Fusió flash

Archiu:Flash smelting (Outokumpu furnace).svg

Esquema d'un forn flash de Outokumpu

La fusió flash és un procés d'extracció pirometalúrgica de metals no ferrosos, que consistix en oxidar i fondre simultàneament els metals continguts en una mena sulfurosa, com la calcopirita. El procés va ser inventat per l'empresa finlandesa Outokumpu, sent utilisat des de 1949 per a la metalúrgia del coure. Des de llavors, s'ha adaptat a l'extracció de níquel i plom. Al començ de XXI, la fundició flash participa en el 50 % de la producció mundial de coure, el 30 % de la producció de níquel i el 10 % de la producció de plom.

Història

Fi de el XIX: primers intents

Archiu:Hollway converting furnace.png

Forn convertidor propost per John Hollway en 1879 per a fondre pirita en mata de coure. El convertidor utilisat és del tipo vertical, un model primitiu inventat per Bessemer i abandonat en favor de la forma en retorta

Artícul principal → John Hollway.

L'idea de oxidar el sofre contingut en els minerals de coure sulfurosos és antiga. En la década de 1870, el metalúrgic anglés John M. Hollway va experimentar en la fusió i l'afinado del coure per mig d'un convertidor inspirat en el convertidor Bessemer. Va propondre el sulfur de ferro com a combustible, generant la seua oxidació per a formar SO
2 i una escoria de LLEIG. No obstant, l'oxidació no és completa: Hollway es va preocupar de tindre sempre un excés de sofre en el bany de material fos per a evitar l'oxidació del coure, pero també del níquel i dels metals preciosos que generalment acompanyen al coure en chicotetes proporcions, com l'argent o l'or.

Per lo tant, Hollway estava considerant la producció d'una mata blanca, és dir, una mescla de coure i sofre, pero no va planejar dur la refinación més allà per a eliminar tot el sofre. Va començar una série d'extensos experiments a mitan de la década de 1870 en Penistone, en Anglaterra, convertint-se en el pioner dels intents de fondre i refinar pirita cupríferas en un sol pas. A pesar de la seua perseverança, Hollway no va conseguir desenrollar un procés utilisable industrialmente:

No obstant, sense ocultar res dels seus fracassos i publicant palesos sense futur, Hollway va fer públics en detalle les seues proves i els seus resultats. Per lo tant, quan Pierre Manhès i Paul David varen desenrollar el procés Manhès-David, el seu invent es va beneficiar immediatament de l'experiència adquirida en les proves de Hollway. Pero el seu procés es llimitava al refinat per mig del insuflado d'aire en una mata prèviament fosa.

Primera mitat de XX: processos específics

En 1898, el metalúrgic nortamericà Edward Dyer Peters va calcular que el 60 % del cost de producció del coure corresponia al consum de combustible. A cap metalúrgic se li escapava que este combustible s'utilisava per a eliminar el ferro i el sofre combinats en el coure. No obstant, estos elements en sí mateixos podrien ser combustibles útils. En particular, el torrat de minerals és una operació d'desulfuración que requerix un us intensiu de combustible.

L'us d'un alt forn per a la fusió de pirita de coure es va provar ya en 1878. El coque iniciava la combustió del sofre contingut en el mineral. Gràcies a l'excelent eficiència de l'alt forn, era possible obtindre una reducció del 40 % en els costs de combustible. Ademés, s'evitaven les etapes de trituración i de tostación del mineral, que representaven llavors entre el 17 % i el 50 % del cost de transformació del mineral en coure. Pero la fundició en alts forns també té els seus inconvenients, perque és efectiu sol en minerals suficientment rics i de naturalea rocosa; i els jaciments metalíferos d'este tipo ya estaven casi tots agotats en la década de 1930. Estos forns també eren difícils d'operar i produïen una mata de baixa calitat.

L'us d'un forn de reverbero també permet la fusió i el refinat simultàneus de pirita, i en 1878 el metalúrgic nortamericà Henry L. Bridgman va patentar el seu principi de funcionament, que consistia en oxidar el mineral sulfuroso una volta polvorisat finament. Si ben els processos d'enriquiment que es varen començar a desenrollar (com la flotació per bromera), facilitaven la producció de dit mineral, l'idea no es va materialisar. Ademés, la baixa eficiència dels forns de reverbero va fer que tot el procés solament permetera una reducció del 5 % del combustible necessari. En 1915, investigadors de la companyia Anaconda Copper varen patentar l'us d'un regenerador Siemens per a millorar la seua eficiència tèrmica. Pero no hi ha constància de que el seu invent, de la mateixa manera que el similar patentat en 1932 per Horace Freeman, aplegara a ser materialisat.

Basant-se en estes paleses, alguns investigadors que donaven per assentada la teoria de l'oxidació de la pirita, varen començar a treballar en la seua posada en pràctica a escala industrial. En la década de 1930, Frederick Laist i J. P. Cooper, encara de Anaconda Copper, varen demostrar que recuperar la calor lliberada per l'oxidació de pirita durant la seua torrat sobre solera giratòria podia aforrar fins a un 60 % del combustible necessari per a l'operació. En 1935 es va evaluar un forn similar en l'Unió Soviètica, que s'abandonaria poc despuix pel mal resultat dels refractarios i a l'obstrucció del forn causada per partícules foses. En 1937, la Société française dones mines de Bor va provar un forn vertical, pero va abandonar les seues proves per dificultats tècniques, i especialment per l'inici de la Segona Guerra Mundial.

Finalment, en 1936, Telfer E. Norman, un metalúrgic que treballava en nom de la companyia Inco, va publicar una revisió exhaustiva sobre el tema de la fusió de pirita sense combustible. Va demostrar que la calor despresa per l'oxidació de les pirita no és suficient per a la fusió: el calfament del nitrogen de l'aire utilisat per a oxidar les pirita consumia massa calor. No obstant, en una atmòsfera que continguera més del 40% d'oxigen, la fusió d'un mineral sulfuroso molt concentrat es tornava teòricament possible. Ya que, en eixe moment, les tècniques criogèniques per a produir oxigen pur es varen tornar prou viables per a aplicacions industrials, no existia cap impediment teòric o tecnològic per al desenroll d'un procés de fusió autógena per a les pirita:

Sempre que es puga desenrollar un forn adequat i demostre ser una ferramenta [industrialmente] satisfactòria, el paràmetro que es torna més important seria el cost relatiu del combustible i de l'oxigen..

J. Newton & C. L. Wilson; (Metallurgy of Copper)

No obstant, l'arribada de la Segona Guerra Mundial va supondre que se suspengueren totes les investigacions.

Década de 1950: desenroll del procés

Outokumpu

Artícul principal → Outokumpu.

En 1936, la chicoteta empresa finlandesa Outokumpu, fundada en 1914 prop de la localitat epónima per a explotar un depòsit de coure local, va encarregar una forn d'arc elèctric per a la fundició del mineral en mata. Este forn era llavors el més gran del món per a este us. Pero, en 1944, l'Armistici de Moscou va donar lloc a l'anexió per part de l'Unió Soviètica de la regió finlandesa de Carelia, i per lo tant de les dos represas hidroelèctriques d'Enso-Vallinkoski i de Lesogorsk/Rouhiala, privant al mateix temps a Finlàndia d'un terç de la seua capacitat de producció d'electricitat. Este fet, combinat en la desmovilización i el pagament de reparacions de guerra (el 61 % de les exportacions del país en 1945) va supondre una gran pressió sobre l'indústria finlandesa. Mentres l'empresa Outokumpu consumia el 3% de l'electricitat del país, el preu d'esta energia es va quintuplicar entre 1946 i 1948.

Pero, ya en 1945, anticipant-se a les fortes restriccions que estava sofrint el suministrament elèctric, l'empresa es va embarcar en l'estudi del desenroll d'un procés més eficient energèticament. En tan sol tres mesos, l'equip de quatre ingeniers encarregat de solucionar el problema va idear una alternativa. Els seus càlculs varen demostrar que oxidando el mineral concentrat en aire, i després recuperant la calor dels fums per a precalentar l'aire oxidant, era possible conseguir la fusió casi sense agregar combustible. En febrer de 1947, menys de dos anys despuix de l'inici dels estudis, ya estava operatiu l'antecessor dels forns de fusió flash. Es va construir un model industrial a partir de setembre, que va començar a operar tres mesos despuix. En 1949, el procés estava operatiu en la fàbrica d'Harjavalta, encara que el forn elèctric d'abans de la guerra encara va assegurar un terç de la producció de Outokumpu fins a 1953.

Inco

Artícul principal → Inco.

Despuix de la Segona Guerra Mundial, el jagant mundial de níquel, l'empresa canadenca Inco va recomençar l'investigació a on Norman s'havia detingut. En abundant electricitat gràcies a l'explotació de les catarates del Niágara, i unint-se a la francesa Air Liquide, una empresa més chicoteta pero molt més agressiva que la seua competidora Linde, Inco va reprendre el desenroll d'un forn de fundició flash per mig d'enriquiment en oxigen. El prototip es va començar en giner de 1947 (és dir, un més abans que el de Outokumpu), pero el primer model industrial operatiu solament va estar llest el 2 de giner de 1952. De la mateixa manera que el seu equivalent Outokumpu, és una evolució directa del forn de reverbero.

Encara que el forn flash de Inco no tenia el propòsit d'aforrar energia com el de Outokumpu, va demostrar ser tèrmicament més eficient. De fet, els bescanviadors de calor elegits per Outokumpu són menys sofisticats que els de tecnologia criogènica utilisats per Inco. També són més fràgils i menys eficients.

L'absència de nitrogen en l'aire comburente genera fums molt rics en SO
2 (aproximadament un 50%), lo que simplifica considerablement el seu tractament. Aixina, en 1952, el primer forn industrial de Inco estava associat a una unitat de tractament de tamany estàndar, mentres que eliminava dèu voltes més sofre que qualsevol atra unitat equivalent en el món.

Forns flash

Archiu:Evolution copper smelting.svg

Evolució dels processos amprats en la metalúrgia extractiva del coure, en relació en el número de fundició que els utilisen a nivell mundial

Forn flash de Outokumpu

Encara que menys eficient que el disseny de Inco, el forn de Outokumpu va acabar imponent-se. De fet, l'empresa finlandesa va adoptar una estratègia de venda dels seus palesos i exportació de la seua procediment que va permetre la ràpida difusió de la seua tecnologia. Pel contrari, Inco solament va utilisar fundició flash per a mantindre la seua cuasi-monopoli en la producció de níquel.

El forn de Outokumpu consta d'un cilindre vertical, el reactor, per la part superior del qual entra el mineral concentrat sec i polvorisat, i l'aire, possiblement mesclat en oxigen, combustible o un fundente silíceo. Dut instantàneament a alta temperatura, el concentrat es oxida i fon durant la seua caiguda en el reactor. Després aplega a la cambra de sedimentación, a on se separen la mata i la lechada. Els fums escapen per l'atre extrem de la cambra a través d'un conducte vertical, que els du a un recuperador de calor. En Harjavalta, un concentrat de coure al 23 % dona una mata de coure al 64 % i genera entre un 11 i un 14 % de SO
2. En 1996, el forn flash més gran d'este tipo, instalat en Sant Manuel (Arizona), va produir 1,2 Mtm/any de mata i inclús podria haver alcançat 2 Mtm/any en algunes modificacions. En comparació a un forn de reverbero, la producció és 4 voltes major per a una superfície igual, i el consum d'energia es dividix per 2.

Originalment, el precalentamiento de l'aire a una temperatura d'entre 200 i 800 °C permetia conseguir un funcionament autógeno. En 1971, Outokumpu va adoptar l'enriquiment d'oxigen en la seua planta de Harjavalta. Esta actualisació du el forn de Outokumpu al mateix nivell d'eficiència energètica que el de Inco Al començ de XXI, l'enriquiment d'oxigen, a nivells d'entre el 30 i el 90 %, va reemplaçar casi en tots els llocs a la recuperació de calor.

En 1978, el forn flash instalat en Głogów (Polònia), va conseguir per primera volta realisar una fusió flash suficientment oxidant per a produir blister, és dir, coure metàlic en algunes impurees, en lloc de mata, fent innecessari el pas del afinado de la mata realisat pel procés Manhès-David en un convertidor Peirce-Smith. La fundició d'Olympic Dam (Austràlia), també va adoptar este procés en 1988. Al començ de el XXI, la fundició flash de mineral per a obtindre blister solament està operativa en estes dos plantes.

Este forn també es va utilisar per a la producció de plom i per a recuperar els residus de jarosita (un sulfat de ferro i potassi). Un dels seus principals inconvenients és la seua incapacitat per a fondre els residus de coure.

Al començ de el XXI, un forn flash gran de Outokumpu normalment medix interiorment 20 m de llarc, 7 m d'ample i 2 m d'alt. El seu interior està revestit en rajoles refractarios de magnesita-cromo, gelats per una camisa d'aigua. Dit forn transforma diàriament 3000 tm de concentrats en 1500 tm de mata i unes atres tantes escorias, utilisant aire enriquit en el 50-80% d'oxigen. Pot funcionar ininterrompudament durant més de 8 anys sense majors reparacions del seu revestiment refractario intern.

Forn flash de Inco

Archiu:Flash smelting (Inco furnace).svg

Esquema del forn flash de Inco

El forn de Inco consistix en introduir per filtre laterals el mineral concentrat polvorisat mesclat en fundentes. Transportat per l'oxigen, el mineral entra a la cámara a on s'encén instantàneament. Els fums són evacuats a través d'un fumeral central. En 1996, en la planta de Copper Cliff, un forn de Inco va produir una mata de coure-níquel al 45 %, una escoria de Cu-Ni al 0,75 % i un fum en SO
2 al 75 %.

El funcionament en oxigen pur genera fums molt rics en SO
2 (del 55 al 75 % de SO
2, front a l'1 % d'un forn de reverbero), lo que facilita el seu reprocesamiento: l'unitat de tractament de fums és 10 voltes més chicoteta que la d'un forn de reverbero de la mateixa capacitat. Ademés, la recuperació de calor és més fàcil pel baix volum de fums.

En 2011, la fundició flash va assegurar les tres quartes parts de la producció de níquel extret de minerals sulfurosos (els minerals de níquel tipo saprolito es fonen en un forn elèctric). Hi ha 9 forns de fusió flash dedicats a la producció de níquel: 7 forns tipo Outotec que proporcionen el 70% de la fusió flash de níquel i 2 forns tipo Inco que produïxen el 30% restant.

Al principi de el XXI, un forn flash gran de Inco normalment medix interiorment 22 m de llarc, 5,5 m d'ample i 5 m d'alt. El seu interior està revestit en rajoles refractarios de magnesita-cromo, gelats per una camisa d'aigua. Dit forn transforma diàriament 1800 tm de concentrats en 1000 tm de mata i 1200 tm de escoria, consumint 450 tm d'oxigen pur. Pot operar durant 5 a 6 anys sense reparacions importants en el seu revestiment refractario intern.

Forn flash Kivcet

Archiu:Flash smelting (Kivcet furnace).svg

Esquema del forn flash Kivcet

Directament derivat del forn de Outokumpu, el forn Kivcet va ser desenrollat en 1967 per l'Institut soviètic VNIITSVETMET en Öskemen, Kazakhstan, baix la direcció del professor A. P. Sychev. En 1985, es va instalar la primera unitat industrial per a la producció de plom i zinc en el kombinat de Öskemen (ara Kazzinc). En la seua primera versió, la cambra de reacció estava ubicada en el centre del forn, i les partícules allí estaven animades per un moviment ciclònic. A continuació, els materials fosos es proyectaven contra la paret, fluint sobre ella. Pero el PbO corroe el revestiment del refractario, per lo que es va abandonar esta disposició per a donar lloc al disseny actual, en el que la cambra de reacció està separada del forn d'arc elèctric.

La cámara és un forn flash clàssic que utilisa oxigen pur. L'oxidació dels sulfur és suficientment exotèrmica com per a provocar la seua fusió. Pero abans d'aplegar al fondo de la cambra de decantament, els òxits fosos travessen una capa de coque a més 1200 °C que, a tals temperatures, ardix lliberant un gas altament reductor, monòxit de carbono. Aixina, els òxits fosos sofrixen una reducció fins a alcançar el seu estat metàlic. Esta reducció, aixina com la separació per decantament entre el metal i la escoria, es completa en el forn elèctric, els electrodos del qual mantenen els materials en fusió.

En 2004, el procés Kivcet va representar el 10% de la capacitat de producció mundial de plom (estimada en 3,54 Mtm/any). El procés també s'utilisa per a la producció de coure.