Estudio experimental sobre la colisión y coalescencia de gotas durante la oxidación de partículas sulfuradas de cobre y hierro en condiciones de fusión instantánea.
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Date
2025
Authors
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Publisher
Universidad de Concepción
Abstract
La presente memoria de título analiza los resultados obtenidos en un estudio experimental extenso sobre los fenómenos de colisión y coalescencia de gotas que se presentan durante la oxidación de un concentrado de cobre en condiciones de fusión instantánea. El estudio tuvo como objetivo determinar el efecto de dos variables identificadas en la literatura como críticas para la formación de estos fenómenos, específicamente, el tamaño inicial de las partículas de concentrado y el flujo de alimentación de sólidos, evaluando su influencia sobre la distribución de tamaños, composición química y mineralógica de las partículas oxidadas.
Para la experimentación, se seleccionaron fracciones de tamaño de un concentrado de cobre entre 32 – 45 μm, 20 – 32 μm y < 20 μm, con tasa de alimentación de sólidos de 100 y 500 mg/min. La caracterización química del concentrado original, las fracciones de tamaño y las calcinas obtenidas durante la experimentación se determinó mediante técnicas de absorción atómica (Cu y Fe) y gravimetría (S), mientras que la caracterización mineralógica y distribución de tamaños se determinaron mediante difracción de rayos X y mineralogía automatizada Qemscan.
Para efectos del estudio, las variables de respuesta se clasificaron como directas e indirectas. Entre las directas se consideró el contenido de cobre, hierro, azufre y la mineralogía, mientras que las indirectas incluyeron el azufre eliminado, la relación atómica Cu/Fe, la función densidad volumétrica y el tamaño promedio de los materiales involucrados.
La composición del material alimentado fue dependiente del tamaño de partícula inicial. Las fases mayoritarias identificadas fueron calcopirita (CuFeS2), pirita (FeS2) y bornita (Cu5FeS4), siendo la pirita la fase mayoritaria en todas las fracciones. Se determinó que, a menor tamaño de partícula, mayor fue la presencia de bornita y menor contenido de calcopirita. La composición mineralógica y el tamaño de partícula de los materiales ensayados determinaron el comportamiento cinético de las fracciones durante su oxidación.
Los resultados de caracterización de las calcinas mostraron la presencia de partículas de tamaño significativamente mayo respecto del alimentado para la totalidad de las experiencias realizadas, siendo mayor su contenido para las fracciones del concentrado con menor tamaño en la alimentación. La tasa de alimentación, por su parte, no tuvo un efecto significativo sobre la evolución del tamaño de partícula durante la oxidación respecto de los fenómenos de fragmentación o colisión y coalescencia. La única experiencia en la que se observó generación de polvo (partículas < 20 μm) fue la calcina obtenida con la fracción 32 – 45 μm a 100 mg/min.
This dissertation presents the results of an experimental study on the phenomena of droplet collision and coalescence during the oxidation of a copper concentrate under flash-smelting conditions. The study aimed to determine the effect of two variables identified in the literature as critical of such phenomena, specifically the initial particle size and the solid feed rate. The experiments were designed to evaluate their influence on the size distribution, chemical and mineralogical composition of the oxidized particles. The selected particle-size fractions of a copper concentrate provided by Chuquicamata Smelter were: < 20 μm, 20 – 32 μm and 32 – 45 μm, with solid feed rates of 100 and 500 mg/min. The chemical characterization of both, the concentrate and the resulting calcine, was carried out by atomic absorption spectroscopy and gravimetric techniques, while the mineralogical characterization and particle size distribution were determined by X-ray diffraction and QEMSCAN analysis. The response variables were classified as direct and indirect. The direct variables included: the copper, iron, and sulfur content, as well as the mineralogy of the oxidized copper concentrate particles. The indirect variables comprised the sulfur removal, the Cu/Fe atomic ratio, the size distribution, and the average particle size of the copper calcines. The composition of the feed material was strongly dependent on the initial particle size. The main identified phases were chalcopyrite (CuFeS2), pyrite (FeS2), and bornite (Cu5FeS4), with pyrite being the major phase in all size fractions. Smaller particle sizes showed a higher presence of bornite and a lower content of chalcopyrite. The results showed the presence of particles larger than the feed size in all the experiments. This feature in the oxidation behavior of the particles was stronger as the initial particle size was smaller. Conversely, the solid feed rate had no significant effect. The only experiment in which dust generation (particles < 20 μm) was observed, corresponded to the calcine obtained from the 32 – 45 μm size fraction fed at 100 mg/min.
This dissertation presents the results of an experimental study on the phenomena of droplet collision and coalescence during the oxidation of a copper concentrate under flash-smelting conditions. The study aimed to determine the effect of two variables identified in the literature as critical of such phenomena, specifically the initial particle size and the solid feed rate. The experiments were designed to evaluate their influence on the size distribution, chemical and mineralogical composition of the oxidized particles. The selected particle-size fractions of a copper concentrate provided by Chuquicamata Smelter were: < 20 μm, 20 – 32 μm and 32 – 45 μm, with solid feed rates of 100 and 500 mg/min. The chemical characterization of both, the concentrate and the resulting calcine, was carried out by atomic absorption spectroscopy and gravimetric techniques, while the mineralogical characterization and particle size distribution were determined by X-ray diffraction and QEMSCAN analysis. The response variables were classified as direct and indirect. The direct variables included: the copper, iron, and sulfur content, as well as the mineralogy of the oxidized copper concentrate particles. The indirect variables comprised the sulfur removal, the Cu/Fe atomic ratio, the size distribution, and the average particle size of the copper calcines. The composition of the feed material was strongly dependent on the initial particle size. The main identified phases were chalcopyrite (CuFeS2), pyrite (FeS2), and bornite (Cu5FeS4), with pyrite being the major phase in all size fractions. Smaller particle sizes showed a higher presence of bornite and a lower content of chalcopyrite. The results showed the presence of particles larger than the feed size in all the experiments. This feature in the oxidation behavior of the particles was stronger as the initial particle size was smaller. Conversely, the solid feed rate had no significant effect. The only experiment in which dust generation (particles < 20 μm) was observed, corresponded to the calcine obtained from the 32 – 45 μm size fraction fed at 100 mg/min.
Description
Tesis presentada para optar al título de Ingeniero/a Civil Metalúrgico/a.
Keywords
Pirometalurgia, Cobre, Fusión, Partículas