Manual de Curso Fundamentos de Los Procesos Pirometalurgia

DESCRIPCION DE LOS PROCESOS PIROMETALURGICOS

CONTENIDOS

PÁGINA

CAPITULO I IINTRODUCCIÓN

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1. Introducción

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CAPITULO II DESCRIPCION DE LA PLANTA DE FUNDICION

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1. Re Recepción y preparación de carga

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2. Fusión de Concentrado

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a. Horno Flash

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b. Convertidor Teniente

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3. Conversión a. Co Convertidor Peirce Smith

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4. Horno Eléctrico (HELE)

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5. Tratamiento de Escorias

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6. Refinación y moldeo

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7. Pl Plantas productoras de Insumos

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8. Produc Productos tos de la Fundic Fundición ión

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FUNDAMENTOS DE LOS PROCESOS PIROMETALÚRGICOS

CAPITULO I INTRODUCCIÓN Aprox Ap roxim imad adam amen ente te el 90% del del cob cobre re prim primari arioo mund mundia iall se extr extrae ae desde desde miner mineral ales es sulfurados. Estos minerales, por ser difícilmente explotables por métodos hidrometalúrgicos, como son los óxidos, son tratados en su gran mayoría por técnicas pirometalúrgicas a partir de sus concentrados. Para lograr este objetivo, es necesario separar el elemento cobre, del hierro, azufre y otras impurezas contenidas en el concentrado a través de un proceso pirometalúrgico que recaracteriza recaracteriza por realizarse a altas temperaturas temperaturas (1.150 – 1300ºC). El proceso pirometalúrg pirometalúrgico ico considera considera etapas consecutivas consecutivas de fusión, Conversión Conversión y Refinación, Refinación, las que permiten incrementar incrementar progresivamente la ley o contenidote cobre del material sometido a proceso, desde el 30 a 40% inicial del concentrado, hasta el 99,5% presente en el ánodo. A continuación se describen las etapas de un proceso moderno de fundición:

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Recepción y manejo de materias primas e insumos.

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Secado de Concentrados.

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Tostación parcial de concentrados.

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Alimentación de concentrados al horno de fusión.

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Fusión de Concentrados.

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Limpieza de escorias.

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Granallado de eje de alta ley y escoria.

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FUNDAMENTOS DE LOS PROCESOS PIROMETALÚRGICOS •

Preparación y manejo de eje de alta ley.

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Conversión de eje de alta ley.

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Refinación y moldeo de ánodos.

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Planta de limpieza de Gases.

La Tostación parcial de concentrado es hoy día una etapa opcional, que históricamente ha ido perdiendo importancia en su forma tradicional, pero que con el advenimiento de los reactores de lecho fluidizado ha sido considerada para algunos tratamientos específicos como una forma de de aumentar la capacidad en la fusión. Al secado; no se le considera por lo general como una etapa aparte, sin embargo, ha adquirido mucha importancia con la aparición de los nuevos procesos flash y algunas técnicas de producción continua de cobre blíster, en que hay extremas exigencias en el contenido de humedad del concentrado. La pirorefinación o refinación térmica corresponde a un acondicionamiento del cobre blíster para las etapas posteriores de electrorefinación, en orden a ajustar el grado de oxidación del metal y el contenido de impurezas presentes, para producir un ánodo de buena calidad mecánica y físico- química. De las etapas expuestas, sin lugar a dudas son la fusión y la conversión las más importantes por los determinantes que resultan en el proceso general. La primera, cuyo fin es concentrar el metal a recuperar mediante una separación de fases de alta temperatura: una sulfurada rica en el metal y otra oxidada exenta o pobre en él. Y la segunda, con el objetivo de eliminar el azufre y el hierro presentes en la fase sulfurada mediante oxidaciones del baño fundido para obtener un cobre final relativamente puro.

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Figura 1: Desarrollo Histórico de la pirometalúrgia

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CAPITULO II DESCRIPCION DE PLANTA DE FUNDICION La Fundición de Concentrado de Chuquicamata forma parte del complejo minero – metalúrgico de cobre más grande del mundo con una producción de 1.600.000 t/a de concentrado fundido y 530.000 t/a de cobre moldeado. El propósito de esta Fundición, es transformar el concentrado de cobre y otros productos de cobre de baja calidad o no comerciables, en ánodos de cobre destinados al proceso de electrorefinación. Para esto cuenta con una cadena de procesos metalúrgicos consistentes básicamente en:

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Recepción y Preparación de Carga.

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Fusión de Concentrado.

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Tratamiento de Escoria.

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Conversión de Eje y Metal Blanco.

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Fusión de chatarra de ánodos (“Scrap”).

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Refinación y Moldeo.

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Plantas Productoras de Insumos.

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Además, los gases metalúrgicos provenientes de los procesos de fusión y conversión, son enviados a plantas de limpieza y contacto, las cuales producen ácido sulfúrico que es usado en los procesos hidrometalúrgicos de la división. El excedente es vendido a otras mineras.

Recepción y Preparación de Carga. Se inicia la cadena del proceso fundición con la recepción del concentrado húmedo, proveniente de la Planta de Filtros de la Concentradora, y de los materiales necesarios para la fusión del concentrado y los procesos de conversión y refinación, tales como: carga fría, carbonato de calcio, sílice, carbonato de sodio y carbón, a través de correas transportadoras. El concentrado posee una humedad en 8 y 9% y es recibido en tolvas y camas de almacenamiento, las cuales en su conjunto tienen una capacidad de almacenar 30.000 toneladas de concentrado húmedo. Desde ahí se distribuye el concentrado hacia dos secadores de tipo rotatorio, los cuales secan el concentrado hasta una humedad del 0,2%. Desde el almacenamiento, se realiza la distribución de concentrado según sus características a las unidades de secado. Las cuales consisten en:

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1 Secador rotatorio de 3,6 m de diámetro x 36 m de largo, con capacidad de 130 t húmedas/día (denominado Secador Nº 4)

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1 Secador rotatorio de 3.6 m de diámetro x 38.5 m de largo, con capacidad de 160 t húmedas/día (denominado Secador Nº 5).

En conjunto los secadores satisfacen las necesidades de concentrado seco que requieren las unidades de fusión, que fluctúa entre 4.800 y 5.300 toneladas/día, el cual es enviado vía transporte neumático.

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Es el área encargada de recibir los concentrados (propios y externos), fundentes y materiales secundarios, en tolvas y camas de almacenamiento, donde son preparados, para los requerimientos específicos de las diferentes unidades productivas. En esta área, además, se mantiene un estricto control de los Inventarios de Carga Fría, Polvos Metalúrgicos, Fundentes, Metal Blanco a Venta, Escorias, etc., para tal efecto cuenta con una batería de equipos de movimiento de tierra, camiones transporte de escorias, etc.

Fusión de Concentrado. El objetivo de esta etapa es formar una fase de súlfuros líquidos, compuesta principalmente por calcosina Cu2S, covelina CuS, calcopirita CuFeS2, pirita FeS2 y bornita Cu5FeS4, que contenga en lo posible todo el cobre alimentado y otra fase oxidada líquida, llamada escoria, en lo posible exenta de cobre, compuesta principalmente de silicatos de hierros. Los silicatos de hierro y los fundentes forman la escoria, la mata de cobre contiene azufre, cobre y hierro, así como metales preciosos y otros metales a niveles de trazas. La Escoria pobre en el metal, es caracterizada y descartada directamente, o sometida a una etapa adicional de recuperación del metal, si su contenido es alto. La mata consituida fundamentalmente por sulfuros de cobre y hierro pasa a una etapa posterior de conversión por oxidación. Los concentrados sulfurados de cobre son básicamente combinaciones, en proporciones variables, de sulfuros de hierro y cobre mezclados con ganga silícea ácida o básica. Las unidades de fusión que posee la Fundición de concentrado son tres: un Horno Flash, tipo Outokumpu, y dos Convertidores Teniente, cuyos principales parámetros operacionales son los siguientes:

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HORNO FLASH

Se cuenta con un Horno Flash OUTOKUMPU, de una capacidad de diseño de 2.800 tsd, cuyas dimensiones más importantes son: Settler:

21 x 7.6 x 2 m

Torre de reacción:

6 m de diámetro x 6 m de altura (cilíndrica)

Up-Take:

3,8 m de diámetro x 7,5 m de altura

Al Igual que el Convertidor Teniente, el concentrado secado a muerte se alimenta al Horno Flash por la parte superior de la Torre de Reacción, por el quemador de concentrado, el cual, en forma conjunta entra con el aire enriquecido a 55% de oxígeno, además del fundente. A la salida del quemador se encuentra el ambiente necesario para generara las reacciones químicas, es decir, la temperatura del equipo (1.200 – 1300 ºC), el combustible que lo aporta el concentrado, como es el fierro y el azufre y el comburente que es el oxígeno. Bajo el mismo procedimiento que el CT2, el azufre del concentrado reacciona con el oxígeno del aire formando el SO2 que se envía a Plantas de Acido. El fierro pasa a la formación de escoria y la segunda fase denominada eje o mata formada por sulfuros de cobre y fierro (Cu2S y FeS) en proporciones un poco diferentes que el metal blanco. Las reacciones químicas del azufre y fierro son igualmente exotérmicas, por lo que el equipo no requiere energía externa adicional y su operación es continua. Las características más relevantes de los productos del Horno Flash, son:

Horno Flash:

Eje:

60 a 64 % Cu

Escorias:

2 a 2,5 % Cu y 16 – 17% Fe3O4

Gases:

19 a 21 % SO2 ( a plantas de ácido)

La evacuación de los líquidos es similar al CT2, la escoria tiene una densidad de 3,8 y el eje de 4,8 ton/m3.

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CONVERTIDORES TENIENTES

El concentrado una vez secado a muerte, con 0,2% de humedad, son transportados en forma neumática hacia el área de los Convertidores Teniente, aquí se tiene: Dos Convertidores Teniente tipo basculante (cilíndrico), uno denominado CT1, de 22 m de largo x 5 m de diámetro, actualmente permanece stand by y el otro denominado CT2, de 23 m de largo x 5 m de diámetro, con capacidades de 1.500 tsd y 2.200 tsd, respectivamente. El CT2, cuyo rango de temperatura de trabajo es entre 1.250 – 1.300 ºC, recibe el concentrado por inyección a través de toberas, en forma conjunta con aire enriquecido con oxígeno (35% de O2). El aire que entra al sistema lo hace a una presión de 20 psi, manteniendo emulsionado en forma permanente los líquidos en su interior, y el concentrado entra a una presión de 70 psi, en fase ultra densa. Este equipo es de operación continua.

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La generación de gases de SO2, es provocada por la reacción entre el azufre que viene en el concentrado y el oxígeno que entra con el aire enriquecido, que posteriormente pasan a las Plantas de Acido. La formación de SO2, es una reacción exotérmica (desprende calor). La escoria que se genera, se debe al encuentro entre el Fe que entra en el concentrado y el oxígeno que entra en el aire enriquecido, formando un compuesto inestable denominado FeO (óxido ferroso) cuya reacción química es igualmente exotérmica (desprende calor), que en presencia del fundente silíceo (SiO2) reacciona nuevamente formando un compuesto estable denominado Fayalita (2FeOxSiO2), que en definitiva, es la escoria propiamente tal. La pérdida de cobre en las escorias, depende de la altura de las fases, viscosidad, temperatura, sílice ( que regula la formación de la magnetita), etc. Otra fase en el interior del equipo, es la denominada Metal Blanco, que lo forman principalmente sulfuros de cobre y fierro como Cu2S y FeS. Debido a las reacciones exotérmicas, el proceso no requiere en general, energía externa adicional. Las características más relevantes de los productos del CT2 son: Metal Blanco:

73 a 75 % Cu.

Escorias:

5 a 7 % Cu y 18 a 20 % Fe3O4 (Magnetita)

Gases:

10 a 12% SO2 ( a plantas de ácido)

La facilidad de evacuación de los líquidos se debe a la marcada diferencia de densidad absoluta entre la escoria y el metal blanco, 4,1 y 5,8 ton/m3 respectivamente. Las Escorias generadas en el proceso de fusión son procesadas en dos partes: un 80 % de ellas en la Planta de Escoria que se encuentra ubicada en la Área Mina Concentradora y el 20 % restante en el Horno de Tratamiento de Escoria, ubicado en la Área Fundición de Concentrado.

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CONVERTIDORES PEIRCE SMITH (CPS) El Metal Blanco y el Eje, son alimentados a los convertidores Peirce-Smith para su conversión a cobre Blister. Manteniendo el concepto planteado para el CT2 y el H. Flash, estos equipos a través de toberas se inyecta el aire enriquecido del orden de 23% de oxígeno, el azufre de la mata y el metal blanco pasa a SO2 que posteriormente se envía a Plantas de Ácido y el fierro bajo el procedimiento ya conocido, genera la escoria. Las reacciones químicas del azufre y el fierro aportan calor haciendo que estos equipos sean también exotérmicos, los cuales no requieren de energía externa. La operación de estos equipos son discontinuo, operan por ciclo que duran entre 8 y 9 horas. La temperatura de proceso es controlada con la adición de carga fría y/o Restos de Ánodos (material de descarte del proceso de Refinería). Para evacuar los líquidos que se han separado por diferencia de densidades, 4,2 ton/m3 en la escoria y 8,0 ton/m3 el cobre blister, estos se retiran por la boca de carguío, primero la escoria, después los óxidos y finalmente el cobre blister.

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Se dispone de 4 CPS tipo basculante (cilíndricos) de 4,5 m de diámetro x 13,2 m de largo, con una capacidad de 500 tpd de Blister cada uno (3 operando y uno en mantenimiento). Las características más relevantes de los productos de los CPS, son: Convertidores Peirce Smith: Cu Blister: 96 – 97 % Cu Escorias: 5 – 6 % Cu y 17 – 19 % Fe3O4 Gases: 5 – 6 % SO2 (a Plantas de Acido)

HORNO ELECTRICO (HELE) Este horno de reducción está integrado en la línea de proceso de recuperación de cobre, permitiendo la separación de las mezclas escoria – metal blanco, este último proveniente de arrastre de los sulfuros. La escoria es alimentada en forma continua al HELE, donde el proceso de limpieza significa en este contexto, la reducción de los óxidos metálicos y no metálicos de la

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escoria, mediante la adición de carbono (carbón coque), vía ajuste de la viscosidad y temperatura de la misma. Con el objeto de obtener una atmósfera reductora, se coloca una capa de coque de un grosor aproximado de 200 mm sobre la superficie del baño líquido contenido en el interior del reactor. La magnetita en presencia del carbono reacciona formando un óxido ferroso (FeO), el cual, por este mecanismo suelta los sulfuros de cobre. El metal blanco se saca en función de la tasa de sedimentación por medio de placas de sangría, y la escoria con contenidos inferiores a 1,2 % de cobre es descargada a una canal que hace fluir el líquido hacia la planta de granalla, donde se obtiene la escoria fría en gránulos de aproximadamente 3 mm que es transportado al Botadero. En este proceso se forma el CO y otras sustancias volátiles como SO2, H2, humos de Zn, etc., con cierta cantidad de polvos que pasan a un sistema de limpieza de gases y de ahí a la atmósfera. Las características más relevantes de los productos del HELE, son:

Horno Eléctrico: Metal Blanco: 68 – 70 % Cu Escorias: 0,8 – 1,1 % Cu y 3 – 4 % Fe3O4 Gases: SO2 despreciable

Tratamiento de Escoria. El objetivo de este proceso es reducir el contenido de cobre presente en la escoria, producidas principalmente por los Convertidores Teniente. El proceso consiste en cargar escoria fundida, a los Hornos de Tratamiento de Escoria, inyectar aire y petróleo en razón reductora al interior del baño, además de agregar agente reductor para reducir magnetita (Fe3O4), principal causante del atrapamiento de cobre en la escoria, y dificultar la sedimentación para la separación de la mata y escoria.

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A este proceso se alimenta diariamente 600 toneladas de escoria, de la cual se recupera aproximadamente un 88 % del cobre contenido. El eje producido con un 60 – 70 % de Cu, es enviado al Convertidor Pierce Smith (CPS), mientras que la escoria final obtenida es enviada a botadero. Normalmente operan dos hornos de tratamiento de escorias (HTE), los cuales tienen 4 m de diámetro x 12.2 m de largo, cilíndricos tipo basculante, con una capacidad total de tratamiento de 1500 tpd. Uno de los hornos es de diseño Ad-Hoc, en cambio el segundo consiste en un CPS modificado. Mediante un proceso de reducción de la magnetita (Fe3O4) y posterior sedimentación, se recupera el cobre atrapado (la reducción de la magnetita se efectúa con petróleo). El producto de alto contenido de cobre, denominado eje, es retornado a los CPS y CTs y las escorias son enviadas a botaderos. 2 Fe3O4 + C -----------> 6 FeO + CO2 La magnetita, que es la principal responsable de la pérdida de Cu en las escorias, tiene un punto de fusión del orden de las 1.600 ºC, por tal motivo es viscosa atrapando los sulfuros de cobre en ella. Al reducir la magnetita a FeO, ésta suelta los sulfuros que por peso específico se depositan al fondo, haciendo posible extraerla a través de placas de sangrías.

Conversión de Eje y Metal Blanco. El eje producido en el horno Flash y en los Hornos de Tratamiento de Escoria junto al Metal Blanco producido en los Convertidores Teniente, son enviados al proceso de conversión. Este proceso consiste de una primera etapa de oxidación de los sulfuros de fierro para formar escoria, y de una segunda etapa donde se oxidan los sulfuros de cobre para obtener cobre

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elemental. Esta oxidación se logra inyectando aire enriquecido con oxígeno industrial, en el baño fundido. El producto obtenido se denomina “cobre blister” y contiene 98 % de cobre. Este proceso se realiza en hornos basculantes denominados Convertidores Pierce Smith (CPS). El Área Fundición de Concentrado cuenta con 5 de estas unidades instaladas, operando normalmente 4 de ellas. Durante la primera etapa se adiciona carga fría, material de recirculación producido en los procesos de Fundición, mientras que en la segunda etapa se adiciona chatarra de ánodos (“scrap”) proveniente del proceso de electrorefinación, con la finalidad de aprovechar el calor generado por las reacciones exotérmicas de conversión. Los gases metalúrgicos generados en este proceso son enviados parcialmente a Plantas de Ácido, mientras que las escorias son enviadas a reproceso, principalmente a la Planta de Escoria en el Área Mina Concentradora.

Fusión de Chatarra de Ánodos (“Scrap”). El propósito de esta etapa es fundir chatarrra (“scrap”) para su posterior moldeo como ánodo. También es posible fundir otros productos de cobre de baja calidad. Este proceso de fusión se lleva a cabo en forma batch en dos hornos basculantes acondicionados. El producto fundido es enviado a los hornos de refinación.

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Refinación y Moldeo. El cobre blister producido por los CPS y los hornos de fusión de scrap, es llevado a los hornos de refinación, donde mediante insuflado de aire a través de toberas, se realiza la oxidación de impurezas hasta obtener un cobre libre de azufre. Posteriormente se le inyecta fundentes sódicos cálcicos, para disminuir la concentración de arsénico a los niveles requeridos por la Refinería Electrolítica. El oxígeno se extrae mediante la combustión de petróleo con vapor.

El cobre obtenido de los hornos de refino, es vaciado en 3 ruedas de moldeo, así el cobre toma la forma de ánodo, cuyo peso es de 400 kilos cada uno, con una pureza de 99,6% de cobre y calidad que es reconocida como una de las mejores. Los ánodos son enviados a refinerías, por medio del ferrocarril, para la producción de cátodos comerciales.

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Plantas Productoras de Insumos. Directamente ligado a la operación de la Fundición de Concentrado están las plantas productoras de insumos, tales como 3 Plantas de Oxígeno, Planta Termoeléctrica y Plantas de Ácido Sulfúrico. Las Plantas de Oxígeno producen 1.200 t/d de oxígeno de 95 % de pureza, el cual es utilizado intensivamente en los procesos de fusión y conversión. De acuerdo a las necesidades del proceso, se requiere el consumo de oxigeno (95% de pureza) por los distintos equipos considerados y sus capacidades de tratamiento. La función del oxígeno en la fundición tiene relación con mejorar las condiciones de combustión en los hornos de fusión y conversión, sin aumentar el volumen de gases inyectados al sistema. El proceso de producción de oxigeno industrial consiste, básicamente en comprimir el aire atmosférico debidamente filtrado y acondicionado. Al comprimirse el aire, éste se calienta por sobre la temperatura ambiente, calor que se disipa a la atmósfera. Cuando vuelve a temperatura ambiente se expande sin cambio de energía (adiabáticamente), por lo que se enfría. Este ciclo repetido varias veces permite alcanzar el estado líquido del aire. Luego, el oxígeno es separado del nitrógeno a temperaturas de 300ºC y de los demás gases por destilación fraccionada en una torre de destilación debidamente aislada. En Planta Termoeléctrica, a partir de la recuperación de calor de los gases metalúrgicos de Horno Flash y de la operación de calderas a petróleo, se produce vapor el cual se utiliza para dos objetivos: generación de energía eléctrica enturbogeneradores y suministro de vapor para consumo de la Fundición y otras áreas.

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También, en esta planta se produce el aire comprimido necesario para los procesos de Fundición.

Planta de Ácido En el proceso de Fundición de minerales sulfurados de cobre, se produce una gran cantidad de gases metalúrgicos, como dióxido de azufre (SO2). Mediante las Plantas de Acido, es posible tratarlos y convertirlo en ácido sulfúrico, utilizando una serie de procesos físicos y químicos. Además el proceso de producción de ácido elimina de los gases algunas impurezas que son, el As, Hg, Se y otros metales; lo que permite descartar gases por la chimenea, sin SO 2 y limpio de estas impurezas. La totalidad de los gases producto de la etapa de fusión y una parte importante de la etapa de conversión, son acondicionados y entregados a las plantas de ácido, para la producción de ácido sulfúrico. Los gases de CPS no tratados son descargados en forma diluida a la atmósfera, en casos muy excepcionales. Estas Plantas Procesan gases de la Fundición en un volumen total de 465.000 Nm3/hr, con una concentración promedio de 11,7 % de SO2 a la salida de los sopladores principales. En la Planta de Contacto, se lleva a efecto el proceso de Conversión de SO2 a SO3, en presencia de un catalizador llamado pentóxido de vanadio o cesio, generando una reacción exotérmica, con un rendimiento de 98%. Posteriormente el SO3, es absorbido en la Torre de Absorción, donde se pone en contacto en contra corriente con acido sulfúrico diluido, para producir ácido sulfúrico de 98,5 % de concentración (SO3 + H2O ==> H2SO4). Posteriormente este ácido es enviado a estanques de almacenamiento para su venta y uso interno divisional.

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A continuación se muestra el diagrama de flujo de la Subgerencia de Fundición de Concentrado.

Diagrama de proceso del área Fundición de Concentrado

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PRODUCTOS DE LA FUNDICIÓN COBRE ANODICO La producción de cobre anódico de nuestra fundición de concentrados sulfurados, se encuentra entre 1.400 – 1.600 tpd de cobre moldeado, que incluye 100 tpd de restos de ánodos, con una ley de 99.6 % en cobre, 2.500 ppm de As, 2.3 ppm de Au y 463 ppm de Ag.

ESCORIA A VENTA Parte de la escoria de los hornos de limpieza (HTE) y parte del Horno Flash, se entregan a venta, con una ley de cobre que varia en el rango de 3,0 a 3.5 % de cobre con una cantidad comprometida de 35.000 ton/mes promedio y son entregadas actualmente a minera cerro dominador, que por contrato de maquila entregan un concentrado a Fundición del orden de 34% en cobre.

POLVOS A LIXIVIACION La Fundición entrega a la Gerencia Hidrometalurgia los polvos metalúrgicos, para recuperar el cobre a través de un proceso de lixiviación. El tonelaje de polvo comprometido de entrega, se encuentra del orden de 3.800 – 4.100 ton/mes con una ley promedio de 18 % en cobre. Los residuos o borras de este proceso son retornados a la fundición.

ACIDO SULFURICO Los gases metalúrgicos generados por los diferentes equipos de fusión y conversión (Horno Flash, Convertidores Teniente y Convertidores Peirce Smith), son captados por las Plantas de Ácido con una concentración promedio de 11,7 % de SO2 a la salida de los sopladores principales, generando una producción entre 4.200 – 4.800 tpd de ácido sulfúrico (factor ácido/concentrado= 0,92). Este producto, una parte se vende y otra es consumida en forma interna en la División.

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