TRABAJO DE INVESTIGACIÓN DE PIROMETALURGIA

1,. TERMODINAMICA DE LA TOSTACIÓN.-

Las condiciones necesarias para la formación de los distintos productos

de tostación pueden ilustrarse mediante relaciones de equilibrio que existe en

un sistema que contiene metal, azufre y oxigeno. Se tiene tres componentes y

de acuerdo con la regla de fases, se puede tener un sistema de 5 fases, es

decir 4 fases condensadas y na fase gaseosa. Si la temperatura es constante

se podría tener un sistema de 3 fases condensadas y una sola fase gaseosa.

La fase gaseosa contiene normalmente SO2 y O2. Aunque SO3 y aun S2

pueden encontrarse presentes.

Entre estos componentes gaseosos existen los siguientes equilibrios:

S2 + 2S2 = 2SO2 (1)

2SO2 + O2 = 2SO3 (2)

Para una temperatura dada, la composición de la mezcla gaseosa esta definida

por la presión parcial de cualquiera de los 2 componentes gaseosos. También

para una composición constante de gas, la composición de las tres fases

condensadas esta fija. A las relaciones de fase en el sistema ternario a

temperatura constante pueden describirse por medio de las diagramas

bidimensionales en donde las coordenadas son las presiones parciales de dos

de los componentes gaseosos. En la figuras se muestra los diagramas de

ellinghan y la de kellogg. Las líneas que describen el equilibrio entre cualquiera

de las fases condensadas están dadas por ecuaciones como:

Me + SO2 = MeS + O2 (3)

2Me + O2 = 2MeO (4)

2MeS + 3O2 = 2MeO + 2SO2 (5)

2MeO + 2SO2 + O2 = 2MeSO4 (6)

MeS + 2º2 = MeSO4 (7)

En el caso de que el metal hubiera formado varios sulfuros y óxidos se deben

considerar mas ecuaciones para la formación de MeS2 Me2(SO4)3 etc.

Pueden existir también sulfatos básicos como MeO MeSO4.

Para las reacciones dadas antes y para todas las fases condensadas en sus

estados estándar los equilibrios estan dados por las expresiones siguientes:

logPo – log PSo2 = log K3

logPo2 = - logK4

2logPso – 3 log Po = log K5

2logPso + logPo = - log Ko

2logPo = - log K

Puede observarse que para una estequiometría de reacción dada la forma de

la expresión de equilibrio es la misma para todos los metales, es decir, la

pendiente de las curvas correspondientes en la fig. 1 es la misma. Solo los

valores de las constantes de equilibrio K3 K4 etc son distintos de metal a

metal. Esto quiere decir que la posición de las áreas entre las líneas.

Estas áreas se denominan área de predominancia para la fase particular.

Puede observarse que en tanto exista solo una fase condensada. Las

presiones parciales de SO2 y O2 pueden modificarse independientemente una

de la otra. Es decir, el sistema a temperatura constante tiene dos grados de

libertad. A lo largo de las líneas de equilibrio entre dos fases condensadas. El

sistema tiene solo un grado de libertad.

Finalmente cuando se encuentran presentes tres fases condensadas el sistema

no cambia a temperatura constante. En la fig. 1 se dan también líneas que

describen las reacciones (1) y (2) es decir la formación de S2 y de SO.

Estas estan dadas por las expresiones:

2logPso – 2logPo = logK1+ logPs

2logPso + 2logPo = -logK2+ 2logPso

Se tiene entonces que para valores fijos de K1 K2 la relación entre logPso y

logPo depende también de las presiones parciales de S2 o SO3 en la figura IV-

1 las líneas son para cuando Ps y Pso son iguales a una atmósfera. Para otras

presiones, las lineas se recorren hacia arriba o hacia debajo de acuerdo con las

expresiones arriba dadas. Puede notarse que la presión parcial de S2 se

incrementa cuando la presion parcial de O2 es pequeña y la de SO3 grande.

Los diagramas del tipo de la fig. 1 se denominan frecuentemente diagramas de

kellogg.

Figura 1

DIAGRAMA DE KELLOGG PARA EL SISTEMA Me-S-O

Cuando la tostación se efectúa en aire, la suma de las presiones parciales de

SO2 y O2 es alrededor de 0.2 atm. Esto quiere decir que las condiciones

durante la testación se describirán por la línea punteada en la figura V-1

Primero se convierte el sulfuro en oxido por medio de la reacción (5). Luego el

oxido puede convertirse en sulfato, que mediante calentamiento prologado en

aire prolongado a temperatura constante puede descomponerse de nuevo

para dar el óxido.

Puesto que las áreas de predominancia para los distintos metales se

encuentran en distintos lugares, no sucederán simultáneamente las reacciones

para un amena de sulfuros mezclados para diferentes metales; además

algunas reacciones pueden no suceder en absoluto. Entonces para un sulfuro

mezclado de Fe-Cu ver fig.2 el sulfuro de hierro se oxidara primero formando

Fe3O4 (suponiendo que PSO + PO = 0.2 atm). El cobre se encontrara presente

como Cu2S.

La oxidación adicional convierte la magnetita en hematina y el Cu2S en Cu2O y

después en CuO - CuSO4 mientras que la hematina no formara sulfato bajo

estas condiciones.

La oxidación de un sulfuro metálico para dar el metal correspondiente se

denomina tostación – reacción puesto que antes se suponía que algo del

sulfuro debía convertirse primero en oxido, el cual reaccionaba después con el

sulfuro restante para dar el metal. El principio de la reacción – tostación se

utiliza en la fusión y conversión de matas de menas sulfurosas y en menor

grado en la fusión del plomo.

Se observa además que el sulfato metálico a temperaturas bajas y presiones

parciales elevadas de SO2 y O2. También la temperatura de formación de

sulfato difiere considerablemente de metal a metal. La mayor temperatura de

sulfatación que corresponde a una elevada temperatura de descomposición del

sulfato, se tiene en el caso del plomo y del zinc. Se tienen menores

temperaturas en el caso del cobre y del niquel en tanto que el oxido de hierro

en sulfato solo a temperaturas por debajo de 600º C, La conversión directa de

sulfuro a sulfato requiere de aun menores temperaturas.

Figura 2

DIAGRAMA DE KELLOGG PARA LA TOSTACIÓN DE SULFUROS

2.- DIAGRAMA DE ELLINGHAN.-

Figura 3

DIAGRAMA DE ELLINGHAN PARA LA FORMACIÓN DE OXIDOS

FIGURA 4

DIAGRAMA DE ELLINGHAN PARA EL SISTEMA OXIGENO – CARBONO

3.- AFINIDAD DEL METAL EN LA TOSTACIÓN.-

4.- TEMPERATURA DE IGNICIÓN.-

Para que un combustible se queme, es decir, reaccione con el oxígeno, es necesario el aporte de una cantidad de energía para que el combustible se inflame. Esta cantidad de energía depende del tipo de combustible, de la proporción de mezcla gas-aire y del contenido de oxígeno.

Las temperaturas mostradas en la tabla 3.11 han sido determinadas por calentamiento de una mezcla de combustible y una cantidad apropiada de oxígeno para que tenga lugar la ignición, siguiendo la norma DIN 51794.

TABLA 3.11. Temperaturas de autoinflamación de algunos combustibles.

COMBUSTIBLE

TEMPERATURA, ºC

H2

COCH4

C2H6

C3H8

C5H12

C8H18

C6H6

KeroseneGasolinaCarbón

400605537515450260210555260390454