Fusión Flash Fusión Flash

Fusión Flash OKFusión Flash INCO

Fusión Flash OutokumpuFusión Flash OutokumpuFSF ampliamente adoptado desde 1970 (30 hornos aprox.) Usa, JapónSe sopla aire-O2, concentrado seco + fundente SiO2 en un crisol a 1250ºCDentro de horno caliente partículas reaccionan “rápidamente” con O2

1. Se controla cuidadosamente oxidación de Fe y S del concentrado

2. Existe un gran generación de calor3. Se funden los sólidos

Proceso de “fusión” continuoAl usar $ O2 se hace auto térmicoProceso adecuado para partículas de concentrado de 50 μm

Productos FSF OutokumpuProductos FSF Outokumpu

Mata fundida de 60% CuEscoria hierro-silicato con 1.2% CuGases con polvos arrastrados 10-70% SO2

Mata se envía a conversión para oxidación Cu Escoria se envía a ttmiento para recuperar CuGases van a ttmiento SO2 (H2SO4)Las metas de FSF OK son producir

1. Composición, Tº de mata constante CPS2. Escoria que va a tratamiento para obtener una

escoria descartable3. Gases ricos en SO2 H2SO4 eficientemente

Realizar 1, 2 y 3 rápidamente y con eficiencia energética

DiseñoDiseño

24 [m] L 7 ½ [m] W 2 [m] H (1988)Torre de Reacción de 6 [m] D 7 [m] HUp take gases de 5-6 [m] D 9 [m] HQuemador de concentrado que funde 3000 tpd8 sangrías de mata y 6 de escoriaCaracterísticas Principales:

1. Quemadores de concentrado (1- 4), que se mezclan con O2 soplando dentro del horno

2. Torre de Reacción donde ocurre mayoritariamente reacción entre O2 y partículas de concentrado

3. Sedimentador donde se colecta gotas de mata y escoria y forman capas separadas

4. Sangrías con bloques de Cu refrigerados5. Up-Take para evacuar gases 10-40% SO2

Detalles de ConstrucciónDetalles de Construcción

Interior ladrillos de MgO o MgO·Cr2O3

Están apoyados exteriormente por chaquetas de Cu refrigeradas en zonas de mayor desgaste y acero 1-3 [cm]El techo son ladrillos de MgO·Cr2O3 suspendido en barras de aceroLa torre de reacción y varias partes del horno están refrigeradas para evitar sobre calentamiento y debilitamiento de la estructuraQuemador consiste de 2 tubos concéntricos una central donde se alimenta concentrado y un anulo para el aire/O2

Una eficiente dispersión se alcanza con concentrado seco

Operación en Estado EstableOperación en Estado Estable

Alimentación estable de soplado de O2/N2, concentrado/fundente seco y circulante por el quemador Conc.Combustión continua combustible en quemadores aux. crisol y/o torre.Descarga continua de gases a recuperadores de calor, remoción de polvo y captura de SO2

Sangrado intermitente de mata que va a conversión y escoria que va a recuperación

Equipos AuxiliaresEquipos Auxiliares

Para entradas:1.Secador de concentrado2.Planta de producción de oxígeno3.Sopladores (y algunas veces

precalentadores de aire)Para salidas:

1.Caldera recuperadora de calor2.Sistema de recuperación y reciclo de

polvos3.Ventiladores extractores de gas4.Planta de acido sulfúrico5.Sistema de tratamiento de escoria

ControlControl

AJUSTA 5 PARÁMETROSTasa de alimentación de concentradoTasa de alimentación de fundenteTasa de inyección de sopladoEnriquecimiento de oxígenoTasa de combustible fósil

OBJETIVOFusión estable de concentrado a la máxima tasa de fusiónProducción de mata, escoria y gases a composición y temperatura constantes

Temperatura y ley de eje especificaTemperatura y %SiO2 especifico

DesarrolloDesarrollo

Mejorar captura SO2

Disminuir consumo energíaAumentar productividadMejorar condiciones de trabajoDisminuir costos

Optimo O2 en el SopladoOptimo O2 en el Soplado

En 1990 se encontró que la mejor manera de operar un FSF es:Una ley de Eje entre 60 a 65%Suficiente $ oxígeno de modo que la operación sea auto térmicaUna ley de 60 a 65% requiere un $ O2 de 45 a 80% para ser auto térmicaMenos O2 requerirá combustible en la torre

Mas O2 requerirá oxidar menos Fe y S para evitar sobrecalentamiento en la torre, por lo cual, disminuye la ley del eje

Beneficios de Uso de O2Beneficios de Uso de O2

1. Menos requerimiento de combustible fósil2. Bajo flujo de gases a través del horno Flash y su

sistema de manejo de gases3. Alta concentración de SO2 en los gases de

salida, buena eficiencia de captura de SO2

El bajo flujo de gas es importante porque la torre de reacción, up-take, y equipos de manejo de gases son mas pequeñosAlta concentración de SO2 permite beneficiar los gases diluidos de los CPS para una captura eficiente y producción de H2SO4

Concentrados bajos en Fe y S (Cu2S) requieren mayor $ O2

Optima Ley del ejeOptima Ley del eje

Se selecciona de acuerdo a1. Obtener tanto calor como sea posible para oxidar Fe

y S en el horno Flash2. Maximizar la generación de SO2 y minimizarla en los

CPS (ineficiente)3. Aumentar la temperatura del horno para adecuarse a

los mayores puntos de fusión de ejes de mayor ley y escorias ricas en magnetita

4. Mantener suficiente Fe y S en la mata de modo tal de llevar a cabo la conversión auto térmicamenteDe lo anterior se selecciona 60 a 65%Además con esta ley la magnetita sólida generada se deposita en las paredes de la torre de reacción y sedimentador lo que provee una capa protectora en la paredes y chaquetas

Máxima Tasa de FusiónMáxima Tasa de Fusión

Tasa Fusión aumenta al aumentar tasa de alimentación de aire, O2, concentrado y fundenteEsto se hace hasta que alguna parte del horno o de la fundición se sobrecargue, limite es:

1. La tasa de fusión depende de zona donde ocurren las reacciones (torre), a una tasa mayor no reaccionará en la torre y resultara en concentrado “no fundido” que cae al crisol.

2. El flujo de calor máximo que puede ser extraído desde la torre de reacción - la tasa de fusión, y por ende la generación de calor mayores producirán sobrecalentamiento y daño

3. FSF modernos aumentaron tasa de fusión mejorando el diseño del quemador y la extracción de calor ha aumentado “diseñando” chaquetas

Cuellos de BotellaCuellos de Botella

Los mas importantes son:1.Tasa máxima de producción de oxígeno2.Capacidades máximas de la caldera

recuperadora de calor y captura de polvos3.Tasa máxima de captura de SO2 en la planta

de acido sulfúrico4.Tasa máxima de la Conversión (subsiguiente)

Además al aumentar la tasa de fusión pueden aumentar las perdidas de Cu en las escorias, especialmente en FSF seguido de HELETiempo de residencia disminuye en FSF disminuye

MejorasMejoras

Aumentar $ O2 a nivel de autotermia mejora captura SO2 y productividadOperar a ley de eje mayor, mejora captura de SO2, disminuye consumo Energía y baja necesidad de conversiónUn solo quemador concentrado asegura distribución uniformeRefrigeración mas efectiva, mejora campaña del hornoControl automáticoAumentar sangrías de mata por todo el crisol, evita formación de Fe3O4

Mecanismos de Fusión FlashMecanismos de Fusión Flash

Partículas de Concentrado seco se inyectan continuamente a un horno caliente rodeadas por un gas oxidante O2/N2

Partículas “ven” superficie caliente y llamas en el horno y comienzan a calentarse por calor transferido por radiaciónPartículas alcanzan Tº de igniciónFeS2 = FeS + ½ S2 a 600ºC2CuFeS2 = Cu2S + 2FeS + ½S2 a 500ºC Al mismo tiempo S2 comienza a ser rápidamente oxidado por el O2 que lo rodea½ S2 + O2 = SO2 + calorCalor generado calienta y funde las partículas creando una reacción en cadena

Mecanismos de Fusión Flash (2)Mecanismos de Fusión Flash (2)

Oxidación continúa hasta que partículas se oxidan completamente, hasta cuando O2/ que la rodea se agota, o si cae en la escoriaLas siguientes partículas que entran al horno “ven” y son calentadas por las partículas oxidadas y calientes – la fusión continua hasta que la alimentación de concentrado/O2-N2 se detieneEl tiempo de residencia en la torre es 1 – 3 s, por lo tanto, oxidación debe ser rápida

1. Partículas pequeñas de concentrado2. Distribución uniforme de O2 – N2 3. $ O2 lo que aumenta % O2 sobre superficie

Mecanismos post FusiónMecanismos post Fusión

Partículas sobre y sub – oxidadas que caen en la escoria reaccionan hasta alcanzar el equilibrio, según

FeS + Fe3O4 = 10FeO + SO2

Cu2O + FeS = Cu2S + FeO

FeS y Cu2S finales se hunden hasta la mataSimultáneamente, los óxidos de Fe, SiO2 y otros óxidos se fijan en la escoria

2FeO + SiO2 = Fe2SiO4

Fusión Flash INCO International Nickel CoFusión Flash INCO International Nickel Co

Cu:1980 (Chino), Marczeski-Aldrich 1986Cu-Ni: 1990 Sudburry (2)

“Toda la metalurgia no ferrosa será beneficiada con el uso de oxígeno barato . . . la aplicación de oxígeno revolucionara el arte de fundir y posiblemente cambiara toda la operación y equipamiento"F.W. Davis en el U.S. Bureau of Mines 75 años atrás

InstalacionesInstalaciones

2002:Almalyk, Uzbekistan,1975Hayden, Arizona, 1986Hurley, New Mexico, 1993Sudbury, Ontario (2 Hornos), 1997

CaracterísticasCaracterísticas1. Usa O2, 95 a 98%, en vez de aire $2. Aire y concentrado, se soplan horizontalmente3. No requiere caldera recuperadora Q.4. Se usa para sedimentar mata de escoria de

conversión fundida

Toda la energía para fusión proviene de la oxidación del Fe y S del concentrado alimentadoMuy pocas veces se requiere combustible fósil

ProductosProductos

Mata 55 a 60 % en peso CuEscoria < 1 % en peso CuGases (Salida) 70 a 80 % SO2

La mata se envía a conversión en CPSLa escoria se envía al escorial, algunas veces a recuperaciónLos gases de proceso se envía a enfriamiento, remoción de polvo y captura de SO2 (H2SO4 y SO2(l))SO2 es un agente reductor y se usa para blanqueamiento, como fumigante y preservador de alimentos.Liquido se usa para purificar productos del petróleo

VentajasVentajas

Pequeño tamaño de su suministro de sopladoPequeño tamaño de equipos de manejo de gases

Lo anterior se debe a su casi ausencia de nitrógeno en el soplado y gases de salida

Detalles de ConstrucciónDetalles de Construcción

Es una estructura refractaria de Cr2O3MgO con chaquetas de cobre refrigeradas en las áreas de mayor desgasteSus componentes básicos son:

1.Quemadores de concentrado, dos en cada extremo, secador de concentrado, secador de fundente y reciclaje de materiales que son soplados dentro del horno.

2.Una salida de gases central donde son conducidos a enfriamiento, remoción de polvo y captura de SO2

3.Sangrías para retirar mata y escoria

Quemadores de ConcentradoQuemadores de Concentrado

El quemador de concentrado es un tubo de acero inox. revestido con refractarios y con chaquetas refrigeradas con agua, de ¼ [m] D 1 [cm] de espesorEl O2 se sopla horizontalmente pasando por un baffle, mientras que el concentrado y fundente caen a través de un sistema de alimentaciónLos quemadores se insertan dentro del horno mediante collares de cobre refrigerados con agua en las paredes laterales. Se remueven fácilmente para inspección y limpiezaEstán angulados 5 grados hacia dentro y 5 grados hacia abajo (llama sobre baño)Se inyecta una lanza O2 en la salida de gases para quemar S2 evitando acreciones

Refrigeración con AguaRefrigeración con Agua

Paredes laterales y del extremo equipados con chaquetas refrigeradas con agua planas e inclinadas para mantener integridad del hornoEsto causa depósitos de Magnetita protectoresEsto hace una campaña de 6 añosRazón excesiva erosión del refractario (línea de escoria)

Sangrías de Mata y EscoriaSangrías de Mata y Escoria

Mata: 4 lateralesEscoria: 1 en extremoBlock de ladrillo refractario con placa de cobre refrigerada con aguaNivel escoria 0.5 mNivel de mata 0.2 a 1 mSangrías se rotan para “lavar” magnetita

Up - takeUp - take

Hecha de ladrillo refractarioSe inyecta O2 para eliminar S pirítico, para que no ppte, en equipos de enfriamiento y colección de polvos

Equipos AuxiliaresEquipos Auxiliares

SecadorPlanta de OxígenoEquipo de Refrigeración de GasesSistema de Recuperación y Reciclo de PolvosSistema de Captura de SO2

Sistema de Recuperación de Cobre (opcional)

Salida de Gases y polvosSalida de Gases y polvos

Los gases son enfriados y limpiados del polvo en:

1.Un enfriador evaporativo (rociadores de agua) donde el gas se enfría de 1230ºC a 80ºC y el 90% del polvo es atrapado quedando como barro

2.Ciclones, lavadores (scrubbers), PES húmedosGases de salida contienen 60-75% SO2

Sólidos recuperados contienen 35% Cu

Operación y Control EstablesOperación y Control Estables

Soplado de O2, concentrado seco, fundente y polvos/circulanteSangrado intermitente de mata y escoria

MetasMetas

Fundir concentrado a una tasa determinada (tph)Mantener la temperatura del horno y su mata y escoria a su temperatura especificada (1250ºC)Producir una escoria fácil de descargar que contenga el menor contenido de Cu posible

Estrategia de ControlEstrategia de Control

Fijar la alimentación de concentrado seco a su valor predefinidoAjustar el flujo de O2 de modo tal que el Fe y S sean oxidados a la tasa exacta (es decir, genere el calor exacto) para mantener el horno a la Tº requeridaAjustar la razón flujo/concentrado de alimentación para alcanzar la composición de escoria especificadaControlar la ley del eje mezclando los materiales de alimentación

Inco versus OKInco versus OK

OK tiene un quemador INCO 4Refrigeración de la torre vertical del OK, maneja el calor liberado mucho mejor que el horizontal INCOOK recupera calor en calderasSoporte en Operación e Ingeniería