diagramas de kellogg (diagramas de predominancia)

• INTRODUCCIÓN

• TOSTACIÓN DE SULFUROS

• TERMODINÁMICA DE LA TOSTACIÓN

• DIAGRAMAS DE ESTABILIDAD

• TIPOS DE DIAGRAMA DE ESTABILIDAD

• DIAGRAMAS DE KELLOGG

• ¿CÓMO SE CONSTRUYE EL DIAGRAMA DE KELLOGG?

• ASPECTOS GENERALES DEL DIAGRAMA DE KELLOGG

• SISTEMA Fe – S – O

• ALGUNAS DIFERENCIAS EN LOS DIAGRAMAS DE KELLOG

• CONCLUSIONES

• BIBLIOGRAFÍA

El comportamiento físico-químico de los sistemas

(M-O-S)

Metal – Oxígeno – Azufre, es de mucha

importancia para la comprensión de los procesos

de:• Oxidación de sulfurosTostación

• Reducción del óxido de hierro FeO parcialmente en estado líquido

Fusión reductora

• Formación de mezclas fundidas de sulfuros de metales con algunos óxidos.

Matificación

• TOSTACIÓN

Es la oxidación de los sulfuros metálicos para

producir óxidos metálicos y bióxido de azufre.

MS + 3/2 O2 MO + SO2

Otras reacciones

Sulfatos metálicos

Formación de SO3

Óxidos complejo

s

ZnFe2O

4

SULFUROS

•COBRE

•ZINC

•PLOMO

Las condiciones necesarias para la formación de

distintos productos de tostación pueden ilustrarse

mediante las relaciones de equilibrio que existen en un

sistema que contiene los siguientes tres componentes:

Se tienen 3 componentes y, de acuerdo con la regla de

las fases, se puede obtener un Máximo de 5 fases:

4 fases condensadas y 1 fase gaseosa

METAL

M

AZUFRE

S

OXIGENO

O

P + F = C + 2

P = C + 2 – F

P = 3 + 2 – F F = 0 mínimo valor

3 componentes metal, oxigeno, azufre

Donde:P = número de fases presentes en el equilibrio

C = número de componentes del sistema

F = número de grados de libertad del sistema (variables: presión, temperatura, composición)

• El número 2 en la regla corresponde a las variables de temperatura T y presión P.

• La fase gaseosa contiene normalmente SO2 y

O2, aunque SO3 y aún S2 pueden encontrarse

presentes.

• Entre estos componentes gaseosos existen los

siguientes equilibrios:

•S2 + 2O2 = 2SO2

•2SO2 + O2 = 2SO3

Para una temperatura dada, la composición de lamezcla gaseosa está definida por la presiónparcial de cualquiera de los dos componentesgaseosos.

Para composición constante de gas, lacomposición de las fases condensadas está fija.Así las relaciones de fase en el sistema ternario atemperatura constante pueden describirse pormedio de un diagrama bidimensional en donde lascoordenadas son las presiones parciales de losdos componentes gaseosos. Estos sondenominados diagramas de Kellogg.

Los diagramas de estabilidad se usan para:

PREDECIR

REACCIONES

POSIBLES EN

SISTEMAS

METALÚRGICOS

• Ejemplo:

• Temperatura

• Presiones parciales

CONOCER LOS

FACTORES QUE

RIGEN

LAS

REACCIONES

Hay innumerables diagramas de estabilidad.

Ejemplos:

Temperatura Vs. % Peso

Log PSO2 Vs. Log PO2

CO2 / CO Vs. Temperatura

Log Pi Vs. 1/Temperatura

Los diagramas de estabilidad de los sistemas M –

O – S, llamados también diagramas de

predominancia de áreas, muestra zonas o áreas

definidas, dentro de las cuales es predominante,

es decir estable, cierta especie, en función de

presiones parciales y temperatura. Estos

diagramas tienen particular importancia en

metalurgia extractiva, porque conociéndoles, se

puede llegar a establecer el proceso a seguirse en

cierto tipo de concentrado.

Las áreas predominantes, en función de presiones

y temperatura, darán pautas para determinar si el

proceso conveniente será una tostación:

sulfatante, oxidante, tostación – reducción, etc., o

una reducción directa, o reducción previa

oxidación de sulfuros, o tostación seguida de

lixiviación, etc.

Las líneas muestran los equilibrios bivariantes y

los puntos muestran equilibrios univariantes

(equilibrios entre tres fases).

1)Se identifica cada una de las reacciones

2MeS + 3O2 → 2MeO + 2SO2

2MeS + 2SO2 + O2 → 2MeSO4

2)Se obtienen las constantes de equilibrio

con la siguiente ecuación:

ΔGT ° = -RT LN (k)

• 3) teniendo la constante K, las reemplazamos en

la ecuación de constante de equilibrio:

• 4) luego aplicamos logaritmos a ambos lados de

la igualdad y despejamos log Pso2.

Log Pso2 = 1/2Log K + 3/2Log Po2

Log Pso2 = -1/2Log K - 1/2Log Po2

5) Después graficamos log (Pso2) vs. log

(Po2)

“Con este procedimiento vamos a obtener

las líneas de estabilidad termodinámica,

según la reacción seleccionada.”

•Para una estequiometria de reacción dada, laforma de la expresión de equilibrio es la mismapara todos los metales, solo los valores de lasconstantes de equilibrio K, son distintos demetal a metal.

•Las líneas que se obtienen representan ellimite de estabilidad termodinámico.

•El área que queda entre las líneas se va allamar área de predominancia o de estabilidadde fase en particular.

• Cuando la tostación se efectúa en aire, la sumade las presiones parciales de SO2 y O2 esalrededor de 0.2 atm.

• La temperatura de formación de sulfato difiereconsiderablemente de metal a metal. la mayortemperatura de tostación se alcanza en el casodel plomo y el zinc y menores temperaturas encaso del cobre y níquel.

• Durante la tostación de menas de sulfuroscomplejas pueden ocurrir otras reacciones.

• Los óxidos producidos pueden reaccionar entresi dando óxidos complejos.

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

Los dos puntos analizados anteriormente

constituyen los extremos de la Línea de equilibrio

Fe – FeS.

La tostación puede efectuarse en varios tipos de hornos ,

durante los últimos años el mas usado es el horno de lecho

fluidizado.

Sistema Fe-O-S

T: 700 KSistema Pb-O-S

T: 1000 K

Difícil obtener una tostación completa,

debido a la difusión a través de las capas

de sulfatos.

• El diagrama de Kellogg es una herramienta de

gran ayuda para controlar las reacciones que

ocurren durante la tostación, indicándonos la

estabilidad termodinámica que hay en ellas, y

pudiendo a su vez predecir el producto que se

va a obtener con las condiciones de presión

existentes durante el proceso.

• Existe un diagrama representativo para cada

temperatura.

• La línea de equilibrio de un diagrama deKellogg será vertical cuando en la reacciónsolo exista oxígeno. Dicha línea seráhorizontal cuando en la reacción solo existadióxido de azufre. La línea presentarápendiente en el caso donde existan ambosgases.

• La determinación de la zona que ocupa unode los componentes del equilibrio se haceconociendo el equilibrio de uno de loscomponentes en otras reacciones y sudistribución en el sistema.

• MALDONADO CERÓN, Luis Alfonso. Fundamentos de

los procesos pirometalúrgicos. Bucaramanga: UIS, 1985.

• ROSENQVIST, Terkel. Fundamentos de metalurgia

extractiva. México: Limusa, 1987. 564p.

• JOFFRÉ, Juan. Termodinámica metalúrgica. Universidad

Autónoma de San Luis Potosí, 1993.

• GASKELL, David. Introduction to metallurgical

thermodynamics. Washington: Scripta publishing, 1973.

520p.

• COUDURIER, Lucien. WILKEMIRSKY, Igor.

Fundamentos de los procesos metalúrgicos. Chile:

Universidad de concepción, 1971. 536p.