INDICE

I. Introducción.

II. Diseño del convertidor teniente.

III. Desarrollo.

IV. El proceso de fusión.

V. Convertidores teniente.

VI. Ventajas y desventajas.

VII. Bibliografía.

HORNO CONVERTIDOR TENIENTE

I. INTRODUCCIÓN. A comienzos de la década del 70, en el contexto de los planes de proyectos que se ejecutaban en la División El Teniente, que contemplaba aumentar la capacidad de producción de la Fundición de 180 a 250 kTMF/año, se iniciaron las primeras experiencias de fusión de concentrado húmedo en un convertidor convencional Peirce Smith (oxigen smelting) que consiste en fundir concentrado por balance de calor y arrastre de concentrado en los gases. Los resultados insatisfactorios obtenidos en las pruebas, la crisis energética de la época y la disponibilidad de una planta nueva de oxígeno de 400 tpd, impulsaron a la administración de la Fundición a desarrollar nuevas tecnologías. En este contexto se construyó un reactor piloto, en donde se desarrolló la investigación que culminó en 1976 con un importante quiebre tecnológico, el diseño del primer Convertidor Teniente (CT), capaz de fundir y convertir concentrados de cobre a metal blanco, aprovechando el calor generado en las reacciones de oxidación del eje producido en los hornos de reverbero. La primera unidad instalada (de 4 m x 16 m) inició su operación en enero 1977. Posteriormente se instaló una segunda unidad (de 4 m x 17 m) en 1978. Estas unidades procesaban diariamente 500 toneladas de concentrado húmedo y 300 toneladas de eje de reverbero. Con posterioridad comienza el desarrollo de la tecnología de la inyección de concentrado seco, con la cual durante el año 1991 se logra alcanzar una operación autógena, que es una de las particularidades de este convertidor, es decir, pasó a ser un reactor capaz de fundir y convertir concentrados de cobre a metal blanco en un solo equipo y sin aporte de energía externa (autógeno). Esto lo puede lograr con el enriquecimiento de oxígeno dependiendo del tipo de concentrado. Esta cualidad le permitió fundir del orden de 1960 toneladas seca de concentrado por día, este hito marcó el comienzo de la detención de los Hornos de Reverbero existentes en Chile. El Convertidor Teniente tiene el gran mérito de aumentar el rendimiento y además ahorrar energía, lo cual es doblemente importante ya que economizar es siempre una importante prioridad, especialmente en Chile por no ser un gran productor de petróleo, lo que significa ahorro de divisas. En el proceso de fusión tradicional, el petróleo es un ítem importante en el costo global, lo que se elimina en parte en esta etapa, que se conoce como “Proceso Teniente”. El Convertidor Teniente, se ha desarrollado en conjunto con otras tecnologías tales como el proceso de limpieza pirometalúrgica de escorias, conformando la llamada “Tecnología Teniente”. Los desafíos actuales de productividad, medio ambiente y costos, ofrecen una oportunidad para revisar y mejorar el desempeño de la tecnología del Convertidor Teniente.

II. DISEÑO DEL CONVERTIDOR TENIENTE.

El convertidor Teniente, desarrollado y patentado por la División El Teniente de Codelco, es un reactor pirometalúrgico encargado del proceso de fusión - conversión de concentrado de cobre, de dimensiones que varían entre 3,8 y 5 m de diámetro y entre 14 y 22 m de longitud, dispuesto en posición horizontal y revestido por ladrillos refractarios en su interior. Este horno está montado sobre un sistema de cremalleras que le permiten oscilar. Su diseño permite un alto nivel de flexibilidad para adaptar el proceso a diferentes escenarios de disponibilidad de concentrado, eje, oxígeno, número de toberas en operación (tasa de soplado), etc.

Zonas del CT

En la mayor parte de los reactores piro metalúrgicos, los procesos ocurren especialmente diferenciados y el CT no es la excepción. La zonificación del Convertidor Teniente puede esquematizarse como sigue:

1. Zona de inyección de toberas: Esta región se encuentra a lo largo de la mitad del CT, y sobre el extremo del casco se ubican cuatro o cinco puertas removibles donde se montan 45 y 50 toberas dispuestas en grupos de a 10 en 5 paños, para el insuflado de aire y oxígeno y 4 toberas de diseño especial para la inyección sumergida de concentrado totalmente seco. Cada tobera, exceptuando la décima, en cada paño inyecta aire enriquecido con oxıgeno; la décima tobera inyecta concentrado de cobre seco y aire al interior del CT. La zona en que se encuentran ubicadas las toberas se denomina espalda del convertidor. La figura 2.2 muestra la zona de toberas:

Zona de Toberas en el Convertidor Teniente.

2. Zona de Metal Blanco: Esta zona corresponde a la región ocupada por el metal blanco, que por decantación se encuentra por debajo del nivel de escoria, que tiene una densidad menor.

3. Zona de Escoria: Corresponde a la zona ocupada por la escoria producida por

el proceso de fusión conversión y que se deposita por sobre el nivel del metal blanco.

4. Zona de Gases: Corresponde a la región interna del CT que se encuentra por sobre el nivel de escoria y metal blanco. Para la captación de gases y polvos del proceso, dispone de una campana fabricada de paneles refrigerados por agua, con una compuerta móvil en su parte anterior para permitir un buen sellado de la misma, cuando el convertidor está en posición de soplado.

5. Pared de refractarios: La pared de refractarios es un revestimiento interno que posee el CT para la contención del baño fundido que se encuentra a temperaturas cercanas a los 1200ºC.

6. Zona de la boca: La boca se fabrica en acero fundido, con placas apernadas reemplazables. Los pernos son de gran resistencia a la deformación en caliente. El área del convertidor, vecina a la boca es protegida de derrames de material fundido, por medio de una placa de protección. Corresponde a la región por la cual escapan los gases del CT (figura 2.3).

Zona de la boca en el Convertidor Teniente.

7. Zona del garr-gun: En la zona superior de la culata se ubica el inyector de carga sólida o garr-gun, de diseño adecuado para la adición sobre el baño del concentrado fundente y otros materiales. Es la región por donde se inyecta la carga fría, es decir, sílice, concentrado húmedo y concentrado seco.

8. Zona exterior (pared externa de metal): es la carcasa metálica que soporta el

recubrimiento interior de refractario que posee el CT. El casco se fabrica en placas de acero especial y resistente a deformaciones por sometimiento a carga permanente, con altas temperaturas. Interiormente está revestido con ladrillos refractarios de cromo-níquel. La figura 2.4 muestra un esquema completo de la zonificación en el CT:

Zonas y operaciones en el CT.

III. DESARROLLO

Funcionamiento del CT

Esencialmente el Convertidor Teniente es un reactor que toma material con una cierta ley y libera material con una ley superior (Metal Blanco) obviamente acompañado con la liberación de otros elementos tales como gases y elementos de baja ley (escoria). La operación del Convertidor Teniente se efectúa mediante la regulación de los flujos de concentrado seco, fundente y carga fría que son alimentados constantemente para ser fundidos en el interior de éste. El modo de funcionamiento consiste en que es cargado en forma continua con concentrado de cobre y sílice (cuarzo) por la abertura ubicada en su parte superior. La sílice tiene por objeto captar el hierro contenido en los minerales sulfurados fundidos y concentrarlo en la parte más liviana de la mezcla fundida. Cuando el nivel del baño llega a una altura de 1.5 [m] de altura se procede al sangrado de escoria, que se realiza cada 20 minutos aproximadamente. En el caso del sangrado de metal blanco se toma una medición de nivel del baño para determinar el momento del sangrado, así cuando el nivel es de aproximadamente 1 [m] de metal banco se procede al sangrado que ocurre aproximadamente cada 1 hora.

Situación física interna del CT

Flujos de entrada Concentrado Proviene de las plantas de beneficio (concentradoras) y se acopia en tolvas de almacenamiento. Es clasificado de acuerdo a su lugar de origen ya que cada concentrado tiene una mineralogía asociada, por lo cual su efecto en el proceso es ligeramente distinto (aporte energético). La mineralogía típica del concentrado contiene Calcopirita (CuFeS2), Calcosina (Cu2S), Bornita (Cu5FeS4) y Pirita (FeS2) como sus componentes principales.

Fundente Proviene del cuarzo de mina o de arena de playa y del mismo modo que el concentrado, se almacena en una tolva exclusiva.

Circulante Proviene de restos de material que queda adherido en el fondo de las ollas de eje y escoria. Este material es enviado al área de procesamiento de minerales para su chancado, en donde es triturado y molido para luego ser enviado a una tolva de almacenamiento.

Aire de proceso Es el aire inyectado al Convertidor Teniente, el cual tiene un cierto porcentaje de enriquecimiento en oxígeno. La mezcla Aire-Oxígeno es controlada en función del flujo y características del concentrado.

Flujos de salida o Productos del proceso.En el convertidor Teniente los elementos se concentran en fases de acuerdo a su peso, lo que da como productos principales tres fases:

Metal blanco o Eje Consiste en una mezcla sulfuros de cobre y hierro, los cuales salen en forma discontinua del Convertidor Teniente. Corresponde a la fase más densa del material fundido, por lo cual se ubica en la parte inferior del baño y está compuesto principalmente por Cu2S y FeS (sulfuros de cobre con 74 a 76 % de cobre (1220 °C) con contenidos menores de fierro). La cantidad de eje producido está determinada por contenido de azufre en la carga del horno ya que el cobre es el primero que toma el azufre necesario para formar Cu2S. La proporción es aproximadamente una cuarta parte de azufre por unidad de cobre según la fórmula del Cu2S. Luego de que el cobre presente se haya combinado con el azufre, el resto del azufre se combinará con el hierro para formar FeS (1,75 unidades de Fe por 1 unidad de S). Esta mezcla es posteriormente enviada a través de ollas al proceso de conversión, el cual se realiza en los convertidores convencionales Peirce-Smith. Durante la operación, el nivel que alcanza el Metal Blanco varía entre 1.00 [m] y 1.30 [m] aproximadamente El descenso del nivel es debido al sangramiento de metal blanco y el aumento a la inyección continua del material por las toberas.

Escoria Corresponde a la fase más liviana del material fundido, formada por óxidos de hierro y componentes del fundente agregado. Consiste en una mezcla líquida que contiene principalmente en Fayalita (Fe2SiO4), Magnetita (Fe3O4) y Sílice (SiO2). Contiene otros compuestos en menores cantidades como Alúmina (Al2O3), Cuprita (Cu2O) y Calcosina (Cu2S). Al igual que el eje, la escoria es retirada del Convertidor Teniente de forma discontinua a una temperatura aproximada entre 1200 y 1250°C. Esta se envía de vuelta al horno de reverbero o a hornos destinados a limpieza de escoria para recuperar el contenido de cobre que aún le queda (5 a 8%). La escoria alcanza un nivel aproximado de 40 [cm] con una variación de unos 10 [cm] según el estado de operación del CT.

Polvos oxidados Corresponden a uno de los productos del proceso de oxidación, los cuales son captados y tratados del mismo modo que los polvos sulfurados. Los polvos oxidados recuperados son retornados al Convertidor Teniente.

Gases Los gases están compuestos tanto por los gases producidos por las reacciones de fusión como también por los gases inertes del aire insuflado al Convertidor Teniente. Los componentes principales de los gases de salida son N2 (proveniente del aire empleado para oxidar el concentrado), SO2 (8 a 10% generado por las reacciones de oxidación), CO, CO2, S2, O2 , agua y arrastre de sólidos finos (polvos oxidados) producto de la oxidación de la carga. Los gases son captados por una campana para posteriormente ser tratados para la recuperación de polvos y captación de SO2. El gas

tiene un contenido de SO2 del orden del 10 a 60% y está determinado por la cantidad de aire soplado, el tipo de concentrado y el grado de mata producido. En los últimos años el volumen de SO2 producido por reactores de fusión ha aumentado debido al uso de aire con mayor cantidad de enriquecimiento, lo cual reduce la cantidad de nitrógeno y quemado de combustible en el horno. Los gases de salida también suelen contener cantidades substanciales de polvo (hasta 0.3 Kg/Nm3). El polvo proviene de:

Pequeñas partículas de concentrado que no reaccionó. Gotas de mata/escoria que no sedimentaron Elementos volátiles contenidos en el concentrado, como arsénico, antimonio,

bismuto y plomo, los que se solidificaron mientras el gas se enfriaba o reaccionaron para formar compuestos no volátiles.

El polvo normalmente contiene entre 20 y 40% en peso de cobre, haciéndolo potencialmente valioso. Los gases de salida son normalmente tratados para la recuperación de calor, captación del SO2 y recuperación de sólidos.

IV. EL PROCESO DE FUSIÓN.

CONVERSIÓN DE CONCENTRADO DE COBRE

El proceso de fusión conversión en el Convertidor Teniente está basado en fenómenos físico - químicos de inmiscibilidad en fase líquida.

FUSION El objetivo de la fusión es llevar a estado líquido el concentrado de cobre sólido y producir en este estado la separación de fase sulfuradas (metal blanco o eje) y fase oxidada (escoria). La fase de sulfuros en lo posible debe contener todo el cobre alimentado mientras que la escoria debe estar, en lo posible, exenta de cobre. El calor generado en el CT se debe a las reacciones de oxidación que ocurren en él y su velocidad de generación depende del flujo de oxígeno y de la ley del metal blanco. El balance de calor se ajusta mediante la adición de los circulantes fríos generados en el proceso de fundición, por el grado de enriquecimiento del aire de soplado y por el uso del quemador sumergido.

CONVERSION El Convertidor Teniente tiene un sistema de cañerías en el interior, las cuales inyectan cuarzo e insuflan aire enriquecido con oxígeno, el cual permite la oxidación del hierro y del azufre presentes en los minerales que constituyen el concentrado. El hierro forma magnetita (Fe3O4), la cual se concentra en la escoria y el azufre forma gases los cuales junto a otros gases son evacuados a través de una campana. Los gases producidos en la fusión son utilizados en las calderas para producir vapor, el cual se emplea para generar energía eléctrica a través de turbogeneradores. Los gases de fusión tienen un contenido del orden de 8 a 10% de SO2, el cual es captado en gran parte para posteriormente producir ácido sulfúrico (H2SO4). Las reacciones de oxidación en el proceso de fusión - conversión se regulan mediante la razón másica de la carga alimentada y el flujo de oxigeno inyectado al CT. La fusión-conversión en el CT se produce a temperaturas cercanas a 1240 °C mediante la inyección de presión de aire enriquecido al 35-36% con oxígeno. En el Convertidor Teniente se generan tres flujos de materiales:

_ Metal Blanco líquido, con 74 - 76% de cobre (1220ºC); _ Escoria líquida, con 8% de cobre (1240ºC); y _ Gases, con un 25% de SO2 (1260 ºC).

Respecto a la capacidad típica de procesamiento de concentrado, el CT posee un nivel de producción que varía entre 1800 a 2500 toneladas de concentrado diarias. Esto se logra con un flujo de aire de soplado de alrededor de 940 [Nm3=min] con adición de oxígeno al 36% a 250 [Nm3=min]. La temperatura a la entrada de las toberas alcanza los 100 [ºC] y la presión en el manifold es del orden de los 20 [psi].

V. CONVERTIDORES TENIENTE

El Proceso Teniente es interesante a nivel mundial porque además de ser importantísimo para el cobre, puede ser utilizado para obtener otros metales.

VI. VENTAJAS Y DESVENTAJAS

Ventajas del Convertidor Teniente

Bajo consumo de combustible, pudiendo llegar a ser autógena por la combinación adecuada de enriquecimiento del aire y oxidación de la carga.

Alta capacidad unitaria de producción, cuatro veces superior a la de un horno de reverbero convencional.

Concentración alta y constante de anhídrido sulfuroso (S02) en los gases. Ejes de alto grado (Ley en Cobre).

Desventajas del Convertidor Teniente

Aumento de costos en algunos centros productivos por la necesidad de secar el concentrado a niveles mucho más riguroso que los utilizados en los otros procesos de fusión, como también por la necesidad de incorporar una planta de oxígeno.

Comparado con el Horno Reverbero su única desventaja es que el proceso no se presta para la limpieza de escoria.

La reacción en cuestión desprende gases que son nocivos al medioambiente, como lo son: SO2, CO, CO2, As, etc. La forma de mitigación que implementó la división El Teniente de Codelco para mejorar la captura de gases fue la creación de dos plantas de limpiezas de estos mismos, si bien, la captura se ha visto incrementada, aún se encuentra lejos de la manipulación de sustancias nocivas.

Las dificultades que se producen en la operación debido a:

VI. Información extra

Aspectos de seguridad industrial Las medidas de seguridad del equipo parten por identificar los riesgos del Convertidor Teniente. Éstos son principalmente riesgos de carga suspendida, etapas de sangrado de metal blanco y escoria, caída desde plataformas, quemaduras por altas temperaturas, zona de salida de gases, girado de emergencia del equipo, transporte de material fundido, carga de retornos líquidos, máquina de punzado automático y fenómeno de espumación.

Desafíos futuros: Los desafíos futuros del CT están asociados a mejorar la productividad del equipo, reducir las emisiones de gases al medio ambiente y reducir costos de operación y mantención. En este sentido, una línea de desarrollo considera incrementar la capacidad del CT de modo tal de lograr, por ejemplo la fusión actual de la Fundición Caletones sólo con un CT.

VII. Bibliografía

http://es.scribd.com/doc/104626326/Convertidor-Teniente

http://es.scribd.com/doc/84627703/Convertidor-tipo-teniente

http://es.scribd.com/doc/61816946/Horno-Flash-Convert-Id-Or-Teniente

http://es.scribd.com/doc/93165709/Informe-Parcial-3

https://www.codelcoeduca.cl/procesos_productivos/escolares_fundicion.asp

http://www.codelco.com/1977-codelco-puso-en-marcha-convertidor-teniente/prontus_codelco/2011-03-26/112849.html