Horno de Limpieza de Escorias, proyecto con inyección de reductores

I        INTRODUCCIÓN        2

I.1        Generalidades        2

I.2        Características de las escorias.        5

II        ALTERNATIVAS DE TRATAMIENTO        8

II.1        Flotación de la escoria        9

II.2        Reducción de escorias        10

III        PROCESO FÍSICO QUÍMICO        12

III.1        Fundamentos de la Recuperación de cobre sulfurado atrapado.        12

a)        Viscosidad y densidad de las escorias        15

b)        Efecto de la temperatura sobre la viscosidad de las escorias fallalíticas        18

III.2        Velocidad y tiempo de sedimentación en las escorias        21

III.3        Mecanismo de reducción de la magnetita        26

III.4        Cinética de reducción de escorias        28

III.5        Efecto de la magnetita y el potencial de oxígeno        31

IV        BALANCE DE MASA EN EL HLE        33

V        BALANCE DE CALOR EN EL HLE        36

VI        DIMENSIONAMIENTO DEL HLE        38

1. Introducción

1. Generalidades

Dentro del circuito de fusión – conversión, una fuente importante de pérdidas de cobre es debido a las descargas de escorias que llevan atrapado cobre metálico o de la forma Cu2S, generalmente. Esto se debe a que las escorias del convertidor suelen atrapar y disolver en total entre un 2 a 10% de cobre dependiendo de la operación y las condiciones físico químicas del proceso de conversión. La gran capacidad de tratamiento de ejes de los convertidores industriales trae como consecuencia una acumulación de cobre atrapado ya sea química o físicamente en las escorias.

Una dificultad adicional es el hecho de que los procesos de alta productividad generan escorias altamente oxidadas con cantidades significativas de magnetita primaria, por lo que se requiere una extensiva reducción de la escoria lo que lleva a tiempos de reducción de 90 a 120 minutos, tiempos considerables para los requerimientos en planta.

Estas razones, impulsan el estudio de las pérdidas de cobre en las escorias tanto desde un punto de vista de la factibilidad de llevar a cabo procesos que permitan su recuperación como de los tiempos de operaciones requeridos para tal tarea.

En la actualidad, es aceptado el hecho de que las perdidas de cobre en las escorias se pueden clasificar en pérdidas mecánicas y pérdidas físico químicas.

1. Pérdidas mecánicas.

El primer tipo de pérdidas de cobre en la escoria, se debe a un fenómeno netamente físico. Por ejemplo, partículas atrapadas o gotas de cobre (blíster eje de cobre) sin sedimentar que permanecen flotando en la fase escoria. En este último caso, se ha sugerido recientemente que  las partículas de eje permanecen flotando en la fase escoria por las burbujas de SO2(g) generadas mediante la siguiente reacción:

[pic 1]                                        (rx.1)

Donde la velocidad de sedimentación de estas partículas, viene dada por la ley de Stokes:

[pic 2]                (ec.1)

Este tipo de pérdidas ocurre sin cambios de fase y sólo es gobernado por las leyes de la dinámica de los fluidos.

1. Pérdidas físico químicas.

En este segundo tipo de pérdidas, tienen su origen en la solubilidad del cobre en la escoria tanto en su forma oxidada como sulfuro. Por ello el cobre disuelto en las escorias, corresponde a un aporte de Cu2O y Cu2S ambos fundidos, luego:

[pic 3]                (ec.2)

El termino %CuCu2O representa las pérdidas de cobre en la escoria que a temperatura constante y saturada en sílice, es solo función del grado del eje y la actividad del FeO en la escoria. El segundo término %CuCu2S representa las pérdidas de cobre en la escoria por disolución de Cu2S, la cual, bajo las condiciones dadas, depende solamente del grado del eje.

Para cuantificar el eje disuelto en la escoria, se puede recurrir a la siguiente expresión derivada de investigaciones sobre la termodinámica del sistema quinario Cu - Fe - S - O - SiO2,

[pic 4]                (ec.3)

[pic 5]                (ec.4)

,donde

T        temperatura en [K]

NCu2S        fracción molar de Cu2S en el eje coexistiendo con la escoria

A, B        constantes que dependen de la temperatura.

El cobre disuelto químicamente en la escorias son los cationes de Cu+ que son producto de las reacciones heterogéneas generadas en las interfaces de metal – escoria o eje – escorias. Esta cantidad de cobre residual a la forma de Cu2O o Cu2S puede ser determinada directamente de las reacciones de equilibrio químico, en especial para el caso del CPS se tiene que en la interfase eje – escoria la siguiente reacción:

[pic 6]                (rx.2)

Por lo que la constante de equilibrio químico es:

[pic 7]                (ec.5)

Sin embargo, la mayoría del cobre atrapado en la escoria se encuentra físicamente retenido, a la forma de “gotas” ocluidas ya sea cualquiera de las fases fundidas que contengan cobre. En general las pérdidas de cobre en las escorias es del orden de 10 a 17 Kg. de cobre por tonelada de blíster producido. Debido a que en estas pérdidas intervienen las leyes del equilibrio químico determinando que siempre ocurrirán concentraciones residuales de fundidos conteniendo cierta cantidad de cobre en las escorias, es que es muy difícil controlar y reducir a cero la cantidad de cobre que por esta vía se pierde. Otro tanto ocurre con el cobre atrapado mecánicamente, que debido a la turbulencia generada por el soplado y descargas y cargas de flujos, es que no se puede tener un control preciso sobre las pequeñas gotas de fundido conteniendo cobre que pudieran eventualmente ser atrapados por la fase escoria. En realidad, el cobre atrapado mecánicamente en la escoria es determinado fundamentalmente por la dinámica de los fluidos inherente del proceso mas que de variables químicas.

1. Características de las escorias.

Dependiendo del tipo de proceso es que se obtiene un tipo especifico de escoria, cada reactor (convertidor, horno flash, etc.) genera un tipo particular de escoria debido a que la materia de entrada es químicamente distinta.  

En general, es un hecho establecido que las escorias provenientes de procesos de fusión (horno flash), poseen concentraciones de cobre determinadas por el grado de eje producido. Análogamente, las escorias de convertidores poseen cantidades de cobre en función de la composición de las escorias generadas. Esta situación se muestra en las siguientes figuras:

[pic 8]

Figura 1        Contenidos de cobre residual en escorias de fusión (HF) como función del grado del eje generado.

En esta figura 1, se puede apreciar las consecuencias del aumento del potencial de oxígeno en el baño fundido. Al aumentar el potencial de oxígeno, este incide directamente en el aumento de la generación de magnetita. La magnetita formada atrapará el cobre a la forma de micro gotas debido principalmente, a la gran agitación del baño debido al gas inyectado por las toberas. Enseguida, la magnetita formada solidifica capturando las gotas de cobre fundido.

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