PirometalurgiaEfrn Garca Prez2015-2 1 Balance de Materia En un horno elctrico utilizado para la fusin reductora de concentrados de estao se carga una mezcla de materiales procedentes de dos minas diferentes en las siguientes proporciones: 200[kg]deconcentradodeestaodelaminaLaColoraday350[kg]deconcentradode estao de la mina Relmpago. Como fundentes se aaden 12 [kg] de arena y 81 [kg] de caliza. Como reductor, se utiliza carbn vegetal que se carga al horno en una cantidad de 44 [kg]. La composicin de los diferentes materiales se muestra a continuacin: MaterialAnlisis Qumico % SnPbCuFeSbSiO2Al2O3OtrosHumedadC Conc. Colorada 55.20.90.410.50.85.02.02..53.0- Conc. Relmpago 43.30.60.314.01.818.02.00.92.5- Arena---2.0-96.0--- Caliza-------4.211.0 Carbn Vegetal -------3.175.0 El anlisis qumico del metal obtenido tiene los siguientes valores: 95% Sn 1.5% Pb 0.69% Cu 0.8% Sb 2.0% Fe El anlisis de la escoria no muestra presencia de Cu ni de Pb. Realizar el balance de materia del horno. Solucin Se construye el siguiente diagrama de flujos: PirometalurgiaEfrn Garca Prez2015-2 2 Concentrado de la Mina Colorada, 200 [kg] Sn0.552*200 = 110.4[kg] Pb0.009*200 = 1.8[kg] Cu0.004*200 = 0.8[kg] Fe0.105*200 = 21.0[kg] Sb0.008*200 = 1.6[kg] SiO20.050*200 = 10.0[kg] Al2O30.020*200 = 4.0[kg] Otros xidos0.025*200 = 5.0[kg] Humedad0.030*200 = 6.0[kg] Concentrado de la Mina Relmpago, 350 [kg] Sn0.433*350 = 151.55 [kg] Pb0.006*350 = 2.1 [kg] Cu0.003*350 = 1.0 [kg] Fe0.140*350 = 49.0 [kg] Sb0.005*350 = 1.7 [kg] SiO20.180*350 = 63.0 [kg] Al2O30.020*350 = 7.0 [kg] Otros xidos0.009*350 = 3.15 [kg] Humedad0.025*350 = 8.70 [kg] Arena, 12 [kg] SiO20.96*12 =11.52 [kg] Fe0.02*12 =0.24 [kg] Caliza, 81 [kg] CaO0.52*81 = 42.1 [kg] C0.11*81 = 8.91 [kg] Humedad0.042*81 = 3.40 [kg] Carbn, 44 [kg] C0.75*44 = 33.00 [kg] Humedad0.031*44 = 1.36 [kg] PirometalurgiaEfrn Garca Prez2015-2 3 Clculo En anlisis qumico cualitativo de la escoria indica que no existe presencia de cobre ni plomo en esta fase. El cobre tiene una presin de vapor muy baja, y por ello es improbable que pase a la fase gaseosa, entonces todo el cobre que ingresa al horno con los concentrados sale del horno con el metal. El balance de cobre es el siguiente: 0.8 +1 = 0.0069 = 260 [kg] El balance de plomo queda de la siguiente forma: 1.8 +2.1 = 0.015 = 260 [kg] El peso del crudo de estao que se descarga del horno esX = 260 [kg] PirometalurgiaEfrn Garca Prez2015-2 4 Crudo de Estao, 260 [kg] Sn0.95*260 = 247.0[kg] Pb0.015*260 = 3.9[kg] Cu0.0069*260 = 1.8[kg] Fe0.02*260 = 5.2[kg] Sb0.008*260 = 2.1[kg] El estao y el hierro, se distribuyen entre la escoria y metal. El peso de estos elementos en la escoria es: Sn = 110.4 + 151.55 247 = 14.95 [kg] Fe = 21 +49 + 0.24 5.2 = 65.04 [kg] El antimonio, se distribuye entre metal y gas. El peso de este elemento en la fase gaseosa es: Sb = 1.6 + 1.7 2.1 = 1.2 [kg] El peso de los xidos que forman la escoria son: SnO14.95*135/11916.96 [kg] FeO65.04*72/5686.20 [kg] SiO210 + 63 + 11.5284.52 [kg] CaO42.10 [kg] Al2O34 + 711.00 [kg] Otros xidos5 + 3.158.15 [kg] Los gases tienen los siguientes pesos: H2O6 + 8.7 + 3.4 + 1.3619.46 [kg] CO2(33 + 8.91)*44/12153.67 [kg] Sb2O31.2*291.5/243.51.44 [kg] Peso de los gases174.57 [kg] PirometalurgiaEfrn Garca Prez2015-2 5 Ingreso de Materiales Descarga de Materiales Lacomposicinqumicadelaescoriadebeserexpresadaenporcentajeenpesodesus componentes: SnO16.96 [kg]6.72% FeO86.20 [kg]34.14% SiO284.52 [kg]33.47% CaO42.10 [kg]16.67% Al2O311.00 [kg]4.36% Otros xidos8.15 [kg]3.23% Otros Constituyentes3.57 [kg]1.41% Total252.5 [kg]100.00% PirometalurgiaEfrn Garca Prez2015-2 6 Balance de Energa Para realizar el balance de energa se debe de considerar lo siguiente: El horno elctrico de reduccin se encuentra a 1 200C y al final del proceso, el metal y la escoria son colados del horno a esta temperatura, en tanto que los gases abandonan el horno a 1 000C. El proceso dura 6 horas, y la potencia suministrada al horno en este tiempo es de 217.8 kW. Calor recibido 1.Calor proporcionado por la energa elctrica 217.8 kW*859.824 kcal/kW = 187 300 kcal 2.Calor de formacin de la escoria 2 FeO + SiO2 2FeO.SiO2 H= - 6 910 kcal/ mol CaO + SiO2 CaO.SiO2H= - 28 910 kcal/mol El nmero kmol de cada uno de los constituyentes de la escoria es: FeO = 86.20/721.197 kmol SiO2 = 85.52/601.409 kmol CaO = 42.10/560.752 kmol TodoelFeOseencuentracombinadoconelSiO2formandoelcompuestofayalita 2FeO.SiO2, el nmero kmol de SiO2 combinada con el FeO en la fayalita es: 1.197/2 = 0.599 El SiO2 que queda disponible para combinarse con el CaO es: 1.409 0.599 = 0.810 kmol El SiO2 combinado con el CaO para formar el CaO.SiO2 = 0.752 kmol CaO que queda libre para combinarse con xidos cidos 0.810 0.752 = 0.058 kmol Por lo tanto, la escoria es una mezcla formada por: 2FeO.SiO20.599 kmol CaO.SiO20.727 kmol El calor liberado en la formacin de la escoria es: Q*(2FeO.SiO2) = 0.599 * 6 9104 139 kcal Q*(CaO.SiO2) = 0.752 * 28 91021 740 kcal Calor de formacin de la escoria25 879 kcal PirometalurgiaEfrn Garca Prez2015-2 7 Calor distribuido La forma qumica en la cual se encuentran los constituyentes de los concentrados de las minas Colorada y Relmpago es la de xidos. El clculo del peso de cada uno de ellos, adems de los otros componentes de la carga, se realiza a partir de la fila total del balance de materia: SnO2 261.95 * 151/119 = 332.39 kg / 151 = 2.201 kmolPbO3.9 * 223/207 = 4.20 kg / 223 = 0.019 kmolCu2O1.8 * 144/128 = 2.02 kg / 144 = 0.014 kmolFe2O370.24 * 160/112 = 100.34 kg / 160 = 0.627 kmolSb2O3 3.3 * 291.5/243.5=3.95 kg / 291.5 =0.014 kmolSiO284.52 kg / 60 =1.409 kmolAl2O311.00 kg / 102 = 0.108 kmolCaCO342.1 *100/56 =75.70 kg / 100 = 0.752 kmolH2O 19.46 kg / 18 = 1.081 kmolC 41.91 kg / 12 = 3.492 kmol Calor de descomposicin del carbonato de calcio: A900Cypresinde1atmsfera,elcarbonato decalciosedescomponesegnla reaccin: CaCO3 CaO + CO2;Hdescomposicin= 39 863kcalmol El calor de descomposicin se calcula a partir de la relacin: Q = nCaCO3 Hdescomposicin= 0.752 39 863 = 29 977 kcal Calor latente de evaporacin del agua: El calor de vaporizacin del agua a 100C y 1 atmsfera de presin es 540 kcal/kg, por lo tanto: Q = w

Hevaporacin= 19.46 540 = 10 580 kcal Calor neto de formacin del metal Lasreaccionesqumicasdereduccincarbotrmicadelosxidosdelconcentrado son: SnO2+ 2CO Sn +2CO2;Hreaccin= 1 990kcalmol PbO +CO Pb +CO2;Hreaccin= 22 860kcalmol PirometalurgiaEfrn Garca Prez2015-2 8 Cu2O + CO 2Cu +CO2;Hreaccin= 21 460kcalmol Fe2O3+3CO 2Fe +3CO2;Hreaccin= 8 510kcalmol Sb2O3+ 3CO 2Sb +3CO2;Hreaccin= 43 360kcalmol Para el clculo del calor de formacin del metal se utiliza la relacin: Q = n Hreaccin Q(Sn)(247/119)* (1 990)4 131 kcal Q(Pb)(3.9/207)* (-22 860)-431 kcal Q(Cu)(1.8/64)* (-21 460/2)-302 kcal Q(Fe)(5.2/56)* (-8 510/2)-395 kcal Q(Sb)(2.1/121.75)*(-43 360/2)-374 kcal Calor neto de formacin2 629 kcal Calor sensible del metal Los valores de calor especfico de los elementos constituyentes delmetal a 1200C son: Cp(Sn)6.6 kcal/K kmol Cp(Pb)6.8 kcal/K kmol Cp(Cu)7.5 kcal/K kmol Cp(Fe)8.4 kcal/K kmol Cp(Sb)7.15 kcal/K kmol El calor sensible a la temperatura T es: Q = m Cp T Q(Sn)(247/119)*6.6*1 47320 179 kcal Q(Pb)(3.9/207)*6.8*1 473189 kcal Q(Cu)(1.8/64)*7.5*1 473313 kcal Q(Fe)(5.2/56)*8.4*1 4731 149 kcal Q(Sb)(2.1/121.75)*7.15* 1 473182 kcal Calor Sensible del Metal22 012 kcal PirometalurgiaEfrn Garca Prez2015-2 9 Calor Sensible de la Escoria Los valores de calor especfico de los compuestos de la escoria a 1200C son: Cp(2FeO.SiO2)37.00 kcal/K kmol Cp(CaO. SiO2)31.643 kcal/K kmol Q(2FeO.SiO2)0.599*37.00*1 47332 619 kcal Q(CaO. SiO2)0.752*31.643* 147335 051 kcal Calor Sensible de la Escoria67 670 kcal Calor Sensible de los Gases El siguiente nmero es el nmero de moles de cada gas: CO2153.7/443.493 kmol H2O19.46/181.081 kmol Sb2O31.2/243.50.005 kmol Cp(H2O)7.136 + 0.002640*T + 0.0000000459*T2 7.136 + 0.002640*(1 273) + 0.0000000459*(1 273)2 = 10.571 kcal/K kmol Cp(CO2)6.339 + 0.01014*T - 0.000003415*T2 6.339 + 0.01014*(1 273) - 0.000003415*(1 273)2 = 13.713 kcal/K kmol Cp(Sb2O3)55.797 kcal/K kmol Q(H2O)1.081*10.571*1 27314 547kcal Q(CO2)3.493*13.713*1 273 60 976 kcal Q(Sb2O3)0.005*55.797*1 273355 kcal Calor Sensible de los Gases75 878 kcal PirometalurgiaEfrn Garca Prez2015-2 10 Se realiza el Balance de Calor: CALOR RECIBIDOMcalCALOR DISTRIBUIDOMcal Calor Generado por la Energa Elctrica187.3Descomposicin de Caliza 30.0 Calor de formacin de la Escoria25.9Evaporacin del agua10.5 Formacin del Metal2.6 Calor Sensible del Metal22.0 Calor Sensible de la Escoria67.7 Calor Sensible de los Gases75.9 Otras Prdidas4.5 TOTAL213.2TOTAL213.2