El convertidor de oxígeno soplado por el fondo o BBOC es un horno de fundición desarrollado por el personal de Britannia Refined Metals Limited (“BRM”), una subsidiaria británica de MIM Holdings Limited (que ahora forma parte del grupo de empresas Glencore). El horno lo comercializa actualmente Glencore Technology. Es un horno sellado de fondo plano montado sobre un marco basculante que se utiliza en la recuperación de metales preciosos. Una característica clave es el uso de una lanza envuelta para inyectar oxígeno a través del fondo del horno, directamente en los metales preciosos contenidos en el horno, para oxidar los metales básicos u otras impurezas como parte de su eliminación como escoria. [1]
Los minerales extraídos por su contenido de metales básicos a menudo contienen metales preciosos , generalmente oro y plata . Estos deben eliminarse de los metales básicos como parte de los procesos de refinación utilizados para purificar los metales. En el caso de la refinación electrolítica del cobre , el oro y la plata caen al fondo de la celda de refinación electrolítica como " lodos " que posteriormente se tratan para recuperar el oro y la plata como subproductos. En el caso de la refinación del plomo , la plata, el oro y otros metales preciosos generalmente se eliminan mediante el proceso Parkes , en el que se agrega zinc al lingote de plomo impuro para recolectar la plata, el oro y otros metales preciosos. [2]
La refinería de plomo de BRM en Northfleet , Inglaterra, utiliza el proceso Parkes seguido de licuación y una retorta de inducción al vacío para recuperar metales preciosos. [3] El producto de este proceso es una alimentación para el BBOC que consiste en una mezcla de plomo, plata (60-75%), zinc (2-3%) y cobre (2-3%), con trazas de oro. [4] Antes del desarrollo del BBOC, BRM utilizaba copelación en un horno de copelación de reverbero de 15 toneladas (“t”) para recuperar los metales preciosos de esta mezcla. [4] Tres de estos hornos se utilizaban para producir 450 t de plata al año. [3]
La copelación funciona exponiendo la mezcla a alta temperatura al aire o al oxígeno . [5] Los metales base, al ser menos nobles que la plata y el oro, reaccionan con el oxígeno para formar sus óxidos, [4] que se separan de los metales nobles para formar una escoria que flota en la parte superior de los metales residuales (o “ doré ”). En BRM, el doré contiene 99,7% de plata. [4]
Para maximizar la transferencia de oxígeno desde el aire de soplado en el horno de reverbero, se utiliza un baño poco profundo, aumentando así la relación entre el área de superficie y el volumen del horno. [6]
Un problema con el uso de hornos de reverbero para la copelación es que el zinc se oxida primero, formando una costra en la parte superior del material fundido. [3] Esta costra impide la penetración de oxígeno al resto del material, por lo que debe romperse manualmente y eliminarse utilizando una barra desbastadora . [4] Esto requiere mucha mano de obra y también da como resultado la pérdida de parte de la plata. [3] De manera similar, la escoria de plomo oxidada debe eliminarse cuando se forma para mantener la operación, y su eliminación también da como resultado la pérdida de plata. [3]
El BBOC fue desarrollado por el personal de BRM como una forma de reducir estos y otros problemas, como la baja eficiencia energética y la baja utilización de oxígeno, asociados con el proceso de copelación reverberatoria. [3]
El horno BBOC es un recipiente cilíndrico de acero con un revestimiento interno protector de ladrillos refractarios . Está montado sobre un marco inclinable que le permite sostenerse en diferentes ángulos en diferentes etapas de su ciclo de funcionamiento (ver Figura 2). Una campana está fijada sobre la parte superior del horno, proporcionando un sello que evita que el plomo y otros humos escapen durante el funcionamiento del horno (ver Figura 1).
La característica principal del BBOC es la lanza envuelta que pasa a través de los ladrillos refractarios en la parte inferior del horno. Esta lanza permite que el oxígeno se inyecte directamente en el metal fundido contenido en el horno, lejos del revestimiento refractario. [6] De esta manera, se puede retirar la región de altas velocidades de reacción de la proximidad del revestimiento, lo que reduce su desgaste.
Al inyectar el oxígeno directamente en el baño, en lugar de soplarlo por encima (como en el caso del horno de copelación reverberante o los convertidores rotativos de soplado superior), la eficiencia de transferencia de oxígeno no se ve impedida por la presencia de la capa de escoria. [6] Esto da como resultado una eficiencia de utilización de oxígeno cercana al 100%. [6]
La falta de interferencia en la transferencia de oxígeno por la capa de escoria tiene un par de beneficios clave. El primero es que la mayor certeza en la estimación de la eficiencia de utilización del oxígeno significa que es más fácil calcular el punto final del proceso, lo que hace que el control del proceso sea mucho más fácil. [6] El segundo es que se puede tolerar una capa de escoria más gruesa (porque el oxígeno no tiene que pasar a través de ella), y esto significa que se reducen las pérdidas de plata en la escoria (porque es la plata en la interfaz entre el metal y la escoria la que se arrastra durante la eliminación de la escoria y cuanto más gruesa es la capa de escoria, menor es el contenido de plata de la escoria eliminada). [6] BRM informó una disminución en el contenido de plata de la escoria de BBOC en comparación con la escoria del horno de reverbero del 50%. [6]
BRM descubrió que la velocidad de reacción del BBOC era entre 10 y 20 veces mayor que la de su horno de copelación reverberante. [6]
El desgaste refractario en el BBOC se limita en gran medida a la línea de escoria, en la parte superior del metal, donde el ataque del litargirio ( óxido de plomo ) es mayor. [6] Esto se combate mediante el uso de ladrillos de magnesita-cromo de grano fundido y unión directa para revestir el interior de la carcasa del horno. [6]
La figura 2 muestra las posiciones del BBOC en varias etapas del ciclo operativo.
El BBOC se mantiene en posición vertical durante la etapa de carga. [6] Se añade una carga sólida o líquida utilizando una grúa aérea. [6] A continuación, el horno se inclina hacia delante de modo que la lanza esté por encima de la carga, y la carga se funde utilizando un quemador de petróleo o gas natural que se inserta cerca de la parte superior del horno. [6] Una vez que la carga se ha fundido, el horno se inclina de nuevo a la posición de soplado y se inyecta oxígeno en el baño. [6] La escoria formada a partir de la oxidación del plomo y el zinc se elimina periódicamente inclinando el horno hacia delante de nuevo y vertiéndola. [6]
El caudal de oxígeno durante el soplado para un horno con una capacidad de tres toneladas es de 20–30 Nm 3 /h. [4] El zinc se oxida inicialmente para formar una escoria de óxido de zinc en la superficie de la carga, pero a medida que se forma óxido de plomo posteriormente, se crea una escoria fluida de óxidos de zinc y plomo. [3] La mayor parte del cobre se elimina al mismo tiempo que el plomo. [4] La eliminación final del cobre a un nivel de 0,04% se realiza al final del proceso mediante la adición de plomo para recolectar el cobre. [4]
Si es necesario reemplazar la lanza en cualquier momento durante el funcionamiento, esto se hace inclinando el horno hacia adelante hasta que la lanza esté por encima de la superficie del baño, [6] donde se puede quitar y reemplazar sin que el contenido del horno se drene a través del orificio en el revestimiento del horno.
El proceso de copelación finaliza cuando la plata tiene una pureza de aproximadamente el 99,7 %. [4] En este punto, la plata se vierte desde el horno y se transfiere a otro horno, donde se agrega un fundente para mejorar y eliminar el oxígeno de la plata para producir lingotes comerciales con una pureza del 99,9 %. [4]
El personal de BRM comenzó a trabajar en una alternativa al horno de copelación reverberatorio convencional a principios de la década de 1980. [6] Esto incluyó una revisión de la tecnología disponible, incluido el convertidor rotatorio de soplado superior ("TBRC"), en el que se realizaron trabajos de prueba. [3]
Una de las primeras áreas investigadas fue el uso de aire de soplado enriquecido con oxígeno en el horno de reverbero. [6] Se determinó que esto “era de beneficio marginal y no económicamente viable”. [6]
Posteriormente, el personal del BRM intentó aumentar la tasa de transferencia de oxígeno mediante el uso de lanzas sumergidas en el baño del horno de reverbero y descubrió que esto reportaba algún beneficio. [6] Sin embargo, la tasa de desgaste de las lanzas era excesiva y se advirtió que el diseño básico del horno, con su baño poco profundo, no era propicio para el desarrollo de un reactor de alta intensidad. [6]
El concepto luego evolucionó hacia un nuevo diseño de horno, uno que tenía un baño profundo, en contraste con el diseño del horno de reverbero. [6]
Las pruebas iniciales de la inyección de oxígeno desde abajo se llevaron a cabo a pequeña escala en el Imperial College de Londres, utilizando una tobera revestida de nitrógeno. [3] Estas mostraron que, en determinadas condiciones, se formaría una acreción protectora en la punta del inyector y que la utilización de oxígeno era alta, y que las reacciones de oxidación generaban suficiente calor para mantener el horno caliente hasta las etapas finales de refinación, cuando los niveles de impurezas eran bajos. [4]
Además, las pruebas realizadas en el TBRC habían demostrado que presentaba una alta tasa de desgaste refractario, debido a la acción de lavado de la escoria causada por la rotación del horno, lo que proporcionaba una presión adicional para desarrollar un proceso alternativo. [3] Las pruebas del TBRC también dieron como resultado una baja utilización de oxígeno (alrededor del 60%). [3]
Basándose en el éxito de las pruebas a pequeña escala, y con cálculos que indicaban que el nuevo diseño supondría un importante ahorro energético respecto del horno de reverbero, el personal de BRM construyó una planta piloto de 1,5 t con un volumen de trabajo de 150 litros (“L”). [4] El inyector de oxígeno era una tobera fija, situada en la esquina de la base con la pared lateral, con una cubierta anular de nitrógeno. [4]
Las pruebas iniciales de la planta piloto demostraron que era difícil mantener la acreción protectora que se había generado en las pruebas a pequeña escala, debido a la variación en la temperatura y la composición del lingote que se produjo durante todo el ciclo de copelación. [4] Sin la acreción, la cubierta de nitrógeno no podía proporcionar suficiente protección al inyector, y se quemó hasta el nivel del revestimiento refractario, lo que provocó daños en el revestimiento. [4]
La solución que finalmente se desarrolló fue el concepto del sistema de lanza móvil en lugar de la tobera fija que se había utilizado inicialmente. [4] La lanza se empujaba más hacia el interior del horno a medida que su punta se desgastaba. [4]
El sistema inicial de avance de la lanza era manual, pero posteriormente se desarrolló el sistema automatizado actual. [4]
Una vez desarrollado un sistema sostenible en la planta piloto, y después de tres años de desarrollo de la planta piloto, se puso en funcionamiento un BBOC comercial a escala de 3 t en BRM en 1986. [3] Su uso redujo el consumo de combustible por tonelada de plata en un 85%, de 30 gigajulios por tonelada (“GJ/t”) a 4,5 GJ/t y el volumen de gases de escape de 32 000 Nm 3 /h a 7500 Nm 3 /h. [4]
Tras el éxito de la operación del BBOC en BRM, MIM Holdings Limited (“MIM”) decidió conceder licencias de la tecnología a otros operadores de fundiciones y refinerías. Entre los primeros en adoptarla se encontraban Hindustan Zinc Limited, que en 1995 tenía dos plantas de BBOC de 1 t en funcionamiento en la India, y ASARCO Inc., que operaba un horno de BBOC de 3 t en su refinería de Omaha, Nebraska. [4]
La empresa sudafricana Rand Refinery Limited reconstruyó su fundición en 1986, incorporando dos TBRC de 1,5 t y un pequeño horno de reverbero estático para copelación con el fin de producir lingotes de doré que contuvieran oro y plata. [7] El concepto original era producir lingotes de doré directamente a partir de los TBRC, pero esto resultó imposible, ya que se consideró imposible completar la etapa de oxidación manteniendo las temperaturas a las que el doré permanecería fundido. [7] En consecuencia, el horno de reverbero de copelación fue necesario para completar el proceso. [7]
En enero de 1993, el equipo de gestión de la refinería Rand decidió revisar tecnologías alternativas para reemplazar el circuito TBRC-horno reverberante, con el objetivo de realizar la copelación en una sola etapa. [7] Después de evaluar la posibilidad de modificar los TBRC existentes reemplazando la combinación de lanza-quemador existente con una lanza y quemador separados, y considerando el reemplazo completo de los TBRC con un horno de lanza sumergido superior Ausmelt, la refinería Rand decidió reemplazar uno de los TBRC con un BBOC de 4 t. [7] El TBRC restante se utiliza para tratar la escoria de litargirio para recuperar el plomo para la venta. [7]
La refinería Rand BBOC se puso en funcionamiento en 1994. [7] Los operadores informaron de una reducción del 28% de los costes operativos cuando se compararon los costes de la BBOC con los de la combinación TBRC-horno de reverbero. [7] Esto incluyó una reducción del 45% de los costes de oxígeno a granel y la reducción a la mitad del número de operadores necesarios para hacer funcionar la planta. [7] La vida útil del refractario de la BBOC fue de 13 semanas, en comparación con una vida útil media de 2 semanas para los TBRC. [7] Otros costes de mantenimiento también se redujeron. [7]
La fundición de plomo Broken Hill Associated Smelters Proprietary Limited (“BHAS”), actualmente propiedad de Nyrstar NV, ha sido la fundición de plomo más grande del mundo. [8] Su personal fue responsable de muchos desarrollos técnicos importantes en la industria de fundición de plomo, incluida la planta de sinterización de corriente ascendente y la refinación continua de plomo. [9]
Hasta 1990, BHAS recuperaba plata en un proceso de copelación reverberatoria de dos etapas. [10] Este proceso adolecía de bajas recuperaciones (80-83%), un largo tiempo de ciclo (4-5 días) que causaba grandes inventarios en proceso, uso ineficiente de mano de obra y energía y mala higiene en el lugar de trabajo. [11] Después de un programa de trabajo de prueba realizado en las instalaciones de Ausmelt en Melbourne, BHAS cambió a utilizar un proceso basado en la lanza sumergida superior de Sirosmelt en junio de 1990. [10]
El cambio al horno de lanza aumentó la utilización de oxígeno al 95% y el tiempo del ciclo se redujo a un poco menos de ocho horas, “pero el grado del doré que se podía producir económicamente era pobre”. [11] El doré del nuevo horno todavía contenía alrededor de 0,8% de plomo y 0,4% de cobre. [11] También se encontró que no era práctico fundir placas de ánodo de doré directamente desde el horno Sirosmelt, por lo que el doré Sirosmelt tuvo que pasar por un paso de refinación adicional en un horno de reverbero, junto con un fundente de nitrato de sodio. [11]
Luego, en 1996, BHAS decidió modernizar el circuito de refinación y reemplazó el horno de refinación de plata Sirosmelt por un horno BBOC. [12] La puesta en servicio del circuito de refinación modernizado se completó en 1999, y el rendimiento de plomo se incrementó en un 11%, y la capacidad de refinación de plata aumentó a más de 400 t/año. [11]
El proceso BBOC resultó ser “generalmente exitoso”, [11] aunque sufrió algunos problemas con el atasco de la lanza que se atribuyeron a niveles más altos de lo esperado de zinc en la alimentación, debido a problemas para eliminar el zinc en etapas anteriores del circuito de refinería. [12] Los niveles más altos de zinc también causaron un desgaste refractario mayor de lo esperado y un consumo excesivo de la lanza, porque el calor generado por la oxidación del zinc era mayor que el de la oxidación del plomo. [12]
El horno BBOC demostró ser capaz de producir doré con un contenido de tan solo 0,01 % de plomo y menos de 0,1 % de cobre a una temperatura de alrededor de 1050 °C, pero BHAS quería fundir el doré directamente en placas de ánodo utilizando un transportador de fundición de doré existente. [12] La fundición utilizando el transportador existente resultó imposible a una temperatura de funcionamiento de 1050 °C, porque la alta conductividad térmica de la plata provocó que se congelara antes de llegar a los moldes. [12] En consecuencia, BHAS decidió aumentar la temperatura de funcionamiento a 1100-1150 °C para que la plata permaneciera líquida hasta que se fundiera en los moldes de ánodo. [12] Un efecto secundario de esto es que el contenido de plomo y cobre del producto doré es mayor que si el horno funciona a 1050 °C, con 0,2 % de plomo y 0,6 % de cobre. [12] Los cálculos termodinámicos han demostrado que esto es inevitable a esta temperatura de funcionamiento más alta. [11]
Además de las fundiciones mencionadas hasta ahora, la BBOC ha otorgado licencias a los operadores de la fundición Trail en Columbia Británica, la fundición Belledune en Nuevo Brunswick, la fundición Noyelles Godault en Francia, la fundición de zinc Korea Zinc en Onsan, Corea del Sur, y la fundición de plomo en Chanderiya en India. [13]
Además de su uso en la recuperación de plata en refinerías de plomo, el BBOC se ha utilizado para tratar lodos anódicos de refinerías electrolíticas de cobre .
Los lodos anódicos están compuestos de partículas sólidas que no se disuelven en el electrolito en las celdas de refinación. [14] Esto incluye el oro y la plata presentes en los ánodos de cobre que se están refinando. [15] Al igual que con la recuperación de plata en la fundición de plomo, los hornos de reverbero se utilizan a menudo en la industria de refinación de cobre para la purificación y recuperación de oro y plata de los lodos anódicos. [16] [17] Sin embargo, los hornos de reverbero sufren desventajas similares en la producción de ánodo doré de cobre como en las refinerías de plomo, [18] incluyendo el resultado de un gran inventario de oro en el sistema. [6] [18] Otros tipos de hornos utilizados, incluyen convertidores rotativos de soplado superior [17] [18] y hornos rotativos cortos. [17]
En 1991, la refinería de cobre ASARCO Amarillo cambió el tratamiento de lodos anódicos en horno de reverbero por un horno de reverbero de baja temperatura (BBOC) para reducir el inventario de oro. [6] El horno de reverbero original tenía una capacidad de 15 t. [6] El ciclo de producción del horno de reverbero era típicamente de 7 a 10 días, y la producción final de doré era de aproximadamente 8 t por ciclo. [6]
Se instaló un único BBOC con capacidad de 3 t y se descubrió que aumentaba el rechazo de selenio de los lodos, con una reducción en los requisitos de fundente de aproximadamente el 80 %. [4]
En la década de 1990, la refinería de cobre de Niihama, propiedad de Sumitomo Metal Mining Company Limited (“Sumitomo”), trató lodos de ánodo de cobre generados internamente, junto con lodos de ánodo de la refinería Toyo de Sumitomo y lodos de refinería de plomo de la fundición Harima Imperial Smelting Process . [19] Un total de 1200 toneladas por año (“t/a”) de lodos de ánodo y 400 t/a de lodos de refinería de plomo se trataron utilizando un diagrama de flujo de proceso que incluía un paso de cloración para separar el plomo como cloruro de plomo (PbCl 2 ) y un horno doré de tipo reverbero. [19] Producía anualmente alrededor de 200 t de plata, 22 t de oro, 1,5 t de paladio , 300 kilogramos (“kg”) de platino y 40 kg de rodio , así como 60 t de selenio , 50 t de bismuto , 900 kg de telurio y 150 t de aleación de antimonio . [19]
La producción de oro se duplicó durante la década hasta 1996, a medida que su concentración en lodos anódicos y la cantidad de lodos anódicos aumentaron. [19] Para lograrlo, Sumitomo decidió en 1990 modernizar la refinería y, como parte de esa modernización, instaló un BBOC de 3,5 t de capacidad para reemplazar su horno de reverbero doré en octubre de 1992. [19]
Sumitomo informó que, si bien el viejo horno de reverbero alimentado con petróleo había funcionado bien durante muchos años, tenía los siguientes inconvenientes:
Sumitomo investigó tanto los hornos TBRC como los BBOC antes de tomar una decisión. [19] Eligió el BBOC en lugar de la tecnología TBRC debido a la facilidad de control de la temperatura del baño, su alta eficiencia de oxígeno y su simple mantenimiento. [19]
Sumitomo descubrió que el contenido de impurezas de los ánodos doré de BBOC era alto cuando se puso en funcionamiento el horno por primera vez. [19] Esto se debió a que era importante determinar el punto final de las reacciones de oxidación para maximizar la calidad de los ánodos. [19] Sumitomo descubrió que esto se podía determinar midiendo el contenido de oxígeno del gas de escape utilizando sensores de oxígeno basados en zirconia estabilizada con un electrodo de referencia Fe/FeO. [19]
Posteriormente, Sumitomo adaptó el BBOC para permitir que el paso de cloración se llevara a cabo en el horno, eliminando así la necesidad de un horno de cloración separado para la producción de cloruro de plomo. [19] Esto se hizo en febrero de 1994 y se informó que estaba “dando muy buenos resultados”. [19]
La refinería de cobre Takehara de Mitsui Mining & Smelting Company Limited de Japón puso en funcionamiento un BBOC en su departamento de metales preciosos en 1993. [4]
Antes de la instalación del BBOC, la refinería de Takehara refinaba una mezcla de lodos de ánodo de cobre y plomo en tres hornos de reverbero (dos en funcionamiento y uno en proceso de renovación de ladrillos) en un proceso que tenía un tiempo de ciclo de 104 horas para refinar 6 t de lingotes. [4]
Los hornos de reverbero fueron reemplazados por un solo BBOC con una capacidad de carga de 6 t de alimentación. [4] El tiempo de ciclo se redujo a 50 horas. [4] El uso del BBOC redujo el consumo de energía de 74 GJ/t a 27 GJ/t y también tuvo una mejor eliminación de bismuto que los hornos de reverbero. [4]
Se han reportado las siguientes ventajas para el BBOC: