Resumen pirometalurgia

Resumen Pirometalurgia

Ferroaleaciones

Las ferroaleaciones son importantes para aceros especiales, en particular los aceros inoxidables. Otras aplicaciones son la desoxidación de aceros (reductores), pues están carburizadas y sirven como reductores enérgicos. Los métodos de obtención de ferroaleaciones pueden ser mediante carbotermia, en el cual el mineral se trata a alta temperatura con carbono en un horno eléctrico de reducción. Lo que ocurre además en este proceso, es la competencia de reacciones de carburización. De acuerdo al diagrama de Ellingham, el carbono (coque) es un excelente reductor a altas temperaturas según la reacción:

   [pic 1]

1. Producción de ferrosilicio

   La reducción de la sílice tiene la siguiente reacción:

   [pic 2]

   A altas temperaturas, la sílice fundida con un exceso de  da a lugar a la siguiente reacción:[pic 3]

                                                    [pic 4][pic 5]

   En presencia de , se reduce el riesgo de formación de  (problema en fabricación de ferroaleaciones) y se descompone para dar a lugar ferrosilicio según la reacción:[pic 6][pic 7]

                                            [pic 8][pic 9]

   Como el proceso se lleva a cabo a altas temperaturas, además se forma , que produce grandes pérdidas de  al ser un compuesto volátil y el consumo energético aumenta a medida que hay mayor pérdida de , por ejemplo,  para  de  con un consumo de 15000 [kWh] por tonelada de Si.[pic 10][pic 11][pic 12][pic 13][pic 14][pic 15]

1. Producción de ferromanganeso

   Los óxidos de Mn como el ,  y el , que son óxidos superiores, se pueden reducir de forma viable a MnO mediante reducción con algún gas reductor o por descomposición térmica. A altas temperaturas, el  se puede reducir según la reacción:[pic 16][pic 17][pic 18][pic 19]

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   En un horno eléctrico de reducción se puede obtener carburo de manganeso con un contenido de Mn de hasta un 80% según la reacción:

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   Sin embargo, para reducir el contenido de carbono al Mn se le agrega el Mn que está fundido, de forma que el oxígeno se reduzca con el carbono, pasando de un 7-8% de C a un porcentaje inferior al 3.5% de C. La reacción que se lleva a cabo es la siguiente:

                                               [pic 24][pic 25]

   Para llegar a Mn puro o ferromanganeso sin contenido de carbono, se puede obtener a través de metalotermia o por electrólisis en medio acuoso.

1. Producción de ferrocromo

   La materia prima en la producción de ferrocromo es la cromita (, donde en el horno eléctrico de reducción () ocurren las siguientes reacciones:[pic 26][pic 27]

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   Ambas reacciones, a bajas temperaturas no son termodinámicamente favorables, sin embargo a altas temperaturas la segunda reacción se hace favorable primero. Lo que resulta de este proceso es un ferrocromo carburado (charge chrome), con un contenido aproximado de un  de  con un  de , que tiene limitadas aplicaciones debido al alto contenido de carbono. Para reducir el contenido de carbono, se puede llevar a una etapa posterior de reacción con  o con  y  en un convertidor, donde el contenido de carbono llega aproximadamente a .[pic 34][pic 35][pic 36][pic 37][pic 38][pic 39][pic 40][pic 41]

Metalotermia

Es un proceso en el que un óxido es reducido con otro metal diferente para dar a lugar a lugar a un óxido de competencia junto con el metal puro, como se muestra en la siguiente reacción:

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   Para que esta reacción sea viable, se debe cumplir que  tenga mayor afinidad por el oxígeno que . En general, este tipo de reacciones para que tengan sentido como proceso productivo, debe cumplirse que  y a su vez, como no hay gases involucrados, la curva de  en función de la temperatura es casi horizontal, lo cual implica que a  y . Una consecuencia de estos procesos metalotérmicos es que desde el punto de vista termodinámico, estas reacciones son fuertemente exotérmicas.[pic 43][pic 44][pic 45][pic 46][pic 47][pic 48]

De la expresión de  en el equilibrio, tenemos que:[pic 49]

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   Dentro de un reactor, se van a encontrar dos fases: la fase óxido y la fase metal que son inmiscibles entre sí. Como existen dos fases, conviene analizar la siguiente relación:

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Figura 29. Relación entre cocientes de actividad de los óxidos y metales.

   De acuerdo al gráfico de la Fig. 29, para la relación , entre más negativa sea, va a ser mejor o peor para un proceso determinado. En el caso de la metalotermia, el objetivo es obtener un producto con la menor cantidad de  posible, por lo tanto, se requiere que la relación anterior sea lo más negativa posible. Dentro de esta curva, para lograr el objetivo, se requiere que la relación  sea mucho mayor a 1.[pic 53][pic 54][pic 55]

   Uno de los procesos aplicados  de la metalotermia es la obtención de cromo por silicotermia sin carbono de por medio, cuyas reacciones involucradas son las siguientes:

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   Sin embargo, llevar a cabo este proceso en un reactor genera un gran problema. Si se alimenta el mineral  (cromita) con silicio, se obtiene la fase metálica () y una fase escoria, pero de la sílice generada en la escoria tiene una cierta fijación con la cromita que no la deja reaccionar (), resultando en una pérdida de aproximadamente un  de cromita. Para revertir este problema, se puede agregar caliza () que reacciona formando  en la fase óxido que permita fijar o escorificar la sílice formada y minimizando el arrastre de cromita hacia la sílice, dando a lugar la formación de silicato de calcio (), reduciendo la pérdida de la aleación formada a un . [pic 61][pic 62][pic 63][pic 64][pic 65][pic 66][pic 67][pic 68]

   Como la producción de sílice es cara (tiene un alto costo energético), se utiliza el proceso Perrin, que consiste en dos hornos en paralelo. En el primer horno, se funde  y , obteniéndose una escoria fundida de  y , con aproximadamente  de cromita. Mientras que en el otro reactor se prepara una aleación de ferrocromo-silicio, mezclando cromita, coque y sílice en un horno eléctrico de reducción, generando  y la aleación de , con un  de ,  de  y un  de . Este producto se voltea en una cuchara, se alimenta con cal y un  de cromita, de manera que se producen dos fases; esta cromita reacciona con la sílice de manera que el cromo pasa hacia abajo (fase metal) y la sílice hacia arriba (escoria), con lo cual se produce una escoria agotada (bajo contenido de cromo) y una aleación  con un  de . La escoria del primer horno se lleva a una cuchara donde además se ingresa la aleación anterior, ocurriendo el mismo mecanismo que la otra cuchara, formando una escoria fundida con un 15% de cromita, que es la misma que se alimenta a la segunda cuchara (el silicio va hacia la escoria) y un producto final de , con un contenido de un  de .[pic 69][pic 70][pic 71][pic 72][pic 73][pic 74][pic 75][pic 76][pic 77][pic 78][pic 79][pic 80][pic 81][pic 82][pic 83][pic 84][pic 85][pic 86][pic 87][pic 88]

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