pirometalurgia ii 2 il
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PIROMETALURGIA IIAspectos Termodinámico de la
Fundición de Cobre
Universidad de AtacamaCOPIAPÓ - 2010
• Los componentes principales de fundición:
Cu, Fe, S, O, Si, Al y Ca (cantidades relativamente pequeñas)
• CaO y Al2O3 debido a la estabilidad de sus óxidos y potencial de oxigeno del baño metálico y escoria.
• La sílice se encuentra como SiO44+ formando
cadenas polimerizadas.
Fundición de Cobre
Fundición de Cobre
Concentrado CuFeS2 - FeS2 - CuS - Cu5FeS4 - Cu2S - SiO2 - Al2O3 - CaO -
Baño Metálico Cu - Fe - S
Escoria SiO2 - Al2O3 – CaO - FeO
En el sistema Cu, Fe, O y S , las afinidades con el S son semejantes para el Cu y Fe y mayores para el Fe-O que para el Cu-O.El Fe puede estar presente en mas de un estado de oxidación dependiendo del estado de oxidación y azufre del baño metálico
Unos de los objetivos de la fundición es asegurar la conversión a sulfuro a todo el cobre presente en la carga con el fin de que este presente en el baño metálico, y se logra mediante la presencia del FeS
FeS(l)+Cu2O(l, escoria) = FeO(l,escoria)+Cu2S(l)
Gº(Johansen,1970)=-35.000+4.6T ºK Kcal (kg mol)-1
KE =
aCu2S ·aFeO aCu2O·aFeS
Fundición de Cobre
Proceso de Fusión
• La reacción puede usarse para recuperar cobre oxidado de la escoria del convertidor.
• Cualquiera que sea la forma del cobre de la carga, toma la forma de Cu2S.
• El CuS y FeS2 son inestables a la Tº de fundición debido a sus presiones alta de S(CuS: pS2= 100 atm a 600ºC, FeS2: pS2= 5 atm a 700 ºC)
• Estos se descomponen durante la fusión para formar a Cu2S y FeS
Líquido
Cu FeS4 3 ,0 8
Cu FeS4 3 ,0 8
Cu S +
2
Cu FeS + FeS4 3 ,0 8
FeS
FeS + Liq
Liq + Cu FeS4 3 ,0 8
200
400
600
800
1000
1200
1400
20 40 60 80 FeSCu S2
Tem
pera
tura
°C 1130°
940°
Sistema Cu2S - FeS
Proceso de Fusión
• En el sistema Cu2S-FeS está compuesto por:
Mezclas de sulfuros complejos, Cu2S y FeS
• La mata líquida pierde S, se separa una segunda fase rica en metal. Es válido en todo el intervalo de Cu/Fe que incluye los extremos Cu2S y FeS.
• Se observa una región de inmiscibilidad• Se muestra la composición de varias matas
industriales.• Las matas se ubican a la izquierda de las línea
Cu2S-FeS, esto se debe a las condiciones ligeramente oxidantes dentro de los hornos de fundición.
Sistema Cu - Fe - S
Sistema Cu – Fe - S
• Casi la totalidad de los óxidos presente en la carga (Al2O3, FeO, Fe2O3, Fe3O4) son mas estables que los óxidos de cobre, de tal manera que se pueda esperar en base a los valores de la energía libre de formación de compuestos puros, que ocurran distintas reacciones entre los sulfuros y óxidos en el material fundido.
Sistema Cu – Fe - S
• Puesto que para la formación de óxidos de hierro (FeO y Fe3O4 ) el valor de Gº aprox. 1.300ºC
GºFeO = -82 kcal /mol
GºCu2O = -31 kcal/mol
• Mientras que para los súlfuros la diferencia de energía libre de formación es:
GºFeS = -22 kcal/mol
GºCu2S = -32 kcal/mol
Sistema Cu – Fe - S
• Las reacciones ocurriran de la forma
• FeS(l)+Cu2O(l, escoria) = FeO(l,escoria)+Cu2S(l)
• Hasta oxidar el total de fierro para formar FeO ó Fe3O4
• Esta reacción es la base de la separación de cobre de la ganga
• Permite reducir el mineral de cobre oxidado a su sulfuro mediante otro sulfuro (Fe)
Fusión de Concentrados de cobre
Mata Escoria
Concentrado
Aire y Oxígeno
Gas rico en SO2
CuFeS2 - FeS2 - CuS - Cu5FeS4 - Cu2SSiO2 - Al2O3 - CaO
SiO2 - Al2O3 – CaO - FeOx
4 CuS = 2 Cu2S + S22 FeS2 = 2 FeS + S2
4 CuFeS2 = 2 Cu2S + 4 FeS + S2
Cu5FeS4 = 2 Cu2S + CuFeS2
Descomposiciones Piríticas:
2O2 + S2 = 2SO2
2Fe + O2 = 2FeO
Formación de escoria:
FeO + SiO2 = FeO⋅SiO2
Cu - Fe - S
Fusión de Concentrados de cobre
Sistema Cu-Fe-S Sistema FeO-Fe2O3-SiO2
Mata o Eje Escorias
liq
Liq + SiO2
Liq + Fe
Liq + FeO
Liq + Fe3O4
Sistema FeO-Fe2O3-SiO2
• El interior de la región ABCD señala el intervalo de composición en el cual las escorias de fundición se funden completamente a 1200 ºC
• Este campo fundido esta rodeado por cuatro regiones de saturación sólida:
Sistema FeO-Fe2O3-SiO2
• La saturación de hierro sólido (AB) y la saturación de FeO (BC), no se encuentran en los hornos de fundición debido a los potenciales altos de oxígeno y a los contenidos de sílice de las escorias de fundición.
• La línea AD nos muestra la cantidad de sílice que se necesita para saturar las escorias de fundición por la inmiscibilidad.
Sistema FeO-Fe2O3-SiO2
• La línea CD, de saturación de la magnetita sólida.
• La posición de este límite indica que la magnetita sólida será una fase en equilibrio cuando la presión de oxígeno de los gases del horno excede en un 10-9 atm (punto C) o 10-8 atm (en la saturación con sílice, punto D).
• Los gases de combustión en la mayor parte de los hornos de fundición contienen en el orden del 1% de O2 ( PO2 aprox. 10-2 atm), implica que la magnetita sólida se debe producir en la interfase gas/escoria durante la fundición.
Sistema FeO-Fe2O3-SiO2
• En realidad la magnetita tiende a ser reducida por la reacción:
3Fe3O4(s) + FeS(l) = 10FeO(l) + SO2(g)
• En los sistemas de fundición siempre existe competencia entre la producción de magnetita por la oxidación atmosférica y la reducción de magnetita por las fases de sulfuros.
Proceso de fusión de cobre
Eutéctico binario a 940ºC
Mezcla FeS – Cu2S
Mezcla homogénea de óxidos y sulfuros
La precencia de la silice produce la separacion de la escoria y la mata
• Se muestra que el FeO y FeS líquido son completamente miscibles, pero con la presencia de SiO2 permite que se separen en dos fases líquidas inmiscibles.
• Punto A es la composición de dos fases en saturación con sílice ( se forma la escoria).
• Mientras mas grande es la composición de sílice mayor será la diferencia de las dos fases.
Diagrama de equilibrio para el Sistema FeO-FeS-SiO2
Inmiscibilidad
• En presencia de sílice, los óxidos se combinan para formar aniones polímeros de silicato fuertemente enlazados, por ejemplo:
2FeO + 3SiO2 = 2Fe2+ + Si3O84-
y forma una sóla fase de escoria.• Los sulfuros no tienden a formar aniones
complejos
Propiedades de matas y escorias
Problemas de la fusión de cobre:
1. Formación de Magnetita.
2. Pérdida de cobre en la escoria.
Magnetita en la Fundición
La magnetita sólida se produce en la fusión y conversión por la reacción de los gases que llevan oxigeno con las escorias de óxido de hierro.
Presencia en la carga del horno
Causa problemas operacionales :
1. Escorias viscosas (separación, pérdida de Cu)
2. Magnetita es mas densa (disminuye capacidad de producción del horno)
3. Falso fondo (cromo, densidad intermedia)
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