Balance de energía convertidor Teniente

Balance de energía en el Convertidor Teniente

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RESUMEN

En este documento se analizará en profundidad el equipo Convertidor Teniente, su proceso consta de inyección de aire a través de toberas, permitiendo agitación del baño fundido y la oxidación parcial de la carga.   Se generan una serie de reacciones químicas en el convertidor, las cuales se dividen en descomposición, oxidación, y secundarias.   Se estudian también los balances de masa y energía, incluyendo  todas las entradas y salidas correspondientes del proceso en el equipo.

INTRODUCCIÓN

La pirometalurgia está compuesta por una serie de procesos que son de vital importancia para la obtención de ánodos de cobre, los cuales luego son procesados para obtener cátodos comerciables de alta pureza y calidad. A fin de lograr una buena calidad de ánodos es que en las fundiciones de cobre se utilizan reactores que son capaces de separar el cobre de sus impurezas, entre ellos está el Convertidor Teniente, esta es una tecnología implementada en Chile que permite realizar la etapa de fusión-conversión mediante la inyección de aire por toberas. Uno de los aspectos más relevantes a tener en cuenta en el uso del Convertidor Teniente es la energía utilizada y/o necesitada para que el proceso se lleve a cabo, es por esto que en el presente documento se analizarán los balances de masa y energía, además de las reacciones que ocurren en el equipo, siendo esta información de alta relevancia para la optimización del proceso.

DESARROLLO

Descripción del proceso:

Los hornos del CT suelen medir 4-5 m de diámetro y 14-23 m de largo. Los barriles del horno son de acero, de ~ 0,05 m de espesor, revestidos con aproximadamente 0,5 m de refractario de magnesia-cromo. Los hornos tienen 35-50 toberas (5 o 6 cm de diámetro) a lo largo del 65% de su longitud. El 35% restante de la longitud del horno es una zona de asentamiento tranquila [2].

El concentrado seco se inyecta a través de cuatro a seis toberas y la mezcla gaseosa formada por aire comprimido de baja presión y oxígeno industrial son inyectadas a través del resto de las toberas, estas permiten la agitación del baño fundido y la oxidación parcial del sulfuro de hierro y del azufre contenido en la carga. A través del garr-gun se alimenta el fundente o sílice y el material circulante.

En el Convertidor Teniente se generan tres flujos de materiales:
a) Metal Blanco líquido; b) Escoria líquida; y c) Gases.

El metal blanco producido en el CT, usualmente contiene un 72 – 76% Cu; 3 – 7% Fe y 21% S, se extrae a una temperatura de 1.220ºC. El Metal Blanco alimenta a los convertidores Peirce-Smith, donde continúa el proceso de producción con la etapa de conversión.

La escoria, que está formada por óxidos, fayalita, magnetita, sílice libre y componentes de la ganga, tiene un contenido promedio de 6 – 10 % Cu; 37,5% Fe total; 28% SiO2 y 18% Fe3O4, se extrae a una temperatura de 1.240ºC, posteriormente es trasladada a los Hornos de Limpieza de Escoria (HLE), donde se procesa para recuperar el cobre atrapado.

Los gases de proceso del reactor, que contienen principalmente anhídrido sulfuroso (25 % SO2 en volumen), se extraen en forma continua a través de la boca del CT a una temperatura promedio de 1.260ºC. Estos gases junto con el polvo arrastrado, se colectan por medio de una campana refrigerada por agua y se envían al circuito de enfriamiento y manejo de gases y polvos, para ser tratados finalmente en la Planta de Ácido, donde se trata para fijar el azufre contenido como ácido sulfúrico.

Estas emisiones están compuestas por gases y vapores: entre los que comúnmente se encuentra el nitrógeno, oxígeno, anhídrido sulfuroso, vapor de agua dióxido de carbono y monóxido de carbono; además de humos y material particulado, como pequeñas partículas que permanecen suspendidas y son transportadas por los gases, comportándose como tales [1]. En la figura 1 se puede observar un esquema resumen del Convertidor Teniente. [pic 2]

Figura 1. Esquema del horno de fundición Teniente, ~ 20 m de largo.

Reacciones químicas en el CT:

Dentro del convertidor teniente se pueden generan una gran cantidad de reacciones químicas, siendo estas clasificadas como: descomposición-oxidación, oxidación, secundarias, formación de escoria fayalítica y oxidación-reducción.

Reacciones de descomposición-oxidación:

En esta clasificación se generan reacciones químicas de descomposición del cobre, transformándose en sulfuros de cobre y hierro y gases.

Reacciones de oxidación:

En esta clasificación las reacciones están relacionadas con la oxidación de los sulfuros de cobre y hierro. En donde se producen ,   o bien  . [pic 3][pic 4][pic 5]

Cabe mencionar que si existe un exceso de aire enriquecido en el sistema el  seguira oxidandose formando nuevamente .[pic 6][pic 7]

Reacciones secundarias:

En esta clasificación es importante controlar las reacciones que ocurren con el cobre, ya que será recuperado en el proceso de conversión.

Reacciones de formación de escoria fayalítica:

Esta reacción es producida para mejorar la separación entre el metal blanco y la escoria. Ocurre cuando se adiciona  .[pic 8]

• Las reacciones que ocurren en el convertidor teniente son las siguientes:

Reacciones de descomposición-oxidación:

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Reacciones de oxidación:

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Reacciones secundarias:

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Reacciones de formación de escoria fayalítica

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Si bien estas reacciones químicas son clasificadas en etapas, ocurren de forma casi instantánea. Su clasificación es generada básicamente para tener una mayor comprensión de ellas.

Balance de masa

El balance de masa del Convertidor Teniente considera las siguientes corrientes:

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• Balance de masa Convertidor Teniente: 

𝐹𝑐𝑜𝑛𝑐 + 𝐹𝑓𝑢𝑛𝑑 + 𝐹 𝑂2 + 𝐹𝐶.𝐹 + 𝐹𝑟𝑒𝑡𝑜𝑟𝑛𝑜𝑠 = 𝐹𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 𝑏𝑙𝑎𝑛𝑐𝑜 + 𝐹𝑒𝑠𝑐𝑜𝑟𝑖𝑎 + 𝐹 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 + 𝐹𝑝𝑜𝑙𝑣𝑜𝑠  

Donde: Fi = Flujo másico de la corriente (i), [tpd].

Debido a que el Convertidor Teniente opera en continuo, es necesario que los productos sean evacuados en forma constante. Para esto, se utiliza el sangrado que consiste en la descarga del metal blanco y escoria a través de placas que se encuentran ubicadas en los cabezales del horno.

Cada Convertidor Teniente tiene una placa para metal blanco ubicada en el lado del Garr-Gun y a nivel de piso, y una para sangrado de escoria que se ubica en el cabezal del lado de la boca y a 150 [cm] del piso.

El Garr-Gun es una zona del Convertidor CT por donde ingresa la carga fría, el fundente y el concentrado húmedo. Mientras que la Boca es un sector ubicado en la parte superior del horno por donde circulan los gases producto de las reacciones que se llevan a cabo.

Las reacciones del concentrado son:

2𝐶𝑢𝐹𝑒𝑆2 +𝑂2 →𝐶𝑢2𝑆+2𝐹𝑒𝑆+𝑆𝑂2          ∆𝐻𝑟𝑥 = −120,64 [Mcal/ton]

2 𝐶𝑢𝑆 + 𝑂2 → 𝐶𝑢2𝑆 + 𝑆𝑂2                  ∆𝐻𝑟𝑥 = −343,78 [Mcal/ton]

2 𝐶𝑢5𝐹𝑒𝑆4 +𝑂2 →5𝐶𝑢2𝑆+2𝐹𝑒𝑆+𝑆𝑂2          ∆𝐻𝑟𝑥 = −39,58 [Mcal/ton]

𝐹𝑒𝑆2 + 𝑂2 → 𝐹𝑒𝑆 + 𝑆𝑂2                  ∆𝐻𝑟𝑥 = −445,96 [Mcal/ton]

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