FUNDENTES USADOS EN LA PREPARACION DE LECHO DE FUSION DE PLOMOBALANCES METALURGICOS 1 Introducción Es te tema está basado en la enseñanza y el aprendizaje de la aplicación de los lechos de fusión en metalurgia, está ligado directamente a los conocimientos de los procesos y operaciones que se llevan a cabo en las diferentes empresas metalúrgicas, dedicados a la extracción y transformación de los metales como es el caso de los lechos de fusión donde encontramos también los procesos de tostación, reducción, fundición, conversión y refinación. Viene a ser una mezcla de concentrados, minerales de cobre, plomo, plata, fundentes y re circulantes; de manera que la mezcla final conformada respete en lo posible los “límites o índices metalúrgicos”. Fundentes básicos son la caliza (CaCO3), la dolomita (CaCO3.MgCO3), la magnesita (MgCO3). FUNDENTES USADOS EN LA PREPARACION DE LECHO DE FUSION DE PLOMO BALANCES METALURGICOS 2 LECHO DE FUSION DE PLOMO A. LECHOS FLUIDIZADOS La fluidización es un proceso por el cual una corriente ascendente de fluido (líquido, gas o ambos) se utiliza para suspender partículas sólidas. Desde un punto de vista macroscópico, la fase sólida (o fase dispersa) se comporta como un fluido, de ahí el origen del término "fluidización". Al conjunto de partículas fluidizadas se le denomina también "lecho fluidizado". En un lecho de partículas con flujo ascendente, la circulación de un gas o un líquido a baja velocidad no produce movimiento de las partículas. El fluido circula por los huecos del lecho perdiendo presión. Esta caída de presión en un lecho estacionario de sólidos viene dada por la ecuación de Ergun. Si se aumenta progresivamente la velocidad del fluido, aumenta la caída de presión y el rozamiento sobre las partículas individuales. Se alcanza un punto en el que las partículas no permanecen por más tiempos estacionarios, sino que comienzan a moverse y quedan suspendidas en el fluido, es decir, “fluidizan” por la acción del líquido o el gas. Los lechos fluidizados tienen variedad de aplicaciones, entre las cuales se pueden mencionar: Clasificación mecánica de partículas según su tamaño, forma o densidad. Lavado o lixiviación de partículas sólidas. Cristalización. Adsorción e intercambio iónico. Intercambiado de calor en lecho fluidizado. Reacciones catalíticas heterogéneas (incluyendo la descomposición catalítica del petróleo). Combustión de carbón en lecho fluidizado. Gasificación de carbón en lecho fluidizado. Bioreactores de lecho fluidizado. FUNDENTES USADOS EN LA PREPARACION DE LECHO DE FUSION DE PLOMO BALANCES METALURGICOS 3 A.1. APLICACIONES DE LOS HORNOS DE LECHOS FLUIDIZADOS Tostación de concentrados sulfurados (zinc, cobre, molibdeno, piritas y arseno- piritas auríferas) Fabricación de cemento Craqueo catalítico de hidrocarburos Secado de materiales Tostación de concentrados de cobre-arsénico para eliminar el arsénico. Calcinación de piedras calizas Aprovechamiento de finos de carbón y coque para producir vapor El margen de temperatura recomendado en el lecho de un horno de tostación es entre 900-970 °C; siendo el valor más favorable de 950 °C: Para mantener esta temperatura se enfría el lecho fluidizado indirectamente por medio de superficies de enfriamiento y directamente por inyección de una pequeña cantidad de agua pulverizada. La superficie de enfriamiento se ajusta al valor más favorable durante la puesta en marcha y luego se mantienen los valores determinados. La regulación de la temperatura se realiza por la variación de la cantidad de agua de inyección al horno y el ajuste de la adición de agua normalmente se realiza manualmente, pero puede realizarse a distancia. Según el tamaño del horno fluidizado se instalan 4, 6 u 8 termopares en forma alternada: 4 termopares se elevan verticalmente desde la parrilla en el lecho fluidizado aproximadamente 200 mm; los demás están sumergidos horizontalmente desde la pared del horno. La temperatura del lecho es el promedio de las lecturas de los termopares que están en el lecho fluidizado, no debiendo diferir los valores entre sí en +/- 20 °C; mayores diferencias podrían significar: termopares defectuosos o lechos fluidizados inhomogéneos. Las causas de un lecho fluidizado inhomogéneo pueden ser: Insuficiente cantidad de aire en relación con la cantidad de concentrado Un porcentaje demasiado grande de grumos en el concentrado Subida del valor de la resistencia del lecho por inadvertencia a más del valor máximo. Engrosamiento del lecho FUNDENTES USADOS EN LA PREPARACION DE LECHO DE FUSION DE PLOMO BALANCES METALURGICOS 4 Siempre que se reconozca a tiempo el comienzo de diferencia de temperatura como indicación de inhomogeneidad, se puede normalizar la capa de fluidización adoptando las siguientes medidas: aumentar la cantidad de aire y al mismo tiempo verificar que se reduzca la resistencia del lecho; para esto último se debe sacar 1 ó 2 placas de control de la altura del lecho en el aliviadero. Un aumento de la cantidad de aire de fluidización, disminuyendo la resistencia del lecho significa un revolvimiento del lecho fluidizado, de modo que se mezclen entre sí zonas con turbulencia diferente. De la descarga del horno se ha de tomar una muestra para realizar análisis de malla en la descarga del aliviadero y se compara con las fracciones de malla con valores anteriores de operación normal. Se debe mantener el caudal de aire aumentado y la resistencia de lecho disminuida hasta que se haya alcanzado de nuevo el espectro granulométrico original o normal. Es indispensable comprobar a qué causa se debió la inhomogeneidad Si fue demasiado grande el porcentaje de grumos del concentrado, se ha de colocar en la zaranda vibratoria una malla de 15 mm Si se sospecha engrosamientos de granos por influencia térmica (sinterización superficial), bajar la temperatura del lecho por inyección de agua. En casos extremos hacer estudios para comprobar si se ha de aumentar la superficie de enfriamiento. Temperatura de salida del horno En servicio normal la temperatura a la salida del horno se ajusta entre 930-970 °C, en hornos de más de 250 t/día de capacidad. Directamente no existe una forma de regular la temperatura a la salida del horno. Si se sobrepasa la temperatura antes mencionada, se ha de intentar bajar la temperatura disminuyendo el caudal de aire primario; si esta medida no es suficiente disminuir la carga de concentrado A.1.1. GRANULOMETRÍA DEL LECHO FLUIDIZADO La granulometría del lecho fluidizado se comporta de acuerdo a los siguientes factores: Caudal de aire Temperatura del lecho Granulometría del concentrado tratado Contenido de humedad FUNDENTES USADOS EN LA PREPARACION DE LECHO DE FUSION DE PLOMO BALANCES METALURGICOS 5 A.1.2. RESISTENCIA DE CAMA O ALTURA DEL LECHO La resistencia de cama o altura del lecho es la pérdida de presión del aire primario al atravesar la capa de partículas en tostación y fluidización. Se mide en milibar (mbar). Como presión previa a la caja de viento de distribución del aire primario. En operación normal su valor es aproximadamente de 160 a180 mbar. La descarga del horno se puede comparar con la descarga de una represa, ya que por encima del nivel fijado hay una descarga permanente. Durante el calentamiento del horno se añaden placas de acero termoestable a la descarga para evitar descargar sólidos de la cama, y luego con la alimentación de concentrado y una vez alcanzada la resistencia de cama normal, se retiran las placas adicionales que se pusieron al iniciar el calentamiento y se continúa con la operación normal. Se puede incorporar una descarga por la parte inferior del horno, en la parrilla , la cual se abrirá periódicamente por medio de un dispositivo denominado atizador mecánico, cuyo objetivo es la descarga de los granos gruesos en el nivel de la parrilla, y que no son descartados durante la descarga normal. En algunos casos el funcionamiento de este dispositivo contribuye considerablemente a la estabilidad de la operación. A.2 METALURGIA DEL PLOMO Todo el plomo es producido por fusión reductora, siendo el agente reductor para este proceso el coque metalúrgico. A.2.1 MECANISMOS DEL PROCESO DE CARBONIZACIÓN: Toda la marcha del proceso de producción del coque metalúrgico puede ser dividida en cinco etapas: 1º ETAPA: (ETAPA DE SECADO) • Tiene lugar hasta los 200ºC, durante esta etapa se evapora la mayor parte del agua que contiene la hulla, así mismo se volatilizan algunos gases absorbidos por la hulla tales como CO 2 , CH 4 y otros. 2º ETAPA: (ETAPA DE DESCOMPOSICION) • Tiene lugar entre los 200ºC - 350ºC, durante esta etapa se origina pequeñas cantidades de gases combustibles así como: vapor de agua producto de la descomposición de la hulla y también pequeñas cantidades de alquitranes, al FUNDENTES USADOS EN LA PREPARACION DE LECHO DE FUSION DE PLOMO BALANCES METALURGICOS 6 final de esta etapa la hulla comienza a ablandarse y sobre sus partículas aparece una película de productos de descomposición de líquidos. 3º ETAPA: (ETAPA DE ESTADO PLASTICO) • Se efectúa entre 350ºC - 500ºC, en este periodo se produce una descomposición interna de la hulla originándose muchos productos volátiles de semicoquización, alquitranes y gases; su composición es entre otros casos de hidrocarburos parafínicos y fenoles, paulatinamente los enlaces químicos algunos de ellos se rompen y las partículas duras se dispersan sobre la masa fundida y al final se forma una masa plástica. 4º ETAPA: (ETAPA DE FORMACION DEL SEMICOQUE) • Tiene lugar entre los 500ºC - 600 C, aquí se producen pequeñas cantidades de alquitranes y otros productos volátiles, se verifica la sinterización y formación del semicoque duro. 5º ETAPA: (ETAPA DE FORMACION DEL COQUE METALURGICO) • Tiene lugar entre 600ºC - 1000ºC, en este periodo todavía pequeñas cantidades de alquitranes, hidrocarburos aromáticos e hidrogeno son eliminados y luego termina el proceso de formación del coque. • La posibilidad de obtener buen coque depende en lo fundamental de las propiedades y del comportamiento de la hulla durante la 2da. y 3ra. etapas. Las hullas de mala coquización se caracterizan por un desprendimiento abundante de sustancias volátiles en la 2da. Etapa hasta el paso al estado plástico. • Si la hulla se calienta de 300ºC - 350ºC, la descomposición no llega a ser tan profunda y se puede esperar un coque de buena calidad. CARACTERÍSTICAS DEL COQUE METALÚRGICO: • Un coque metalúrgico para que funcione adecuadamente en los procesos de reducción en altos hornos o de otro tipo debe tener las siguientes características físicas y químicas: FUNDENTES USADOS EN LA PREPARACION DE LECHO DE FUSION DE PLOMO BALANCES METALURGICOS 7 1º Bajo contenido de ceniza (Al2O 3 , SiO 2 , CaO). 2º Tamaño adecuado (mínima cantidad de finos). 3º Alta resistencia a la presión y temperatura. 4º Alta porosidad. 5º Bajo contenido de materia volátil. 6º Alta reactividad y combustibilidad.- La reactividad es la propiedad que tiene el coque al reaccionar con el CO 2 y la combustibilidad se define como el grado que reacciona con el oxigeno del aire, ambos factores son importantes en los altos hornos, sin embargo en los hornos de plomo a temperaturas mayores se ha comprobado que el grado con que el coque reaccione con el CO 2 es un factor importante. A.3 PREPARACION DE CAMAS O LECHOS DE FUSION DE PLOMO • El método que más se emplea para extraer los metales es el proceso de fusión; cuyo objetivo es fundir el mineral por medio de fundentes a temperaturas que superan los 1000C. Se producen una serie de cambios químicos de los compuestos para obtener metal o a veces mata. Los compuestos irreducibles de la carga se unirán para formar la escoria. Es vital que la escoria tenga una composición determinada, de modo que funda y fluya libremente a una temperatura fácilmente obtenible por el horno. Para lograr las buenas características de la escoria, el mineral se mezcla con una cantidad adecuada de fundentes. También es necesario ajustar otras propiedades de la escoria, así como sus temperaturas de fusión y fluidez. • La cantidad de combustible a usarse se basará principalmente en las consideraciones térmicas o requerimientos térmicos. FUNDENTES USADOS EN LA PREPARACION DE LECHO DE FUSION DE PLOMO BALANCES METALURGICOS 8 • Por lo general los cálculos de lechos de fusión se resuelven a partir de la determinación de la composición deseada de la escoria que se expresa mediante una proporción entre sus constituyentes principales, como por ejemplo: SiO 2 : CaO: FeO ó SiO 2 : Al 2 O 3 : CaO. El MnO se puede sumar al FeO El MgO se puede sumar al CaO. • Cuando el horno trabaja regularmente, a menudo se realizan los ajustes de la carga por simple observación. Por ejemplo: si la escoria empieza a ser un poco más básica, simplemente se aumenta un poco la proporción del mineral silicoso o se reduce la proporción del fúndente básico. • Es necesario realizar los cálculos respectivos cuando se va a fundir una mezcla de mineral totalmente nueva. • Los constituyentes son los siguientes materiales: Concentrados Fundentes (sustancias formadoras de escoria) Materiales re circulantes Transferencias Misceláneos • Una factoría de plomo comprende: 1. Planta de preparación de lechos de fusión. Secciones: Secado Trituración Mezclado y dosificación Almacenamiento 2. Planta de sinterización 3. Planta de fundición y moldeo 4. Planta de electro refinación FUNDENTES USADOS EN LA PREPARACION DE LECHO DE FUSION DE PLOMO BALANCES METALURGICOS 9 • ¿Por qué es necesario preparar camas de fusión? • Cuando la producción de la factoría es polimetálica. • Para homogenizar la alimentación a los sinterizadores y adaptarlos a las condiciones de operación. • ¿En qué consiste la preparación de camas de fusión? • Calcular el TOPOFF o proporciones estequiométricas en que los concentrados y fundentes deben ser mezclados con los demás materiales (recirculantes, transferencias, etc.). • Para establecer los cálculos de lechos de fusión es necesario conocer la composición del plomo de obra, escoria y gases. • Algunas plantas hacen uso de métodos empíricos para calcular el peso de los materiales basándose en las relaciones químicas obtenidas por sus propios metalurgistas. B. FUNDENTES DEL PLOMO Los concentrados por sí mismos no pueden formar escoria, por lo tanto es necesario usar fundentes. • Estos materiales durante el proceso de sinterización le proporcionan dureza al aglomerado, alta porosidad, y durante el proceso de fundición actúan como escorificantes, silicosos, calcáreos o ferrosos. MATERIALES A LAS CAMAS CAMAS DE PLOMO Concentrados 66,0 % Minerales 2,0 % FUNDENTES Cal Pacos Sílice Esponja de Fierro 12,0 % 3,0 % 1,0 % 2,0 % Polvo Cottrell Central Tostado 10,0 % Re circulantes y Limpieza 4,0 % FUNDENTES USADOS EN LA PREPARACION DE LECHO DE FUSION DE PLOMO BALANCES METALURGICOS 10 • Estos son compuestos o minerales que deben ser de fácil obtención y bajo costo y en lo posible sé elijaran fundentes que contengan los mismos minerales que se trata de obtener, o en otros casos que contengan metales preciosos. • Estos materiales durante el proceso de sinterización le proporcionan dureza al aglomerado, alta porosidad, y durante el proceso de fundición actúan como escorificantes, silicosos, calcáreos o ferrosos. B.1 TIPOS DE FUNDENTES DEL PLOMO Son de dos tipos: B.1.1. FUNDENTES CALCAREOS CARBONATO DE CALCIO (CaCO3) El carbonato de calcio es la principal fuente de calcio en esmaltes y también un fundente en alta temperatura. Otorga dureza y durabilidad, y en grandes cantidades produce un esmalte mate, puede mejorar el acabado de los objetos en esmalte salino desarrollando un efecto de acabado más grueso. B.1.2 FUNDENTE DE SILICE OXIDO DE SILICIO (Si2O) Es un compuesto de silicio y oxígeno, llamado comúnmente sílice. Es uno de los componentes de la arena. Una de las formas en que aparece naturalmente es el cuarzo. C. RECIRCULANTES Son materiales típicamente finos producidos durante el acarreo del sinter, manipuleo de concentrados, coque y se caracterizan por tener riqueza metálica, e incluyen el sinter fino, las limpiezas y polvos recuperados en los precipitadores electrostáticos. PREPARACION DE LECHOS DE FUSION DE PLOMO CIERRE DE CAMAS • Para llevar efecto esta operación, el metalurgista calculista de L.F. deberá controlar tanto el ciclo de agregado de materiales a las camas como el volumen diario de cada uno de ellos hasta asegurarse que por lo menos el 85 ó 95% del total de los materiales que conforman la cama debe estar sólo en el penúltimo día, siendo el último día sólo para el agregado de materiales correspondiente al TOP OFF. FUNDENTES USADOS EN LA PREPARACION DE LECHO DE FUSION DE PLOMO BALANCES METALURGICOS 11 EL PLOMO CONCENTRADO SINTERIZANDO Y FUNDIDO La fundición es el proceso por el cual el oro en lingotes áspero de delantera está producido de concentrado de delantera. Después de que el mineral haya sido concentrado en un molino cerca de la mina, los concentrados de delantera son enviados para un horno de fundición. Aquí, en caso de galena, el primer paso involucra a quitar el azufre del mineral. Asar en aire causa el azufre para ser convertido a gas de dióxido de azufre. Este proceso asadero convierte el sulfuro de delantera a conducir óxido. Frecuentemente, los procesadores combinan el proceso asadero con el proceso de sinterización. Esto convierte los con precisión dividirán los concentrados en chichones grandes más adecuados para el alto horno, lo cual hace el siguiente trabajo en fundir. La sinterización ocurre en un horno ambulante de la reja conocido como una "máquina de la toba caliza"" Los concentrados de delantera son mixtos con fundentes, reciclaron toba caliza, y polvos del tubo de chimenea y otros materiales reciclados. Después de que la humedad se agrega, la mezcla de bolas y alimentado para la máquina de la tolva caliza. Un baño del pienso es dirigido encima de las rejas, y comenzado a arder con quemadores del gas natural. El pienso adicional está entonces acomodado en parte superior del estrato en llamas, y el aire es soplado a través de las rejas para la raíz de la máquina de la toba caliza. El aire se combina con el sulfuro caliente de delantera en el pienso, produciendo dióxido de delantera de óxido y de azufre. El proceso progresa de la raíz del estrato para la parte superior, fundiendo el pienso en una empresa, material poroso llamada toba caliza. Conversos que sinterizando sulfuros metálicos para óxidos, quitan metales volátiles, y convierten la mayoría de azufres en dióxido de azufre (SO 2 ). La toba caliza del producto es dimensionada para el uso en el alto horno, y las partículas finas de la toba caliza son recicladas para la mezcla del pienso. La sinterización es el primer paso en la producción primaria de plomo. El proceso de fundición hace más pequeño óxidos metálicos para metal en un alto horno. El alto horno de delantera se construye con la forma de un eje vertical. Los lados del alto horno constan de agua chaquetas aceradas enfriadas, mientras la raíz del FUNDENTES USADOS EN LA PREPARACION DE LECHO DE FUSION DE PLOMO BALANCES METALURGICOS 12 horno es un crisol refractario. Los tubos de aire (las llamadas toberas) son instalados en las chaquetas inferiores, dejando el aire ser soplado en el horno. El mineral sinterizado (conduzca óxido) es alimentado (cobrado) para la parte superior del alto horno, adelante con coque, los fundentes, y los materiales reciclados. El pienso gradualmente se hunde abajo del eje mientras el aire pasa desde abajo la columna de la raíz. El aire causa el coque para quemar intensamente, produciendo calor y monóxido de carbono. El monóxido de carbono reacciona con el óxido de delantera en el pienso, produciendo metal de delantera. El calor del coque muy caliente ablanda la delantera y los otros compuestos presentan en el pienso. El protagonista metal (el oro en lingotes) se fluidifica fuera de la raíz del horno, junto con otro presente ablandado de óxidos en los alimentos. Estos óxidos (primordialmente los óxidos de hierro, silicio, calcio, y el cinc) son llamada chatarra, y son mucho menos densos que el plomo derretido. Esta diferencia en la densidad permite al plomo ser separado de la chatarra en un colono, lo cual es instalado adyacente para el alto horno. El oro en lingotes caliente de delantera del horno es un solvente excelente para muchos otros elementos, incluyendo oro, la plata, el cobre, el antimonio, el arsénico, y el azufre. Según que el pienso para el horno, estas impurezas pueden equivaler a vario por ciento del total global. El contenido alto de la impureza a menudo resulta en el ser de oro en lingotes de delantera llamado oro en lingotes “áspero” o “crudo” de delantera. Si el mineral es de suficiente tamaño, la instalación (y el enfriamiento) causará oro en lingotes de delantera para separar en las fases. La delantera áspera en la que el oro en lingotes puede estar separado hasta cuatro estratos líquidos distintos, a merced de la composición de la toba caliza. El oro en lingotes de delantera (94 para delantera de 98 por ciento por peso) coleccionará al pie de la hoguera de la chimenea, con speiss (una mezcla de los arseniuros y antimonios de cobre) por encima del oro en lingotes. Las colectas mates (primordialmente cubra de cobre sulfuro) por encima de los speiss, y los flotadores de la chatarra (consistente en los óxidos que no se redujeron a la condición metálica en el alto horno) por encima del encuadre decorativo. FUNDENTES USADOS EN LA PREPARACION DE LECHO DE FUSION DE PLOMO BALANCES METALURGICOS 13 El encuadre decorativo y speiss se enajenan para los operadores de hornos de fundición de cobre para la recuperación de metal. A merced del contenido de cinc, la chatarra puede enviarse un cinc humeando horno o almacenado. Los hornos de fundición dos Missouri recobran chatarra y oro en lingotes áspero de delantera de los colonos del horno. Ningún horno de fundición maneja un horno humeante para recobrar cinc de chatarra. La chatarra se guarda en el sitio en la condición permitieron áreas de almacenamiento. Ambos de los hornos de fundición Missouri transfieren el oro en lingotes áspero de delantera para calderos de cruce para el más procesamiento. FUNDENTES USADOS EN LA PREPARACION DE LECHO DE FUSION DE PLOMO BALANCES METALURGICOS 14 Conclusiones Los lechos de fluidización se comparan al de un reactor continuo, el flujo de gas es soplado por la parte interna. Aplicar las distintas acciones del tratamiento de lechos fluidizado de los minerales a tratar Evaluación de la velocidad de mínima fluidización del lecho en las diferentes configuraciones ensayadas, mediante el método de la pérdida de carga y el análisis de la desviación típica de las fluctuaciones de presión en el lecho. Se han comparado los resultados con correlaciones teóricas. Todo el plomo es producido por fusión reductora, siendo el agente reductor para este proceso el coque metalúrgico. FUNDENTES USADOS EN LA PREPARACION DE LECHO DE FUSION DE PLOMO BALANCES METALURGICOS 15 Créditos 1. WWW.WIKIPEDIA.COM.PE 2. WWW.BUENASTAREAS.COM.PE 3. WWW.ELMETALURGISTA.COM.PE