Desarrollo de un montaje experimental para estudio de espumación de escorias en proceso de fusión reductora y evaluaciones preliminares en el sistema CaO-SiO2-FeO-Al2O3.

Abstract

La presente Memoria de Título se enmarca en el proyecto “Proceso pirometalúrgico integrado de producción de Fe ymateriales cementicios valorizando escorias de cobre usando hidrógeno verde para fundiciones sin residuos”. Se caracterizó el proceso de espumación de escorias de cobre con tres basicidades diferentes 0.085, 1.4 y 1.7. Estas últimas dos composiciones se lograron agregando CaO a la escoria base del estudio de basicidad 0.085. Durante las pruebas experimentales, se empleó un horno de laboratorio vertical, calentado eléctricamente mediante resistencias de SiC hasta alcanzar una temperatura de 1250 °C. En un crisol de alúmina, se llevó a cabo la fusión de la escoria con diferentes basicidades previamente especificadas. Se realizaron inyecciones de nitrógeno con lanzas de alúmina para medir la altura de la espuma utilizando varas de acero 304. El propósito fundamental fue establecer la correlación entre la altura medida y la velocidad espacial del gas, analizando su comportamiento mediante la cuantificación del coeficiente de espumación con el modelo de Fruehan. Los resultados determinaron que el proceso de espumación bajo las condiciones analizadas genera una espuma estable sin generar pérdidas de material fuera del crisol. Este comportamiento es relevante dado que favorecería procesos de reducción con hidrógeno verde, al poder aprovechar los beneficios de la espuma como expansión del área de reacción. La basicidad juega un rol muy importante ya que aumenta la viscosidad de la escoria, lo que determina si la espuma se mantiene estable, sin generar una fase costrosa que dificulte la espumación, o genera una espuma turbulenta. Por otro lado, el horno que fue entregado en comodato por Codelcotech es óptimo para realizar pruebas de reducción de escorias con hidrógeno verde en cantidades superiores a 1 kg de muestra, teniendo cuidado con las rampas de calentamiento y enfriamiento, las que deben ser lentas para cuidar el revestimiento del horno y las resistencias térmicas. Se espera que los resultados obtenidos en esta Memoria de Título sean de utilidad en las fases siguientes del proyecto de reducción de escorias de cobre realizado en la Planta Piloto de Metalúrgia Química Igor Wilkomirsky, ubicada en la Universidad de Concepción.

This Thesis is part of the project "Integrated Pyrometallurgical Process for the Production of Fe and Cementitious Materials by Valorizing Copper Slags Using Green Hydrogen for a Zero Waste Smelting." The foaming process of copper slags was characterized with three different basicities: 0.085, 1.4, and 1.7. The latter two compositions were achieved by adding CaO to the base slag of the study. Experimental tests were conducted in a vertically-oriented laboratory furnace, electrically heated by SiC resistors up to a temperature of 1250 °C. An alumina crucible was used to melt the slag with the three specified basicities. Different nitrogen flow rates were injected using alumina lances to measure the foam height with 304 steel rods. The objective was to establish the relation between the measured height and the gas superficial velocity to analyze its behavior by quantifying the foaming coefficient using the Fruehan model. The results determined that under the analyzed conditions, the foaming process generates stable foam without causing material losses outside the crucible. This behavior is significant as it would favor reduction processes with green hydrogen, taking advantage of foam benefits such as expanding the reaction area. Basicity plays a crucial role since it increases the slag viscosity, determining whether the foam remains stable without generating a crusty phase that hinders foaming or generates turbulent foam. On the other hand, the furnace provided on loan by Codelcotech is optimal for conducting reduction tests of copper slags with green hydrogen in quantities exceeding 1 kg of sample. Care must be taken with the heating and cooling ramps, which should be slow to protect the furnace lining and thermal resistors. It is expected that the results obtained in this Thesis will be useful in the subsequent phases of the copper slag reduction project carried out at the Pilot Plant of Chemical Metallurgy Igor Wilkomirsky, located at the University of Concepcion.