PIROMETALURGIA

PIROMETALURGIAURBANO RICARDO CRUZ CONDORI

ING. METALURGISTA

UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE ICA

FACULTAD DE INGENIERIA DE MINAS Y METALURGIA

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

22/10/08- URCC - FIMM - NASCA

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

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.


EXPLOTACIÓN DE LAS MINAS

TAJO ABIERTOSe 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.

MINADO SUBTERRÁNEO son las minas cuya explotación se realiza bajo tierra. En estas minas, el sistema de explotación consiste en: perforación, voladura, acarreo y transporte fuera de la mina (rieles o ruedas)

MINA PIERINA TAJO ABIERTO

EXPLOTACIÓN DE LAS MINAS

Fuente: Ministerio de Energía y Minas

http://www.doerun.com.pe/

http://www.minsur.com.pe/index.htm

http://www.cuervoresources.com/index.php


CONCENTRACIÓN DE LA MENALas menas con valor económico, pueden ser : sulfuros y óxidosLos 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%.

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 COBREEn 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.

REFINACION ELECTROLITICA DE COBREEn 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.

Cátodo:Cu++ --+ 2e- Cu°

Anodo:SO4= -- - 2e- SO4°

Reacción global: SO4 + Cu -- CuSO4

MENAS: CLASIFICACIÓN

Mineral: parte del yacimiento que contiene sustancias útiles en proporción variableMena: (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

MENAS: CLASIFICACIÓN

Elementos nativos o sustancias simples Nitruros, carburos, yfosfuros.MetalesOro [Au], Plata [Ag], Cobre [Cu];No metales, Diamante [C], Grafito [C].Sulfuros Sulfuros y Seleniuros, Telururos, 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]. CARBONATOSCalcita [CaCO3], Caliza [CaCO3].

SULFATOSBaritina [BaSO4], Yeso [CaSO4.2H2O].

FOSFATOS Apatito [Ca5(F, Cl)/(PO4)]. SILICATOSArcilla;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].

LOS METALES: DISTRIBUCIÓN Y CLASIFICACIÓNLos 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

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.

PROCESOS PIROMETALÚRGICOS Y DIAGRAMAS DE FLUJO EN LA PRODUCCIÓN DE COBRE

FUSION A MATA FUSION DIRECTA A BLISTER

CONVERSIONDISCONTINUA

CONVERSIONCONTINUA

REFINACIONA FUEGO

LIMPIEZA DEESCORIA

Blister EscoriaMata Escoria

Blister Escoria Blister Escoria

Escoria de DescarteMata /AleaciónCu

SECADO

CONCENTRADO DE COBRE

Escoria

Anodos/RAF

Anodos/ RAF

MOLDEO Cu Rechazado

FUSION CONCENTRADO - PROCESOS EN BAÑOCONCENTRADO DE COBRE FUSION

Calcopirita: CuFeSCalcocina: CuS

Impurezas: As, Sb, Bi, Zn, Pb

Metales PreciososAg, Au, Pt

Ganga

Cuarzo: SiO2Dolomita: CaCOMgCOAluminatos: SiO*Al2O MATA:

Cu2S-FeS, Fe3O4

As, Sb, Bi, Zn, Pb, Ag, Au, P

Polvo Ducto

Gas Salida

As,Sb,Zn,Pb

SO2, CO, O2

ESCORIASiO2, Fe3O4, CaOMgO, Al2O3, Cu2OCu(CuS-FeS), As, SbBi, Zn, Pb.

PROCESO TENIENTE

PROCESOS FUSION FLASHHORNO OUTOKUMPU


PROCESO FLASH INCO

MECANISMO DE FUSION DEL CONCENTRADO – MODELACION MATEMATICA

PROPIEDADES INTRÍNSECAS DE LOS PROCESOS DE ALTA TEMPERATURA

PIROMETALURGIA

• 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.

PIROMETOLURGIADEFINICIONES

FASE METALICA

(molten) En estado líquido. Los metales fundidos fluyen como líquido

ESCORIA

(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.

MATA

COQUE

FUNDENTES

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

ALGUNAS DEFINICIONES

• 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 DEFINICIONESPRESIÓN 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.

PIROMETALURGIAPRINCIPALES REACCIONES

CALCINACION: Descomposición de un mineral en sus óxidos formadores por la acción del calor

TOSTACION :

Oxidación de un sulfuro en presencia de aire

•Oxidante --- Oxido de metal

•Sulfatante --- Sulfato

•Clorurante --- Cloruro

•Aglomerante --- Oxido aglomerado

FUSION:

Obtención de una fase fundida

•Fase metálica reducida (Me)

•Fase oxidada (escoria)

•Fase sulfurada (mata)

•Fase con arsénico (speiss)

PIROMETALURGIAPRINCIPALES 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

ESTEQUIMETRIAEs 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

Entrada SISTEMA(Acumulación)

Salida

Los balances de materiales pueden ser descritos en términos de:Masa totalMoles totalesMasa de una especie en particularMoles de una especie en particularMasa de una especie atómicaMoles de especies atómicasPara un proceso en estado – estable continuo la acumulación = 0ENTRADA = SALIDA

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


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

BALANCE DE MASA TOTAL:

mmconcconc + + mfundfund + m + mretornosretornos + m + maireaire + m + moxigenooxigeno – m – mmatamata – m – mescoriaescoria – m – mpolvopolvo – m – mgasgas = = DmDmescoriaescoria + Dm + Dmmatamata

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 ReactorDmescoria , 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

BALANCE DE MATERIALES PARA UNA MASA DESCONOCIDA DE PRODUCTOS

SUPOSICIONES Y PROCEDIMIENTO1. La masa de polvos es conocida como un

porcentaje de la alimentación.2. La composición química de los productos es

conocida.3. La masa de la escoria y mata de cobre es

calculada por la comparación del balance de fierro y cobre.

4. Masa de cobre se verifica por balance de sílice5. Para saber la utilización de oxígeno, la masa de

gases de salida se calcula basado en los balances de azufre y oxígeno.

6. La acumulación de mata de cobre y escoria es conocida

EJEMPLO1.1. Un concentrado húmedo que contiene 8% HUn concentrado húmedo que contiene 8% H22O, 89,2% CuFeSO, 89,2% CuFeS22

y 2,8% SiOy 2,8% SiO22, se funde en un horno de reverbero, , se funde en un horno de reverbero, obteniéndose un eje compuesto de Cuobteniéndose un eje compuesto de Cu22S y FeS (42 % Cu) y S y FeS (42 % Cu) y una escoria con 65% FeO y 35% SiOuna escoria con 65% FeO y 35% SiO22. El calor y oxígeno . El calor y oxígeno necesario para producir estos productos, es suministrado necesario para producir estos productos, es suministrado por un quemador.por un quemador.

Calcule:Calcule:• Peso del metal blanco, de la escoria y fundente necesario.Peso del metal blanco, de la escoria y fundente necesario.• Volumen de oxígeno requerido y de SOVolumen de oxígeno requerido y de SO22 producido. (no producido. (no

considere nitrógeno).considere nitrógeno).

PIROMETALURGIA

VENTAJASVelocidades 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)

•Por ruidos

Consumo energético elevado

PROCESOS PIROMETALÚRGICOS FUNDAMENTOS Y APLICACIONES

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