Secado en la Fundición

En la fundición, es fundamental extraer la humedad del concentrado. De no ser así, el agua contenida se evapora instantáneamente al inyectarse en el reactor, generando explosiones y disminuyendo la eficiencia energética del proceso de fusión. Se obtiene un ahorro de energía considerable al extraer el agua a 100 °C, en lugar de calentarla a la temperatura de salida de gases de los equipos de fusión-conversión (1200-1250 °C).

Tipos de Secadores

• Rotatorio
• Lecho fluidizado
• Indirecto (tubos de vapor)

Operaciones de Secado

Las operaciones de secado buscan eliminar el agua de una solución. Esto se puede lograr mediante:

• Ebullición en ausencia de aire
• Adsorción por un sólido
• Reducción del contenido de líquido en un sólido mediante evaporación en presencia de un gas

Estas operaciones pueden ser por lotes o continuas, según la sustancia que se seca.

Clasificación de los Secadores

Los secadores se clasifican según:

• El método de transmisión de calor:
  • Secadores directos (o por convección): La transferencia de calor se realiza por contacto directo entre los sólidos húmedos y los gases calientes. El líquido vaporizado se arrastra con el medio de desecación.
  • Secadores indirectos (o por conducción o de contacto): El calor se transfiere al sólido húmedo a través de una pared. El líquido vaporizado se separa independientemente del medio de calentamiento. La velocidad de secado depende del contacto entre el material mojado y las superficies calientes.
  • Secadores diversos
• Las características y propiedades físicas del material:
  • Discontinuos o por lote
  • Continuos
  • Para sólidos granulares o rígidos y pastas semisólidas
  • Para alimentaciones líquidas o suspensiones

La primera clasificación revela las diferencias en diseño y funcionamiento, mientras que la segunda ayuda a seleccionar el tipo de secador adecuado para un problema específico.

Secador Rotatorio

Los secadores rotatorios se calientan por:

• Contacto directo de aire o gases calientes con el sólido.
• Gases calientes que circulan a través de un encamisado que recubre la carcasa.
• Vapores que condensan en tubos longitudinales montados en la superficie interna de la carcasa (secador rotatorio de tubos de vapor).

Son apropiados para el secado continuo de minerales en polvo en plantas de chancado, concentración y fundición flash. Se dividen en dos tipos según la dirección de la corriente del material y de los gases:

• Co-corriente
• Contra-corriente

La elección depende de las propiedades del material:

• Grado de secado
• Calor específico
• Capacidad de evaporación de humedad
• Inflamabilidad
• Propiedades de sinterización

Tipos de Combustión

Existen dos tipos de combustión:

• Completa: Todo el combustible reacciona con el oxígeno, produciendo CO₂, H₂O, O₂ y N₂ sin residuos.
• Incompleta: Parte del combustible no reacciona completamente, generando productos como C, H y CO, además de hidrocarburos no quemados. Las razones principales son: dificultad para una premezcla homogénea, tiempo de residencia insuficiente, enfriamiento de productos, volumen de aire insuficiente, o una combinación de estas.

A mayor exceso de aire, menor probabilidad de combustión incompleta, pero también menor temperatura de reacción y eficiencia térmica. Se debe usar el mínimo exceso de aire para quemar todo el combustible.

Aire Estequiométrico o Teórico

Es la cantidad de aire necesaria y suficiente para la combustión completa de una unidad de combustible. Una mezcla estequiométrica contiene una unidad de combustible y un volumen de aire teórico.

Exceso de Aire

En la práctica, se usa más aire que el estequiométrico para asegurar una combustión lo más completa posible, ya que es difícil lograr una mezcla perfecta entre combustible y comburente.

Objetivo del Proceso de Fundición

• Obtener cobre metálico a partir del concentrado.
• Separar el cobre del hierro, azufre y ganga.
• Asegurar la calidad del producto final para procesos posteriores (refinación) o su uso directo.

Características Principales del Proceso Pirometalúrgico

• Se realiza a altas temperaturas (1150-1300 °C) en hornos específicos.
• Los materiales en proceso están fundidos (líquidos a altas temperaturas).
• Requiere insumos específicos: combustibles, aire comprimido, oxígeno industrial, electricidad y fundentes (cuarzo, carbonatos de calcio y sodio, etc.).
• Altas tasas de reacción a alta temperatura.
• Los sulfuros metálicos pueden usarse como combustible.
• Flujos con altas concentraciones de metal.
• Metales fundidos inmiscibles con las escorias fundidas.
• Metales preciosos solubles en el metal fundido.
• Genera subproductos gaseosos.
• Escorias metalúrgicas estables en el ambiente natural.

Objetivos Básicos en el Proceso Pirometalúrgico

• Eliminar el agua del concentrado (secado si es necesario).
• Incrementar la ley o pureza (contenido de cobre) mediante etapas de:
  • Fusión: Transformación de sólido a líquido con separación de sulfuros metálicos y ganga.
  • Conversión: Separación del hierro y azufre del cobre.
  • Refinación a fuego: Disminución de impurezas (arsénico, oxígeno, azufre, antimonio, selenio, teluro, etc.).

Reacciones Asociadas a la Fusión

Reacciones Primarias (formación de eje y escoria)

• Descomposición de la Calcopirita: 2CuFeS₂ = Cu₂S + 2FeS + 1/2 S₂
• Oxidación del Azufre Pirítico: S + O₂ = SO₂

Reacciones Secundarias o Laterales

• Descomposición de la Covelina: 2CuS = Cu₂S + 1/2 S₂
• Descomposición de la Pirita: FeS₂ = FeS + 1/2 S₂
• Descomposición de la Bornita: 2Cu₅FeS₄ = 5Cu₂S + 2FeS + 1/2 S₂
• Descomposición de la Enargita: 2Cu₃AsS₄ = As₂S₃ + 3Cu₂S + S₂

Contenido Real del Eje de Cobre

El eje, aunque simplificado como FeS y Cu₂S, es más complejo. Puede contener Fe como Fe₃O₄ o ferrita (CuO, Fe₂O₃), zinc, níquel (ZnS, NiS), impurezas (As, Sb, Bi, Pb) y pequeñas cantidades de SiO₂, CaO₂ y otras. Es un excelente solvente para oro y plata (Au y Ag).

Cantidad de Eje Producido

Depende del tipo de horno y del contenido de azufre en la carga. El cobre se combina primero con el azufre (Cu₂S), y el azufre restante se combina con el hierro (FeS).

Formación de Mata

Al fundir el concentrado con azufre, se forma una solución con FeS, Cu₂S, otros sulfuros (Ni₃S₂, PbS, ZnS, Co₃S₂), oxígeno (hasta 3%), metales preciosos, As, Sb, Se y Te.

Escoria

La escoria, subproducto de la fundición, es una mezcla de óxidos metálicos, sulfuros y metal elemental. Tiene usos comerciales y se reprocesa para separar metales.

Formación de Escoria

Se forma por la mezcla fundida de minerales de ganga y fundente. Las etapas de formación son:

1. Descomposición del sulfuro doble de cobre y hierro: 2 CuFeS₂ → Cu₂S + FeS + S
2. Reducción del óxido férrico a ferroso: 3Fe₂O₃ + FeS → 7FeO + 4SO₂
3. Formación de escoria: 2FeO + SiO₂ → 2FeO*SiO₂

Tipos de Escorias en la Pirometalurgia del Cobre

1. Fayalíticas
2. Calcio Ferríticas
3. Olivinas
4. De refinación

Parámetros de Control Químico de Escorias

• Acidez y basicidad
• Viscosidad
• Densidad
• Conductividad térmica
• Conductividad eléctrica
• Difusividad
• Tensión superficial

Acidez y Basicidad

Las escorias líquidas son iónicas (Ca⁺², Fe⁺², Fe⁺³, Mg⁺² y O^2-, SiO₄^4-). Se clasifican en:

• Ácidas: Complejos aniónicos largos y alta viscosidad.
• Básicas: Estructura simple y fluidas.
• Neutras

La clasificación depende del contenido de sílice y otros constituyentes.

Viscosidad

Una baja viscosidad facilita el manejo de la escoria. La viscosidad se ve afectada por la temperatura (disminuye al aumentar la temperatura), la presión (poco significativa) y la composición. En escorias fayalíticas, la influencia de la temperatura es mayor con altas concentraciones de sílice. La magnetita aumenta la viscosidad. Alta viscosidad en escorias ricas en sílice se debe a grandes aniones silicatados, que se rompen con óxidos metálicos.

Densidad

La densidad permite la separación de fases por estratificación. En escorias ferrosilicatadas, la densidad disminuye al aumentar el contenido de sílice, al disminuir la temperatura y al aumentar el nivel de óxidos básicos.

Formación de Magnetita en Escorias

La magnetita causa problemas en la fusión y conversión (pisos falsos, capas intermedias, pérdidas de cobre). El contenido de sílice influye en la formación de magnetita. Un exceso de sílice aumenta la viscosidad, mientras que poca sílice genera alta magnetita, causando alta viscosidad y dificultades en el sangrado.

Escorias Calcio Ferríticas

Usan CaO como fundente, disuelven la magnetita formando ferritas de calcio, tienen altos contenidos de Cu₂O, son básicas (buena eliminación de As y Sb), pero corrosivas para el refractario. Ejemplos: proceso Kennecott Autokumpu y Mitsubishi. La disolución de Cu₂O disminuye la viscosidad. Añadiendo sílice (2-3%) se forma silicato dicálcico, que protege el refractario. La oxidación del FeS forma magnetita: 3FeS + 5O₂ = Fe₃O₄ + 3SO₂. La razón Fe/CaO controla la composición de la escoria en el convertidor Mitsubishi para evitar la precipitación de magnetita. La contaminación con SiO₂ afecta la razón Fe/CaO.

Diagrama de Sistemas FeO-Fe₂O₃-SiO₂ (Escorias Fayalíticas) y FeO-Fe₂O₃-CaO (Escorias Ferríticas)

La magnetita es más soluble en escorias ferríticas. Sin embargo, las escorias ferríticas presentan inconvenientes: altas pérdidas de Cu (13-15% vs. 4-8% en fayalíticas) y mayor desgaste de refractarios.

Escorias Olivinas (CaO-SiO₂-FeO_X)

• Alta distribución de As en la escoria.
• Buena solubilización de magnetita.
• Fluidez entre 1200-1300 °C.
• Corrosión moderada del refractario.

Composición óptima: 13% <= CaO <= 15%, 13% <= SiO₂ <= 15%, 10% FeO, 43% Fe₂O₃ (razón SiO₂/CaO = 1). Menor viscosidad que las fayalíticas y atrapan contaminantes como As y Sb.

Gases de Fundición

Los gases (SO₂) se utilizan en calderas para generar energía eléctrica y en plantas de ácido sulfúrico.

Tendencias en la Modernización de Fundiciones

• Minimización del número de equipos y diseño de equipos de alta productividad.
• Uso de procesos continuos y desarrollo de etapas de fusión-conversión conjuntas.
• Uso creciente de oxígeno industrial (95% pureza) para acelerar reacciones, aumentar la productividad, reducir la dependencia de combustibles y producir gases con alta concentración de SO₂ para su tratamiento.
• Fusión de concentrados con mínima humedad (0.3% H₂O) para incrementar la productividad.

Variantes en el Proceso de Fusión de Concentrados

• Fusión tradicional en horno reverbero: Fusión a 1250 °C por combustión de petróleo. Transformación sólido-líquido en la superficie.
• Fusión por digestión en baño fundido («bath smelting»): Fusión a 1250 °C al entrar las partículas en contacto con el baño fundido. Las partículas se funden y reaccionan con el oxígeno.
• Fusión espontánea en horno flash («flash smelting»): Fusión a 1250 °C por calor de reacciones químicas (Fe y S del concentrado con O₂) y secundariamente por combustibles. Las partículas se funden al contacto con oxígeno industrial a alta temperatura.

Fusión Flash (Flash Outokumpu e Inco)

Objetivos: acelerar reacciones de fusión (sólido-gas) y mejorar la transferencia de calor. Se basa en suspender y fundir el concentrado seco en un flujo vertical u horizontal de aire enriquecido o oxígeno. Ocurren reacciones de fusión y conversión.

Ventajas de la Fusión Flash

• Bajo consumo de combustible (puede ser autógena).
• Alta capacidad de producción.
• Alta concentración de SO₂ en los gases.
• Ejes de alto grado (Ley en Cobre).

Desventajas de la Fusión Flash

• No permite la limpieza o recirculación de escorias.
• Altas pérdidas de cobre en la escoria en algunos casos.

Comportamiento Térmico y Químico

Oxidación parcial controlada de los concentrados y gran desprendimiento de calor.

Requerimientos de la Carga

Carga completamente seca para un flujo regular y uso eficiente del combustible.

Proceso Flash Outokumpu

• Flujo vertical.
• Aire enriquecido o precalentado (O₂ > 40% lo hace autógeno).
• Reacciones más lentas que en el Inco.
• 2-3% de cobre en la escoria.

Torre de Reacción (Reaction Shaft)

Cilindro de acero revestido con refractario, montado horizontalmente. Quemador de concentrado y de combustión en la parte superior. Enfriamiento por spray de agua y chaquetas en la parte inferior.

Quemador

Mezcla material de alimentación, polvo de combustión y aire enriquecido con oxígeno. Guía la suspensión dentro de la torre de reacción. Datos del proceso: flujo de material 100-130 T/h, flujo de aire 35000 m³/h, flujo de oxígeno 15000 m³/h, temperatura 25 °C, enriquecimiento 40-60%.

Ventiladores

Soplan aire ambiente y lo mezclan con oxígeno industrial. Capacidad: 30000 m³/h.

Cámara de Separación (Settler)

Carcasa de acero rectangular con refractario de cromo-magnesita. Aperturas para alimentar el horno con material para reducir la magnetita. Once orificios de colado (cinco para eje y seis para escoria). Canal de eje de acero y canales de escoria de cobre fundido.

Torre Up-take

Estructura de acero revestida con ladrillos, montada verticalmente sobre el horno. Conduce los gases (1300 °C) a la caldera recuperadora de calor.

Ventajas de la Fusión Flash

• Bajo consumo de combustible (puede ser autógena).
• Alta capacidad de producción.
• Alta concentración de SO₂ en los gases.
• Ejes de alto grado.

Desventajas de la Fusión Flash

• Aumento de costos por secado del concentrado y planta de oxígeno.
• No permite la limpieza de escoria de convertidores.

Proceso Flash Outokumpu

• Reducción continua de Fe₃O₄ a FeO.
• Eje de ley controlable y escoria con Fe₃O₄.
• Sangrado de escoria más continuo que el eje.

Flash Inco

• Flujo horizontal.
• Oxígeno puro.
• Ignición a 1450-1550 °C.
• Autógeno.
• Concentrado frío y oxígeno a 25 °C.
• No hay problemas con magnetita.
• Equilibrio escoria/eje rápido.
• Pérdidas aceptables de cobre en la escoria.
• Ley de eje 55-60%.
• Menor volumen de gases que el Outokumpu (60-75% SO₂).
• Menores pérdidas de polvos (2%) y cobre en la escoria (1-2%).
• Baja variación concentrado/oxígeno.
• Bajo potencial de oxígeno.
• Equilibrio escoria/eje rápido (incluso reciclando escoria).