Estudio de Operaciones Unitarias y Procesos Metalúrgicos: Secado, Calcinación y Fusión

Laboratorio N°1: Operaciones de Secado en un Sistema Particulado

Objetivos

• Determinar la cinética de secado de un sistema particulado.
• Estudiar el efecto de variables cinéticas como el tamaño de partícula y el tiempo de secado.

Aplicaciones

El proceso de secado se aplica al concentrado húmedo para evitar reacciones no deseadas en la fusión/conversión, mejorar la operación y el carguío de estos procesos, y optimizar el balance térmico en la operación siguiente. Para lograr esto, se utilizan secadores rotatorios, de lecho fluidizado y de tubos de vapor.

El proceso de secado del concentrado se realiza para evitar el peligro de explosión en la fundición, reducir el volumen de gas a reproceso, evitar la posibilidad de corrosión y aumentar la concentración de impurezas. El procedimiento de secado consiste en circular el concentrado en contracorriente, generalmente con un gas o llama a temperaturas del orden de 150°C, a fin de eliminar o reducir su contenido de humedad. El secado térmico no es una operación unitaria propiamente tal, ya que no persigue una transformación química del concentrado, solo la deshumidificación de este, que puede ser parcial o total.

Método Experimental

Se entrega un mineral seco de aproximadamente 1 kg, uno de granulometría +100# y otro de -100#. Ambos concentrados se rolean. Luego, se separan dos muestras de 420 g cada una y se agrega la cantidad de agua calculada para obtener una humedad del 8% (33,6 mL de agua). Se rolea nuevamente para homogeneizar la muestra, y a su vez, se separan 7 muestras de cada granulometría de aproximadamente 60 g.

Las 7 muestras se colocan en bandejas, se pesan y se envían al horno mufla. Cuando este alcanza una temperatura aproximada de 105 °C, se comienza a tomar el tiempo de secado. Las muestras se retiran una a una en los siguientes intervalos: 5, 15, 30, 45, 60, 75 y 90 minutos. Se pesan a medida que se retiran. Este mismo procedimiento se realiza para ambas granulometrías.

Se registran los nuevos pesos para obtener la variación de masa, lo que permite determinar la cantidad de agua retirada por el horno de secado. Finalmente, se analizan las curvas obtenidas para cada granulometría y se comparan las variaciones.

Materiales

• Estufa controlada
• Muestra controlada
• Balanza
• Tenazas y guantes
• Ladrillos refractarios para manipulación de bandejas
• Implementos de seguridad
• Reloj
• Material de apuntes

Fórmula de Cálculo de Agua Retirada

% Agua Retirada = 100 * (Peso_Inicial - Peso_Final) / Peso_Inicial

Conclusiones

Según los resultados obtenidos para ambas granulometrías, se concluye que a tamaños de partícula más gruesos, el proceso de secado es más óptimo, ya que la humedad final alcanzada por el concentrado +100# fue menor que la del -100#.

Laboratorio N°2: Cinética de Calcinación de Caliza

Objetivo

Analizar la cinética de descomposición de la caliza en un horno mufla, obteniendo una curva de conversión vs. tiempo para la calcinación de un lecho fijo de caliza en un horno mufla de laboratorio.

Aplicaciones

El proceso de calcinación se utiliza, además, para la fabricación de cerámicas; a través de los polvos generados se siguen procesos posteriores para la producción de este material.

Teoría

La cinética de calcinación está determinada principalmente por el suministro de calor para la descomposición y el tiempo necesario para completar la calcinación. Para una calcinación con mayor eficiencia, se necesita operar con una temperatura alta y un proceso continuo sin interrupciones.

Se denomina calcinación al proceso de calentar una sustancia a una temperatura elevada, por debajo de su punto de fusión, para provocar la descomposición térmica o un cambio de estado en su composición física o química. Dicho proceso se lleva a cabo en hornos. Para que este proceso de descomposición ocurra, se deben cumplir ciertos parámetros, entre los cuales los más importantes son el tiempo y la temperatura, ya que la eficiencia de este proceso dependerá principalmente de que se respeten los tiempos necesarios para que ocurra tal descomposición y, a su vez, se mantenga la temperatura adecuada para que proceda la reacción.

Discusión de Resultados y Factores Influyentes

Después de analizar algunas posibilidades para explicar la diferencia observada en el punto 5 de cada curva (ver gráficos 1 y 2), se ha llegado a la conclusión de que la variación se produjo al separar los 120 g de caliza. No fue posible percatarse de una posible pérdida de masa durante el roleo y el traspaso de bandejas, por lo tanto, no todas las muestras fueron de 20 g exactos. La prueba número 5 tuvo una masa inicial de 19,2 g (ver tabla 1). Sin embargo, el proceso fue bueno de todos modos, por lo que esta diferencia no se considerará un error, sino una variación, ya que si el valor hubiera sido 20 g, las dos curvas serían idénticas. En otras palabras, es una variación respecto al valor del punto, pero no al proceso en sí.

Se comprobó que el proceso fue adecuado al tomar mineral de cada crisol y hacerlo reaccionar con HCl. Se observó que el ácido reaccionó con el mineral hasta los 50 minutos, lo que indica la presencia de carbonato en el mineral. No obstante, pasado este tiempo, la reacción fue mínima o incluso nula, lo que significa que ya no había carbonato que reaccionara. Esto ayudó a concluir que la manipulación del mineral al momento de dividirlo en partes iguales produjo la variación en las curvas de los gráficos.

Una mala homogeneización de la caliza con la sílice hubiera producido un proceso deficiente, lo que se reflejaría en los resultados. No obstante, los resultados fueron muy aproximados entre sí, y la comprobación de la reacción con HCl mencionada anteriormente proporciona una prueba concreta de que el proceso fue bueno. A medida que se agregaba HCl al mineral, el ácido reaccionaba cada vez menos con aquellas muestras que fueron retiradas después del minuto 50. Esto se debe a que la descomposición del carbonato en la caliza comienza a culminar, y ya se empieza a formar la cal (CaO).

Después de discutir estos factores, se determinó que el hecho de sacar los crisoles, dejarlos enfriar y pesarlos no afectaría la masa del mineral, ya que la temperatura solo afecta el volumen del mineral a nivel molecular; sin embargo, su peso es el mismo y no varía por estos factores.

Se sabe que el porcentaje de humedad afecta un proceso de pirometalurgia. Incluso en la fundición, antes de que el mineral entre a un horno flash, es necesario secar el mineral para que el proceso sea óptimo. Sin embargo, para este proceso de laboratorio, donde la masa de mineral es de solo 20 g, un secado del mineral no es imprescindible. La humedad que podría tener, incluso un 7%, correspondería a 1,4 g de agua, lo que sería despreciable considerando que se trabaja a 1000°C y el agua se evapora a 100°C. Para un proceso industrial, donde se trabaja con toneladas por día, un porcentaje de agua se traduciría también en toneladas, por lo que sí se necesita un secado. Pero, como se mencionó antes, para un proceso de laboratorio como el nuestro, puede ser despreciable.

Se concluye que abrir el horno cada vez que se sacaba un crisol podría haber afectado la temperatura, ya que es posible que al estar abierto el horno pierda hasta 30°C por minuto. Sin embargo, el horno solo se abría en un rango de 5 a 10 minutos, por lo que esta hipótesis fue descartada.

La constante de equilibrio de la reacción es igual a la presión de CO₂. El gas es eliminado durante la calcinación, lo que se denomina presión de descomposición o de equilibrio. Cuando la presión parcial de CO₂ es menor que la presión de equilibrio, sea cual sea la temperatura, se producirá la descomposición de la caliza con la finalidad de incrementar la presión de dicho equilibrio. Sin embargo, cuando la presión parcial es mayor a la del equilibrio, la cal se combina con el dióxido de carbono para dar lugar a la formación de carbonato, haciendo descender el valor de equilibrio, es decir, sería menor a 5,195 atm.

Reacción de Calcinación de la Caliza

CaCO3(s) + Calor → CaO(s) + CO2(g)

Relaciones Termodinámicas

ΔG° = -R * T * lnK

K = [CO2(g)]

Laboratorio N°3: Formación de Fases en la Fusión de Concentrado de Cobre

Objetivos

• Observar la formación de fases escoria-mata en el proceso de fusión de un concentrado de cobre en el horno de laboratorio.

Conclusión Principal

La muestra del crisol #2 es la que resulta con la mejor separación de fases escoria-mata. Esto se debe a su mayor cantidad de sílice, la cual produce un aumento en el grado de separación en dos fases líquidas inmiscibles. Lo ideal en un proceso de fusión es un contenido de 35% a 40% de SiO₂.

Teoría

La fusión es un proceso en el que sustancias sólidas mineralizadas sufren distintas transformaciones fisicoquímicas para obtener un líquido multifásico que puede contener tres o más fases, y una de ellas contiene al metal reducido o, por condiciones químicas, un compuesto del metal de interés.

En la fusión de un concentrado de cobre, se obtienen tres fases: gaseosa (SO₂), escoria (óxidos) y mata o eje. Esta última está compuesta por calcosina (Cu₂S) y sulfuro de hierro (FeS).

Objetivos del Proceso de Fusión

• Obtener cobre metálico a partir de un concentrado.
• Separar el cobre del hierro, azufre y ganga contenidos en el concentrado.
• Asegurar la calidad del producto final de acuerdo con los requerimientos de procesos posteriores (refinación a fuego) o de su uso como tal.

El proceso se produce a altas temperaturas, es decir, entre 1150°C y 1200°C.

Método Experimental

Se preparan dos muestras de concentrado calcopirítico en dos crisoles, con una masa de aproximadamente 70 gramos cada uno de concentrado.

• A la muestra #1 se le agrega un 20% de su masa en sílice (16,2 gramos).
• A la muestra #2 se le agrega un 35% de su masa en sílice (26,4 gramos de sílice).

La sílice se utiliza como fundente del concentrado. Se rolea para homogeneizar cada una de las muestras con su contenido de sílice. Las muestras se llevan al crisol correspondiente, previamente pesado. Una vez listas, se introducen en el horno, que está regulado para alcanzar una temperatura de aproximadamente 1200°C. Las muestras se dejan en el horno durante 180 minutos.

Una vez terminada la fusión del concentrado, se espera su solidificación (24 horas). Luego, se procede a romper cada crisol y observar la separación de las fases de escoria y mata. La observación se realiza a través de un microscopio de laboratorio.

Conclusiones Detalladas

La separación de las fases ocurre por una diferencia de densidad en las sustancias fundidas. La mata o eje, al poseer una alta cantidad de cobre respecto a la fase oxidada (escoria), es más densa; por lo tanto, se deposita bajo la escoria. El cobre, al ser un metal denso, otorgará densidad a la fase en la que se encuentre en solución. El eje de un concentrado de cobre está compuesto principalmente por Cu₂S y FeS, y la fase escoria por los óxidos formados en la fusión. En esta última, se pueden producir arrastres de cobre en forma de Cu₂O.

Durante la preparación de las muestras, se realiza la homogeneización de la sílice con el concentrado, la cual se agrega para que actúe como fundente. Es importante que la etapa de roleo sea adecuada para que, a la temperatura de fusión, se logren separar las fases de escoria y mata, y no se forme una mezcla líquida homogénea. Al adicionar sílice, aparece una zona de inmiscibilidad con una separación entre dos líquidos. A medida que aumenta el contenido de sílice, la separación es más efectiva. En las muestras analizadas, se observó que el crisol 2, que posee un 35% de sílice respecto a su masa en concentrado, presenta una mayor separación de las fases, lo cual se verificó con el microscopio de laboratorio.

La fusión, al producirse por oxidación de concentrados de cobre, puede considerarse químicamente como una progresiva oxidación del hierro y el azufre para concentrar el cobre contenido. La razón termodinámica fundamental que posibilita la producción de cobre metálico mediante esta secuencia de procesos oxidantes es la mayor afinidad del hierro por el oxígeno, relativa a la del cobre; por lo tanto, el cobre tiende a liberarse del hierro y el azufre.

Las fases formadas en el horno de fusión son de características muy diferentes:

• Escoria: Es la fase menos densa y casi libre de cobre. Contiene principalmente óxidos de hierro, fundentes y cobre (pérdidas). Si el contenido de cobre es alto, puede ser enviada a hornos destinados a la limpieza de escoria para recuperar el cobre remanente. Sus componentes son: FeO, Fe₃O₄, SiO₂, Al₂O₃, CaO, MgO, Cu₂O, Sb, Bi, As, Zn y Pb (entre otros).
• Eje o Mata: Es la fase metálica donde se concentra el cobre, asociado principalmente a azufre. Está compuesta también por sulfuros de hierro. Es la fase más densa del material fundido y se encuentra en la parte baja del horno. La cantidad de cobre varía, dependiendo del método de fusión, entre 50% y 75%. Sus componentes son: Cu₂S, FeS, Fe₃O₄, Au, Ag, Pt, Sb, Bi, As, Zn y Pb (entre otros).

Según la observación microscópica, la muestra dos, que contenía 35% de sílice, mostró una mejor concentración de Cu. Esto indica que, dentro de un rango definido de sílice, el proceso puede mejorar. Sin embargo, si se agrega demasiada sílice, excediendo el límite definido, podría afectar el proceso de forma contraria.

Aunque se consideró que la cantidad de sílice podía ser igual para ambas muestras, la observación microscópica demostró que la muestra con más sílice actúa de mejor forma en el proceso. Por ello, se recomienda trabajar con un porcentaje de 35% a 40% de sílice para que el proceso sea óptimo.