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UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FISICAS Y MATEMATICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERIA INDUSTRIAL

MODELO DE GESTION PARA LA OPTIMIZACION DEL PROCESO DE CONVERSION DE LA FUNDICION CHUQUICAMATA

TESIS PARA OPTAR AL GRADO DE MAGISTER EN GESTION Y DIRECCION DE EMPRESAS VERSION MINERIA

JORGE ALBERTO ETCHEVERRY CASTRO

PROFESOR GUIA: LUIS ZAVIEZO SCHWARTZMAN

MIEMBROS DE LA COMISION: WALTER CAZENAVE GUIER

RICARDO WEISHAUPT HIDALGO

Este trabajo ha sido auspiciado por Codelco Chile Divisin Chuquicamata

SANTIAGO DE CHILE ABRIL 2013

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RESUMEN DE LA MEMORIA PARA OPTAR AL GRADO DE: Magister en Gestin y Direccin de Empresas Versin Industria Minera POR: Jorge Alberto Etcheverry Castro FECHA: 30 de Abril de 2013 PROFESOR GUIA: Sr. Luis Zaviezo Sch.

MODELO DE GESTION PARA LA OPTIMIZACION DEL PROCESO DE

CONVERSION DE LA FUNDICION CHUQUICAMATA

En la industria del cobre, las Fundiciones se presentan como una unidad de negocios de baja rentabilidad y estrechos mrgenes de contribucin, razn por la cual es importante que sean lo suficientemente eficientes en trminos productivos, con bajos costos y amigables con el medioambiente para permitirles permanecer dentro de un mercado cada vez ms exigente.

La conversin tradicional de matas de cobre en una Fundicin es una operacin batch, condicin que obliga a considerar varias unidades en cada instalacin para asegurar la continuidad operacional y nivel de produccin. La Fundicin de Chuquicamata tiene cuatro de estos hornos, cuyo desempeo operacional se encuentra por debajo del estndar en comparacin con las mejores prcticas de la industria del cobre.

El objetivo principal del presente estudio es definir un modelo de gestin de operaciones para optimizar el proceso de conversin de matas de cobre en reactores Peirce-Smith y obtener como resultado incrementar el valor del negocio Fundicin Chuquicamata para dejarlo en una mejor posicin competitiva. El planteamiento del modelo de gestin de operaciones est basado en el desarrollo de cuatro mbitos: (1) Variables y parmetros que influyen en la eficiencia y productividad del proceso; (2) Planteamiento de prcticas de operacin y mantenimiento; (3) Mejoras tecnolgicas; y (4) Gestin del recurso humano. El desarrollo de cada uno de estos mbitos permite identificar las brechas y establecer las oportunidades de mejora que es posible aplicar para lograr la captura de valor de esta propuesta.

El principal beneficio que Codelco obtendr al aplicar el modelo de gestin de operaciones planteado consiste en el aumento de capacidad de procesamiento de eje y metal blanco en convertidores Peirce-Smith, lo cual asegurar que la fusin de la totalidad de la calcina producida por la nueva Divisin Ministro Hales en la Fundicin Chuquicamata, bajo el actual esquema de operacin con dos lneas de fusin, se transforme en nodos. En forma adicional, se obtienen otros beneficios tales, como: ahorros por disminucin del gasto en procesamiento de chatarra de cobre; ahorro de gastos asociados a enfriamiento, manejo, transporte de eje/metal blanco y descuentos/penalidades; mayor ingreso por aumento en la produccin de nodos (Cu nuevo como ctodo); y finalmente, un aumento en la captura y fijacin de contaminantes en alrededor de 1,2 puntos porcentuales.

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DEDICATORIA

Dedico este trabajo a mi esposa y compaera Pamela y a mis dos hijos, Natalia y Javier, a los cuales amo mucho y son mi principal motivacin y apoyo.

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AGRADECIMIENTOS

Agradezco a Dios, en primer lugar, por ser mi soporte espiritual para sobrellevar los momentos difciles y transformarlos en buenos momentos; en segundo lugar, agradezco a mi familia por el apoyo y paciencia que han tenido durante estos dos aos de duracin del estudio; agradezco a todos quienes han aportado en este trabajo de tesis, ya sea con datos, sugerencias y recomendaciones (compaeros de estudio, profesores, y colegas de trabajo) y en especial a Codelco, por permitirme participar de este programa de magister.

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TABLA DE CONTENIDO

1. INTRODUCCION 1

2. DESCRIPCION DE LA ORGANIZACION.................................................... 2

3. DESCRIPCION DEL MERCADO................................................................. 3

4. OBJETIVOS ................................................................................................ 5

5. RESULTADOS ESPERADOS..................................................................... 6

6. METODOLOGIA.... 6

6.1. DESCRIPCION DEL NEGOCIO FUNDICION ........................... 8

6.2. DESCRIPCION DEL PROCESO DE CONVERSION............................ 9

6.3. ANALISIS DE VARIABLES INTERNAS............. 19

6.4. ANALISIS DE VARIABLES EXTERNAS........ 28

6.5. ANALISIS DE VARIABLES RESPECTO DE BENCHMARKING 34

6.6. MODELO DE GESTION OPERACINAL................................... 41

7. CONCLUSIONES... 47

8. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS....... 49

9. ANEXOS..... 50

ANEXO A: DIAGRAMAS DE FLUJO ................... 51

ANEXO B: RESULTADOS GENERALES Y ANTECEDENTES................... 54

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1. INTRODUCCION

En la industria del cobre, las Fundiciones se presentan como una unidad de negocios de baja rentabilidad y estrechos mrgenes de contribucin, razn por la cual es importante que stas sean lo suficientemente eficientes en trminos productivos, con bajos costos y ser medioambientalmente sustentables para permitirles permanecer dentro de un mercado cada vez ms exigente.

En la actualidad, la Fundicin de Chuquicamata se est viendo enfrentada a uno de los principales desafos desde el inicio de sus operaciones en el ao 1952: cumplir la nueva normativa ambiental que se encuentra prxima a ser emitida y reducir sus costos de operacin para asegurar la competitividad y sustentabilidad de este negocio en el largo plazo. An cuando los resultados productivos histricos de esta unidad de negocio pueden parecer razonablemente aceptables, Fundicin Chuquicamata est lejos de constituirse en un referente de mercado dentro del benchmarking de Fundiciones a nivel mundial. Los principales parmetros clave de gestin (KPI) de Fundicin Chuquicamata actual se presentan en la Tabla 1.

Tabla 1: Principales parmetros claves de gestin de Fundicin Chuquicamata

Dentro de la cadena de proceso de Fundicin, el rea de conversin Peirce-Smith se presenta como el principal cuello de botella, con un pobre desempeo operacional, ambiental y de costos. La comparacin entre la gestin operacional de esta rea con el resto del mercado de fundiciones tanto a nivel nacional como internacional, permite constatar que existe una brecha importante entre los principales KPI producto del modelo de gestin que aplica cada planta y de las diferencias que existen en las prcticas operacionales en particular.

Parmetro Unidad Situacion ActualFusin Total kton/ao 1.500

Concentrado de Mina kton/ao 1.453Calcina kton/ao 0,0Concentrado de Escoria kton/ao 48

Fusin de chatarra de cobreConvertidores kton/ao 35Hornos 4-5 kton/ao 87

ProduccinCu Total Moldeado ktf/ao 553Anodos Cu Nuevo ktf/ao 431Eje/Metal Blanco ktf/ao 30Acido Sulfrico kton/ao 1.278Razn Acido/Concentrado ton/ton 0,85

Recuperacin metalrgica % 97,7Fijacin de azufre % 88,5Emisin de azufre ton/ao 53.468

kg SO2/ton Cu Nuevo 231Dotacin Total h-ao 918Productividad ton Cu Nuevo/h-ao 502

tms Conc./h-ao 1.634

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Basado en los antecedentes anteriores, se confirma que existe un alto potencial de mejoramiento haciendo una redefinicin del modelo de gestin de operaciones para el rea de conversin que traer como consecuencia aumentar la produccin de nodos y por ende, la de ctodos propios, incrementar la produccin de cido sulfrico, optimizar los costos de produccin y disminuir las emisiones de azufre. 2. DESCRIPCION DE LA ORGANIZACION El proyecto se encuentra inmerso dentro de la organizacin que existe en la Gerencia Fundicin-Refinera de la Divisin Chuquicamata de Codelco, especficamente en la Superintendencia Fundicin, la cual se muestra en la Figura 1.

Figura 1: Organigrama Gerencia Fundicin-Refinera, Divisin Chuquicamata

(Fuente: Codelco Divisin Chuquicamata) Ahora bien, la Superintendencia Fundicin se encuentra subdividida en reas de trabajo de acuerdo a la lnea de proceso existente en Chuquicamata (Figura 2).

Figura 2: Organigrama Superintendencia Fundicin

(Fuente: Codelco Divisin Chuquicamata)

Gerencia Fundicin-Refinera

Superintendencia Fundicin

Superintendencia Refinera

Superintendencia Ingeniera de

Procesos

Superintendencia Mantenimiento

Fundicin

Superintendencia Mantenimiento

Refinera

Superintendencia Fundicin

Preparacin de Carga y Secado

Horno Flash y Anexos

Conv. Teniente / Horno Electrico

Convertidores y Gras Puente

Refinacin y Moldeo

Plantas de Acido Sulfrico

Plantas de Oxgeno

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El rea marcada en rojo en la Figura 2, corresponde al rea de Convertidores Peirce-Smith y Gras Puente, la cual ser el foco de estudio y desarrollo del modelo de gestin de operaciones. 3. DESCRIPCION DEL MERCADO El mercado de las Fundiciones se encuentra inmerso dentro de la cadena de valor de la comercializacin del cobre ocupando un eslabn importante, ya que el 80% del cobre de mina que se produce en el mundo ocupa la lnea de Fundicin para producirla (Figura 3).

Figura 3: Cadena de Valor Produccin de Cobre.

Fuente: Presentacin Marcelo Awad, asignatura Comercializacin, MBA Gestin y Direccin de Empresas Versin Minera, Facultad de Ciencias Fsicas y Matemticas, Universidad de Chile.

El mercado de las Fundiciones y Refineras se encuentra acotado por el siguiente modelo general que define su beneficio econmico o utilidad:

= Donde, x Ingresos:

o Cargo por Tratamiento (TC) - Cargo por Refinacin (RC) o Factor de localizacin (aplica en el caso de fundiciones integradas a mina) o Penalidades por impurezas (Arsnico, Antimonio, Bismuto, etc) o Venta de cido sulfrico o Margen por Cu, Au y Ag (diferencial recuperacin metalrgica deduccin

metalrgica). o Maquila de nodos externos o Premios al ctodo

16,1 M TM/AO MINA

3,3 M TM/AO SX-EW

12,8 M TM/AO F&R

7,4 M TM/AO F&R INTEGRADO + LAND-TIED

5,4 M TM/AO F&R NO INTEGRADO. (excl. L-T)

2,9 M TM/AO CHATARRA

2,5 M TM/AO ALAMBRON

19,0 M TM/AO TOTAL

MINA FUNDICION REFINERIA SEMIS FINAL

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x Costos: o Remuneraciones o Materiales o Combustibles o Servicios de Terceros o Energa Elctrica o Otros suministros (aire comprimido, agua industrial-tratada-potable,

oxgeno tcnico, etc.) o Mantencin y Reparacin o Fletes o Depreciacin o Overhead o Otros

El anlisis de las condiciones de mercado muestra que ste principalmente es influido por los cargos por tratamiento y cargos por refinacin, precio del cido sulfrico, ubicacin geogrfica (factor de localizacin), premios a la calidad del ctodo y mrgenes de cobre, oro y plata. Del listado de parmetros que influyen en el ingreso anteriores no considera las penalidades por impurezas, ya que la mayora de las operaciones de Fundicin y Refinera (F&R) por regulaciones ambientales estn orientadas a procesar concentrados limpios, o bien, su zona geogrfica pone trabas al ingreso de concentrados sucios. En la Figura 4, se presenta una estructura tpica de las Utilidades de una Fundicin-Refinera, para ejemplificar lo estrecho que es este negocio.

Figura 4: Estructura de Utilidades tpico de una Fundicin-Refinera

10,67

4,901,30

10,65

2,302,061,46

-22,00

-8,00

-35,0

-30,0

-25,0

-20,0

-15,0

-10,0

-5,0

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

40,0

Margen de Utilidad: 3,55 c/lb

Fusin: 1.000 ktsCtodos: 350 ktfAcido: 970 ktmRecup.: 97,8%

Costo Operacin Fundicin

Costo Operacin Refinera

TC/RC

Factor de Localizacin

Acido Sulfrico

Premio al ctodo

Impurezas

Margen de Cobre

Maquila nodos externos

Margen de Au-Ag

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El anlisis de benchmarking de Fundiciones nos muestra una dbil posicin competitiva de Fundicin Chuquicamata (Figura 5), la cual est fuertemente influenciada por los elevados costos de operacin, entre los cuales los principales son: remuneraciones, energa elctrica, depreciacin, materiales y servicios de terceros.

Figura 5: Benchmarking Fundiciones

(Fuente: Brook Hunt 2010)

4. OBJETIVOS

4.1. OBJETIVO PRINCIPAL

El objetivo principal del presente estudio es incrementar el valor del negocio Fundicin Chuquicamata, mediante la definicin y aplicacin de un modelo de gestin de operaciones que optimice el proceso pirometalrgico de conversin en reactores Peirce-Smith.

4.2. OBJETIVOS SECUNDARIOS Los objetivos secundarios del estudio son los siguientes:

o Estandarizar la operacin de convertidores, introduciendo aquellas

prcticas operacionales y mejoras tecnolgicas que permitan sustentar la operacin mediante la automatizacin del proceso.

Ventanas

Guixi

Harjavalta

Dahej

Gresik Ilo

Glogow IGlogow II

Onsan

Ronnskar

Miami

Hayden

Mount Isa

Dias D Avila

PirdopHorne

Altonorte

CaletonesChagres

Fundicin Chuquicamata

PotrerillosDaye Jinchuan

Jinlong

Tongling (Jinchang)

Yunnan (Kunming)

Norddeutsche

Naoshima

Onahama

Saganoseki Tamano

Toyo

La Caridad

Pasar

Huelva

Garfield

Mufulira

300

700

1.100

1.500

1.900

2.300

2.700

3.100

3.500

3.900

4.300

4.700

40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240Total Costo y Gasto Neto, US$/TMS

Prod

uctiv

idad

, TM

S/H

A

PaisLatinoamerica China - Corea - Indonesia - Filipinas

N. America Europa OtroJapon

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o Establecer un plan base para mejorar las competencias tcnicas del personal de operaciones y mantenimiento, lo cual permitir incrementar el conocimiento del capital humano necesario para enfrentar los desafos futuros.

o Aumentar la capacidad de conversin para permitir la fusin de materiales

de complejo procesamiento como es la calcina que producir la nueva Divisin Ministro Hales.

5. RESULTADOS ESPERADOS

Los resultados esperados de este estudio son: definir un modelo de gestin de operaciones basado en el cierre de brechas de proceso y de gestin operacional con los referentes nacionales y extranjeros en sus principales variables de control, de modo tal que permita aumentar la capacidad de procesamiento de los convertidores Peirce-Smith y como consecuencia de ello, llevar la produccin de la Fundicin Chuquicamata a una cartera nica de 100% nodos, aumentar la produccin de cido sulfrico, aumentar el nivel de fijacin de azufre en 1,2 puntos porcentuales, disminuir el gasto de operacin y fundir la totalidad de la calcina que producir la nueva Divisin Ministro Hales.

6. METODOLOGIA

La metodologa que se aplicar estar basada en la utilizacin de resultados empricos que sern la base del desarrollo de una modelacin de procesos, en la cual intervienen los principales parmetros clave (entrada y salida), tal como se presenta en la Figura 6.

Se realizar un anlisis de benchmarking para determinar las brechas existentes en las principales variables de proceso con los mejores referentes de la industria de fundiciones del cobre. Este anlisis se basar en los informes de Brook Hunt 2010 e informacin recopilada de visitas a fundiciones nacionales y extranjeras.

Se determinarn aquellas mejoras tecnolgicas y prcticas de operacin y mantenimiento requeridas para sustentar a largo plazo la continuidad operacional y los resultados esperados en el contexto del alcance del estudio.

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Figura 6: Diagrama de bloques Fundicin Chuquicamata

CONVERTIDORTENIENTE

HORNO FLASH

HELE

CPS SOPLADO A

COBRE

FLOTACIN DEESCORIA

SECADOR

CPS SOPLADO A

ESCORIA

SECADOR HORNO DE NODOS

COSTRAESCORIA (7%)

EJE A CPS APROX 75%

COSTRA EJE 5%

CONCENTRADO ESCORIA

CONCENTRADO CHUQUI + RT

COSTRA MB 5%

MB A CPS APROX. 75%

ESCORIA A DESCARTE 97%

Costra MB A CPS SOP ESC 5%

MB A CT 95%

ESCORIA SOP Cu A CPS 90%

COSTRA ESCORIA CPS 10%

ESCORIA FLASH A FLOTACIN 93%

ESCORIA CT A HELE

COSTRA ESCORIA CT 5%

ESCORIA CT A FLOTACION ESCORIA OXIDADA A CPS SOP ESCORIA 90%

ANODOS A REFINERA 98%

TOTALRECHAZO NODOS 2%

COSTRA BLISTER 5%

BLISTER A HA 95%

COSTRA ESCORIA SOP ESC 10%

ESCORIA SOP ESC FLOTACION 90%

RELAVES

COSTRA ESCORIA HELE 3%

COSTRA ESCORIA 10%

HORNODE FUSIN SCRAP

SCRAP TOTAL REFINERA:* Rechazo nodos MPA (5% Capacidad Refinera)* Rechazo Catdico (0,85% Capacidad Refinera)* Resto nodos (16.9% Capacidad Refinera)POLVO (90%

Polvo caldera)

BORRA CIRCULANTEFUNDENTE

FUNDENTE CARGA FRAFUNDENTE

SCRAP A CPS SCRAP A HORNO FUSIN

SCRAP FUNDIDO

GAS

GAS

GAS

GAS

GAS

GAS

AIREENRIQUECIDO

AIRE ENRIQUECIDO AIRE

AIREENRIQUECIDO

AIREENRIQUECIDO

EJE A VENTA

ESCORIA OXIDADA DE H. DE ANODOS

MB A VENTA

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6.1. DESCRIPCION DEL PROCESO FUNDICION La Fundicin Chuquicamata se encuentra emplazada dentro de las instalaciones del complejo minero-metalrgico del mismo nombre en la provincia El Loa de la Regin de Antofagasta. Esta instalacin est distante 223 km de la ciudad de Antofagasta y 1.225 kms de Santiago a una altura de 2.770 m.s.n.m. El concentrado de cobre con un contenido de 30 a 32% de Cobre y una humedad en torno a 8% que se produce del beneficio de mineral de Chuquicamata y Radomiro Tomic es recepcionado en dos camas de almacenamiento, en una batera de ocho tolvas de 750 ton cada una de capacidad y en dos tolvas de 1.000 ton de capacidad. Adicionalmente, existe una cama para almacenamiento y distribucin de materiales secundarios e insumos. Desde este sector se enva el concentrado hmedo hacia los dos secadores rotatorios (130 t/h y 160 t/h de capacidad) para eliminar la humedad y obtener concentrado seco al 0,2% de humedad que se distribuye entre los dos equipos de fusin: horno flash de tecnologa Outokumpu (hoy Outotec) y convertidor tipo El Teniente de tecnologa Codelco. El proceso de fusin flash posee una capacidad instalada de 3.000 tpd de concentrado. Esta tecnologa genera un producto llamado eje o mata con contenido de cobre promedio de 62%Cu, el cual es enviado a la primera etapa del ciclo de conversin en reactores Peirce-Smith (soplado del fierro o a escoria). Por su parte, el convertidor Teniente que posee una capacidad 2.500 tpd de concentrado, genera un producto denominado metal blanco cuyo contenido de cobre es en promedio de 74%Cu. Este material junto al producto de la primera etapa de la conversin Peirce-Smith, se procesan en la segunda etapa del ciclo de conversin (soplado a cobre) para producir cobre blister de 98,5%Cu, 300 ppm S y 6.000 ppm de oxgeno en promedio. Alrededor de un 20% de la escoria generada en la fusin en horno flash y convertidores Peirce-Smith (primera etapa del ciclo), junto al 80% de la escoria que produce el convertidor Teniente es procesada en un horno elctrico de tecnologa SMS-DEMAG para recuperar el cobre contenido y producir una mata o eje de 68-70%Cu y una escoria de descarte que se somete a un proceso de granulacin para disponerla finalmente en un vertedero cercano a la planta. El remanente de escoria producida con un contenido de 4,5 a 7,0%Cu es enviada enfriamiento para posteriormente procesarla en la planta de molienda-flotacin de la Divisin para producir concentrado de 30 a 34%Cu que se retorna a los equipos de fusin. En los convertidores Peirce-Smith, adems de procesar el eje y metal blanco producido en el horno flash y convertidor teniente, respectivamente, se procesa en promedio 120 tpd de chatarra de cobre y alrededor de 400 tpd de carga fra con un contenido de cobre cercano a 50-60%Cu. El cobre blister producido en los convertidores Peirce-Smith junto al cobre que se obtiene de fundir 310 tpd de scrap de la Refinera Electroltica en dos hornos dedicados a esta funcin (uno operando y el otro standby), se transporta en ollas de 11 m3 y 9 m3 de capacidad, respectivamente, hacia los seis (6) hornos del rea de refinacin. En estos hornos, se elimina las impurezas mediante la inyeccin de

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fundente alcalino y se ajusta el contenido de oxgeno disuelto para producir cobre andico de 99,5%Cu que se moldea en las tres ruedas de moldeo M-24 de tecnologa Outokumpu (hoy Outotec). Posteriormente, los nodos moldeados de 400 a 410 kg de peso cada uno se cargan en carros de tren y se envan a la Refinera electroltica distante 6 km para producir ctodos alta pureza. Los gases metalrgicos que se generan en las dos unidades de fusin y en cuatro de los cinco convertidores Peirce-Smith instalados, son enviados a una cmara de mezcla de gases que lo distribuye hacia las cinco plantas de limpieza de gases y desde all hacia las tres plantas de contacto simple para producir cido sulfrico a un 96% de pureza. Esta planta genera adems, un efluente lquido (solucin de cido dbil con slidos en suspensin) que se enva a neutralizacin con lechada de cal. 6.2. DESCRIPCION DEL PROCESO DE CONVERSION

6.2.1. Descripcin General del Proceso.

El convertidor Peirce-Smith es el equipo o dispositivo ms ampliamente utilizado en la produccin de cobre. Se trata de un reactor semi-continuo en el que la transformacin de eje, mata y metal blanco a cobre blister se realiza mediante la inyeccin de aire y oxgeno en el bao fundido para generar un burbujeo que provocan las reacciones de oxidacin del proceso. Por ser ste un proceso batch, la operacin se realiza en dos etapas: en la primera de ellas se realiza de desulfuracin del sulfuro ferroso (FeS) con escorificacin del hierro y en la segunda, se realiza la desulfuracin del sulfuro cuproso (Cu2S) hasta producir cobre blster de 98,5 a 99,2% de pureza. El nombre de este reactor se debe a sus creadores, los Srs. William Peirce y E.A. Cappelen Smith, Gerente y Metalurgista Jefe, respectivamente, de la Baltimore Copper Smelting & Rolling Company de Perth Amboy, New Jersey, quienes a principios del siglo 20 desarrollaron un proceso para purificar eje o mata de cobre y producir cobre de alta pureza llamado cobre blster. En la Figura 7, se presentan las primeras representaciones de este reactor realizados por Peirce y Smith entre los aos 1987 y 1906, conformado por tres soportes giratorios y una adicin de alimentacin en la parte trasera. Este es girado por un cable enrollado alrededor de la unidad cerca de la mitad del reactor con un accionamiento elctrico. La unidad es de 10 pies de dimetro y 26 pies de largo, que rpidamente se elev a 36 pies y 40 pies de largo.

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Figura 7. Reactor de Peirce y Smith desarrollado en 19061

(Fuente: International Peirce-Smith Converting Centennial - 2010) Las principales caractersticas que presenta este proceso son las siguientes:

x Proceso batch basado en ciclos de operacin, lo cual implica que es necesario

mantener varias unidades operativas para alcanzar el nivel de produccin deseado. Chuquicamata tiene actualmente 4 unidades instaladas, cada una conectada a las plantas de limpieza de gases ms una quinta unidad que se utiliza tanto como horno de retencin como para apoyar la conversin, con un tiempo estimado entre 600 a 1.000 horas al ao. Este ltimo horno no tiene conexin a las plantas de limpieza de gases y por tanto, enva la totalidad de sus gases a la atmsfera.

x Es un reactor abierto y mvil, situacin que contribuye al alto nivel de emisiones

de gases contaminantes. En la actualidad, un 48% del total de emisiones de azufre de Fundicin Chuquicamata se generan en esta rea. Aunque el nivel de emisiones tambin depende de las prcticas operaciones y de las instalaciones de captura de gases que posea cada instalacin.

x Alta sensibilidad a la calidad de la alimentacin (ley de cobre en eje/metal blanco). En el caso de Chuquicamata, la alimentacin posee dos fuentes: horno de fusin flash con una ley de 62%Cu en promedio y convertidor teniente con una ley de 74%Cu en promedio. Esta condicin implica que pueden existir tres tipos de ciclo: un ciclo mixto (eje/metal blanco), un ciclo nico de eje y un ciclo nico de metal blanco. En los dos primeros el proceso se desarrolla en dos

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etapas: soplado a escoria y soplado a cobre; y en el ltimo de ellos, se desarrolla en una sola etapa: soplado a cobre.

x Su capacidad productiva depende del tamao del reactor (volumen efectivo), del flujo de aire que es posible inyectar por toberas, del nivel de enriquecimiento en oxgeno, de la ley de cobre de la alimentacin y de la continuidad del proceso (manteniendo al reactor operando). Las variables anteriores, influyen en la cintica de las reacciones que gobiernan el proceso y por ende, en el tiempo de operacin comnmente llamado tiempo efectivo de soplado (min) y en la velocidad de conversin, tanto para la etapa de soplado a escoria (min/ton FeS), como para la etapa de soplado a cobre (min/ton Cu2S). Estos son los principales parmetros que se utilizan para controlar la operacin de este proceso. En la Figura 8, se muestra un diagrama con las principales corrientes de entrada/salida al proceso de conversin Peirce-Smith, considerando el caso de la Fundicin Chuquicamata. En esta se puede observar que aparte de las entradas principales como son el eje y metal blanco y el aire de soplado y oxgeno tcnico, existen adems otras entradas que intervienen en el proceso, como son la carga fra, chatarra de cobre, escorias recirculadas y los fundentes. Con cada uno de ellos, tanto el balance de masa como de energa se encuentra cerrado. La variacin de stos, dependern de las cantidades de cada una de las entradas al proceso.

Figura 8: Diagrama de entrada/salida proceso conversin Peirce-Smith

(Fuente: Gerencia Fundicin-Refinera DCh)

Carga Fra

Chatarra de cobre

Metal Blanco CT2

Metal Blanco H. Elctrico

Eje Horno Flash

Escoria CPS s/Cu

Escoria RyM

Fundente Slice (SiO2)

Fundente Carbonato de Calcio (CaCO3)

Aire comprimido de 20 psi

Oxgeno Tcnico

Carga Fra

Cobre Blister

Escoria CPS s/eje

Escoria CPS s/Cu

Gases Metalrgicos

Polvo Metalrgico

Gases Fugitivos

Material Particulado

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6.2.2. Conceptos tericos de la conversin de eje y metal blanco para producir cobre blster.

Las principales reacciones que ocurren en el proceso de conversin de eje o mata y metal blanco, corresponden a reacciones de oxidacin, en donde el oxgeno presente en el flujo de aire que ingresa al reactor por las toberas (denominado aire de soplado) oxida las molculas de sulfuro de fierro (FeS) y al sulfuro de cobre (Cu2S), dando como producto xidos de fierro y cobre, respectivamente. Las reacciones que gobiernan cada etapa del proceso son las siguientes:

+ () + ()

+ () 2 + () Existen otras reacciones denominadas reacciones secundarias que corresponden al fenmeno de formacin de escoria, en el cual una parte de la wustita u xido de fierro (FeO) se oxida para formar magnetita (Fe3O4), otra parte se acompleja con el fundente silceo para formar fayalita y por ltimo, ya avanzada la etapa de soplado, se produce la oxidacin del cobre. Esta ltima reaccin es un evento no deseado. 3 +

() 2 + 2. 2 + ()

La composicin de cada escoria estar determinada por el grado de oxidacin que se haya producido al interior del reactor. En la etapa de soplado de eje, la escoria est compuesta principalmente por magnetita (Fe3O4), fayalita y algo de xido de cobre (por sobre-oxidacin). Tambin se detecta la presencia de sulfuros de cobre (Cu2S), fierro (FeS) y otros metales sulfurados, los que se traspasan hacia la escoria producto de arrastre mecnico que se produce por la agitacin del bao fundido y durante el trasvasije desde el reactor hacia ollas. En las primeras ollas de vaciado de escoria, se produce la mayor parte del arrastre de sulfuros hacia la escoria. 6.2.3. Descripcin de los equipos que componen el proceso.

En general, un Convertidor Peirce-Smith (Figura 9) est compuesto de los siguientes sistemas y equipos:

x Reactor cilndrico con boca para carguo/salida de gases x Mquina de punzado de toberas. x Sistema de alimentacin de fundente. x Sistema motriz. x Sistema de suministro de aire comprimido y oxgeno tcnico. x Campana primaria. x Campana secundaria. x Dispositivo de Espectroscopa Optica de Llama (OPC by SEMTECH).

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Figura 9: Convertidor Peirce-Smith

(Fuente: Gerencia Fundicin-Refinera DCh) Reactor: Es el equipo principal del proceso de conversin. Consiste bsicamente en un cilindro horizontal provisto de un sistema motriz que le permite moverse (bascular) sobre su eje de rotacin desde la posicin de operacin (posicin de soplado) hacia la posicin de alimentacin (posicin de carguo). Adems, est provisto de toberas por donde se inyecta el aire y oxgeno que oxidan el azufre y fierro del eje y metal blanco (conocido como soplado). Las caractersticas geomtricas de los 4 convertidores que se encuentran en la Fundicin se muestran en la Tabla 2:

Tabla 2: Caractersticas geomtricas Convertidores Peirce-Smith

Fundicin Chuquicamata (Fuente: Gerencia Fundicin-Refinera DCh)

Oxgeno (50 psi)

Aire (20 psi)

Mquina de punzado

Lnea de toberas

Campana Primaria / Campana Secundaria

Tolvas de Fundente

OPC

Sistema Motriz

Reactor

Parmetro Unidad ValorReactor

Longitud exterior m 13,2Dimetro exterior m 4,5Area de la boca (carguo/salida de gases) m2 11,3

Lnea de toberasNmero total de paos de toberas Un 5Cantidad de toberas por pao toberas/pao 11Nmero de toberas Un 55Dimetro nominal de las toberas pulgadas 2 1/8

Mampostera refractariaEspesor en zona de toberas pulgadas 21Espesor en el resto del manto pulgadas 15Espesor en la culata pulgadas 24

14

En la Figuras 9 y 10 se muestra un isomtrico tpico de los Convertidores Peirce-Smith de la Fundicin Chuquicamata (2012).

Figura 9: Convertidor Peirce-Smith - Vista desde lnea de toberas (Fuente: Gerencia Proyectos DCh)

Figura 10: Convertidor Peirce-Smith - Vista desde boca de carguo.

(Fuente: Gerencia Proyectos DCh)

Maquina de punzado de toberas: Esta mquina tiene como objetivo mantener destapadas las toberas del reactor, a fin de permitir el ingreso del aire de soplado requerido para el proceso de conversin. En la actualidad, existe una mquina de punzado para cada CPS. Esta se desplaza sobre un riel que est ubicado paralelamente a la lnea de toberas del reactor y obtiene su fuerza motriz de presin neumtica de la red de aire comprimido de 90 psi que existe en la Fundicin. Las mquinas actuales son operadas manualmente, requiriendo de un operador, quin desde una cabina maneja los controles que

15

regulan el traslado de sta sobre los rieles, as como la accin de punzado de las toberas. Esta mquina cuenta con la posibilidad de utilizar 4 barretas en operacin simultneamente, pero normalmente se ocupan 2, dado el problema de alineamiento que existe en cada reactor. Para que el operador pueda punzar las toberas con las barretas de picado, se debe lograr un ajuste de posicin mediante el uso de un dispositivo llamado veleta, que habilita la orden de punzado cuando el equipo se ha posicionado frente a frente de las toberas (enclavamiento), de lo contrario, el operador no puede activar el punzado. La operacin de avance y picado de las barretas se consigue por la fuerza motriz de un cilindro de 6 x 73 de largo.

Figura 11: Mquina de punzado

(Fuente: Heath & Sherwood) Sistema de alimentacin de fundente: El sistema de alimentacin de fundente (slice, SiO2), consiste en dos tolvas de 80 ton de capacidad cada una que alimentan por gravedad una correa transportadora de velocidad constante que introduce el material requerido a un buzn que lo conduce al interior del reactor. Este buzn se encuentra incorporado a un carro mvil, que en el momento de adicionar slice, se desplaza hacia el reactor, posicionando la punta del buzn al interior del convertidor. Sistema de suministro de aire comprimido y oxgeno tcnico: El sistema de aire de soplado para Convertidores Peirce-Smith, consiste en una red de caeras que comienza en la planta termoelctrica y termina en las toberas de soplado de cada convertidor. Desde la Planta de aire comprimido, especficamente del sistema principal de distribucin (manifold), nace un arranque que alimenta aire comprimido a una presin de 20 psi y a una temperatura de 100 C a todos los Convertidores de la Fundicin. Esta caera, al llegar a las proximidades de los Convertidores, se orienta en forma paralela a la longitud del cilindro y se conecta a cada uno de ellos, a travs de un punto que tiene incorporada una vlvula general de corte, una vlvula de

Entrada/Salida de la barra de punzado a baja velocidad

Lnea de toberasHorno o reactor de conversin

Servo motor

Rieles

16

control y una vlvula de corte, nombradas en orden desde la ms lejana a la ms prxima del Convertidor. Esta lnea de aire llega al mltiple (armnica) que se encuentra en el manto del reactor, a travs de la cual se distribuye el aire en forma homognea para cada tobera. El oxgeno tcnico a una presin de 50 psi es suministrado por las tres plantas de oxgeno que posee la Fundicin a travs de una caera principal que se distribuye a cada convertidor. Este se une a la lnea de aire de 20 psi despus de la vlvula de control que posee cada convertidor. Esta caera para el oxgeno tambin tiene incorporada una vlvula general de corte y una vlvula de control. La Figura 12 muestra un diagrama esquemtico del suministro de aire comprimido y oxgeno tcnico.

Figura 12: Suministro de aire comprimido (20 psi) y oxgeno tcnico (50 psi). (Fuente: Gerencia Fundicin-Refinera DCh)

Sistema Motriz: El movimiento basculante del reactor se logra mediante el uso de un sistema de polines que descansan a su vez en una estructura de acero y concreto armado. Los polines permiten girar el horno en torno a su eje longitudinal por dos pistas de rodado ubicadas una a cada extremo del cilindro y que se extienden por todo el permetro del cilindro. El horno descansa en un total de 8 polines, 4 por cada pista de rodado. El sistema motriz de los Convertidores, o sistema mecnico que permite el giro reversible, consta de un nmero de componentes claramente identificables. Estos componentes son:

x Freno x Motor x Limitorque x Cardn x Reductor de velocidad x Sistema de acoplamiento al Convertidor.

Vlvula General de

Corte de Aire

Vlvula General de Corte de

Oxgeno

Vlvula de Control de Oxgeno

Vlvula de Control de Aire 20 psi

Vlvula de Corte

Desde Sala de Compresores

Desde Planta Oxgeno

17

El sistema de acoplamiento corresponde a la forma mecnica en que el torque o par mecnico generado por el motor, se aplica finalmente al giro del cilindro. En los Convertidores, el sistema de acople es el Bogiflex tipo BFT 16. En la figura 13 se muestran los distintos componentes del Sistema Motriz.

Figura 13. Sistema Motriz de un Convertidor Peirce-Smith (Fuente: Manual de Operacin CPS - Gerencia Fundicin-Refinera DCh)

Espectroscopia ptica de Llama (OPC): Para el control del avance o evolucin del proceso de conversin, cada reactor cuenta con un dispositivo que permite realizar un anlisis espectromtrico de la luz que emiten algunos componentes del gas metalrgico que se generan durante cada etapa del proceso (PbS, PbO, CuOH). A medida que cambian las propiedades fsicas del bao y de la escoria, se modifica la composicin de los gases de salida, cambio que se ve reflejado en la intensidad de emisin de cada componente, propiedad que es representada en una grfica de tendencias que permite al operador evaluar el inicio, evolucin y el trmino del ciclo de conversin, entre otras situaciones operacionales. La informacin que despliega el sistema OPC en los monitores dispuestos en terreno permite identificar las siguientes condiciones operacionales:

x Trmino del Soplado a Escoria x Falta de Fundente (Slice). x Exceso de oxidacin durante el Soplado a Escoria (sobre-soplado) x Proceso con Primer Escoriado listo para realizarse. x Escoriado Perfecto. x Soplado a cobre perfecto.

6.2.4. Operacin de un Convertidor Peirce-Smith.

La conversin en reactores de Peirce-Smith es un proceso batch que implica un estado inicial y uno final con etapas intermedias. Este comienza con el carguo de eje o mata (4 ollas conteniendo 37 ton del material cada una) y escoria de la etapa de soplado a cobre (1 olla conteniendo 35 ton), luego del cual se mueve el reactor

Freno Motor

Cardan

Limitorque Reductor

Sistema de acoplamiento

(BOGIFLEX BFT 16)

18

hasta la posicin de soplado, en la cual la boca de gases se ubica hacia la campana primaria y simultneamente la lnea de toberas queda en posicin para iniciar la inyeccin de aire y oxgeno. Conforme avanza el proceso, se adiciona fundente (slice) a travs de la compuerta lateral de la campana para formar la escoria fayaltica y se recarga con una 5 olla de eje (se mueve el reactor hacia la posicin de carguo y posteriormente, se vuelve a la posicin de soplado). Durante este tiempo, se realizan vaciados parciales de escoria hacia ollas. Mientras tanto, el operador observa el despliegue grfico del sistema OPC que le indica el estado de avance del proceso. Una vez que se detecta el final de la etapa de soplado a escoria, el operador mueve el reactor a la posicin de descarga para transferir la escoria remanente. Posterior al vaciado de escoria de la primera etapa de soplado, se recarga con metal blanco y se inicia nuevamente la operacin de soplado a cobre. Durante la primera media hora, se adiciona otro fundente (carbonato de calcio) para favorecer la escorificacin de impurezas y mejorar la viscosidad de la escoria. Se realizan recargas parciales de carga fra, metal blanco y chatarra de cobre para completar la carga. Durante la etapa de soplado a cobre se realizan vaciados parciales de escoria hacia ollas. El proceso contina hasta el final del soplado, cuando el sistema OPC indica al operador que el ciclo ha terminado, realizando el vaciado del convertidor y se transfiere el cobre blster a los hornos de refinacin andica. En la Figura 14, se presenta un esquema que pretende reflejar en forma grfica las distintas etapas del proceso.

Figura 14: Diagrama de bloques ciclo tpico de conversin (Fuente: Manual de Capacitacin por Competencias Controlar y Operar Conversin en CPS

Gerencia Fundicin-Refinera DCh)

Carguo Inicial

Soplado a escoria

Evacuacin de Escoria

Soplado a cobre

Evacuacin de Escoria

Evacuacin de Cobre Blister

Preparacin para el ciclo siguiente

Aire/Oxgeno (700 Nm3/h @ 21,5-22,0%O2) Eje ( 1 olla o 37 ton)Fundente slice (13 a 15 ton)

Eje (4 ollas 150 ton)Escoria de soplado a cobre (35 ton)

Carbonato de calcio (10 ton) Carga Fra (70 a 100 ton)Metal Blanco (4 ollas o 160 ton)Chatarra de cobre (20 ton)

Escoria s/Escoria a Flotacin

Escoria s/Cu al inicio del prximo ciclo

Cobre blster a hornos de refinacin (250 ton)

19

6.3. ANALISIS VARIABLES INTERNAS Las variables de control interno corresponden a aquellas que pueden ser gestionadas por los operadores del proceso de conversin Peirce-Smith. Las principales variables de control interno del proceso son las siguientes: x Tiempo efectivo de soplado (%).

El tiempo efectivo de soplado es una de las variables que se presta mayor atencin, junto a la ley de cobre blster y la temperatura. Este es sinnimo de eficiencia del uso de las instalaciones, ya que a un menor tiempo de soplado, mayor es la productividad de estos reactores, por cuanto, mayor es la cantidad de ciclos que es posible realizar en un da de operacin. Las variables que ms influyen en el tiempo efectivo de soplado son: flujo de aire, enriquecimiento, ley de cobre en eje o mata y ley de cobre en metal blanco. Este parmetro se define como el tiempo total diario inyectando aire de soplado todos los reactores (sin interrupciones) respecto del tiempo total disponible de los reactores que pueden operar simultneamente. Para el caso de la Fundicin Chuquicamata, el tiempo efectivo de soplado corresponde a 55%, considerando 39,6 horas efectivas de operacin respecto de un mximo de 96 dado que operan simultneamente 3 convertidores.

x Tasa de inyeccin de aire, comnmente denominado flujo de aire de soplado simplemente aire de soplado( Nm3/min). El proceso de conversin requiere de oxgeno para la oxidacin del fierro y azufre del eje o mata y metal blanco. Este se obtiene del aire comprimido y de oxgeno tcnico que se inyectan al bao fundido a travs de toberas dispuestas a lo largo del reactor. Conforme avanza el proceso, las toberas tienden a obstruirse por la solidificacin del material fundido del reactor, por lo que el flujo de aire de soplado disminuye. Para corregir esto y mantener las toberas libre de acreciones, se utiliza la mquina de punzado, accin mediante la cual ingresa una mayor cantidad de aire al proceso. En la actualidad las mquinas de punzado son operadas manualmente, dependiendo de la persona la efectividad con que se logra el flujo de soplado deseado. La cintica del proceso y por ende, la velocidad de avance est directamente relacionada con el flujo de aire que ingresa al reactor, por lo tanto, el flujo de aire es una de las variables ms importantes del proceso. En la actualidad, el flujo de aire promedio del ciclo de conversin de la Fundicin Chuquicamata se encuentra en torno a 712 Nm3/h (Figura 15).

20

Figura 15: Flujo de aire de soplado promedio de conversin

(Fuente: Informacin operacional Gerencia Fundicin-Refinera) Para un nivel de enriquecimiento en oxgeno dado, la variacin del Flujo de Aire de Soplado (Nm3/min) sobre el Tiempo Efectivo Total de Soplado (horas), puede ser representado en una grfica como se muestra en la Figura 16.

Figura 16: Variacin del Tiempo Total de Soplado en funcin del Flujo de Aire

de Soplado para un nivel de enriquecimiento dado. (Fuente: Modelacin Proceso de Conversin Tesis de MBA)

650

670

690

710

730

750

ene-

04

may

-04

sep-

04

ene-

05

may

-05

sep-

05

ene-

06

may

-06

sep-

06

ene-

07

may

-07

sep-

07

ene-

08

may

-08

sep-

08

ene-

09

may

-09

sep-

09

ene-

10

may

-10

sep-

10

ene-

11

may

-11

sep-

11

ene-

12

may

-12

Flujo Total Promedio Mes (Nm3/h)

Fluj

o d

e A

ire S

opla

do(N

m3/

h)710 Nm3/h

755 Nm3/h

669 Nm3/h

y = 1E-05x2 - 0,0271x + 20,689R = 1

6,00

6,20

6,40

6,60

6,80

7,00

7,20

7,40

7,60

7,80

8,00

680 700 720 740 760 780 800 820

Tiem

poTo

tal E

fect

ivo

de S

opla

do(h

oras

)

Flujo de Aire de Soplado(Nm3/min)

21,5% O2

21

Realizando un anlisis de regresin, se obtiene que la variable Tiempo Efectivo Total de Soplado se relaciona mediante una ecuacin polinomial de segundo orden respecto del Flujo de Aire de Soplado.

.() = 1 10() 0,0271() + 20,689 La Tabla N 3 muestra los resultados esperados al aplicar esta ecuacin. Al aumentar en un 7,1% el flujo de aire de soplado (desde 700 a 750 Nm3/min), se obtendr una disminucin del tiempo efectivo de soplado en un 6,6%, que equivale a 0,5 horas. Si el proceso se sita en un flujo entre 775 a 800 Nm3/min, el tiempo efectivo de soplado disminuir entre un 9,7% y un 12,5%, equivalentes a 0,73 a 0,94 horas (45 a 60 minutos, aproximadamente por ciclo).

Tabla N 3: Tiempo efectivo de soplado en funcin del Flujo de Aire de Soplado.

(Fuente: Modelacin Proceso Conversin Tesis MBA) x Nivel de enriquecimiento en oxgeno tcnico del aire de soplado (%v).

Enriquecer el aire de soplado con oxgeno tcnico, tiene varios beneficios: En primer lugar, mejora el balance trmico y permite un mayor consumo de carga fra y chatarra de cobre; en segundo lugar, disminuye el tiempo de duracin del ciclo; y en tercer lugar, disminuye el flujo de gas metalrgico generado, favoreciendo su captacin por la campana primaria. Dado que la cintica del proceso se incrementa notablemente, se debe mantener especial atencin a la temperatura, por cuanto sta se incrementar rpidamente y se deber contar con carga fra o chatarra de cobre en el momento que se requiera consumir para mantener bajo control el balance de calor y evitar eventos indeseados (dao al refractario y agitacin violenta del bao fundido, principalmente). En el caso de la Fundicin de Chuquicamata, el uso de oxgeno tcnico para enriquecer el aire de soplado no es una prctica habitual (21,1 a 22,2%v O2 en promedio), no as en la mayora de las Fundiciones nacionales y extranjeras donde es usual el uso de aire enriquecido llegando a valores hasta 30% inclusive. En la Figura 17 se muestra un anlisis histrico de enriquecimiento promedio utilizado en conversin. En este anlisis es posible

Flujo Aire Soplado

Nm3/h%O2

Tiempo Total Efectivo de

Soplado (min)

700 21,5 7,51730 21,5 7,20750 21,5 7,01775 21,5 6,78800 21,5 6,57

22

observar que se ha utilizado algo oxgeno tcnico en el proceso de Conversin Peirce-Smith de la Fundicin Chuquicamata (22 a 22,5% como promedio).

Figura 17: Enriquecimiento promedio en Convertidores de la

Fundicin Chuquicamata (%v O2). (Fuente: Informacin Operacional Area Conversin Gerencia Fundicin-Refinera DCh)

Para un determinado Flujo de Aire de Soplado, la variacin del nivel de Enriquecimiento del Aire de Soplado (%O2) sobre el Tiempo Efectivo Total de Soplado (horas), puede ser representado en una grfica como se muestra en la Figura 18.

Figura 18: Variacin del Tiempo Total Efectivo de Soplado en funcin del

Enriquecimiento del Aire de Soplado para un flujo de aire de soplado dado. (Fuente: Modelacin Proceso de Conversin Tesis de MBA)

20,0

20,5

21,0

21,5

22,0

22,5

23,0

ene-

04

abr-

04

jul-0

4

oct-0

4

ene-

05

abr-

05

jul-0

5

oct-0

5

ene-

06

abr-

06

jul-0

6

oct-0

6

ene-

07

abr-

07

jul-0

7

oct-0

7

ene-

08

abr-

08

jul-0

8

oct-0

8

ene-

09

abr-

09

jul-0

9

oct-0

9

ene-

10

abr-

10

jul-1

0

oct-1

0

ene-

11

abr-

11

jul-1

1

oct-1

1

ene-

12

abr-

12

Enriquecimiento Aire Soplado (%v O2)

Enriq

ueci

mie

nto

Pro

med

io

Aire

Sop

lado

(%v

O2)

21,8 %v

22,5 %v

21,1 %v

y = 0,0105x2 - 0,7866x + 19,563R = 1

5,00

5,50

6,00

6,50

7,00

7,50

8,00

20,0 21,0 22,0 23,0 24,0 25,0 26,0 27,0 28,0 29,0

Tiem

poTo

tal E

fect

ivo

de S

opla

do(h

oras

)

Enriquecimiento del Aire de Soplado(%O2)

700 Nm3/min

23

Realizando un anlisis de regresin, se obtiene que la variable Tiempo Total de Soplado se relaciona mediante una ecuacin polinomial de segundo orden respecto del Enriquecimiento del Aire de Soplado.

.() = 0,0105(%)^2 0,7866(%) + 19,563

La Tabla N 4 muestra los resultados esperados al aplicar esta ecuacin. Al aumentar en un 11,6% el enriquecimiento del aire de soplado (desde 21,5% a 24 %O2), se obtendr una disminucin del tiempo efectivo de soplado en un 10,4%, que equivale a 0,78 horas. Si el proceso se sita en un %O2 entre 25% a 26%O2, el tiempo efectivo de soplado disminuir entre un 14,0% y un 17,2%, equivalentes a 1,0 a 1,3 horas (60 a 75 minutos, aproximadamente por ciclo).

Tabla N 4: Tiempo efectivo de soplado en funcin del Enriquecimiento del Aire de Soplado.

(Fuente: Modelacin Proceso Conversin Tesis MBA)

El nivel de enriquecimiento de oxgeno mximo que es posible utilizar en conversin depende de la cantidad de oxgeno tcnico disponible en Fundicin. De acuerdo a la informacin operacional de las Plantas de Oxgeno de Chuquicamata, la cantidad de oxgeno que es capaz de generar en la tres plantas existentes, junto a la planta recuperadora de venteo (URASO) es de 1.160 tpd (equivalente a un flujo horario de 49,5 tph) con una pureza de 94 a 94,5% en promedio. La demanda de oxgeno tcnico para la Fundicin fue determinado en el Plan de Descontaminacin Fundicin Chuquicamata 2 Etapa en el ao 2001 para una capacidad de fusin nominal 5.000 tpd y diseo de 5.500 tpd, como se muestra en la Tabla N 5.

Enriquecimiento Aire de Soplado

%O2

Flujo Aire SopladoNm3/h

Tiempo Total Efectivo de

Soplado (min)

21,5 700 7,5122,0 700 7,3423,0 700 7,0224,0 700 6,7325,0 700 6,4626,0 700 6,2227,0 700 5,9828,0 700 5,77

24

Tabla N 5: Distribucin de Oxgeno Tcnico Equipos Fundicin

(Fuente: Ingeniera de Detalles Plan de Descontaminacin Fundicin Chuquicamata 2 Etapa) En la actualidad, el nivel de fusin promedio ha oscilado en torno a 4.600 a 4.650 tpd, distribuida en forma equivalente entre el Horno Flash y el Convertidor Teniente 2. En la Tabla N 6, se verifica el consumo de oxgeno tcnico actual.

Tabla N 6: Distribucin de Oxgeno Tcnico Equipos Fundicin

(Fuente: Informacin Operacional Fundicin Modelacin Fundicin Tesis MBA) A partir de la informacin obtenida de consumos de oxgeno tcnico real y la capacidad de diseo, la cantidad disponible es alrededor de 142 tpd. Para verificar esa cantidad calculada, revisaremos la informacin operacional de Plantas de Oxgeno en los dos ltimos aos (2010-2011). En la Fundicin existe un parmetro que permite verificar el uso efectivo del oxgeno tcnico que se utiliza en los diferentes procesos, que corresponde al venteo de oxgeno (tpd). El venteo se produce principalmente debido a la menor capacidad de fusin respecto de la condicin de diseo de las plantas (fusin equivalente a 5.000 tpd promedio) y por detenciones no programadas de los equipos de fusin, lo cual genera un menor consumo. La Figura 19, muestra la cantidad de oxgeno disponible por venteo en Fundicin Chuquicamata.

Nominal Diseo Nominal Diseo Nominal DiseoHorno Flash (62% Cu) 2.800 3.000 598 633 0,213 0,211Conv. Teniente 2 (72%Cu) 2.200 2.500 413 461 0,188 0,184CPS s/escoria (23% O2) 19 20CPS s/cobre (22% O2) 38 42Total 5.000 5.500 1.067 1.155 0,213 0,210

Capacidad de Fusin(tpd)

Consumo de Oxgeno Tcnico

(tpd)

Consumo Especfico(ton O2 / ton C.Seco)Equipo\Parmetro

Horno Flash (62% Cu) 2.312 549 0,237Conv. Teniente 2 (72%Cu) 2.333 452 0,194CPS s/escoria (22,0% O2) 3CPS s/cobre (21,5% O2) 14Total diario 4.644 1.018 0,219

Consumo de Oxgeno Tcnico

(tpd)

Consumo Especfico(ton O2 / ton C.Seco)

Equipo\ParmetroCapacidad de

Fusin(tpd)

25

Figura 19: Oxgeno disponible en Fundicin Chuquicamata

(Fuente: Informacin Operacional Plantas de Oxgeno 2010-2011) A partir de esta informacin, se confirma que existe una disponibilidad mxima de 135 tpd de oxgeno tcnico. Considerando el valor promedio de 80 tpd de venteo existente, sumado al consumo actual de Convertidores (17 tpd), obtenemos que en total Convertidores dison de 97 tpd para consumir, sin afectar los equipos de fusin. Con esta cifra, se puede alcanzar un nivel de enriquecimiento promedio de 25 a 26% en todo el ciclo de operacin de convertidores, dependiendo del flujo de aire de soplado (750 a 800 Nm3/min).

x Cantidad de carga fra y chatarra de cobre (ton). La cantidad de carga fra y chatarra de cobre agregada al Convertidor, es funcin de la temperatura del bao. Se debe agregar cada vez que la temperatura sobrepase un valor establecido. Ante la ausencia de un dispositivo que mida la temperatura en forma continua, sta se asocia normalmente por el Operador por el color de la llama, lo cual implica que ste debe adquirir la experiencia operacional necesaria para controlar esta variable y adicionar la cantidad necesaria de carga fra y chatarra de cobre en el momento oportuno. Las principales fallas operacionales se producen por el escaso nivel de control que se tiene de la variable temperatura y por la forma de adicionar carga fra (mediante ollas).

x Temperatura del proceso (C). La conversin de eje y metal blanco es un proceso exotrmico, debido a la ocurrencia de reacciones qumicas que liberan calor. Esto se refleja en un incremento sostenido de la temperatura, ante lo cual se debe contrarrestar con la adicin de circulante (carga fra y chatarra de cobre) para mantener el equilibrio trmico y evitar el desgaste prematuro del refractario del interior del reactor. El consumo habitual de carga fra en convertidores es alrededor de 70 a 100 ton por ciclo y de chatarra de cobre alrededor de 20 ton por ciclo. Ambos se

0

20

40

60

80

100

120

140

160

ene-

10

mar

-10

may

-10

jul-1

0

sep-

10

nov-

10

ene-

11

mar

-11

may

-11

jul-1

1

sep-

11

nov-

11

Vent

eo P

rom

edio

Men

sual

(t

pd)

47 tpd

135 tpd

81 tpd

26

cargan por boca al reactor y se debe adicionar en forma oportuna para evitar eventos indeseados de aumento de temperatura fuera del rango de operacin segura. En la actualidad no existe una medicin en lnea de la temperatura de proceso, por lo tanto, es el operador encargado de evaluar la condicin trmica del proceso en funcin de mediciones empricas relacionadas con el avance del ciclo (tiempo) y el color de la llama.

x Ley del cobre blster (%Cu). La Ley del Cobre Blster, expresada en %Cu, es la variable que mide la calidad del producto del proceso de conversin. Mediante la observacin del despliegue grfico del sistema OPC, contrastada con muestras de pequeas granallas de material fundido que es arrastrado por el gas que solidifica al encontrarse con un flujo de aire de infiltracin de la campana (llamada en la jerga operacional challa), el Operador determina el trmino del ciclo de conversin. Es importante el control que se ejerce sobre la ley del cobre blster. Por un lado, no se debe sobre oxidar el producto, ya que se genera una excesiva cantidad de oxido de cobre, el cual es muy daino para los refractarios y disminuye la eficiencia metalrgica del proceso. Por otro lado, una sobre oxidacin leve del cobre blster en los CPS es siempre beneficiosa, ya que acorta los ciclos de oxidacin en el proceso de Refino. Habitualmente, el cobre blster generado en el proceso de conversin de la Fundicin Chuquicamata contiene entre 6000 a 6500 ppm de oxgeno y tan solo 0,03% de azufre (300 ppm), el cual representa un nivel de avance de la conversin importante, por cuanto minimiza el tiempo del proceso siguiente (refinacin y moldeo).

x Velocidad de conversin (min/ton FeS, min/ton Cu2S). La velocidad de conversin es el resultado de la interaccin de las variables que influyen en la cintica de las reacciones que intervienen en el proceso. A pesar de su importancia (principalmente para el rea de Ingeniera de Procesos y Metalurgia), en la prctica poca atencin se le ha prestado en la Fundicin de Chuquicamata. No obstante, como veremos a continuacin es un parmetro clave y junto al tiempo efectivo de soplado reflejan en esencia la eficiencia del proceso. Este parmetro de desempeo depende exclusivamente del flujo y enriquecimiento del aire de soplado, que son las dos variables que es posible de someter a control directo por parte del operador del proceso de conversin. Este parmetro es independiente de la ley de cobre en eje/mata y metal blanco. En las figuras 20 y 21 se puede ver el efecto de estas dos variables sobre este parmetro en ambas etapas del ciclo de conversin (soplado a escoria y soplado a cobre).

27

Para poder definir el nivel de enriquecimiento del aire de proceso y el flujo de aire de proceso adecuados para la conversin de la Fundicin Chuquicamata se debe hacer un anlisis del ciclo completo, para determinar el efecto de cada parmetro y las posibilidades ciertas de alcanzar los valores meta requeridos.

Figura 20: Velocidad de conversin Flujo y %O2 de aire de soplado

Etapa Soplado a Escoria (Fuente: Modelacin Proceso Conversin)

Figura 21: Velocidad de conversin Flujo y %O2 de aire de soplado

Etapa Soplado a Cobre (Fuente: Modelacin Proceso Conversin)

1,70

1,90

2,10

2,30

2,50

2,70

2,90

680 700 720 740 760 780 800 820

21,5% O2 22,0% O2 23,0% O2 24,0% O2 25,0% O2 26,0% O2 27,0% O2 28,0% O2

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21,5% O222,0% O2

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680 700 720 740 760 780 800 820

21,5% O2 22,0% O2 23,0% O2 24,0% O2 25,0% O2 26,0% O2 27,0% O2 28,0% O2

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25,0% O2

26,0% O2

27,0% O228,0% O2

28

x Angulo de soplado (). Esta es una variable que es caracterstica propia del reactor y de la instalacin de manejo de gases asociada. Esta relaciona la posicin de la boca de carga del reactor respecto de la ubicacin de la campana de extraccin de gases y permite definir la proyeccin del flujo de gas y el volumen utilizado efectivo del reactor (llenado). Dado que esta es una condicin que slo puede modificarse si existe el espacio suficiente y la geometra del edificio de la nave lo permite, se considerar que no es posible modificarse para efectos prcticos del manejo de variables que dependen de la gestin operacional. En la Figura 22, se muestra un esquema con el ngulo de soplado para un reactor de Conversin Peirce-Smith tpico.

Figura 22: Angulo caracterstico de la boca del reactor

(Fuente: Manual de Operacin CPS Gerencia Fundicin-Refinera DCh)

6.4. ANALISIS DE VARIABLES EXTERNAS Las variables de control externas son aquellas que no pueden ser gestionadas por el operador de conversin, pero que sin embargo, es importante que ste las conozca y sepa en qu valores viene cada una de ellas para saber que decisiones debe tomar. Por tanto, es rol de la supervisin a cargo de la nave y de los equipos o procesos involucrados mantenerlas en el rango de operacin adecuado para lograr la estabilidad de los procesos aguas abajo.

Ubicacin de las toberas

Sumersin normal de las toberas

Nivel normal del bao

Angulo total de la boca

Angulo al centro de la boca respecto de la vertical

29

Las principales variables externas que intervienen en el proceso son las siguientes: x Cantidad de eje y metal blanco (ton).

La duracin del ciclo de conversin depende de la cantidad de eje y metal blanco que se procesa en el reactor. Debido a las dimensiones de cada uno de estos hornos y a su volumen til, la alimentacin de eje y metal blanco est acotada y estandarizada a un total de 9 ollas: 5 ollas de eje o mata (185 ton) y 4 ollas de metal blanco (200 ton). Por lo tanto, esta variable puede considerarse aproximadamente constante entre un ciclo y otro. La cantidad de eje y metal blanco producido por los equipos de fusin, Horno Flash y Convertidor Teniente, respectivamente, depender de la distribucin que se realiza en el programa de produccin y del contenido de cobre en la alimentacin a cada uno de ellos. Para efectos de este estudio, se ha asumido que la ley de alimentacin es constante y que solamente podr modificarse el nivel de fusin de concentrado en funcin de la productividad de la conversin.

x Ley de cobre del eje/mata producido en el Horno Flash (%). Esta es una variable importante del proceso, ya que determina el inicio del soplado y afecta el tiempo total de ciclo de conversin. A una menor ley de eje, mayor es el tiempo requerido para el proceso y mayor es la cantidad de escoria que se producir incrementando las prdidas metalrgicas (aumenta el contenido de Fe), afectando adems, la continuidad del proceso. En la Figura 23 se muestra en efecto de la ley de eje en el tiempo efectivo de del proceso de conversin (este tiempo no incluye las prdidas de tiempo por efecto de interrupciones al proceso). Importante tambin es la variabilidad que presenta el contenido de cobre en la mata producida en el horno flash, ya que una baja dispersin se reflejar en un proceso ms controlado y por ende, con una mayor eficiencia y productividad. Por el contrario, cuando la dispersin aumenta, se reflejar en una operacin ms deficiente y prolongada. El proceso de fusin en Horno Flash de la Fundicin Chuquicamata actualmente se encuentra operando en un valor promedio de ley de cobre en el eje o mata en torno a 61,8%Cu en un rango de 3,0% absolutos. Lo anterior, se refleja en que el tiempo efectivo del ciclo de conversin variar en 0,64 horas (38 minutos).

30

Figura 23: Tiempo efectivo soplado en funcin de la ley de cobre en mata.

La tendencia de los ltimos 6 aos de operacin muestra que la ley de eje ha ido en franco descenso, motivado principalmente por una menor ley de cobre en el concentrado (Figura 24). Esto permite explicar en parte el incremento del tiempo de los ciclos de conversin existente hoy en la Fundicin Chuquicamata (alrededor de 0,26 horas).

Figura 24: Ley de cobre en eje Horno Flash (periodo 2007 2012)

(Fuente: Informacin operacional Gerencia Fundicin-Refinera)

x Ley de cobre en el metal blanco producido en el Convertidor Teniente (%). Al igual que la ley de cobre en eje, el contenido de cobre en el metal blanco afecta el tiempo total de ciclo de conversin, cuya incidencia se refleja en la

6,00

6,25

6,50

6,75

7,00

7,25

7,50

7,75

8,00

8,25

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8,75

53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Tiempo de Ciclo de Conversin Peirce-SmithTiempo (h)

Ley de Cobre en la mata (%)

62,8

62,1

61,761,4 61,4

60,7

61,8

59,5

60,0

60,5

61,0

61,5

62,0

62,5

63,0

2007 2008 2009 2010 2011 2012 Total

%Cu eje

31

etapa de soplado a cobre. A una menor ley de metal blanco, mayor es el tiempo requerido y mayor es la cantidad de escoria que se producir, afectando adems, la continuidad del proceso. En la Figura 25 se muestra en efecto de la ley de metal blanco en el tiempo efectivo de del proceso de conversin (este tiempo no incluye las prdidas de tiempo por efecto de interrupciones al proceso). Tal como se analiz con la ley de eje, la variabilidad que presenta el contenido de cobre en el metal blanco producido en el Convertidor Teniente influye en el desempeo operacional de convertidores, ya que una baja dispersin se reflejar en un proceso ms controlado y por ende, con una mayor eficiencia y productividad. Por el contrario, cuando la dispersin aumenta, se reflejar en una operacin ms deficiente y prolongada. El proceso de fusin en Convertidor Teniente de la Fundicin Chuquicamata actualmente se encuentra operando en un valor promedio de ley de cobre en el metal blanco en torno a 74,1%Cu en un rango de 2,5% absolutos.

Figura 25: Efecto ley de Cu en metal blanco en el tiempo efectivo de soplado.

(Fuente: Modelacin Conversin Tesis MBA) La tendencia de los ltimos 6 aos de operacin muestra que la ley de metal blanco ha ido en franco descenso, al igual que la ley de cobre en eje del Horno Flash (Figura 26). Esto permite explicar tambin el incremento del ciclo de conversin existente hoy en la Fundicin Chuquicamata (0,5 horas).

5,60

5,70

5,80

5,90

6,00

6,10

6,20

6,30

6,40

6,50

6,60

69 70 71 72 73 74 75 76 77

Tiempo de Ciclo de Conversin Peirce-SmithTiempo (h)

Ley de Cobre en metal blanco (%)

32

Figura 26: Ley de metal blanco Conv. Teniente 2 (periodo 2007 2012)

(Fuente: Informacin operacional Gerencia Fundicin-Refinera)

x Ley de cobre en la carga fra (%Cu).

La calidad de la carga fra depende de su origen y del manejo que se realice, tanto en la nave, como en el rea de seleccin y harneado que posee la Fundicin. Esta influye en la conversin, por cuanto una baja calidad de estos materiales, se generar un exceso de escoria incrementando las prdidas metalrgicas y afectando su productividad. Adicionalmente, el reactor quedar sucio, lo cual implicar realizar maniobras adicionales para realizar limpiarlo mediante el uso de eje o mata de baja ley (< 60%Cu), lo cual implicar, cambios en el punto de operacin del horno flash, atrasos en la configuracin de los otros ciclos y como consecuencia de ello, una menor fusin de concentrado. Por otro lado, una calidad buena de carga fra favorece la operacin del convertidor, por cuanto se genera una cantidad adecuada de escoria (asociada al contenido de fierro), permite disminuir el tiempo de soplado y en consecuencia, adelantar la carga del ciclo. A pesar que esta no es una variable que pueda gestionar el operador de convertidores, ste debe advertir anticipadamente los sntomas asociados a una calidad pobre de la carga fra y dar aviso temprano para realizar las correcciones que corresponda. Para efectos del presente estudio, asumiremos que tanto la generacin de carga fra, as como el manejo y seleccin de la misma se encuentran bajo control y dentro de un rango estndar y por lo tanto, las calidades y cantidades son las adecuadas para el proceso.

x Presin del aire de soplado (libra/pulg2, psi). La presin del aire que se inyecta en el bao fundido est dada por la presin de la red de aire comprimido de baja presin, habitualmente en 20 psi a la entrada de las toberas. Si la presin disminuye, el efecto que produce en el proceso es que no se lograr que el burbujeo de aire penetre lo suficiente al

73,8

74,9 74,9

73,473,1

72,2

74,1

70,5

71,0

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73,0

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75,0

75,5

2007 2008 2009 2010 2011 2012 Total

%Cu MB

33

interior del reactor y no lograr vencer la presin metalosttica del bao, impidiendo que ingrese el flujo de aire requerido. Esta es una variable que el operador no puede gestionar. Sin embargo, es responsabilidad de ste verificar en todo momento que sta se encuentra dentro del rango de operacin normal (alrededor de 20 psi). Para efectos prcticos de este estudio, se considerar que esta variable cuyo valor se mantiene dentro de un rango que no influye significativamente en el proceso.

x Presin del Oxgeno (libras/pulg2, psi).

La presin del oxgeno tcnico que se inyecta junto al aire de soplado est dada por la presin de la red de distribucin, habitualmente en 50 psi, cuyo suministro principal se obtiene de las tres plantas de oxgeno que dispone la Fundicin Chuquicamata para sus procesos. Si la presin disminuye, el efecto que produce en el proceso es que no se alcanzar el flujo de oxgeno requerido para el proceso, afectando negativamente el ciclo de conversin. Al igual que la presin de aire de soplado, esta es una variable que el operador no puede gestionar. Sin embargo, es su responsabilidad verificar que en todo momento sta se encuentra dentro del rango de operacin normal. Para efectos prcticos de este estudio, se considerar que esta variable cuyo valor se mantiene dentro de un rango que no influye significativamente en el proceso.

x Movimiento al interior de la nave Fundicin. En la actualidad, el manejo de materiales en la nave se ha hecho cada vez ms difcil y complejo, siendo uno de los principales obstculos para mejorar la eficiencia y productividad de la conversin, limitando el nivel de produccin global de la Fundicin. Este es un aspecto que no haba sido estudiado en profundidad, si no hasta el ltimo par de aos. El movimiento al interior de la nave depende de la cantidad de material que se genera en los equipos de fusin (y por ende, del nivel de fusin de y ley de cobre de la mezcla alimentada) el cual define el resto de los flujos requeridos a manejar (escoria, cobre blster, carga fra, etc.). Dentro de los principales factores que influyen en el manejo de la nave, se encuentran los siguientes:

x Parque de gras-puente

En la actualidad, el parque de gras presenta muchas dificultades debido principalmente, a que corresponden a equipos antiguos cuya disponibilidad y confiabilidad ha ido disminuyendo sustancialmente en el ltimo tiempo. Las recurrentes fallas obligan a realizar mantenimiento fuera de programa, afectando negativamente el manejo de la nave y provocando un cuello de botella que trae como consecuencia una disminucin en la eficacia de la conversin y por ende, un menor nivel de fusin.

34

La definicin del parque de gras-puente ha sido validado a travs de una modelacin dinmica paralela a este estudio que ha ratificado que el movimiento de la nave se cumple manteniendo 4 gras-puente operativas.

x Parque de ollas

Para mantener el movimiento de la nave, tambin se requiere de un parque de ollas que permita atender los requerimientos de los equipos de fusin (eje y metal blanco, principalmente), conversin y refinacin y moldeo (cobre blster y escorias). En el ltimo tiempo, se ha sumado factores de seguridad a la definicin del parque de ollas, por tanto, para efectos del presente estudio asumiremos que la reciente definicin del parque de ollas no ser limitante para alcanzar los resultados esperados.

6.5. ANALISIS DE VARIABLES RESPECTO DE BENCHMARKING El establecimiento de brechas est basado en un anlisis de benchmarking, tomando en consideracin las mejores prcticas de la industria nacional e internacional. Para tales efectos, se ha realizado un anlisis de informacin operacional contenida en los reportes de informacin proporcionado por Brook Hunt e informacin recopilada durante visitas a algunas plantas industriales tanto nacionales como extranjeras. Las variables y parmetros que se han sometido a evaluacin de benchmark son las siguientes: x Flujo total de aire de soplado (Nm3/min).

La informacin operacional correspondiente al flujo total de aire de soplado promedio, tanto para la etapa de soplado a escoria como soplado a cobre, se presenta en las Figuras 27 y 28. En estas se observa que existe un espacio de mejora respecto de aquellas instalaciones que muestran un mejor desempeo, el que se puede traducir en un aumento del flujo entre 50 a 100 Nm3/h, valores que representan una brecha de 7% a 14%. Dado que la condicin actual de las mquinas de punzado existentes puede ser un obstculo para lograr la meta propuesta, ser fundamental que se gestione en forma especial el cambio de estas mquinas por un modelo ms moderno que opere en forma automtica. De acuerdo a la informacin obtenida de proveedores de esta tecnologa, al menos se puede lograr un incremento de un 7% en el flujo promedio de soplado, por el hecho de contar con un equipo automtico. Ello implicar adems, un esfuerzo en asegurar el alineamiento de la lnea de toberas necesario para lograr este objetivo.

35

Se sugiere implementar un plan de trabajo para establecer una curva de aprendizaje que considere como meta intermedia elevar el flujo hasta 750 Nm3/h en promedio, para posteriormente llegar a un valor que se encuentre en un rango entre 770 a 800 Nm3/h.

Figura 27: Flujo de aire (Nm3/h) - Etapa de soplado a escoria

(Fuente: Brook Hunt)

Figura 28: Flujo de aire (Nm3/h) - Etapa de soplado a cobre


360 367416

481 495 500510 510

510 520 550 558560 600

690 700 700718 732 742 750 750

770800

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240

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940

1040

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935

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140

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min

)

36

Al incluir en el anlisis el efecto del tamao del reactor, se confirma que es tcnicamente factible que la Fundicin Chuquicamata alcance un flujo de soplado por sobre 750 Nm3/h, ya que instalaciones con reactores de tamao similar o menor logran un flujo promedio superior al que esta instalacin tiene (Figuras 29 y 30).

Figura 29: Flujo de Aire de soplado Tamao reactor (longitud)

Etapa de soplado a escoria (Fuente: Brook Hunt)

Figura 30: Flujo de Aire de soplado Tamao reactor (longitud)

Etapa de soplado a cobre (Fuente: Brook Hunt)

x Flujo de aire por tobera (Nm3/min/tobera) El flujo de aire por tobera permite evaluar la si es factible inyectar un mayor volumen de aire, sin modificar la cantidad de toberas que dispone cada reactor. Los antecedentes recolectados de nuestra fuente de informacin

10,1

10,1

10,5

10,6

10,7 11,2

11,5

11,7

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12,2

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13,4

13,6 13,9

19,7

300

400

500

600

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900

1000

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37

(Figuras 31 y 32), nos muestra que tanto en el soplado a escoria como en el soplado a cobre, existen instalaciones que son ms intensivas en esta variable que Chuquicamata. Al respecto, el mejor desempeo que se observa muestra que es posible alcanzar en ambas etapas de soplado valores entre 15,0 a 15,6 Nm3/min/tobera. Ahora bien, los Convertidores Peirce-Smith de Chuquicamata poseen un diseo que les permite alcanzar un valor nominal de 850 Nm3/min y un valor mximo de 1.000 Nm3/h. Los valores anteriores son equivalentes a 15,4 Nm3/min/tobera nominal y 18,1 Nm3/min/tobera mximo, lo cual confirma que establecer una meta de 750 Nm3/min como primer escaln y posteriormente 770 a 800 Nm3/min es factible de lograr.

Figura 31: Flujo especfico aire soplado por tobera - Etapa soplado a escoria


Figura 32: Flujo especfico aire soplado por tobera - Etapa soplado a cobre


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2,0

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38

Un aspecto a considerar con el aumento del flujo de aire de soplado, es el incremento en la cantidad de material proyectado o splashing que se puede generar durante el proceso de conversin. Este fenmeno depende principalmente del volumen del reactor, del ngulo de soplado y de la ubicacin de la lnea de toberas por debajo del bao. El valor mximo de flujo de 1.000 Nm3/min que poseen por diseo estos reactores en Chuquicamata considera fue calculado con un valor lmite de 18,1 Nm3/min/tobera sin la ocurrencia de este fenmeno.

x Enriquecimiento del aire de soplado (%O2) Tal como vimos en los captulos anteriores, enriquecer el aire de soplado con oxgeno tcnico, tiene varios beneficios para el proceso de conversin. Esta variable, es una de las ms utilizadas para incrementar la eficiencia y productividad de este proceso. En las Figuras 33 y 34, se puede observar diversos niveles de enriquecimiento, siendo los valores ms utilizados entre 23% a 25% en ambas etapas de soplado. Los valores mximos se encuentran entre 27,5% a 30%, como son el caso de las fundiciones de Harjavalta, Tamano y Saganoseki en la etapa de soplado a escoria y Harjavalta y Paipote en la etapa de soplado a cobre. El aumento en el enriquecimiento del flujo de soplado en ambas etapas, junto con presentar beneficios respecto de la duracin de ciclos y disminucin del caudal de gases a plantas de cido, plantea cambios en las prcticas operacionales, tales como: aumento en el consumo de carga fra y chatarra de cobre, aumento de concentracin de gases de salida, mayor atencin en el control de temperatura, entre otros.

Figura 33: Enriquecimiento flujo de aire - Etapa soplado a escoria


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39

Figura 34: Enriquecimiento flujo de aire - Etapa soplado a cobre


x Ley de cobre en eje o mata alimentado al proceso (%Cu)

Las mejores prcticas de la industria del cobre, han ido en bsqueda de un incremento en la ley de eje, como una manera de acortar el tiempo efectivo del ciclo de conversin. En esta variable, los mejores referentes son las fundiciones de Das dAvila (63%Cu) y Chagres (63,1%Cu) en Sudamrica, Harjavalta (65%Cu) y Rnnskr (67%) en Europa, Onsan (68%Cu), Saganoseki (63,4%Cu), Tamano (64,1%Cu) y Toyo (64%Cu) en Corea-Japn. Se incluye en el anlisis a la Fundicin de San Manuel (63%Cu), que a pesar de encontrarse cerrada desde 1999, ha sido uno de los principales referentes en operacin de Horno Flash y conversin Peirce-Smith (Figura 35). El valor meta que se debe considerar para la Fundicin Chuquicamata para la ley de cobre en eje es en torno a 65%Cu, el cual debe llevarse a cabo con un incremento gradual desde el valor actual (60,7%), para asegurar la adquisicin de esta experiencia prctica operacional.

20,0

21,0

22,0

23,0

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25,0

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40

Figura 35: Ley de Cu en eje o mata (%)

(Fuente: Brook Hunt )

x Ley de cobre en metal blanco alimentado al proceso (%Cu)

El anlisis de la industria para la variable contenido de cobre en metal blanco (Figura 36), muestra que el valor medio de Chuquicamata del ltimo ao se encuentra por debajo del valor meta que se espera para una Fundicin con reactores tipo El Teniente. An cuando la disminucin de la ley de cobre en metal blanco haya sido influenciada por optimizar el tratamiento de impurezas, con la incorporacin de calcina de la Divisin Ministro Hales, el impacto ser menor y por tanto, una mayor ley de cobre en el producto del Convertidor Teniente debiese ser una buena medida operacional a favor de la conversin (etapa de soplado a cobre). El valor meta a considerar para Fundicin Chuquicamata en el corto plazo es de 74-75%Cu, con una curva de aprendizaje debiese ser no mayor a 1 ao, ms an si se considera que se proyecta alimentar calcina de la Divisin MH de Codelco, cuyo contenido de cobre (37-38%) favorece el incremento de ley de cobre en metal blanco.

63,1

60,7

63,0

53,8

56,0

65,0

58,0

60,8

62,0

60,3 61,060,0

62,0

58,0

62,7

59,9

55,5

62,0

54,0

60,8

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61,4

52,0

67,0

63,4 63,064,1 64,6

60,0

40,0

45,0

50,0

55,0

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