UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FISICAS Y MATEMATICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERIA INDUSTRIAL “MODELO DE GESTION PARA LA OPTIMIZACION DEL PROCESO DE CONVERSION DE LA FUNDICION CHUQUICAMATA” TESIS PARA OPTAR AL GRADO DE MAGISTER EN GESTION Y DIRECCION DE EMPRESAS – VERSION MINERIA JORGE ALBERTO ETCHEVERRY CASTRO PROFESOR GUIA: LUIS ZAVIEZO SCHWARTZMAN MIEMBROS DE LA COMISION: WALTER CAZENAVE GUIER RICARDO WEISHAUPT HIDALGO Este trabajo ha sido auspiciado por Codelco Chile – División Chuquicamata SANTIAGO DE CHILE ABRIL 2013 RESUMEN DE LA MEMORIA PARA OPTAR AL GRADO DE: Magister en Gestión y Dirección de Empresas – Versión Industria Minera POR: Jorge Alberto Etcheverry Castro FECHA: 30 de Abril de 2013 PROFESOR GUIA: Sr. Luis Zaviezo Sch. “MODELO DE GESTION PARA LA OPTIMIZACION DEL PROCESO DE CONVERSION DE LA FUNDICION CHUQUICAMATA” En la industria del cobre, las Fundiciones se presentan como una unidad de negocios de baja rentabilidad y estrechos márgenes de contribución, razón por la cual es importante que sean lo suficientemente eficientes en términos productivos, con bajos costos y amigables con el medioambiente para permitirles permanecer dentro de un mercado cada vez más exigente. La conversión tradicional de matas de cobre en una Fundición es una operación batch, condición que obliga a considerar varias unidades en cada instalación para asegurar la continuidad operacional y nivel de producción. La Fundición de Chuquicamata tiene cuatro de estos hornos, cuyo desempeño operacional se encuentra por debajo del estándar en comparación con las mejores prácticas de la industria del cobre. El objetivo principal del presente estudio es definir un modelo de gestión de operaciones para optimizar el proceso de conversión de matas de cobre en reactores Peirce-Smith y obtener como resultado incrementar el valor del negocio Fundición Chuquicamata para dejarlo en una mejor posición competitiva. El planteamiento del modelo de gestión de operaciones está basado en el desarrollo de cuatro ámbitos: (1) Variables y parámetros que influyen en la eficiencia y productividad del proceso; (2) Planteamiento de prácticas de operación y mantenimiento; (3) Mejoras tecnológicas; y (4) Gestión del recurso humano. El desarrollo de cada uno de estos ámbitos permite identificar las brechas y establecer las oportunidades de mejora que es posible aplicar para lograr la captura de valor de esta propuesta. El principal beneficio que Codelco obtendrá al aplicar el modelo de gestión de operaciones planteado consiste en el aumento de capacidad de procesamiento de eje y metal blanco en convertidores Peirce-Smith, lo cual asegurará que la fusión de la totalidad de la calcina producida por la nueva División Ministro Hales en la Fundición Chuquicamata, bajo el actual esquema de operación con dos líneas de fusión, se transforme en ánodos. En forma adicional, se obtienen otros beneficios tales, como: ahorros por disminución del gasto en procesamiento de chatarra de cobre; ahorro de gastos asociados a enfriamiento, manejo, transporte de eje/metal blanco y descuentos/penalidades; mayor ingreso por aumento en la producción de ánodos (Cu nuevo como cátodo); y finalmente, un aumento en la captura y fijación de contaminantes en alrededor de 1,2 puntos porcentuales. i DEDICATORIA “Dedico este trabajo a mi esposa y compañera Pamela y a mis dos hijos, Natalia y Javier, a los cuales amo mucho y son mi principal motivación y apoyo”. ii AGRADECIMIENTOS Agradezco a Dios, en primer lugar, por ser mi soporte espiritual para sobrellevar los momentos difíciles y transformarlos en buenos momentos; en segundo lugar, agradezco a mi familia por el apoyo y paciencia que han tenido durante estos dos años de duración del estudio; agradezco a todos quienes han aportado en este trabajo de tesis, ya sea con datos, sugerencias y recomendaciones (compañeros de estudio, profesores, y colegas de trabajo) y en especial a Codelco, por permitirme participar de este programa de magister. iii TABLA DE CONTENIDO 1. INTRODUCCION………………………………………………………………… 1 2. DESCRIPCION DE LA ORGANIZACION.................................................... 2 3. DESCRIPCION DEL MERCADO................................................................. 3 4. OBJETIVOS ................................................................................................ 5 5. RESULTADOS ESPERADOS..................................................................... 6 6. METODOLOGIA..……………………………………………………………….. 6 6.1. DESCRIPCION DEL NEGOCIO FUNDICION ..……....…..................... 8 6.2. DESCRIPCION DEL PROCESO DE CONVERSION............................ 9 6.3. ANALISIS DE VARIABLES INTERNAS.......………………...…………... 19 6.4. ANALISIS DE VARIABLES EXTERNAS……………………...………..... 28 6.5. ANALISIS DE VARIABLES RESPECTO DE BENCHMARKING……… 34 6.6. MODELO DE GESTION OPERACIÓNAL...................................……… 41 7. CONCLUSIONES…………………………….…………………………..……… 47 8. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS...…….…………………………..………. 49 9. ANEXOS…………………………………….…………………………..……….. 50 ANEXO A: DIAGRAMAS DE FLUJO ……………………………................... 51 ANEXO B: RESULTADOS GENERALES Y ANTECEDENTES................... 54 iv 1. INTRODUCCION En la industria del cobre, las Fundiciones se presentan como una unidad de negocios de baja rentabilidad y estrechos márgenes de contribución, razón por la cual es importante que éstas sean lo suficientemente eficientes en términos productivos, con bajos costos y ser medioambientalmente sustentables para permitirles permanecer dentro de un mercado cada vez más exigente. En la actualidad, la Fundición de Chuquicamata se está viendo enfrentada a uno de los principales desafíos desde el inicio de sus operaciones en el año 1952: cumplir la nueva normativa ambiental que se encuentra próxima a ser emitida y reducir sus costos de operación para asegurar la competitividad y sustentabilidad de este negocio en el largo plazo. Aún cuando los resultados productivos históricos de esta unidad de negocio pueden parecer razonablemente aceptables, Fundición Chuquicamata está lejos de constituirse en un referente de mercado dentro del benchmarking de Fundiciones a nivel mundial. Los principales parámetros clave de gestión (KPI) de Fundición Chuquicamata actual se presentan en la Tabla 1. Parámetro Fusión Total Concentrado de Mina Calcina Concentrado de Escoria Fusión de chatarra de cobre Convertidores Hornos 4-5 Producción Cu Total Moldeado Anodos Cu Nuevo Eje/Metal Blanco Acido Sulfúrico Razón Acido/Concentrado Recuperación metalúrgica Fijación de azufre Emisión de azufre Dotación Total Productividad Unidad kton/año kton/año kton/año kton/año Situacion Actual 1.500 1.453 0,0 48 kton/año kton/año 35 87 ktf/año ktf/año ktf/año kton/año ton/ton % % ton/año kg SO2/ton Cu Nuevo h-año ton Cu Nuevo/h-año tms Conc./h-año 553 431 30 1.278 0,85 97,7 88,5 53.468 231 918 502 1.634 Tabla 1: Principales parámetros claves de gestión de Fundición Chuquicamata Dentro de la cadena de proceso de Fundición, el área de conversión Peirce-Smith se presenta como el principal “cuello de botella”, con un pobre desempeño operacional, ambiental y de costos. La comparación entre la gestión operacional de esta área con el resto del mercado de fundiciones tanto a nivel nacional como internacional, permite constatar que existe una brecha importante entre los principales KPI producto del modelo de gestión que aplica cada planta y de las diferencias que existen en las prácticas operacionales en particular. 1 Basado en los antecedentes anteriores, se confirma que existe un alto potencial de mejoramiento haciendo una redefinición del modelo de gestión de operaciones para el área de conversión que traerá como consecuencia aumentar la producción de ánodos y por ende, la de cátodos propios, incrementar la producción de ácido sulfúrico, optimizar los costos de producción y disminuir las emisiones de azufre. 2. DESCRIPCION DE LA ORGANIZACION El proyecto se encuentra inmerso dentro de la organización que existe en la Gerencia Fundición-Refinería de la División Chuquicamata de Codelco, específicamente en la Superintendencia Fundición, la cual se muestra en la Figura 1. Gerencia Fundición-Refinería Superintendencia Fundición Superintendencia Refinería Superintendencia Ingeniería de Procesos Superintendencia Mantenimiento Fundición Superintendencia Mantenimiento Refinería Figura 1: Organigrama Gerencia Fundición-Refinería, División Chuquicamata (Fuente: Codelco – División Chuquicamata) Ahora bien, la Superintendencia Fundición se encuentra subdividida en áreas de trabajo de acuerdo a la línea de proceso existente en Chuquicamata (Figura 2). Superintendencia Fundición Preparación de Carga y Secado Horno Flash y Anexos Conv. Teniente / Horno Electrico Convertidores y Grúas Puente Refinación y Moldeo Plantas de Acido Sulfúrico Plantas de Oxígeno Figura 2: Organigrama Superintendencia Fundición (Fuente: Codelco – División Chuquicamata) 2 El área marcada en rojo en la Figura 2, corresponde al área de Convertidores PeirceSmith y Grúas Puente, la cual será el foco de estudio y desarrollo del modelo de gestión de operaciones. 3. DESCRIPCION DEL MERCADO El mercado de las Fundiciones se encuentra inmerso dentro de la cadena de valor de la comercialización del cobre ocupando un eslabón importante, ya que el 80% del cobre de mina que se produce en el mundo ocupa la línea de Fundición para producirla (Figura 3). 3,3 M TM/AÑO SX-EW 19,0 M TM/AÑO TOTAL 16,1 M TM/AÑO MINA 2,5 M T M/AÑO ALAMBRON 12,8 M TM/AÑO F&R 7,4 M TM/AÑO F&R INTEGRADO + LAND-TIED 5,4 M TM/AÑO F&R NO INTEGRADO. (excl. L-T) 2,9 M T M/AÑO CHATARRA MINA FUNDICION REFINERIA SEMIS FINAL Figura 3: Cadena de Valor Producción de Cobre. Fuente: Presentación Marcelo Awad, asignatura Comercialización, MBA Gestión y Dirección de Empresas – Versión Minería, Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, Universidad de Chile. El mercado de las Fundiciones y Refinerías se encuentra acotado por el siguiente modelo general que define su beneficio económico o utilidad: Donde, = Ingresos: o Cargo por Tratamiento (TC) - Cargo por Refinación (RC) o Factor de localización (aplica en el caso de fundiciones integradas a mina) o Penalidades por impurezas (Arsénico, Antimonio, Bismuto, etc) o Venta de ácido sulfúrico o Margen por Cu, Au y Ag (diferencial recuperación metalúrgica – deducción metalúrgica). o Maquila de ánodos externos o Premios al cátodo 3 Costos: o Remuneraciones o Materiales o Combustibles o Servicios de Terceros o Energía Eléctrica o Otros suministros (aire comprimido, agua industrial-tratada-potable, oxígeno técnico, etc.) o Mantención y Reparación o Fletes o Depreciación o Overhead o Otros El análisis de las condiciones de mercado muestra que éste principalmente es influido por los cargos por tratamiento y cargos por refinación, precio del ácido sulfúrico, ubicación geográfica (factor de localización), premios a la calidad del cátodo y márgenes de cobre, oro y plata. Del listado de parámetros que influyen en el ingreso anteriores no considera las penalidades por impurezas, ya que la mayoría de las operaciones de Fundición y Refinería (F&R) por regulaciones ambientales están orientadas a procesar concentrados limpios, o bien, su zona geográfica pone trabas al ingreso de concentrados sucios. En la Figura 4, se presenta una estructura típica de las Utilidades de una FundiciónRefinería, para ejemplificar lo estrecho que es este negocio. 40,0 35,0 30,0 Maquila ánodos externos Margen de Cobre 25,0 10,0 5,0 Margen de Au-Ag 10,65 20,0 15,0 Premio al cátodo 1,46 2,06 2,30 Impurezas Acido Sulfúrico 1,30 4,90 Factor de Localización Margen de Utilidad: 3,55 c/lb TC/RC 10,67 0,0 -5,0 -10,0 Fusión: 1.000 kts Cátodos: 350 ktf Acido: 970 ktm Recup.: 97,8% Costo Operación Fundición -22,00 -15,0 -20,0 -25,0 -8,00 Costo Operación Refinería -30,0 -35,0 Figura 4: Estructura de Utilidades típico de una Fundición-Refinería 4 El análisis de benchmarking de Fundiciones nos muestra una débil posición competitiva de Fundición Chuquicamata (Figura 5), la cual está fuertemente influenciada por los elevados costos de operación, entre los cuales los principales son: remuneraciones, energía eléctrica, depreciación, materiales y servicios de terceros. 4.700 Toyo 4.300 Productividad, TMS/HA 3.900 3.500 Mount Isa 3.100 Norddeutsche Onsan 2.700 Saganoseki Naoshima Tamano Huelva Garfield 2.300 Onahama Fundición Chuquicamata Harjavalta 1.900 Dahej Jinlong Gresik 1.500 Pirdop Guixi Caletones Chagres Miami Ilo Hayden Ronnskar Horne Glogow II 1.100 Yunnan (Kunming) Daye 700 Glogow I Pasar Potrerillos Mufulira Jinchuan Altonorte Tongling (Jinchang) Ventanas La Caridad Dias D Avila 300 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 Total Costo y Gasto Neto, US$/TMS Pais Japon N. America Latinoamerica Europa China - Corea - Indonesia - Filipinas Otro Figura 5: Benchmarking Fundiciones (Fuente: Brook Hunt® 2010) 4. OBJETIVOS 4.1. OBJETIVO PRINCIPAL El objetivo principal del presente estudio es incrementar el valor del negocio Fundición Chuquicamata, mediante la definición y aplicación de un modelo de gestión de operaciones que optimice el proceso pirometalúrgico de conversión en reactores Peirce-Smith. 4.2. OBJETIVOS SECUNDARIOS Los objetivos secundarios del estudio son los siguientes: o Estandarizar la operación de convertidores, introduciendo aquellas prácticas operacionales y mejoras tecnológicas que permitan sustentar la operación mediante la automatización del proceso. 5 o Establecer un plan base para mejorar las competencias técnicas del personal de operaciones y mantenimiento, lo cual permitirá incrementar el conocimiento del capital humano necesario para enfrentar los desafíos futuros. o Aumentar la capacidad de conversión para permitir la fusión de materiales de complejo procesamiento como es la calcina que producirá la nueva División Ministro Hales. 5. RESULTADOS ESPERADOS Los resultados esperados de este estudio son: definir un modelo de gestión de operaciones basado en el cierre de brechas de proceso y de gestión operacional con los referentes nacionales y extranjeros en sus principales variables de control, de modo tal que permita aumentar la capacidad de procesamiento de los convertidores Peirce-Smith y como consecuencia de ello, llevar la producción de la Fundición Chuquicamata a una cartera única de 100% ánodos, aumentar la producción de ácido sulfúrico, aumentar el nivel de fijación de azufre en 1,2 puntos porcentuales, disminuir el gasto de operación y fundir la totalidad de la calcina que producirá la nueva División Ministro Hales. 6. METODOLOGIA La metodología que se aplicará estará basada en la utilización de resultados empíricos que serán la base del desarrollo de una modelación de procesos, en la cual intervienen los principales parámetros clave (entrada y salida), tal como se presenta en la Figura 6. Se realizará un análisis de benchmarking para determinar las brechas existentes en las principales variables de proceso con los mejores referentes de la industria de fundiciones del cobre. Este análisis se basará en los informes de Brook Hunt® 2010 e información recopilada de visitas a fundiciones nacionales y extranjeras. Se determinarán aquellas mejoras tecnológicas y prácticas de operación y mantenimiento requeridas para sustentar a largo plazo la continuidad operacional y los resultados esperados en el contexto del alcance del estudio. 6 CONCENTRADO ESCORIA COSTRA ESCORIA (7%) AIREENRIQUECIDO ESCORIA FLASH A FLOTACIÓN 93% FLOTACIÓN DE ESCORIA RELAVES GAS CONCENTRADO CHUQUI + RT ESCORIA SOP ESC FLOTACION 90% COSTRA EJE 5% SECADOR HORNO FLASH EJE A CPS APROX 75% COSTRA ESCORIA SOP ESC 10% GAS POLVO (90% Polvo caldera) AIREENRIQUECIDO CARGA FRÍA FUNDENTE ESCORIA OXIDADA DE H. DE ANODOS FUNDENTE CPS SOPLADO A ESCORIA SCRAP A CPS CIRCULANTEFUNDENTE SCRAP A HORNO FUSIÓN HORNO DE FUSIÓN SCRAP ESCORIA SOP Cu A CPS 90% EJE A VENTA BORRA SCRAP TOTAL REFINERÍA: * Rechazo Ánodos MPA (5% Capacidad Refinería) * Rechazo Catódico (0,85% Capacidad Refinería) * Resto ánodos (16.9% Capacidad Refinería) COSTRA ESCORIA CPS 10% SCRAP FUNDIDO GAS GAS MB A VENTA COSTRA BLISTER 5% GAS COSTRA MB 5% SECADOR AIRE ENRIQUECIDO CONVERTIDOR TENIENTE ANODOS A REFINERÍA 98% MB A CPS APROX. 75% COSTRA ESCORIA CT 5% GAS ESCORIA CT A HELE BLISTER A HA 95% AIRE HORNO DE ÁNODOS COSTRA ESCORIA 10% AIREENRIQUECIDO MB A CT 95% ESCORIA CT A FLOTACION CPS SOPLADO A COBRE Costra MB A CPS SOP ESC 5% HELE ESCORIA OXIDADA A CPS SOP ESCORIA 90% TOTALRECHAZO ÁNODOS 2% COSTRA ESCORIA HELE 3% ESCORIA A DESCARTE 97% Figura 6: Diagrama de bloques Fundición Chuquicamata 7 6.1. DESCRIPCION DEL PROCESO FUNDICION La Fundición Chuquicamata se encuentra emplazada dentro de las instalaciones del complejo minero-metalúrgico del mismo nombre en la provincia El Loa de la Región de Antofagasta. Esta instalación está distante 223 km de la ciudad de Antofagasta y 1.225 kms de Santiago a una altura de 2.770 m.s.n.m. El concentrado de cobre con un contenido de 30 a 32% de Cobre y una humedad en torno a 8% que se produce del beneficio de mineral de Chuquicamata y Radomiro Tomic es recepcionado en dos camas de almacenamiento, en una batería de ocho tolvas de 750 ton cada una de capacidad y en dos tolvas de 1.000 ton de capacidad. Adicionalmente, existe una cama para almacenamiento y distribución de materiales secundarios e insumos. Desde este sector se envía el concentrado húmedo hacia los dos secadores rotatorios (130 t/h y 160 t/h de capacidad) para eliminar la humedad y obtener concentrado seco al 0,2% de humedad que se distribuye entre los dos equipos de fusión: horno flash de tecnología Outokumpu (hoy Outotec) y convertidor tipo El Teniente de tecnología Codelco. El proceso de fusión flash posee una capacidad instalada de 3.000 tpd de concentrado. Esta tecnología genera un producto llamado eje o mata con contenido de cobre promedio de 62%Cu, el cual es enviado a la primera etapa del ciclo de conversión en reactores Peirce-Smith (soplado del fierro o a escoria). Por su parte, el convertidor Teniente que posee una capacidad 2.500 tpd de concentrado, genera un producto denominado metal blanco cuyo contenido de cobre es en promedio de 74%Cu. Este material junto al producto de la primera etapa de la conversión PeirceSmith, se procesan en la segunda etapa del ciclo de conversión (soplado a cobre) para producir cobre blister de 98,5%Cu, 300 ppm S y 6.000 ppm de oxígeno en promedio. Alrededor de un 20% de la escoria generada en la fusión en horno flash y convertidores Peirce-Smith (primera etapa del ciclo), junto al 80% de la escoria que produce el convertidor Teniente es procesada en un horno eléctrico de tecnología SMS-DEMAG para recuperar el cobre contenido y producir una mata o eje de 6870%Cu y una escoria de descarte que se somete a un proceso de granulación para disponerla finalmente en un vertedero cercano a la planta. El remanente de escoria producida con un contenido de 4,5 a 7,0%Cu es enviada enfriamiento para posteriormente procesarla en la planta de molienda-flotación de la División para producir concentrado de 30 a 34%Cu que se retorna a los equipos de fusión. En los convertidores Peirce-Smith, además de procesar el eje y metal blanco producido en el horno flash y convertidor teniente, respectivamente, se procesa en promedio 120 tpd de chatarra de cobre y alrededor de 400 tpd de carga fría con un contenido de cobre cercano a 50-60%Cu. El cobre blister producido en los convertidores Peirce-Smith junto al cobre que se obtiene de fundir 310 tpd de scrap de la Refinería Electrolítica en dos hornos dedicados a esta función (uno operando y el otro standby), se transporta en ollas de 11 m3 y 9 m3 de capacidad, respectivamente, hacia los seis (6) hornos del área de refinación. En estos hornos, se elimina las impurezas mediante la inyección de 8 fundente alcalino y se ajusta el contenido de oxígeno disuelto para producir cobre anódico de 99,5%Cu que se moldea en las tres ruedas de moldeo M-24 de tecnología Outokumpu (hoy Outotec). Posteriormente, los ánodos moldeados de 400 a 410 kg de peso cada uno se cargan en carros de tren y se envían a la Refinería electrolítica distante 6 km para producir cátodos alta pureza. Los gases metalúrgicos que se generan en las dos unidades de fusión y en cuatro de los cinco convertidores Peirce-Smith instalados, son enviados a una cámara de mezcla de gases que lo distribuye hacia las cinco plantas de limpieza de gases y desde allí hacia las tres plantas de contacto simple para producir ácido sulfúrico a un 96% de pureza. Esta planta genera además, un efluente líquido (solución de ácido débil con sólidos en suspensión) que se envía a neutralización con lechada de cal. 6.2. DESCRIPCION DEL PROCESO DE CONVERSION 6.2.1. Descripción General del Proceso. El convertidor Peirce-Smith es el equipo o dispositivo más ampliamente utilizado en la producción de cobre. Se trata de un reactor semi-continuo en el que la transformación de eje, mata y metal blanco a cobre blister se realiza mediante la inyección de aire y oxígeno en el baño fundido para generar un burbujeo que provocan las reacciones de oxidación del proceso. Por ser éste un proceso batch, la operación se realiza en dos etapas: en la primera de ellas se realiza de desulfuración del sulfuro ferroso (FeS) con escorificación del hierro y en la segunda, se realiza la desulfuración del sulfuro cuproso (Cu2S) hasta producir cobre blíster de 98,5 a 99,2% de pureza. El nombre de este reactor se debe a sus creadores, los Srs. William Peirce y E.A. Cappelen Smith, Gerente y Metalurgista Jefe, respectivamente, de la Baltimore Copper Smelting & Rolling Company de Perth Amboy, New Jersey, quienes a principios del siglo 20 desarrollaron un proceso para purificar eje o mata de cobre y producir cobre de alta pureza llamado cobre blíster. En la Figura 7, se presentan las primeras representaciones de este reactor realizados por Peirce y Smith entre los años 1987 y 1906, conformado por tres soportes giratorios y una adición de alimentación en la parte trasera. Este es girado por un cable enrollado alrededor de la unidad cerca de la mitad del reactor con un accionamiento eléctrico. La unidad es de 10 pies de diámetro y 26 pies de largo, que rápidamente se elevó a 36 pies y 40 pies de largo. 9 Figura 7. Reactor de Peirce y Smith desarrollado en 19061 (Fuente: International Peirce-Smith Converting Centennial - 2010) Las principales características que presenta este proceso son las siguientes: Proceso batch basado en ciclos de operación, lo cual implica que es necesario mantener varias unidades operativas para alcanzar el nivel de producción deseado. Chuquicamata tiene actualmente 4 unidades instaladas, cada una conectada a las plantas de limpieza de gases más una quinta unidad que se utiliza tanto como horno de retención como para apoyar la conversión, con un tiempo estimado entre 600 a 1.000 horas al año. Este último horno no tiene conexión a las plantas de limpieza de gases y por tanto, envía la totalidad de sus gases a la atmósfera. Es un reactor abierto y móvil, situación que contribuye al alto nivel de emisiones de gases contaminantes. En la actualidad, un 48% del total de emisiones de azufre de Fundición Chuquicamata se generan en esta área. Aunque el nivel de emisiones también depende de las prácticas operaciones y de las instalaciones de captura de gases que posea cada instalación. Alta sensibilidad a la calidad de la alimentación (ley de cobre en eje/metal blanco). En el caso de Chuquicamata, la alimentación posee dos fuentes: horno de fusión flash con una ley de 62%Cu en promedio y convertidor teniente con una ley de 74%Cu en promedio. Esta condición implica que pueden existir tres tipos de ciclo: un ciclo mixto (eje/metal blanco), un ciclo único de eje y un ciclo único de metal blanco. En los dos primeros el proceso se desarrolla en dos 10 etapas: soplado a escoria y soplado a cobre; y en el último de ellos, se desarrolla en una sola etapa: soplado a cobre. Su capacidad productiva depende del tamaño del reactor (volumen efectivo), del flujo de aire que es posible inyectar por toberas, del nivel de enriquecimiento en oxígeno, de la ley de cobre de la alimentación y de la continuidad del proceso (manteniendo al reactor operando). Las variables anteriores, influyen en la cinética de las reacciones que gobiernan el proceso y por ende, en el tiempo de operación comúnmente llamado “tiempo efectivo de soplado” (min) y en la “velocidad de conversión”, tanto para la etapa de soplado a escoria (min/ton FeS), como para la etapa de soplado a cobre (min/ton Cu 2S). Estos son los principales parámetros que se utilizan para controlar la operación de este proceso. En la Figura 8, se muestra un diagrama con las principales corrientes de entrada/salida al proceso de conversión Peirce-Smith, considerando el caso de la Fundición Chuquicamata. En esta se puede observar que aparte de las entradas principales como son el eje y metal blanco y el aire de soplado y oxígeno técnico, existen además otras entradas que intervienen en el proceso, como son la carga fría, chatarra de cobre, escorias recirculadas y los fundentes. Con cada uno de ellos, tanto el balance de masa como de energía se encuentra cerrado. La variación de éstos, dependerán de las cantidades de cada una de las entradas al proceso. • Carga Fría • Chatarra de cobre • Carga Fría • Metal Blanco CT2 • Cobre Blister • Metal Blanco H. Eléctrico • Escoria CPS s/eje • Eje Horno Flash • Escoria CPS s/Cu • Escoria CPS s/Cu • Gases Metalúrgicos • Escoria RyM • Polvo Metalúrgico • Fundente Sílice (SiO2) • Gases Fugitivos • Fundente Carbonato de Calcio (CaCO3) • Material Particulado • Aire comprimido de 20 psi • Oxígeno Técnico Figura 8: Diagrama de entrada/salida proceso conversión Peirce-Smith (Fuente: Gerencia Fundición-Refinería DCh) 11 6.2.2. Conceptos teóricos de la conversión de eje y metal blanco para producir cobre blíster. Las principales reacciones que ocurren en el proceso de conversión de eje o mata y metal blanco, corresponden a reacciones de oxidación, en donde el oxígeno presente en el flujo de aire que ingresa al reactor por las toberas (denominado “aire de soplado”) oxida las moléculas de sulfuro de fierro (FeS) y al sulfuro de cobre (Cu2S), dando como producto óxidos de fierro y cobre, respectivamente. Las reacciones que gobiernan cada etapa del proceso son las siguientes: + ( ) ( ) + + 2 + ( ) ( ) Existen otras reacciones denominadas reacciones secundarias que corresponden al fenómeno de formación de escoria, en el cual una parte de la wustita u óxido de fierro (FeO) se oxida para formar magnetita (Fe3O4), otra parte se acompleja con el fundente silíceo para formar fayalita y por último, ya avanzada la etapa de soplado, se produce la oxidación del cobre. Esta última reacción es un evento no deseado. 3 2 + + 2 + ( ) ( ) 2 ó ó ó . La composición de cada escoria estará determinada por el grado de oxidación que se haya producido al interior del reactor. En la etapa de soplado de eje, la escoria está compuesta principalmente por magnetita (Fe3O4), fayalita y algo de óxido de cobre (por sobre-oxidación). También se detecta la presencia de sulfuros de cobre (Cu2S), fierro (FeS) y otros metales sulfurados, los que se traspasan hacia la escoria producto de arrastre mecánico que se produce por la agitación del baño fundido y durante el trasvasije desde el reactor hacia ollas. En las primeras ollas de vaciado de escoria, se produce la mayor parte del arrastre de sulfuros hacia la escoria. 6.2.3. Descripción de los equipos que componen el proceso. En general, un Convertidor Peirce-Smith (Figura 9) está compuesto de los siguientes sistemas y equipos: Reactor cilíndrico con boca para carguío/salida de gases Máquina de punzado de toberas. Sistema de alimentación de fundente. Sistema motriz. Sistema de suministro de aire comprimido y oxígeno técnico. Campana primaria. Campana secundaria. Dispositivo de Espectroscopía Optica de Llama (OPC® by SEMTECH). 12 Tolvas de Fundente Campana Primaria / Campana Secundaria OPC Reactor Aire (20 psi) Sistema Motriz Línea de toberas Oxígeno (50 psi) Máquina de punzado Figura 9: Convertidor Peirce-Smith (Fuente: Gerencia Fundición-Refinería DCh) Reactor: Es el equipo principal del proceso de conversión. Consiste básicamente en un cilindro horizontal provisto de un sistema motriz que le permite moverse (“bascular”) sobre su eje de rotación desde la posición de operación (“posición de soplado”) hacia la posición de alimentación (“posición de carguío”). Además, está provisto de toberas por donde se inyecta el aire y oxígeno que oxidan el azufre y fierro del eje y metal blanco (conocido como “soplado”). Las características geométricas de los 4 convertidores que se encuentran en la Fundición se muestran en la Tabla 2: Parámetro Unidad Valor Reactor Longitud exterior m 13,2 Diámetro exterior m 4,5 2 11,3 Area de la boca (carguío/salida de gases) m Línea de toberas Número total de paños de toberas Un 5 Cantidad de toberas por paño toberas/paño 11 Número de toberas Un 55 Diámetro nominal de las toberas pulgadas 2 1/8 Mampostería refractaria Espesor en zona de toberas pulgadas 21 Espesor en el resto del manto pulgadas 15 Espesor en la culata pulgadas 24 Tabla 2: Características geométricas Convertidores Peirce-Smith Fundición Chuquicamata (Fuente: Gerencia Fundición-Refinería DCh) 13 En la Figuras 9 y 10 se muestra un isométrico típico de los Convertidores PeirceSmith de la Fundición Chuquicamata (2012). Figura 9: Convertidor Peirce-Smith - Vista desde línea de toberas (Fuente: Gerencia Proyectos DCh) Figura 10: Convertidor Peirce-Smith - Vista desde boca de carguío. (Fuente: Gerencia Proyectos DCh) Maquina de punzado de toberas: Esta máquina tiene como objetivo mantener destapadas las toberas del reactor, a fin de permitir el ingreso del aire de soplado requerido para el proceso de conversión. En la actualidad, existe una máquina de punzado para cada CPS. Esta se desplaza sobre un riel que está ubicado paralelamente a la línea de toberas del reactor y obtiene su fuerza motriz de presión neumática de la red de aire comprimido de 90 psi que existe en la Fundición. Las máquinas actuales son operadas manualmente, requiriendo de un operador, quién desde una cabina maneja los controles que 14 regulan el traslado de ésta sobre los rieles, así como la acción de punzado de las toberas. Esta máquina cuenta con la posibilidad de utilizar 4 barretas en operación simultáneamente, pero normalmente se ocupan 2, dado el problema de alineamiento que existe en cada reactor. Para que el operador pueda punzar las toberas con las barretas de picado, se debe lograr un ajuste de posición mediante el uso de un dispositivo llamado “veleta”, que habilita la orden de punzado cuando el equipo se ha posicionado frente a frente de las toberas (enclavamiento), de lo contrario, el operador no puede activar el punzado. La operación de avance y picado de las barretas se consigue por la fuerza motriz de un cilindro de 6” x 73” de largo. Entrada/Salida de la barra de punzado a baja velocidad Línea de toberas Horno o reactor de conversión Rieles Servo motor Figura 11: Máquina de punzado (Fuente: Heath & Sherwood®) Sistema de alimentación de fundente: El sistema de alimentación de fundente (sílice, SiO2), consiste en dos tolvas de 80 ton de capacidad cada una que alimentan por gravedad una correa transportadora de velocidad constante que introduce el material requerido a un buzón que lo conduce al interior del reactor. Este buzón se encuentra incorporado a un carro móvil, que en el momento de adicionar sílice, se desplaza hacia el reactor, posicionando la punta del buzón al interior del convertidor. Sistema de suministro de aire comprimido y oxígeno técnico: El sistema de aire de soplado para Convertidores Peirce-Smith, consiste en una red de cañerías que comienza en la planta termoeléctrica y termina en las toberas de soplado de cada convertidor. Desde la Planta de aire comprimido, específicamente del sistema principal de distribución (“manifold”), nace un arranque que alimenta aire comprimido a una presión de 20 psi y a una temperatura de 100 °C a todos los Convertidores de la Fundición. Esta cañería, al llegar a las proximidades de los Convertidores, se orienta en forma paralela a la longitud del cilindro y se conecta a cada uno de ellos, a través de un punto que tiene incorporada una válvula general de corte, una válvula de 15 control y una válvula de corte, nombradas en orden desde la más lejana a la más próxima del Convertidor. Esta línea de aire llega al múltiple (armónica) que se encuentra en el manto del reactor, a través de la cual se distribuye el aire en forma homogénea para cada tobera. El oxígeno técnico a una presión de 50 psi es suministrado por las tres plantas de oxígeno que posee la Fundición a través de una cañería principal que se distribuye a cada convertidor. Este se une a la línea de aire de 20 psi después de la válvula de control que posee cada convertidor. Esta cañería para el oxígeno también tiene incorporada una válvula general de corte y una válvula de control. La Figura 12 muestra un diagrama esquemático del suministro de aire comprimido y oxígeno técnico. Desde Sala de Compresores Desde Planta Oxígeno Válvula de Corte Válvula de Control de Aire 20 psi Válvula de Control de Oxígeno Válvula General de Corte de Aire Válvula General de Corte de Oxígeno Figura 12: Suministro de aire comprimido (20 psi) y oxígeno técnico (50 psi). (Fuente: Gerencia Fundición-Refinería DCh) Sistema Motriz: El movimiento basculante del reactor se logra mediante el uso de un sistema de polines que descansan a su vez en una estructura de acero y concreto armado. Los polines permiten girar el horno en torno a su eje longitudinal por dos pistas de rodado ubicadas una a cada extremo del cilindro y que se extienden por todo el perímetro del cilindro. El horno descansa en un total de 8 polines, 4 por cada pista de rodado. El sistema motriz de los Convertidores, o sistema mecánico que permite el giro reversible, consta de un número de componentes claramente identificables. Estos componentes son: Freno Motor Limitorque Cardán Reductor de velocidad Sistema de acoplamiento al Convertidor. 16 El sistema de acoplamiento corresponde a la forma mecánica en que el torque o par mecánico generado por el motor, se aplica finalmente al giro del cilindro. En los Convertidores, el sistema de acople es el Bogiflex tipo BFT 16. En la figura 13 se muestran los distintos componentes del Sistema Motriz. Freno Motor Sistema de acoplamiento (BOGIFLEX BFT 16) Cardan Limitorque Reductor Figura 13. Sistema Motriz de un Convertidor Peirce-Smith (Fuente: Manual de Operación CPS - Gerencia Fundición-Refinería DCh) Espectroscopia Óptica de Llama (OPC®): Para el control del avance o evolución del proceso de conversión, cada reactor cuenta con un dispositivo que permite realizar un análisis espectrométrico de la luz que emiten algunos componentes del gas metalúrgico que se generan durante cada etapa del proceso (PbS, PbO, CuOH). A medida que cambian las propiedades físicas del baño y de la escoria, se modifica la composición de los gases de salida, cambio que se ve reflejado en la intensidad de emisión de cada componente, propiedad que es representada en una gráfica de tendencias que permite al operador evaluar el inicio, evolución y el término del ciclo de conversión, entre otras situaciones operacionales. La información que despliega el sistema OPC® en los monitores dispuestos en terreno permite identificar las siguientes condiciones operacionales: Término del Soplado a Escoria Falta de Fundente (Sílice). Exceso de oxidación durante el Soplado a Escoria (sobre-soplado) Proceso con Primer Escoriado listo para realizarse. Escoriado Perfecto. Soplado a cobre perfecto. 6.2.4. Operación de un Convertidor Peirce-Smith. La conversión en reactores de Peirce-Smith es un proceso batch que implica un estado inicial y uno final con etapas intermedias. Este comienza con el carguío de eje o mata (4 ollas conteniendo 37 ton del material cada una) y escoria de la etapa de soplado a cobre (1 olla conteniendo 35 ton), luego del cual se mueve el reactor 17 hasta la “posición de soplado”, en la cual la boca de gases se ubica hacia la campana primaria y simultáneamente la línea de toberas queda en posición para iniciar la inyección de aire y oxígeno. Conforme avanza el proceso, se adiciona fundente (sílice) a través de la compuerta lateral de la campana para formar la escoria fayalítica y se recarga con una 5ª olla de eje (se mueve el reactor hacia la posición de carguío y posteriormente, se vuelve a la posición de soplado). Durante este tiempo, se realizan vaciados parciales de escoria hacia ollas. Mientras tanto, el operador observa el despliegue gráfico del sistema OPC® que le indica el estado de avance del proceso. Una vez que se detecta el final de la etapa de soplado a escoria, el operador mueve el reactor a la posición de descarga para transferir la escoria remanente. Posterior al vaciado de escoria de la primera etapa de soplado, se recarga con metal blanco y se inicia nuevamente la operación de soplado a cobre. Durante la primera media hora, se adiciona otro fundente (carbonato de calcio) para favorecer la escorificación de impurezas y mejorar la viscosidad de la escoria. Se realizan recargas parciales de carga fría, metal blanco y chatarra de cobre para completar la carga. Durante la etapa de soplado a cobre se realizan vaciados parciales de escoria hacia ollas. El proceso continúa hasta el final del soplado, cuando el sistema OPC® indica al operador que el ciclo ha terminado, realizando el vaciado del convertidor y se transfiere el cobre blíster a los hornos de refinación anódica. En la Figura 14, se presenta un esquema que pretende reflejar en forma gráfica las distintas etapas del proceso. Carguío Inicial Soplado a escoria Escoria s/Escoria a Flotación Eje (4 ollas ó 150 ton) Escoria de soplado a cobre (35 ton) Aire/Oxígeno (700 Nm3/h @ 21,5-22,0%O2) Eje ( 1 olla o 37 ton) Fundente sílice (13 a 15 ton) Evacuación de Escoria Soplado a cobre Escoria s/Cu al inicio del próximo ciclo Evacuación de Escoria Cobre blíster a hornos de refinación (250 ton) Evacuación de Cobre Blister Carbonato de calcio (10 ton) Carga Fría (70 a 100 ton) Metal Blanco (4 ollas o 160 ton) Chatarra de cobre (20 ton) Preparación para el ciclo siguiente Figura 14: Diagrama de bloques ciclo típico de conversión (Fuente: Manual de Capacitación por Competencias “Controlar y Operar Conversión en CPS” – Gerencia Fundición-Refinería DCh) 18 6.3. ANALISIS VARIABLES INTERNAS Las variables de control interno corresponden a aquellas que pueden ser gestionadas por los operadores del proceso de conversión Peirce-Smith. Las principales variables de control interno del proceso son las siguientes: Tiempo efectivo de soplado (%). El tiempo efectivo de soplado es una de las variables que se presta mayor atención, junto a la ley de cobre blíster y la temperatura. Este es sinónimo de eficiencia del uso de las instalaciones, ya que a un menor tiempo de soplado, mayor es la productividad de estos reactores, por cuanto, mayor es la cantidad de ciclos que es posible realizar en un día de operación. Las variables que más influyen en el tiempo efectivo de soplado son: flujo de aire, enriquecimiento, ley de cobre en eje o mata y ley de cobre en metal blanco. Este parámetro se define como el tiempo total diario inyectando aire de soplado todos los reactores (sin interrupciones) respecto del tiempo total disponible de los reactores que pueden operar simultáneamente. Para el caso de la Fundición Chuquicamata, el tiempo efectivo de soplado corresponde a 55%, considerando 39,6 horas efectivas de operación respecto de un máximo de 96 dado que operan simultáneamente 3 convertidores. Tasa de inyección de aire, comúnmente denominado “flujo de aire de soplado” ó simplemente “aire de soplado”( Nm3/min). El proceso de conversión requiere de oxígeno para la oxidación del fierro y azufre del eje o mata y metal blanco. Este se obtiene del aire comprimido y de oxígeno técnico que se inyectan al baño fundido a través de toberas dispuestas a lo largo del reactor. Conforme avanza el proceso, las toberas tienden a obstruirse por la solidificación del material fundido del reactor, por lo que el flujo de aire de soplado disminuye. Para corregir esto y mantener las toberas libre de acreciones, se utiliza la máquina de punzado, acción mediante la cual ingresa una mayor cantidad de aire al proceso. En la actualidad las máquinas de punzado son operadas manualmente, dependiendo de la persona la efectividad con que se logra el flujo de soplado deseado. La cinética del proceso y por ende, la velocidad de avance está directamente relacionada con el flujo de aire que ingresa al reactor, por lo tanto, el flujo de aire es una de las variables más importantes del proceso. En la actualidad, el flujo de aire promedio del ciclo de conversión de la Fundición Chuquicamata se encuentra en torno a 712 Nm3/h (Figura 15). 19 Flujo de Aire Soplado (Nm3/h) 750 755 Nm3/h 730 710 Nm3/h 710 690 670 may-12 sep-11 ene-12 may-11 sep-10 ene-11 may-10 sep-09 ene-10 may-09 sep-08 ene-09 may-08 sep-07 ene-08 may-07 sep-06 ene-07 may-06 sep-05 ene-06 may-05 sep-04 ene-05 ene-04 650 may-04 669 Nm3/h Flujo Total Promedio Mes (Nm3/h) Figura 15: Flujo de aire de soplado promedio de conversión (Fuente: Información operacional Gerencia Fundición-Refinería) Para un nivel de enriquecimiento en oxígeno dado, la variación del Flujo de Aire de Soplado (Nm3/min) sobre el Tiempo Efectivo Total de Soplado (horas), puede ser representado en una gráfica como se muestra en la Figura 16. 8,00 Tiempo Total Efectivo de Soplado (horas) 7,80 21,5% O2 7,60 7,40 7,20 7,00 6,80 6,60 y = 1E-05x2 - 0,0271x + 20,689 R² = 1 6,40 6,20 6,00 680 700 720 740 760 Flujo de Aire de Soplado (Nm3/min) 780 800 820 Figura 16: Variación del Tiempo Total de Soplado en función del Flujo de Aire de Soplado para un nivel de enriquecimiento dado. (Fuente: Modelación Proceso de Conversión – Tesis de MBA) 20 Realizando un análisis de regresión, se obtiene que la variable Tiempo Efectivo Total de Soplado se relaciona mediante una ecuación polinomial de segundo orden respecto del Flujo de Aire de Soplado. . ( ) = 1 × 10 ( ) 0,0271 ( ) + 20,689 La Tabla N° 3 muestra los resultados esperados al aplicar esta ecuación. Al aumentar en un 7,1% el flujo de aire de soplado (desde 700 a 750 Nm3/min), se obtendrá una disminución del tiempo efectivo de soplado en un 6,6%, que equivale a 0,5 horas. Si el proceso se sitúa en un flujo entre 775 a 800 Nm3/min, el tiempo efectivo de soplado disminuirá entre un 9,7% y un 12,5%, equivalentes a 0,73 a 0,94 horas (45 a 60 minutos, aproximadamente por ciclo). Flujo Aire Soplado Nm 3/h %O2 700 730 750 775 800 21,5 21,5 21,5 21,5 21,5 Tiempo Total Efectivo de Soplado (min) 7,51 7,20 7,01 6,78 6,57 Tabla N° 3: Tiempo efectivo de soplado en función del Flujo de Aire de Soplado. (Fuente: Modelación Proceso Conversión – Tesis MBA) Nivel de enriquecimiento en oxígeno técnico del aire de soplado (%v). Enriquecer el aire de soplado con oxígeno técnico, tiene varios beneficios: En primer lugar, mejora el balance térmico y permite un mayor consumo de carga fría y chatarra de cobre; en segundo lugar, disminuye el tiempo de duración del ciclo; y en tercer lugar, disminuye el flujo de gas metalúrgico generado, favoreciendo su captación por la campana primaria. Dado que la cinética del proceso se incrementa notablemente, se debe mantener especial atención a la temperatura, por cuanto ésta se incrementará rápidamente y se deberá contar con carga fría o chatarra de cobre en el momento que se requiera consumir para mantener bajo control el balance de calor y evitar eventos indeseados (daño al refractario y agitación violenta del baño fundido, principalmente). En el caso de la Fundición de Chuquicamata, el uso de oxígeno técnico para enriquecer el aire de soplado no es una práctica habitual (21,1 a 22,2%v O2 en promedio), no así en la mayoría de las Fundiciones nacionales y extranjeras donde es usual el uso de aire enriquecido llegando a valores hasta 30% inclusive. En la Figura 17 se muestra un análisis histórico de enriquecimiento promedio utilizado en conversión. En este análisis es posible 21 observar que se ha utilizado algo oxígeno técnico en el proceso de Conversión Peirce-Smith de la Fundición Chuquicamata (22 a 22,5% como promedio). 22,5 %v 22,5 22,0 21,8 %v 21,5 21,0 21,1 %v abr-12 ene-12 jul-11 oct-11 abr-11 jul-10 oct-10 ene-11 abr-10 jul-09 oct-09 ene-10 abr-09 ene-09 jul-08 oct-08 abr-08 ene-08 jul-07 oct-07 abr-07 ene-07 jul-06 oct-06 abr-06 jul-05 oct-05 ene-06 abr-05 jul-04 oct-04 ene-05 20,0 abr-04 20,5 ene-04 Enriquecimiento Promedio Aire Soplado (%v O2) 23,0 Enriquecimiento Aire Soplado (%v O2) Figura 17: Enriquecimiento promedio en Convertidores de la Fundición Chuquicamata (%v O2). (Fuente: Información Operacional Area Conversión – Gerencia Fundición-Refinería DCh) Para un determinado Flujo de Aire de Soplado, la variación del nivel de Enriquecimiento del Aire de Soplado (%O2) sobre el Tiempo Efectivo Total de Soplado (horas), puede ser representado en una gráfica como se muestra en la Figura 18. 8,00 700 Nm3/min Tiempo Total Efectivo de Soplado (horas) 7,50 7,00 6,50 6,00 y = 0,0105x2 - 0,7866x + 19,563 R² = 1 5,50 5,00 20,0 21,0 22,0 23,0 24,0 25,0 26,0 27,0 28,0 29,0 Enriquecimiento del Aire de Soplado (%O2) Figura 18: Variación del Tiempo Total Efectivo de Soplado en función del Enriquecimiento del Aire de Soplado para un flujo de aire de soplado dado. (Fuente: Modelación Proceso de Conversión – Tesis de MBA) 22 Realizando un análisis de regresión, se obtiene que la variable Tiempo Total de Soplado se relaciona mediante una ecuación polinomial de segundo orden respecto del Enriquecimiento del Aire de Soplado. ( ) = 0,0105(% . )^2 0,7866 (% ) + 19,563 La Tabla N° 4 muestra los resultados esperados al aplicar esta ecuación. Al aumentar en un 11,6% el enriquecimiento del aire de soplado (desde 21,5% a 24 %O2), se obtendrá una disminución del tiempo efectivo de soplado en un 10,4%, que equivale a 0,78 horas. Si el proceso se sitúa en un %O2 entre 25% a 26%O2, el tiempo efectivo de soplado disminuirá entre un 14,0% y un 17,2%, equivalentes a 1,0 a 1,3 horas (60 a 75 minutos, aproximadamente por ciclo). Enriquecimiento Aire de Soplado %O2 Flujo Aire Soplado Nm 3/h 21,5 22,0 23,0 24,0 25,0 26,0 27,0 28,0 700 700 700 700 700 700 700 700 Tiempo Total Efectivo de Soplado (min) 7,51 7,34 7,02 6,73 6,46 6,22 5,98 5,77 Tabla N° 4: Tiempo efectivo de soplado en función del Enriquecimiento del Aire de Soplado. (Fuente: Modelación Proceso Conversión – Tesis MBA) El nivel de enriquecimiento de oxígeno máximo que es posible utilizar en conversión depende de la cantidad de oxígeno técnico disponible en Fundición. De acuerdo a la información operacional de las Plantas de Oxígeno de Chuquicamata, la cantidad de oxígeno que es capaz de generar en la tres plantas existentes, junto a la planta recuperadora de venteo (URASO) es de 1.160 tpd (equivalente a un flujo horario de 49,5 tph) con una pureza de 94 a 94,5% en promedio. La demanda de oxígeno técnico para la Fundición fue determinado en el “Plan de Descontaminación Fundición Chuquicamata 2ª Etapa” en el año 2001 para una capacidad de fusión nominal 5.000 tpd y diseño de 5.500 tpd, como se muestra en la Tabla N° 5. 23 Equipo\Parámetro Horno Flash (62% Cu) Conv. Teniente 2 (72%Cu) CPS s/escoria (23% O2) Capacidad de Fusión (tpd) Nominal Diseño 2.800 3.000 2.200 2.500 CPS s/cobre (22% O2) Total 5.000 5.500 Consumo de Oxígeno Técnico (tpd) Nominal Diseño 598 633 413 461 19 20 38 1.067 42 1.155 Consumo Específico (ton O2 / ton C.Seco) Nominal 0,213 0,188 Diseño 0,211 0,184 0,213 0,210 Tabla N° 5: Distribución de Oxígeno Técnico Equipos Fundición (Fuente: Ingeniería de Detalles Plan de Descontaminación Fundición Chuquicamata 2ª Etapa) En la actualidad, el nivel de fusión promedio ha oscilado en torno a 4.600 a 4.650 tpd, distribuida en forma equivalente entre el Horno Flash y el Convertidor Teniente 2. En la Tabla N° 6, se verifica el consumo de oxígeno técnico actual. Equipo\Parámetro Capacidad de Fusión (tpd) Horno Flash (62% Cu) Conv. Teniente 2 (72%Cu) CPS s/escoria (22,0% O2) 2.312 2.333 CPS s/cobre (21,5% O2) Total diario 4.644 Consumo de Consumo Específico Oxígeno Técnico (ton O2 / ton C.Seco) (tpd) 549 452 3 14 1.018 0,237 0,194 0,219 Tabla N° 6: Distribución de Oxígeno Técnico Equipos Fundición (Fuente: Información Operacional Fundición – Modelación Fundición Tesis MBA) A partir de la información obtenida de consumos de oxígeno técnico real y la capacidad de diseño, la cantidad disponible es alrededor de 142 tpd. Para verificar esa cantidad calculada, revisaremos la información operacional de Plantas de Oxígeno en los dos últimos años (2010-2011). En la Fundición existe un parámetro que permite verificar el uso efectivo del oxígeno técnico que se utiliza en los diferentes procesos, que corresponde al “venteo” de oxígeno (tpd). El venteo se produce principalmente debido a la menor capacidad de fusión respecto de la condición de diseño de las plantas (fusión equivalente a 5.000 tpd promedio) y por detenciones no programadas de los equipos de fusión, lo cual genera un menor consumo. La Figura 19, muestra la cantidad de oxígeno disponible por venteo en Fundición Chuquicamata. 24 160 135 tpd Venteo Promedio Mensual (tpd) 140 120 100 80 81 tpd 60 40 47 tpd 20 nov-11 sep-11 jul-11 may-11 mar-11 ene-11 nov-10 sep-10 jul-10 may-10 mar-10 ene-10 0 Figura 19: Oxígeno disponible en Fundición Chuquicamata (Fuente: Información Operacional Plantas de Oxígeno 2010-2011) A partir de esta información, se confirma que existe una disponibilidad máxima de 135 tpd de oxígeno técnico. Considerando el valor promedio de 80 tpd de venteo existente, sumado al consumo actual de Convertidores (17 tpd), obtenemos que en total Convertidores disoné de 97 tpd para consumir, sin afectar los equipos de fusión. Con esta cifra, se puede alcanzar un nivel de enriquecimiento promedio de 25 a 26% en todo el ciclo de operación de convertidores, dependiendo del flujo de aire de soplado (750 a 800 Nm3/min). Cantidad de carga fría y chatarra de cobre (ton). La cantidad de carga fría y chatarra de cobre agregada al Convertidor, es función de la temperatura del baño. Se debe agregar cada vez que la temperatura sobrepase un valor establecido. Ante la ausencia de un dispositivo que mida la temperatura en forma continua, ésta se asocia normalmente por el Operador por el color de la llama, lo cual implica que éste debe adquirir la experiencia operacional necesaria para controlar esta variable y adicionar la cantidad necesaria de carga fría y chatarra de cobre en el momento oportuno. Las principales fallas operacionales se producen por el escaso nivel de control que se tiene de la variable temperatura y por la forma de adicionar carga fría (mediante ollas). Temperatura del proceso (°C). La conversión de eje y metal blanco es un proceso exotérmico, debido a la ocurrencia de reacciones químicas que liberan calor. Esto se refleja en un incremento sostenido de la temperatura, ante lo cual se debe contrarrestar con la adición de circulante (carga fría y chatarra de cobre) para mantener el equilibrio térmico y evitar el desgaste prematuro del refractario del interior del reactor. El consumo habitual de carga fría en convertidores es alrededor de 70 a 100 ton por ciclo y de chatarra de cobre alrededor de 20 ton por ciclo. Ambos se 25 cargan por boca al reactor y se debe adicionar en forma oportuna para evitar eventos indeseados de aumento de temperatura fuera del rango de operación segura. En la actualidad no existe una medición en línea de la temperatura de proceso, por lo tanto, es el operador encargado de evaluar la condición térmica del proceso en función de mediciones empíricas relacionadas con el avance del ciclo (tiempo) y el color de la llama. Ley del cobre blíster (%Cu). La Ley del Cobre Blíster, expresada en %Cu, es la variable que mide la calidad del producto del proceso de conversión. Mediante la observación del despliegue gráfico del sistema OPC®, contrastada con muestras de pequeñas granallas de material fundido que es arrastrado por el gas que solidifica al encontrarse con un flujo de aire de infiltración de la campana (llamada en la jerga operacional “challa”), el Operador determina el término del ciclo de conversión. Es importante el control que se ejerce sobre la ley del cobre blíster. Por un lado, no se debe “sobre oxidar” el producto, ya que se genera una excesiva cantidad de oxido de cobre, el cual es muy dañino para los refractarios y disminuye la eficiencia metalúrgica del proceso. Por otro lado, una sobre oxidación leve del cobre blíster en los CPS es siempre beneficiosa, ya que acorta los ciclos de oxidación en el proceso de Refino. Habitualmente, el cobre blíster generado en el proceso de conversión de la Fundición Chuquicamata contiene entre 6000 a 6500 ppm de oxígeno y tan solo 0,03% de azufre (300 ppm), el cual representa un nivel de avance de la conversión importante, por cuanto minimiza el tiempo del proceso siguiente (refinación y moldeo). Velocidad de conversión (min/ton FeS, min/ton Cu2S). La velocidad de conversión es el resultado de la interacción de las variables que influyen en la cinética de las reacciones que intervienen en el proceso. A pesar de su importancia (principalmente para el área de Ingeniería de Procesos y Metalurgia), en la práctica poca atención se le ha prestado en la Fundición de Chuquicamata. No obstante, como veremos a continuación es un parámetro clave y junto al tiempo efectivo de soplado reflejan en esencia la eficiencia del proceso. Este parámetro de desempeño depende exclusivamente del flujo y enriquecimiento del aire de soplado, que son las dos variables que es posible de someter a control directo por parte del operador del proceso de conversión. Este parámetro es independiente de la ley de cobre en eje/mata y metal blanco. En las figuras 20 y 21 se puede ver el efecto de estas dos variables sobre este parámetro en ambas etapas del ciclo de conversión (soplado a escoria y soplado a cobre). 26 Para poder definir el nivel de enriquecimiento del aire de proceso y el flujo de aire de proceso adecuados para la conversión de la Fundición Chuquicamata se debe hacer un análisis del ciclo completo, para determinar el efecto de cada parámetro y las posibilidades ciertas de alcanzar los valores meta requeridos. Velocidad Conversión Etapa Sopladp a Escoria (min/ton FeS) 2,90 21,5% O 2 22,0% O 2 2,70 23,0% O 2 24,0% O 2 2,50 25,0% O 2 26,0% O 2 2,30 27,0% O 2 28,0% O 2 2,10 1,90 1,70 680 700 720 740 760 780 800 820 Flujo de Aire de Soplado (Nm3/min) 21,5% O2 22,0% O2 23,0% O2 24,0% O2 25,0% O2 26,0% O2 27,0% O2 28,0% O2 Figura 20: Velocidad de conversión – Flujo y %O2 de aire de soplado Etapa Soplado a Escoria (Fuente: Modelación Proceso Conversión) 1,05 1,00 21,5% O2 22,0% O2 Velocidad Conversión Etapa Sopladp a Cobre (min/ton Cu2S) 0,95 23,0% O2 0,90 24,0% O2 25,0% O2 0,85 26,0% O2 0,80 27,0% O2 28,0% O2 0,75 0,70 0,65 0,60 680 21,5% O2 700 22,0% O2 720 23,0% O2 740 760 Flujo de Aire de Soplado (Nm3/min) 24,0% O2 25,0% O2 780 26,0% O2 800 27,0% O2 820 28,0% O2 Figura 21: Velocidad de conversión – Flujo y %O2 de aire de soplado Etapa Soplado a Cobre (Fuente: Modelación Proceso Conversión) 27 Angulo de soplado (°). Esta es una variable que es característica propia del reactor y de la instalación de manejo de gases asociada. Esta relaciona la posición de la boca de carga del reactor respecto de la ubicación de la campana de extracción de gases y permite definir la proyección del flujo de gas y el volumen utilizado efectivo del reactor (llenado). Dado que esta es una condición que sólo puede modificarse si existe el espacio suficiente y la geometría del edificio de la nave lo permite, se considerará que no es posible modificarse para efectos prácticos del manejo de variables que dependen de la gestión operacional. En la Figura 22, se muestra un esquema con el ángulo de soplado para un reactor de Conversión Peirce-Smith típico. Angulo al centro de la boca respecto de la vertical Angulo total de la boca Nivel normal del baño Ubicación de las toberas Sumersión normal de las toberas Figura 22: Angulo característico de la boca del reactor (Fuente: Manual de Operación CPS – Gerencia Fundición-Refinería DCh) 6.4. ANALISIS DE VARIABLES EXTERNAS Las variables de control externas son aquellas que no pueden ser gestionadas por el operador de conversión, pero que sin embargo, es importante que éste las conozca y sepa en qué valores viene cada una de ellas para saber que decisiones debe tomar. Por tanto, es rol de la supervisión a cargo de la nave y de los equipos o procesos involucrados mantenerlas en el rango de operación adecuado para lograr la estabilidad de los procesos aguas abajo. 28 Las principales variables externas que intervienen en el proceso son las siguientes: Cantidad de eje y metal blanco (ton). La duración del ciclo de conversión depende de la cantidad de eje y metal blanco que se procesa en el reactor. Debido a las dimensiones de cada uno de estos hornos y a su volumen útil, la alimentación de eje y metal blanco está acotada y estandarizada a un total de 9 ollas: 5 ollas de eje o mata (185 ton) y 4 ollas de metal blanco (200 ton). Por lo tanto, esta variable puede considerarse aproximadamente constante entre un ciclo y otro. La cantidad de eje y metal blanco producido por los equipos de fusión, Horno Flash y Convertidor Teniente, respectivamente, dependerá de la distribución que se realiza en el programa de producción y del contenido de cobre en la alimentación a cada uno de ellos. Para efectos de este estudio, se ha asumido que la ley de alimentación es constante y que solamente podrá modificarse el nivel de fusión de concentrado en función de la productividad de la conversión. Ley de cobre del eje/mata producido en el Horno Flash (%). Esta es una variable importante del proceso, ya que determina el inicio del soplado y afecta el tiempo total de ciclo de conversión. A una menor ley de eje, mayor es el tiempo requerido para el proceso y mayor es la cantidad de escoria que se producirá incrementando las pérdidas metalúrgicas (aumenta el contenido de Fe), afectando además, la continuidad del proceso. En la Figura 23 se muestra en efecto de la ley de eje en el tiempo efectivo de del proceso de conversión (este tiempo no incluye las pérdidas de tiempo por efecto de interrupciones al proceso). Importante también es la variabilidad que presenta el contenido de cobre en la mata producida en el horno flash, ya que una baja dispersión se reflejará en un proceso más controlado y por ende, con una mayor eficiencia y productividad. Por el contrario, cuando la dispersión aumenta, se reflejará en una operación más deficiente y prolongada. El proceso de fusión en Horno Flash de la Fundición Chuquicamata actualmente se encuentra operando en un valor promedio de ley de cobre en el eje o mata en torno a 61,8%Cu en un rango de ± 3,0% absolutos. Lo anterior, se refleja en que el tiempo efectivo del ciclo de conversión variará en 0,64 horas (38 minutos). 29 Tiempo de Ciclo de Conversión Peirce-Smith Tiempo (h) 8,75 8,50 8,25 8,00 7,75 7,50 7,25 7,00 6,75 6,50 6,25 6,00 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 Ley de Cobre en la mata (%) Figura 23: Tiempo efectivo soplado en función de la ley de cobre en mata. La tendencia de los últimos 6 años de operación muestra que la ley de eje ha ido en franco descenso, motivado principalmente por una menor ley de cobre en el concentrado (Figura 24). Esto permite explicar en parte el incremento del tiempo de los ciclos de conversión existente hoy en la Fundición Chuquicamata (alrededor de 0,26 horas). %Cu eje 63,0 62,8 62,5 62,1 62,0 61,8 61,7 61,4 61,5 61,4 61,0 60,7 60,5 60,0 59,5 2007 2008 2009 2010 2011 2012 Total Figura 24: Ley de cobre en eje Horno Flash (periodo 2007 – 2012) (Fuente: Información operacional Gerencia Fundición-Refinería) Ley de cobre en el metal blanco producido en el Convertidor Teniente (%). Al igual que la ley de cobre en eje, el contenido de cobre en el metal blanco afecta el tiempo total de ciclo de conversión, cuya incidencia se refleja en la 30 etapa de soplado a cobre. A una menor ley de metal blanco, mayor es el tiempo requerido y mayor es la cantidad de escoria que se producirá, afectando además, la continuidad del proceso. En la Figura 25 se muestra en efecto de la ley de metal blanco en el tiempo efectivo de del proceso de conversión (este tiempo no incluye las pérdidas de tiempo por efecto de interrupciones al proceso). Tal como se analizó con la ley de eje, la variabilidad que presenta el contenido de cobre en el metal blanco producido en el Convertidor Teniente influye en el desempeño operacional de convertidores, ya que una baja dispersión se reflejará en un proceso más controlado y por ende, con una mayor eficiencia y productividad. Por el contrario, cuando la dispersión aumenta, se reflejará en una operación más deficiente y prolongada. El proceso de fusión en Convertidor Teniente de la Fundición Chuquicamata actualmente se encuentra operando en un valor promedio de ley de cobre en el metal blanco en torno a 74,1%Cu en un rango de ± 2,5% absolutos. Tiempo de Ciclo de Conversión Peirce-Smith Tiempo (h) 6,60 6,50 6,40 6,30 6,20 6,10 6,00 5,90 5,80 5,70 5,60 69 70 71 72 73 74 75 76 77 Ley de Cobre en metal blanco (%) Figura 25: Efecto ley de Cu en metal blanco en el tiempo efectivo de soplado. (Fuente: Modelación Conversión – Tesis MBA) La tendencia de los últimos 6 años de operación muestra que la ley de metal blanco ha ido en franco descenso, al igual que la ley de cobre en eje del Horno Flash (Figura 26). Esto permite explicar también el incremento del ciclo de conversión existente hoy en la Fundición Chuquicamata (0,5 horas). 31 %Cu MB 75,5 74,9 75,0 74,9 74,5 74,0 74,1 73,8 73,4 73,5 73,1 73,0 72,2 72,5 72,0 71,5 71,0 70,5 2007 2008 2009 2010 2011 2012 Total Figura 26: Ley de metal blanco Conv. Teniente 2 (periodo 2007 – 2012) (Fuente: Información operacional Gerencia Fundición-Refinería) Ley de cobre en la carga fría (%Cu). La calidad de la carga fría depende de su origen y del manejo que se realice, tanto en la nave, como en el área de selección y harneado que posee la Fundición. Esta influye en la conversión, por cuanto una baja calidad de estos materiales, se generará un exceso de escoria incrementando las pérdidas metalúrgicas y afectando su productividad. Adicionalmente, el reactor quedará sucio, lo cual implicará realizar maniobras adicionales para realizar limpiarlo mediante el uso de eje o mata de baja ley (< 60%Cu), lo cual implicará, cambios en el punto de operación del horno flash, atrasos en la configuración de los otros ciclos y como consecuencia de ello, una menor fusión de concentrado. Por otro lado, una calidad buena de carga fría favorece la operación del convertidor, por cuanto se genera una cantidad adecuada de escoria (asociada al contenido de fierro), permite disminuir el tiempo de soplado y en consecuencia, “adelantar” la carga del ciclo. A pesar que esta no es una variable que pueda gestionar el operador de convertidores, éste debe advertir anticipadamente los síntomas asociados a una calidad pobre de la carga fría y dar aviso temprano para realizar las correcciones que corresponda. Para efectos del presente estudio, asumiremos que tanto la generación de carga fría, así como el manejo y selección de la misma se encuentran bajo control y dentro de un rango estándar y por lo tanto, las calidades y cantidades son las adecuadas para el proceso. Presión del aire de soplado (libra/pulg2, psi). La presión del aire que se inyecta en el baño fundido está dada por la presión de la red de aire comprimido de baja presión, habitualmente en 20 psi a la entrada de las toberas. Si la presión disminuye, el efecto que produce en el proceso es que no se logrará que el burbujeo de aire penetre lo suficiente al 32 interior del reactor y no logrará vencer la presión metalostática del baño, impidiendo que ingrese el flujo de aire requerido. Esta es una variable que el operador no puede gestionar. Sin embargo, es responsabilidad de éste verificar en todo momento que ésta se encuentra dentro del rango de operación normal (alrededor de 20 psi). Para efectos prácticos de este estudio, se considerará que esta variable cuyo valor se mantiene dentro de un rango que no influye significativamente en el proceso. Presión del Oxígeno (libras/pulg2, psi). La presión del oxígeno técnico que se inyecta junto al aire de soplado está dada por la presión de la red de distribución, habitualmente en 50 psi, cuyo suministro principal se obtiene de las tres plantas de oxígeno que dispone la Fundición Chuquicamata para sus procesos. Si la presión disminuye, el efecto que produce en el proceso es que no se alcanzará el flujo de oxígeno requerido para el proceso, afectando negativamente el ciclo de conversión. Al igual que la presión de aire de soplado, esta es una variable que el operador no puede gestionar. Sin embargo, es su responsabilidad verificar que en todo momento ésta se encuentra dentro del rango de operación normal. Para efectos prácticos de este estudio, se considerará que esta variable cuyo valor se mantiene dentro de un rango que no influye significativamente en el proceso. Movimiento al interior de la nave Fundición. En la actualidad, el manejo de materiales en la nave se ha hecho cada vez más difícil y complejo, siendo uno de los principales obstáculos para mejorar la eficiencia y productividad de la conversión, limitando el nivel de producción global de la Fundición. Este es un aspecto que no había sido estudiado en profundidad, si no hasta el último par de años. El movimiento al interior de la nave depende de la cantidad de material que se genera en los equipos de fusión (y por ende, del nivel de fusión de y ley de cobre de la mezcla alimentada) el cual define el resto de los flujos requeridos a manejar (escoria, cobre blíster, carga fría, etc.). Dentro de los principales factores que influyen en el manejo de la nave, se encuentran los siguientes: Parque de grúas-puente En la actualidad, el parque de grúas presenta muchas dificultades debido principalmente, a que corresponden a equipos antiguos cuya disponibilidad y confiabilidad ha ido disminuyendo sustancialmente en el último tiempo. Las recurrentes fallas obligan a realizar mantenimiento fuera de programa, afectando negativamente el manejo de la nave y provocando un “cuello de botella” que trae como consecuencia una disminución en la eficacia de la conversión y por ende, un menor nivel de fusión. 33 La definición del parque de grúas-puente ha sido validado a través de una modelación dinámica paralela a este estudio que ha ratificado que el movimiento de la nave se cumple manteniendo 4 grúas-puente operativas. Parque de ollas Para mantener el movimiento de la nave, también se requiere de un parque de ollas que permita atender los requerimientos de los equipos de fusión (eje y metal blanco, principalmente), conversión y refinación y moldeo (cobre blíster y escorias). En el último tiempo, se ha sumado factores de seguridad a la definición del parque de ollas, por tanto, para efectos del presente estudio asumiremos que la reciente definición del parque de ollas no será limitante para alcanzar los resultados esperados. 6.5. ANALISIS DE VARIABLES RESPECTO DE BENCHMARKING El establecimiento de brechas está basado en un análisis de benchmarking, tomando en consideración las mejores prácticas de la industria nacional e internacional. Para tales efectos, se ha realizado un análisis de información operacional contenida en los reportes de información proporcionado por Brook Hunt® e información recopilada durante visitas a algunas plantas industriales tanto nacionales como extranjeras. Las variables y parámetros que se han sometido a evaluación de benchmark son las siguientes: Flujo total de aire de soplado (Nm3/min). La información operacional correspondiente al flujo total de aire de soplado promedio, tanto para la etapa de soplado a escoria como soplado a cobre, se presenta en las Figuras 27 y 28. En estas se observa que existe un espacio de mejora respecto de aquellas instalaciones que muestran un mejor desempeño, el que se puede traducir en un aumento del flujo entre 50 a 100 Nm3/h, valores que representan una brecha de 7% a 14%. Dado que la condición actual de las máquinas de punzado existentes puede ser un obstáculo para lograr la meta propuesta, será fundamental que se gestione en forma especial el cambio de estas máquinas por un modelo más moderno que opere en forma automática. De acuerdo a la información obtenida de proveedores de esta tecnología, al menos se puede lograr un incremento de un 7% en el flujo promedio de soplado, por el hecho de contar con un equipo automático. Ello implicará además, un esfuerzo en asegurar el alineamiento de la línea de toberas necesario para lograr este objetivo. 34 35 Guixi - H. Flash (Fuente: Brook Hunt®) Figura 28: Flujo de aire (Nm3/h) - Etapa de soplado a cobre 940 775 780 750 750 750 750 750 765 770 San Manuel - H. Flash Ilo - Isasmelt Ronnskar - H. E./H.Flash Norddeutsche - H. Flash La Caridad - H. Flash Toyo - H. Flash 940 San Manuel - H. Flash Jinlong - H. Flash Tamano - H. Flash 770 718 732 742 750 750 Ilo - Isasmelt Guixi - H. Flash Toyo - H. Flash Ronnskar - H. E./H.Flash Altonorte - Noranda La Caridad - C. Teniente Norddeutsche - H. Flash 700 700 Guixi - H. Flash 690 700 700 Mufulira - Isasmelt 840 Jinlong - H. Flash 667 Chuqui - H. Flash Saganoseki - H. Flash 840 La Caridad - H. Flash 600 600 600 630 Tamano - H. Flash 740 Chuqui - H. F./CT Pirdop - H. Flash Yunnan (Kunming) - Isasmelt Guixi - H. Flash Huelva - H. Flash Onahama - Mitsubishi Jinchuan - H. Flash Hurley - Inco Hidalgo - H. Flash Mufulira - Isasmelt Hayden - Inco Miami - Isasmelt 740 Daye - Noranda Saganoseki - H. Flash Harjavalta - H. Flash 640 Yunnan (Kunming) - Isasmelt Pirdop - H. Flash 566 566 567 570 Huelva - H. Flash Hidalgo - H. Flash 565 510 517 540 Horne - Noranda 640 Miami - Isasmelt Hayden - Inco Caletones - C. Teniente 416 Onahama - Mitsubishi 540 Hurley - Inco 350 360 367 Dias d'Avila - H. Flash 340 Dias d'Avila - H. Flash 540 Potrerillos - C. Teniente 440 Harjavalta - H. Flash Kosaka - H. Flash Flujo Aire Soplado a Escoria (Nm3/min) 440 Kosaka - H. Flash Ventanas - C. Teniente Flujo Aire Soplado a Cobre (Nm3/min) Se sugiere implementar un plan de trabajo para establecer una curva de aprendizaje que considere como meta intermedia elevar el flujo hasta 750 Nm3/h en promedio, para posteriormente llegar a un valor que se encuentre en un rango entre 770 a 800 Nm3/h. 1040 935 800 510 510 510 520 550 558 481 495 500 560 600 360 367 416 340 240 140 40 Figura 27: Flujo de aire (Nm3/h) - Etapa de soplado a escoria (Fuente: Brook Hunt®) 1040 935 800 450 240 140 40 Al incluir en el análisis el efecto del tamaño del reactor, se confirma que es técnicamente factible que la Fundición Chuquicamata alcance un flujo de soplado por sobre 750 Nm3/h, ya que instalaciones con reactores de tamaño similar o menor logran un flujo promedio superior al que esta instalación tiene (Figuras 29 y 30). 19,7 900 12,7 13,4 13,6 13,9 Tamano 11,5 700 13,4 12,2 11,2 Jinlong 10,7 Chuquicamata 800 Guixi Flujo de aire soplado a escoria (Nm3/min) 1000 10,1 600 10,1 11,7 11,7 10,6 500 10,5 400 San Manuel Ronnskar Norddeutsche Guixi Jinchuan Saganoseki Toyo La Caridad Miami Dias d'Avila Pirdop Huelva 300 Figura 29: Flujo de Aire de soplado – Tamaño reactor (longitud) Etapa de soplado a escoria (Fuente: Brook Hunt®) 1000 19,7 Flujo de aire soplado a cobre (Nm3/min) 900 800 10,7 11,0 11,2 12,2 12,7 700 10,1 600 13,4 13,6 13,9 13,4 11,5 10,1 10,1 10,6 11,7 10,7 500 10,5 400 San Manuel Tamano Jinlong Ronnskar Chuquicamata Guixi Norddeutsche Guixi Saganoseki Toyo Altonorte La Caridad Caletones Miami Dias d'Avila Pirdop Huelva Hayden 300 Figura 30: Flujo de Aire de soplado – Tamaño reactor (longitud) Etapa de soplado a cobre (Fuente: Brook Hunt®) Flujo de aire por tobera (Nm3/min/tobera) El flujo de aire por tobera permite evaluar la si es factible inyectar un mayor volumen de aire, sin modificar la cantidad de toberas que dispone cada reactor. Los antecedentes recolectados de nuestra fuente de información 36 (Figuras 31 y 32), nos muestra que tanto en el soplado a escoria como en el soplado a cobre, existen instalaciones que son más intensivas en esta variable que Chuquicamata. Al respecto, el mejor desempeño que se observa muestra que es posible alcanzar en ambas etapas de soplado valores entre 15,0 a 15,6 Nm3/min/tobera. Ahora bien, los Convertidores Peirce-Smith de Chuquicamata poseen un diseño que les permite alcanzar un valor nominal de 850 Nm3/min y un valor máximo de 1.000 Nm3/h. Los valores anteriores son equivalentes a 15,4 Nm3/min/tobera nominal y 18,1 Nm3/min/tobera máximo, lo cual confirma que establecer una meta de 750 Nm3/min como primer escalón y posteriormente 770 a 800 Nm3/min es factible de lograr. Flujo específico por tobera - soplado a escoria (Nm3/min/tobera) 18,0 16,0 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 Ilo Saganoseki San Manuel Toyo Ronnskar Chuquicamata Norddeutsche La Caridad Jinlong Tamano Guixi Hayden Pirdop Huelva Hurley Hidalgo Guixi Yunnan (Kunming) Onahama Mufulira Dias d'Avila Miami Jinchuan 0,0 Figura 31: Flujo específico aire soplado por tobera - Etapa soplado a escoria (Fuente: Brook Hunt®) Flujo específico por tobera - soplado a cobre (Nm3/min/tobera) 26,0 24,0 22,0 20,0 18,0 16,0 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 Ilo Daye Altonorte San Manuel Mufulira Saganoseki Horne Hayden Toyo Ronnskar Jinlong Guixi Chuquicamata Norddeutsche La Caridad Huelva Ventanas Hidalgo Tamano Caletones Potrerillos Pirdop Miami Guixi Hurley Onahama Dias d'Avila 0,0 Yunnan … 2,0 Figura 32: Flujo específico aire soplado por tobera - Etapa soplado a cobre (Fuente: Brook Hunt®) 37 Un aspecto a considerar con el aumento del flujo de aire de soplado, es el incremento en la cantidad de material proyectado o “splashing” que se puede generar durante el proceso de conversión. Este fenómeno depende principalmente del volumen del reactor, del ángulo de soplado y de la ubicación de la línea de toberas por debajo del baño. El valor máximo de flujo de 1.000 Nm3/min que poseen por diseño estos reactores en Chuquicamata considera fue calculado con un valor límite de 18,1 Nm3/min/tobera sin la ocurrencia de este fenómeno. Enriquecimiento del aire de soplado (%O2) Tal como vimos en los capítulos anteriores, enriquecer el aire de soplado con oxígeno técnico, tiene varios beneficios para el proceso de conversión. Esta variable, es una de las más utilizadas para incrementar la eficiencia y productividad de este proceso. En las Figuras 33 y 34, se puede observar diversos niveles de enriquecimiento, siendo los valores más utilizados entre 23% a 25% en ambas etapas de soplado. Los valores máximos se encuentran entre 27,5% a 30%, como son el caso de las fundiciones de Harjavalta, Tamano y Saganoseki en la etapa de soplado a escoria y Harjavalta y Paipote en la etapa de soplado a cobre. El aumento en el enriquecimiento del flujo de soplado en ambas etapas, junto con presentar beneficios respecto de la duración de ciclos y disminución del caudal de gases a plantas de ácido, plantea cambios en las prácticas operacionales, tales como: aumento en el consumo de carga fría y chatarra de cobre, aumento de concentración de gases de salida, mayor atención en el control de temperatura, entre otros. Enriquecimiento flujo de aire - soplado a escoria (% O2) 32,0 31,0 30,0 29,0 28,0 27,0 26,0 25,0 24,0 23,0 22,0 21,0 Saganoseki Tamano Harjavalta Jinlong Guixi Ronnskar Miami Kosaka Huelva Norddeutsche Hayden Dias d'Avila Hidalgo La Caridad Pirdop San Manuel Ilo Onahama Guixi Hurley Toyo Chuquicamata Mufulira 20,0 Figura 33: Enriquecimiento flujo de aire - Etapa soplado a escoria (Fuente: Brook Hunt®) 38 Enriquecimiento flujo de aire - soplado a cobre (% O 2) 29,0 28,0 27,0 26,0 25,0 24,0 23,0 22,0 21,0 Paipote Toyo Harjavalta Miami Ronnskar Hayden Norddeutsche Hidalgo Dias d'Avila La Caridad San Manuel Guixi Altonorte Tamano Ilo Saganoseki Daye Jinlong Caletones Guixi Chuquicamata Huelva Mufulira Horne Pirdop Hurley Onahama Kosaka Potrerillos Ventanas 20,0 Figura 34: Enriquecimiento flujo de aire - Etapa soplado a cobre (Fuente: Brook Hunt®) Ley de cobre en eje o mata alimentado al proceso (%Cu) Las mejores prácticas de la industria del cobre, han ido en búsqueda de un incremento en la ley de eje, como una manera de acortar el tiempo efectivo del ciclo de conversión. En esta variable, los mejores referentes son las fundiciones de Días d’Avila (63%Cu) y Chagres (63,1%Cu) en Sudamérica, Harjavalta (65%Cu) y Rönnskär (67%) en Europa, Onsan (68%Cu), Saganoseki (63,4%Cu), Tamano (64,1%Cu) y Toyo (64%Cu) en CoreaJapón. Se incluye en el análisis a la Fundición de San Manuel (63%Cu), que a pesar de encontrarse cerrada desde 1999, ha sido uno de los principales referentes en operación de Horno Flash y conversión Peirce-Smith (Figura 35). El valor meta que se debe considerar para la Fundición Chuquicamata para la ley de cobre en eje es en torno a 65%Cu, el cual debe llevarse a cabo con un incremento gradual desde el valor actual (60,7%), para asegurar la adquisición de esta experiencia práctica operacional. 39 Ley de Cobre en Eje (%) 70,0 65,0 68,0 67,0 65,0 63,1 63,0 62,0 62,0 60,8 60,7 60,0 60,3 61,0 58,0 62,7 64,1 64,6 61,4 60,8 59,9 60,0 60,0 58,0 56,0 55,5 53,8 55,0 63,4 63,0 62,0 54,0 52,0 50,0 45,0 Toyo - H. Flash Yunnan (Kunming) - Isasmelt Tamano - H. Flash San Manuel - H. Flash Ronnskar - H. Flash Saganoseki - H. Flash Pirdop - H. Flash Ronnskar - H. Eléctrico Onsan - H. Flash Onsan - Mitsubishi Onahama - Mitsubishi Norddeutsche - H. Flash Miami - Isasmelt Mufulira - Isasmelt Kosaka - H. Flash La Caridad - H. Flash Jinlong - H. Flash Ilo - Isasmelt Jinchuan - H. Flash Hurley - Inco Huelva - H. Flash Hayden - Inco Hidalgo - H. Flash Guixi - H. Flash Harjavalta - H. Flash Glogow l - Shaft Chuqui - H. Flash Dias d'Avila - H. Flash Chagres - H. Flash 40,0 Figura 35: Ley de Cu en eje o mata (%) (Fuente: Brook Hunt ®) Ley de cobre en metal blanco alimentado al proceso (%Cu) El análisis de la industria para la variable contenido de cobre en metal blanco (Figura 36), muestra que el valor medio de Chuquicamata del último año se encuentra por debajo del valor meta que se espera para una Fundición con reactores tipo El Teniente. Aún cuando la disminución de la ley de cobre en metal blanco haya sido influenciada por optimizar el tratamiento de impurezas, con la incorporación de calcina de la División Ministro Hales, el impacto será menor y por tanto, una mayor ley de cobre en el producto del Convertidor Teniente debiese ser una buena medida operacional a favor de la conversión (etapa de soplado a cobre). El valor meta a considerar para Fundición Chuquicamata en el corto plazo es de 74-75%Cu, con una curva de aprendizaje debiese ser no mayor a 1 año, más aún si se considera que se proyecta alimentar calcina de la División MH de Codelco, cuyo contenido de cobre (37-38%) favorece el incremento de ley de cobre en metal blanco. 40 76,0 75,0 Ley de Cobre en Metal Blanco (%) 74,4 74,0 74,0 72,9 72,2 74,0 72,1 72,0 71,0 69,8 70,0 68,0 66,0 64,0 Ventanas - C. Teniente Potrerillos - C. Teniente Paipote - C. Teniente La Caridad - C. Teniente Horne - Noranda Daye - Noranda Chuqui - C. Teniente Caletones - C. Teniente 60,0 Altonorte - Noranda 62,0 Figura 36: Ley de Cu en Metal Blanco (%) (Fuente: Brook Hunt ® y Recopilación de Información Operacional) 6.6. MODELO DE GESTION OPERACIONAL. Tal como fue expuesto en los capítulos anteriores, existe una serie de variables internas y externas que inciden en la capacidad y eficiencia productiva de los Convertidores Peirce-Smith, los cuales a su vez son factores determinantes de los resultados globales de la Fundición Chuquicamata. La actual configuración operacional de esta Fundición basada en dos líneas de fusión de diferente tecnología (Horno de Fusión Flash Outotec® y Convertidor Teniente Codelco®), con productos de distinta composición y las particulares condiciones de proceso e instalaciones, hacen necesaria la definición de un método que permita asegurar la forma de homologar las prácticas de la industria nacional e internacional e implementar aquellas tecnologías y modificaciones a las condiciones de proceso que permitirán alcanzar una mejora sustancial en su desempeño operacional y ambiental. Se propone realizar la definición de un Modelo de Gestión Operacional que involucre aspectos de proceso, de prácticas de operación, tecnológicos y gestión del recurso humano para la Conversión Peirce-Smith. A través de la aplicación de este modelo, se logrará realizar el cierre de brechas y optimizar esta área de negocio. La información obtenida a partir del análisis de variables y de la recopilación de información basada en benchmarking, ha permitido establecer brechas operacionales y de proceso que poseen un alto potencial de obtener buenos resultados en el corto y mediano plazo, ya sea gestionándolas directamente, como a través de modificaciones a las instalaciones e implementación de tecnologías. 41 La definición del Modelo de Gestión Operacional abarca principalmente los siguientes ámbitos de acción: Variables de Proceso Prácticas de operación y mantenimiento. Mejoras Tecnológicas Potenciamiento del recurso humano La Figura 37 muestra un esquema representativo del Modelo de Gestión de Operaciones Prácticas de Operación y Mantenimiento Variables de Proceso Modelo de Gestión de Operaciones Gestión del Recurso Humano Tecnología Figura 37: Modelo de Gestión de Operaciones a. Variables de Proceso. Del análisis de variables internas y externas y del análisis de benchmarking, la gestión de variables de proceso se limitará a aquellas que intervienen en forma más significativa en los parámetros clave de conversión. Determinación de los valores óptimos para las variables principales de operación de CPS. Flujo de aire de soplado (Nm3/min). Establecer una meta intermedia de 750 Nm3/min en ambas etapas de soplado (s/escoria y s/cobre) y como meta final lograr en promedio 770 a 800 Nm3/min. Enriquecimiento con oxígeno técnico del aire de soplado (%O2). 42 Aumentar el consumo de oxígeno técnico para obtener un 23-24% en la etapa de soplado a escoria y 25-26 en la etapa de soplado a cobre. Tiempo efectivo de soplado (%). Lograr una meta de 75-76% en el tiempo efectivo de soplado, es un valor que es factible de lograr con disciplina operacional y medidas de control adecuadas (supervisión). Redefinición del punto de operación para los equipos de Fusión (Horno Flash y Convertidor Teniente). Ley de cobre en eje (% Cu). Incrementar la ley de cobre en el eje producido por el Horno Flash desde 62% a 65%Cu. Ley de cobre en metal blanco (% Cu). Incrementar la ley de cobre en metal blanco producido por el Convertidor Teniente desde 72% a 75%Cu. b. Prácticas de operación y mantenimiento. Lograr una mejora en la operación de Convertidores lleva asociado el cambio de una serie de prácticas de operación y mantenimiento, que debe involucrar a toda la organización. A continuación se indican aquellas prácticas que a partir del análisis realizado y de la información recopilada de otras Fundiciones deben implementarse o mejorarse en las instalaciones de Chuquicamata: Operación basada en Sistema de Espectroscopía Optica de Llama (OPC®) de SEMTECH. Se ha demostrado, tanto a nivel local como internacional, que el uso de este sistema es la mejor forma de estandarizar la operación y controlar el ciclo de conversión. Por lo tanto, se deberá realizar un re-entrenamiento en el uso de este dispositivo, a objeto de sacarle el máximo provecho. Alineamiento de la línea de toberas. Este es un requisito para que el sistema de punzado opere en forma óptima (sin interrupciones) y se logre mantener el flujo de aire de soplado en el valor requerido. Esta responsabilidad recae en el área de mantenimiento mecánico y refractario desarrollar un estándar para asegurar que cada vez que se realice una reparación con demolición completa del refractario del reactor, la reconstrucción deberá realizarse asegurando que la línea de toberas se encuentre perfectamente alineada. 43 Estándar de operación y aplicación de controles a los parámetros claves de operación. El seguimiento y control de variables y parámetros debe estar asociado a la definición de un estándar de operación para cada proceso operativo involucrado en la eficiencia de la conversión. La definición del estándar de operación recae en la responsabilidad de la Superintendencia de Ingeniería de Procesos, área que es la encargada de definir el rango de operación de cada variable, establecer los controles y llevar el seguimiento en forma disciplinada y metódica. Se deberá implementar controles estrictos para los parámetros claves definidos tanto en la fusión (ley de cobre en eje y metal blanco), como en la conversión (flujo de aire de soplado, enriquecimiento en oxígeno y temperatura). Manejo de materiales secundarios Se debe asegurar que la carga fría y chatarra de cobre se encuentre disponible en el lugar definido para alimentar los convertidores en el momento que el balance de calor lo exija. Esto permitirá mantener bajo control la temperatura del proceso, evitando eventos indeseados. c. Mejoras Tecnológicas Implementación de sistema de medición de temperatura en línea. El uso de un sistema de medición en línea de temperatura del proceso es fundamental para mantener bajo control el balance térmico de estos reactores. Para tales efectos, se propone el uso de la tecnología de pirómetro óptico por toberas, tal como se utiliza en la actualidad en varias Fundiciones extranjeras como Atlantic Copper en Huelva, o bien, completar la implementación en forma definitiva del uso del sistema de medición PIROTEMPERA®, cuya prueba se ha realizado recientemente en Fundición Chuquicamata. Modernizar las instalaciones de punzado. Reemplazar las actuales máquinas de punzado, de operación manual, por máquinas modernas, de operación automática, contribuirá a asegurar el aumento del flujo promedio de aire de soplado a los valores meta definidos y asegurará una operación más controlada y eficiente. De acuerdo a información de proveedores, por el solo hecho de contar con un sistema de punzado automático, el flujo de aire de soplado se incrementará al menos en un 7%, lo cual implicará pasar desde 700 a 750 Nm3/h. 44 Desarrollo de un diseño para alimentación de chatarra de cobre por campana. Se requiere el desarrollo de un diseño de un sistema mecanizado para alimentar chatarra de cobre a través de la campana de gases, lo cual permitirá optimizar aún más el consumo y mantener bajo un mejor control el balance térmico del proceso. Nuevo diseño de campana primaria y secundaria. A raíz de las nuevas exigencias ambientales se realizará el cambio de diseño de campanas primarias y secundarias en todos los convertidores de la Fundición Chuquicamata. Este cambio de tecnología permitirá también absorber la mayor demanda térmica por las modificaciones en las variables de proceso: aumento del flujo de aire de soplado y el mayor nivel de enriquecimiento. Sistema de dosificación de materiales por campana. Modificar el actual sistema de alimentación por campana para permitir incorporar fundentes, carga fría y carbón. Esto permitirá mejorar la continuidad operacional del proceso, aumentar el tiempo efectivo de soplado y disminuir las emisiones fugitivas. Manejo de materiales en nave. Las grúas-puente corresponden a equipos antiguos que ya han cumplido con creces su vida útil. Su reemplazo por unidades nuevas y modernas, permitirá asegurar la continuidad operacional y el movimiento de materiales al interior de la nave Fundición con un alto nivel de servicio, minimizando el impacto negativo de las dificultades logísticas existentes en la actualidad. Unidad de conversión adicional. La evaluación de la unidad adicional de conversión (5° CPS), implica llevar a cabo un análisis asociado a un incremento sustancial del tiempo efectivo de soplado (mayor al 75%) que se plantea lograr mediante las modificaciones en las variables de proceso, y a consecuencia de ello, incrementar la capacidad de fusión. Sin embargo, esta unidad puede también permitir asegurar las condiciones de capacidad instalada para lograr una cartera de 100% ánodos, sin requerir muchas variaciones en las condiciones de proceso. 45 d. Potenciamiento del Recurso Humano Plataforma virtual de entrenamiento y capacitación. Tal como se ha realizado en otros procesos e instalaciones de Codelco y de la minería en general, el uso de una plataforma de entrenamiento y capacitación basada en un simulador virtual de procesos, es una herramienta que ha demostrado ser lo suficientemente eficaz en la preparación y certificación de operadores y mantenedores, con mejores resultados en la adquisición de experiencia y destreza en el manejo de variables, parámetros y situaciones de difícil solución. Como consecuencia de la aplicación de este sistema se obtendrán mejores resultados y se lograrán las metas productivas propuestas. Rediseño de requerimientos de competencias y perfil de cargo. Complementariamente, se deberá redefinir el perfil de cargo y se establecerán las competencias necesarias para los operadores de Conversión, tanto de terreno como de sala de control. Esto es una condición básica para asegurar que las personas encargadas de llevar adelante tengan la preparación requerida. Los resultados esperados de la aplicación del Modelo de Gestión de Operaciones de los Convertidores Peirce-Smith son los siguientes: Parámetro Unidad Flujo de Aire Soplado Enriquecimiento Ley de cobre Eje Ley de cobre MB N° CPS soplando Tiempo Total Disponible Tiempo de ciclo Tiempo total de soplado Cantidad de ciclos máximo Tiempo Efectivo Soplado Nm3/min %O2 %Cu %Cu Un h h h Un % Escenario Referente 700 21,5 60,7 72,2 3 72 7,6 39,7 5,2 55 Escenario Proyectado 750 24,0 65,0 74,0 2 48 6,0 36,4 6,1 76 Tabla N° 7: Parámetros Convertidores Peirce-Smith 46 Escenario Proyectado 775-800 24,0 65,0 74,0 2 48 5,7 36,3 6,4 76 Parámetro Fusión Total Concentrado de Mina Calcina Concentrado de Escoria Fusión de chatarra de cobre Convertidores Hornos 4-5 Producción Cu Total Moldeado Anodos Cu Nuevo Eje/Metal Blanco Acido Sulfúrico Razón Acido/Concentrado Recuperación metalúrgica Fijación de azufre Emisión de azufre Dotación Total Productividad Unidad kton/año kton/año kton/año kton/año Situacion Actual Situación Proyectada 1.500 1.500 1.453 985 0,0 470,0 48 46 kton/año kton/año 35 87 122 0 ktf/año ktf/año ktf/año kton/año ton/ton % % ton/año kg SO2/ton Cu Nuevo h-año ton Cu Nuevo/h-año tms Conc./h-año 553 431 30 1.278 0,85 97,7 88,5 53.468 231 918 502 1.634 609 487 0 1.178 0,79 97,7 89,7 32.462 133 918 531 1.634 Tabla 8: Principales parámetros claves de gestión de Fundición Chuquicamata bajo situación actual y situación proyectada 7. CONCLUSIONES Se ha definido un Modelo de Gestión de Operaciones para la Conversión PeirceSmith de la Fundición Chuquicamata el cual está basado en cuatro ámbitos: variables de proceso, prácticas de operación y mantenimiento, mejoras tecnológicas y potenciamiento del recurso humano. La aplicación del modelo permitirá incrementar su capacidad y productividad, y a consecuencia de ello, se logrará una cartera de producción de 100% ánodos, se disminuirá el gasto de operación y se obtendrá una mejora en la sustentabilidad ambiental. Las variables de proceso que más influyen en la capacidad y eficiencia productiva son: flujo de aire de soplado, enriquecimiento del aire de soplado con oxígeno técnico, ley de cobre en eje y ley de cobre en metal blanco. El análisis de cada una de las brechas detectadas en las variables de proceso ha dado como resultado lo siguiente: El punto de operación de la fusión que permite optimizar el Proceso de conversión corresponde a una ley de 65%Cu en eje y 75%Cu en metal blanco. Con estas medidas operacionales, se logrará disminuir el tiempo efectivo del ciclo de conversión en alrededor de 1,0 hora (60 minutos), respecto de la situación actual (60,7%Cu en Eje y 72,2%Cu en Metal Blanco). La menor ley de cobre en eje y metal blanco en la actualidad, se debe principalmente a la menor ley de cobre en la alimentación a fusión. A futuro esta situación se mitigará con el procesamiento de calcina de la División 47 Ministro Hales, cuyo alto contenido de cobre (37 a 38%Cu) permitirá incrementar la ley ponderada de la fusión en alrededor de 2,2 puntos absolutos. El uso de oxígeno técnico para enriquecer el aire de soplado ha sido una de las medidas más importantes adoptadas por la mayoría de las fundiciones, tanto nacionales como extranjeras. En el caso de la Fundición Chuquicamata, se recomienda el uso de un 23-24% de enriquecimiento en la etapa de soplado a escoria y un 24-25% de enriquecimiento en la etapa de soplado a cobre. El uso de oxígeno técnico en esos niveles, permitirá una reducción adicional del tiempo de soplado en alrededor de 1,0 hora. El mayor consumo de oxígeno técnico en CPS, se encuentra asegurado con la actual capacidad de las plantas de oxígeno (1.160 tpd), sin afectar el consumo de los equipos de fusión. Se sugiere implementar un plan de trabajo para establecer una curva de aprendizaje que considere elevar el flujo de aire de soplado desde 700 Nm3/h hasta 750 Nm3/h en promedio en una primera fase, para posteriormente llegar a un valor que se encuentre en un rango entre 770 a 800 Nm3/h. Con el primer escalón se obtendrá una reducción del tiempo de soplado del ciclo en alrededor de 0,5 horas y con el segundo, entre 0,7 a 0,9 horas, obteniéndose una reducción total entre 1,2 a 1,4 horas. Una serie de cambios en las prácticas de operación y mantenimiento deben acompañar a la nueva condición de operación recomendada. Estos cambios de prácticas principalmente están asociados a la implementación de estándares de operación, utilización de sistemas de seguimiento y control de procesos (como el sistema OPC®) y a mejoras en las terminaciones durante las reparaciones generales de los convertidores. Dentro de un Modelo de Gestión no pueden estar ausentes las mejoras tecnológicas, ya que éstas contribuyen a través del diseño de ingeniería contar con adecuadas instalaciones para lograr las metas y alcanzar los estándares proyectados. La mayoría de las instalaciones existentes en el área de Convertidores son antiguas y ya han cumplido su vida útil. A pesar de lo anterior, aún siguen en funcionamiento. Se plantea la necesidad de llevar a cabo una serie de modificaciones a las instalaciones y mejoras tecnológicas para sustentar la continuidad operacional y asegurar los resultados que se obtendrán con la aplicación del modelo en el largo plazo. Consecuente con las modificaciones planteadas en las variables de proceso, cambio de prácticas de operación y mantenimiento y mejoras tecnológicas, se debe establecer un plan de potenciamiento de todo el personal del área de conversión. Este plan de potenciamiento del recurso humano implica llevar a cabo un sistema de entrenamiento y capacitación y la redefinición de perfiles de cargo y competencias. 48 El principal beneficio que Codelco obtendrá al aplicar el modelo de gestión de operaciones planteado corresponde nsiste en el aumento de capacidad de procesamiento de eje y metal blanco en convertidores Peirce-Smith, lo cual asegurará que la fusión de la totalidad de la calcina producida por la nueva División Ministro Hales en la Fundición Chuquicamata, bajo el actual esquema de operación con dos líneas de fusión, se transforme en ánodos. En forma adicional, se obtienen otros beneficios tales, como: Ahorros por disminución del gasto en procesamiento de chatarra de cobre; Ahorro de gastos asociados a enfriamiento, manejo, transporte de eje/metal blanco y descuentos/penalidades; Mayor ingreso por aumento en la producción de ánodos (Cu nuevo como cátodo); y finalmente, Un aumento en la captura y fijación de contaminantes en alrededor de 1,2 puntos porcentuales. 8. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 8.1. “William Peirce and E.A. Cappelen Smith and their Amazing Copper Converting Machine” Larry M. Southwick International Peirce-Smith Converting Centennial John Wiley and Sons San Francisco, California, USA, February 15-19,2009 8.2. Informes de Gestión Operacional Area Convertidores Peirce-Smith Fundición Chuquicamata Codelco Chile – División Chuquicamata 2005 -2011 8.3. Smelter Costs Analysis Brook Hunt® 2010 8.4. Manual de Capacitación por Competencias “Coordinar Movimientos de Líquidos y/o Materiales en la Nave de la Fundición” - Unidad Conversión CIMM Educación / Gestión Tecnológica Gerencia Fundición División Codelco Norte 2010 49 8.5. Manual de Capacitación por Competencias “Controlar y Operar Conversión en CPS” - Unidad Conversión CIMM Educación / Gestión Tecnológica Gerencia Fundición División Codelco Norte 2010 8.6. Balance de Masa y Energía Fundición Chuquicamata Caso Potenciado Base Documento C01FP03-D-00-INF-F-001 Ingeniería de Detalles Proyecto “Plan de Descontaminación Fundición Chuquicamata, II Etapa”. Subgerencia de Proyectos Codelco Chile - División Chuquicamata 2001 9. ANEXOS 50 ANEXO A: DIAGRAMAS DE PROCESOS 51 DIAGRAMA GENERAL FUNDICION CHUQUICAMATA CASO REFERENTE CAPACIDAD 1.500 kts Concentrado 2.239 tpd 31,7% Cu 32,0% S 80% Fracción 205 tpd 8,0% Cu 74 tpd CuCon Escoria 31,0% Cu 74 tpd CuCon Escoria 31,0% Cu Recup. Cu 77,0% Flotación Escoria 2312 tpd 31,7% Cu 43 tpd Borra Lix. 21% Cu 10% S 80% Fracción 2.333 tpd 31,7% Cu 20% Fracción 655 tpd 2,50% Cu Almacenamiento Concentrado 2.260 tpd 31,7% Cu 32,0% S 265 tpd 10% Cu 43 tpd Borra Lix. 21% Cu 10% S 2,2 tmf Pérdidas por manejo Almacenamiento 977 tpd cola 1,39% Cu 2,2 tmf Pérdidas por manejo 2348 tpd 31,5% Cu Secador 4 2.369 tpd 31,6% Cu Secador 5 Calcina DMH 0 tpd 37,0% Cu 22% S Calcina DMH 0 tpd 37,0% Cu 22% S 94 tpd Polvos (1) 29,4% Cu 1.757 tpd Escoria Descarte 1,21% Cu 2.355 tpd 31,5% Cu 31,6% S Horno Flash 1.118 tpd Eje 62,0% Cu 22,0% S 614 tpd Escoria 2,5% Cu tpd Eje HF Cu tmf Cu/año tmf pérdidas por manejo 50 tpd polvos CPS S/Cu (4) 15% Cu 179 tpd Escoria CPS s/Cu 25% Cu 1.917 72,3% 21,3% Conversión Peirce-Smith s/cobre 1.461 98,5% 0,03% 1.324 tpd Escoria 10,0% Cu tpd Cu S Rendimiento Metalúrgico 97,66% 512 tpd 99,5% Cu 52 106 tpd Scrap 99,5% Cu 264 tpd 99,5% Cu 352 tpd 88 tpd Rechazo 5,0% Rechazo 1.674 tpd Anodos Cu Total Moldeado 1.306 tpd Anodos Cu Nuevo 99,5% Cu Refinería Electrolítica 370 tpd scrap 99,5% CU 1.818 tpd Cátodos 600 kta Cátodos tpd Cu S 37 tpd Polvos CT2 (2) 12,0% Cu tpd MB Cu S 779 tpd MB 72,0% Cu 21,7% S tpd Cu S Refinación Anódica 1.763 tpd Anodos 99,5% Cu 119 tpd Escoria RyM 30% Cu Anodos Externos 1.059 tpd Escoria 10,0% Cu 172 tpd 70,0% Cu 20,0% S 256 tpd Escoria CPS s/eje 8,0% Cu 1.048 tpd Eje 62,0% Cu 22,0% S Conversión Peirce-Smith 966 tpd MB s/eje 73,0% Cu 34 tpd Polvos CPS (3) 21,3% S 15% Cu 70 62,0% 14.322 43 Horno Eléctrico 819 tpd Escoria 2,5% Cu 2.376 31,5% 31,6% Convertidor Teniente 849 72,0% 21,7% Fusión de Chatarra 70 72,0% 15.926 48 tpd MB CT2 Cu tmf Cu/año tmf pérdidas por manejo DIAGRAMA GENERAL FUNDICION CHUQUICAMATA CASO PROYECTADO CAPACIDAD 1.500 kts Concentrado 1.242 tpd 31,7% Cu 32,0% S 80% Fracción 238 tpd 8,0% Cu 71 tpd CuCon Escoria 31,0% Cu 71 tpd CuCon Escoria 31,0% Cu Recup. Cu 77,0% Flotación Escoria 1312 tpd 31,7% Cu 48 tpd Borra Lix. 19% Cu 10% S 80% Fracción 1.890 tpd 31,7% Cu 20% Fracción 559 tpd 2,50% Cu Almacenamiento Concentrado 1.820 tpd 31,7% Cu 32,0% S 238 tpd 10% Cu 894 tpd cola 1,46% Cu 1,3 tmf Pérdidas por manejo 1356 tpd 31,2% Cu Secador 4 1.932 tpd 31,5% Cu Secador 5 Calcina DMH 443 tpd 37,0% Cu 22% S Calcina DMH 1.000 tpd 37,0% Cu 22% S 94 tpd Polvos (1) 26,9% Cu 1.551 tpd Escoria Descarte 1,26% Cu 2.360 tpd 33,7% Cu 27,3% S Horno Flash 1.213 tpd Eje 62,0% Cu 22,0% S 461 tpd Escoria 2,5% Cu Horno Eléctrico 699 tpd Escoria 2,5% Cu 297 tpd Escoria CPS s/eje 8,0% Cu 1.213 tpd Eje 62,0% Cu 22,0% S Conversión Peirce-Smith 1123 tpd MB s/eje 73,0% Cu 40 tpd Polvos CPS (3) 21,3% S 15% Cu 0 tpd Eje HF 62,0% Cu 0 tmf Cu/año 48 tpd Borra Lix. 19% Cu 10% S 1,8 tmf Pérdidas por manejo Almacenamiento 65 tpd polvos CPS S/Cu (4) 15% Cu 234 tpd Escoria CPS s/Cu 25% Cu 2.182 72,4% 21,4% Conversión Peirce-Smith s/cobre 2.002 98,5% 0,03% tpd Cu S tpd Cu S Refinación Anódica 1.942 tpd Anodos 99,5% Cu 131 tpd Escoria RyM 30% Cu Rendimiento Metalúrgico 97,66% Anodos Externos 951 tpd Escoria 10,0% Cu 512 tpd 99,5% Cu tpd Cu S 39 tpd Polvos CT2 (2) 12,0% Cu tpd MB Cu S 900 tpd MB 72,0% Cu 21,7% S 97 tpd Rechazo 370 tpd Scrap 99,5% Cu 0 tpd 99,5% Cu 0 tpd 97 tpd Rechazo 5,0% Rechazo 1.845 tpd Anodos Cu Total Moldeado 1.477 tpd Anodos Cu Nuevo 99,5% Cu Refinería Electrolítica 370 tpd scrap 99,5% CU 1.818 tpd Cátodos 600 kta Cátodos 53 1.189 tpd Escoria 10,0% Cu 158 tpd 70,0% Cu 20,0% S 2.381 32,4% 29,7% Convertidor Teniente 900 72,0% 21,7% Fusión de Chatarra 0 tpd MB CT2 72,0% Cu 0 tmf Cu/año ANEXO B: RESULTADOS GENERALES 54 BASE DE CALCULO MODELO SIMULACION CONVERSION 333 ton PA Cu 63,54 PA As 74,9216 PA Sb 121,76 PA Ag 107,8682 PA Au 196,9665 PA Fe 55,847 Ley Cu (%) 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 %As 0,62 0,63 0,64 0,65 0,67 0,68 0,69 0,70 0,71 0,72 0,73 0,75 0,76 0,77 0,78 0,79 0,80 0,81 0,82 0,84 0,85 0,86 0,87 0,88 %Sb 0,035 0,036 0,037 0,037 0,038 0,039 0,039 0,040 0,041 0,041 0,042 0,043 0,043 0,044 0,045 0,045 0,046 0,046 0,047 0,048 0,048 0,049 0,050 0,050 %Ag 0,029 0,030 0,030 0,031 0,031 0,032 0,033 0,033 0,034 0,034 0,035 0,035 0,036 0,036 0,037 0,037 0,038 0,038 0,039 0,039 0,040 0,041 0,041 0,042 %Au 0,00018 0,00019 0,00019 0,00019 0,00020 0,00020 0,00020 0,00021 0,00021 0,00021 0,00022 0,00022 0,00022 0,00023 0,00023 0,00023 0,00024 0,00024 0,00024 0,00025 0,00025 0,00025 0,00026 0,00026 %Fe 19,08 18,27 17,46 16,65 15,84 15,03 14,23 13,42 12,61 11,80 10,99 10,18 9,38 8,57 7,76 6,95 6,14 5,33 4,53 3,72 2,91 2,10 1,29 0,48 Base 1 carga de 9 ollas de eje o mata PM Cu2S 159,145 PM As2S 3 246,0382 PM Sb2S3 339,715 PM FeS 87,912 PA Ag 107,8682 PA Au 196,9665 Cu2S 229,36 233,53 237,70 241,87 246,04 250,21 254,38 258,55 262,72 266,89 271,06 275,24 279,41 283,58 287,75 291,92 296,09 300,26 304,43 308,60 312,77 316,94 321,11 325,28 As2S3 3,40 3,46 3,52 3,58 3,64 3,70 3,77 3,83 3,89 3,95 4,01 4,07 4,14 4,20 4,26 4,32 4,38 4,44 4,51 4,57 4,63 4,69 4,75 4,82 Sb2S3 0,16 0,17 0,17 0,17 0,18 0,18 0,18 0,19 0,19 0,19 0,19 0,20 0,20 0,20 0,21 0,21 0,21 0,22 0,22 0,22 0,22 0,23 0,23 0,23 FeS 99,98 95,74 91,51 87,27 83,03 78,80 74,56 70,32 66,08 61,85 57,61 53,37 49,14 44,90 40,66 36,43 32,19 27,95 23,72 19,48 15,24 11,01 6,77 2,53 Ag 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10 0,11 0,11 0,11 0,11 0,11 0,12 0,12 0,12 0,12 0,12 0,12 0,13 0,13 0,13 0,13 0,13 0,13 0,14 0,14 Au 0,0006 0,0006 0,0006 0,0006 0,0007 0,0007 0,0007 0,0007 0,0007 0,0007 0,0007 0,0007 0,0007 0,0008 0,0008 0,0008 0,0008 0,0008 0,0008 0,0008 0,0008 0,0008 0,0009 0,0009 PA O 15,996 PA Si 28,086 Cu Fino 183,15 186,48 189,81 193,14 196,47 199,80 203,13 206,46 209,79 213,12 216,45 219,78 223,11 226,44 229,77 233,10 236,43 239,76 243,09 246,42 249,75 253,08 256,41 259,74 Escoria s/Fe PM FeO 71,843 Masa Total 333,0 333,0 333,0 333,0 333,0 333,0 333,0 333,0 333,0 333,0 333,0 333,0 333,0 333,0 333,0 333,0 333,0 333,0 333,0 333,0 333,0 333,0 333,0 333,0 %FeS 30,0% 28,8% 27,5% 26,2% 24,9% 23,7% 22,4% 21,1% 19,8% 18,6% 17,3% 16,0% 14,8% 13,5% 12,2% 10,9% 9,7% 8,4% 7,1% 5,9% 4,6% 3,3% 2,0% 0,8% Fino FeO 81,7 78,2 74,8 71,3 67,9 64,4 60,9 57,5 54,0 50,5 47,1 43,6 40,2 36,7 33,2 29,8 26,3 22,8 19,4 15,9 12,5 9,0 5,5 2,1 Fe fino 63,52 60,82 58,13 55,44 52,75 50,06 47,37 44,67 41,98 39,29 36,60 33,91 31,22 28,53 25,83 23,14 20,45 17,76 15,07 12,38 9,68 6,99 4,30 1,61 S fino 84,01 83,33 82,65 81,97 81,29 80,61 79,93 79,24 78,56 77,88 77,20 76,52 75,84 75,16 74,48 73,80 73,12 72,44 71,76 71,08 70,40 69,72 69,04 68,36 PM Fe3O4 231,525 X FeO a Fe3O4 40,0% 40,0% 40,0% 40,0% 40,0% 40,0% 40,0% 40,0% 40,0% 40,0% 40,0% 40,0% 40,0% 40,0% 40,0% 40,0% 40,0% 40,0% 40,0% 40,0% 40,0% 40,0% 40,0% 40,0% Fino Fe3O4 35,11 33,62 32,13 30,64 29,16 27,67 26,18 24,69 23,21 21,72 20,23 18,74 17,25 15,77 14,28 12,79 11,30 9,82 8,33 6,84 5,35 3,87 2,38 0,89 As fino 2,06782 2,10542 2,14302 2,18061 2,21821 2,25581 2,29340 2,33100 2,36860 2,40619 2,44379 2,48139 2,51898 2,55658 2,59418 2,63177 2,66937 2,70697 2,74456 2,78216 2,81976 2,85735 2,89495 2,93255 PM FeO.SiO2 131,925 X FeO a FeO.SiO2 60,0% 60,0% 60,0% 60,0% 60,0% 60,0% 60,0% 60,0% 60,0% 60,0% 60,0% 60,0% 60,0% 60,0% 60,0% 60,0% 60,0% 60,0% 60,0% 60,0% 60,0% 60,0% 60,0% 60,0% Fino FeO.SiO2 90,02 86,21 82,39 78,58 74,76 70,95 67,13 63,32 59,50 55,69 51,87 48,06 44,24 40,43 36,61 32,80 28,98 25,17 21,35 17,54 13,73 9,91 6,10 2,28 Sb fino 0,11816 0,12031 0,12246 0,12461 0,12675 0,12890 0,13105 0,13320 0,13535 0,13750 0,13965 0,14179 0,14394 0,14609 0,14824 0,15039 0,15254 0,15468 0,15683 0,15898 0,16113 0,16328 0,16543 0,16757 Ag fino 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10 0,11 0,11 0,11 0,11 0,11 0,12 0,12 0,12 0,12 0,12 0,12 0,13 0,13 0,13 0,13 0,13 0,13 0,14 0,14 Au fino 0,0006 0,0006 0,0006 0,0006 0,0007 0,0007 0,0007 0,0007 0,0007 0,0007 0,0007 0,0007 0,0007 0,0008 0,0008 0,0008 0,0008 0,0008 0,0008 0,0008 0,0008 0,0008 0,0009 0,0009 Masa Total 333,0 333,0 333,0 333,0 333,0 333,0 333,0 333,0 333,0 333,0 333,0 333,0 333,0 333,0 333,0 333,0 332,9 332,9 332,9 332,9 332,9 332,9 332,9 332,9 PM Cu2S 159,145 X Cu2S a Escoria Cu2S atrapado Masa Escoria 6,12% 14,0 139,2 5,75% 13,4 133,3 5,40% 12,8 127,4 5,05% 12,2 121,4 4,70% 11,6 115,5 4,40% 11,0 109,6 4,10% 10,4 103,7 3,80% 9,8 97,8 3,55% 9,3 92,0 3,27% 8,7 86,1 2,97% 8,1 80,2 2,72% 7,5 74,3 2,47% 6,9 68,4 2,23% 6,3 62,5 1,98% 5,7 56,6 1,75% 5,1 50,7 1,520% 4,5 44,8 1,300% 3,9 38,9 1,100% 3,3 33,0 0,890% 2,7 27,1 0,680% 2,1 21,2 0,490% 1,6 15,3 0,295% 0,9 9,4 0,110% 0,4 3,5 %Fe 45,64% 45,65% 45,65% 45,66% 45,68% 45,66% 45,66% 45,66% 45,62% 45,62% 45,66% 45,65% 45,64% 45,63% 45,65% 45,65% 45,66% 45,67% 45,62% 45,62% 45,67% 45,62% 45,66% 45,61% %Cu 8,05% 8,05% 8,05% 8,03% 8,00% 8,02% 8,03% 8,02% 8,09% 8,09% 8,02% 8,05% 8,06% 8,08% 8,04% 8,05% 8,02% 8,01% 8,10% 8,08% 8,01% 8,09% 8,03% 8,10% %Fe3O4 25,23% 25,23% 25,23% 25,24% 25,25% 25,24% 25,24% 25,24% 25,21% 25,21% 25,24% 25,23% 25,23% 25,22% 25,23% 25,23% 25,24% 25,24% 25,21% 25,22% 25,24% 25,21% 25,24% 25,21% Sensibilización Tiempo Soplado – Ley de Cobre en Eje – Enriquecimiento %O2 – Flujo de Aire Total de Soplado 700 Nm3/min 55 Soplado a Escoria Aire de Soplado Ley Cu (%) 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 Flujo de Aire 3 Nm /h 695 695 695 695 695 695 695 695 695 695 695 695 695 695 695 695 695 695 695 695 695 695 695 695 Oxígeno Técnico 3 Nm /h 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 Oxígeno Estequiométrico para FeS Oxígeno Disponible Tiempo s/Escoria Oxígeno Indicador de eficiencia del Estequiométr ico para soplado Soplado a cobre Indicador de Tiempo s/Cu eficiencia del soplado Total ciclo Flujo Total Enriquecimiento %O2 Nm 3/h tph ton min h min/ton FeS ton min h min/ton Cu2S min h 700 700 700 700 700 700 700 700 700 700 700 700 700 700 700 700 700 700 700 700 700 700 700 700 21,52% 21,52% 21,52% 21,52% 21,52% 21,52% 21,52% 21,52% 21,52% 21,52% 21,52% 21,52% 21,52% 21,52% 21,52% 21,52% 21,52% 21,52% 21,52% 21,52% 21,52% 21,52% 21,52% 21,52% 151 151 151 151 151 151 151 151 151 151 151 151 151 151 151 151 151 151 151 151 151 151 151 151 0,2152 0,2152 0,2152 0,2152 0,2152 0,2152 0,2152 0,2152 0,2152 0,2152 0,2152 0,2152 0,2152 0,2152 0,2152 0,2152 0,2152 0,2152 0,2152 0,2152 0,2152 0,2152 0,2152 0,2152 60,02 57,47 54,93 52,39 49,84 47,30 44,76 42,21 39,67 37,13 34,58 32,04 29,50 26,95 24,41 21,87 19,32 16,78 14,24 11,69 9,15 6,61 4,06 1,52 279 267 255 243 232 220 208 196 184 173 161 149 137 125 113 102 90 78 66 54 43 31 19 7 4,6 4,5 4,3 4,1 3,9 3,7 3,5 3,3 3,1 2,9 2,7 2,5 2,3 2,1 1,9 1,7 1,5 1,3 1,1 0,9 0,7 0,5 0,3 0,1 2,79 2,79 2,79 2,79 2,79 2,79 2,79 2,79 2,79 2,79 2,79 2,79 2,79 2,79 2,79 2,79 2,79 2,79 2,79 2,79 2,79 2,79 2,79 2,79 48,55 49,43 50,31 51,19 52,08 52,96 53,84 54,72 55,61 56,49 57,37 58,26 59,14 60,02 60,90 61,79 62,67 63,55 64,43 65,32 66,20 67,08 67,96 68,85 226 230 234 238 242 246 250 254 258 262 267 271 275 279 283 287 291 295 299 303 308 312 316 320 3,8 3,8 3,9 4,0 4,0 4,1 4,2 4,2 4,3 4,4 4,4 4,5 4,6 4,6 4,7 4,8 4,9 4,9 5,0 5,1 5,1 5,2 5,3 5,3 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 504 497 489 481 474 466 458 450 443 435 427 420 412 404 396 389 381 373 366 358 350 342 335 327 8,4 8,3 8,2 8,0 7,9 7,8 7,6 7,5 7,4 7,2 7,1 7,0 6,9 6,7 6,6 6,5 6,3 6,2 6,1 6,0 5,8 5,7 5,6 5,4 Sensibilización Tiempo Soplado – Ley de Cobre en Eje – Enriquecimiento %O2 – Flujo de Aire Total de Soplado 700 Nm3/min 56