5. Desarrollo del modelo
5.4 Balance de masa y energía
5.4.1 Proceso conversión del mineral
El mineral compuesto principalmente de Calcopirita (CuFeS2) y Pirita (FeS2), es
ingresado al baño del Convertidor Teniente en donde se funde y convierte a temperaturas sobre los 1200 °C, mediante una reacción química de oxidación hasta obtener Metal Blanco con un 74 – 76% de Cu, Escoria con un 6 - 8% de cobre y Gases con un 22 - 25% de SO2 aproximadamente.
Para llevar a cabo el proceso es necesario inyectar oxigeno enriquecido (35%) con el objetivo de asegurar la conversión del mineral. Además, se inyecta como fundente Sílice para la formación de escoria y finalmente se agrega carga fría con el objetivo de mantener la temperatura del horno y evitar que esta aumente excesivamente debido a la energía liberada por las reacciones.
55 El balance de masa del Convertidor Teniente considera las siguientes corrientes:
Figura 34: Corrientes Convertidor Teniente.
• Balance de masa Convertidor Teniente:
𝐹 𝑐𝑜𝑛𝑐+ 𝐹 𝑓𝑢𝑛𝑑+ 𝐹 𝑂2+ 𝐹 𝐶.𝐹 + 𝐹 𝑟𝑒𝑡𝑜𝑟𝑛𝑜𝑠= 𝐹 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 𝑏𝑙𝑎𝑛𝑐𝑜+ 𝐹 𝑒𝑠𝑐𝑜𝑟𝑖𝑎+ 𝐹 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠+ 𝐹 𝑝𝑜𝑙𝑣𝑜𝑠 (1)
Donde:
Fi = Flujo másico de la corriente (i), [tpd].
Debido a que el Convertidor Teniente opera en continuo, es necesario que los productos sean evacuados en forma constante. Para esto, se utiliza el sangrado que consiste en la descarga del metal blanco y escoria a través de placas que se encuentran ubicadas en los cabezales del horno.
Cada Convertidor Teniente tiene una placa para metal blanco ubicada en el lado del Garr-Gun y a nivel de piso, y una para sangrado de escoria que se ubica en el cabezal del lado de la boca y a 150 [cm] del piso.
El Garr-Gun es una zona del Convertidor CT por donde ingresa la carga fría, el fundente y el concentrado húmedo. Mientras que la Boca es un sector ubicado en la parte superior del horno por donde circulan los gases producto de las reacciones que se llevan a cabo.
Las reacciones del concentrado son:
2 𝐶𝑢𝐹𝑒𝑆2+ 𝑂2 → 𝐶𝑢2𝑆 + 2 𝐹𝑒𝑆 + 𝑆𝑂2 ∆𝐻𝑟𝑥 = −120,64 [𝑀𝑐𝑎𝑙 𝑡𝑜𝑛 ] (2) 2 𝐶𝑢𝑆 + 𝑂2 → 𝐶𝑢2𝑆 + 𝑆𝑂2 ∆𝐻𝑟𝑥 = −343,78 [𝑀𝑐𝑎𝑙 𝑡𝑜𝑛 ] (3) 2 𝐶𝑢5𝐹𝑒𝑆4+ 𝑂2 → 5 𝐶𝑢2𝑆 + 2 𝐹𝑒𝑆 + 𝑆𝑂2 ∆𝐻𝑟𝑥 = −39,58 [𝑀𝑐𝑎𝑙 𝑡𝑜𝑛 ] (4) 𝐹𝑒𝑆2+ 𝑂2 → 𝐹𝑒𝑆 + 𝑆𝑂2 ∆𝐻𝑟𝑥 = −445,96 [ 𝑀𝑐𝑎𝑙 𝑡𝑜𝑛 ] (5)
56 Debido a que las reacciones involucradas son de carácter exotérmico (∆Hrx < 0), se
produce la descomposición del arsénico y la fusión de la calcosina proveniente del mineral.
𝐶𝑢12𝐴𝑠4𝑆13 → 5 𝐶𝑢2𝑆 + 2 𝐶𝑢𝑆 + 2 𝐴𝑠2𝑆3 (6)
𝐶𝑢2𝑆(𝑠) → 𝐶𝑢2𝑆(𝑙) (7)
Por otro lado, las reacciones de oxidación del fierro y arsénico son:
2 𝐹𝑒𝑆 + 3 𝑂2 → 2 𝐹𝑒𝑂 + 2 𝑆𝑂2 ∆𝐻𝑟𝑥 = −1.267,45 [ 𝑀𝑐𝑎𝑙 𝑡𝑜𝑛 ] (8) 3 𝐹𝑒𝑆 + 5 𝑂2 → 𝐹𝑒3𝑂4+ 3 𝑆𝑂2 ∆𝐻𝑟𝑥 = −1.498,52 [𝑀𝑐𝑎𝑙 𝑡𝑜𝑛 ] (9) 2 𝐴𝑠2𝑆3+ 9 𝑂2 → 2 𝐴𝑠2𝑂3+ 6 𝑆𝑂2 ∆𝐻𝑟𝑥 = −1.415,71 [ 𝑀𝑐𝑎𝑙 𝑡𝑜𝑛] (10)
Finalmente, se produce la reacción de formación de escoria.
2 𝐹𝑒𝑂 + 𝑆𝑖𝑂2 → 2 𝐹𝑒𝑂 ∗ 𝑆𝑖𝑂2 ∆𝐻𝑟𝑥 = −61,01 [
𝑀𝑐𝑎𝑙
𝑡𝑜𝑛] (11)
Cabe destacar que la relación Fe/SiO2 es uno de los parámetros más importantes
dentro del Convertidor Teniente y corresponde al cociente entre la cantidad en peso de hierro total con respecto a la sílice en la escoria fayalítica.
Este parámetro afecta directamente en la formación de la escoria ya que si es muy bajo (inferior a 0,9 [u] a 1250 °C) los iones silicatados se saturan y la tridimita (SiO2)
comienza a precipitar. Por otra parte, si se encuentra por sobre 1,8 [u] a 1250 °C se promueve la generación de espineles de hierro (como la magnetita) dentro de la fase escoria (Modelo geometalúrgico predictivo de la viscosidad de escorias de fusión en función de la cantidad de minerales de arcilla en concentrados de cobre, 2016).
Los productos de las reacciones se distribuyen en 3 fases: M.B, escoria y gases. La primera fase está compuesta principalmente de Calcosina (Cu2S), Sulfuro de Fierro
(FeS) y trazas de Trióxido de Arsénico (As2O3), mientras que la escoria se compone
principalmente de óxidos de sílice y fierro, entre otros, además de calcosina y sulfuro de fierro. Finalmente, la fase gaseosa está compuesta por nitrógeno y oxígeno provenientes de los flujos de soplado, además de dióxido de azufre (SO2) y trazas
de trióxido de arsénico (As2O3) que por normativa ambiental deberán ser tratados.
Flujo de soplado:
El flujo de soplado está compuesto por 4 ítems que se detallan a continuación: 1. Flujo de aire de soplado:
57 𝐹. 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒 = 𝑉𝑜𝑙ú𝑚𝑒𝑛 𝑂2𝑖𝑛𝑑𝑢𝑠𝑡𝑟𝑖𝑎𝑙∗ 𝑅𝑎𝑧ó𝑛 (𝐴𝑖𝑟𝑒 𝑂2𝑖𝑛𝑑) (13) 𝑉𝑜𝑙ú𝑚𝑒𝑛 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑂2 = 𝑉𝑜𝑙. 𝑂2𝑖𝑛𝑑𝑢𝑠𝑡𝑟𝑖𝑎𝑙∗ 𝑝𝑢𝑟𝑒𝑧𝑎 + 𝑉𝑜𝑙. 𝑎𝑖𝑟𝑒 ∗ 0,21 (14) % 𝐸𝑛𝑟𝑖𝑞𝑢𝑒𝑐𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 = 𝑉𝑜𝑙. 𝑂2∗ 𝑝𝑢𝑟𝑒𝑧𝑎 + 𝑉𝑜𝑙. 𝑎𝑖𝑟𝑒 ∗ 0,21 𝑉𝑜𝑙. 𝑂2+ 𝑉𝑜𝑙. 𝑎𝑖𝑟𝑒 (15)
2. Flujo de aire de inyección: Su valor es cercano a los 850 Nm3/h.
3. Flujo de aire anular: Su valor está entre los 4.300 – 4.700 Nm3/h.
4. Flujo de oxígeno: Corresponde al volumen de oxígeno industrial utilizado para llevar a cabo las reacciones de oxidación.
• Balance de energía Convertidor Teniente:
Calor asociado a Fusión-Conversión
El balance de energía tiene como supuesto la entrada del mineral a 25 °C en donde se produce la reacción y como consecuencia una liberación de energía que es utilizada para aumentar la temperatura de los productos hasta la temperatura de salida. Este supuesto tiene como objetivo utilizar las entalpías de formación estándar de cada compuesto para así realizar un cálculo más real del calor de reacción del proceso.
Figura 35: Balance de energía reacciones Convertidor Teniente.
Como se mencionó anteriormente, el mineral ingresa al convertidor y es aquí donde instantáneamente se producen las reacciones de descomposición y oxidación. Las reacciones involucradas son de carácter exotérmico (dH rx < 0) y el calor de reacción es calculado mediante la siguiente ecuación:
58 En el anexo A se muestra la tabla con las entalpías de formación estándar de cada compuesto.
El calor liberado por las reacciones es utilizado para elevar la temperatura de las fases hasta la temperatura de salida. En este caso, como se consideró una temperatura de reacción igual a 25 °C (298 °K), la transformación de reactivos en productos se llevará a cabo a 25°C (en estado sólido) y posteriormente la temperatura de los productos aumentará hasta alcanzar su punto de fusión, en donde cambiará su estado de agregación, y continuará aumentando su temperatura hasta alcanzar la condición de salida, como se muestra en la figura N° 36.
Figura 36: Temperatura productos reacción.
El cálculo del calor sensible y latente asociado a cada compuesto se realiza con las ecuaciones N° 17, 18 y 19.
𝑄𝑠𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 (25 °𝐶→𝑇° 𝐹𝑢𝑠𝑖ó𝑛),𝑝 = 𝑚𝑜𝑙𝑝∗ 𝑐𝑝𝑝∗ ( 𝑇𝑓𝑢𝑠𝑖ó𝑛− 25°𝐶) (17)
𝑄𝑙𝑎𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒,𝑝 = 𝑚𝑜𝑙𝑝∗ 𝑑𝐻𝑠 →𝑙 (18)
𝑄𝑠𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 (𝑇° 𝐹𝑢𝑠𝑖ó𝑛→𝑇° 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎) = 𝑚𝑜𝑙𝑝∗ 𝑐𝑝𝑝∗ (𝑇°𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎− 𝑇°𝑓𝑢𝑠𝑖𝑜𝑛) (19)
Debido a que los productos de reacción se mueven en un amplio rango de temperatura, el calor específico (cp) debe ser calculado para cada uno de los tramos donde está definido, por lo tanto, el calor sensible queda definido de la siguiente manera: 𝑄𝑠𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 = ∫ 𝑐𝑝 𝑑𝑇 𝑇2 𝑇1 = 𝑚𝑜𝑙𝑝∗ ∫ 𝐴 + 𝐵𝑇 ∗ 10−3+ 𝐶𝑇−2∗ 105 + 𝐷𝑇2∗ 10−6 𝑇2 𝑇1 (20) 𝑄𝑠𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 = 𝑚𝑜𝑙𝑝∗ (𝐴 ∗ 𝑇 + 𝐵 2∗ 𝑇 2 ∗ 10−3−𝐶 𝑇∗ 10 5+𝐷 3 ∗ 𝑇 3∗ 10−6 )/ 𝑇1 𝑇2 (21)
59 En el anexo B se muestran las constantes A, B, C y D de los elementos productos de reacción.
Pérdidas de calor Convertidor Teniente
Las pérdidas de calor del Convertidor Teniente se encuentran asociadas a dos mecanismos, los cuales son: Conducción (pérdidas de calor por cabezales y manto) y Radiación (pérdidas de calor por boca).
Se considera que los Convertidores Teniente están hechos de una capa de acero, una capa de asbesto, una capa de magnetita y refractarios en cabezales y manto. En el anexo C se encuentran las dimensiones asociadas a los Convertidores Teniente.
1. Conducción en Cabezales:
Se consideran las pérdidas de calor por los dos cabezales que tiene cada Convertidor Teniente.
𝑄𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎𝑙 = 𝑈 ∗ 𝐴 ∗ (𝑇𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 ℎ𝑜𝑟𝑛𝑜 − 𝑇𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑) (22) U = Coeficiente global de transferencia de calor [Kcal/m2*h*K].
A = Área cabezal [m].
T interior horno = Temperatura del baño [°K].
T pared = Temperatura de la pared del horno [°K].
El coeficiente global de transferencia de calor se calcula con la ecuación N° 23.
𝑈 = 1 𝑅𝑖 = 1 𝜀1 𝜅1+ 𝜀2 𝜅2+ 𝜀3 𝜅3+ 𝜀4 𝜅4+ 𝜀𝑛 𝜅𝑛 (23) ɛ = Espesor de la capa [m]
κ = Conductividad térmica del material [Kcal/h*m*K] 2. Conducción en Manto:
𝑄𝑚𝑎𝑛𝑡𝑜 = ∑ 𝑈 ∗ 𝐴 ∗ (𝑇𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 ℎ𝑜𝑟𝑛𝑜− 𝑇𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑) (24) El manto se encuentra seccionado en 5 áreas, por lo que las pérdidas de calor se deben calcular para cada una de ellas.
3. Radiación por Boca:
Los gases producidos en las reacciones del horno se liberan a través de la boca a su circuito de tratamiento. Sin embargo, en el trayecto liberan energía en forma de radiación.
60 ϵ = Emisividad [-]
σ = Constante de Boltzman [J/m2*s*K4]
A = Área de la boca del horno [m2]
T sup. radiante = Temperatura superficie radiante (líquido) [°K]
T sup. radiada = Temperatura superficie radiada (campana) [°K]
Balance de energía global Convertidor Teniente
Con las ecuaciones para el cálculo de calor de reacción (16), calor sensible asociado a los productos (17, 18, 19 y 21) y pérdidas de calor (22, 24 y 25), el balance de energía global para el Convertidor Teniente queda definido a continuación:
𝑄𝑟𝑥 + 𝑄𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 𝑏𝑙𝑎𝑛𝑐𝑜+ 𝑄𝑒𝑠𝑐𝑜𝑟𝑖𝑎+ 𝑄𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠+ 𝑄𝑎𝑖𝑟𝑒 𝐺−𝐺+ 𝑄𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 = 𝑄𝑒𝑥𝑐/𝑑𝑒𝑓 (26) Donde:
Q rx = Calor de reacción [Mcal/día].
Q producto = Calor necesario asociado al aumento de temperatura del metal blanco,
escoria y gases, desde los 25° hasta la temperatura de salida de cada fase. Considera calor sensible y calor latente (si es necesario) [Mcal/dia].
Q aire G-G = Calor asociado al aumento de temperatura del aire Garr-Gun, desde su
temperatura de entrada hasta la temperatura de los gases [Mcal/dia].
Q perdidas = Calor asociado a las pérdidas de calor por conducción y radiación, a
través de manto y cabezales del convertidor [Mcal/dia].
Q exc/def = Exceso o déficit de calor que tiene el convertidor para mantener la
temperatura en un valor fijo. Carga Fría (C.F)
Debido a que las reacciones asociadas al proceso de conversión de mineral son altamente exotérmicas, es necesario utilizar un agente externo para mantener la temperatura dentro del horno cercana a los 1220 – 1240 °C, y así aminorar el deterioro de los materiales internos del equipo.
Para esto se utiliza lo que se conoce como “Carga Fría”, que es masa de mineral procesado circulante que se produce al juntar los fondos de las tazas de metal blanco y escoria, y que al enfriarse forman costras que contienen un porcentaje de cobre considerable que es necesario recuperar.
El exceso de calor que tiene el horno es utilizado para fundir la carga fría y así mantener constante la temperatura de las fases. Por lo tanto, la cantidad de carga
61 fría requerida en el proceso se calcula utilizando su composición en masa y la energía de cada componente como se indica a continuación (CODELCO - División El Teniente, 2018):
𝑄𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑓𝑟𝑖𝑎 = ∑ %𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑠𝑡𝑜,𝑝∗ 𝑄𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑠𝑡𝑜,𝑝 (27)
𝑡𝑜𝑛 𝐶. 𝐹 =𝑎𝑏𝑠(𝑄𝑒𝑥𝑐/𝑑𝑒𝑓)
𝑄𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑓𝑟𝑖𝑎
(28)
Al adicionar carga fría al horno, esta se funde y posteriormente se distribuye para formar parte de las fases metal blanco y escoria producidas por la fusión y conversión del mineral.
Retornos Líquidos
Las escorias producidas por los Convertidores Peirce Smith, Hornos Anódicos y Hornos de Limpieza de Escorias son devueltas al Convertidor Teniente para ser reprocesadas y así aumentar la recuperación de cobre en el proceso.
La escoria producida por los Convertidores Peirce Smith es un circulante con alto contenido de cobre metálico que al ponerse en contacto con oxígeno reacciona formando óxido de cobre (Cu2O), que posteriormente reacciona con sulfuro de fierro
(FeS) para formar calcosina (Cu2S) de acuerdo con las siguientes reacciones:
4 𝐶𝑢 + 𝑂2 → 2 𝐶𝑢2𝑂 (29)
𝐶𝑢2𝑂 + 𝐹𝑒𝑆 → 𝐶𝑢2𝑆 + 𝐹𝑒𝑂 (30)
Los componentes de los circulantes se distribuyen para formar parte del metal blanco y escoria.
Arrastre de polvos
Se estima que los polvos arrastrados por los gases del Convertidor Teniente se encuentran cercano al 0,5% del concentrado alimentado al horno.
• Balance de masa Convertidor Peirce Smith:
El metal blanco de ley de cobre cercana al 74%, compuesto principalmente de Calcosina (Cu2S), Sulfuro de Fierro (FeS) y trazas de Trióxido de Arsénico (As2O3),
es enviado al Convertidor Peirce Smith para continuar con la oxidación de cobre hasta cobre metálico. Desde aquí se obtienen 3 fases llamadas: Cobre Blíster (99
% de Cu), Escoria mazamorra (30% Cu) y Gases con un contenido de SO2 cercano
al 16 – 18%.
Durante la oxidación se inyecta oxígeno para llevar a cabo las reacciones de oxidación, además de carga fría para evitar el sobrecalentamiento del horno y mantener la temperatura en un valor cercano a los 1220 °C.
62 El balance de masa del Convertidor Peirce Smith considera las siguientes corrientes:
Figura 37: Corrientes Convertidor Peirce Smith.
𝐹 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 𝑏𝑙𝑎𝑛𝑐𝑜+ 𝐹 𝑂2+ 𝐹 𝐶.𝐹 = 𝐹 𝑏𝑙𝑖𝑠𝑡𝑒𝑟+ 𝐹 𝑒𝑠𝑐𝑜𝑟𝑖𝑎+ 𝐹 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠+ 𝐹 𝑝𝑜𝑙𝑣𝑜𝑠 (31)
Donde:
Fi = Flujo másico de la corriente (i), [tpd].
Debido a que la operación del Convertidor Peirce Smith es batch (discontinua), el proceso de conversión del metal blanco a cobre blíster se realiza en etapas de soplado de duración aproximada a 220 [min] por carga.
A continuación, en la figura N° 38 se muestra la evolución de las etapas de soplado en CPS.
Figura 38: Evolución de las etapas de soplado CPS.
Las reacciones asociadas al proceso son:
2 𝐹𝑒𝑆 + 3 𝑂2 → 2 𝐹𝑒𝑂 + 2 𝑆𝑂2 ∆𝐻𝑟𝑥 = −1.267,17 [𝑀𝑐𝑎𝑙
𝑡𝑜𝑛 ] (32)
3 𝐹𝑒𝑆 + 5 𝑂2 → 𝐹𝑒3𝑂4+ 3 𝑆𝑂2 ∆𝐻𝑟𝑥 = −1.558.4 [𝑀𝑐𝑎𝑙
63 𝐶𝑢2𝑆 + 𝑂2 → 2 𝐶𝑢 + 𝑆𝑂2 ∆𝐻𝑟𝑥 = −297,76 [ 𝑀𝑐𝑎𝑙 𝑡𝑜𝑛 ] (34) 2 𝐶𝑢2𝑆 + 3 𝑂2→ 2 𝐶𝑢2𝑂 + 2 𝑆𝑂2 ∆𝐻𝑟𝑥 = −684,80 [𝑀𝑐𝑎𝑙 𝑡𝑜𝑛 ] (35) Flujo de soplado
Debe estar entre 35.000 y 40.000 Nm3/h, para así lograr un tiempo de soplado
óptimo, un control adecuado de la temperatura del baño y un número adecuado de toberas en operación. El flujo deber ser suficiente para vencer la resistencia ofrecida por los líquidos y permitir la salida del aire como burbujas. El flujo de aire de soplado depende de la calidad del metal blanco, la temperatura del baño, N° de toberas en operación, flujo de oxígeno y diámetro de las toberas.
Impurezas Cobre Blíster
Según el diagrama de equilibrio entre cobre y azufre mostrado en la figura N° 39, cuando la concentración de azufre presente en el cobre blíster es menor al 0,9% a 1105 °C, la calcosina (Cu2S) se descompone en cobre y azufre disuelto quien forma
parte de las impurezas y que posteriormente será necesario remover en el proceso de refinación (Sharma & Chang, 1980).
Figura 39: Diagrama de equilibrio Cu-S.
• Balance de energía Convertidor Peirce Smith
A diferencia del Convertidor Teniente, donde el concentrado seco ingresa y reacciona a 25 °C, el metal blanco ingresa al Convertidor Peirce Smith a una temperatura cercana a los 1240 °C. En este caso se utiliza una metodología que consiste en bajar (teóricamente) la temperatura del metal blanco hasta los 25 °C, en donde ocurre la reacción de oxidación y posteriormente con el calor liberado por
64 esta acción y además por las reacciones, se aumenta la temperatura de los productos hasta aproximadamente 1220 °C.
Esta metodología se realiza con el objetivo de utilizar las entalpías estándar de formación y así obtener un cálculo del calor de reacción teóricamente más correcto. La figura N° 40, representa la metodología anteriormente indicada.
Figura 40: Balance de energía reacciones CPS.
A continuación, en la figura N° 41 se muestra el enfriamiento del metal blanco hasta los 25°C, temperatura a la que se lleva a cabo la reacción de oxidación.
Figura 41: Acondicionamiento metal blanco para reacción de oxidación.
La energía asociada a la disminución de la temperatura de los reactivos (metal blanco), se calcula mediante las expresiones N° 36, 37 y 38.
𝑄𝑠𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 (𝑇𝑚.𝑏𝑙𝑎𝑛𝑐𝑜→ 𝑇
𝑓𝑢𝑠𝑖𝑜𝑛,𝑝)= 𝑚𝑜𝑙𝑝∗ 𝑐𝑝𝑝∗ ( 𝑇𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 𝑏𝑙𝑎𝑛𝑐𝑜 − 𝑇𝑓𝑢𝑠𝑖ó𝑛,𝑝) (36)
𝑄𝑙𝑎𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒,𝑝= 𝑚𝑜𝑙𝑝∗ 𝑑𝐻𝑙 →𝑠 (37)
65 El aumento de la temperatura de los productos de reacción sigue el patrón de la figura N° 42, en donde los productos a 25 °C utilizan el calor liberado por la primera etapa del proceso (enfriamiento del metal blanco, ec. N° 36, 37 y 38) y el calor liberado producto de la reacción (ec. N° 16), para aumentar su temperatura hasta la temperatura de salida del horno.
Figura 42: Temperatura productos CPS.
El calor necesario para incrementar la temperatura de los productos desde los 25 °C hasta la temperatura de salida del horno queda definido con las ecuaciones N° 39, 40 y 41.
𝑄𝑠𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 (25°𝐶→ 𝑇
𝑓𝑢𝑠𝑖𝑜𝑛,𝑝) = 𝑚𝑜𝑙𝑝∗ 𝑐𝑝𝑝∗ ( 25 °𝐶 − 𝑇𝑓𝑢𝑠𝑖ó𝑛,𝑝) (39)
𝑄𝑙𝑎𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒,𝑝 = 𝑚𝑜𝑙𝑝∗ 𝑑𝐻𝑠 →𝑙 (40)
𝑄𝑠𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 (𝑇°𝑓𝑢𝑠𝑖ó𝑛,𝑝→ 𝑇𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎,𝑝)= 𝑚𝑜𝑙𝑝∗ 𝑐𝑝𝑝∗ (𝑇°𝑓𝑢𝑠𝑖𝑜𝑛,𝑝− 𝑇𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎,𝑝) (41)
Pérdidas de calor Convertidor Peirce Smith
Las pérdidas de calor del Convertidor Peirce Smith se encuentran asociadas a dos mecanismos, los cuales son: Conducción (pérdidas de calor por cabezales y manto) y Radiación (pérdidas de calor por boca). Se calculan con las ecuaciones N° 22, 23, 24 y 25.
Se considera que los Convertidores Peirce Smith están hechos de una capa de acero, una capa de asbesto, una capa de magnetita y refractarios en cabezales y manto.
En el anexo E se encuentran las dimensiones asociadas a los Convertidores Peirce Smith.
66 Balance de energía global Convertidor Peirce Smith
Con las ecuaciones para el cálculo de calor de reacción (N° 16), calor asociado a los reactivos (36, 37 y 38), calor asociado a los productos (39, 40 y 41) y las pérdidas de calor (22, 24 y 25), el balance de energía global para el CPS queda definido a continuación:
𝑄𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 𝑏𝑙𝑎𝑛𝑐𝑜+ 𝑄𝑟𝑥 + 𝑄𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜+ 𝑄𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 = 𝑄𝑒𝑥𝑐/𝑑𝑒𝑓 (42)
Donde:
Q metal blanco = Calor liberado por el metal blanco al disminuir su temperatura desde
los 1240 °C app. hasta la temperatura de reacción (25 °C) [Mcal/carga]. Q rx = Calor de reacción [Mcal/carga].
Q producto = Calor necesario para aumentar la temperatura de los productos cobre
blíster, escoria y gases, desde los 25 °C hasta la temperatura de salida de cada fase. Considera calor sensible y calor latente (si es necesario) [Mcal/carga].
Q pérdidas = Calor asociado a las pérdidas de calor por conducción y radiación, a
través de manto y cabezales del convertidor [Mcal/dia].
Q exc/def = Exceso o déficit de calor que tiene el convertidor para mantener la
temperatura en un valor fijo. Carga Fría (C.F)
Debido a que las reacciones asociadas al proceso de oxidación de metal blanco a blíster son altamente exotérmicas, es necesario utilizar un agente externo para mantener la temperatura dentro del horno, y así evitar el deterioro de los materiales internos del equipo.
Durante la operación del Convertidor Peirce Smith (CPS) también se utiliza carga fría como agente externo, sin embargo, en este caso se confecciona carga fría de alta ley (>50% Cu) con el objetivo de mantener estable el porcentaje de cobre contenido en el cobre blíster.
El exceso de calor que tiene el horno es utilizado para fundir la carga fría y así mantener constante la temperatura de las fases. Por lo tanto, la cantidad de carga fría requerida en el proceso se calcula utilizando su composición en masa y la energía de cada componente como se indica a continuación
𝑄𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑓𝑟𝑖𝑎 = ∑ %𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑠𝑡𝑜,𝑝∗ 𝑄𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑠𝑡𝑜,𝑝 (43)
𝑡𝑜𝑛 𝐶. 𝐹 =𝑎𝑏𝑠(𝑄𝑒𝑥𝑐/𝑑𝑒𝑓)
67 Al adicionar carga fría al horno, esta se funde y posteriormente se distribuye para formar parte de las fases cobre blíster y escoria producidas.
Arrastre de polvos
Se estima que el arrastre de polvos en los CPS es aproximadamente un 0,5% de las toneladas cargadas al horno.
• Balance de masa Horno Anódico:
El cobre blíster de ley de cobre cercana al 98,5 % contiene una alta cantidad de azufre y oxígeno disueltos en un 0,05% y 0,5% respectivamente. Con estos niveles, el oxígeno con el azufre podría combinarse durante la solidificación, en forma de ampollas de SO2 tanto sobre y dentro del metal, que limitarían el moldeo de ánodos
de superficie plana y fuerte.
Para evitar la formación de ampollas, se utilizan hornos de refinación anódica con el objetivo de cumplir con estándares de la refinería electrolítica y, además, con las normas de comercialización existentes.
A continuación, en la tabla N° 1 se muestran las especificaciones requeridas del cobre anódico (Fundamentos de Metalurgía Extractiva, 2010).
Tabla 1: Especificaciones Cobre Anódico
Normas refinería Rango (ppm)
O 1.200 – 1.800
S 12 – 30
As 800 – 1.500
As/Sb ≥ 2,5
El proceso de refinación anódica es un proceso discontinuo y consta de las siguientes etapas:
Figura 43: Etapas Refinación Anódica.
A continuación, en la figura N° 44 se muestra el diagrama de flujos del Horno Anódico.
68 Figura 44: Diagrama de flujo Horno Anódico.
𝐹 𝑏𝑙𝑖𝑠𝑡𝑒𝑟+ 𝐹 𝑂2+ 𝐹 𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟= 𝐹 𝐶𝑢 𝑎𝑛𝑜𝑑𝑖𝑐𝑜+ 𝐹 𝑒𝑠𝑐𝑜𝑟𝑖𝑎+ 𝐹 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 (45)
Donde:
Fi = Flujo másico de la corriente (i), [tpd].
La primera etapa química del proceso consiste en la remoción de azufre a través de la inyección de oxígeno, quienes reaccionarán para formar Dióxido de Azufre (SO2)
gaseoso.
La etapa de oxidación se describe a continuación:
𝑆𝑑𝑖𝑠𝑢𝑒𝑙𝑡𝑜 𝑒𝑛 𝐶𝑢(𝑙) + 𝑂2(𝑔) → 𝑆𝑂2(𝑔) (46) 1
2𝑂2(𝑔)= 𝑂𝑑𝑖𝑠𝑢𝑒𝑙𝑡𝑜 𝑒𝑛 𝐶𝑢 (𝑙) (47) 𝑆𝑑𝑖𝑠𝑢𝑒𝑙𝑡𝑜 𝑒𝑛 𝐶𝑢(𝑙)+ 2 𝑂𝑑𝑖𝑠𝑢𝑒𝑙𝑡𝑜 𝑒𝑛 𝐶𝑢(𝑙) (48)
Al término de la etapa de oxidación, el contenido de azufre fluctúa entre 15 – 30 ppm, sin embargo, los niveles de oxígeno presente se encuentran entre 7.500 – 8.500 ppm. Para disminuir estos niveles, se lleva a cabo la segunda etapa química del proceso que consiste en la remoción de oxígeno por medio de una reducción con un agente reductor que puede ser petróleo, gas natural, etc (SIC UCC).
La etapa de reducción comienza con la descomposición del agente reductor con formación de humo negro y posteriormente la reducción del oxígeno hasta las condiciones requeridas.
La etapa de reducción se describe en las siguientes ecuaciones: Formación de humo negro:
𝐶𝑛𝐻𝑚 (𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟) = 𝑛 𝐶𝑝𝑜𝑙𝑣𝑜+ 𝑚 2⁄ 𝐻2 (49)
Reacciones de Reducción:
69 2 𝐶𝑝𝑜𝑙𝑣𝑜+ 𝑂 𝑑𝑖𝑠𝑢𝑒𝑙𝑡𝑜 𝑒𝑛 𝐶𝑢 (𝑙) = 2 𝐶𝑂 (51) 𝐶𝑂 + 𝑂𝑑𝑖𝑠𝑢𝑒𝑙𝑡𝑜 𝑒𝑛 𝐶𝑢 (𝑙) = 𝐶𝑂2 (52) Reacciones de reformación: 𝐶10𝐻22+ 10 𝐻2𝑂 = 10 𝐶𝑂 + 21 𝐻2 (53)
De esta manera, el producto final del proceso son moldes de cobre de 99,7% de pureza que son enviados a refinería o directamente a comercialización.
• Balance de masa Horno de Limpieza de Escorias:
Las escorias producidas por los Convertidores Teniente tienen un alto contenido de Cobre que se pierde tanto por atrapamiento químico (20%), como por atrapamiento físico (80%). Este último funciona como fundamento para la utilización de los Hornos de Limpieza de Escorias para recuperar cobre circulante (Fundamentos de Metalurgia Extractiva, 2010) .
1. Pérdidas de cobre por atrapamiento químico: Debido a la formación de óxidos de cobre, que son altamente reactivos y se combinan fácilmente con la magnetita formando Magnetita de cobre (Cu2O*Fe3O4), Ferrita de cobre (CuFe2O4) o Silicato
de cobre, siendo el único modo de recuperación la destrucción de estos compuestos disminuyendo el contenido de magnetita a valores inferiores al 1%, lo que económicamente no es rentable. Sin embargo, estas pérdidas se logran disminuir minimizando la formación de óxidos de cobre.
2. Pérdidas de cobre por atrapamiento físico: Se debe principalmente a que las partículas del metal no pueden decantar hacia la fase de metal debido a la viscosidad de la escoria. La alta viscosidad de la escoria puede deberse a: baja temperatura, exceso de carga fría, concentrado pobre en azufre, alto contenido de magnetita (por alto coeficiente de oxigeno o déficit de sílice), alto contenido de sílice libre.
La calidad química de la escoria se encuentra detallada en la tabla N° 2. Tabla 2: Calidad química escoria CT
Detalle Valor
Relación Fe/SiO2 1,4 – 1,7
Cobre (Cu) < 7 %
Magnetita (Fe3O4) 15 – 18 %
Sílice (SiO2) 24 – 28 %
Para obtener una mayor recuperación de cobre, se utilizan los Hornos de Limpieza de Escorias que, a través de un proceso de reducción con carboncillo, disminuyendo la cantidad de magnetita presente en la escoria, bajando la viscosidad y por consecuencia liberando el cobre para su posterior procesamiento.
70 En la figura N° 45, se muestra el diagrama de flujo de los Hornos de Limpieza de Escorias.
Figura 45: Diagrama de flujo Horno de Limpieza de Escorias.
𝐹 𝑒𝑠𝑐𝑜𝑟𝑖𝑎 𝐶𝑇+ 𝐹𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑐𝑖𝑙𝑙𝑜 = 𝐹 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜 𝐻𝐿𝐸+ 𝐹 𝑒𝑠𝑐𝑜𝑟𝑖𝑎 𝑏𝑜𝑡𝑎𝑑𝑒𝑟𝑜+ 𝐹 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 (54)
Donde:
Fi = Flujo másico de la corriente (i), [tpd].
La reducción de la magnetita con carboncillo se detalla en la siguiente ecuación: