WO2015077900A1 - Método para el procesamiento continuo de mata de cobre o mata de cobre-níquel - Google Patents
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- WO2015077900A1 WO2015077900A1 PCT/CL2013/000086 CL2013000086W WO2015077900A1 WO 2015077900 A1 WO2015077900 A1 WO 2015077900A1 CL 2013000086 W CL2013000086 W CL 2013000086W WO 2015077900 A1 WO2015077900 A1 WO 2015077900A1
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
- C22B15/00—Obtaining copper
- C22B15/0026—Pyrometallurgy
- C22B15/0028—Smelting or converting
- C22B15/003—Bath smelting or converting
- C22B15/0032—Bath smelting or converting in shaft furnaces, e.g. blast furnaces
Definitions
- the present invention relates to a process for producing blister copper or refined copper from copper matte or Bessemer matte from nickel or copper-nickel matte.
- a process of continuous conversion of copper from copper matte from melting furnaces of concentrates or other source of copper matte Even more particularly, the invention provides a process for the continuous production of blister copper or low sulfur refined copper by means of a vertical bed reactor packed at high temperature, where the copper matte is converted into an oxygen countercurrent in blister copper or copper rusty.
- the extraction of copper from sulphured minerals corresponds to a series of concentration processes that involve sequential stages of process, milling and flotation of minerals in concentration plants, fusion of concentrates, conversion of the matte and refining of copper in smelters of copper.
- Copper concentrates are melted by the generation of heat by the oxidation of sulfur and sulfides of iron and air or enriched oxygen and / or electrical energy, forming liquid gases, slags and slag that are collected and separated in the reactor crucible Due to its different specific gravity. They are extracted through bleeding holes located in the oven walls and transported by means of cups to a second homo for conversion.
- in bath such as Noranda, Arthur electric oven and partially Mitsubishi and Isasmelt
- in suspension Outokumpu flash, Inco flash and partially Mitsubishi and Isasmelt.
- copper matte conversion nickel plated copper nickel is based on the oxidation of FeS and impurities, and iron scorification.
- the copper matte conversion has a second stage, where the Cu 2 S oxidizes to copper and sulfur dioxide.
- the oxygen enriched air or air is injected through nozzles located horizontally along the reactor, called a converter. Kills and fluxes are added by mouth or through a vibrating feeder.
- the converter widely used in the non-ferrous industry is the roller-mounted Peirce-Smith converter with a mouth on the top for the loading of the bush and fluxes, slag slag and bleeding of the copper blister or Bessemer kills.
- the second type of converter used in some foundries is the Hoboken converter, similar to Peirce-Smith with axial gas evacuation, without dilution with air but cooled with convective chillers.
- These types of furnace work in a discontinuous scheme, in which the process stages, wait, emptying of kills, blowing, Bleeding of slag, sopiate and bleeding of copper blister or Bessemer kills, make it necessary to position the mouth outside the hood, creating significant fugitive emissions from sulfur dioxide and impurity powders.
- the discontinuity of sulfur dioxide content in gases results in a sharp decrease in sulfur capture.
- the reaction gases are evacuated through the converter's mouth via a hood positioned over the mouth which directs the gases to a gas cooling device, such as a heat recovery boiler or an evaporative cooler, followed by a process of gas cleaning.
- a gas cooling device such as a heat recovery boiler or an evaporative cooler
- the mat In the classic two-stage operation of the converter, the mat is charged to the equipment by the mouth via cups, and when it is completed, the converter is rotated to its blowing position with the molten mat being oxidized with air while siliceous flux is added.
- FeS iron sulfide
- Iron oxide reacts with silica to form an iron ortho silicate slag according to:
- iron oxide can continue its oxidation to form magnetite (Fe 3 0 4 ) that dissolves in the slag.
- magnetite Fe 3 0 4
- the slag formed is of high viscosity and difficult to handle.
- the slag also contains mechanically trapped copper matte and some dissolved copper oxide.
- the copper formation stage begins, in which the copper sulphide is oxidized to blister copper and sulfur dioxide, which occurs according to:
- the refining of copper is a discontinuous process and, as such, is carried out in kilns of the tilting or stationary type reverberation, in sequential stages of the process.
- Fire refining consists of two chemical process stages, the first one involving the adjustment of the content of S in copper at levels of 25-40 [ppm], oxidation and scorification of impurities by blowing air by nozzles, and the second, of the O suitable for molding the anodes between 1200-1800 [ ppm] by reduction by fossil fuel injected into copper by nozzles.
- the first two reactions describe the oxidation by absorption of oxygen from the blowing air to the metal, to form S0 2 or dissolve in the metal.
- the third describes the equilibrium relationship between S and O.
- the nickel and nickel matte processing ends after the first stage and the Bessemer kills is separated for hydrometallurgical treatment.
- fugitive emissions are one of the most undesirable effects of conversion operations, since these occur each time the converter moves from its blowing position. This remains a fundamental deficiency of the conversion process, and engineering designs to minimize such emissions are complex and expensive. In anode furnaces, the greatest pollution occurs during the reduction due to inefficiency in the use of fossil fuels, during this black smoke phase.
- the converter ship comprises two, three or more converters aligned opposite the melting furnace in the same building or located on the same side.
- the anode furnaces are positioned at one end of the ship and next to them, the anode molding wheels. All liquids are moved by cups that are operated through crane bridges.
- the apparatus comprises a horizontally arranged cylindrical furnace and includes a melting zone, a conversion zone and a slag sedimentation zone; means for the rotation of the furnace on its longitudinal axis and introduction of air of gradual oxidation of the bush and copper conversion; a cargo mailbox, burners arranged in the cylinder heads of the homo to replace energy deficiencies and metal bleeding holes by the mantle and slag by the cylinder head.
- US Patent No. 3,725,044 entitled “Method of continuous processing of sulfide ores", granted to Mitsubishi, Japan, whose inventors are Toshikazu Morisaki and Kazuo Tachimoto, shows an industrial method of continuous processing of sulphide minerals in a combination of mutually bound melting, scoring and conversion furnaces through gutters.
- the continuous conversion of the copper bush whose feeding comes from the slag cleaning furnace that continuously separates the slag from the bush, stands out within these furnaces.
- this high grade bush it is continuously converted to copper blister by oxidation in a bath with enriched air injected by lances located on the roof of the reactor.
- Said reactor is of the stationary vertical cylindrical type.
- the conversion into a bath uses lime as a flux for the scorching of iron.
- the biggest problem facing the Mitsubishi process is corrosion of the refractory by ferritic calcium slag with a high cuprous oxide content.
- the blister copper is processed in classic anode furnaces.
- the bath conversion in a rotary cylindrical reactor was launched by Noranda in 1997. This is described in US Patent No. 4,504,309 issued on March 12, 1985, entitled “Process and apparatus for continuous converting of copper and non-ferrous mattes ", whose inventors are Phillip Mackey and Barry Bailey.
- the Noranda Continuous Conversion process uses the Noranda reactor for the continuous oxidation of copper matte, keeping three layers inside the reactor: semi-blister, white metal and a slag.
- the energy efficiency of the process is low due to heat losses due to the solidification of the bush and the energy required for crushing and milling the bush.
- the biggest operational problem is the rapid corrosion of the refractory by ferritic calcium slag with a high cuprous oxide content and the production of a large amount of duct dust, from 9 to 11% of the feed.
- the cooled end and covered with slag from the lance is located within the slag phase and at a depth that allows the slag phase to be agitated and react with the slag phase dispersed on the slag.
- the copper and slag products go to a settling and separation furnace. This process has not reached industrial consolidation and is still in the stages of industrial pilot tests.
- a process of continuous conversion different from the previous ones is the proposal to carry out said conversion according to the two stages of the traditional process in two vertical reactors of packed bed, which is described in WO 2009/090531 A1, entitled “Method for continuous conversion of copper matte - specification ", requested on behalf of Universidad de Chile, Empresa Nacional de Miner ⁇ a y Pyros Ingenier ⁇ a SA, published on July 29, 2009, and whose inventors are Andrzej Warczok et al.,
- the proposed method consists of the use of a continuous gravitational flow of copper kills to two reactors connected in series by a channel, in which the oxidation and scorification of the iron sulfide in the copper matte, is carried out in the first reactor, followed by the oxidation of the sulfide of copper, and the formation of blister copper in the second reactor. It is specified that it is an intensive operation to convert liquid or liquid and solid copper matte continuously using two packed beds to increase the oxidation rate, with short operating times.
- Copper blister is fed continuously to the first reactor where it is oxidized with combustion gases containing oxygen or with air, with formation of impurity collecting slag and oxidized copper. From this first reactor, refining slag and oxidized copper are fed simultaneously that feeds the second reduction reactor, where anodic copper is produced by deoxidation of copper.
- This continuous refining procedure was tested at the industrial pilot level at a level of 5-10 t / h, becoming the first continuous refining facility of anodic copper in the world.
- the background described shows that there is no procedure or installation at national or international level that processes copper kills copper and converts it to oxidized copper free of impurities or kills Bessemer, or refined copper in a single reactor continuously, as raised by The present invention.
- the present invention relates to a process for producing blister copper or refined copper from copper matte or Bessemer matte from nickel or copper-nickel matte.
- the copper concentrate can be fully processed continuously. All fusion processes are continuous; they require the change from periodic bleeding to continuous bleeding from the bush. This change is very important; kiln settlers play a double role: separation of slag from slag, and storage of slaughter to synchronize this with the conversion process. Thus, in many cases the size of the melting furnaces can be reduced.
- the copper matte of the melting homo flows to a packed bed converter, where it is continuously converted to oxidized copper and the slag formed is continuously extracted, said oxidized copper can be sent to a reduction packed bed furnace, where the contents Oxygen is reduced and thus continuously produce refined copper that can be molded into twin molding wheels.
- the copper-nickel matte of the Inco furnace or nickel matte of the electric furnace can continuously flow to an identical packed bed reactor, where the final metallurgical pyro product is the Bessemer matte, bled for solidification and separation.
- the slag formed is continuously bled and can be recycled to the melting furnace.
- Figure 1 is an illustrative sectional view of a gravitational continuous conversion and refining apparatus of packed bed copper matte, used according to the method described by the invention.
- Figure 2 is a sectional view illustrating a continuous copper bleed block, playing a siphon role, as a component part of the copper matte continuous conversion and refining apparatus, used according to the method described by the invention.
- the present invention provides a method of converting copper from a copper sulphide matte from a process of melting concentrates or other source of matte, together with a packed bed device suitable for use with the process such as that described in Figure 1.
- This invention relates to a process for obtaining blister copper or oxidized copper from copper matte in a single reactor and in a single operation.
- the present invention overcomes the defects inherent in traditional discontinuous conversion and the different proposed methods of continuous conversion in bath and in suspension, with the use of a simple construction and easy operation, which integrates integrally and sequentially, in a single stage, without intermediate products, the formation of slag, metal and gases in a continuous, constant and functional way.
- the present invention in a packed bed reactor establishes an alternative procedure to those already known for the massive and continuous production of high purity blister copper together with a high degree of recovery of high concentration sulfur dioxide, resulting therefrom, admirably high productivity.
- this invention describes as a main installation, a vertical cylindrical reactor such as that of Figure 1, operating at a high temperature, that is, 1200 ° C 1400 ° C, inside which in addition to the refractory masonry 5 that covers the walls , grains of ceramic material of similar quality to grains of refractory material 4, whose objective is to disperse the matte of liquid copper 6 together with the fluxes 8 flowing and gravitationally distributed are incorporated at the top of the cylinder and in the available space through the refractory grains that constitute the packed bed 4, while against the flow ascends an air flow 3 whose main function is to initially oxidize the iron sulfide in the bush, produce a slag 1, and subsequently, oxidize the sulfur in the sulfide of copper to produce partially oxidized blister copper and impurities 10, and together with it, also generate continuously, gases concentrated in sulfur dioxide 7.
- This reactor Figure 1 is arranged in such a way that heat exchange and mass transfer is carried out in a controlled manner through the height of the cylinder, producing at the bottom of this, the separation by density difference of the slag 1 and blister copper 10 formed, bleeding, continuously through holes 2 and 9 arranged opposite each other, at the bottom of the reactor.
- liquid copper matte 6 from a melting furnace, consisting of iron sulfide and copper sulfide, mainly, and an appropriate proportion of fluxes 8, consistent in quartz, limestone and clay, and which are fed to give predetermined reaction conditions leading to a predetermined composition of slag and white metal, which disperse and gravitationally flow through the packed bed 4.
- air and / or enriched air 3 is injected which ascends through the packed bed 4 in such an amount to give a certain composition of slag 1 and white metal, that is, copper sulfide, iron surplus.
- oxygen with iron sulfide, iron is oxidized, generating wustite and magnetite, according to the following reactions:
- phase of liquid slag constitutes an important aspect of the present invention, since the combination of silica, lime and alumina, overcomes the problems of iron silicate slag, and ferritic calcium, with obvious benefits in minimizing formation of magnetite, lower contents of oxidized copper dissolved in the slag and wear of the refractories.
- the three previous stages are characteristically combined in a particular relationship such that the production of slag 1, blister copper or oxidized copper 10 and gases 7 as well as the evacuation rate of these products are adjusted by the feed rate of the slaughterhouse copper 6 that is dispersed in the ceramic bed in the form of small drops, films and veins together with the fluxes 8 that come into contact with a flow of hot gases containing oxygen 3 to obtain metallic copper continuously, and in a manner economic Conceptually, an extremely high ratio of surface area of liquid matte 6 is created in the packed bed 4 with respect to its volume, resulting in a high oxidation rate.
- the reactor temperature is precisely controlled by the air flow and oxygen enrichment of injected air 3.
- the blister copper produced 1 is continuously bled from the reactor by the siphon 14 and sent to the refining furnace without interruption. It is also possible, by adjusting the amount of air or blown enriched air 3, to increase the extraction of dissolved sulfur from the copper, and thus, produce oxidized copper, such as copper after the first stage of refining in anode furnace.
- Blister copper sent for refining should ideally have contents below 500 ppm sulfur and over 4500 ppm of oxygen.
- Oxidized copper sent to the refining furnace (reduction) should have between 8000 ppm of oxygen and 30 ppm of S.
- the continuous extraction of copper or copper-nickel matte from the melting furnace allows the reduction of the size of the melting furnace, particularly of its settler, not requiring a large volume as a lung for synchronization with the classical discontinuous conversion processes.
- the intimately formed alumina-olivine slag phase as an effect of the combination of quartz, limestone and clay that provide silica, lime and alumina in the reaction with the iron from the bush in the packed bed, is continuously removed along with some oxidized copper and minor elements such as arsenic, antimony, lead, bismuth.
- the properties of the slag are controlled by the addition of the melting agents in adequate proportions to collect the iron from the bush and form a liquid slag at the operating temperature of dynamic physical and chemical physical characteristics very different from the traditional phallic slag, the Femtic calcium slag and olivine scum.
- volumetric efficiency of the reactor and its unique operation makes it possible to treat large quantities of liquid copper matte with lower heat losses, while allowing to recast solid matte, reducing the number of units in operation for the same production capacity. Therefore, operational and investment costs are significantly lower due to the small size of the reactor.
- the reactor described in this document for its low cost allows an additional unit to be supported, to which the bush can be directed in case of maintenance of the first unit, thus allowing 100% availability of the equipment.
- FIG. 1 shows a sectional view to produce blister copper or oxidized copper 9 of a prototype apparatus according to an embodiment of the invention.
- the process object of the invention begins with the feeding of copper matte or copper-nickel matte liquid and / or solid from a melting furnace of concentrate in bath or flash through a feed channel 6 to the part top of the ceramic packed bed 4 which is located inside the reactor constituted by a steel wall 11 and supporting refractory masonry 5, and the realization of the high temperature chemical reactions that occur in the ceramic packed bed 4. Simultaneously, with The copper matte feed 6 is added to the surface of the packed bed, solid flux by the feeder 8, from which both flow gravitationally through the grains of the packed bed 4.
- air and / or oxygen-enriched air is injected by nozzles 3 arranged at the end of the second third of the reactor and over the blood holes slag 2 and copper blister or oxidized blister 9.
- the slag collecting iron oxides, lime, silica, alumina and impurities is continuously evacuated through the bleed hole 2 and accumulates in the tank 1 provided for that purpose, Simultaneously, the blister copper or oxidized blister copper are removed by a siphon hole 9, accumulating in the receptacle 10 or sent to the refining / reduction furnace arranged for this purpose.
- the gases 7 are continuously evacuated from the top of the reactor by a bell sealed thereto and to the gas treatment system.
- Figure 2 is an enlarged sectional view of the continuous blister copper or oxidized copper siphon including the reactor component elements and illustrates the principle of the continuous bleeding procedure.
- the reactor, the refractory masonry 5, the high temperature insulating materials 12 and the low temperature 13 and the outer support steel housing of the reactor 11 in their association with the bleeding siphon block 14 are observed.
- the bleeding siphon block 14 has a hole inclined 9 of continuous bleeding of liquid metal and a straight hole 15 at the level of the reactor floor, which allows the total evacuation of the liquids in a detention.
- the height of the metal inside the reactor depends on the height of the slag layer and level 9 of the exit siphon.
- the apparatus presented in the present invention is not limited to any size or shape, but a vertical cylinder is preferred to another configuration, with a suitable installation of feed inlets and bleed holes.
- the blister copper thus produced 10 was continuously bled through a hole 9 of the reactor through a siphon block 14, containing 4000 [ppm] of sulfur and 400 [ppm] of oxygen, at a rate of 3.63 [t / h] , and sent via channel to copper fire refining.
- the concentration of sulfur dioxide in the exhaust gases 7 was 17.2% by volume and that of oxygen by 5.1% by volume, which were sent via the pipeline to the Acid Plant.
- the slag generated 1 was continuously bled at a rate of 0.65 [t / h], with a composition of 13.9% copper, 25.9% Fe 3 0 4 , 23.1% Si0 2 , and 12.2% CaO.
- the compositions of blister copper 10 depend on the degree of oxidation of copper.
- the degree of copper matte and copper oxidation is a function of the oxygen / sulphide ratio, and can be precisely controlled by air flow.
- the temperature inside the reactor and the temperature of the products are controlled by the enrichment of the air with oxygen.
- White metal from a melting furnace consisting of 74% copper, 4.77% iron and 21.2% sulfur, at a rate of 20 [t / h], 6 are fed on the surface of the packed bed 4 of a reactor of continuous conversion as shown in the prototype of Figure 1, together with solid fluxes added via the dosing channel 8 in one ratio, quartz 0.5 [t / h], cal 0.3 [t / h] and grease 0 , 2 [t / h].
- compressed air 24,000 [Nm 3 / h] is injected for the autogenous and continuous conversion of the white metal.
- the condensed liquids slag 1 and oxidized copper blister 10 are continuously separated at the bottom of the bed, bleeding by their respective holes, the slag 1 by the slag hole 2 at a rate of 2.1 [t / h] containing 20% of copper, 25.0% Fe 3 0 4 and oxidized blister copper 10 through hole 9 of the bleeding siphon 14 at a rate of 14.38 [t / h] containing 8000 [ppm] of dissolved oxygen and 30 [ppm] Sulfur
- the slag generated 1 is cooled and shot blasting for copper recovery, while metallic copper 10 is derived to the refining furnace on fire for the adjustment of the oxygen content by reduction and subsequent molding.
- the gases 7 produced continuously 29,300 [Nm 3 / h] with a concentration of 24.8% S0 2 and 5.8% 0 2 , are transferred to the gas cleaning system and the acid plant.
- the continuous conversion reactor of 2.2 [m] in diameter and 3.5 [m] in height processes 20 [t / h] of high grade bush. This corresponds to an annual production of 115,000 [t].
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Abstract
La producción de cobre refinado desde mata de cobre a la fecha, ha estado dominada por el uso de los convertidores Peirce-Smith y los hornos de ánodos, los que por su procesamiento discontinuo, no permiten cumplir de forma aceptable los actuales estándares de emisión de gases y polvos. La presente invención establece continuidad operacional al proceso industrial y elimina la emisión de gases e impurezas fugitivas del proceso, sin contaminar el medio ambiente. El procedimiento consiste en la alimentación continua de mata de cobre o cobre-níquel líquida, sólida ó mezcla de ambos dentro de un reactor vertical de lecho empacado de cerámica, en conjunto con una dosis de fundente, mientras en contra corriente a través de toberas se sopla aire, o aire enriquecido en oxígeno para obtener una tasa y grado deseado de oxidación, con la alimentación de mata y fundentes, y producir de manera continua gases, escoria y cobre oxidado bajo en azufre (mata de Bessemer en caso de mata cobre-níquel), que se separan por diferencia de densidad en el fondo del reactor. La extracción de los líquidos y los gases concentrados en dióxido de azufre son continuos. La dispersión de la mata en el empaque cerámico no reactivo del reactor permite una alta velocidad de reacción que se controla con flujo y la presión parcial de oxígeno determinando la composición del producto final, cobre blister o cobre oxidado o grado de metalización de mata de Bessemer.
Description
MÉTODO PARA EL PROCESAMIENTO CONTINUO DE MATA DE COBRE O MATA DE COBRE-NÍQUEL
La presente invención se refiere a un procedimiento para producir cobre blíster o cobre refinado desde mata de cobre o mata Bessemer de la mata de níquel o cobre-níquel. En particular, un procedimiento de conversión continua de cobre desde mata de cobre proveniente de hornos de fusión de concentrados u otra fuente de mata de cobre. Aún más particularmente, la invención proporciona un procedimiento para la producción continua de cobre blíster ó cobre refinado bajo en azufre mediante un reactor vertical de lecho empacado a alta temperatura, en donde la mata de cobre se convierte en contracorriente con oxígeno en cobre blíster o cobre oxidado.
ARTE PREVIO
La extracción de cobre desde minerales sulfurados corresponde a una serie de procesos de concentración que involucran en etapas secuenciales de proceso, molienda y flotación de los minerales en plantas de concentración, fusión de los concentrados, conversión de la mata y refinación de cobre en fundiciones de cobre.
Los concentrados de cobre son fundidos mediante la generación de calor por la oxidación del azufre y los sulfuras de hierro y aire o oxígeno enriquecido y/o energía eléctrica, formando gases, mata y escoria líquidos que se colectan y separan en el crisol de los reactores debido a su diferente gravedad específica. Se extraen por orificios de sangrado localizados en las paredes de los hornos y transportada mediante tazas a un segundo homo para su conversión. Hay dos tipos de procesos y hornos de fusión: "en baño" tal como Noranda, Teniente horno eléctrico y parcialmente Mitsubishi e Isasmelt, y "en suspensión": Outokumpu flash, Inco flash y parcialmente Mitsubishi e Isasmelt.
En la conversión, conversión de mata de cobre, niqueló mate de cobre níquel se basa en la oxidación del FeS e impurezas, y escorificación del hierro. La conversión de mata de cobre tiene una segunda etapa, donde el Cu2S se oxida a cobre y dióxido de azufre. El aire o aire enriquecido en oxigeno se inyecta por toberas localizadas horizontalmente a lo largo del reactor, llamado convertidor. La mata y fundentes son agregados por la boca ó a través de un alimentador vibratorio. El convertidor ampliamente utilizado en la industria no ferrosa es el convertidor Peirce-Smith montado sobre rodillos con una boca sobre la parte superior para la carga de la mata y fundentes, escorificación de la escoria y sangrado del cobre blíster ó mata Bessemer. El segundo tipo de convertidor usado en algunas fundiciones es el convertidor Hoboken, similar al Peirce-Smith con evacuación axial de gases, sin dilución con aire pero enfriado con enfriadores convectivos. Estos tipos de horno funcionan en un esquema discontinuo, en el cual las etapas de proceso, espera, vaciado de mata, soplado,
sangrado de escoria, sopiado y sangrado de cobre blíster o mata Bessemer, hacen necesario posicionar la boca fuera de campana, creando emisiones fugitivas significativas por dióxido de azufre y polvos de impurezas. La discontinuidad del contenido de dióxido de azufre en los gases da como resultado una fuerte disminución de la captura de azufre.
Los gases de reacción son evacuados a través de la boca del convertidor vía una campana posicionada sobre la boca la que direcciona los gases a un dispositivo para enfriamiento de los gases, tal como una caldera recuperadora de calor ó un enfriador evaporativo, seguida por un proceso de limpieza de gas. Debido a los requerimientos de rotación del convertidor a través de su eje longitudinal para carga y escorificación, y volver a la posición de soplado con las toberas sumergidas, se requiere una abertura entre la campana fija y el convertidor. Esta abertura es fuente de una considerable infiltración de aire que diluye el flujo de gases incrementando su volumen, lo que a su vez aumenta el tamaño del sistema de tratamiento de gases.
En la operación clásica de dos etapas del convertidor, la mata es cargada al equipo por la boca vía tazas, y cuando esta se completa, el convertidor se rota a su posición de soplado siendo la mata fundida oxidada con aire mientras se agrega fundente silíceo.
En esta primera etapa, referida como soplado a escoria, se oxida el sulfuro de hierro (FeS) para formar una escoria y gas de dióxido de azufre, las reacciones típicas que ocurren son:
FeS + 1.5 02 => FeO + S02
El óxido de hierro reacciona con la sílice para formar una escoria de orto silicato de hierro según:
FeO + Si02 => Fe2Si04
Adicionalmente, el óxido de hierro puede continuar su oxidación para formar magnetita (Fe304) que se disuelve en la escoria. Bajo ciertas condiciones, particularmente en el caso de mata de alta ley, en que se tiende a producir un exceso de magnetita, la escoria formada es de alta viscosidad y de difícil manejo. La escoria contiene además mata de cobre atrapada mecánicamente y algo de óxido de cobre disuelto.
Una vez que la escoria ha sido removida se da comienzo a la etapa de formación de cobre, en la cual el sulfuro de cobre es oxidado a cobre blíster y dióxido de azufre, io que ocurre de acuerdo a:
Cu2S + 02 2Cu + S02
Cuando el cobre blíster contiene cerca del 0,05% de S, el proceso se detiene y el cobre blíster se transporta por tazas a ios hornos de ánodos para su refinación. La refinación de cobre al igual que el proceso precedente es un proceso discontinuo y como tai se efectúa en hornos de tipo basculante ó estacionario tipo reverbero, en etapas secuenciales de proceso. La refinación a fuego consiste de dos etapas químicas de proceso, la primera que implica el
ajuste del contenido de S en el cobre a niveles de 25-40 [ppm], oxidación y escorificación de las impurezas mediante el soplado de aire por toberas, y la segunda, del O apto para el moldeo de los ánodos entre 1200-1800 [ppm] por reducción mediante combustible fósil inyectado al cobre por toberas.
La remoción de azufre puede ser descrita por las reacciones:
S (en Cu(l)) + 02 =* S02
S (en Cu(l) + 2 O (en Cu(l)) =* S02
Las dos primeras reacciones describen la oxidación por absorción de oxígeno desde el aire de soplado al metal, para formar S02 o disolverse en el metal. La tercera describe la relación de equilibrio entre S y O.
La remoción de impurezas metálicas, Me, según la reacción:
Me + O = MeO
La reducción del oxígeno del cobre mediante CO e H2, está dada por:
CO + O (en Cu(l)) => C02
H2 + O (en Cu(l)) => H20
El procesamiento de níquel y mata de níquel finaliza después de la primera etapa y la mata Bessemer se separa para tratamiento hidrometalúrgico.
Como se describió las emisiones fugitivas es uno de los efectos más indeseables de las operaciones de conversión, ya que estas ocurren cada vez que el convertidor se mueve de su posición de soplado. Esto permanece como una deficiencia fundamental del proceso de conversión, y los diseños de ingeniería para minimizar dichas emisiones, son complejos y de alto costo. En los hornos de ánodos, la mayor contaminación ocurre durante la reducción por ineficiencia en el uso del combustible fósil, desprendiéndose durante esta etapa negro de humo.
Por otro lado, la nave de convertidores comprende dos, tres ó más convertidores alineados en posición opuesta al horno de fusión en el mismo edificio ó localizado en el mismo lado. Los hornos de ánodos se posicionan en uno de los extremos de la nave y al lado de éstos, las ruedas de moldeo de ánodos. Todos los líquidos se mueven mediante tazas que se accionan a través de puentes grúas.
La productividad de los convertidores convencionales es baja, y los tiempos de espera van de 30-60%, siendo los más eficientes aquellos del límite inferior. Cuando se mide la productividad específica en términos de toneladas de mata por metro cubico de volumen de convertidor por hora, para matas de 70-80% Cu, esta varía de 1,2 a 1,8 [t/m3h].
Varios procesos han sido desarrollados para reemplazar los equipos de fusión y conversión por una sola unidad y así eliminar los problemas mencionados, sobre todo la operación discontinua de dos etapas de la conversión.
Ejemplo de lo anterior lo constituye la patente Norteamericana No. 3.542.352, titulada "Apparatus for the continuous smelting and converting of copper concentrates to metallic copper", del año 1968, siendo los inventores Nickolas Themelis y Paul Spira, otorgada a Noranda Mines, Canadá. El aparato comprende un horno cilindrico dispuesto horizontalmente e incluye una zona de fusión, una zona de conversión y una zona de sedimentación de escoria; medios para la rotación del horno sobre su eje longitudinal e introducción de aire de oxidación gradual de la mata y conversión de cobre; un buzón de carga, quemadores dispuestos en las culatas del homo para suplir deficiencias de energía y orificios de sangrado de metal por el manto y escoria por la culata. Este proceso y otros similares desarrollados, no pudieron alcanzar la etapa industrial porque al ser aplicados a la fusión y conversión directa de concentrados, el cobre blister producido contenía los metales pesados acompañantes del cobre en los concentrados, tales como As, Sb, Bi entre otros, los que debían ser extraídos del cobre en una etapa posterior, costosa y de mayor complejidad que la que se pretendía reemplazar. Así se mantuvo como práctica común la fusión continua de concentrados de cobre y producir matas de alta ley (70 - 75% Cu), y convertir estas con en el proceso tradicional discontinuo. Otros hornos como la fusión flash de concentrados mantuvieron su procesamiento a matas de baja ley (62-68% Cu).
A pesar de las dificultades anteriores, se ha seguido en la búsqueda de la continuidad del proceso de conversión. Los antecedentes consignados de los procesos propuestos se describen más abajo.
En el año 1973, la patente U.S. N°3.725.044, , titulada "Method of continuous processing of sulfide ores", otorgada a la empresa Mitsubishi, Japón, cuyos inventores son Toshikazu Morisaki y Kazuo Tachimoto, muestra un método industrial de procesamiento continuo de minerales sulfurados en una combinación de hornos de fusión, escorificación y conversión mutuamente ligados a través de canaletas. Se destaca dentro de estos hornos, la conversión continua de la mata de cobre, cuya alimentación proviene del horno de limpieza de escoria que separa continuamente la escoria de la mata. En éste mata de alta ley, se convierte continuamente a cobre blister por oxidación en baño con aire enriquecido inyectado por lanzas localizadas en el techo del reactor. Dicho reactor es del tipo cilindrico vertical estacionario. La conversión en baño utiliza como fundente cal para la escorificación del hierro. El mayor problema que encara el proceso Mitsubishi es la corrosión del refractario por la escoria ferrítica de calcio con alto contenido de óxido cuproso. El cobre blister es procesado en hornos de ánodos clásicos.
La conversión en baño en un reactor cilindrico rotatorio fue puesta en marcha por la empresa Noranda en 1997. Este se encuentra descrito en la patente U.S. N°4.504.309 otorgada el 12 de marzo de 1985, titulada "Process and apparatus for continuous converting of copper and non-ferrous mattes", cuyos inventores son Phillip Mackey y Barry Bailey. El proceso de Conversión Continua Noranda usa el reactor Noranda para la oxidación continua de mata de cobre, manteniendo tres capas dentro del reactor: semi-blíster, metal blanco y una escoria. El uso de fundente silíceo produce escoria fayalítica saturada en magnetita. El proceso no es totalmente continuo. El producto semi-blíster requiere el término del soplado en convertidor Peirce-Smith para obtener cobre blister. El reactor necesita reparación frecuente de los refractarios particularmente en la zona de toberas. En la actualidad, el proceso no está en operación, y lleva detenido más de tres años en la fundición de Horne.
A su vez, la conversión flash continua fue desarrollada por Kennecott. Este se inició industrialmente en 1996 en la fundición de Garfield de Kennecott en Utah, USA. El proceso y aparatos utilizados en el procesamiento de concentrados de cobre a cobre refinado, se encuentran descritos en la patente EP0783594 otorgada el 1 de febrero de 1996, a Kennecott Corporation y cuyo inventor es David George. El proceso usa el horno flash Outokumpu para la fusión de concentrado, y el horno flash de conversión para la conversión de mata solidificada y pulverizada, para la oxidación directa a cobre blister. En este último proceso, usa como agente fundente cal, lo que produce escoria ferrítica de calcio con alto contenido de óxido cuproso. La mayor ventaja del proceso Kennecott-Outokumpu es la independencia del proceso de conversión de la fusión de concentrado. La eficiencia energética del proceso es baja debido a las pérdidas de calor por la solidificación de la mata y la energía requerida para el chancado y molienda de la mata. El mayor problema operacional es la rápida corrosión del refractario por la escoria ferrítica de calcio con alto contenido de óxido cuproso y la producción de una gran cantidad de polvo de ducto, desde 9 a 11 % de la alimentación.
Un proceso de conversión continua en baño pero por lanza de inyección de diseño patentado, se encuentra descrito por dos empresas australianas que usan un proceso similar. Por una parte, se otorgó a la empresa Mount Isa Mines Ltd., con fecha 30 de marzo de 1999, la patente U.S. N°5.888.270, titulada "Copper converting", cuyos inventores son James Scott Ed ards y Shafi Jahanshahi, y por la otra, se otorgó a la empresa Ausmelt, el 6 de julio de 2010, la patente USN° 7.749.301B2, titulada "Process for copper converting", cuyos inventores son Stephen Peter Hughes et al. El proceso más conocido y de mayor difusión y desarrollo es aquel de la empresa Ausmelt. Para la escorificación de lo óxidos de hierro, se utilizan sílice y cal, produciendo una escoria tipo olivina. El extremo refrigerado y
cubierto de escoria de la lanza, se localiza dentro de la fase escoria y a una profundidad que permita agitar la fase escoria y reaccionar con la fase mata dispersa sobre la escoria. Los productos cobre y escoria van a un horno de sedimentación y separación de los productos. Este proceso no ha alcanzado la consolidación industrial y aún se encuentra en etapas de pruebas piloto industriales.
Un proceso de conversión continua diferente a los anteriores, es la propuesta de realizar dicha conversión concordante con las dos etapas del proceso tradicional en dos reactores verticales de lecho empacado, que se describe en la publicación WO 2009/090531 A1 , titulada "Method for continuous conversión of copper matte - specification", solicitada a nombre de Universidad de Chile, Empresa Nacional de Minería y Pyros Ingeniería S.A., publicada con fecha 29 de julio de 2009, y cuyos inventores son Andrzej Warczok et al., El método propuesto consiste en el uso de un flujo gravitacional continuo de mata de cobre a dos reactores conectados en serie por un canal, en el cual la oxidación y escorificación del sulfuro de hierro en la mata de cobre, se efectúa en el primer reactor, seguido por la oxidación del sulfuro de cobre, y la formación de cobre blíster en el segundo reactor. Se especifica que es una operación intensiva para convertir mata de cobre líquida ó líquida y sólida de forma continua utilizando dos lechos empacados para incrementar la tasa de oxidación, con cortos tiempos de operación. Esta propuesta no ha alcanzado un desarrollo a nivel piloto industrial, solo a nivel de etapa piloto demostrativa de laboratorio.
Referencias a lecho empacado aplicados a refinación a fuego de cobre para producción continua de ánodos de cobre, están documentadas en las patentes australianas N° 2005282368, titulada "Installation for continuous fire refining of copper" del 01 de diciembre de 2011 , de los inventores G. Riveras et al., y N° 2005282475 titulada "method of continuous fire refining of copper", del 5 de enero de 2012, de los inventores A. Warczok et al., ambas otorgadas a Universidad de Chile y Empresa Nacional de Minería, Chile. El método continúo de refinación a fuego intensivo de cobre y aparato para realizarlo comprende el uso de dos reactores verticales estacionarios de lecho empacado, uno para la oxidación del cobre con lecho de material cerámico y otro para la reducción con lecho empacado de carbón ambos conectados por una canal siguiendo una configuración gravitacional. Cobre blíster, se alimenta de manera continua al primer reactor donde se oxida con gases de combustión conteniendo oxígeno o con aire, con formación de escoria colectora de impurezas y cobre oxidado. De este primer reactor, se extraen simultáneamente escoria de refinación y cobre oxidado que alimenta al segundo reactor de reducción, donde se produce cobre anódico por desoxidación del cobre. Este procedimiento de refinación continua fue probado a nivel piloto industrial a un nivel de 5-10 t/h,
constituyéndose en la primera instalación de refinación continua de cobre anódico en el mundo.
Los antecedentes descritos muestran que no existe un procedimiento e instalación a nivel nacional ó internacional que procese cobre mata de cobre y lo convierta a cobre oxidado libre de impurezas o mata Bessemer, ó cobre refinado en un reactor único de manera continua, como lo planteado por la presente invención.
La presente invención se refiere a un procedimiento para producir cobre blíster ó cobre refinado desde mata de cobre o mata Bessemer desde níquel o mata de cobre-níquel. El concentrado de cobre puede ser procesado totalmente de manera continua. Todos los procesos de fusión son continuos; ellos requieren el cambio de sangrado periódico a sangrado continuo de la mata. Este cambio es muy importante; los sedimentadores de los hornos juegan un doble rol: separación de la mata de la escoria, y almacenamiento de la mata para sincronizar esta con el proceso de conversión. Así, en muchos casos el tamaño de los hornos de fusión puede ser reducido. Si la mata de cobre del homo de fusión fluye a un convertidor de lecho empacado, donde es continuamente convertido a cobre oxidado y la escoria formada es continuamente extraída, se puede enviar dicho cobre oxidado a un horno de lecho empacado de reducción, donde el contenido de oxígeno es reducido y así producir continuamente cobre refinado que se puede moldear en ruedas de moldeo gemelas. La mata de cobre-níquel del horno Inco o mata de níquel del horno eléctrico puede fluir continuamente a un reactor idéntico de lecho empacado, donde el producto piro metalúrgico final es la mata Bessemer, sangrada para solidificación y separación. La escoria formada es sangrada continuamente y puede ser reciclada al horno de fusión.
BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS
La Figura 1 es una vista seccional ilustrativa de un aparato de conversión y refinación continua gravitacional de mata de cobre de lecho empacado, utilizado según el procedimiento descrito por la invención.
La Figura 2 es una vista seccional que ilustra un bloque sangrador continuo de cobre, jugando un rol de sifón, como parte componente del aparato de conversión y refinación continua de mata de cobre, utilizado según el procedimiento descrito por la invención.
DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION
La presente invención proporciona un procedimiento de conversión de cobre desde una mata sulfurada de cobre proveniente de un proceso de fusión de concentrados u otra fuente de mata, junto con un dispositivo de lecho empacado apropiado para ser usado con el procedimiento tal como el descrito en la Figura 1.
Esta invención se refiere a un procedimiento de obtención de cobre blíster ó cobre oxidado desde mata de cobre en un sólo reactor y en una operación única. La presente invención
supera los defectos inherentes a la conversión discontinua tradicional y los diferentes métodos propuestos de conversión continua en baño y en suspensión, con el uso de una construcción simple y de fácil operación, que combina integral y secuencialmente, en una sola etapa, sin productos intermedios, la formación de escoria, metal y gases en una manera continua, constante y funcional. Así, la presente invención en reactor de lecho empacado, establece un procedimiento alternativo a los ya conocidos para la producción masiva y continua de cobre blister de gran pureza junto con un alto grado de recuperación de dióxido de azufre de alta concentración, resultando de ello, una productividad admirablemente alta. Más específicamente, esta invención describe como instalación principal, un reactor cilindrico vertical como el de la Figura 1, que opera a alta temperatura, esto es, 1200 °C 1400 °C, en cuyo interior además de la mamposteria refractaria 5 que cubre las paredes, se incorpora a lo alto del cilindro y en el espacio disponible, granos de material cerámico de calidad similar a los granos de material refractario 4, cuyo objetivo es dispersar la mata de cobre líquida 6 junto con los fundentes 8 que fluyen y se distribuyen gravitacionalmente a través de los granos refractarios que constituyen el lecho empacado 4, mientras en contra corriente asciende un flujo de aire 3 cuya mayor función es oxidar inicialmente el sulfuro hierro en la mata, producir una escoria 1, y posteriormente, oxidar el azufre en el sulfuro de cobre para producir cobre blister oxidado parcialmente e impurezas 10, y junto con ello, generar también de manera continua, gases concentrados en dióxido de azufre 7. Este reactor Figura 1, está dispuesto de tal manera que el intercambio de calor y la transferencia de masa, se efectué de manera controlada a través de la altura del cilindro, produciéndose en el fondo de este, la separación por diferencia de densidad, de la escoria 1 y el cobre blister 10 formados, sangrándose los mismos, continuamente por orificios 2 y 9 dispuestos de manera opuestas entre sí, en el fondo del reactor.
Un fenómeno de secuencia similar ocurre en el caso de la mata de cobre-níquel, ya que en vez de cobre blister o cobre sobre oxidado se produce mata Bessemer.
La operación del reactor siguiendo el procedimiento de esta invención es como se indica a continuación:
En una primera etapa, se alimentan directa y continuamente sobre la superficie del lecho empacado 4, mata de cobre líquida 6 desde un horno de fusión, consistente de sulfuro de hierro y sulfuro de cobre, principalmente, y una proporción apropiada de fundentes 8, consistentes en cuarzo, caliza y greda, y que se alimentan para dar condiciones de reacción predeterminadas conducentes a una composición predeterminadas de escoria y metal blanco, que se dispersan y fluyen gravitacionalmente a través del lecho empacado 4. En contra corriente al flujo de mata de cobre líquida 6 y fundentes fundidos 8, se inyecta aire y/o aire enriquecido 3 que asciende por el lecho empacado 4 en una cantidad tal para dar una
determinada composición de escoria 1 y metal blanco, esto es, sulfuro de cobre excento de hierro. En el encuentro del oxígeno con el sulfuro de hierro, se oxida el hierro, generándose wustita y magnetita, según las siguientes reacciones:
FeS + 1.5 02 FeO + SOz (1) 3FeS + 502 = Fe304 + 3SOz (2) y a la formación de escoria, en una cantidad determinada por las condiciones de las reacciones, produciéndose una escoria de anortita, fayalita y calcio ferrítica:
CaO + 2S¡02 + Al203 CaAI2Si208 (3)
2FeO + Si02 => Fe2Si04 (4)
2Fe304 + FeS + SiOz = 3Fe2Si04 + S02 (5)
Fe304 + CaO => CaO*Fe203 + FeO (6)
El procesamiento de mata de cobre-níquel ó mata de níquel es idéntico al fenómeno descrito anteriormente para mata de cobre. Después de la remoción del FeS la mata Bessemer (Ni3S2 o Ni3S2-Cu2S) es sangrada.
La formación de una fase de escoria líquida constituye un aspecto importante de la presente invención, pues la combinación encontrada de sílice, cal y alúmina, supera los problemas de las escorias de silicato de hierro, y calcio ferríticas, con evidentes beneficios en minimizar la formación de magnetita, menores contenidos de cobre oxidado disuelto en la escoria y desgaste de los refractarios.
En una segunda etapa, que ocurre en el segundo tercio del reactor, en la cual oxígeno del aire o aire enriquecido 3, y que no forma escoria, en una cantidad determinada por las condiciones de la reacción, reacciona con el metal blanco y produce cobre blíster 10, que fluye gravitacionalmente por el lecho empacado 4. La oxidación del sulfuro de cobre a cobre metálico ocurre según la siguiente reacción:
Cu2S + 02 => 2Cu + S02 (7)
Simultáneamente con lo anterior, ocurre la disolución de oxígeno en el cobre metálico y la reducción del azufre disuelto en el cobre metálico y la oxidación de las impurezas, que se expresa según las reacciones:
1/2 02 => 0 (en Cu(l)) (8)
S (en Cu(l)) + 02 =* SOz (9)
Me (en Cu(l) + Q_(en Cu(l) MeO (10)
En una tercera y última etapa, bajo las condiciones de flujo gravitacional y escurrimiento inter granular, se desarrolla la separación de fases condensadas en el fondo del reactor, por diferencia de densidad e inmiscibilidad entre la escoria 1 y el cobre blíster ó cobre oxidado 10, permitiendo simultáneamente el sobre flujo continuo de ambas fases líquidas separadas
por el orificio de sangrado 2 de la escoria 1 de menor densidad y el orificio inclinado 9 del sifón de metal líquido 10.
El principio del sangrado de metal líquido 10 se ilustra esquemáticamente en la Figura 2. Los gases generados de alta concentración de dióxido de azufre ascienden por el empaque del lecho a la parte superior 7, donde se colectan y evacúan al sistema de limpieza de gases con posterior envío a la planta de acido sulfúrico.
Las tres etapas anteriores están característicamente combinadas en una relación particular de tal manera que la producción de escoria 1, cobre blíster ó cobre oxidado 10 y gases 7 así como la tasa de evacuación de estos productos están ajustadas por la tasa de alimentación de la mata de cobre 6 que se dispersa en el lecho cerámico en la forma de pequeñas gotas, películas y venas junto con los fundentes 8 que entran en contacto con un flujo de gases calientes que contienen oxígeno 3 para obtener cobre metálico de forma continua, y de una manera, económica. Conceptualmente, se crea una razón extremadamente alta de área de superficie de mata líquida 6 en el lecho empacado 4 respecto a su volumen, teniendo como resultado una alta tasa de oxidación. La temperatura del reactor es controlada de manera precisa por el flujo de aire y enriquecimiento en oxígeno de aire inyectado 3. El cobre blíster producido 1 es continuamente sangrado del reactor por el sifón 14 y enviado al horno de refinación sin interrupción. Es también posible, por ajuste de la cantidad de aire ó aire enriquecido soplado 3, incrementar la extracción de azufre disuelto del cobre, y así, producir cobre oxidado, como el cobre después de la primera etapa de refinación en horno de ánodos.
De acuerdo al procedimiento descrito por la presente invención, se pueden notar las ventajas que se indican más abajo, si se comparan ya sea con los métodos tradicionales discontinuos de conversión de mata de cobre ó los métodos continuos de conversión de mata de cobre:
1. La operación de conversión de mata de cobre, mata de cobre-níquel o níquel se efectúa en una sola etapa en un modo continuo, de forma autógena, sin el agregado de combustible con producción de un flujo continuo de cobre metálico, escoria y gas.
2. El grado de oxidación del cobre blíster o mata Bessemer y nivel de azufre en el cobre blíster adecuado para la refinación, o grado de metalización de mata Bessemer, es obtenido de forma natural por lo que adicionalmente a la producción de cobre blíster, se puede eliminar la etapa de oxidación del proceso de afino, en ambos casos, se incrementa la producción de ánodos o mata Bessemer sin introducir cambios significativos al proceso convencional. El cobre blíster enviado a refinación debiera tener idealmente contenidos inferiores a 500 ppm de azufre y sobre 4500 ppm de
oxígeno. El cobre oxidado enviado al horno de refinación (reducción) debiera tener entre 8000 ppm de oxígeno y 30 ppm de S.
La extracción continua de cobre o mata de cobre-níquel desde el horno de fusión permite la disminución del tamaño del horno de fusión, particularmente de su sedimentador, no siendo necesario un gran volumen como pulmón para la sincronización con los procesos de conversión discontinuos clásicos.
La generación esencialmente continua de gas a la forma de nitrógeno y dióxido de azufre sin emisiones fugitivas fuera de la campana, hace que la mayor parte del azufre de la etapa de conversión sea recuperado como ácido sulfúrico, aumentando la captura de éste y los elementos menores presentes en la mata que se volatilizan por las condiciones operacionales de la conversión en lecho empacado, mejorando significativamente el ambiente del entorno y los alrededores de la fundición.
El flujo continuo de gases de concentración estable de S02 da como resultado en un incremento de la eficiencia de la planta de ácido sulfúrico y de la captura total de azufre.
La fase escoria íntimamente formada de alúmino-olivina como efecto de la combinación de cuarzo, caliza y greda que aportan sílice, cal y alúmina en la reacción con el hierro de la mata en el lecho empacado, es removida continuamente junto con algo de cobre oxidado y elementos menores como arsénico, antimonio, plomo, bismuto. Las propiedades de la escoria son controladas por la adición de los agentes fundentes en proporciones adecuadas para colectar el hierro de la mata y formar una escoria líquida a la temperatura de operación de características físico químicas y fluido dinámicas muy diferentes a la escoria fayalítica tradicional, la escoria calcio femtica y la escoria de olivina.
La eficiencia volumétrica del reactor y su operación única, hace posible tratar grandes cantidades de mata de cobre líquida con menores pérdidas de calor, permitiendo a la vez refundir mata sólida, reduciendo el número de unidades en operación para la misma capacidad de producción. Por lo mismo, los costos operacionales y de inversión, son significativamente más bajos por el pequeño tamaño del reactor.
Por el hecho que las reacciones químicas ocurren mayoritariamente en el seno del lecho empacado, la mampostería refractaria del reactor no está expuesta directamente a la alta temperatura que estas generan, de aquí que la vida útil en servicio de los refractarios son marcadamente prolongadas, y al mismo tiempo, por ser un reactor estacionario, la operación está asegurada por un largo período de tiempo. También es destacable, que el uso de toberas inyectando aire enriquecido
en oxígeno directamente en la porosidad del lecho empacado, no produce destrucción del refractario en la zona de estas, porque la reacción se lleva a cabo en el lecho empaquetado.
9. En el lecho empacado, producto del íntimo contacto entre la fase gaseosa y la líquida en la inferíase de la extensa área de reacción, se otorga al sistema una pequeña inercia, notoriamente más corta que los procesos conocidos, lo que permite un control de los productos de la conversión en un rango de operación más estrecho.
10. Al ser una operación única totalmente continua estacionaria sin transferencias de líquidos, transporte de ollas ni movimientos del equipo, no se generan productos sólidos a retornar al proceso. Por lo mismo, las condiciones de seguridad de los trabajadores se mejoran notoriamente.
11. El reactor descrito en este documento por su bajo costo permite tener de soporte una unidad adicional, al cual puede dirigirse la mata en caso de mantenimiento de la primera unidad, permitiendo así una disponibilidad del 100% de los equipos.
DESCRIPCION DETALLADA DE LAS FIGURAS
La Figura 1 muestra una vista seccional para producir cobre blister o cobre oxidado 9 de un prototipo de aparato de acuerdo a una realización de la invención. El procedimiento objeto de la invención, se inicia con la alimentación de mata de cobre o mata de cobre-níquel líquida y/o sólida proveniente de un horno de fusión de concentrado en baño ó flash a través de un canal de alimentación 6 a la parte superior del lecho empacado cerámico 4 que está localizado en el interior del reactor constituido por una pared de acero 11 y mampostería refractaria 5 de soporte, y la realización de las reacciones químicas a alta temperatura que ocurren en el lecho empacado cerámico 4. Simultáneamente, con la alimentación de mata de cobre 6, se agrega a la superficie del lecho empacado, fundente sólido por el alimentador 8, desde ahí ambos fluyen gravitacionalmente por los granos del lecho empacado 4. En contracorriente a la alimentación de mata de cobre 6 y la alimentación de fundentes 8, se inyecta aire y/o aire enriquecido en oxígeno por toberas 3 dispuestas al término del segundo tercio del reactor y por sobre los orificios de sangrado de escoria 2 y cobre blister ó blister oxidado 9. La escoria colectora de los óxidos de hierro, cal, sílice, alúmina e impurezas, se evacúa continuamente por el orificio de sangrado 2 y se acumula en el depósito 1 dispuesto para tal efecto, simultáneamente el cobre blister o cobre blister oxidado, se extraen por un orificio sifón 9 acumulándose en el receptáculo 10 ó enviándose al horno de refinación/reducción dispuesto para tal efecto. Los gases 7, se evacúan continuamente por la parte superior del reactor por una campana sellada al mismo y al sistema de tratamiento de gases.
La Figura 2 es una vista en corte agrandada del sifón sangrador continuo de cobre blister ó cobre oxidado incluyendo los elementos componentes del reactor e ilustra el principio del procedimiento de sangrado continuo. Se observan del reactor, la mampostería refractaria 5, los materiales aislantes de alta temperatura 12 y baja temperatura 13 y la carcasa de acero de soporte exterior del reactor 11 en su asociación con el bloque sifón sangrador 14. El bloque sifón sangrador 14 tiene un orificio inclinado 9 de sangrado continuo de metal líquido y un orificio recto 15 al nivel del piso del reactor, que permite la evacuación total de los líquidos en una detención. La altura del metal dentro del reactor depende de la altura de la capa de escoria y el nivel 9 del sifón de salida.
El aparato presentado en la presente invención, no está limitado a ningún tamaño ó forma, pero un cilindro vertical es preferente a otra configuración, con una instalación de adecuada de entradas de alimentación y orificios de sangrado.
EJEMPLOS DE REALIZACION
En lo que sigue, la presente invención será descrita en más detalle referido a ejemplos de trabajo, lo cual no obstante, no limitan el alcance de la invención. El método y la instalación, de acuerdo a la invención se ilustran por los siguientes dos ejemplos
EJEMPLO N" 1
Cinco toneladas métricas de mata de cobre por hora conteniendo 75 % cobre, 3,4 % hierro y 19 % azufre, se alimentan líquidas a través de una canal 6 en forma continua un reactor piloto industrial de las características mostradas en la Figura 1. Simultáneamente a través de un alimentador vibratorio 8, se agregan como fundentes sólidos, 250 [kg/h] de cuarzo, 42 [kg/h] de greda, 79 [kg/h] de cal, todos sobre la superficie de los granos cerámicos que conforman el lecho empacado 4. En contracorriente, para la conversión autógena y continua de la mata a cobre, se soplan por las toberas 3 dispuestas para este efecto, aire comprimido, 7.200 [Nm3/h]. El cobre blister así producido 10 fue sangrado continuamente por un orificio 9 del reactor a través de un bloque sifón 14, conteniendo 4000 [ppm] de azufre y 400 [ppm] de oxígeno, a una tasa de 3,63 [t/h], y enviado vía canal a la refinación a fuego de cobre. La concentración de dióxido de azufre en los gases de salida 7 fue de 17,2 % en volumen y la de oxígeno de 5,1 % en volumen, los que se enviaron vía ducto a la Planta de Acido. La escoria generada 1 fue sangrada continuamente a una tasa de 0,65 [t/h], con una composición de 13,9 % de cobre, 25,9 % de Fe304, 23,1 % de Si02, y 12,2 % de CaO. Las composiciones del cobre blister 10 dependen del grado de oxidación del cobre. El grado de la mata de cobre y oxidación del cobre es una función de la razón oxígeno/sulfuras, y puede ser controlada de manera precisa por el flujo de aire. La temperatura dentro del reactor y la temperatura de los productos se controlan por el enriquecimiento del aire con oxígeno.
EJEMPLO N°2
Metal blanco proveniente de un horno de fusión consistente de 74 % cobre, 4,77 % hierro y 21 ,2 % azufre, a una tasa de 20 [t/h], se alimentan 6 sobre la superficie del lecho empacado 4 de un reactor de conversión continua según se muestra en el prototipo de la Figura 1, junto con fundentes sólidos adicionados vía el canal dosificador 8 en una razón, cuarzo 0,5 [t/h], cal 0,3 [t/h] y greda 0,2 [t/h]. Al lecho empacado 4 vía toberas 3, se inyecta aire comprimido, 24.000 [Nm3/h], para la conversión autógena y continua del metal blanco. Los líquidos condensados escoria 1 y cobre blister oxidado 10, se separan continuamente en el fondo del lecho, sangrándose por sus respectivos orificios, la escoria 1 por el orificio de escoria 2 a una tasa de 2,1 [t/h] conteniendo 20 % de cobre, 25,0 % Fe304 y el cobre blister oxidado 10 por el orificio 9 del sifón sangrador 14 a una tasa de 14,38 [t/h] conteniendo 8000 [ppm] de oxígeno disuelto y 30 [ppm] de azufre. La escoria generada 1, se enfría y granalla para la recuperación de cobre, mientras que el cobre metálico 10, se deriva al horno de refino a fuego para el ajuste del contenido de oxígeno mediante reducción y su posterior moldeo. Los gases 7 producidos de manera continua, 29.300 [Nm3/h] con una concentración de 24,8 % S02 y 5,8 % 02, se transfieren al sistema de limpieza de gases y a la planta de ácido. El reactor continuo de conversión de 2,2 [m] de diámetro y 3,5 [m] de altura procesa 20 [t/h] de mata de alta ley. Ello corresponde a una producción anual de 115.000 [t].
Claims
REIVINDICACIONES
Procedimiento piro metalúrgico intensivo continuo de conversión y refinación de mata de cobre en un reactor de lecho empacado, que comprende las etapas de:
a) oxidar una mata de líquido de cobre o cobre-níquel y fundentes con un gas oxidante, donde dicha mata de líquido y dichos fundentes, se alimentan de manera continua a dicho reactor que tiene una cámara refractaria en cuyo interior dispone de granos cerámicos u otros granos químicamente neutros, y donde dicha mata de líquido y fundentes después de la fusión fluyen gravitacionalmente por la porosidad de dichos granos cerámicos, y donde dicho gas oxidante se alimenta en contra corriente por toberas dispuestas en la parte baja de dicho reactor;
b) formar óxidos de hierro, producto de la oxidación de la mata y fundentes una escoria que se separa por diferencia de densidad, del cobre blíster, blíster oxidado o mata de Bessemer y gases de salida con alto contenido de dióxido de azufre
c) extraer continuamente escoria de conversión desde un orificio de sangrado de la pared del reactor localizado bajo el nivel de las toberas y cobre blíster o cobre blíster oxidado desde un bloque sifón u orificio inclinado desde el fondo del reactor.
Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 , que en la etapa a) la temperatura del reactor está en el rango de 1200 [°C] a 1 00 [°C].
Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 , que en la etapa b), el cobre blíster contiene 3000-5000 [ppm] O y 20-100 [ppm] S, o mata de cobre oxidado conteniendo 5- 50 [ppm] S y 7000-10000 [ppm] O.
Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 , en donde la etapa a) comprende además de alimentar la mata de cobre o cobre-níquel en a) líquida, alimentar simultáneamente mata sólida granulada, donde dicha mata de cobre sólida granulada y/o scrap de cobre, se alimenta sobre la superficie de los granos cerámicos constituyentes del lecho empacado del reactor.
Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 , en donde la etapa a) comprende fundentes seleccionados del grupo consistente de sílice, cal y arcilla ó mezcla de ellos, lo que resulta en la formación de una escoria tipo alúmino olivina (AI203-CaO-Si02-FeO- Fe203).
Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 , en donde la etapa a) comprende gas oxidante seleccionado de aire o aire enriquecido en oxígeno, donde la concentración de oxígeno se encuentra en el rango de de 21 % a 90%, y con ello, se asegura la realización de un proceso autógeno.
7. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 , que en la etapa c), el grado de oxidación de la mata de cobre o cobre-níquel se puede controlar por la razón de los flujos de la mata y aire más el grado de enriquecimiento de oxígeno del aire.
8. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 , que en la etapa c), la extracción de cobre blíster se realiza mediante un sifón sangrador constituido por un bloque único de dos orificios, donde un orificio se encuentra inclinado y el otro orificio es horizontal.
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|---|---|---|---|
| PCT/CL2013/000086 WO2015077900A1 (es) | 2013-11-28 | 2013-11-28 | Método para el procesamiento continuo de mata de cobre o mata de cobre-níquel |
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2013
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