CALIDAD DE CATODOS DE COBRE - GRADO A PLANTA DE OXIDOS TINTAYA PERU
Superintendente Metalurgia : Juliano Villanueva C. Metalurgista Planta : Edgar Ricce M.
CALIDAD GRADO A – CATODOS DE COBRE - TINTAYA
Contenido : 1. RESUMEN 2. INTRODUCCIÓN 3. CALIDAD GRADO A 4. BENEFICIOS DE PRODUCIR CALIDAD GRADO A 5. CARACTERÍSTICAS DE LA PLANTA DE ELECTRODEPOSITACIÓN EN TINTAYA. 6. CALIDAD GRADO A EN LA PLANTA DE ÓXIDOS TINTAYA Aseguramiento de la Calidad del Cobre Catódico Tintaya Factores que inciden en el incremento de Azufre Factores que inciden en el incremento de Plomo
1. RESUMEN : BHPBilliton Tintaya viene operando desde 1985 y produce cerca de 300,000 toneladas de concentrado de cobre al año, con una ley promedio de 30% de Cobre. El concentrado se produce en le planta concentradora, a partir de minerales con sulfuros de cobre especialmente chalcopirita. El Concentrado es transportado al Puerto de Matarani para su comercialización. Durante la extracción de sulfuros, los minerales oxidados fueron también minados y almacenados selectivamente en las canchas denominadas stock de óxidos. Los óxidos han sido almacenados desde el desarrollo y producción de los minerales sulfurados (1985) hasta la fecha. La tecnología para recuperar el cobre de los minerales oxidados de Tintaya ha sido desarrollada y evaluada desde 1982 hasta llegar a establecer un esquema de tratamiento que consta de chancado, Zarandeo en Húmedo, lixiviación de finos y gruesos, extracción por solventes y Electroobtención. El proyecto óxidos fue aprobado por la dirección de BHPBilliton en Febrero de 2001. La construcción también empezó ese mes. El circuito de chancado arrancó a fines de Marzo del 2002 y la primera producción de cátodos de cobre fue en el mes de Abril. Las operaciones de Óxidos de Tintaya se desarrollan con la misma filosofía de trabajo que contempla : alto compromiso con la seguridad y medio ambiente, excelencia operativa, trabajo en equipo y poniendo énfasis en una alta interrelación entre el personal de mantenimiento, metalurgia y operaciones. La producción anual desde el inicio de las operaciones ha ido en incremento actualmente se estima producir 38000 toneladas de cobre fino para el año fiscal 2006
2. INTRODUCCIÓN : La Nave de Electroobtención de la planta de Óxidos Tintaya, está diseñada para producir hasta 40000 ton /año, la producción de cobre fino desde el inicio de operaciones ha ido a un ritmo de : FY 2002 15600 ton/año (Inicio de Operaciones) FY 2003 35300 ton/año FY 2004 36000 ton/año FY 2005 37400 ton/año actualmente estamos produciendo a un ritmo de 38000 ton/año. En el año 2004, se logró la certificación Grado A - LME de nuestro cobre catódico, con buenas referencias de nuestros clientes (Nexans Canadá, AMROD).
La producción de cobre catódico es 100% de alta calidad – Grado A.
El presente trabajo trata de cómo hemos incrementado la producción sin perder la calidad – Grado A, que beneficia tanto a nuestros clientes (insumo de calidad) como a nosotros los productores de cobre fino, manteniéndonos en una buena posición en el mercado.
3. CALIDAD GRADO A ¿Qué significa Calidad Grado A? Son las exigencias de nuestros clientes en cuanto a impurezas presentes en el cobre catódico. Grupo
Elemento
Simbolo
Máximo Elemento (ppm)
Máximo Grupo (ppm)
Selenio Teluro Bismuto
Se Te Bi
2 2 2
3 3
Cromo Manganeso Antimonio Cadmio Arsénico Fosforo
Cr Mn Sb Cd As P
Plomo
1
2
4 5
15
Pb
5
5
Azufre
S
15
15
Estaño Niquel Fierro Silicio Zinc Cobalto
Sn Ni Fe Si Zn Co
Plata
Ag
3 4 5
10
20
6 25
25
BHP Billiton Corporativamente cuenta con una tabla de especificaciones mas rigurosa para todas sus operaciones.
El cobre es uno de los pocos metales que se utilizan puros debido a sus propiedades de conductor eléctrico y térmico también por su excelente formabilidad Actualmente, en la industria del alambre de cobre, es posible obtener un producto muy fino. Las propiedades del cobre dependen de su composición química. Entre las impurezas no deseadas que afectan el grado de conformabilidad en frío y en caliente del cobre, se encuentran : Bi – Pb – S – Se – Te – Sb Cuando el cobre es trabajado mecánicamente, la mayoría de la energía aplicada se orienta a la deformación plástica (para cambiar la forma) y para generar calor. La deformación y el recocido son los dos más importantes métodos de procesamiento que son aplicados al cobre para afectar sus propiedades mecánicas Las impurezas químicas interfieren en el proceso de recristalización cuando el cobre es fundido pudiendo originar que al momento de trefilar se produzcan roturas por inconsecuencias del grano formado. Por lo tanto las impurezas que contiene el cobre, son de suma importancia para el cliente en sus procesos posteriores y una Calidad Grado A, favorece a dichos procesos.
4. BENEFICIOS DE PRODUCIR CALIDAD GRADO A Exigencias de nuestros Clientes. Nuestros clientes tienden a una mayor exigencia en cuanto a reducir impurezas. Cubrir las necesidades de nuestros clientes es importante para posicionarnos bien en el mercado. Beneficios de producir con Calidad Grado A. La venta de cobre de alta Calidad – Grado A, tiene un pago extra cercano a los 100 $/ tonelada. Que es un beneficio adicional a los ingresos de la compañía.
5. CARACTERÍSTICAS DE LA PLANTA DE ELECTROOBTENCIÓN TINTAYA. Número de Celdas : Numero de catodos/celda : Máquina Deslaminadora : Sistema de Ventilación : Tipo de Celdas : Anodos:
Produccion de Cátodos (ton/año): Densidad de Corriente (Amp/m2): Eficiencia de Corriente (%) %Calidad Grado A: Flujo de Electrolito /celda (m3/h): Arrastre O/A a las celdas (ppm): Consumo.Guartec (g/ton Cu):
100 , 2 filas 66 de 1m x 1m Kidd Process Campanas Same Concreto Polimérico Royston, 9 mm DISEÑO 34 – 40 K
ACTUAL 38K
280 - 325
300 - 320
92% 95% 15
95% 100% 17
1
1.1
300
360
6. CALIDAD GRADO A EN LA PLANTA DE OXIDOS TINTAYA. La calidad del cobre Grado, se centra en dos contaminantes que son el Azufre y el Plomo, ya que los demás contaminantes se encuentran con bajos contenidos. Adicional a esto, el cliente realiza una prueba con el cobre, esta es la prueba de%AR. El AR es un test práctico que utilizan algunos clientes consumidores de cátodos de cobre para determinar los contenidos de plomo y azufre presentes. Para la determinación del AR se utiliza una maquina donde se coloca una muestra de alambre de 8 mm de espesor y 25 cm de largo, esta máquina hace un esfuerzo de tensión sometiendo a elongación hasta la rotura de la muestra. Posteriormente se determina el valor de AR de acuerdo a la siguiente formula: %AR =
(Nuevo cm – 20 cm)* 100 20 cm
De esta manera los clientes pueden saber los contenidos de plomo y azufre sin requerir los servicios de análisis de un laboratorio químico. AR Calculado: Existe una ecuación que permite calcular el valor de AR utilizando las concentraciones en ppm de plomo y azufre. De esta manera se puede saber en planta el valor aproximado de AR que tiene los cátodos producidos y despachados. Ecuación: AR calculado (%) = 48.2% - (4.3%)*(Pb ppm) - (1.1%)*(S ppm) Valores mayores a 40 significan para los compradores, cátodos de alta calidad.
ASEGURAMIENTO DE LA CALIDAD DEL COBRE CATÓDICO EN TINTAYA Este tema del Aseguramiento de la Calidad de nuestro cobre catódico, se siguió bajo la Metodología Six Sigma . q Definición del Problema y cuantificación de Beneficios. q Conformación del equipo de Trabajo. q Toma de datos necesarios, para las estadísticas y Análisis de varianzas. q Mapeo del Proceso. q Análisis Causa – Efecto
Análisis Causa – Efecto de la Calidad del cobre Catódico Tintaya
Maquina
Medio Ambiente
Material Alto Peso del Cátodo > 90 kg
Falla en Dosificador de Guartec Falla en los calderos de agua al Stripping Machine
Electrolito Pobre <36 gpl de Cu Concentración de Cobalto < 120 ppm Baja dosificación de Guartec < 300 kg/ton Cu
Bajadas y subidas de corriente por problemas en Rectificadores o reparaciones Falla en las resistencia de la camara de lavado en el Stripping machine
Constantes Cortes de Energía por Tormentas
Bajo Flujo de Electrolito en cada Celda < 17.0 m3/hr
Falla en el Sistema de Osmosis Inversa
Mn > 80 ppm en el electrolito
Aspersores Tapados en la cámara de Lavado Mal contacto del Jumper frame durante desborre
Arrastres O/A electrolito a EW > 1 ppm Sólidos en Suspención > 1 ppm
Barras Triangulares en mal estado
Cl- > 25 ppm en el electrolito
Falla en el Lavado de las campanas SAME Error en los análisis de Cu, Acido, Cobalto en el electrolito Contaminación de las muestras de cátodos
No se está cumpliendo procedimiento Lavado del Catodo en la Cosecha Desborres no continuos, celda sin desborre mayor a 3 meses
Falta de inspección en la revisión de Flujos en las celdas Falta de alineamiento de los electrodos Falta de Limpieza de Contactos en las celdas Personal nuevo sin el debido entrenamiento
Medicion
Metodo
Mano de Obra
Baja Calidad del Catodo S > 5 ppm Pb > 2ppm
FACTORES QUE INCIDEN EN EL INCREMENTO DE AZUFRE: Alto Peso del Cátodo a cosechar : estadísticamente determinamos que es un factor importante mantener el peso a cosechar entre 80 y 85 kg. A pesos mayores tenemos mayor probabilidad de contaminación por azufre al tener mayor rugosidad. En el gráfico siguiente se muestra esta tendencia.
Para poder cosechar entre 80-85 kg, se prepara un Plan mensual donde se calcula y programa las celdas a ser cosechadas. Es decir, si planeamos una amperaje podemos variar el tiempo de depositación para lograr el peso deseado. Es importante para el cumplimiento del Plan lo siguiente: q q q q
Disponibilidad de 90% de la Máquina deslaminadora. Disponibilidad de 90% de la Grúa Puente. Controlar los arrastres de O/A en el electrolito menor a 1 ppm. Controlar el contenido de cloruros en el electrolito menor a 20 ppm.
Estos 2 últimos factores dificultan el despegue y no permite cumplir con la cosecha planeada y por ende no se cumplirían los tiempos de depositación.
Dosificación de Guartec : Para mejorar la calidad de la depositación, produciendo un grano fino y evitar el efecto de nódulo, que son altamente captadores de impurezas, tales como el azufre y el plomo es que se agrega al electrolito un reactivo especial, que es un floculante y cuya misión es decantar los sólidos en suspensión y que se debe adicionar en concentraciones controladas ya que su mayor presencia aumenta la viscosidad del electrolito disminuyendo la eficiencia de depositación
Sólidos en Suspensión < 1 ppm Los sólidos suspendidos en el electrolito pueden causar formación de nódulos debido a que crean patrones irregulares de turbulencia en el anolito y catolito. Un depósito rugoso influye en la contaminación por Azufre.
Depósito rugoso
Depósito bueno
Es importante monitorear los filtros de electrolito, la dosificación de Guartec, la limpieza de los electrodos nuevos de reposición y cualquier generación de polvo que pueda ingresar al circuito de electrolito.
Concentración de Cu en el Electrolito Pobre > 38 gpl La concentración de cobre debe mantenerse dentro de un rango dado para asegurar que el tipo de cristalización inicial y durante el ciclo de cosecha, sea del tipo fino y de alta densidad, es decir, compacto, de manera de inhibir el efecto de oclusión de impurezas, que se da en condiciones de granulación gruesa, evitando la cristalografía del tipo columnar.. El fenómeno electro-físico que acontece en la capa límite, es el acomodo de manera estable de un ión que migra desde la solución a la superficie del cátodo, producto de una alta concentración del cobre en el electrolito. El mal ajuste de los cristales en la matriz del depósito, se produce cuando la concentración de cobre es baja, generando espacios en los cuales se ocluyen y co-depositan impurezas. La capa de difusión es más delgada y genera una menor resistencia ohmica, tendiendo a incrementar la tasa de cristalización de forma desordenada en la matriz. La disminución de la concentración a niveles menores a 36 gpl no es recomendable y ocurre cuando se tiene que producir más tonelaje de cobre y se hecha mano del inventario de cobre que mantiene la concentración en el electrolito, pero hay que balancear entre la producción y la calidad.
Flujo de electrolito en una celda < 17 m3/hr. La circulación de un flujo específico continuo en la celda asegura que la corriente aplicada al proceso, entregue como producto un electrolito a una concentración en la que la cristalización es óptima, existiendo para este efecto, una relación directa entre el flujo específico y la densidad de corriente aplicada. A una condición de bajo flujo específico respecto a la densidad de corriente aplicada, se propicia una mala calidad del depósito. Un bajo flujo de electrolito en la celda da como resultado un mayor tiempo de permanencia del electrolito y por ende disminución de la concentración de cobre a valores menores de 36 gpl , terminando en una deposición rugosa como se explica anteriormente.
Concentración de Cloruros > 20 ppm El ion cloruro en el electrolito produce problemas de corrosión en las planchas madre haciendo mas difícil el deslaminado mecánico y tornando más agresiva la neblina ácida. La corrosión en las planchas madre es porque los aceros inoxidables son susceptibles a la corrosión por picado en presencia de medio ácido y temperatura. El ion cloruro se transfiere al electrolito por arrastre físico del PLS donde normalmente se encuentra en medianas concentraciones. Valores mayores a 30 ppm empiezan a causar problemas de corrosión. En nuestro caso el agua de reposición contiene Cloruros y previamente pasa a través de un sistema de Osmosis Inversa el cual tiene que estar siempre operativo y con una buena performance. La corrosión en la plancha madre hace que el cobre se deposite en la zona corroida y que el despegue sea realice con bastante dificultad, lo que retraza la cosecha y aumenta el peso de cátodos.
Plancha con dificultad en el despegue por corrosión por cloruros.
Lavado de los Cátodos El lavado de los cátodos una vez que se retiran de las celdas, es importante para poder retirar el sulfato presente en su superficie. Para esto se debe tener un procedimiento estandar de lavado sobre las celdas.
La cámara de lavado debe funcionar bien, se debe controlar el flujo, la presión y la temperatura del agua de lavado.
Para mantener la temperatura del agua caliente en valores cercanos a 70ºC, debemos: q Mantener operativos los calderos q Resistencias eléctricas operativas q Mantener los aspersores de lavado limpios q Cambiar los aspersores 2 veces por semana q Chequeo y limpieza de los depositos y caliche en tuberías
Mala distribución de Corriente en celdas: La mala distribución de corriente hace que algunos cátodos cuenten con altas densidades de corriente y otros no, por lo que la rugosidad en dichos cátodos será variada, unos más rugosos que otros. También en un mismo cátodo puede haber rugosidad variable debido al mal alineamiento entre electrodos y por electrodos doblados. Esta mala distribución de corriente es debida a : q q
Falta de Limpieza a los contactos. Barras triangulares en mal estado
Para esto se realizó un monitoreo de distribución de corriente y luego de una limpieza de las barras triangulares y barras de contacto en la plancha madre, se monitoreó nuevamente la distribución de corriente, se decir antes y después de la Limpieza, obteniéndose el siguiente resultado:
FACTORES QUE INCIDEN EN EL INCREMENTO DE PLOMO: Concentración de Cobalto < 120 ppm. Por naturaleza el electrolito de cobre en la nave de EW presenta un alto potencial. Este potencial oxida rápidamente al plomo, transformándolo en un óxido de plomo, el cual es fácilmente solubilizable por acción del ácido sulfúrico del electrolito contaminándolo en primera instancia para luego pasar al cátodo Para evitar esto es que se adiciona el sulfato de cobalto cuya función es estabilizar el óxido de plomo producido, manteniéndolo adherido al ánodo formando una capa protectora e impidiendo su solubilización.
Contenido de Manganeso > 80 ppm El manganeso es un elemento que es común en los minerales de cobre y debido a sus características químicas se transfiere al PLS como ion manganoso que es fuertemente soluble en medios ácidos. El manganeso pasa al electrolito por atrapamiento mecánico de solución durante las primeras etapas de extracción. El dióxido de manganeso se produce en la interfase Pb/PbO2, lo que aumenta la velocidad de corrosión del ánodo por desprendimiento de la capa de óxido. Reacciones 1.-MnSO4 2.-PbSO4 3.-MnSO4
+ +
+ PbO2 CuSO4 CuSO4
+ 2H20 + 2e+ 2e + 2H2O
MnO2 + PbSO4 PbO2 + Cu0 + 2H2SO4 MnO2 + Cu0 + 2H2SO4
Dadas las condiciones operacionales, existe una razón MnO2 / PbO2 en la superficie del ánodo, la que varía en función del contenido de impurezas en el electrolito.
Experimentalmente se ha demostrado que manteniendo una relación 10/1 de fierro / manganeso, es posible mantener reducido el Mn, acción que elimina el riesgo de oxidación del extractante orgánico usado como reactivo principal en la Planta de Extracción por Solvente. Reacciones 1.2.-
2 Fe+++ + 5 Fe++ +
Cu0 MnO4
+
8H
+
Cu++ + 2 Fe++ +++ ++ 5 Fe + Mn + 4 H2O
A continuación el efecto del incremento de la concentración de manganeso en el electrolito sobre el contenido de plomo en el cobre catódico.
Limpieza de celdas: La limpieza de celdas en forma periódica es importante para mantener controlado la contaminación por plomo en el cobre catódico, sobre todo si se incrementa la concentración de Manganeso en el electrolito, si se han tenido disturbios de corriente o cortes de corrientes seguidas y si se trabaja con altas densidades de corriente. Estadísticamente hemos determinado que no debemos pasarnos de 100 días sin que a una celda no se le realice Limpieza, para nuestras condiciones de operación.
En los siguientes gráfico podemos darnos una idea :
Contar con una Corriente de Respaldo en los Circuitos La desenergización de los circuitos, sea por black out o fallas en los Rectificadores, generarán inmediatamente la cadena de reacciones electroquímicas, que desprenderán la capa de PbO2, según se explica : 1.- PbO 2.- PbO 3.-PbO2
+ + +
H2SO4 O2 Pb
PbSO4 Pb02 2 PbO
+ H2O Estabilidad film de pasivación Inestabilidad film de pasivación
Por tal razón, los sistemas de respaldo de corriente deben estar permanentemente operativos. En caso contrario, tomará mucho tiempo eliminar desde el volumen total de electrolito, la masa de partículas de plomo que se desprenden de los miles de ánodos afectados por el corte de suministro eléctrico. Desde el punto de vista de la reacción de electroobtención : 1.- Cu++ + 2 e-
+
SO4
+ 2e-
+
H20
Cu0 + 2H+ + SO4-- + ½ O2
debe asegurarse un potencial mínimo de 0.89 Volt para que la reacción de electrodepositación no se invierta.
FACTORES QUE AFECTAN AL INCREMENTO DE PLOMO Y AZUFRE Actitud del Personal La actitud del personal es importante porque son los que realizan el trabajo a diario, pueden haber las mejores propuestas las mejores soluciones técnicas pero si no incidimos en la actitud del personal nada saldrá bien, por eso debemos : q Mantener a la gente motivada q Todos son responsables por la calidad q Cuando hay un problema, nadie es culpable, siempre buscar las causas de los problemas y evitar que se repitan q Buena ética de trabajo, trabajo en equipo q Buenos cambios de guardia Entrenamiento Continuo del Personal Muchas veces tenemos personal nuevo o en rotación de posiciones, este factor es importante tener siempre presente, porque si el personal no realiza una actividad importante o no lo hace bien, muchas veces es por desconocimiento. Para esto debemos contar con : q q q
Procedimientos estandar Reentrenamiento a personal nuevo o en rotación de posiciones. Libretas con tips importantes.
