ES2885249T3

ES2885249T3 - Refinación de masa fundida de cobre para dar cobre anódico con corriente gaseosa coherente soplada desde arriba

Info

Publication number: ES2885249T3
Application number: ES11705772T
Authority: ES
Inventors: David George; Arsenio Enriquez; Adrian Deneys; William Mahoney; Ian Masterson; Stephen Manley; Jesse Cates; Kevin Albrecht
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 2010-02-16
Filing date: 2011-02-16
Publication date: 2021-12-13
Anticipated expiration: 2031-02-16
Also published as: KR101746891B1; RU2573846C2; US8623114B2; RU2012139567A; BR112012020631B1; KR20130002325A; MX2012009549A; AU2011218270B2; MX341480B; WO2011103132A1; JP5894937B2; US20120036963A1; CL2012002238A1; PL2536859T3; BR112012020631A2; CA2789755A1; JP2013519796A; AU2011218270A1; CN102812136B; EP2536859B1

Abstract

Un método para la refinación anódica de cobre que comprende las etapas de: (i)cargar cobre ampolloso fundido en un horno; (ii)opcionalmente cargar chatarra de cobre en el cobre ampolloso fundido en el horno; (iii)fundir dicha chatarra de cobre o calentar el cobre ampolloso fundido mediante el uso de una llama de fusión producida a partir de una lanza de chorro coherente, multifuncional, soplada desde arriba, en donde dicha llama de fusión es una llama no producida por lanza, de soplado suave que se extiende en la dirección radial y pierde su carácter supersónico dentro de una distancia de 20 diámetros de tobera desde el extremo distal de la cara de lanza estando dicha lanza de chorro coherente acoplada a una fuente de gas que contiene oxígeno, y una fuente de combustible; (iv)oxidar impurezas de azufre en el cobre ampolloso fundido en el horno mediante el uso de una corriente de gas que contiene oxígeno, coherente, soplada desde arriba expulsada desde la lanza de chorro coherente, estando dicha lanza de chorro coherente acoplada a la fuente de gas que contiene oxígeno y la fuente de combustible; y (v)reducir el oxígeno en el cobre ampolloso fundido en el horno mediante el uso de una corriente de gas reductor, coherente, soplada desde arriba que contiene un agente reductor y un gas inerte expulsada desde la lanza de chorro coherente; estando dicha lanza de chorro coherente acoplada a la fuente de gas que contiene oxígeno, la fuente de combustible; una fuente del agente reductor; y una fuente del gas inerte.

Description

DESCRIPCIÓN

Refinación de masa fundida de cobre para dar cobre anódico con corriente gaseosa coherente soplada desde arriba

Campo de la invención

La presente invención se refiere al tratamiento pirometalúrgico de materiales que contienen cobre con gases de procedimiento, tales como los gases de procedimiento oxidantes y reductores, para convertir tales materiales en materiales que contienen cobre de mayor valor. Más particularmente, la presente invención se refiere a la refinación anódica de cobre ampolloso fundido para retirar azufre, oxígeno y otras impurezas mediante el tratamiento selectivo del cobre ampolloso fundido con corrientes gaseosas coherentes de gases de procedimiento oxidantes y reductores.

Antecedentes

La producción de cobre implica normalmente un procedimiento de múltiples etapas que incluye procedimientos de concentración, fundición, conversión, refinación, colada anódica y refinación electrolítica. Normalmente, partiendo de una mena que comprende uno o más de un mineral de sulfuro de cobre o sulfuro de cobre y hierro, tal como calcosina, calcopirita y bornita, la mena se convierte en un concentrado que contiene habitualmente entre el 25 y el 35 por ciento en peso (% en peso) de cobre. Después, el concentrado se convierte con calor y oxígeno en primer lugar en una mata y, después, en cobre ampolloso. Frecuentemente, se añade chatarra de cobre sólido adicional al cobre ampolloso. La refinación adicional del cobre ampolloso logra la reducción de oxígeno e impurezas de azufre en el cobre ampolloso normalmente desde niveles tan altos como el 0,80 % y el 1,0 %, respectivamente, hasta niveles de tan solo el 0,05 % y el 0,002 %, respectivamente, y habitualmente se lleva a cabo dentro del intervalo de temperatura de aproximadamente 1090 (2000 0F) a 1300 °C (2400 0F) e incluye un proceso de oxidación para oxidar azufre en dióxido de azufre que se desolubiliza y precipita del baño, así como un proceso de reducción para retirar el oxígeno disuelto presente después de la etapa de oxidación.

La refinación del cobre ampolloso en cobre anódico puede realizarse como un proceso discontinuo o un proceso semicontinuo. En cualquier caso, se usan normalmente boquillas sumergidas de alta velocidad para la inyección de las corrientes de gas oxidante y gas reductor en la masa fundida de cobre. Sin embargo, numerosas dificultades operativas y costes significativos se asocian con el procedimiento de refinación al fuego de ánodo de cobre convencional y la inyección de las corrientes de gases oxidante y reductor a través de boquillas sumergidas. Tales dificultades incluyen: preocupaciones sobre el mantenimiento y fiabilidad de las boquillas; alto desgaste refractario del horno debido a los efectos corrosivos de los gases oxidante y reductor; formación excesiva de NOx y variaciones del procedimiento de refinación.

Lo que se necesita es un método de refinación anódica de cobre mejorado que elimine la necesidad de boquillas sumergidas y que logre altas eficiencias y productividad de refinación a la vez que disminuya los costes operativos y logre reducciones de los niveles de NOx asociados con el procedimiento de refinación anódica de cobre.

El sistema y método descritos en el presente documento de refinación de cobre con corrientes de gas coherentes incluyen múltiples características y aspectos que solos y colectivamente mejoran el procedimiento de refinación de cobre desde un punto de vista de productividad y ambiental. Estos aspectos y características de la invención se presentan con mayor detalle en las secciones que siguen.

En US-4 444 586 A se describe un método para fundir cobre en un horno de reverbero que tiene un hogar que se extiende longitudinalmente, un techo, paredes laterales y de extremo y que tiene un sistema de quemador en una pared de extremo del mismo para proporcionar al menos una llama que se extiende longitudinalmente a través de dicho horno para calentar el hogar del mismo, incluyendo también el método el uso de al menos una lanza de oxígeno que se extiende hacia abajo desde el techo del horno con la llama de la misma en contacto frontal con una porción unitaria de cobre cargada en el horno, comprendiendo la carga total en el horno una pluralidad de porciones unitarias dispuestas a lo largo de dicho hogar.

En US-6 171 544 B1 se describe un sistema para establecer una pluralidad de chorros de gas coherentes próximos entre sí mediante el uso de una única lanza en donde una pluralidad de chorros de gas se expulsan desde una pluralidad correspondiente de boquillas en una lanza y se establece una envolvente de llama alrededor de la pluralidad de chorros de gas, en donde los chorros permanecen distintos y no coalescen por su longitud.

Sumario de la invención

En un aspecto, la presente invención es un método para la refinación anódica de cobre tal como se define en la reivindicación 1.

En otro aspecto, la presente invención puede ser un sistema para la refinación anódica de cobre tal como se define en la reivindicación 3.

Breve descripción de los dibujos

Lo anterior y otros aspectos, características y ventajas de la presente invención resultarán más evidentes a partir de la siguiente descripción más detallada de la misma, presentada junto con los siguientes dibujos, en donde:

la Figura 1 es una ilustración esquemática de una porción del procedimiento de refinación anódica de cobre, que incluye los hornos anódicos, usados en la mina de cobre Kennecott Utah;

la Figura 2A es una vista isométrica de un conjunto de lanza de chorro coherente de la técnica anterior dispuesto dentro de una carcasa enfriada con agua, mientras que las Figuras 2B y 2C son dibujos de conjuntos de lanza de chorro coherente más sencillos, más pequeños y más ligeros según la presente invención;

la Figura 3 es una vista desde un extremo en sección transversal de un conjunto de lanza de chorro coherente según una realización de esta invención;

la Figura 4 es una vista longitudinal en sección transversal del conjunto de lanza de chorro coherente de la Figura 3;

la Figura 5 es una vista desde un extremo en sección transversal de una realización alternativa del conjunto de lanza de chorro coherente; y

la Figura 6 es una vista longitudinal en sección transversal de la realización alternativa del conjunto de lanza de chorro coherente de la Figura 5.

Descripción detallada

Tal como se usa en el presente documento, el término “corriente de gas coherente” o “chorro coherente” significa una corriente de gas que tiene poco o ningún aumento del diámetro del chorro en la dirección radial y que retiene su velocidad axial a lo largo de una distancia de al menos 20 diámetros de tobera tal como se mide desde la cara de la tobera de chorro. Tales chorros se forman al expulsar un chorro de gas a través de una tobera convergente/divergente y al rodear el mismo con una envolvente de llama que se extiende a lo largo de al menos una porción de la longitud del chorro y preferiblemente por toda la longitud del chorro. De manera similar, el término “envolvente de llama” significa un flujo de combustión formado por la combustión de un combustible y un oxidante que se extiende a lo largo de una o más corrientes de gas.

En un sentido amplio, el sistema y método de refinación descritos en el presente documento se refieren, en general, a la aplicación de tecnología de chorro coherente a la refinación pirometalúrgica de metales no ferrosos. Aunque en sus realizaciones preferidas la invención se refiere, particularmente, a la refinación anódica de cobre fundido, determinados aspectos y características de los presentes sistema y método pueden aplicarse igualmente a la refinación de otros metales no ferrosos, tales como níquel, plomo, zinc y estaño. Se entiende que puede haber diversas cantidades de metales ferrosos en la masa fundida del metal no ferroso refinado mediante el uso de las técnicas descritas en el presente documento. El sistema y método descritos son particularmente útiles, sin embargo, para la refinación anódica de cobre y, particularmente, para procedimientos para la refinación anódica de cobre del tipo en donde una carga de cobre se calienta y/o funde y luego se pone en contacto secuencialmente con gases de procedimiento oxidante y reductor desde el mismo conjunto de lanza para reducir la cantidad de impurezas de azufre y oxígeno en el mismo.

La tecnología de chorro coherente implica inyectar gases en forma de chorros de gas coherentes a velocidades supersónicas en baños de metal fundido para lograr beneficios superiores del proceso en comparación con las técnicas convencionales de inyección de gas. Las toberas de inyección de gas especialmente diseñadas mantienen coherente el chorro de corriente de gas. Coherente significa conservar el diámetro y la velocidad del chorro. El chorro coherente suministra cantidades precisas de la corriente de gas en un baño de metal fundido con mayor impulso, mejor impacto, menor divergencia o desintegración, menor arrastre de gases de horno ambientales y menor formación de cavidades o salpicadura, en comparación con la inyección de chorro de gas supersónica convencional. Los gases suministrados usando los dispositivos de chorro coherente impactan contra el baño de cobre fundido lejos de la pared del horno, lo que puede mejorar la vida útil del revestimiento del horno en comparación con la inyección de gas con boquilla sumergida que inyecta gases a través de las paredes del horno.

El sistema y método de refinación de cobre descritos en el presente documento permiten completamente un procedimiento de refinación anódica de cobre sin boquillas a través de la utilización de uno o más dispositivos de chorro coherente, soplado desde arriba, multifuncional para suministrar gas que contiene oxígeno, gas inerte o nitrógeno, agente reductor y un combustible de hidrocarburo, tal como gas natural, al horno anódico y/o a la masa fundida de cobre ampolloso dispuesta en el mismo. Al eliminar la necesidad de boquillas sumergidas, se han eliminado los problemas y costes de mantenimiento y fiabilidad asociados con las boquillas y se ha ampliado significativamente la vida útil de la cuba del horno. Además, usando los dispositivos de chorro coherente para proporcionar llamas de fusión, el horno es adecuado para mantener la masa fundida a las temperaturas deseadas e incluso realizar una fusión adicional de chatarra de cobre, lo que puede eliminar la necesidad y los costes asociados con un horno de fundición de chatarra independiente. Se describe una comprensión exhaustiva de los procedimientos actuales de refinación de cobre incluyendo los procedimientos continuos de refinación de cobre Kennecott Utah, por ejemplo, en las patentes estadounidenses n.os 6.210.463 y Re 36.598.

Los gases suministrados al horno anódico incluyen preferiblemente oxígeno, gas natural, nitrógeno y mezclas de los mismos que se suministran según los puntos de consigna preprogramados. Más particularmente, el sistema de control de chorro coherente consiste en un sistema de control de flujo de gas (también denominado patín de gas o tren de válvulas) y preferiblemente uno o dos conjuntos de lanza de chorro coherente. Generalmente, cualquier combinación deseada de flujos puede preprogramarse en el sistema de control de flujo de gas. Pueden requerirse flujos mínimos de gas o “flujos de purga” a través de cada uno de los orificios para impedir la oclusión de la tobera y son tales flujos mínimos de gas los que se establecen y mantienen por el controlador cada vez que las lanzas de chorro coherente funcionan en el horno caliente.

El cobre que va a refinarse comprende normalmente cualquier material de cobre en bruto adecuado que contiene cantidades reaccionables de impurezas de azufre y oxígeno y puede someterse a las reacciones de desulfuración y desoxidación contempladas en el presente documento. Tal como se entiende bien en la técnica de refinación de cobre, el cobre contiene normalmente azufre y oxígeno tanto en forma gaseosa disuelta así como en forma combinada químicamente con átomos de cobre tales como, por ejemplo, en forma de sulfuros de cobre y óxidos de cobre. Normalmente, el cobre ampolloso a partir de una conversión continua contiene impurezas de azufre dentro del intervalo de desde aproximadamente 800 hasta 6000 ppm de azufre o más antes de la etapa de oxidación e impurezas de oxígeno de aproximadamente 2000 ppm de oxígeno o más. Como saben bien los expertos en la técnica, el cobre ampolloso es el producto que se obtiene después de las etapas de fundición y conversión de la refinación de cobre. Los presentes sistema y método contemplan la conversión directa de tal cobre ampolloso en cobre anódico. El cobre anódico producido contiene normalmente menos de aproximadamente 50 ppm de azufre y menos de aproximadamente 2000 ppm de oxígeno.

Normalmente, el horno anódico comprenderá un horno cilíndrico rotatorio tal como un horno anódico que tiene un revestimiento refractario que está equipado, opcionalmente, con al menos un quemador de aire-combustible u oxigeno-combustible del tipo convencional montado en una pared de extremo del convertidor para proporcionar calor al horno, y que se ha modificado para contener al menos un conjunto de lanza de chorro coherente, multifuncional, soplado desde arriba. Una masa fundida del cobre está contenida en el fondo del horno. La cuba del horno define un espacio de cabeza sobre la superficie de la masa fundida. Los conjuntos de lanza de chorro coherente se montan preferiblemente en la pared refractaria del horno en una ubicación por encima de la superficie de la masa fundida de cobre y proporciona llamas de fusión o corrientes de gas coherentes al soplado desde arriba de la masa fundida.

En la realización descrita, las lanzas de chorro coherente se montan en la parte superior del horno preferiblemente formando un ángulo prescrito con respecto a la superficie de la masa fundida de cobre para minimizar las salpicaduras de la pared refractaria. Opcionalmente, el horno puede tener un diseño con agitación inferior que contiene al menos un tapón poroso dispuesto en el fondo del horno para la inyección de un gas de agitación tal como nitrógeno, argón, dióxido de carbono, oxígeno o combinaciones de los mismos. Además, el horno también puede estar equipado con al menos una boquilla de respaldo o secundaria para la inyección de gases oxidantes y/o reductores en la masa fundida cuando el conjunto de lanza de chorro coherente está inoperativo, aunque en la realización preferida el uso de boquillas no se ve favorecido debido a las desventajas asociadas con las mismas que se han enumerado anteriormente.

Volviendo ahora al dibujo, la Figura 1 es una ilustración esquemática de los hornos anódicos en la mina de cobre Kennecott Utah que muestra una realización de los presentes sistema y método de refinación de cobre. El primer horno anódico 22 se muestra con un único orificio 25 de lanza de chorro coherente mientras que el segundo horno anódico 24 se muestra con dos orificios 25 de lanza de chorro coherente. Aunque no se muestran, las ubicaciones de montaje para los conjuntos de lanza de chorro coherente se encuentran preferiblemente adyacentes a una plataforma o pasarela existente de tal manera que no se requieren prácticas de trabajo elevadas para el acceso a los conjuntos de lanza de chorro coherente. Los hornos ilustrados incluyen boquillas 26 que se usan para inyectar gases durante las prácticas de oxidación y reducción tradicionales. Después de retirar la escoria 34, el cobre ampolloso 32 del convertidor instantáneo 30 se alimenta en los hornos anódicos de cobre a través de los orificios 28 de alimentación y se alimenta el cobre en forma de chatarra adicional a través del tragante 29 de horno en el que el cobre se somete a gran parte del procedimiento de refinación al fuego, que incluye las etapas de fusión de carga, oxidación, desescoriado y reducción. Después de completarse el procedimiento de refinación al fuego dentro de cada horno anódico, pueden retirarse los conjuntos de lanza de chorro coherente ligeros más pequeños, tal como se describe con mayor detalle más adelante, y hacerse rotar el horno para realizar la sangría del cobre fundido 40 del horno anódico a través del agujero de sangría del horno (no se muestra) y continuar al proceso de colada.

Los conjuntos de lanza de chorro coherente más pequeños y más ligeros se disponen dentro de los orificios 25 de lanza de chorro coherente mostrados en la Figura 1. Tal como se describe con mayor detalle más adelante, los conjuntos de lanza de chorro coherente se usan para proporcionar llamas de fusión durante la fusión de cualquier chatarra de cobre añadida a la carga fundida, así como proporcionar corrientes de gas coherentes durante las etapas del proceso de oxidación y reducción, reduciéndose de ese modo los tiempos del ciclo de oxidación y reducción así como aumentándose la productividad de los hornos anódicos mientras se minimizan las emisiones no deseadas de NOx.

Comparativamente, cuando no se usan los conjuntos y tecnología de lanza de chorro coherente, el procedimiento de refinación anódica puede usar quemadores de oxígeno-combustible JL convencionales dispuestos en un extremo 20 de cada horno 22, 24 anódico de cobre lejos de los orificios 28 de alimentación para proporcionar la energía requerida al horno durante las etapas de fusión o calentamiento adecuadas. Además, cuando no se usan los conjuntos de lanza de chorro coherente, las etapas del proceso de oxidación y reducción se aplican al cobre dentro del horno anódico usando boquillas sumergidas 26 para introducir los gases adecuados en la masa fundida de cobre.

La Figura 2A muestra una vista isométrica de un conjunto de lanza de chorro coherente de la técnica anterior dispuesto dentro de una carcasa enfriada con agua. El conjunto de lanza de chorro coherente de la técnica anterior tiene una planta grande con una extensión o diámetro máximo de aproximadamente 16 pulgadas. El inyector de chorro coherente de la técnica anterior se dispone preferiblemente dentro de la carcasa enfriada con agua. Normalmente, todo el sistema de chorro coherente con carcasa enfriada con agua pesa casi 400 libras.

Por el contrario, el conjunto 50 de lanza de chorro coherente más pequeño y más ligero usado en los presentes sistema y método de refinación anódica de cobre se muestra en las Figuras 2B y 2C. El conjunto 50, 150 de lanza de chorro coherente más pequeño y más ligero también se dispone dentro de una carcasa enfriada con agua, pero tiene una planta de aproximadamente 37 a 48 pulgadas de longitud pero un diámetro máximo de solo aproximadamente 7 pulgadas. Los inyectores de chorro coherente más delgados tienen un diámetro de solo aproximadamente 3,5 pulgadas y todos los sistemas de chorro coherente pesan aproximadamente la mitad que el dispositivo de la técnica anterior que se muestra en la Figura 2A. Estos conjuntos 50, 150 de lanza de chorro coherente más pequeños y más delgados permiten orificios de acceso más pequeños en la porción superior de la cuba del horno para una inserción y retirada más fáciles y seguras o del conjunto de lanza así como taponamiento del orificio.

El peso más ligero del presente conjunto de lanza de chorro coherente junto con las ubicaciones de montaje descritas anteriormente proporcionan una retirada e instalación considerablemente más fáciles del conjunto de lanza de chorro coherente dentro del horno anódico. Los orificios de diámetro más pequeño son, generalmente, más fáciles de abrir y más fáciles de taponar, lo que minimiza los riesgos de seguridad asociados con el horno.

Cada vez que se considera el uso de un conjunto de lanza de chorro coherente en un horno, es necesario considerar la integridad de la estructura del horno y, en particular, la integridad de las características refractarias en la superficie interior del horno. Mediante el uso de un conjunto y una lanza de chorro coherente más pequeño junto con los orificios de lanza más pequeños, se minimizan los problemas estructurales y refractarios asociados con la tecnología de chorro coherente, en comparación con los conjuntos de lanza de la técnica anterior.

Los conjuntos de lanza de chorro coherente se conectan a fuentes de combustible, un gas que contiene oxígeno, un gas reductor y, opcionalmente, un gas inerte a través de un patín o sistema de control de gas (no se muestra). El patín o sistema de control de gas controla operativamente el flujo de gases a los conjuntos de lanza de chorro coherente para generar selectivamente diferentes corrientes de gas inyectadas en el horno con el propósito de llevar a cabo diferentes etapas de refinación que incluyen la fusión de chatarra de cobre así como la oxidación y reducción de la masa fundida de cobre.

Las lanzas de chorro coherente se adaptan para producir corrientes de gas coherentes estructuradas, de alta velocidad en las que al menos una corriente de gas primaria se expulsa desde una tobera convergente-divergente y está rodeada por una envolvente de llama que se extiende desde el extremo distal del conjunto de lanza o cara de lanza en al menos una porción de la longitud de la corriente de gas primaria y preferiblemente se extiende sustancialmente toda la longitud de la corriente de gas primaria, es decir, se extiende desde la cara de lanza hasta la superficie de la masa fundida de cobre. La envolvente de llama sirve para impedir el arrastre de gases ambientales (de horno) en la corriente de gas primaria e inhibe de ese modo la disminución de la velocidad de las corrientes de gas primarias y permite que las corrientes de gas primarias impacten contra la superficie de la masa fundida de cobre a distancias de aproximadamente 20 diámetros de tobera o mayores con retención sustancial de la velocidad axial del chorro. La conservación de la velocidad axial de la corriente de gas permite que las corrientes de gas retengan sustancialmente todo su impulso con un área de la sección transversal que es sustancialmente igual a la del área de salida de tobera en toda esta distancia, mejorando el contacto entre las corrientes de gas primarias y la masa fundida de cobre y, por tanto, la reacción entre las corrientes de gas coherentes y las impurezas de azufre y oxígeno que están presentes en la masa fundida de cobre y reduciéndose de ese modo los tiempos de ciclo y aumentando la eficiencia del procedimiento de refinación de cobre.

Los conjuntos de lanza de chorro coherente difieren en gran medida de los dispositivos de inyección de gas, de soplado desde arriba no coherentes convencionales usados en hornos que no emplean una envolvente de llama. Con tales dispositivos de inyección de gas, de soplado desde arriba convencionales, a medida que la corriente de gas sin envolvente de llama pasa a través de la atmósfera del horno, se arrastran gases de horno en la corriente de gas lo que provoca que se expanda rápidamente en la dirección radial en un patrón de cono característico, con una pérdida rápida de su velocidad axial e impulso.

De hecho, con lanzas o dispositivos de soplado desde arriba convencionales, esta pérdida de velocidad axial es tan sustancial que una corriente de gas supersónico perderá su carácter supersónico dentro de una corta distancia desde la cara de lanza. Con la tecnología de chorro coherente, por otra parte, la corriente de gas coherente retendrá sustancialmente su velocidad axial en distancias mayores que 20 diámetros de tobera y normalmente de 30 a 150 diámetros de tobera. Tal mayor longitud permite que el conjunto de lanza de chorro coherente se monte más allá de la masa fundida de cobre, tal como, por ejemplo, al ras de la pared refractaria del horno, sin pérdida de eficiencia del procedimiento. Además, la velocidad sustancialmente mayor de corrientes de gas coherentes permite una penetración más profunda de los gases en la masa fundida de cobre que la obtenida con corrientes de gas sin envolvente de llama (es decir, no coherentes) de soplado desde arriba convencionales. De hecho, en muchos casos se cree que las corrientes de gas coherentes penetran profundamente en la masa fundida de cobre antes de que las fuerzas de flotabilidad provoquen que los gases inyectados vuelvan hacia arriba, que la acción del gas dentro de la masa fundida imita la acción del gas inyectado bajo la superficie, eliminándose de ese modo la necesidad de boquillas sumergidas.

Haciendo referencia ahora a las Figuras 3 y 4, se ilustra un inyector de lanza de chorro coherente preferido que comprende una cara 52 de lanza que tiene dispuesta de manera centrada en la misma una tobera principal 54 rodeada por anillos concéntricos de orificios 56 de combustible y orificios 58 de oxidante. Aunque no se muestra en las Figuras 3 y 4, el inyector de lanza de chorro coherente está contenido en una carcasa de camisa enfriada con agua que se enfría con agua mediante el uso de una manguera flexible desde la camisa con agua hasta la conexión de distribución de agua. La camisa con agua de enfriamiento recibe normalmente un flujo significativo de agua de enfriamiento, una porción de la cual se desvía del colector de camisa con agua de enfriamiento hacia el conjunto de lanza de chorro coherente.

En la realización preferida, el combustible es preferiblemente gas 64 natural conectado a los orificios 56 de combustible a través de pasos 65. De la misma manera, el oxidante es un gas que contiene oxígeno tal como oxígeno 62 puro industrial conectado al orificio 58 de oxidante a través del paso 63. Preferiblemente, cada uno de los orificios 56 de combustible y orificios 58 de oxidante se disponen en un rebaje anular dentro de la carcasa enfriada con agua para minimizar cualquier bloqueo de los orificios. La tobera 54 de gas primaria es una tobera convergente-divergente de alta velocidad dimensionada adecuadamente en vista de los gases y flujos de gas que se espera que se suministren con el conjunto 50 de lanza de chorro coherente. La tobera 54 se conecta preferiblemente en su extremo aguas arriba a una o más fuentes de gas 60 a través de un primer paso 61. Aunque las Figuras 3 y 4 ilustran el diseño del inyector sencillo y preferido, pueden usarse disposiciones alternativas de inyector y configuraciones de tobera si se desea. Por ejemplo, pueden usarse toberas de gas primarias duales en lugar de una única tobera central.

Haciendo referencia ahora a las Figuras 5 y 6, se ilustra una realización preferida alternativa del inyector de lanza de chorro coherente que comprende una cara 152 de lanza que tiene dispuesta de manera centrada en la misma alrededor de su punto medio radial una tobera principal 154 y rodeada por un único anillo concéntrico de orificios 155 de gas. Aunque no se muestra en las Figuras 5 y 6, el inyector de lanza de chorro coherente también está contenido en una carcasa de camisa enfriada con agua y también puede incorporar un conjunto de pirómetro para detectar la temperatura de la masa fundida.

En esta realización preferida alternativa, el combustible es preferiblemente gas natural 164 conectado a algunos de los orificios 155 de gas a través de los pasos 165. De la misma manera, el oxidante es un gas que contiene oxígeno tal como oxígeno 162 puro industrial conectado a los otros orificios 155 de gas a través del paso 163. Preferiblemente, el anillo concéntrico de orificios 155 de gas se dispone en una secuencia alterna en la que los orificios 155 de gas acoplados al combustible se disponen adyacentes a los orificios 155 de gas acoplados al oxígeno y viceversa. Todos los orificios 155 de gas se disponen preferiblemente en un rebaje anular dentro de la carcasa enfriada con agua para minimizar cualquier bloqueo de los orificios como resultado de salpicaduras de masa fundida. La tobera 154 de gas primaria es una tobera convergente-divergente de alta velocidad dimensionada adecuadamente en vista de los gases y flujos de gas que se espera que se suministren con el inyector de lanza de chorro coherente. La tobera 154 de gas primaria se acopla preferiblemente a través del paso 161 a una o más fuentes de gas, que incluyen preferiblemente una fuente de oxígeno principal 160 a través del agente 172 de acoplamiento y una fuente de gas inerte tal como nitrógeno 170, a través del agente 171 de acoplamiento.

El presente conjunto de lanza de chorro coherente es capaz de generar llama de fusión (de soplado suave) y corrientes de gas coherentes convencionales rodeadas por una envolvente de llama (de soplado duro). Tal como se usa en el presente documento, una “ llama de fusión” se refiere a una llama no producida por lanza, de soplado suave (denominada “ llama espesa” en la técnica del quemador de oxígeno-combustible) que tiene una cobertura superficial amplia. Tales llamas se producen ajustando los flujos de combustible y oxidante de tal manera que se produce una llama que se extiende en la dirección radial y pierde su carácter supersónico dentro de una distancia de aproximadamente 20 diámetros de tobera desde el extremo distal de la tobera o cara de lanza. Como su nombre implica, tales llamas se emplean preferiblemente para fundir cobre sólido y otros materiales de carga, tales como chatarra de cobre, puesto que proporcionan una gran cantidad de calor sobre una gran área superficial para fundir el material de carga. En las presentes realizaciones, las corrientes de gas usadas durante tal fusión están sustancialmente libres de nitrógeno para minimizar la formación de NOx. Las llamas de fusión también pueden usarse para mantener la temperatura de la masa fundida de cobre dentro del intervalo prescrito durante cualquier modo de funcionamiento de 'mantenimiento/inactividad' y 'quemador'.

Preferiblemente, en la generación de llamas de fusión, el flujo de gas a la tobera de gas primaria se reduce desde condiciones de alto flujo y velocidad supersónica a un flujo reducido que es al menos suficiente para impedir la obstrucción de las toberas (denominado en el presente documento “flujo de purga” ), aunque si se desea, puede continuarse el flujo de gas a alta velocidad a través de la tobera, pero sin la envolvente de llama, para producir una llama híbrida de fusión/producida por lanza. Los presentes sistema y método contemplan el uso de llamas espesas e híbridas, y las mismas se incluyen bajo el término general “ llama de fusión” .

Los combustibles adecuados para su uso con los presentes sistema y método incluyen la mayoría de los combustibles de hidrocarburo, tales como gas natural, gas hidrógeno y combustibles líquidos, pero de la manera más preferible gas natural. Los oxidantes útiles incluyen gas que contiene oxígeno y preferiblemente gas oxígeno de alta pureza de calidad industrial. Preferiblemente, los flujos de gas natural y gas que contiene oxígeno se ajustan de modo que el flujo total de gas natural y gases que contienen oxígeno se dividen uniformemente entre la tobera primaria y los orificios secundarios, respectivamente, cuando los conjuntos de lanza de chorro coherente se hacen funcionar en el 'modo de quemador' (p. ej., modo de llama de fusión).

Un controlador de PLC basado en microprocesador se acopla operativamente a los dispositivos de chorro coherente para controlar con precisión el suministro de gases a las lanzas de chorro coherente en una pluralidad de modos de funcionamiento diferentes (p. ej. modo de mantenimiento/inactividad, modo de quemador o modo de refinación) y en respuesta a las órdenes de usuario y a las condiciones de funcionamiento del horno. Los flujos de gas reales están dictados normalmente por el modo de funcionamiento y las etapas específicas del procedimiento de refinación que se llevan a cabo (p. ej., calentamiento de burbujas frías o fusión de chatarra, oxidación, reducción, desescoriado, etc.). La selección de los modos de funcionamiento y las etapas de procedimiento detalladas usadas por el presente sistema coherente de chorro se realizan preferiblemente por los operadores de horno anódico a través de una interfaz hombre-máquina de pantalla táctil en una sala de control o estación de control.

El objetivo principal del procedimiento de los presentes sistema y método de refinación anódica de cobre es proporcionar energía al horno anódico para la fusión de chatarra de cobre expandida o aumentada mientras permanece por debajo del límite de NOx del horno de fundición y disminuye los tiempos globales del ciclo de oxidación y reducción. Dicho de otro modo, el objetivo de los presentes sistema y método es lograr el mejor equilibrio entre costes operativos, eficiencia energética, tiempo de ciclo y menor formación de NOx alcanzable. Las operaciones típicas del horno de cobre incluyen las etapas de (i) carga; (ii) fusión; (iii) oxidación; (iv) reducción, (v) desescoriado; y (vi) colada. Las etapas de procedimiento detalladas para las etapas de procedimiento de refinación identificadas anteriormente usando el presente procedimiento de chorro coherente se comentan con mayor detalle más adelante.

Carga y control de NOx

Tal como se describió anteriormente, los presentes sistema y método proporcionan un procedimiento mejorado de refinación anódica de cobre y de bajo NOx en el que se emplean conjuntos de lanza de chorro coherente para recibir secuencialmente cobre ampolloso fundido y chatarra de carga, fundir una carga de cobre, desulfurar la masa fundida, opcionalmente desescoriar la masa fundida, desoxigenar la masa fundida y, opcionalmente, proporcionar calor a la masa fundida para ayudar en el proceso de colada. En la primera etapa de este procedimiento, se proporciona una masa fundida de cobre en el horno. Generalmente, esta masa fundida de cobre adoptará la forma de un residuo de cobre fundido restante de una operación de refinación anterior, que se mantiene en forma fundida mediante el calor provisto desde un quemador o, alternativamente, desde los conjuntos de lanza de chorro coherente. Para este residuo, se carga cobre sólido en el horno durante un tiempo de llenado de aproximadamente 7 a 10 horas. Cuando se desee, también puede cargarse chatarra de cobre fría en el horno en una cantidad que comprende, en una base en peso, una porción minoritaria de la carga total. La chatarra sólida puede cargarse en el horno en una, o más preferiblemente, en varias etapas.

Durante la carga del horno con su apertura concomitante de la puerta del horno, el contenido queda expuesto a la atmósfera ambiental, lo que da como resultado la formación de grandes cantidades de NOx. De hecho, se ha descubierto que la generación de NOx durante la etapa de carga es la única fuente más grande de formación de NOx durante el procedimiento global de refinación anódica. Una disminución significativa de la cantidad de formación global de NOx durante el procedimiento puede lograrse suprimiendo la formación de NOx durante la etapa de carga cuando se usa el presente conjunto de lanza que se hace funcionar en el 'modo de mantenimiento/inactividad'.

Se ha descubierto inesperadamente que la formación de NOx puede reducirse significativa e inesperadamente mediante la inyección de gas nitrógeno en el espacio de cabeza del horno a través de los conjuntos de lanza de chorro coherente. En una realización, el gas nitrógeno, el gas oxígeno y una corriente de gas natural se expulsan a través de la tobera hacia el espacio de cabeza del horno. Sin pretender limitarse a ninguna teoría o modo de funcionamiento particular, se cree que esta corriente de gas nitrógeno enfría bruscamente la zona de alta temperatura que existe en el espacio de cabeza que impulsa la formación de NOx, lo que conduce a un nivel reducido de formación de NOx. En un sentido, este resultado es contrario a la lógica ya que se habría esperado que la expulsión de gas nitrógeno en el espacio de cabeza y la exposición a alta temperatura habría aumentado en cambio la cantidad de formación de NOx.

Durante la etapa de carga y supresión de NOx, los flujos de gas se mantienen en condiciones de bajo flujo suficientes para al menos purgar los pasos de lanza de material ocluido e impedir el bloqueo de la lanza debido a salpicaduras del cobre fundido. Durante cualquier etapa de supresión de NOx, la tobera principal se usa preferiblemente para proporcionar un flujo ligeramente mayor de una corriente de gas nitrógeno para la supresión de NOx. El flujo de gas nitrógeno es normalmente menor de aproximadamente 10.000 scfh y preferiblemente se expulsa aproximadamente 9000 scfh de la tobera primaria mientras que los flujos de oxidante y combustible se expulsan de orificios secundarios a velocidades de flujo menores que las usadas durante las etapas de oxidación y reducción. Este modo de funcionamiento se expresa como “ modo de mantenimiento/inactividad” .

Aunque la etapa de supresión de NOx se ha descrito con respecto a la carga del horno con material de cobre, se ha descubierto que el uso de nitrógeno u otra corriente de gas de enfriamiento brusco para la supresión de NOx es igualmente aplicable durante otras fases del procedimiento de refinación siempre que se encuentren altos niveles de NOx durante el procedimiento de refinación. Por ejemplo, la técnica de supresión de NOx descrita en el presente documento también puede usarse siempre que el procedimiento de refinación produzca cantidades no deseadas de NOx durante otras fases de la operación de refinación al cambiar periódica o temporalmente las lanzas de chorro coherente de otros modos de funcionamiento al 'modo de mantenimiento/inactividad' descrito anteriormente y luego inyectar la corriente de gas nitrógeno u otro gas de enfriamiento brusco en el espacio de cabeza del horno a velocidades de flujo reducidas hasta que se reduzca el nivel de NOx del horno. Tal estrategia de control de NOx es preferiblemente una característica automática programada en un controlador de PLC basado en microprocesador.

Fusión

Después de la carga, se lleva a cabo la fusión de la carga preferiblemente a través del calor generado por el conjunto de lanza de chorro coherente a una temperatura y durante un periodo de tiempo suficientes como para producir y mantener una temperatura de fusión de aproximadamente 1200 °C a 1250 0C. Con este propósito, los flujos de gas a los conjuntos de lanza de chorro coherente son gas que contiene oxígeno y combustible y estarían preferiblemente sustancialmente libres de nitrógeno. Los flujos de gas se ajustan de una manera conocida para proporcionar una llama de fusión que se expulsa desde el conjunto de lanza de chorro coherente hacia el espacio de cabeza del horno y, opcionalmente, en contacto con la carga de cobre.

La llama de fusión proporciona la fusión rápida de la carga sólida para formar la masa fundida de cobre fundido. Normalmente, la carga se pondrá en contacto con la llama de fusión durante al menos una porción del periodo requerido para fundir la carga y preferiblemente durante todo el periodo requerido para fundir la carga. Durante esta etapa de procedimiento, los presentes sistema y método de chorro coherente funcionan en lo que se expresa como el 'modo de quemado'. Este 'modo de quemado' se caracteriza por menores velocidades de flujo de las corrientes de gas desde el conjunto de lanza y funciona normalmente durante el proceso de fusión y el proceso de colada.

Después de fundir la carga, los presentes sistema y método de chorro coherente funcionan, generalmente, en lo que se expresa como el 'modo de refinación'. El 'modo de refinación' se caracteriza por flujos de gas protegidos de alta velocidad desde el conjunto de lanza. El modo de refinación se selecciona durante gran parte del proceso de oxidación, proceso de reducción así como el proceso de desescoriado. La composición gaseosa del flujo de gas de la tobera principal depende de la etapa de procedimiento activa (p. ej., oxidación, desescoriado o reducción) que se realiza.

Oxidación

Después de fundir la carga, la masa fundida de cobre resultante se sopla desde arriba con una corriente de gas que contiene oxígeno coherente para desulfurar la masa fundida y oxidar el azufre presente en la misma a SO². La corriente de gas que contiene oxígeno coherente puede comprender hasta el 100 % en volumen de oxígeno con solo cantidades traza de otros gases. En la práctica, la corriente de gas que contiene oxígeno coherente expulsada desde la tobera puede comprender una mezcla de oxígeno y nitrógeno que contiene al menos el 21 % en volumen de oxígeno, más preferiblemente, al menos el 36 % en volumen de oxígeno. La corriente de gas que contiene oxígeno coherente tiene normalmente una velocidad axial (es decir, en la dirección del flujo) de desde aproximadamente 1,0 hasta 2,5 Mach, y preferiblemente desde aproximadamente 1,5 hasta 2,25 Mach y más preferiblemente desde aproximadamente 1,8 hasta 2,0 Mach, y se produce ajustando de manera conocida los flujos de oxígeno desde los orificios de oxidante secundarios, combustible (p. ej., gas natural) desde los orificios de combustible secundarios, y oxígeno desde la tobera principal de tal manera que se produce una envolvente de llama alrededor de la corriente de oxígeno principal para al menos una porción de la longitud de la corriente de gas oxígeno principal, y preferiblemente por toda la longitud de la corriente de gas oxígeno principal.

Las condiciones de flujo típicas durante la etapa de oxidación incluyen un flujo de combustible de desde aproximadamente 5000 scfh hasta 7000 scfh, un flujo de oxígeno secundario de desde aproximadamente 4000 scfh hasta 5000 scfh, y un flujo de gas primario que contiene oxígeno de desde aproximadamente 45.000 scfh hasta 60.000 scfh de flujo total. El soplado desde arriba de la masa fundida de cobre con la corriente de gas que contiene oxígeno coherente se lleva a cabo a una temperatura de fusión de desde aproximadamente 1200 0C hasta aproximadamente 1250 °C, y continúa durante un periodo de tiempo suficiente para reducir la cantidad de azufre presente en la masa fundida de desde, por ejemplo, aproximadamente 800-3.000 ppm (en una base en peso) a aproximadamente 40 hasta aproximadamente 100 ppm de azufre.

La etapa de desulfuración puede llevarse a cabo como un procedimiento de una sola etapa tal como se describió anteriormente u, opcionalmente, puede llevarse a cabo como un procedimiento de múltiples etapas en donde en una primera etapa la masa fundida de cobre se sopla desde arriba con una corriente de gas que contiene oxígeno coherente que tiene una mayor concentración de oxígeno, y en una segunda etapa y etapas posteriores, la masa fundida de cobre se sopla desde arriba con una corriente de gas que contiene oxígeno coherente que tiene menores concentraciones de oxígeno. Esta operación de múltiples etapas puede tener la ventaja de evitar la oxidación excesiva de la masa fundida de cobre. En el procedimiento de múltiples etapas contemplado, la masa fundida de cobre en primer lugar se sopla desde arriba con una corriente de gas que contiene oxígeno coherente que tiene una concentración de oxígeno de desde aproximadamente el 30 hasta el 60 % en volumen, y comprendiendo el resto gas inerte, preferiblemente nitrógeno. Después de eso, la cantidad de oxígeno presente en el gas que contiene oxígeno se reduce hasta de aproximadamente el 21 % a aproximadamente el 36 % en volumen (comprendiendo el resto gas inerte, preferiblemente nitrógeno) y la masa fundida de cobre se sopla desde arriba con las menores concentraciones de la corriente de gas que contiene oxígeno coherente hasta que la concentración de azufre se reduce hasta un nivel deseado tal como, por ejemplo, de desde aproximadamente 40 ppm hasta aproximadamente 100 ppm de azufre. Si se desea, por supuesto, puede emplearse menos soplado desde arriba con la corriente de gas coherente de mayor concentración de oxígeno y más soplado desde arriba con la corriente de gas coherente de menor concentración de oxígeno en etapas posteriores para disminuir la posibilidad de oxidación excesiva de la masa fundida, aunque la cantidad de tiempo requerido para completar la fase de desulfuración del procedimiento de refinación puede aumentar en consecuencia.

Las condiciones de flujo para el procedimiento de oxidación en múltiples etapas corresponden, generalmente, a las del procedimiento en una sola etapa e incluyen, por ejemplo, un flujo de combustible de desde aproximadamente 5000 scfh hasta 7000 scfh, un flujo de oxígeno secundario de desde aproximadamente 4000 scfh hasta 5000 scfh, y una corriente de gas que contiene oxígeno primaria desde la tobera de aproximadamente 45.000 scfh a 60.000 scfh de flujo total.

Desescoriado

Después de la oxidación de la masa fundida de cobre con el gas que contiene oxígeno coherente, la masa fundida puede someterse a una etapa opcional de desescoriado. Aunque no es esencial para la práctica del sistema y método descritos en el presente documento, el desescoriado puede ser deseable periódicamente para impedir la acumulación de escoria en el horno durante la operación continua o semicontinua del horno anódico de cobre. En esta etapa, el horno se hace rotar alrededor de su eje longitudinal para que la escoria pueda retirarse a través del tragante del horno. Para proporcionar una fuerza motriz a la escoria, los conjuntos de lanza de chorro coherente pueden usarse para soplar desde arriba la masa fundida de cobre para elevar una escoria sobre la superficie de la misma y dirigir la escoria en dirección al tragante de horno. Aunque puede usarse cualquier corriente de gas primaria adecuada con este propósito, se prefiere que se use un gas inerte, tal como nitrógeno, o una mezcla de gas oxígeno/nitrógeno como la corriente de gas soplada desde arriba. Como antes, la corriente de gas soplada desde arriba se forma al expulsar un flujo supersónico de una corriente de gas primaria desde la tobera y al rodear el mismo con una envolvente de llama formada mediante la combustión de oxígeno y combustible a través de los orificios.

Reducción

Después de la oxidación y el desescoriado opcional, la masa fundida de cobre contendrá normalmente de aproximadamente 3000 a 7000 ppm en peso de oxígeno, por ejemplo, aproximadamente 4000 ppm de oxígeno. Por el contrario, el nivel de oxígeno del cobre ampolloso en la carga normalmente comprenderá aproximadamente 2000 ppm de oxígeno. Por tanto, el nivel de oxígeno de la masa fundida de cobre ha aumentado significativamente debido a la etapa de oxidación con respecto a los valores iniciales. Para reducir el oxígeno presente en la masa fundida hasta niveles aceptables, la masa fundida se sopla entonces desde arriba por los conjuntos de lanza de chorro coherente con un gas reductor, tal como hidrógeno, gas natural, un hidrocarburo, monóxido de carbono y amoniaco, para desoxigenar la masa fundida de cobre y reducir la cantidad de oxígeno presente en la masa fundida de cobre hasta un valor deseado. Preferiblemente, el nivel de oxígeno en el cobre fundido se reduce desde aproximadamente 4000 ppm en peso después de la desulfuración hasta aproximadamente de 1500 a aproximadamente 1900 ppm de oxígeno y preferiblemente hasta aproximadamente 1500 ppm de oxígeno. Las temperaturas de fusión (reacción) típicas durante la etapa de reducción oscilarán entre aproximadamente 1170 °C y aproximadamente 1180 °C Al igual que con el proceso de oxidación, el proceso de reducción puede implementarse en una o más etapas o subprocesos que usan flujos de gas reductor coherentes que tienen diferentes concentraciones de gas.

La corriente de gas reductor coherente se forma al expulsar un flujo supersónico de una corriente de gas reductor primaria desde la tobera y al rodear el mismo con una envolvente de llama formada por la combustión de oxígeno secundario y combustible a través de los orificios secundarios en la cara de lanza. La corriente de gas reductor coherente puede comprender hasta el 100 % de agente reductor (p. ej., gas natural). Preferiblemente, la corriente de gas coherente comprende una mezcla de agente reductor y un gas inerte tal como argón, vapor de agua, nitrógeno, helio y CO²(de los que se prefiere más el nitrógeno) que contiene desde aproximadamente el 5 % en volumen de agente reductor hasta aproximadamente el 25 % en volumen de agente reductor y más preferiblemente desde aproximadamente el 10 % en volumen de agente reductor hasta aproximadamente el 20 % en volumen de agente reductor, comprendiendo el resto gas inerte tal como nitrógeno. Tales mezclas de agente reductor/gas inerte se forman preferiblemente al ajustar los flujos de gas natural y nitrógeno a los conjuntos de lanza de chorro coherente por el patín o sistema de control de gas de manera que una mezcla de gas natural y nitrógeno se expulsa de las toberas principales.

Se ha descubierto que el uso de una corriente mixta de agente reductor/gas inerte para la corriente de gas reductor coherente durante la reducción reúne determinadas ventajas operativas. En particular, se ha descubierto que debido a su bajo peso molecular (es decir, masa), las corrientes de gas que consisten exclusiva o principalmente en agentes reductores forman corrientes de gas coherentes de longitud y fuerza de chorro limitadas únicamente. De hecho, debido a su baja masa, una corriente de gas coherente únicamente de agentes reductores puede no tener una fuerza de chorro suficiente como para perforar la masa fundida de cobre y fomentar el mezclado gas/líquido adecuado del agente reductor con la masa fundida de cobre. Para superar este problema, los medios convencionales para la introducción de agentes reductores en la masa fundida solo se lograron, frecuentemente, complementando los agentes reductores de soplado desde arriba con tapones porosos y boquillas sumergidas o, estrictamente, introduciendo los agentes reductores usando boquillas sumergidas.

Ventajosamente, las corrientes de gas inerte forman corrientes de gas coherentes excelentes de longitud y fuerza de chorro útiles debido a su mayor masa. Mediante el uso de una corriente mixta de agente reductor/gas inerte, pueden superarse los problemas operativos asociados con el único uso de agentes reductores de soplado desde arriba. Al mezclar el agente reductor (p. ej., gas natural) con un flujo de gas nitrógeno u otro gas inerte, el gas nitrógeno u otro gas inerte actúa como gas portador o propulsor para transportar el agente reductor hasta la masa fundida de cobre con una alta fuerza de chorro suficiente como para permitir el mezclado gas/líquido eficiente y eliminar la necesidad de complementar la inyección de agentes reductores con tapones porosos o boquillas sumergidas.

Colada

Al completarse las etapas de reducción, el cobre anódico resultante normalmente contendrá aproximadamente 15 ppm o menos de azufre, 1900 ppm o menos de oxígeno y tendrá una temperatura de fusión en el intervalo de aproximadamente 1200 °C. En ese momento, el cobre anódico está listo para la colada para dar ánodos para su posterior refinación electrolítica. Para proporcionar calor para mantener la temperatura de fusión durante la operación de colada, en la realización preferida, la masa fundida de cobre puede soplarse desde arriba con una llama de fusión de las lanzas de chorro coherente de manera similar a como se describió anteriormente con respecto a la etapa de fusión de carga de cobre, ajustándose los flujos de gas que contiene oxígeno primario, oxígeno secundario y combustible para proporcionar un ligero exceso estequiométrico de combustible del orden de, por ejemplo, aproximadamente el 3 a aproximadamente el 5 por ciento en volumen. Mediante el uso de tal llama de fusión rica en combustible, se minimiza la reoxidación de la masa fundida. Durante esta etapa de colada, los presentes sistema y método de chorro coherente se hacen funcionar, si acaso, en el 'modo de quemado'.

Ejemplos

La Tabla 1 representa los intervalos de flujos de gas contemplados para su uso con los presentes sistema y método de refinación anódica de cobre para un funcionamiento a escala comercial.

Tabla 1. Flujos de gas de conjunto de lanza típicos

Se evaluaron el sistema y método de refinación anódica de cobre descritos en el presente documento en un horno anódico de cobre Kennecott Utah, un horno anódico de cobre a escala comercial. En la Tabla 2, se presentan los resultados comparativos que muestran el rendimiento del horno anódico que usa los presentes sistema y métodos de refinación anódica de cobre que usan la tecnología de chorro coherente frente al rendimiento del horno anódico que usa el procedimiento de refinación anódica de cobre tradicional que usa un quemador de extremo de oxígenocombustible (es decir, quemador JL) y boquillas sumergidas.

Tabla 2. Refinación de cobre en cobre Kennecott Utah (horno occidental)

Tal como se esperaba, el consumo total de combustible y el consumo de oxígeno aumentaron cuando se usaron los presentes sistema y método de refinación anódica de cobre que usan la tecnología de chorro coherente. Específicamente, el consumo de combustible aumentó de un nivel inicial de 7930 NCFH de gas natural a 8480 NCFH de gas natural, un aumento de aproximadamente el 7 %. El consumo de oxígeno aumentó de 12290 NCFH a 14140 NCFH, un aumento de aproximadamente el 15 %. Sin embargo, se compensaron los mayores costes del gas natural y el oxígeno mediante un gran aumento de la producción de cobre. Particularmente, la fusión de chatarra de cobre aumentó desde aproximadamente 10 toneladas por carga usando el procedimiento de refinación anódica de cobre tradicional hasta 34 toneladas por carga usando los nuevos sistema y métodos de refinación anódica de cobre que usan la tecnología de chorro coherente, un aumento de aproximadamente el 240 %. Además, los tiempos de ciclo asociados con las etapas de oxidación y reducción se redujeron desde un total de 165 minutos con el procedimiento tradicional hasta 120 minutos usando el procedimiento basado en chorro coherente, una reducción del 27 %.

Además, mediante el uso de los nuevos sistema y método de refinación anódica de cobre que usan el suministro secuencial de gases de procedimiento oxidantes y reductores del mismo conjunto de lanza de chorro coherente con purga intermedia, el contenido de azufre en el cobre ampolloso fundido en dos puntos seleccionados se redujo notablemente en comparación con el contenido de azufre correspondiente en el procedimiento de cobre ampolloso fundido tradicional. Tal como se esperaba, el contenido de oxígeno en el procedimiento basado en chorro coherente aumentó ligeramente debido al aumento de oxígeno suministrado al horno en los presentes sistema y método de refinación anódica de cobre. Este exceso de oxígeno también representa el ligero aumento del tiempo de reducción necesario para eliminar el oxígeno en exceso y no deseado.

Igualmente importante es que los presentes sistema y método basados en chorros coherentes, tal como se demuestra en el horno anódico de cobre a escala comercial, controlen eficazmente los niveles de NOx por debajo de los niveles prescritos durante todo el procedimiento.

A partir de lo anterior, debe apreciarse que las realizaciones y los ejemplos descritos proporcionan diversos métodos y sistemas de refinación anódica de cobre. Aunque la invención se ha descrito con detalle con referencia a determinadas realizaciones preferidas, como se les ocurrirá a los expertos en la técnica, pueden realizarse otras numerosas modificaciones, cambios, variaciones, adiciones y omisiones sin apartarse del alcance de las reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método para la refinación anódica de cobre que comprende las etapas de:

(i)cargar cobre ampolloso fundido en un horno;

(ii) opcionalmente cargar chatarra de cobre en el cobre ampolloso fundido en el horno;

(iii) fundir dicha chatarra de cobre o calentar el cobre ampolloso fundido mediante el uso de una llama de fusión producida a partir de una lanza de chorro coherente, multifuncional, soplada desde arriba, en donde dicha llama de fusión es una llama no producida por lanza, de soplado suave que se extiende en la dirección radial y pierde su carácter supersónico dentro de una distancia de 20 diámetros de tobera desde el extremo distal de la cara de lanza estando dicha lanza de chorro coherente acoplada a una fuente de gas que contiene oxígeno, y una fuente de combustible;

(iv) oxidar impurezas de azufre en el cobre ampolloso fundido en el horno mediante el uso de una corriente de gas que contiene oxígeno, coherente, soplada desde arriba expulsada desde la lanza de chorro coherente, estando dicha lanza de chorro coherente acoplada a la fuente de gas que contiene oxígeno y la fuente de combustible; y

(v) reducir el oxígeno en el cobre ampolloso fundido en el horno mediante el uso de una corriente de gas reductor, coherente, soplada desde arriba que contiene un agente reductor y un gas inerte expulsada desde la lanza de chorro coherente; estando dicha lanza de chorro coherente acoplada a la fuente de gas que contiene oxígeno, la fuente de combustible; una fuente del agente reductor; y una fuente del gas inerte.

2. El método de la reivindicación 1 en donde el método de refinación anódica de cobre es un proceso de refinación al fuego continuo y el método comprende además las etapas de repetir las etapas (iii) a (v) para cada carga adicional de chatarra de cobre o cobre ampolloso fundido introducida en el horno.

3. Un sistema de refinación anódica de cobre que comprende:

un horno metalúrgico de cobre que tiene una pared refractaria, conteniendo el horno un baño de cobre fundido que tiene una superficie superior y definiendo dicho horno un espacio de cabeza por encima de la superficie superior del baño de cobre;

al menos una lanza de chorro coherente, multifuncional conectada a fuentes de gas que contiene oxígeno, gas inerte, agente reductor y combustible, montándose dicha lanza de chorro coherente en dicha pared refractaria de horno en una ubicación por encima de la superficie superior del baño de cobre; y

un controlador que controla operativamente el flujo de gas que contiene oxígeno, gas inerte, agente reductor y combustible a la al menos una lanza de chorro coherente;

en donde la al menos una lanza de chorro coherente está configurada para producir una llama de fusión que comprende el combustible y el gas que contiene oxígeno para calentar el cobre fundido o fundir cualquier carga de cobre en forma de chatarra proporcionada al horno, en donde dicha llama de fusión es una llama no producida por lanza, de soplado suave que se extiende en la dirección radial y pierde su carácter supersónico dentro de una distancia de 20 diámetros de tobera desde el extremo distal de la cara de lanza; y

en donde la al menos una lanza de chorro coherente está configurada además para producir una corriente de gas que contiene oxígeno coherente para oxidar azufre en el baño de cobre; y en donde la al menos una lanza de chorro coherente está configurada además para producir una corriente de gas reductor coherente que contiene el agente reductor y el gas inerte para reducir el oxígeno en el baño de cobre.

4. El método de la reivindicación 1 que comprende además la etapa de dirigir uno o más flujos de purga a través de la lanza de chorro coherente multifuncional; después de la etapa de oxidación y antes de la etapa de reducción; después de la etapa de fusión o calentamiento y antes de la etapa de oxidación; durante las etapas de carga; durante la etapa de fusión; o después de la etapa de reducción.

5. El método de la reivindicación 1 en donde la etapa de oxidación se realiza en dos o más subetapas en las que el cobre fundido se pone en contacto con una primera corriente de gas que contiene oxígeno coherente que tiene una concentración de oxígeno de al menos el 30 por ciento en volumen de oxígeno en una primera etapa y el cobre fundido se pone en contacto posteriormente con una segunda corriente de gas que contiene oxígeno coherente que tiene una concentración de oxígeno menor que dicha primera corriente de gas que contiene oxígeno coherente.

6. El método de la reivindicación 1 que comprende además la etapa de calentar dicho cobre fundido durante la colada del cobre en ánodos poniendo en contacto dicho cobre fundido con una llama de fusión producida mediante dicha lanza de chorro coherente.

7. El método de la reivindicación 1 que comprende además la etapa de desescoriado del cobre fundido mediante el uso de una corriente de gas expulsada desde la lanza de chorro coherente para dirigir la escoria en dirección a un tragante de horno.

8. El método de la reivindicación 1 o el sistema de la reivindicación 3 en donde el gas que contiene oxígeno es oxígeno de pureza de calidad industrial, el agente reductor y el combustible son gas natural, y el gas inerte es nitrógeno.

9. El método de la reivindicación 1 o el sistema de la reivindicación 3 en donde la llama de fusión está sustancialmente libre de gas nitrógeno.

10. El método de la reivindicación 1 o el sistema de la reivindicación 3 en donde se introduce una corriente de gas nitrógeno soplada desde arriba en el espacio de cabeza del horno desde la lanza de chorro coherente durante la carga de chatarra de cobre o cobre fundido en el horno para suprimir la formación de NOx en el horno.

11. El método de la reivindicación 1 o el sistema de la reivindicación 3 en donde la lanza de chorro coherente es una lanza de chorro coherente ligera, extraíble que puede retirarse del horno durante etapas de refinación de cobre distintas a las de fusión, oxidación y reducción.