hornos convertidores

PROCESOS UNITARIOS METALURGICOS

HORNOS CONVERTIDORES

El convertidor metalúrgico o sencillamente convertidor es un equipo utilizado en

metalurgia extractiva para la operación de conversión.

Consiste esencialmente en un horno que contiene el baño fundido. Sus formas y

dimensiones son variables, pero entre los arreglos más comunes se puede mencionar los

convertidores horizontales y los verticales. En ambos casos el equipo tiene forma cilíndrica

o similar, con una abertura en su parte superior (boca), y es capaz de realizar un

movimiento basculante (inclinación o rotación para cada caso), esencial tanto para recibir

los diferentes materiales alimentados, como para descargar el metal ya procesado.

La conversión puede realizarse por oxidación selectiva de uno o varios componentes del

baño fundido, al introducir gas (con frecuencia aire o una mezcla enriquecida del mismo)

ya sea a través de una serie de aberturas en su coraza llamadas toberas o por medio de un

tubo que se introduce desde su boca hasta el baño fundido, llamado lanza. De esta forma,

los elementos indeseables e impurezas son eliminados ya sea por su incorporación en

la escoria o por volatilización y/o arrastre en los gases de salida.

USOS:

I. METALÚRGICA FERROSA

Dentro de la metalurgia ferrosa se han utilizado varios equipos para la conversión

del arrabio, es decir, la eliminación del carbono y otras impurezas por oxidación para

producir CO2 y volatilización. Uno de los equipos que ha destacado es el convertidor

Bessemer (ya en desuso) el cual tenía forma de pera, y las toberas ensartadas en el

fondo del reactor. Su descendiente, el horno básico de oxígeno es el equipo que

prevalece en la metalurgia moderna del acero como el principal equipo de

conversión.

La esencia del método de los convertidores para la obtención del acero consiste en

que a través del hierro fundido líquido cargado al convertidor, se inyecta aire, que

ING. QUIMICA Página 1


burbujea dentro de la masa fundida y cuyo oxígeno oxida el carbono y otras

impurezas.

El convertidor representa un recipiente en forma de pera, soldado con chapas gruesas

de acero y revestido interiormente con material refractario. En la parte central del

convertidor, exteriormente se hallan dos tetones cilíndricos llamados muñones que

sirven de soporte y permiten girar el convertidor. Uno de los muñones es hueco y se

une con el tubo conductor de aire. Del muñón el aire es conducido por un tubo y por

la caja de aire al fondo. En el fondo del convertidor están las toberas a través de las

cuales el aire se suministra al convertidor a presión. También se utiliza la insuflación

de oxígeno con lo que el proceso se hace más rápido y eficiente.

Para cargar el convertidor este se hace girar de la posición vertical a la horizontal, se

agrega el arrabio fundido y se regresa el convertidor a su posición vertical, en ese

momento se pone en marcha el soplado. El volumen de metal incorporado constituye

de 1/5 a 1/3 del volumen de la altura de la parte casi cilíndrica.

El calor necesario para calentar el acero hasta las altas temperaturas necesarias se

produce a expensas de la oxidación de las impurezas del arrabio, ya que todas las

reacciones de oxidación generan calor



.

En dependencia de la composición del arrabio los convertidores se dividen en dos

tipos:

Convertidor con revestimiento ácido: (procedimiento Bessemer) utilizado para

los arrabios con una cantidad mínima de fósforo (0.07%) y azufre (0.06%).

Convertidor con recubrimiento básico: (procedimiento Thomas) utilizado para

los arrabios con mayor abundancia de fósforo (hasta 2.5%).

PROCEDIMIENTO BESSEMER

Para el procedimiento Bessemer el convertidor se reviste interiormente de ladrillos

refractarios de sílice (no menos de 94.5% de SiO2) y arena cuarzosa, los que suelen

fundirse a 1710°C. Este revestimiento no se corroe por las escorias de carácter ácido,

por consiguiente en este convertidor solo pueden tratarse arrabios al silicio.

El aire que entra en la masa fundida suministra el oxígeno que en primera instancia

interactúa con el hierro para formar óxido ferroso (FeO). Por consiguiente las



impurezas comienzan a oxidarse en dos direcciones: por al oxígeno del aire que pasa

a través del metal y por el óxido ferroso que se forma y disuelve en el metal fundido.

Durante la inyección de aire para hacerlo pasar a través del metal se diferencias tres

períodos característicos:

La oxidación del hierro, silicio, manganeso y la formación de la escoria.

La quema del carbono

La desoxidación o la desoxidación-carburación

a. Primer período:

En esta etapa se oxida el hierro, el silicio y el manganeso generando calor por lo que

el metal se calienta. Durante este tiempo se forma la escoria. Las reacciones

químicas que se producen son:

2Fe +O2----->2FeO

Si+2FeO ---->SiO2+2Fe

Mn+FeO---->MnO+Fe

A su vez los óxidos generados entran en combinación según:

MnO+ SiO2 ----->MnO.SiO2

FeO+SiO2 ----->FeO.SiO2

y forman la escoria. Si la cantidad de SiO2 por la oxidación del silicio contenido en el

arrabio no es suficiente, pasa a la escoria la sílice del revestimiento del convertidor.

Todos estos procesos de oxidación han calentado el metal y se produce la segunda

etapa.

b. Segundo período

Dada la alta temperatura del metal comienza a quemarse el carbono:

C + FeO ---->CO + Fe



Este proceso se realiza con absorción de calor, pero el metal no se enfría porque al

mismo tiempo se está oxidando el hierro en el convertidor que suple el calor

necesario para mantener la temperatura.

El monóxido de carbono que se produce, produce una fuerte ebullición del metal y

al salir del convertidor se quema con el aire atmosférico, formando dióxido de

carbono, el convertidor genera una llamarada clara. A medida que se consume el

carbono, la llama comienza a extinguirse hasta desaparecer por completo, esto

indica que el carbono se ha quemado casi en su totalidad y marca el fin de la

segunda etapa.

c. Tercer período

En este momento se interrumpe la insuflación de aire, ya que con su suministro

ulterior y con muy poco carbono comenzará a oxidarse el propio hierro a óxido

férrico con las consiguientes pérdidas de metal.

Una vez interrumpido el suministro de aire el convertidor se lleva a la posición

horizontal para realizar la desoxidación y carburación del acero. El objetivo de este

paso es eliminar el oxígeno disuelto como FeO, como desoxidantes generalmente

se utilizan las ferroleaciones y el aluminio puro. Para elevar el contenido de

carbono en el acero a los valores deseados se utiliza una fundición especial.

El material terminado se convierte a grandes lingotes para su uso en los

laminadores.

El acero Bessemer se utiliza en piezas de uso general, varillas para hormigón

armado, vigas laminadas, hierro comercial para construcciones y similares. Las

deficiencias de este método son:

La imposibilidad de eliminar del metal el fósforo y el azufre

La elevada pérdida de hierro por oxidación (8-15%)

La saturación del hierro con nitrógeno y óxido de hierro que empeoran su

calidad.



PROCEDIMIENTO THOMAS

En este convertidor el interior se reviste de material refractario básico, ladrillos de

magnesita en las paredes y el fondo con una mezcla de brea de carbón mineral y

dolomita. Como fundente para la formación de la escoria se utiliza la cal viva (CaO)

con un contenido mínimo de los óxidos ácidos sílice (SiO2) y alúmina (Al2O3).

Surge de la necesidad de tratar las fundiciones con alto contenido de fósforo,

obtenidas de menas ferrosas que se encuentran bastante propagadas en la corteza

terrestre. A su vez el contenido de sílice debe ser muy bajo (menos de 0.5%) para

evitar el uso excesivo de fundente neutralizador.

El proceso de fundición en un convertidor Thomas se efectúa del modo siguiente:

primero se carga el convertidor con la cal, después se vierte el hierro fundido, se

inicia el viento y se gira el convertidor a la posición vertical.

Lo primero que pasa es a oxidación del hierro según la reacción:

Fe + ½O2 ------>FeO

el óxido ferroso formado se disuelve en el metal y oxida el resto de las impurezas

Si, Mn, C y el fósforo .Se distinguen tres períodos:

Oxidación del silicio y el manganeso.

Combustión intensa del carbono.

Oxidación del fósforo.

a. Primer período

La oxidación del silicio produce sílice, la sílice formada SiO2, se une a la cal (óxido

de calcio) según la reacción:

2CaO + SiO2 ------> (CaO)2. SiO2

Y pasa a la escoria .El óxido de manganeso (MnO) y una parte del óxido ferroso

(FeO) también pasan a la escoria, en este período el metal se calienta dado que las

reacciones producen calor y comienza el segundo período.



b. Segundo período

El metal se ha calentado suficiente y el carbono comienza a quemarse de manera

intensa según la reacción:

C + FeO------>Fe + CO

El baño comienza a ebullir por la producción del monóxido de carbono y el horno

genera una llamarada clara por la boca debido a la combustión del CO con el

oxígeno del aire de la atmósfera. El contenido de carbono se reduce a un valor

mínimo y el metal se enfría con lo que comienza el tercer período.

c. Tercer período

En este momento comienza la oxidación del fósforo y comienza a elevarse de

nuevo la temperatura del metal, las reacciones características de esta etapa son:

2P + Feo----->P2O5 + 5Fe

P2O5 +3FeO---->(FeO)3.P2O5+2Fe

(FeO)3.P2O5 +4CaO---->(CaO)4.P2O5 +3Fe

En la oxidación del fósforo y la subsiguiente reacción de su óxido con otros, se

desprende una considerable cantidad de calor y el metal se calienta rápidamente.

El fosfato cálcico formado pasa a la escoria.

Cuando se ha terminado la oxidación del fósforo y su paso a la escoria, el

convertidor se gira a la posición horizontal, se interrumpe el aire y se descarga la

escoria para evitar que el fósforo y el óxido ferroso que contiene puedan volver al

metal. Finalmente se desoxida el metal o se desoxida-cementa.

En el proceso Thomas se produce cierta extracción del azufre que pasa a la escoria

en forma de sulfuros de manganeso (MnS) y de calcio (CaS).



Después de la desoxidación el acero se sangra en la cuchara y se cuela en

lingoteras para la producción de lingotes .El acero producido tiene aplicación en el

laminado de hierro en chapas, alambres e hierro comercial.

El método de los convertidores en general, tiene la ventaja de su alto rendimiento,

la simplicidad relativa de la instalación, gastos básicos bajos y la ausencia del

consumo de energía para calentar el metal, pero no resuelve de manera óptima la

obtención de aceros de diferentes calidades, no sirven para tratar todos los tipos

de arrabio nacidos de la infinidad de menas disponibles y en ellos solo puede

utilizarse de manera limitada la gran cantidad de chatarra disponible en la

industria.

CONVERTIDOR LD

El convertidor LD es un recipiente cuya porción inferior es cilíndrica (denominada

barril) y la porción superior es abierta en forma de cono. En uno de sus lados posee

un agujero de colada o piquera, encontrándose ésta arriba de la unión del barril y

del cono. Sobre la boca, existe una campana de recolección de gases a efectos de

minimizar la contaminación del aire, pudiendo bajar ésta sobre la boca del

convertidor para formar un sello bastante estanco. El oxígeno se sopla desde

arriba, por medio de una lanza que baja y se introduce al convertidor.

El convertidor está diseñado para girarse hacia delante o hacia atrás. La inclinación

hacia atrás, de casi 50°, se hace para cargar y mostrar: la inclinación hasta por

debajo de la horizontal se emplea para vaciar la escoria remanente, después de la

colada. El giro hacia el frente, de 135° o más, se empleará para vaciar el acero o

sea efectuar la colada.

La cuchara de acero se ubica debajo del convertidor en un carro que viaja sobre

rieles y se retira desde abajo del convertidor, para que la grúa pueda levantar la

cuchara de acero llena. Se usan aparatos complejos para la depuración de los gases

que salen del reactor LD. Es difícil la limpieza del gran volumen de gases (humos),

ya que las partículas son menores que un micrón. La pérdida de polvos en un LD



representa normalmente del 0.5 al 2 % de la carga. Las acerías LD están

constituidas generalmente por solamente dos convertidores; uno que está

produciendo acero y el otro en reparación de su revestimiento refractario. La

instalación de un tercer convertido tradicional permitirá, en principio, aumentar al

doble la capacidad productiva de la acería.

Hoy en día, la capacidad de un convertidor oscila desde las 30 toneladas hasta las

300 toneladas.

1) Forma de operar un convertidor LD

Basculando el convertidor, la carga se inicia con la introducción de la chatarra

mediante una batea que un puente grúa inclina frente a la boca del convertidor,

permitiendo de esta manera la caída de la carga. Luego, se vierte el arrabio líquido

utilizando cucharas cuya parte superior posee un diseño especial (en forma de

pico), apropiado al trasvase del líquido.



Estando el convertidor en posición vertical, se baja la lanza y se comienza a soplar

oxigeno. Simultáneamente a ello, se efectúa la carga, a partir de tolvas especiales,

de los escorificantes (cal, caliza, dolomita, espato-flúor, etc.) y del mineral de

hierro.

Una vez finalizado el soplado, se gira el convertidor en la misma dirección que la de

la carga y se realiza la toma de muestras y la medición de temperatura. Siendo

correcta la composición y temperatura del baño metálico, se bascula en

convertidor en sentido contrario y se realiza la colada de acero a través del agujero

de colada (piquera), que el convertidor posee y que permite el vaciado del mismo

sin que mucha escoria pase a la cuchara de colada. La cuchara de acero es

transportada por un carro automotor hacia el sector de lingoteo o de colada

continua.



Durante la colada, en la cuchara, se realizan todas las adiciones necesarias para

desoxidar y corregir la composición. La escoria se vuelca girando el convertidor

hacia el lado opuesto al de colada, cayendo la misma a un pote soportado en un

carro especial que lo lleva fuera del edificio. A continuación se detallan los tiempos

insumidos en cada una de las etapas mencionadas anteriormente.

2) Características metalúrgicas de la conversión de oxígeno puro.



Los fenómenos metalúrgicos se desarrollan en tres zonas perfectamente

diferenciadas:

La zona 1 es la pequeña zona sometida a la acción directa del chorro de oxígeno.

Corresponde a un 3% de la superficie total del baño. Las reacciones de oxidación se

producen a temperaturas superiores a los 2500° C. una parte de los óxidos se

desprende en forma gaseosa (CO, CO2, SO), mientras quela otra parte de los

óxidos, junto con la cal que se agrega, forma un anillo de escoria activa.

El oxígeno disuelto en adyacencias de la zona 1 se difunde rápidamente a la zona 2

del baño. Es así como se produce una circulación provocada por el aumento de

densidad de la parte del baño de la zona 1, de cual se han eliminado los elementos



que acompañan al hierro. Debido a que la densidad relativa de la zona 1 es

aproximadamente 7.1 y 6.5 la de la zona 2, se produce un movimiento

descendente del metal líquido, acompañado por un desprendimiento gaseoso

provocado por la combustión del carbono.

El metal afinado de la zona 1 se mezcla con la el arrabio de la zona 2 y como

consecuencia de las altas temperaturas existentes, cede su exceso de oxígeno

produciendo en consecuencia una desoxidación.

El desprendimiento de CO favorece el descenso del metal afinado de la zona 1,

pues las burbujas de CO dentro de la zona 2 acentúan la diferencia de densidades y

favorecen el movimiento.

Los óxidos así formados, son atrapados por la escoria de la zona 3. Dicha escoria de

ferrita de calcio, puede fijar el pentóxido de fósforo.

El FeO y MnO formados en la zona 1 y absorbidos en la escoria provocan en la zona

3 aparte del afino, una reducción del Mn.

Una característica importante del proceso LD, es la regulación automática del

afino. Cuando al final de la conversión son menores las necesidades de oxígeno y

las velocidades de las reacciones disminuyen, la circulación del baño se frena sola.

También cesa la ebullición del CO.



Por lo tanto, el baño no puede seguir enriqueciéndose en oxígeno, porque tiende a

tener una composición más homogénea.

La operación del LD dura aproximadamente 36 minutos tiempo tap-to-tap, de los

cuales 18 minutos corresponden al soplado.

Se consumen 57 Nm3 de oxígeno por tonelada de acero, de los cuales 36 Nm3 son

necesarios para la combustión del C, 4 Nm3 para la oxidación del Si, 8 Nm3 para la

oxidación del Mn, 4 Nm para la escorificación del Fe y 2 Nm3 para la oxidación del

P y S. El resto, 3 Nm3, pasa a los humos.

3) Química del afino del proceso LD

El afino del arrabio líquido por oxígeno puro está regido por las reacciones clásicas

de oxidación de las principales impurezas del arrabio: C, Si, Mn y P, acompañada

por la reducción del nivel de azufre.

La composición del arrabio cargado y del acero obtenido de una hornada típica es

la siguiente:

El diagrama de Ellingham, abajo indicado, expresa que a la temperatura de

fabricación del acero, el carbono, el silicio y manganeso son oxidados con

preferencia al hierro. Sin embargo el fósforo y el azufre no pueden ser eliminados

por oxidación a menos que la actividad de sus óxidos se reduzca, o sea en el caso

del azufre que se forme sulfuro estable.



La reducción necesaria de la actividad del pentóxido de fósforo se alcanza por la

formación de una forma básica, que también posibilita la estabilización del azufre

en la forma de sulfuro.

4) Reacciones de afino

Dentro del proceso coexisten tres fases distintas: atmósfera, escoria y el baño

metálico. Dentro de la nomenclatura generalmente utilizada, las concentraciones

de la fase gaseosa se indican entre llaves {}. Las correspondientes a la escoria se

indican entre paréntesis ( ), mientras que las concentraciones de baño metálico se

representan con una raya debajo.



El proceso en sí, comienza cuando el oxígeno soplado se disuelve en el baño

metálico según la siguiente reacción:

½ { O2 } -------- ›O

Habiéndose disuelto el oxígeno dentro del baño metálico, se combina con el hierro

disuelto

formando óxido ferroso que va a la escoria:

Fe + O ------------› (FeO)

Es así como se produce la remoción del carbono, silicio y manganeso, ya sea por

acción directa del

oxígeno o a través de la escoria altamente oxidada:}

Carbono: C + O -------------- › {CO}

C + (FeO) -------------- › {CO} + Fe

Silicio: Si + 2 O ----------------› (SiO2)

Si + 2 (FeO) ---------------› (SiO2) + 2 Fe

Manganeso: Mn + O ------------------› (MnO)

Mn + (FeO) --------------› (MnO) + Fe

Desfosforación

La oxidación del fósforo no se desarrolla preponderantemente en la

profundidad del baño metálico, sino en la interfase metal – escoria de

acuerdo a la siguiente reacción:

2 P + 5 (FeO) + 3 (CaO) ----------------- (3 CaO . P2O5) + 5 Fe

Es así como el fosfato tricálcico se retiene con seguridad en la escoria.



En ausencia de cal, el proceso de oxidación del fósforo es posible a

temperaturas relativamente bajas (recordar el diagrama de Ellingham antes

indicado), formándose fosfato de hierro 3 (FeO) . P2O5.

Sin embargo, este compuesto es inestable a elevadas temperaturas y tiene

lugar su descomposición y el paso del fósforo al metal. Por eso el papel

principal en el traspaso del fósforo a la escoria lo juega el CaO con la

condición de presencia del FeO en la escoria en una correlación

determinada con el CaO.

Desulfuración

Así como es fósforo, el azufre es una impureza nociva en el acero ya que

éste posee una solubilidad ilimitada en el hierro líquido y limitada por el

sólido. El acero con alto contenido de S al ser llevado a la temperatura de

laminación, forma fases líquidas en los límites intergranulares

ocasionándose desgarraduras y grietas durante el proceso de laminado.

La reacción es la siguiente:

Fe + S + (CaO) -------------------› (FeO) + (CaS)

siendo ésta fuertemente endotérmica, requiriendo una temperatura

elevada para proceder hacia la derecha. También es necesaria una buena

agitación, la cual es favorecida en el proceso LD.

El gran inconveniente es que la solubilidad del CaS en la escoria es limitada,

a pesar de que se tenga alta temperatura y buena agitación, por ejemplo, si

las muestras consecutivas indican: 0.035, 0.032, 0.029, 0.029 % de S; es que

se ha alcanzado el límite de saturación de la escoria para el azufre bajo las

condiciones dadas de temperatura y oxidación. El único remedio es hacer

más escoria para incrementar la capacidad de absorción del azufre, lo que

significa una mayor utilización de fundentes (cal y fluorita) lo que atenta

seriamente contra los refractarios que conforman el revestimiento de

trabajo del convertidor.



Asimismo el FeO, resulta del lado derecho de la ecuación anterior, es decir

que al comienzo la

escoria debe ser reductora para crear las condiciones para desulfurar, sin

embargo pasa lo contrario ya que LD es básicamente un proceso de

oxidación y se genera mucho FEO; así pues, una descarburación eficiente

crea condiciones menos favorables para una buena desulfuración. Dicho de

otra manera, la de carburación, la de silicación y la desfosforación son

incompatibles con la desulfuración.

Por otra parte, del diagrama de Ellingham surge que la eliminación del

azufre por oxidación no es posible, dado que ningún óxido de azufre existe

a las temperaturas de aceración. En conclusión: debe limitarse en lo posible

el ingreso de S al LD.

5) Revestimiento refractario para el convertidor LD

Durante el periodo de afino tiene lugar una gran agitación del baño metálico,

formación de escorias líquidas y espumosas que suben hasta el borde superior del

recinto del convertidor, ataque de fluoruro de calcio (Fe2Ca), producción de altas

temperaturas (aproximadamente 2600 ° C en los puntos de impacto de los chorros

de oxígeno) y salida de gases portadores de partículas sólidas a alta velocidad

(1500 ° C a la salida por la parte superior del convertidor)

En la figura de la página siguiente se ha graficado la variación de algunos de los

elementos que se encuentran dentro del baño metálico durante el soplado de

oxígeno.



A continuación se indican las solicitaciones que actúan sobre el revestimiento refractario.



En definitiva los esfuerzos a los que están sometidos los refractarios de un convertidor se

clasifican en:

1. Mecánicos

2. Térmicos

3. Químicos

En el gráfico siguiente se detallan cada uno de ellos:



El revestimiento refractario está formado generalmente por dos capas:

a) Revestimiento de seguridad: conformado por ladrillos o bloques de magnesita

con un espesor

promedio de 150 mm, aplicado contra la corteza metálica.

b) Revestimiento de trabajo: se aplica sobre el revestimiento de seguridad y es el

que está en permanente contacto con el acero líquido.



Sobre la calidad a utilizar en el revestimiento o camisa de trabajo existen distintas

tendencias bien definidas.

La europea, utilizando revestimientos de dolomita con espesores que van desde

los 600 mm hasta 900 mm. Se utiliza una vez calcinada, molida, mezclada con

alquitrán y prensada en bloques. El gran inconveniente de la dolomita es que es

fácilmente hidratable y relativamente resistente a los cambios bruscos de

temperatura.

El agregado de alquitrán además de ligante, aumenta la resistencia a la hidratación

y reduce el ataque de infiltración de la escoria.

El consumo específico de los materiales refractarios dolomíticos es menor a los 5

kg/ton de acero.

La duración de las campañas de estos revestimientos oscilan entre las 400 y 600

coladas.

La tendencia americana es utilizar ladrillos de magnesita (MgO ---------› periclasa)

La materia prima para su fabricación es abundante en América del Norte, ya sea

bajo la forma de MgCO3 o en su defecto extrayendo la periclasa directamente del

agua de mar.

Se utilizan bloques de magnesita fabricados según diversos procesos: bloques

ligados con alquitrán, bloques cocidos impregnados en alquitrán o ladrillos

temperizados (a aproximadamente 200 º C el alquitrán fluye entre la mayoría de

los poros y se polimeriza)

El consumo de refractarios de magnesita en convertidores LD es menor a los 2.5

kg/ton de acero producido. La duración promedio de un revestimiento de este tipo

fluctúa entre las 800 y 1600 coladas.

Muchas acerías acostumbran a utilizar revestimientos compuestos, o sea formados

por diferentes calidades según el desgaste a que está expuesta cada zona del

convertidor. Se determina las solicitaciones a que está expuesto el refractario en

esa zona y se elige la calidad que más se adapta a esa solicitación. A éste se le

llama “revestimiento balanceado”.



Figura 16. Revestimiento de convertidor mixto. Dolomía – Magnesia



HORNO FLASH.

Convertidor Teniente Convencional.

Convertidor Teniente con Lanzas Mitsubishi.



Comparación de Procesos de Fusión.



II. METALURGIA NO FERROSA

El convertidor más conocido dentro de la metalurgia no ferrosa probablemente sea el

convertidor Pierce-Smith por su extenso uso en la pirometalurgia del cobre.

En este caso, se alimenta la masa fundida (sulfuros de cobre e hierro) proveniente de

otros equipos de fundición. En una primera etapa se añaden algunos materiales

fundentes, tales como sílice o a veces cal, con el fin de acomplejar al hierro (formación

de escoria) y se inyecta aire para convertir el sulfuro produciendo dióxido de azufre

gaseoso. Una vez escorificado el hierro y otras impurezas, en la segunda etapa se

continúa inyectando aire para eliminar completamente el azufre también en forma de

dióxido (gas) dejando al cobre ya en su forma metálica, comúnmente llamado cobre

blister (de 98 a 99% de Cu), el cual puede ser refinado posteriormente.

CONVERTIDOR DE PIERCE – SMITH

La calcopirita es el principal mineral del que se extrae el cobre. También existen menas

oxidadas de cobre, pero son menos abundantes.

La calcopirita está formada por sulfuros de cobre y hierro (FeCuS2). Pero el mineral

contiene además trazas de otros compuestos, por lo que deberá realizarse una

separación, separar la mena de la ganga. Para ello se realiza una trituración y molienda

donde la separación ocurre por flotación. En este punto el contenido en cobre en la

calcopirita molida es aproximadamente un 31%.

El cobre se extrae de la calcopirita mediante un proceso pirometalúrgico que consta

de dos etapas:

Se realiza un proceso de fusión en el que la calcopirita es sometida a unos 1200ºC para

pasarla de sólido a líquido. La fusión se realiza en un horno de reverbero con el fin de

obtener la mata de cobre.

La mata de cobre consiste en una mezcla de sulfuros de hierro y cobre. La reacción

química puede expresarse así:



FeCuS2 FeS + CU2S

Se introduce la mata de cobre en un Convertidor de Pierce – Smith.

El Convertidor de Pierce – Smith o CPS es el dispositivo para la extracción de cobre

utilizado en el 95% de las fundiciones de cobre. Su función es oxidar la mata fundida

para obtener un cobre, denominado cobre blister, de un 96 - 98% en pureza.

El convertidor consiste en un reactor semicontinuo de burbujeo, cilíndrico, de

aproximadamente 4.5 metros de diámetro por 11 metros de largo. El proceso es

cerrado, es decir, la carga es la misma, tratada y llevada hasta el final del proceso sin

recarga de material. De este modo mejoran las condiciones de trabajo y se reducen

las emisiones ambientales.



La transformación de matas a cobre blister tiene lugar en dos etapas.

En la primera etapa, algunas veces denominada soplado a escoria, se realiza la

desulfuración del sulfuro ferroso con escorificación del hierro. Los sulfuros de

hierro se oxidan gracias a un flujo de aire comprimido que entra por las toberas. El

sulfuro se oxida produciendo dióxido de azufre en estado gaseoso. Para acomplejar

el hierro y formar la escoria, se añaden algunos materiales fundentes, como sílice o

cal. La escoria está compuesta por óxido de hierro y sílice (FeO.SiO2 llamada

fayalita) y se separa de la mata por su menor densidad. Ambas fases, escoria y

mata, son líquidas pues la temperatura en el interior está en el intervalo de 1175-

1290 ºC. Esta temperatura se mantiene por la liberación de calor en la combustión

del azufre con el oxígeno del aire que entra por las toberas.

La reacción química que tiene lugar en esta fase es la siguiente:

FeS + 3/2 O2 FeO + SO2

En función del tipo de equipo y de las condiciones de operación, la escoria puede

llevar cantidades significativas de cobre por lo que será procesada en un horno de

limpieza antes de ser descartada, o enviada a una planta de concentración por

flotación, externa a la fundición.



La segunda etapa se denomina: soplado a cobre.

Se sigue inyectando oxígeno a través de las toberas. Los sulfuros de cobre

reaccionan con el oxígeno para formar óxido de cobre. Llega un momento en el que

el óxido cuproso reacciona con el sulfuro de cobre, obteniéndose el cobre blíster.

Las reacciones que tienen lugar

son las siguientes:

En primera instancia,

2Cu2S + 3O2 2Cu2O + 2SO2

Llega un momento en el que reaccionan óxido y sulfuro de cobre,

2Cu2O + Cu2S 6Cu + SO2

Por lo tanto, la reacción total en esta etapa es:

Cu2S + O2 2Cu + SO2



Al eliminar el azufre de la mata o metal blanco, las dos fases, líquidas e inmiscibles,

se separan por gravedad. La fase metálica, la más pesada (cobre blíster) se deposita

debajo, mientras la más ligera (escoria oxidada) en la parte alta porque su densidad

es menor.

Después de la conversión en el Convertidor de Pierce – Smith, el cobre blíster se

sometería a otros procesos, procesos de afino, para obtener cobre con un gran nivel

de pureza. El siguiente esquema muestra el proceso para la obtención del cobre.



Se denomina “Primary copper production route” al proceso de obtención a partir

del mineral, mientras se denomina “Secondary copper production route” al

proceso de obtención de cobre a partir de residuos (chatarras) que contengan este

material.

BIBLIOGRAFÍA:

Wikipedia, versión española e inglesa.

CARRILLO, F., HERNANDEZ, R., MARTINEZ, J. et al. Cinética del Soplado a Cobre en

un Convertidor Peirce-Smith. Inf. tecnol. [online]. 2004, vol.15, no.5 [citado 05

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