Estudio de proceso pirometalúrgico para la obtención de aleaciones Fe-Si a partir de relaves de flotación de escorias de cobre

Abstract

La constante disminución de las leyes del cobre y la complejización de los yacimientos de mineral han generado aumentos en la extracción para mantener los niveles de producción, impactando en el aumento de los residuos provocados por la industria minera. Esto ha llevado a la búsqueda de nuevas soluciones para obtener beneficio tanto económico como medioambiental de los desechos del procesamiento de mineral de cobre, como lo son las escorias de cobre, las cuales mediante diferentes procesos busca actualmente recuperar el cobre contenido en ellas (cada 1 tonelada de cobre anódico producido se generan 2,2 toneladas de escoria aproximadamente). Entre los procesos para recuperar el cobre desde las escorias destacan la limpieza de escorias mediante hornos de reducción, lixiviación de escorias y flotación de escorias de cobre, en el cual mediante la concentración de mineral se obtiene concentrado de cobre, sin embargo, este también genera un relave, el cual se compone principalmente de óxidos de Fe y de Si, con bajo contenido de otros elementos. Lo que sugiere la recuperación de estos elementos como material base a la elaboración de aleaciones de Fe-Si. Las aleaciones Fe-Si son ampliamente utilizadas en la industria eléctrica como chapas eléctricas (laminadas de grano orientado o no orientado), las cuales debido a sus buenas propiedades magnéticas son utilizadas en núcleos de motores eléctricos, transformadores, entre otros usos similares. Siendo esta una aleación competitiva tanto en prestaciones como económicamente respecto a láminas de otros materiales con similares propiedades. Utilizando muestras de relave de flotación de escorias enviadas por la Fundición Hernán Videla Lira (ENAMI), la cual trata sus escorias del horno eléctrico de limpieza de escorias en la planta Manuel Antonio Matta Ruiz (ENAMI), se buscó establecer un proceso metalúrgico que permita la obtención de aleaciones Fe-Si, a través de la utilización y el análisis de datos de simulaciones termodinámicas desarrolladas en el programa ThermoCalc 2020b con la base de datos Slag 3. Dichas muestras fueron analizadas por la empresa mediante análisis EDS, los cuales determinaron con un 95% de confianza contenidos de Fe entre 46,6 – 52,1% en masa, Si entre 13,3 – 14,4% en masa y O entre un 27,6 – 32,8% en masa (principalmente asociado a dichos elementos), los elementos restantes registraron contenidos en orden decreciente como Ca, Al, Na, Mg, K, S y Cu. Con esta composición de Fe, Si y O se calcularon las reacciones de oxidación de Fayalita a Magnetita y Sílice, y luego las posteriores reacciones de reducción con carbón coque de los óxidos de Fe y Si presentes. Se obtuvo un valor estequiométrico de C a adicionar de 25,57 [g], el cual fue incluido en la muestra y normalizado. Lo mismo se realizó para niveles de fracción porcentual de 0,5 – 0,7 – 0,9 – 1,0 – 1,1 – 1,3 – 1,5 respecto al C estequiométrico. Estos se normalizaron y simularon a temperaturas entre 1.200 – 3.000°C cada 100°C. Esto otorgó un campo muestral de 133 simulaciones. La recuperación másica global de Fe que se registró a partir de las simulaciones fue de casi un 100% no generándose diferencias notables entre los niveles de C hasta los 1.800°C. A mayores temperaturas las recuperaciones máximas se encontraron desde el nivel de C estequiométrico hasta el 50%C en exceso, donde el comportamiento entre estos niveles se mantuvo constante y sin variaciones importantes en la cantidad de Fe recuperado, esto se debió a que el cálculo de C estequiométrico incluyó el C requerido para la reducción de la SiO2, por lo que los porcentajes menores a C estequiométricos fueron suficientes para la reducción de Fe3O4 y FeO, ya que estas son reacciones más espontáneas a menores temperaturas y requieren una menor razón [CO]/[CO2] que la reducción de la SiO2. Entre las aleaciones que se obtuvieron en las simulaciones, destacó un resultado entre los máximos contenidos de Si, en la cual para un nivel del 90%C estequiométrico a 1.700°C el contenido de Si fue de 19,63% en masa de Si (máximo Si ~ 19,99% másico a una reducción con 10%C en exceso a 1.900°C), con un contenido de impurezas mínimo entre dichos máximos de 2,75 [g], la cual contiene C, Ca (~ 0%), Cu, S, O, Mg y Na (igual a 0%). En este nivel de agente reductor donde se encontró el máximo de recuperación de la aleación y una recuperación global de 92,96% en masa de Si, la cual es cercana al máximo (96,44%, 10%C en exceso a 1.900°C). Esta aleación destacó por sobre la que tiene los máximos de contenido y recuperación global Si, debido a que tuvieron pequeñas diferencias utilizando una cantidad considerablemente menor de carbón coque y temperatura, donde ambas llegaron a resultados similares. Es importante considerar la factibilidad y viabilidad del proceso, ya que al tener excesos de carbón coque, se incrementan los costos por insumos, las emisiones de CO y CO2 a tratar para cumplir con la normativa ambiental vigente, en el caso de la temperatura, el exceso de esta produce un incremento importante en los costos y a su vez un desgaste acelerado en los ladrillos refractarios del horno de reducción.