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Vol. I N°02 Lima - Perú Diciembre 1998 |
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I- Proceso de Obtención del Cobre Para las cuatro fases coexistentes bajo condiciones termodinámicas estables, el sistema está sujeto a varias limitaciones, por ejemplo, se puede expresar las condiciones para la fase de la mata debe ser prácticamente metal blanco o bajo en fierro dentro de las cuatro fases en equilibrio. A.- Presión Parcial del SO2 El reactor del proceso Noranda opera para una eficiencia del oxigeno prácticamente al 100%. Consecuentemente, el valor de la presión parcial del S02 se puede calcular del contenido de oxígeno del aire de la tobera y del balance de masa del oxígeno para los componentes oxidados del alimento. El volumen del aire Va requerido para convertir el alimento en cobre metálico y escoria está dado por : Va = (2240/32y)(0.998(S)F + 0.338(Fe)F + 0.245(Zn)F + 0.077(Pb)F donde : y: Porcentaje del Oxígeno en la
Tobera El volumen de Nitrógeno suministrado es: VN2 = 0.01(100 - y)Vg El volumen del SO, producido está dado por: Vso2 = (22.4/32.066) * [S]F El volumen del gas efluente está dado por Vg + VN2 + VSO2 Consecuentemente, la presión parcial del SO 2 en la reacción gaseosa está dado por:
PSO2 = Vso2 B.- Las Fusiones Cu-Fe-S Las condiciones bajo las cuales las fases de las matas de alta ley y el cobre metálico coexisten han sido convenientemente establecidas por Krivsky y Schuhmann. Los datos de Krivsky et al, permiten el cálculo de los contenidos de fierro y azufre de la fase del cobre metálico en equilibrio con la mata de alta ley y así mismo la presión parcial del azufre. Para el desarrollo de un modelo computarizado, es necesario expresar las relaciones en forma de ecuaciones. Las concentraciones de azufre y fierro en la fase de cobre saturada de Cu 2 S, pueden expresarse en función de la temperatura y la concentración del fierro en la mata: [Fe]Cu=(18.3+1.1t)x+(875+19M)x2 (x<0.12) [S]Cu = (1.33 + 0.28t + 0.08t2) _ (0.3 - 2.7t)x + (43 + 33t)x2 donde:
La presión parcial del azufre puede ser calculado mediante:
Así también se demostró que la composición de la mata saturada en cobre varía muy poco con la temperatura, y consecuentemente la ley de la mata puede ser calculada del contenido de Fierro en la mata por la siguiente relación independiente de la temperatura:
Las actividades del FeS y del Cu2S pueden expresarse como:
válidos en el rango de temperatura [1150-1350 °C] C.- Disolución Oxidada del Cobre en la Escoria. La solubilidad del cobre en las escorias fayalíticas se debe a la contribución oxidada y sulfurada. Las disoluciones sulfuradas pueden ser obviadas en el análisis de la obtención del cobre en el Proceso Noranda. En cuanto a la disolución oxidada se han reportado varios experimentos. Ruddle, Taylor y Bates por su parte, así como Altman y Kellogg investigaron la solubilidad del cobre en las escorias fayalíticas saturadas de SIO 2 en un rango de temperatura de 1200 - 1400 'C resumiéndose en la siguiente relación independiente de la temperatura:
Toguri y Santander investigaron las escorias de Fayalita que contiene A1203 en condiciones de saturación de SiO2 y encontraron solubilidades de cobre un poco más bajas.
Nagamori, Mackey y Tarassoff midieron la solubilidad del cobre en las escorias fayalíticas no saturadas en SiO2 conteniendo aproximadamente 8 % de Al2 O3 :
A diferencia de algunas de esas escorias estudiadas, las escorias del Proceso Noranda están insaturadas de sílice y bajo en alúmina. Por acuerdo, la disolución oxidada de cobre estará dada por la ecuación última a lo largo de todo el trabajo. II.- Proceso de Fabricación de la Mata. A)Diferencia con el Proceso de Obtención del Cobre. Cuando el sulfuro de cobre líquido coexiste con el cobre metálico, como en el proceso de obtención del cobre, la presión parcial del azufre sobre el sistema es el mínimo. Este límite no se mantiene para el proceso de fabricación de la mata y la presión parcial puede variar incrementándose. De esta manera, la presión parcial del azufre será más alta, con la presión parcial del oxígeno para el mismo conjunto de la presión parcial del SO2 y la actividad del Fe3O4, dependiendo de la ley de la mata. La ley de la mata es una nueva variable importante en el caso de la fabricación u obtención del cobre. B.- Presión Parcial del SO2 Cuando una mata con una ley [Cu]mat es producida a partir de 100 g de chalcopirita, consistente de sulfuros de Cu, Fe Zn, y Pb, además de la ganga. El requerimiento de aire se da por:
El volumen del nitrógeno utilizado está dado por :
El volumen del gas efluente se da por Vg ' = VN2+Vso2 En consecuencia la presión parcial del SO2 gas que sale de la fusión esta dado por: Pso2 = Vso2 '/ Vg C.- La Mata en la del Oxígeno Usando los datos obtenidos por SPIRA para matas aproximadas dirigidas al proceso de fabricación de la mata, las concentraciones de todos los componentes mayores en la mata pueden expresarse como una función de la ley de la mata [Cu]Mat y son: [Cu2S]mst = 1.25 [Cu]mst [FeS]mst =7.42 - 0.9275 [Cu]mst [FeO]mst= 4.8 - 0.06 [Cu]mst [FeO1.33]mst= 20.0 - 025 [Cu]mst [SiO2]mst = 1.0 - 0.0125 [Cu]mst La concentración del Fe en la mata bajo la forma de sulfuro de fierro en la mata se da por: [Fe]mst = 47.12 - 0389 [Cu]mst como una aproximación, la actividad del Cu2S en las matas que contienen más del 60% de Cu se pueden calcular por: aCu2S = NCu2S La actividad del FeS en las matas de Cu2S-FeS es prácticamente independiente de la temperatura aFeS = 2.36x - 6.44x2 + 28.12x3 La ecuación anterior puede usarse reemplazando [Fe]SMat por x para aproximar la actividad del FeS en las matas que contienen oxígeno. D.- Disolución oxidada y Sulfurosa en la Escoria Además de la disolución oxidada de escoria definida anteriormente, las escorias fayalíticas pueden disolver cobre adicional cuando la escoria coexiste con una mata que contiene sulfuro de Fe. Para el sistema mata escoria en los hornos de rebervero, la disolución sulfurosa de cobre ha sido establecida como
El coeficiente 0,39 en la ecuación 42 es válido sólo a 1200°C, pero en este estudio se asume el mismo valor para mantenerlo por encima del rango de la temperatura de fusión de la mata. Estas relaciones se extendieron para las condiciones de fusión continua con el fin de aproximar las pérdidas sulfuradas de cobre. La totalidad del cobre disuelto en la escoria se da por
2.0 SIMULACIÓN TERMODINÁMICA DE LOS PROCESOS PIRO METALÚRGICOS 2.1 Proceso Noranda Parámetros Seleccionados Temperatura = 1473 °K [Cu]mst = 70 aFe3O4 = 1.0 [Fe304] = 21.8 PSO2 = 0.225 atm % VO2 = 30 % (aire) 2.2 Proceso Isasmelto Datos de Planta Piloto y del Modelo Computarizado El modelo computarizado, tiene las siguientes características y plantea las siguientes simulaciones - Se procesan 820 ecuaciones - Tiene 4 loops iterativos - El modelo predice y compara con los datos de planta - El volumen observado del aire en la lanza fue mucho menor que el valor del modelo, sugiriéndonos la existente de una filtración de aire. - Todos los datos observados en planta pueden ser bien tomados en cuenta por el modelo. - La distribución fraccional predicha de Zn, Pb , As, y Bi está de acuerdo con los datos de planta. - También se contempla el diseño de modelos termodinámicos más rigurosos para poder simular procesos pirometalúrgicos. 3.0 Conclusiones 1.- Se presenta dos modelamientos termodinámicos con filosofías distintas, los cuales producen cobre metálico o mata de alta ley. 2.- El Modelo Noranda se basa en la suposición que las fases están en equilibrio con otra, debido al agitamiento del baño turbulento causado por los jets que producen las toberas. 3.- Dicho modelo de aproximación termodinámica integra parámetros del proceso tales como: Temperatura, oxígeno enriquecido, composición del concentrado, ley de la mata y contenido de la magnetita en la escoria. 4.- El Modelo Noranda describe la fisicoquímica del proceso como una función de las variables controlables, por lo cual puede emplearse como una herramienta para el control del proceso. 5.- En cambio el Modelo Isasmelt basado en la suposición de la existencia de dos posiciones; una de oxidación rápida y otra de reducción lenta. 6.- El modelo Isasmelt simula termodinámicamente la conducta de los elementos menores Zinc, Plomo, Arsénico, Antimonio, y Bismuto; como también de los elementos mayores Cobre Fierro, Sílicie, Oxígeno y el Azufre. 7.- El modelo Isasmelt tiene como ventajas: el bajo costo del reactor, requerimientos mínimos para la alimentación, bajo % de Cobre en la escoria, alto rango de operación y buenas condiciones ambientales en planta.
(*)Profesor Principal de la Escuela
Académico Profesional de Ingeniería Metalúrgica U.N.M.S.M
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