Hornos para Fundicíón

X.
- 1HORNOS PARA FUNDICIÓN
HORNOS DE CUBA
Son hornos que se utilizan para reducción de óxidos a
metales, matificación por fusión de minerales sulfurosos y
aún para descomposición de carbonatos (calcinación). Los
materiales a tratar se cargan por la parte superior del
horno y los productos se extraen por la parte más baja. su
altura predomina a cualquiera otra de sus dimensiones, es
decir, la posición de lo que es su cuerpo es vertical, y en
la parte inferior se encuentra el crisol, que recupera los
productos líquidos, si se da el caso.
La sección transversal de un horno de cuba puede ser una
circunferencia, una elipse, un rectángulo o un cuadrado.
La sección longitudinal varía también según los cambios de
volumen que experimenta la carga en su paso a través del
horno. Así, si los materiales apenas sufren variación de
volumen en su caída, la sección longitudinal prácticamente
es rectangular. Si los materiales tienden a aumentar de
volumen en su descenso (con el incremento de temperatura o
por reacciones químicas) el perfil es un trapecio con la
base mayor en la parte inferior; y si después de este
aumento de volumen, sufren reacciones que
los
hacen
disminuir de volumen y han de estar sometidos a altas
temperaturas, en la parte inferior se adapta un trapecio
invertido, de manera que las dos bases mayores coinciden.
El horno de cuba para fusión y reducción de óxidos es el
proceso
característico
de
operación
continua
y
a
contracorriente de carga sólida descendiendo
y
gases
calientes ascendiendo a lo largo del horno; esto origina una
eficiencia en el aprovechamiento del calor de un 50-60 %.
Los principales factores que afectan al funcionamiento de un
horno de cuba son:
1. La cantidad de calor
transformada.
que
requiere
2. El control de la escoria
escorificables de la carga.
a
la
formar
carga
con
para
ser
materiales
3. Las características físicas de la carga: tamaño, forma,
naturaleza superficial de la carga, y los cambios que pueden
producirse en estas características durante el paso de este
material por el horno.
- 2 -
En la Fig. 1 se muestra la sección longitudinal de un
típico para fierro y su perfil de temperatura.
horno
Generalmente las tendencias que se siguen para aumentar la
capacidad de producción de los hornos de cuba son, la
inyección de combustibles líquidos o gaseosos en la zona de
las toberas, con lo que se disminuye el costo unitario y el
consumo de coque; y la inyección de oxígeno para enriquecer
el aire, que disminuye el consumo de combustible.
HORNOS REVERBERO
Son hornos que también se
utilizan
para
diferentes
operaciones metalúrgicas, principalmente matificación de
concentrados sulfurosos y reducción de óxidos a metales; así
como conversión de arrabio a aceros especiales en la
siderurgia, ( Fig. 2).
Semejan una cámara de combustión en la que se aprovecha
directamente el calor de un combustible sólido, líquido o
gaseoso pero preservando a la carga de todo contacto con él,
por lo que la fusión ocurre por el contacto con la flama,
los productos gaseosos de la combustión y el calor irradiado
por las paredes de la cámara y por la bóveda.
El calentamiento de la carga y su transformación, por tanto,
son funciones completamente separadas y el equilibrio entre
fases (escoria y metal, escoria y mate) se logra en tiempos
prolongados o no se logra.
Una ventaja de estos hornos es que requieren poca o ninguna
preparación
de
la
carga puesto que pueden cargarse
materiales finos; pero se reciclan mayores cantidades de
polvos.
Presentan las desventajas de que la colección de polvos y su
reciclaje requieren de más espacio y mano de obra que cuando
se usa un horno de cuba y el calentamiento de la carga a
través de una capa de escoria aislante no es el método más
eficiente de transferencia de calor. En este caso se tiene
una eficiencia de 18-22 %.
Temperaturas elevadas en la parte superior del
horno
reverbero
promueven
la
volatilización
de metales y
compuestos cuyas presiones de vapor son altas, a partir de
la escoria; < las temperaturas bajas en la solera del horno
promueven la formación de acreciones metálicas que funcionan
como núcleos de embancamiento.
- 3 -
HORNOS ROTATORIOS
Los hornos se utilizan en las operaciones de secado,
calcinación,
fusión
y
reducción
de
minerales
y
volatilización de metales a partir de escorias.
El horno rotatorio se asemeja en muchos aspectos
al
reverbero; en esencia es un cilindro de acero revestido
interiormente de material refractario, que gira alrededor de
un eje hipotético, ( Fig. 2).
Pueden ser continuos, en cuyo caso tienen una longitud
considerable y un ángulo de inclinación de 1 a 4°; o
discontinuos, en los que la longitud es aproximadamente
igual al diámetro y no tienen inclinación.
También utilizan combustibles sólidos, líquidos o gaseosos y
la principal fuente de transmisión de calor dentro del horno
se debe a la radiación de la flama y de los gases calientes.
Tienen eficiencias de energía de 30 % y en ocasiones son
menos eficientes que los reverbero bien acondicionados para
recuperación de calor.
No se requiere premezclado de la carga y de preferencia no
debe de llevar materiales polvosos pues se incrementa el
arrastre mecánico de sólidos a la corriente gaseosa.
Por el carácter rotatorio del horno es más probable lograr
el equilibrio entre las diferentes fases y en menos tiempo
que en un reverbero, y hay muy poco o no hay gradiente de
temperatura entre la superficie y el fondo de la carga, de
manera que, en el caso de los hornos cortos, no se forman
acreciones en la solera.
Las desventajas que tienen son: incremento en el consumo de
refractarios debido a erosión y a corrosión, incremento en
la volatilización de materiales volátiles y en las pérdidas
de finos de la carga y dificultad para alcanzar temperaturas
elevadas, difícilmente mayores a 1200 °C.
Existen también hornos en los que la carga no está
contacto
ni con el combustible ni con los gases
combustión pues se debe de preservar durante la fase
tratamiento de todo contacto externo.
en
de
de
El calentamiento de la carga ocurre por transmisión de calor
a través de la pared del recipiente que le contiene, y para
obtener rendimientos caloríficos aceptables los recipientes
deben de tener una buena conductividad térmica, además de
soportar sin alteración o sin reaccionar con el mineral a
las temperaturas de operación.
- 4 -
La cámara de calentamiento transmite su calor por radiación
y convección a la pared externa del recipiente y pasa por
conducción al interior del mismo y de aquí a la carga
también
por
conducción.
De
esta manera se tienen
eficiencias de calentamiento de alrededor de 12 %.
Estos hornos se caracterizan por ser lentos
en
las
operaciones
de
fusión
y
por sus bajas eficiencias
energéticas, y en muchas industrias del mundo son ya
obsoletos.
- 5 -
HORNOS INTENSIVOS
Entre las técnicas más comunmente usadas, que han causado
innovaciones
de
mayor trascendencia en la metalurgia
extractiva, se cuentan: el precalentamiento de aire para
combustión, el enriquecimiento de aire con oxígeno, el uso
de
oxígeno
industrialmente
puro,
que
disminuyen
considerablemente,
en grados variables, el consumo de
combustible; la división fina de combustibles sólidos o
líquidos,
que
combinada con altas presiones y altas
velocidades de inyección de gases comburentes aceleran
grandemente
la
combustión
disminuyendo
tiempos
de
calentamiento y consumos de combustible; la
inyección
sumergida de gases en líquidos que mejora la transferencia
de masa, o de masa y de calor como en el caso de la
combustión
sumergida disminuyendo consumos de reativos
gaseosos o de combustibles; la agitación mecánica, que
mejora el contacto entre reaccionantes sólidos y líquidos o
entre dos fases líquidas (metal-escoria) resultando mayores
capacidades específicas en el proceso.
Empleando una o varias
de
estas
técnicas,
algunas
tecnologías modernas de la metalurgia extractiva fueron
desarrolladas como una respuesta a las necesidades de
mayores productividades, de un control más estricto de las
contaminaciones industriales, y de concientización para la
conservación de los recursos energéticos.
HORNOS DE FUSIÓN INSTANTÁNEA EN SUSPENSIÓN
Estos hornos, además de emplear alguna de las técnicas
mencionadas, aprovechan el tamaño fino de las partículas de
carga para fundirles instantáneamente por la dispersión de
ellas en una fase gaseosa que bien puede ser el medio de
calentamiento o una fase reaccionante.
En la extractiva del cobre el proceso convencional se
caracteriza por la tostación parcial de los concentrados
sulfurosos en hornos de pisos para eliminar algo de azufre y
oxidar parte del fierro; el producto de la tostación pasa
luego a matificación en hornos reverbero cuyo objetivo es el
de concentrar al cobre en una fase mate y retener al fierro
oxidado en la tostación previa en una escoria que, debido a
su bajo contenido de cobre, se descarta; el mate se somete
luego a conversión a cobre blíster por soplado de oxígeno en
convertidores tipo Pierce-Smith.
- 6 -
Los problemas en tostación son de operación debido a las
altas temperaturas a las que están sometidas las partes
móviles en el horno y los consiguientes altos costos de
mantenimiento que se originan; mientras que la matificación
sufre altos costos de operación por concepto de combustibles
debido al bajo rendimiento energético del reverbero, además
de que el contenido de SO2 en los gases ( < 1.0 % ) es
elevado como para emitirlo directamente a la atmósfera y
resulta costoso
tratar
volúmenes
tan
grandes
para
eliminarles el SO2.
La metalurgia del cobre inició la aplicación de estas
técnicas al unificar las etapas de tostación y matificación
y efectuarlas en un solo horno, creando las tecnologías
flash, Outokumpu Oy e INCO, Fig. 3.
El horno Outokumpu utiliza aire precalentado y el INCO
oxígeno industrial, que se inyectan a presión junto con los
concentrados sulfurosos. Las partículas de la carga se
funden instantáneamente en suspensión y caen a un baño
líquido de mate y de escoria que se forma por la adición de
sílice.
En Finlandia, los altos costos de energía hidroeléctrica
hacen prohibitiva la producción de oxígeno industrialmente
puro, pero hay buen mercado para ácido sulfúrico en la
región y con el uso de aire precalentado para la combustión
de los concentrados secos se producen gases con 14 % SO2,
ideal para manufactura de ácido.
En Sudbury, Ontario, el bajo costo de energía hidroeléctrica
permite en cambio la producción de oxígeno con 95 % de
pureza utilizado para la combustión de los concentrados de
cobre. Los gases de horno producidos conteniendo 75-80 % S02
son ideales para producir SO2 líquido que se vende a las
plantas de pulpa y de papel en un radio considerable en la
región de la fundidora.
El horno Outokumpu consiste de una cuba vertical que permite
a la carga un mayor tiempo de contacto con la fase gaseosa
durante su caída.
El oxígeno
casi
puro
en
el
horno
INCO
acelera
considerablemente la combustión y fusión simultáneas de los
concentrados por lo que la carga
fundida
cae
casi
directamente al baño líquido.
En ambos casos los productos son escoria que se trata para
recuperar el mate atrapado mecánicamente en ella, y el mate
que se trata para conversión a cobre blíster por el método
convencional.
HORNO CICLÓN
Un horno aún más intensivo que los flash lo es el ciclón,
que permite la combustión instantánea en suspensión más
eficientemente debido al incremento de la transferencia de
masa en una turbulencia inducida. Efectividad que se nota
por el transporte de calor mayor a 5.0 millones de kcal/m3h; que es más de 10 veces el correspondiente a las cámaras
de combustión convencionales. La mezcla aire-concentrado se
introduce tangencialmente a velocidades entre 80 y 120 m/seg
permitiendo un tiempo de retención de las partículas en el
vórtex del ciclón entre 0.01 y 0.03 seg.
Desde su desarrollo, el ciclón se incorporó al horno KIVCET,
como lo muestra la Fig. 4, para producción de mate de cobre
o de cobre blíster y una escoria descartable. El concentrado
seco se carga al horno ciclón, donde las partículas se
funden instantáneamente en suspensión, el material fundido
se adhiere a la pared del ciclón y resbala a una cámara de
la que pasa a un horno eléctrico por debajo de una pared
refractaria suspendida y enfriada por agua en el que
predomina un ambiente reductor; el mate y la escoria
producidos se pican intermitentemente.
Para la combustión se puede utilizar aire, aire enriquecido
con oxígeno u oxígeno técnicamente puro. Lógicamente el
oxígeno puro disminuye considerablemente el tamaño de la
cámara de reacción en la que las velocidades son tan altas
que, dado el pequeño volumen de gases, la transferencia de
calor es casi exclusivamente por conducción más que por
radiación.
HORNOS DE FUSIÓN INSTANTÁNEA POR INYECCIÓN A UN BAÑO LIQUIDO
Estos hornos generalmente hacen uso de oxígeno inyectado a
alta presión por medio de lanzas o de toberas sumergidas
para los procesos de conversión; pero se caracterizan
también por la inyección de la carga, fina o peletizada, a
un baño líquido en el que funde rápidamente. La carga en el
horno se mantiene líquida con el calor suministrado por un
quemador auxiliar y por el calor desprendido de
las
reacciones exotérmicas que ocurren.
- 8 -
Se distinguen tres hornos que emplean esta técnica para
fundir rápidamente y que además producen cobre continuamente
en un solo reactor, o en varios pero evitando manipuleo de
productos intermedios para disminuir mermas de materiales y
pérdidas de calor; dichos hornos son: WORCRA, Noranda y
Mitsubishi, y se ilustran en la Fig. 5.
En el horno WORCRA se inyecta a presión una mezcla de
concentrados y fundentes a un baño de escoria y mate, pero
se caracteriza también por el movimiento a contracorriente
de las fases escoria, mate y metal dentro del horno
favoreciendo el equilibrio de los potenciales químicos de
impurezas en el metal y la escoria.
El reactor Noranda funde, matifica y convierte a las cargas
secuencialmente con cobre blíster como producto final. La
carga la constituyen concentrados y fundentes peletizados.
El uso de toberas sumergidas para soplado de oxígeno a
presión, en las zonas respectivas, permite la conversión del
mate a cobre blanco y de éste a cobre blíster, que es
descargado cerca al extremo opuesto al de carga del reactor.
La longitud del horno depende de las necesidades del tiempo
de soplado para las conversiones.
El proceso Mitsubishi funde y matifica a los concentrados en
un horno inicial, recupera cobre de la escoria producida en
una segunda unidad y convierte el mate a cobre blíster en un
último reactor. Los productos intermedios fluyen de horno a
horno a través de canales refractadas. La fusión rápida de
las cargas se logra inyectando los concentrados a alta
velocidad al baño de mate y escoria, la conversión se
efectúa con la inyección de oxígeno por medio de lanzas.
En la Tabla 1 se hace una comparación de
combustibles de proceso de diferentes
producción de cobre.
los equivalentes
alternativas para
- 9-
ALTERNATIVAS PARA PRODUCCIÓN DE PLOMO
También en el caso de plomo se han producido desarrollos
utilizando
algunas
de
estas técnicas y con algunas
semejanzas respecto a las tecnologías nuevas para cobre.
Se presentan los procesos de reducción directa o testación
reacción,
entre
los que sobresalen el Boliden y el
Outokumpu, Fig. 6.
BOLIDEN
El Boliden es el más antiguo proceso de reducción directa de
plomo;
funde
los
concentradcs
sulfurosos
de plomo
instantáneamente en suspensión er. un vórtex entre electrodos
que
están
sumergidos
en
escoria líquida. El único
escorificante que se añade es piedra caliza y la escoria
producida tiene cerca de 4 % Pb; ésta se trata en una planta
de volatilización de escorias para recuperar Pb y Zn.
El plomo obtenido contiene 3 % S por lo que se somete a
conversión por inyección de aire, de este modo se baja el
contenido de azufre a niveles normales y el 4 % de plomo
volatiliza y se suma al 38 % volatilizado en la etapa de
fusión. Todos los polvos recirculan al horno de reducción
directa.
OUTOKUMPU
El horno Outokumpu para plomo es muy semejante al de cobre;
pero el combustible utilizado es petróleo y el aire se
precalienta a 350-550 °C. El mineral se inyecta a presión en
una cuba vertical y se funde instantáneamente en suspensión.
También se obtiene bullion con alto contenido de azufre pero
no se somete a conversión como en el proceso Boliden sino
que se enfría para eliminar PbS de la solución bulliónica y
provocar su reacción con el PbO de la escoria para extraer
al plomo disuelto en ella.
La producción de humos es cerca a 32 % en la fusión y 5 % en
el horno de limpieza de escorias.
- 10 -
KIVCET-CS
El horno KIVCET-CS para plomo también es muy semejante al de
cobre solo que en lugar de la unidad ciclón utiliza una cuba
tipo Outokumpu para la fusión de concentrados plomo-zinc,
Fig. 7.
No es para reducción directa de plomo pero combina las
funciones
de
tostación-sinterización,
reducción
y
volatilización de escorias en una sola unidad, eliminando de
este modo el manipuleo de materiales de etapa a etapa,
incluyendo la recirculación de polvos.
Los concentrados de Pb y Zn (conteniendo Cu y metales
preciosos) se inyectan a presión con oxígeno a la cuba de
tostación flash (oxidación-fusión a destelleo) donde se
oxidan completamente y forman una escoria que fluye al horno
de reducción por debajo de la pared suspendida. En esta
unidad de reducción se obtiene el plomo metálico mediante la
adición de coque en polvo a altas
temperaturas.
El
calentamiento
de
la escoria se hace por resistencia
eléctrica, utilizando electrodos de grafito. Con estas
condiciones de operación en el horno de reducción el zinc
volatiliza de la escoria y se recupera en una unidad de
colección de óxidos de zinc o en un condensador de zinc tipo
Imperial Smelting; cobre y metales preciosos se retienen en
un mate que, al igual que escoria y bullion, se pica
intermitentemente.
Se han logrado recuperaciones de 98 % Pb, 90 % Zn, 92 % Cu
y 88 % Ag en operaciones de planta piloto semicomercial. La
volatilización de plomo alcanza 25-28 % de la carga y con
17-22 % S en ésta la fusión es autógena y autocontrolada.
Q-S-L
El reactor Q-S-L para extracción de plomo se considera entre
los más novedosos; supera muchos de los problemas de la
fundición
convencional
de
plomo,
sobre
todo
de
contaminación.
Consiste en un horno cilindrico de longitud considerable en
el
que se incorporan dos operaciones pirometalúrgicas
básicamente diferentes: fusión autógena, por tostaciónreacción, de concentrados de galena, seguida de la reducción
carbo-térmica del óxido de plomo en la escoria formada, Fig.
7.
- 11 La primera ocurre por inyección, a presión, de la carga
peletizada a un baño liquido de bullion, sulfuros y escoria.
El soplo de oxígeno a través de toberas sumergidas en el
fondo del horno consume a los sulfuros y forma una escoria
de alto contenido de Pb que fluye a contracorriente del
metal previamente reducido hacia el extremo opuesto al de
carga del reactor.
En su trayectoria, la escoria pasa por otra zona de toberas
sumergidas en las que se insunfla carbón pulverizado para la
reducción del plomo contenido en ella.
En la Tabla 2 se presentan datos sobresalientes de algunos
procesos para producción de plomo y se incluyen el clásico y
el Imperial Smelting para su comparación. En todos los casos
la humedad máxima permisible en la carga es < 1 %.
También en la extractiva del zinc se ha aplicado la fusión
directa de minerales sulfurosos empleando la técnica de
fusión instantánea por combustión en suspensión.
Estudios profundos al sistema Zn-O-S indicaron que, bajo
condiciones específicas, la fusión directa de ZnS a Zn es
teóricamente posible y prácticamente accesible.
Se demostró que una operación tipo flash podría efectuarse a
1,327
°C,
quemando carbón pulverizado y concentrados
sulfurosos, para obtener recuperaciones de 95-97 % Zn en la
fase vapor, en un gas de composición similar al del proceso
Imperial Smelting, pero conteniendo alrededor de 8 % S02. El
consumo de carbón de piedra (alrededor de 0.4 ton/ton Zn
producido) es mucho menor que el de coque del proceso
Imperial Smelting.
- 12 -
OTROS HORNOS
HORNOS DE COMBUSTIÓN SUMERGIDA
Entre los hornos más novedosos para la fusión de materiales
sólidos
se
encuentran
los
de combustión sumergida,
consistentes de una cuba vertical en los que combustible y
aire, aire enriquecido u oxíqeno se inyectan por debajo de
un baño líquido para efectuar reacciones de reducción,
fusión o volatilización.
De esta forma se genera calor en un medio muy turbulento
proporcionando transferencias de masa y de calor altamente
eficientes y en consecuencia
pequeños
gradientes
de
temperatura y concentración en el baño líquido.
La inyección de aire y combustible se hace por medio de una
lanza quemador o bien a través de toberas por debajo del
nivel del baño. El interior del horno puede ser refractario
o una capa de escoria solidificada en las paredes si es del
tipo enfriado por chaquetas de agua. En la Fig. 8 se muestra
el de lanza quemador y recubrimiento refractario.
Estos
hornos
originalmente
se
diseñaron
para
la
volatilización de Sn o de Zn contenidos en las escorias
provenientes de los respectivos procesos de reducción.
Posteriormente se utilizó en la reducción de Sn a partir de
minerales y su uso se ha extendido al tratamiento de
escorias de cobre, de níquel, de plomo y los procesos de
matificación y conversión de minerales sulfurosos de cobre y
materiales sulfurosos complejos.
Una gran ventaja de estos hornos es que ofrecen
la
posibilidad de realizar dos o más operaciones en un solo
reactor simple, sin necesidad de remover del horno a uno de
los
productos
entre una etapa y otra. La capacidad
enormemente mayor por el volumen significa que
puede
emplearse un horno muy barato; si se practica regeneración
de calor, el consumo de combustible es menor que en
cualquier otro tipo de planta con los mismos propósitos.
Utilizan combustibles baratos como gas, petróleo, fuel oil.
La agitación intensa origina reacciones muy rápidas y el
equilibrio se logra en poco tiempo y la única desventaja es
el incremento en la producción de polvos.
- 13 -
HORNO TBRC
Esencialmente es tecnología desarrollada para procesos de
aceración
intensiva (proceso Kaldo) que, debido a su
rotación, provee excelente turbulencia y mezcla de las fases
(metal-escoria, mate-escoria) acelerando las reacciones,
Fig. 9.
El horno TBRC (o Top Blown Rotary Converter), inicialmente
fue diseñado para la fusión de concentrados de cobre seguida
de la conversión del mate a cobre blanco y a cobre blíster;
pero también puede utilizarse para la fusión reductora de
óxidos y en general para procesos de conversión y copelación
intensiva.
Prácticamente consiste de un convertidor BOF-LD, solo que
inclinado y con movimiento rotatorio. A través de la lanza
se inyecta oxígeno a alta velocidad para los procesos de
conversión, en los que las reacciones generalmente son
exotérmicas y el baño se mantiene a la temperatura de
operación; o bien puede servir como quemador en los casos de
reducción de óxidos que requieren de una fuente de calor
para tener la temperatura de reacción.
- 14 -
HORNOS ELÉCTRICOS
HORNOS DE RESISTENCIA
En todos los hornos de resistencia la fuente de energía se
conecta directamente a una resistencia eléctrica, insertada
en el recubrimiento del horno, en la que energía eléctrica
es convertida en calor.
El más utilizado es
el de calentamiento indirecto; las
resistencias se colocan en el techo y las paredes del horno
y se conectan todas a la fuente de energía. El calor se
transmite a la carga por radiación y convección. Se utilizan
para calentar o para fundir y no hay una dependencia
inherente con la conductividad de la carga, Fig. 10 (a) de
"HORNOS ELÉCTRICOS".
Otra forma de horno de resistencia es el de calentamiento
directo, en el que la resistencia es la misma carga, la cual
puede ser un sólido, una aglomeración de partículas sólidas
o un material fundido. La fuente de energía se conecta a la
carga por medio de electrodos. El uso de estos hornos está
limitado por la conductividad eléctrica de la carga y el
sistema de electrodos. Fig. 10 (b).
Las temperaturas máximas alcanzables en
resistencia son del orden de los 1,700 °C.
los
hornos
de
HORNOS DE ARCO
En estos hornos la conversión de energía eléctrica a calor
ocurre en el arco eléctrico formado entre los electrodos que
se encuentran conectados a la fuente de energía, Fig. 10
(c).
En el arco existe una temperatura de 3,700 °C
aproximadamente y el calor se transmite a la carga por
radiación. El material que comúnmente se utiliza para los
electrodos es el grafito, por su estabilidad a altas
temperaturas.
En la mayoría de los hornos industriales, los arcos se
forman entre uno o más electrodos y una carga eléctricamente
conductora.
- 15 -
Se usan principalmente para fundir aceros, ferro-aleaciones
y materiales no metálicos. Las temperaturas de operación
oscilan entre 1,000 y 3,000 °C.
HORNOS DE INDUCCIÓN
En los hornos de inducción, la conversión de energía
eléctrica a calor tiene lugar en la carga, pero no se usan
electrodos, como en el caso de los hornos de resistencia por
calentamiento directo.
En este caso la fuente de energía se conecta a una bobina
primaria en el exterior del revestimiento del horno. La
energía eléctrica en la bobina provoca que una
alta
corriente secundaria fluya en la carga. La resistencia en la
carga genera el calor que la misma requiera para su fusión,
Fig. 10 (d).
Estos hornos requieren de
cargas
cuya
conductividad
eléctrica sea relativamente alta. Por lo que son más
convenientes para calentamiento y fusión de metales y para
calentamiento de grafito.
HORNOS DE PLASMA
Se utilizan en la reducción de óxidos metálicos, en la
fabricación
de acero, en el tratamiento de finos de
ferroaleaciones y en procesos de recubrimientos metálicos,
la Fig. 10 ilustra con un diagrama sencillo un horno de
plasma y sus componentes principales.
Lo atractivo
procesos es:
del
plasma
como
una
alternativa
a
otros
1. Su independencia del potencial de oxígeno,
2. Su flexibilidad en
materiales reductores,
el
uso
de
3. Alta densidad de energía con el
más pequeños.
fuente
resultado
de
de
energía
y
reactores
4. Excelente control de contaminación.
Debido a los puntos 3 y 4 disminuyen considerablemente
costos capitales comparados con otras alternativas.
los
- 16 -
Un gas a temperatura ambiente consiste de moléculas, que a
su vez consisten de dos o más átomos combinados. Cuando el
gas se calienta, las moléculas se disocian en átomos a unos
2,025 °C. A temperaturas aún más altas, unos 3,025 °C,
algunos de los electrones son desplazados de los átomos
formando iones y alcanzando el estado de plasma. La energía
eléctrica suministrada corresponde a 5-24 ev, promedio.
Debido al grado considerable de ionización, el plasma
conduce la electricidad con una conductividad cercana a la
de las sales fundidas o de la fase escoria, 10-100 /ohm-cm;
gue es unas 4 veces menor gue la conductividad de un metal
sólido, 1*000,000 /ohm-cm.
En un plasma, la energía gue se suministra (en forma de
electricidad)
para la descomposición de los átomos y
moléculas se recupera en forma de calor al volver éstos a su
estado original, alcanzándose altas temperaturas.
Una característica importante de los plasmas es gue nunca se
llega a condiciones de eguilibrio; el gas plasma y átomos de
carbón existen en estados activados. Así, alterando las
condiciones
termodinámicas
usando
un
200
%
de C
esteguiométrico, óxidos gue termodinámicamente no pueden
reducirse, en un reactor plasma sí pueden ser reducidos a
metal.
GASES
AIRE
'CALIENTE
ESCORIA
METAL
o
o
>o
o
o
o
o
o
>o
PERFIL TÍPICO DE T E M P E R A T U R A
PROCESO
BOF - LD
PROCESO BOF DE
SOPLADO POR EL FONDO
. . ' '. .'.'
'. '
* •
'•*•/; íí'j,'
PROCESO KALDO
.
10
HORNOS INTENSIVOS DE ACERACIÓN POR SOPLADO DE OXIGENO.
¡
. 2.
H. R E V E R B E R O
3
U
**
HORNO ROTATORIO
3.
AIRE
CONCENTRADO DE Cu
COMBUSTIBLE
r
"
£n
U-1
c^
í^,
•
GASES
.——
=í= —•* ESCORIA
MATE
OUTOKUMPU - OY
CONCENTRADO DE Cu
CONCENTRADO
i
02 -
— 02
ESCORIA
MATE
INCO
CONCENT
GASES
MATE
HORNO
KIVCET
5.
CONCENTRADO DE Cu
COBRE
ESCORIA
CONVERSIÓN FUSIOlf
LIMPIEZA DE
ESCORIA
WORCRA
GASES
CARGA QUEMADOR
ESCORIA
COBRE
NORANDA
CONCENTRADO + 02
\
BLISTER
FUSION-MATIFICACION
LIMPIEZA
DE ESCORIA
MITSUBISHI
CONVERSIÓN
i—c
oo
Toberas
oooooooooooo
oo
-x
Rodlos
Convertidor Peirce-Smith (esquemático)
>n
Sjs
^\
£*>
EQUIVALENTES COMBUSTIBLES DE PROCESO PARA
DIFERENTES PROCESOS DE EXTRACCIÓN DE COBRE
PROCESOS ANTIGUOS PROBADOS
Millones de BTU
por ton corta de Cu
FUNDICIÓN FLASH OUTOKUMPU
18.92
FUNDICIÓN FLASH INCO
21.25
PROCESO CONVENCIONAL (CARGA VERDE)
35.16
PROCESO CONVENCIONAL (CALCINA)
30.92
HORNO ELÉCTRICO
42.97
PROCESOS NUEVOS PROBADOS
PROCESO MITSUBISHI
19.76
PROCESO NORANDA
24.00
HORNO REVERBERO (COMBUSTIBLE-OXIGENO)
28.62
PROCESOS NUEVOS NO PROBADOS
AMAX (TOSTACION A MUERTE-H. DE CUBA)
19.58
CLORURACION TERMO-ELECTRON
20.20
PROCESO DE SEGREGACIÓN
21.03
PROCESO TBRC
23.56
. 6.
CONCENTRADOS DE Pb
CORE, ESCORIFICANTES
ELECTRODOS
ESCORIA
A VOLAT. DE Zn
AIRE
CONVERSIÓN
(REFINACIÓN)
S02
PLOMO
BOLIDEN
CONCENTRADOS DE Pb
ESCORIFICANTES
S02
SANGRÍA DE
BULLION Y ESCORIA
S02
HORNO DE SEPARACIÓN
TOSTACION-REACCION
BULLION
OUTOKUMPU - OY
ESCORIA
Fifi. 7.
CONCENT. Pb (Zn, Cu, Au, Ag)
GASES
S02
ESCORIA
BULLION
MATE (Cu,Au,Ag)
KIVCET - CS
CONCENTRADO + FUNDENTES + POLVOS
HHHHHHHHHHFnTHTTH
MJL
QUEMADOR:
fl Ü ÍT ú
flflf
V
ESCORIA
OXIDACIÓN
(OXIGENO)
REDUCCIÓN
CON CARBÓN
S. í
BULLION DE PLOMO
fié,,
Sínter + coque a 500° C
Gas del horno para
combustible
Aire - Impulsor
Aleación Pb-Zri
Zn ( l i q . )
Escoria
Plomo
Principio del Imperial Smclting Process de alto horno para la fusión de
sínter mezclado de zinc y plomo.
2.
DATOS SOBRESALIENTES DE ALGUNOS PROCESOS PARA PRODUCIR PLOMO
PROCESO
CAP, ton
conc./día
CLASICO
200-1000
IMPERIAL
SMELTING BOLIDEN
OUTOKUMPU
KIVCET
Q-S-L
35-100
250
12-24
160
24
1.2
3.1
1-3
21
21, aire
a 400 C
_
_
CAP. ESP.
ton/dia/m3
15-20
% O2 aire
de combust.
21-26
21, aire
a 550 C
TEMPERATURA
DE OP. , C
1200
1200
a 1300
1150
a 1200
GENERACIÓN
POLVOS , %
de la carga
5-10
Zn(g)
a
Zn(l)
_
_
E. ELÉCTRICA
kwh/ton Pb
producido
COMBUSTIBLE,
kwh/ton de
concentrado
% S02 EN
GASES
95
23
1250
1200
a 1350
1100
a 1200
38+4
32+5
28
22
=42
=37
295
1200
despreciable
muy bajo muy bajo
385
650-850
Petróleo
10% de Pb
760
8-22
760
600
10-12
30-60
70
Para
oxíg.
—
13-14
_
RECUP. DE
PLOMO EN
BULLÍ ON, %
98
96
% Pb EN
ESCORIA
1.3
máx.
0.5
% S EN
BULLION
0.3
muy bajo
ESTADO
98
4.0
99
10-20
2 después
de limpieza
3.1
89
1-2
~2
<0.2
Planta
Piloto
Comercial
18
muy bajo
0.2 después de
convert .
Comercial
Comercial
Comercial
Planta
Piloto
- y.
LANZA
COMBUSTIBLE —*•
AIRE
—
(AIRE ENRIQ; 02)
CARGA
GASES
r
CAPA DE ESCORIA
AISLAMIENTO
REFRACTARIO
QUEMADOR
LANZA
HORNO TBRC
. IB.
Gas de
tostador
Alimentación
Aire
comprimido
Reactor de cama fluidizada para la tostación de concentrados de sulfuros.
F* 6.
REFRACTARIO
ELECTRODOS
DE
CARCAZA
GRAFITO
BAÑO
FUNDIDO
HORNO DE PLASMA
HORNOS ELÉCTRICOS
/O.
Off-Gas &
Calcine Carryover
Overflow
Bed Underflow
AIRE
i
CONCENTRADO
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-
HORNO DE TOSTACION FLASH
—> GAS E
salida de
gases
carga
descarga
V-XIELLLL
aire
HORNO HERRESCHOFF