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ISASMELT

La capacidad de alimentación instalada de los hornos Isasmelt ha aumentado a medida que la tecnología ha sido aceptada en las fundiciones de todo el mundo. El proceso ISASMELT e...

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La capacidad de alimentación instalada de los hornos Isasmelt ha aumentado a medida que la tecnología ha sido aceptada en las fundiciones de todo el mundo.

El proceso ISASMELT es un proceso de fundición energéticamente eficiente que fue desarrollado conjuntamente entre las décadas de 1970 y 1990 por Mount Isa Mines (una subsidiaria de MIM Holdings y ahora parte de Glencore ) y la CSIRO del Gobierno de Australia . Tiene costos de capital y operación relativamente bajos para un proceso de fundición.

La tecnología ISASMELT se ha aplicado a la fundición de plomo, cobre y níquel. En 2021, había 22 plantas en funcionamiento en once países, además de tres plantas de demostración ubicadas en Mt Isa. La capacidad instalada de las plantas operativas de cobre/níquel en 2020 era de 9,76 millones de toneladas anuales de materia prima y de 750 mil toneladas anuales en las plantas operativas de plomo. [ 1 ]

Las fundiciones basadas en el proceso ISASMELT de cobre se encuentran entre las fundiciones de cobre de menor costo del mundo. [ 2 ]

El horno ISASMELT

Un horno ISASMELT es un recipiente de acero cilíndrico vertical revestido con ladrillos refractarios . [ 3 ] En el fondo del horno hay un baño de escoria, mata o metal fundido (según la aplicación). Una lanza de acero se introduce en el baño a través de un orificio en el techo del horno, y se inyecta aire (posiblemente enriquecido con oxígeno) a través de la lanza, lo que provoca una agitación vigorosa del baño.

Vista en sección de un horno Isasmelt

Los concentrados minerales o los materiales para reciclar se introducen en el baño a través de otro orificio en el techo del horno o, en algunos casos, se inyectan por la lanza. Estos materiales reaccionan con el oxígeno del gas inyectado, lo que da lugar a una reacción intensa en un volumen reducido (en comparación con otras tecnologías de fundición).

Las lanzas ISASMELT contienen uno o más dispositivos llamados "remolinos" que hacen girar el gas inyectado dentro de la lanza, forzándolo contra la pared y enfriándolo. El remolino consta de paletas curvas alrededor de un tubo central que forman un flujo anular. [ 4 ] Están diseñados para minimizar las pérdidas de presión cambiando el ángulo de axial a tangencial, creando así un fuerte vórtice. [ 5 ] El vórtice ayuda a mezclar líquidos y sólidos con oxígeno en el baño. [ 6 ] El efecto de enfriamiento produce una capa de escoria que se "congela" en el exterior de la lanza. Esta capa de escoria sólida protege la lanza de las altas temperaturas dentro del horno. La punta de la lanza que está sumergida en el baño se desgasta con el tiempo, y la lanza desgastada se reemplaza fácilmente por una nueva cuando sea necesario. Posteriormente, las puntas desgastadas se cortan y se suelda una nueva punta al cuerpo de la lanza antes de devolverla al horno.

Los hornos ISASMELT suelen operar en el rango de 1000–1200  °C, dependiendo de la aplicación. [ 3 ] [ 7 ] Los ladrillos refractarios que forman el revestimiento interno del horno protegen la carcasa de acero del calor dentro del horno.

Los productos se extraen del horno a través de uno o más orificios de salida en un proceso llamado "vaciado". Este proceso puede ser continuo o por lotes, bloqueando los orificios con arcilla al finalizar cada vaciado y reabriéndolos mediante perforación o con una lanza térmica para el siguiente.

Los productos se dejan separar en un recipiente de sedimentación, como un horno rotatorio o un horno eléctrico.

Durante la fundición de concentrados de sulfuro, la mayor parte de la energía necesaria para calentar y fundir los materiales de alimentación proviene de la reacción del oxígeno con el azufre y el hierro presentes en el concentrado. Sin embargo, se requiere una pequeña cantidad de energía suplementaria. Los hornos ISASMELT pueden utilizar diversos combustibles, como carbón, coque, coque de petróleo , petróleo y gas natural. El combustible sólido puede añadirse por la parte superior del horno junto con los demás materiales de alimentación, o bien inyectarse por la lanza. Los combustibles líquidos y gaseosos se inyectan por la lanza.

Ventajas del proceso ISASMELT

Un horno ISASMELT se alimenta normalmente con concentrado húmedo que cae desde una cinta transportadora al interior del horno.

Las ventajas del proceso ISASMELT incluyen:

  • Alta productividad con un tamaño reducido: la fundición de cobre de Glencore en Mount Isa procesa más de 1 millón de toneladas al año de concentrado de cobre en un solo horno de 3,75 m de diámetro. [ 3 ] Su tamaño reducido hace que el proceso sea ideal para su adaptación a fundiciones existentes con limitaciones de espacio significativas. [ 8 ] [ 9 ]
  • Funcionamiento sencillo: el horno ISASMELT no requiere una preparación extensa de la alimentación, ya que esta se puede descargar desde una cinta transportadora directamente al horno [ 10 ].
  • alta eficiencia energética: la instalación de un horno ISASMELT en la fundición de cobre de Mount Isa redujo el consumo de energía en más del 80 % (a través de un mejor uso de la energía inherente contenida en el concentrado de sulfuro) en comparación con los hornos de tostado y reverbero utilizados anteriormente allí [ 2 ].
  • Flexibilidad en los tipos de alimentación: Los hornos ISASMELT se han utilizado para fundir concentrados de cobre, plomo y níquel con una amplia gama de composiciones, [ 11 ] incluyendo altos niveles de magnetita , [ 10 ] y materiales secundarios, como chatarra de cobre y pasta de baterías de plomo-ácido [ 12 ].
  • Flexibilidad en los tipos de combustible: los hornos ISASMELT pueden funcionar con una variedad de combustibles, incluidos carbón en trozos de diferentes rangos, coque (en trozos o fino), coque de petróleo, petróleo (incluido petróleo reciclado), gas natural y gas licuado de petróleo, dependiendo de cuál sea el más económico en la ubicación de la fundición [ 3 ].
  • Alta capacidad de reducción de caudal: el caudal de alimentación a una sola instalación ISASMELT se puede aumentar o disminuir fácilmente, dependiendo de la disponibilidad de concentrado y las necesidades de la fundición.
  • Baja pérdida de alimentación: los hornos ISASMELT normalmente pierden alrededor del 1 % de la alimentación como arrastre con el gas residual, lo que significa que se necesita devolver menos material al horno para su reprocesamiento [ 3 ].
  • Contención eficaz de emisiones fugitivas: debido a que el horno tiene solo dos aberturas en la parte superior, cualquier emisión fugitiva puede capturarse fácilmente [ 10 ].
  • Alta eliminación de elementos menores nocivos: debido a la acción de lavado de los gases inyectados en las escorias del horno ISASMELT, los hornos de cobre ISASMELT tienen una alta eliminación de elementos menores, como bismuto y arsénico, que pueden tener efectos nocivos en las propiedades del cobre del producto [ 13 ].
  • Alta concentración de dióxido de azufre en los gases residuales: el uso de enriquecimiento con oxígeno proporciona a las plantas de ISASMELT altas concentraciones de dióxido de azufre en el flujo de gases residuales, lo que hace que la construcción y operación de las plantas de ácido sean más económicas.
  • Costo operativo relativamente bajo: la eficiencia energética del proceso, la sencilla preparación de la alimentación, la relativa falta de piezas móviles, las bajas tasas de arrastre de alimentación, los bajos requisitos de mano de obra y la facilidad de reemplazar las lanzas y los revestimientos refractarios cuando se desgastan hacen que el proceso ISASMELT tenga costos operativos relativamente bajos [ 10 ].
  • Coste de capital relativamente bajo: la simplicidad de la construcción de los hornos ISASMELT y la capacidad de tratar el concentrado sin secado lo hacen más económico que otros procesos de fundición. [ 10 ] [ 14 ]

Historia del proceso

Desarrollo inicial (1973-1980)

El proceso ISASMELT comenzó con la invención en 1973 de la lanza Sirosmelt por los Dres. Bill Denholm y John Floyd en la CSIRO. [ 15 ] [ 16 ] La lanza se desarrolló como resultado de investigaciones sobre procesos mejorados de fundición de estaño, en las que se descubrió que el uso de una lanza sumergida de entrada superior daría como resultado mayores eficiencias de transferencia de calor y de masa. [ 16 ]

La idea de las lanzas sumergidas de entrada superior se remonta al menos a 1902, cuando se intentó implementar un sistema similar en Clichy, Francia. [ 17 ] Sin embargo, los primeros intentos fracasaron debido a la corta vida útil de las lanzas al sumergirse en el baño. El proceso de fundición de cobre de Mitsubishi es una alternativa, en la que se utilizan lanzas en un horno, pero no se sumergen en el baño. En cambio, soplan aire enriquecido con oxígeno sobre la superficie de la escoria (inyección superior). [ 18 ] De manera similar, una lanza de inyección superior refrigerada por agua fue la base del proceso de fabricación de acero LD ( Linz-Donawitz ). Esto no produce la misma intensidad de mezcla en el baño que una lanza sumergida. [ 16 ]

Los científicos de CSIRO intentaron primero desarrollar un sistema de lanza sumergida utilizando una lanza refrigerada por agua, pero optaron por un sistema refrigerado por aire porque "la ampliación de la lanza refrigerada por agua habría sido problemática". [ 16 ] La introducción de agua en un sistema que involucra metales fundidos y escorias puede provocar explosiones catastróficas, como la ocurrida en la acería de Scunthorpe en noviembre de 1975, en la que 11 hombres perdieron la vida. [ 19 ]

La incorporación de los difusores en la lanza Sirosmelt y la formación de una capa de escoria por salpicadura sobre la lanza fueron las principales innovaciones que condujeron al desarrollo exitoso de la fundición con lanza sumergida.

Desde 1973, los científicos de CSIRO comenzaron una serie de ensayos utilizando la lanza Sirosmelt para recuperar metales de escorias industriales en Australia, incluyendo escoria de ablandador de plomo en Broken Hill Associated Smelters en Port Pirie (1973), escoria de estaño de Associated Tin Smelters en Sydney (1974), escoria de convertidor de cobre en la planta de Electrolytic Refining and Smelting ("ER&S") Port Kembla (1975) y escoria de horno de ánodo de cobre en Copper Refineries Limited (otra subsidiaria de MIM Holdings) en Townsville (1976) y de escoria de convertidor de cobre en Mount Isa (1977). [ 16 ] El trabajo continuó con la fundición de concentrados de estaño (1975) y luego de concentrados de estaño sulfurados (1977). [ 16 ]

MIM y ER&S financiaron conjuntamente los ensayos de tratamiento de escoria del convertidor de Port Kembla de 1975 y la participación de MIM continuó con el trabajo de tratamiento de escoria en Townsville y Mount Isa. [ 20 ]

Paralelamente al trabajo de tratamiento de escoria de cobre, la CSIRO continuó trabajando en la fundición de estaño. Los proyectos incluyeron una planta de cinco toneladas ("t") para recuperar estaño de la escoria que se instaló en Associated Tin Smelters en 1978, y el primer trabajo de prueba de fundición sulfúrica realizado en colaboración con Aberfoyle Limited, en el que se fumó estaño a partir de mineral de estaño pirítico y de concentrados mixtos de estaño y cobre. [ 21 ] Aberfoyle estaba investigando la posibilidad de utilizar el enfoque de lanza Sirosmelt para mejorar la recuperación de estaño de minerales complejos, como su mina en Cleveland, Tasmania, y la zona mineralizada de Queen Hill cerca de Zeehan en Tasmania . [ 22 ] [ 23 ]

El trabajo de Aberfoyle condujo a la construcción y operación a finales de 1980 de una planta piloto de fumigación de mata de estaño de cuatro t/h en la fundición de níquel de Kalgoorlie de Western Mining Corporation , ubicada al sur de Kalgoorlie , Australia Occidental . [ 23 ]

Liderar el desarrollo de ISASMELT

Trabajos a pequeña escala (1978–1983)

A principios de la década de 1970, la tecnología tradicional de altos hornos y plantas de sinterización, que constituía el pilar de la industria de la fundición de plomo, se vio sometida a una presión constante debido a requisitos ambientales más estrictos, mayores costos de energía, precios decrecientes de los metales y mayores costos de capital y operación. [ 15 ]

Muchas empresas metalúrgicas buscaban nuevos procesos para reemplazar las plantas de sinterización y los altos hornos. Entre las posibilidades se barajaban el proceso de fundición de plomo QSL, el proceso Kivcet, el convertidor rotatorio de soplado superior Kaldo y la adaptación del exitoso horno de destello de cobre y níquel de Outokumpu a la fundición de plomo. [ 24 ]

MIM buscaba maneras de salvaguardar el futuro de sus operaciones de fundición de plomo en Mount Isa. Lo hizo de dos maneras:

  1. trabajando para mejorar el desempeño ambiental y operativo de sus operaciones existentes.
  2. investigar nuevas tecnologías. [ 15 ]

MIM investigó nuevas tecnologías organizando pruebas en planta con grandes lotes de concentrados de plomo de Mount Isa para todas las opciones de procesamiento existentes, excepto el proceso Kivcet. Al mismo tiempo, estaba al tanto del uso de lanzas de inyección superior en los procesos Mitsubishi y Kaldo , y de las investigaciones sobre lanzas de combustión sumergida de entrada superior realizadas por Asarco (que mantenía una larga relación con MIM, incluyendo su participación accionaria en MIM Holdings) en la década de 1960. Esto despertó el interés de MIM en la lanza Sirosmelt, que se consideraba una forma de producir una lanza sumergida robusta. [ 15 ]

Tras los ensayos con escoria de cobre de 1976-1978, MIM inició un proyecto conjunto con la CSIRO en 1978 para investigar la posibilidad de aplicar lanzas Sirosmelt a la fundición de plomo. [ 7 ]

El trabajo comenzó con la modelización por ordenador de la termodinámica del equilibrio (1978) y fue seguido por ensayos a escala de laboratorio utilizando grandes crisoles de silicato de aluminio (1978-1979). Los resultados fueron lo suficientemente alentadores como para que MIM construyera un  banco de pruebas de 120 kg/h en Mount Isa. Entró en funcionamiento en septiembre de 1980. Este se utilizó para desarrollar un proceso de dos etapas para producir lingotes de plomo a partir del concentrado de plomo de Mount Isa. La primera etapa fue una etapa de oxidación que eliminó prácticamente todo el azufre de la alimentación, oxidando el plomo contenido a óxido de plomo (PbO), que se recogió en gran medida en la escoria (parte se eliminó del horno como humo de óxido de plomo que se recirculó para la recuperación del plomo). La segunda etapa fue una etapa de reducción en la que se eliminó el oxígeno del plomo para formar plomo metálico. [ 7 ]

La planta piloto principal de ISASMELT (1983-1990)

Tras las  pruebas realizadas a 120 kg/h, MIM decidió proceder a instalar una  planta piloto ISASMELT de plomo de 5 t/h en su fundición de plomo de Mount Isa. Compró el horno de fuming de mata de Aberfoyle y lo transportó desde Kalgoorlie hasta Mount Isa, donde fue reconstruido y puesto en marcha en 1983 [ 16 ] para demostrar la primera etapa del proceso en funcionamiento continuo y para probar la etapa de reducción utilizando lotes de escoria con alto contenido de plomo. [ 25 ]

Una de las características clave de la planta piloto fue que fue operada por personal de operaciones en la fundición de plomo como si fuera una planta de operaciones. [ 15 ] La escoria de alto contenido de plomo producida por la fundición continua del concentrado de plomo fue tratada posteriormente en la planta de sinterización, aumentando así la producción de la fundición de plomo hasta en un 17%. [ 26 ] Esto dio al personal de operaciones la propiedad de la planta y un incentivo para hacerla funcionar, asegurando así la prioridad de gestión y mantenimiento. También le dio a MIM la seguridad de que el proceso era lo suficientemente simple como para ser operable en un entorno de producción, con personal y supervisión normales, y que era lo suficientemente robusto como para soportar excursiones de control normales. [ 15 ] Además de la operación continua de concentrado de plomo para producir escoria de alto contenido de plomo, la planta piloto se utilizó para producir plomo metálico a partir de lotes de la escoria, [ 25 ] investigar las tasas de desgaste del revestimiento refractario del horno y las lanzas, y el trabajo inicial se dirigió al desarrollo de una versión de baja presión de la lanza Sirosmelt. El resultado fue un diseño de lanza que permitió operar a una presión significativamente menor que los valores iniciales de aproximadamente 250 kilopascales (manométricos) ("kPag"), reduciendo así los costos operativos. [ 7 ]

MIM construyó un segundo horno idéntico junto al primero y lo puso en funcionamiento en agosto de 1985. Esta combinación de hornos se utilizó para demostrar el proceso de dos etapas en operación continua a mediados de 1987. [ 25 ] Sin embargo, durante la mayor parte del tiempo, los dos hornos no pudieron operar simultáneamente debido a una limitación en la capacidad del filtro de mangas utilizado para filtrar el polvo de plomo de los gases residuales. [ 25 ]

Una serie de mejoras en el proceso, particularmente en el sistema de manejo de gases residuales, dieron como resultado un aumento en el rendimiento de la planta desde el diseño inicial de 5 t/h a 10 t/h. [ 10 ] La planta piloto había tratado más de 125 000 t de concentrado de plomo para abril de 1989. [ 12 ]

Los dos hornos también se utilizaron para desarrollar un proceso para recuperar el plomo de las operaciones de escoria de la fundición de plomo de Mount Isa. [ 25 ]

La planta de demostración principal de ISASMELT (1991–1995)

Basándose en los resultados del trabajo de la planta piloto, el Consejo de Administración de MIM Holdings aprobó la construcción de una planta de demostración de 65 millones de dólares australianos [ 27 ] , capaz de producir 60.000 t/año de lingotes de plomo. [ 25 ] Esta planta operó desde principios de 1991 hasta 1995. [ 28 ] Inicialmente, fue diseñada para tratar 20 t/h de concentrado de plomo utilizando aire de lanza enriquecido al 27%. Sin embargo, el oxígeno originalmente destinado a su uso fue desviado a las operaciones de fundición de cobre más rentables, y la tasa de alimentación a la planta de demostración de plomo ISASMELT se vio severamente restringida. [ 28 ] Cuando hubo suficiente oxígeno disponible en 1993 para aumentar el nivel de enriquecimiento al 33-35%, se lograron tasas de tratamiento de hasta 36 t/h de concentrado, con plomo residual en la escoria final del horno de reducción en el rango del 2-5%. [ 28 ]

El enfoque de dos etapas para la fundición de plomo ISASMELT fue impulsado en parte por el contenido de plomo relativamente bajo de los concentrados de plomo de Mount Isa (típicamente en el rango de 47–52% de plomo durante el período de desarrollo del plomo ISASMELT). [ 7 ] [ 29 ] [ 30 ] Intentar producir lingotes de plomo en un solo horno con grados de concentrado tan bajos resultaría en una excesiva emisión de humos de óxido de plomo con una gran cantidad de material que tendría que ser devuelto al horno para recuperar el plomo [ 7 ] y, en consecuencia, una mayor demanda de energía ya que ese material tendría que ser recalentado a las temperaturas del horno.

Los concentrados con mayor contenido de plomo pueden fundirse directamente en plomo metálico en un solo horno sin generar humos excesivos. [ 7 ] Esto se demostró a gran escala en 1994, cuando se trataron 4000 t de concentrado con un 67 % de plomo a velocidades de hasta 32 t/h con aire de lanza enriquecido al 27 %. Durante estas pruebas, el 50 % del plomo del concentrado se convirtió en lingotes de plomo en el horno de fundición, mientras que la mayor parte del resto terminó como óxido de plomo en la escoria del horno de fundición. [ 28 ]

Al igual que la planta piloto ISASMELT principal, la planta de demostración ISASMELT principal sufrió limitaciones impuestas por el sistema de manejo de gases residuales. En el caso de la planta de demostración, el problema fue causado por humos pegajosos que formaron una capa aislante en los haces de tubos de convección de las calderas de recuperación de calor, reduciendo significativamente las tasas de transferencia de calor y, por lo tanto, la capacidad de las calderas para reducir la temperatura de los gases residuales. [ 12 ] Como la planta usaba filtros de mangas para filtrar los humos de plomo de los gases residuales, fue necesario reducir la temperatura del gas por debajo del punto en el que las mangas se dañarían por las altas temperaturas. El problema se resolvió permitiendo que el aire frío se mezclara con los gases residuales calientes para reducir la temperatura a un nivel en el que el filtro de mangas pudiera operar. [ 12 ] Esto redujo la capacidad de la planta ISASMELT porque nuevamente estaba limitada por el volumen de gas que podía ser filtrado por el filtro de mangas.

La planta de demostración de plomo ISASMELT fue clausurada en 1995 porque no había suficiente concentrado para mantenerla en funcionamiento junto con el resto de la fundición de plomo. [ 12 ] Era demasiado pequeña para tratar todo el concentrado de plomo de Mount Isa por sí sola.

Plantas comerciales de plomo primario ISASMELT (desde 2005)

El primer horno ISASMELT comercial de plomo primario se instaló en el complejo de fundición de zinc y plomo de nueva construcción de Yunnan Chihong Zinc and Germanium Company Limited (YCZG) en Qujing, provincia de Yunnan, China. [ 31 ] Este horno formaba parte de una planta que constaba del horno ISASMELT y un alto horno especialmente diseñado para tratar la escoria ISASMELT con alto contenido de plomo. [ 28 ] El horno ISASMELT fue diseñado para producir tanto la escoria como el lingote de plomo, convirtiéndose aproximadamente el 40 % del plomo del concentrado en lingote de plomo en el horno ISASMELT. [ 31 ]

La combinación ISASMELT-alto horno fue diseñada para tratar 160.000 t/año de concentrado de plomo. [ 1 ]

El segundo horno ISASMELT comercial de plomo primario se puso en marcha en el complejo de fundición de Kazzinc en Ust-Kamenogorsk, Kazajstán, en 2012. Está diseñado para tratar 300.000 t/año de concentrado de plomo, utilizando de nuevo una combinación de horno ISASMELT y alto horno. [ 1 ]

YCZG está construyendo otra planta ISASMELT de plomo en una nueva fundición de nueva construcción en Huize, China, y se prevé que entre en funcionamiento en 2013. [ 1 ]

En junio de 2017, Glencore anunció que Nyrstar NV había adquirido una licencia de Isasmelt para su nuevo horno Ausmelt en Port Pirie . Como parte del acuerdo, Nyrstar contrató servicios de capacitación y apoyo para la puesta en marcha del horno Ausmelt y el alto horno por parte de personal de las operaciones de Kazzinc de Glencore en Kazajstán . Esto incluyó la capacitación del personal de Nyrstar en las operaciones de Ust-Kamenogorsk y el apoyo en el sitio por parte del personal de Kazzinc durante las etapas de puesta en marcha y aumento de producción de la planta Ausmelt. [ 32 ]

Fundición de plomo secundario (desde 1982)

Mientras se diseñaba la planta piloto de plomo ISASMELT de 5 t/h entre 1982 y 1983, MIM continuó utilizando el  banco de pruebas de 120 kg/h para desarrollar otros procesos, incluido el proceso de tratamiento de escoria mencionado anteriormente y el tratamiento de la pasta de baterías de plomo-ácido para el reciclaje de plomo. [ 7 ]

El Consejo de Administración de MIM Holdings aprobó la construcción de una planta ISASMELT en Britannia Refined Metals, la refinería de plomo de la compañía en Northfleet, Reino Unido, para la recuperación comercial de plomo de la pasta de baterías para complementar la planta existente, que utilizaba un horno rotatorio corto para producir 10.000 t/año de plomo. [ 33 ] La nueva planta aumentó la producción anual a 30.000 t/año de plomo reciclado y se puso en marcha en 1991. [ 33 ] El horno ISASMELT se utilizó para producir lingotes de plomo con bajo contenido de antimonio a partir de la pasta de baterías y una escoria rica en antimonio que contenía entre un 55 y un 65 % de óxido de plomo. Si bien era posible recuperar el plomo de la escoria en el horno ISASMELT mediante una etapa de reducción, el rendimiento total de la planta se incrementó al tratar la escoria en el horno rotatorio corto cuando se habían generado cantidades suficientes de escoria. [ 33 ] La planta fue diseñada para tratar 7,7 t/h de pasta de baterías, pero habitualmente trataba 12 t/h. [ 33 ] La planta fue clausurada en 2004 cuando Xstrata Zinc, que se hizo cargo de las operaciones de plomo de MIM Holdings, decidió abandonar el negocio del reciclaje de plomo. [ 33 ]

Una segunda planta ISASMELT de plomo para recuperar plomo de baterías recicladas se puso en marcha en el año 2000 en Malasia, en la planta Pulau Indah de Metal Reclamation Industries. [ 33 ] Esta planta ISASMELT tiene una capacidad de diseño de 40 000 t/año de lingotes de plomo. [ 1 ]

Desarrollo de cobre ISASMELT

Trabajos de prueba a pequeña escala (1979-1987)

Científicos del CSIRO realizaron pruebas a pequeña escala con concentrado de sulfuro de cobre en 1979, [ 16 ] utilizando el  equipo de prueba Sirosmelt de 50 kg del CSIRO. [ 34 ] Estas pruebas incluyeron la producción de mata de cobre con un contenido de cobre del 40 al 52 % y, en algunos casos, la conversión de la mata para producir cobre blister. [ 34 ]

Los resultados de este trabajo fueron lo suficientemente alentadores como para que MIM en 1983 [ 35 ] emprendiera su propio programa de trabajo de prueba de fundición de cobre utilizando su  equipo de prueba de 120 kg/h, que para entonces había sido reclasificado a 250  kg/h. [ 27 ] Se encontró que el proceso era fácil de controlar y que la pérdida de cobre en la escoria era baja. [ 10 ] También se descubrió que el proceso podía recuperar fácilmente el cobre del concentrado de escoria del convertidor de cobre, del cual había una gran reserva en Mount Isa. [ 10 ]

La planta de demostración de cobre ISASMELT (1987–1992)

La construcción de una planta de demostración de cobre ISASMELT de 15 t/h comenzó en 1986. El diseño se basó en  el trabajo de prueba de MIM de 250 kg/h y la experiencia operativa con la planta piloto ISASMELT principal. [ 27 ] Costó 11 millones de dólares australianos [ 10 ] y se puso en marcha en abril de 1987. [ 27 ] El costo de capital inicial se recuperó en los primeros 14 meses de operación. [ 26 ]

Al igual que la planta piloto ISASMELT principal, la planta de demostración ISASMELT de cobre se integró en las operaciones de la fundición de cobre [ 15 ] y se justificó por el aumento del 20% (30 000 t/año) en la producción de cobre que proporcionó. [ 10 ] Trató rápidamente toda la acumulación de concentrado de escoria de convertidor, que no podía tratarse a altas tasas en los hornos de reverbero sin generar acumulaciones de magnetita ("Fe₃O₄ " ) que requerirían el cierre de los hornos de reverbero para su eliminación. [ 36 ]

La planta de demostración de cobre ISASMELT se utilizó para seguir desarrollando el proceso de cobre. La vida útil de los refractarios fue inicialmente más corta de lo esperado [ 37 ] y se dedicó un esfuerzo considerable a comprender las razones e intentar prolongar su vida útil. [ 37 ] Al final de la vida útil de la planta de demostración, la vida útil más larga de los refractarios alcanzada fue de 90 semanas. [ 37 ]

La vida útil de la lanza también era baja inicialmente. [ 37 ] Los operadores inexpertos podían destruir una lanza en tan solo 10 minutos. [ 37 ] Sin embargo, como resultado de las modificaciones en el diseño de la lanza, el desarrollo de técnicas para determinar su posición en el baño y el aumento de la experiencia operativa, la vida útil típica de la lanza se extendió a una semana. [ 37 ]

La planta de demostración se puso en marcha con aire a alta presión (700 kPag) inyectado a través de la lanza. [ 27 ] Posteriormente, tras extensas pruebas de diseños de lanzas de baja presión y ensayos con enriquecimiento de oxígeno del aire de la lanza, se adquirió una planta de oxígeno de 70 t/d y un soplador de 5 Nm3/s con una presión de descarga de 146 kPag. [ 27 ] El nuevo diseño de lanza era capaz de operar a presiones inferiores a 100 kPag. [ 35 ] Mediante el enriquecimiento de oxígeno en el aire de la lanza al 35%, el rendimiento de la planta de demostración aumentó a 48 t/h de concentrado, y la energía bruta utilizada durante la fundición se redujo de 25,6 GJ/t de cobre contenido a 4,1 GJ/t. [ 27 ]

Plantas comerciales de cobre primario ISASMELT (desde 1990)

El exitoso funcionamiento y desarrollo del proceso de demostración de cobre ISASMELT, y el grado de interés mostrado en el nuevo proceso por la comunidad mundial de fundición, dieron a MIM Holdings la confianza suficiente para licenciar la tecnología ISASMELT a empresas externas, [ 38 ] por lo que se firmó un acuerdo con la CSIRO en 1989 en virtud del cual MIM podría incorporar la lanza Sirosmelt a la tecnología ISASMELT. [ 26 ]

AGIP Australia

MIM firmó el primer acuerdo de licencia ISASMELT con Agip Australia Proprietary Limited ("Agip") en julio de 1990. Agip, una subsidiaria de la compañía petrolera italiana ENI , estaba desarrollando el yacimiento de níquel-cobre de Radio Hill cerca de Karratha en Australia Occidental. [ 26 ] MIM y representantes de Agip llevaron a cabo una serie de ensayos en los que se fundieron 4 toneladas de concentrado de Radio Hill en la  plataforma de prueba de 250 kg/h en Mount Isa. [ 26 ]

La planta Agip ISASMELT fue diseñada para tratar 7,5 t/h del concentrado de Radio Hill y producir 1,5 t/h de mata granulada con un contenido combinado de níquel y cobre del 45 % para su venta. [ 26 ] [ 27 ] Tenía el mismo tamaño que la planta de demostración de cobre ISASMELT (2,3 m de diámetro interno) y contaba con un soplador de 5,5 Nm3/s para suministrar el aire de la lanza. [ 26 ] La puesta en marcha de la planta comenzó en septiembre de 1991; [ 12 ] sin embargo, el complejo minero y de fundición de Radio Hill se vio obligado a cerrar debido a los bajos precios del níquel después de menos de seis meses, [ 12 ] antes de que se completara la puesta en marcha. [ 27 ] El horno ISASMELT alcanzó su capacidad de diseño en tres meses. [ 12 ] Los propietarios posteriores de la mina se centraron únicamente en la minería y el procesamiento de minerales, y la planta ISASMELT ha sido desmantelada. [ 12 ]

Cobre y oro de Freeport-McMoRan

En 1973, la fundición Freeport-McMoRan Copper and Gold ("Freeport") en Miami, Arizona , instaló un horno eléctrico de 51 MW en su planta de Miami. La decisión se basó en un contrato de suministro eléctrico a largo plazo con Salt River Project que proporcionaba a la empresa una tarifa muy baja para la electricidad. [ 8 ] Este contrato expiró en 1990 y el consiguiente aumento en los precios de la electricidad impulsó a los propietarios de la fundición, Cyprus Miami Mining Corporation ("Cyprus"), a buscar tecnologías de fundición alternativas para reducir los costos operativos. [ 8 ]

Las tecnologías evaluadas incluyeron:

Los procesos Contop, Inco, Mitsubishi y Outokumpu "fueron eliminados principalmente debido a sus altos niveles de polvo, altos costos de capital y escasa adaptabilidad a la instalación existente". El convertidor Teniente fue descartado porque requería el uso del horno eléctrico para la fundición parcial. El reactor Noranda no fue seleccionado "debido a su alto desgaste refractario y su escasa adaptabilidad a la planta existente debido al manejo de la escoria del reactor". [ 8 ] ISASMELT fue elegida como la tecnología preferida y se firmó un acuerdo de licencia con MIM en octubre de 1990. El factor principal en la decisión de seleccionar la tecnología ISASMELT fue la capacidad de integrarla en la planta existente y maximizar el uso de los equipos e infraestructura existentes, mientras que la principal desventaja se consideró que eran los riesgos asociados con la ampliación de la tecnología desde la planta de demostración de Mount Isa. [ 8 ]

El horno ISASMELT de cobre de Miami fue diseñado para tratar 590 000 t/año (650 000 toneladas cortas por año) de concentrado de cobre, una tasa de tratamiento limitada por la capacidad de la planta de ácido sulfúrico utilizada para capturar el dióxido de azufre de los gases residuales de la fundición. [ 8 ] El horno eléctrico existente se convirtió de horno de fundición a horno de limpieza de escoria y proporcionó capacidad de sobrecarga de mata para los convertidores. [ 8 ] El horno ISASMELT se puso en marcha el 11 de junio de 1992 y en 2002 trató más de 700 000 t/año de concentrado. [ 39 ] La modernización de la fundición de Miami tuvo un costo estimado de 95 millones de dólares estadounidenses. [ 27 ]

En 1993, Cyprus Minerals Company se fusionó con AMAX para formar Cyprus Amax Minerals , que a su vez fue adquirida por Phelps Dodge Corporation a finales de 1999. Tras la adquisición, Phelps Dodge cerró sus fundiciones de Hidalgo y Chino. [ 40 ] Phelps Dodge fue adquirida por Freeport en 2006.

La fundición de Miami es una de las dos únicas fundiciones de cobre que siguen en funcionamiento en Estados Unidos, frente a las 16 que había en 1979. [ 41 ]

Minas de Mount Isa

La tercera planta comercial de cobre ISASMELT se instaló en la fundición de cobre de MIM en Mount Isa a un costo aproximado de 100 millones de dólares australianos. [ 37 ] Fue diseñada para tratar 104 t/h de concentrado de cobre, que contenía 180 000 t/año de cobre, y comenzó a operar en agosto de 1992. [ 37 ]

Una diferencia significativa entre la planta de cobre ISASMELT de Mount Isa y todas las demás es que utiliza una caldera de recuperación de calor residual Ahlstrom Fluxflow [ 42 ] para recuperar el calor de los gases residuales del horno. Esta caldera utiliza un lecho fluidizado recirculante de partículas para enfriar rápidamente el gas a medida que sale del horno, y luego utiliza las propiedades mejoradas de transferencia de calor del contacto sólido-sólido para enfriar las partículas a medida que son transportadas por los tubos de la caldera que están suspendidos en un eje sobre el lecho. [ 37 ] La ​​alta tasa de transferencia de calor significa que la caldera Fluxflow es relativamente compacta en comparación con las calderas de recuperación de calor residual convencionales y el enfriamiento rápido de los gases residuales limita la formación de trióxido de azufre ("SO₃ " ), que en presencia de agua forma ácido sulfúrico que puede causar corrosión en superficies frías. [ 43 ]

Fundición de cobre de Mount Isa en 2002. El edificio que se ve debajo de la grúa de la izquierda es la planta ISASMELT.

En sus primeros años, la caldera Fluxflow provocó importantes tiempos de inactividad, debido a que el desgaste de los tubos era mucho mayor de lo esperado. [ 43 ] Los problemas se resolvieron mediante la comprensión de los flujos de gas dentro de la caldera y el rediseño de los tubos para minimizar los efectos de la erosión. [ 43 ]

La vida útil de los ladrillos refractarios en el horno ISASMELT fue inicialmente más corta de lo esperado y se consideró brevemente un sistema de refrigeración por agua para prolongarla; [ 43 ] sin embargo, este no se instaló y las mejoras operativas dieron como resultado una extensión significativa de la vida útil del revestimiento sin este gasto de capital y operativo. [ 44 ] Desde 1998, la vida útil del revestimiento refractario ha superado su diseño de dos años, [ 12 ] y la vida útil del octavo y noveno revestimiento casi alcanzó los tres años. [ 45 ] El revestimiento más reciente duró 50 meses, mientras que el anterior duró 44 meses. [ 46 ]

En los primeros años de operación en Mount Isa, el rendimiento del horno ISASMELT se vio limitado por problemas con algunos de los equipos auxiliares de la planta, incluyendo la caldera, el sistema de granulación de escoria y los filtros de concentrado. [ 44 ] La limitación final fue la decisión durante su construcción de mantener en línea uno de los dos hornos de reverbero para aumentar la producción de la fundición de cobre a 265 000 t/año de cobre anódico. Los convertidores Peirce-Smith de la fundición se convirtieron en un cuello de botella y la tasa de alimentación del horno ISASMELT tuvo que ser restringida para permitir que se extrajera suficiente mata del horno de reverbero para evitar que se congelara por completo. [ 2 ] El promedio móvil de 12 meses de la tasa de alimentación de ISASMELT estuvo justo por debajo de 100 t/h durante gran parte de este período, sin llegar a alcanzar el promedio anual de diseño de 104 t/h. [ 44 ] MIM decidió cerrar el horno de reverbero en 1997, y la tasa de alimentación media móvil de 12 meses de la planta ISASMELT superó rápidamente el diseño de 104 t/h cuando se eliminó esta restricción. [ 44 ]

El rendimiento de la planta ISASMELT fue lo suficientemente alentador como para que MIM decidiera ampliar la tasa de tratamiento de ISASMELT a 166 t/h mediante la adición de una segunda planta de oxígeno para permitir un mayor enriquecimiento del aire de la lanza. [ 44 ] Como resultado, a finales de 2001 había alcanzado una tasa máxima de 190 t/h de concentrado, y la fundición produjo un total anual máximo de 240 000 t de cobre anódico. [ 44 ] En ese momento, la fundición de cobre de Mount Isa, junto con su refinería de cobre en Townsville, se encontraba entre las fundiciones de cobre de menor costo del mundo.

La vida útil de la lanza suele ser de dos semanas, los cambios de lanza tardan entre 30 y 40 minutos, y las reparaciones generalmente se limitan al reemplazo de las puntas de la lanza. [ 47 ]

En 2006, MIM puso en marcha un segundo horno rotatorio de mantenimiento que funciona en paralelo con el horno de mantenimiento existente. [ 48 ]

Industrias Sterlite

Sterlite Industries ("Sterlite"), una subsidiaria de Vedanta Resources , construyó una fundición de cobre en Tuticorin utilizando un horno ISASMELT y convertidores Peirce-Smith . La fundición se puso en marcha en 1996 [ 1 ] y fue diseñada para producir 60 000 t/año de cobre (450 000 t/año de concentrado de cobre) [ 45 ] , pero al aumentar el contenido de oxígeno del aire de la lanza y realizar modificaciones en otros equipos, la velocidad de alimentación del horno ISASMELT se incrementó hasta el punto en que la fundición producía 180 000 t/año de cobre. [ 12 ]

Sterlite puso en marcha un nuevo horno ISASMELT en mayo de 2005 [ 48 ] diseñado para procesar 1,3 millones de t/año de concentrado de cobre [ 45 ] , y la capacidad de producción de la fundición se amplió a 300 000 t/año de cobre [ 12 ] . La nueva planta alcanzó su capacidad de diseño, medida durante un período de tres meses, seis meses después de comenzar a procesar su primera carga [ 48 ] . El sitio web de Vedanta afirma que el nuevo horno ISASMELT se puso en marcha con éxito "en un período récord de 45 días" [ 49 ] .

Desde entonces, Sterlite decidió ampliar aún más su producción de cobre mediante la instalación de una tercera fundición ISASMELT y una nueva refinería que utiliza tecnología IsaKidd. [ 50 ] La nueva fundición tiene una capacidad de diseño de 1,36 millones de t/año de concentrado de cobre (que contiene 400 000 t/año de cobre), procesado a través de un único horno ISASMELT. [ 51 ]

Corporación de cobre de Yunnan

En la década de 1990, el gobierno chino decidió aumentar la eficiencia de la economía china y reducir los efectos ambientales de la industria pesada mediante la modernización de las plantas. [ 9 ] En respuesta, la Corporación de Cobre de Yunnan ("YCC") modernizó su planta existente, que se basaba en una planta de sinterización y un horno eléctrico, con un horno de cobre ISASMELT. [ 9 ] Al igual que en la fundición de Miami, el horno eléctrico se convirtió de la función de fundición a la separación de mata y escoria y a proporcionar capacidad de sobrecarga de mata para los convertidores; nuevamente, el tamaño reducido del horno ISASMELT fue muy importante para su adaptación a la fundición existente. [ 9 ]

La planta YCC ISASMELT tenía una capacidad de diseño de 600.000 t/año de concentrado de cobre seco y comenzó a fundir concentrado el 15 de mayo de 2002. [ 9 ] YCC puso mucho énfasis en la capacitación de sus operadores, enviando personal a Mount Isa para recibir capacitación durante un período de siete meses en 2001 antes de la puesta en marcha de ISASMELT. [ 9 ] El costo total del programa de modernización de la fundición, incluido el horno ISASMELT, fue de 640 millones de yuanes (aproximadamente 80 millones de dólares estadounidenses) y la tasa de tratamiento de concentrado de la fundición aumentó de 470.000 t/año a 800.000 t/año como resultado. [ 52 ]

La transferencia de conocimientos operativos de MIM a YCC fue suficiente para que el primer revestimiento refractario del horno ISASMELT durara dos años, una mejora notable con respecto a la vida útil del revestimiento inicial de otras plantas. [ 52 ]

YCC describió el proyecto de modernización como "un gran éxito, que logró todo lo esperado". [ 52 ] El consumo de energía por tonelada de cobre blister producido disminuyó un 34% como resultado de la instalación del horno ISASMELT, y YCC estimó que durante los primeros 38 meses de operación, ahorró aproximadamente US$31,4 millones solo a través de la reducción de los costos de energía, [ 52 ] lo que le dio a la modernización un retorno de la inversión muy corto según los estándares de la industria.

En 2004, la dirección de YCC recibió premios por Innovación en Gestión de Proyectos y la Medalla Nacional a Proyectos de Alta Calidad del gobierno chino para reconocer el éxito del proyecto de modernización de la fundición. [ 52 ]

Posteriormente, Xstrata otorgó a YCC la licencia para construir tres plantas ISASMELT adicionales: una en Chuxiong, en la provincia de Yunnan, China, para tratar 500.000 t/año de concentrado de cobre; otra en Liangshan, en la provincia de Sichuan, China [ 1 ]; y la tercera en Chambishi, Zambia, para tratar 350.000 t/año de concentrado [ 1 ] . Las plantas de Chuxiong y Chambishi se pusieron en marcha en 2009 [ 1 ]. La planta de Liangshan se puso en marcha en 2012 [ 53 ].

Corporación de cobre del sur del Perú

En la década de 1990, Southern Peru Copper Corporation ("SPCC") buscaba modernizar su fundición en Ilo, en el sur de Perú, como parte del compromiso adquirido en 1997 con el gobierno peruano para capturar al menos el 91,7% del dióxido de azufre generado en sus operaciones de fundición para enero de 2007. [ 54 ] Inicialmente seleccionó la tecnología de fundición flash para reemplazar sus hornos de reverbero, a un costo de casi US$1.000 millones; [ 14 ] sin embargo, una de las primeras acciones tras la adquisición de ASARCO por parte de Grupo México fue revisar los planes propuestos para la modernización de la fundición de Ilo. [ 14 ]

Kazzinc

Kazzinc seleccionó el proceso ISASMELT de cobre para su complejo metalúrgico de Ust-Kamenogorsk . Está diseñado para tratar 290 000 t/año de concentrado de cobre [ 1 ] y se puso en marcha en 2011. [ 55 ] El costo de capital proyectado para la fundición y la refinería en 2006 fue de 178 millones de dólares estadounidenses. [ 56 ]

Plantas comerciales de cobre secundario ISASMELT

Además de tratar concentrados de cobre, los hornos de ISASMELT también se han construido para tratar materiales de cobre secundarios (chatarra).

Umicore

A principios de la década de 1990, personal técnico de la entonces Union Miniére colaboró ​​con personal de MIM Holdings para desarrollar un proceso basado en ISASMELT para el tratamiento de materiales de desecho y residuos que contenían cobre y plomo. [ 38 ] Union Miniére operaba una fundición en Hoboken , cerca de Amberes , Bélgica , especializada en el reciclaje de materiales de desecho no ferrosos. El programa de pruebas se llevó a cabo utilizando un banco de pruebas ISASMELT en la refinería de plomo de MIM Holdings, Britannia Refined Metals, en Northfleet, Reino Unido . [ 38 ]

Una planta de demostración fue diseñada por personal de MIM Holdings y operó durante varios meses en el sitio de la fundición de Hoboken. [ 57 ] La nueva fundición se puso en marcha en el último trimestre de 1997 [ 38 ] y en 2007 estaba tratando hasta 300 000 t/año de materiales secundarios. [ 57 ] La instalación del horno ISASMELT reemplazó una planta de tostación, una planta de sinterización, una de las dos plantas de ácido sulfúrico, un alto horno de cobre y cuatro convertidores de Hoboken. [ 58 ] Redujo sustancialmente los costos operativos en la fundición de Hoboken. [ 48 ]

La planta de Umicore en Hoboken utiliza un proceso de dos etapas en un solo horno. La primera etapa consiste en la oxidación de la materia prima para formar una mata de cobre y una escoria rica en plomo. La escoria se extrae y la mata de cobre restante se convierte en cobre blister. [ 57 ] Posteriormente, la escoria rica en plomo se reduce en un alto horno para producir plomo metálico, mientras que el cobre se refina y se recuperan los metales preciosos que contiene. [ 57 ]

Aurubis

La fundición Hüttenwerke Kayser en Lünen , Alemania, instaló una planta ISASMELT en 2002 para reemplazar tres altos hornos y un convertidor Peirce-Smith utilizados para fundir chatarra de cobre. [ 57 ] Posteriormente, la empresa fue comprada por Norddeutsche Affinerie AG , que a su vez se convirtió en Aurubis .

El proceso utilizado en la fundición de Lünen consiste en cargar el horno con residuos y chatarra de cobre que contienen entre un 1 y un 80 % de cobre y luego fundirlos en un ambiente reductor. Esto produce una "fase de cobre negro" y una escoria de sílice con bajo contenido de cobre. Inicialmente, el cobre negro se convertía en cobre blister en el horno ISASMELT. [ 57 ] Sin embargo, en 2011 la fundición se amplió como parte del proyecto "KRS Plus". Se utiliza un convertidor rotatorio de soplado superior para convertir el cobre negro y el horno ISASMELT funciona continuamente en modo de fundición. [ 59 ] [ 60 ]

La instalación del horno ISASMELT aumentó la recuperación total de cobre en la planta al reducir las pérdidas por escoria, disminuyó el número de hornos en funcionamiento, redujo el volumen de gases residuales y disminuyó el consumo de energía en más del 50 %. La capacidad de producción supera el diseño original en un 40 %. [ 57 ]

Kandanshi

Cobre del Atlántico

Referencias

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