Fundamentos de la Fundición
Para incrementar progresivamente la ley
o contenido de cobre del material sometido a fundición, el proceso
pirometalúrgico considera fases consecutivas de Fusión, Conversión y
Refinación.
Así se logra que la pureza inicial de
30% a 40% contenida inicialmente en el concentrado, se incremente
progresivamente hasta 99,5% en el ánodo.
De las fases consecutivas, la fusión y
la conversión son las más importantes por lo determinantes que resultan en el
proceso general.
La fusión tiene por objetivo concentrar
el metal a recuperar, mediante una separación de fases de alta temperatura: una
sulfurada rica en el metal y otra oxidada o pobre en él.
La conversión elimina el azufre y el hierro presentes en la fase sulfurada,
mediante oxidaciones del baño fundido para obtener un cobre final relativamente
puro.
Hoy en día el proceso de fundición once etapas:
·
1. Recepción y manejo de materias primas e insumos.
2. Secado de concentrados.
3. Tostación parcial de concentrados.
4. Alimentación de concentrados al horno de fusión.
5. Fusión de concentrados.
6. Limpieza de escorias.
7. Granallado de eje alta ley y escorias.
8. Preparación y manejo de eje de alta ley.
9. Conversión de eje de alta ley.
10. Refinación y moldeo de ánodos.
11. Plantas de limpieza de gases.
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.
Etapas del
Proceso
Recepción y manejo de materias primas e
insumos:
El proceso se inicia con la recepción y
almacenamiento de los fundentes y otros insumos en áreas especiales para el
concentrado. Estos materiales, que son transportados por vía marítima o
terrestre, tienen un contenido de humedad que varía entre un 6% a 8% y proviene
de distintas fuentes de abastecimiento. Se descargan mediante correas
transportadoras tubulares o similares para evitar derrames y daños al medio
ambiente.
Un equipo extrae el concentrado desde
las camas de almacenamiento hacia el domo de mezcla. La operación normal
permite que mientras una de las camas se está llenando, la otra se encuentre
descargando a la planta. El domo de mezcla, cuya geometría es una semiesfera
metálica cerrada, debe tener capacidad suficiente para algunos días de operación
y estar ubicado en las inmediaciones del área de secado. El domo prepara
mediante una correa circular interna una mezcla homogénea de concentrado, para
dar la estabilidad operacional requerida por el proceso de fusión.
Secado de
concentrados
El concentrado húmedo proveniente del
domo de mezcla, es almacenado en tolvas desde donde ingresa a las líneas de
secado de cada equipo de fusión que cuenta con secadores calefaccionados con
vapor de agua En esta etapa la humedad original del concentrado (entre 6% y 8%)
se reduce a niveles que oscilan entre 0,2% y 0,3%.
El concentrado va reduciendo sus
niveles de humedad a medida que avanza dentro un tambor metálico. En el
interior circula vapor a temperatura de 180ºC, por un serpentín que permite la
transferencia de calor por radiación y convección. El calor requerido para el
secado es suministrado por vapor saturado, a una presión de 20 bares,
proveniente desde calderas de recuperación de calor de los gases generados en
el proceso de fundición y que se encuentran asociadas a los respectivos hornos
de fusión y conversión.
Los vahos producidos por el proceso de
secado, compuestos por aire de purga (vapor de agua desprendido del concentrado
y polvo arrastrado), pasan a un filtro de mangas donde se recuperan las
partículas en suspensión, para ser dirigidas a las tolvas de almacenamiento de
concentrado seco. Los vahos limpios son descargados a la atmósfera. El vapor
condensado producto del proceso es conducido por cañerías a un estanque
recuperador de condesados para su reutilización.
Debido a que la
temperatura de operación del secador es de 180 ºC, no se generará emisión de SO2 al ambiente, ya que el azufre solo reacciona
con el oxígeno a una temperatura superior a los 300 ºC. En algunos casos
puntuales, el grado de humedad del concentrado a tratar se convierte en un
parámetro importante, como en la alimentación a los procesos de fusión flash,
en los que el concentrado es transportado suspendido en aire enriquecido o en
oxígeno. Así, los procedimientos Outokumpu e INCO consideran una etapa de
secado de concentrado en un secador rotatorio previo a su tratamiento.
Outokumpu y Convertidor Teniente en particular, necesitan grados de humedad
inferiores al 0,2%.
Tostación parcial
de concentrados
La tostación consiste
en la oxidación parcial de los sulfuros del concentrado y en la eliminación
parcial del azufre de éste como SO2 y ocurre según
reacciones sólido-gaseosas, a temperaturas de 500 a 800 ºC, dependiendo de los
productos que se desea obtener.
La fase gaseosa
contiene normalmente O2 y SO2 en la alimentación y productos y cantidades
menores de gases SO3 y SO2, dependiendo de las reacciones de oxidación.
Alimentación de
concentrados al horno de fusión
Una vez alcanzado el nivel de humedad
requerido, el concentrado es descargado por gravedad desde los secadores y
transportado en forma neumática a tolvas intermedias. En ellas se encuentran,
simultáneamente, los polvos recuperados de diferentes partes del proceso de
fusión y el concentrado seco proveniente de los secadores. Junto a cada tolva
intermedia hay una tolva de almacenamiento de cuarzo fino; el cuarzo es
requerido como fundente para la formación de escoria producida por las unidades
de conversión del eje alta ley (FCF) y, en menor cantidad, escoria proveniente
de la refinación anódica y materiales recuperados de limpieza de canales,
ductos y otros.
El concentrado seco, en conjunto con el
cuarzo y en la dosificación adecuada, se extrae por un círculo neumático
operado en fase densa que lo conduce por una cañería hasta el quemador del
Horno Flash o de fusión inmediata, de tecnología Outokumpu.
Fusión de
concentrados
El objetivo de esta
etapa es formar una fase de sulfuros líquidos, compuesta principalmente por
calcosina (Cu2S), covelina (CuS), calcopirita
(CuFeS2), pirita (FeS2) y bornita (Cu5FeS4). En lo posible,
debe contener todo el cobre alimentado, y otra fase oxidada líquida adherida a
la anterior, llamada escoria, ojalá exenta de cobre, compuesta principalmente
de silicatos de hierro. Los silicatos de hierro y los fundentes forman la
escoria. La mata de cobre contiene sulfuros de cobre y hierro, algunos metales
preciosos y otros elementos a nivel de trazas. La escoria, pobre en el metal,
es caracterizada y descartada directamente o sometida a una etapa adicional de
recuperación del metal, si su contenido es alto. La mata, en cambio, pasa a una
etapa posterior de conversión por oxidación.
Los concentrados sulfurados de cobre
son básicamente combinaciones, en proporciones variables, de sulfuros de hierro
y cobre mezclados con ganga silícea ácido o básica. Las reacciones que tienen
lugar en el Horno de Fusión (HF) transcurren entre estos constituyentes del
concentrado y los fundentes, y corresponden principalmente a la reducción de
los óxidos de cobre por el sulfuro cuproso y a la sulfuración de los óxidos de
cobre por el sulfuro ferroso. Todo el sulfuro de cobre se descompone de acuerdo
con las siguientes reacción.
La tecnología HF corresponde a un proceso de fusión-conversión continua de concentrados,
desarrollado por Outokumpu, que aprovecha el calor generado en las reacciones
del oxígeno presente en el aire del proceso, con los sulfuros de hierro
contenidos en el concentrado alimentado al reactor. Dependiendo principalmente
de las características mineralógicas o químicas del concentrado, de los flujos
y enriquecimientos en oxígeno del aire soplado, se generarán importantes
cantidades de calor en el reactor, suficientes para tener un proceso totalmente
autógeno, donde se funden además, materiales fríos de recirculación con cobre o
carga fría, generada en el proceso productivo y utilizada para regular la
temperatura en el horno.
Los productos
generados en este proceso son una fase rica en cobre, conocida como eje de alta
ley, con un 62%-70% de cobre, una escoria con un 1%-2% de cobre y 8%-12% de Fe3O4, y una corriente
continua de gases con un 30%-35% de SO2 en la
salida del horno. Concentración que dependerá principalmente del
enriquecimiento en oxígeno del aire de proceso.
La escoria generada en el HF es
evacuada por un pasaje de sangría ubicado en el extremo opuesto al punto de
extracción del metal blanco, transferida por gravedad a través de una canaleta
inclinada, cerrada, refrigerada y recubierta por material refractario, a un
Horno Eléctrico de Limpieza de Escoria (en adelante HELE) para recuperar su
contenido de cobre. Ambas canaletas, tanto la que conduce la escoria al HELE,
como la que conduce el metal blanco a la etapa de granallado, se encuentran
totalmente confinadas de tal forma que los gases y vahos emanados por la
extracción o sangrado de los productos (metal blanco y escoria), sean captados
y conducidos mediante ventilación a un sistema de limpieza de gases
secundarios, donde un filtro de mangas recupera las partículas en suspensión
(las que luego son recirculadas como carga fría al HF). Luego, los gases y
vahos son neutralizados y emitidos a la atmósfera.
Respecto de los gases
metalúrgicos primarios producidos en el proceso (ricos en SO2), éstos salen del HF por una torre refrigerada y
pasan a una caldera donde se enfrían hasta alcanzar una temperatura de 350 ºC.
Transfieren su calor por radiación y convección a los tubos de la caldera para
producir vapor saturado de 60 bar de presión, que se utiliza en múltiples
aplicaciones como un medio calefactor en procesos de intercambio de calor. Los
gases primarios, limpios en partículas y ricos en SO22, son forzados por un ventilador de tiro inducido y
conducido a la Planta de Limpieza de Gases y el dióxido de azufre es utilizado
en la producción de ácido sulfúrico. El accionar de este ventilador permite
inducir el flujo de gases a través del horno y asegurar que no existirán fugas
de gases con contenido de SO2 al entorno.
El proceso de fusión ocurre a
temperatura de 1.200 ºC, en un sistema fundido, con suspensión de partículas
sólidas en el baño, correspondiente a compuestos de alto punto de fusión (léase
sílice, magnetita, entre otros).
La reacción de producción de mata y
escoria podemos representarla por:
Concentrado + Fundentes + Energía
------> Mata + Escoria + Gas (5)
Donde:
Mata: Cu2S, FeS,
fundamentalmente.
Escoria: FeO, Fe3O4, SiO2, Al2O3,
CaO, MgO, Cu2O, otros
Gas: O2, SO2, N2, CO, CO2, H2,
H2O, otros.
Limpieza de
escorias
La escoria fundida
producida por el HF es alimentada al HELE por la gravedad a través de una
canaleta cerrada y ventilada. La reducción del contenido de Fe3O44 permite
mejorar las propiedades fisicoquímicas de la escoria optimizándose la
separación y, en consecuencia, la sedimentación de las partículas de cobre. Así
se logra la separación de las dos fases fundidas presentes: metal blanco con un
contenido de cobre de 70% y escoria descartable con un contenido de cobre de
alrededor de 0.70%. Los gases generados en el HELE son captados y conducidos a
un incinerador que permite asegurar la quema total del carbón remanente no
utilizado. Posteriormente, son mezclados con aire del sistema de ventilación
del horno y con los gases secundarios de proceso. Esta mezcla es enfriada y
conducida a un sistema de limpieza que permite la recuperación de material
particulado. Los gases además de limpiados son neutralizados previo a su
emisión a la atmósfera.
Granallado de eje
de alta ley y escorias
En las operaciones modernas de
fundición no se considera el transporte de materiales fundidos entre las etapas
de fusión y conversión, lo que reduce al mínimo las emisiones fugitivas. Esto se
consigue con la inclusión de etapas de granallado y molienda que permitan
transportar materiales en estado sólido.
El proceso realizado en las plantas de
granallado consiste en la granulación del material fundido, ingresa por la
parte superior del pit o módulo de granulación y cae gravitacionalmente al
fondo de éste. Durante esta caída el material fundido entra en contacto con
agua pulverizada por un sistema de boquillas, con lo que el material se
solidifica en pequeños gránulos, que caen en el fondo del pit de granulación
junto con el agua inyectada. El material es recogido por un elevador de
capachos perforados y luego pasa por un harnero vibratorio, donde se separa el
sobretamaño una alta tasa de escurrimiento del agua. Las aguas utilizadas en el
proceso de granallado (agua industrial) son condensadas y recirculadas en su
totalidad dentro del mismo proceso, lo que genera una mínima emisión de vapor
de agua.
Preparación y
manejo de eje de alta ley
El eje de alta ley granallado
proveniente del HF se acumula en el domo de almacenamiento. Una correa circular
instalada al interior del domo permite la homogeneización requerida por el
proceso de conversión. Desde el domo, el eje de alta ley es transferido
mediante un equipo dosificador y una correa alimentadora móvil, a una etapa de
molienda y secado constituida por líneas en serie con una unidad de conversión.
Adyacente a la tolva de eje de alta ley
se encuentra una tolva de cal fina, material requerido como fundente para la
formación y licuación de la escoria producida en el proceso de conversión. La
alimentación del eje de alta ley al quemador se efectúa por medio de un sistema
de pesaje gravimétrico (loss-in-weight feeder). Las tolvas de cal y polvos
poseen su propio sistema de pesaje (loss-in-weight feeder). Un sistema
neumático, (air slide) transporta la mezcla dosificada y pesada al quemador del
horno de conversión.
Conversión de eje
de alta ley
En la etapa de conversión, el sulfuro
ferroso se oxida formando dióxido de azufre, mientras que el óxido ferroso se
une con la sílice y cal para formar escoria, esencialmente ferrítica. El calor
de formación de esta escoria, junto con el producido en la oxidación del azufre
y el hierro, es suficiente para mantener los diferentes materiales en estado
fundido. Cuando se ha oxidado todo el azufre asociado con el hierro, el eje de
alta ley (sulfuro cuproso) también se oxida y, tan pronto como se ha formado una
cantidad apreciable de óxido cuproso, éste reacciona con el sulfuro cuproso
para formar cobre blíster y dióxido de azufre, según las siguientes reacciones
que ocurren hasta que se consume prácticamente todo el azufre:
Respecto de las impurezas presentes en
el eje de alta ley, una parte importante del arsénico, antimonio, plomo y zinc
se volatiliza en forma de óxidos, mientras que la plata y el oro permanecen en
el cobre blíster.
La tecnología de
conversión considerada en esta descripción de una fundición moderna,
corresponde a Hornos Flash u Hornos de Conversión Inmediata Outokumpu /
Kennecott (FCF).
Los principales insumos requeridos en el proceso de conversión son: cal fina
(95% CaO promedio), oxígeno técnico (95% O2, en promedio) y
aire de distribución. El enriquecimiento del aire en proceso es 70% de oxígeno
promedio.
En la torre de reacción se encuentra el
quemador donde se alimenta la carga. Una lanza central, con aire enriquecido,
facilita su distribución con la consecuente reacción el sulfuro contenido, lo
que genera el calor de fusión requerido para el correcto funcionamiento del
proceso.
El material se funde
de manera instantánea (flash) produciendo cobre blíster, escoria y gases
metalúrgicos con altos contenidos de SO2 (35%-45%).
La temperatura de la reacción exotérmica alcanza hasta los 1.450 ºC y el calor
generado es transferido a los productos fundidos, gases metalúrgicos y al
sistema de refrigeración de la torre constituido por elementos de cobre
refrigerados por agua, insertos en el revestimiento refractario de la misma.
El calor retirado desde el horno por las
chaquetas de cobre refrigeradas por agua, con circuito cerrado de agua tratada
e intercambiadores de calor, es eliminado mediante un sistema secundario que no
considera torres de enfriamiento, sino una solución radiactiva conectiva
mediante el uso de refrigeradores aleteados y ventiladores de aire forzado.
Los materiales fundidos son depositados
en el decantador (settler) del FCF, que corresponde a una estructura metálica
rectangular revestida interiormente de refractarios y elementos de enfriamiento
similares a los de la torre de reacción, pero con geometría distinta. Estos
materiales son evacuados desde settler, una vez que la separación de fases
(blister y escoria) esté claramente definida debido a su diferencia de
densidades y pesos específicos.
El decantador del horno posee placas de
sangría para blister y placas de escoria. Estas canaletas que tienen una
plancha metálica de acero refrigerada y recubierta con ladrillo refractario,
son selladas y ventiladas para evitar el escape de gases y mantener la temperatura
adecuada para el sangrado.
La producción de cobre blíster
alcanzará un contenido promedio de cobre de 99.0%. La secuencia de sangría del
blíster fundido está configurada de acuerdo a la disponibilidad operacional de
los hornos de ánodos.
La escoria producida en el FCF es
evacuada mediante canaletas selladas, de características similares a las
utilizadas para el blíster, hacia una etapa de granallado. Dado el contenido
metálico de la escoria granulada (17.6% de cobre), es transferida por camiones al
área de almacenamiento de concentrados para su reprocesamiento como carga fría
al HF.
Refinación y moldeo
de ánodos
El cobre blíster obtenido de la etapa
de conversión aún contiene impurezas y materiales valiosos tales como plata,
oro, arsénico, antimonio, bismuto y hierro, por lo que debe ser refinado en los
hornos anódicos. La operación de los hornos de refinación es cíclica (batch) y
está constituida por las siguientes etapas: Llenado, Oxidación, Escoriado,
Reducción y Vaciado.
Cada horno opera de forma secuencial,
de acuerdo con las cinco etapas mencionadas. Completada la carga del horno, se
inicia la etapa de oxidación, que permite remover el sulfuro contenido en el
blíster hasta un nivel de 50 ppm. Para tal efecto se inyecta al baño fundido
aire enriquecido con oxígeno. Adicionalmente se renuevan otras impurezas
contenidas en el cobre blíster, inyectándose vía toberas, si es necesario,
pequeñas cantidades de cal, que permiten la formación de una escoria que se
descarta por sangrado y posteriormente es recirculado.
Una vez limpio el
cobre, se inicia la etapa de reducción del nivel de oxígeno presente en el baño
fundido, mediante la inyección de gas natural fraccionado con vapor de aire.
Así se obtiene cobre anódico con un contenido de cobre de un 99,6%.
El cobre anódico se extrae del horno de
ánodos por una canaleta cubierta, a la rueda de moldeo que va girando,
produciéndose la soldificación del ánodo fundido por contacto con el aire
ambiente.
Un equipo especialmente diseñado, toma
automáticamente los ánodos solidificándolos y los deposita en estanques
longitudinales de enfriamiento con agua. Desde los estanques, los ánodos son
sacados por un montacargas y depositados en un área dedicada.
Plantas de
limpieza de gases
El objetivo de estas
plantas de limpieza es acondicionar los gases metalúrgicos primarios para su
utilización como insumo en la producción de ácido sulfúrico (H2SO4). Los gases
emitidos por el HF están compuestos principalmente por SO2, humo, vapores metálicos y partículas de cobre
arrastradas. Los gases provenientes del FCF, están compuestos fundamentalmente
de SO2 y material particulado.
Ambos gases primarios, luego de pasar por los respectivos precipitadores
electrectroestáticos, se juntan en una cámara de mezcla común desde donde son
conducidos a las plantas de limpieza de gases.
El proceso de
producción de ácido sulfúrico se lleva a cabo en tres fases: purificación de
gases, oxidación catalítica de SO2/SO3 y absorción.
La etapa de
purificación o limpieza de gases tiene por objetivo acondicionar el gas,
retirando todos aquellos compuestos cuya presencia pueda significar una merma
en la eficiencia de producción de ácido sulfúrico o un daño al catalizador.
Para ello, se contará con una torre de lavado que permitirá el enfriamiento y
limpieza de sólidos y humos metálicos arrastrados; una sección de
precipitadores de neblina húmeda y una torre de secado, donde son mezclados con
aire de dilución hasta alcanzar un contenido medio de 14% de SO2, apto par ser enviado a la sección de contacto u
oxidación.
El proceso de limpieza de gases genera
un residuo líquido, que contendrá la totalidad del arsénico y trazas de otros
elementos metálicos volatilizados en la fundición y presente en los gases
sometidos a tratamiento. Este ril será conducido a la Planta de Tratamiento
Integral de Efluentes Industriales.
Codelcoeduca.cl. (2016). Codelco Educa/Procesos Productivos Escolares/Fundición/Seguridad/Fundición. [online] Recuperado de: https://www.codelcoeduca.cl/procesos_productivos/escolares_fundicion_seguridad.asp [Acceso 26 Agosto. 2016].
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