PIROMETALURGIA IIAspectos Termodinmico de la Fundicin de Cobre

Universidad de AtacamaCOPIAP - 2010

Los componentes principales de fundicin: Cu, Fe, S, O, Si, Al y Ca (cantidades relativamente pequeas)

CaO y Al2O3 debido a la estabilidad de sus xidos y potencial de oxigeno del bao metlico y escoria.

La slice se encuentra como SiO44+ formando cadenas polimerizadas.

Fundicin de Cobre

Fundicin de CobreConcentradoCuFeS2 - FeS2 - CuS - Cu5FeS4 - Cu2S - SiO2 - Al2O3 - CaO -Bao MetlicoCu - Fe - SEscoriaSiO2 - Al2O3 CaO - FeOEn 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 oxidacin dependiendo del estado de oxidacin y azufre del bao metlico

Unos de los objetivos de la fundicin es asegurar la conversin a sulfuro a todo el cobre presente en la carga con el fin de que este presente en el bao metlico, y se logra mediante la presencia del FeS

FeS(l)+Cu2O(l, escoria) = FeO(l,escoria)+Cu2S(l)

G(Johansen,1970)=-35.000+4.6T K Kcal (kg mol)-1

KE =aCu2S aFeO aCu2OaFeS

Fundicin de Cobre

Proceso de FusinLa reaccin 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 T de fundicin debido a sus presiones alta de S(CuS: pS2= 100 atm a 600C, FeS2: pS2= 5 atm a 700 C)

Estos se descomponen durante la fusin para formar a Cu2S y FeS

Sistema Cu2S - FeS

Proceso de Fusin

En el sistema Cu2S-FeS est compuesto por: Mezclas de sulfuros complejos, Cu2S y FeS

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

La mata lquida pierde S, se separa una segunda fase rica en metal. Es vlido en todo el intervalo de Cu/Fe que incluye los extremos Cu2S y FeS.Se observa una regin de inmiscibilidadSe muestra la composicin de varias matas industriales.Las matas se ubican a la izquierda de las lnea Cu2S-FeS, esto se debe a las condiciones ligeramente oxidantes dentro de los hornos de fundicin.

Sistema Cu - Fe - S

Sistema Cu Fe - SCasi la totalidad de los xidos presente en la carga (Al2O3, FeO, Fe2O3, Fe3O4) son mas estables que los xidos de cobre, de tal manera que se pueda esperar en base a los valores de la energa libre de formacin de compuestos puros, que ocurran distintas reacciones entre los sulfuros y xidos en el material fundido.

Reacciones que ocurren en la Fundicin

Sistema Cu Fe - SPuesto que para la formacin de xidos de hierro (FeO y Fe3O4 ) el valor de DG aprox. 1.300C DGFeO = -82 kcal /mol DGCu2O = -31 kcal/mol Mientras que para los slfuros la diferencia de energa libre de formacin es: DGFeS = -22 kcal/mol DGCu2S = -32 kcal/mol

Sistema Cu Fe - SLas reacciones ocurriran de la formaFeS(l)+Cu2O(l, escoria) = FeO(l,escoria)+Cu2S(l)

Hasta oxidar el total de fierro para formar FeO Fe3O4 Esta reaccin es la base de la separacin de cobre de la gangaPermite reducir el mineral de cobre oxidado a su sulfuro mediante otro sulfuro (Fe)

Fusin de Concentrados de cobreMataEscoriaConcentradoAire y OxgenoGas rico en SO24 CuS = 2 Cu2S + S22 FeS2 = 2 FeS + S24 CuFeS2 = 2 Cu2S + 4 FeS + S2Cu5FeS4 = 2 Cu2S + CuFeS2Descomposiciones Pirticas:2O2 + S2 = 2SO22Fe + O2 = 2FeOFormacin de escoria:FeO + SiO2 = FeOSiO2

Fusin de Concentrados de cobreMata o EjeEscorias

Diagrama de equilibrio para el Sistema FeO-Fe2O3-SiO2

Sistema FeO-Fe2O3-SiO2El interior de la regin ABCD seala el intervalo de composicin en el cual las escorias de fundicin se funden completamente a 1200 C

Este campo fundido esta rodeado por cuatro regiones de saturacin slida:

Sistema FeO-Fe2O3-SiO2La saturacin de hierro slido (AB) y la saturacin de FeO (BC), no se encuentran en los hornos de fundicin debido a los potenciales altos de oxgeno y a los contenidos de slice de las escorias de fundicin.

La lnea AD nos muestra la cantidad de slice que se necesita para saturar las escorias de fundicin por la inmiscibilidad.

Sistema FeO-Fe2O3-SiO2La lnea CD, de saturacin de la magnetita slida.La posicin de este lmite indica que la magnetita slida ser una fase en equilibrio cuando la presin de oxgeno de los gases del horno excede en un 10-9 atm (punto C) o 10-8 atm (en la saturacin con slice, punto D).Los gases de combustin en la mayor parte de los hornos de fundicin contienen en el orden del 1% de O2 ( PO2 aprox. 10-2 atm), implica que la magnetita slida se debe producir en la interfase gas/escoria durante la fundicin.

Sistema FeO-Fe2O3-SiO2En realidad la magnetita tiende a ser reducida por la reaccin: 3Fe3O4(s) + FeS(l) = 10FeO(l) + SO2(g)

En los sistemas de fundicin siempre existe competencia entre la produccin de magnetita por la oxidacin atmosfrica y la reduccin de magnetita por las fases de sulfuros.

Proceso de fusin de cobre

Se muestra que el FeO y FeS lquido son completamente miscibles, pero con la presencia de SiO2 permite que se separen en dos fases lquidas inmiscibles.

Punto A es la composicin de dos fases en saturacin con slice ( se forma la escoria).

Mientras mas grande es la composicin de slice mayor ser la diferencia de las dos fases.Diagrama de equilibrio para el Sistema FeO-FeS-SiO2

InmiscibilidadEn presencia de slice, los xidos se combinan para formar aniones polmeros de silicato fuertemente enlazados, por ejemplo:

2FeO + 3SiO2 = 2Fe2+ + Si3O84-

y forma una sla fase de escoria.Los sulfuros no tienden a formar aniones complejos

Propiedades de matas y escoriasProblemas de la fusin de cobre:1. Formacin de Magnetita.2. Prdida de cobre en la escoria.

Magnetita en la FundicinLa magnetita slida se produce en la fusin y conversin por la reaccin de los gases que llevan oxigeno con las escorias de xido de hierro.Presencia en la carga del hornoCausa problemas operacionales :Escorias viscosas (separacin, prdida de Cu)Magnetita es mas densa (disminuye capacidad de produccin del horno)Falso fondo (cromo, densidad intermedia)

Factores para disminuir produccin de magnetita:

TMateriales de carga. Se origina en las escorias de los convertidoresOtro parmetro que no se puede controlar fcilmente es la concentracin de FeS en la mata.Magnetita en la Fundicin