tecnología Ausmelt - Universidad Nacional Mayor de San Marcos

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS
FACULTAD DE QUÍMICA E INGENIERIA QUÍMICA
E.A.P. DE INGENIERIA QUÍMICA
Metalurgia del estaño en el Perú via lanza sumergida –
tecnología Ausmelt
Capítulo 3. Fundamento Teórico
TRABAJO MONOGRÁFICO
Para optar el Título de Ingeniero Químico
AUTOR
Roberto Francisco Roca Pinto
LIMA – PERÚ
2005
CAPITULO 3
FUNDAMENTO TEORICO
3.1 Teoría de la Fusión de estaño
En un baño convencional y en operaciones de fundición de suspensión,
tradicionalmente usadas en la fusión de estaño (hornos Reverberos), el
problema principal es la co-reducción del hierro con el estaño. Esto limita el
nivel final del estaño en la escoria la cual puede ser lograda sin reducción
excesiva de hierro. El reciclaje de la aleación estaño / hierro limita la
recuperación de estaño.
El horno Ausmelt puede disminuir substancialmente este problema al controlar
las reacciones de equilibrio y al tomar ventaja de la cinética de las reacciones
de reducción/oxidación.
La fusión del mineral casiterita en procesos convencionales involucra las
reacciones tal como :
SnO2(s) + 2 CO (g) ----- Sn (m) + 2 CO2(2)
Con adiciones de carbón:
C(s) + CO2(g) ---- 2CO(g)
La sílice en el concentrado, permite la producción de escorias de hierrosilicato que contienen óxidos de estaño (SnO) y exhibe temperatura líquida
baja.
Fe (m) + SnO (sl) ---- FeO (sl) + Sn (m)
La presencia del metal de estaño está principalmente provista de la reducción
de óxidos de estaño en el concentrado y del reciclaje de estaño / hierro
(hardhead).
En los sistemas estáticos donde existe equilibrio entre el metal y la escoria el
nivel de hierro en el metal aumenta rápidamente conforme los niveles de
estaño en la escoria se acercan a 1.0%. Por consiguiente, los niveles bajos de
escoria descartable resultan en aumento de hierro en el metal que al final es
reciclado desde la refinería al circuito de Fundición.
3.2 Etapa de Fusión de Concentrado
Una mezcla de concentrados gravimétricos de jig, son fundidos junto con polvo
de reciclaje, espuma de hierro de la refinería, fundentes (caliza, mineral de
hierro) y carbón reductor, a una temperatura de 1150 ºC.
La cantidad de carbón a ser alimentada es calculada para lograr un nivel de
estaño en la escoria de aproximadamente 15 %. El metal es vaciado del horno
a intervalos de una hora o cuando la máxima capacidad de la escoria del
horno se ha alcanzado, luego de fundir unas 4.5 horas se detiene la
alimentación de concentrado antes de continuar con la siguiente etapa del
proceso.
Según los trabajos del laboratorio, se asume que las primeras reacciones que
ocurren en etapa de fusión son :
FeS2 (s) + SnO2 (s)
SnS (sl) + FeO (sl) + SO2(g)
SnO2 (s) + C (s)
SnO (sl) + CO (g)
SnO2 (s) + 2C (s)
Sn (m) + 2 CO2 (g)
Fe2O3 (s) + C (s)
2FeO (sl) + CO (g)
FeO (sl)
+ C (s)
Fe (m) + CO (g)
PbO (sl)
+ C (s)
Pb (m) + CO(g)
As2O3 (s) + 3C(s)
2As (m) + 3 CO(g)
CaCO3 (s)
CaO (sl) + CO2 (g)
Sn (m) + FeO (sl)
SnO (sl) + Fe(m)
En la región de “Post Combustión” en la parte superior del horno se asume que
las reacciones son como sigue:
CO (g) + ½ O2 (g)
CO2 (g)
Sn0 (v) + ½ O2 (g)
SnO2 (sl)
SnS (v) + 2 O2 (sl)
SnO2 (sl) + SO2 (g)
Volátiles del carbón (g) + nO2 (g)
aCO2 (g) + bH2O(g)
Donde n, a y b son dependientes del tipo de carbón.
El metal producido en esta etapa de fundición contendrá menos del 1% de
hierro y es adecuado como alimentación directa al circuito de piro refinación
convencional de estaño.
COMBUSTIBLE
Y AIRE
POLVOS
CONCENTRADO
CARBON Y FUNDENTES
CORTE
ESQUEMATICO
CON LA LANZA
DEL HORNO
AUSMELT
SUMERGIDA
ZONA POST COMBUSTION
ESCORIA SOLIDA
PROTEJE LANZA
ZONA DE FUSION
Y REDUCCION
ORIFICIO
SANGRADO
DE ESCORIA
ORIFICIO DE
COLADA DE METAL
ZONA DE SEDIMENTACION
ZONA DE COMBUSTION
Y OXIDACION
3.3 Etapa de Primera Reducción
Al término de cada etapa de fusión, el baño de escoria es reducido con
carbón en trozos por 40 minutos para bajar el nivel de estaño en la escoria a
aproximadamente entre 4 y 3 %.
Esta reducción es realizada con la lanza en posición alta pero aún sumergida
en el baño de escoria. La posición de la lanza alta minimiza el mezclar los
baños de metal y escoria, y por consiguiente los previene de alcanzar el
equilibrio. Esto resulta en un menor nivel de hierro en el metal de estaño del
esperado en los cálculos en condiciones de equilibrio.
El metal producido en esta etapa, cuando es diluido con el metal remanente
de la etapa de fusión de concentrado (metal que se encuentra en el reactor),
producirá una aleación conteniendo no más de 2 % de hierro.
El metal es vaciado del horno y combinado con el metal de la etapa de
fundición como alimentación para la refinería. El contenido promedio de hierro
en el metal de estaño crudo de alimentación a la refinería es de 1 %.
Durante el curso de la primera reducción, la temperatura de la escoria se eleva
a 1100 ºC. Todos los polvos generados son apilados para su reciclaje en los
siguientes ciclos de fundición de concentrados.
Las reacciones que se asumen tienen lugar en la etapa de la primera reducción
son :
Sn0 (sl) + C (s)
Sn (m) + CO (g)
FeO (sl) + C(s)
Fe(m) + CO (g)
Sn (m) + FeO (sl)
Sn0(sl) + Fe (m)
Las reacciones de luego de quemado son las mismas que en la etapa de
fusión.
3.4 Etapa de Segunda Reducción (2da.)
Luego del vaciado del metal producido en la primera reducción, se
continúa con la siguiente etapa de reducción. Se prosigue con la alimentación
de carbón reductor y el nivel de estaño en la escoria se reduce en a menos de
1 % a la media hora de la segunda reducción. Durante esta etapa la
temperatura se eleva a 1250 ºC.
Al término de esta etapa , se detiene la alimentación del carbón y la lanza es
levantada por encima del baño. La escoria es vaciada por un período de 40
minutos como máximo que incluye 20 minutos para la separación de la escoria/
metal o sedimentación y la preparación del horno para el siguiente lote o batch
de fundición de concentrado.
Se deja una cama de 600 mm. en el horno para que actúe como un baño de
arranque del siguiente batch de fundición de concentrado. La aleación de
estaño / hierro producida durante esta etapa, es dejada dentro del horno donde
su contenido de hierro será bajado por la reacción con la escoria oxidada
producida en la siguiente etapa de fusión.
El promedio de carbón reductor, puede ser disminuido en la primera hora, de
la fundición del concentrado, del siguiente batch ya que el hierro en el metal
remanente actuará como reductor.
Las reacciones que se asumen en esta etapa son las mismas de la etapa de la
primera reducción.
DIAGRAMA DE BLOQUES DEL PROCESO DE FUSIÓN DE
ESTAÑO
RECIRCULANTES
DE REFINERIA
CONCENTRADO
AGENTE REDUCTOR
FUNDENTES
POLVOS
(7$3$'(
)86,21
(7$3$'(D
5('8&&,21
(7$3$'(D
5('8&&,21
ESTAÑO CRUDO
ESTAÑO CRUDO
ESCORIA DE
DESCARTE
5(),1$&,21'(
0(7$/&58'2
ESTAÑO REFINADO
99.95 %
3.5 Influencia del Tamaño del Carbón Reductor
Se ha encontrado promedios de reducción más rápidos y eficientes con carbón
en trozos medianos, que con el carbón en trozos pequeños.
La efectividad del carbón en trozos sugiere que la reacción en el sitio está en la
zona de los límites de la interfase sólido - escoria. El carbón en trozos muy
gruesos ( mayor a 50 mm) ha demostrado ofrecer una área específica muy
pequeña para reacción. Los promedios de reducción son bajos y el carbón que
no reacciona tiende a quedarse en el horno flotando generalmente en la
superficie de la escoria lo cual afecta la operación. El carbón más fino que 5
mm. o es succionado por la salida de los gases o no es capaz de penetrar lo
suficiente en el baño de escoria y se ha encontrado que tal carbón tiene una
eficiencia de reducción limitada.
El carbón de tamaño entre 5 y 15 mm. parece ser del tamaño óptimo para las
reacciones de reducción.
El carbón en trozos del tamaño correcto tiende a permanecer en la superficie
de la escoria, proporcionando una región de reacción significante donde la
escoria es mezclada y puede re-arrastrar el carbón en el baño. Este sistema de
reducción de la superficie, asegura que el baño menos próximo a la lanza sea
bien reducido, y debido al intenso mezclado del baño, el potencial de oxígeno
del baño total es bajo.
3.6 Ignición del combustible
El Sistema Ausmelt usa mezclas suaves de combustible / aire estiquiométrico
reductor inyectado dentro del baño por la lanza para provocar las condiciones
de combustión óptimas durante las tres etapas del proceso. El fuego de
combustión está disponible directamente al proceso y la eficiencia de
combustión es alta. La flama sale por la boquilla de la lanza sumergida e irradia
calor directamente al baño de escoria. Esto proporciona una transferencia de
calor muy eficiente.
La ignición del combustible y el aire inyectado en el baño ocurre en la boquilla
de la lanza.
La reacción es del tipo :
Combustible + n O2 (g)
a CO2 (g) + b H2O(g)
Donde n, a y b son funciones del análisis del combustible, lo que produce el
calor requerido para :
¾ Mantener las temperaturas de operación.
¾ Reemplazar el calor perdido por el horno.
¾ Proporcionar calor para las reacciones.
Antes de la ignición se asume que ocurre la siguiente reacción, con el O2 del
aire enriquecido:
2 FeO (sl) + ½ O2 (g)
2FeO (sl)
Este fenómeno se conoce como la interacción de la lanza / aire. Esto sugiere
alguna pérdida de eficiencia del combustible. Sin embargo, su efecto en la
eficiencia de combustión es visto como muy bajo en operaciones normales.
La mayor cantidad de óxido de hierro disuelto en la escoria (óxido férrico), es
reducido de vuelta a óxido ferroso, cuando tal porción de la escoria, es
mezclada dentro de la zona de reducción. La formación de óxido férrico es
controlada de esta manera.