MX2012014298A - Metodo y sistema para eliminar la acreacion acumulada en un horno. - Google Patents

Abstract

Se describe un método y un sistema para eliminar las acreciones sólidas de un ánodo de cobre u horno de conservación que usan el montaje de lanza de chorro coherente dirigido hacia las acreciones sólidas en la porción inferior del horno anódico de cobre para fundir las acreciones sólidas durante un periodo de prolongado sin el daño al material refractario del horno cerca de un punto de impacto de la corriente.

Description

MÉTODO Y SISTEMA PARA ELIMINAR LA ACRECIÓN ACUMULADA EN UN HORNO Campo de la Invención La presente invención se relaciona con la eliminación de acreciones de solera de un horno, y más particularmente, al uso de una lanza de chorro coherente simple y ligera para la fundición y eliminación de las acreciones de solera de un ánodo de cobre u horno de conservación de cobre.

Antecedentes de la Invención La producción de cobre comúnmente implica un procedimiento de múltiples etapas que incluye los procedimientos de concentración, fundición, conversión, refinado, moldeo en ánodos y refinado electrólítico. Comúnmente, al iniciar con un mineral que comprende uno o más de un sulfuro de cobre o mineral de cobre-hierro-sulfuro, como calcosina, calcopirita y bornita, el mineral se convierte a un concentrado que contiene generalmente entre 25 y 35 por ciento en peso de cobre. El concentrado entonces se convierte, con calor y oxígeno, primero a un cobre opaco y después a un cobre ampollado. El refinado posterior del cobre ampollado en un horno anódico logra la reducción adicional de las impurezas de oxígeno y azufre en el cobre ampollado, comúnmente desde los niveles de hasta 0.80% y 1.0%, respectivamente, a los niveles tan bajos como 0.05% y 0.002%, respectivamente y se realiza generalmente en el intervalo de temperaturas de aproximadamente 1090°C (2000°F) a 1300°C (2400°F). Sin embargo, durante el proceso de refinado anódico, las acreciones sólidas se acumulan en el horno anódico, las cuales tienden a afectar de manera adversa a la capacidad del horno y finalmente a la producción de cobre.

Las acreciones del horno son constantes en los reactores pirometalúrgicos ferrosos y no ferrosos. Las acreciones del horno incluyen las acreciones de solera y las acreciones de pared (o canal) así como las acreciones de conducto de la caldera de calor residual y las acreciones del pozo de subida observadas en los hornos flash. Las acreciones de solera en los reactores no ferrosos se han documentado en las primeras operaciones del convertidor y más recientemente en los hornos flash no ferrosos. El mecanismo de la formación de acreción de solera es probablemente un fenómeno complejo que incluye los factores similares a la química de escoria, potencial de oxígeno, así como los mecanismos de transferencia de calor y masa. La acumulación de la acreción de solera parece relacionarse, por lo menos parcialmente, con los esfuerzos de ampliar la duración de la campaña de los hornos y con las consideraciones operacionales seleccionadas del horno que incluyen la frecuencia de separación de la escoria, el rendimiento del mezclado en la inyección con tapón poroso y las condiciones anormales ascendentes ocasionales.

Un ejemplo de los efectos nocivos de las acreciones de solera se observó en las operaciones de fundición en Kennecott Utah Copper. Como resultado de la capacidad disminuida del horno a partir de la capacidad de operación normal de aproximadamente 600 toneladas a una capacidad de operación reducida de aproximadamente 400 toneladas, los hornos anódicos de cobre usados en Kennecott Utah Copper se llenaron después de solamente dos vertimientos de cobre ampollado desde el convertidor flash y este tiempo más corto de llenado de horno redujo el tiempo disponible para la fundición de los desechos. También, la capacidad disminuida del horno aumentó el número de ciclos de refinado para cumplir el rendimiento deseado de la producción de cobre. Conjuntamente, la productividad del ánodo fundidor en la instalación de Kennecott se habla reducido hasta aproximadamente 20% debido a las acreciones de solera.

Los esfuerzos anteriores para eliminar la acumulación de acreción de solera se centraron en la fundición y en el uso de los combustibles sólidos para ayudar a fundir la acumulación. Por ejemplo, el ferrosilicio se ha utilizado como un combustible en los intentos por fundir la acumulación de la acreción de solera. En la fabricación de acero con horno de oxígeno básico, las acreciones de solera se eliminan comúnmente al cargar el horno con ferrosilicio y al quemar el ferrosilicio con el oxígeno suministrado a través de la lanza de oxígeno principal. Un esfuerzo alternativo por atenuar o eliminar la acumulación de acreción de solera en el horno es el fundente de sosa cáustica, con o sin la adición de virutas de cal y aluminio (es decir, la reacción de la termita). Sin embargo, las desventajas asociadas a los combustibles como ferrosilicio y fundente de sosa cáustica, que incluyen el control de la temperatura y la generación localizada de calor, pueden tener efectos nocivos sobre la duración de la campaña de los hornos anódicos. Particularmente, debido a que la geometría del horno anódico no es comúnmente simétrica con respecto a la fuente de oxígeno, existen preocupaciones con respecto al control de temperatura y al potencial de daño refractario causado por la excesiva generación localizada de calor al usar los combustibles como ferrosilicio y fundente de sosa cáustica.

Otra técnica para eliminar la acumulación de la acreción de solera que se ha utilizado previamente, es la adición de la energía significativa al quemador de combustible oxigenado cerca de la acumulación de acreción para fundir y desprender parcialmente la acreción. Aunque esta solución ha demostrado ser efectiva, existen preocupaciones con respecto a los efectos del quemador de combustible oxigenado sobre la integridad refractaria así como preocupaciones ambientales asociadas a las emisiones crecientes relacionadas con el quemador de combustible oxigenado.

La tecnología tradicional del chorro coherente también se ha sugerido para tratar el problema de las acreciones de solera. Un sistema de chorro coherente de ese tipo es el sistema CoJet® de Praxair, el cual proporciona las capacidades de energía química e inyección de gas para los procesos metalúrgicos como el proceso de refinado de cobre anódico. Brevemente, el proceso de chorro coherente crea una cubierta de llama alrededor de un chorro de gas de alta velocidad. La cubierta de llama reduce el arrastre de gas ambiental en el chorro de alta velocidad para de tal modo mantener el perfil de velocidad del chorro sobre las distancias más largas, en comparación con un chorro de gas no cubierto. La tecnología y el sistema de chorro coherente han mostrado que son potencialmente útiles en el refinado de cobre anódico como una fuente de chorros de oxidación y reducción de inyección superior para el refinado en fuego así como una fuente de energía para los índices mayores de fundición de desechos. Los índices de fundición de desechos de aproximadamente 9 ton/h al usar la tecnología y los sistemas tradicionales del chorro coherente se han demostrado en un horno anódico de cobre en Kennecott Utah Copper, con hasta 203 toneladas de desechos fundidos durante un período de fundición.

Sin embargo, algunas preocupaciones y desventajas operacionales de usar los sistemas existentes o tradicionales del chorro coherente necesitan superarse si el uso de la tecnología de chorro coherente para la eliminación de las acreciones de solera llega a ser una práctica comercial. Estas preocupaciones operacionales incluyen: la apertura del puerto de chorro coherente que frecuentemente requiere el uso del martillo neumático y de la lanza magnética; la conexión de las mangueras de suministro de gas con el montaje de la lanza de chorro coherente que requiere las prácticas y controles elevados de trabajo; tapar el puerto de chorro coherente que fue difícil y podría dar lugar a fugas del cobre fundido; y, el tamaño y el peso de los dispositivos de montaje de la lanza de chorro coherente que requieren comúnmente por lo menos dos personas para la instalación y retiro.

Según se discutió más detalladamente en las siguientes secciones, el sistema y el método actualmente descritos para la eliminación de las acreciones que usan un diseño más simple del montaje de lanza de chorro coherente, han superado muchas de estas dificultades.

Breve Descripción de la Invención En un aspecto, la presente invención se puede caracterizar como un método para la eliminación de las acreciones sólidas de un horno anódico que comprende las etapas de: (a) la conexión o colocación de por lo menos un montaje de lanza de chorro coherente en el horno, dicho montaje de lanza de chorro coherente es capaz de generar una corriente coherente de gas de combustible oxigenado sustancialmente libre del gas de nitrógeno, la corriente coherente de gas de combustible oxigenado comprende una corriente principal de gas oxigenado y una envoltura circundante de llama del combustible y gas oxigenado; (b) la conducción de la corriente coherente de gas de combustible oxigenado desde dicho montaje de lanza de chorro coherente hacia las acreciones sólidas a una velocidad de caldeo de entre aproximadamente 4 millones de BTU/hora a aproximadamente 15 millones de BTU/hora y con la corriente principal de gas oxigenado que tiene una velocidad axial de entre aproximadamente 75 a aproximadamente 500 pies por segundo (22.86 a 152.4 metros por segundo); y (c) la desconexión o el retiro del montaje de lanza de chorro coherente del horno anódico; y (d) el giro del horno anódico para eliminar cualquier acreción fundida del horno anódico a través de un puerto. La longitud de llama de la corriente coherente de gas de combustible oxigenado es suficiente para fundir las acreciones sólidas dentro del horno pero sin hacer impacto sobre la pared refractaria.

En otro aspecto, la presente invención se puede caracterizar como un sistema para la eliminación de las acreciones sólidas de un horno anódico que comprende: un horno que tiene una porción inferior donde las acreciones sólidas tienden a acumularse y una porción superior, el horno tiene una pared refractaria y contiene uno o más puertos sellables en la porción superior del horno; por lo menos un montaje de lanza de chorro coherente montado en la porción superior del horno y dirigido a las acreciones sólidas en la porción inferior del horno, el montaje de lanza de chorro coherente conectado con las fuentes de gas que contiene oxigeno, gas inerte, y combustible; y un sistema de control de gas acoplado operativamente al montaje de lanza de chorro coherente y a dichas fuentes de gas que contiene oxígeno, gas inerte, y combustible. El sistema de control de gas se adapta para controlar el suministro de dichos gases en el montaje de lanza de chorro coherente para producir una corriente coherente de gas de combustible oxigenado que comprende una corriente principal de gas que contiene oxígeno y una envoltura circundante de llama a una velocidad de caldeo de entre aproximadamente 4 millones de BTU/hora a aproximadamente 15 millones de BTU/hora y con la corriente principal de gas que contiene oxígeno que tiene una velocidad axial de entre aproximadamente 75 a aproximadamente 500 pies por segundo (22.86 a 152.4 metros por segundo) y donde la longitud de llama de la corriente coherente de gas de combustible oxigenado es suficiente para fundir las acreciones sólidas en la porción inferior del horno sin el impacto sobre la pared refractaria.

Breve Descripción de los Dibujos Los aspectos, características, y ventajas anteriores y otros de la presente invención serán más evidentes a partir de la siguiente descripción, más detallada de las mismas, presentada en combinación con los siguientes dibujos, donde: La figura 1 es una ilustración en corte de un horno anódico de cobre que representa la acumulación de acreción sólida; Las figuras 2A y 2B son imágenes ampliadas de las muestras de acreción pulidas que identifican las varias fases de las acreciones; La figura 3 es la ilustración esquemática de una porción del proceso de refinado de cobre anódico, que incluye los hornos anódicos, usados en la instalación de Kennecott Utah Copper; La figura 4A es una vista isométrica de un montaje de lanza de chorro coherente de la técnica anterior colocado dentro de una camisa enfriada con agua, mientras que la figura 4B es un dibujo del montaje de lanza de chorro coherente más simple, más pequeño y más ligero de la presente invención; La figura 5A representa el montaje de lanza de chorro coherente de la técnica anterior instalado y que opera en un horno anódico de cobre, mientras que la figura 5B representa el presente montaje de lanza de chorro coherente instalado y que opera en un horno anódico de cobre; La figura 6 es una vista transversal del extremo de un montaje de lanza de chorro coherente de acuerdo con una modalidad de esta invención; La figura 7 es una vista longitudinal transversal del montaje de lanza de chorro coherente de la figura 6; La figura 8 es una gráfica que muestra la producción del horno anódico medida en toneladas de cobre de acuerdo con el tiempo entre septiembre de 2008 y noviembre de 2009 para un primer horno anódico de cobre en la instalación de Kennecott Utah Copper; y La figura 9 es una gráfica que demuestra la producción del horno anódico medida en toneladas de cobre de acuerdo con el tiempo entre septiembre de 2008 y noviembre de 2009 para un segundo horno anódico de cobre en la instalación de Kennecott Utah Copper (gráfica).

Descripción Detallada de la Invención Según se usó en la presente, el término "corriente coherente de gas" o "chorro coherente" significa una corriente de gas que tiene poco o nada de aumento en el diámetro de chorro en la dirección radial y que conserva su velocidad axial sobre una distancia significativa de la cara del inyector de chorro. Tales chorros se forman al expulsar un chorro de gas a través de un inyector convergente/divergente y que rodea los mismos con una envoltura de llama que se extiende sobre por lo menos una porción de la longitud del chorro, y preferiblemente sobre la longitud completa del chorro. Similarmente, el término "envoltura de llama" significa un flujo de combustión formado con 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 actualmente descritos se relacionan generalmente con la aplicación de la tecnología de chorro coherente para la eliminación de acreciones sólidas en un horno durante el refinado de metales no ferrosos. Aunque las modalidades preferidas se relacionan particularmente con las acreciones creadas durante el refinado anódico del cobre fundido, ciertos aspectos y características de los presentes sistemas y métodos son igualmente aplicables a la fundición y refinado de otros metales no ferrosos como níquel, plomo, zinc y estaño. Se entiende que puede haber varias cantidades de metal ferroso en la fundición del metal no ferroso refinado al usar las técnicas descritas en la presente. El sistema y el método descritos son particularmente útiles para la eliminación de acreciones sólidas en el horno anódico de cobre.

Según se discutió anteriormente, la tecnología de chorro coherente implica la inyección de los gases en forma de chorros de gas coherentes a altas velocidades para alcanzar los beneficios de proceso superiores en comparación con las técnicas convencionales de la inyección de gas en el refinado pirometalúrgico de metales no ferrosos. Los inyectores especialmente diseñados para la inyección de gas mantienen el chorro coherente de la corriente de gas. Coherente significa que conserva el diámetro y la velocidad del chorro. El chorro coherente suministra las cantidades exactas de la corriente de gas hacia las acreciones sólidas con un impulso más alto, un mejor impacto, menos divergencia o deterioro, menos arrastre de los gases ambientales del horno. Más notablemente, la aplicación del chorro coherente para fundir las acreciones sólidas se hace sin comprometer seriamente la integridad refractaria o disminuir de manera adversa la duración de la campaña del horno.

Volviendo ahora a la figura 1, se muestra una ilustración en corte de un horno anódico de cobre 10 del tipo instalado en la instalación de Kennecott Utah Copper. La inspección visual del interior 11 del horno anódico de cobre 10 mostró que la acumulación de acreción de solera 12 es comúnmente más grande cerca del extremo de alimentación de cobre 14 del horno 10. También hay una acumulación de la acreción 12 cerca del extremo de quemador 16 del horno 10 mientras que la acumulación de acreción 12 es más delgada en la sección central 18 o en la región central del horno 10.

La caracterización de la acumulación de acreción en el horno anódico se realizó al recolectar las muestras obtenidas usando una tubería presionada en la acreción de solera. Las muestras de aumento consistieron comúnmente en una porción rica en cobre, y una porción deficiente en cobre. La fase deficiente en cobre se juzgó como representativa de la masa de la acumulación dentro del horno. Las muestras de acreción pulida a la ampliación de 40x y 370x se muestran en las figuras 2A y 2B. Según se observó en las mismas, las fases presentes en las muestras de acreción son espinela predominantemente oscura 22 con una cantidad moderada de escoria de Ca-Si 24 (es decir, Ca, Si, Al, Fe, óxido de Cu). Otras fases también están presentes en la acreción en cantidades relativamente menores, que incluyen: espinela clara 25 (es decir, Fe, óxido de Cu); óxido de Cu-Fe 26 (es decir, Cu20:Fe203); fase de Cu superior 27 (es decir, Cu y Fe203); y fase de metal de Cu 28 (es decir, 98% de Cu).

El microanálisis de sonda electrónica (EPMA, por sus siglas en inglés) se utilizó para identificar varias fases presentes, y calcular los volúmenes de cada fase dentro de las muestras de acreción. Según se mostró en la siguiente tabla 1, la fase predominante de la acreción de solera fue espinela oscura, una fase de espinela rica en magnetita con otros componentes menores estabilizadores de espinela, y la acreción también comprendió un componente secundario de una espinela clara y algún calcio-silicato también presente.

Tabla 1. Muestras de la acumulación de acreción Existen numerosos factores que contribuyen al problema de la acumulación de acreción sólida dentro de un horno anódico de cobre que incluyen la composición de nuevas cargas; temperaturas de proceso, duraciones de ciclo de proceso, etcétera. Sin importar la causa, la acumulación de acreción dentro del horno anódico contribuye directamente a la disminución de la producción de cobre en un cierto periodo puesto que la acumulación de acreción reduce con eficacia el volumen del horno disponible para la producción de cobre. Por otra parte, no hay mucho tiempo entre el vaciado del cobre fundido del horno para el moldeo y la recepción de nuevas cargas de cobre ampollado y/o cobre de desecho dentro del horno para atenuar el problema de la acumulación de acreción con los medios tradicionales.

Se representa en la figura 3 una ilustración esquemática de los hornos anódicos 30 en la instalación de Kennecott Utah Copper. El primer horno anódico 32 se muestra con un solo puerto de lanza de chorro coherente 33 mientras que el segundo horno anódico 34 se muestra como adaptado para tener uno o más puertos de lanza de chorro coherente 35 y 36. Después de la eliminación de la escoria, el cobre ampollado 37 del convertidor flash 38 se alimenta a los hornos anódicos de cobre a través del puerto de alimentación 39 donde el cobre ampollado 37 experimenta gran parte del proceso de refinado en fuego, que incluye las etapas de oxidación y reducción. Los quemadores extremos ubicados en un extremo 31 de cada horno anódico de cobre lejos del puerto de alimentación 39, se usan en el proceso de refinado en fuego. Las etapas de proceso de oxidación y reducción se aplican al cobre fundido dentro del horno anódico equipado con las toberas 41 para introducir los gases apropiados al cobre fundido durante el proceso de refinado. Los gases liberados comúnmente se descargan o escapan a través de los puertos de alimentación 39. Al concluir el proceso de refinado en fuego dentro de cada horno anódico, el horno se gira para verter el cobre fundido del horno anódico 32, 34 al proceso de moldeo 43. Al vaciar el horno anódico, se expone la acumulación de las acreciones dentro del horno anódico.

La figura 4A muestra una vista isométrica de un montaje de lanza de chorro coherente de la técnica anterior colocado dentro de gn alojamiento enfriado con agua. El montaje de lanza de chorro coherente de la técnica anterior tiene un espacio ocupado de 37 pulgadas (93.98 cm) de la longitud y una extensión o diámetro máximo de aproximadamente 16 pulgadas (40.64 cm). El inyector de chorro coherente de la técnica anterior colocado dentro del alojamiento enfriado con agua tiene un diámetro de aproximadamente 6 pulgadas (15.24 cm) y pesa aproximadamente 200 libras (90.72 kg). Todo el sistema de chorro coherente con el alojamiento enfriado con agua pesa comúnmente casi 400 libras (181.4 kg).

En cambio, el montaje de lanza de chorro coherente más simple, más pequeño y más ligero de la presente invención, y que se muestra en la figura 4B colocado dentro de un alojamiento enfriado con agua, tiene un espacio ocupado de aproximadamente 37 pulgadas (93.98 cm) de longitud pero un diámetro máximo de solo aproximadamente 7 pulgadas (17.78 cm). El inyector de chorro coherente más delgado tiene un diámetro de solo aproximadamente 3.5 pulgadas (8.89 cm) y todo el sistema de chorro coherente pesa aproximadamente la mitad del dispositivo de la técnica anterior mostrado en la figura 4A. Este montaje de lanza de chorro coherente más pequeño y más delgado permite los puertos más pequeños en la porción superior del recipiente del horno para tapar de manera más fácil y más segura.

La localización de montaje para el presente montaje de lanza de chorro coherente es preferiblemente adyacente a una plataforma o pasillo existente tal que no se requiera ninguna práctica de trabajo elevada para el acceso al montaje de lanza de chorro coherente. Esta configuración representa una mejora importante desde un punto de vista de operabilidad.

El peso más ligero del presente montaje de lanza de chorro coherente junto con la localización de montaje descrita anteriormente proporciona un retiro y una instalación notablemente más fáciles del montaje de lanza de chorro coherente dentro del horno anódico. Los puertos de un diámetro más pequeño son generalmente más fáciles de abrir y más fáciles de tapar lo cual minimiza los riesgos de seguridad asociados con los derramamientos.

El presente montaje de lanza de chorro coherente también tiene una configuración más simple para conectar las mangueras flexibles de suministro de gas. Las mangueras flexibles de suministro de gas descritas se separan fácilmente y se pueden separar de la cubierta del horno. Se destacan estas diferencias al comparar visualmente la figura 5A, qué muestra el montaje de lanza de chorro coherente de la técnica anterior instalado y que opera en un horno anódico de cobre en la instalación de Kennecott Utah Copper con el presente montaje de lanza de chorro coherente instalado y que opera en un horno anódico de cobre también en la instalación de Kennecott Utah Copper, mostrada en la figura 5B. Aunque su diseño es más simple, cada uno de los presentes montajes de lanza de chorro coherente son aún capaces de suministrar hasta 18 MMBtu/h al horno anódico de cobre.

Siempre que se considere el uso de un montaje de lanza de chorro coherente en un horno, la integridad de la estructura de horno y, particularmente la integridad de las características refractarias en la superficie interior del horno, siguen siendo un problema. Al usar una lanza de chorro coherente y un montaje más pequeños junto con los puertos de lanza más pequeños, los problemas estructurales y refractarios asociados a la tecnología de chorro coherente son minimizados y la producción así como los beneficios de costo de la eliminación del acreción de solera exceden los riesgos y las preocupaciones asociados con el mantenimiento de la integridad del horno y con la reducción de la vida del horno debido a la integración del montaje de chorro coherente con el horno.

Ahora con referencia a las figuras 6 y 7, se ilustra una lanza de chorro coherente preferida para la eliminación de acreción, indicada generalmente con el número 40, que comprende una cara de lanza 42 centralmente que tiene, colocado centralmente en la misma sobre su punto medio radial, un inyector principal 44 rodeado por los anillos concéntricos de los puertos de combustible y oxidante 46 y 48. Aunque no se mostró en las figuras 6 y 7, el montaje de lanza de chorro coherente se contiene en un alojamiento revestido enfriado con agua y automáticamente se enfrían con agua con una manguera flexible desde la camisa de agua a la conexión de agua 49.

En la modalidad preferida, el combustible secundario es preferiblemente gas natural y el oxidante secundario es un gas que contiene oxígeno como oxígeno puro industrial. Preferiblemente, cada uno de los puertos secundarios 46 y 48 se colocan en una hendidura anular dentro del alojamiento enfriado con agua para minimizar cualquier bloqueo de los puertos secundarios. El inyector de gas primario 44 es un inyector convergente-divergente de alta velocidad dimensionado apropiadamente debido a los gases y a los flujos de gas que se espera sean suministrados con el dispositivo de chorro coherente. El inyector 44 se conecta preferiblemente en su extremo ascendente con una fuente de un gas que contiene oxígeno a través de un primer pasaje. Aunque las figuras 6 y 7 ilustran el diseño simple y preferido del inyector, las configuraciones alternativas del inyector si se desea se pueden emplear. Por ejemplo, los inyectores de gas primarios duales se pueden emplear con múltiples fuentes de gas en lugar de un solo inyector central. También, en lugar del diseño de dos anillos concéntricos que rodea el inyector primario o principal según se mostró en las figuras 6 y 7, un diseño alterno de la lanza puede implicar un solo anillo de los puertos alternativos de combustible y gas que contiene oxígeno que rodean el inyector primario o principal o quizás un diseño que usa tres o más anillos concéntricos.

Otra ventaja esencial de usar la tecnología de chorro coherente para la eliminación de acreción es la capacidad de usar la tecnología de chorro coherente para realizar múltiples funciones durante el proceso de refinado de cobre. Un uso de ese tipo del presente montaje de lanza de chorro coherente que se ha demostrado es la capacidad de calentar rápidamente el baño de cobre fundido dentro del horno anódico de cobre. Esta capacidad de múltiples usos permite a los operadores del horno recuperar rápidamente la temperatura del baño en el caso de un vaciado del cobre ampollado frío o de una condición adversa con el quemador de pared extrema.

Por ejemplo, si el cobre ampollado se vierte a una temperatura por debajo de 1193°C (2180°F), el operador comúnmente necesita hacer funcionar el quemador de pared extrema a una mayor velocidad de caldeo para aumentar la temperatura del baño. Los quemadores de pared extrema comunes tienen una velocidad de caldeo de entre aproximadamente 6 M Btu/h a 13 MMBtu/h al usar el gas natural con oxígeno. Esta transferencia de energía es solamente capaz de calentar el cobre líquido dentro del horno a una velocidad de aproximadamente 6°C (10°F) por hora. El aumento real de la temperatura de acreción del cobre líquido depende de muchos otros factores y condiciones de operación de horno como el espesor de capa de la escoria, la condición de la punta del quemador de pared extrema, y también los impactos sobre el material refractario de superficie libre. Con la comparación, el montaje de lanza de chorro coherente actualmente descrito es capaz de una velocidad de caldeo de gas natural de 9 MMBtu/h y cuando dos montajes de lanza de chorro coherente se utilizan en un horno anódico, el sistema es capaz de calentar el cobre fundido a aproximadamente 17°C a 33°C por hora (30 a 60°F por hora).

Aún otras funciones de refinado se pueden mejorar al usar la tecnología de chorro coherente en el horno anódico, que incluyen, por ejemplo, la fundición complementaria de desechos, oxidación, y reducción de la fundición de cobre. Aunque el horno anódico se equipa con los puertos de chorro coherente y con facilidad para retirar e instalar los montajes de lanza de chorro coherente, los operadores pueden utilizar los montajes de lanza existentes o intercambiarlos con otros montajes de lanza para proporcionar la flexibilidad adicional durante el proceso de refinado. Tales usos contempladas se describen detalladamente más adelante.

Una característica importante de cualquiera de los diseños contemplados del montaje de lanza, es que tales lanzas son ligera y delgadas pero capaces de suministrar los chorros de gas convencionales (inyección lenta) y coherente (inyección rápida) y que son capaces de operarse para producir una llama de fundición de cobre y corrientes coherentes de gas rodeadas por las envolturas de llama. Según se usó en la presente, una "Mama de fundición de cobre" se refiere a una llama sin lanceo de inyección lenta (también designada como una "Mama espesa" en la técnica del quemador de combustible oxigenado) que tiene cobertura superficial amplia. Tales llamas son producidas al ajustar los flujos de combustible (preferiblemente gas natural), oxidante (preferiblemente gas que contiene oxígeno), corriente principal de gas que contiene oxigeno y opcionalmente una corriente de gas inerte tal que una llama sea producida la cual se propaga en la dirección radial. Aunque su nombre es implícito, tales llamas se emplean preferiblemente para la fundición de cobre sólido y de otros materiales de carga como desecho de cobre, puesto que proporcionan una gran cantidad de calor sobre una superficie grande para fundir el material de carga. En las presentes modalidades, las corrientes de gas usadas durante tal fundición de cobre sólido y la fundición de desechos, son preferiblemente flujos de gas libre de nitrógeno.

Preferiblemente, en la generación de las llamas de fundición de cobre, el flujo de gas en los inyectores de gas primarios 44 se regula nuevamente a partir de las condiciones de alto flujo y alta velocidad a un flujo reducido que es por lo menos suficiente para prevenir la obstrucción de los inyectores (referido en la presente como un "flujo de purga"), aunque si se desea, el gas de alta velocidad que fluye a través del inyector 44 pueda continuar, pero sin la formación de una envoltura de llama, para producir una llama híbrida de fundición/lanceo. Este tipo de llama híbrida puede tener una ventaja donde se desea una funcionalidad combinada de la fundición/corte, como por ejemplo, cuando el desecho de cobre sólido se emplea como parte del material de carga. El presente sistema y método contemplan el uso de llamas espesas y híbridas, y las mismas se incluyen bajo el término general "Mama de fundición". Los combustibles útiles para el uso en la presente incluyen los combustibles de hidrocarburo, como gas natural. Los oxidantes útiles incluyen gas que contiene oxígeno y preferiblemente oxígeno de gran pureza de grado industrial. Preferiblemente, los flujos de gas natural y gas que contiene oxigeno se ajustan para que el flujo total del gas natural y de los gases que contienen oxígeno se dividan entre el inyector primario 44 y los puertos secundarios 46 y 48.

El presente sistema de chorro coherente también incluye un sistema de control de gas (también designado como bastidor de gas o tren de válvula) que recibe los gases desde las tuberías colectoras, regula los flujos de gas al usar un controlador PLC con base en un microprocesador, y suministra exactamente los flujos de gas medidos a por lo menos un montaje de inyección de lanza de chorro coherente acoplado con los hornos anódicos. Los flujos de gas reales se dictan por el modo en el que se realizan la operación y el proceso (por ejemplo, eliminación de acreción, calentamiento de cobre ampollado frío, etcétera). La selección de los modos de operación programados previamente y de las etapas de proceso detallados empleados por el sistema de chorro coherente, se realiza preferiblemente por los operadores del horno anódico a través de un interfaz de máquina-humano de pantalla táctil en una sala de control o estación de control.

Los intervalos de los flujos de gas y de las velocidades de caldeo comunes útiles en el proceso de eliminación de acreción, se proporcionan en las siguientes tablas 2 y 3. Según se contempló en las mismas, los flujos de gas del oxígeno y combustible deben incluir un flujo excesivo de combustible por encima de un flujo estequiométrico tal que el gas proporcione un efecto de reducción sobre la acreción muy oxidada (por ejemplo, espinela) mientras la llama hace impacto sobre la acreción sólida. El intervalo preferido del combustible excesivo es entre aproximadamente 5% de combustible excesivo a aproximadamente 17% de combustible excesivo. También, en el modo de operación preferido del montaje de lanza de chorro coherente para la eliminación de acreción, de entre aproximadamente 70% a aproximadamente 80% del oxígeno se suministra al inyector central o primario con el equilibrio del oxígeno suministrado al anillo concéntrico de los puertos secundarios que forman la cubierta.

Tabla 2. Intervalos preferidos de los flujos de gas de chorro coherente Tabla 3. Flujos de gas de chorro coherente a 75% de flujo de 02 para el inyector principal y 5% de combustible excesivo Según se observó en la tabla 3 anterior, las velocidades de salida del gas oxigenado oscilan de 109 pies por segundo (33.22 metros por segundo) a aproximadamente 410 pies por segundo (125 metros por segundo) para las condiciones de flujo que implican 75% de flujo de oxígeno para el inyector primario y 25% de flujo de oxígeno para los puertos secundarios o cubierta junto con aproximadamente 5% de combustible excesivo. El ajuste del flujo de oxígeno relativo a aproximadamente 70% de flujo de oxígeno para el inyector primario y 30% de flujo de oxígeno para los puertos secundarios o cubierta, da lugar a las velocidades de salida que se aproximan a 500 pies por segundo (152.4 metros por segundo). Por otra parte, el aumento del combustible excesivo a aproximadamente 17% y el suministro de un flujo de oxígeno relativo de aproximadamente 80% de flujo de oxígeno para el inyector primario y 20% a los puertos secundarios o cubierta a una velocidad de caldeo de gas natural de 4MMBTU/hr, producen una velocidad de salida tan baja como aproximadamente 75 pies por segundo. Los cálculos similares demuestran un flujo total de oxígeno de entre aproximadamente 6900 pies cúbicos por hora (0.05427 metros cúbicos por segundo) a casi 30000 pies cúbicos por hora (0.236 metros por segundo) para la velocidad máxima de caldeo de aproximadamente 15 MMBTU/hr.

Controlar el porcentaje de combustible excesivo; la relación del flujo de oxígeno entre el inyector principal y la cubierta; y la velocidad de caldeo del quemador, permite que el operador optimice la eliminación de acreción debido a la forma de acreción y al tiempo disponible para la eliminación de acreción mientras que minimiza los efectos nocivos para el material refractario que se pueden causar por el chorro coherente. Idealmente, la longitud de llama no debe exceder de aproximadamente 7 a 9 pies (2.1 a 2.7 metros) de longitud para no hacer impacto sobre el material refractario de la solera de horno opuesta al montaje de lanza. La longitud de flama y las velocidades de salida son controladas preferiblemente al ajusfar la velocidad de caldeo del quemador de chorro coherente y que corresponde a los flujos de oxígeno y combustible. La cantidad de combustible excesivo usada en el presente sistema puede depender en gran medida de la caracterización de la cantidad y de las fases en las acreciones sólidas. El mismo número de fases dentro de la acreción es el mismo para los compuestos muy oxidados, es probable que el efecto de reducción del chorro coherente rico en combustible afecte las reacciones que ocurren durante la fundición de la acreción sólida. El beneficio de usar las relaciones más altas del oxígeno a través del inyector principal es que hay significativamente menos transferencia térmica a la camisa enfriada con agua del montaje de lanza que atenúa el efecto del calor sobre el material refractario cerca de la lanza y permite un diseño de camisa enfriada con agua más pequeño y más simple que rodea el montaje de lanza.

Ejemplos - Proceso de eliminación de acreción En el método preferido de la eliminación de acreción, el presente montaje de lanza de chorro coherente está instalado en los puertos del horno asignados a la tecnología de chorro coherente después del final del moldeo. Una vez que está instalado, el montaje de lanza de chorro coherente se enciende en la dirección general de la acumulación de la acreción de solera durante varias horas para fundir la acreción sólida. El tiempo real asignado a la fundición es muy dependiente del tiempo disponible para la eliminación de acreción antes de que se reanude la producción de cobre en el horno.

La velocidad de caldeo del montaje de lanza de chorro coherente durante los ejemplos de la eliminación de acreción, se seleccionó para minimizar el potencial del desgaste del material refractario en el puerto. Particularmente, un perfil conservador de la velocidad de caldeo se desarrolló para eliminar la acreción durante un período prolongado, operando el sistema durante varias horas por día. Comúnmente, el montaje de lanza de chorro coherente se encendió a las velocidades entre aproximadamente 4 MMBTU/hr a aproximadamente 15 MMBTU/hr al usar gas natural y oxígeno, y se podría fijar a tan alto como 18 MMBTU/hr. Es importante controlar la velocidad de caldeo y la longitud de llama que proviene del montaje de lanza de chorro coherente ya que la adición de demasiada energía con una llama demasiado larga podría dañar el material refractario en el punto de impacto de la llama. Después de fundir la acreción, la acreción fundida entonces se vierte desde el horno a través de la abertura de horno hasta un puerto de vertimiento u otro puerto de salida.

Ahora volviendo a las figuras 8 y 9, se muestran las gráficas de producción del horno para dos hornos anódicos en Kennecott Utah Copper medida en toneladas de producción de cobre de acuerdo con el tiempo entre septiembre de 2008 y noviembre de 2009.

Según se observó en la tabla 8, la producción de cobre del primer horno anódico disminuyó de aproximadamente 520 toneladas en septiembre de 2008 a menos de 250 toneladas en agosto de 2009 mientras tanto se intento poca o nada eliminación de acreción. Esta disminución significativa de la producción es principalmente debido a la acumulación de acreciones sólidas dentro del horno anódico. El índice disminuido de la producción de cobre mostrada en la figura 8 destaca la importancia comercial de eliminar las acreciones sólidas. Un prototipo del sistema y método con base en el chorro coherente para la eliminación de acreción en un horno anódico, se probó inicialmente alrededor del 3 de septiembre de 2009. A partir de ese punto, posteriormente, la producción de cobre mejoró ampliamente a niveles de casi 450 toneladas de producción de cobre mientras se usó el presente sistema y método para la eliminación de acreción.

Similarmente, según se observó en la figura 9, la producción de cobre del segundo horno anódico disminuyó de aproximadamente 570 toneladas en septiembre de 2008 a solo aproximadamente 250 toneladas en agosto de 2009. Una vez más esta disminución significativa de la producción es principalmente debido a la acumulación de las acreciones sólidas dentro del horno anódico. El índice disminuido de la producción de cobre mostrado en la figura 8 destaca la importancia comercial de eliminar las acreciones sólidas. Un prototipo del sistema y método con base en el chorro coherente para la eliminación de acreción en un horno anódico se probó inicialmente alrededor del 3 de septiembre de 2009. Desde ese punto, posteriormente, la producción de cobre mejoró ampliamente a los niveles de más de 500 toneladas de producción de cobre siempre y cuando se usó el sistema y método con base en el chorro coherente para la eliminación de acreción.

El uso de la tecnología de chorro coherente para la eliminación de acreción proporciona un fundamento para usar la tecnología de chorro coherente para otras etapas del proceso de refinado, que incluyen la fundición, separación de escoria, oxidación, reducción y moldeo.

Por ejemplo, la fundición de la carga se puede realizar a través del calor generado por el montaje de lanza de chorro coherente a una temperatura y durante una longitud de tiempo suficiente para producir y mantener una temperatura de fundición de aproximadamente 1200°C a 1250°C. Para este propósito, los flujos de gas pare el montaje de lanza de chorro coherente incluirían el oxígeno y el combustible y preferiblemente serían sustancialmente libres de nitrógeno. El control de los flujos de gas se ajustaría para proporcionar una llama de fundición que se expulse desde el(los) montaje(s) de lanza de chorro coherente en el espacio libre del horno y en contacto con la carga de cobre. La llama de fundición proporciona la función rápida de la carga para formar la fundición de cobre fundido.

También, después de fundir la carga, la fundición de cobre resultante se puede inyectar superiormente con una corriente coherente de gas oxigenado para eliminar el azufre de la fundición de cobre y oxidar azufre presente en la misma a S02. La corriente coherente de gas oxigenado puede comprender hasta 100% en volumen con solamente trazas de otros gases. La corriente coherente de gas oxigenado tiene comúnmente una velocidad axial de aproximadamente 1.0 a 2.5 Mach y se controla al ajustar los flujos del oxígeno secundario, combustible (por ejemplo, gas natural) y de de la corriente principal de gas oxigenado desde el inyector principal tal que una envoltura de llama se produzca alrededor de la corriente principal del oxígeno para por lo menos una porción de la longitud de la corriente principal de gas oxigenado, y preferiblemente sobre la longitud completa de la corriente principal de gas oxigenado.

Otro uso del presente montaje de lanza de chorro coherente sería ayudar a separar la escoria. Aunque no es esencial para la práctica de los sistemas y de los métodos actualmente descritos, la separación de la escoria se puede desear periódicamente para prevenir la acumulación de escoria en el horno y prevenir la acumulación de acreciones. En esta etapa, el horno se gira sobre su eje longitudinal para poder eliminar la escoria a través de la abertura del horno. El montaje de lanza de chorro coherente se utiliza para inyectar superiormente la fundición de cobre para elevar una escoria sobre la superficie de la misma y dirigir la escoria en la dirección de la abertura del horno.

Después de la oxidación y de la separación de escoria opcional, la fundición de cobre contendrá comúnmente de aproximadamente 3,000 a 7,000 ppm en peso de oxígeno. Para reducir el oxígeno presente en la fundición a los niveles aceptables, la fundición entonces se inyecta superiormente por el mismo o diferente montaje de lanza de chorro coherente con un gas de reducción, como hidrógeno, gas natural, hidrocarburo, CO y amoníaco, para desoxigenar la fundición y reducir el oxígeno presente en la fundición a un valor deseado.

Al concluir las etapas de reducción, el cobre anódico resultante contendrá comúnmente aproximadamente 15 ppm o menos azufre, 1,900 ppm o menos oxígeno y tendrá una temperatura de fundición en el intervalo de 1200°C. En este punto, el cobre anódico está preparado para el moldeo en ánodos para el refinado electrolítico subsecuente. Para proporcionar calor para mantener la temperatura de fundición mientras la fundición de cobre sale del horno antes del moldeo, la fundición de cobre puede nuevamente inyectarse superiormente con una llama de fundición del montaje de lanza de chorro coherente al usar una llama de fundición rica en combustible.

A partir de lo anterior, se debe apreciar que las modalidades y los ejemplos descritos proporcionan varios métodos y sistemas para usar la tecnología de chorro coherente en un horno anódico de cobre que incluye el uso de un montaje de lanza de chorro coherente para la prevención y la eliminación de la acreción. Aunque la invención se haya descrito detalladamente con referencia a ciertas modalidades preferidas, como será evidente para los expertos en la técnica, numerosos otros usos, modificaciones, cambios, variaciones, adiciones y omisiones se pueden hacer sin apartarse del espíritu y alcance de las presentes reivindicaciones.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Un método para eliminar las acreciones sólidas de un horno, que comprende las etapas de: (a) conectar o colocar por lo menos un montaje de lanza de chorro coherente en el horno, dicho montaje de lanza de chorro coherente es capaz de generar una corriente coherente de gas de combustible oxigenado sustancialmente libre del gas de nitrógeno, la corriente coherente de gas de combustible oxigenado comprende una corriente principal de gas oxigenado y una envoltura de llama circundante del combustible y gas oxigenado; y (b) dirigir la corriente coherente de gas de combustible oxigenado de dicho montaje de lanza de chorro coherente hacia las acreciones sólidas a una velocidad de caldeo de entre aproximadamente 4 millones de BTU/hora a aproximadamente 15 millones de BTU/hora y con la corriente principal de gas oxigenado que tiene una velocidad axial de entre aproximadamente 75 a aproximadamente 500 pies por segundo (22.86 a 152.4 metros por segundo) y donde la longitud de llama de la corriente coherente del gas de combustible oxigenado es suficiente para fundir las acreciones sólidas dentro del horno pero sin hacer impacto sobre una pared refractaria; (c) desconectar o eliminar el montaje de lanza de chorro coherente del horno anódico; y (d) girar el horno anódico para eliminar cualquier acreción fundida del horno anódico a través de un puerto.

2. El método para la eliminación de las acreciones sólidas de la reivindicación 1, donde la corriente coherente de gas de combustible oxigenado rica en combustible contiene entre aproximadamente 5% a aproximadamente 17% de combustible excesivo.

3. El método para la eliminación de las acreciones sólidas de la reivindicación 1, donde el flujo total de gas oxigenado suministrado al horno a través del montaje de lanza de chorro coherente es de entre aproximadamente 6900 pies cúbicos por hora a aproximadamente 30000 pies cúbicos por hora (0.05427 a 0.236 metros por segundo) y donde entre aproximadamente 70% a aproximadamente 80% del gas oxigenado suministrado al horno a través del montaje de lanza de chorro coherente está en la corriente principal de gas oxigenado con el equilibrio del gas oxigenado en la envoltura de llama.

4. El método para la eliminación de las acreciones sólidas de la reivindicación 1, donde la relación del oxígeno al combustible suministrado al horno es de entre aproximadamente 1.7 a aproximadamente 1.9.

5. El método para eliminar las acreciones sólidas de la reivindicación 1, donde el puerto a través del cual se eliminan las acreciones fundidas es la abertura del horno.

6. El método para eliminar las acreciones sólidas de la reivindicación 1, donde el puerto a través del cual se eliminan las acreciones fundidas es un puerto de vertimiento ubicado en el horno.

7. El método para eliminar las acreciones sólidas de la reivindicación 1, que adicionalmente comprende la repetición de las etapas (a) a (d) en una base intermitente durante los periodos prolongados.

8. El método para eliminar las acreciones sólidas de la reivindicación 8, donde las etapas (a) a (d) se repiten entre las etapas operacionales de vertimiento del cobre fundido del horno para el moldeo y recepción de las nuevas cargas del cobre dentro del horno.

9. Un sistema para la eliminación de las acreciones sólidas de un horno, que comprende: un horno que tiene una porción inferior donde las acreciones sólidas tienden a acumularse y una porción superior, el horno tiene una pared refractaria y contiene uno o más puertos sellabíes en la porción superior del horno; por lo menos un montaje de lanza de chorro coherente montado en la porción superior del horno y dirigido a las acreciones sólidas en la porción inferior del horno, el montaje de lanza de chorro coherente está conectado con las fuentes de gas que contiene oxígeno, gas inerte, y combustible; y un sistema de control de gas acoplado operativamente al montaje de lanza de chorro coherente y a dichas fuentes de gas que contiene oxígeno, gas inerte, y combustible para controlar el suministro de dichos gases en el montaje de lanza de chorro coherente para producir una corriente coherente de gas de combustible oxigenado que comprende una corriente de gas que contiene el oxígeno principal y una envoltura de llama circundante a una velocidad de caldeo de entre aproximadamente 4 millones de BTU/hora a aproximadamente 15 millones de BTU/hora y con la corriente de gas que contiene el oxígeno principal que tiene una velocidad axial de entre aproximadamente 75 a aproximadamente 500 pies por segundo (22.86 a 152.4 metros por segundo) y donde la longitud de llama de la corriente coherente del gas de combustible oxigenado es suficiente para fundir las acreciones sólidas en la porción inferior del horno sin hacer impacto sobre la pared refractaria.

10. El sistema para la eliminación de las acreciones sólidas de la reivindicación 9, donde la corriente coherente de gas de combustible oxigenado contiene entre aproximadamente 5% a aproximadamente 17% de combustible excesivo.

11. El sistema para la eliminación de las acreciones sólidas de la reivindicación 9, donde el flujo gas oxigenado total para el horno a través del montaje de lanza de chorro coherente es de entre aproximadamente 6900 pies cúbicos por hora a aproximadamente 30000 pies cúbicos por hora (0.05427 a 0.236 metros cúbicos por segundo) y donde entre aproximadamente 70% a aproximadamente 80% del gas oxigenado suministrado al horno está en la corriente principal de gas oxigenado con el equilibrio de gas oxigenado en la envoltura de llama.

12. El sistema para la eliminación de las acreciones sólidas de la reivindicación 9, donde la relación del oxígeno al combustible suministrado al horno es de entre aproximadamente 1.7 a aproximadamente 1.9.

13. El sistema para la eliminación de las acreciones sólidas de la reivindicación 9, donde el montaje de lanza de chorro coherente es un montaje pequeño ligero con una longitud de no no más de aproximadamente 37 pulgadas (93.98 cm) y un diámetro de no más de aproximadamente 7 pulgadas (17.78 cm).

14. El sistema para la eliminación de las acreciones sólidas de la reivindicación 9, donde el montaje de lanza de chorro coherente adicionalmente comprende una camisa enfriada con agua que rodea un inyector de chorro coherente y el inyector de chorro coherente tiene una longitud de no más de aproximadamente 37 pulgadas (93.98 cm) y un diámetro de no más de aproximadamente 3.5 pulgadas (8.89 cm).

15. El sistema para la eliminación de las acreciones sólidas de la reivindicación 9, donde el montaje de lanza de chorro coherente adicionalmente comprende una cara de lanza en el extremo distal del montaje de lanza, la cara de lanza tiene un inyector principal convergente-divergente colocado centralmente rodeado por los anillos concéntricos de los puestos de combustible y de los puestos de oxidante.