SIMULACIÓN
DEM
DE
TOLVA
DE
ALIMENTACIÓN DE UN CONVERTIDOR
TENIENTE.
CODELCO, Fundición Caletones, división El Teniente.
Compañia.
La Corporación Nacional Del Cobre, CODELCO, es una empresa estatal chilena dedicada a la explotación minera cuprífera, rubro en el que es la mayor compañía del mundo. CODELCO opera en ocho puntos de trabajo ubicados entre la Región de Antofagasta y la Región del Libertador General Bernardo O'Higgins. Su producción anual equivale al 11% de la producción mundial de cobre de mina y un 34% de lo producido en Chile.
Descripción del problema.
El estudio presentado a continuación fué desarrollado en la fundición Caletones, División El Teniente. Caletones utiliza hornos de fusión y fusión-conversión para la obtención del material de cobre a alta pureza, aprovechando además la liberación de gases metalúrgicos desde los convertidores Teniente y Pierce Smith para obtener dióxido de azufre componente principal para la generación de H2SO4 , el cual es ampliamente utilizado en las celdas de electro-obtención de cobre.
Descripción del problema.
Debido al desfavorable medio de trabajo en que se encuentran los equipos transportadores de material rocoso en minería, se hace necesario realizar estudios para cuantificar el desgaste en placas y la vida útil de éstas. En el proyecto presentado a continuación se estudiará el mecanismo de transporte de mineral desde correas transportadoras hasta la llegada al convertidor Teniente, analizando la dinámica y el desgaste.
Metodología.
Se realizan dos simulaciones, la primera considerando la condición actual y la segunda consiste en la propuesta de mejoras en base a la simulación 1, como se resume a continuación:
1.- Simulación de la tolva de traspaso de material actual, conectada con el convertidor y con el sistema de inyección de aire activado.
2.- Simulación de la tolva de traspaso de material modificada, conectada con el convertidor con el sistema de inyección de aire activado.
Propiedad Valor
Flujo máx. de material [ton/h] 47
Flujo mín. de material [ton/h] 10
Densidad real del material [ton/m^3] 2,17
Velocidad correa alimentación [m/min] 59,85 Diámetro de partícula [mm] Porcentaje acumulado [%] 25,4 100,00 19,05 91,98 13,2 78,54 9,5 64,43 6,7 46,29 4,75 30,41 3,32 14,64 2,36 8,81 1,40 5,56 0,15 1,36
Granulometría del material. Datos para el ingreso de material.
Los datos relacionados con el material a utilizar son visualizados en las tablas adjuntas donde el flujo simulado corresponde al máximo registrado, es decir, 47 ⁄ . El ángulo de reposo utilizado corresponde a 30° (medido en terreno).
Metodología.
Granulometría.
Con el fin de hacer la simulación posible, se trabajó con partículas esféricas y usando la granulometría indicada en la siguiente tabla (tres primeros valores). En la figura inferior se muestra la forma de la partícula no esférica usada.
Granulometría.
Parámetros Materiales y Operación.
Parámetro Valor Fuente
Densidad Real [kg/m^3] 2170 CODELCO
Flujo de material [ton/hr] 47 CODELCO
Ángulo de reposo [°] 30 CODELCO
Diámetro de partícula [mm] Porcentaje acumulado [%] 25,4 100,00 19,05 91,98 13,2 78,54
Metodología.
Parámetro Valor Fuente
Flujo másico entrada [kg/s] 0,97 CODELCO
Presión manométrica
entrada [bar] 1,4 CODELCO
Parámetros simulación CFD.
Parámetros geometría para simulación DEM.
Parámetro Valor Fuente
Velocidad correa entrada [m/s] 0,99 CODELCO
Roce estático correa [-] 0,5 ESSS
Roce estático placa de desgaste [-] 0,4 ESSS
Roce estático sistema de traspaso [-] 0,3 ESSS
Metodología.
Para impulsar de manera efectiva el material en zonas cercanas a la boca del convertidor, se incluye un sistema de inyección de aire, el cual para ser incluido en la simulación DEM es exportado por medio de un campo de velocidades calculado en ANSYS-Fluent. En las tablas adjuntas se muestran los parámetros utilizados para la simulación DEM-CFD, algunos datos son proporcionados por CODELCO y ESSS Chile.
Metodología.
A continuación se muestra el campo de velocidades impuesto en la simulación DEM, obtenido de ANSYS-Fluent.
Zona de altas
velocidades.
Potencia de corte promedio simulación 1 (sistema actual).
Imagen situación actual.
Imagen de placa de sacrificio obtenida en terreno
Imagen situación actual con desgaste acelerado
En las siguientes imágenes se observa que la simulación entrega una buena aproximación de la zona de desgaste en comparación a lo observado en terreno.
Tres camas de piedras más un deflector para orientar el material.
Deflector de flujo de material.
Provocando los siguientes efectos:
Caída centrada de material.
Reducción de la velocidad promedio de caída del material a 2,51 [m/s].
Como mejora al modelo original, se proponen las siguientes medidas.
Resultados.
A continuación se muestra en escala de colores el valor de la potencia de corte de la placa de sacrificio, notar las diferencias entre ambos sistemas, donde la potencia de corte máxima corresponde a valores superiores a 700 [] .
Resultados.
Sistema actual.
Sistema modificado.
Zona de máxima
Simulación 1 (sistema actual)
Zona promedio [m/s]Velocidad máxima [m/s]Velocidad
Zona roja 7,82 8,27
Zona azul 2,76 7,16
Zona verde 7,58 13,22
Simulación 2 (sistema modificado)
Zona promedio [m/s]Velocidad máxima [m/s]Velocidad
Zona roja 2,49 3,49 Zona azul 3,42 8,16 Zona verde 7,14 10,37 Superficie Libre Superficie Libre
Resultados.
Para las 2 simulaciones realizadas, se midió la velocidad en 3 diferentes zonas indicadas en las siguientes imágenes. Para ambas simulaciones se presentan las velocidades promedios y las velocidades máximas obtenidas.
(a)
(b)
• En la figura (a) se muestra que tanto la tolva superior como la inferior, direccionan el material a través de la interacción entre estas con el material, provocando que la caída del material sea descentrada, al suceder esto implica que el material desliza por la placa de desgaste provocando una trayectoria de material descentrada, tal como se muestra en la figura (b). • En la la figura (c) se observa que la trayectoria de material es parabólica y principalmente la
mayor cantidad de material cae en la parte trasera de este flujo.
(c)
En las siguientes imágenes se muestra la trayectoria del material a través del sistema de traspaso y dentro del convertidor de la simulación 1 (sistema actual).
(a)
(b)
• En la figura (a) se muestra que las camas de piedra presentan un buen comportamiento. Estas provocan una disminución de la velocidad de las partículas, cayendo con baja velocidad sobre el deflector. Luego el deflector cambia la trayectoria de las partículas centrándolo con respecto a la salida de material. La acción del deflector, y la baja velocidad a la salida de este provoca que la trayectoria del material sea más centrado que el sistema actual, esto se muestra en la imagen (b).
• En la figura (c) se muestra que el material se proyecta de manera parabólica y el flujo de material es más uniforme que el mostrado en la simulación 1.
(c) (a)
En las siguientes imágenes se muestra la trayectoria del material a través del sistema de traspaso y dentro del convertidor de la simulación 2 (sistema modificado).
En la siguiente animación se muestra el flujo de la simulación 1 (sistema actual).
Resultados.
En la siguiente animación se muestra el funcionamiento del sistema de la simulación 2 (sistema modificado).
Con el fin de determinar la cantidad de material que ingresa al convertidor a la altura de llenado de material fundido, se ubicaron volúmenes de control a lo largo del flujo, tal como se muestra en la siguiente figura, y se medirá la masa acumulada dentro de los volúmenes de control de 1,2 metros de longitud.
Porcentaje de masa acumulada en volúmenes de control [%]
Volumen N° Simulación 1 Simulación 2
Volumen 1 86,60 69,70
Volumen 2 12,64 26,87
Volumen 3 0,76 3,43
Volumen 1 Volumen 2 Volumen 3
Sistema
actual modificadoSistema
1,0 m 2,5 m 1,1 m 2,6 m
• El material de la simulación 1 (sistema actual) presentan una velocidad promedio de 2,76 [m/s] a la salida del sistema de traspaso, mientras que para la simulación 2 (sistema modificado) es de 3,42 [m/s], lo cual es provocado porque en el sistema modificado las partículas pasan directamente frente al flujo de aire y con una menor velocidad lo que ocasiona que las partículas interactúan más tiempo con el flujo de aire. • La trayectoria del material es similar para ambas simulaciones (parabólica), pero en la
simulación 1 el material cae más descentrado en comparación a la simulación 2, lo cual provoca una distribución descentrada de material sobre la superficie libre del material fundido.
• Se observa que la distancia respecto a la pared del convertidor que alcanza el material sobre el material fundido entre ambas simulaciones varía sólo 10 centímetros aprox., pero la calidad del flujo de material en la simulación 2 es más eficiente para distribuir el material.
• Los valores de la potencia de corte obtenidos para la simulación 2 son más bajos producto de la inserción de las camas de piedra y de un deflector, lo que reduce la velocidad de caída de material sobre la placa de sacrificio, provocando un aumento en la vida de esta placa.