Fusión a Mata o Eje (Cu2S – FeS)

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1 Fusión a Mata o Eje (Cu2S – FeS)
Fusión a Mata + Conversión a Cu(b), (en 2 Etapas) método mas importante sulfuros. Fusión comprende: Oxidación, Calentamiento y Fusión de Concentrados de Cu-Fe- S en un horno revestido con refractarios a 1250ºC. Se emplea Aire ($ O2) para oxidar Fe y S del concentrado dejando Cu2S + FeS (1200ºC) de mayor ley que el concentrado. La mata se envía a conversión para oxidación del Fe y S remanente. Se produce una escoria fayalítica (oxidación del Fe mas adición de fundente) pobre en Cu que es apilada o enviada a recuperación. Se producen gases ricos en SO2 que se tratan para producir H2SO4. La mata es mas densa que la escoria y forman 2 fases líquidas inmiscibles. Se sangran separadamente por orificios a distintos niveles.

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3 Reacciones Químicas CuFeS2 + O2 = Cu2S + FeS + FeO + SO2
FeS2 + 5/2O2 = FeO + 2SO2 2FeO + SiO2 = Fe2SiO4 3FeO + ½ O2 = Fe3O4 Fe3O4 : magnetita, mayoritariamente disuelta en escoria Cantidad de O2 esta fuertemente controlada para obtener la cantidad de Fe y S oxidados. Todas las R. Qx. Son H < 0, que disminuye el consumo de “combustible”

4 Oxidación del Cu a Cu2O Casi todo el Cu que entra va a la mata
El Cu oxidado es resulfurizado, según Cu2O + FeS = Cu2S + FeO Gº1200 = -1.3  105 kJ/kmol Cu2O K1200 = 104 G = - RT ln K Tomando aCu2S/aFeS = 2 y aFeO = 0.3, se obtiene aCu2O =

5 Combinando Fusión y Conversión
Ambos son procesos de oxidación con productos fundidos. Parece razonable llevarlo a cabo en una sola etapa. Sin embargo no ha sido posible por la alta concentración de Cu en la escoria que esta en equilibrio con Cu blister. Esto requiere una “costosa” etapa de recuperación”

6 Características de la Fusión
Características comprenden: Contactar partículas de concentrado y fundente siliceo con aire ($ O2) en un horno caliente. Calentar y fundir las partículas con la energía de la oxidación del Fe y S y combustión de combustible. Permitir que las gotas parcialmente oxidadas y fundente se junten en una capa de escoria donde las fracciones oxidadas y no oxidadas reaccionen y se separen. Dar tiempo suficiente para que las gotas de mata sedimenten a la capa de mata. Vaciado de la mata y escoria separadamente a través de sangrías inferiores y superiores. Enviar la mata a conversión. Enviar la escoria (usualmente) a recuperación.

7 Temperatura de Fusión Todas las técnicas de fusión siguen las características anteriores. La fusión a mata se lleva a cabo a 1150ºC a 1250ºC. Esto asegura la rapidez de las velocidades de reacción y asegura que la mata y escoria estén fluidas. El horno se reviste con refractarios (a veces refrigerados).

8 Objetivos y Control Mata de ley y temperatura adecuada para alimentar a los convertidores. Escoria inmiscible con la mata, diluida en Cu y suficientemente fluida para un fácil sangrado del horno. Gases de salida lo bastante concentrados en SO2 para producir H2SO4. La ley del eje se ajusta con: Flujo de O2 in/Flujo concentrado in Tº mata y escoria se ajusta con combustible (razón N2/O2, $O2) Inmiscibilidad mata/escoria se controla con Flujo SiO2 in/Flujo Concentrado in Quemar poco combustible aumenta %SO2

9 Mata Son soluciones Cu2S + FeS
Están cerca de la saturación con Fe3O4 y contienen 1 a 2 % ρmata = 4500 vs ρesc = 3500 kg/m3 mata = 10 cP vs esc = 100 cP (10-2P) mata= esc= 0.5 [1/cm] Mata son semiconductores. Escoria son conductores iónicos. Por lo tanto, mata es mas densa, menos viscosa, conductora y Cu-Fe enlazados covalentemente a S-O

10 Sistema Cu – Fe – S La mata liquida Cu2S – FeS se mantiene al disminuir su contenido de S Al seguir disminuyendo se separa una segunda fase rica en Metal Lo anterior ocurre para todo el rango Cu/Fe y en ambos extremos Cu2S – FeS A 1200ºC y 1 atm cualquier exceso de S en Cu2S - FeS vaporizara

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16 Escoria Se forman a partir de óxidos de la “carga” mas oxidación del Fe. Se compone de 30 a 40 % Fe (Fe2+-Fe3+ en la escoria y “sólido”) + O (O2-) 30 a 40% SiO2 (fundente, concentrado, escoria de conversión) 5 % Al2O3 (idem SiO2) 5 % CaO (idem SiO2)

17 Selección Composición
Inmiscible con la escoria y baja solubilidad de Cu. Suficiente fluidez para evitar mata atrapada, gotas y partículas de concentrado. Suficiente Fluidez para controlar el sangrado. 1 Poise = 0.1 [kg/ms] o [Pas] 1 Cp = 10-2 [P]

18 Estructura y Propiedades
Altamente viscosas 200 a 1000 cP. Fe3O4 y SiO2 sólidas la aumentan mas. Son “iónicas” cationes Ca2+, Fe2+, Fe3+ y aniones O2-, SiO44- Escorias básicas (CaO) simples Escorias acidas (SiO2) grandes anillos de aniones de silicatos conectados (Fusión a Mata = acida)

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21 Región Escoria Líquida
Escoria liquida es a % SiO2 > 20% (1200ºC) y saturan a 35%. Fe3O4 se forma bajo llama oxidante del horno de fusión. Precipita (línea CD) si excede el 20%. Fe3O4 sólida aumenta viscosidad y atrapamiento de Cu. Mientras exista FeS ocurrirá FeS(l) + 3Fe3O4 = 10 FeO + SO2 También se desfavorece a alta Tº o adicionando reductores (Fe-Si “localmente”)

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23 Inmiscibilidad Mata - Escoria
La separación se favorece cerca de la saturación son SiO2. Sin SiO2 se forma “una” sola fase oxisulfuro de Cu y Fe, y no 2 fases rica en Cu y otra con Cu diluido Con SiO2 aparece una segunda fase de Fe – O – SiO2 baja en Cu y S. Diagrama de Fases FeO – FeS – SiO2 FeO – FeS son miscibles en amplio rango. SiO2 causa que este oxisulfuro se separe en 2 fases (línea conjugada a, b, c, d sobre curva ACB) Diferencia de fases aumenta con mas SiO2. Línea A escoria y línea B mata

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25 Sin SiO2 Cu – Fe – S – O están
en un enlace covalente (e de enlace son compartidos por ambos átomos) Con SiO2 Fe y O forman fuertes enlaces poliméricos de aniones silicatos 4FeO + 4SiO2 = 4Fe2+ + Si4O128- Fe y S no tienen esta tendencia y S permanece como una fase covalente distinta

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