Termodinamica metalurgica 2Conversin mata de Cobre

Integrantes: Silvia Bugueo Joaqun GallardoProfesor : Claudio AguilarAyudante: Cristian De La Plaza

Introduccion3Introduccin al proceso de Conversin:4Conversin de la mata de cobre.5Explicacin del proceso:5Etapas del proceso de conversin:5Explicacin termodinmica.7Obtencin del metal blanco.7Obtencin cobre blister.8Diagrama de Ellingham9Diagrama Ternario.10Conclusiones12Bibliografa.13

Introduccion

Para comprender el proceso de formacin de mata de Cobre, es necesario conocer como se produce el Cobre a traves de sulfuros , esto es, la fundicin de matas para luego convertirla en Cobre Blister.Los componentes que deben estar presentes en el proceso de fundicin son oxidos de Hierro,Cobre ,Azufre y Oxigeno. Otro topico importante a considerar son los potenciales redox presentes en los gases que se usaran para calentar y fundir la carga en el reactor,ya que tiene una gran influencia en el proceso.El objetivo de Fundicin es sulfurar todo el cobre presente en el reactor , solo de esta manera podemos avanzar a la siguiente etapa, la formacin de mata escoria.Las matas son sulfuros (Cu2S y FeS) que aparecen una vez ocurrida la fusin y disolucin de CU2S y FeS, esta es una mezcla homogenea compuesta de una sola fase liquida, esto debido al carcter covalente de sus enlaces, por esta misma razn se genera inmiscibilidad con la escoria tambien generada en el proceso,ya q esta posee carcter ionico en sus enlaces. En este proyecto se analizar el proceso de formacion de mata de Cobre desde una perspectiva netamente termodinamica, utilizando para el analisis conceptos como energia libre de Gibbs,actividad, Diagramas de fase, entalpia, entropia,entre otros.

Introduccin al proceso de Conversin:

Con la idea de contextualizar el proceso de conversin de la mata de cobre, a continuacin se explicar brevemente el proceso pirometalrgico en el cual se procesa mineral sulfurados produciendo nodos y ctodos de cobre.Primeramente el mineral extrado de la mina es concentrado, mediante flotacin, obtenindose un concentrado de cobre que bordea el 20-45% de cobre, teniendo adems como componentes principales el hierro, azufre adems de metales preciosos. Este concentrado se lleva al proceso de fundicin, en donde primeramente se lleva a un horno de fusin recuperndose el cobre y eliminando sus principales impurezas (azufre y hierro) a temperaturas que rodean los 1200-1300 [C]. En el horno el azufre pasa a formar gas de , mientras que paralelamente el cobre con el hierro adems del slice, producto de la arena que se introduce en el horno, permanecen en un estado lquido, la cual se deposita en el fondo del horno producto de su mayor densidad, formando parte del contenido de la mata de cobre, mientras que la mezcla del hierro con el slice, en forma de silicato, permanece en la parte superior del horno, extrayndose en forma de escoria. La mata de cobre es sometida a una gran oxidacin en la seccin de convertidores, consiguiendo un producto intermedio denominado cobre blister con elevados contenidos de cobre pero que no se encuentra en su estado ms puro, adems produce gases ricos en que se unen a los gases formados anteriormente. El cobre blister luego de esta etapa pasa al horno de afino, en donde incrementa an ms su pureza, y posteriormente a esto es llevado al moldeo de los nodos, en donde se les da la forma geomtrica. Cuyos nodos terminan de ser purificados en el proceso de electrorefinacin con la ayuda de una celda electroqumica.Los gases de que fueron producidos en el proceso se oxidan y se convierten en cido sulfrico en una planta de doble absorcin, por otro lado la escoria es tratado en un horno elctrico en donde se recupera todo el cobre que posee, luego de esto se enfra y granula para su posterior utilizacin como material estril.Para tener una idea del consumo tanto de concentrado de cobre como de cido sulfrico y escoria se presentan las siguientes reglas generales.Con una produccin de de nodo:Concentrado de cobre: cido sulfrico: Escoria:

Conversin de la mata de cobreExplicacin del proceso:La mata proviene de un proceso previo de fundicin posee como componentes principales el cobre, hierro y azufre, adems de otras impurezas en pequeas cantidades (ver tabla 1). A esta mata se le agrega aire en un convertidor para oxidar la mata fundida y hacer posible la eliminacin del hierro y de azufre (principalmente) ya que dichos elementos son considerados impurezas, obtenindose el cobre metlico lquido (no refinado 98,5 a 99,5% de Cu). Este cobre blster obtenido posteriormente se refina para la produccin de ctodos de alta pureza (>99% de Cu).Tabla 1 - anlisis representativos de materias primas y productos del convertido

Etapas del proceso de conversin:Para realizar la oxidacin de la mata primeramente es necesario fundirla llevndola a temperaturas cercanas a los 1100[C]. Posterior a esto la oxidacin ocurre en dos etapas distintas tanto qumica como fsicamente:1. En la primera etapa se obtiene como producto el metal blanco (Cu2S, lquido impuro) en donde el FeS se oxida a FeO, Fe3O4 y gas SO2, debido a que el hierro posee un menor potencial que el cobre, mirando la ecuacin de reduccin (ver bibliografa [1]). Este proceso se lleva a cabo hasta que el FeS de la mata se ha oxidado casi completamente, es decir, hasta un punto donde la mata contiene menos de 1% de FeS. Se puede ver ilustrativamente en la Imagen 1.Imagen 1 - Obtencin metal blanco

2. En la segunda etapa se aprecia la formacin de cobre en donde el azufre que an se encuentra presente se oxida a SO2. La inyeccin de aire en esta segunda etapa produce la aparicin de una segunda fase lquida (Cobre blster) produciendo un campo de inmiscibilidad lquido lquido (ver Diagrama 2). El aire inyectado al convertidor produce que el azufre sea eliminado del sistema y que el cobre blster aumente producto de la desaparicin del metal blanco, La densidad del cobre blster es mayor que Cu2S lo que implica que se deposit en el fondo del convertidos en donde se realiza el proceso de conversin (ver imagen 2).

Imagen 2 - Obtencin cobre blister

Explicacin termodinmica.Obtencin del metal blanco.La inyeccin de aire en la mata da por resultado la oxidacin preferencial del FeS y Fe3O4, cualquier Cu2o que se forme se vuelve a sulfurar hasta transformar a Cu2S por la reaccin:

La constante de equilibrio (k) a 1200[C] es de 104, cuyo valor indica que prcticamente todo el Cu2O ha sido transformado a Cu2S por la oxidacin del FeS.

Este proceso se puede explicar tambin visualmente mediante un diagrama de fases correspondiente a la primera etapa de conversin (ver Diagrama 1).En donde al realizar la primera inyeccinde aire el azufre se elimina como SO2 para general el llamado metal blanco con un bajo porcentaje de azufre, pero no de cobre metlico. La reaccin total que representa este proceso es la siguiente:

Se puede apreciar claramente que a medida que se le agrega O2 a la mata va desapareciendo la cantidad de Cu2S y liberando SO2 como gas.Diagrama 1 - Cu2S - FeS

Obtencin cobre blister.La explicacin del segundo proceso se ve representado con las siguientes ecuaciones en donde se aprecia cmo reacciona el Cu2S con el O2 y con el Cu2O.

Al analizar el signo de la energa en la ecuacin total se puede concluir que la segunda etapa de conversin (al igual que la primera) libera energa hacia el entorno.Cuando el sistema se encuentra entre la zona de Cu puro y Cu con un 1,2% de Cu2S se agrega una inyeccin adicional para poder dejar el cobre lo ms puro posible, pero se debe tener la precaucin de no sobreoxidar el cobre porque quedara como Cu2O. Es por esto que en el proceso de conversin no se deja totalmente puro el cobre, y se finaliza el proceso de purificacin en la electrorefinacin.

Diagrama 2 - Cu-Cu2SDiagrama de Ellingham La conversin de matas cupriferas tiene como propsito la eliminacion de Hierro y Azufre presentes en la mata como Cu2S y FeS, y en menor grado,de otras impurezas metalicas anteriormente mencionadas que se encuentran disueltas en su estado elemental o formando oxidos y sulfuros. Para esto es necesario oxidar la mata , entre 1150 y 1250C, mediante el soplado con aire o aire enriquecido fomentando una escorificacin del hierro y una volatilizacin del azufre como SO2. Las reacciones de oxidacion son altamente exotermicas permitiendo un proceso autgeno, es decir, sin requerir una fuente de calor externa.Termodinamicamente, el oxigeno presenta una mayor afinidad por el hierro y el azufre antes que el Cobre, por lo tanto, existiendo la posibilidad de reaccionar con alguna especie, el oxigeno lo har preferencialmente con hierro y azufre para oxidarlos a FeO y Fe3O4 y a SO2 respectivamente.La mayor afinidad del oxigeno por estos elementos da origen a una selectividad que puede justificarse termodinamicamente mediante una simple comparacin de los datos de energa libre representados mediante el diagrama de Ellingham-Richardson para xidos metlicos.Cabe mencionar que cada una de estas reacciones dependen tambien de una presin especifica, la cual es manejable dentro del reactor, la presin para que ocurra cada una de las reacciones viene dada en el diagrama de ellingham-richardson y corresponde al punto de interseccin de la linea de la reaccion con el eje y.Las reacciones de oxidacin presentes en el reactor son :

Diagrama 3 - Ellingham

Diagrama Ternario.Cabe destacar que ambos diagramas binarios adjuntados anteriormente son producto de uno ternario, compuesto por Fe-S-Cu. En donde y poseen una fusin congruente. La lnea verde presenta el primer soplado de aire que se realiza en el proceso de conversin llegando al metal blanco, posterior a esto se realiza el segundo soplado, con lnea azul, hasta llegar al cobre lo ms puro posible. Se puede apreciar una zona de color amarillo la cual nos ndica una zona de inmiscibilidad que es la que se forma entre el metal blanco y el cobre blister. En el diagrama de la figura se aprecia una amplia laguna de inmiscibilidad en la fase liquida, y esta laguna comienza en el cuasibinario Cu-Cu2S y se cierra en el punto A, que marca una temperatura de 1355[C] que posee una composicin de (5.5%Cu, 77.5%Fe y 17% S). Se distinguen dos puntos invariantes el X eutctico ternario FeS-Fe (gama)-Cu2S e Y eutctico ternario Cu-Cu2S-Fe (gama). Tambin se puede encontrar una transformacin monotctica ternaria (L1 + L2) en la recta de a a 1077[C].Es importante rescatar que el trabajo sobre las matas comerciales de cobre se analiza en una porcin del ternario en particular la zona cuasitrapezoidal Cu-Cu2S-FeS-Fe, esto dado que no existe mata en todo el sistema ternario solo est presente en una regin estrecha de inmiscibilidad y el pseudo-binario Cu2S-FeS .

Diagrama 4 - Ternario Fe-S-CuPunto invariante Y eutctico ternario Cu-Cu2S-Fe (gama)

A

APunto invariante X Eutctico ternario FeS-Fe (gama)-Cu2S

ConclusionesComo se explico en el informe es de vital importancia en el proceso de conversin de mata de cobre la afinidad(actividad) del oxigeno con ciertas especies ms que con otras(esto se corrobora segn el diagrama de ellingham ) ya que debido a esto es posible eliminar las impurezas tales como asufre y hierro principalmente para asi obtener un cobre mucho ms puro, que luego ser llevado a electrorefinacin para conseguir posteriormente catodos de 99,99 %Cu.Esta mayor afinidad se justifica mediante la comparacin de valores de la energia libre de Gibbs de cada compuesto.Es por esto adems que todas las reacciones dentro del reactor son espontaneas,es decir, que no es necesario agregar energia para que ocurran, ya que los .Otro aspecto a tener en cuenta son las temperaturas y presiones a las que se trabaja en el reactor ya los procesos de conversin son en rango de temperaturas y presiones especificas como podemos observar en el diagrama de fase de Fe-S-Cu, en donde la mata existe solo en una regin estrecha de inmiscibilidad y el pseudo-binario Cu2S-FeS .

Bibliografa.

http://www.uam.es/departamentos/ciencias/quimica/aimp/luis/Docencia/QB/Otro_material/Potenciales_estandar_reduccion.htm [1].http://biblio3.url.edu.gt/Libros/2013/cmII/4.pdfhttp://www.itescam.edu.mx/principal/sylabus/fpdb/recursos/r73800.PDFExtractive Metallurgy of Copper, fifth edition.

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