Tostatura (metallurgia)

La tostatura, o arrostitura, o arrostimento, è un processo di riscaldamento di un minerale di solfuro ad alta temperatura in presenza di aria, ed è una fase della lavorazione di alcuni minerali. Più specificamente, la tostatura è un processo metallurgico che coinvolge reazioni gas-solido a temperature elevate con l'obiettivo di purificare i componenti metallici. Spesso prima della tostatura, il minerale è già stato parzialmente purificato, ad esempio per flottazione con schiuma. Il concentrato viene miscelato con altri materiali per facilitare il processo. La tecnologia ha una sua utilità, ma è anche una seria fonte di inquinamento atmosferico.

La tostatura consiste in reazioni termiche gas-solido, che possono includere ossidazione, riduzione, clorurazione, solfatazione e piroidrolisi. Nella tostatura, il minerale o il concentrato di minerale viene trattato con aria molto calda. Questo processo è generalmente applicato ai minerali di solfuro. Durante la tostatura, il solfuro viene convertito in ossido e lo zolfo viene rilasciato come anidride solforosa, un gas. Per i minerali calcocite (Cu₂S) e sfalerite (ZnS), le equazioni bilanciate per la tostatura sono:

${\ce {2Cu2S \ + \ 3O2 -> 2Cu2O \ + \ 2SO2}}$

${\ce {2ZnS \ + \ 3O2 -> 2ZnO \ + \ 2SO2}}$.

Il prodotto gassoso della tostatura al solfuro, l'anidride solforosa (SO₂), viene spesso utilizzato per produrre acido solforico. Molti minerali di solfuro contengono altri componenti come l'arsenico, che vengono rilasciati nell'ambiente.

Fino all'inizio del XX secolo, la tostatura era eseguita bruciando della legna sopra il minerale. Ciò aumenta la temperatura del minerale fino al punto in cui il suo contenuto di zolfo diventa la sua fonte di combustibile e il processo di tostatura potrebbe continuare senza fonti di combustibile esterne. La prima tostatura al solfuro veniva praticata in questo modo in tostatori "a focolare aperto", che venivano mescolati manualmente (una pratica chiamata "rabble") utilizzando strumenti simili a rastrelli per esporre il minerale non arrostito all'ossigeno mentre la reazione procedeva.

Questo processo ha rilasciato grandi quantità di composti acidi, metallici e altri composti tossici. I risultati di ciò includono aree che anche dopo 60-80 anni sono ancora in gran parte prive di vita, spesso esattamente corrispondenti all'area del letto di tostatura, alcune delle quali sono larghe centinaia di metri per chilometri di lunghezza. La tostatura è un processo esotermico.

Operazioni di tostatura

Un forno a riverbero per arrostire i minerali di stagno.

Di seguito sono descritte diverse forme di tostatura:

Tostatura ossidante

La tostatura ossidante, il processo di tostatura più comunemente praticato, comporta il riscaldamento del minerale in eccesso di aria o ossigeno, per bruciare o sostituire l'elemento impuro, generalmente zolfo, in parte o completamente con ossigeno. Per la tostatura al solfuro, la reazione generale può essere data da:

${\ce {2MS(s) \ + \ 3O2(g) -> 2MO(s) \ + \ 2SO2(g)}}$

dove $\mathrm {M}$ sta a indicare un elemento metallico. Arrostire il minerale di solfuro, fino alla rimozione quasi completa dello zolfo dal minerale, si traduce in una tostatura morta.

Tostatura volatilizzante

La tostatura volatilizzante comporta un'attenta ossidazione a temperature elevate dei minerali, per eliminare gli elementi di impurità sotto forma dei loro ossidi volatili. Esempi di tali ossidi volatili includono ossido arsenioso As₂O₃, ossido di antimonio(III) (Sb₂O₃), ossido di zinco (ZnO) e ossidi di zolfo. È necessario un attento controllo del contenuto di ossigeno nella tostatura, poiché l'eccessiva ossidazione forma ossidi non volatili.

Tostatura con clorurazione

La tostatura con clorurazione trasforma alcuni composti metallici in cloruri, tramite ossidazione o riduzione. Alcuni metalli come l'uranio, il titanio, il berillio e alcune terre rare vengono lavorati nella loro forma di cloruro. Alcune forme di tostatura clorurazione possono essere rappresentate dalle seguenti reazioni complessive:

${\ce {2NaCl\ +\ MS\ +\ 2O2->Na2SO4\ +\ MCl}}$

${\ce {4NaCl\ +\ 2MO\ +\ S2\ +\ 3O2->2Na2SO4\ +\ 2MCl2}}$.

La prima reazione rappresenta la clorurazione di un minerale solfuro che implica una reazione esotermica. La seconda reazione, che coinvolge un minerale di ossido, è facilitata dall'aggiunta di zolfo elementare. I minerali di carbonato reagiscono in modo simile al minerale di ossido, dopo essersi decomposti nella loro forma di ossido ad alta temperatura.

Tostatura solfatante

La tostatura solfatante ossida alcuni minerali di solfuro in solfati in una fornitura d'aria controllata per consentire la lisciviazione del solfato per un'ulteriore elaborazione.

Tostatura magnetica

La tostatura magnetica comporta la tostatura controllata del minerale per convertirlo in una forma magnetica, consentendo così una facile separazione e lavorazione nelle fasi successive. Ad esempio, la riduzione controllata dell'ematite (Fe₂O₃ non magnetico) a magnetite (Fe₃O₄ magnetico).

Tostatura ridotta

La tostatura a riduzione riduce parzialmente un minerale di ossido prima dell'effettivo processo di fusione.

Tostatura sinterizzata

La tostatura per sinterizzazione comporta il riscaldamento dei minerali fini ad alte temperature, dove avviene l'ossidazione e l'agglomerazione simultanee dei minerali. Ad esempio, i minerali di solfuro di piombo sono sottoposti a tostatura per sinterizzazione in un processo continuo dopo flottazione con schiuma per convertire i minerali fini in agglomerati lavorabili per ulteriori operazioni di fusione.

Voci correlate

• Metallurgia

Collegamenti esterni

• (EN) roasting, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.