FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y TEXTIL
TESIS
“VENTAJAS EN LA CONVERSIÓN Y LIMPIEZA, DE ESCORIAS DE
COBRE, PRODUCTO DE LA DISMINUCIÓN DEL TAMAÑO DE SÍLICA
ADICIONADA EN LOS CONVERTIDORES PIERCE SMITH EN UNA
FUNDICIÓN DEL SUR DEL PERÚ”
PARA OBTENER EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO QUÍMICO
ELABORADO POR
ALEX TARRILLO VELÁSQUEZ
NELSON BELTRAN MONTES SANOMAMANI
ASESOR
HERMINIA VIOLETA CHAVARRI MARIN DE LEON
LIMA – PERÚ
DEDICATORIAS
Dedico éste logro a Dios por haberme permitido llegar a éste punto en mi vida
con buena salud y gozando de la felicidad de mi familia, además por su infinita
bondad y amor. A mis padres, Victoriano y Casilda, por haberme apoyado en todo
momento, en este camino, por sus consejos, sus valores y la motivación
permanente que siempre me han brindado, también a mis hermanos Anyeli, Victor y
Nilda por estar siempre conmigo dándome su apoyo, gracias a mi familia por toda la
fuerza y amor que me brindan.
NELSON B. MONTES SANOMAMANI
Dedico la presente tesis a Dios y mis padres, Saúl y Mereida por haber sido
participe de este importante logro en mi vida, que sientan las bases de mi vida
profesional; a mis hermanos y a mi novia por haber sido fuente de motivación
constante. Un especial mención al Ing. Ronald Palomino por su especial apoyo,
asesoría, y enseñanzas que fortalecieron la iniciativa del presente trabajo.
AGRADECIMIENTOS
Damos gracias a Dios, por darnos la fuerza y paciencia para realizar ésta tesis, a
nuestras familias por todo el apoyo, motivación y amor que nos brindaron para la
realización de éste trabajo. Así también nuestros agradecimientos hacia: Ing.a
Herminia Violeta Chavarri Marin de Leon, Ing.o Edwin Dextre Jara e Ing.o Alex Willy
Pilco Nuñez, por la orientación y ayuda que nos brindaron para la realización de
esta tesis, también nuestros agradecimientos a todos los integrantes de la facultad
de Ingeniería Química y Textil, por su apoyo en nuestra formación como ingenieros
químicos, a todos ellos nuestros agradecimientos por lograr este nuestro objetivo de
titularnos. Que dios los bendiga.
RESUMEN
La presente tesis tiene como objetivo estudiar la reducción del tamaño de
partícula de sílica agregada al proceso de conversión, para disminuir costos y
problemas operativos en la Fundición-Ilo ubicado en el departamento de Moquegua
en Perú; cuya actividad principal es la producción de cobre metálico mediante
procesos pirometalúrgicos.
El proceso de conversión se realiza en los reactores conocidos como
convertidores Pierce Smith (CPS); dentro de los cuales se llevan a cabo las
reacciones químicas que transforman el mate a cobre blíster, mediante dos etapas:
el soplado a escoria y el soplado a cobre. La sílica es uno de los insumos más
importantes agregado en el soplado a escoria y su correcto uso tiene efectos en las
operaciones ya que determina las características de la escoria.
La tesis consta de seis capítulos, en el capítulo I se establecen; el planteamiento
del problema, la descripción del tema de estudio, los objetivos (general y
específicos), la hipótesis, el alcance y las limitaciones de la tesis. En el capítulo II se
realiza una descripción de los procesos que se llevan a cabo en la Fundición–Ilo,
estos procesos son; la fusión, la conversión, la limpieza de escorias y la refinación;
estas descripciones permiten conocer de manera general las variables y los
parámetros de cada proceso, además se detalla los procesos de conversión y de
limpieza de escorias.
El capítulo III presenta el marco teórico, detalla la parte termodinámica de las
reacciones químicas llevada a cabo en los procesos de conversión y de limpieza de
escorias; así, este capítulo presenta la ilustración del proceso de conversión
mediante diagramas de potencial químico y de equilibrios que se llevan a cabo en
los procesos; además se describen características fisicoquímicas, como la densidad
y la viscosidad de las escorias. En la última parte de este capítulo se describe el
proceso de control realizado para la conversión.
El capítulo IV trata del desarrollo del trabajo, en donde se muestra la
metodología de estudio y procesamiento de la información realizados, así se
plan de adición de sílica, en el cual se incluye el análisis granulométrico de la sílica;
el balance de masa que se realiza al proceso de conversión para los soplados a
escoria y por último se presenta los resultados logrados presentando la discusión de
los mismos.
El capítulo V presenta la evaluación económica realizada, en base a costos
operativos y utilizando el método del valor presente de egresos; se realiza la
comparación entre la operación estándar que se lleva a cabo con la sílica de ¾” con
el proyecto propuesto que utiliza la sílica de ½”. Por último el capítulo VI presenta
las conclusiones de la tesis, así como, las recomendaciones para la mejora de las
operaciones en la Fundición-Ilo. Así, la tesis evidencia que con la reducción de
tamaño de partícula de la sílica se obtiene una reducción en los costos operativos,
siempre en cuando se siga la correcta operación en el proceso de conversión de la
ABSTRACT
This thesis aims to study the particle size reduction of silica added to the
conversion process, in order to reduce costs and operational problems in the
Foundry-Ilo, located in the department of Moquegua in Peru; whose main activity is
the production of metallic copper by pyrometallurgical processes.
The conversion process is performed in reactors known as Pierce Smith
converters (CPS); within which it is carried out chemical reactions which transform
the matte to blister copper by two stages: the slag blown and copper blown. Silica is
one of the most important inputs added in slag blown and proper use has effects on
operations because it determines the characteristics of the slag.
The thesis consists of six chapters, in the chapter one are established; the
problem statement, the description of the subject of study, objectives (general and
specifics), the hypothesis, the scope and limitations of the thesis. In chapter two the
descriptions about of the processes of Foundry-Ilo Smelter are done, these
processes are; merger, conversion, cleaning slag and refining; these descriptions
generally provide insight into the variables and parameters of each process, it also
goes into greater detail in the description of the conversion process and slag
cleaning.
Chapter three presents the theoretical framework. Detailed thermodynamics of
chemical reactions carried out in the conversion process and slag cleaning; thus, this
chapter presents illustration of the conversion process by chemical potential
diagrams and balances that are carried out in the processes; physicochemical
characteristics such as density and viscosity of the slag are described. In the latter
part of this chapter the control process performed for conversion is described.
Chapter four deals with the development of the work, where the study
methodology and information processing are shown, so it presented: the equipment
used to carry out field tests; plan addition of silica, in which the granulometric
process for slag blown and finally presents the results achieved by presenting the
discussion of them.
Chapter five presents the economic assessment, based on operating costs and
using the method of the present value of expenditures; the comparison between
standard operation (using silica ¾ ") with the proposed project (using silica ½") is
performed. Finally chapter six presents the conclusions of the thesis, as well as
recommendations for improving operations at the Foundry -Ilo. Thus the thesis
evidence with reduced particle size of the silica is obtained a reduction in operating
costs, always when the correct operation is followed in the conversion process of
PRÓLOGO
La presente tesis demuestra las ventajas en la conversión y limpieza de escorias
de cobre, producto de la disminución del tamaño de sílica adicionada en los
convertidores Pierce Smith en una Fundición del Sur del Perú, se estudia y analiza
los efectos que trae consigo la disminución del tamaño de partícula de la sílica. La
tesis está dividida en seis capítulos: El primer capítulo se abarca puntos como el
planteamiento del problema, de los objetivos, de la hipótesis y los alcances y
limitaciones de la tesis. El segundo capítulo se adentra a la revisión de los
antecedentes referenciales, así se describe los procesos principales de la Fundición
y se muestra los datos referentes a cada proceso sirviendo como puntos
referenciales para entender la importancia de la sílica en los proceso. El tercer
capítulo, se abarca los aspectos termodinámicos necesarios para entender, los
efectos de la sílica en los procesos. El capítulo cuatro, se centra en el desarrollo del
trabajo de la tesis, teniendo puntos centrales como el desarrollo experimental, los
cálculos realizados como por ejemplo los balances de masa, así como la obtención
de resultados, sus análisis y se realiza una contrastación de la hipótesis planteada.
El capítulo cinco se centra en la parte económica, en él se muestra la evaluación
económica del proyecto propuesto, para saber si éste es conveniente. Finalmente el
capítulo seis se presenta las conclusiones, cumpliéndose con los objetivos
propuestos en la tesis.
Para realización de la presente tesis se hizo uso de un análisis de aspecto
operativo, de ingeniería, económico, así como uso de documentación y filología,
convirtiéndose así en un trabajo multidisciplinar, buscándose así que se tenga una
ÍNDICE DE CONTENIDO
CAPÍTULO I ... 1
1. Introducción ... 1
1.1 Planteamiento del problema ... 1
1.2 Descripción del tema de estudio de la tesis ... 3
1.3 Objetivo general ... 4
1.4 Objetivos específicos ... 4
1.5 Justificación de la tesis ... 4
1.6 Hipótesis ………. ... 5
1.7 Alcance y limitaciones de la tesis ... 5
1.7.1 Alcance ... 5
1.7.2 Limitaciones ... 6
CAPITULO II………8
2. Revisión de antecedentes referenciales ... 8
2.1 Descripción de los procesos principales con cobre en Fundición – Ilo ... 8
2.1.1 Proceso de fusión ... 10
2.1.2 Proceso de conversión del cobre ... 10
2.1.3 Proceso de limpieza de escorias ... 11
2.1.4 Proceso de refinación ... 12
2.1.5 Sistema de gases de fundición ... 12
2.2 Proceso de conversión de cobre en la Fundición-Ilo ... 14
2.2.2 Insumos y productos del proceso de conversión ... 18
2.2.3 Etapas del proceso de conversión ... 21
2.2.4 Variables del proceso de conversión... 26
2.3 Proceso de limpieza de escorias en la Fundición-Ilo ... 28
2.3.1 Características de los insumos del proceso de limpieza de escorias ... 28
2.3.2 Recuperación de cobre en las escorias de los convertidores ... 29
2.3.3 Variables del proceso de limpieza de escorias ... 32
CAPÍTULO III ... 33
3. Marco teórico ... 33
3.1 Aplicación de la regla de fases en el CPS ... 33
3.2 Termodinámica de la conversión ... 34
3.2.1 Ilustración del proceso de conversión mediante diagramas de potencial químico ... 34
3.2.2 Reacciones básicas en la conversión del mate de cobre ... 37
3.2.3 Formación de magnetita durante el proceso de conversión ... 39
3.3 Diagramas de equilibrio de fases ... 40
3.3.1 Sistemas binarios ... 40
3.3.2 Sistemas ternarios ... 43
3.4 Comportamiento sulfuro-óxido ... 45
3.5 Densidad de escorias fayalíticas ... 46
3.6 Viscosidad de las escorias fayalíticas ... 48
3.7 Espectroscopía óptica en CPS ... 51
3.7.2 Parámetro óptico de proceso, PbO ... 54
3.7.3 Parámetro óptico de proceso, CuOH/PbO ... 55
CAPÍTULO IV ... 57
4. Desarrollo del trabajo ... 57
4.1 Desarrollo experimental ... 57
4.1.1 Equipos e instrumentos de análisis para el desarrollo experimental ... 57
4.2 Cálculos…… ... 59
4.2.1 Plan de adición de sílica. ... 60
4.2.2 Balance de masa del proceso de conversión–soplado a escoria ... 68
4.3 Resultados... 76
4.3.1 Resultados del balance de masa ... 76
4.4 Análisis de resultados ... 84
4.4.1 Contrastación de resultados con la prueba experimental ... 84
4.5 Contrastación de hipótesis ... 99
CAPÍTULO V ... 100
5. Evaluación económica ... 100
5.1 Evaluación de costos ... 100
5.1.1 Evaluación de costos de operación con el proyecto actual en la Fundición-Ilo ... 101
5.1.2 Evaluación de costos de operación con el proyecto propuesto en la Fundición-Ilo ... 102
CAPÍTULO VI ... 107
6. Conclusiones y recomendaciones ... 107
6.1 Conclusiones ... 107
6.2 Recomendaciones... 107
7. BIBLIOGRAFÍA ... 109
8. ANEXOS ... 111
8.1 Anexo 1: Ecuaciones y procedimiento de cálculo que se realiza en el balance de masa ... 111
8.2 Anexo 2: Desviación durante la operación de CPS (adición de sílica) ... 129
ÍNDICE DE CUADROS
Cuadro 1.- Composición de gases formados en los hornos ISA y CPS ... 14
Cuadro 2.- Especificaciones de la fase mate ... 18
Cuadro 3.- Especificaciones de la fase metal ... 19
Cuadro 4.- Especificaciones de la sílica utilizada como insumo en los procesos. .... 19
Cuadro 5.- Composición de escoria... 20
Cuadro 6.- Composición de frío clasificado de alta ley. ... 20
Cuadro 7.- Composición de remanente ... 21
Cuadro 8.- Sistema de carguío de ollas para el soplado a escoria ... 23
Cuadro 9.- Composición de las fronteras de la fayalita... 42
Cuadro 10.- Cuadro de composición de escoria y mata. ... 46
Cuadro 11.- Propiedades fisicoquímicas de los constituyentes comunes de la escoria ... 47
Cuadro 12.- Viscosidad del SiO2 y otros componentes de la escoria ... 50
Cuadro 13.- Análisis granulométrico de sílica de 3/4”, método GGS ... 61
Cuadro 14.- Análisis granulométrico de sílica de ½”, método GGS ... 62
Cuadro 15.- Diámetros de partículas de sílica en equilibrio para diferentes presiones de succión en la campana de salida de gases... 63
Cuadro 16.- Parámetros de operación del soplado a escoria usados para las pruebas ... 69
Cuadro 17.- Composición de insumos del soplado a escoria ... 70
Cuadro 18.- Distribuciones del soplado a escoria ... 71
Cuadro 19.-Distribución de la sílica en el primer soplado ... 73
Cuadro 21.- Distribución de la sílica en el tercer soplado ... 75
Cuadro 22.- Cantidad de insumos y sílica requerida para el primer soplado a escoria... 77
Cuadro 23.- Cantidad de insumos y sílica requerida para el segundo soplado a escoria ... 78
Cuadro 24.- Cantidad de insumos y sílica requerida para el tercer soplado a escoria ... 79
Cuadro 25.- Resultado del balance de materia en el primer soplado a escoria ... 81
Cuadro 26.- Resultado del balance de materia en el segundo soplado a escoria .... 82
Cuadro 27.- Resultado del balance de materia en el segundo soplado a escoria .... 83
Cuadro 28.- Promedio mensual de consumo de sílica por ciclo ... 85
Cuadro 29.- Promedio mensual de tiempo de soplado por ciclo ... 86
Cuadro 30.- Contenido de Fe3O4 y Consumo de sílica ... 89
Cuadro 31.- Cuadro resumen de sistemas de carguíos y soplados de ciclos procesados en CPS ... 91
Cuadro 32.- Principales variables del proceso de los HLE (2014-2015) ... 92
Cuadro 33.- Cuadro resumen de promedio de consumo de R-500 de los hornos de limpieza de escoria (HLE) ... 92
Cuadro 34.- Cuadro resumen de promedio de consumo de arrabio/t de escoria ... 97
Cuadro 35.- Costos de capacitación de personal... 101
Cuadro 36.- Costos de operación para el proyecto actual ... 103
Cuadro 37.- Costos de operación para el proyecto propuesto ... 104
Cuadro 38.- Cuadro de comparación de costos de proyectos ... 105
ÍNDICE DE GRÁFICAS
Gráfica 1.- %Sílica no disuelta vs tiempo de soplado para diferentes tamaños de
sílica. ... 65
Gráfica 2.- % Sílica sin fundir vs tiempo de soplado. ... 66
Gráfica 3.- Tamaño de sílica vs tiempo de soplado. ... 67
Gráfica 4.- Promedio mensual de sílica adicionada por ciclo en el soplado a escoria
en los CPS ... 87
Gráfica 5.- Promedio mensual de tiempo de soplado a escoria por ciclo en los CPS.
... 88
Gráfica 6.- Consumo de sílica en el soplado a escoria por ciclo en el CPS ... 90
Gráfica 7.- Flujo de Combustible – Temperatura de Escoria antes y durante la
prueba en el HLE N°1. ... 95
Gráfica 8.- Flujo de combustible – temperatura de escoria antes y durante la prueba en el HLE N° 2...………96
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.- Diagrama de flujo de los procesos en Fundición - Ilo ... 9
Figura 2.- Sistema de gases de la Fundición – Ilo. ... 13
Figura 3.- Convertidor Pierce Smith y equipos auxiliares ... 15
Figura 4.- Sistema de enfriamiento de gases de salida de los hornos. ... 17
Figura 5.- Sistema de carguío estándar de la etapa de conversión: soplado a escoria. ... 22
Figura 6.- Principales especies químicas presentes en el soplado a escoria ... 23
Figura 7.- Sistema de carguío estándar de la etapa de conversión soplado a cobre ... .25
Figura 9.- Sistema de carguío estándar de las etapas de limpieza de escoria en Fundición- Ilo ... 30
Figura 10.- Diagrama de potencial químico de equilibrio isotérmico para el sistema Cu-Fe- SiO2 a 1300°C... 36
Figura 11.-Relación entre la ley del metal blanco (eje) y las actividades de diversos componentes. ... 38
Figura 12.- Relación entre la presión de oxígeno, actividades de diversos componentes y composición de metal blanco (eje).. ... 38
Figura 13.- Efecto de la actividad del FeO sobre la relación entre la ley del metal blanco (eje) y actividad de la magnetita. ... 39
Figura 14.- Diagrama de fases del sistema Cu-S... 41
Figura 15.- Diagrama de fases binario FeO-SiO2. ... 42
Figura 16.- Diagrama politérmico para el sistema FeO-Fe2O3-SiO2 e isóbaras de presión de oxígeno... 44
Figura 17.- Diagrama de fases del comportamiento sulfuro- oxido de Fe. ... 46
Figura 19.- Efecto de la temperatura en la densidad de escoria. ... 48
Figura 20.- Estructura cristalina del SiO2. ... 49
Figura 21.- Proceso de ruptura de red cristalina del SiO2 debido a un óxido básico
(FeOx) ... 49
Figura 22.- La viscosidad de la escoria fayalítica y su relación con el contenido de
SiO2. ... 50
Figura 23.- La viscosidad de la escoria fayalítica y su relación con el contenido de
CaO ... 51
Figura 24.- Curvas de tendencia de OPC durante las etapas de formación de escoria
y cobre en un convertidor Pierce Smith... 52
Figura 25.- Curvas de tendencia de OPC durante las etapas de formación de escoria
en un convertidor Pierce Smith ... 54
Figura 26.- Curvas de tendencia de OPC durante la finalización de la etapa de
formación de escoria en un convertidor Pierce Smith... 55
Figura 27.- Curvas de tendencia de OPC durante la etapa de formación a cobre en
un convertidor Pierce Smith. ... 56
Figura 28.- Pulverizador de muestras o “Vibratory Ring Pulverizer TM/G 1500”. .... 58
Figura 29.- Satmagan 135 ... 59
Figura 30.- El analizador Metorex o “X-ray Fluorescence Spectroscopy X- Met920”
... .59
Figura 31.- Baño de material fundido en el interior del HLE durante la primera
semana de prueba ... 94
Figura 32.- Baño de material fundido en el interior del HLE durante la segunda
1. Introducción
En este capítulo se presentan puntos importantes del método científico seguido
por la tesis, tales puntos son: el planteamiento del problema, descripción del tema
de estudio, objetivo general, objetivos específicos, justificación, hipótesis, alcance y
limitaciones. Así el capítulo permite entender cuál es la problemática relacionado al
uso incorrecto de la sílica y qué efectos favorables trae a los procesos la reducción
del tamaño de partícula de sílica, dichos efectos son planteados en la hipótesis,
teniendo en cuenta los objetivos de la misma. También se plantea el alcance y
limitaciones que tiene la tesis para realizar el estudio.
1.1 Planteamiento del problema
Debido a la importancia estratégica de la industria del cobre, la gran magnitud de
inversiones que se realizan y la cantidad creciente de proyectos que giran en torno a
este rubro; los principales agentes se han visto obligados a realizar estudios que
mejoren permanentemente los sistemas productivos de las empresas, en este
contexto se ha desarrollado diferentes tecnologías para procesar los concentrados
de cobre optando cada vez más por procesos integrados y de mayor eficiencia.
La Fundición-Ilo, con 54 años de operación en el Perú, no fue ajena a los
cambios, por ello, en su historia se tuvo un desarrollo técnico de sus operaciones y
una modernización tecnológica de sus equipos, ambas sobre la base del
cumplimiento normativo aplicable. Su modernización en el año 2 007 marcó un hito
importante, ya que se estableció una reestructuración de los procesos que permitió
cumplir con la exigente normativa ambiental vigente.
El principal cambio en la modernización fue la sustitución de los 4 antiguos e
históricos hornos reverberos por un moderno horno de fusión ISASMELT (ISA), lo
que conllevó a la implementación de nuevos y modernos equipos como los hornos
Antes de la modernización, la Fundición-Ilo producía un mate con bajo contenido
de cobre en los hornos reverberos, además existían reflujos de las escorias al
proceso de conversión, ésta característica favorecía a la formación de escoria con
bajo contenido de sílice y saturadas en magnetita, éste último compuesto disminuía
la velocidad de disolución de los ladrillos refractarios en los convertidores Pierce
Smith (CPS), ya que cubría sus superficies y los protegía debido a su alto punto de
fusión. Sin embargo, con la modernización, la Fundición-Ilo adquirió refractarios de
mejor calidad y las escorias son procesadas en los hornos de limpieza (HLE), donde
se recupera el cobre atrapado en las escorias. Todo lo anteriormente mencionado
produjo variaciones en la composición de las escorias, es decir, ahora son
saturadas en sílice y se realiza el control de la formación de magnetita (SPCC,
2007)17.
En lo que respecta al proceso de conversión, llevado a cabo en los
convertidores Pierce Smith (CPS), sólo se redujo el número de unidades operativas
de 7 a 4, ya que los nuevos parámetros del proceso de fusión del ISASMELT hacen
que se produzca un mate de 63 [%w] de cobre, frente al 54 [%w] de cobre que
entregaban los reverberos, con esto se requirió menor tiempo de utilización de los
convertidores.
El proceso de conversión tiene dos etapas, soplado a escoria y soplado a cobre,
su correcta operación está relacionada con la precisión de medición y control de los
parámetros, principalmente la temperatura y la concentración de las fases liquidas.
Dado que el proceso es totalmente autógeno, la cinética y termodinámica de las
reacciones determinan los parámetros mencionados, por ello la adición de los
insumos y las características físicas y químicas que posean permitirán controlar
mejor el proceso.
La sílica es uno de los insumos más importantes para la Fundición-Ilo, ya que
permite controlar la composición y las propiedades físicas de las escorias de la
conversión durante los soplados. Cuando la sílica no reacciona en su totalidad,
existe sílica remanente en los productos de los convertidores que ingresan al
proceso de limpieza de escorias, causando problemas operacionales como son: la
transferencia de calor entre el quemador y el baño fundido, causando así mayor
consumo de combustible en los hornos de limpieza; la variación de la temperatura
del baño en los convertidores; un mayor consumo de sílica por olla de mate
procesado, debido a que un porcentaje de éste se pierde como sílica cruda en la
escoria.
Una característica física que controla la cantidad de sílica que reaccionará es su
tamaño de partícula. Así el tema central de estudio de la tesis es la reducción de
tamaño de partícula de sílica, ya que la modificación de esta característica hará
efecto en las cantidades consumidas de la misma. De esta manera surge la
siguiente pregunta: ¿Qué mejoras se obtienen con la reducción de tamaño de
partícula de sílica de 17,7 mm (tamaño estándar utilizado en la Fundición-Ilo) a 13,7
mm (tamaño propuesto en la tesis) agregada al proceso de conversión?
1.2 Descripción del tema de estudio de la tesis
Un buen proceso de conversión se fundamenta en la formación de una buena
escoria que posee las mejores características físicas y químicas, para lograr lo
anterior el control de la sílica se convierte en una variable importante, esto implica
conocer la mejor cantidad agregada al proceso, sus características fisicoquímicas,
su tamaño de partícula, el momento oportuno de su adición en la etapa formadora
de escoria entre otras. No cumplir con lo mencionado provoca; arrastre del cobre en
la escoria de los CPS, arrastre de la sílica a través del sistema de descarga de
gases de los CPS y la existencia de sílica sin fundir finalizado el soplado a escoria.
Lo último puede indicar escoria saturada de sílice o que se tuvo un corto tiempo de
residencia en el CPS. La escoria que es enviada a los hornos de limpieza de
escorias (HLE) no debe contener sílica sin digerir (conocida como sílica cruda), ya
que su presencia en dichos hornos forma sábanas refractarias que dificultan la
transferencia de calor, produciendo así un mayor consumo de combustible R-500.
Todo lo anteriormente mencionado trae consigo consecuencias negativas en la
operación de la Fundición-Ilo que se traduce en mayores gastos y costos para la
1.3 Objetivo general
Estudiar los efectos de la reducción de tamaño de partícula de la sílica agregada
en el proceso de conversión.
1.4 Objetivos específicos
Los objetivos específicos que se quieren lograr con el presente trabajo son los
siguientes:
- Disminuir los consumos excesivos de sílica en el proceso de conversión,
disminuyendo el consumo de sílica por olla de mate procesado.
- Evitar problemas operativos en el proceso de limpieza de escorias,
disminuyendo el contenido de sílica sin digerir en la escoria de los
convertidores Pierce Smith (CPS).
- Disminuir el impacto ambiental en la operación de los hornos de limpieza,
disminuyendo el consumo de combustible (R-500) en los hornos de limpieza
de escoria (HLE).
- Reducir los costos en los procesos de conversión y limpieza de escorias de
la tesis.
1.5 Justificación de la tesis
El proceso de conversión de cobre en los convertidores Pierce Smith (CPS)
requiere de la adición de sílica con cierto tamaño de partícula, que permita su fusión
oportuna para la formación de escoria fayalítica y minimice su presencia en el
sistema de gases debido al tiro de succión. La sílica que no logra ser digerida
produce mayor cantidad de material recirculante en los CPS o en su defecto es
enviada junto con la escoria a los hornos de limpieza (HLE). La sílica por su alto
punto de fusión (1 750 °C) forma una sábana refractaria, que dificulta la
transferencia de calor entre el quemador y el baño fundido, además provoca el
aumento de las pérdidas de cobre y un mayor consumo de combustible en los HLE.
Así el control en el tamaño de partícula de sílica adicionada en las etapas de
soplado mejora las condiciones de operación de los CPS y los HLE, traduciéndose
Por otro lado, se sabe que teóricamente las pérdidas de cobre en las escorias se
deben a factores químicos y mecánicos; siendo las más representativas las pérdidas
por factores mecánicos, además, sus valores están directamente relacionado con la
viscosidad del baño que a su vez depende de la composición química y la
temperatura de la escoria; esta última depende de cantidades y propiedades de la
sílica adicionada, por lo que resulta de vital importancia su control en los procesos.
1.6 Hipótesis
Disminuir el tamaño de partícula de sílica adicionada al proceso de conversión de
19,05 mm (tamaño comercial manejado actualmente en la Fundición-Ilo, equivalente
a una malla ¾” según la norma ASTM E-11) a 12,5 mm (tamaño comercial que se usó para el estudio de la tesis, equivalente a una malla ½” según la norma ASTM
E-11), permitirá un menor consumo y mejor digestión de sílica adicionada a los
convertidores Pierce Smith (CPS). Esto disminuirá la pérdida de sílica cruda por
arrastre durante los escoriados, además de los problemas operativos que genera su
presencia en los hornos de limpieza de escoria (HLE), teniéndose en cuenta las
variables del proceso de conversión como son: la temperatura de 1 200 °C, el flujo
de aire de 45 000 Nm3/h, la ley de mate de 63,5 [%w] de Cu, [%w] de sílice, la
cantidad y el tamaño de partícula de la sílica y la composición de la escoria. Para el
proceso de limpieza de escorias se tendrán como variables; la temperatura
comprendida entre 1200 °C a 1250 °C y el contenido final de magnetita de 6 [%w].
1.7 Alcance y limitaciones de la tesis
1.7.1 Alcance
El alcance de esta tesis incluye los siguientes puntos:
- Pruebas dentro del proceso de conversión.
- Balance de masa para el soplado a escoria incluyendo factores y parámetros
propios de la Fundición- Ilo establecidos en sus manuales de operación.
- Análisis de la distribución de sílica sin digerir en los soplados a escoria para
- Análisis económico en las áreas que abarca las operaciones de conversión y
limpieza de escorias.
1.7.2 Limitaciones
A continuación, se presenta las limitaciones del alcance de la presente tesis:
- El tamaño y distribución de la sílica depende de la abertura de las zarandas y
set de las chancadoras terciarias del sistema de chancado; sin embargo,
para esta prueba sólo se utilizó una zaranda simple de ½” (12,5 mm) aislada
del sistema y únicamente se procedió a la clasificación de un lote inicial de
sílica de ¾” (19,05 mm). Por lo mencionado la tesis se limita al análisis de
stock y pruebas para la sílica de ½” (cuyo P80 resultó ser 13,7 mm) y no
realiza el estudio para tamaños diferentes a éste.
- La presión de vacío, ejercida por el sistema de succión de gases, no es
afectada por el uso de un determinado tamaño de partícula de sílica, así la
tesis se limita a tomar los datos del control de presiones sólo como
referentes para el cálculo del tamaño de partícula de sílica a través del
equilibrio físico.
- El tamaño de la partícula de sílica de la prueba fue seleccionada en una
zaranda banana de ½” (12,5 mm) y no es producto de en un sistema de
chancado, por lo que la tesis se limita de realizar un análisis del sistema o la
configuración de la planta de chancado.
- Para las áreas ajenas a los procesos de conversión y limpieza de escorias
no se realizarán los análisis sobre los aspectos económicos, operacionales,
de ingeniería de procesos ni de cualquier otro índole, tales como:
a. Análisis de la producción de cobre como producto final de la
Fundición-Ilo.
b. Cambio en el diseño y la cantidad de los equipos.
c. Análisis de la producción de escoria final que va al depósito de
Fundición-Ilo.
d. Cambio en los valores de los parámetros y/o variables estándar
aquellos que intervienen en los procesos de conversión y limpieza de
CAPITULO II
2. Revisión de antecedentes referenciales
En este capítulo se describe los procesos que se llevan a cabo en la
Fundición-Ilo, para ello se muestra los parámetros y condiciones principales con los cuáles se
trabaja normalmente en cada proceso en la Fundición-Ilo. Estas descripciones y
datos sirven de antecedentes para entender la importancia de la agregación de
sílica al proceso de conversión, y como la variación de su tamaño de partícula
afecta a los procesos. Así se describen los procesos de fusión, conversión, limpieza
de escorias, refinación y sistema de gases. También se realizan descripciones más
detalladas de los procesos de conversión y limpieza de escorias, ya que son las
áreas que abarca el alcance de la presente tesis; así para la conversión se realiza la
descripción de sus equipos principales, de sus insumos y productos, de sus etapas
y sus variables de proceso más importantes, por otro lado en el proceso de limpieza
de escorias, se realiza la descripción de sus insumos, sobre la recuperación del
cobre de las escorias de los convertidores y sus variables de proceso más
importantes.
2.1 Descripción de los procesos principales con cobre en Fundición – Ilo
La figura 1 muestra el flujo de materiales y los hornos empleados en la
Figura 1.- Diagrama de flujo de los procesos en Fundición – Ilo. Fuente: Elaboración propia
2.1.1 Proceso de fusión
El proceso de fusión del concentrado (minerales que contienen el cobre) se lleva
a cabo en el horno ISASMELT a 1 200 °C, la ley de cobre de éste último varía entre
un 25 [%w] a 28 [%w] al ingreso del proceso y tiene una humedad de 9,5 [%w].
Además, en el proceso se requiere de la adición de sílica, carbón y material frío
(SPCC, 2005)14.
La fusión del concentrado es un proceso autógeno, debido a que aprovecha la
energía liberada por la reacción de los compuestos del concentrado con el aire
enriquecido que se inyecta a través de una lanza al horno. El material fundido
genera dos fases líquidas e inmiscibles que se denominan mate y escoria. El mate
es la fase donde se concentran los sulfuros de cobre (Cu2S) y de hierro (FeS),
también, es la que posee un mayor valor por concentrar la mayor cantidad del cobre
que ingresa en el concentrado (SPCC, 2005)14. Por el contrario, la escoria es la fase
donde se concentran las impurezas y se conoce como escoria fayalítica
(2FeO.SiO2), esto se debe al uso de la sílica como fundente. La reacción del
concentrado fundido con el aire se representa mediante la ecuación química (1):
2CuFeS2(l) + 5/2O2(g) + SiO2(l) CuS.FeS(l) + FeO.SiO2(l) + 2SO2(g) + Calor (1)
Debido a la turbulencia generada por la inyección de aire en la fusión, la
separación eficiente de las fases liquidas dentro del horno ISASMELT no es posible;
por ello, el material fundido es enviado a través de canales a los hornos de
sedimentación (RHF), donde se les da un tiempo de residencia de 15 min a 20 min a
1 190 °C, logrando así la separación de la fases por diferencia de densidades.
La fase escoria de los RHF se retira con contenidos de cobre entre 0,70 [%w] a
0,82 [%w], para ser finalmente enviada a los botaderos; mientras la fase mate, que
contiene un 63,5 [%w] de cobre, se envía a los convertidores para continuar con el
proceso de conversión (SPCC, 2005)14.
El proceso de conversión se realiza en los convertidores Pierce Smith y tiene
como objetivo oxidar el mate para obtener cobre blíster de 93 [%w] de cobre a
través de dos etapas. En ambas etapas se producen reacciones exotérmicas que
liberan suficiente energía para que el proceso sea completamente autógeno.
La primera etapa se denomina formadora de escoria o soplado a escoria, ésta
permite aumentar el grado de mate de un 63 [%w] hasta un 77 [%w] o 78 [%w] de
cobre (a esta fase nueva se denomina metal blanco), mediante la formación de
escoria fayalítica y anhídrido sulfúrico a 1 180 °C. En esta etapa, al igual que en el
proceso de fusión, se requiere de la adición de sílica; la diferencia radica en el
tamaño de sílica para cada proceso (SPCC, 2005)16. La etapa de soplado a escoria
se resume en la siguiente ecuación química (2):
2FeS(l) + 3O2(g) +SiO2(s) 2FeO.SiO2(l) + 2SO2(g) (2)
La segunda etapa se denomina formadora de cobre o soplado a cobre, ésta
permite la formación de una nueva fase que se conoce como cobre blíster, cuya ley
es de 98 [%w] de cobre y contiene 1 [%w] de azufre. La etapa se lleva a cabo a 1
200 °C, es decir, a una temperatura mayor que en la etapa de soplado a escoria;
esto se debe a la diferencia de energías liberadas por las reacciones en cada etapa
(SPCC, 2005)16. La etapa de soplado a cobre se resume en la siguiente ecuación
química (3):
Cu2S(l)+O2(g) 2Cu(l)+SO2(g) (3)
El cobre blíster (Cu(l)) obtenido se transporta a través de ollas hacia los hornos de
afino (HA), donde pasa por un proceso de refinado a fuego, mientras tanto, la
escoria del proceso se dirige a los hornos de limpieza (HLE).
2.1.3 Proceso de limpieza de escorias
El proceso de limpieza de escorias se lleva a cabo en los hornos de limpieza
(HLE). El proceso se fundamenta en la reducción de contenido de magnetita de
la escoria disminuye considerablemente; esto facilita a la precipitación del sulfuro de
cobre, permitiendo que el porcentaje de cobre en la escoria de descarte de los
hornos de limpieza sea menor a 0,92 [%w] de cobre (SPCC, 2005)14. La reducción
de magnetita se explica mediante la siguiente ecuación química (4):
Fe3O4ESCORIA+A, Reductor FeO + A, Oxidante (4)
2.1.4 Proceso de refinación
Este proceso se realiza en los hornos de afino (HA) y consiste en eliminar el
azufre, oxígeno y demás impurezas remanentes en el cobre blíster. Se lleva a cabo
en dos etapas consecutivas, para obtener finalmente cobre refinado de ley de 99,7
[%w].
La primera etapa es la oxidación del azufre, este consiste en inyectar aire por
toberas para oxidar las impurezas como el Bi, Zn, Ni y S. Al finalizar esta etapa se
debe lograr disminuir el contenido de azufre de 350 [ppm] a 25 [ppm]. La segunda
etapa es la reducción que consiste en la inyección de GLP y de vapor, permitiendo
la captura y la reacción del oxígeno disuelto, disminuyendo su concentración de
5000 [ppm] a 900 [ppm].
El cobre refinado se moldea finalmente en ánodos comerciales y en stripper, para
ser enviados a la etapa de refinación electrolítica.
2.1.5 Sistema de gases de fundición
El sistema de manejo de los gases de la Fundición-Ilo comprende la captación y
transporte de los gases producidos por el horno ISASMELT y los convertidores
Pierce Smith (CPS), para finalmente ser procesados en las plantas de ácido
sulfúrico (PAS 1 y PAS 2). El manejo de gases se basa fundamentalmente en el
control de presión, desde el ingreso a las plantas de ácido hasta las campanas de
los convertidores y el punto de captación del ISASMELT (SPCC, 2005)14.
El horno ISASMELT y los CPS funcionan en dos circuitos separados, en cada
uno de ellos se generan gases con características diferentes de volumen, de flujo y
de composición de gases (%SO2, %O2 y %H2O), así como se observa en el cuadro
1.
Cuadro 1.- Composición de gases formados en los hornos ISA y CPS
Horno %Volumen de gases %SO2 en gas
ISASMELT 30% 25%
CPS 70% 12% (soplado a escoria)
20% (soplado a cobre)
Nota. Recuperado de la información del laboratorio de
metalurgia de SPCC, 2014.
La concentración de gases al ingreso de las plantas de ácido no debe superar el
12,3 % de SO2, ni tener temperaturas menores a 300 °C. La capacidad del sistema
de manejo de gases puede tratar los gases del horno ISASMELT y de dos CPS a la
vez, así, los gases de ambos circuitos concurren en un ducto común de mezcla con
una temperatura promedio de 300 °C; a partir de éste se distribuyen
proporcionalmente para la PAS 1 y la PAS 2, esto será de acuerdo con sus
capacidades de diseño (SPCC, 2005)14.
2.2 Proceso de conversión de cobre en la Fundición-Ilo
La conversión tiene por objetivo eliminar el hierro, azufre y otras impurezas en
menor proporción que aún permanecen en el mate, mediante dos etapas de
2.2.1 Descripción equipos principales y auxiliares del proceso.
2.2.1.1 Convertidor Pierce Smith (CPS)
Figura 3.- Convertidor Pierce Smith y equipos auxiliares. Fuente: Adaptado de
SPCC, 200516.
Tiene la forma de un cilindro dispuesto horizontalmente de 10,67 m (35 ft) de
largo y 3,96 m (13 ft) de diámetro, está compuesto de una coraza de 0,05 m (2”) de
espesor y recubierto internamente por ladrillo refractario de cromo-magnesita de
entre 25 a 75 cm. El giro de CPS se da a través de ruedas dentadas que permiten la
transmisión entre el cilindro y el motor neumático–eléctrico (SPCC, 2005)15. La
carga y descarga de material se realizan a través de la boca del convertidor, por
este mismo lugar es donde se evacua los gases formados en la conversión.
El CPS posee una línea de 48 toberas de 0,05 m (2”) de diámetro, por donde
ingresa el aire de proceso a presiones manométricas mayores de 70 kPa a 90 kPa
de punzado neumático-eléctrico que se desplaza a lo largo de la línea de toberas,
garantizando una operación confiable y segura (SPCC, 2005)16.
2.2.1.2 Blowers
El aire de proceso necesario para la conversión se presuriza por un conjunto de
blowers que tienen la capacidad de proveer hasta 48 000 Nm3/h (metros cúbicos
normales por hora) cada uno, a una presión manométrica de 100 kPa (SPCC,
2005)16.
2.2.1.3 Campana de gases
La campana de gases permite evacuar y enfriar los gases producidos en los
convertidores de 1 200 °C a 600 °C, mediante un sistema de intercambio de calor
combinado entre infiltración de aire y enfriamiento con agua tratada a través de
chaquetas laterales, frontales y superiores (SPCC, 2005)16.
2.2.1.4 Cámara de enfriamiento
La figura 4 muestra el sistema de enfriamiento que posee la Fundición–Ilo para
Aquí se reciben los gases que salen de la campana, disminuyendo su
temperatura de 600 °C a 400 °C mediante un sistema de expansión e inyección de
agua pulverizada por aire a través de 4 lanzas Sonic. El correcto algoritmo de
presiones de flujo de aire-agua que ingresa por la lanza Sonic asegura la eficiencia
de la cámara de enfriamiento, cuya principal función es evitar la formación de SO3(g)
en el sistema y cuidar los equipos (SPCC, 2005)16.
2.2.2 Insumos y productos del proceso de conversión
2.2.2.1 Mate:
Es el producto del proceso de fusión en el horno ISASMELT, tiene una ley de 63
[%w] de cobre, se conforma básicamente por FeS(l) y Cu2S(l) y es la materia prima
del proceso de conversión. Se alimenta a los convertidores transportándolo desde
los hornos de sedimentación (RHF) en ollas de 6,37 m3 (225 ft3) y a una temperatura
de 1 180 °C. Su temperatura de fusión es de 1 100 °C y su densidad media es 4,8
g/cm3.
Cuadro 2.- Especificaciones de la fase mate
%Cu %Fe %S %Fe3O4 Otros
63 12 23 2,4 0,95
Nota. Recuperado de la información del
laboratorio de metalurgia de SPCC, 2014.
2.2.2.2 Metal
Es el producto del proceso de limpieza de escoria de convertidores, tiene una ley
de 68 [%w] de cobre, al igual que el mate se conforma principalmente por FeS(l) y
Cu2S(l). Se transporta desde los hornos de limpieza de escoria (HLE) hasta los CPS
Cuadro 3.- Especificaciones de la fase metal
%Cu %Fe %S %Fe3O4 Otros
67 8 20 1 4
Nota. Recuperado de la información del
laboratorio de metalurgia de SPCC, 2014.
2.2.2.3 Sílica
La sílica es un insumo del proceso de conversión, se adquiere de distintos
proveedores pero debe cumplir con especificaciones de pureza según el cuadro 4.
Cuadro 4.- Especificaciones de la sílica utilizada como insumo en los
procesos.
%SiO2 %Al2O3 %MgO %Fe3O4 Otros
90,0 3,2 1,5 2,0 3,2
Nota. Recuperado de la información del
laboratorio de metalurgia de SPCC, 2014.
2.2.2.4 Escoria:
Es la fase que contiene la mayor cantidad de impurezas y cuya denominación
dependerá de los componentes principales que la conforman. Para el caso de la
escoria de conversión son de tipo fayalíticas (2FeO.SiO2), posee una serie de
características físicas respecto a su viscosidad, densidad, temperatura de fusión,
tensión superficial, conductividad, etc. Estas propiedades dependen de su
composición y al mismo tiempo, definen una parte de la eficiencia del proceso; por
ellos se debe la formación de una buena escoria que marca las pautas para
conseguir un proceso eficiente. Su temperatura de fusión es aproximadamente 1
Cuadro 5.- Composición de escoria
%Cu %Fe %FeO % Fe3O4 %S %SiO2 %Al2O3 %CaO SiO2/Fe
2,0 45,0 42,5 16,0 0,3 28,0 2,0 0,8 0,6
Nota. Recuperado de la información del laboratorio de metalurgia de SPCC,
2014.
2.2.2.5 Frío clasificado de alta ley
Este material sólido se genera por todos los derrames; las limpiezas de ollas, de
herramientas y del área en general.
Cuadro 6.- Composición de frío clasificado de alta ley.
%Cu %Fe %S %Fe3O4 %SiO2
25 30 2,5 12 29
Nota. Recuperado de la información del
laboratorio de metalurgia de SPCC, 2014.
2.2.2.6 Escoria de hornos de afino (HA)
Son las impurezas que se retiran de los hornos de afino (HA) durante la etapa de
oxidación, contienen principalmente Sn, Zn y Cu. Estas escorias se agregan durante
la primera hora después de iniciado el soplado a cobre en los CPS.
2.2.2.7 Ánodos corroídos
Son ánodos de 99,9 [%w] de cobre que no se logran electrodepositar en el
proceso de refinado electrolítico y que retornan al proceso de conversión para el
control de la temperatura.
2.2.2.8 Escoria de limpieza final (mazamorra)
Es la escoria que se genera en la limpieza final, etapa de transición entre la
etapa de soplado a escoria y soplado a cobre del proceso de conversión, contiene
hierro remanente del baño en forma de magnetita (aproximadamente 30 [%w]),
además de óxido de cobre y metal atrapado mecánicamente. Por ello, se carga al
2.2.2.9 Remanente
Es el material sólido que se queda dentro del CPS luego de transferir el
cobre blíster hacia los hornos de afino; contiene principalmente sílica no digerida,
magnetita solidificada y remanentes de blíster.
Cuadro 7.- Composición de remanente
%Cu %Fe3O4 %SiO2
17 30 41
Nota. Recuperado de la información
del laboratorio de metalurgia de SPCC, 2014.
2.2.3 Etapas del proceso de conversión
La Fundición-Ilo cuenta con cuatro convertidores Pierce Smith (CPS), tres se
encontrarán en operación y uno en mantenimiento. Dos de los CPS operativos
deben mantenerse soplando al mismo tiempo, mientras que el tercero se mantendrá
en espera o en carga.
Cada ciclo batch de los CPS tiene un sistema de carga de materiales e insumos
(mate, metal, aire de proceso y sílica) que obedece a la secuencia y la armonía
entre los procesos de la Fundición-Ilo. Los movimientos de mate, metal y escoria de
los convertidores se realizan en ollas de 6,37 m3 (225 ft3) y se transportan por grúas
puente.
Bajo condiciones normales de operación, el área de conversión procesa por día
un promedio de 64 ollas de mate y 9 ollas de metal; produce de 13 ollas a 14 ollas
de cobre blíster, 27 ollas de escoria y gases remanentes como anhídrido sulfúrico.
Un solo convertidor procesa de 130 t a 160 t de mate a 1 190 °C y produce de 120 t
a 145 t de cobre blíster.
El proceso de conversión ocurre en dos etapas, en la etapa de soplado a escoria
se alcanza un 78 [%w] de cobre; y en la etapa de soplado a cobre hasta 99,3 [%w]
2.2.3.1 Etapa de soplado a escoria
La figura 5 muestra el sistema de carguío estándar de la etapa de soplado a
escoria de la Fundición–Ilo.
Figura 5.- Sistema de carguío estándar de la etapa de soplado a escoria. Fuente: Elaboración propia.
La etapa de soplado a escoria también se conoce como etapa formadora de
escoria, permite aumentar el grado del mate hasta 78 [%w] mediante la oxidación
selectiva y exotérmica del sulfuro de hierro (FeS(l)) contenido en el mate. El hierro y
el azufre serán eliminados como escoria fayalítica (2FeOSiO2(l)), magnetita (Fe3O4) y
dióxido de azufre (SO2(g)) (O'Connell, Schonewille , & Toguri, 1993)12. El fin de la
etapa será cuando el contenido de FeS en el metal sea menor a 1 [%w] (SPCC,
2005)16. Las reacciones presentes durante esta etapa son las siguientes:
FeS(l) + 3/2O2(g) FeO(l)+ SO2(g) (5)
2FeO(l)+SiO2(s) 2 FeO.SiO2(l) (6)
FeO(l) + 1/6O2(g) 1/3Fe3O4(S) (7)
FeS(l) + 3Fe3O4(s) 10 FeO(l)+ SO2(l) (8)
120 min
Mata de RHF (6,37 m3/olla u 225 ft3/olla)
Escoria de CPS (6,37 m3/olla u 225 ft3/olla)
En la operación, el mate y metal se agregan al convertidor en dos o más etapas;
estas cargas dependerán de la capacidad de los convertidores, del inventario que
contienen los hornos de sedimentación (RHF) y los hornos de limpieza (HLE); sin
embargo, el sistema de carguío de esta etapa ya se encuentra estandarizado y se
muestra en el cuadro 8 y figura 5, respectivamente.
Figura 6.- Principales especies químicas presentes en el soplado a escoria. Fuente: Elaboración propia.
Por otro lado, cada soplado a escoria se acompaña con la adición de sílica, para
asegurar la formación oportuna de la escoria. Esta cantidad adicionada depende
principalmente de la ley de cobre y cantidad de materiales procesados, donde la
cinética y termodinámica de las reacciones se toman en cuenta.
Cuadro 8.- Sistema de carguío de ollas para el soplado a escoria
Nota. Recuperado de la información de SPCC, 201416.
SOPLADO A ESCORIA 1er Soplado 2do Soplado 3er Soplado
Mate (63,5%Cu) de RHF 4 ollas 3 ollas 2 ollas 1 olla 1 olla 0 ollas
Metal (68% Cu) de HLE 0 ollas 1 olla 0 ollas 1 olla 0 ollas 1 olla
Escoria de CPS 1,2 ollas 1,1 ollas 1,1 ollas 1 olla 0,6 ollas 0,5 ollas
O2, SO2, N2, H2O
O2, N2, H2O
Cu2S, FeS
FeO, Fe3O4, SiO2, Al2O3,
Después del primer y segundo soplado a escoria, se retira toda la escoria posible
para continuar con el carguío y completar la carga. La escoria que resulta del
soplado contiene normalmente 2 [%w] de cobre, por lo que se envía a los HLE para
su tratamiento. La naturaleza química y física de los compuestos de cobre que se
encuentran en esta escoria depende de la correcta operación de esta etapa de
soplado en los CPS.
2.2.3.2 Etapa de limpieza final
Es la etapa puente entre la etapa de soplado a escoria y la etapa de soplado a
cobre, tiene como objetivo retirar todo el hierro (Fe) posible del baño. Inicia luego de
haber retirado toda la escoria del último soplado y consiste en inyectar aire al baño
sin la adición de sílica; es decir, sin formación de escoria y dando como resultado la
oxidación del hierro (Fe) a magnetita (Fe3O4), tal como se muestra en la ecuación
química 9. Así mismo, una parte del sulfuro de cobre (Cu2S) se oxida
inevitablemente formando óxido cuproso (Cu2O), esto se muestra en la ecuación
química 10. La mezcla de magnetita (Fe3O4) y óxido cuproso (Cu2O) se llama
espinel, ésta se retira inmediatamente al terminar la limpieza final para luego ser
transportados hacia el CPS en espera.
El tiempo de soplado durante esta etapa es aproximadamente de 5 min a 10 min
y su realización es determinante en la eficiencia del soplado a cobre.Al finalizar esta
etapa la ley del metal blanco aumenta hasta un 80 [%w] de cobre.
2.2.3.3 Etapa de soplado a cobre
La figura 7 muestra el sistema de carguío estándar de la etapa de soplado a
cobre de la Fundición–Ilo.
3FeO(l) + 1/2O2(g) Fe3O4(s) (9)
Figura 7.- Sistema de carguío estándar de la etapa de soplado a cobre. Fuente:
Elaboración propia.
Esta etapa permite convertir el metal blanco de 78 [%w] (producto del soplado a
escoria) a cobre blíster de 99,3 [%w]; mediante la oxidación selectiva,
principalmente del sulfuro de cobre (Cu2S) que permite eliminar finalmente el azufre
como dióxido de azufre (SO2(g)) (SPCC, 2005)16.
El soplado a cobre se caracteriza por ser altamente exotérmico, por lo que se
requiere el control de la temperatura mediante la adición de frío clasificado (material
con alta ley de cobre) o ánodos corroídos. Las 10 t de frío clasificado y los 2 botes
de corroídos que se adicionan (cada bote contiene entre 4 t a 5 t de cobre)
mantienen la temperatura debajo de los 1 200 °C.
Las reacciones que ocurren durante esta etapa son las siguientes:
Cu2S(l)+O2(g) 2Cu(l)+SO2(g) (11)
Cu2S(l)+3/2O2(g) 2Cu2O(l)+ SO2(g) (12)
Cu2S(l)+2Cu2O(l ) 6Cu(l)+SO2(g) (13)
270 min
Frío de clasificado de alta ley
Ánodos corroídos (5 t/bote)
Carbón antracita (250 kg)
S(g)+O2(g) SO2(g) (14)
2Cu(l)+1/2.O2(g) Cu2O(l) (15)
C(s)+2Fe3O4(l) 6FeO(l)+CO2(g) (16)
Figura 8.- Principales especies químicas presentes en el soplado a cobre.
Fuente: Elaboración propia.
Cuando se inicia el soplado a cobre, se produce la oxidación del sulfuro de cobre
(Cu2S) hasta convertir completamente el metal blanco a cobre ampollado o blíster,
cuyo contenido de azufre es menor a 1 [%w]. También se adiciona 250 kg de carbón
antracita, aproximadamente 5 min antes de finalizar el soplado a cobre; esto permite
reducir y solidificar la magnetita disuelta (Fe3O4(l)), permitiendo la transferencia de un
cobre blíster más limpio. Lo descrito se resume en la siguiente ecuación química 17.
C(s)+2Fe3O4(l) 6FeO(l)+CO2(g) (17)
2.2.4 Variables del proceso de conversión
O2, SO2, N2, H2O
O2, N2, H2O
Cu2S
2.2.4.1 Temperatura
Alcanzar los 1 100 °C durante los primeros 5 min de haber iniciado el soplado a
escoria es determinante para la termodinámica y cinética de las reacciones; porque
así se asegura la formación de escoria fayalítica y se mantiene controlado los
niveles de magnetita (Fe3O4(s)) por debajo del 16 [%w]. Obtener valores por encima
del mencionado genera un aumento sustancial de la viscosidad de las escorias y
como consecuencia se tiene un mayor arrastre mecánico del cobre. Durante esta
etapa la temperatura no sobrepasa los 1 200 °C, lo que disminuye la posibilidad de
corrosión en el refractario de los CPS. Esta variable se mide por un pirómetro
ubicado en la parte posterior de la campana de gases.
2.2.4.2 El flujo de aire
El flujo del aire de proceso es de 45 000 Nm3/h y la presión manométrica se
mantiene entre 70 kPa y 90 kPa. La presión manométrica es mayor a 70 kPa con la
finalidad de disminuir el riesgo del tapado de las toberas por la presión metalostática
(presión generada por el metal que se queda atrapado en las toberas), así mismo, la
presión manométrica es menor a 90 kPa para evitar el splashing (salpicadura que
ocasiona derrames de material fuera de los CPS).
2.2.4.3 Ley del mate proveniente de los RHF
La ley y calidad de mate de los RHF se mantienen en 63,5 ± 1 [%w] de cobre y
éste no contiene más de 20 [%w] de escoria por olla entregada a los CPS. Dichos
parámetros se controlan en los procesos de fusión y de separación.
2.2.4.4 Sílica
La sílica contiene un 90 [%w] de óxido de silicio y tiene una granulometría de
1,90 cm (3/4”) (SiO2). La cantidad de sílica que se adiciona al proceso de conversión
depende básicamente: de la cantidad y ley del mate, del enriquecimiento del aire de
proceso, del material frío remanente, de la granulometría y la calidad de la sílica. La
silica se adiciona al proceso a través de un sistema conformado por; tolvas de 50 t,
2.2.4.5 Composición química de la escoria
Muestra el resultado de la calidad de operación del proceso de conversión, es
decir, evidencia la correcta adición de sílica, el seguimiento de las tendencias OPC
(dispositivo de control y análisis que se explica posteriormente) y la eficiencia de los
soplados. Estos parámetros de composición son: 28 ± 0,5 [%w] de SiO2, 16 ± 0,5
[%w] de Fe3O4 y 2 [%w] de Cu. Las concentraciones de las menores impurezas,
como el 1 [%w] de CaO y el 0,8 [%w] de MgO, no dependen del proceso de
conversión; sino, de la composición que tienen en el concentrado fundido y de la
correcta separación de fases en los RHF.
2.3 Proceso de limpieza de escorias en la Fundición-Ilo
Este proceso tiene como objetivo principal recuperar el cobre atrapado en la
escoria del proceso de conversión, a través del control de la viscosidad y del tiempo
de sedimentación en el proceso.
2.3.1 Características de los insumos del proceso de limpieza de
escorias
En este proceso se adiciona cuatro insumos, estos son: el mate, las escorias de
los convertidores, el arrabio y la mezcla de carbón con conchuela. La adición del
mate contribuye a la presencia de la fase sulfuros, la cual es indispensable para
llevar a cabo la transferencia de masa entre la fase escoria y la fase metal;
asimismo, éste se adiciona al final del proceso para contribuir con la reducción de
magnetita, la re-sulfurización del cobre disuelto y favorecer la coalescencia del
cobre atrapado mecánicamente.
Respecto a las escorias de los convertidores, la cantidad de ollas cargadas para
la recuperación de cobre dependen de la capacidad del horno de limpieza (HLE) y la
secuencia del proceso de conversión; sin embargo, se ha estandarizado el carguío
en 6 ollas de escoria y 2 ollas de mate por cada ciclo de limpieza.
El arrabio se adiciona en forma de bolas de aproximadamente 5 kg/unidad; su
función es reducir la magnetita (Fe3O4) a cementita (Fe3C), para evitar el contenido
segunda olla de escoria, de tal forma que el proceso de reducción se inicie lo antes
posible.
Sobre la mezcla de carbón y conchuela sus proporciones obedecen a un balance
de materia y energía. Sobre esto último se explica de la siguiente manera; la
calcinación de la conchuela para la obtención del óxido de calcio requiere de
energía, esta necesidad se satisface con la energía liberada por la combustión del
carbón de la misma mezcla.
La calcinación de la conchuela se representa por la siguiente reacción química:
CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) (18)
El óxido de calcio (CaO) por su naturaleza básica promueve la ruptura de
cadenas largas de sílice, disminuyendo así la viscosidad del baño y dándole
propiedades a la escoria sólida.
2.3.2 Recuperación de cobre en las escorias de los convertidores
Las escorias de los convertidores que van hacia los hornos de limpieza
normalmente contienen de 2 [%w] a 6 [%w] de cobre. Estos contenidos de cobre
atrapados se dividen en dos grupos; en el primer grupo se encuentran las partículas
que están atrapadas mecánicamente, mientras que en el segundo grupo se
encuentran las que están atrapadas por su solubilidad en la escoria en formas de
sulfuro y de óxido (Ahumada Ferrera & Lurashi, 1999)3. Lo anterior mencionado se
resume en las siguientes ecuaciones:
%Cut=%Cumec + % Cu sol (19)
Pero:
%Cusol = %CuCu2O + % CuCu2S (20)
Entonces:
%Cut = %Cumec + %CuCu2S + %CuCu2O (21)
El proceso de limpieza de escorias consiste en recuperar el cobre atrapado a
través de la disminución de la viscosidad, del incremento de la coalescencia y de la
disminuir la viscosidad, mientras que el cobre disuelto en forma de óxido (Cu2O) es
reducido a sulfuro de cobre (Cu2S).
El proceso no posee ningún sistema de agitación mecánico que promueva el
contacto entre los reactantes, sin embargo, se utiliza como medio de agitación la
turbulencia provocada por la salida de los gases (CO2) producidos por las
reacciones de reducción, esto se observa en las ecuaciones químicas 22 y 25.
(SPCC, 2005)16.
2.3.2.1 Etapas del proceso de limpieza de escorias
La figura 9 muestra las etapas y sistema de carguío del proceso de limpieza de
escorias de los convertidores de la Fundición-Ilo.
A. Carga
La secuencia de carga que se muestra en la figura 9, es resultado de una serie
de pruebas que han permitido reducir el tiempo de proceso significativamente;
donde cada insumo o material cargado tiene como finalidad reducir la viscosidad de
Figura 9.- Sistema de carguío estándar de las etapas de limpieza de escoria en Fundición- Ilo. Fuente: Elaboración propia.
REDUCCIÓN SEDIMENTACIÓN
16 horas
Mate (6,37 m3/olla o 225 ft3/olla)
Conchuela/ carbón (5:1) – 1,5 t
Arrabio (2,3 t)
Escorias de CPS (6,37 m3/olla o 225 ft3/olla)
Escorias de descarte (20,53 m3/olla o 725 ft3/olla)
Metal (6,37 m3/olla o 225 ft3/olla)
