Pirometalurgia: Horno Flash Inco

Académico: Dr. Ricardo Jeldres

INTRODUCCIÓN.

ALUMNOS: - ALICIA CONDORI LUNA- Islamán Villalobos Bannura

23 DE MAYO DE 2016

Hoy en día la obtención de productos de minerales, ya sean metálicos o no metálicos ocurre

a partir de procesos hidrometalúrgicos y/o pirometalúrgicos, según la naturaleza de la

materia prima a procesar.

La pirometalurgia es una rama de la metalurgia extractiva en la que se emplean procesos

para obtención y refinación de metales utilizando calor, como en el caso de la fundición,

conversión, tostación, entre otros. Esta técnica es una de las más antiguas utilizadas para la

extracción de metales, ya que permite adquirir material de importancia (metales)

directamente de sus menas o de estas mismas luego de haber sido concentradas por medio de

calor.

Trata principalmente de la extracción del material valioso del mineral, a través de la

separación de este del material de poco interés (ganga). El rango de temperaturas en estos

procesos suele sobrepasar los 950°C, por lo que para la mantención de esta propiedad tan

relevante se necesita de un aporte de energía en la mayoría de los casos; energía brindada

por la(s) reacción(es) exotérmica(s) ocurrida en el proceso, energía eléctrica o por la adición

de un agente reductor, que puede ser combustible. Se adhiere que el proceso se denomina

autógeno cuando la energía liberada por la reacción exotérmica es suficiente para mantener

la temperatura requerida (es decir, sin energía eléctrica o adición de agentes).

En una fundición de cobre es posible distinguir cuatro etapas procesales principales, las

cuales son: el secado, la fusión, la conversión, la refinación y la limpieza de escorias (Fig.1),

en la que cada una de estas etapas cuenta con objetivos, tecnologías y reacciones diferentes,

que aportan al proceso del cobre sulfurado. Existen también otras etapas relevantes del

proceso que se destacan, como el secado de concentrados húmedos, la captación de gases y

la planta de ácido, el proceso de moldeo de ánodos y en algunos casos la tostación y

generación de calcina.

El presente documento tiene por objetivo principal dar a conocer la tecnología de fundición

INCO de forma sintetizada, abarcando conocimientos de su elaboración, estructura,

funcionamiento y puntos de control mayoritariamente. Se tiene además por objetivo

secundario entregar conocimientos generales de lo que es la fundición flash como proceso

pirometalúrgico.

Figura 1. Esquema de procesos principales en fundiciones de concentrados de cobre.

FUSIÓN FLASH.

Los hornos de fusión instantánea (flash) son uno de los desarrollados más recientes después

de la segunda guerra mundial para la fusión de mata o eje (principal producto del horno

flash). Estos hornos son autógenos, o sea, como se dijo previamente aprovechan la oxidación

de los sulfuros que contiene la carga para aportar el calor necesario para que ocurra la

fundición y alcanzar las temperaturas de reacción.

El proceso de fusión flash consiste esencialmente en oxidar un flujo de concentrados (finos,

secos y sin tostar, compuestos en mayor parte por Cu-Fe-S, junto con el fundente) en una

corriente de aire enriquecido con oxígeno (aire con más de 21% de O2) o aire precalentado.

La oxidación se lleva a cabo en el interior de una cámara cilíndrica vertical, llamada torre de

reacción, en donde el concentrado seco y el aire enriquecido son inyectados por un

quemador ubicado en la parte superior de la torre. A medida que la suspensión gas-sólido

sale del quemador y fluye hacia abajo por la torre de reacción, las partículas sólidas se

calientan por convección desde el gas que las rodea y por radiación desde las paredes de la

torre, hasta que alcanzan una temperatura a la cual la reacción de oxidación de las partículas

genera más calor del que se puede disipar al ambiente. Esta temperatura es llamada de

ignición y varía entre 400 y 550 °C.

Finalmente, las partículas alcanzan una temperatura a la cual la tasa de calor generado por

la oxidación, iguala a la disipación por convección y por radiación hacia el ambiente.

Durante la etapa nombrada las partículas se funden, convirtiéndose en pequeñas gotas. El

producto final de la torre, es principalmente, una mezcla heterogénea de sulfuros de cobre

fundido (Cu2S), sulfuros de hierro (FeS), magnetita (Fe3O4 ¿, sílice (SiO2) y ganga, los que

se separan en dos fases en la zona llamada de asentamiento o settler, formando la escoria, el

eje y los gases.

De acuerdo a lo expuesto anteriormente se afirma que los productos obtenidos del proceso

flash son:

Un producto fundido rico en cobre, fierro y azufre, llamado eje o mata.

Un producto fundido que contiene hierro oxidado (FeO) y óxidos del fundente,

llamado escoria.

Flujo de gases, los que contienen SO2 de la oxidación del azufre y N2 del aire de

soplado, más CO2 y H 2O si suplementariamente se usa un combustible fósil en el

horno.

La mata fundida (también llamado eje), es el principal producto del horno flash, el cual

contiene entre 40 y 65% de Cu en la forma de Cu2S, además de FeS e impurezas como

arsénico, antimonio, plomo, zinc, etc.

La escoria del horno flash contiene entre 0,5 y 2% de cobre, la que usualmente es enviada a

un proceso de tratamiento de escoria, para recuperar el cobre contenido en ella.

El gas del horno flash, contiene entre 10 y 80% en volumen de SO2 dependiendo del

contenido de oxígeno en el aire de soplado. Este gas es captado, enfriado y limpiado de los

polvos y enviado a una planta de fijación del SO2, que generalmente es una planta de ácido.

FUSIÓN FLASH INCO.

Se data que desde 1952 aproximadamente fue el comienzo de la investigación del Proceso

INCO, lo que ha generado años de experiencia en la disciplina de separación en hornos

flash. Se menciona que en 1993 dos unidades de horno flash de diseño interno INCO fueron

implementados como parte de un programa de modernización de fundición con un capital de

$625 millones. El mandato del programa SOAP era la disminución de emisión de SO2 en

gases de escape desde 685 a 265 kilotones por año en un complejo de función Copper Cliff

en Ontario, Canadá. Cabe mencionar que la utilización de este equipo fue llevada a sectores

de Norte América, mas no a Europa.

INCO fue la primera compañía en usar oxígeno industrial en estas unidades tan nuevas en

la industria no-ferrosa, la que trataba en aquellos entonces concentrados de pirrotita de cobre

con alta cantidad de níquel. Se agrega que las instalaciones de mayor relevancia en la

historia se indican a continuación:

1. Almalyk, Uzbekistán. 1975.

2. Hayden, Arizona. 1986.

3. Hurley, Nuevo México. 1993.

4. Sudbury, Ontario. 1997.

El horno flash INCO corresponde básicamente a una estructura de refractarios de

Cr2O3−MgO cubierta por acero de 1 cm de espesor. El crisol (componente a través del cual

se alimenta el horno) es un arco invertido hecho de ladrillos de MgO (altamente resistentes

al fuego), por otro lado, las paredes son de ladrillos resistentes al fuego de Cr2O3−MgO, y

el techo es un arco de refractarios de Cr2O3−MgO con una abertura de aire de 15 cm entre

el refractario y la cubierta de acero (Fig.2). Se adhiere que cuenta con 4 sangrías laterales

para la mata y 1 en un extremo para la escoria (sangrías se rotan para lavar magnetita),

además de un block de ladrillo refractario con placa de cobre refrigerada con agua.

En los hornos más nuevos los ladrillos del techo ubicado cerca de la salida de gases están

suspendidos en un arco sobre el horno. De lo descrito se menciona que los componentes de

mayor relevancia del horno INCO son:

1. Quemadores de concentrado, dos en cada extremo del horno, a través de los cuales se

soplan oxígeno industrial y concentrado seco dentro del horno.

2. Una salida de gases en el centro a través de la cual los gases son retirados y se envían a

los sistemas de enfriamiento, remoción de polvo y fijación del SO2.

3. Orificios de sangría de mata y escoria a través de las cuales los productos líquidos son

removidos en forma periódica desde el horno.

Figura 2. Partes del Horno Flash INCO.

El horno de fusión flash INCO consiste en el soplado de oxígeno industrial alimentado con

concentrado seco (compuesto de Cu-Fe-S), fundente (SiO2) y materiales de reciclo,

horizontalmente dentro de un crisol caliente a 1500 K.

El ingreso de concentrado dentro del horno y la creación de una suspensión concentrado-

oxígeno reactiva requieren que el concentrado sea secado previo a la fusión. Se usan

secadores de lecho fluidizado o flash, con petróleo o gas natural como su fuente de calor

principal. La mezcla concentrado fundente seca (0.1 % en peso de H 2O) es captada y

almacenada en tolvas sobre el horno.

El horno flash INCO comienza con un suave calentamiento (una semana) con quemadores

a petróleo o gas, hasta alcanzar su temperatura de operación, periodo de tiempo en el que el

horno se encuentra cerrado principalmente para dejar que el horno se enfríe a su velocidad

natural y permitir el mayor drenaje de mata y escoria durante la fundición como sea posible.

Luego estos quemadores son reemplazados por quemadores de concentrado y comienza la

fusión, lentamente al principio y alcanzando la máxima productividad en varios días. La

fusión puede interrumpirse por varios días reemplazando los quemadores de concentrados

por fósiles y manteniendo la temperatura del horno lo suficiente para preservar la estabilidad

del arco.

El horno opera de modo tal, que el flujo de oxígeno inyectado a un flujo de alimentación de

concentrado determinado genere una temperatura específica del eje y escoria producidas.

Esto fija la cantidad de Fe y S oxidados y, por lo tanto, también fija la ley del eje producido

(% en peso de cobre en el eje). Bajo este sistema de operación la ley del eje no es una

variable independiente. Sin embargo, la ley puede ser controlada actuando en la carga,

alimentando calcinas, precipitados, pirita, etc. La ley del eje esta entre el 45 a 55% en peso

de cobre. La composición de la escoria es un parámetro importante en la fusión flash INCO

porque esta se descarta, es decir, no va a una unidad de limpieza de escoria. Se sabe que para

que una escoria sea descartable su contenido de cobre debe ser inferior al 1%. Para lograr

esto, este proceso controla la razón Fe/ SiO2 en la escoria manteniéndola entre 0,8 a 0,9.

Para esto ajusta la alimentación de fundente basándose en análisis químicos. Entonces una

vez en el horno el oxígeno reacciona con el concentrado para generar:

1. Una mata líquida con una ley de 50% en peso de Cu.

2. Una escoria líquida con 1 % en peso de Cu.

3. Gases de salida con 70 a 80% en volumen de SO2.

La mata es vaciada dentro de ollas y enviada a los convertidores; la escoria también es

vaciada en ollas y trasladada a un escorial, los gases de salida son limpiados de su material

particulado y enviados a una planta de ácido sulfúrico o SO2 líquido (Fig. 3).

La casi absoluta ausencia de nitrógeno en el soplado y salida de gases genera como

ventajas de este equipo un pequeño tamaño de suministro de soplado y equipos de manejo

de gases

Se adjunta en la Tabla 1 algunos parámetros operacionales utilizados en hornos INCO a lo

largo del tiempo a modo de ejemplificar la importancia existente en tales puntos. Por lo tanto

se infiere que la estrategia de control del horno INCO consiste en:

Figura 3. Ejemplo estructural y de funcionamiento de Horno Flash INCO usado en Sudbury,

Ontario.

1. Fijar la alimentación de concentrado seco a su valor predefinido.

2. Ajustar el flujo de oxígeno de modo tal que el Fe y el S sean oxidados a la tasa

exacta (es decir, genere el calor exacto) para mantener el horno a la temperatura

requerida.

3. Ajustar la razón flujo/concentrado de alimentación para alcanzar la composición de

escoria especificada.

4. Controlar la ley del eje mezclando los materiales de alimentación.

Se conoce que existe también otro proceso de fundición flash llamado Outokumpu (OK), el

cual se diferencia del INCO debido a:

1. OK tiene 1 quemador e INCO 4.

2. Refrigeración de la torre vertical del OK maneja el calor liberado mucho mejor que

el horizontal INCO.

3. OK recupera calor en las calderas.

Tabla 1. Parámetros operacionales de Hornos Flash INCO.

Los objetivos principales durante la etapa de operación según lo explicitado son:

Fundición de Concentrados a un flujo de alimentación especificado.

Mantener el horno, su mata y escoria a sus temperaturas especificadas, 1500 K.

Producir una escoria que se sangre fácilmente del horno y que contenga tan poco Cu

como sea posible.

CONCLUSIÓN.

El horno flash Inco, utiliza oxígeno industrial (95 a 98% en masa O2) para oxidar y fundir

el concentrado alimentado. No requiere de combustibles fósiles. Utiliza

muy poco nitrógeno, el cual pasa a través del horno de Inco. Además, posee un sistema de

recuperación de calor residual, siendo una ventaja, debido a la cantidad de calor en el horno

de Inco, con lo que la cantidad de calor perdida con los gases de escape es pequeña. Esto

hace que el sistema general de fundición sea compacto y lo hace ideal para la sustitución de

los viejos hornos dentro de las fundiciones existentes. En Además, la producción de gas de

escape es rica en S02, alrededor del 75% en volumen.

El principal parámetro de control del horno Inco, es la relación:

Flujo deOxígeno Indust rialFlujo deConcentrado

Este parámetro determina la velocidad a la que Fe y S se oxidan en el horno, por lo tanto, la

velocidad a la que se desprende calor. Esto, a su vez, determina la temperatura del horno y

sus productos. La ley de la mata, no suele ser una variable independiente debido a que el

grado de oxidación es determinado por la alimentación de concentrado, la ley de la mata

puede, sin embargo, ser controlada en cierta medida por la alimentación de diferentes

mezclas de concentrado que se ingresen al horno.