Estudio físico-químico de los materiales refractarios usados en hornos pirometalúrgicos de la industria del cobre

Resumen

El presente trabajo de investigación es el resultado de la colaboración entre Atlantic Cooper (filial de Freeport McMoran) y la Universidad de Huelva. El objetivo principal es el estudio de la degradación del refractario de magnesia-cromo usado en el recubrimiento interior de los hornos de proceso pirometalúrgico de fabricación de cobre a partir de sulfuros polimetálicos. El trabajo se divide en cinco líneas de investigación, donde en la primera de ellas se estudian los materiales básicos de partida para la fabricación del refractario de magnesia-cromo, y los refractarios antes de ser usados en los hornos. Ello se usa como punto de partida para explicar mejor la degradación del refractario mostrada en las siguientes líneas de investigación. Se llevan a cabo tres líneas de investigación dedicadas al estudio de los mecanismos de degradación química de los refractarios, diferenciado por tipo de horno del proceso de obtención del cobre: Convertidores Peirce Smith, Horno de Arco Sumergido y Horno de Afino Térmico. Los resultados de las micrografías de las muestras refractarias obtenidas de las diferentes zonas de estos hornos después de haber completado sus campañas de trabajo, muestran diferencias en los procesos de degradación. Estos resultados analíticos son soportados por cálculos termoquímicos de la interacción entre los materiales fundidos presentes en estos hornos y los refractarios con los que entran en contacto, bajo condiciones estándar del proceso, así como bajo condiciones no estándar, obteniendo mayor rango de resultados bajo diferentes escenarios. Dado que los procesos de mojabilidad e inflitración del refractario por las fases fundidas suponen las primeras etapas de la degradación del refractario, la última línea de investigación se ha dedicado al estudio de estos fenómenos para diferentes sustratos refractarios y materias primas de los mismos, usando fases fundidas presentes en el proceso pirometalúrgico. Además, se ha realizado un ensayo dinámico novedoso a diferentes refractarios bajo la acción de escorias fayalíticas, de forma que se acelere la degradación del mismo, sumergiendo probetas en canales de salida de la escoria procesada en Horno de Arco Sumergido. La degradación de las fases integranulares de la microestructura del refractario por fenómenos de infiltración a través de la porosidad abierta, conlleva la disolución de las mismas, y contribuye a la degradación del refractario por efecto de debilitamiento de la microestructura. Además, propicia mayor contacto entre la fase que ha infiltrado y los granos de refractario, provocando, en función de la fase que haya penetrado, el mayor o menor ataque a estos granos que conforman el refractario (mayor para el caso de las escolarias fayalíticas). La degradación de la magnesia del refractario es llevada a cabo mediante procesos de disolución de la misma en la escoria fayalítica, dando lugar a solución sólida olivino de elevado número de magnesio. Este olivino tiende a solidificar rápidamente por el aumento de su solidus debido al contenido de magnesio. Según lo observado en las micrografías del análisis post-mortem y en los resultados de los cálculos termoquímicos llevados a cabo, se trata de un proceso que se da con bastante espontaneidad. Los granos de cromita presentan degradación gradual, evidenciado en la formación de una corona de reacción de variación composicional a lo largo de espesor de la misma (zonación). Para los granos de magnesia-cromo electrofundida, la degradación es muy gradual, dada su baja porosidad y estructura de los mismos (matriz de magnesia con fase dispersa de cromita generada por exolución). La tipología, mecanismos de degradación química y degradación final del refractario como resultado de otros efectos físicos (erosión y choques mecánicos y térmicos) difieren de un tipo de horno a otro y de la ubicación del refractario en cada uno de ellos; las particularidades de cada uno se desarrollan en este trabajo.