PROCESSO PARA OBTENÇÃO CONTÍNUA E DESCONTÍNUA DE UM METAL
OU DE VÁRIOS METAIS DE UMA ESCÓRIA CONTENDO O METAL OU UM
COMPOSTO DO METAL A invenção refere-se a um processo para a obtenção contínua ou descontínua de um metal ou de vários metais de uma escória contendo o metal ou um composto do metal, em que a escória contendo metal, liquidifiçada, é aquecida em um agregado de fusão primário ou secundário.
Quando da primeira fusão de concentrados de cobre são produzidos mate de cobre e escória. A escória contém cobre tanto em forma dissolvida como também em forma de inclusões de mate mecanicamente convertidas. Há dois processos essenciais para a purificação da escória: A flotação de escória depois do resfriamento brusco, fragmentação e moagem e a redução pirometalúrgica da escória líquida.
Purificação de escória pirometalúrgica ou fusão de concentrados é realizada em geral em três variantes, a saber: 1) em um forno a arco voltaico AC mediante redução com coque e eletrodos, pré-aquecimento da escória e sedimentação, 2) em fornos rotativos cilíndricos horizontais, mediante vaporização de um meio de redução, p.ex. e um forno de purificação de escória Teniente, 3) em conversor vertical com vaporização de um meio de redução, p.ex. TBRC ou IsaSmelt, Aussmelt ou processo semelhante. A purificação de escória requer a redução de magnetita, para liberar as inclusões suspensas e possibilitar sua deposição e permitir a co redução de óxido c úpr l co. A put lucàçdo ac escória de cobre em fornos a arco voltaicc AC mai s frequentemente empregada requer um forno relativamente grande devrdo ao tempo requerido de redução e sedimentação, que importa em 3 a 8 horas. Ela ocasiona um consumo de energia especifico reiativamente alto devido ã acentuada influência específica das perdas de calor. A purificação de escória em um forno a arco voltaico é realizada como processo descontínuo ou semicontínuo. A flexibilidade do forno a arco voltaico quando da regulagem de temperatura permite um correto pré-aquecimento da escória. A formação de inclusões de cobre metálicas dispersas como produto da redução de óxido cúprico juntamente com uma parte de pequenas inclusões de mate de cobre restringem, contudo, a separação de fases e suficiente recuperação de cobre.
Um processo para a recuperação de metais de escórias contendo metal, especialmente de escórias de ferro-cobre em um forno de fusão é conhecido da U53 4,110,107. A escória fundida é introduzida em um forno a arco voltaico, em que ocorre uma fusão. É empregada uma unidade de injeção para introduzir carbono na região de fundo do banho em fusão. Um meio de escor i f icação, como por exemplo Cão, é ígualmente introduzido no banho. Depois da redução, o metal é retirado do forno.
Um processo semelhante para a recuperação especialmente de níquel e de uma mistura de níquel-cobre de uma massa fundida de escória é conhecido da US 4,035,636.
Ali, magnetita na escória é reduzida com materiais contendo carbono. Ocorre então uma niisturação da escória com um agitador mecânico, enquanto que tem lugar a redução da escória.
Da WO 01 /49890 Al é conhecido um processo para produção de cobre blíster diretamente do concentrado de sulfato de cobre, em. que o cobre é obtido de mate de cobre tínamente moído e resfriado em um. recipiente de reação sob enriquecimento com oxigênio. 0 enriquecimento com oxigênio é efetuado mediante adução de ar enriquecido em oxigênio, sendo que o teor de oxigênio importa em ao menos 50 %.
Cobre blíster, também chamado "cobre bruto", é cobre não refinado, em bruto. Cobre possui no estado líquido em fusão maior capacidade de dissolução para fases do que o metal sólido. Quando da solidificação, os fases se depositam no cobre como pequenas bolhas (inglês: blíster). A US 4,060,409 mostra um sistema pirometalúrgico, com o qual material pode ser mantido no estado fundido. O sistema apresenta um recipiente para alojamento do material, sendo que no interior do recipiente está formado um número de células de igual tamanho. Além disso, está prevista uma pluralidade de agitadores mecânicos, para poderem agitar o material fundido. A US 6,436,169 descreve um processo para operação de um forno de fusão de cobre, sendo que uma substância contendo ferro com mais de 80 por cento em peso de ferro ó adicionada, que apresenta uma espessura entre 3,0 e 8,0; o diâmetro das partículas se situa então entre 0,3 e 15 milímetros. A substância contendo ferro é escória de cobre contendo ferro. É realizada então uma redução de Fe;0.; para FeO.
Um disposít:vo para tratamento metalúrgico contínuo é conhecido da EU 0 4 8 / C32 BI . Ele apresenta um. forno de? {usao pata iusão e oxidaçãc de concentrado de? cobre, para produzir uma mistura de mate e escória. Além disso, é previsto um torno de separação para a separação de mate da escória. Em. um torno conversor, para produção de cobre oruto, é oxidado c mate separado da escória. Dispôs:civos de calha de sangria de fusão unem o forno de fusão, c forno de separação e o forno conversor. Para o refino do cobre produzido no forno conversor estão previstos fornos anódicos. Uma união entre o forno conversor e os fornos anõdicos é provida com dispositivos de calha de cobre bruto.
Da EP 0 487 031 BI se depreende um processo para a fusão contínua de cobre. Também aí estão previstos um forno de fusão, um forno de separação e um forno conversor, que estão unidos entre si por dispositivos de união contínuos.
Além disso, estão previstos fornos anódicos, que se encontram em união contínua com o forno conversor, O concentrado de cobre é alimentado no forno de fusão, onde ocorre uma fusão e oxidação do concentrado para produção de uma mistura de mate e escória. Em seguida, a mistura de mate e escória é aduzida ao forno de separação, em que ocorre uma separação do mate da escória. O mate separado da escória é então levado ao forno conversor, onde é oxidado para produção de cobre bruto. 0 cobre bruto flui então para um dos fornos anódicos, onde é produzido o cobre.
Os processos anteriormente conhecidos para obtenção de um metal de uma escória contendo o metal ainda carecem de aperfeiçoamento com relação à sua eficiência. '■ : nvonçac tem, por conseguinte, o objetivo de disponibilizar um processe aperfeiçoado para recuperação de metais, especiaimente de coore, a partir de escórias.
Esse objetivo é a icar.çadc oela invenção pelo fato de que a escória contendo metal é aquecida em um agregado de fusão primário ou secundário formado como forno elétrico ae corrente alternada e a massa fundida é então passada do agregado de fusão primário ou secundário para um forno elétrico de corrente contínua, em que ocorre uma separação eletrolítica do metal a ser obtido, sendo que no agregado de fusão primário ou secundário é alimentado e/ou injetado um agente de redução em forma de silicieto de cálcio (CaSi) , carbureto de cálcio (CaCt) , ferrosilício (FeSi) , alumínio (Al) e/ou gases de redução.
Como agregado de fusão primário ou secundário é empregado de preferência um forno a arco voltaico. 0 metal a ser obtido é de preferência cobre (Cu) , que se encontra em uma escória contendo cobre. Mas também é possível que se trate, no metal a ser obtido, de chumbo (Pb), zinco (Zn), platina (Pt), crotno (Cr) ou níquel (Ni).
No agregado de fusão primário ou secundário executado como forno elétrico de corrente alternada podem ser efetuadas uma redução prévia ou oxidação da escória ou de concentrados de metal e uma separação de mate de metal ou de uma liga de metal, especialmente de mate de cobre, sendo que no segundo forno executado como forno elétrico de corrente contínua ocorrem, uma profunda redução de escória e uma remoção de inclusões.
No segundo forno executado como forno elétrico de corrente contínua, durante a obtenção do metal, pode também ocorrer uma agitação eletromagnética da massa fundida. Para a produção da agitação eletromagnética, ao menos um eieti olrr.a pode atuar sobre a massa fundida que se encontra no segundo forno. Mas também pode ser previsto que para a produção da agitação e Letromagnét,i ca ao menos urr. ímã permanente atue sobre a massa fundida que se encontra no segundo forno, ü ao menos um ímã produz, de preferência, um campo magnético entre 10 e 1.0C0 Gauss, sendo que o campo magnético abrange ao menos uma parte da seção transversal da massa fundida e da região dos eletrodos no segundo forno.
No agregado de fusão primário ou secundário pode ser adicionado ainda também coque como agente de redução durante o aquecimento.
Sobre a superfície da massa fundida no segundo forno pode ser alimentado material contendo carbono, especialmente coque, de tal maneira que se forme uma camada do material contendo carbono com espessura essencialmente constante, sendo que a camada, atuando como ânodo, está em contato com um composto elétrico. Além disso, pode ser previsto que na região de fundo sob a massa fundida no segundo forno seja mantida uma camada de mate de metal ou liga de metal, especialmente de mate de cobre, com espessura essencialmente constante, sendo que a camada, atuando como cátodo, está em contato com um composto elétrico. A invenção propõe, portanto, uma redução de escória em dois estágios e a remoção do metal (de preferência do cobre} em dois fornos de arco voltaico, sendo que são previstos os mencionados agentes de redução específicos, que permitem uma redução especiaLmente boa. O prime,ro forno, o forno a arco voltaico de corrente tn f ãsícs, serve para a reuuçào prévia da escória e para a separação de mate de metal (mate de cobre), seguida de uma profunda redução de escória e remoção de inclusões em um forno de calha de redução DC com agitação eletromagnética. O emprego de agitação eletromagnética, que aperfeiçoa a transição dc material para a área de redução e a coalescência das inclusões, juntamente com eietrólise de escória e fenômenos eletrocinéticos possibilitam uma eficaz purificação de escória e alta recuperação de metal, especialmente de cobre.
Nos desenhos está representado um exemplo de execução da invenção. Mostram: Fig. 1 - uma representação esquemática de um agregado de fusão primário ou secundário em forma de um forno a arco voltaico de corrente tnfásica e de um forno de calha de redução DC pós - conectado Fig. 2a - e Fig. 2b - a vista dianteira em corte e a vista lateral em corte do forno de calha de redução DC para profunda redução de escória e remoção de inclusões com emprego de um leito de coque e mate de cobre líquido como eletrodos.
Na fig. 1 se pode ver um agregado de fusão l primário ou secundário em forma de um forno de corrente alternada, ao qual se conecta um segundo forno 2 em forma de um forno de corrente contínua. A massa fundida de escória de cobre preparada no forno 1 é conduzida para o segundo forno 2 através de um dispositivo de união 8 em í.orma de uma calha de material em fusão (também possível em forma de um. íornc reLavguiâi) .
No primeiro forno 1 e, portanto, na massa fundida que se encontra nesse forno imergem dois eletrodos 9 e 10 de eletrodos de grafite, que estão conectados a uma fonte de corrente alternada 11.
As escórias contêm, dependendo do tipo do agregado de fusão 1 primário e/ou secundário, - gotículas de metal como por exemplo em processos de liga de ferro (p.ex. FeNi, FeMn, FeCr e processos de produção de TiO,:), - metais em forma sulfídica ou oxídica, sendo que IsaSmelt, Aussmelt, Outokumpu ou TBRC como fundidores primários, - metais e ligas de metal, que resultam quando do processamento de insumos oxídicos, p.ex. de um forno de eletrodo ou forno de cuba, como produtos, O segundo forno 2 tem uma entrada de escória 16 para a escória 15 bem como uma saída de escória 17. No segundo forno 2 se encontram dois eletrodos 4 e 5, que são executados do tipo placa. Ambos os eletrodos 4, 5 estão acoplados através de ligações elétricas em forma de um eletrodo de contato de grafite 6 ou 7 a uma fonte de corrente contínua 12. 0 eletrodo 6 superior, situado horizontalmente, está conectado ao pólo positivo da fonte de corrente contínua 12 e serve como ânodo.
Correspondentemente, o eletrodo 5 inferior, igualmente disposto na horizontal, está conectado ao pólo negativo da fonte de corrente contínua 12 e serve, assim, como cátodo.
Através de um processo eletrolítico é obtido o cobre.
Como se pode depreender da fig. 2, o forno 2 6 executado como forno de calha. Lateralraente está dispostas bobinas 11 e Ί 4 elétricas em corno de núcleos de metal , que formam assim eietroímãs 3. Com. esses ímãs é produzido um efeito de agitação eletromagnético, que agira a massa fundLda no segundo forno 2, ver abaixo.
Característica essencial é que a escória contendo metal é aquecida no forno elétrico 1 de corrente alternada e a massa fundida é então passada do forno 1 para o forno 2 executado como forno elétrico de corrente contínua, em que ocorre uma separação eletrolítica do metal a ser obtido, que pode se apresentar p.ex. como sulfeto ou óxido. No forno 1 pode alimentado e/ou injetado um agente de redução em forma de silicieto de cálcio (CaSi), carbureto de cálcio (CaC;), ferrosilício (FeSí), alumínio (Al) e/ou gases de redução.
Quando da redução tem lugar um processo em si conhecido, que - no exemplo da adição de coque - se apresenta como segue: Magnetita e óxido cúprico na escória reagem aqui com o carbono dos eletrodos de grafita 9, 10 e coque adicionado segundo as equações: A redução de óxido cúprico é limitada pela co redução de magnetita. As condições da co-redução são determinadas pelo equilíbrio dessa reação: ( CU"0) cíjcü: , a + 3 ( FeO) t.ocôr ,ü O 2 (Cu)*ul+ ( Fe j04 ) tíSCór :« O teor de cobre na escória da massa fundida se situa entre 2 e 10 % e o teor de magnetita entre 10 e 20 % dependendo do processo de fusão e da qual idade do maie produz i do, A primeira etapa do tratamento de escória no forno a arco voltalco AC 1 se concentra na redução de magnetita para um valor de 7 a 8 % e um teor de cobre de 0,8 a 1,2 %, o que requer um consumo de energia unitária de òC a ''0 kWh /1, dependendo da composição original, da escória, O grau da redução de escória acima mencionado permite reduzir o tempo de redução ern torno de cerca de 50 %, o que corresponde a um duplo aumento das capacidades de tratamento de forno. A escória é sangrada continuamente ou a intervalos regulares para o segundo forno de calha de redução DC 2 (forno de corrente contínua). 0 leito de coque 4 sobre a superfície da escória, com o qual o eletrodo de grafita 6 estabelece o contato para com a fonte de corrente contínua 12, tem a função do ânodo e o mate 5 líquido em contato com o bloco de grafita 7 é um cãtodo no forno de calha de redução DC 2.
No lado de entrada no forno estão dispostos dois blocos de ímãs permanentes na janela do recipiente de forno, a saber, à meia altura da camada de escória. A cooperação de um campo magnético horizontal, não uniforme, com um campo elétrico constante, vertical, não uniforme, induz o gradiente da força de Lorentz atuando sobre a escória. A força de Lorentz, que atua em todo volume elementar de líquido condutor, como p.ex. escória líquida, atua em campos elétricos constantes e magnéticos permanentes cruzados, altera evídentemente a densidade relativa do líquido: com: yA densidade relativa aparente; em N m y - densidade rei ativa em N m ■j - densidade de fluxo em um líquido em A rn B ■■ indução magnética em T.
Com a força acima mencionada a uma densidade de fluxo de /00 a 2000 A/m' e uma intensidade de campo magnético de 0,005 a 0.1 Tesla, a velocidade da escória é 1 a 2 ordens de grandeza maior em comparação com as velocidades de convecção naturais. Ela coloca a escória na região do ímã em intensiva rotação, com o quê a transição de magnetita para a superfície de coque é melhorada e acelerada a redução. À elevada temperatura da redução de escória {1200 até 1300 <;C) , as reações quando da redução da magnetita e co-redução do óxído cúpríco são controladas por transição de material, a agitação da escória melhora essencialmente a velocidade de redução.
Além disso, a agitação da escória impede a formação de líquido estagnado e homogeneiza a escória. A agitação da escória no primeiro estágio do processo para a remoção de inclusões é favorável, com o quê é aumentada a probabilidade de sua colisão e de sua coalescência. O movimento da escória aumenta a probabilidade da colisão de inclusões de mate e cobre metálico, com o quê são melhoradas sua coalescência e deposição. A segunda parte do forno de calha 2 não sofre um intensivo movimento de escória e permite uma suave sedimentação das inclusões.
Devido à estrutura de íons da escória líquido, a corrente contínua excita a eletrólise da escória. Redução catódica e oxidação anódica resultam na redução de; ^agnetita, separação de cobre e formação de monóxido de cãrbonc sobre os eletrodos em, correspondência às reações : A decomposição catódica de magnetita e a separação cobre aumentam a velocidade toLal da redução de magnetita e remoção de cobre. A separação de CO como produto anódico forma outros centros da redução de magnetita, A força adicional, atuando sobre inclusões metálicas, como resultado da alteração provável da densidade relativa da escória e a interação do fluxo no metal e do campo magnético são iguais: A interação do campo elétrico com a carga elétrica de superfície sobre a superfície de inclusão permite que as gotas de metal migrem ao longo das linhas de campo elétrica fenômeno pela fór com : V·.; ·· velocidade de migração em m s t; carga de superiIcie em coul m E intensidade do campo elétrico em V m % viscosidade de escória em Pa S K condutibi1 idade específica da escória em Ω m λ res i stênc i a da interface metal 'escória om o rn Com base na densidade de carga elétrica decresce a velocidade de migração do metal ou das inclusões de mate segundo a fórmula acima especificada com o raio de gota. A velocidade de migração é, com inclusões menores, essencialmente maior do que a deposição por força da gravidade. 0 processamento de escória em campos elétricos e magnéticos cruzados utiliza uma série de fenômenos, pelos quais o processo de purificação de escória se torna muito intensivo e eficaz. Agitação eletromagnética da escória aumenta a transição de material, com o quê é acelerada a redução de escória e promovida a coalescência das inclusões. Eletrólise de escória simultânea atua quando de redução catódica de magnetita e óxido de cobre e formação anódíca de monóxido de carbono como agente de redução adicional. Migração e1etrocapilar das inclusões favorece sua coalescência e conduz à remoção de inclusões da escória.
Exemplo: Escória da fusão de concentrado em um agregado de fusão Flash contém 4% Cu e 15% Fe }0,, . A escória é sangrada todas 3 horas e transferida por uma calha para o forno a arco voltaico de corrente contínua 9,5 MVA 1. A quantidade de produção de escória imporia em 3 0 t/h, correspondendo isso a um procesaainenco de 90 l em cada ciclo. O consumo de coque imporia em corno de 8 kg/c e o consumo de energia em torno de 7 0 kWh/t, correspondendo a uma tomada de potência média de 6,3 MW. Depois de uma hora, começa a sangria de escória no forno a arco voltai co por um período de 2 horas, A escória com um teor de Cu de 1,1% e 7% de Fe,Q.; é transportada pela calha 8 para c forno a arco vo', tuieo DC 2 com uma câmara, que tem 4 m de comprimento e 1 m de largura. 0 forno de calha de redução para purificação de escória semicontínua está representado na fig. 2. A escória fluir por 2 horas continuamente pelo forno de calha de redução 2. Com um espelho de escória de 1 m importa o tempo de permanência médio em cerca de 30 minutos. Com perdas de calor de forno de 1 GJ/h importa o consumo de corrente unitária em torno de 35 kWh/t e a tomada de potência requerida em 1 MW. Com uma tensão estimada de 100 V, situa- se a intensidade de corrente na ordem de grandeza de 10 kA. O consumo de coque estimado é de cerca de 2 kg/t. A escória pronta contém 0,5% Cu e 4% magnetita. O consumo de energia total importa em 105 kWh/t e o consumo de coque em 10 kg/t. O processo de acordo com a invenção opera segundo o exemplo de execução, portanto, como purificação de escória de cobre em dois estágios em fornos a arco voltaico.
Pode haver uma carga periódica ou contínua da escória no primeiro forno a arco voltaico 1 . Nesse forno 1 são introduzidos os eletrodos de grafita ou carbono na escória fundida e sobre ela é produzida uma adição de corrente. Sobre a superfície da escória é adicionado coque ou um outro agente de redução. A regulagem da temperatura de escória no forno de purificação de escória é f e: i a mediante regulagem da tomada de potência, Final mente, é íeiia uma sangria dos meuai s obtidos em forma de mate de cobre e cobre metálico.
Também no forno de calha DC 2 pode haver uma sangria periódica ou contínua da escória. Uma corrente contínua e aplicada entre a camada de coque atuando como ânodo na superfície da escória e o mate líquido atuando como cãtodo. 0 campo magnético localmente limitado, superposto, que é produzido por eletroímãs ou imãs permanentes, é utilizado para colocar a escória em movimento. Sobre a superfície da escória é carregado coque, para manter constante a espessura de camada da camada de coque e conservar condições de contato elétrico favoráveis com os eletrodos de grafita ou coque. Também aqui pode haver uma sangria contínua ou periódica do mate de cobre ou do mate de cobre juntamente com cobre metálico. Além disso, é mantida uma camada de mate de cobre-(cobre) sobre o fundo do forno como cátodo líquido, sendo que o cátodo se encontra em contato com o bloco de grafita. Os eletrodos podem também consistir em um outro material eletricamente condutor. A escória de cobre pode representar aquela escória que é obtida pela fusão de concentrados de cobre para mate de cobre ou diretamente para cobre Blister, bem como aquela escória, que é obtida pela conversão de meta de cobre.
Como primeiro forno a arco voltaico 1 pode ser empregado um forno a arco voltaico de corrente tnfãsica AC ou um forno a arco voltaico DC. A indução de um campo elétrico produzido por ímãs permanentes ou e í.eL roí mas se situa, de preferência, na faixa de 50 a i.OOü Gausc, sendo que o campo magnético permanente cobre uma parte da seção transversal da escória líquida na região do eletrodo ou eletrodos em contato com o leito àe coque.
Como eletrodos são empregados de preferência eletrodos de graíica ou carbono, O local dos eletrodos permite que as linhas de corrente cruzem as linhas de campo magnéticas. 0 ótimo posicionamento dos eletrodos faz com que as linhas de corrente se estendam perpendicularmente às linhas de campo magnéticas.
Como explicado, a camada do metal líquido ou mate de metal sob a escória está em contato com um eletrodo de grafita ou outro, que tem a função do cãtodo; o carbono ou a camada de coque na superfície de escória está em contato com um eletrodo de grafita ou outro, que tem a função de ânodo. A intensidade da corrente contínua se situa, de preferência, na faixa entre 500 e 50.000 A, em função do tamanho do agregado de purificação de escória, da quantidade de escória e da temperatura.
Embora o processo proposto seja previsto preferencialmente para a obtenção de cobre, pode também ser aplicado para outros metais, como para chumbo (Pb), zinco (Zn) , platina (Pt), crorao (Cr) ou níquel (Ni) .
Pela redução de escória em dois estágios e pela remoção do cobre em dois fornos a arco voltaico se consegue que o primeiro forno a arco voltaico de corrente trifásica possa ser empregado para a redução prévia da escória e separação de mate de cobre, seguida de uma profunda redução de escória e remoção de inclusões em um forno de calha de redução SC com agitação eletromagnética. 0 emprego de agitação eletromagnética, que aperfeiçoa a transição de material para a área de redução e a coa] escência das inclusões, juntamente com eletrólise de escória e fenômenos eletrocinéticos, possibilita uma eficaz purificação de escória e uma alta recuperação de cobre. Com o processo proposto, portanto - dito de modo genérico - é também possível uma redução de óxidos de metal. No agregado de fuso primário pode também ocorrer uma fusão oxídica de concentrados.