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UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRS

FACULTAD DE INGENIERA

CARRERA DE INGENIERA METALRGICA

PIROMETALURGIA GENERAL

Por Luis Cervando Chambi Viraca M.Sc.

DOCENTE INVESTIGADOR

La Paz, Febrero de 2009


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ndice general

1 Introduccin a la Pirometalurgia 1

1.1 Definicin de la Pirometalurgia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Procesos y operaciones en Metalurgia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.3 Importancia de la Pirometalurgia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.3.1 Divisin de la Pirometalurgia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.3.2 Ventajas y desventajas de la Pirometalurgia . . . . . . . . . . . 4

1.4 Terminologa en Metalurgia Extractiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.5 Balance msico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.6 Balance Calorfico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2 Preparacin de las menas 112.1 Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.2 Concepto de menas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.3 Descripcin general, aspectos de una mena [1, 7] . . . . . . . . . . . . . 12

2.3.1 Origen de las menas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.3.2 Yacimientos primarios, procesos de segregacin magmticas . . 13

2.3.3 Yacimientos secundarios, procesos de meteorizacin . . . . . . . 16

2.3.4 Caractersticas de las menas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.3.5 Definicin de Mena y concepto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.3.6 Menas simples y menas complejas . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.3.7 Tcnicas de Caracterizacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.3.8 Fundamento de los ensayos no destructivos . . . . . . . . . . . . 25

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Pirometalurgia General UMSA

2.4 Preparacin de concentrados a pirometalurgia . . . . . . . . . . . . . . 32

2.5 Secado de menas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.6 Humedad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.6.1 Humedad de equilibrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.6.2 Humedad absoluta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382.6.3 Humedad relativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.6.4 Punto de roci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.6.5 Volumen del vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.7 Peletizacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

2.8 Sinterizacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3 Tostacin y Calcinacin 55

3.1 Calcinacin, Concepto general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.2 Termodinmica de calcinacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

3.3 Regla de Fases de Gibbs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.3.1 Ejemplos de Aplicacin de la regla de fases . . . . . . . . . . . . 61

3.3.2 Limitaciones a la regla de fases . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

3.4 Tostacin, Concepto general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

3.5 Termodinmica de tostacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

3.6 Aplicacin industrial de los procesos de tostacin . . . . . . . . . . . . 75

3.6.1 Tostacin en montones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

3.6.2 Tostacin en hornos de solera multiple . . . . . . . . . . . . . . 77

3.6.3 Tostacin en hornos por suspensin . . . . . . . . . . . . . . . . 82

3.6.4 Tostacin en hornos de lecho fluidizacin . . . . . . . . . . . . . 84

4 Procesos de fusin 91

4.1 Definicin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

4.2 Clasificacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

4.3 Fusin, separacin de un compuesto metlicos de su ganga . . . . . . . 92

4.4 Fusin oxidante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

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4.5 Fusin reductora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

4.5.1 Fusin reductora con C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

4.5.2 Fusin reductora conCO(g) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

4.5.3 Sistema hidrgeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

4.6 Mezcla deC O H2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1014.7 Diagrama de Chaudron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

4.8 Fusin escorificante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

4.8.1 Escorias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

4.8.2 Acidez y basicidad de las escorias . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

4.8.3 Diagramas ternarios de conformacin de escorias . . . . . . . . . 117

5 Fusin y Conversin de matas 1235.1 Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

5.2 Definicin de mata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

5.3 Densidad de mata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

5.4 Temperatura de fusin de la mata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

5.5 Composicin de matas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

5.6 Fase mata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

5.7 Fase mata-escoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

5.8 Fase mata-escoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

5.8.1 Problemas que ocasiona laF e3O4 formada . . . . . . . . . . . . 129

5.9 Conversin de la mata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

6 Procesos de refinacin 137

6.1 Definicin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

6.2 Pirorefinacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1376.3 Procesos de refinacin metal-escoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

6.3.1 Procesos de refinacin por oxidacin . . . . . . . . . . . . . . . 138

7 Volatilizacin 147

7.1 Definicin de volatilizacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

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7.2 Presin de vapor de metales (Termodinmica) . . . . . . . . . . . . . . 147

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ndice de figuras

1.1 Diagrama de flujo de un proceso Pirometalrgico . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2 Programa Computacional HSC [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.3 Programa Computacional FactSage [4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.4 Aplicaciones de FactSage a) Diagrama Kellogg de 4 elementos, b) Diagramaternario [4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.5 Tablas Termodinmicas a) Volumen 1, b) Volumen 2 Suplemento [5, 6] . . . 9

2.1 Esquema de un magma con etapas fundamentales del proceso de segregacin[7]

14

2.2 Esquema de la formacin de zonas de oxidacin y cementacin sobre un

depsito filoniano de sulfuros [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.3 Esquema general de un espectrmetro de fluorescencia de rayos x. A:muestra,

B:colimador, C:cristal difractar, D:colimador, E:detector [7] . . . . . . . . 26





2.6 a) William Henry Bragg. b) William Lawrence Bragg. Premio Nobel de Fsica

en 1915 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.7 Preparacin de carga Planta A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.8 Preparacin de concentrado Planta B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.9 Esquema de una partcula hmeda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.10 Diagrama de flujo para secado de pellets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

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2.11 Peletizador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.12 Maquina Dwight-Lloyd para sinterizacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

2.13 Flujo de sinterizacin para minerales de hierro en Dwight-Lloyd . . . . . . . 51

2.14 Flujo de sinterizacin para minerales de plomo en Dwight-Lloyd . . . . . . . 53

3.1 Diagrama de Ellimgham para carbonatos [5] . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.2 Diagrama deGo/TAfinidad relativa de los metales por el azufre y el oxgeno 69

3.3 Diagrama de Kellogg para el sistemaMe S O aT cont . . . . . . . . . 71

3.4 Diagrama de Kellogg, sistemaMe S O tridimensional . . . . . . . . . . 74

3.5 Diagrama de Kellogg tridimensional realizando cortes, sistemaM e S O . 75

3.6 Horno de 7 Pisos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

3.7 Contenido de azufre residual en cada piso . . . . . . . . . . . . . . . . . . 813.8 Horno de tostacin de Solera multiple de laboratorio a) Instalacin en IIMM

(Oruro-Bolivia) b) Instalado en Warren Spring Laboratory (Inglaterra) . . . 81

3.9 Instalacin de Hornos de Pisos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

3.10 Horno de tostacin de Suspensin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

3.11 Horno de tostacin de Lecho Fluidizado de laboratorio . . . . . . . . . . . . 86

3.12 Horno de Lecho fluidizado en La Paz-Bolivia. . . . . . . . . . . . . . . . . 87

3.13 Horno de Lecho Fluidizado de tostacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 873.14 Horno de Lecho fluidizado con accesorios . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

3.15 Diseo variado de Hornos de Lecho fluidizado . . . . . . . . . . . . . . . . 88

3.16 Esquema de sinterizacin del plomo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

4.1 Energas libres, sistema C-O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

4.2 Diagrama BoudouardPT = 1 atm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

4.3 Diagrama de Boudouard y efecto de la presin,PT = 101, 100 y 10+1 atm. 96

4.4 Diagrama de relacinPCO2/PCO de equilibrio en funcin104/T (K) . . . . 98

4.5 Diagrama de relacinPH2O/PH2 de equilibrio en funcin de la temperatura . 99

4.6 Diagrama de Ellingham para el sistemaH2 H2O yCO CO2 en funcin

de la temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

4.7 Diagrama de energa libre para la reduccin directa del hierro DRI . . . . . 103

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4.8 Esquema del proceso Midrex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

4.9 Esquema del proceso Purofer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

4.10 Esquema del proceso Wiberg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

4.11 Balance de materiales para la produccin de 1 ton de hierro esponja con 90 %

de Fe metlico en el proceso Wiberg-Sderfors . . . . . . . . . . . . . . . . 1094.12 Procedimiento Wiberg alimentado con gas natural(CH4) . . . . . . . . . . 109

4.13 Procedimiento Wiberg alimentado con petroleo (CH2) . . . . . . . . . . . . 110

4.14 Procedimiento Wiberg, reduccin de ndulos en la parte superior . . . . . . . 110

4.15 del Procedimiento H y L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

4.16 Esquema del Procedimiento H y L III . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

4.17 Diagrama de equilibrio Fe-C-O (Curva de Boudouard -Chaudron) . . . . . . 115

4.18 Sistema CaO-FeO=SiO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

4.19 Sistema CaO-FeO=SiO2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119



7.1 Efecto de la presin en las temperaturas de fusin y ebullicin . . . . . . . . . 147

7.2 Presiones de vapor versus104/T (K) para varios elementos . . . . . . . . . . 151

7.3 Presiones de vapor versus104/T(K) Sistema Sb . . . . . . . . . . . . . . . . 154

7.4 Diagramas kellogg Sistema Sb-O-S a)T= 1000oC b) T= 1300oC . . . . . . . 1 5 4

7.5 Presin de vapor de Antimonio y sus compuestos a) T = 1000oC b) T =

1300oC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

7.6 Presin Efectiva del sistema Sb-O a) T= 1000oC b) T= 1300oC . . . . . . . 156

7.7 Presin de vapor de Estao y sus compuestos a) T= 1000oC b) T= 1300oC 158

7.8 Presin Efectiva del sistema Sn-O a) T= 1000oC b) T= 1300oC . . . . . . 159

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Indice de Tablas

1.1 Divisin de la pirometalurgia [1, 2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2 Pirometalurgia ventajas y desventajas [1, 2] . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.3 Hidrometalurgia ventajas y desventajas [1, 2] . . . . . . . . . . . . . . 5

2.1 Distribucin general de elementos en la corteza terrestre [7] . . . . . . 132.2 Principales tipos de menas segn su naturaleza qumica [7] . . . . . . . 20

2.3 Asociacin tpica de metales en menas [7] . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.4 Tcnicas de caracterizacin no destructivo y su aplicacin [7] . . . . . 25

3.1 Energas libres de carbonatos Ref. A.Roine HSC 6.0 [3] . . . . . . . . 57

3.2 Temperaturas de inflamacin de algunos sulfuros . . . . . . . . . . . . 67

3.3 Efecto de la velocidad de rotacin de Shaft en un horno de tostacin . 80

4.1 Temperaturas calculados para relacin de presiones r = PCO /PCO2,

PT = 101, 100 y 10+1 atm.en equilibrio con C . . . . . . . . . . . . . 97

5.1 Temperaturas de ignicin, fusin y densidades de sulfuros . . . . . . . . 124

7.1 Energas libres y rangos de temperatura, sistema Sb-O-S . . . . . . . . 153

7.2 Energas libres y rangos de temperatura, sistema Sn-O-S . . . . . . . . 157

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Captulo 1

Introduccin a la Pirometalurgia

1.1 Definicin de la Pirometalurgia

La pirometalurgia es la ciencia y el arte de extraer el metal de inters a partir de los

minerales y esta basada en las transformaciones qumicas, la termodinmica, trans-

ferencia de calor y la cintica de las reacciones qumicas. Los medios son a travs de

un balance de masa y calorfico.

1.2 Procesos y operaciones en Metalurgia

Los minerales de caracterstica sulfurada, as como los minerales oxidados y complejos

tienen que ser transformados en productos metlicos, para ste propsito el proce-

so unitario que se utiliza es la va seca y generalmente minerales de plomo, estao,

antimonio, cobre, hierro y otros se extraen por ste medio, no existe an procesos

hidrometalrgicos totalmente desarrollados para obtener los metales indicados.

Se dice via seca (aunque tampoco es muy cierto por ejemplo si se obtiene plomo

metlico primero a tenido que fundirse al estado lquido a temperatura elevada, paraluego solidificarse al estado slido en forma de lingotes) para distinguir de los procesos

metalrgicos que se realizan a temperaturas del medio ambiente y en presencia de una

fase lquida, este proceso va seca tambin se denomina procesos unitarios piromet-

alrgicos donde el calor es la fuente de energa que se requiere para transformar las

reacciones qumicas para obtener el producto metlico.

1


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Desde el punto de vista de la ingeniera es conveniente aclarar que la pirometalurgia

es un proceso unitario donde las transformaciones se realizan por efectos del calor,

temperatura, presin, etc., a diferencia de las operaciones unitarias donde no ocurre

ningn cambio fsico qumico como los procesos gravimetricos.

La Pirometalurgia comprende las siguientes ramas de la Ingeniera Metalrgica:

1. Pirometalurgia del hierro

2. Pirometalurgia del cobre

3. Pirometalurgia del plomo

4. Pirometalurgia del zinc

5. Pirometalurgia del estao

6. Pirometalurgia del antimonio, etc.

Para los procesos unitarios pirometalrgicos sealados anteriores se requieren, en al-

gunos casos de operaciones unitarias con la finalidad de elevar la ley de los minerales

que tienen que ser transformados en productos metlicos, estas operaciones unitarias

metalrgicas pueden ser la concentracin gravimtrica, flotacin, hidrometalurgia, etc.

La Ingeniera Pirometalrgia comprende desde los procesos de secado de minerales,

peletizacin sinterizacin de concentrados, tostacin de sulfuros, fusin y reduccin de

concentrados, refinacin, segregacin de metales, etc. Un esquema general del proceso

pirometalrgico se puede observar en la Figura 1.1 donde se muestra con claridad y

secuencia de los procesos pirometalrgicos.

M.Sc. L.Chambi V. Pgina 2 de 166


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Figura 1.1: Diagrama de flujo de un proceso Pirometalrgico



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1.3 Importancia de la Pirometalurgia

La metalurgia extractiva ha pasado, en muy poco tiempo de ser un arte a convertirse

en aplicacin tecnolgica aunque no se dio mucho nfasis en la ciencia, sin embargo

actualmente la pirometalurgia necesita desarrollarse en la ciencia con el criterio de

mejorar los procesos que hoy no son muy diferentes a aquellos procesos que se prac-ticaban hace 50 o 100 aos. En la actualidad se conocen procesos de un alto grado

de avance tecnolgico que implican un mayor control para producir metales con una

calidad mayor y con costo de tratamiento menores. Sin embargo las materias primas

que se emplean son cada ves ms pobres con ms impurezas y su tratamiento y proceso

metalrgicos debe ser mas eficiente de lo contrario no sera rentable.

1.3.1 Divisin de la Pirometalurgia

La divisin de la pirometalurgia se puede exquematizar en la Tabla 1.1:

Tabla 1.1:Divisin de la pirometalurgia [1, 2]

Calcinacin Volatilizacin

Tostacin Reductora

Oxidante Oxidante

Sulfatante De halurosClorurante De carbonilos

Aglomerante Refinacin

Otras Metalotermia

Fusin

Reductora

Ultrareductora

Neutra

Oxidante

1.3.2 Ventajas y desventajas de la Pirometalurgia

Las ventajas y desventajas de los procesos pirometalrgicos son los que se muestran

en la Tabla 1.2:



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Tabla 1.2: Pirometalurgia ventajas y desventajas [1, 2]

Ventajas Desventajas

Velocidad de reaccin No apta para el tratamiento

muy grande de minerales pobres

Altas producciones en Relativamente mala selectividad

reactores relativamente y poca eficacia en las reacciones

pequeos qumicas de separacin

Apto para tratar minerales Procesos que transcurren,

complejos con frecuencia en varias etapas

Apto para tratar alimentacin Problemas medio ambientales

heterogneas formados por con los residuos gaseosos.

minerales de diversas

procedencias

Algunas ventajas y desventajas de los procesos hodrometalrgicos se resumen en la

Tabla 1.3, con el criterio de comparar con las ventajas y desventajas de los procesos

pirometalurgicos mostrados en la Tabla 1.2.

Tabla 1.3: Hidrometalurgia ventajas y desventajas [1, 2]

Ventajas Desventajas

Posibilidad de tratar minerales Velocidad de reaccin lentas

pobres o incluso marginales Poca productividad por reactor o unidadAltas selectividad y alto grado productiva

de separacin en las reacciones Sensible a variaciones en la compo-

qumicas sicin de la alimentacin

Alta pureza de los productos Problemas en la alimentacin y

Fcil control y optimizacin almacenamiento de los residuos slidos

Ausencia de produccin por gases generados

minerales de diversas Problemas en las agua residuales

procedencias

1.4 Terminologa en Metalurgia Extractiva

La terminologa usada, esta basada en la terminologa de la termodinmica. trans-

ferencia de calor, cintica etc. adems de la terminologa propia como; bullion, metal

crudo, metal refinado, escoria, mata, speiss, drossing, remocin, etc.



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1.5 Balance msico

Los balances msicos se basan en ley de accin de masas.

1.6 Balance Calorfico

Los balances calorficos tambin se basan en ley de accin de masas y en las reacciones

qumicas donde se puede especificar los conceptos de entalpa, entropa, energa libre,

constante de equilibrio, etc.

Un programa computacional para realizar los balances de calor y materiales, reac-

ciones qumicas y determinaciones de parmetros termodinmicos es el software HSC

Chemistry [3] Figura 1.2. El ttulo del programa significa (H) entalpa, (S) entropa,

(C) capacidad calorfica, la gracia que tiene este programa es que presenta una base

de datos de ms de 17000compuestos lo que equivale a ms de 17libros de datos.

Figura 1.2: Programa Computacional HSC [3]



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El objetivo del programa HSC Chemistry es hacer clculos termodinmicos con-

vencionales de forma rpida y fcil. Por lo tanto, el programa tiene una amplia gama

de posibilidades de aplicacin en la educacin cientfica, la industria y la investigacin.

Las diferentes aplicaciones de este programa son; balance de materiales y balances de

calor, diagramas Eh-pH, diagramas Kellogg, diagramas Ellingham equilibrios electro-

qumicos. pesos moleculares, iteracin minerolgica, tabla peridica, etc. Las ltimas

versiones traen incorporado programas de simulacin de procesos metalrgicos y

otras aplicaciones importantes como se observa en la Figura 1.2.

Otros programas computacionales son tambin importantes en la aplicacin de la

pirometalurgia. Un programa de mayor alcance respecto al programa HSC es FACT-

SAGE que significa FCIL ANLISIS de la QUMICA TERMODINMICA [4].Este trabajo se inici en 1976como un proyecto de investigacin conjunta entre dos

Universidades, la Escuela Politcnica (Profesores Bale y Christopher W. Arthur D.

Pelton) y la Universidad McGill (Profesor William T. Thompson), con el objetivo del

tratamiento de las propiedades termodinmicas y los clculos en la metalurgia qumica.

El programa inicialmente fue escritos en FORTRAN y utiliz para la base de datos

programas como POTCOMP y para la optimizacin TERNFIG para el clculo y

trazado de diagramas de fase binarios y ternarios. Actualmente FACT comenz aincorporar algoritmos de minimizacin de Energa de Gibbs mediante el programa

SOLGASMIX desarrollado por el Dr. Gunnar Eriksson de la GTT-Technologies.

Despus de ms de 20 aos en el desarrollo de ste software FactSage 5.0 fue lanzado

en el ao 2001 de comn acuerdo con FACT Group (Thermfact Ltd./CRCT, Montre-

al) y el ChemSage/ChemApp Group (GTT-Technologies, Alemania). Este programa

desde ese entonces se ofrece en un entorno Windows FACT-Win 3.05 y ChemSage

4,0. Los mdulos incluyen FactSage vista de datos, vista de figura, soluciones de reac-

ciones, diagramas EPH, equilibrios, diagrama de fases y mezcla de resultados.

La presentacin del programa se puede observar en la Figura 1.3, donde se puede

observar las diferentes aplicaciones de este software.



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Figura 1.3: Programa Computacional FactSage [4]

FACTSAGE a diferencia de HSC Chemistry es un programa ms completo y una

muestra se puede observar en la Figura 1.4, el cual justifica su superioridad.

Por otra parte la base de datos utilizados en los anteriores programas computacionales

fue las siguientes Tablas termodinmicas que se muestran en las Figuras 1.5. Estos

datos termodinmicos fue realizado por Ihsan Barin y Ottmar Knacke [5, 4] y es un

compendio casi completo de datos termodinmicos.



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a) b)

Figura 1.4: Aplicaciones de FactSage a) Diagrama Kellogg de 4 elementos, b) Diagrama

ternario [4]

a) b)

Figura 1.5: Tablas Termodinmicas a) Volumen 1, b) Volumen 2 Suplemento [5, 6]



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Captulo 2

Preparacin de las menas

2.1 Introduccin

La preparacin de las menas es indiscutiblemente necesaria e importante en los pro-

cesos pirometalurgicos.

2.2 Concepto de menas

Una mena puede definirse como una asociacin de minerales a partir de la cual uno

o varios metales pueden ser obtenidos de forma econmica y favorable, para el cual

deben considerarse los siguientes factores:

1. El contenido del metal

2. El precio del mineral, Un mineral del 10 %de Pb es considerado una mena pobre,

mientras que un mineral de 10 g Au/ton es considerado una mena rica.

3. Los costos de explotacin minera

4. Los costos de los procesos de extraccin

5. La presencia de elementos txicos

11


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2.3 Descripcin general, aspectos de una mena [1, 7]

2.3.1 Origen de las menas

Durante la formacin de la Tierra existi un proceso de diferenciacin de la materia

como consecuencia de efectos gravitatorios y de afinidad qumica. Se form un ncleoo sidersfera de 7000 km de dimetro, un manto o calcsfera de unos 1500 km de

espesor y una corteza o litosfera de 1400 km de espesor promedio.

El ncleo est constituido por una fase metlica de Fe y Ni con cantidades menores de

Co y trazas de metales del grupo del platino. Tambin contiene C y P, elementos cuyo

potencial qumico disminuye notablemente cuando estn en solucin en fase metlica.

A grandes rasgos, el manto contiene sulfuro de hierro y es aqu donde se concentran

los elementos con gran afinidad por el azufre: Cu, Zn, Pb, Ag, As, Sb, etc.

La corteza terrestre, que es la nica zona susceptible de explotacin en sus partes

ms superficiales, est constituida bsicamente de silicatos. Se concentran aqu los

elementos con gran afinidad por el oxgeno: Si, Al, Ti, alcalinos y alcalinotrreos. La

Tabla 2.1 muestra la composicin promedio de la corteza terrestre, en esa se puede

observarse que, afortunadamente, la separacin de elementos entre las distintas capas

no es completa. Sin embargo, entre los metales importantes slo Al, Fe y Mg superanel 1 %. Metales tan familiares como Cu, Ni, Pb y Zn estn en contenidos de 10-100

ppm, el oro y metales del grupo del platino entre 0.001-0.01 ppm.

La metalurgia extractiva, obviamente, no opera sobre rocas de composicin promedio,

sino con menas procedentes de yacimientos que son producto de procesos geolgicos de

diverso tipo que han alterado localmente la distribucin preliminar de la corteza, por

ejemplo, muchos yacimientos actuales de cobre contienen 0,1 1 %y los yacimientos

de oro alrededor de 1 ppm. Es decir, el yacimiento aporta factores de concentracinde 100-1000 en ambos casos.



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Tabla 2.1:Distribucin general de elementos en la corteza terrestre [7]

Rango Elemento ( %)

>10 % O (46,6) Si (27,7)

1 10 % Al(8,1) F e (5,0) Ca (3,6) K (2,6)

N a(2,8) M g (2,1)

0,1 1 % C, H, M n, P, T i

0,01 0,1 % Ba, Cl, Cr, F, Rb, S, Sr, V, Zr

10 100ppm Cu, Ce, Co, Ga, La, Li, N b, N i, P b

Sn, T h, Zn, Y

1 10ppm As, B, Br, Cs, Hf, M o, Sb, T a, U

W, Lantanidos

0,1 1ppm Bi, Cd, Y, In, T l

0,01 0,1ppm Ag, P d, Se

0,001 0,01ppm Au, Ir, Os, P t, Re, Rb, Ru

Losyacimientospueden ser de dos tipos, uno de ellos denominadoYacimiento de tipo

primario cuando se han originado por fenmenos geolgicos que involucran altas o

moderadas temperaturas y presiones, quedando encajados en las rocas sobre -o a travs

de- las que se ha originado el suceso. Un segundo tipo son los Yacimientos de tipo

secundariocuando se originan por meteorizacin mecnica o qumica, a bajas temper-

aturas y presiones, de yacimientos primarios o rocas preexistentes. Una descripcin

resumida se puede desarrollar en los siguientes subndices.

2.3.2 Yacimientos primarios, procesos de segregacin magmticas

Una buena parte de los yacimientos primarios se han originado -o estn relacionados-

con los procesos de segregacin magmtica. Estos procesos se verifican durante el en-

friamiento lento de magmas situados en zonas profundas de la corteza terrestre.

Los magmas son rocas fundidas constituidas bsicamente por silicatos y xidos peroque contienen agua y compuestos de cloro, azufre, carbono, flor y boro, de tal man-

era que presentan un pequeo porcentaje de materia potencialmente voltil, estos se

encuentran a elevada presin( 106 atm)con lo que los voltiles estn en solucin. El

origen de estos magmas puede ser diverso. En ciertos casos, se trata de material fundi-

do primario con races profundas en el manto. Tambin se han originado por refusin



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de partes de la corteza sometidas a compresin adiabtica, ya sea por contraccin

de las capas ms externas durante el enfriamiento del planeta, o tambin durante los

fenmenos de orognesis, tal como se evidencia en las races de las montaas ms

antiguas. En cualquier caso, la existencia de estos magmas se evidencia durante los

fenmenos volcnicos.

El mecanismo exacto de los procesos de segregacin magmtica no es bien conocido

y hay una gran variedad de mecanismos propuestos para su explicacin, un esquema

bsico del enfriamiento lento comprende cuatro fases fundamentales como se puede

observar en la Figura 2.1.

Figura 2.1: Esquema de un magma con etapas fundamentales del proceso de segregacin[7]

En la anterior figura, se puede observar varias fases los cuales se puede resumir en los

siguientes items:

a) Fase magmtica (>1000oC)

Esta fase se caracteriza por la solidificacin de gran parte de la slice y de los

silicatos debido a que se produce un descenso progresivo del punto de fusin

del magma residual con lo que la concentracin de agua y materiales voltiles

aumenta. En esta fase se separan:

Minerales formadores de rocas.



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Cuarzo(SiO2)y una gran variedad de silicatos de F e,C a,M g,K,Al,

Na(feldespatos, piroxenos), formndose las rocas magmticas (grani-

tos, etc.).

Minerales formadores de menas.

b) Fase pegmagmtica (1000 700oC)

Esta fase se caracteriza por una subsiguiente cristalizacin de slice y silicatos

del licor residual, con formacin de grandes cristales con frecuentes inclusiones

lquidas. Se forman diques y filones (Figura 2.1).

Minerales formadores de rocas.

Cuarzo, feldespato(KA1Si3O8)y otros silicatos. Tambin fosfatos co-

mo apatito((Ca5F(P O4)3).

Minerales formadores de menas.

Niobita- tantalita ((N b , T a)O3)2(Fe, Mn)), zircn(ZrSiO4),

berilo (Be3Al2Si6O18), uraninita(UO2), thorianita (T hO2), monacita

((Ce,TR)P O4), etc.

Las pegmagmticas son relativamente pobres en su conjunto pero son activa-

mente prospectadas y explotadas ya que proporcionan una gran variedad demetales estratgicos (Li, Nb,T a,Zr ,B e, U,T h, lantanidos).

c) Fase neumatoltica (700 400oC)

Despus de las fase pegmagmtica, la proporcin de agua y de voltiles en el licor

residual es tan elevada que su presin de vapor sobrepasa a la del sistema. Existe

una ebullicin parecida a la de una solucin, desprendindose metales como

haluros voltiles juntamente con vapor de agua, H2S, CO2, etc. No se forman

rocas en esta fase. Los vapores se infiltran en las fracturas de las rocas adyacentes

formndose filones o impregnaciones neumatolticas. En esta fase se depositan

xidos como casiterita(SnO2), sheelita(CaWO4), wolframita((Fe, Mn)W O4),

a travs de reacciones del tipo:

SnCl4(g)+ 2H2O(g) SnO2(g)+ 4HCl(g) (2.1)



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Tambin se depositan algunos sulfuros como molibdenita (MoS2), bismutina

(Bi2S3)y pirita (F eS2). Estos yacimientos -o los relacionados- proporcionan la

mayor parte del S n,W y M o.

d) Fase hidrotermal (400 100oC)

En esta fase la eliminacin de parte de los voltiles en la etapa precedente as

como el descenso de temperatura estabilizan una solucin residual de tipo acuoso.

Estas soluciones gozan de gran movilidad y tienden a rellenar grietas del terreno

formndose los tpicos filones hidrotermales. Tambin pueden infiltrarse por los

poros de las rocas formando impregnaciones as como reaccionar con ellas -

sobre todo las rocas sedimentars ricas en CaCO3 - producindose fenmenos

de emplazamiento a travs de reacciones del tipo:

SiF4(aq)+ 2CaCO3(s) SiO2(s)+ 2CaF2(s)+ 2CO2 (2.2)

2FeCl3(aq)+ 3CaCO3(s) F e2O3(s)+ 3CaCl2(aq)+ 3CO2 (2.3)

F e2O3(s)+ 4H2S(aq) 2F eS2(s)+ 3H2O+ H2 (2.4)

En este sistema cristalizan carbonatos (Ca,M g,Sr ,Ba),sulfatos,Sr , fluoruros

(fluorita,CaF2), juntamente con una gran variedad de sulfuros metlicos: pirita,

arsenopirita (FeAsS), esfalerita (ZnS), calcopirita (CuFeS2), galena (P bS),

sulfuros de Ag, sulfuros, arseniuros y antimoniuros de Ni y Co, etc. TambinAu, normalmente en la fase de mayor temperatura. Los yacimientos de tipo

hidrotermal -o relacionados- proporcionan la mayor parte del Au,C u,Z n,P by

Agde la metalurgia.

2.3.3 Yacimientos secundarios, procesos de meteorizacin

La accin de los agentes atmosfricos y supergnicos sobre yacimientos primarios puede

destruir depsitos valiosos pero tambin pueden originar yacimientos secundarios porprocesos de concentracin mecnica o qumica.

1. Concentracin mecnica

La disgregacin de las rocas por la accin combinada de los agentes fsicos (cur-

sos de agua, glaciares, etc.) y qumicos (aguas carbnicas, cidos orgnicos del



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suelo, etc.) originan las gravas y arenas, en cuyo transporte se produce una con-

centracin natural de aquellos minerales densos y poco alterables por los agentes

qumicos: illmenita, monacita, zircn, thorianita, casiterita, oro, platino. Muchas

veces estos minerales no son explotables directamente en los yacimientos pri-

marios originales por su baja ley as como por los altos costos de trituracin, en

cambio en los depsitos secundarios si se lo puede realizar.

2. Concentracin qumica

a) Meteorizacin de yacimientos de sulfuros. La percolacin de aguas superfi-

ciales sobre yacimientos de sulfuros metlicos produce oxidacin (formacin

de sulfatos), lixiviacin (transporte) y redeposicin (precipitacin) de al-

gunos nuevos sulfuros en las zonas internas. Se forman diversas zonas tal

como muestra la Figura 2.2.

Figura 2.2:Esquema de la formacin de zonas de oxidacin y cementacin sobre un depsito

filoniano de sulfuros [1]

En la anterior figura se puede observar dos zonas de inters, los cuales son;

zona de oxidacin y zona cementacin.

Zona de oxidacin. La pirita, que suele ser el sulfuro ms abundante,

origina soluciones de sulfato frrico que lixivian con facilidad los sul-furos de cobre, cinc, nquel y cobalto. Por otra parte, estas soluciones

se hidrolizan dando goethitaF eOOHo se precipitan en compuestos de

tipo jarosita(K,Na)F e3(OH)6(SO4)2 en presencia de cationes alcali-

nos. El plomo queda tambin fijado en esta zona en forma de anglesita

PbSO4 y plumbojarosita P b0,5F e3(OH)6(SO4)2. La plata es en parte



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lixiviada aunque tambin puede precipitar como halogenuros insolubles

(clorargirita,AgCl) o argentojarositaAgF e3(SO4)2(OH)6. El oro que-

da inalterado. Se produce pues un empobrecimiento de Cu, Ag, Zn, Co

y Ni y un enriquecimiento relativo de Fe, Pb y Au.

Zona de cementacin. Las soluciones descendentes, ricas en sulfatos de

Cu, Ag, etc., encuentran en profundidad a los sulfuros primarios y las

reacciones de cementacin pueden ser del tipo:

Cu2+(aq)+ FeCuS2(s) F e2+(aq)+ 2CuS(s) (2.5)

2Ag+(aq)+ ZnS(s) Zn2+(aq)+ Ag2S(s) (2.6)

En esta zona se enriquece de minerales valiosos como cobre y plata: cov-

ellita (CuS), calcosina (Cu2S), bornita (Cu5F eS4), acantita (Ag2S).

Estas zonas, activamente explotadas en tiempos pasados, resultan aveces las nicas zonas explotables en muchos yacimientos. Se denom-

inan tambin zona de concentracin o bien zona de enriquecimiento

secundario.

b) Meteorizacin de rocas. La meteorizacin de algunas rocas comunes propor-

ciona importantes yacimientos de hierro, manganeso y aluminio de origen

sedimentario.

Grandes yacimientos de hierro se han originado por lixiviacin de rocas

ricas en silicatos de este metal (por ejemplo, basaltos) mediante las aguas

superficiales cargadas en cido carbnico. Las soluciones resultantes precip-

itan sobre rocas bsicas (calizas o dolomitas) xidos y carbonatos de hierro

(hematitas,F e2O3; goethita,F eOOH; siderita,F eCO3), un origen similar

tienen los depsitos sedimentarios de manganeso que tambin consisten en

xidos (pirolusita,MnO2; manganita,MnOOH).

Los yacimientos comerciales de aluminio son depsitos de bauxita. s-

ta es una mezcla de hidrxidos y oxihidrxidos de aluminio: bohemita

A1OOH, gibbsita A1(OH)3, etc., fuertemente impurificada con xidos de

hierro. Estos yacimientos se han originado por meteorizacin de feldespatos

KAlSi3O8que en una primera fase de alteracin se transforman en arcillas



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(mezclas de silicatos hidratados de aluminio) y finalmente en bauxita por

levigacin de slice.

2.3.4 Caractersticas de las menas

Como se ha visto, en el anterior subttulo, el origen de las menas determina sus carac-

tersticas qumicas: combinaciones presentes (tipo de minerales), rocas asociadas, etc.,

as como sus caractersticas fsicas: forma del yacimiento (masa, filn, capa, impreg-

nacin), tamao y grado de interpenetracin de los distintos minerales, etc.

Las caractersticas qumicas condicionan los fundamentos de los procesos de extraccin

del metal y su consideracin es esencial en la metalurgia extractiva y las caractersticas

fsicas afectan las tcnicas de explotacin minera as como los procesos de separaciny concentracin de minerales.

1. Caractersticas qumicas. La Tabla 2.2 resume los principales tipos de menas

segn su naturaleza qumica, en funcin de las mismas se pueden optar por

procesos extractivos diversos incluso para la obtencin de un mismo metal. Por

ejemplo, la obtencin de cobre de minerales sulfurosos se basa, por lo general,

en procesos pirometalrgicos mientras que para minerales oxidados se utilizan

procesos hidrometalrgicos debido a una mayor solubilidad.

2. Es importante tener en cuenta no slo las caractersticas qumicas de los min-

erales sino tambin los minerales potencialmente asociados. En buena parte, la

aplicacin de los procesos extractivos viene determinada por lo anterior, incluso

para metales como el hierro y plomo que se obtienen a partir de menas o concen-

trados ricos, la temperatura del proceso, por si sola, no determina la reduccin

del xido del metal que se va a obtener sino la temperatura de fusin de la esco-

ria que se forma por combinacin de los xidos de las impurezas. La Tabla 2.3

resume las asociaciones ms frecuentes de metales en menas.

3. Una mena metlica es una asociacin de minerales. Adems, debe tenerse en

cuenta que, por lo comn, cada mineral es una solucin slida. As, por ejemplo,

la esfalerita, ZnS, puede contener hasta un 15 % de Fe en solucin slida as

como cantidades menores y otros metales como Cu, Cd, Hg, TI, Ge, etc.en



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Tabla 2.2:Principales tipos de menas segn su naturaleza qumica [7]

Tipo de Ejemplo Frmula Observacin

combinacin

Metales Nativos Au, grupoP t Tambin

Ag,Bi,Hg,Cu

Sulfuros Calcopirita CuFeS2

Calcosina Cu2S

Bornita Cu5F eS4

Esfalerita ZnS

Galena P bS

Acantita Ag2S

Tetradrica Cu12Sb4S13

Pirargirita Ag3SbS4

Cinabrio HgSEstibina Sb2S3

xidos Magnetita F e3O4

Hematite F e2O3

Illmenita FeTiO3

Pirolusita MnO2

Casiterita SnO2

Uranita U O2

Wolframita (F e , M n)W O4

Tantalita (F e , M n)(T a , N b)2

O6

Haluros Alcalinos Importancia en la

Alcalinoterreos Metalurgia del Mg

Oxisales Silicatos

Berilo Be3Al2Si6O18

Zircon ZrSiO4

Espodumena LiAlSi2O6

Carbonatos

Cerusita PbCO3

Smithsonita ZnCO3

Malaquita Cu2(CO3)(OH)2

Sulfatos

Brochantita Cu4(SO4)(OH6)

Anglesita PbSO4

Jarositas AF e3(SO4)2(OH)6 A: Ag, Pb0,5



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Tabla 2.3: Asociacin tpica de metales en menas [7]

Asociacin Combinaciones principales Tipo de yacimiento

Cr / Ti / Fe xidos Magmticos

Ni / Cu / Pt Sulfuros

Be / U / Nb / Ta xi/silicatos Pegmatticos,neomatolticos

Sn / W / Mo xi/sulfuros

Au / SiO2 / FeS2 / FeAsS Metal nativo Hidrotermal o post volcnico

Cu / FeS2 Sulfuros

Pb / Zn Sulfuros

P b / Zn / Ag Sulfuros

Cu / Zn / Pb / Ag / Au Sulfuros

Cu / Ni / Ag / Bi / U Sulfuros/xidos (U)

Sn / Zn / Ag Sulfuros

Hg / Sb Sulfuros

Mn / Fe xidos SedimentariosAl / F e xidos

cantidades significativas. La tetradrica, Cu12Sb4S13, es uno de los portadores

de plata ms frecuentes en las menas argentferas y en ella adems de Ag otros

metales pueden sustituir al cobre en la red cristalina de la tetradrita resultando

una slidas slida del tipo: (Cu,Fe,Zn,Ag,Hg)12(Sb,As,Te)4(S,Se,Te)13.

4. La posibilidad de sustitucin de un elemento por otro en la red de unmineral depende esencialmente de la similitud del radio inico, siempre y cuando

no exista una gran diferencia en la electronegatividad.



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2.3.5 Definicin de Mena y concepto

Una mena se definecomo una ASOCIACIN DE MINERALESa partir de la cual

uno o varios metales puede ser extraido de forma econmica y rentable.

En dicha asociacin necesariamente debe contener los minerales de inters del que seextraern el metal por procesos mineralrgicos y metalrgicos, adems la mena supone

la presencia de la ganga que son minerales no aprovechables constituidos generalmente

por slice, caliza u xidos de hierro, ste ltimo dependiendo del tipo de metal que se

desea recuperar de una mena.

Es conveniente aclarar que el trmino mineral significa una porcin de composicin

qumica definida rica en el metal que se desea recuperar.

Las anteriores conceptualizaciones se puede expresar mediante la siguiente identidad:

{MENA} = {MINERAL} + {GANGA} (2.7)

2.3.6 Menas simples y menas complejas

Desde el punto de vista de la complejidad qumica y microestructural, las menassuelen clasificarse en menas simples y menas complejas, una descripcin concreta es

la siguiente:

a) Menas simples, son aquellas de las cuales se extrae un solo metal, estas menas

puede contener uno o varios minerales. La ganga o mineral sin valor metalr-

gico puede ser descartado o puede tener otras aplicaciones como materiales de

construccin, refractarios (dolomita,CaMg(CO3)2), fundentes (fluorita,CaF2),

abonos (apatito, Ca5(P O4)3F), etc. Una buena parte de procesos extractivosconvencionales est basada en menas de este tipo.

Las menas simples pueden ser menas de alta o baja ley. Las menas de alta ley

son aquellas materia prima destinados a procesos siderrgicos, una caracters-

tica de stas menas es que se puede introducir directamente a los procesos



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pirometalrgicos, en otros casos es conveniente realizar la preparacin de las

menas.

Las menas de baja ley pueden ser por ejemplo menas de Zinc Zn 5 20 %,

menas de plomo P b 5 10 %, menas de cobre Cu 0,5 5 %, menas de nquelNi0,2 2 %, menas de uranioU 0,1 1 %y menas de oroAu 5 10g/TM. En

muchos casos las menas de Zn, Pb, Cu, Ni, etc. son menas sulfurosos que son

procesados por concentracin gravimtrica o flotacin, los productos concentra-

dos se destinan a los procesos extractivos. Si la concentracin no es adecuada

por ejemplo minerales de Au, minerales secundarios de U la nica posibilidad

es destinar a los procesos hidrometalrgicos y recuperar el metal de soluciones

diluidas.

b) Menas complejas. Son aquellas que contienen diversos minerales de distintos

metales. Los procesos de tratamiento de estas mena dependen de la posibilidad

de liberacin. Si es posible, se aplican procesos de separacin fsica y los concen-

trados se introducen en los procesos de menas simples. Muchas menas actuales

del tipo Cu/Zn/Pbo Sn/W/Mose tratan segn esta via.

Si la liberacin no es posible, ya sea por fino intercrecimiento de los distintos

minerales o por la existencia de soluciones slidas (Ni/Co,Nb/T a, etc.), puedenaplicarse vias hidrometalrgicas, pirometalrgicas o procesos combinaciones. En

los procesos hidrometalrgicos, la separacin de metales se efecta en solucin

(precipitacin o purificacin selectiva, cambio inico, extraccin con solventes,

etc.). sta es la via tpica de la metalurgia de las menas Ni/Co, lantnidos, y

de menas complejas de Cu/Zn/Pb.

Las procesos pirometalrgicas para menas complejos obtienen metales o com-

puestos que se separan por sus caractersticas fsicas. Un ejemplo de separacinen estado metlico es el proceso Imperial Smelting para menas Pb/Zn.



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2.3.7 Tcnicas de Caracterizacin

Las condiciones geoqumicas que han existido en la formacin de un determinado

yacimiento implican que cada mena metlica sea nica. Es cierto que muchos yacimien-

tos se han formado en condiciones relativamente semejantes y por ello son tambin

semejantes sus menas. Sin embargo, siempre existirn diferencias de composicin ymicroestructurales que pueden afectar su respuesta durante los procesos extractivos.

Los requisitos actuales de eficiencia y control exigen un conocimiento detallado de las

menas que van a ser tratadas.

La informacin bsica que debe recoger la caracterizacin de una mena incluye:

1. Composicin qumica global.

2. Minerales presentes.

3. Composicin de los minerales, incluyendo los elementos minoritarios (o traza)

en solucin slida.

4. Tamao de grano de los minerales y su interrelacin (textura).

En la actualidad y por razones prcticas, no existe una tcnica que ofrezca toda es-

ta informacin y por tanto debe utilizarse una combinacin de varias de ellas. La

Tabla 2.4 resume las principales tcnicas utilizadas de tipo no destructivo. Por otra

parte, dichas tcnicas son tambin las que se aplican en la caracterizacin de cualquier

producto slido intermedio o final de todo proceso extractivo (concentrados, estriles,

residuos en general, escorias, polvos, matas, metales, etc.).

Existen muy buenos especialistas y abundante bibliografa para cada una de las tcni-

cas. Sin embargo, es el ingeniero metalurgista quien deber planificar la caracterizacin

y solicitar y ensamblar los resultados obtenidos de cada tcnicas utilizada.



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Tabla 2.4:Tcnicas de caracterizacin no destructivo y su aplicacin [7]

Tcnica Abre. Aplicacin

Fluorescencia de rayos X XRF Composicin qumica global

Difraccin de rayos X XRD Composicin mineralgica

Microscopa de luz reflejada Composicin mineralgica,

tamao de grano y textura

Microscopa electrnica de scanning SEM Composicin qumica puntual,

tamao de grano y textura

Microanlisis por energa dispersiva de rayos X EDS

Microsonda electrnica EPMA Composicin qumica puntual

2.3.8 Fundamento de los ensayos no destructivos

Fluorescencia de rayos X (XRF)

Concepto.-La fluorescencia de rayos X (XRF) es una tcnica analtica no destructiva

y radica en la existencia de un sistema atmico con distintos niveles de energa y las

posibles transiciones electrnicas entre ellos. El fenmeno de fluorescencia de rayos-X

se puede describir en etapas como a) Excitacin, b) Dispersin y c) Deteccin, una

descripcin se detalla en los siguientes subttulos.

a) Excitacin. Si consideramos un sistema en su estado fundamental, es decir demenor energa, al aplicarse una energa de una magnitud suficiente, sta puede

ser absorbida por el sistema, pasando ste a un estado de mayor energa o estado

excitado debido a la salida de electrones del tomo. A la excitacin producida

por rayos X que provienen del tubo de rayos-X, se le llama radiacin primaria o

fotones de rayos-X primarios.

Cuando se utiliza una fuente primaria de rayos X generada en un tubo Coolidge

que opera a25 100kV, el haz primario incide sobre una muestra y produce unaadsorcin de la radiacin con emisin de electrones internos. Las vacantes K, L,

etc. que se producen, provocan transiciones interatmicas con la consiguiente

emisin de rayos X secundarios (fluorescentes) caractersticos. La serie K, de

menor longitud de onda, se produce por transiciones electrnicas al nivel n= l,

la serie L al nivel n = 2, la M al nivel n= 3, etc. Figura 2.3.



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Figura 2.3: Esquema general de un espectrmetro de fluorescencia de rayos x. A:muestra,

B:colimador, C:cristal difractar, D:colimador, E:detector [7]

Para un determinado elemento, la longitud de onda disminuye de la serie M

a la L y a la K, de acuerdo con el correspondiente aumento de energa entre

niveles. Para una determinada lnea, la longitud de onda disminuye al aumentar

Z, esto es al aumentar la carga nuclear, de acuerdo con la relacin de Moseley

( 1/Z2).

b) Dispersin.La radiacin fluorescente que emerge de una muestra multielemento

es de tipo policromtico. Adems, contiene radiacin caracterstica del nodode la fuente primaria as como radiacin de fondo. Como mtodo de separacin

de las distintas longitudes de onda caractersticas se recurre a su dispersin por

difraccin. La radiacin, convenientemente colimada, incide sobre un cristal de

espacio interplanar conocido dhkl. nicamente se produce difraccin cuando se

cumple la ley de Bragg Figura 2.4 pgina 29.

n= 2dhklsen (2.8)

El cristal va montado sobre un gonimetro Figura 2.3 pgina 26, que permite ladeterminacin precisa del ngulo de incidencia . El cristal gira de tal manera

que aumenta progresivamente por lo que la longitud de onda que se requiere

para satisfacer la condicin de Bragg tambin aumenta progresivamente y, por

tanto, el espectro policromtico puede ser difractado secuencialmente. Debe con-

siderarse que la radiacin que emerge del cristal presenta un ngulo 2 por lo



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que es necesario que el detector gire a una velocidad angular doble que la del

cristal. Generalmente, el espectrmetro registra el ngulo 2.

El intervalo del espectro de rayos X de inters en determinacin elemental se

extiende entre 0,2 y 100 , aproximadamente. Se emplean diversos cristalesintercambiables para cubrir con buena resolucin las distintas regiones de dicho

intervalo.

c) Deteccin. La deteccin y medida de la intensidad relativa de la radiacin difrac-

tada se efecta ordinariamente de dos maneras:

1. Medida de la radiacin visible cuando la radiacin acta sobre ciertos sli-

dos (detectores de centelleo).

2. Medida de la corriente inica producida cuando la radiacin X interaccionacon un gas (detectores de ionizacin, detectores proporcionales).

La mayora de los espectrmetros van provistos de ambos detectores, utilizn-

dose los de centelleo para longitudes de onda cortas y los proporcionales para

longitudes de onda largas.

Los impulsos elctricos producidos en el detector son amplificados y medidos

mediante un conjunto de dispositivos electrnicos. Pueden hacerse barridos deintensidad (I)/ngulo de difraccin (2) tiles en las determinaciones cualitati-

vas. Pueden hacerse, tambin, medidas de intensidad a un ngulo fijo tiles en

determinaciones semicuantitativas y cuantitativas

Aplicaciones. Es una tcnica muy til tanto en la caracterizacin de materias primas

como en el seguimiento y control de los procesos extractivos de todo tipo ya que per-

mite operar sobre muestras muy diversas: slidos con o sin preparacin previa, polvos,

aglomerados, suspensiones acuosas (pulpas), lquidos, etc. El rango de aplicabilidadva del 100 %hasta el 0,001%.

Ventajas y limitaciones de la XRF. Las principales ventajas son:

Tcnica no destructiva que permite operar con casi todo tipo de muestras.



38/172


Relativa simplicidad del espectro lo cual limita prcticamente las interferencias

espectrales al caso de un elemento minoritario o traza cuya lnea ms sensible

es interferida por una lnea secundaria de un elemento mayoritario o por el

propio espectro del haz primario. En general, este problema puede ser resuelto

de muchas maneras: utilizando otro tubo cuyo espectro no interfiera, utilizando

otra lnea espectral, reduciendo la intensidad de la lnea interferente mediante la

reduccin del potencial de operacin del tubo, seleccionando un cristal difractor

de gran poder de resolucin en el intervalo de posible interferencia, etc.

Velocidad de respuesta. La adquisicin de un espectro completo para fines

cualitativos suele ser de media a una hora. Es un tiempo considerablemente ms

largo que la adquisicin de un espectro por energa dispersiva de rayos X pero

compensa por su mejor poder de resolucin. En determinaciones cuantitativas,

los tiempos de medida de un elemento son del orden de 20 a 60 segundos. Enequipos multicanales automticos pueden medirse en un par de minutos 20-30

elementos por muestra.

Desventajas. La principal desventaja son los elementos ligeros. ParaZ < 11Na

no suelen ser determinables en los espectrmetros comunes. Debe entonces re-

currirse a energa dispersiva de rayos X o a tcnicas destructivas (disolucin del

slido) y anlisis por espectroscopia de absorcin atmica (AAS) o plasma de

induccin acoplado (ICP).

Difraccin de rayos X (XRD)

La base del mtodo es que cada sustancia cristalina tiene su propio espectro de

difraccin ya que las posiciones de las lneas dependen de las dimensiones de la celda

elemental y las intensidades del tipo de tomos presentes y de su distribucin en el

cristal. La identificacin de fases se realiza determinando dhkl, correspondientes a los

distintos planos cristalinos, a partir de los ngulos , en el que se registra la difraccin.

La Figura 2.4 muestra el esquema de la condicin de Bragg.



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La diferencia entre el anlisis por fluorescencia y por difraccin, respecto a la condicin

de Bragg se puede interpretar en la siguiente ecuacin de Bragg:

n = 2d sen (2.9)

Espectrometro (F RX) :Calculado = Conocido MedidoDifractometro (DRX) : Conocido = Calculado Medido

Aunque existen diversos equipos para producir espectros de difraccin, el ms ade-

cuado para la identificacin y cuantificacin de fases es el difractmetro de polvo cuyo

esquema se da en la Figura 2.5. La muestra en polvo fino (10)se compacta en un

portamuestras que se acopla a un dispositivo giratorio. El haz de rayos X procedente

de un nodo (normalmente de cobre, K= 1,54) incide sobre la muestra. Cuando se

satisface la condicin de Bragg paran determinado espaciado, el haz difractado llegaal detector en posicin2. El detector y el sistema electrnico de medida son similares

al utilizado en XRF. Para anlisis cualitativo se utiliza un circuito integrador para

barridos I 2 que se registra grficamente en forma de picos situados a diferentes

ngulos. En los equipos modernos, un ordenador controla la velocidad de barrido, el

intervalo angular y el registro de 2,dhkl y las intensidades I. En el anlisis cuantita-

tivos se utiliza el aparato en forma estacionaria midiendo los impulsos que llegan al

detector a un 2fijo, durante un tiempo preseleccionado.

Aplicaciones, lo ms interesante de esta tcnica, en cuanto a la caracterizacin de

menas, es que la informacin se refiere nicamente a la composicin mineralgica

y no a composicin elemental.

Anlisis cualitativo. La identificacin de fases se realiza por comparacin del

difractograma obtenido (barrido I 2) con los datos archivados de muestras



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estndar. El archivo del Joint Commit-tee on Powder Diffraction Standards

(JCPDS) est constituido por ms de 50000difractogramas. Existen fichas in-

dividuales para cada fase cristalina y tambin sistemas manuales de bsqueda.

Sin embargo, toda esta informacin suele estar incorporada al ordenador de

los equipos actuales. Existen programas de bsqueda como el DIF-FRAC-AT

que permiten la identificacin rpida [8]. Es conveniente, sin embargo, tener

un conocimiento previo de la composicin qumica de la muestra lo cual per-mite restringir la bsqueda con el consiguiente ahorro de tiempo y una mayor

seguridad de identificacin.

Anlisis cuantitativo. Se basa en el hecho de que la intensidad de la reflexin

de un espaciado particular de una fase cristalina depende -entre otros muchos

factores fsicos e instrumentales- de su concentracin relativa

Para muestras anlogas y en idnticas condiciones instrumentales, estos factorespueden considerarse constantes lo que permite utilizar tcnicas de calibrado. El

procedimiento ms utilizado es el mtodo del patrn interno. Se basa en la com-

paracin de la intensidad de una reflexin de la fase que se va a analizar (IA) con

otra de una sustancia patrn (IP J) aadida a la muestra en proporcin conocida

y constante. Mediante este mtodo las variaciones en la adsorcin debidas a las



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variaciones de composicin de la matriz afectan por igual a la fase analtica y al

patrn interno siendo constante la relacin de intensidades (IA/IP J).

La principal ventaja, es que se trata de un mtodo directo de informacin

mineralgica. Es no destructivo y permite operar con cantidades relativamente

pequeas de muestra (incluso 0, 1g).

Las limitaciones son numerosas:

Sustancias amorfas. No se obtienen difractogramas de picos. Ello no es

siempre una desventaja ya que en ciertos casos es til verificar el carcter

no cristalino de un slido Sustancias cuyos patrones no estn disponibles en el archivo JCPDS. Esta

situacin es frecuente en sntesis inorgnica de nuevos productos pero muy

poco frecuente en caracterizacin de menas.

Sustancias con orientacin preferente. Dificultan la identificacin ya que se

observan intensidades distintas que en los patrones.

Sustancias con constituyentes en solucin slida. Existe una expansin o

contraccin de la red que se traduce en el desplazamiento de las distan-cias interplanares, es slo una desventaja para la identificacin ya que una

vez detectada es una informacin til.

Fases minoritarias. Lmite de deteccin relativamente alto que depende de

la sustancia y de las fases mayoritarias. En general, las fases presentes

a concentraciones inferiores al 5 %no se identifican con seguridad. Es por

ello que, para utilizar esta tcnica en caracterizacin de menas, muchas

veces deben aplicarse previamente tcnicas de separacin y concentracin.



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a) b)

Figura 2.6: a) William Henry Bragg. b) William Lawrence Bragg. Premio Nobel de Fsica

en 1915

2.4 Preparacin de concentrados a pirometalurgia

La preparacin de concentrados tiene importancia en la pirometalurgia, debido a que

si no se tiene en cuenta esta situacin los problemas que pueden surgir en las eta-pas posteriores de tratamiento pirometalrgico sern catastrficos. Por otra parte una

buena preparacin de concentrados supone un buen proceso pirometalurgico.

Cada planta particularmente tiene una o varias unidades de preparacin de con-

centrados y los procedimientos de preparacin son similares a casi todas las plantas

pirometalrgicas con algunas diferencias debido al tipo de mineral, al tipo de proceso

y a la disponibilidad de equipos para esta unidad y esta operacin metalrgica.

Un esquema de preparacin de concentrados de una planta de estao se puede observar

en la siguiente Figura 2.7, cuya explicacin detallada del proceso es:

El concentrado es alimentado al buzn de recepcin con un tamao de grano de

1 pulg. a -35 mallas tyler, una humedad aceptada del2 %aproximadamente.

El concentrado pasa a un elevador de cangilones B,

Del elevador de cangilones los granos menores a35pasan a un segundo elevador

de cangilones H,

Los granos gruesos del primer elevador de cangilones pasan a una criba vibratoria

y luego a un molino de rodillos, molino de barras para fragmentar las granos

mayores a 35 .



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El producto de este circuito de molienda es 95 %menor a 35 , estos pasan del

elevador de cangilones H a la cinta de rastra y depositados en las tolvas 1 al 5

(tolvas dispuestas de acuerdo a procedencia de mineral), en la tolva 6 se tiene

almacenado carbn a un tamao de 0,3mm.se mezclan en el homogeneizador

K para luego conducir a un elevador de cangilones L y luego a la tolva de

recepcinNo7para su destino y procesamiento posterior.

En la Figura 2.8 tambin se puede observar la preparacin de la carga para otra unidad

de proceso.



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Figura 2.7: Preparacin de carga Planta A



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Figura 2.8: Preparacin de concentrado Planta B



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2.5 Secado de menas

El secado de menas es un proceso mediante el cual se elimina el agua contenida en

menas, por evaporacin. La condicin para la eliminacin de la humedad es que la

presin de vapor del agua sea mayor que la presin parcial del agua en la atmsfera

circundante.

Las menas procedente de las plantas de concentracin, por lo general, traen una

humedad relativamente alta por lo que su procesamiento es entonces necesaria y en la

Figura 2.9 se muestra un esquema de un material hmedo.

Figura 2.9: Esquema de una partcula hmeda

Algunas condiciones necesarias del material hmedo son:

1. El mineral debe tener aproximadamente entre 1 a 2 %de humedad.

2. Los pellets hmedos que tambin son cargados a los procesos pirometalrgicos

deben contener hasta un 10 %humedad como mximo.

3. Los pellets secos deben contener hasta un 2 %de humedad mxima.

En el siguiente diagrama de flujo de la Figura 2.10 se muestra un esquema de tratamien-

to general de secado [9] para el tratamiento de polvos metalrgicos.



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Figura 2.10: Diagrama de flujo para secado de pellets

2.6 Humedad

La humedad H de una mezcla aire-vapor de agua de define como los kilogramos vapor

de agua por kilogramo de aire seco, esta humedad solo depende de la presin parcial

del vapor de agua en el aire y de la presin total.

Tambin se puede expresar sobre base seca o base humedad. Sin embargo la humedades mas conveniente referirse en base seca, debido a que esta permanece constante a

los largo del proceso de sacado. Por lo anterior la humedad puede definirse como la

cantidad de agua contenida en el material seco.

2.6.1 Humedad de equilibrio

Cuando un slido hmedo se pone en contacto durante un tiempo suficiente con aire

de temperatura y humedad determinada y constante se alcanzarn las condiciones deequilibrio entre el aire y el slido hmedo [10].

El vapor de agua que acompaa al aire ejerce una presin de vapor determinada; se

alcanzarn las condiciones de equilibrio cuando la presin del agua que acompaa al

slido hmedo es igual a la presin de vapor del agua en el aire. Se denomina humedad



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de equilibrio del slido a la humedad alcanzada por el slido en equilibrio con el aire

en las condiciones dada. La humedad de equilibrio H, es el lmite al que puede lle-

varse el contenido de humedad de una sustancia por contacto con aire de humedad y

temperatura determinada.

Si la humedad del slido es mayor que la del equilibrio, el slido se secar hasta

alcanzar la humedad de equilibrio, mientras que si la humedad es menor que la del

equilibrio absorber agua del aire hasta alcanzar las condiciones de equilibrio.

2.6.2 Humedad absoluta

La humedad absoluta se define como las libras de vapor de agua transportadas por

una libra de aire seco. Si se considera un comportamiento de gas ideal entonces la

humedad absoluta esta expresada mediante la siguiente relacin matemtica:

H = Mw Pv

Ma (PT Pv) (2.10)

Donde: Mw : peso molecular del agua

Ma : peso molecular del aire

Pv : presin parcial de vapor de agua

PT : Presin totalH : Humedad absoluta

La deduccin de la anterior ecuacin 2.10 es:

P V = m

MRT (2.11)

=

m

V =

P M

RT

Entonces la densidad del vapor de agua y del aire seco sern:

w =Mw Pv

RT (2.12)

a=Ma Pa

RT (2.13)



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La presin total es:

PT =Pa+ Pv Pa= PT Pv (2.14)

Entonces la densidad del aire seco ser:

a=(PT Pv) Ma

RT (2.15)

La humedad es:

H=wa

= Mw Pv

Ma (PT Pv) (2.16)

Cuando la presin parcial Pvdel vapor de agua, a una temperatura dada, es igual que

la presin de vapor de agua Ps, a la misma temperatura, el aire esta saturado y la

humedad se designa como humedad de saturacin Hs

2.6.3 Humedad relativa

Se define como la presin parcial del vapor de agua en el aire, dividido entre la presin

del vapor de agua a la temperatura dada y esta expresado por la siguiente relacin

matemtica:

=PvPs

100 (2.17)

Donde: Pv : presin de vaporPs : presin de vapor de saturacin, dado en tablas

2.6.4 Punto de roci

Es la temperatura a la que una mezcla dada de vapor de agua y aire se satura, es

decir, es la temperatura a la que el agua ejerce una presin de vapor igual a la presin

parcial del vapor en la mezcla dada.

2.6.5 Volumen del vapor

El volumen de vapor de agua que se puede extraer de una mena determinada, se

determina utilizando la ley de dalton de las presiones parciales. y esta expresado por

la siguiente relacin matemtica [11, 12]:



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PH2OPaire

=VH2OVaire

(2.18)

Problema 1.-

En un ambiente donde se encuentran hornos pirometalrgicos la temperatura del am-

biente es de T=26.7oCy la presin es de 101.325 KPa., la presin del vapor de agua

es de PA=2.76 KPa. Calcular:

1. La humedad H.

2. La humedad de saturacin Hsy el porcentaje de humedad %H.

3. La humedad relativa.

Solucin

De tablas la presin de vapor de agua a T=26.7 oCes

PA= 3,50 KP a.

entonces al utilizar la ecuacin 2.15 se tiene:

H=18,02 g.ml

28,97 g.ml

2,76

(101,325 2,76)

H= 0,028 g. H2O

g. aireseco

La humedad de saturacin es:

Hs=18,02

28,97

PAP PA

Hs= 0,0223 g. H2O

g. aireseco



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Por tanto el porcentaje de humedad ser:

%H= HHs

= 2,76

3,50

100 = 78,86 %

La humedad relativa ser:

=2,76

3,50 100 = 78,8

Problema 2.-

En una mufla elctrica, el porcentaje de humedad absoluta del aire es 30 oCy presin

total de 750 mmHg. es de 20 %calcular:

1. El porcentaje de humedad absoluta.

2. La humedad.

3. La presin parcial del vapor en el aire.

4. Cual es el punto de del aire.

Solucin



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Problema 3.-

Un mineral de hierro es desecado con aire caliente en un horno rotativo; el aire ingresa

seco aT= 450oC, por la parte inferior, y sale aT = 80oC, con una humedad relativa

= 3 2 %. El mineral entra por la parte alta a T = 20oC y sale a T = 180oC

completamente seco. Su composicin es:

F e2O3= 90 % H2O= 10 %

Determinar

1. El volumen de aire seco a T = 0oCy P= 760 mmHg, empleado por cada 100

partes de mineral anhidro.

2. Realizar el balance de calor.

Solucin

1. Tomando en cuenta

= PvPv

= 0,32

de tablas

Pv80oC = 355,1 mmHg

Pv = 0,32 355,1 = 113,6 mmHg

La humedad eliminada por 100K g. de mineral seco es:

100 kg min. seco 10 kg H2O

90 kg. min seco= 11,11 Kg. H2O

El volumen de esta humedad considerando la densidad de vapor ser 0,8Kg/m3 (esta

densidad es del vapor de agua que puede ser calculado fcilmente)

11,11 kg 1m3

0,8kg.= 13,887 m3 vapor

El volumen de aire necesario para eliminar esta humedad es:



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13,887 m3 vapor

Va m3 aire =

113,6mmHg

(760 113,6) mmHg

Va = 79,01 m3 aire a T = 0oC y P= 760mmHg

2. El balance de calor se realiza:

Calor que ingresa:

en el mineral F e2O3 90 0,1624 20 = 292.37 Kcal

en el agua H2O 11,11 1 20 = 222,20Kcal

en el aire 79,01 (0,302 + 0,000022 450) 450 = 11089,45Kcal

Calor total que ingresa = 11604,02Kcal

Calor que sale:

en el mineral F e2O3 90 0,1639 180 = 2655.47 Kcal

en el aire 79,01 (0,302 + 0,000022 80) 80 = 1920,00Kcal

en el vapor 13,89 (0,373 + 0,000050 80) 80 = 418,92Kcal

calor de vaporizacin a 20oC11,11 586 = 6510,46Kcal

Calor total que sale = 11504,85Kcal

La prdida de calor es 11604,02 11504,8 5 = 9 9,17 Kcal, que puede ser asumido

como prdida de calor por radiacin.

Problema 4.-

Un concentrado de sulfuro, procedente de flotacin, tiene 20 % de humedad y esta

compuesto, cuando esta seco de:

Ag2S= 1,5 % P bS= 23,5 % ZnS= 75 %

Este mineral se desea desecar en un horno rotativo antes de someter a su tratamiento

metalrgico, introduciendo por la parte ms elevada a T = 20oCy se descarga por

la parte baja a T = 180oC. El aire entra en sentido contrario a una temperatura de

T= 450oCy sale a temperatura T = 70oCla presin atmosfrica es de 760 mmHg.

Determinar



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1. El volumen de aire hmedo resultante por tonelada de mineral seco, sabiendo

que la presin de vapor es de 150 mmHg.

2. La cantidad de vapor de agua contenida en cada metro cbico de aire hmedo.

3. Realizar el balance calorfico

Solucin

1. El procedimiento se la puede realizar mediante el siguiente clculo:

1000 kg min. seco 20 kg H2O

80 kg. min seco= 250,0Kg. H2O

Si consideramos la densidad del vapor vapor= 0,803 Kg/m3

El volumen de vapor ser

250 kg H2O 1 m3 vapor

0,803 kg. = 311,5m3 vapor

311,5 m3 vapor

VA m3 aire seco=

150 mmHg

(760 150) mmHg

VA m3 aire seco= 311,5

(760 150) mmHg

150 mmHg = 1266,5 m3 aire seco

Entonces:

VT =Vaire seco+ Vvapor

pero VT =Vaire humedo

por lo anterior:

Vaire humedo= (1266,5m3 aire seco + 311,50 m3 vapor)

Vaire humedo= 1578,0 m3 aire humedo a0oC

AT= 70oC

V2=T2T1

V1=(273 + 70)K

273 K 1578 m3 aire humedo



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V2= 1982,6 m3 aire humedo a 70oC

2. La cantidad de vapor de agua contenido en cadam3 de aire hmedo es:

311,5 m3

vapor1982,6 m3 aire humedo = 0,157 m3 vaporm3 aire humedo

3. El balance calorfico es:

Calor que ingresa:

en el mineral Ag2S 15 0,0739 20 = 22.17 Kcal

P bS 235 (0,049 + 0,0000084 20) 20 = 231.09 Kcal

ZnS 750 (0,1078 + 0,0000261 20 0,0000000314 202) 20 = 1624.64 Kcalen el agua H2O 250 1 20 = 5000,00Kcal

en el aire 1578,00 (0,302 + 0,000022 450) 450 = 221480,00Kcal


Calor que sale:

en el mineral Ag2S 15 0,0778 180 = 210.06 Kcal

P bS 235 (0,049 + 0,0000084 180) 180 = 2136.66 Kcal

ZnS 750 (0,1078 + 0,0000261 180 0,0000000314 1802) 180 = 15049.88 Kcal

en el aire 1578,00 (0,302 + 0,000022 70) 70 = 33529,03Kcal

calor de vaporizacin a 20oC 250,00 586 = 146500,00Kcal


La prdida de calor es 228357,90 197425,63 = 30932,27 Kcal, que puede ser

asumido como prdida de calor por radiacin.

Problema 5.-

Un mineral es secado usando gases calientes en un horno continuo, de donde el mineral

desciende lentamente y los gases ascienden a 7200 m3

/hr (condiciones estndar), ypresenta la siguiente composicin:

CO2 = 10,6 % O2 = 6,5 % N2= 74,8 % H2O= 8,1 %

El mineral seco contiene 90 % F e2O3 y 10 % SiO2. El mineral hmedo transporta

18 % H2O que es eliminado en el secador e ingresa a T = 20oCy se descarga a



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T = 200oC mientras que los gases ingresan a T = 450oC y salen a T = 90oC,

saturndose con un cuarto de vapor de agua. La presin baromtrica es de 740mmHg.

Determinar

1. Las toneladas de mineral hmedo, en 8 hr.

2. Realizar el balance calorfico

Solucin

1. De tablas

Pv90oC = 525,8 mmHg

Ps= 525,84

= 131,50 mmHg

La humedad de los gases es:

8Hr. 7200 m3 gases

1H r.

8,1 m3 H2O

100 m3 gases = 4666m3 H2O

El volumen de gas seco es:

Vgas seco = 8 7200 4666 = 52934m3 gas seco

El volumen de vapor de agua que sale es:

VH2O = 131,5

740 131,5 52934 = 11439,3 m3 vapor de agua que sale

El agua removido del mineral es:

11439,3 4666 = 6773m3 vapor

Si consideramos la densidad del vapor vapor= 0,803 Kg/m3, se tiene:

6773 m3 0,803 K g

1 m3 = 5444,81 K gvapor

5444,81 Kg H2O180 Kg H2O

1 ton min humedo

= 30,25 ton min. humedo



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2. El balance de calor se la realiza:

Calor que ingresa:

en el mineral F e2O3 0,90 820 0,1624 20 = 2397.02 Kcal

en el mineral S iO2 0,10 820 0,170 20 = 278.80 Kcal

en el agua H2O 180 1 20 = 3600,00Kcal

Calor total = 6275,82Kcal

Por otra parte, el Volumen de gases por ton de mineral hmedo es:

8hr. 7200 m3/hr

30,25 ton = 1904,13

Calor en los gases de salida:

CO2 0,106 1904,13 (0,406 + 0,000090 450) 450 = 40554.26 Kcal

O2 0,065 1904,13 (0,302 + 0,000022 450) 450 = 17371.52 Kcal

N2 0,748 1904,13 (0,302 + 0,000022 450) 450 = 199906.12 Kcal

H2O 0,081 1904,13 (0,373 + 0,000050 450) 450 = 22449.89 Kcal


Calor que sale:

F e2O3 0,90 820 0,1649 200 = 24339.24 Kcal

SiO2 0,10 820 0,200 200 = 3280.00 Kcal

CO2 0,106 1904,13 (0,406 + 0,000090 90) 90 = 7522.29 Kcal

O2 0,065 1904,13 (0,302 + 0,000022 90) 90 = 3386.08 KcalN2 0,748 1904,13 (0,302 + 0,000022 90) 90 = 38965.99 Kcal

H2O 11439,30

30,25 (0,373 + 0,000050 90) 90 = 12847.60 Kcal

calor de vaporizacin a 20oC180 586 = 105480,00Kcal


La prdida de calor es 6275,82+280281,79 195821,20 = 90736,41 Kcal, que puede

ser asumido como prdida de calor por radiacin.



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2.7 Peletizacin

La peletizacin es una tcnica bastante adecuada para evitar la prdida de finos du-

rante el manipuleo y fue conducido por dos causas de mucha importancia las cuales

son:

1. La aparicin de exportadores de mineral de hierro de alta ley, los cuales com-

petan ventajosamente con los centros productores tradicionales de minerales,

quienes disponan de un producto de menor calidad.

2. Por otro lado el elevado costo de instalacin del Alto Horno indujo a buscar

su mximo rendimiento, lo que era posible, entre otros medios, por el uso de

minerales de hierro concentrado y aglomerado.

El proceso de aglomeracin que primero se desarrollo a escala industrial fue la sin-

terizacin, el cargado al Alto Horno permiti aumentar la productividad que signific

reducciones sustanciales en el consumo de coque por tonelada de arrabio produci-

do. Por razones tcnicas se instalaron las plantas de sinterizacin al lado de los altos

hornos, motivo por el cual este tipo de instalaciones fue absorbido por las siderrgicas.

La peletizacin es una tcnica de aglomeracin que recientemente se aplic en los

procesos siderrgicos, y permiti elevar en forma apreciable el rendimiento del Alto

Horno al utilizar mineral totalmente peletizado y condujo a subir la produccin del

arrabio prximos al100%.

El modo de operacin es la siguiente [13]:

El mineral al ser peletizado es alimentado a un disco rotatorio inclinado, rociado con

el lquido humidificante y convertido a pellet en una etapa por el movimiento gira-

torio de las "semillas"primarias que se van formando. Dentro del disco, los pellet sesegregan en la direccin de la trayectoria del flujo de acuerdo a su tamao y densidad;

a medida que crecen los pellet emigran del fondo del disco hacia la superficie de la

carga, siendo descargados por el borde del disco como pellet verdes (hmedos) de un

tamao uniforme.



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Los materiales deben cumplir ciertas condiciones para ser sometidos a peletizacin:

1. Deben ser de tamao suficientemente fino y contener un suficiente porcentaje de

partculas muy finas (polvos)

2. Si el tamao fino no es lo suficiente, los materiales deben ser molidos, el tamaode grano debe ser menor a 0,5mm

3. El tamao de grano muy finos 0,04 mm debe ser de un 60 %

4. El contenido de humedad debe ser menor al contenido ptimo de humedad de

los pellet verdes.

5. Debe poseer propiedades de aglomeracin. Si ste no es el caso, debe aadirse un

aglomerante slido o lquido. Dentro de ciertos lmites la adicin de aglomerantes

debe compensar la insuficiente fineza de los materiales crudos.

En la Figura 2.11 se puede observar el detalle de la peletizacin a nivel industrial, la

calidad de los pellets verde y la capacidad del disco pueden ser fcilmente ajustadas

mediante un control de:

Figura 2.11: Peletizador



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El punto de alimentacin del material crudo,

la ubicacin de los rociadores de agua,

la inclinacin del disco,

la velocidad de giro del disco y

la posicin del rastrillo.

2.8 Sinterizaci

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