgicas en un proceso de fusión. 2. La separación de fases se logra debido a que el peso específico de cada fase se diferencia de las otras y además cada fase posee una LABORATORIO DE TECNOLOGIA DE METALES NO FERROSOS 11

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diferente estructura y tensión superficial frente a las otras, por lo que son inmiscibles entre si, lográndose su separación. La escoria es una fase pirometalúrgica(solución de óxidos) producto de un proceso de fusión, la cual recolecta todo el material no valioso o estéril, material que no es útil para el proceso y que debido a que no tiene estructura cristalina es un cuerpo amorfo y frágil. Debido a que la escoria tiene un menor peso específico al de las otras fases, queda suspendido en la parte superior cubriendo y protegiendo a las demás fases. La mata al igual que la escoria no tiene estructura cristalina por lo que es frágil, aunque menos que la escoria, llegando a romper. En vista de que el metal tiene un mayor peso específico que las otras fases, permanece en la parte inferior y gracias a que posee estructura cristalina, no se rompe y solo se deforma.

SUGERENCIAS  Buscar la proporción adecuada de la mezcla para poder fundir.  La proporción adecuada se obtiene en función del diagrama de equilibrio, buscándose la temperatura más baja.  Es importante trabajar con mucho cuidado y con el uso de los respectivos EPP’s, para evitar y/o prevenir accidentes.

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