manual de practicas pirometalurgia
TRANSCRIPT
MANUAL DE PRACTICAS PIROMETALURGIA
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO
FACULTAD DE QUÍMICA
LABORATORIO DE PIROMETALURGIA
PROFESOR: RODRIGUEZ REYES LEOPOLDO
PRACTICA 1.- Estudio cinético de la tostación de mineral de pirita o galena
La transformación de minerales de Hierro en este caso: Pirita (FeS2), en atmosferas donde ocurren reacciones de tipo oxidantes, como por ejemplo; Aire, son llevadas a cabo tomando en cuenta las siguientes condiciones de trabajo: temperatura de trabajo, concentración de oxígeno en la atmosfera, tipos de partículas (forma, tamaño…) y el tipo de reactor, por mencionar solo algunas. El rango de Temperaturas en las cuales ocurren estas reacciones con mayor facilidad son: entre 4500C y los 6000C. Lo anterior se reproduce mas óptimamente a concentraciones de oxígeno elevadas, dando lugar a las dos transformaciones de interés en este trabajo; Hematita (Fe2O3) y Magnetita (Fe3O4). Aunque cada una de estas transformaciones posee dos características importantes; a) La Hematita se produce a temperaturas y concentraciones de oxígeno elevadas y b) La Magnetita se produce a temperaturas bajas y concentraciones de oxígeno elevadas. Sin olvidar que el tiempo juega un papel importante en cada una de estas transformaciones.
En este trabajo se buscara obtener condiciones optimas de temperatura y tiempo para obtener la mayor eficiencia en la obtención de Hematita (Fe2O3) y Magnetita (Fe3O4), a través de la tostación de Pirita (FeS2), por medio de un reactor de lecho fijo con masa y flujo de aire constante. Además se podra determinar la cinética de la reacción mediante la fracción reaccionada en función del tiempo. El análisis realizado para verificar la formación de los diferentes óxidos fue con el microscopio electrónico de barrido.
Introducción
La tostación de la pirita consiste en calentar el material en presencia de un flujo de aire convirtiendo el Azufre (S) en gas, (SO2) y oxidando el metal, por ejemplo a (FeO, Fe2O3, Fe3O4). Posteriormente este óxido se reduce con carbón dando como resultado la obtención del metal. En ocasiones es necesario realizar operaciones preliminares para llevar el material a un estado químico en el cual sea más fácil su reducción, como convertir los carbonatos y sulfuros a óxidos. Desde el punto de vista químico, en la tostación pueden ocurrir reacciones tales como la oxidación, la reducción o magnetización (reducción controlada) y la sulfatación o cloración. En este caso las reacciones a tratar son de combustión, por lo tanto es una reacción exotérmica, por lo que
para la tostación de la Pirita, la reacción global es:2 FeS2 + 11/2 O2 = Fe2O3 + 4SO2
Sin embargo, también es posible producir magnetita (mezcla equimolar de FeO y Fe sO3) en lugar Hematita:3 FeS2 + 8 O2 = Fe3O4 + 6 SO2
Cinética de reacciónConsiderando las partículas de sulfuro metálico como sólidos densos, se estudian las variables que intervienen en la tostación oxidante o sulfatante de los sulfuros metálicos usando el modelo del “Núcleo sin reaccionar”. El cual menciona a groso modo lo siguiente; 1) Transporte de “G” desde el seno del fluido hasta loa intercara sólido-fluido, donde: “A” es el aire y el sólido es la partícula de Pirita. 2) Transporte de “G” a través de la capa de producto (oxido que se empieza a formar) desde la intercara del sólido-fluido hasta el plano de reacción (situado entre la partícula y la capa de producto). 3) Transporte del producto a través de la capa de producto desde el plano de reacción hasta la intercara partícula-gas (aire). 4) Transporte del producto a desde la intercara sólido-fluido hasta el seno del fluido.En el caso de una partícula que rodea un sólido con forma esférica (sulfuro metálico o pellet siderúrgico) de superficie “A”, a través del cual el gas se difunde, el flujo es conservativo (constante), y que para un tiempo determinado del proceso la velocidad de transporte difusional puede expresarse de la siguiente manera:
Donde: vd es la velocidad de transporte difusional, r es el radio de la partícula considerada esférica, D es el coeficiente de difusión del gas reactivo O2 (ya que el Hidrógeno se considera que está estancado, pues no participa en la reacción), y C es la concentración del gas reactivo.
Procedimiento experimental
1. Se cortaran cubos de Pirita aproximadamente de 5 - 7mm por cada lado. 2. El equipo con el que se trabajo fue un reactor de lecho fijo, integrado por un horno
horizontal, un termopar y un termómetro. Así mismo se utilizo una celda de combustión la cual consiste en dos compartimentos uno en cada extremo.
3. El horno se calentara a tres distintas temperaturas; 350, 400 y 500 °C, para realizar la tostación del mineral.
4. Mantener las condiciones anteriores por tiempos de 30, 60 y 120 minutos, para cada temperatura.
5. Después de realizar la tostación de la Pirita, el material que quede en la celda de combustión es retirado y posteriormente montado en resina o baquelita para ser observado, medido y fotografiado en el microscopio. Las partículas más pequeñas son
colectadas para posteriormente ser analizadas en el microscopio electrónico de barrido y así determinar las cantidades de Hematita y Magnetita formadas.
Imagen 1. Tostación de Pirita a 4000C
Imagen 2. Tostación de pirita a 550 0C
Imagen 3. Tostación de pirita a 600 0C
Planteamiento del modelo.Los porcentajes de Hematita fueron convertidos en fracción, para después graficarlos de la forma: 1-(1-x) 0.5 en función del tiempo con el propósito de obtener la constante de velocidad de reacción (k) a una determinada temperatura.La pendiente de cada gráfica es la constante de velocidad de reacción para su respectiva temperatura.
Bibliografía
1. A. Ballester, L. F. Verdeja, J. Sancho. ” Metalurgia extractiva (fundamentos)”, Volumen I, Síntesis, España. pp.: 180-189, 227-240
2. T. Rosenqvist. Fundamentos de Metalurgia Extractiva. Editorial Limusa, México, 1987.
Dr. Gaskell. Introduction to Metallurgical Thermodynamics Mc Graw-Hill Ed., 1981 TN673637
PRACTICA 2.- OBTENCION DE HIERRO POR ALUMINOTERMIA.
La práctica de la aluminotermia tiene el propósito de determinar el tipo de reacción,
exotérmica o endotérmica de la reacción de oxidación del aluminio en presencia del óxido
de hierro. Así como anticipar su espontaneidad ante otro óxido.
Introducción
La acción reductora del Aluminio sobre los óxidos de otros metales se debe a que el calor de formación del Óxido de Aluminio es mucho mayor que el de la mayoría de los demás óxidos metálicos, referidos a la misma cantidad de oxígeno. A este proceso se le denomina Aluminotermia y basta con vencer la barrera energética de la energía de activación para que se desarrolle por sí sola; además, es aplicable para la obtención de numerosos metales a partir de sus óxidos. Todos ellos deben tener un calor de formación menor que el del Óxido de Aluminio.
4 Al (aluminio)+ 3 02 (oxígeno) 2 Al 2 O3 (óxido de aluminio).
El ΔH = - 393.6 kilocalorías. Esta gran cantidad de calor desprendida produce una elevación de la temperatura cerca de 3000º C, ya que ninguno de los productos de la reacción es gaseoso. A temperatura tan elevada no solo se funde el metal que se forma y que por su mayor densidad se reúne en el fondo, sino que también es capaz de fundir el óxido de aluminio formado y que se reúne en la superficie del metal, por su menor densidad, constituyendo una capa protectora. A la mezcla del óxido metálico con el aluminio se le da el nombre de termita. Estas termitas solo reaccionan cuando un punto de la mezcla se calienta a una temperatura elevada mediante un cebo o fulminante. Una vez iniciada la reacción en un punto, el calor desprendido es suficiente para propagar la reacción a toda la masa de la termita. La ventaja de este procedimiento, a pesar de ser caro por el empleo del Aluminio, estriba en que los metales resultantes quedan totalmente exentos de carbón, y es sabido que pequeñas cantidades de carbón en los metales o sus aleaciones les hacen perder sus mejores cualidades.
Material
MATERIAL
Placa de acero. Carga para soldadura (óxido de hierro, aluminio, fundente). Alambre de magnesio. Tanque de propileno. Crisol. Encendedor. Equipo de seguridad (careta, guantes y pinzas).
Desarrollo
Preparar la mezcla de aluminio en polvo con el mineral a reducir.
Precalentar el crisol por unos 15 minutos aproximadamente: Utilizando el soplete,
calentar el crisol procurando que la flama toque varios lados del crisol.
Colocar con cuidado la carga de hierro dentro del crisol, de modo que al ponerla, no se
caiga la mezcla aluminio-oxido.
Calentar la carga. Colocar un pedazo de cinta de magnesio en la mezcla.
Prender el magnesio con el soplete.
En el mismo momento que el magnesio encendido toque la mezcla, se fomenta que la
carga alcance la temperatura necesaria para iniciarse la aluminotermia.
Los resultados del experimento serán analizados por medio de microscopía electrónica (de
preferencia) y/o convencional para una metalografía del hierro resultante.
IESQUEMA DE MONTAJE DEL EXPERMIENTO .
PRACTICA 3.- Microscopio electrónico de barrido (MEB)
OBJETIVO
Conocer los fundamentos teóricos del funcionamiento de un microscopio electrónico de barrido,
así como los principios elementales en el manejo del mismo.
INTRODUCCION
En el microscopio electrónico de barrido (MEB) se hace incidir un delgado haz de electrones
acelerados, con energías desde unos cientos de eV hasta unas decenas de keV (50 KeV), sobre una
muestra gruesa, opaca a los electrones. Este haz se focaliza sobre la superficie de la muestra de
forma que realiza un barrido de la misma siguiendo una trayectoria de líneas paralelas.
FIG 1- MEB
De todas las formas de radiación resultantes de la interacción del haz incidente y la muestra hay dos realmente fundamentales en el microscopio de barrido: los electrones secundarios y los electrones retrodispersados. Los primeros son electrones de baja energía (decenas de eV) que
resultan de la emisión por parte de los átomos constituyentes de la muestra (los más cercanos a la superficie) debido a la colisión con el haz incidente. Los electrones retrodispersados,sin embargo, son electrones del haz incidente que han interaccionado (colisionado) con los átomos de la muestra y han sido reflejados. La intensidad de ambas emisiones varía en función del ángulo que forma el haz incidente con la superficie del material, es decir depende de la topografía de la muestra.
La señal emitida por los electrones y radiación resultantes del impacto se recoge mediante un detector y se amplifica para cada posición de la sonda. Las variaciones en la intensidad de la señal que se producen conforme la sonda barre la superficie de la muestra, se utilizan para variar la intensidad de la señal en un tubo de rayos catódicos que se desplaza en sincronía con la sonda. De esta forma existe una relación directa entre la posición del haz de electrones y la fluorescencia producida en el tubo de rayos catódicos. El resultado es una imagen topográfica muy ampliada de la muestra.
La señal emitida por los electrones y radiación resultantes del impacto se recoge mediante un detector y se amplifica para cada posición de la sonda. Las variaciones en la intensidad de la señal que se producen conforme la sonda barre la superficie de la muestra, se utilizan para variar la intensidad de la señal en un tubo de rayos catódicos que se desplaza en sincronía con la sonda. De esta forma existe una relación directa entre la posición del haz de electrones y la fluorescencia producida en el tubo de rayos catódicos. El resultado es una imagen topográfica muy ampliada de la muestra.
El aumento de la imagen producido por el microscopio de barrido resulta de la relación entre las dimensiones de la imagen final y el área de la muestra que ha sido barrida. Así, por ejemplo, si la sonda barre un área de 1 mm2 de la muestra y la imagen en la pantalla es de 100 mm2, ésta ha sido ampliada 100 veces. Este microscopio tiene un rango de aumentos que varía desde ´10 hasta ´200.000 con una distancia focal de 35 mm. El poder de resolución del microscopio es determinado directamente por el área mínima que la sonda es capaz de escanear. El menor diámetro de la sonda con un número mínimo de electrones.
Si la muestra no es buena conductora se acostumbra a recubrirla con una película conductora metálica o de carbono para evitar que ésta se cargue cuando sea irradiada.
De todas las formas de radiación resultantes de la interacción del haz incidente y la muestra hay
dos realmente fundamentales en el microscopio de barrido: los electrones secundarios y los
electrones retrodispersados. Los primeros son electrones de baja energía (decenas de eV) que
resultan de la emisión por parte de los átomos constituyentes de la muestra (los más cercanos a la
superficie) debido a la colisión con el haz incidente. Los electrones retrodispersados sin embargo,
son electrones del haz incidente que han interacccionado (colisionado) con los átomos de la
muestra y han sido reflejados. La intensidad de ambas emisiones varía en función del ángulo que
forma el haz incidente con la superficie del material, es decir depende de la topografía de la
muestra.
La señal emitida por los electrones y radiación resultantes del impacto se recoge mediante un
detector y se amplifica para cada posición de la sonda. Las variaciones en la intensidad de la señal
que se producen conforme la sonda barre la superficie de la muestra, se utilizan para variar la
intensidad de la señal en un tubo de rayos catódicos que se desplaza en sincronía con la sonda. De
esta forma existe una relación directa entre la posición del haz de electrones y la fluorescencia
producida en el tubo de rayos catódicos. El resultado es una imagen topográfica muy ampliada de
la muestra.
Imágenes a observar en el microscopio electrónico de barrido
En el laboratorio de microscopia se fundamentara el funcionamiento básico de un MEB, se
establecieron los principios básicos de manejo y posibles aplicaciones del mismo, como por
ejemplo, la determinación de microestructuras en distintos tipos de aleaciones metálicas, o en la
toma de microfotografias de entidades orgánicas, previo tratamiento de modificación de la
superficie para hacerla conductora. Se permitirá el manejo básico del microscopio para poder
hacer un enfoque correcto de la muestra que se esta analizando. Se observaran varios tipos de
muestras en el MEB
BIBLIOGRAFIA
BROWN. Quimica La Ciencia Central. 5ª Edicion. Ed. McGraw Hill.
http://cabierta.uchile.cl/revista/28/articulos/pdf/edu3.pdf
PRACTICA 4.- Estudio cinético de la tostación de pellets de pirita
La transformación de minerales de Hierro en este caso: Pirita (FeS2), en atmosferas donde ocurren reacciones de tipo oxidantes, como por ejemplo; Aire, son llevadas a cabo tomando en cuenta las siguientes condiciones de trabajo: temperatura de trabajo, concentración de oxígeno en la atmosfera, tipos de partículas (forma, tamaño…) y el tipo de reactor, por mencionar solo algunas. El rango de Temperaturas en las cuales ocurren estas reacciones con mayor facilidad son: entre 4500C y los 6000C. Lo anterior se reproduce mas óptimamente a concentraciones de oxígeno elevadas, dando lugar a las dos transformaciones de interés en este trabajo; Hematita (Fe2O3) y Magnetita (Fe3O4). Aunque cada una de estas transformaciones posee dos características importantes; a) La Hematita se produce a temperaturas y concentraciones de oxígeno elevadas y b) La Magnetita se produce a temperaturas bajas y concentraciones de oxígeno elevadas. Sin olvidar que el tiempo juega un papel importante en cada una de estas transformaciones.
En este trabajo se busca obtener condiciones optimas de temperatura y tiempo para obtener la mayor eficiencia en la obtención de Hematita (Fe2O3) y Magnetita (Fe3O4), a través de la tostación de Pirita (FeS2), por medio de un reactor de lecho fluidizado con masa y flujo de aire constante. Además se pudo determinar la cinética de la reacción mediante la fracción reaccionada en función del tiempo. El análisis realizado para verificar la formación de los diferentes óxidos fue con el microscopio electrónico de barrido.
Introducción
La tostación de la pirita consiste en calentar el material en presencia de un flujo de aire convirtiendo el Azufre (S) en gas, (SO2) y oxidando el metal, por ejemplo a (FeO, Fe2O3, Fe3O4). Posteriormente este óxido se reduce con carbón dando como resultado la obtención del metal. En ocasiones es necesario realizar operaciones preliminares para llevar el material a un estado químico en el cual sea más fácil su reducción, como convertir los carbonatos y sulfuros a óxidos. Desde el punto de vista químico, en la tostación pueden ocurrir reacciones tales como la oxidación, la reducción o magnetización (reducción controlada) y la sulfatación o cloración. En este caso las reacciones a tratar son de combustión, por
lo tanto es una reacción exotérmica, por lo que para la tostación de la Pirita, la reacción global es:
2 FeS2 + 11/2 O2 = Fe2O3 + 4SO2
Sin embargo, también es posible producir magnetita (mezcla equimolar de FeO y FesO3) en lugar Hematita:
3 FeS2 + 8 O2 = Fe3O4 + 6 SO2
Cinética de reacciónConsiderando las partículas de sulfuro metálico como sólidos densos, se estudian las variables que intervienen en la tostación oxidante o sulfatante de los sulfuros metálicos usando el modelo del “Núcleo sin reaccionar”. El cual menciona a groso modo lo siguiente; 1) Transporte de “G” desde el
seno del fluido hasta la intercara sólido-fluido, donde: “A” es el aire y el sólido es la partícula de Pirita. 2) Transporte de “G” a través de la capa de producto (oxido que se empieza a formar) desde la intercara del sólido-fluido hasta el plano de reacción (situado entre la partícula y la capa de producto). 3) Transporte del producto a través de la capa de producto desde el plano de reacción hasta la intercara partícula-gas (aire). 4) Transporte del producto a desde la intercara sólido-fluido hasta el seno del fluido. En el caso de una partícula que rodea un sólido con forma esférica (sulfuro metálico o pellet siderúrgico) de superficie “A”, a través del cual el gas se difunde, el flujo es conservativo (constante), y que para
un tiempo determinado del proceso la velocidad de transporte difusional puede expresarse de la siguiente manera:
Donde: vd es la velocidad de transporte difusional, r es el radio de la partícula considerada esférica, D es el coeficiente de difusión del gas reactivo O2 (ya que el Hidrógeno se considera que está estancado, pues no participa en la reacción), y C es la concentración del gas reactivo.
Procedimiento experimental
6. Se usa una mezcla de Mineral de Pirita y cemento (1:2) y agua. Se formaron pellets de aproximadamente 0.5 cm y 1cm de diámetro.
7. El equipo con el que se trabaja es un reactor de lecho fijo, integrado por un horno horizontal, un termopar y un termómetro. Así mismo se utilizo una celda de combustión la cual consiste un tubo de cristal de aproximadamente 50cm de longitud.
8. El horno se calienta a tres distintas temperaturas; 350, 425, 450 °C, para realizar la tostación del mineral.
9. Mantener las condiciones anteriores por tiempos de 30, 60 y 90 minutos, para cada temperatura.
10. Después de realizar la tostación de la Pirita, el material que quedo en la celda de combustión es retirado y posteriormente montado en resina para ser observado, medido y fotografiado en el microscopio menagráfico. Las partículas más pequeñas son colectadas para posteriormente ser analizadas en el microscopio electrónico de barrido y así determinar las cantidades de Hematita y Magnetita formadas.
Imagen 1. Pellet de Pirita-cemento calcinado a 3500C a un tiempo de 90 minutos.
Imagen 2. Pellet de Pirita-cemento calcinado a 4250C a un tiempo de 90 minutos.
Imagen 3. Pellet de Pirita-cemento calcinado a 4500C a un tiempo de 90 minutos.
Bibliografía
3. A. Ballester, L. F. Verdeja, J. Sancho. ” Metalurgia extractiva (fundamentos)”, Volumen I, Síntesis, España. pp.: 180-189, 227-240. 4. T. Rosenqvist. “Fundamentos de Metalurgia Extractiva”, Editorial Limusa, México, 1987.
5. David R. Gaskell. “Introduction to Metallurgical Thermodynamics”, Mc Graw-Hill Ed, New York, 1988