Dispositivos Usados en La Obtencion de Metales Ferrosos

Docente: Néstor Reyes Díaz Pirometalúrgia /Página 1

CAPITULO III: DISPOSITIVOS USADOS EN LA OBTENCION DE

METALES NO FERROSOS

HORNOS, CONVERTIDORES, TOSTADORES Y OTROS

Definición de Horno

Entendemos por hornos industriales los equipos o dispositivos utilizados en la industria, en los que se calientan las piezas o elementos colocados en su interior por encima de la temperatura ambiente. El objeto de este calentamiento puede ser muy variado, por ejemplo:

• Fundir.

• Ablandar para una operación de conformación posterior.

• Tratar térmicamente para impartir determinadas propiedades.

Hornos Convertidor:

Horno de cuba que no se calienta por medio de un combustible, se emplea para convertir la

mata de cobre en cobre metálico mediante la acción oxidante del aire a presión.

Hornos Basculantes:

Horno con sistema mecánico que permite el giro del mismo para carguío y descarga del

metal fundido.

Hornos Pirometalúrgicos:

Se trata de hornos basculantes de refinación en los que se producen el cobre anódico que

tiene un 99,6 % de pureza.

CLASIFICACIÓN DE LOS HORNOS


HORNO REVERBERO

El horno reverbero debe su nombre a una antigua concepción sobre la transferencia de calor,

“reverberar” en la bóveda del horno, y desde allí ayudaba al calentamiento en el interior a la

bóveda actuaría, dentro de esta concepción mecanistica, como pantalla de reverberación.

Una función importante de este equipo es recuperar el cobre contenido en las escorias

recicladas a este reactor desde los convertidores.

La carga puede ser alimentada verde o tostada, en este último caso se pretende aumentar la

eficiencia de las etapas posteriores, eliminando parte del azufre en los concentrados.

Actualmente y dado que hoy los concentrados son relativamente bajos en azufre, es una

política que se ha discontinuado aun cuando la aparición del lecho fluidizado ha hecho mucho

más eficiente este proceso.

Detalles de construcción:

El interior del horno está revestido de ladrillos de MgO y Cr2O3-MgO de alta calidad refractaria.

Normalmente la mayoría de los hornos están contenidos en una caja de acero de 1 cm de

espesor. Con la excepción del techo de la torre de reacción y del techo de la zona del crisol.

Detalles de construcción:

La torre flash, de gases y gran parte del crisol son enfriados por agua. Las torres son enfriadas

por agua en forma de cascada en el lado exterior del casco de acero.

El horno descansa sobre una plancha de acero de 2 cm de espesor soportada por pilares de

concreto reforzado con acero.

La base del horno es enfriada por el movimiento natural del aire por debajo del horno.


Quemadores de combustible fósil:

Los hornos Outokumpu están equipados con quemadores de combustible en la parte superior

de la torre de reacción y en las paredes laterales y culatas del crisol de sedimentación.

El quemador de la torre de reacción se emplea para mantener el balance térmico.

Los quemadores del crisol se usan para mantener una temperatura uniforme en el

interior del horno.

Los quemadores normalmente inyectan gas natural o petróleo atomizado.

La intensidad de uso de los quemadores depende de la forma en que el horno este operando:

Aire altamente enriquecido quemar poco combustible.

Aire sin enriquecimiento quema apreciable de combustible.

Quemador de Concentrado

Quemadores de concentrado:

Consisten esencialmente en un tubo de acero inoxidable de 1 cm espesor y 25 cm de diámetro.


Ventajas:

Disminución de los costos por concepto de energía.

Producción de gases con concentraciones altas y parejas de SO2 eliminarlos en forma eficiente

como ácido sulfúrico o como SO2 líquido.

Capacidad unitaria = 4 veces superior a los hornos de reverbero.

Desventajas:

1.- No se utiliza para la limpieza de escoria.

2.- Las escorias contienen un alto contenido de cobre, por lo cual deben ser tratadas para su

recuperación.

Las partículas de sulfuro reaccionan rápidamente con la fase gaseosa oxidante è Oxidación parcial

controlada de los concentrados y un gran desprendimiento de calor.

LA FUSION FLASH

Consiste en el soplado de concentrados secos junto con aire enriquecido con oxígeno en el corazón caliente del horno. Una vez en el horno, las partículas de sulfuros reaccionan rápidamente con los gases oxidantes, produciéndose una oxidación parcial controlada de los concentrados y una gran generación de calor.

PROCESO FLASH

El proceso Flash Outokumpu, que usa aire precalentado enriquecido con oxigeno, no es autógeno, por lo que se utilizan combustibles para cubrir el déficit térmico. Para permitir un flujo ininterrumpido de partículas a través de los quemadores el proceso trata concentrados secos.

El producto gaseoso de las reacciones de oxidación de los sulfuros es SO2 y los gases efluentes tienen concentraciones de 10 – 15%.

PROCESO FLASH

El gas oxidante, que es aire enriquecido con oxigeno (65 – 85%), se precalienta a 450 – 1.000ºC.

Los quemadores de concentrado están ubicados en la parte superior de la torre de combustión, en uno de los extremos del horno, y los concentrados, fundentes y gases se soplan simultáneamente hacia debajo de la torre sobre la superficie de la escoria.


Los quemadores de petróleo también están ubicados en la parte superior de la torre de reacción. Los gases efluentes abandonan el horno a través de la torre de salida de gases que se encuentra ubicada en el extremo opuesto del horno.

La configuración del quemador en sentido vertical hacia abajo tiene por finalidad provocar el impacto de las partículas de concentrado sobre la superficie de la escoria. Esto aumenta la tendencia de las partículas de concentrado a adherirse a la superficie de la escoria, y minimiza las pérdidas de concentrado (polvo), a través de los gases de proceso.

Se cuenta con un horno Flash Outokumpu, de una capacidad de diseño de 2.800 toneladas días, cuyas dimensiones más importantes son:

• Settler = 21 x 7,6 x 6 x 2 metros

• Torre de Reacción = 6 metros de diámetro x 6 metros de altura (cilíndrica)

• Up- Take = 3,8 metros de diámetro x 7,5 metros de altura.

Los parámetros operacionales son los siguientes:

Capacidad = 2.000 t /d a 2.280 t /d

Disponibilidad = 89 %

Ley metal blanco = 74 %

Recuperación = 90 %

Eje = 60 a 64 % Cu

Escorias = 2 a 2,5 % Cu y 16- 17 % Fe3O4

Gases = 19 a 21 % SO2 (a plantas de ácido)

Los gases metalúrgicos producidos por estas unidades son enviados a plantas especiales donde se recupera el SO2 contenido en ellos, para producir ácido sulfúrico.

La evacuación de los líquidos es similar al Convertidor Teniente, la escoria tiene una densidad de 3,8 y el eje de 4.2.

CONFORMACION BASICA DEL HORNO

A fin de simplificar la conformación del horno, puede decirse que está constituido por 3 partes básicas, ya que en cada una de ellas ocurre o se lleva a cabo, parte del proceso denominado “FLASH”.

Nos referimos a las siguientes zonas:

1. REACTION SHAFT (TORRE DE REACCION)

2. SETTLER (CAMARA DE SEPARACION)

3. UP TAKE SHAFT (TOMA DE GASES)


Ventajas de la fusión Flash

• Bajo consumo de combustible, llegando a ser autógena por la combinación adecuada de enriquecimiento del aire y oxidación de la carga.

• Alta capacidad unitaria de producción, cuatro veces superior a la de un horno reverbero convencional.

• Concentración alta y constante de anhídrido sulfuroso (So2), en los gases.

• Ejes de alto grado (ley de cobre).

Algunas desventajas de la fusión Flash

• Aumento de costos en algunos centros productivos por la necesidad de secar el concentrado

a niveles mucho más riguroso que los utilizados en los otros procesos de fusión, como

también por la necesidad de incorporar una planta de oxígeno.

• Comparado con el horno reverbero su única desventaja es que el proceso Flash no se

presta para la limpieza de escoria de convertidores.

Descripción matemática de la Fusión Flash

Objetivos: Demostrar formas en que un horno flash puede operar.

Determinar requerimientos:

Combustible, oxígeno y aire precalentado.

Indicar como un horno flash puede ser controlado para entregar el producto

deseado.

Mostrar como un horno Flash puede ser optimizado con un mínimo de gasto de

los recursos.

Descripción matemática de la Fusión Flash


Balance de masa: Balance en estado estacionario

Balance de energía: Balance en estado estacionario

Ejemplo de cálculo:

Un concentrado calcopirítico es fundido en un horno Flash Inco. ¿Cuál es el requerimiento de oxígeno (puro) por Ton de concentrado para que el horno opere autógenamente y cuál es la composición del eje producido?

Tabla de Datos


Solución: Balance de masa

Balance de cobre:

Masa de Cu in = Masa de Cu out

1000*%Cu(conc)/100 = Masa Cu2S(mata)*(63.54*2/((63.54*2+32.06))

346 kg Cu = Masa Cu2S(mata)*0.799 (1)

Balance de fierro:

Masa de Fe in = Masa de Fe out

1000*%Fe(conc)/100 = Masa FeS(mata)*(55.85/(55.85+32.06)) + Masa FeO(esc)*(55.85/(55.85+16))

304 kg Fe = Masa FeS(mata)*0.635 + Masa FeO(esc)*0.777 (2)

Balance de azufre:

Masa de S in = Masa de S out

1000*%S(conc)/100 = Masa Cu2S(mata)*(32.06/(32.06+63.54*2)) + Masa

FeS(mata)*(32.06/(32.06+55.85)) + Masa SO2(gases)*(32.06/(32.06+16*2))

349 kg S = Masa Cu2S(mata)*0.201 + Masa FeS(mat)*0.365 + Masa SO2(gases)*0.500 (3)

Balance de oxígeno:

Masa de O2 in = Masa de O2 out

Masa O2 in = Masa FeO(esc)*(16/(16+55.85)) + Masa SO2(gases)*(16*2/(16*2+32.06))

Masa O2 in = Masa FeO(esc)*0.223 + Masa SO2(gases)*0.500

0 = -1*Masa O2 in + 0.223*Masa FeO(esc) + 0.500*Masa SO2(gases) (4)


Valores numéricos de las especies:

Para efectos de cálculo, se toma Base de cálculo = 1 ton de concentrado

1000 kg CuFeS2(conc)*(-1.04)

+ Masa O2(comb)*(0.0)

+ Masa SiO2(flux)*(-15.16) = Masa Cu2S(mata)*(0.25)+ Masa FeS(mata)*(0.11)

+ Masa FeO(esc)*(-2.49) + Masa SiO2(esc)*(-13.70)

+ Masa SO2(gases)*(-3.66) + 500 MJ/ton PC

Ordenando para efectos de cálculo:

Planteando un sistema en forma matricial para resolver las ecuaciones planteadas:

Resolviendo la matriz:


Por lo tanto:

En estado estacionario el requerimiento de oxígeno para la fusión autógena de 1 Ton de concentrado de calcopirita en un Horno Flash Inco es de 222 kg

Ley eje producido = 51.7 %

HORNO TENIENTE

CONVERTIDOR TENIENTE

La tecnología del Convertidor teniente ha sido aplicada exitosamente en Chile, donde fue desarrollada desde 1977.

El proceso de fusión conversión en el convertidor Teniente está basado en los fenómenos físico- químico de invisibilidad en fase liquida.

El objetivo del proceso es producir metal Blanco con un contenido de cobre entre 74 y 76%. Las reacciones de oxidación en el proceso de fusión- conversión se regulan mediante la razón másica de la carga alimentada y el flujo de oxígeno inyectado al CT.

El calor generado en el CT se debe a las reacciones de oxidación que ocurren en él y su velocidad de generación depende del flujo de oxígeno y de la ley del metal blanco. El balance de calor se ajusta mediante la adición de los circulantes fríos generados en el proceso de fundición, por el grado de enriquecimiento del aire de soplado y por el uso del quemador sumergido.

La fusión-conversión en el CT se produce a temperaturas cercanas a los 1.240 ºC mediante la inyección a presión de aire enriquecido al 35 – 36% en oxígeno. El CT dispone de toberas de aire-oxígeno repartidas en varios paños u una tobera adicional de inyección de concentrados, por cada paño.


En el Convertidor Teniente se generan tres flujos de materiales:

1. Metal Blanco liquido con 74 – 76% de cobre (1.220ºC).

2. Escoria liquida, con 8% de cobre (1.240 ºC).

3. Gases, con un 25% de SO2 (1.260 ºC).

El metal blanco producido en el CT, que contiene como promedio 75% Cu; 3%Fe y 21% S, se extrae a una temperatura de 1.220ºC de manera intermitente me distantes ollas, a través del pasaje de sangría respectivo, refrigerado por agua, las ollas de metal blanco se transportan mediante puentes grúas a los convertidores Peirce – Smith, donde continua el proceso de producción con la etapa de conversión.

El soplado continuo del baño fundido a través de las toberas, mediante la mezcla gaseosa formada por aire comprimido de baja presión y oxígeno industrial, permite la agitación del baño fundido y la oxidación parcial del sulfuro de hierro y del azufre contenido en la carga. De acuerdo a las condiciones nominales de operación, el concentrado seco es inyectado continuamente al baño fundido mediante toberas especiales. A través del garr-gun se alimenta el fundente o sílice y el material circulante. Eventualmente pudiera ser necesario alimentar concentrado húmedo a través del garr-gun, para propósitos de control operacional y ajuste de la temperatura del proceso.

DIAGRAMA DE FLUJOS DE UN PROCESO TENIENTE

EL PROCESO TENIENTE

El proceso de fusión en el convertidor Teniente consiste en carga continua de concentrado de cobre y fundente por el inyector de carga solida o Garr-Gun.

El concentrado seco es inyectado al convertidor junto con aire enriquecido con oxigeno a través de una línea de toberas, a una temperatura aproximadamente 100 ºC.

La inyección de aire enriquecido con oxigeno permite la oxidación del hierro y del azufre presentes en los minerales que constituyen el concentrado.

El mecanismo de fusión corresponde a calor generado por oxidación de carga.


EL PROCESO TENIENTE

El mecanismo de fusión corresponde a calor generado por oxidación de carga.

Se agrega fundente (silice) con el objeto de captar el hierro contenido en los minerales sulfurados fundidos y concentrarlos en la parte mas liviana de la mezcla fundida.

El convertidor Teniente produce metal Blanco con un contenido del orden del 72-75 % de cobre y una escoria con un contenido de cobre del orden 4-8 %.

Proceso en etapa de operación:

Corresponde cuando el proceso ya se está llevando a cabo. En este caso el objetivo del balance de masa es planificar y controlar el proceso evitando problemas operacionales y ayudando en la toma de decisiones.

La figura muestra en forma simplificada los flujos másicos que entran y salen del Convertidor Teniente, en donde la carga que ingresa corresponde al concentrado, circulantes, aire y oxigeno técnico. Por otro lado, los flujos que salen del horno corresponden a meta blanco, escoria, polvos oxidados y gases.

Convertidor Teniente (fusión en baño)

Fusión en baño incorporar directamente a un baño fundido el material a fundir.

La tecnología Teniente es una alternativa intermedia entre fusión convencional y fusión autógena. Usa el calor de la conversión de una ‘mata semilla’ (baja ley alto contenido de hierro) para fundir concentrados en un convertidor PS modificado.


PROCESO AL INTERIOR DE CONVERTIDOR TENIENTE

Zona de Toberas de Soplado: Las toberas imprimen la agitación y turbulencia desde el nivel de

tobera hasta la superficie del baño. En la parte inferior de la zona de tobera, se encuentra metal Blanco.

Zona de Transición: En estas zonas se produce la separación de fases Escoria y Metal Blanco.

La escoria ocupa el espacio superior y el Metal Blanco la zona inferior.

PROCESO AL INTERIOR DE CONVERTIDOR TENIENTE

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