WO2015109416A1 - Producto en base a aluminio reciclado, útil en las fundiciones de la industria minera - Google Patents

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WO2015109416A1
WO2015109416A1 PCT/CL2015/000006 CL2015000006W WO2015109416A1 WO 2015109416 A1 WO2015109416 A1 WO 2015109416A1 CL 2015000006 W CL2015000006 W CL 2015000006W WO 2015109416 A1 WO2015109416 A1 WO 2015109416A1
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slag
product based
aluminum
recycled aluminum
mining industry
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PCT/CL2015/000006
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Félix Alejandro ADLERSTEIN GONZALEZ
José Francisco DE LA CARRERA PAULSEN
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Coinfa Ltda.
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22B7/00—Working up raw materials other than ores, e.g. scrap, to produce non-ferrous metals and compounds thereof; Methods of a general interest or applied to the winning of more than two metals
    • C22B7/04—Working-up slag
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/20—Recycling

Definitions

  • the concentrate is partially oxidized by the use of oxygen, to increase the copper content from values of the order of 30% to values of 60 to 79% by weight of Cu.
  • the production scheme corresponds to the following:
  • the objective of the melting stage is to obtain two liquid phases: the first corresponds to a phase of oxides, the slag, in which it is expected to collect the highest possible proportion of impurities and where a good proportion of the Faith present in the fed concentrate.
  • the second phase produced in the melting stage is a sulphide phase, in which the Cu is concentrated, and where the main components as chemical species are FeS and Cu 2 S.
  • This phase has levels of the order of 40% above 70% of Cu, depending on this content is called Axis, Kill or Matte for low levels of Cu and White Metal when the content is over 70%.
  • the concentration of Cu in the matte is achieved by the oxidation of the Fe that passes to the slag (oxidized phase) and the volatilization of the S to the form of S0 2 .
  • the second stage of conversion of matte to copper blister consists in the oxidation of matte from fusion. In this way the Fe and S producing a metallic copper called blister copper with a 99% Cu content.
  • the chemical fundamentals are very close to those of the melting stage.
  • the global process can be represented as: un- HE- EH- B + 1 ⁇ nt ⁇ +? m- ⁇ 3 ⁇ 4 / ⁇
  • Cu-Fe-S corresponds to Matte; Si0 2 to the flux, Cu 0 to copper blister and 2FeO Si0 2 / Fe 3 0 4 to the shear.
  • the scheme presented partially complies because the first stage always leaves within the converter a quantity, sometimes not negligible, of slag with a mixture of 2FeO - Si0 2 and Fe 3 0 4 , which has a high viscosity due to thermal conditions and at high oxygen potential.
  • a significant amount of Cu 2 0 will always remain in the converter, which next to the highly oxidized and highly viscous Fe slag generates a slag that must be removed before the blister bleeds.
  • This slag also contains a significant amount of mechanically trapped Cu blister. Therefore, two types of losses in this slag called "slag oxides" can be identified.
  • the fluidity problem is due to its high content of magnetite and other compounds, which harden the slags and retain the metal forming accretions in channels and pots, or adheres to the bottom or walls of the furnaces and forms larger accretions.
  • magnetite and other compounds which harden the slags and retain the metal forming accretions in channels and pots, or adheres to the bottom or walls of the furnaces and forms larger accretions.
  • Flash oven and others there is a strong tendency towards training of these major accretions and low-flow slag and high metal content.
  • the present technology corresponds to a product based on recycled aluminum, useful for the mining industry, specifically, to treat slags and accretions generated in the production processes of copper, nickel, or other metals.
  • the process to develop this type of products based on recycled aluminum with reducing potential and ability to modify slag processes includes the following stages: 1. Raw material selection of scrap and / or pure aluminum;
  • the product finally obtained mainly comprises a mixture of aluminum with indium, silicon, and residuals of other elements, which is coated with a thin layer of alumina of thickness between 1-5 pm.
  • the percentages that are used to manufacture this material are the following: aluminum between 91-98%; Indian between 0.001-0.1%; silicon between 0.2 - 8%; alumina between 0.1-0.8%; and manganese, magnesium, zinc, silica, iron, copper, among others between 0.1-2.5%.
  • the aluminum-based product may have a preferred, but not exclusive, form of ingot or shot, which has specific chemical and physical properties such as very high avidity for oxygen, Low surface passivity - not encapsulated, high exothermic capacity, and fluidizing slags.
  • the proper geometry allows a good reactive kinetics with slags of copper or other metals.
  • the shot specifically, corresponds to a product preferably rounded sequin type with dimensions between 2 - 90 mm in diameter and between 2 - 200 grams in weight.
  • the size allows an easy and homogeneous distribution throughout the bathroom and softens or better distributes its reactivity and energy produced.
  • This configuration has a contact area that allows rapid collection of caloric energy, therefore, rapid change of state and dissolution in the slag bath.
  • the foregoing favors reactive kinetics with the slags of copper or other metals, and thus increases the performance of the metal, productivity and efficiency, reducing the losses generated by the disposal of slag dumps, and / or minimizing the formation of adhesions and accretions.
  • the shot is used in the process to improve slags and increase efficiency, and to dissolve accretions. It is added through chutes of other additions such as silica or recirculant, or directly in pots, as the case may be.
  • the ingot is a product with dimensions between 90 - 1000 mm long, between 10 to 200 mm wide, between 2 to 10 mm high; 0.2 - 20 kg of weight.
  • This product can be used in reactors to dissolve accretions, in two ways: if the reactor is turned off and cold, the ingots must be "planted” directly in the accretion, for which it is necessary to make holes in it and then deposit the ingots. In case the reactor is hot, in use, the ingots must be thrown through a duct so that they reach accretion.
  • Al its oxide (AI2O3, alumina) as a constituent of different slags, both in ferrous and non-ferrous processes.
  • This reaction can also be considered by applying it in the context of a reduction reaction, that is, an oxidized metallic species M x O and can be reduced to the metallic species using Al to form Al 2 0 3 :
  • the Al / Al 2 0 3 pair represents the most favorable balance for oxidizing conditions, that is, in any condition in the operating range during the generation of the oxide slags, or during the proposed treatment here in the molten phase, the addition of Al will generate the formation of Al 2 0 3 in the presence of any of the oxides present in the slag (see Figure 1, where M corresponds to the melting point of the element, B to the boiling point of the element and H at the melting point of the oxide).
  • M corresponds to the melting point of the element
  • B the boiling point of the element
  • H at the melting point of the oxide
  • Aluminum has a much greater potential than most of the elements to reduce (which can be compared in the Ellingham diagram), so it is able to carry out the reactions to form alumina to a point of lower content of it's components.
  • the particularity that aluminum has is that it generates nothing more than alumina and bright light, avoiding the formation of gases that can cause explosions. This type of reaction does not produce the mechanical effects of an explosion reaction.
  • the formation of AI2O3 as a product presents an aspect to be analyzed in more detail regarding the particularities of the composition that the final slag can reach.
  • the distribution of impurities and the adjustment of the composition in the metallic phase should be favored, in addition to the fluidity of the slag, and facilitate 100% liquid compositions in the entire range of compositions.
  • the agitation it causes is of importance, since it helps the coalescence or encounter of small droplets of metal between the slag that is more fluid. Therefore, the optimal shape and size of the product that allows, on the one hand its easy distribution in the mass of the slags, and on the other, its good reactivity with copper oxides and magnetite, that is to say that the surface alumina layer is not an impediment to its reaction.
  • Example 1 Product elaboration based on reactive aluminum.
  • Table N ° 1 shows the average values obtained from alumina thickness and the percentage of metallic aluminum, both for new and used aluminum. From these results it follows that, the larger the material size, the greater the amount of reactive aluminum obtained. On the other hand, when using new aluminum the amount of reactive aluminum is greater.
  • the evaluation procedure consisted of melting new aluminum at a temperature of 730 ° C in a 170kg crucible.
  • Table 4 shows the results obtained regarding the alumina thickness and the percentage of metallic aluminum in the samples.
  • Figure 4 shows an image of a pot without treatment where the solidification of the slag in the upper part is highlighted after 10 minutes of filling;
  • Figure 5 shows the reaction of this slag by reacting with the addition of shot, where it is possible to appreciate the luminosity generated (without gases) by the reduction or formation of aluminum;
  • Figure 6 shows a view of the pot with the slag that remains surprisingly liquid after 25 minutes have elapsed with the addition of the aluminum shot.
  • Example 3 Reduction of oxidized copper and magnetite from iron slag.
  • This test consisted of the addition of shot to the interior of the CPS and to the pot before bleeding, where the pot was allowed to stand with the slag for approximately 30 min. After resting, the slag was emptied into another pot until the appearance of copper, where the copper remnant recovered. This test was carried out in 13 cycles of approximately 2h each and during its entire operation it was not a problem for personnel, equipment or the environment.
  • the copper present in the slag was decanted, recovered and charged to a Reten Furnace or to the CPS. It was observed that the slag had less magnetite (thinner), which was loaded to the Tenant Convetidor (CT) and where there was no major reaction. In addition, it was found that the slag sampled in the stream was a more fluid and thinner slag in the sampling palette. In Figure 11 you can see how, as progress was made in the application of this technology, the slag was thinning and the copper was formed in droplets, until finally the slag was Very thin and without copper in sight.
  • CT Tenant Convetidor
  • the shot in addition to reacting with magnetite, is an important source of energy to the process. In fact it allowed a greater load of recirculant to the process.
  • the slag was left with a lower melting point by the addition of shot. When it was poured into the pot and after a rest period of 1 h, it was still kept liquid, avoiding the need to hit to work.

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Abstract

Un producto en base a aluminio reciclado, útil en las fundiciones de la industria minera, el cual comprende una mezcla de: (a) aluminio entre 91 - 98%; (b) indio entre 0,001 - 0,1 %; (c) silicio entre 0,2 - 8 %; (d) manganeso, magnesio, zinc, sílice, hierro, cobre entre 0,1 - 2,5%, y (e) alúmina entre 0,1 - 0,8 %, donde este último recubre la superficie del producto. Además del uso del producto para recuperar metal remanente en la escoria a botadero y para disolver acreciones y/o adherencias en los hornos de la minería.

Description

PRODUCTO EN BASE A ALUMINIO RECICLADO, ÚTIL EN LAS FUNDICIONES DE LA INDUSTRIA MINERA
ESTADO DEL ARTE
En la minería existen procesos de extracción de metales para obtener un concentrado, que luego deben seguir procesos como lixiviación y fundición en Hornos del tipo Flash, Convertidor Teniente, entre otros. Estos procesos además del metal generan grandes volúmenes de escorias, las que acarrean un sin número de problemas.
Tomando como referencia el caso particular del cobre, es sabido que su producción a partir de concentrados sulfurados se puede representar como una oxidación sucesiva del S y del Fe presente en el concentrado para la obtención de Cu metálico, de calidad blister. Este cobre debe ser posteriormente refinado para el moldeo de ánodos.
En la primera etapa de fusión, es donde el concentrado se oxida parcialmente mediante el uso de oxígeno, para aumentar el contenido de cobre desde valores del orden de 30% a valores de 60 a 79% en peso de Cu. El esquema productivo corresponde al siguiente:
Concentrado : Cu^S - CuS - CuFeS^ - Cu^ AsS4 - Ganga Fundente : Si02 - CaO
Gas de combustión : -
Matte : Cu^S - FeS, principalemente
Escoria : FeO - Fe304 - Si02 - A1203 - CaO - MgO - Cu20 Gas : 0~ - SO- - H9 O, principalemente El objetivo de la etapa de fusión es obtener dos fases líquidas: la primera corresponde a una fase de óxidos, la escoria, en la cual se espera recolectar la mayor proporción posible de impurezas y donde también se retiene una buena proporción del Fe presente en el concentrado alimentado.
Figure imgf000003_0001
3HffiH- 5Ε¾→ HBjj!lJ + 3ffl|
Para poder fluidificar los óxidos de Fe formados se debe adicionar un fundente del tipo sílice. En esta escoria, y en función de la tecnología utilizada y las condiciones de operación, se retiene tanto química como por atrapamiento mecánico, una importante cantidad de cobre. Esta condición determina que estas escorias requieren ser tratadas en una etapa específica para recuperar el Cu presente. Esta acción tiene una importante incidencia en la recuperación metalúrgica de la fundición, y se basa en la reducción del Fe304 (magnetita) que favorece el atrapamiento, producto que su presencia como partículas sólidas hace aumentar la viscosidad de la escoria. La reducción de la magnetita que se realiza mediante reductores sólidos o líquidos, favorece el proceso de decantación del cobre atrapado al disminuir la viscosidad vía la disminución de la cantidad de magnetita.
La segunda fase producida en la etapa de fusión es una fase de sulfuros, en la cual se concentra el Cu, y donde los principales componentes como especies químicas son FeS y Cu2S. Esta fase tiene niveles del orden de 40 % a sobre el 70 % de Cu, dependiendo de este contenido se le denomina Eje, Mata o Matte para niveles bajos de Cu y Metal Blanco cuando el contenido se encuentra sobre el 70 %. La concentración de Cu en el matte se logra mediante la oxidación del Fe que pasa a la escoria (fase oxidada) y la volatilización del S a la forma de S02.
La segunda etapa de conversión del matte a cobre blister consiste en la oxidación del matte proveniente de la fusión. De esta manera se remueve el Fe y el S produciendo un cobre metálico llamado cobre blister con un contenido de 99 % de Cu. Los fundamentos químicos son muy cercanos a los de la etapa de fusión. El proceso global se puede representar como: un- HE- EH- B + 1→ ntí + ? m- ΒΠ¾/Μ|Θ¾ + HH|
Donde Cu-Fe-S corresponde a Matte; Si02 al fundente, Cu0 al cobre blister y 2FeO Si02/Fe304 a la escona.
En forma análoga a lo que sucede en la etapa de fusión, en que se tendrá siempre una oxidación selectiva del Fe respecto del Cu, un análisis ideal indicaría que no existe riesgo de oxidar el Cu mientras haya Fe en el baño. Al final de la primera etapa sólo queda en el baño Cu2S, que corresponde a lo que se denomina Metal Blanco, pues la escoria es sangrada por la boca del convertidor. El soplado sigue, y el aire y oxígeno introducido al sistema genera una mezcla altamente turbulenta de Cu0 y Cu2S. Los productos de esta oxidación son S02, Cu y Cu20. El Cu metálico es más denso y decanta al fondo del convertidor, a un nivel más bajo de las toberas. Las reacciones en esta etapa son las siguientes:
3
Figure imgf000004_0001
A su vez algo de cobre metálico se puede producir directamente:
ΜξΙΙΗ- H¾→ 2H¡# + ϋΕξ
El esquema presentado cumple parcialmente pues la primera etapa siempre deja dentro del convertidor una cantidad, a veces no despreciable, de escoria con una mezcla de 2FeO - Si02 y Fe304, la que presenta una alta viscosidad producto de las condiciones térmicas y al alto potencial de oxígeno. De igual manera, y a pesar de que la reversión de los equilibrios es muy favorable siempre quedará en el convertidor una importante cantidad de Cu20, que junto a la escoria de Fe altamente oxidada y altamente viscosa genera una escoria que debe ser retirada antes de sangrar el blister. Esta escoria contiene además una importante cantidad de Cu blister atrapado mecánicamente. Por lo tanto, se pueden identificar dos tipos de pérdidas en esta escoria denominada "escoria óxidos".
• Cu oxidado como CU2O, formando parte de la matriz de esta escoria del tipo FeO-Si02-Fe304-Cu20, y
• Cu blister atrapado debido a la alta viscosidad que presenta esta escoria.
Las opciones actuales para el tratamiento de las escorias son específicas para cada fundición, pues la generación también tiene características propias en cuanto a la tecnología para la etapa de fusión utilizada, el tamaño de los convertidores, los ciclos de operación, etc. Sin embargo, en todos los casos de estas fundiciones en las que existe este problema, es relevante buscar opciones de optimización y de recuperación metalúrgica. Los problemas asociados a las diferentes etapas del proceso, como por ejemplo, en la minería del cobre se traducen en:
• enormes volúmenes de escoria con contenidos relativamente altos de cobre (aproximadamente entre 0,9 a 1 ,4% en las escorias de hornos eléctricos u otro proceso terminal), que se tratan con algunas dificultades y luego se envía a botaderos; y
• las escorias se adhieren a los Hornos formando acreciones que hacen disminuir el volumen de proceso de las instalaciones y muchas veces obligan a detener el proceso para su remoción, por lo tanto, afectan seriamente su productividad.
El problema de fluidez se presenta por su alto contenido de magnetita y otros compuestos, que endurecen las escorias y retienen al metal formando acreciones en canales y ollas, o se adhiere al fondo o paredes de los hornos y forma acreciones mayores. En procesos de fundición, donde se utilizan equipos como Horno Flash y otros, existe una fuerte tendencia a la formación de estas acreciones mayores y escorias poco fluidas y con gran contenido de metales.
Los procesos, como por ejemplo, en los Convertidor Teniente ven limitada su producción por la mala calidad de la escoria que tiende a complicar su retiro, retarda las reacciones, limita el nivel de llenado del horno, y obliga a un alto nivel de recirculación de las escorias.
El reproceso de escorias en general, y de CPS o Convertidor Pierce Smith y otros equipos en particular, considera el envío a piscinas, lo que trae consigo el aumento de transporte de material, pérdida de energía, desgaste de equipos y mayor necesidad de horas hombre (HH) por requerimiento de limpieza. Lo anterior, también se traduce en una alta emisión de particulado producto del uso intensivo de carbón coque y por la necesidad de enfriar y procesar mecánicamente las acreciones para disminuir su tamaño y poder recircular.
Hasta hoy, la única solución para tratar estos problemas ha sido operar los hornos a altas temperaturas para lograr escorias más fluidas y retener menos metal en ellas. Este difícil control de proceso a alta temperatura (aproximadamente 1300°C), no logra evitar las acreciones por su variabilidad. Como consecuencia de lo anterior, es necesario limpiar con uso de equipo pesado (punzón hidráulico motorizado) y cortando con lanza térmica u otro medio las acreciones, y en casos extremos usando explosivos.
La experiencia chilena en relación a las estrategias de las Fundiciones para el manejo de las escorias se publicó en la revista JOM de Agosto del 2000: "Slag Cleanning, The Chilean Copper Smelter Experience", (Demetrio et al). En este documento se hace mención a la forma de abordar el tema de la limpieza de escorias por parte de las fundiciones, los equipos que utilizan y sus experiencias. Por otra parte, en el documento denominado "Latest results of the slag cleaning reactor for copper recovery and its potential for the PGM industry" (Degel et al.), publicado en Third International Platinum Conference 'Platinum in Transformation', The Southern African Institute of Mining and Metallurgy ( 2008), pone en relieve una tecnología para mejorar la limpieza de escorias, que tiene un gran potencial especialmente para el cobre y el níquel con la industria PGM. Los principios fundamentales se presentan junto con los últimos resultados de los trabajos de pruebas a escala piloto, llevado a cabo en una fundición de cobre chilena. En estas pruebas se muestran resultados de hasta dónde se puede o se ha llegado en la recuperación de metal.
A pesar de las experiencias mencionadas anteriormente, son pocos los avances en materia de recuperación de cobre a partir de escorias, por lo que sigue existiendo la necesidad de desarrollar nuevas tecnologías que tiendan a dar una solución eficiente, económicamente viable y amigable con el medioambiente.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente tecnología corresponde a un producto en base a aluminio reciclado, útil para la industria minera, específicamente, para tratar escorias y acreciones generadas en los procesos de producción de cobre, níquel, u otros metales.
El proceso para elaborar este tipo de productos en base a aluminio reciclado con potencial reductor y capacidad para modificar escorias de procesos como Convertidor Teniente, Horno Eléctrico de arco, Pierce Smith, Horno Flash, Morgan, Horno eléctrico de inducción, Hornos de Tostación, Horno reverbero y Autokumpu, comprende las siguientes etapas: 1. selección de materia prima de chatarras y/o aluminio puro;
2. fundición de chatarras y/o aluminio puro usando Hornos y fundentes apropiados a una temperatura entre 620 - 730 °C;
3. adición de Indio a nivel de elemento residual, entre 0,001 - 0,1 % y de silicio a nivel de 0,2 - 8 %; y
4. solidificación con enfriamiento rápido y sin agua para obtener granallas y utilizando lingoteras para obtener lingotes.
El producto finalmente obtenido comprende principalmente una mezcla de aluminio con indio, silicio, y residuales de otros elementos, el cual va recubierto con una delgada capa de alúmina de espesor entre 1 - 5 pm. Específicamente, los porcentajes que se utilizan para fabricar este material son los siguientes: aluminio entre 91 - 98%; indio entre 0,001 - 0,1 %; silicio entre 0,2 - 8 %; alúmina entre 0,1 - 0,8 %; y manganeso, magnesio, zinc, sílice, hierro, cobre, entre otros entre 0,1 - 2,5%. Donde el Indio evita el encapsulamiento del aluminio, efecto que es debido a que al adicionar este elemento se genera la posibilidad de que se fragilicen los límites de grano de la alúmina y entre ésta y los granos del aluminio, de tal forma que esta capa de alúmina que es una barrera física para seguir oxidando el aluminio permita el tránsito del oxígeno a través de ella, y a la vez, ayudando a desprender esta capa de alúmina adherida al aluminio. Con estos 2 efectos el proceso de oxidación necesario para la reducción en el caso, por ejemplo, del óxido de cobre u de la magnetita, sea un proceso continuo a la velocidad normal de reducción de óxido por aluminio y no intermitente. De lo contrario, se debería alcanzar la temperatura de fusión de la alúmina (aproximadamente 2000°C) para que se funda, o se genere una ruptura de esta capa al dilatarse el aluminio interior, lo que toma bastante tiempo y además ocurre en forma intermitente.
Por otra parte, el producto en base a aluminio puede presentar una forma preferente, pero no exclusiva, del tipo lingote o granalla, los que presentan propiedades químicas y físicas específicas como altísima avidez por oxígeno, baja pasividad superficial - no se encapsula, alta capacidad exotérmica, y que fluidifica las escorias. Además, la geometría adecuada permite una buena cinética reactiva con las escorias del cobre u otros metales.
La granalla, específicamente, corresponde a un producto de forma preferentemente redondeada tipo lentejuela con dimensiones entre 2 - 90 mm de diámetro y entre 2 - 200 gramos de peso. El tamaño permite una fácil y homogénea distribución en todo el baño y suaviza o distribuye mejor su reactividad y energía producida. Esta configuración presenta un área de contacto que permite una rápida captación de energía calórica, por lo tanto, rápido cambio de estado y disolución en el baño de la escoria. Lo anterior, favorece una cinética reactiva con las escorias del cobre u otros metales, y aumenta así el rendimiento del metal, la productividad y la eficiencia, disminuyendo las pérdidas que se generan por la disposición a botaderos de escorias, y/o minimizando la formación de adherencias y acreciones.
La granalla se utiliza en proceso para mejorar escorias y aumentar eficiencia, y para disolver acreciones. Se adiciona a través de chutes de otras adiciones como la sílice o el recirculante, o directamente en ollas, según sea el caso.
El lingote es un producto con dimensiones entre 90 - 1000 mm de largo, entre 10 a 200 mm de ancho, entre 2 a 10 mm de alto; 0,2 - 20 Kg de peso. Este producto puede ser utilizado en reactores para disolver acreciones, de dos formas: si el reactor está apagado y frío, se deben "plantar" los lingotes directamente en ila acreción, para lo cual es necesario hacer orificios en ésta y luego depositar los lingotes. En caso de que el reactor se encuentre caliente, en uso, los lingotes se deben lanzar por medio de un ducto de forma que lleguen a la acreción.
Estos productos presentan prácticamente las más alta avidez por oxígeno presente en la naturaleza como se observa en el Diagrama de Ellingham para óxidos, específicamente para el equilibrio CU/CU2O, Fe/Fe304, FeO/FesO-j y AI/AI2O3 (Figura 1), por lo que compite con éxito contra los óxidos de todos los metales y de la magnetita contenidos en las escorias. Exhibe una alta capacidad exotérmica en relación a otras reacciones y son inocuos desde el punto de vista ambiental, al ser el resultado de la reacción de la alúmina, compuesto inocuo y estable químicamente.
En las fundiciones de extracción de metales, sin variar sustancialmente las condiciones de proceso, con la sola adición de lingotes y/o granalla en la dosificación y los puntos adecuados, se logra disolver las acreciones en los hornos o recuperar un alto porcentaje del contenido de metal remanente en la escoria a botadero. Además, su uso permite minimizar la emisión de material particulado y de gases. Esto es posible, de acuerdo a lo que se explícita a continuación:
Una aplicación importante del aluminio es su óxido (AI2O3, alúmina) como constituyente de diferentes escorias, tanto en procesos ferrosos como no ferrosos.
Figure imgf000010_0001
La particularidad de esta reacción puede ser también considerada aplicándola en el contexto de una reacción de reducción, es decir, una especie metálica oxidada MxOy puede ser reducida a la especie metálica usando Al para formar Al203:
Figure imgf000010_0002
Es ésta la reacción de aplicación, junto con la inicial de oxidación del Al, que permite realizar un tratamiento específico de las escorias, y escorias "óxidos" de la etapa de conversión de eje o metal blanco para recuperar el Cu. Se trata de aprovechar principalmente tres conceptos: (a) la fortaleza que la diferencia de potencial de los distintos compuestos al formarse tienen, como se observa en el diagrama de EHingham; (b) el cambio de densidad de la escoria al contener alúmina; y (c) la capacidad exotérmica de la reacción y la agitación que provoca, al tener un producto bien distribuido en el baño, que ayuda a la coalescencia o encuentro de pequeñas gotitas de metal. El detalle de estos 3 puntos se presenta a continuación: a. En el diagrama de Ellingham es posible apreciar que el par Al/Al203 representa el equilibrio más favorable para condiciones oxidantes, es decir, en cualquier condición en el rango de operación durante la generación de las escorias óxidos, o durante el tratamiento propuesto aquí en fase fundida, la adición de Al generará la formación de Al203 ante la presencia de cualquiera de los óxidos presentes en la escoria (ver Figura 1 , donde M corresponde al punto de fusión del elemento, B al punto de ebullición del elemento y H al punto de fusión del óxido). Las reacciones que se producen son las siguientes:
20MH- 31B$ IH *-> 6W I+ «¾ΙΙ3Ι¾
(3)
2HEH- 300S¡G¾ <→ 9IHH0+ Gff 0§
(4)
Donde la potencialidad se determina a partir de la estequiometría de las ecuaciones, utilizando los pesos atómicos. Para el caso de la ecuación (3) se tiene 7,18 kg Cu/kg Al ó 8,1 kg de Cu2Ü/kg de Al; y para la ecuación (4) se tiene 13,1 kg reducidos de Fe3Ü Kg Al.
El aluminio tiene una potencialidad bastante mayor a la de la mayoría de los elementos para reducir (lo que se puede comparar en el diagrama de Ellingham), por lo que es capaz de llevar adelante las reacciones para formar Alúmina a un punto de menor contenido de sus componentes. La particularidad que posee el aluminio es que no genera nada más que alúmina y luz brillante, evitando la formación de gases que pueden ocasionar explosiones. Este tipo de reacción no produce los efectos mecánicos propios de una reacción de explosión. b. La formación de AI2O3 como producto presenta un aspecto a analizar en más detalle respecto de las particularidades de la composición a las que puede llegar la escoria final. Se debe favorecer la distribución de impurezas y el ajuste de la composición en la fase metálica, además de la fluidez de la escoria, y facilitar en todo el rango de composiciones 100% de líquido. En este sentido se debe analizar el sistema FeO-Fe304-Si02-Cu20-Al203i lo que es difícil de visualizar. Para analizar el comportamiento de la escoria durante la reducción se debe considerar el diagrama de fases FeOn-Si02-AI203 (Figura 2), en el cual se aprecia claramente que el efecto del Al203 sobre el binario FeOn-Si02 hace disminuir la temperatura de fusión al agregar una escoria de composición inicial 30% de Si02. El efecto alcanza un máximo para composiciones del orden de 10 a 15 % de Al203. c. Las reacciones de reducción de CU2O y Fe304 con Al son fuertemente exotérmicas, lo que favorece en todo momento el proceso químico de reducción (ver Figura 3, donde se presenta la entalpia de reacción para las reacciones de reducción de Fe304 (i) y CU2O (/'/)). La alta generación de energía debe ser evaluada pues al ser las reacciones de Al con la escoria localizadas en los puntos de adición, se hace necesario el diseño de un sistema de adición y reacción para obtener una distribución uniforme de temperatura. Sitios con elevada temperatura podrían dañar la mampostería del horno.
Además de la capacidad exotérmica de la reacción es de importancia la agitación que provoca, ya que ayuda a la coalescencia o encuentro de pequeñas gotitas de metal entre la escoria que está más fluida. Por lo que, es de suma importancia la forma y tamaño óptimo del producto que permita, por un lado su fácil distribución en la masa de las escorias, y por otro, su buena reactividad con los óxidos de cobre y con la magnetita, o sea que la capa de alúmina de la superficie no sea un impedimento para su reacción. Por lo tanto, para garantizar el contacto entre los elementos reactantes: Cu20 - Al - Fe304 _ Al203, se debe usar la mejor forma de adición, pues en la práctica el alcanzar la temperatura de fusión del Al no garantiza el contacto entre las especies reactantes pues la "piel" que envuelve el aluminio líquido (alúmina), debe romperse ya que la alúmina formada en la superficie de cualquier "gránulo" es un óxido muy estable, que necesita de gran cantidad de energía para fundirse o ablandarse, y requiere alta temperatura por su alto punto de fusión.
Al ser tan reactivo, el aluminio competirá con éxito contra los óxidos de cobre contenidos en las escorias, pero su morfología con un núcleo de aluminio metálico fuertemente reactivo y con una superficie de Alúmina no reactiva, hace necesario encontrar el equilibrio adecuado de las tres variables, esto es: cantidad de alúmina por unidad de peso, la forma y el tamaño y o peso de los gránulos aportados a la masa de escorias. En el caso de la industria de cobre, las temperaturas no son muy altas, y por otro lado, los procesos en los que se introducirá el producto en base a aluminio no cuentan con agitación.
La utilización de este producto, permite aumentar el rendimiento en orden del 0,3 - 0,7 % del cobre u otros metales en los procesos que hoy se utilizan en Chile y el mundo. Además minimiza una serie de faenas de limpieza mecánica que deben efectuarse en el tratamiento de las escorias.
En síntesis, los beneficios a partir de la tecnología propuesta en su aplicación en la industria pirometalúrgica de metales, y en su caso particular para el cobre, corresponden a:
• se recupera mayor cantidad de metal entre 0,4 - 0,7 % y se disminuye la cantidad de magnetita en las escorias;
• se obtiene una escoria más fluida, que "libera" metal en los procesos Convertidor Teniente, Horno Eléctrico de arco, Pierce Smith, Horno Flash, Morgan, Horno eléctrico de inducción, Hornos de Tostación, Horno reverbero y Autokumpu, y otros, donde se persigue liberar del orden de 60 % del metal que la escoria atrapa;
• disuelve y/o minimiza la formación de acreciones y/o adherencias en hornos, canales y ollas;
• minimiza la potencia de trabajo en Hornos Eléctricos (menos consumo de energía y mejoras en producción en horarios de demanda máxima), lo que permite trabajar con TAP (en hornos eléctricos) más bajo con aproximadamente 5 % de menor consumo;
• minimiza requerimientos de insumos y servicios (Diesel, Coque, equipos de picado y/o HH para limpieza), logrando disminuir en aproximadamente 70 % el consumo de Coque y requerimientos de equipos pesados para procesar recirculante, con sus HH relacionadas;
• aumenta la eficiencia metalúrgica entre 3 - 10 %, lo que varía de acuerdo a las instalaciones y a los cuellos de botella de cada proceso;
• mayor duración de ollas por no sufrir el trabajo mecánico de retiro de acreciones;
• mayor recuperación de cobre correspondiente entre 0,4 - 0,7 % de la escoria de descarte;
• mayor capacidad de producción (entre 3 - 10 %), debido a que al disminuir el reproceso y acortar los ciclos, permite más carga de concentrado y/o material de recirculación;
• sirve para limpiar canales, ollas y cucharas en el proceso de obtención de metales; y
• disminuye entre 5 - 15% la emisión de particulado y de gases.
EJEMPLOS DE APLICACIÓN
Ejemplo 1. Elaboración de producto en base a aluminio reactivo.
Se analizaron diferentes variables para determinar las especificaciones del material en base a aluminio reactivo. a.- Calidad del aluminio:
Primeramente se ensayó con diferentes clases de aluminio, considerando aluminio nuevo (con un mínimo de óxido) y con aluminio usado (con un grado do oxidación avanzado) en 4 diferentes granulometrías manteniendo fija la temperatura (790°C) y el tamaño del crisol (170 Kg).
La Tabla N°1 muestra los valores promedios obtenidos de espesor de alúmina y del porcentaje de aluminio metálico, tanto para el aluminio nuevo como usado. De estos resultados se desprende que, a mayor tamaño de material mayor es la cantidad de aluminio reactivo obtenida. Por otra parte, al utilizar aluminio nuevo la cantidad de aluminio reactivo es mayor.
Tabla 1. Determinación de aluminio
Figure imgf000015_0001
b.- Temperatura óptima
Se determinó la temperatura óptima para fundir aluminio nuevo de dimensiones de 70 x 90 cm y espesor de 0,5 mm, considerando 4 temperaturas entre 730 - 820 °C. En la Tabla 2 se muestran los resultados para las diferentes temperaturas, de los cuales se deduce que a temperaturas muy altas, menor es la generación de aluminio metálico, lo que se puede traducir en una mayor formación de alúmina en el producto final y mayor gasto de energía. Por lo tanto, a una temperatura de 730 °C el material ya se encuentra fundido y permite ser colado. Tabla 2. Determinación de temperatura óptima
Figure imgf000016_0001
c- Optimización de la geometría del producto.
Para determinar la óptima geometría del producto, se ensayó con 4 formas tal como se detalla en la Tabla 3. El procedimiento de evaluación consistió en fundir aluminio nuevo a una temperatura de 730°C en un crisol de 170kg.
Tabla 3. Detalla de las formas del material en base aluminio
Figure imgf000016_0002
En la Tabla 4 se presentan los resultados obtenidos en cuanto al espesor de alúmina y al porcentaje de aluminio metálico de las muestras.
Tabla 4. Formación de alúmina y de aluminio metálico
Figure imgf000016_0003
De los resultados anteriores se desprende que no fue relevante desde el punto de vista del rendimiento metálico, la geometría y el tamaño de las muestras, en la medida que sean mayores a 10 gramos, por lo que la selección de estos productos a utilizar está dado por la homogeneidad en el baño de acero.
Ejemplo 2. Reducción de ollas de Convertidor Pierce Smith
Esta prueba fue realizada en ollas de 15 toneladas de escorias provenientes del horno Pierce Smith con adición de granalla, antes de cargarlo en el horno eléctrico. El objetivo fue observar el efecto del aluminio en la reducción de la magnetita (Fe304) y la recuperación de cobre desde el óxido de cobre, antes del retorno de estas ollas al proceso.
Previo al escoriado de óxidos del CPS se ingresaron 95 Kg de granalla de aluminio a la olla. Tras terminar el escoriado, se esperaron 25 minutos y se tomó una muestra del líquido de la olla. Una vez finalizado el muestreo se procedió a vaciar la olla dentro del CT. Luego de este periodo se observó mayor fluidez en la escoria, lo que se distinguió al tomar una muestra con barra obteniéndose una costra más delgada que una muestra de cuchara anterior sin adición de granalla.
La adición de granalla aluminio al proceso en este ensayo no representó mayor peligro para el personal, equipos o medio ambiente. Los resultados del análisis se presentan en la Tabla 5:
Tabla 5. Resultados del ensayo de reducción.
Figure imgf000017_0001
Con el procedimiento utilizado de adición de aluminio y un tiempo de reposo para la reacción, se logró una disminución en casi 5 puntos porcentuales del contenido de magnetita en la escoria oxidada del convertidor. A pesar de haber contado con condiciones inadecuadas como escoria dura (baja temperatura) y bajo tiempo disponible para reaccionar, se obtuvo una importante baja de la magnetita. Además, tras la adición de esta escoria oxidada al Convertidor Teniente, tampoco se apreció un aumento en los porcentajes de Fe3Ü4 a la salida de la escoria CT como es lo habitual luego de agregar una olla de escoria óxido. Por el contrario, se observó una disminución en el contenido de magnetita de la escoria CT en comparación con la escoriada anterior, lo que significa que quedaba todavía granalla sin reaccionar completamente cuando fue cargada al CT.
En la Figura 4 se presenta una imagen de una olla sin tratamiento donde se destaca la solidificación de la escoria en la parte superior al cabo de 10 minutos de su llenado; en la Figura 5 se muestra la reacción de esta escoria reaccionando con la adición de granallas, donde es posible apreciar la luminosidad que genera (sin gases) la reducción o formación de aluminio; y en la Figura 6 se presenta una vista de la olla con la escoria que permanece sorprendentemente líquida luego de haber transcurrido 25 minutos con la adición de la granalla de aluminio.
Ejemplo 3. Reducción de cobre oxidado y magnetita de escorias de fierro.
Este ensayo fue realizado en 20 ollas de 12 toneladas con un tiempo de operación de 40 min, donde se adicionaron 50 Kg de granalla /olla y se aumentó la temperatura sobre 100 °C considerando una temperatura inicial de 1200°C. De acuerdo a Tabla 6 se puede notar que se logró una disminución aproximada desde 2,6% a 0,75% de Cu20 y una disminución aproximada desde 32,6% a 3,5% para la magnetita en las ollas.
Este ensayo permitió comprobar que el aluminio logró extraer el oxígeno del óxido cuproso y a la magnetita de acuerdo a las condiciones de operación utilizadas. Tabla 6. Resultados del ensayo de reducción.
Figure imgf000019_0001
Ejemplo 4. Liberación de acreción en Horno Flash.
Para eliminar la acreción en el Horno Flash se planteó como solución, la adición de lingotes y granalla de aluminio para disolver la acreción, lo cual evitaba detener la producción. Anteriormente, la única forma de realizar este procedimiento era en forma mecánica utilizando equipo pesado y lanza térmica. En la Figura 7, se puede apreciar que en el interior del horno frió se localiza la acreción con un pequeño espacio libre.
La acreción formada al interior del Horno correspondía a aproximadamente 450 toneladas, por lo que primeramente se procedió a perforar diferentes secciones de ésta para plantar lingotes (ver Figura 8, donde se destacan las zonas donde fueron dispuestos los lingotes). Luego se calentó el Horno a aproximadamente 1280°C (en la Figura 9 se puede apreciar la enorme acreción presente en el horno caliente). Cuando la carga normal del horno, más los lingotes se encontraron en estado líquido, y las acreciones a más de 1000 °C comenzaron las reacciones y la liberación de metal y escoria fundida. Se siguió adicionando lingotes y granalla correspondiente a una carga total de 30 toneladas durante 3 semanas, durante este tiempo la acreción paulatinamente se disolvió, liberando al horno y recuperando su productividad. En la Figura 10 se muestra el horno caliente, luego del tratamiento con lingotes y granallas, donde es posible apreciar que efectivamente la acreción fue disuelta.
Ejemplo 5. Pruebas en Convertidor Pierce Smith (CPS) en minera Norte de Chile.
Este ensayo consistió en la adición de granalla al interior del CPS y a la olla antes del sangrado, donde se dejó reposar la olla con la escoria por aproximadamente 30 min. Luego del reposo, se procedió a vaciar la escoria a otra olla hasta la aparición de cobre, donde el remanente de cobre se recuperó. Esta prueba se realizó en 13 ciclos de aproximadamente 2h cada uno y durante toda su operación no representó problema para el personal, equipos o medio ambiente.
Ventajosamente el cobre presente en la escoria decantó, se recuperó y se cargó a un Horno Reten o al CPS. Se observó que la escoria presentaba menos magnetita (más delgada), la cual fue cargada al Convetidor Teniente (CT) y donde no hubo mayor reacción. Además se comprobó que la escoria muestreada al chorro era una escoria más fluida y más delgada en la paleta de muestreo. En la Figura 11 se puede observar cómo, a medida se fue avanzando en la aplicación de esta tecnología, la escoria se fue adelgazando y el cobre fue formándose en gotitas, hasta que finalmente la escoria quedó muy delgada y sin cobre a la vista.
Se comprobó que la granalla, además de reaccionar con la magnetita, es una fuente importante de energía al proceso. De hecho permitió una mayor carga de recirculante al proceso. La escoria quedó con un punto de fusión más bajo por la adición de granalla. Cuando ésta fue vertida a la olla y luego de un periodo de reposo de 1 h, se seguía manteniendo líquida, evitando el requerimiento de golpear para poder travasijar.
En las últimas cargas se logró escorias sin contenido de cobre metálico. La media del porcentaje de magnetita fue de 21% para las escorias del proceso habitual, y 15,7% para la media de las escorias tratadas con la granalla, y más específicamente la media de magnetita en los ciclos que tuvieron todas las adiciones, resultó con 11 ,1%. En cuanto al Blíster recuperado, se observó recuperación adicional en la olla y menor escoria resultante.
Al final de la operación se logró una escoria con alúmina de 7%, magnetita de 5,7%, Cu 5,1%, y Cu soluble 1%. En el Blíster no se vislumbraron variaciones sustanciales para el As, Sb, y S.
Finalmente se puedo constatar que la adición de granalla permitió un buen manejo de la escoria y recuperación de cobre Blíster, además de permitir el normal funcionamiento de los equipos.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Un producto en base a aluminio reciclado, útil en las fundiciones de la industria minera CARACTERIZADO porque comprende una mezcla de: (a) aluminio entre 91 - 98%; (b) indio entre 0,001 - 0,1 %; (c) silicio entre 0,2 - 8 %; (d) manganeso, magnesio, zinc, sílice, hierro, cobre entre 0,1 - 2,5%, y (e) alúmina entre 0,1 - 0,8 %, donde este último recubre la superficie del producto.
2. Un producto en base a aluminio reciclado, útil en las fundiciones de la industria minera según reivindicación 1 CARACTERIZADO porque la capa de alúmina que recubre al producto tiene un espesor entre 1 - 5μηι.
3. Un producto en base a aluminio reciclado, útil en las fundiciones de la industria minera según reivindicación 1 CARACTERIZADO porque presenta una forma preferente del tipo lingote o granalla.
4. Un producto en base a aluminio reciclado, útil en las fundiciones de la industria minera según reivindicaciones 1 y 2 CARACTERIZADO porque la granalla es del tipo lentejuela con diámetro entre 2 - 90 mm y peso entre 2 - 200 g.
5. Un producto en base a aluminio reciclado, útil en las fundiciones de la industria minera según reivindicaciones 1 y 2 CARACTERIZADO porque el lingote tiene un largo entre 90 - 1000 mm, un ancho entre 10 - 200 mm, un alto entre 2 - 10 mm y un peso entre 0,2 - 20 Kg.
6. Un producto en base a aluminio reciclado, útil en las fundiciones de la industria minera según reivindicación 1 CARACTERIZADO porque fluidiza la éscoria y libera metal en los procesos Convertidor Teniente, Horno Eléctrico de arco, Pierce Smith, Horno Flash, Morgan, Horno eléctrico de inducción, Hornos de Tostación, Horno reverbero y Autokumpu, minimizando el reproceso.
7. Un producto en base a aluminio reciclado, útil en las fundiciones de la industria minera según reivindicación 1 CARACTERIZADO porque tiene capacidad reductora y permite recuperar metal remanente en la escoria a botadero, aumentando el rendimiento del cobre, níquel y otros metales entre 0,3 - 0,7 % en el proceso minero.
8. Un uso del producto en base a aluminio reciclado según reivindicación 1 CARACTERIZADO porque disuelve acreciones y/o adherencias en los Hornos del tipo Convertidor Teniente, Horno Eléctrico de arco, Pierce Smith, Horno Flash, Morgan, Horno eléctrico de inducción, Hornos de Tostación, Horno reverbero y Autokumpu.
9. Un uso del producto en base a aluminio reciclado según reivindicación 5 CARACTERIZADO porque minimiza entre 5 - 15% la emisión de material particulado y de gases.
10. Un uso del producto en base a aluminio reciclado según reivindicación 5 CARACTERIZADO porque sirve para limpiar canales, ollas y cucharas en el proceso de obtención de metales.
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