Fusión Flash OK Fusión Flash INCO

Fusión Flash Outokumpu FSF ampliamente adoptado desde 1970 (30 hornos aprox.) Usa, Japón Se sopla aire-O2, concentrado seco + fundente SiO2 en un crisol a 1250ºC Dentro de horno caliente partículas reaccionan “rápidamente” con O2 Se controla cuidadosamente oxidación de Fe y S del concentrado Existe un gran generación de calor Se funden los sólidos Proceso de “fusión” continuo Al usar $ O2 se hace auto térmico Proceso adecuado para partículas de concentrado de 50 μm

Productos FSF Outokumpu Mata fundida de 60% Cu Escoria hierro-silicato con 1.2% Cu Gases con polvos arrastrados 10-70% SO2 Mata se envía a conversión para oxidación Cu Escoria se envía a ttmiento para recuperar Cu Gases van a ttmiento SO2  (H2SO4) Las metas de FSF OK son producir Composición, Tº de mata constante  CPS Escoria que va a tratamiento para obtener una escoria descartable Gases ricos en SO2  H2SO4 eficientemente Realizar 1, 2 y 3 rápidamente y con eficiencia energética

Diseño 24 [m] L  7 ½ [m] W  2 [m] H (1988) Torre de Reacción de 6 [m] D  7 [m] H Up take gases de 5-6 [m] D  9 [m] H Quemador de concentrado que funde 3000 tpd 8 sangrías de mata y 6 de escoria Características Principales: Quemadores de concentrado (1- 4), que se mezclan con O2 soplando dentro del horno Torre de Reacción donde ocurre mayoritariamente reacción entre O2 y partículas de concentrado Sedimentador donde se colecta gotas de mata y escoria y forman capas separadas Sangrías con bloques de Cu refrigerados Up-Take para evacuar gases 10-40% SO2

Detalles de Construcción Interior ladrillos de MgO o MgO·Cr2O3 Están apoyados exteriormente por chaquetas de Cu refrigeradas en zonas de mayor desgaste y acero 1-3 [cm] El techo son ladrillos de MgO·Cr2O3 suspendido en barras de acero La torre de reacción y varias partes del horno están refrigeradas para evitar sobre calentamiento y debilitamiento de la estructura Quemador consiste de 2 tubos concéntricos una central donde se alimenta concentrado y un anulo para el aire/O2 Una eficiente dispersión se alcanza con concentrado seco

Operación en Estado Estable Alimentación estable de soplado de O2/N2, concentrado/fundente seco y circulante por el quemador Conc. Combustión continua combustible en quemadores aux. crisol y/o torre. Descarga continua de gases a recuperadores de calor, remoción de polvo y captura de SO2 Sangrado intermitente de mata que va a conversión y escoria que va a recuperación

Equipos Auxiliares Para entradas: Secador de concentrado Planta de producción de oxígeno Sopladores (y algunas veces precalentadores de aire) Para salidas: Caldera recuperadora de calor Sistema de recuperación y reciclo de polvos Ventiladores extractores de gas Planta de acido sulfúrico Sistema de tratamiento de escoria

Control AJUSTA 5 PARÁMETROS Tasa de alimentación de concentrado Tasa de alimentación de fundente Tasa de inyección de soplado Enriquecimiento de oxígeno Tasa de combustible fósil OBJETIVO Fusión estable de concentrado a la máxima tasa de fusión Producción de mata, escoria y gases a composición y temperatura constantes Temperatura y ley de eje especifica Temperatura y %SiO2 especifico

Desarrollo Mejorar captura SO2 Disminuir consumo energía Aumentar productividad Mejorar condiciones de trabajo Disminuir costos

Optimo O2 en el Soplado En 1990 se encontró que la mejor manera de operar un FSF es: Una ley de Eje entre 60 a 65% Suficiente $ oxígeno de modo que la operación sea auto térmica Una ley de 60 a 65% requiere un $ O2 de 45 a 80% para ser auto térmica Menos O2 requerirá combustible en la torre Mas O2 requerirá oxidar menos Fe y S para evitar sobrecalentamiento en la torre, por lo cual, disminuye la ley del eje

Beneficios de Uso de O2 Menos requerimiento de combustible fósil Bajo flujo de gases a través del horno Flash y su sistema de manejo de gases Alta concentración de SO2 en los gases de salida, buena eficiencia de captura de SO2 El bajo flujo de gas es importante porque la torre de reacción, up-take, y equipos de manejo de gases son mas pequeños Alta concentración de SO2 permite beneficiar los gases diluidos de los CPS para una captura eficiente y producción de H2SO4 Concentrados bajos en Fe y S (Cu2S) requieren mayor $ O2

Optima Ley del eje Se selecciona de acuerdo a Obtener tanto calor como sea posible para oxidar Fe y S en el horno Flash Maximizar la generación de SO2 y minimizarla en los CPS (ineficiente) Aumentar la temperatura del horno para adecuarse a los mayores puntos de fusión de ejes de mayor ley y escorias ricas en magnetita Mantener suficiente Fe y S en la mata de modo tal de llevar a cabo la conversión auto térmicamente De lo anterior se selecciona 60 a 65% Además con esta ley la magnetita sólida generada se deposita en las paredes de la torre de reacción y sedimentador lo que provee una capa protectora en la paredes y chaquetas

Máxima Tasa de Fusión Tasa Fusión aumenta al aumentar tasa de alimentación de aire, O2, concentrado y fundente Esto se hace hasta que alguna parte del horno o de la fundición se sobrecargue, limite es: La tasa de fusión depende de zona donde ocurren las reacciones (torre), a una tasa mayor no reaccionará en la torre y resultara en concentrado “no fundido” que cae al crisol. El flujo de calor máximo que puede ser extraído desde la torre de reacción - la tasa de fusión, y por ende la generación de calor mayores producirán sobrecalentamiento y daño FSF modernos aumentaron tasa de fusión mejorando el diseño del quemador y la extracción de calor ha aumentado “diseñando” chaquetas

Cuellos de Botella Los mas importantes son: Tasa máxima de producción de oxígeno Capacidades máximas de la caldera recuperadora de calor y captura de polvos Tasa máxima de captura de SO2 en la planta de acido sulfúrico Tasa máxima de la Conversión (subsiguiente) Además al aumentar la tasa de fusión pueden aumentar las perdidas de Cu en las escorias, especialmente en FSF seguido de HELE Tiempo de residencia disminuye en FSF disminuye

Mejoras Aumentar $ O2 a nivel de autotermia mejora captura SO2 y productividad Operar a ley de eje mayor, mejora captura de SO2, disminuye consumo Energía y baja necesidad de conversión Un solo quemador concentrado asegura distribución uniforme Refrigeración mas efectiva, mejora campaña del horno Control automático Aumentar sangrías de mata por todo el crisol, evita formación de Fe3O4

Mecanismos de Fusión Flash Partículas de Concentrado seco se inyectan continuamente a un horno caliente rodeadas por un gas oxidante O2/N2 Partículas “ven” superficie caliente y llamas en el horno y comienzan a calentarse por calor transferido por radiación Partículas alcanzan Tº de ignición FeS2 = FeS + ½ S2 a 600ºC 2CuFeS2 = Cu2S + 2FeS + ½S2 a 500ºC Al mismo tiempo S2 comienza a ser rápidamente oxidado por el O2 que lo rodea ½ S2 + O2 = SO2 + calor Calor generado calienta y funde las partículas creando una reacción en cadena

Mecanismos de Fusión Flash (2) Oxidación continúa hasta que partículas se oxidan completamente, hasta cuando O2/ que la rodea se agota, o si cae en la escoria Las siguientes partículas que entran al horno “ven” y son calentadas por las partículas oxidadas y calientes – la fusión continua hasta que la alimentación de concentrado/O2-N2 se detiene El tiempo de residencia en la torre es 1 – 3 s, por lo tanto, oxidación debe ser rápida Partículas pequeñas de concentrado Distribución uniforme de O2 – N2 $ O2 lo que aumenta % O2 sobre superficie

Mecanismos post Fusión Partículas sobre y sub – oxidadas que caen en la escoria reaccionan hasta alcanzar el equilibrio, según FeS + Fe3O4 = 10FeO + SO2 Cu2O + FeS = Cu2S + FeO FeS y Cu2S finales se hunden hasta la mata Simultáneamente, los óxidos de Fe, SiO2 y otros óxidos se fijan en la escoria 2FeO + SiO2 = Fe2SiO4

Fusión Flash INCO International Nickel Co Cu:1980 (Chino), Marczeski-Aldrich 1986 Cu-Ni: 1990 Sudburry (2) “Toda la metalurgia no ferrosa será beneficiada con el uso de oxígeno barato . . . la aplicación de oxígeno revolucionara el arte de fundir y posiblemente cambiara toda la operación y equipamiento" F.W. Davis en el U.S. Bureau of Mines 75 años atrás

Instalaciones 2002: Almalyk, Uzbekistan,1975 Hayden, Arizona, 1986 Hurley, New Mexico, 1993 Sudbury, Ontario (2 Hornos), 1997

Características Usa O2, 95 a 98%, en vez de aire $ Aire y concentrado, se soplan horizontalmente No requiere caldera recuperadora Q. Se usa para sedimentar mata de escoria de conversión fundida Toda la energía para fusión proviene de la oxidación del Fe y S del concentrado alimentado Muy pocas veces se requiere combustible fósil

Productos Mata 55 a 60 % en peso Cu Escoria < 1 % en peso Cu Gases (Salida) 70 a 80 % SO2 La mata se envía a conversión en CPS La escoria se envía al escorial, algunas veces a recuperación Los gases de proceso se envía a enfriamiento, remoción de polvo y captura de SO2 (H2SO4 y SO2(l)) SO2 es un agente reductor y se usa para blanqueamiento, como fumigante y preservador de alimentos. Liquido se usa para purificar productos del petróleo

Ventajas Pequeño tamaño de su suministro de soplado Pequeño tamaño de equipos de manejo de gases Lo anterior se debe a su casi ausencia de nitrógeno en el soplado y gases de salida

Detalles de Construcción Es una estructura refractaria de Cr2O3MgO con chaquetas de cobre refrigeradas en las áreas de mayor desgaste Sus componentes básicos son: Quemadores de concentrado, dos en cada extremo, secador de concentrado, secador de fundente y reciclaje de materiales que son soplados dentro del horno. Una salida de gases central donde son conducidos a enfriamiento, remoción de polvo y captura de SO2 Sangrías para retirar mata y escoria

Quemadores de Concentrado El quemador de concentrado es un tubo de acero inox. revestido con refractarios y con chaquetas refrigeradas con agua, de ¼ [m] D  1 [cm] de espesor El O2 se sopla horizontalmente pasando por un baffle, mientras que el concentrado y fundente caen a través de un sistema de alimentación Los quemadores se insertan dentro del horno mediante collares de cobre refrigerados con agua en las paredes laterales. Se remueven fácilmente para inspección y limpieza Están angulados 5 grados hacia dentro y 5 grados hacia abajo (llama sobre baño) Se inyecta una lanza O2 en la salida de gases para quemar S2 evitando acreciones

Refrigeración con Agua Paredes laterales y del extremo equipados con chaquetas refrigeradas con agua planas e inclinadas para mantener integridad del horno Esto causa depósitos de Magnetita protectores Esto hace una campaña de 6 años Razón excesiva erosión del refractario (línea de escoria)

Sangrías de Mata y Escoria Mata: 4 laterales Escoria: 1 en extremo Block de ladrillo refractario con placa de cobre refrigerada con agua Nivel escoria 0.5 m Nivel de mata 0.2 a 1 m Sangrías se rotan para “lavar” magnetita

Up - take Hecha de ladrillo refractario Se inyecta O2 para eliminar S pirítico, para que no ppte, en equipos de enfriamiento y colección de polvos

Equipos Auxiliares Secador Planta de Oxígeno Equipo de Refrigeración de Gases Sistema de Recuperación y Reciclo de Polvos Sistema de Captura de SO2 Sistema de Recuperación de Cobre (opcional)

Salida de Gases y polvos Los gases son enfriados y limpiados del polvo en: Un enfriador evaporativo (rociadores de agua) donde el gas se enfría de 1230ºC a 80ºC y el 90% del polvo es atrapado quedando como barro Ciclones, lavadores (scrubbers), PES húmedos Gases de salida contienen 60-75% SO2 Sólidos recuperados contienen 35% Cu

Operación y Control Estables Soplado de O2, concentrado seco, fundente y polvos/circulante Sangrado intermitente de mata y escoria

Metas Fundir concentrado a una tasa determinada (tph) Mantener la temperatura del horno y su mata y escoria a su temperatura especificada (1250ºC) Producir una escoria fácil de descargar que contenga el menor contenido de Cu posible

Estrategia de Control Fijar la alimentación de concentrado seco a su valor predefinido Ajustar el flujo de O2 de modo tal que el Fe y S sean oxidados a la tasa exacta (es decir, genere el calor exacto) para mantener el horno a la Tº requerida Ajustar la razón flujo/concentrado de alimentación para alcanzar la composición de escoria especificada Controlar la ley del eje mezclando los materiales de alimentación

Inco versus OK OK tiene un quemador INCO 4 Refrigeración de la torre vertical del OK, maneja el calor liberado mucho mejor que el horizontal INCO OK recupera calor en calderas Soporte en Operación e Ingeniería