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• Neeliim J. Niin

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PIROMETALURGIA I

Oscar Aguilera 1 semestre 2012

FUSION EN BAÑO •

CONVERTIDOR TENIENTE

•

REACTOR NORARDA

•

AUSMELT – ISASMELT

•

PROCESO MITSUBISHI

CONVERTIDOR TENIENTE

CONVERTIDOR TENIENTE El convertidor Teniente es una tecnología desarrollada en la fundición de caletones de Codelco – Chile. Esta clasificado como un proceso de fusión en el baño, con uso extensivo de oxígeno. Las potencialidades de esta tecnología están basadas en su alto nivel de fusión autógena de concentrados de cobre, una gran capacidad de conversión, y una alta y estable concentración de SO2 en los gases de salida con un bajo arrastre de material partículado.

El horno tiene forma cilindrica, de 5 m de diámetro por 22 m de largo, dispuesto en posición horizontal y revestido por ladrillos refractarios en su interior. Este horno está montado sobre un sistema de cremalleras que le permiten bascular. El modo de funcionamiento consiste en que es cargado en forma continua con concentrado de cobre (inyectado al baño fundido) y sílice (por una abertura ubicada en su parte superior). La sílice tiene por objeto captar el hierro contenido en los minerales sulfurados fundidos y concentrarlo en la escoria

CONVERTIDOR TENIENTE Carga Fría

SILICE CONC.

CAMPANA

SALIDA DE GASES

ALIMENTADORES

BOCA GARR-GUN AIRE AIRE+OXIGENO ESCORIA METAL BLANCO

TOBERAS

¿CÓMO FUNCIONA UN CT? EL CT es cargado en forma continua concentrado de Cobre y Sílice La Sílice tiene por objeto captar el hierro contenido en los minerales fundidos y ubicarlo en la parte mas liviana de la mezcla fundida. Tiene un sistema de cañerías en el interior, los cuales insuflan aire enriquecido con oxígeno el cual permite la oxidación del hierro y del azufre presentes en los minerales que constituyen el concentrado. El hierro forma magnetita que se concentra en la escoria y el azufre forma gases (monóxidos y dióxidos) los cuales, son evacuados a través de la chimenea junto a otros gases, donde son captados en gran parte para producir H2SO4.

ESQUEMA DE UN CONVERTIDOR TENIENTE ( CT )

ESQUEMA DE UN CONVERTIDOR TENIENTE ( CT ) Alimentación húmeda: •Carga Fría •Fundente (Cuarzo) •Carbón

Gases

Concentrado inyección

Aire y oxígeno

Escoria Metal Blanco 75% Cu

Toberas Inyección Concentrado Seco Toberas Aire Soplado

¿CUÁLES SON LOS PRODUCTOS DE UN CT ?

Metal Blanco : corresponde a la parte más pesada del material fundido y que se ubica en la parte inferior del baño. Contiene 70 a 75 % de cobre. Escoria : es la parte mas liviana de la masa fundida la cual se envía a botaderos o a hornos destinados a la limpieza de escorias para recuperar el contenido de cobre (6-8%) que aún le queda.

COMPONENTES PRINCIPALES Garr-Gun: utilizado sólo para el ingreso de fundente, carga fría y carbón coke con granulometrías entre ½ a 11/2 pulgadas. Toberas de aire de proceso (soplado). Las toberas de aire de proceso permiten ingresar el oxígeno necesario para que ocurran las reacciones de fusión conversión con el concentrado. Las toberas son de 2 1/2 pulgadas de diámetro, estan distribuidas en grupos llamados paños Toberas de inyección de concentrado seco. Las toberas de inyección de concentrado seco permiten el ingreso del concentrado seco dentro, su diámetro estándar es de 31/2 pulgadas. las toberas de inyección generalmente se distribuyen a lo largo del convertidor a la misma altura de las toberas de aire de soplado, específicamente su ubicación se encuentra entre cada paño.

COMPONENTES PRINCIPALES Placa y pasaje de metal blanco. El pasaje de metal blanco es el orificio por el cual se evacua la fase rica en cobre (metal blanco), se ubica en la culata opuesta a la sangría de escoria, su posición respecto a la altura está a a una altura variable en el centro del Convertidor y sus dimensiones son de 3 pulgadas de alto por 2 pulgadas de ancho. La placa de metal blanco es el elemento que permite dirigir el flujo de metal blanco hacia fuera del Convertidor. Generalmente esta es refrigerada por serpentines internos con agua, su diámetro estándar es de 3 pulgadas, su ubicación está fuera del convertidor y su cambio es de fácil manejo. Boca del Convertidor Teniente. La boca del Convertidor Teniente, esta diseñada para la evacuación de los gases generados en el proceso, el área es aproximadamente de 10 m2, su ubicación se encuentra al extremo opuesto al pasaje de metal blanco.

COMPONENTES PRINCIPALES Campana y tren de gases La campana de gases permite al convertidor captar los gases generados en el proceso, y enviar éstos a Planta de Acido. El tren de gases está compuesto de una serie de equipos, los cuales preparan los gases en temperatura y calidad para ser enviados a Planta de Acido. Existen diferentes equipos anexados al tren de gases: Cámara de Enfriamiento, Enfriador Radiante, estos equipos tienen como función principal disminuir la temperatura del gas. El PrecipitadorElectrostático, el cual tiene como función principal captar los polvos que arrastra el gas del proceso fusión -conversión. Los ventiladores de tiro inducido (VTI), su función es impulsar los gases de proceso a Planta de Acido.

FISICOQUÍMICA FUSIÓN CT Los puntos A, B y C en la Figura representan lo siguiente: A es un eje con un contenido de cobre del orden de 50 % (por ejemplo, de un Horno de Reverbero), B es un eje de alta ley con un 70 % Cu (por ejemplo, “metal blanco” de un CT). C representa el equilibrio Blister -Metal Blanco a lo largo de toda la laguna de inmiscibilidad del sistema binario Cu-Cu2S a la temperatura del proceso de conversión, es decir, lo que en este diagrama se representa por el punto C , es una cónoda en el sistema binario Cu-Cu2S.

Diagrama de potencial O2-S para sistemas de Cu-Fe-SiO2- a 1300

FISICOQUÍMICA FUSIÓN CT Aún cuando los concentrados sulfurados de cobre contienen diversos componentes mineralógicos, las reacciones características para representar la fusión a mata son las siguientes: 1.-CuFeS2(concentrado) + ½O2(aire y oxígeno) = (½Cu2S+ FeS, eje líquido) + ½SO2(gases) 2.-FeS2(concentrado) + O2(aire y oxígeno) = FeS(l, eje) + SO2(gases) 3.-FeS(concentrado, eje) + 3/2 O2(aire y oxígeno) = FeO(l) + SO2(gases) 4.-2 FeO(l) + SiO2(fundente) = 2FeOSiO2(escoria) 5.-3 FeO(l) + ½ O2(aire u oxígeno) = Fe3O4(escoria y eje) Las dos primeras reacciones se denominan de combustión del azufre pirítico del concentrado, definiendo como tal todo el azufre en exceso sobre la estequiometríaCu2S–FeS. La tercera reacción, de oxidación del FeS(producto de las dos primeras reacciones más el contenido en el concentrado), es la que presenta un mayor aporte de calor al proceso. Además, el grado de reacción de la oxidación del FeS determina la ley del eje a obtener.

FISICOQUÍMICA FUSIÓN CT Aún cuando los concentrados sulfurados de cobre contienen diversos componentes mineralógicos, las reacciones características para representar la fusión a mata son las siguientes: 1.-CuFeS2(concentrado) + ½O2(aire y oxígeno) = (½Cu2S+ FeS, eje líquido) + ½SO2(gases) 2.-FeS2(concentrado) + O2(aire y oxígeno) = FeS(l, eje) + SO2(gases) 3.-FeS(concentrado, eje) + 3/2 O2(aire y oxígeno) = FeO(l) + SO2(gases) 4.-2 FeO(l) + SiO2(fundente) = 2FeOSiO2(escoria) 5.-3 FeO(l) + ½ O2(aire u oxígeno) = Fe3O4(escoria y eje) La cuarta reacción es la de formación de escoria entre el FeO y la sílice del fundente. La quinta y última reacción representa la oxidación parcial del hierro a magnetita, la que es inevitable pero a su vez controlable mediante la adecuada dosificación del fundente.

CONDICIONES DE OPERACIÓN DE UN CONVERTIDOR TENIENTE Control de la ley de cobre en el metal blanco y coeficiente de oxígeno. La definición de la ley de cobre en el metal blanco depende, de los objetivos y la distribución de equipos en la fundición en particular, el valor más común usado es 74 %. Por lo tanto el objetivo de la operación debe apuntar a obtener este producto. Para ello el metalurgista debe identificar la calidad química y mineralógica del concentrado a fundir, además de los distintos materiales secundarios a procesar. De modo de calcular la cantidad necesaria de oxígeno que debe suministrar al sistema para llevar las reacciones hasta la ley de metal blanco antes mencionada. Es importante definir que dentro de este cálculo se debe considerar la eficiencia de oxígeno del proceso, la que depende del equipo en particular y las condiciones de entorno, como por ejemplo, nivel de sumergencia en el baño de las toberas, presiones de aire enriquecido en las toberas, niveles de líquidos, etc.

CONDICIONES DE OPERACIÓN DE UN CONVERTIDOR TENIENTE Control de la ley de cobre en el metal blanco y coeficiente de oxígeno. Otro parámetro importante es el Coeficiente de Oxígeno el cual define la cantidad de oxígeno a agregar por toneladas de concentrado fundido. Cabe hacer notar que este parámetro depende directamente de la calidad química y mineralógica del concentrado a fundir y es útil para el cálculo rápido de la cantidad de oxígeno necesaria de introducir al proceso.

CONDICIONES DE OPERACIÓN DE UN CONVERTIDOR TENIENTE Calidad de escorias la calidad de las escorias la determina la razón Fe/SiO2,, el metalurgista debe definir si se va a trabajar en la zona de saturación con Sílice o con magnetita, esta definición es propia de la fundición en particular, los valores más comunes usados están entre 1,3 a 1,8. El control principal que se realiza en la escoria es sobre la Magnetita, la que no debe superar valores de 18 -25 %, esta especie depende principalmente de los potenciales de oxidación del proceso, es decir, para una mayor ley de metal blanco (mayor a 74 %) mayor es el valor de la magnetita esperado en la escoria y por lo tanto es más difícil su control.

CONDICIONES DE OPERACIÓN DE UN CONVERTIDOR TENIENTE Pérdidas de cobre en las escorias La magnetita está directamente ligada a las pérdidas de cobre en las escorias, producto de que a altos valores de magnetita aumenta la viscosidad de éstas, por lo tanto, la zona líquida en el ternario se ve reducido, es decir, para trabajar a valores mayores que 18 % en Fe3O4 en las escorias, el proceso debe de aumentar la temperatura por sobre 1250 º C para que estas sigan siendo líquidas y su viscosidad no aumente, debido a que, si no se aumenta la temperatura el arrastre físico de cobre aumenta. Cabe hacer notar que al trabajar con escorias por sobre 18 %, se debe trabajar con temperaturas mayores a 1250 ºC, esto provoca daños en la mampostería refractaria del interior del Convertidor y pasajes de sangría de escorias y metal blanco,como además de las placas especialmente la de metal

Evolución Tecnológica CT 3500

Proyección Enriquecimiento Oxígeno 35 a 37 %

Concentrado Fundido, tpd

Inyección Concentrado Fase Densa

3000 2500 2000

Autógeno Conc. Seco sin Eje

Enriquecimiento Oxígeno 33 a 35 %

Inyección Concentrado Fase Diluida

1500 Programa Tecnológico CT

1000

2006

2004

2000

1992

0

CT CALETONES (5x22 m)

1988

500

21

22

Convertidor Teniente

REACTOR NORANDA El horno Noranda es un cilindro de acero horizontal recubierto por dentro con un refractario de magnesia-cromo de aproximadamente 0,5 m de espesor (Norsmelt, 2002). Los hornos industriales son de 4,5 a 5,5 m de diámetro y de 18 a 26 m de largo. Tienen 35 a 65 toberas (5 o 6 cm de diámetro) a lo largo del horno,

CONSIDERACIONES REACTOR NORANDA (a) inyectar continuamente concentrado seco por toberas (b) alimentar continuamente concentrado húmedo, fundente, material retornado, chatarra y carbón o coque. (c) soplar continuamente aire enriquecido con oxígeno (30 a 45 % en volumen de O2, a 1.4 atmósferas) a través de toberas en la capa de mata fundida del horno. (d) extraer continuamente gas efluente por una boca grande y una capucha en la cima del horno (e) sangrar intermitentemente mata y escoria. (f) cargar intermitentemente escoria fundida reciclada del convertidor por la boca del horno.(en desuso debido a la emisión de gases) ; actualmente se carga escoria fria por Gar-Gun

REACTOR NORANDA HUMID CONCENTRATE, MELTING, CIRCULTING, COAL, AIR

GASES

WHITE METAL (3,5% Fe) STREAM WHITE METAL

SLAG

SLAG

WHITE METAL

AIR + OXYGEN

DRY CONCENTRATE

REACTOR CONTINUO ALTONORTE

ZONA DE TOBERAS

ZONA DE TOBERAS

AUSMELT - ISASMELT

El horno de fusion Ausmelt o Isasmelt tiene forma cilíndrica alineado verticalmente dimensiones: 3.5 m de diámetro y 12-14 m de alto

REACTOR ISASMELT O AUSMELT Aire Combustible (carboncillo, petróleo o gas)

Gases y Humos (a limpieza de gases) 25% vol, SO2.

Concentrado Carbón Fundente Material de reciclo

Reactor estacionario Lanza

Baño agitado

Producto fundido (mezcla Mata/escoria a horno de separación

OPERACIÓN ISASMELT El aire, oxígeno y el combustible se inyectan a través de la lanza a un baño de escoria fundida. Los materiales inyectados reaccionan con las materias primas produciendo una escoria y una mata de cobre. Preparación de la carga La preparación de la alimentación se limita generalmente a la mezcla de materias primas (concentrado, fundentes y carbón) con algo de agua en un mezclador o peletizador. La alimentación húmeda se transporta al horno y es alimentada por gravedad a través de una abertura ubicada en el techo de este. Lanza De Inyección La lanza está especialmente diseñada para funcionar en el ambiente agresivo del horno. La lanza de acero se desgasta lentamente gracias a su diseño especial. Forma una capa de escoria sólida en su exterior que la protege. La lanza es remplazada (en un periodo de semanas) para ser sometida a un mantenimiento menor que incluye el remplazo de una pequeña parte de la punta. La lanza está diseñada para operar con aire a baja presión (