pirometalurgia ii 2 il

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

Diagrama de equilibrio de fases cobre-hierro-azufre a 1.250ºCSistema Cu - Fe - S

• 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.

Reacciones que ocurren en la Fundición


• 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


• 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

Diagrama de equilibrio para el Sistema FeO-Fe2O3-SiO2

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:


• 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.


• 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.


• 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)

Factores para disminuir producción de magnetita:

1. Tº

2. Materiales de carga. Se origina en las escorias de los convertidores

3. Otro parámetro que no se puede controlar fácilmente es la concentración de FeS en la mata.

Magnetita en la Fundición

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