UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ “FACULTAD DE INGENIERÍA METALÚRGICA Y DE MATERIALES”
ELECTRO METALURGIA DE CINC
CATEDRÁ:
ELECTROMETALURGIA
Ing. CESAR ORTIZ JHOAN
CATEDRÁTICO:
ESTUDIANTE:
SOTO CANALES NELSON.
SEMESTRE:
IX-A 26 DE DICIEMBRE, 2018
A través de la historia el hombre ha ido perfeccionando técnicas de obtención de un metal a partir de un mineral. Esto debido a la necesidad que ha ido generando la sociedad sobre la utilización de un metal. Por ello que se idearon técnicas de purificación o refinación de las especies metálicas, una de las técnicas es la electro refinación o refinación electrolítica. Para la obtención de un cátodo de una pureza del 99.97 % , se utiliza el proceso de electro refinación, este proceso consiste en tratar especies metálicas impuras en un sistema de celdas electrolíticas. Para el que el sistema funciones se debe aplicar una corriente eléctrica continua de una intensidad determinada, permitiendo que el ánodo se disuelva en el electrolito, logrando a si el desprendimiento hacia los cátodos. Los procesos de electro refinación, están regidos por reglas y ecuaciones que nos ayudan a determinar el comportamiento del proceso electrolítico, dichos procesos no se encuentran en estado de equilibrio, sino más bien están impulsados bajo el efecto de un potencial externo. Estos se rigen con la velocidad de transferencia electrónica ( ecuación de Butler-Volmer) En la electro refinación existe una propiedad fundamental. la selectividad que tiene con las especies metálicas al aislar. La reacción del ion hasta el cátodo viene a ser una seri de procesos fisicoquímicos, desde la distorsión de su geometría hasta su adsorción en la superficie del electrodo y posterior a reducción del ion a una especie metálica neutra.
I.
INTRODUCCIÓN: ................................................................................................................... 2
II.
INDICE ................................................................................................................................... 3
III.
PRINCIPIOS ELECTROQUÍMICOS. ...................................................................................... 4
cinética electroquímica ............................................................................................................. 5 Mecanismos de transporte de masa: ........................................................................................ 5 Densidad de corriente limite..................................................................................................... 5
IV.
PROCESOS FISICOQUÍMICOS DE LA ELECTRODEPOSICIÓN ............................................. 6
Mecanismo del proceso de electro depósito metálico: ............................................................ 6
V.
REFINACIÓN ELECTROLÍTICA DE LOS METALES DE GRUPO II .............................................. 7 Tipos de celda............................................................................................................................ 7
VI.
ELECTRO REFINACIÓN DEL ZINC ....................................................................................... 9
El proceso electrolítico de obtención del cinc. ......................................................................... 9 Diagrama de flujo simplificado ............................................................................................... 11 Diagrama de flujo del circuido de zinc del complejo metalúrgico de la oroya ....................... 12
VII.
PROCESO DE OBTENCIÓN ............................................................................................... 13
Planta tostación de zinc .......................................................................................................... 13 Planta de lixiviación: ................................................................................................................ 13 Planta de purificación .............................................................................................................. 13 Planta de casa de celdas.......................................................................................................... 13 Planta de fusión, moldeo y despacho ..................................................................................... 13
VIII.
CONCLUSIÓN: .................................................................................................................. 14
La electro refinación tiene un concepto diferente al concepto de electrodeposición dentro del campo de la electrometalurgia pero emplean un procedimiento similar. La electro refinación es en si el proceso de purificación a un grao superior, de especies metálicas no ferrosas cuya base principal es la oxidación, por electrolisis, de la especie a purificar que se encuentra en el ánodo y su posterior deposito en el cátodo La electro refinación se lleva a cabo por medio del paso de corriente a través de una solución electrolítica establecida en una celda. El ánodo es el electrodo positivo( conductor de electricidad) dador de electrones, mientras que el cátodo llega a ser el electrodo negativo, receptor de los electrones. La solución electrolítica tiende a ser el medio de transporte de los iones en solución que facilita a su vez el transporte de los electrones gracias a la influencia de las sales minerales que estas presentes en su composición. Ejemplo: la refinación electrolítica de la plata en solución de nitrato de plata para la obtención de laminas del mismo material, produce un 99.9% de pureza del mismo.
Por su parte la electro deposición viene a ser la obtención de una especie metálica, esta se encuentra en disolución. Esto debido a la reducción electrolítica en el cátodo. Tanto como la electro deposición y la electro refinación emplean corriente para separar los metales de las impurezas que los acompañan. Los parámetros para esto son:
Amperaje Potencial de una celda Soluciones electrolíticas Tipo de celda Aditivos
cinética electroquímica La cinética de electrones trata fundamentalmente de la velocidad de transferencia de electrones . la transferencia de electrones ocurre entre el electrodo y partículas situadas al lado de la interfase formada por la disolución electrolítica tanto como las moléculas neutras, ion complejo o simple, son los que participan en la transferencia de electrones. Mecanismos de transporte de masa: Las especies electroactivas requieren de un transporte, que va desde la disolución hacia la superficie del electrodo, en los distintos procesos. Los cuales son tres formas de transporte:
Transporte por difusión Tiene como lugar la consecuencia de la diferencia de concentración de analito entre regiones de la disolución.
Transporte por migración Mecanismo de transferencia de masa que se debe a la acción de un campo electroestático de iones en el seno de una disolución en una celda
Transporte por convección Es el mecanismo de transferencia de masa hacia los electrodos debido a una acción mecánica. Dicha acción puede consistir en una agitación de la disolución.
Densidad de corriente limite. La aplicación de un potencial externo implica a su vez a la formación de densidades de corriente que son variables a medida que el campo eléctrico aumenta. Dichas densidades están involucradas a la producción de especies diferentes a través de todo el proceso electrolítico, por lo que existe un valor de densidad de corriente máximo en donde se puede realizar el proceso de electrolisis, a este valor se le conoce como densidad de corriente limite.
Grafica Evs J para la determinación de la intensidad de corriente limite j L
Para una determinada reacción de electrolización esta es la máxima densidad de corriente que se puede alcanzarse.
Los aspectos termodinámicos: están basados en la termodinámica electroquímica que estudia los procesos de electrodo en equilibrio y cuyas conclusiones mas importantes, relacionadas con los procesos de electro refinación de metales. Escala normal de potenciales: Ley de Nernst para sistemas en equilibrio
Diagrama de equilibrio potencial-pH: estos diagramas son ampliamente utilizados por los hidro metalurgistas, por cuanto permiten visualizar posibilidades de reacciones sin tener que recurrir al cálculo termodinámico para los fenómenos que ocurren en medio acuoso.
Diagrama Eh-pH del sistema CuH2O
Mecanismo del proceso de electro depósito metálico: Cuando un ion cruza la interfase electrizada, es decir la reacción de transferencia de carga
Para los distintos procesos (cinética electrónica, mecanismos de transporte, densidad de corriente , etc.) se debe establecer un sistema adecuado para este desarrollo se debe de prever la necesidad de ambientes semicerrados, el cual son llamados celdas electrolíticas, consiste en piscinas construidas en polímeros (plástico) por fuera y por dentro esto para evitar perdida de corriente por contacto físico. 1. 2. 3. 4. 5.
Componentes : Solución acuosa: Ánodo : Cátodo: Una fuente de corriente externa: Conductores
Tipos de celda las celdas usadas actualmente para beneficio de los metales preciosos, son construidos en base al los sistemas que se usan tradicionalmente y que se muestran a continuación:
sistema THUM-BALBACH: son tanques de porcelana vitrificada, o de hormigón revestidos de mastico, cuyo fondo esta cubierto de bloques de grafito que actúa como cátodos, los ánodos de dore se disponen horizontalmente en unos bastidores de madera encima del cátodo. Una ventaja es que puede trabajar con ánodos del mismo con una pureza no menor del 75% en comparación de las celdas Moebius, que solo acepta ánodos de plata con pureza mayore al 95%.
Sistema MOEBIUS: los ánodos y cátodos se disponen verticalmente encerrando los ánodos en bolsas de lona a fin de retener el barro anódico. Para el caso de la planta, los cátodos son láminas de acero inoxidables en los cuales se forma el metal refinado, se emplean escarbadores de madera accionados mecánicamente, los cuales separan los cristales de plata formados, echándolos al fondo de la cubeta del que se retira periódicamente.
La metalurgia extractiva toma el mineral tal cual viene de la mina. Para ser tratado el mineral, se debe liberar las fases minerales valiosas, mena, de las no valiosas, ganga. Esto se hace a través de una serie de operaciones conocidas como
preparación del mineral o metalurgia. operaciones de clasificación y concentración extracción propiamente dichas (pirometalurgia o por hidrometalurgia)
La pirometalurgia incluye operaciones por vía seca con calentamiento a temperaturas, a veces, muy altas. Entre ellas se pueden mencionar la calcinación y la tostación. La extracción por vía húmeda o hidrometalurgia se efectúa generalmente por una secuencia de etapas que contempla: la lixiviación del metal valio so a partir del mineral utilizando un reactivo acuoso, la purificación y/o concentración de la disolución y l a precipitación del metal mediante métodos químicos o electroquímicos. La extracción puede continuarse con el afino o refino. Con esta nueva etapa de tratamiento se persigue un ajuste en la concentración de impurezas, lo cual se realiza a través de métodos pirometalúrgicos o electroquímicos. Así, cuando se requiere una pureza extrema es necesario aplicar, algunas veces, técnicas complementarias como las de alto vacío. Otras veces, el afino por destilación es suficiente. Sobre todo con los metales muy reactivos, se suelen aplicar técnicas que se han dado en llamar de preafino. En este caso, el metal se afina cuando se encuentra todavía formando un compuesto sin reducir, lo cual se consigue por etapas de tratamiento hidrometalúrgico o bien utilizando destilación fraccionada. Entonces, se obtiene un compuesto muy puro que es tratado con técnicas de reducción convencionales, por métodos de descomposición térmica o por electrólisis de sales fundidas.
El proceso electrolítico de obtención del cinc. En el caso del cinc existen varios procesos que conducen a la obtención del cinc metal:
proceso de retortas horizontales.
procesos de reducción térmica.
proceso de retortas verticales.
proceso electro térmico.
proceso ISF.
proceso electrolítico.
el proceso electrolítico que, actualmente, acapara la producción de mayor tonelaje de metal produciendo el 85% del cinc mundial El método de obtención de cinc es el proceso electrolítico. Las mayores instalaciones de cinc electrolítico llegan a producir entre 250 y 300 miles de toneladas por año de un cinc de calidad 99.995. El único proceso que puede competir con este procedimiento es el ISF, pero en éste los hornos mayores sólo han alcanzado los 80 miles de toneladas de cinc y las 40 miles de toneladas de plomo; sin embargo, la pureza del cinc es baja si no se instala una destilación fraccionada.
Diagrama de flujo de una planta de electrólisis de cinc (según Huang, Z. (1990): Lead-Zinc’90. The Minerals, Metals and Materials Society (TMS). Warrendale).
La concentración de menas por flotación ha resuelto el problema de las menas mixtas (cada vez más comunes); no obstante antes de esta operación es preciso hacer una molienda que libere los distintos componentes del mineral. La práctica normal de la flotación en menas mixtas es flotar primero los minerales de cobre, deprimiendo los de cinc y plomo. A continuación, se flota la galena, luego la blenda y, a veces, finalmente, la pirita. En la fase de tostación se pretende someter el mineral a una tostación oxidante de modo que el contenido metálico de la mena pueda ser recuperado fácilmente. Esta conversión de la blenda en óxido se exige tanto para la vía pirometalúrgica como para la hidrometalúrgica, puesto que el sulfuro no se ataca con facilidad por ácidos o bases y, además, es inerte a la reducción con carbón.
BLENDA CRUDA
Diagrama de flujo simplificado electrolítico. (Modificado de Morgan, 1977 y del proceso de obtención de cinc que opera en Española del Zinc, S.A).
SO2
A la planta de acido
tostación Calcina ZnO tostado
H2SO4
lixiviación
Electrolito gastado Zn 55g/l
Neutralización y precipitación de hierro
Hierro insoluble y precipitado
Venta de sulfúrico
Zn
H2SO4 190 g/l
purificación Zn-175 g/l pH=4.5
Cu, Cd, Co precipitado
electrolisis
Polvo de cinc
fundición
grasos, espumas y óxidos
Tratamientos para reciclado LINGOTES/ ALEACIONES VENTA
Cinc de recuperación
Diagrama de flujo del circuido de zinc del complejo metalúrgico de la oroya.
Planta tostación de zinc Los concentrados de zinc provenientes de las diferentes minas de la Región Central del país son transportados por vía férrea y en camiones a la zona denominada Línea Alta del Complejo Metalúrgico La Oroya para su descarga y almacenamiento. Aquí se realizan las mezclas de calidades de concentrados según el requerimiento del circuito. En la planta de Tostación se procesan las mezclas de concentrado en un tostador de cama turbulenta (TLR) para obtener los productos: calcina (ZnO) y gases de SO2 que se envían a la planta de Ácido Sulfúrico. Su capacidad de procesamiento es de 285 TMH/día.
Planta de lixiviación: En esta planta se procesa la calcina producida en el Tostador Lurgi (TLR) con la finalidad de transformar el óxido de zinc en sulfato de zinc mediante lixiviación con ácido sulfúrico (spent).
Planta de purificación Las impurezas contenidas en la solución de sulfato de zinc proveniente de la unidad de separación de sólidos, son removidas precipitándolas con la adición controlada de polvo de zinc, obteniéndose dos productos: una solución purificada de sulfato de zinc que es enviado a casa de celdas y un precipitado de zinc que es sometido a procesos metalúrgicos para obtener otros productos como: cemento de cobre, esponja de cadmio y sulfato de zinc.
Planta de casa de celdas En esta planta, mediante un proceso electro-químico el zinc contenido en la solución purificada de sulfato de zinc se electro-deposita sobre cátodos de aluminio formando láminas de zinc catódico, estas láminas son removidas (ver imagen de la derecha) y enviadas a la etapa de fusión y moldeo
Planta de fusión, moldeo y despacho Las láminas de zinc catódico provenientes de la Casa de Celdas son fundidas en un Horno eléctrico de inducción y luego se moldea en lingotes, los cuales son apilados en atados y embalados con flejes de acero para su despacho (imagen de la derecha).
A línea principal de producción de Zinc se inicia en la planta de Tostación del concentrado de Zinc, obteniéndose dos productos: el Dióxido de Azufre (gas SO2) que es enviado a la planta de Ácido Sulfúrico de Zinc y, la calcina (Óxido de Zinc - ZnO) que es procesada en la Planta de Lixiviación, obteniéndose a su vez dos productos: una pulpa lixiviada que es decantada y filtrada para obtener como producto la Ferrita de zinc, y una solución impura de sulfato de zinc que es purificada con polvo de zinc para precipitar impurezas y alimentada al área de Casa de Celdas para obtener el zinc catódico por electro-obtención que luego es fundido, moldeado en barras para su venta al mercado. La Ferrita de Zinc es flotado obteniéndose dos productos: el concentrado zinc-plata y un producto no flotado (relave) que es la ferrita, derivado para su tratamiento posterior en el proceso de esfumado Waelz-Kiln para obtener como producto: la esponja de fierro y el Fume (óxidos de zinc indio y plomo principalmente) para ser lixiviado y obtener tres productos: solución de sulfato de zinc impuro, precipitado de plomo y el concentrado de indio del que se obtiene el Indio Metálico comercial.
