Fernando Quezada Pérez MV71

Presentación del tema: "Fernando Quezada Pérez MV71"— Transcripción de la presentación:

1 Fernando Quezada Pérez MV71
Obtención del Cu Fernando Quezada Pérez MV71 qweqw

2 Principales Minerales de Cobre
Formula %w de cobre Cobre nativo Cu 99.9 Calcocita Cu2S 79.9 Covelita CuS 66.5 Calcopirita CuFeS2 34.6 Bornita Cu5FeS4/Cu3FeS3 Tenantita Cu12As4S13 42-52 Tetraedrita Cu12Sb4S13 30-45 Enargita Cu3AsS4 48.4 Cuprita Cu2O 88.8 Malaquita CuCO3▪Cu(OH)2 57.5 Azurita 2CuCO3▪Cu(OH)2 55.3 Nota: La Mena mineral generalmente contienen entre 0.5 y 2 %w Cu qweqw

3 El desarrollo de los procesos actuales de
producción de Cu y otros metales siguen estas tendencias: Disminuir el número de etapas del proceso. Preferir procesos continuos Realizar operaciones autógenas Utilizar O2 o aire enriquecido con O2 Recuperación de S Recuperación de subproductos con valor económico

4 El 80% del Cu se obtiene de minerales sulfuros
de baja ley que se tratan por métodos pirometalúrgicos con la siguiente secuencia general: Mineral con Cobre 0.5 a 2% Cu Incremento en el contenido de Cobre Concentración del mineral 25 a 35 % Cu 60-75% Cu Fusión del mineral Etapa de conversión 99 % Cu Refinación 99.99 % Cu

5 Etapas Principales en la Producción de Cobre

6 Proceso de Tostación La tostación de concentrados de Cu se realiza para preparar el material para una operación piro- o hidrometalurgia. Este proceso permite: 1. Secar los concentrados 2. Oxidar una parte del Fe 3. Controlar el contenido de S 4. Eliminar parcialmente impurezas volátiles, especialmente As En muchos procesos modernos la tostación no se efectúa en una etapa separada sino que se combina con el proceso de fundición de matas.

7 Los gases de tostación tienen composiciones de SO2 y de O2, las cuales son equivalentes a:
pSO2 = a pO2 = 10-2 a 10-1 En la tostación es importante evitar la oxidación excesiva ya que se puede formar Fe3O4 o Fe2O3, lo cual puede provocar mayores pérdidas de Cu en la escoria. Esto se logra tostando el mineral a bajas temperaturas (<600 °C).

8 Formación de la Mata La producción de la mata líquida y su conversión posterior a cobre blister (cobre ampollado) son las etapas más importantes de extracción de cobre. Las ventajas son: Procesa cobre metálico a partir de minerales sulfurados con un gasto de energía bajo. El cobre se produce a una velocidad alta.

9 La fundición de matas se efectúa a °C de concentrados o concentrados parcialmente tostados para producir dos fases inmiscibles: La Mata es una fase formada por CuS y FeS con 35 a 65 % de Cu. La Escoria es una fase rica en óxidos de fierro.

10 Separación de Fases a 1200 °C: FeS + Cu2O = FeO+ Cu2S G° = -121.1 kJ
El objetivo principal de la fundición de matas es asegurar la conversión a sulfuro de todo el Cu de la carga para que pase a la mata. Separación de Fases a 1200 °C: FeS + Cu2O = FeO+ Cu2S G° = kJ K = 1.968x104 El Cu tiende a formar sulfuros y Fe tiende a formar óxidos. El CuS y FeS2 son inestables a las temperatuas de fundición y se transforman en Cu2S y FeS.

11 Energía Libre de formación por mol de O2 a 1600 °C
El Cu2O es de los óxidos menos estables

12 Sistema Cu-Fe-S. Diagrama Pseudobinario
En el estado líquido homogéneo, la mata es una solución de sulfuros del sistema Cu2S-FeS

13 Diagrama Ternario Cu-Fe-S
La Figura muestra los puntos de la composición de matas industriales, las cuales están entre la línea Cu2S-FeS y el límite de la zona bifásica Fe+Líq.

14 Formación de la Escoria

15 Las escorias en la fundición de matas contienen 30-40% Fe como óxidos y 25 a 40 % de SiO2 como silicatos de Fe(II). La fundición para mata promueve la separación completa entre la mata y la escoria: una fase se enriquece en Cu y otra queda empobrecida. Las diferentes propiedades de la mata y la escoria que promueven sus separación son: Diferente naturaleza de enlace, en la mata es covalente y en la escoria es iónico. La densidad de la mata es de alrededor de 4.9 g/cm3 mientras que la de la escoria es casi 3.8 g/cm3.

16 Tipos de Hornos para Fundición de Matas
y Convertizaje Fundición de Matas Procesos Tradicionales: Horno de Reverbero Horno Eléctrico Proceso El Teniente Procesos Autógenos: Outokumpu de fusión instantánea (flash smelting) Proceso Inco Proceso Kivcet

17 Procesos que combinan la Fundición de Matas y el convertizaje
Convertidor Peirce-Smith Procesos que combinan la Fundición de Matas y el convertizaje Proceso Mitsubishi Proceso Noranda

18 Horno de Reverbero El Horno de Reverbero fue muy popular en la primera mitad del siglo XX, pero su uso ha ido disminuyendo. El material se carga cerca de los quemadores cuya máxima temperatura es de 1500 °C. El calor se transfiere por radiación al material. La parte frontal es la zona de fusión y la posterior funciona como zona de asentamiento para la separación de la mata y la escoria. Este proceso tiene el mayor consumo de energía de todos los procesos de fundición de matas de Cu.

19 Vistas frontal y lateral del Horno de Reverbero

20 Horno Eléctrico para Cobre
La fundición en el horno eléctrico es similar al horno de reverbero pero la diferencia es que se utiliza energía eléctrica y calienta el material mediante electrodos. Se controlan fácilmente la temperatura y las condiciones oxidantes del horno. Se puede controlar la concentración de magnetita y la viscosidad y hay pocas pérdidas de Cu en la escoria. Los gases salen a menor temperatura (500°C) que la de los gases del horno de reverbero (1200 °C). Se usan donde la energía eléctrica es barata.

21 Esquema de un Horno Eléctrico para Cobre

22 Proceso El Teniente En este reactor dos toberas inyectan el concentrado con aire; un inyector de carga alimenta escorias circulantes, fundente, carbón, y aire; un quemador inserta petróleo y aire; y otras toberas ingresan aire de soplado enriquecido con O2. Las reacciones de oxidación son exotérmicas lo cual funde la carga y genera dos fases líquidas: una rica en cobre (metal blanco) y otra formada por los óxidos (escoria). El metal blanco se separa de la escoria yéndose al fondo el cual se vacía y se procesa posteriormente en el convertidor Peirce-Smith. 22

23 Esquema del Convertidor El Teniente
Alimentación húmeda: Carga Fría Fundente (Cuarzo) Carbón Gases Aire y oxígeno Metal Blanco 75% Cu Escoria Toberas Inyección Concentrado Seco Concentrado inyección Toberas Aire Soplado

24 Fotografía del Convertidor El Teniente

25 MECANISMO DE FORMACION DE ESCORIA

26 Proceso Outokumpu de fundición Instántanea
Casi un tercio del cobre a nivel mundial se procesa en este tipo de reactor. Al proceso se alimentan concentrados sulfurosos de Cu y Fe así como SiO2 y CaO a un tamaño menor a 100 m. El material se alimenta por la parte superior con aire enriquecido con O2 precalentado a 500°C. Se utilizan unos quemadores para iniciar la ignición . La mezcla gas-sólidos permanecen unos segundos suspendidos antes de precipitarse y dar lugar a una mata y una escoria a 1200 °C. La mata contiene 50 a 70%Cu y la escoria tiene 2 %Cu.

27 fusión instantánea (flash smelting) Outokumpu
Esquema del Reactor de fusión instantánea (flash smelting) Outokumpu

28 Reactor de Fusión Instantánea INCO
Su construcción es similar a la de un horno de reverbero pero se inyecta O2 (95-98% de pureza) de manera horizontal por ambos extremos del reactor. Los gases de salida se colectan por una chimenea central y contienen casi 80 %SO2, el cual puede licuarse. La reacción principal de los procesos Outokumpu e Inco es: 2CuFeS2 + 5/2 O2 + SiO2 = CuS▪FeS + FeO▪SiO2 + 2SO2 Calcopirita Fundente Mata Escoria Esta reacción genera el calor necesario para el proceso, lo cual lo hace autógeno

29 fusión instantánea (flash smelting) INCO
Esquema del Reactor de fusión instantánea (flash smelting) INCO

30 Estadística de los Procesos de
Producción de Cu

31 Proceso de Conversión La conversión del cobre consiste en la oxidación con aire de la mata líquida proveniente de la fundición. La conversión elimina Fe y S de la mata dando por resultado la producción de cobre blíster o ampollado (99%Cu). La conversión se lleva a cabo en dos etapas consecutivas, en las cuales se utiliza la inyección de aire hacia el interior de la fase de sulfuros fundida

32 En la primera etapa se forma la escoria y se elimina el Fe.
2FeS + 3/2 O2 + SiO2 = 2FeO▪SiO2 + SO2 (aire) (fundente) (escoria) El Fe pasa a una fase de escoria (rica en óxidos). La segunda etapa da lugar al Cu metálico. Cu2S + O2 = Cu SO2 (aire) (cobre blíster) El Cu2S reacciona con oxígeno para formar Cu metálico y SO2.

33 La formación de cobre en la segunda etapa no sucede hasta que la mata contiene menos de 1% de Fe, de modo que casi todo el Fe se elimina del convertidor (como escoria) antes de comenzar la producción de Cu metálico. El producto del proceso de conversión es el cobre blíster el cual contiene entre 0.02 y 0.1 % S. No ocurre formación importante de Cu2O hasta que el contenido de S no está por debajo de 0.02%, de modo que la oxidación de Cu no es un problema.

34 Convertidor Peirce-Smith
Existen diferentes tipos de convertidores de Cu pero el más común es el Peirce-Smith. Es un cilindro horizontal recubierto con refractario básico (magnesita y cromo-magnesita). Puede rotar a lo largo de su eje. La mata líquida se introduce al convertidor a través de una entrada grande centra. El aire se inyecta a través de una fila de toberas horizontales. La mata se adiciona a 1100 °C y el calor generado en el interior del convertidor por la oxidación de Fe y S hace que el proceso sea autógeno.

35 Esquema del Convertidor Peirce-Smith

36 Fotografía del Convertidor Peirce-Smith

37 Constante de Equilibrio de algunas
Reacciones a 1200 °C Las reacciones de oxidación son espontáneas pero la de FeS es más viable: Cu2S + 3/2 O2 = Cu2O + SO K = 1.288x108 NiS + 3/2 O2 = NiO+ SO K = 3.16x1011 CoS + 3/2 O2 = CoO+ SO2 K = 3.42x1012 FeS + 3/2 O2 = FeO+ SO2 K = 2.53x1012 Reacciones de intercambio entre la mata y la escoria: Cu2S + FeO = Cu2O + FeS K = 5.08x10-5 NiS + FeO = NiO + FeS K = 1.24x10-1 CoS + FeO = CoO + FeS K = 1.35

38 Posibilidad de formar el elemento metálico por la interacción entre el sulfuro y el óxido. Sólo el Cu puede formarse por este procedimiento. Cu2S + 2 Cu2O = 6Cu + SO K = 5.46x101 ½ NiS + 2 NiO = 7/2 Ni + SO K = 4.75x10-2 CoS + 2 CoO = 3 Co + SO2 K = 4.42x10-2 FeS + 2 FeO = 3 Fe + SO2 K = 2.49x10-6

39 Nótese que K = exp[-G°/RT]
Si G° es negativa (K> 1) la reacción procede de izquierda a derecha. Si G° es positiva (K< 1) la reacción procede de derecha a izquierda.

40 Proceso Mitsubishi Este proceso se realiza en tres hornos interconectados: Horno de fundición de matas, Horno recuperador de Cu de la escoria y Horno convertidor. El horno de fundición de matas carga a través de lanzas el concentrado de Cu y fundentes a la vez que se sopla aire enriquecido con O2. El horno de fundición descarga la mata y la escoria en un horno eléctrico donde se recupera el Cu de la escoria por las condiciones reductoras del horno, ya que se adiciona coque y pirita. La mata se alimenta al convertidor en el cual se inyecta O2. Como fundente se utiliza CaCO3 para fluidificar la escoria.

41 Esquema del Proceso Mitsubishi
Recirculación de escoria Concentrado , SiO2, aire + O2 Quemador O2 Electrodo Mata y escoria Mata Cobre blíster Horno de Fundición de Matas Horno eléctrico de limpieza de escoria Horno de conversión

42 Proceso Noranda Este proceso es continuo y consiste de un reactor cilíndrico giratorio recubierto con cromo-magnesita. Posee de 50 a 60 toberas que inyectan aire a la altura de la mata. Por un extremo se adiciona el concentrado, sílice y coque. En el horno se forma tres fases: escoria, metal blanco y cobre metálico. Ventajas: proceso continuo y parcialmente autógeno. Desventajas: Alto Cu en la escoria, alto S en el cobre blíster (1-2%S).

43 Esquema del Proceso Noranda
Concentrado y fundentes Gases de salida Escoria Orificio para Cu Toberas COBRE

44 Gracias por su atención