HORNOS PARA FUNDICION PDF

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RESUMEN DE HORNOS PARA FUNDICION...

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HORNOS PARA FUNDICIÓN HORNOS DE CUBA Son hornos que se utilizan para reducción de óxidos a metales, matificación por fusión de minerales sulfurosos y aún para descomposición de carbonatos (calcinación). Los materiales a tratar se cargan por la parte superior del horno y los productos se extraen por la parte más baja. Su altura predomina a cualquiera otra de sus dimensiones, es decir, la posición de lo que es su cuerpo es vertical, y en la parte inferior se encuentra el crisol, que recupera los productos líquidos, si se da el caso. La sección transversal de un horno de cuba puede ser una circunferencia, una elipse, un rectángulo o un cuadrado. La sección longitudinal varía también según los cambios de volumen que experimenta la carga en su paso a través del horno. Así, si los materiales apenas sufren variación de volumen en su caída, la sección longitudinal prácticamente es rectangular. Si los materiales tienden a aumentar de volumen en su descenso (con el incremento de temperatura o por reacciones químicas) el perfil es un trapecio con la base mayor en la parte inferior; y si después de este aumento de volumen, sufren reacciones que los hacen disminuir de volumen y han de estar sometidos a altas temperaturas, en la parte inferior se adapta un trapecio invertido, de manera que las dos bases mayores coinciden. El horno de cuba para fusión y reducción de óxidos es el proceso característico de operación continua y a contracorriente de carga sólida descendiendo y gases calientes ascendiendo a lo largo del horno; esto origina una eficiencia en el aprovechamiento del calor de un 50-60 %. Los principales factores que afectan al funcionamiento de un horno de cuba son: 1. La cantidad de calor que requiere la carga para ser transformada. 2. El control de la escoria a formar con materiales escorificables de la carga. 3. Las características físicas de la carga: tamaño, forma, naturaleza superficial de la carga, y los cambios que pueden producirse en estas características durante el paso de este material por el horno. En la Fig. 1 se muestra la sección longitudinal de un horno típico para fierro y su perfil de temperatura.

Fig. 1 Sección longitudinal de un horno típico para fierro y su perfil de temperatura Generalmente las tendencias que se siguen para aumentar la capacidad de producción de los hornos de cuba son, la inyección de combustibles líquidos o gaseosos en la zona de las toberas, con lo que se disminuye el costo unitario y el consumo de coque; y la inyección de oxígeno para enriquecer el aire, que disminuye el consumo de combustible. HORNOS REVERBERO Son hornos que también se utilizan para diferentes operaciones metalúrgicas, principalmente matificación de concentrados sulfurosos y reducción de óxidos a metales; así como conversión de arrabio a aceros especiales en la siderurgia, ( Fig. 2).

Semejan una cámara de combustión en la que se aprovecha directamente el calor de un combustible sólido, líquido o gaseoso pero preservando a la carga de todo contacto con él, por lo que la fusión ocurre por el contacto con la flama, los productos gaseosos de la combustión y el calor irradiado por las paredes de la cámara y por la bóveda. El calentamiento de la carga y su transformación, por tanto, son funciones completamente separadas y el equilibrio entre fases (escoria y metal, escoria y mata) se logra en tiempos prolongados o no se logra. Una ventaja de estos hornos es que requieren poca o ninguna preparación de la carga puesto que pueden cargarse materiales finos; pero se reciclan mayores cantidades de polvos. Presentan las desventajas de que la colección de polvos y su reciclaje requieren de más espacio y mano de obra que cuando se usa un horno de cuba y el calentamiento de la carga a través de una capa de escoria aislante no es el método más eficiente de transferencia de calor. En este caso se tiene una eficiencia de 18-22 %. Temperaturas elevadas en la parte superior del horno reverbero promueven la volatilización de metales y compuestos cuyas presiones de vapor son altas, a partir de la escoria; las temperaturas bajas en la solera del horno promueven la formación de acreciones metálicas que funcionan como núcleos de embancamiento. HORNOS ROTATORIOS Estos hornos se utilizan en las operaciones de secado, calcinación, fusión y reducción de minerales y volatilización de metales a partir de escorias. El horno rotatorio se asemeja en muchos aspectos al reverbero; en esencia es un cilindro de acero revestido interiormente de material refractario, que gira alrededor de un eje hipotético, ( Fig. 2). Pueden ser continuos, en cuyo caso tienen una longitud considerable y un ángulo de inclinación de 1 a 4°; o discontinuos, en los que la longitud es aproximadamente igual al diámetro y no tienen inclinación. También utilizan combustibles sólidos, líquidos o gaseosos y la principal fuente de transmisión de calor dentro del horno se debe a la radiación de la flama y de los gases calientes.

Tienen eficiencias de energía de 30 % y en ocasiones son menos eficientes que el reverbero bien acondicionado para recuperación de calor.

Fig. 2 Horno de Reverbero y Rotatorio No se requiere premezclado de la carga y de preferencia no debe de llevar materiales polvosos pues se incrementa el arrastre mecánico de sólidos a la corriente gaseosa. Por el carácter rotatorio del horno es más probable lograr el equilibrio entre las diferentes fases y en menos tiempo que en un reverbero, y hay muy poco o no hay gradiente de temperatura entre la superficie y el fondo de la carga, de manera que, en el caso de los hornos cortos, no se forman acreciones en la solera.

Las desventajas que tienen son: incremento en el consumo de refractarios debido a erosión y a corrosión, incremento en la volatilización de materiales volátiles y en las pérdidas de finos de la carga y dificultad para alcanzar temperaturas elevadas, difícilmente mayores a 1200 °C. Existen también hornos en los que la carga no está en contacto ni con el combustible ni con los gases de combustión pues se debe de preservar durante la fase de tratamiento de todo contacto externo. El calentamiento de la carga ocurre por transmisión de calor a través de la pared del recipiente que le contiene, y para obtener rendimientos caloríficos aceptables los recipientes deben de tener una buena conductividad térmica, además de soportar sin alteración o sin reaccionar con el mineral a las temperaturas de operación. La cámara de calentamiento transmite su calor por radiación y convección a la pared externa del recipiente y pasa por conducción al interior del mismo y de aquí a también por conducción. De esta manera eficiencias de calentamiento son de alrededor de 12 %. Estos hornos se caracterizan por ser lentos en las operaciones de fusión y por sus bajas eficiencias energéticas, y en muchas industrias del mundo son ya obsoletos. HORNOS INTENSIVOS Entre las técnicas más comúnmente usadas, que han causado innovaciones de mayor trascendencia en la metalurgia extractiva, se cuentan: el precalentamiento de aire para combustión, el enriquecimiento de aire con oxígeno, el uso de oxígeno industrialmente puro, que disminuyen considerablemente, en grados variables, el consumo de combustible; la división fina de combustibles sólidos o líquidos, que combinada con altas presiones y altas velocidades de inyección de gases comburentes aceleran grandemente la combustión disminuyendo tiempos de calentamiento y consumos de combustible; la inyección sumergida de gases en líquidos que mejora la transferencia de masa, o de masa y de calor como en el caso de la combustión sumergida disminuyendo consumos de reactivos gaseosos o de combustibles; la agitación mecánica, que mejora el contacto entre reaccionantes sólidos y líquidos o entre dos fases líquidas (metal-escoria) resultando mayores capacidades específicas en el proceso. Empleando una o varias de estas técnicas, algunas tecnologías modernas de la metalurgia extractiva fueron desarrolladas como una respuesta a las

necesidades de mayores productividades, de un control más estricto de las contaminaciones industriales, y de concientización para la conservación de los recursos energéticos. HORNOS DE FUSIÓN INSTANTÁNEA EN SUSPENSIÓN Estos hornos, además de emplear alguna de las técnicas mencionadas, aprovechan el tamaño fino de las partículas de carga para fundirles instantáneamente por la dispersión de ellas en una fase gaseosa que bien puede ser el medio de calentamiento o una fase reaccionante. En la metalurgia extractiva del cobre el proceso convencional se caracteriza por la tostación parcial de los concentrados sulfurosos en hornos de pisos para eliminar algo de azufre y oxidar parte del fierro; el producto de la tostación pasa luego a matificación en hornos reverbero cuyo objetivo es el de concentrar al cobre en una fase mata y retener al fierro oxidado en la tostación previa en una escoria que, debido a su bajo contenido de cobre, se descarta; la mata se somete luego a conversión a cobre blíster por soplado de oxígeno en convertidores tipo Pierce-Smith. Los problemas en tostación son de operación debido a las altas temperaturas a las que están sometidas las partes móviles en el horno y los consiguientes altos costos de mantenimiento que se originan; mientras que la matificación sufre altos costos de operación por concepto de combustibles debido al bajo rendimiento energético del reverbero, además de que el contenido de SO2 en los gases (< 1.0 %) es elevado como para emitirlo directamente a la atmósfera y resulta costoso tratar volúmenes tan grandes para eliminarles el SO2. La metalurgia del cobre inició la aplicación de estas técnicas al unificar las etapas de tostación y matificación y efectuarlas en un solo horno, creando las tecnologías flash, Outokumpu Oy e INCO, Fig. 3. El horno Outokumpu utiliza aire precalentado y el INCO oxígeno industrial, que se inyectan a presión junto con los concentrados sulfurosos. Las partículas de la carga se funden instantáneamente en suspensión y caen a un baño líquido de mata y de escoria que se forma por la adición de sílice. En Finlandia, los altos costos de energía hidroeléctrica hacen prohibitiva la producción de oxígeno industrialmente puro, pero hay buen mercado para ácido sulfúrico en la región y con el uso de aire precalentado para la

combustión de los concentrados secos se producen gases con 14 % SO2, ideal para manufactura de ácido.

Fig. 3 Tecnologías Flash: Outokumpu Oy e INCO En Sudbury, Ontario, el bajo costo de energía hidroeléctrica permite en cambio la producción de oxígeno con 95 % de pureza utilizado para la combustión de los concentrados de cobre. Los gases de horno producidos conteniendo 75-80 % SO2 son ideales para producir SO2 líquido que se vende a las plantas de pulpa y de papel en un radio considerable en la región de la fundidora. El horno Outokumpu consiste de una cuba vertical que permite a la carga un mayor tiempo de contacto con la fase gaseosa durante su caída.

El oxígeno casi puro en el horno INCO acelera considerablemente la combustión y fusión simultáneas de los concentrados por lo que la carga fundida cae casi directamente al baño líquido. En ambos casos los productos son escoria que se trata para recuperar la mata atrapada mecánicamente en ella, y la mata que se trata para conversión a cobre blíster por el método convencional. HORNO CICLÓN Un horno aún más intensivo que el flash lo es el ciclón, que permite la combustión instantánea en suspensión más eficientemente debido al incremento de la transferencia de masa en una turbulencia inducida. Efectividad que se nota por el transporte de calor mayor a 5.0 millones de kcal/m3h; que es más de 10 veces el correspondiente a las cámaras de combustión convencionales. La mezcla aire-concentrado se introduce tangencialmente a velocidades entre 80 y 120 m/seg permitiendo un tiempo de retención de las partículas en el vórtex del ciclón entre 0.01 y 0.03 seg. Desde su desarrollo, el ciclón se incorporó al horno KIVCET, como lo muestra la Fig. 4, para producción de mata de cobre o de cobre blíster y una escoria descartable. El concentrado seco se carga al horno ciclón, donde las partículas se funden instantáneamente en suspensión, el material fundido se adhiere a la pared del ciclón y resbala a una cámara de la que pasa a un horno eléctrico por debajo de una pared refractaria suspendida y enfriada por agua en el que predomina un ambiente reductor; la mata y la escoria producidos se pican intermitentemente.

Fig. 4 Horno KIVCET Para la combustión se puede utilizar aire, aire enriquecido con oxígeno u oxígeno técnicamente puro. Lógicamente el oxígeno puro disminuye considerablemente el tamaño de la cámara de reacción en la que las velocidades son tan altas que, dado el pequeño volumen de gases, la transferencia de calor es casi exclusivamente por conducción más que por radiación. HORNOS DE FUSIÓN INSTANTÁNEA POR INYECCIÓN A UN BAÑO LÍQUIDO Estos hornos generalmente hacen uso de oxígeno inyectado a alta presión por medio de lanzas o de toberas sumergidas para los procesos de conversión; pero se caracterizan también por la inyección de la carga, fina o peletizada, a un baño líquido en el que funde rápidamente. La carga en el horno se mantiene líquida con el calor suministrado por un quemador auxiliar y por el calor desprendido de las reacciones exotérmicas que ocurren. Se distinguen tres hornos que emplean esta técnica para fundir rápidamente y que además producen cobre continuamente en un solo reactor, o en varios pero evitando manipuleo de productos intermedios para disminuir mermas de materiales y pérdidas de calor; dichos hornos son: WORCRA, Noranda y Mitsubishi, y se ilustran en la Fig. 5.

Fig. 5 Horno WORCRA, Noranda y Mitsubishi, En el horno WORCRA se inyecta a presión una mezcla de concentrados y fundentes a un baño de escoria y mata, pero se caracteriza también por el movimiento a contracorriente de las fases escoria, mata y metal dentro del horno favoreciendo el equilibrio de los potenciales químicos de impurezas en el metal y la escoria. El reactor Noranda funde, matifica y convierte a las cargas secuencialmente con cobre blíster como producto final. La carga la constituyen concentrados y fundentes peletizados. El uso de toberas sumergidas para soplado de oxígeno a presión, en las zonas respectivas, permite la conversión de la mata a cobre blanco y de éste a cobre blíster, que es descargado cerca al extremo opuesto al de carga del reactor. La longitud del horno depende de las necesidades del tiempo de soplado para las conversiones. El proceso Mitsubishi funde y matifica a los concentrados en un horno inicial, recupera cobre de la escoria producida en una segunda unidad y

convierte la mata a cobre blíster en un último reactor. Los productos intermedios fluyen de horno a horno a través de canales refractadas. La fusión rápida de las cargas se logra inyectando los concentrados a alta velocidad al baño de mata y escoria, la conversión se efectúa con la inyección de oxígeno por medio de lanzas. En la Tabla 1 se hace una comparación de los equivalentes de combustibles de proceso de diferentes alternativas para producción de cobre. TABLA 1 EQUIVALENTES DE COMBUSTIBLES DE PROCESO PARA DIFERENTES PROCESOS DE EXTRACCIÓN DE COBRE

ALTERNATIVAS PARA PRODUCCIÓN DE PLOMO También en el caso de plomo se han producido desarrollos utilizando algunas de estas técnicas y con algunas semejanzas respecto a las tecnologías nuevas para cobre. Se presentan los procesos de reducción directa o tostación reacción, entre los que sobresalen el Boliden y el Outokumpu, Fig. 6. BOLIDEN El Boliden es el proceso más antiguo de reducción directa de plomo; funde los concentrados sulfurados de plomo instantáneamente en suspensión en un vórtex entre electrodos que están sumergidos en escoria líquida. El único escorificante que se añade es piedra caliza y la escoria producida tiene cerca de 4 % Pb; ésta se trata en una planta de volatilización de escorias para recuperar Pb y Zn.

Fig. 6 Horno BOLIDEN y OUTOKUMPU El plomo obtenido contiene 3 % S por lo que se somete a conversión por inyección de aire, de este modo se baja el contenido de azufre a niveles normales y el 4 % de plomo volatiliza y se suma al 38 % volatilizado en la etapa de fusión. Todos los polvos recirculan al horno de reducción directa. OUTOKUMPU El horno Outokumpu para plomo es muy semejante al de cobre; pero el combustible utilizado es petróleo y el aire se precalienta a 350-550 °C. El

mineral se inyecta a presión en una cuba vertical y se funde instantáneamente en suspensión. También se obtiene bullón con alto contenido de azufre pero no se somete a conversión como en el proceso Boliden sino que se enfría para eliminar PbS de la solución bulliónica y provocar su reacción con el PbO de la escoria para extraer al plomo disuelto en ella. La producción de humos es de cerca de 32 % en la fusión y 5 % en el horno de limpieza de escorias. KIVCET-CS El horno KIVCET-CS para plomo también es muy semejante al de cobre solo que en lugar de la unidad ciclón utiliza una cuba tipo Outokumpu para la fusión de concentrados plomo-zinc, Fig. 7.

Fig. 7A Horno KIVCET No es para reducción directa de plomo pero combina las funciones de tostación-sinterización, reducción y volatilización de escorias en una sola unidad, eliminando de este modo el manipuleo de materiales de etapa a etapa, incluyendo la recirculación de polvos.

Los concentrados de Pb y Zn (conteniendo Cu y metales preciosos) se inyectan a presión con oxígeno a la cuba de tostación flash (oxidación-fusión a destelleo) donde se oxidan completamente y forman una escoria que fluye al horno de reducción por debajo de la pared suspendida. En esta unidad de reducción se obtiene el plomo metálico mediante la adición de coque en polvo a altas temperaturas. El calentamiento de la escoria se hace por resistencia eléctrica, utilizando electrodos de grafito. Con estas condiciones de operación en el horno de reducción el zinc volatiliza de la escoria y se recupera en una unidad de colección de óxidos de zinc o en un condensador de zinc tipo Imperial Smelting; el cobre y metales preciosos se retienen en una mata que, al igual que la escoria y bullón, se descarga intermitentemente. Se han logrado recuperaciones de 98 % Pb, 90 % Zn, 92 % Cu y 88 % Ag en operaciones de planta piloto semicomercial. La volatilización de plomo alcanza 25-28 % de la carga y con 17-22 % S en ésta la fusión es autógena y auto controlada. Q-S-L El reactor Q-S-L para extracción de plomo se considera entre los más novedosos; supera muchos de los problemas de la fundición convencional de plomo, sobre todo de contaminación. Consiste en un horno cilíndrico de longitud considerable en el que se incorporan dos operaciones pirometalúrgicas básicamente diferentes: fusión autógena, por tostación-reacción de concentrados de galena, seguida de la reducción carbo-térmica del óxido de plomo en la escoria formada, Fig.7

Fig. 7B Horno Q-S-L

La primera ocurre por inyección, a presión, de la carga peletizada a un baño liquido de bullón, sulfuros y escoria. El soplo de oxígeno a través de toberas sumergidas en el fondo del horno consume a los sulfuros y forma una escoria de alto contenido de Pb que fluye a contracorriente del metal previamente reducido hacia el extremo opuesto al de carga del reactor. En su trayectoria, la escoria pasa por otra zona de toberas sumergidas en las que se insufla carbón pulverizado para la reducción del plomo contenido en ella. En la Tabla 2 se presentan datos sobresalientes de algunos procesos para producción de plomo y se incluyen el clásico y el Imperial Smelting para su comparación. En todos los casos la humedad máxima permisible en la carga es < 1 %. También en la extracción del zinc se ha aplicado la fusión directa de minerales sulfurosos empleando la técnica de fusión instantánea por combustión en suspensión. Estudios profundos al sistema Zn-O-S indicaron que, bajo condiciones específicas, la fusión directa de ZnS a Zn es teóricamente posible y prácticamente accesible.

Se demostró que una operación tipo flash podría efectuarse a 1,327 °C, quemando carbón pulverizado y concentrados sulfurosos, para obtener recuperaciones de 95-97 % ...