Optimización de Procesos de Tostación Metalúrgica: Simple, Oxidante y Parcial

Tostación Simple: Fundamentos y Reacciones Químicas

Proceso de calentamiento sin fusión o con fusión incipiente de la mena. Solamente intervienen la mena y el combustible.

El metal queda combinado y en forma sólida; no hay volatilización ni fusión. Es siempre endotérmica.

Reacciones de la Tostación Simple

• Descomposición de los carbonatos metálicos: MCO₃ + Q → MO + CO₂ (gas)
• Descomposición de los sulfatos metálicos: MSO₄ + Q → MO + SO₂ (gas)
• Descomposición de los hidróxidos: M(OH)₂ + Q → MO + H₂O (gas)
• Descomposición de los óxidos: 3MO₂ + Q → M₃O₄ + O₂ (gas)
• Descomposición de los sulfuros dobles: 2MS₂ + Q → 2MS + S₂ (gas)

Aplicaciones y Etapas Térmicas de la Tostación Simple

• Su aplicación principal es para menas en forma de carbonatos o sulfatos.
• En primer lugar, se produce la pérdida de agua libre, que no finaliza hasta temperaturas mayores de 100ºC.
• El agua combinada (hidratación) se elimina a 500ºC, momento en el que comienza la descomposición de los hidróxidos.
• Entre 200 y 700ºC se disocian los carbonatos y sulfatos, pero los alcalinotérreos se disocian a 1.000ºC.

Tostación Oxidante: Proceso y Requisitos Operacionales

• El proceso consiste en el calentamiento sin fusión de una mena en contacto con un agente oxidante.
• El agente oxidante generalmente es oxígeno del aire o un compuesto químico (óxido, nitrato) que, al descomponerse, proporciona el oxígeno.
• La temperatura debe ser lo suficientemente alta para que el equilibrio se desplace hacia la descomposición de la mena.
• Si la temperatura es demasiado alta, la superficie se funde e impide la oxidación.
• Se necesita exceso de aire, por encima del oxígeno teórico, para compensar la dilución en gases producidos.

Factores Críticos que Influyen en la Tostación Oxidante

• Temperatura: Depende del tipo de mena y horno. Generalmente entre 500ºC y 950ºC.
• Concentración de oxígeno: A mayor concentración, mayor velocidad de reacción y menor pérdida de calor (se inyecta aire enriquecido con oxígeno).
• Forma de presentación de la mena: Cuanto más dividida, mayor velocidad de reacción, pero mayor arrastre de partículas de mena por los gases.

Nota: Siempre se forma el óxido con mayor porcentaje de metal.

Objetivos de la Tostación Oxidante

1. Extracción Directa

   Descomponer la mena produciendo el metal libre.

   Reacción: MS (s) + O₂ (g) → SO₂ (g) + M (s) (Temp. > 400ºC)

2. Transformación en un Compuesto más Fácil de Reducir

   1. De un óxido en otro óxido en el que el metal tenga menos afinidad por O₂: 4 M₃O₄ + O₂ = 6 M₂O₃

   2. De sulfuro en un óxido o “Tostación a Muerte”:

      2 MS (s) + 3 O₂ (g) = 2 MO (s) + SO₂ (g)

      Esta reacción es exotérmica (200-750ºC) y, dependiendo del tipo de mena, puede no necesitar combustible auxiliar. Se producen pérdidas de calor por la salida de gases y la calcina, y a través de las paredes del horno. También influye el contenido de azufre que puede tolerarse en la calcina. Cuanto más bajo sea este contenido, mayor necesidad de temperatura en el horno.

      Estrategias de Ahorro Energético

      Actualmente, para ahorrar energía, se utilizan varios factores:

      • Precalentamiento de la carga.
      • Preparación de la carga (control del contenido en azufre y tamaño de grano).
      • Control de la atmósfera del horno y recirculación de gases.
      • Fluidificación del lecho.
   3. De un sulfuro en un sulfato soluble para seguir el proceso por vía Húmeda: MS + O₂ = MSO₄

3. Tostación Parcial

   Transformar la mena por oxidación parcial, quedando el metal parte en su forma química original y parte como óxido.

   Variantes de la Tostación Parcial

   • Tostación parcial previa a una reacción.
   • Tostación parcial previa a una fusión.