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• Jean Paul Villa Real

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO

Universidad Nacional del Altiplano FACULTAD DE INGENIERIA GEOLOGICA Y METALURGICA

Escuela Profesional de Ing.Metalurgica

AREA: GESTION AMBIENTAL TEMA: METALURGIA EXTRACTICA (PIROMETALURGIA) DOCENTE: ING. German Coillo Cotrado PRESENTADO POR:  Blas Quille Juan Pablo 094904  Apaza Zela Yobana SEMESTRE: VII 2013 - I Página 1

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DEDICATORIA A Dios Porque nada ni nadie en el mundo, está primero que nuestro padre amado, él que siempre toca nuestras puertas en el momento indicado. También dedico el presente trabajo al docente del área y a mis queridos padres que gracias a su apoyo moral, económico hacen posible que siga continuando con mis estudios.

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INTRODUCCIÓN El propósito que se persigue con este trabajo, es ampliar y tener un mayor conocimiento sobre los tipos de hornos y de los procedimientos pirometalurgicos, que tiene a altas temperaturas juntas con sus accesorios que logran y un conjunto para realizar un trabajo óptimo. A pesar de que el conocimiento se adquiere con la práctica basándose muchas veces en teorías a través del tiempo, es importante leer y conocer, ampliar nuestra capacidad cerebral y obtener beneficios que en un mañana nos servirá para resolver conflictos y persuasiones de nuestra vida. Esperamos que este material resumido en importantes fragmentos sirva de provecho y que las conclusiones sean las más atinadas. En este trabajo se revisan los procesos de pirometalurgia a partir de Concentrados definiéndose como proceso convencional el del Horno de Reverbero, cuba y eléctrico. También se consideran las ventajas y desventajas pirometalúrgicas y operacionales. De manera similar se analizan los aspectos relevantes del Proceso

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1. PIROMETALURGIA Durante el procesado pirometálico, un mineral, después de ser beneficiado (concentrado mediante machaqueo, trituración, flotación y secado), se sinteriza o tuesta (calcina) con otros materiales, tales como polvo de la cámara de sacos filtrantes y fundente. A continuación, el concentrado se funde en un horno de cuba para obtener un lingote fundido impuro que contiene los metales deseados. Este lingote se somete seguidamente a un tercer proceso pirometálico para refinar el metal hasta conseguir el nivel de pureza deseado. Cada vez que se calienta el mineral o el lingote, se crean materiales residuales. El polvo procedente de la ventilación y los gases del proceso puede capturarse en una Cámara de sacos y eliminarse o devolverse al proceso, dependiendo del contenido metálico residual. También se captura el azufre del gas, y cuando las concentraciones son superiores al 4 % puede convertirse en ácido sulfúrico. Dependiendo del origen del mineral y de su contenido residual de los metales, pueden obtenerse también como subproductos diversos metales, como oro y plata. La alta temperatura necesaria para el tratamiento pirometalúrgico de los metales se consigue quemando combustibles fósiles o utilizando la reacción exotérmica del propio mineral (como, por ejemplo, en el proceso de fundición a la llama). El proceso de fundición a la llama constituye un ejemplo de proceso piro-metalúrgico ahorrador de energía en el que el hierro y el azufre del concentrado de mineral se oxidan. La reacción exotérmica, acoplada a un sistema de recuperación de calor, ahorra una gran cantidad de energía para la fusión. La elevada recuperación de azufre del proceso es también beneficiosa para la protección del medio ambiente. La mayoría de las fundiciones de cobre y níquel construidas recientemente utilizan dicho proceso. En la figura de una secuencia clásica de etapas pirometalúrgicas se muestra el rango aproximado de temperaturas involucradas. En su forma clásica, hay una secuencia alternada de etapas endo y exotérmicas, siendo las más relevantes por su tamaño las correspondientes a la fusión y la conversión. Secuencialmente, también hay un aumento paulatino de la temperatura del sistema fundido.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO 2. FUSION La fusión de los minerales sulfurosos produce un concentrado de metal parcialmente oxidado (mata). En la fusión, el material inservible, generalmente hierro, forma una escoria con el material fundente y se convierte en su óxido. Los metales útiles adquieren la forma metálica en la etapa de conversión, que tiene lugar en los hornos de conversión. Este método se utiliza en la producción de cobre y níquel. Se produce hierro, ferrocromo, plomo, magnesio y compuestos de hierro por reducción del mineral con carbón vegetal y un fundente (caliza); el proceso de fusión se realiza generalmente en un horno eléctrico (véase también el capítulo Siderurgia). La electrólisis de sales fundidas, empleada en la producción de aluminio, constituye otro ejemplo de proceso pirometalúrgico.

La fusión es un proceso de concentración en el que una parte de las impurezas del carga se reúne formando un producto ligero de desecho llamado escoria, el cual puede separarse por gravedad de la porción más pesada que contiene prácticamente todos los componentes metálicos deseados. La carga que se alimenta a un horno de fusión está formada principalmente por sólidos, aunque también puede cargarse en ciertas operaciones algo de material fundido. El calor suministrado para fundir esta carga sólida puede provenir de combustible fósil, electricidad, o bien, si se cargan sulfuros, del calor producido por 1 reacción exotérmica de oxidación de la carga misma. La carga del horno debe fundirse para que sea posible la separación por gravedad de las capas de escoria y metal, también para facilitar la circulación y el contacto de los compuestos que reacciona en el seno de la carga. Los componentes de la escoria estarán formados por los óxidos de la carga, tanto los que se encuentran en forma natural en el mineral como la sílice (Si02) y los que se han oxidado durante la tostación, como el Fe304. Ya que estos óxidos tienen altos puntos de fusión, de hecho más elevados que los de los compuestos metálicos que contiene la carga, es necesario agregar fundentes, siendo los más frecuentes el Si02 o el CaO, para que se combinen con estos óxidos y formen una escoria de menor punto de fusión. Es necesario que la escoria se funda y esté completamente liquida a la temperatura de operación del horno para que los componentes metálicos puedan separarse fácilmente y asentarse en la capa inferior, más densa, así como para facilitar el manejo de la escoria y extraerla del horno en estado líquido. Además de la escoria, los otros productos del horno son los componentes metálicos densos que forman la capa inferior en el fondo del hogar del horno y que también se extrae en estado líquido, y los gases de combustión, juntos con los cuales se producen algunas sustancias volátiles. Los gases llevan consigo algo de polvo del material fino de la carga, pasan y salen por el sistema de ductos del horno hacia un colector de polvos en el que se separan los sólidos para recircularlos y procesarlos nuevamente en el horno.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO 1.1. TIPOS DE FUSION Existen dos tipos principales de fusión, la fusión por reducción, que produce un metal fundido impuro y una escoria fundida por la reacción de un óxido metálico con un agente reductor; y la fusión de mata, que produce una mezcla fundida de sulfuros metálicos y escoria. En la fusión por reducción, los valores metálicos de la carga y los compuestos que forman la escoria están presentes como óxidos. En el horno se provoca una condición reductora mediante la cual estos valores metálicos, que pueden reducirse más fácilmente a metales que los óxidos de la ganga, se reducen a un metal impuro y dejan que en la ganga permanezcan los óxidos que formarán parte de la escoria. Cualquier tipo de horno puede adaptarse a la fusión por reducción pero los que se emplean más comúnmente son el alto horno y el horno eléctrico. La fusión de mata es algo diferente a la fusión por reducción, ya que en la primera se forma la mata por la combinación de los sulfuros líquidos de cobre, níquel, hierro y cobalto en una solución homogénea. Los metales preciosos presentes y las pequeñas cantidades de otros metales básicos se disuelven en la mata. La porción restante de la carga, consistente en óxido de hierro, ganga y fundente silíceo, se combina para formar una escoria. La fusión de mata se hace en una variedad de tipos de hornos, entre los que están el horno de reverbero, el horno de cuba, el horno eléctrico, el horno de fusión instantánea y lo más reciente, el proceso de fusión continua, formado por tres hornos en serie: en el primero ocurre la fusión, el segundo se usa para limpieza de la escoria y el tercero para la conversión a metal. Los hornos de reverbero se utilizan para la fusión de mata de concentrados de granulometría fina, para los que se desea una operación relativamente fácil en la que los gases de escape no arrastren una cantidad grande de material fino alimentado. El horno es de forma rectangular, su hogar es poco profundo, el techo es abovedado y la longitud es aproximadamente el cuádruplo de su anchura. Las dimensiones varían de 100 a 120 pies (30.5 a 36.6 m) de longitud y de 25 a 35 pies (7.62 a 10.67 m) de ancho. La selección del refractario para el horno es importante por las altas temperaturas y la naturaleza corrosiva de la carga fundida. El techo está expuesto al calor radiante de los quemadores del horno y de la carga fundida, así como al efecto erosivo de los gases calientes que arrastran partículas de polvo. Se construye de ladrillo sílice o si se trata de un arco armado con resortes, o de ladrillo de magnesita si el arco es suspendido. En los hornos grandes se prefieren los arcos suspendidos, por el peso excesivo de los refractarios que requieren. Los hogares, las paredes de los extremos y las paredes laterales son de ladrillo silíceo, con hiladas de ladrillo de magnesita a la altura de la línea de escoria para reducir al mínimo los efectos de la corrosividad de la interface de algunos hornos más modernos, se emplea magnesita para el hogar y el techo y magnesita con cromo en Página 8

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO las paredes laterales y de los extremos. Mediante miembros verticales de acero fijados con pernos a tirantes horizontales por encima de la parte superior del horno, se mantiene rígido todo el conjunto del horno. El horno de reverbero en esencia un horno de fusión, y ésta se logra suministrando calor por medio de quemadores dispuestos en la pared del extremo del horno. Pueden usarse Una variedad de combustibles (carbón pulverizado, gas natural, petróleo) para producir una flama larga que llegue hasta la mitad de la longitud del horno. Una parte del calor producido por dicha flama es irradiado directamente sobre la carga que se encuentra abajo, sobre el hogar del horno y otra parte es irradiada hacia el techo y las paredes, desde los cuales se refleja también hacia abajo sobre la carga. La tempera del horno es aproximadamente de 2900o F (l600o C) en extremo de la flama y de 2200º F (l200o C) en el extremo de salida de los gases como los gases de escape del horno llevan una cantidad considerable de calor sensible, se les hace pasar por calderas de calor de desecho economizadoras para recuperar parte de ese calor. La recolección de polvo se hace también antes de liberar finalmente los gases. La carga se efectúa dejando correr hacia abajo la alimentación del horno a través del techo del horno, a través de bocas de carga situadas en línea a lo largo de una orilla o a ambos lados. La carga cae a lo largo de cualquiera de los lados del interior del horno, y al calentarse, y fundirse pasa a formar parte del charco líquido que hay en el hogar. La mata que es más pesada, se asienta formando una capa inferior a la de la escoria, que es más ligera. La mata se extrae periódicamente por un agujero de picada (piquera) lateral, mientras que la escoria se hace escurrir en forma continua en el extremo de salida de gases del horno. Como alimentación puede usarse tanto los concentrados calcinado por tostación como los concentrados sin tostar y las flamas de los quemadores pueden enriquecerse con oxígeno para aumentar la capacidad de fusión y disminuir el consumo de combustible por tonelada de material cargado. Los hornos de fusión instantánea (flash Smelting Furnaces) son unos de los desarrollos más recientes (después de la segunda guerra mundial) para fusión de mata en gran escala, y son del tipo autógeno, o sea que aprovecha la oxidación de los sulfuros que contiene la carga para aportar el calor necesario para fundir la carga del horno y alcanzar las temperaturas de reacción. En estos procesos se conectan hacia la cámara de reacción caliente del horno los concentrados de sulfuros, secos y sin tostar, junto con el material fundente para que haga contacto con oxígeno o aire precalentado que también se inyectan a presión. Una parte de los sulfuros de hierro que hay en la carga reacciona inmediatamente y se oxida a FeO y SO2 en una fuerte reacción exotérmica.  4CuFeS2 + SO2 => 2Cu2S* FeS + 4S02 + 2FeO

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El calor desarrollado es suficiente para fundir las demás partículas finas de la carga, por lo que todas llegan al hogar del horno en forma de pequeñas gotas de líquido. Esta lluvia de partículas fundidas se separa, al llegar al baño, en la mata que se asienta en la capa inferior del hogar y la escoria. La escoria se forma con los óxidos de hierro producto de la reacción el fundente silicio y cualquier material de la ganga que haya en la alimentación del horno, y se junta formando una capa arriba de la mata. Los gases que salen del horno son ricos en SO2 (arriba del 18%) y, por tanto, son adecuados para tratamiento en planta de ácido sulfúrico o para ¡a producción de SO2 líquido. También [levan una gran cantidad de calor sensible que se recupera en calderas economizadoras de calor y en precalentadores de aire. En colectores de polvo es recuperada una cantidad considerable de finos. Las capas de mata y de escoria que se forman en el horno se extraen a través de las piqueras y se recolectan en cucharas. Existen en uso dos tipos generales de hornos de fusión instantánea. El desarrollado por la International Nickel Company. Que es una unidad de tipo reverberante con quemadores con inyección dc oxígeno en ambos extremos y el ducto de extracción de gases situado en el centro del horno. Toda la alimentación de la carga se hace a través de los quemadores de inyección de oxígeno, por lo que no se requieren las aberturas de carga del techo del diseño común de los hornos de reverbero. La mata se extrae por agujeros laterales de picada y la escoria por un extremo. Los refractarios que se emplean son los mismos que los de un horno de reverbero convencional, con ladrillo de magnesita en el techo y en la línea de escoria y ladrillo de sílice en los lados, los extremos y el hogar. Otro tipo de horno para fusión instantánea, el horno Outokumpu, fue el primero que se desarrolló y es el tipo que se usa más; el diseño es en forma de U con un tiro vertical de reacción en un extremo, un hogar de asentamiento largo y bajo en ¡a parte central y un tiro vertical de salida de gases en el otro extremo. El concentrado sin tostar y el fundente, secos, son alimentados junto con aire precalentado por la parte superior del tiro de reacción alto y redondo. La reacción instantánea tiene lugar inmediatamente, y las gotas de líquido caen por el tiro al hogar de asentamiento en el que se separan en capas de mata y escoria. Los gases de escape salen por el tiro vertical de extracción de gases situado al otro extremo del hogar de asentamiento y opuesto a la del tiro de reacción. Dichos gases de escape tienen que girar un ángulo de 90º para salir del asentador y al hacerlo, arrastran hacia éste las partículas fundidas procedentes del tiro de reacción. La mata se extrae por un agujero de picada del extremo del tiro de reacción del hogar de asentamiento y la escoria se extrae a través de un agujero por el extremo de salida de los gases. Se emplean refractarios de magnesita en todo el horno, en el tiro de reacción y en el hogar de asentamiento.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO Los hornos eléctricos se usan tanto para fusión por reducción como para la de mata. El horno común de arco directo, de hogar no conductor y de tres electrodos es el que más se aplica para fusión por reducción y en los hornos de fusión de mata más pequeños, mientras que para la fusión de mata en grandes tonelajes, se utiliza más comúnmente el horno de resistencia del tipo de arco sumergido, de forma rectangular y con seis electrodos en línea conectados por pares. Un horno similar al de fusión de mata se emplea para la fusión con tostación-reducción, la cual se logra mediante un proceso combinado de horno eléctrico y fusión instantánea. Las cargas del horno de arco directo se calientan principalmente por irradiación de calor del arco que se forma al pasar la corriente del electrodo a la carga y en especial en donde el arco incide en la carga. También se genera algo de calor por el paso de la corriente a través de la carga. Los hornos de arco más comunes son los de tipo trifásico que utilizan tres electrodos, uno conectado a cada fase. En este caso, la carga cierra el circuito para cada par de electrodos en operación. El horno para fusión de mata no es un horno de arco sino de resistencia, con los electrodos inmersos en la capa de escoria. La escoria resiste al paso de la corriente que fluye entre parejas de electrodos y se genera calor como resultado de esa resistencia, produciéndose las temperaturas necesarias de fusión. Mientras menos se introduzcan los electrodos en la escoria, se genera más calor en las capas superiores de esta y es mejor el fenómeno de fusión en el horno. La transmisión de calor de la escoria a la carga no fundida que se encuentra arriba de ella tiene lugar parcialmente por contacto directo, aunque en su mayor parte es por convección y de igual forma se transfiere a la mata que se encuentra bajo la capa de la escoria. Los hornos eléctricos se utilizan para fundir casi todas las combinaciones de concentrados tostados o sin tostar, que puedan ser cargados como calcinados calientes, calcinados fríos, concentrados fríos o concentrados húmedos y todas estas operaciones de fusión producen una mata de 40 a 50% de contenido metálico. El alto costo de la energía eléctrica es un factor muy importante en la fusión por horno eléctrico y en consecuencia, este tipo de operación es más competitiva económicamente cuando hay disponibles grandes fuentes de energía eléctrica barata o cuando los costos de los demás combustibles son muy altos. Sin embargo, la energía eléctrica tiene ventajas sobre los combustibles. La energía eléctrica puede convertirse en energía térmica con alto rendimiento y permite un control más preciso de la temperatura. No produce gases de combustión, por lo que la cantidad de gases de salida es menor, lo cual hace menos complicada la recuperación del calor sensible y del polvo que arrastran los gases de escape y la contaminación del aire es menor. Los hornos de arco directo para fusión reductora son generalmente de menor tamaño, 6 pies de diámetro (1.83 m), utilizan electrodos de grafito, son cargados por puerta, se inclinan para vaciar el producto y tienen revestimientos de

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO magnesita con techos de alúmina. Son en general semejantes a los hornos eléctricos para fabricación de acero. Los hornos eléctricos para fusión de mata empero, se asemejan más en su operación a los hornos de reverbero para fusión de mata, siendo la diferencia principal ~ que el calor se genera eléctricamente en vez de producirse por combustión. La carga de concentrados finos y fundente se alimenta por tubos en el techo que bajan a cada lado del horno cerca de las paredes, cayendo sobre la capa superior de escoria. Allí se funde y se íntegra al baño liquido como mata o escoria. Un horno grande puede medir 98 pies de longitud, 23 pies de ancho y 13 pies de altura (29 88 x 7.01 x 3.96 m); tiene seis electrodos Sóderberg de auto-endurecimiento de 4 pies (1.22 m) de diámetro, 50 pies de largo (15.24 m) y separados 12 pies (3.66 m) entre sí. La escoria y la mata se extraen intermitentemente por picada en extremos opuestos del horno. Los refractarios que se usan en el horno eléctrico son diferentes de los del horno de reverbero, debido a la ubicación diferente de las zonas más calientes en los dos hornos. Como en el horno eléctrico la zona caliente está en la capa de escoria, el espacio gaseoso situado arriba de la carga es relativamente frío, 1 100o F (600o C) y resulta adecuado un techo de ladrillo barato de arcilla refractaria. En cambio, la escoria y la mata calientes, debido al calentamiento por alta resistencia eléctrica, requieren un hogar de magnesita para servicio de alta temperatura. Para estas r secciones es adecuado revestir los lados y los extremos de sílice con una franja de magnesita en la línea de escoria. El diseño del horno eléctrico que combina la fusión instantánea para el proceso r de fusión con tostación y reducción, es bastante similar al horno eléctrico para fusión de mata, asemejándosele ya que es de forma rectangular, con los cuatro electrodos colocados en línea y conectados en pares. Los electrodos están sumergidos en la capa de escoria, y en este caso también el calor se genera por la resistencia al paso de la corriente que fluye entre los pares de electrodos. La carga del horno formada por concentrados finos y fundente se alimenta por aberturas que hay en el techo entre los electrodos, y por cuatro toberas se inyecta tangencialmente aire a alta velocidad haciendo girar en remolino, entre los electrodos, la carga de material que entra. Esta disposición permite el suficiente tiempo de m reacción, mientras las partículas alimentadas bajan desde la abertura de carga hasta la capa de escoria del horno, para eliminar la mayor parte del azufre y oxidar y reducir una parte considerable de los elementos metálicos que hay en la carga. Las pequeñas gotas de líquido procedentes de esta fusión instantánea, y cualquier porción de la carga que esté todavía en estado sólido, caen al hogar del horno, se funden y completan allí su reacción de oxidación-reducción. Un horno típico de fusión de este tipo es de forma rectangular, de 44 pies de longitud, 14 pies de ancho y 11 pies de altura (13.4 x 4.27 x 3.35 m), con una Página 12

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO distancia de 5 1/2 pies (1.68 m) del techo a la carga de escoria. El hogar es de ladrillo de magnesita y el techo y las paredes de ladrillo de magnesita con cromo. Cuatro electrodos Soderberg de 40 pulgadas de diámetro (100 cm) están situados equidistantemente a lo largo del horno y tienen una alimentación de energía de 8000 kVA. Tanto la escoria como el metal son extraídos por picada intermitentemente; la escoria por un extremo y el metal por el centro de uno de los lados mayores del horno. En Rusia se desarrolló un segundo tipo de horno eléctrico para fusión instantánea de mata con alimentación por ciclón, el proceso KIVCET. Este horno, de la misma forma general que el descrito anteriormente, es alimentado con concentrado fino mezclado con oxígeno puro a través de un ciclón enfriado por agua, situado aproximadamente a la tercera parte de la longitud a partir del extremo de salida de gases. La fusión tiene lugar dentro del vórtice o remolino del ciclón y las partículas fundidas caen al hogar del horno, el cual es calentado eléctricamente por resistencia mediante una hilera de electrodos situados en el extremo opuesto al de salida de gases del horno. Una división enfriada con agua, divide al horno en dos segmentos, en un extremo la cámara de separación con el ducto de salida de gases y el ciclón de fusión, y en el otro extremo el hogar de asentamiento, en donde se localizan los electrodos para calentamiento. Los hornos continuos para fusión y conversión de mata están formados por una serie de tres hornos adyacentes estacionarios de hogar. El primer horno del grupo sirve para fundir la mata, el segundo para limpiar la escoria y el tercero como horno, convertidor, para procesar la mata al estado de metal impuro. El concentrado y el fundente se inyectan juntos con aire enriquecido con 25% de oxígeno a través de lanzas de techo en el primero y más grande de los tres hornos, teniendo lugar la fusión de la mata. Tanto la mata como la escaria fluyen del horno de fusión a un horno eléctrico de sedimentación para la limpieza de la escoria, siendo éste el segundo horno de la serie. A la carga fundida se agregan pirita y coque para ayudar a que las gotas de mata asentadas en la capa superior de escoria, bajen hacia la capa inferior de mata. La escoria, con un contenido metálico de 0.5%, se extrae en forma continua y se desecha, mientras que la mata, que contiene alrededor del 50% de metal, se hace pasar hacia el horno convertidor. El horno convertidor, el tercero y último de la serie, recibe la mata procedente del horno de limpieza de escoria y a través de lanzas de techo se inyectan aire y fundente al baño. Esto transforma la mata a un estado metálico impuro, que contiene de 98 a 990/o de metal y se produce una escoria con un contenido metálico de 7 a 15%, que es regresada al horno de fusión de mata. Los altos hornos se usan para la fusión de mata de cobre y de níquel y para la fusión de plomo por reducción, siendo el diseño general y el método de operación bastante similares en ambos casos. Ambos tipos de hornos son de tiro, de forma Página 13

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO rectangular, alimentados por la parte superior y tienen hogares refractarios con chaquetas metálicas huecas enfriadas por agua en los lados y en los extremos arriba del hogar. Por las paredes del horno corren hileras de toberas a cada lado, que atraviesan las chaquetas de agua arriba del hogar. Los altos hornos requieren alimentación gruesa para que no sea arrastrada por la fuerte corriente de aire que se inyecte por las toberas. Para lograr esto, previamente se hace una tostación a soplo para aglomerar los concentrados finos de flotación; los finos de retorno se peletizan, briquetean o sinterizan para aglomerarlos, o bien, se carga mineral de alta ley en trozos grandes. Los altos hornos para fusión de mata, de los cuales hay ahora un número considerablemente menor en el mundo para la fusión de minerales y concentrados de níquel y cobre son, en general, los de mayor tamaño de los dos tipos y existen diseños para fundir 1500 toneladas de carga por día, con crisol rectangular de 15 pulgadas de profundidad (37.5 cm) y 5 pies de ancho (1.52 m), revestido con ladrillo de cromo o de magnesita. Otras dimensiones son: 5 pies de ancho (1.52 m) y 20 pies de largo (6.1 m) a la altura de las toberas, las que están 12 pulgadas (30 cm) arriba del crisol y 6 pies de ancho (1.83 m) y 20 pies de largo (6.1 m) en la parte superior de las paredes laterales de las chaquetas enfriadas por agua que tienen 14 pies de altura (4.27 m). Los trenes de carga, que se vacían alternadamente por los dos lados en la parte superior del tiro del horno, se cargan de manera que el primer material que se alimenta al horno sea coque, seguido en orden por sinter, briquetas, material de retorno y mineral de horno de alta ley en trozos. El calor para fundir la carga del horno lo proporcionan el coque, que puede constituir hasta el 10% del peso de la carga sólida, y en menor grado el calor producido por la oxidación de algo del sulfuro de hierro a óxido de hierro. La corriente de aire a baja presión que se inyecta por las toberas del horno, de 28 a 36 onzas (0.79 a 1.02 kg), suministra el aire para oxidar el carbono que hay en el coque a bióxido de carbono en una reacción fuertemente exotérmica:  C+O2 = C02 Y en una reacción menos exotérmica a monóxido de carbono:  2C +O2 = 2C0 A medida que la carga fría desciende en el tiro del horno, se calienta por la corriente ascendente de gases calientes procedentes de la combustión exotérmica del combustible arriba de la línea de toberas, hasta que la temperatura se eleva lo suficiente para que se fundan los sulfuros metálicos y se combinen a la forma de mata liquida, mientras los óxidos se funden junto con los fundentes y forman la escoria. Los componentes principales de la escoria son el FeO y el Si02 y cuando no Página 14

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO hay suficiente Si02 en la ganga de la carga para que ocurra la combinación apropiada con el FeO presente, se agrega Si02 adicional como fundente. Una mezcla liquida de mata y escoria desciende hasta el crisol del horno y sale por una boquilla de trampa revestida de magnesita que hay en uno de los extremos del horno hacia un sedimentador revestido de refractario. Los sedimentadores pueden ser redondos o rectangulares con extremos semicirculares y se fabrican de plancha de acero revestida con ladrillo de cromo en dimensiones típicas de 42 pies de largo, 10 pies de ancho y 5 pies de profundidad (12.8 x 3.05 x 1.52 m). La mata, más pesada, va al fondo del sedimentador, del cual es extraído por sangría periódicamente, mientras que la escoria más ligera sale por derrame continuamente a través de una boquilla localizada cerca de la parte superior del sedimentador. Un diseño algo diferente del alto horno estándar para fusión de mata es el alto horno de tiro bajo para fusión de mata, el cual es de forma elíptica en vez de rectangular, con el tiro revestido de ladrillo y enfriado por agua que corre por el exterior en vez de tener chaquetas para enfriamiento. El alto horno de tiro inferior para fusión de mata de níquel se sangra directamente del crisol, sin que medie ningún sedimentador externo auxiliar, y también puede sellarse hacia la atmósfera y cargarse mediante un sistema doble de campana y tolva, como el que se usa en el alto horno de hierro. Si el mineral no contiene azufre y éste tiene que agregarse como una parte separada de la carga para que se forme la mata, es común precalentar el aire de las toberas para reducir el régimen de consumo de coque y dar al horno el calor sensible adicional. Los gases calientes que salen del horno se utilizan para precalentar el aire que va a las toberas, quemando los gases de escape enriquecido con gas de coquizador en estufas de precalentamiento. Las dimensiones de un horno de tiro inferior para fusión de 800 toneladas diarias de mineral son de 24 pies de largo y 7 pies de ancho, con una altura de tiro de 16 pies desde las toberas hasta el nivel de carga (7.32 x 2.13 x 4.88 m).

1.2.

PROCESOS DE FUSION

Los hornos de reverbero son todavía los hornos de fusión de uso más común en la industria del cobre en general, debido a su capacidad para el manejo de concentrados finos de flotación; son el tipo que utilizan Centromin-Perú y Noranda, entre otros. Como combustibles se emplean comúnmente carbón pulverizado, aceite combustible y gas natural, determinando su selección por la disponibilidad y el costo. Generalmente se prefiere el gas natural por su facilidad de manejo y limpieza si los demás factores son iguales. La carga usual del horno se compone de calcinados Página 15

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO tostados en caliente, escoria fundida procedente de convertidores y que es demasiado alta en cobre para desecharse, fundentes y otros materiales cupríferos como minerales para fusión directa, precipitados de cobre cementado, polvos de chimenea y otros productos de retorno. A un horno típico de 120 pies por 25 pies (36.6 x 7.62 m) se alimentan diariamente 900 toneladas de calcinados calientes, 60 toneladas de fundente y 400 toneladas de escoria de retorno de convertidor A partir de esta carga se producen 625 toneladas de mata con 44% de cobre y una cantidad aproximadamente igual de escoria con un porcentaje de 0.3 a 0.4% de cobre. La mata se sangra del horno periódicamente y se transporta en ollas por medio de grúa a los convertidores de cobre, mientras que la escoria se extrae en forma continua en ollas y se acarrea en camiones o en carros de vía hasta los patios de desecho de escoria. Parte de esta escoria se está tratando ahora en plantas de hierro para producir pellets de hierro reducido de alta ley para la industria del acero. Las temperaturas aproximadas de la carga y los productos del horno son de 11200F (6000C) para los calcinados calientes, 22500F (12300C) para la escoria de convertidor fundida de retorno, 20150F (11000C) para la mata del reverbero y 21800F (11950C) para la escoria del reverbero. Uno de los principales problemas de la fusión en reverbero es la formación y acumulación de magnetita. Fe304, la cual puede acumularse hasta formar una capa sobre el fondo del horno que llega a reducir el volumen del mismo e incluso a obstruir la boquilla de sangrado, hasta que se hace necesario parar el horno. La magnetita dificulta la fusión del cobre la cual requiere de la oxidación del hierro y el azufre que hay en el mineral de cobre que se está tratando, y de la combinación del hierro oxidado con la sílice y otros elementos para formar una escoria fluida que contenga poco cobre y pueda desecharse. A las temperaturas de operación en la fusión del cobre, se forma rápidamente Fe304 durante la oxidación del FeS y es un óxido estable a estas temperaturas. Siendo un tanto inerte químicamente, el Fe304 no se combina con la sílice (Si02) para formar parte de la escoria del reverbero; al tener una solubilidad limitada de 3 a 5% en la escoria y de 10 a 15% en la mata de cobre, se dificulta su separación en el horno. Si la magnetita (Fe304) puede reducirse a FeO, este óxido de hierro si se combina con la Si02 en la forma normal e irá a la escoria del horno. Esta reducción se realiza de diversas maneras: una de ellas es tener una cantidad suficiente de FeS residual después de la tostación o agregar concentrado con alto contenido de FeS sin tostar para reducir el Fe304 a FeO:  FeS + 3Fe3O4 => lO FeO + SO2 Las adiciones de ferrosilicio y de troncos de madera verde por el techo del horno son también útiles para reducir la magnetita a óxido ferroso; la tendencia reciente a limpiar la escoria del convertidor por flotación en vez de recirculada por el Página 16

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO reverbero, reduce la considerable cantidad de Fe304 procedente de la misma escoria. Los hornos eléctricos no se han utilizado tan extensamente como los de reverbero y hasta tiempos recientes su uso se restringía relativamente a países con energía hidroeléctrica barata. Empero, el calentamiento por resistencia eléctrica en sustitución del uso de combustibles fósiles se considera como una alternativa para reducir apreciablemente los volúmenes de gases producidos y disminuir con ello de manera importante el problema de la contaminación del aire y el de la depuración de gases que van asociados con la fusión de la mata. La Compañía Anaconda, por ejemplo, en su nueva fundición de Montana diseñada para producir 210,000 toneladas anuales de cobre, instaló un horno eléctrico de 36 MVA para fusión de mata que es alimentado con calcinados de tostación producidos en un tostador de lecho fluido de 38 pies (11.59 m) de diámetro. La similitud en el diseño y la operación de los hornos de reverbero y eléctricos para fusión de mata es grande. La carga es la misma: calcinados de tostación en caliente, escoria fundida de retorno del convertidor, fundente y varios otros materiales cupríferos, así como es el proceso de fusión en general, en el que el cobre, el níquel, el hierro, el cobalto y el azufre se juntan para formar la mata, mientras que el óxido del hierro, la ganga y los fundentes forman una escoria. El horno eléctrico difiere del horno de reverbero principalmente en la forma en que el calor se genera (por la resistencia al paso de la corriente eléctrica por la escoria) y por las características que exigen de la carga las diferentes condiciones resultantes del horno. Los electrodos que se utilizan normalmente en el horno, y que se colocan de tres a seis en línea, son del tipo Söderberg de cocimiento continuo. Estos se fabrican alimentando una pasta carbonosa al interior de un cilindro de lámina de acero para formar el electrodo. Esta pasta se hornea hasta endurecerse debido al calor producido por la corriente eléctrica y al que sube desde la zona caliente del horno, de manera que cuando el electrodo se baja al interior del horno y hace contacto con la capa de escoria y conduce la corriente ya se ha cocido hasta quedar duro en forma de columna monolítica. A medida que se desgasta el electrodo en operación, se sueldan nuevas secciones de cilindro metálico a la parte superior que sobresale arriba del horno y se llenan con pasta para que se hornee por el mismo proceso. El consumo de electrodo es del orden de 6 libras (2.7 kg) por tonelada de carga sólida. La carga alimentada por la parte superior, se extiende al principio formando una capa de calcinados sin fundir sobre la parte superior de la escoria, a la cual se conoce como “capa fría”. A medida que se funde, el calcinado se diluye gradualmente en la escoria y se separa en capas de mata y escoria. Para evitar que el calcinado flote y salga del horno con la escoria líquida, se alimenta material

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO sólido y grueso de retorno en el último tercio del horno, en el cual funciona como dique. Algo de turbulencia se produce en la corriente de escoria debido al sobrecalentamiento de ésta en las áreas adjuntas a los electrodos; la escoria se eleva a la superficie y fluye hacia las paredes del horno que se encuentran más frías. Una parte del calor procedente de esta escoria se transmite por convección a los calcinados que flotan sobre su superficie; el movimiento de la escoria, de unos 5 a 10 cm por segundo, facilita la transmisión de calor de ésta al calcinado. Sin embargo, dificulta la sedimentación de las partículas que hay en la mata y aumenta la erosión de las paredes del horno. En los hornos eléctricos en que se funden calcinados de cobre, los calcinados calientes se cargan a 1 1000F (6000C) y se produce mata que contiene de 40 a 50% de cobre. Las escorias contienen entre 0.3 y 0.5% de cobre y se acarrean en ollas de escoria a los patios de desecho. Tanto la mata como la escoria se extraen periódicamente en las piqueras. El consumo de energía es de 580 kW-hr por tonelada de carga sólida y de 400 kW-hr por tonelada de calcinado. Las capacidades de fusión son de hasta 500 toneladas de carga en 24 horas. Las temperaturas de los gases de salida son del orden de 13000F (7000C) y contienen alrededor de 5% de SO2. La formación de magnetita es también un problema en el horno eléctrico, aunque su comportamiento es muy diferente del que tiene en el horno de reverbero. En un horno eléctrico no sólo está la escoria en movimiento turbulento sino que la mata está sujeta también a fuerzas electrodinámicas; la combinación de estos fenómenos hace que la mata del horno eléctrico tenga un mayor contenido de magnetita que la mata de horno de reverbero. La magnetita forma al principio una zona intermediar de alta viscosidad entre las capas de escoria y mata y luego se asienta en el fondo del horno, en el cual puede permanecer como una capa relativamente estable de hasta 20 cm de espesor. La zona intermedia de magnetita comprendida entre la mata y la escoria es un obstáculo a la operación óptima de los hornos porque impide que las pequeñas gotas de mata salgan de la escoria para sedimentarse en la capa de mata. En el horno eléctrico, la magnetita puede disminuirse o eliminarse mediante la reducción del Fe304 a FeO y fundiendo éste con ayuda de Si02 para que vaya a la escoria. La reducción del Fe304 se logra de varias maneras: cargando más carbón y sílice, bajando el voltaje y bajando los electrodos para acercarlos más a la superficie del mate. Los hornos de cuba se desarrollaron inicialmente para fundir minerales sulfurosos masivos de alta ley en trozos grandes, los cuales se fundían directamente y beneficiaban en forma parcial solamente, como ocurre con el mineral seleccionado a mano. Con los métodos modernos de beneficio, especialmente los concentrados finos resultantes de flotación, se desarrolló la fusión en los hornos de reverbero y eléctrico que pueden manejar mejor esta Página 18

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO alimentación fina. Sin embargo, el horno de cuba no ha dejado de usarse completamente; con la innovación de la sinterización (tostación - sinterización) para aglomerar los concentrados finos, es todavía un horno de fusión eficiente, ya sea con carga sinterizada o con briquetas. Se encuentran todavía en operación algunos hornos para fundir minerales de cobre en Africa y Japón. La carga del horno de cuba está formada por calcinados sintetizados, con gruesos de tamaño mínimo de 1 1/2 pulgadas (3.75 cm), minerales en trozo, productos de retorno, fundentes y coque clasificado de más de 1 1/2 pulgadas (3.75 cm). El porcentaje de coque en la carga total varía del 10 al 35%, dependiendo de la cantidad de sulfuros en la carga de fusión, los cuales son oxidados generándose calor en la reacción. Con los mayores consumos de coque, el azufre de los calcinados sinterizados puede bajar hasta el 7 ó 9% y la ley de la mata producida será muy alta (60%), debido a las grandes cantidades de FeS que son oxidadas a FeO durante la tostación -sinterización; luego el FeO se separa como escoria al combinarse con el Si02 durante la fusión. Esto deja una menor cantidad de FeS para combinarse con el Cu2S en la mata y dar mata de cobre de muy alta ley. A un horno típico de 20 pies de largo por 5 pies de ancho (6.1 x 1.52 m) con chaquetas de agua, se inyecta un volumen de aire de 675,000 pies cúbicos (60,000 m3) por hora a una presión de 4.8 pulgadas (120 mm) de mercurio. Las toberas de este horno se distribuyen en los lados largos del mismo, habiendo una o dos toberas por sección de chaqueta y 10 chaquetas por lado. No hay toberas en la chaqueta situada arriba del agujero de picada.  Los productos del horno son mata y escoria, los que en la mayoría de los hornos, se hacen fluir juntos hacia un sedimentador revestido de refractario para permitir la separación de las dos capas de diferente densidad. La escoria que sale del sedimentador contiene de 0.3 a 0.5% de cobre y fluye en forma constante hacia ollas de escoria, siendo acarreada a los tiraderos de escoria. La mata de cobre, con 30 a 60% de Cu, es sangrada en forma intermitente y transportada en ollas a los convertidores. La escoria fundida de los convertidores que contiene 4% de cobre, es regresada al sedimentador, para recuperar su alto contenido de cobre. Se han construido algunos hornos de cuba con hogares de mayor profundidad que la normal (2 pies de profundidad (0.61 m) en comparación con 12 pulgadas (0.30 cm)), sin sedimentadores exteriores; la separación de la mata y la escoria se efectúa en el hogar mismo del horno. La mata se sangra desde un extremo del fondo del hogar y la escoria desde el punto más alto situado abajo de las toberas. En este caso, la escoria de los convertidores es regresada al horno de cuba como una parte sólida de la carga. Se emplean colectores de polvo de distintos tipos para recuperar los polvos de chimenea arrastrados por los gases del horno. Estos colectores son con frecuencia unidades de dos etapas para recuperar primero las partículas de polvo más gruesas y luego las finas. Combinadas, estas partículas de polvo

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO pueden formar hasta el 3% de los sólidos totales que se cargan. Las partículas se regresan a la planta de sinterización para su aglomeración. La magnetita no es un problema serio en el horno de cuba, debido a las condiciones fuertemente reductoras que tienden en buena parte a reducir a FeO el Fc304 presente. El primero se combina con el SiO2 para formar escoria:  2Fe0 + Si02 => 2Fe0 +Si02 Para combinarse con el FeO reducido, el contenido de SiO2 de las escorias de los hornos de cuba es por lo general alto, del 25 al 30%, y se alimenta junto con la carga del horno como parte de la ganga o como un fundente más. Las temperaturas típicas de operación de estos hornos son: 24200F (1325 oC) para la corriente de mata y escoria combinada al salir del horno, 22650F (12400C) para la mata que se extrae del sedimentador y 23500F (12900C) para la escena que sale del sedimentador.  Los concentrados de los sulfuros de cobre sin tostar se funden hasta mata y escoria en hornos de reverbero, hornos de reverbero enriquecidos con oxigeno, hornos eléctricos, hornos de fusión instantánea y en el nuevo proceso de fusión continua con tres hornos en serie. Las reacciones y combinaciones básicas de la fusión son las mismas que para la fusión de mata de los sulfuros tostados, en cuanto a que los productos de la fusión son una mata líquida que contiene los elementos metálicos presentes en los sulfuros de cobre, níquel, cobalto y hierro y una escoria formada por óxido de hierro, ganga y fundente silíceos fundidos. La fusión directa de los concentrados sin tostar, tanto húmedos como secos, es un proceso algo diferente dependiendo del tipo de fusión utilizada. En los hornos de reverbero y e1ectricos que utilizan concentrados sin tratar, la atención se dirige primordialmente al ahorro en el tiempo total de procesamiento, ahorro en el costo de la operación de tostación y a la reducción de la cantidad de material a manejar. La fusión instantánea, por otra parte, utiliza la reacción exotérmica del FeS del concentrado sin tostar como fuente de calor para la fusión mediante una reacción semipirítica autógena y por esta razón necesita del concentrado sin tostar. El proceso de fusión continua combina estos dos procesos dando un rendimiento por unidad de volumen del horno seis veces mayor que el de un horno de reverbero y dos a cuatro veces mayor que el de un horno de fusión instantánea.

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2.

CONVERSION

La conversión Es la etapa segunda y final en la fundición de minerales o concentrados de sulfuros y es también una operación de concentración, como lo es la fusión. La fase liquida del sulfuro metálico de la mata que se produjo en el horno de fusión ha experimentado la separación de la mayor parte de la ganga y una parte del contenido de hierro en forma de escoria durante el paso de fusión, después del cual quedó la mata como una solución compleja pero homogénea de cobre, níquel, cobalto, hierro y azufre, con pequeñas cantidades de metales preciosos y otros metales básicos. Ahora la mata debe procesarse para separar la mayor parte de los elementos indeseables presentes, principalmente el hierro y el azufre; esto se hace en un proceso intermitente, que a veces es de dos pasos conocido como conversión. Mediante la inyección de aire, oxigeno o aire enriquecido con oxígeno a la carga de mata líquida que se lleva al convertidor, tiene lugar un proceso de oxidación selectiva por medio del cual los elementos de la mata con mayor afinidad por el oxígeno se oxidan primero y pueden separarse. La primera etapa de conversión, o etapa de “metal blanco”, la constituye la oxidación rápida del sulfuro de hierro que hay en la mata a óxido de hierro y anhídrido sulfuroso gaseoso, ya que de todos los componentes de la mata el hierro es el que tiene más afinidad por el oxígeno. Se agrega suficiente sílice para que se combine con el óxido de hierro producido y se forme una escoria de silicato de hierro que se vacía para separarla. Dicha oxidación produce una gran cantidad de calor la cual es suficiente para que la carga del convertidor se mantenga en estado líquido y a temperaturas de reacción que se requieren. La segunda etapa de conversión puede usarse solamente con metales que no oxiden con demasiada facilidad y consiste en oxidar el azufre que queda de los sulfuros metálicos, que ha quedado en la mata después de que se ha oxidado la mayor parte del sulfuro de hierro y que se ha desalojado la escoria del convertidor. Se continúa el soplado hasta oxidar azufre residual en el “metal blanco”, después de lo queda un metal relativamente puro que se extrae del convertidor por vaciado y se refina posteriormente. Esta segunda etapa de conversión no puede realizarse si el metal blanco tiene alta afinidad por el oxígeno y forma un óxido en lugar de permanecer en, el estado metálico después de que su contenido de azufre se ha oxidado a anhídrido sulfuroso. En este caso, el metal blanco es el producto final del convertidor, por lo cual se vacía y se conduce al siguiente paso de refinación.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO 2.1. TIPOS DE CONVERSION El propósito de la conversión es eliminar mediante oxidación y escoriado y mediante oxidación y separación como gas volátil lo más posible del hierro y el azufre, respectivamente, de la mata producida en la fusión previa de minerales y concentrados. En esta forma puede separarse hasta el 80% de la carga de mata de un convertidor, y como las impurezas oxidadas se separan en varios pasos en la primera soplada durante un periodo de oxidación y luego se separa la escoria de óxidos que se ha producido, la operación total de conversión de mata a metales, o a metal blanco requiere varias horas. Debido al aumento del porcentaje de los metálicos en la carga del convertidor a medida que avanza el proceso, la escoria producida contiene una cantidad apreciable de valores metálicos y debe volverse a tratar para recuperarlos. Además, como los minerales y concentrados ya han pasado por una etapa de concentración en su fusión en horno, el volumen de mata que ahora se trata es considerablemente menor que la carga inicial del horno de fusión. En consecuencia, aun con el alto porcentaje de impurezas que se separan durante la conversión, el volumen de escoria procedente del convertidor es mucho menor que el procedente del horno de fusión. La escoria del convertidor casi siempre se regresa, todavía en estado líquido, al horno de fusión para recuperar sus valores metálicos, aunque para recuperar los valores contenidos también una parte se trata por enfriamiento lento, trituración, molienda y flotación selectiva. Es práctica usual durante la operación de conversión, agregar mata líquida procedente del horno de fusión para remplazar la escoria de convertidor que se haya acabado de vaciar. Esta adición de mata fresca aporta combustible para mantener liquida la carga del convertidor y a la temperatura de reacción por el calor producido por la oxidación del azufre. El metal blanco, o el metal, se acumula gradualmente en el convertidor a medida que el hierro y el azufre de la mata se van separando, hasta que toda la carga del convertidor se transforma al estado metálico, momento en el cual se extrae para la operación final de refinación y obtener el metal puro. La conversión es una operación relativamente normalizada en la que se inyecta aire a través de toberas al interior de un recipiente horizontal estacionario de forma de tambor. Sin embargo, la operación del convertidor ha sido renovada y las innovaciones más recientes incluyen modelos con inyección de oxígeno y de aire enriquecido con oxígeno y convertidores verticales rotatorios con lanzas de soplo de oxigeno por la parte superior, remplazando a la distribución normal. La gran cantidad dc calor producido en la conversión puede aprovecharse hasta cierto grado para la fusión directa de minerales y concentrados de alta ley, así como la de pedacería y productos secundarios de retorno destinados a reproceso para recuperar sus valores metálicos. El proceso más reciente combina la fusión y la conversión en una operación continua, de manera que ambas se llevan a cabo simultáneamente en un solo reactor. Página 22

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO Las ventajas de estas dos operaciones separadas, fusión y conversión, pueden combinarse en un proceso total realizado en un solo recipiente de reacción; el calor excedente producido por las reacciones de conversión puede ahora utilizarse completamente en el proceso de fusión. Además, el gas de escape de la chimenea que contiene SO2 producto de la alimentación de concentrado de sulfuros no tostado, se diluye muy poco en los gases procedentes de los quemadores auxiliares, por lo cual sale del reactor con un alto contenido de SO2 y resulta económicamente adecuado para la fabricación dc ácido sulfúrico. Se han desarrollado dos tipos diferentes de reactores combinados para fusión conversión. Uno de éstos es un reactor cilíndrico relativamente similar al convertidor horizontal convencional, mientras que el otro es un horno del tipo de posición fija, de diseño parecido al horno de fusión. Convertidores horizontales del tipo Peirce-Smith. Estos convertidores son del tipo convencional y los que se usan más frecuentemente para la conversión de la mata. Son cilindros de aceros revestidos con ladrillos de magnesita, instalados sobre rodillos en un plano horizontal, y pueden girar en torno a su eje mayor hasta un ángulo de 120º. Una abertura que tienen en el centro de su parte superior sirve para alimentar la carga y para vaciar la escoria y el producto, para lo cual se gira el convertidor de manera que la abertura se desplace hacia delante desde su posición más alta. La posición de operación es con la boca abierta hacia arriba y bajo una campana de humos a través de la que se extrae el gas y el polvo del horno originados por el proceso. La mata líquida procedente del horno de fusión se vacía al convertidor al girar con la boca abierta hacia su posición delantera; el convertidor se llena aproximadamente hasta la mitad de su volumen. El aire comprimido se inyecta a través de una línea de toberas que descargan al interior del convertidor a lo largo de su parte trasera y que están situadas en tal forma que cuando el convertidor se gira hacia su posición de operación, las toberas quedan abajo de la superficie de la mata líquida e inyectan el aire al seno de ésta. Entonces comienza la oxidación de los sulfuros de hierro que contiene la mata; el material silicio se agrega a intervalos, según las necesidades de fundente, para que sc combine con el óxido de hierro que se está formando y forme una escoria de silicato de hierro. Cuando hay ya suficiente escoria, el convertidor se gira hacia delante para vaciarse, en tanto que la alimentación de aire comprimido se cierra cuando las toberas salen del bailo fundido. La escoria, que contiene del 2 al 5% de valores metálicos, se regresa al horno de fusión para su limpieza, o bien, en las prácticas más recientes se enfría, se muele y se trata por flotación para recuperar los valores metálicos. Luego se agrega mata fresca al convertidor para reponer el volumen de la escoria que se extrajo, se vuelve a abrir la alimentación de aire comprimido, se gira el Página 23

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO convertidor a su posición de operación con la boca de carga y descarga hacia arriba y el ciclo se repite. Cuando después de muchos ciclos se carga el convertidor con metal blanco o con producto metálico, según sea el producto final, el convertidor se gira hacia abajo y se vacía la carga terminada en ollas de colada para ser llevada al siguiente paso de refinación. La reacción exotérmica principal que tiene lugar en el convertidor es: 

2FeS + 302 = 2FeO + 2S02

La cual genera suficiente calor para mantener liquida la carga y a la temperatura operación sin tener que agregar ningún otro combustible. La reacción de formación de escoria es:  2FeO + Si02 => 2FeO*SiO2 El convertidor tiene una longitud de dos a dos y media veces el diámetro, de manera que se tienen convertidores de 13 pies de diámetro por 30 pies de longitud (3.96x9.15 m), 12 pies de diámetro por 28 pies de largo (3.66 x 8.55 m) y 13 pies diámetro por 35 pies de longitud (3.96 x 10.67 m). Los gases de chimenea que se extraen por la campana situada arriba de la boca abierta del convertidor durante el soplado se llevan a recolectores en polvo en la que se recupera el polvo de chimenea y se regresa al proceso. Los gases procedentes del principio del periodo de soplado son más ricos en SO2 que los del final del soplado, los cuales son bastante limpios. Los gases ricos en S02 pueden conducirse separadamente y usarse como materia prima para producción de ácido sulfúrico. Los convertidores Hoboken (o de sifón) son una innovación reciente que ha instalado ya en varias fundiciones para mejorar aún más la recolección de con S02 y reducir al mínimo la contaminación del aire, ya que son más eficaces que las campanas que son equipo estándar en los convertidores Peirce-Smith. El convertidor Hoboken extrae los gases con alto contenido de S02 a través un ducto conectado axialmente a un extremo del convertidor, con un “cuello de ganso” o “sifón” que deja que los gases pasen libremente desde el convertidor en las fases de la operación, sin que se derramen gotas de líquido en el sistema de gases de chimenea. Esto permite que el convertidor esté sellado durante las operaciones de soplo cerrando físicamente su boca, lo cual impide que escape SO2 a la atmósfera y evita cualquier dilución del SO2 con al aire infiltrado. Como no hay campanas ni ductos que obstruyan la boca del convertidor, puede alimentarse algo de carga a través de una boquilla retraíble durante el soplado, y esto reduce un poco el tiempo muerto. Sin embargo, la carga de la mata y extracción por vaciado de la escoria y el metal fundidos requieren todavía de

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO operaciones a través de la boca, para lo cual se requiere parar el soplo del convertidor. Los convertidores rotatorios de soplo por la parte superior (TBRC) son un nuevo tipo de diseño bastante similar al del horno Kaldo que se emplea en la fabricación de acero con oxígeno. El convertidor es de forma cilíndrica, cerrado en un extremo y con un cono abierto en el otro. El recipiente es un casco de acero, revestido de magnesita, que se hace girar a velocidades de 5 a 40 rpm, y que está inclinado 17o respecto a la horizontal. El convertidor descansa sobre dos juegos de cojinetes de rodillos y puede inclinarse a cualquier posición dentro de los 360o para llevar la boca a diversas posiciones para el vaciado de la escoria, la adición de fundentes y el vaciado de la carga final. Después de que se carga el recipiente con mata por el extremo abierto, se le incline l7o a la posición de trabajo, se inicia la rotación y se introduce una lanza enfriada por agua a través de la boca, para dirigir un chorro de oxigeno sobre la superficie del baño rotatorio. Tiene lugar rápidamente la oxidación del sulfuro de hierro y se agrega fundente de sílice para formar una escoria de silicato de hierro, la cual se vacía y se regresa al horno de fusión. Luego se agrega mata fresca del horno para reponer el volumen de escoria removido, y se repite el ciclo de soplado, oxidación y formación de escoria hasta que el convertidor está cargado con producto metálico. Este producto final se vacía y se lleva a refinación. Los convertidores rotatorios que se emplean para níquel son de 18 pies de longitud y 11 1/2 pies de diámetro exterior (5.49 x 3.51 m) y normalmente trabajan abajo de sus velocidades inferiores a su velocidad máxima de rotación de 40 rpm hasta un poco antes de terminar el soplado, momento en que se les hace girar a su velocidad máxima. La combinación del soplado superficial por medio de la lanza, y de la turbulencia inducida mecánicamente al baño por la rotación, tienen por objeto mejorar el rendimiento de las funciones esenciales del convertidor, a la vez que se efectúan las dos acciones de soplado y agitación independiente entre sí aumentando la flotabilidad del proceso. Los reactores de fusión-conversión son de dos modelos diferentes, uno los cuales, que ya se encuentra en una operación comercial, es el del proceso Noranda, el cual consiste en un horno cilíndrico horizontal con una depresión en el centro en la que se reúne el producto metálico y luego se extrae por piqueras de sangría; tiene un hogar elevado en uno de los extremos, desde el cual se sangra la escoria extremo opuesto del reactor respecto al hogar elevado de la escoria es el sitio en el que se llevan a cabo las reacciones de fusión conversión; se tiene longitudinalmente una hilera, de toberas con una longitud aproximada de dos quintas partes de la del horno. El reactor es un casco de acero revestido de ladrillo de cromo-magnesita, que puede girarse hasta 54o para llegar a la posición en que las toberas queden fuera del baño. Por una campana situada sobre la abertura central superior del casco, Página 25

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO salen los gases de escape, los cuales son enfriados por rociado con agua y conducidos a colectores de polvo. Los gases depurados, con alto contenido de SO2, pasan a una planta de ácido sulfúrico, mientras que el polvo recuperado se peletiza y regresa al reactor para reciclado. Unos quemadores situados en algunos de los extremos del casco aportan calor auxiliar para el proceso si se requiere, y mediante una banda que entra a través de una puerta de alimentación en el extremo de las toberas del reactor, se distribuyen en concentrado peletizado y el fundente sobre la superficie del baño, en la zona de fusión-conversión. El baño en el recipiente está formado por una capa superior de escoria, una capa intermedia de mata de alta ley y una capa inferior de producto metálico que se asienta en la depresión de la parte central de la unidad. El aire inyectado a través de las toberas le imprime una intensa acción mezcladora al baño y propicia la transmisión del calor necesario para fusión de la fase de la mata, a la vez que proporciona oxígeno para la fase de conversión. Las reacciones que tienen lugar son semejantes a las que ocurrirían en operaciones separadas de fusión y conversión de mata, fundiendo primero a mata la carga peletizada y oxidando luego los sulfuros de ésta por conversión. El sulfuro de hierro se oxida primero y forma una escoria de silicato de hierro con el fundente de sílice agregado en la carga, mientras el sulfuro metálico residual se oxida luego a metal. La escoria es demasiado alta en valores metálicos para ser desechada y debe procesarse primero para recuperar estos valores, en tanto que el producto metálico se lleva a refinación. Un reactor cilíndrico de tamaño capaz de procesar l00 toneladas cortas de concentrado por día tiene una longitud interior de 32 1/2 pies (9.90 m) y un diámetro interior de 7 pies (2.13 m) en el extremo de la alimentación. Tiene 13 toberas de 2 pulgadas (5 cm) con una separación de 6 pulgadas (15 cm) entre centros en la sección de fusión y conversión. El segundo tipo de reactor para fusión-conversión, el WORCRA, que no usa comercialmente aún, es un tipo de horno estacionario, para tratar 72 toneladas corta de concentrado por día; se construye en forma de U, y el concentrado y el fundente se alimentan en la parte inferior de la U. Una de las piernas de la U está dotada de toberas del tipo de lanza, y es allí en donde tienen lugar las reacciones de conversión con la formación de las mismas tres capas: escoria, mata y producto metálico. El metal se separa por derrame del extremo superior de esta pierna por encima de u pared que se extiende hacia abajo hasta el fondo del horno. La pierna opuesta sirve para la limpieza de la escoria, y la mata y el metal atrapados se sedimentan por gravedad en esta zona relativamente estacionaria. La escoria derrama sobre un vertedero situado en la parte superior de la pierna hacia un pozo de escoria, del cual se le sangra en forma continua, para luego desecharla. La pierna de limpieza de escoria tiene 8 pies de anchura por 31 pies de longitud (2.44 x 9.45 m), mientras que la pierna de conversión tiene 6 pies de anchura y pies de longitud (1.83 x 8.54 m), con diámetro de 10 pies (3.05 m) en Página 26

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO el área fusión-carga adyacente a ésta en la esquina inferior del horno de forma de U. El ducto de salida de gases está situado sobre la zona de conversión, y el gas rico en SO2 se hace pasar primero por un sistema de separación de polvo y luego a planta de ácido sulfúrico. También se están considerando hornos en línea recta en vez de los de forma de U. En éstos, la carga y la fusión tienen lugar en el centro; la zona de conversión y las toberas de lanza en un extremo, así como la limpieza de la escoria, se encuentran tienen lugar en el extremo opuesto. Los gases de escape se extraen por el extremo de conversión. 2.2.

PROCESOS DE CONVERSION

La mata de sulfuros de cobre del horno se convierte a cobre ampollado, con 98% o más contenido de cobre, en convertidores Peirce-Smith cuyo tamaño más común es de 30 por 13 pies (9.15 x 3.96 m). Los convertidores son cascos de acero revestidos con ladrillo de magnesita o de cromo y tienen engranajes de accionamiento anillos rodantes de soporte en sus extremos para permitir su rotación desde la posición vertical de operación hasta la posición horizontal utilizada para carga y vaciado. Las toberas, de 48 a 52, están colocadas en fila a lo largo de la parte posterior del convertidor en forma tal que quedan sumergidas y soplando en el baño cuando el convertidor está en la posición vertical de trabajo. Se inyecta aire comprimido en el baño del convertidor una presión de 13 a 14 lb/puIg2 (89.6 a 96.5 kPa); son indeseables presiones mayores porque se forzaría al aire a pasar a través del baño con demasiada rapidez como para que hubiera una oxidación efectiva, y la agitación del baño sería tan grande que una parte de la carga fundida salpicaría. Los orificios de las toberas dentro del convertidor tienen tendencia a taparse con carga solidificada que se enfría por el aire inyectado por las toberas. Para mantener abiertas las toberas y trabajos eficientemente, deben limpiarse con frecuencia pasando por ella, una barreta de acero. A esta operación se le llama perforado y en la actualidad se efectúa mediante dispositivos mecánicos que trabajan con aire comprimido y que pueden destapar toda la hilera de toberas en 30 segundos aproximadamente. El régimen de soplado a un convertidor es del orden de 22,000 pies cúbicos (623 m3) por minuto y el orificio de las toberas es de 11/2 a 2 pulgadas de diámetro (3.75 a 5 cm). Con frecuencia no se utilizan las últimas toberas de cada extremo del convertidor con el fin de minimizar el soplo de estas toberas que corta y desgasta rápidamente el recubrimiento de refractario de los extremos del convertidor. Lo más conveniente es instalar los convertidores cerca del horno de fusión para que las ollas de traslado de la mata del horno a los convertidores recorran una distancia corta, reduciéndose tiempo de traslado y el enfriamiento de la mata en la olla. Al enfriarse, la mata se solidifica en capas contra el casco de la olla y se queda en ésta formando lo que se conoce como una “calavera” al vaciar la mata que Página 27

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO todavía se conserva liquida. La acumulación de estas costras en la olla reduce su capacidad efectiva y periódicamente requiere de una operación separada para el descostrado de las ollas; las costras desprendidas se regresan como material cuprífero frío ya sea al convertidor o al horno de fusión. La conversión de la mata de cobre se hace en dos pasos y por lotes. Es una operación de dos pasos porque en la primera etapa de conversión, o etapa de metal blanco, ocurre la oxidación rápida del sulfuro de hierro de la mata a óxido de hierro y anhídrido sulfuroso. El óxido de hierro se separa como escoria después de combinarse con el fundente de SiO2, y dejar sulfuro de cobre fundido, al que se conoce en esta etapa como metal blanco. La segunda etapa consiste en continuar el soplado y oxidar el sulfuro de cobre a cobre metálico. Esta es una operación por lotes en la que se hace el soplado y la separación de escoria de una carga de mata de convertidor que ensaya del 25 al 55% de cobre, según se haya producido en el horno una mata de alta o baja ley, para separar el hierro y el azufre hasta que la mata se ha purificado a cobre ampollado con contenido de más del 98% de cobre. La mata se compone esencialmente de FeS y Cu2S, y estos dos compuestos son los que intervienen en las dos etapas de conversión. La reacción principal en la primera etapa es la oxidación del sulfuro de hierro, 

2FeS + 3O2 => 2FeO + 2SO2

Y la sigue inmediatamente la reacción de formación de escoria 

FeO + SiO2 => FeO*SiO2

El Cu2S que se oxida a Cu2O en la primera etapa se reduce de nuevo a Cu2S por la reacción 

Cu2O + FeS => Cu2S+FeO

Después de que se separa la escoria, tiene lugar la segunda etapa de conversión, en la cual se oxida el Cu2S a cobre metálico: 

Cu2S + O2 => 2Cu + SO2

Puede ocurrir durante este período algo de oxidación del cobre a Cu2O, pero luego se reduce de nuevo a Cu, por reacción del Cu2S que queda todavía:

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO 

2Cu2O + Cu2S = 6Cu + SO2

El peso total de mata tratado durante un ciclo completo de carga del convertidor, desde mata hasta cobre ampollado, es del orden de 160 toneladas cortas, y aunado a dicho peso se tienen 50 toneladas de fundente silíceo y de 40 a 50 toneladas de material cuprífero frío, sólido, como chatarra de cobre, mata, costras y otros materiales de retorno que también se regresan al proceso para recuperación de sus valores metálicos. Los productos que se obtienen de esta carga completa son 65 toneladas cortas de cobre ampollado, siendo el resto escoria y gases volátiles. 3.

Emisiones y residuos de las fundiciones

3.1.1. INTRODUCCIÓN Las fundiciones de cobre constituyen sin lugar a dudas uno de los mayores problemas en la mala imagen ambiental del sector minero metalúrgicos. En la fundición, se procesan concentrados de cobre que en general contiene del orden de 30% de Cu que vienen acompañados por una porcentaje similar de Fe y de S, y por algunas impurezas como al arsénico cuya concentración puede llegar hasta 1%. El azufre se elimina tanto en el fusión como en la conversión en forma de dióxido de azufre, mientras que el hierro es mayormente eliminado en la etapa de fusión como escoria fayalítica. En la fundición, tanto en el proceso de fusión como en el proceso de conversión, se generan grandes cantidades de gases metalúrgicos que contienen distintos tipos de compuestos contaminantes, entre ellos: polvos, dióxido de azufre y compuestos metálicos volátiles. Generalmente, los gases calientes son captados a la salida de los equipos por campanas con un flujo forzado de extracción. Estos gases pasan por distintas etapas de tratamiento: enfriamiento, limpieza seca y limpieza húmeda. Parte de los polvos recuperados en el enfriamiento y en la limpieza seca son recirculados pero en algunos casos, su alto contenido de impureza obliga a descartarlos o a tratarlos en procesos anexos. Los efluentes de la limpieza húmeda son neutralizados, generándose residuos arseniacales que deben ser dispuestos como residuos peligrosos. Los gases metalúrgicos con una alta concentración de dióxido de azufre (3 a 10%) pueden ser tratados en plantas de ácido. En estas plantas, el dióxido de azufre se convierte en trióxido para luego ser absorbido en agua para formar ácido sulfúrico. En las plantas de ácido se tratan los gases provenientes de los Hornos Flash, de los Convertidores Teniente y de los Convertidores Peirce Smith. Los gases de los hornos reverberos presentan, generalmente, una baja concentración de dióxido de azufre debido principalmente a la necesidad de suministrar combustible para mantener una adecuada temperatura y, por lo tanto, el aire requerido para la combustión produce una mayor dilución de los gases metalúrgicos. Sin embargo, trabajar con aire enriquecido en oxígeno permite lograr una concentración Página 29

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO adecuada de dióxido de azufre en los gases de salida y de esta forma poder tratarlos en las plantas de ácido. 3.1.2. POLVOS DE ARRASTRE Y POLVOS DE CONDENSACIÓN El material particulado o polvo presente en los gases tiene 2 orígenes distintos. Primero, el polvo de arrastre, correspondiente a partículas primarias, resulta del arrastre de partículas de concentrado que no alcanzan a reaccionar completamente y que son llevadas por los gases hacia la salida del equipo. Estas partículas tienen generalmente una composición cercana a la composición del concentrado, con alto contenido de cobre y hierro y un posible déficit de azufre (leve). Por otro lado, se observan también partículas secundarias, producidas por condensación de los compuestos volátiles a medida que se enfrían los gases en el tren de limpieza. Cabe señalar que estos compuestos secundarios pueden también condensar sobre partículas primarias, obteniéndose partículas mixtas. Las partículas secundarias y las partículas mixtas tienen un bajo contenido de cobre y hierro y un alto contenido de arsénico, cinc, bismuto y otros metales volátiles. La cantidad de polvo de arrastre que se produce en los equipos de fusión depende del tipo de equipo y en particular del modo de alimentación del concentrado. El Horno Flash es el equipo que más polvo de arrastre produce. En el Convertidor Teniente, donde el concentrado es alimentado en lanzas sumergidas en el baño, se produce un menor arrastre de partículas. El material particulado presente en los gases se recupera en las etapas de enfriamiento y limpieza seca de los gases. Parte importante de los polvos de arrastre se recuperan en las cámaras de enfriamiento donde, por una disminución de la velocidad de los gases por expansión de la sección de los ductos, se produce une sedimentación de las partículas más gruesas. Generalmente, este polvo rico en cobre es directamente recirculado a la etapa de fusión. Otro tipo de equipo muy común en la limpieza seca es el precipitador electrostático que, mediante la aplicación de un campo electromagnético, permite recuperar las partículas en función de su carga superficial, aun cuando son partículas de muy bajo tamaño. A medida que los gases avanzan en las distintas etapas de limpieza, se van enfriando y disminuye la proporción de polvos de arrastre y aumenta la proporción de polvos de condensación. Estos polvos no siempre son recirculados, para evitar la acumulación de impurezas en la fundición. 3.1.3. EMISIONES DE DIÓXIDO DE AZUFRE El dióxido de azufre es sin dudas el principal contaminante que se genera en las fundiciones de cobre. Prácticamente todo el azufre alimentado con el concentrado se elimina como dióxido de azufre. Asumiendo que la concentración de azufre en el concentrado es similar a la cantidad de cobre, significa que por cada tonelada de cobre producida se producen 2 toneladas de dióxido de azufre. Si todo el dióxido se transforma a ácido sulfúrico, significa que por cada tonelada de cobre se producen Página 30

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO 3 toneladas de ácido sulfúrico. Las emisiones de dióxido de azufre a la atmósfera se producen de 2 modos distintos. Uno es a través de las emisiones por chimenea, que corresponden a los gases captados pero no tratados en las plantas de ácido. Una chimenea permite una mayor dispersión de los gases enviados a la atmósfera. Otro medio de emisión es a través de las llamadas emisiones fugitivas o emisiones secundarias, que corresponden a la fracción de los gases que escapa a los sistemas de captación a la salida de los equipos y que se emiten directamente a la atmósfera. Estas emisiones son particularmente importantes en los equipos que operan en modo batch y donde es necesario levantar las campanas para las operaciones de carga y descarga, como es el caso de los Convertidores Peirce Smith. Estas emisiones se producen también en todos los puntos de descarga y en el transporte de productos fundidos, en particular del eje o metal blanco, por volatilización directa del azufre contenido en estos productos. Sin embargo, estas emisiones son generalmente menores. Es muy difícil medir directamente las emisiones fugitivas, por lo tanto su magnitud se estima mediante el uso de balances de masa.

3.1.4. EMISIONES DE ARSÉNICO La emisión de arsénico en las fundiciones de cobre se efectúa tanto por volatilización como por la formación de compuestos en la escoria y en el eje la mayor parte del elemento es eliminado en la fase gaseosa en las primeras etapas del proceso (etapa de fusión y conversión) debido a que gran parte de los compuestos de arsénico son volátiles a la temperatura de fusión. En la figura 3.2, se muestra un ejemplo genérico de la distribución de arsénico en las etapas de fusión y conversión, para una operación típica y características promedio de los diferentes productos.

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Figura 3.2. Distribución de arsénico en una planta de fundición. Como se ha señalado anteriormente, los gases de los equipos de fusión y conversión pasan por equipos de tratamiento para eliminar el calor, los polvos y el arsénico antes de descartarlos a la atmósfera a través de la chimenea principal de la fundición o de procesarlos en la planta de ácido sulfúrico. Y, al igual que en el caso del dióxido de azufre, el arsénico se elimina directamente a través de la chimenea cuando éstos no son tratados y a través de las emisiones fugitivas. En estas emisiones fugitivas o secundarias se encuentran los gases metalúrgicos no captados por las campanas ubicadas en la boca de los equipos principales y los compuestos de arsénico volatilizados desde los flujos de material fundido en las etapas de vaciado de eje a ollas, de carguío de eje a convertidores, de escoriado, de traslado de ollas, etc. Las emisiones fugitivas constituyen una importante fuente de emisión de arsénico para las fundiciones y una vez que éstas implementen sus planes de descontaminación, para controlar y tratar los gases metalúrgicos captados en los equipos principales, pasarán a ser la principal fuente de emisión de este elemento.

4.

BIBLIOGRAFIA Página 32

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