AGLOMERACIÓN Y CALCINACIÓN DE MINERALES

MARYURY BLANCO PAZDIANA CAROLINA CÁRDENAS GUERRERO

Presentado a: GUSTAVO NEIRA Ph. D Ingeniero Metalúrgico

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERFACULTAD DE INGENIERÍAS FISICOQUÍMICAS

ESCUELA DE INGENIERÍA METALÚRGICA Y CIENCIA DE MATERIALESLABORATORIO PIROMETALURGIA

BUCARAMANGA2007

OBJETIVOS

Identificar las principales variables que intervienen y controlan los procesos de calcinación, briquetización y peletización de los minerales.

Conocer las ventajas que posee la aplicación de los diferentes procesos de aglomeración de minerales, analizando así, su influencia a nivel industrial.

Realizar un modelo cinético que se ajuste a los datos obtenidos en el laboratorio, para los procesos de briquetización, peletización y calcinación.

Analizar termodinámicamente la calcinación del carbonato de calcio y de un mineral de hierro.

INTRODUCCIÓN

La aglomeración de minerales es un proceso mediante el cual, las partículas finas que causan grandes problemas en los procesos de obtención de metales, son transformados mediante fusiones parciales y sinterización de las partículas, en una estructura resistente, porosa y totalmente diferente al mineral inicial.

En los últimos años, la aglomeración de minerales industriales ha proliferado favorablemente gracias al aprovechamiento de las nuevas tecnologías que posibilitan una modificación de las propiedades físicas y/o químicas, de los minerales mejorando sus características para su posterior aprovechamiento y manipulación. Este proceso se aplica a minerales molidos o bien a polvos resultantes de los procedimientos de reducción de tamaño; este consiste en aglomerar y consolidar partículas finas, produciendo granos de mayor tamaño.

La calcinación teniendo como objeto la remoción de agua, CO2 y otros gases que se encuentran químicamente unidos al mineral, tiene una gran importancia en ciertos procesos pirometalúrgicos, donde los minerales involucrados son utilizados principalmente como fundentes en los procesos del alto horno y el afino del arrabio.

Por otro lado tenemos la peletización la cual consiste en la formación de esferas de dimensiones apropiadas en un disco granulador el cual gira con velocidad y ángulo de inclinación determinado para cada tipo de mineral en virtud de las propiedades físicas. Por medio de este proceso se desea obtener esferas o pellets con características especiales. La briquetización se entiende como un proceso de prensa al cual es sometido el mineral con el objeto de incrementar sus propiedades metalúrgicas, por medio de un tratamiento térmico y químico.

Teniendo un conocimiento previo de los procedimientos para llevar a cabo los procesos de calcinación, briquetización y peletización se pretende aglomerar y por ende analizar la transformación que se muestre en el mineral en el transcurso del tiempo, para después determinar un modelo cinético que se asemeje a las condiciones provistas durante la práctica.

FUNDAMENTO TEÓRICO

AGLOMERACIÓN

Es un proceso mediante el cual, las partículas finas de un mineral, previamente sometido a procesos de trituración o reducción y homogenización de tamaño, son compactadas mediante fusiones parciales, obteniendo una estructura con resistencia mecánica y porosidad mayor, diferente a la inicial; al mismo tiempo se logra un mejoramiento en la manipulación, transporte y almacenamiento debido a su tamaño y forma homogénea.

La aglomeración es posible por:

Uniones líquidas entre partículas que aparecen por fenómenos de mojabilidad o tensión superficial.

Agentes enlazantes de alta viscosidad que al solidificarse cristalizan.

Uniones sólidas que establecen puentes entre partículas, como por ejemplo: cristalización de sales, adhesión, crecimiento, fusión y cristalización del ligante.

Fuerzas de tipo Van Der Walls.

Fuerzas electrostáticas.

Fuerzas de Coulomb.

Fuerzas de atracción magnética.

Para llevar a cabo este tipo de proceso, se utiliza un aglomerante, el cual debe cumplir las siguientes características:

Sirve como medio de adherencia entre partículas.

No contaminante.

No debe inferir ni reaccionar cuando se realice el proceso de tratamiento metalúrgico.

Granulometría fina (para ocupar los volúmenes vacíos entre partículas).

Debe ser económico, abundante y estar al alcance del consumidor.

Los principales procesos de aglomeración son:

Proceso de briquetización

Es un proceso de compactación que se lleva a cabo sometiendo el material fino a prensa con el objetivo de obtener trozos de igual forma y dimensión, este proceso se realiza con o sin la adición de aglomerantes que pueden ser de tipo orgánico o mineral; también se realiza en frío o en caliente. El producto en este proceso se conoce como briquetas, las cuales son sometidas a tratamientos térmicos con temperaturas cercanas a los 1200˚C con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas. Cuando se utilizan aglomerantes de tipo orgánico el endurecimiento se hace a temperatura ambiente por curado.

Proceso de peletización

Es un proceso de preparación de minerales finos que consiste en a formación de esferas con la adición de aglomerantes como la bentonita, agua, calo material orgánico. El quipo utilizado para llevar a cabo este proceso es un disco granular el cual gira con velocidad y ángulo de inclinación determinados para cada tipo de mineral en función de sus propiedades físicas.

El método de peletización se divide en dos etapas:

Formación de los pellets verdes: Se lleva a cabo en el disco peletizador, a temperatura ambiente, produciendo esferas que se retiran cuando se alcanza el tamaño deseado, estas esferas llamadas pellets se forman debido a la acción de fuerzas capilares que enlazan las partículas continuamente permitiendo el crecimiento de estos. Esta etapa está principalmente influenciada por el contenido de agua, las características de las partículas de mineral como el área superficial y la granulometría y los parámetros de operación del aparato peletizador.

Secado, cocción y formación de la estructura: Durante el secado los pellets son sometidos a temperaturas que comprenden entre los 200 y 400˚C, mientras que en la cocción se someten a 1200-1350˚C con el objetivo de evaporar el agua de manera que el aglomerante enlace las partículas confiriéndoles resistencia y evitar el choque térmico y por consiguiente la destrucción de los pellets.

CALCINACIÓN

La fabricación de la cal consiste en la calcinación de la caliza, a una temperatura superior a 900 ˚C, según un proceso químico simple; ΔH [kcal] =

42520. El carbonato cálcico se descompone mediante el calor de acuerdo con la ecuación:

La reacción de descomposición de la caliza se caracteriza por el hecho de que se produce en un frente de descomposición (zona de reacción), en el que el núcleo no es descompuesto de CaCO3 y la envoltura de CaO que se ha formado se tocan. Este frente de descomposición se desplaza de la periferia hacia el centro a una velocidad determinada. Al mismo tiempo hay una transferencia de calor del exterior hacia el núcleo y un desprendimiento de CO2

hacia el exterior.

Hoy en día, la calcinación de la cal se realiza fundamentalmente en hornos regenerativos de corriente paralela que por oposición a loa clásicos a contracorriente, permitan precalentar y recuperar los gases de combustión. Son hornos de doble cuba, en funcionamiento alternativo. Esta tecnología permite una optimización del consumo de energía.

Los sulfuros metálicos al igual se tratan mediante calcinación, calentándolos hasta una temperatura por debajo del punto de fusión del metal. Cuando se calcinan sulfuros, el azufre se combina con el oxígeno del aire para formar dióxido de azufre gaseoso, y también resulta un óxido metálico. Los óxidos se reducen después por fundición.

SINTERIZACIÓN

Es un proceso de aglomeración de partículas de mena por el calentamiento de finos de mineral a temperaturas elevadas, causada principalmente por el crecimiento de cristales, recristalización y parcialmente la formación de fase fundida, tal que las partículas de sólido en contacto unas con otras se adhieren y aglomeran. Los mecanismos predominantes en la acción de sinterización son difusión superficial y fusión incipiente, y ambas ocurren en la sinterización del material.

Las etapas presentes en la sinterización son:

La etapa inicial de sinterización ocurre cuando las partículas se tocan y forman cuellos.

La etapa intermedia puede describirse como porosidad interconectada.

La etapa final de la sinterización se refiere a la eliminación de la porosidad aislada.

El combustible requerido para la sinterización de minerales de óxidos de hierro se encuentra en rangos de 5-8% de carbón o coque y relativamente independiente del mineral que se sinteriza.

Las variables presentes en la sinterización son:

Temperatura

Tiempo

Porcentaje de aglomerante

Granulometría

Humedad

MATERIALES Y EQUIPOS

Mineral de hierro y níquel (Saprolito café)

Carbón pulverizado

Muestras de mineral triturado a 10 mallas

Cemento (aglomerante)

Trituradora

Molino

Disco peletizador

Briqueteadora

Mufla

Horno rotatorio

Microscopio

PROCEDIMIENTO

1. ELABORACIÓN DE PELETS Y BRIQUETAS DE MINERAL LATERÍTICO Y PREPARACIÓN DE PIEDRA CALIZA

Se preparó 300 g de piedra caliza previamente tamizada a -10 mallas.

Se preparó 200 g de carbón pulverizado a -100 mallas y 4 kg de mineral laterítico a -65 mallas.

Se hicieron dos mezclas de la siguiente manera:

Mezcla 1: 2 kg de mezcla mineral (10% cemento y 5% carbón).

Mezcla 2: 2 kg de mezcla mineral (10% cemento) – Sin carbón.

Con la mezcla 1 se hizo un kg de pellets y 1 kg de briquetas (para la elaboración de las briquetas se agregó a la mezcla un 12% de agua).

Con la mezcla 2 se hizo un kg de pellets y 1 kg de briquetas (para la elaboración de las briquetas se agregó a la mezcla un 10% de agua).

Se dejaron los pellets y briquetas por separado en una bandeja para su secado a temperatura ambiente.

2. CALCINACIÓN DE MINERALES Y PIEDRA CALIZA

Se introdujeron los pellets y briquetas de la bandeja a la estufa a 110˚C por una hora antes de su calcinación.

Se formaron 5 grupos para dividir el trabajo de la siguiente manera:

Grupo 1: Realizó la calcinación de pellets elaborados con carbón en el horno rotatorio (500 g de pellets).

Grupo 2: Realizó la calcinación de briquetas elaborados con carbón en el horno rotatorio (500 g de briquetas).

Grupo 3: Realizó la calcinación de pellets elaborados sin carbón en el horno rotatorio (500 g de pellets).

Grupo 4: Realizó la calcinación de briquetas elaborados sin carbón en el horno rotatorio (500 g de briquetas).

Grupo 5: Calcinó la piedra caliza.

NOTA: En todos los casos se tomaron muestras a los 0, 2, 5, 15, 30 y 45 minutos de calcinación. Tiempo total de calcinación 45 minutos. La calcinación se hizo a una temperatura aproximada de hasta 950 ˚C.

3. OBSERVACIÓN DE LAS MUESTRAS AL MICROSCOPIO Y REALIZACIÓN DE CÁLCULOS

Se observaron las muestras en el microscopio, para ver el progreso de las transformaciones del mineral con el tiempo de calentamiento.

INFORME

Describir la termodinámica y la cinética de la calcinación del mineral aglomerado en forma de pellets y de briquetas: Cuáles son las variables que controlan el proceso de calcinación; Estabilidad termodinámica de las fases de hierro y níquel presentes en el mineral; Efecto del calentamiento sobre el mineral y Modelo cinético de la reacción.

Entre las variables que controlan el proceso de calcinación se encuentran:

Temperatura: un aumento en la temperatura produce un aumento en la velocidad de reacción.

Interfase: Tamaño, estructura cristalina, porosidad, forma y densidad, así un aglomerado muy denso y con baja porosidad presentará una velocidad de reacción lenta. Por otra parte el tamaño de los aglomerados es proporcional con el tiempo de reducción.

Presencia de impurezas: Impide la velocidad de reacción del aglomerado.

Presión parcial de los gases.

El mineral tratado consta principalmente de óxidos de hierro y níquel; y las reacciones que se dan en la reducción son:

En donde el primer óxido que reacciona es el FeO y su desaparición ocurre hasta la reacción completa del NiO, de los óxidos de hierro los mas estables termodinámicamente hablando son Fe3O4 y Fe2O3.

Es posible la reducción del NiO sin reducir simultáneamente el FeO a metal a temperaturas inferiores a 650˚C aunque suele ser un proceso demasiado lento; es por esto que al reducir el NiO se reduce poco Fe altamente oxidado a Fe3O4, proporcionando una buena velocidad del proceso cuando son temperaturas mayores a 760˚C.

Podría decirse que para hacer un modelo cinético para la calcinación de los pellets y las briquetas es algo mas complicado, dado a la dificultad visual que podría llevar a errores y a que la forma geométrica de una briqueta no es común y fácil de medir y los pellets no son completamente esféricos como para hacer un modelo basado en el modelo de núcleo sin reaccionar.

Discutir el efecto de la presencia del carbón y el efecto de la porosidad del aglomerado sobre la cinética del proceso.

La presencia de carbón en los aglomerados produce un aumento en la velocidad de la reacción debido a la formación de CO que con el carbono libre favorecen la reducción de los óxidos presentes en el material laterítico.

El efecto de la porosidad en el aglomerado varía según el proceso; en el caso de los pellets presentan una porosidad mayor que las briquetas (debido a la presión que se necesita para su formación); luego estos poros facilitan la penetración de los gases en el interior, aumentando así la velocidad de reacción; mientras que en el caso de la briquetas los gases encuentran mayor obstáculo a su paso retardando así la reacción.

Calcular la temperatura de disociación del carbonato de calcio a partir de los datos de laboratorio y compararlo con el valor teórico.

La reacción de descomposición de los carbonatos se define por su presión de disociación y por la temperatura, la presión parcial del CO2 en la fase gaseosa y la presión total de los gases en el espacio de la reacción. La presión de disociación se puede calcular a partir de la constante de equilibrio de la reacción.

Las actividades del óxido y del carbonato metálico son 1 porque son cuerpos puros y no forman entre sí soluciones sólidas.

La presión de disociación del carbonato se incrementa con el aumento de la temperatura. La presión de disociación caracteriza la estabilidad de los carbonatos; si la presión de disociación es baja, el carbonato es el más estable; si la temperatura aumenta, la presión de disociación aumenta y la estabilidad disminuye.

La reacción de la disociación del carbonato de calcio es:

El valor teórico de la temperatura de disociación del carbonato de calcio se halla utilizando las ecuaciones:

Igualando las ecuaciones anteriores, entonces:

Si se asume PCO2 es de 1 atm y R=8.314 J/mol*K; reemplazando en la ecuación anterior se obtiene:

El valor experimental de la temperatura es 900-950˚C, este valor corresponde a la temperatura de la mufla del laboratorio.

La presión de disociación para varas temperaturas puede calcularse por:

Proponer un posible modelo cinético para la calcinación del carbonato de calcio.

Peso antes de calcinar

(CaCO3)

Mol antes de calcinar

(CaCO3)

t de calcinación

(min)

Peso después de calcinar (g)

Peso C02 producido(g)

Mol CO2 producidas

% peso perdido

9.682 96,82 0 9.682 0 0 09.514 95,14 2 8.717 0.797 0.181 8.379.802 98,02 5 7.980 1.822 0.041 18.589.619 96,19 15 7.460 2.159 0.049 22.449.855 98,55 30 5.822 4.033 0.091 40.929.773 97,73 45 0.004 9.769 0.222 99.95

De los datos de la tabla anterior se grafica tiempo vs, el % de peso perdido, con el fin de observar el comportamiento global de la reacción.

La reacción que ocurre en la calcinación de la piedra caliza, es una reacción de descomposición, es decir, un compuesto se descompone en dos o más compuestos, generalmente por acción del calor.

Debido a que no se conoce el orden de la reacción estudiada, se propone un modelo cinético del tipo:

Se separan variables, y se integra para obtener una ecuación de la forma:

n≠1

n = Orden de la reacción

k =Constante de equilibrio de la reacción

CA0 = Concentración inicial de la caliza

CA = Concentración de la caliza en el tiempo t

Para resolver esta ecuación se cuenta con la composición inicial de la caliza, los tiempos y la composición de la caliza en cada uno de ellos, por lo tanto es necesario calcular los valores de n y k, para lo cual es necesario tener en cuenta dos condiciones: n<1 predice que la concentración de reactante se hará cero en un tiempo finito, es decir, la reacción ocurre en un tiempo finito, y el valor de n debe ser el que presente la mínima variación en el valor de k. Para ello se efectuó una serie de iteraciones con los datos obtenidos en el laboratorio, y se tiene que:

n = 0.55

k = 0.0125 mol/min

Por lo tanto el tiempo necesario para la calcinación completa de la caliza viene dado por:

Presentar junto con el informe de la práctica una investigación bibliográfica sobre los ensayos normalizados que se usan para establecer la calidad de los aglomerados (pellets y briquetas).

NORMA ASTM E 382-83 (1987)

En esta norma se describe un método para la determinación de la resistencia a la trituración en fuego de pellets de mineral de hierro, aglomerantes cilíndricos y briquetas, mediante la aplicación de una carga con velocidad especificada hasta que el pellet se rompe, las medidas se toman en SI y el ensayo reporta valores de tamaño de probetas, esfuerzo al cual falló y se puede hacer una desviación estándar de los resultados.

NORMA ASTM E 279-97 (2005)

Aquí se describe un método para la determinación de una medida relativa de la resistencia de los pellets a la degradación por impacto y abrasión. Esta prueba se realiza utilizando la pérdida de masa de 11.2 g de pellets en el disco giratorio a 24 rev/min, alrededor de 200 vueltas en un tiempo de 8.3 min aproximadamente. Al final se pesan de nuevo las probetas y se comparan los resultados.

Presentar un ejemplo de una industria donde se utilice un proceso de aglomeración.

Limpieza de suelos contaminados utilizando técnicas mineralúrgicas de aglomeración y separación.

El proceso de limpieza de suelos contaminados se realiza mediante la aglomeración de los residuos industriales y terrenos contaminados para posteriormente inertizarlos por tratamiento térmico.

Mediante el tratamiento térmico, aplicado a los nódulos peletizados, se separan por volatización, en forma de humos, los constituyentes perjudiciales. Esta fracción volátil se recoge por técnicas de condensación, arrastre y/o filtración. Previamente a la nodulización se puede introducir una etapa de limpieza. El residuo secundario, al tener escaso volumen, puede ser utilizado o reciclado según el contenido en metales no férreos. Las técnicas de trituración y molienda dan lugar a mezclas más homogéneas. Estas mezclas superfinas forman por peletización, nódulos que facilitan su transporte y manipulación. La consolidación de los nódulos se efectúa con tratamientos térmicos. El tratamiento de la fase gaseosa de las plantas de peletización siderúrgica se ha desarrollado (proceso Kowaseiko) para eliminar los metales pesados presentes en forma de fracción volátil. Está previsto el tratamiento de los residuos secundarios.

ASPECTOS INNOVADORES

Entre los productos que se eliminan se encuentran sustancias orgánicas contaminantes, como aceites usados y metales no férreos, Zn, Pb, Cu, etc., que se volatizan en forma de cloruros. El nódulo calcinado, limpio e inertizado, se tritura pudiéndose utilizar como material de construcción o como componente de un suelo que soporte una actividad agrícola tradicional.

VENTAJAS COMPETITIVAS

Soluciona un problema medioambiental y regenera suelos contaminados. Reduce espacio en vertederos. Los costes para recuperar terrenos urbanos-urbanizables (10 a 20 Ptas/Kg.) son asumibles.

ANÁLISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES

Fue posible conocer las ventajas de la aglomeración de los minerales, al igual que su importancia en muchos procesos metalúrgicos ya que esta aglomeración brinda la posibilidad de manipular las propiedades físicas y químicas de los minerales, según sea la aplicación para la cual se desea obtener.

Se comprendió al finalizar la práctica que la aglomeración de minerales es un proceso mediante el cual las partículas finas que causan problemas en los procesos de obtención de metales, son transformados mediante uniones de las partículas, en una estructura resistente y porosa y con un comportamiento distinto al mineral inicial.

La temperatura teórica difiere de la real porque los datos termodinámicos tienen un pequeño margen de error que se materializa en la práctica.

Se realizó la observación de los aglomerados (pellets y briquetas) en la tercera tarde del laboratorio, pero para el caso de las briquetas sin carbón fue imposible dado que se mezclaron con las que contenían carbón; alterando así las características típicas que se deberían observar, haciendo imposible el análisis de la evolución del núcleo en la briqueta.

La aglomeración sigue siendo un proceso fundamental, como es el caso de la preservación del medio ambiente, ya que disminuye la cantidad de finos producidos en la industria, que generalmente ocasionan un problema tanto ambiental como económico para todas estas empresas, debido a que son grandes las cantidades que se producen, y que por ende se desechan.

Se identificaron las principales variables que intervienen durante la aglomeración del mineral, entre las cuales se encuentran, unas encargadas de optimizar el proceso aumentando la velocidad de la reacción y otro tipo que puede llegar a perjudicarlo; por tal motivo se deben controlar al máximo. Dentro de estas variables encontramos la temperatura, tamaño, estructura cristalina, porosidad, forma, densidad, presencia de impurezas y la presión parcial de los gases.

La gráfica construida a partir de los datos obtenidos en la calcinación de la piedra caliza no arroja un comportamiento constante o uniforme; pueden ser varios los factores que hayan incidido sobre estos resultados, y por consiguiente, afectan la validez del modelo cinético planteado. Por esto se recomienda repetir la práctica, con el fin de obtener nuevos resultados, comprobarlos con los de esta práctica, y comprobar la veracidad del modelo que aquí se plantea.

El proceso de aglomeración por briquetas emplea mucha mas energía que el de aglomeración por pellets, esto implica que sea mucho mas costoso y por lo tanto su aplicación debe limitarse a los casos en que la briquetización sea estrictamente necesaria, para brindar al aglomerado propiedades, como la resistencia mecánica, que determinan su aplicación.

A pesar que el modelo cinético planteado para la reducción del mineral laterítico fue construido a partir de datos reales, obtenidos en el laboratorio, la naturaleza compleja de este proceso y la gran cantidad de variables que influyen en el, las cuales no fue posible tener en cuenta con exactitud en la práctica realizada, limitan la veracidad del modelo planteado y no puede asegurarse que sea posible utilizarlo como base para controlar un proceso de este tipo, en otras condiciones.

El proceso de aglomeración es ampliamente usado en la industria del hierro donde además de la aglomeración se realiza un tratamiento térmico sobre el aglomerado.

BIBLIOGRAFÍA

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