Optimization of the Shaft Furnace in the Secondary Copper Industry Sebastián Rivera Maldonado

Proyecto Alfa Esta memoria de título fue desarrollada en el marco del proyecto Alfa “Tecnologías Limpias en la Industria Minero-Metalurgia”. El desarrollo experimental fue realizado en la industria secundaria de Cobre Montanwerke Brixlegg situada en Tirol, Austria.

Información General Con más de 250 trabajadores Montanwerke Brixlegg procesa material secundario con aproximadamente 100.000 toneladas de cobre al año.

Información General Los principales productos finales con valor comercial producidos por Montanwerke Brixlegg son: Cátodos de Cobre 20.000 tpa Lingotes de Cobre 80.000 tpa Metales Preciosos (Ag, Au, Pd, Pt) 35 tpa Polvos (Alto Horno + Convertidor) 3.500 tpa Escoria Fayalítica 25.000 tpa

Descripción General Proceso

Descripción Proceso Alto Horno Carga  chatarra y residuos internos Hierro  Principal Reductor Coque + Aire Enriquecido  Energía Productos Principales  Cobre negro, escoria fayalítica, óxidos de zinc y plomo.

Datos Horno Altura = 4,5 m Área Transversal = 3,2 m2 12 toberas Capacidad de procesamiento = 60.000 tpa Cobre Negro = 22.000 tpa Escoria = 25.000 tpa

Principales Reacciones Químicas C + O2 = CO2 (1) CO2 + C = 2CO (2) Fe + Cu2O= FeO + 2 Cu (3) Fe + ½ SnO2 = FeO + ½ Sn (4) Fe + ZnO = FeO + Zn (5) Fe + PbO = FeO + Pb (6)

Productos Alto Horno Cobre Negro  75 – 85 % Cu + (Fe, Ni, Sn, Zn) Escoria  50 % FeO + 20 % SiO2 + ZnO + CaO + MgO (~ 1 % Cu) Polvos finos  40 % ZnO + 15 % PbO + 7 % Cu

Objetivos Los principales objetivos del proyecto son: Aumentar la capacidad de procesamiento del horno Recuperar metales de valor comercial Disminuir los costos de producción

Experimentos Transporte de polvos Enriquecimiento de Oxígeno Distribución de Aire Inyectado Cargas Especiales al Horno

Transporte de Polvos Los polvos de salida del Alto Horno son dos: Polvos finos Polvos Gruesos Los polvos gruesos son transportados por la corriente de gases de salida. Actualmente estos polvos son reciclados directamente al horno sin previo tratamiento.

Efectos Transporte de Polvos

Experimentos Toma de muestras diarias del polvo grueso transportado Tamizaje del polvo para determinar la distribución de tamaño Determinación de la frecuencia de acumulación de los polvos gruesos

Resultados Transporte de Polvos

Resultados Tamizaje

Resultados Composición Química

Resultados Composición Química

Enriquecimiento de Oxígeno Normalmente se inyectan 120 m3/h oxígeno que representa un 23 % de enriquecimiento Se desea determinar el óptimo enriquecimiento de oxígeno para aumentar la capacidad de procesamiento del horno

Enriquecimiento de Oxígeno Al aumentar el contenido de oxígeno en el aire inyectado menos la concentración de nitrógeno disminuye el cual no ayuda a la combustión y consume calor Aumenta la capacidad de procesamiento del horno Aumentan las pérdidas de metal en la escoria al existir mayor oxidación

Experimentos Enriquecimiento de Oxígeno Variar el enriquecimiento de oxígeno hasta 300 m3/h aproximadamente (26 %) Medidas de temperatura de material de salida del horno Cálculo de la cantidad de material procesado en el día

Resultados Enriquecimiento de Oxígeno

Resultados Enriquecimiento de Oxígeno

Resultados Enriquecimiento de Oxígeno

Resultados Enriquecimiento de Oxígeno La ecuación obtenida es: Y = X*9,659 + 5600,8 Y: Capacidad de procesar material (Kg/h) X: Enriquecimiento de Oxígeno (m3/h) 120 m3/h  6760 Kg/h = 162 ton/día 300 m3/h  8499 Kg/h = 204 ton/día 1% Oxígeno = 60 m3/h  600 Kg/h

Resultados Enriquecimiento de Oxígeno

Distribución del Aire Inyectado El aire inyectado se distribuye en 12 toberas de igual diámetro Es importante una homogénea distribución del aire inyectado para producir iguales condiciones térmicas en el horno

Distribución del Aire Inyectado Caso Ideal Caso Real

Experimentos Distribución Aire Inyectado Medidas de la velocidad de aire inyectado en las toberas seleccionadas Medidas de temperatura del agua de enfriamiento en ambos lados del horno

Resultados Distribución Aire Inyectado

Resultados Distribución Aire Inyectado

Cargas Especiales al Horno Actualmente en cada “pila” se cargan: 30 toneladas de material fino (polvos, cenizas, etc.) una mezcla de escoria proveniente del convertidor y horno de refino Pesos de carga metálica (cada 30 minutos) de aproximadamente 5 toneladas

Cargas Especiales al Horno area (m2) Peso (Kg) 0,66 181 - 363 0,89 363 - 544 1,17 544 - 680 1,48 680 - 907 1,82 907 - 1361 2,63 1587 - 2268 3,58 2494 - 3402 4,67 3628 - 4535 5,91 4535 - 6350 Compound Converter Anode Furnace Cu2O 37,91 39,89 NiO 9,00 2,85 PbO 4,63 2,31 SnO2 10,03 3,38 ZnO 1,70 6,46 FeO 25,73 9,31 SiO2 5,91 14,51 Al2O3 2,34 6,11 CaO 0,58 1,79

Experimentos Cargas Especiales al Horno Carga de 50 % menos de material fino (15 toneladas) Carga de escoria proveniente del convertidor solamente Carga total de 4000 Kg máximo de material secundario (cada 30 minutos)

Resultados Cargas Especiales al Horno

Resultados Cargas Especiales al Horno Al cargar solamente escoria proveniente del convertidor, en promedio: Cu en Cobre Negro  disminuyó de 75 % a 73,3 % Sn en Cobre Negro  aumentó de 7,2 % a 8,2 % Ni en Cobre Negro  aumentó de 4,5 % a 5,6 % Pb en Polvo Fino  aumentó de 14,0 % a 15,4 % Zn en Polvo Fino  se mantuvo constante

Resultados Cargas Especiales al Horno

Resultados Cargas Especiales al Horno

Correlaciones en MODDE Pérdidas de cobre en la escoria Contenido Normal Chatarra de Hierro Alto Contenido Chatarra de Hierro

Correlaciones en MODDE Capacidad de Procesamiento (toneladas/día)

Correlaciones v/s Experimentos Las pérdidas de cobre en la escoria según MODDE son alrededor de 1.7 % al igual que los resultados observados durantes los experimentos MODDE indica que utilizando 225 m3/h de enriquecimiento de oxígeno, la capacidad de procesamiento del horno es 7563 Kg/h Según la ecuación obtenida experimentalmente: Capacidad de procesamiento = Enriquecimiento Oxígeno*9,659 + 5600,8 225 m3/h O2  7774 Kg/h

Conclusiones La acumulación de material en las paredes del horno produce una reducción del área transversal aumentando la velocidad de los gases de salida y mayor transporte de polvos La razón de acumulación de polvos en el cajón izquierdo es entre 1 – 3 Kg/min y en el cajón derecho entre 0,3 – 0,8 Kg/min

Conclusiones El contenido de los principales elementos en los polvos de salida del horno son: La disminución de material fino ayuda a disminuir el transporte de polvo grueso Los polvos gruesos con alto contenido de cobre son arrastrados por el flujo de los gases de salida

Conclusiones Al aumentar en un 1 % el enriquecimiento de oxígeno en el aire inyectado: La temperatura del metal aumenta en 50°C aproximadamente La capacidad de procesamiento del horno aumenta en 580 Kg/h Las pérdidas de cobre en la escoria alcanzan 1,7 % con un enriquecimiento de 300 m3/h

Conclusiones Una heterogénea distribución de tamaño de partículas en el horno produce una desigual distribución del aire inyectado y diferentes condiciones térmicas en distintos puntos del horno La capacidad de procesamiento del horno aumenta al reducir de 5000 Kg a 4000 Kg la carga de material metálico La carga exclusiva de escoria proveniente del convertidor no tiene un efecto marcado en los productos finales del alto horno

Recomendaciones El polvo grueso debe ser aglomerado antes de ser reciclado al horno Duplicar el enriquecimiento de oxígeno (~250 m3/h)  capacidad de procesamiento 8000 Kg/h Homogeneizar la distribución de tamaño de la carga al horno Cargar solo escoria proveniente del convertidor durante una jornada (20 días) para cuantificar los efectos en toda la fundición Reducir el peso de carga de material metálico a 4 toneladas y realizar pruebas con pesos aún menores

EL COBRE PUEDE SER RECICLADO CUANTAS VECES SEA NECESARIO SIN ALTERAR SUS PROPIEDADES

Gracias