Fusión Flash

1. Fusión Flash Fusión Flash OK Fusión Flash INCO

2. 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

3. 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

6. 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

9. 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

11. 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

12. 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

15. 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

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

18. 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

19. 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

20. 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

22. 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

23. 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

24. 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

25. 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

26. 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

28. 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

29. 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

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

32. 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

34. 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

36. 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

37. 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

38. 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

39. 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)

42. 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

43. 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

44. 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)

45. 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

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

49. 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

50. 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