Estudio experimental y modelación matemática de la fragmentación de partículas sulfurosas de concentrado de cobre en un reactor de flujo laminar

Abstract

Tesis de doctorado en ciencias de la ingeniería. El presente trabajo muestra los resultados obtenidos a partir de un estudio teórico-experimental sobre la fragmentación de partículas de concentrado de cobre oxidadas en condiciones de fusión instantánea. Lo anterior se llevó a cabo con el fin de establecer los fenómenos controlantes de la fragmentación de las partículas sulfurosas de cobre cuando éstas son oxidadas a altas temperaturas. Se investigó el efecto del tamaño de partícula inicial y la concentración de oxígeno en el gas de proceso sobre el comportamiento de oxidación y la fragmentación de las partículas alimentadas. Los experimentos de oxidación se llevaron a cabo en un horno de flujo laminar a nivel laboratorio construido para este propósito. El material fue clasificado de acuerdo a su tamaño para obtener seis fracciones distintas. Las fracciones obtenidas y el material original, fueron oxidados en presencia de un gas con 40 y 70% en volumen de oxígeno a una temperatura de 850 ºC. La composición del material alimentado fue fuertemente dependiente del tamaño de partícula inicial; la calcopirita (CuFeS2) fue la especie mineralógica predominante en las fracciones de tamaño más pequeñas y la pirita (FeS2) se concentró en mayor proporción en las fracciones más grandes. Los datos experimentales indican que el tamaño de partícula y el tiempo de residencia fueron los factores más importantes sobre el comportamiento de oxidación, rapidez de reacción, distribución de tamaños y generación de polvo. Se observó un consumo neto de polvo durante los experimentos realizados con la fracción <45 μm y el material sin cribar, indicando que la expansión fue el fenómeno predominante en estos experimentos; durante la oxidación de las partículas de las fracciones 45-53 y 53-74 μm se registró un aumento del 26% del contenido de polvo, lo que indicó que la fragmentación fue el fenómeno responsable de los cambios de tamaño en estas fracciones. Las fracciones más grandes alimentadas, 74-106 μm, 106-149 μm y >150 μm no presentaron cambios significativos en el contenido de polvo tras su oxidación en el horno de flujo laminar. Las predicciones del modelo de fragmentación concordaron razonablemente con los datos experimentales en términos de las distribuciones de tamaños en el receptáculo y la cantidad de polvo generado, calculando este último con un 9.7% de error respecto del experimental. Los resultados del presente trabajo indican el uso potencial del modelo matemático para entender los mecanismos de fragmentación y de oxidación de partículas sulfurosas a altas temperaturas.