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Timestamp: 2020-05-29 13:35:54+00:00

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Tesis Mejora Control Tren de Gases | Fundición | Cobre
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Ppla Enero 2014
UNIVERSIDAD TECNICA FEDERICO SANTA MARIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA Y AMBIENTAL VALPARAISO – CHILE
MEJORA DEL SISTEMA DE CONTROL DEL TREN DE GASES.
DIVISION FUNDICIÓN CHAGRES, ANGLOAMERICAN-CHILE
HUMBERTO PATRICIO CABRERA SUÁREZ
TESIS COMO REQUISITO PARA OPTAR AL GRADO DE:
MAGISTER EN CIENCIAS DE LA INGENIERÍA QUÍMICA.
MEMORIA COMO REQUISITO PARA OPTAR AL TÍTULO DE:
PROFESOR GUIA PROFESOR CORREFERENTE CORRREFERENTE EXTERNO
: DR. LUIS BERGH O. : DR. JUAN YIANATOS B. : SR. FERNANDO ROMERO.
Trabajo de Tesis, presentado en cumplimiento parcial de los requisitos para la obtención del título de Ingeniero Civil Químico y el grado de Magíster en Ciencias de la Ingeniería Química de la Universidad Técnica Federico Santa María.
Dr. Luis Bergh Olivares
Dr. Juan Yianatos Bernardino
Sr. Fernando Romero Espinosa
Valparaíso, Noviembre de 2012
"No desprecies el recuerdo del camino recorrido. Ello no retrasa vuestra carrera, sino que la dirige; el que olvida el punto de partida pierde fácilmente la meta."
Quisiera dedicar estas palabras a todas las personas que me ayudaron a lograr que esta etapa de mi vida fuera posible…
A mis padres, Patricio y Silvia, que gracias a su amor, consejos, apoyo y comprensión en
todos los momentos de mi vida…
A Patricia, por ser mi compañera y amiga, por su comprensión y apoyo en todo lo que me
A mi hermano y tíos, por su constante preocupación y apoyo hacia mis objetivos…
A mis amigos Jair Hernández, Rodrigo Fariña, Vanessa Medina, Diego Pineda, Ignacio
Martinez, Tomás Olfos, Fernando Cornejo, Francisco Guzmán, Felipe Puga y Rurik Ortloff, por todos los momentos buenos y malos que compartimos, y que gracias a eso se formó un fuerte vínculo de amistad…
A mi profesor guía Luis Bergh, por todos sus consejos, apoyo, paciencia, confianza y
conocimientos entregados, los cuales hicieron que gran parte de este trabajo fuera posible y llegara a un buen termino…
A la División Fundición Chagres de AngloAmerican-Chile, por la oportunidad de realizar
mi trabajo en sus instalaciones. A las personas del taller de instrumentación, taller eléctrico,
operadores de consola y de terreno. Agradecer especialmente a mi tutor en la faena, durante
el tiempo que duró mi estadía, Cristian Sulzer, por su respaldo brindado hacia mi trabajo,
por la confianza depositada en las ideas presentadas, por su visión crítica y práctica hacia el trabajo realizado.
Uno de los procesos fundamentales en la producción de cobre, son los procesos piro metalúrgicos. Gracias a este proceso se producen ánodos de cobre a partir de minerales sulfurados, lo que representa más del 80% de la producción total de cobre. Fundición Chagres, pertenece a Minera Sur Andes que a su vez es parte del conglomerado AngloAmerican. En 2010 produjo 137.934 toneladas de cobre anódico y 466.729 toneladas de ácido sulfúrico. El cobre anódico es producido mediante la fusión de concentrado de cobre, seguido por una etapa de conversión de este metal fundido y luego una refinación y moldeo del metal. El ácido sulfúrico se produce captando los gases de fusión y conversión, transportándolos por el tren de gases hasta la planta de ácido. Se realizó un estudio de las principales variables de la zona de transporte de gases, como son la presión en el horno de fusión flash, la presión en la cámara de mezcla, flujo de gases y concentración de SO 2 en los gases a la planta de ácido. También se estudió la apertura de los dampers de regulación de los convertidores, además de la presión en las campanas de colección de gases. Se identificaron las perturbaciones del sistema, las que producían alzas de la presión tanto en el horno de fusión flash como en la cámara de mezcla, con la consiguiente emanación de gases al ambiente. Estas perturbaciones provienen de la zona de conversión, debido al ingreso y salida de los convertidores al proceso de soplado, generando variaciones bruscas en la presión del tren de gases. También se detectó una alta variabilidad del flujo de gases hacia la planta de ácido y en la presión de la cámara de mezcla, asociada a la operación manual del proceso. La optimización de la operación del tren de gases se realizó a través de la proposición, desarrollo e implementación de un sistema de control híbrido para los sopladores. Este sistema consideró el control de las presiones y flujos en las unidades asociadas, de manera de minimizar las variaciones de la concentración de dióxido de azufre en los gases a planta de tratamiento, como también las variaciones de presiones en convertidores y horno flash, que afectan al proceso de fusión-conversión. El sistema de control híbrido, integra
algoritmos de control convencional (PID) con técnicas de inteligencia artificial (sistemas expertos). El controlador hibrido produjo una disminución de la variabilidad en la presión en la cámara de mezcla de un 71%, lo que se traduce en una mayor estabilidad en el tren de gases. La operación automática genera un aumento, en el promedio, del flujo de gases de un 2% y disminuyendo su variabilidad en casi en 80%. También se logró una disminución del tiempo en que la cámara de mezcla se encuentra en presión positiva, de un 8% en operación manual, a un 0,3% en operación automática, reduciendo las emisiones al medio ambiente, que es uno de los objetivos de los controladores implementados. El buen funcionamiento de este controlador es un primer paso en mejorar el manejo de los gases de fundición, manteniendo una operación más estable, disminuyendo las emisiones de gases al ambiente y transportando más gases a la planta de ácido, con la consecuente mayor recuperación de azufre.
One of the fundamental processes to extract and produce copper is the pyrometallurgy route. In this processes metal is recovered from the mineral by the application of high temperatures and in absence of water, the product of this stage are copper anodes. This route is followed by sulfated minerals, which in turn represent onver 80% of the copper production. Chagres foundry belongs to the mining company Minera Sur Andes which at the same time belongs to Anglo American. In the year 2010, 137,934 metric tons of anodic copper produced and 466,729 metric tons of sulphuric acid were produced. Anodic copper is produced by smelting the copper concentrate followed by a conversion stage of this molten metal; then refined and cast. The sulphuric acid is produced by the capture of the smelting and conversion gases, taking them through the gas system to the acid plant. A study was realized conducted on the main variables affecting the gas transport zone, some of these are pressure, HFF, pressure in the mixing chamber, gas flow and concentration of SO 2 in the gases to the acid plant. The opening of the regulation dampers belonging to the converters was also studied, along with the pressure in the fume collection chambers. The perturbations in the system that affected the pressure of the HFF and the gas mixing chamber generating a pressure increase which later implied an escape of gases to the environment were identified. These disturbances come from the conversion stage, due to the inlet and outlet of the converters to the blowing process. These generating rash variations in the pressure of the gas transport system. The high variability of the gas flow towards the acid plant and the pressure in the mixing chamber associated to manual operation of the system was also detected. The optimization of the gas transport system operation was achieved through the proposal, development and implementation of a hybrid control system for the blowers. The control of the pressure and flow in the associated units were considered, in away so that the variations of the sulphur dioxide concentrations in the gases towards the treatment plant were minimized. Also the pressure variations in the converters and flash smelter, that affected the smelting process, where considered. The hybrid control system integrates conventional (PID) control with artificial intelligence techniques (expert systems).
The implementation of the controller was a decrease in the variability of the pressure in the mixing chamber (71%), a higher stability en the gas system. The automatic operation generated an increase in the average flow of gases towards the acid plant of 2%. The variability decreased almost in 80%. A time decrease was also achieved in the mixing chamber in positive pressure, of 7.86% in manual operation and 0.31% in automatic operation. This is translated in lower emissions towards the environment, being this one of the objectives of this controller. By the achieving of good results with this type of controllers the first step in a better management of the foundry gases with the objective of maintaining a more stable operation, lowering the contaminants emitted to the environment and finally producing more sulphuric acid as a result of the bigger amount of gases transported to the plant.
PRINCIPIOS DE FUNDICIÓN
Etapa de Fusión (Davenport, 2002), (Kawatra, 2009)
2.1.1 Reacciones de la Fundición de
2.1.2 Proceso de Fundición: Consideraciones
Productos de la Fusión: Mata, Escoria y Gases de Fundición
Gases de Fundición
2.1.4 Fusión Flash, Proceso Outokumpu (Kojo y Storch, 2006), (Peuraniemi y Lahtinem,
Conversión de Mata (Davenport, 2002. Kawatra, 2009. Moskalyk y Alfantazi,
Reacciones de Conversión
2.2.1.1 Reacciones de Soplado a Cobre
2.2.1.2 Eliminación de Impurezas Durante la
Operación de un Convertidor Pierce-Smith (CPS)
Captura y Fijación de Azufre (Davenport, 2002. EFMA,
2.3.1 Producción de Ácido Sulfúrico
2.3.2 Tratamiento de los Gases de Fundición
Enfriamiento del Gas y Recuperación de
2.3.2.2 Precipitación Electrostática de Polvos
2.3.2.3 Lavado con agua y
2.3.2.4 Secado de Gas
2.3.2.5 Sopladores Principales de la Planta de
2.3.3 Oxidación de SO 2 a SO 3
2.3.4 Absorción de SO 3
ANTECEDENTES DIVISIÓN FUNDICIÓN CHAGRES
División Fundición Chagres (AngloAmerican, 2011)
3.2 Proceso Productivo Fundición Chagres (Gerencia de Operaciones Fundición Chagres, 2006)
3.2.1 Preparación de Carga
3.2.2 Secado de
3.2.3 Alimentación de
3.2.4 Quemador Principal de Carga
3.2.5 Conversión de Mata
3.2.6 Hornos de Limpieza de Escoria
3.2.7 Hornos de Refino y Moldeo de
3.2.8 Producción de
Sistema de Control Fundición Chagres (Campos, 2010)
3.3.1 Sistema Experion PKS (Honeywell,
3.3.2 Arquitectura del Sistema (Honeywell, 2007)
ANÁLISIS DE VARIABLES OPERACIONALES DEL PROCESO DE EXTRACCIÓN DE GASES, FUNDICIÓN
Proceso de Extracción de Gases, Fundición Chagres
Configuración del Tren de Gases HFF y CPS
Características del Tren de Gases de Horno
4.1.3 Características del Tren de Gases de
4.1.4 Características de la Cámara de
4.1.5 Características de la Planta de Limpieza de Gases
Análisis Operacional del Proceso de Extracción de Gases, Fundición
4.2.1 Tren de Gases Horno
4.2.2 Tren de gases conversión
4.2.3 Cámara de
4.2.4 Planta de Limpieza de
Potencial de Mejoras en Operación del Tren de
ANTECEDENTES DEL CONTROL HÍBRIDO
Control Híbrido (Gutierrez, 2009. Nguten y Sorensen,
5.1.2 Estructura de un sistema
Control Experto (Liao,
5.2.2 Características de un Sistema Experto
5.2.3 Estructura de un Sistema Experto
Control PID (Mazzone, 2003. Molina, 2000)
5.3.2 Estructura de un controlador
Controlador PID-PL (Profit Loop PKS) (Honeywell, 2007)
CONSTRUCCIÓN DE SISTEMA DE CONTROL DEL TREN DE
6.2 Controlador de Admisión de Gases de Convertidores Peirce
6.3 Controlador de Presión de Cámara de Mezcla, Flujo de Gases y Concentración de
SO 2 a Planta de
RESULTADOS DEL CONTROLADOR HÍBRIDO DEL TREN DE
Controlador de dampers de regulación CPS
Controlador de sopladores del tren de
Figura 2.1 % de Cobre en la escoria (después de la etapa de limpieza) como función del % Cu en la mata (Davenport, 2002) Figura 2.2 Estructura de un horno fusión flash. (King M. G., 2007) Figura 2.3 Diagrama de Convertidor Pierce Smith, donde se muestra todos los mecanismos
utilizados (John G. Peacey,
Figura 2.4 Diagrama de producción de ácido sulfúrico (EFMA, 2000)
Figura 3.1 Imagen Fundición Chagres
Figura 3.2 Esquema del proceso productivo de la Fundición Chagres (AngloAmerican Chile, 2011)
Figura 3.3 Partes principales del quemador de concentrado:
Figura 3.4 Componentes del Sistema Experion
Figura 3.5 Gabinete ingreso de señales de terreno mediante fibra óptica (ModBus) y PLC locales mediante Ethernet
Figura 4.1 Tren de gases Fundición
Figura 4.2 Diagrama P&ID del tren de gases
Figura 4.3 Gráfico de Presión y setpoint de presión en
Figura 4.4 Operación del VTI de
Figura 4.5 Flujo de alimentación y setpoint de carga al
Figura 4.6 Gráfico presión de descarga VTI CPS [mmca]
Figura 4.7 Velocidad del VTI CPS, expresada como % de
Diagrama de ubicación de sensores de presión en CPS
Figura 4.9 Perfiles de presión durante la etapa de soplando de un
Figura 4.10 Presión interna y externa de campana CPS1
Figura 4.11 Presión interna y externa de campana CPS2
Figura 4.12 Presión interna y externa de campana CPS3
Figura 4.13 Presión interna y externa de campana CPS4
Figura 4.14 Comportamiento de la presión de toberas [kPa], % apertura de damper y posición [°]
Figura 4.15 Comportamiento de la presión de toberas [kPa], % apertura de damper y posición [°]
Figura 4.16 Comportamiento de presión de toberas [kPa], % apertura de damper y posición
[°] CPS3
Figura 4.17 Comportamiento de la presión de toberas [kPa], % apertura de damper y posición [°]
Comportamiento de la presión en la cámara de mezcla
Figura 4.19 Comportamiento de la apertura de álabes de sopladores KKK’s
Figura 4.20 Comportamiento del flujo de gases a planta de limpieza de
Figura 4.21 Corriente consumida por sopladores KKK 1 y KKK 2 Figura 4.22 Concentración de SO 2 a la planta de limpieza de gases Figura 4.23 Presión en cámara de mezcla, presión en HFF, apertura de damper de regulación CPS1 y CPS2 Figura 4.24 Diagrama de variables, perturbaciones, recursos en el Figura 5.1 Esquema de controlador Figura 5.2 Esquema de un lazo de control SISO Figura 6.1 Estrategia de control para zona de transporte de Figura 6.2 Imagen del CM “REG_DAMPER_CPSX”, detección de convertidor preparado
para Figura 6.3 Imagen del CM “REG_DAMPER_CPSX”, detección del rango posición de
Figura 6.4 Imagen del CM “REG_DAMPER_CPSX”, apertura de damper de regulación mediante posición del
Figura 6.5 Imagen CM “CPSX_DAMPER”
Figura 6.6 Imagen CM “CPSX_DAMPER”
Figura 6.7 Imagen de CM
Figura 6.8 Imagen de CM “REG_DUMPER_CPSX”
Figura 6.9 Controlador PID-PL PIC4501, control de presión cámara de
Figura 6.10 Ventana principal del controlador
Figura 6.11 Ventana de algoritmo del controlador
Figura 6.12 Ventana de setpoint del controlador
Figura 6.13 Ventana de salidas del controlador
Figura 6.14 Ventana avanzada del controlador PID-PL
Figura 6.15 Ventana resumen del asistente de modelo del controlador PID-PL
Figura 6.16 Ventana de creación de modelo mediante PID Tuning del controlador PID-PL.
Figura 6.17 Muestra de programación de lógica de control del controlador Figura 6.18 Muestra de programación de lógica difusa de control para el controlador
Figura 6.19 Programación para controlador PIC3827D, control VTI CPS
Figura 7.1 Comportamiento controlador de dampers de regulación CPS en forma automática
Figura 7.2 Comportamiento controlador de dampers de regulación CPS en forma manual.
Figura 7.3 Comportamiento de concentración de SO 2 en gases a planta de
Figura 7.4 Comportamiento flujo de gases a planta de ácido
Figura 7.5 Corriente a soplador
Figura 7.6 Corriente a soplador
Figura 7.7 Frecuencia de VTI CPS
Figura 7.8 Presión en cámara de mezcla Figura 7.9 Comportamiento de presión de campana interna, externa y presión de toberas
Figura 7.10 Comportamiento de presión de campana interna, externa y presión de CPS4 113
Figura A.0.1 Correlación cruzada de variables del tren de gases
Figura C.1 Resultado de pruebas controlador de dampers de regulación en CPS1
Figura C.2 Resultado de pruebas controlador de dampers de regulación en CPS2
Figura C.3 Resultado de pruebas controlador de dampers de regulación en CPS3
Figura C.4 Resultado de pruebas controlador de dampers de regulación en CPS4
Tabla 2.1 Distribución estimada de impurezas durante la producción de mata con un 55% de Cu (Steinhauser, 1984). El material volatilizado es usualmente condensado y retornado al Tabla 2.2 Distribución de impurezas durante conversión Peirce-Smith de matas de baja y alta ley (Mendoza y Luraschi, Tabla 6.1 Rango de posición para apertura de damper de regulación de
Tabla 6.2 Valores de apertura de dampers de regulación para CPS seleccionado y que no se
encuentra en “soplado” Tabla 6.3 Rangos de setpoint dependiendo de la concentración de SO 2 hacia la planta de
Tabla 7.1 Comparación entre las variables para operación manual y automática
Tabla 7.2 Tiempo de operación en presión positiva con controladores funcionando en modalidad manual y
Tabla A.1 Tags y variables de correlación cruzada tren de
Unos de los procesos fundamentales en la producción de cobre, son los procesos piro metalúrgicos (procesos para recuperar un metal a partir del mineral, realizado a altas temperaturas, y con prescindencia de una fase acuosa). Gracias a este proceso se producen ánodos de cobre a partir de minerales sulfurados, lo que representa más del 80% de la producción total de cobre. Una de las 7 fundiciones ubicadas en Chile, que realiza este proceso, es la Fundición Chagres. Fundición Chagres, pertenece a Minera Sur Andes que a su vez es parte del conglomerado AngloAmerican. Se encuentra ubicada en la V Región, en la comuna de Catemu, a 100 kilómetros al norte de Santiago y a 400 metros sobre el nivel del mar. Su proceso productivo (fusión de concentrados de cobre) se realiza mediante el moderno horno flash, una tecnología que destaca por sus bajas emisiones y que hace de esta fundición la líder en materia medio ambiental en Chile. En 2010 produjo 137.934 toneladas de cobre anódico y 466.729 toneladas de ácido sulfúrico. La División Chagres cuenta con una dotación aproximada de 500 trabajadores, entre personal propio y contratistas de operación y proyectos. El proceso piro metalúrgico del concentrado proveniente de Las Tórtolas, El Soldado y Terceros, comienza con la Fusión en el Horno Flash Outokumpu (HFF). Este proceso genera eje, escoria y gases de fundición. El eje está formado de cobre asociado principalmente a azufre y hierro, y la escoria posee principalmente óxidos de hierro y sílice. Ambos productos poseen diferente densidad, lo que permite una separación del eje y la
escoria. Los gases que se producen en el HFF son enviados a la planta de tratamiento de gases de la fundición. El eje formado en el HFF pasa por un proceso de conversión, obteniéndose un cobre blíster (96% de pureza), mediante el soplado de aire enriquecido con O 2 , obteniendo una escoria rica en Fe (Soplado de Fierro) y una rica en óxidos de cobre (soplado de cobre), además de producir gran cantidad de gases que son enviados a la planta de ácido. El cobre blíster producido en Conversión es enviada a la etapa de Refinación (Horno de Refino), donde se oxida el Blister soplando O 2 , para en una segunda etapa, reducir con el fin de bajar los niveles de O 2 . Gracias a todo este proceso se obtiene Cu Anódico, el cual es dirigido a una fase final de moldeo de ánodos. En estas etapas intermedias del proceso, las escorias se tratan en los hornos de limpieza de escorias (HLE), para luego ser recirculadas. Todos los gases producidos en Horno Flash y los Convertidores Pierce Smith (CPS), no pueden ser enviados al medio ambiente debido al alto grado de contaminación que estos producen, para lo cual la fundición posee todo un sistema de captación de gases, que son enviados a la planta de ácido, donde el SO 2 es trasformado en ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ), que posee valor comercial. El objetivo general es estudiar y optimizar la operación del tren de gases en la Fundición Chagres. Los gases producidos en los convertidores Pierce Smith y horno Flash, de flujo y composición de dióxido de azufre variables en el tiempo, son transportados hasta la planta de tratamiento de gases y de producción de ácido sulfúrico. Actualmente esta operación presenta problemas que afectan tanto a la operación de convertidores como horno Flash en la fundición y a la planta de tratamiento de gases. Parte de estos problemas se relacionan con el sistema actual de operación manual. La optimización de la operación del tren de gases se hará a través de la proposición, desarrollo e implementación de un sistema de control híbrido para los sopladores. Este sistema considerará el control de las presiones y flujos en las unidades asociadas, de manera de minimizar las variaciones de la concentración de dióxido de azufre en los gases a planta de tratamiento, como también las variaciones de presiones en convertidores y horno flash, que afectan al proceso de fusión-conversión. El sistema de control híbrido, integrará algoritmos de control convencional (PID) con técnicas de inteligencia artificial (sistemas expertos).
Realizar un análisis de las variables del Proceso de Extracción de Gases de la Fundición Chagres.
Proponer, desarrollar e implementar un sistema de control híbrido para el control de los sopladores de la fundición.
En las fundiciones de cobre existen tres procesos principales:
Etapa de Fusión.
Etapa de Captura y Fijación de Azufre.
Con estos procesos se consiguen los productos principales que son ánodos de cobre y ácido sulfúrico.
2.1 Etapa de Fusión (Davenport, 2002), (Kawatra, 2009).
El beneficio de minerales de cobre genera concentrados consistentes mayormente de minerales sulfurados, con pequeñas cantidades de gangas oxidadas (Al 2 O 3 , CaO, MgO, SiO 2 ). Teóricamente, este material puede ser tratado directamente para producir cobre metálico por la oxidación de los sulfuros a cobre elemental y óxidos de fierro.
CuFeS 2 + 5/2 O 2  Cu 0 + FeO + 2 SO 2
Cu 2 S + O 2  2 Cu 0 + SO 2
FeS 2 + 5/2 O 2  FeO + 2 SO 2
Estas reacciones son exotérmicas, es decir, generan calor. Como resultado, la fusión de concentrados de cobre debería generar (i) cobre fundido y (ii) escoria fundida que contiene flujo de óxidos, gangas oxidadas y FeO. Sin embargo, bajo las condiciones de oxidación, el cobre tiende a formar cobre oxidado, así como metálico:
Cu 2 S + 3/2 O 2  Cu 2 O + SO 2
Cuando esto ocurre, el Cu 2 O se disuelve en la escoria durante la producción de cobre. Una mayor cantidad de hierro en el concentrado significa una mayor generación de escorias. Una mayor generación de escoria significa una mayor pérdida de cobre.
La fase fundida rica en sulfuro es conocido como mata y la fase fundida rica en óxidos es conocido como escoria. El calentamiento de un concentrado sulfurado a una temperatura de 1200°C y la oxidación de algo de Fe para generar mata y escoria fundida, es decir:
CuFeS 2 + O 2 + SiO 2  Cu-Fe-S + FeO*SiO 2 + SO 2
Esto es conocido como mata fundida. Es necesario llevar a cabo una remoción parcial del Fe para realizar una producción de cobre exitosa.
2.1.1 Reacciones de la Fundición de Mata.
El objetivo principal de la fundición de mata es trasformar el concentrado de cobre en tres productos: mata fundida, escoria fundida y gases de fundición. Esto se logra con la reacción con O 2 . El oxíigeno es casi siempre alimentado como aire enriquecido con oxígeno. La reacción inicial es de la forma:
La estequiometria de las especies depende de los niveles de calcopirita y otros minerales de Cu-Fe sulfurados presentes en el concentrado y el grado de oxidación del Fe.
Las estrategias de fundición involucran una serie de ventajas y desventajas. La más significativa es entre la ley de la mata (% de Cu) y la recuperación. El ingreso de una gran cantidad de O 2 oxida una mayor cantidad de Fe, por lo tanto menos cantidad de Fe sulfurado termina en la mata. Esto genera una mata de mayor ley. Por otro lado, si se utiliza una mayor cantidad de oxígeno provoca oxidación del cobre, como se muestra en la Ecuación (2.4)
El cobre generado por esta reacción se disuelve en la escoria, siendo esto indeseado. Como resultado, la correcta adición de O 2 necesario produce una ley aceptable de la mata sin generar una escoria alta en cobre, es una parte clave de las estrategias de fundición.
Un segundo set de reacciones importantes en la operación de la fundición involucra el FeO contenido en la escoria. Si la actividad del FeO en la escoria es muy alto, este reaccionará con Cu 2 S en la mata:
FeO + Cu 2 S  FeS + Cu 2 O
Esta reacción no es favorecida termodinámicamente (K eq ~ 10 -4 a 1200 °C). Sin embargo, una alta actividad del FeO en la escoria y una baja actividad del FeS en la mata, genera alta actividad del Cu 2 O en la escoria. (Esto ocurre si gran cantidad de Fe del concentrado se oxida). Esto produce que cobre quede en la escoria. Adicionalmente, el FeO reacciona con O 2 para formar magnetita si la actividad es muy alta:
3FeO + ½ O 2  Fe 3 O 4 (s)
Como resultado de esto, la disminución de la actividad del FeO es importante. Esto se logra por la adición de un flujo de sílice:
Feo + SiO 2  FeO*SiO 2
Sin embargo, esto es una ventaja y desventaja. El costo y la energía requerida para calentar y fundir aumentan debido al aumento del uso de sílice. La viscosidad de las escorias de fundición incrementa a medida que aumenta la cantidad de sílice. Esto hace que la escoria sea más difícil de manejar y también reduce la velocidad de sedimentación de las partículas en la mata a través de la escoria. Si las partículas de mata no pueden sedimentar rápidamente, serán arrastradas por la escoria, esto aumenta las pérdidas de Cu. Como resultado de esto, se requiere un equilibrio entre los niveles de FeO y SiO 2 en la escoria.
2.1.2 Proceso de Fundición: Consideraciones Generales.
Si bien los equipos industriales de fundición de mata y los procedimientos varían, todos los procesos de fusión tienen una secuencia de eventos común. La secuencia incluye:
(a) Contacto entre partículas de concentrado y un flujo de gas que contiene oxígeno en
un horno caliente. Esto causa que las partículas de mineral sulfurado se oxiden rápidamente, como muestra la Ecuación (2.6). La reacción es exotérmica, y la energía que ella genera calienta y funde los productos. El tiempo de contacto entre las partículas de concentrado y el gas es corto (algunos segundos), esto es esencial para asegurar una buena cinética de reacción. Casi todas las fundiciones realizan la mezcla de concentrado con el gas antes del ingreso al horno de fusión. El uso de aire enriquecido con oxígeno en lugar de solo aire, mejora la cinética de reacción, y esto ha incrementado su uso.
El uso de aire enriquecido con oxígeno u oxigeno también hace que el proceso sea más autotérmico. Porque al alimentar menor cantidad de nitrógeno al horno, menos calor es removido en los gases de fundición. Esto significa que más del calor generado por las reacciones es transferido a la mata y la escoria. Como resultado, se requiere menos (o nada) de combustión de hidrocarburos para asegurar una adecuada temperatura final de la escoria y la mata, ~ 1250°C.
(b) Dejar que la mata decante a través de la capa de escoria hacia el interior de la capa de mata por debajo de la escoria. La mayoría de los hornos de fusión proporcionan una región tranquila para este fin. Durante la sedimentación, el FeS en la mata reacciona con el Cu 2 O disuelto en la escoria por la reacción inversa a la reacción
FeS + Cu 2 O  FeO + Cu 2 S
Esto reduce la cantidad de cobre en la escoria. Por esto es de importancia mantener una capa de escoria de baja densidad. La alta temperatura en la escoria y en la mata fomenta la reacción (2.10) a completarse y con esto decrece la viscosidad, pero el costo es mayor en términos de energía y ladrillos refractarios.
(c) Sangrar periódicamente la mata y la escoria a través de sangrías separadas. La alimentación de los hornos de fusión y la extracción de gases de fundición son continuas. La remoción de mata y escoria es, sin embargo, hecha intermitentemente, cuando las capas de los dos líquidos es lo suficientemente profunda. La ubicación de las sangrías es diseñado para minimizar el sangrado de una mezcla de mata con escoria.
2.1.3 Productos de la Fusión: Mata, Escoria y Gases de Fundición.
2.1.3.1 Mata
La característica más importante de la mata es su ley (% en masa de Cu), que típicamente va en rango entre 45 y 75% de Cu (equivalente a 56- 94% de Cu 2 S). A altos niveles, la actividad del Cu 2 S en la mata incrementa rápidamente y esto hace que la reacción (2.7) se desplace hacia la derecha. La Figura 2.1 muestra los resultados.
El rápido incremento de la concentración de Cu en la escoria, cuando la ley de la mata sobrepasa el 60%, es una característica que muchos operadores de fundición desean evitar. Sin embargo, la producción de matas de alta ley incrementa la generación de calor, reduciendo los costos de combustible. También se disminuye la cantidad de azufre, el cual se elimina posteriormente en la etapa de conversión (disminuyen los requerimientos de conversión), e incrementa la concentración de SO 2 en los gases de fundición (disminuyendo los costos de tratamiento de gas).
La mayor parte del resto de la mata se compone de sulfuro de hierro (FeS). La Tabla 2.1 muestra la distribución de otros elementos en los concentrados de cobre entre mata, escorias y gases de fundición.
Figura 2.1 % de Cobre en la escoria (después de la etapa de limpieza) como función del % Cu en la mata (Davenport, 2002).
Tabla 2.1 Distribución estimada de impurezas durante la producción de mata con un 55% de Cu
(Steinhauser, 1984). El material volatilizado es usualmente condensado y retornado al horno.
Aluminio, Titanio.
La capa de escoria del horno consiste mayormente en FeO y SiO 2 , con una pequeña cantidad de oxido férrico. Pequeñas cantidades de Al 2 O 3 , CaO y MgO están presentes, al igual que un pequeño porcentaje de azufre disuelto (típicamente menor a un 1%). El rango de cobre contenido va desde un 1 a un 7%. Los niveles altos de cobre son aceptados si se cuenta con las instalaciones para recuperar el Cu desde la escoria fundida.
2.1.3.3 Gases de Fundición.
Los gases de fundición procedentes de la fusión contienen SO 2 generado por las reacciones de fusión, N 2 desde el aire utilizado de la oxidación del concentrado, y pequeñas cantidades de CO 2 , H 2 O y otros componentes volátiles. La concentración de los gases de fundición es usualmente 10 a 60% en volumen de SO 2 . La concentración en estos gases depende del O 2 , del gas que lo contiene para la fusión, de la cantidad de fugas de aire del horno y la ley de la mata producida. El porcentaje en volumen de SO 2 en los gases de fundición ha aumentado en los últimos años, esto debido al aumento del uso del oxígeno en la fusión, lo que reduce la cantidad de nitrógeno y de gases de combustión que pasan a través del horno.
Los gases de fusión pueden contener niveles substanciales de polvos (sobre 0,3 kg/Nm 3 ). Estos polvos provienen desde (i) pequeñas partículas o flujo de concentrado sin reaccionar, (ii) gotas de mata o escoria que no sedimentaron en la capa de escoria del horno y (iii) elementos volátiles del concentrado como arsénico, antimonio, bismuto y plomo, que o bien han solidificado con los gases fríos o reaccionaron para formar compuestos no volátiles. Los polvos generalmente contienen un 20-40% en masa de cobre, haciéndolo valorable, por esto es casi siempre recirculado al horno de fusión.
2.1.4 Fusión Flash, Proceso Outokumpu (Kojo y Storch, 2006), (Peuraniemi y Lahtinem, 2006).
El proceso de fusión flash genera más de un 50% del cobre fundido en el mundo. El proceso implica soplar oxigeno, aire, concentrado de Cu-Fe-S seco, sílice y material de
reciclo dentro de un horno a 1250°C. Una vez dentro del horno, las partículas de concentrado de mineral sulfurado (por ejemplo CuFeS 2 ) reacciona rápidamente con el O 2 en una explosión. Esto resulta en (i) una oxidación controlada del Fe y S presente en el concentrado, (ii) una generación importante de calor y (iii) fusión de los sólidos.
El proceso es continuo. Cuando se inyecta aire enriquecido con oxígeno, el proceso es prácticamente autotérmico. Se adecúa perfectamente a la fundición de partículas finas de concentrado (~100 mm) producidas por flotación.
Los productos de la fusión Flash son:
Una mata de CU-Fe-S fundida, con una ley de Cu de ~65%.
Una escoria de fierro y sílice que contiene entre un 1 o 2% de Cu.
Gases de fundición calientes cargados con polvos que contienen entre un 30 a 70% de SO 2 en volumen.
Los objetivos de la fusión flash es producir:
Una mata fundida de composición y temperatura constante para alimentar a los convertidores.
Escoria que, cuando se recupera el cobre, contenga solo una pequeñísima fracción del Cu que se alimentó al horno flash.
Gases de fundición concentrados en SO 2 para una eficiente captura en la planta de
ácido. Existen dos tipos de fusión flash, el proceso Outokumpu (con alrededor de 30 fundiciones en operación) y el proceso Inco (con alrededor de 5 operaciones en el mundo) (Davenport,
2.1.4.1 Horno de Fusión Outukumpu.
El horno de fusión Flash Outukumpu varía considerablemente su tamaño y forma. Todos ellos sin embargo, siguen las mismas cinco partes principales. En la Figura 2.2 se puede observar las partes de un horno de fusión flash:
Quemador de concentrado (usualmente 1, pero hasta 4) que combina las partículas secas alimentadas con el oxígeno.
Una torre de reacción donde ocurre la mayor parte de la reacción entre el oxígeno y partículas de Cu-Fe-S que se alimentan.
Un sedimentador donde las gotas de mata y escoria fundida se juntan y se separan las fases.
Sangrías de cobre sólido refrigeradas con agua, para remover la mata y escoria fundida desde el interior del horno.
Una torre de uptake para remover los gases de fundición, cargados de SO 2 .
Figura 2.2 Estructura de un horno fusión flash. (King M. G., 2007)
Los hornos de fusión flash son operados automáticamente para obtener una temperatura y composición constante de una forma rápida y con un mínimo de consumo de energía. La composición de la mata y de la escoria son controladas ajustando:
 Tasa de ingreso de enriquecimiento de O 2 / Tasa de alimentación de concentrado y
 Flujo de aire de ingreso/ Tasa de alimentación de concentrado.
 La temperatura de los productos de la fusión son controlados ajustando (i) la razón N 2 /O 2 de ingreso a la lanza, (ii) la tasa de consumo de combustible y (iii) ajustando la adición de carga fría. La amplia aplicación de la tecnología Flash de Outukumpu se debe a la eficiente captura de SO 2 , además de su rápida tasa de producción y sus pequeños requerimientos de energía. La única desventaja es la inestabilidad de la escoria.
2.2 Conversión de Mata (Davenport, 2002. Kawatra, 2009. Moskalyk y Alfantazi,
La conversión es la oxidación de la mata fundida, para formar cobre “blíster” (99% de Cu). Esto implica la oxidación del Fe y S de la mata con aire enriquecido con oxígeno o solamente aire. Este proceso es realizado mayormente en convertidores Pierce-Smith, donde se sopla aire a la mata fundida a través de toberas sumergidas, como se muestra en la Figura 2.2.
La materia prima para la conversión es la mata (Cu-Fe-S fundido) proveniente de la etapa de fusión. Otras materias primas son la sílice, aire y oxígeno industrial. También se alimentan varios materiales que contienen cobre al convertidor, principalmente cobre solidificado (proveniente de otras etapas de la fundición) y desechos de cobre, a modo de reciclaje.
Los productos de la conversión son:
Cobre blíster que es enviado a refino.
Escoria de fierro y sílice que es enviada a los hornos de recuperación de cobre, y luego eliminada.
Gases de fundición (SO 2 ) que es enviado a enfriamiento, remoción de polvos
fundidos y producción de H 2 SO 4 . El calor necesario para realizar el proceso de conversión es suministrado por la oxidación de Fe y S, es decir, el proceso es auto térmico.
Figura 2.3 Diagrama de Convertidor Pierce Smith, donde se muestra todos los mecanismos utilizados (John G. Peacey, 2008).
2.2.1 Reacciones de Conversión.
El conjunto del proceso de conversión puede ser descrito por el esquema de reacción:
Cu-Fe-S + O 2 + SiO 2  Cu 0 l + 2FeO:SiO 2 Fe 3 O 4 + SO 2
El proceso de conversión se lleva a cabo en dos etapas:
(a) Una etapa de formación de escoria (soplado a fierro) donde el Fe y S son oxidados a FeO, Fe 3 O 4 y SO 2 por las reacciones:
FeS + 3/2 O 2  FeO + SO 2
3FeS + 5 O 2  Fe 3 O 4 + 3 SO 2
El punto de fusión del FeO y Fe 3 O 4 son 1385°C y 1597°C respectivamente, por lo que se añade sílice para formar una escoria líquida de FeO y Fe 3 O 4 . La etapa de formación de escoria termina cuando el fierro en la mata a disminuido a alrededor del 1%. El producto principal del soplado a fierro es Cu 2 S impuro, llamado “metal blanco”, a una temperatura de ~1200°C.
(b) La etapa de formación de cobre (soplado a cobre) es cuando el azufre en Cu 2 S es oxidado a SO 2 . El cobre no es oxidado apreciablemente hasta que casi todo el azufre es oxidado. Por lo tanto el cobre blíster, producto de la conversión, es bajo en S y O (0,001-0,03% de S, 0,1-0,8% de O). Sin embargo, el azufre y oxígeno remanente está de la forma de SO 2 , lo que forma pequeñas burbujas en la superficie del metal, debido a esto toma el nombre de “blister” del inglés que significa “ampolla” Industrialmente, la mata es cargada a los convertidores en varias etapas, cada etapa es seguida por la oxidación del FeS. La escoria es retirada del convertidor después de cada etapa de oxidación y se agrega mata nuevamente. De esta manera, la cantidad de cobre en el convertidor aumenta gradualmente hasta que sea suficiente (100-250 tons de Cu 2 S) para un soplado a cobre final. En este punto el Fe en la mata es oxidado hasta llegar a un 1%, la escoria es retirada, y el resultado llamado “metal blanco” es oxidado hasta cobre blister. El proceso de conversión finaliza cuando en los óxidos de cobre aparecen muestras de cobre fundido.
El cobre es vertido desde el convertidor a cucharas y así transportado hasta el horno de refino para remover el S y O y luego al moldeo de ánodos.
2.2.1.1 Reacciones de Soplado a Cobre.
El soplado de aire y oxígeno en al metal blanco crea turbulencias en la mezcla de Cu 2 S y cobre. El producto de la oxidación de esta mezcla es el SO 2 , cobre fundido y óxidos de cobre. El cobre fundido es denso y rápidamente queda por debajo de las toberas.
Las más probables reacciones de esta etapa son:
Cu 2 S + 2 Cu 2 O  6 Cu 0 l + SO 2
Sin embargo algo de cobre puede ser generado directamente por:
Cu 2 S + O 2  2 Cu 0 l + SO 2
2.2.1.2 Eliminación de Impurezas Durante la Conversión.
Los principales elementos removidos desde la mata durante la conversión es el Fe y S. Sin embargo muchas otras impurezas son parcialmente removidas como vapor o escoria. La Tabla 2.2 muestra alguna distribución. Una característica importante de los mostrado por los datos es que la retención de impurezas en el cobre blíster aumenta significativamente con el aumento de la ley de la mata (% de Cu en la mata). Esto es porque matas con altas leyes requieren menos soplado y por lo tanto forman menos escoria.
La Tabla 2.2 también muestra la significativa cantidad de impurezas que contienen los gases de fundición. Estas son eventualmente colectadas durante la etapa de limpieza de gases, además contienen suficiente cobre para ser reciclados al horno de fusión. Sin embargo, al realizar el reciclo todas las impurezas vuelven al circuito.
Tabla 2.2 Distribución de impurezas durante conversión Peirce-Smith de matas de baja y alta ley (Mendoza y Luraschi, 1993).
Alimentación Mata de 54% de Cu
Alimentación Mata de 70% de Cu
% de distribución
en escoria de conversión
en gas de conversión
Por estas razones, algunas fundiciones tratan los polvos para remover las impurezas antes de ser recirculadas. El bismuto, en particular, es removido porque (i) causa que los ánodos se vuelvan frágiles y (ii) puede ser valorado como subproducto.
2.2.2 Operación de un Convertidor Pierce-Smith (CPS).
Industrialmente, un convertidor Pierce-Smith es típicamente de 4 m de diámetro y 11 m de largo. Consisten de una carcasa de acero de 5 cm de espesor con ~0,5 m de ladrillo refractario de magnesita-cromo. Convertidores de estas dimensiones tratan de 300 a 700 tons de mata por día, produciendo entre 200 a 600 tons de cobre diariamente. Una fundición posee desde dos a cinco convertidores, dependiendo de su capacidad de fusión.
Se sopla aire enriquecido con oxígeno o solo aire hacia dentro del convertidor con un flujo aproximado de 600 Nm 3 /min, a una presión de 1,2 atmósferas. El gas es soplado a través de una línea de toberas, que van desde 40 a 60 por convertidor.
Las toberas de los CPS son tubos de acero al carbono o de acero inoxidable que están ensamblados en los refractarios de los convertidores. Las toberas están unidas a una tubería de distribución y conectada a una válvula rotatoria. El aire utilizado es suministrado por sopladores eléctricos o de turbinas a vapor. El oxígeno industrial es añadido antes de que ingrese al convertidor el flujo de aire.
Ingresando el flujo de gas al convertidor, las toberas requieren una limpieza periódica (“picado”) para remover las acreciones de mata que se forman en la salida de las toberas, especialmente durante el soplado a escoria (Bustos, 1988). El picado se realiza mediante una barra de acero que se introduce a través de las toberas. Esto se realiza usualmente mediante una maquina de Gaspé, que corre por rieles detrás del convertidor.
Los gases producidos en el CPS son colectados por una campana de acero (usualmente enfriados con agua) que cubre la boca del convertidor y van a la planta de limpieza de gases. Los gases contienen entre un 8 a 10% en volumen de SO 2 después del enfriamiento y la remoción de polvos de fundición.
2.3 Captura y Fijación de Azufre (Davenport, 2002. EFMA, 2000).
Alrededor del 85% del cobre producido en el mundo es originado desde minerales sulfurados. El azufre se obtiene en la mayoría de los procesos de extracción de cobre. La
forma más común de encontrarlo es SO 2 proveniente de gases de las etapas de fusión y conversión.
El SO 2 es dañino para la flora y fauna, por esto, se debe evitar que llegue al medio ambiente. Por lo cual existen regulaciones que limitan las emisiones de SO 2 al ambiente.
En el pasado, el SO 2 proveniente de los procesos de fusión y conversión se enviaba directamente al ambiente, esta práctica está ahora prohibida en el mundo, por lo cual ahora las fundiciones captan una gran parte del SO 2 que producen para producir ácido sulfúrico y ocasionalmente SO 2 líquido. Las fundiciones de cobre típicamente producen 2,5-4,0 toneladas de ácido sulfúrico por tonelada de cobre producida, dependiendo de la razón azufre/cobre que se alimente al horno se fusión. La concentración de SO 2 en los gases de fundición varía desde un 70% en volumen, en un horno de fusión Flash Inco, hasta un 1% en volumen en un horno de Reverbero. La concentración del SO 2 en los gases de conversión varía desde un 40% en un “Flash Converter” hasta de 8 a 12% en los gases de los CPS.
Los gases provenientes de fusión y conversión son tratados en la planta de ácido sulfúrico para remover el SO 2 . La excepción son los gases provenientes desde los hornos de reverberos. Sus gases son muy diluidos, lo que hace económicamente inviable la producción de ácido sulfúrico. Esta es la razón principal de que los hornos de reverbero no se utilizan en la actualidad.
2.3.1 Producción de Ácido Sulfúrico.
La fabricación de ácido sulfúrico involucra los siguientes pasos:
- Enfriamiento y limpieza de gases.
- Secado de los gases con ácido sulfúrico al 93%.
- Conversión de SO 2 a anhídrido sulfúrico (SO 3 ), Oxidación catalítica.
- Absorción del anhídrido sulfúrico (SO 3 ) con ácido sulfúrico al 98%.
Una parte del ácido concentrado, obtenido de la etapa de absorción es diluido para utilizarlo en la etapa de secado, y la otra parte es el producto final de la operación.
Los gases de residuo de la planta de ácido, deben ser limpiados de la neblina ácida y luego enviados a la atmósfera. Estos gases contienen comúnmente menos del 0,5% de S que ingresa al sistema de tratamiento de gases. Los remanentes de SO 2 , SO 3 y la neblina de H 2 SO 4 se trata con soluciones de carbonato o hidróxido antes de ser eliminadas al ambiente (Tomita, 1990).
2.3.2 Tratamiento de los Gases de Fundición.
A continuación se describen las diferentes etapas del tratamiento de los gases de fundición para la producción de ácido sulfúrico. En la Figura 2.4 se muestra un diagrama del proceso.
2.3.2.1 Enfriamiento del Gas y Recuperación de Calor.
El primer paso, del tratamiento de los gases de fundición, es el enfriamiento de los gases para que puedan pasar por los precipitadores electrostáticos para eliminar los polvos de fundición. Los precipitadores electrostáticos operan alrededor de los 300°C. Sobre esta temperatura las estructuras metálicas comienzan a ser débiles; y a una temperatura más bajas se genera corrosión debido a la condensación de ácido sulfúrico que se forma del SO 3 y H 2 O, existentes en los gases de fundición.
El enfriamiento de los gases se realiza usualmente mediante una caldera recuperadora, que no sólo enfría el gas, sino que también recupera el calor en forma de vapor. Las calderas consisten de:
Una zona de radiación, en la cual el calor del gas es transferido a agua presurizada a través de tubos ubicados en el techo y paredes a lo largo de la cámara.
Una zona de convección, en la que el calor es transferido a agua presurizada a través de tubos suspendidos en el paso de los gases.
El vapor generado es utilizado para generar electricidad o para el secado del concentrado y varias tareas de calentamiento dentro de la fundición.
Ácido sulfúrico 96-98,5%
Humidificación/lavado
Absorbedor final
Precipitador Electroestático humedo
Convertidor cama 4
Convertidor cama 3
Convertidor cama 2
Convertidor cama 1
Los polvos que salen del horno con baja velocidad, precipitan dentro de la caldera recuperadora, estos son colectados y recirculados al horno de fusión junto con el concentrado (Davenport, 2002).
Un método alternativo es enfriar los gases de fundición mediante sprays con agua. Los enfriamientos con sprays evitan la inversión en equipos de recuperación de calor pero se desperdicia el calor de los gases. Esto se utiliza principalmente en los gases provenientes de equipos Inco, Teniente y Peirce-Smith.
Precipitación Electrostática de Polvos.
Después del enfriamiento, los gases de fundición pasan a través un precipitador electrostático para remover más polvos. Las partículas de polvo son capturadas por (i) cargándolas en una corona de campo de alta voltaje eléctrico; (ii) atrapándolas en una placa o cable cargado; (iii) colectándolas neutralizando la carga y sacudiendo cables o placas. Los precipitadores remueven alrededor del 99% del polvo que ingresa con el gas (Conde, 1999).
2.3.2.3 Lavado con agua y enfriamiento.
Después de la precipitación electrostática, el gas es lavado con agua en una torre abierta o Venturi. Este lavado:
Retira los remanentes de polvos desde el gas.
Absorbe Cl 2 , F 2 , SO 3 y otros vapores (por ejemplo As 2 S 3 ).
El gas es entonces enfriado a 35-40°C por contacto directo con agua de enfriamiento en una torre empacada y por contacto indirecto con agua de refrigeración en un intercambiador de calor.
El gas es llevado de la etapa de enfriamiento hasta los precipitadores de neblina para eliminar finas gotas o líquidos remanentes en el gas después del lavado y enfriamiento. Los precipitadores de neblina operan de forma similar a los precipitadores electrostáticos descritos anteriormente. Ellos deben, sin embargo, ser:
Construidos con materiales a prueba de ácido.
Periódicamente desconectados y lavados con agua para remover los sólidos capturados.
Secado de Gas.
El siguiente paso en el tratamiento es remover el H 2 O (g) , es decir, secar el gas. Esto se realiza para prevenir la formación, sin intención, de H 2 SO 4 , lo que produciría corrosión en los ductos, intercambiadores de calor y en las camas del catalizador.
El agua es removida mediante contacto con ácido sulfúrico al 93% (ocasionalmente al 96 o 98%). El agua reacciona fuertemente con el ácido formando moléculas de ácido hidratado.
El contacto se realiza en una torre rellena con lecho empacado. El flujo de ácido es alimentado por el tope y el gas por el fondo, y este es arrastrado hacia el tope por los sopladores de la planta de ácido.
El producto líquido producido en esta etapa es ácido ligeramente diluido al 93%, y el producto gaseoso es un gas que contiene típicamente 50-100 miligramos de H 2 O/Nm 3 de gas. El gas también contiene pequeñas gotas de neblina ácida, que es retirada durante el filtrado, al hacer pasar el gas a través de fibra eliminadora de neblina.
2.3.2.5 Sopladores Principales de la Planta de Ácido.
El gas, ahora seco, es llevado por los sopladores principales de la planta de ácido hacia la zona de conversión y absorción. Se utilizan típicamente dos sopladores centrífugos de 3 MW cada uno. Estos mueven alrededor de 100 a 200 mil Nm 3 de gas por hora. El sistema de manejo de gases (“Tren de Gases”) se encuentra a vacío, típicamente -0,07 atm en el horno de fusión, antes de los sopladores y a presión después de los sopladores (0,3 a 0,5 atm).
2.3.3 Oxidación de SO 2 a SO 3 .
El SO 2 en los gases de fundición es oxidado a SO 3 , en preparación para la absorción con ácido al 98%. La reacción de oxidación es:
SO 2 (g) + ½ O 2 (g)  SO 3 (g)
La reacción es muy lenta sin la presencia de un catalizador, por lo cual, se hace pasar el gas a través de camas de catalizador de vanadio (V 2 O 5 -K 2 SO 4 ). La razón volumétrica de O 2 /SO 2 , que debe entrar a las camas de catalizador, es alrededor de uno o más (por adición de aire, si es necesario) para asegurar una conversión completa del SO 2 a SO 3 .
La temperatura de activación a la cual comienza la reacción de conversión, de SO 2 a SO 3 , catalizada por V 2 O 5 -K 2 SO 4 , es aproximadamente 360°C. La reacción a esta temperatura es relativamente lenta. Por esto, los gases que ingresan al catalizador son calentados a temperaturas entre los 400-440°C, para asegurar una rápida conversión de SO 2 a SO 3 .
Sobre los 650°C ocurre la desactivación térmica del catalizador, siendo este proceso lento. El catalizador puede estar sujeto a temperaturas entre los 700-800°C por periodos cortos de tiempo sin causar una desactivación importante. Sin embargo, largos periodos de tiempo a estas temperaturas reduce la actividad del catalizador y una disminución de la conversión.
2.3.4 Absorción de SO 3 .
El SO 3 formado en la oxidación catalítica del SO 2 es absorbido mediante ácido sulfúrico al 98%. El proceso ocurre en una torre empacada similar a la torre de secado. En el proceso de absorción ocurre entre el gas cargado de SO 3 y ácido sulfúrico a contra flujo. En general la reacción de absorción es:
SO 3 (g) + H 2 O (l)  H 2 SO 4 (l)
Esta reacción no es posible para la manufactura de ácido sulfúrico, dado que el SO 3 no es absorbido directamente por el agua, para que ocurra esto el agua debe estar en fase vapor, generando vapor de H 2 SO 4 . Este vapor de ácido condensa como una fina niebla, lo cual hace prácticamente imposible su coalescencia. Sin embargo, la presión de vapor del agua en una solución de ácido sulfúrico al 98% es baja (< 2*10 -5 atm a 80°C), evitando el problema del vapor de agua. Las reacciones de absorción deseadas son:
SO 3 (g) + H 2 SO 4 (l)  H 2 S 2 O 7 (l)
H 2 O (l) + H 2 S 2 O 7 (l)  2 H 2 SO 4 (l)
Algo de SO 3 es indudablemente absorbido por el agua de acorde a la reacción (2.18), sin embargo, las Ecuaciones (2.19) y (2.20) son probablemente predominantes, debido a la preponderancia de las moléculas H 2 SO 4 en el absorbente. La absorción de SO 3 es exotérmica, por lo que el ácido concentrado debe ser enfriado antes de (i) ser recirculado para una posterior absorción o (ii) ser enviado a estaques de almacenamiento.
3.1 División Fundición Chagres (AngloAmerican, 2011)
La División Fundición Chagres se encuentra ubicada en la V Región, en la comuna de Catemu, a 100 kilómetros al norte de Santiago y a 400 metros sobre el nivel del mar. Su proceso productivo (fusión de concentrados de cobre) se realiza mediante el moderno horno flash, una tecnología que destaca por sus bajas emisiones y que hace de esta fundición la líder en materia medio ambiental en Chile. En la Figura 3.1 se puede observar una imagen panorámica de la fundición. En 2010 produjo 137.934 toneladas de cobre anódico y 466.729 toneladas de ácido sulfúrico. Chagres cuenta con una dotación aproximada de 500 trabajadores, entre personal propio y contratistas de operación y proyectos. Entre 1914-1917, se construyen las instalaciones que dieron origen a la Fundición, además se da inicio a las operaciones de concentración y fusión de minerales provenientes de los yacimientos La Poza, La Unión, Los Mantos, Cordillera y El Soldado. En 1958 la Fundición es adquirida por la Compañía Minera Disputada de las Condes. En
1960 se restablecen las actividades luego de 14 años de paralización (desde 1946), además
se inicia la operación de la planta de ácido, con una capacidad de recuperación de azufre de
En 1978 Exxon Minerals adquiere la mayoría accionaria de Disputada de Las Condes. En
se instala el Horno Flash Outokumpu, una inversión de más de US $200 millones. En
se amplía la capacidad de recuperación de azufre a un 95% mediante la instalación de
un sistema de doble absorción. El año 2000 Anglo American adquiere la Compañía Minera Disputada de Las Condes, con lo que la división pasa a ser parte de sus operaciones. Entre 2002-2005 se inicia y culmina
el proyecto de optimización de la fundición, el cual tiene por objetivos aumentar su producción y reducir sus emisiones al ambiente.
El proceso productivo de la Fundición Chagres consta de las siguientes etapas, las cuales se pueden ver en la Figura 3.2:
3.2.1 Preparación de Carga.
Mediante una cargador frontal ubicado en la nave de almacenamiento de carga, entrega la carga a un buzón de una correa pesométrica, que alimenta una correa longitudinal que lleva la carga hasta la zona de preparación de carga. En esta área se almacena el concentrado en silos dependiendo de su origen, al igual que el fundente. Dependiendo la composición mineralógica de los concentrados y las necesidades de fusión, se determinan los porcentajes que se distribuirá a la alimentación al horno. Una vez
definida esta composición, en el sistema de control distribuido (SCD), se ingresan los parámetros de la preparación de carga para cada silo.
3.2.2 Secado de Carga.
La mezcla, proveniente de la zona de preparación de carga, es alimentada a los secadores 1 y/ó 2 para ser secada por convección al tomar contacto con las paredes de los “rings” al interior del secador. Estos mediante un eje principal horizontal, reciben vapor proveniente de la caldera hacia el interior de este eje y desde ahí hacia el interior de los anillos de acero inoxidable, que son quienes entregan su calor a la mezcla secándola a un 0,2% de humedad. En la descarga de cada secador, existen harneros vibratorios para impedir el paso de material sobre el tamaño de 100 micrones al proceso. La mezcla de concentrado/fundente seca es elevada a la tolva de almacenamiento de capacidad de 400 tons por medio de un sistema de transporte neumático, denominado “Sistema Air Lift”, ya que, debido a las características de la mezcla seca, su fluidez es excelente.
Alimentación de Carga.
La mezcla seca de concentrado y fundente (sílice), es almacenada en una tolva de almacenamiento de capacidad de 400 toneladas, desde donde se entrega la mezcla para fusión de la misma. En la parte inferior de la tolva de 400 tons existen dos descargas de mezcla seca, ambas de iguales características. Estas cuentan con un sistema de fluidización de la mezcla, consistente en inyección de un caudal de nitrógeno hacia el interior de las descargas de la tolva, con el objetivo de facilitar el escurrimiento de la mezcla hacia los silos dosificadores, que cuentan con sistema de cálculo del tonelaje en su interior. Estos almacenan la mezcla seca para ser alimentada a los tornillos dosificadores (dos en cada silo) que obedecerán a los parámetros determinados desde el SCD para entregar la mezcla a la tasa de fusión requerida y “seteada” por el proceso. El sistema de control del alimentador “Loss-In-weight” ajusta la velocidad de rotación de los tornillos para la dosificación correcta de carga seca y que la razón de alimentación permanezca constante. Los tornillos dosificadores descargan a su vez a un chute pantalón que permite que la mezcla seca sea recibida por el sistema “Air Slide”. Este sistema consistente en una caja larga y rectangular con un grado de inclinación hacia el quemador principal, esta caja cuenta en su interior con una cámara donde llega la mezcla separada por un piso falso con orificios, los que permiten la salida de aire presurizado con el objetivo de facilitar el desplazamiento homogéneo de la carga seca al interior del quemador principal. Además de la mezcla seca proveniente de los tornillos dosificadores, al sistema “air slide”, también se incorporan los polvos recuperados provenientes de la tolva de 50 tons, que recolecta los polvos recuperados en ciclones de venteo de la tolva de 400 tons, venteo de silos, caldera, precipitadores electroestáticos y el propio venteo de la tolva de 50 tons.
3.2.4 Quemador Principal de Carga Seca.
La carga seca y los polvos reinsertados al proceso, son alimentados al quemador principal del horno flash, el que consiste en un distribuidor de carga de acero inoxidable, montado en una cámara de aire de distribución, el que posee un control de velocidad del aire
enriquecido de proceso, un tapón regulador de aire de proceso concéntrico al distribuidor de carga, además un cabezal de cobre refrigerado localizado en la parte inferior del quemador de concentrado y una lanza central montada sobre el distribuidor de carga. La lanza central puede regular la velocidad de alimentación de carga al horno en forma automática y manual.
1.- Cámara de aire, cabezal de cobre refrigerado, 2.- Distribuidor central, 3.- Lanza de distribución. (AngloAmerican-Chile, 2006).
Este diseño del quemador permite que el aire del jet homogenice la alimentación de sólidos permitiendo un esparcimiento del flujo en suspensión, el cual puede ser controlado ajustando la razón de flujo del aire de distribución. Además la lanza posee una tubería central de oxígeno la cual introduce el oxígeno en medio de la suspensión, de manera de minimizar la carga calórica en las paredes de la torre de reacción y facilitar la fusión de las partículas de carga seca mediante las reacciones de oxidación propias de los componentes mineralógicos de la carga alimentada.
Un caudal de aire de proceso permite la formación de un “paraguas” de carga seca que se
puede regular mediante la operación de un motor que permite subir o bajar la lanza del quemador principal creando así diferentes radios de dispersión de la mezcla seca, para facilitar su completa fusión en la torre de reacción. Los gases resultantes son procesados y enviados por un tren de gases compuesto de una caldera recuperadora de calor y productora de vapor para el secado de carga. Las partículas en suspensión son retiradas en un precipitador electroestático Lurgi, los gases luego siguen a la cámara de mezcla de gases, provenientes de fusión y conversión, para ser inducidos a la planta de ácido para la obtención de ácido sulfúrico.
Las partículas de concentrado fundido son depositadas en el settler o sedimentador en donde se realiza la separación de fases de escoria y eje o mata. La escoria es retirada por dos sangrías en el cabezal norte del horno y entregada a dos hornos de limpieza de escoria (HLE) para recuperar cobre contenido en ella. El eje o mata es retirado por cinco sangrías dispuestas a lo largo del costado poniente del horno y una en el costado sur. El eje producido es enviado mediante ollas en suspensión por un puente grúa hacia los cuatro convertidores Pierce Smith (CPS).
3.2.5 Conversión de Mata.
La mata producida en el proceso de fusión del Horno Flash es cargada en estado fundido
por una gran abertura o boca al convertidor para su transformación a cobre blíster (98,5 a 99,5% Cu). Luego de cargado este líquido, se inyecta aire al interior de la mata por una sola línea de toberas de 2’’ de diámetro, empotradas en el refractario y se conectan a una armónica de distribución. Existen 34 toberas por convertidor. Para eliminar las obstrucciones de las toberas, que se producen por solidificación de material en su extremo durante el ciclo de
operación del convertidor, y mantener el flujo de aire, se efectúa un punzado de éstas con barretillas de acero en forma periódica y automática. Las toberas se sumergen de 20 a 30
cm en la mata.
El proceso de conversión se lleva a cabo a temperaturas cercanas a los 1200 °C y tal como
fue mencionado anteriormente, no se requiere de combustible adicional por la generación
de calor a través de las reacciones de oxidación del fierro y del azufre, aún más, se requiere
de la adición de carga fría (circulantes) para mantener la temperatura en los niveles adecuados y no dañar la mampostería del horno, ni el sistema de manejo de gases. Un menor tiempo de ciclo y un mayor consumo de carga fría, se logra operando con aire de soplado enriquecido con oxígeno, en un rango que normalmente se encuentra entre 25 a
La fundición de Chagres cuenta en la actualidad con cuatro convertidores Peirce Smith de similares características: 3,05 m de diámetro x 7,32 m de largo. La operación actual considera utilizar tres convertidores en caliente y el cuarto convertidor queda en mantención, es decir, “stand by”. De los tres convertidores que se encuentran en operación, sólo dos de ellos pueden soplar en forma paralela, mientras que el tercero queda caliente esperando carga. El metal eje proveniente del horno flash y una menor cantidad que proviene de los horno de limpieza de escoria, se trasporta en ollas mediante puentes grúa y se carga a través de la boca a los convertidores Peirce-Smith. Los gases del proceso contienen principalmente anhídrido sulfuroso (SO 2 ) los que son evacuados en forma continua a través de la boca del convertidor. Estos gases junto con el polvo arrastrado, se colectan por medio de una campana refrigerada por agua y enviados al circuito de enfriamiento y manejo de gases y polvos, para ser tratados finalmente en la planta de ácido.
3.2.6 Hornos de Limpieza de Escoria.
El objetivo del horno de limpieza de escoria (HLE) es recuperar el cobre contenido en la escoria. Para lograrlo, se reduce el contenido de magnetita (Fe 3 O 4 ) en la escoria proveniente del horno flash y de los convertidores Peirce-Smith. En el caso de Fundición Chagres se hace reaccionar aire de planta con petróleo Enap 6, generando los agentes reductores efectivos: monóxido de carbono (CO) e Hidrógeno (H 2 ). Son éstos últimos los que finalmente reducirán la magnetita contenida en la escoria. Reducir el contenido de magnetita significa disminuir la viscosidad de la escoria, lo que permite una separación de las fases contenidas y por lo tanto la liberación del cobre atrapado, generando de esta manera: una escoria de descarte y una fase rica en cobre.
3.2.7 Hornos de Refino y Moldeo de Ánodos.
El proceso de Refino posee las siguientes etapas:
Carguío: carguío de cobre al horno de refino, se inicia con el vaciado de ollas de 4 m 3
conteniendo cobre blíster, de manera de completar un total de 4 a 5 cargas o ciclos de
conversión desde los convertidores Pierce Smith.
Oxidación: se inicia con el carguío de 3 cargas en el horno de refino. La operación
comienza con la inyección de aire (oxígeno), al cobre blíster fundido a través de toberas,
con el fin de oxidar gran parte de las impurezas contenidas en el cobre blíster,
principalmente el azufre.
S (Cu) + O 2  SO 2
Al mismo tiempo el oxígeno es disuelto en el cobre, existiendo un incremento notorio de
oxígeno en el baño durante esta etapa.
Vaciado de Escoria: Terminada la oxidación, se descarga la escoria generada, quedando el
horno en espera de la cuarta carga de cobre Blister, y así se reinicia la etapa de oxidación.
Reducción: Consiste en inyectar por toberas combustible Enap 6 y aire. De ésta manera se
logra reducir el exceso de oxígeno disuelto producto de la etapa de oxidación.
La reducción se realiza hasta que la concentración de oxígeno baje a nivel de menos que
Durante esta etapa se producen reacciones exotérmicas, que permiten eliminar el uso de
quemador o usarlo parcialmente.
El volumen de gases generados produce una fuerte agitación en el baño, favoreciendo el
contacto entre el cobre oxidado y el agente reductor, cuyos productos escapan por la salida
de gases, en conjunto con el exceso de reductor que no alcance a reaccionar.
Sangrado: Consiste en perforar el tapón de greda ubicado en la placa de sangrado, ubicado
bajo la boca de carga en el manto del horno. El cobre refinado es recibido en la taza
receptora de cobre y dirigido a través de la canaleta hasta la cuchara intermedia y cuchara
de moldeo, para posteriormente ser moldeado como ánodo en la rueda de moldeo.
3.2.8 Producción de Ácido.
La planta de ácido consta de las siguientes etapas claramente identificables, las cuales se explican anteriormente en el Capítulo 2:
- Limpieza de gases y enfriamiento para reducir temperatura del gas y extraer el polvo arrastrado (SO 2 ).
- Secado de los gases.
- Conversión de SO 2 a SO 3 .
- Absorción del SO 3 .
- Almacenamiento y calidad del ácido
- Tratamiento de efluentes o líquidos de descarte.
La planta de ácido es capaz de procesar hasta 150.000 Nm 3 /h de gases de fundición, los cuales pueden ir de una concentración de SO 2 de un 6% a 12%. En este rango de operación, la planta funciona normalmente.
Además el calor excesivo generado durante la conversión es retirado por medio de una Caldera de Calor Residual para producir vapor saturado, que es utilizado en el proceso y en la operación. El ácido sulfúrico producido es almacenado en cuatro estanques de 1000 tons cada uno para su posterior despacho. Los efluentes de la planta son almacenados en dos estanques de capacidad de 15 tons cada uno, para su posterior entrega para su tratamiento.
3.3 Sistema de Control Fundición Chagres (Campos, 2010).
El sistema de control existente en la Fundición Chagres es la plataforma Experion Process Knowlege System (PKS) de Honeywell. Este sistema vino a reemplazar el año 2009, mediante una migración de sistema, a la plataforma también de Honeywell, TPS/PMS
La Fundición Chagres posee aproximadamente 5000 señales de medición y alrededor de 300 lazos de control, las cuales se encuentran conectadas a un PLC o a un Controlador C300 de Honeywell. El sistema cuenta con 12 controladores C300 redundantes en total, los cuales controlan casi el 90% de los equipos de la fundición, desde partida de motores hasta controles de presión y temperatura. El sistema de control cuenta con servidores y controladores separados, como se muestra en la Figura 3.4, para cada parte de la fundición, es decir, para la zona de fusión y conversión, zona de planta de ácido y zona de servicios (planta de agua y oxígeno). El sistema tiene la posibilidad de conectar tanto señales de instrumentos como señales provenientes de PLC’s, por lo cual es un sistema que unifica todos los procesos de la fundición, logrando monitorear todas las variables del proceso.
Figura 3.4 Componentes del Sistema Experion PKS.
El trasporte de las señales de proceso se realiza mediante fibra óptica, utilizando el protocolo ModBus, este protocolo se basado en la arquitectura maestro/esclavo o cliente/servidor. Las señales provenientes de PLC locales se realiza mediante Ethernet con protocolo TCP/IP, el cual provee conectividad de extremo a extremo especificando como los datos deberían ser formateados, direccionados, transmitidos, enrutados y recibidos por el destinatario. En la Figura 3.5 se puede observar un gabinete de ingreso de señales de terreno.
Figura 3.5 Gabinete ingreso de señales de terreno mediante fibra óptica (ModBus) y PLC locales mediante Ethernet (TCP/IP).
3.3.1 Sistema Experion PKS (Honeywell, 2007).
Las principales características del Sistema Experion PKS son:
 Es una plataforma que proporciona la base para la integración de todos los procesos de control y sistemas de seguridad, incluidos los softwares de sistemas y automatización que no son de Honeywell, en una arquitectura única y unificada.
 Amplio conjunto de software de captura y difusión del conocimiento del proceso, para una mejor toma de decisiones de negocio.
 Herramientas que apoyan la toma de decisiones para minimizar las interrupciones o detenciones y superar situaciones anormales.
 La plataforma se integra totalmente con los sistemas anteriores de Honeywell, incluyendo TotalPlant ® Solution (TPS), TDC 2000 ®, TDC 3000 ®, TotalPlant Alcont, PlantScape ® y sistemas de automatización de procesos de otros proveedores.
 Posee el sistema “Safety Manager” que unifica el sistema de seguridad y control, proporcionando una mayor seguridad y fiabilidad del sistema.
 Posee tecnologías Microsoft.NET ® y Honeywell HMIWeb para constituir un servicio a escala con vista única.
 Interfaces con FOUNDATION ™ fieldbus, HART, Profibus, DeviceNet, LON, ControlNet y Interbus para optimizar los activos existentes.
Esta plataforma de Honeywell unifica la funcionalidad de las personas con las variables de proceso, los requisitos de negocio y la gestión de activos, para utilizar al máximo sus conocimientos. El Sistema Experion PKS se utiliza para integrar, controlar y supervisar procesos complejos en muchos tipos de establecimientos industriales, incluyendo refinerías, productos farmacéuticos, generación de energía, plantas químicas y papeleras. Experion PKS permite gestionar el conocimiento del proceso a través de una combinación de tecnologías avanzadas, experiencia en el campo industrial y metodología Six Sigma para obtener resultados que no se podría lograr a través del control tradicional. Contiene diferentes tecnologías (FOUNDATION* Fieldbus, Abnormal Situation Management®, Asset Management, and Information Management) que se combinan para obtener como resultado la generación de herramientas para mejorar los procesos, optimizar la producción
y lograr objetivos económicos, apoyando a la toma de decisiones y a las herramientas de diagnóstico para centrarse en mejorar la rentabilidad, en lugar de las operaciones de rutina del proceso.
La arquitectura del Sistema Experion PKS consta de 4 niveles y con controladores (C300) redundantes.
 Red de Control Local:
o A esta red están conectados PLC con controladores básicos, específicos de una zona de la planta. En el caso de la fundición, está la planta de tratamiento de aguas y la planta de generación de oxígeno. Para poder realizar algún cambio en los controladores dentro de esta red, es necesario conectarse directamente al PLC para modificar su lógica de control.
 Red de Control Supervisor:
o A esta red se encuentran conectados los controladores C300 redundantes, a los cuales están conectados los instrumentos de medición en terreno de las áreas de Fusión, Conversión y Planta de Ácido.
Además a esta red se encuentran conectadas las consolas de los operadores de sala de control y el servidor de base de datos histórico. También en esta red está conectado el servidor PI System, por medio del cual se puede acceder a la base de datos de la operación.
 Red de Control Avanzado:
o En esta zona se encuentra las estaciones de control multivariable y optimización, además del “Asset Manager”, consola de trabajo donde se pueden realizar modificaciones de los controladores ya existentes (C300) y nuevos desarrollos en estos controladores, así como los despliegues que observan los operadores de consola (HMI).
 Red de Negocios:
o Esta red aloja los servidores de aplicaciones de negocios y de seguridad, además de los servidores de almacenamiento de datos (PHD).
ANÁLISIS DE VARIABLES OPERACIONALES DEL PROCESO DE EXTRACCIÓN DE GASES, FUNDICIÓN CHAGRES.
4.1 Proceso de Extracción de Gases, Fundición Chagres.
Fundición Chagres, debido a la tecnología que utiliza, posee como principales unidades de emisión los gases de proceso con altos contenidos de SO 2 , provenientes del horno de fusión flash (HFF) y los convertidores Pierce Smith (CPS). Estos hornos (HFF y CPS) cuentan con sistemas de captación, enfriamiento, limpieza y transporte de gases hacia la cámara de mezcla, donde se obtiene un flujo común de gases hacia la planta de ácido. Fundición Chagres, realizó en el segundo semestre del año 2005, un proceso de expansión de sus instalaciones, la cual permite tratar 610 [Kton/año] de concentrado, equivalente a una producción de 184 [Kton/año] de cobre anódico. Esta ampliación tiene como objetivo mejorar los estándares ambientales y de calidad de la fundición, además de liberar cuellos de botella que radica en la capacidad del HFF y el escenario de operación con dos CPS soplando. Bajo el nuevo escenario de fusión, se considera como límite de capacidad, la actual capacidad de tratamiento de gases de la planta de ácido. Para poder llegar a este nivel de producción de ácido sulfúrico, se realizaron mejoras en todo el tren de gases de la fundición. El horno flash es intervenido en varias de sus partes, la cual incluye, el sistema de dosificación de carga al horno, cambios en el quemador del horno flash y mejoras en el sistema de refrigeración del horno flash. Debido a estas modificaciones, se obtiene un mayor volumen de gases producido, para lo cual se realizó una modificación completa en la
caldera del horno flash, con esto se asegura la obtención de gases a 380 [°C], que es la
temperatura ideal de los gases en el tramo del tren de gases, y la generación de una mayor
cantidad de vapor para el secado del concentrado entrante al HFF. Además se reemplazó el
precipitador electroestático (PPEE) Lurgi, por uno nuevo, que permite una mejora en la
eficiencia de captación de polvos, que asegura un caudal de gases hacia la planta de ácido,
con un adecuado contenido de polvos.
Con este escenario, los convertidores Pierce Smith se convierten en el cuello de botella del
proceso, por lo cual los 3 CPS de 3,05 m x 6,55 m son alargados a 7,32 m y se incorpora un
cuarto convertidor de 3,05 m x 7,32 m, condiciones que permite contar con cuatro CPS
instalados, tres convertidores en caliente (un cuarto CPS en mantención) y dos soplando
El nuevo sistema de manejo de gases generados por los convertidores Pierce Smith, incluye
nuevas campanas y cámaras de enfriamiento radiante (CER) para todos los CPS. No
obstante lo anterior, para la operación del área de conversión, se mantiene la restricción de
no soplar en forma simultánea más allá de 2 CPS, dado la capacidad existente del
tratamiento de gases en planta de ácido. Conjuntamente con la imposibilidad física, existe
la inviabilidad ambiental de enviar gases de conversión a chimenea.
4.1.1 Configuración del Tren de Gases HFF y CPS.
Los equipos de los procesos de fusión y conversión que generan gases de fundición, que
actualmente operan en la Fundición Chagres son:
 1 Horno de Fusión Flash (HFF), potenciado por proyecto.
 4 convertidores Pierce-Smith (CPS), 3 existentes pero alargados a 24’ y uno nuevo de 10’ x 24’, de los cuales siempre se mantendrán tres equipos en caliente y el cuarto de ellos estará en mantención o stand-by.
El Tren de Gases HFF contiene los siguientes equipos:
 Caldera Mitsubishi modificada en zonas de radiación y conversión.
 PP-EE Lurgi.
 2 Ventiladores de Tiro Inducido Solyvent-Ventec, uno en redundancia.
El Tren de Gases CPS contiene los siguientes equipos:
 4 Campanas.
 4 Cámaras de Enfriamiento Radiativa de 6 m de ancho y 2 pasos de 3 ductos.
 4 Válvulas Mariposa.
 4 Válvulas de aislación.
 Ventilador de Tiro Inducido Solyvent-Ventec.
En la Figura 4.1 se muestra la distribución de estos equipos en la fundición.
4.1.2 Características del Tren de Gases de Horno Flash.
El tren de gases del horno flash, posee la siguiente configuración. Comienza con la torre de
up-take del horno flash, que corresponde al sector del horno donde se extraen los gases.
Con un caudal entre los 25000 y los 30000 [Nm 3 /h], y con una concentración de SO 2 entre
un 40 y 44% en volumen, a una temperatura de 1350 [°C].
En la siguiente etapa, los gases pasan por la caldera Mitsubishi, la cual recupera el calor de
los gases metalúrgicos, con una temperatura del gas de salida de 380 [°C]. La caldera está
formada, por una primera zona, en la cual los gases transfieren calor a las paredes por
radiación y una segunda zona donde se encuentran bancos de tubos, que aumentan la
velocidad de paso del gas y así recuperar el calor en forma convectiva.
Los gases que salen de la caldera se dirigen al precipitador electroestático (PPEE) de
fusión, que efectúa la remoción de polvos por medio del campo eléctrico producido en él.
El PPEE es una gran estructura en forma de cajón que contienen un número fijo de cámaras
pequeñas o pasajes de gas. Estos pasajes están formados normalmente por placas metálicas
colectoras, que se encuentran a un potencial cero y están conectadas al casco del PPEE. En
la línea central de cada pasaje hay una serie de electrodos que constituyen los componentes
de alto voltaje en los pasajes de gas y la fuente de electrones para el espacio de gas. Todos
estos componentes permiten que los polvos se acumulen en las placas colectoras y por
medio de golpeadores de polvos caen a las tolvas que se encuentran en la parte inferior del
PPEE.
Los gases que se extraen de HFF, son impulsados por un ventilador de tiro inducido (VTI
HFF) hacia la cámara de mezcla con un flujo de alrededor de 35000 [Nm 3 /h], y un
contenido de SO 2 de 30 al 33% volumen de SO 2 (disminución debido a las infiltraciones
del sistema). Además existe un ventilador de tiro inducido en “stand-by”, que sirve de
redundancia ante cualquier falla del VTI HFF en funcionamiento.
Figura 4.1 Tren de gases Fundición Chagres.
Los gases provenientes de la líneas de HFF, se juntan en la cámara de mezcla con los gases extraídos de los CPS, y de esta forma envían la mezcla de gases hacia la planta de ácido.
4.1.3 Características del Tren de Gases de Convertidores.
Para maximizar el uso del aire de soplado en CPS, el tren de gases de CPS tiene las siguientes características. El caudal de gases en boca de cada CPS, durante la etapa de soplado de cobre es de 23000 [Nm 3 /h], mientras que en la etapa de soplado de fierro es de 18500 [Nm 3 /h], como diseño nominal a una temperatura de 1250 [°C]. Las diferentes órdenes de trabajo de los CPS son, 2 CPS soplando fierro, 1 CPS soplando fierro y 1 CPS soplando cobre y la condición más crítica es 2 CPS soplando cobre, esta última significa un mayor caudal hacia la planta de ácido. Los gases que se encuentran en la boca de cada uno de los CPS, ingresan a sus respectivas campanas, las cuales se pueden diluir con aire de infiltración, entre un 75% al 145% de su volumen, con un valor de diseño del 125%. Esta dilución produce, que la salida de los gases por campana bajen a una temperatura de 590 [°C] aproximadamente. Por otra parte se producen gases fugitivos equivalente al 5% del total de la mezcla de gases, que se generan durante el ciclo completo de operación de un convertidor. En resumen, el caudal de gases que alimenta a la cámara de enfriamiento radiativo en la etapa de soplado a fierro es de 40000 [Nm 3 /h], mientras que en la etapa de soplado de cobre el caudal fluctúa entre 49000 y 46000 [Nm 3 /h] según datos de diseño, con contenidos de SO 2 entre un 5,7 a 8,2% del volumen total. Los gases, entran en la cámara de enfriamiento radiativo, que consiste en un enfriador que no utiliza ningún medio externo de refrigeración, sino que por medio de los fenómenos de convección, conducción y radiación, reduce la temperatura de los gases. Esto entrega una capacidad de extracción de calor de 2300 [Mcal/h], para el soplado de fierro y entre 3100 y 3500 [Mcal/h], para la etapa de soplado de cobre, con la finalidad de obtener gas a una temperatura de 380 [°C] a la salida de la cámara de enfriamiento radiativo. Las cámaras de enfriamiento radiativo poseen una infiltración de un 15% del gas generado en boca del convertidor. De acuerdo a todo lo anteriormente descrito, el gas resultante a la salida de la cámara de enfriamiento fluctuará entre 42700 a 52400 [Nm 3 /h] por CPS y dependiendo de la etapa de
soplado en que se encuentre el convertidor. En esta etapa los gases avanzan por medio de ductos de 1200 [mm] de diámetro, hasta un manifold donde se unen los gases de los 4 CPS, luego el flujo de gases resultante es transportado por un ducto de 1750 [mm] de diámetro y 90 [m] de largo, llegando al Ventilador de Tiro Inducido (VTI CPS), que es el encargado de extraer los gases. El caudal de gases en el ventilador, tiene un máximo de 112500 [Nm 3 /h], para una condición de operación de los CPS soplando cobre, a una temperatura de 385 [°C]. En situación ideal de trabajo el VTI tiene que recuperar la pérdida de carga que se produce en las líneas de gases antes de él, para mantener la presión de la cámara de mezcla alrededor de -30 [mmca] y con esto permitir un buen trabajo de los sopladores KKK, que se encuentran en la planta de ácido.
4.1.4 Características de la Cámara de Mezcla.
La cámara de mezcla es el lugar donde se juntan los gases provenientes de la línea de gases de HFF y la línea de gases de CPS. La cámara de mezcla reúne un caudal de gases hacia la planta de ácido, que va de 138000 [Nm 3 /h] a 148000 [Nm 3 /h], con una capacidad de diseño de la planta de 150000 [Nm 3 /h], y un volumen de SO 2 inferior al 12%. El mayor caudal corresponde a la mezcla de gases provenientes del HFF, más los gases producidos por dos CPS en la etapa de soplado de cobre.
4.1.5 Características de la Planta de Limpieza de Gases.
Desde la cámara de mezcla, los gases son aspirados hacia la planta de limpieza de gases, que corresponde a la primera etapa en la producción de ácido sulfúrico. La circulación del gas por esta etapa se realiza mediante la acción de los sopladores KKK 1 y KKK 2 que se encuentran después de la etapa de secado del gas de la planta de ácido. Los gases que entran a la cámara de mezcla contienen, además de SO 2 , polvos de fundición, vapor de agua y varias otras impurezas como el flúor, arsénico y mercurio. La eliminación total o parcial de las impurezas gaseosas, líquidas y sólidas se realiza en la torre de humidificación, en el venturi scrubbber, en los precipitadores electroestáticos húmedos y en la torre de enfriamiento, los cuales trabajan en serie.
La torre de humidificación consiste en una torre vacía, con toberas dispuestas en la parte superior de la torre. Dichas toberas rocían ácido diluido, el cual se pone en contacto con la corriente gaseosa. El gas y el ácido de lavado pasan a contra flujo. El gas se lava y se enfría adiabáticamente por medio de evaporación de agua del ácido de lavado. En esta etapa una fracción del gas SO 3 se transforma a H 2 SO 4 , por otra parte el ácido formado, es directamente absorbido por el ácido de lavado, y el resto forma una neblina de ácido sulfúrico que sale de la sección de lavado junto con el gas. Adicionalmente a la condensación de impurezas volátiles, la torre de humidificación sirve para lavar los sólidos que entran de la cámara de mezcla. La temperatura de salida del gas, bajo estas condiciones es de 78 [°C]. El gas que sale de la torre de humidificación, ingresa al venturi scrubber, donde es lavado con ácido débil a cocorriente. Gracias a esto, el gas se enfría y se retiene la totalidad de las impurezas, principalmente, arsénico y selenio. La eficiencia del retiro de los polvos y neblina depende principalmente de la velocidad que adquiere el gas en la garganta del venturi o caída de presión en el equipo, de la razón líquido/gas y de la humectabilidad del particulado. El gas es conducido a la torre de enfriamiento, la cual contiene relleno en su interior. Nuevamente el ácido débil se recircula en su interior a través del relleno en contra corriente, lo que permite retirar parte de la neblina ácida, los cloruros, el vapor de agua, y todos los compuestos fluorados. Debido al contacto de ácido de concentración inferior al 3% de H 2 SO 4 con el gas húmedo, el líquido recirculado es enfriado en intercambiadores de calor externos, para seguir posteriormente recirculando ácido a través de la torre. Además en esta etapa el ácido es mezclado con una solución de silicato de sodio, necesaria para que reaccione el flúor del gas y de esta forma retirarlo del sistema. La presencia de flúor en el gas en etapas posteriores, como el secado y absorción, producen daños estructurales en el revestimiento del ladrillo antiácido de las torres. El gas frío, parcialmente purificado, pasa a los precipitadores electroestáticos húmedos, que son unidades que operan de a pares en paralelo. En éstos, la mayor parte de la neblina ácida y partículas de polvo, es eliminada por precipitación eléctrica. El ácido débil acumulado en el fondo de los precipitadores es enviado al estanque de la torre de enfriamiento, así mismo,
este ácido es utilizado desde la torre, para el lavado de la unidades de electrofiltros a través de toberas ubicadas en el techo de cada unidad. El propósito de ello es mantener los electrodos limpios de polvo, para favorecer el contacto eléctrico. En la siguiente etapa, los gases son secados, para ir a la zona de contacto donde el SO 2 será transformado en SO 3 . Todo esto gracias a la succión de dos sopladores KKK, que transporta el gas desde la entrada a la torre de humidificación hasta la torre de absorción.
4.2 Análisis Operacional del Proceso de Extracción de Gases, Fundición Chagres.
En esta sección se analizan las variables de proceso de las etapas de la extracción de gases, las cuales fueron descritas anteriormente. En la Figura 4.2 se muestra un diagrama P&ID del tren de gases.
4.2.1 Tren de Gases Horno Flash.
Esta etapa, descrita en la Sección 4.1.2, consta con un lazo de control retroalimentado (PIC-3807a), tipo PID, de la presión en la zona de sedimentación del horno. La variable de proceso (PV) es obtenida mediante un sensor de presión, en duplicado para evitar problemas de descalibración. La salida del controlador (OP) es la frecuencia de giro del VTI del HFF, la señal de salida llega a un variador de frecuencia el cual se conecta al VTI. El setpoint de este lazo de control se fija en -2 [mmca]. Se debe mantener esta presión determinada debido a que, si la presión es menor, aumentan el flujo de gases (disminuyendo la temperatura del horno) y de polvos metalúrgicos en el HFF hacia el tren de gases. Si la presión es mayor se pueden generar emisiones al medio ambiente tanto de gases como calor.
Figura 2 Diagrama P&ID del tren de gases.
En la Figura 4.3 se observa el comportamiento del lazo de control de presión durante 8 horas de operación, que corresponde a un turno de trabajo en la fundición. Los datos se obtuvieron con el software PI System ProcessBook (OSIsoft, 2009). Se puede observar oscilaciones menores y mayores entorno al setpoint. La media de esta variables es -2,05 [mm de agua], con una desviación estándar de 1,61. Debido a que los gases son de alta concentración de SO 2 , se debe evitar las emisiones al ambiente, es decir, presiones positivas, que en este caso alcanzan el 3,64% del tiempo de operación del HFF.
Figura 3 Gráfico de Presión y setpoint de presión en HFF.
En la Figura 4.3 se puede observar que existe una oscilación constante, esto se debe al proceso que ocurre en el HFF. El quemador de concentrado genera variaciones de presión en el horno debido a que el ingreso del concentrado no es uniforme (pulsos), generando oscilaciones en la producción de gases y haciendo variar la presión de la misma manera. Las dos zonas de mayor variación, marcadas en la Figura 4.3, se debe a grandes variaciones de presión en la cámara de mezcla. La primera se debe a que no existen convertidores en proceso de soplado y la segunda se debe a la apertura manual de un damper de regulación de un CPS que no se encontraba soplando. El porcentaje de salida del controlador PIC-3807a (expresado en base al rango de frecuencia de salida del variador de frecuencia del VTI del HFF) se muestra en la Figura
4.4 para el mismo periodo. Los mayores cambios, mostrados en las zonas marcadas, ocurren como respuesta del sistema de control a las perturbaciones ya mencionadas. La media de su operación es de 61% y la desviación estándar es de 6,8%.
Figura 4 Operación del VTI de HFF.
En la Figura 4.5 se muestra el flujo de alimentación cíclica de carga seca al sistema. Esto ocurre debido al sistema de alimentación “Loss-In-weight”. La media de esta variable es de 74 [tons/h] y con una desviación estándar de 5,7.
Figura 5 Flujo de alimentación y setpoint de carga al HFF.
4.2.2 Tren de gases conversión.
La velocidad del VTI de CPS, que transporta los gases desde las campanas de los CPS hasta la cámara de mezcla (CM), la fija manualmente el operador de sala de control, según su experiencia y criterio. La presión a la descarga del VTI, se muestra en la Figura 4.6, mientras que en la Figura 4.7 muestra que no hubo manipulación del variador de frecuencia, durante el mismo período. Esta es una situación común salvo cuando el operador observa emisiones al medio ambiente proveniente de las campanas de los CPS.
Figura 6 Gráfico presión de descarga VTI CPS [mmca].
Figura 7 Velocidad del VTI CPS, expresada como % de frecuencia.
Existen dos sensores de presión en las campanas, uno en el sector de la campana de colección de gases (presión externa) y el segundo ubicado después de la cámara de enfriamiento radiativo (presión interna). Con la información entregada por estos sensores se puede saber si existen emisiones a la nave de conversión y a su vez al ambiente. En la Figura 4.8 se muestra un diagrama de la ubicación de los sensores de presión.
Figura 8 Diagrama de ubicación de sensores de presión en CPS.
Los gases deben ser transportados desde las campanas hasta la cámara de mezcla, por lo que el comportamiento esperado para la presión, desde la zona de la campana colectora hasta la descarga de VTI de conversión, dentro del ducto que conduce los gases, se muestra en la Figura 4.9. En esta figura se pueden observar que la presión va disminuyendo a medida que se va acercando al VTI, debido a la succión. Luego del VTI aumenta la presión debido a la descarga del ventilador, hasta llegar ala cámara de mezcla.
Figura 9 Perfiles de presión durante la etapa de soplando de un convertidor.
En las Figuras 4.10 a la 4.12 se muestra el comportamiento de estos sensores durante la operación de los convertidores desde el CPS1 al CPS4 respectivamente. En la Figura 4.10 se muestra el comportamiento de las presiones en la campana del CPS1, donde se observan tres zonas típicas que corresponden a tres etapas distintas de operación. En la zona marcada de color negro la presión interior de la campana toma valores positivos, por la acumulación de gases de fundición, cuando el damper de regulación se encuentra cerrado. Éste efecto se debe a que el damper de regulación no cierra herméticamente, los gases remanentes son succionados, debido a que la presión en el ducto de transporte es menor que en la campana y el ambiente, evitando que salgan al ambiente. Además se observa una zona donde la presión interna y externa de la campana toma valores negativos, marcada en color verde, que ocurre cuando comienza el proceso de soplado y el damper de regulación se encuentra abierto, lo que genera una succión de los gases de fundición, junto con aire de dilución, desde el convertidor hacia el tren de gases. Se puede ver también, una zona marcada de color amarillo donde la presión interna de la campana se encuentra en un valor positivo por un largo tiempo. Esto ocurre porque el convertidor se encuentra en “stand-by”, a la espera de cargar eje. Esta espera genera que los gases, del material remanente del convertidor, se acumulan en la campana aumentando la presión, zona marcada de color amarillo.
Figura 10 Presión interna y externa de campana CPS1
Figura 11 Presión interna y externa de campana CPS2
En la Figura 4.11 se puede observar el comportamiento de las presiones externas e internas en la campana del CPS2. Se puede observar que no existe movimiento en las variables. Esto se debe a que este convertidor se encontraba en mantenimiento, por lo cual no hay movimiento en el damper de regulación. La presión interior es positiva debido a la acumulación de gases en la campana. En la Figura 4.12 se observa el comportamiento de las presiones en la campana del CPS3. Se puede observar que existe una mayor oscilación en la medición de la presión externa,
esto se debe al ensuciamiento del sensor, debido al material fundido que se proyecta desde el convertidor. Además se puede observar, en la zona enmarcada de color amarillo, que la presión exterior de la campana indica valores positivos, lo que genera emisiones de gases al medio ambiente durante la etapa de soplado a fierro y cobre.
Figura 12 Presión interna y externa de campana CPS3
En la Figura 4.13 se observa el comportamiento de las presiones en la campana del CPS4. En la presión interna de la campana se denota un comportamiento similar al del CPS1. Se distingue una primera etapa donde el convertidor se encuentra en proceso de soplado, por lo cual, el damper de regulación se encuentra abierto y existe una succión de los gases, junto con aire de dilución hacia el tren de gases (zona marcada de color gris). También se detecta una zona donde aumenta la presión externa e interna de la campana, esto debido que el convertidor se encuentra “stand-by”, zona marcada de color amarillo. Además se observan zonas donde la presión externa de la campana es positiva, lo que trae como consecuencia emisiones, al medio ambiente, de los gases producidos en conversión, zona marcada de color verde. Esto se debe a succión insuficiente para transportar los gases disponibles en la campana. El ingreso de los gases al tren se realiza a través de las campanas y se regula mediante el movimiento de una válvula mariposa. Esta válvula se mueve de forma manual, es decir, que el operador de sala de control la controla remotamente dependiendo de las necesidades del
sistema, es decir, cuando entra en funcionamiento (“soplado”) el convertidor y además cuando se necesita ingresar aire para diluir los gases de ingreso a la planta de limpieza de gases. El operador puede abrir un damper de una campana de un convertidor que no se encuentra “soplando”.
Figura 13 Presión interna y externa de campana CPS4
Al iniciarse el soplado, el convertidor comienza a girar para situarse con la “boca” dirigiéndose a la campana. Tanto la adición de aire como el giro del convertidor, es realizado por el operador de terreno, por lo cual debe existir una coordinación entre éste operador y el operador de sala de control, para minimizar las emisiones al medio ambiente. El movimiento de las válvulas mariposas, movimiento de los convertidores y la presión de aire en las toberas se puede observar de las Figura 4.14 a 4.17. En la Figura 4.14 se observa el comportamiento de la operación del CPS1 y se distinguen cuatro zonas de la operación. Se puede observar la carga del convertidor (enmarcado de color gris), que se inicia con la apertura del damper de regulación, la que ocurre minutos antes de que comience el llenado del convertidor. Esto puede deducirse porque la presión de las toberas se encuentra en cero, no hay ingreso de aire al convertidor, y la posición del convertidor es de alrededor de 50° (posición de carga). La siguiente etapa que se distingue es el soplado a fierro, marcada de color amarillo, donde se observa la apertura del damper, el aumento de la presión de toberas, debido a la posición del convertidor que aumenta la
columna de líquido (alrededor de 0°). Se observa dentro de la misma zona, el proceso de escoriado, que se puede distinguir debido al cierre del damper, disminución de la presión de las toberas (casi 0 [kPa]) y el movimiento del convertidor hasta cerca de los 60° para sacar la escoria desde el convertidor.
Figura 14 Comportamiento de la presión de toberas [kPa], % apertura de damper y posición [°] CPS1.
Luego del segundo escoriado, se distingue el proceso de soplado a cobre, zona enmarcada en color naranja, donde nuevamente el damper se abre completamente, la presión de toberas también aumenta y la posición del convertidor vuelve a la posición de soplado (0°). Finalizando la etapa de conversión se realiza el vaciado del convertidor, zona marcada en celeste, donde el convertidor se mueve para ser vaciado, la presión de las toberas disminuye a 0 [kPa] y el damper se cierra. El movimiento del damper, durante todo el proceso, es de apertura total, lo que genera una perturbación en la presión al tren de gases, dado que al cerrarse y abrirse rápidamente genera una variación en la presión que el soplador no logra remediar rápidamente. También se observa que la apertura del damper ocurre bastante tiempo antes que el inicio del soplado, lo que provoca el ingreso de una gran cantidad de aire de dilución al tren de gases. En la Figura 4.15 se puede observar que el CPS2 no se encontraba en funcionamiento durante el muestreo. El damper de regulación se encuentra cerrado, no existe ingreso de aire por las toberas al convertidor y la posición del convertidor indica que se encuentra con la “boca” hacia el frente, por lo cual se puede concluir que se encontraba en mantención.
Figura 15 Comportamiento de la presión de toberas [kPa], % apertura de damper y posición [°] CPS2.
En la Figura 4.16 se puede ver que el CPS3 se encontraba durante una primera etapa en “stand-by”, zona enmarcada de color gris, y luego comienza la carga del convertidor. Para este caso se observa que no se abre el damper de regulación, lo que provoca emisiones al ambiente. Luego se puede observar el proceso completo de soplado a fierro, escoriado, enmarcado en color amarillo, donde se observa que el damper se encuentra abierto en un 50% durante bastante tiempo, produciendo dilución de los gases, esto debido a que no se encontraban convertidores soplando. En la zona enmarcada de color naranjo, se observa el proceso de soplado a cobre. A continuación se observa el proceso de descarga del convertidor, enmarcado en color celeste, donde el damper permanece abierto durante poco tiempo, generando emisiones al medio ambiente, dado que no se encuentra abierto para colectar los gases que se emiten durante el proceso de vaciado. Esto corrobora lo presentado en la Figura 4.11, con respecto a las emisiones al medio ambiente. En la Figura 4.17 se muestra la operación del CPS4, donde se puede observar un comportamiento similar al del CPS3. Se identifica claramente los procesos de soplado a fierro, escoriado y soplado a cobre.
Figura 16 Comportamiento de presión de toberas [kPa], % apertura de damper y posición [°] CPS3.
También se puede observar una zona, enmarcada de color amarillo, en la cual el damper de regulación se abre un 50% sin estar en etapa de soplado. Esto se debe a que en ese instante no existían convertidores soplando, y para mantener una estabilidad en el tren de gases se debe mantener como mínimo (consideración de los operadores) una suma de apertura de dampers de un 100%.
Figura 17 Comportamiento de la presión de toberas [kPa], % apertura de damper y posición [°] CPS4.
4.2.3 Cámara de Mezcla.
En este equipo se mezclan los gases provenientes del tren de gases del HFF y de CPS. La presión en la cámara de mezcla se puede observar en la Figura 4.18.
Figura 18 Comportamiento de la presión en la cámara de mezcla.
Se puede observar un comportamiento oscilatorio de la presión, debido al movimiento de los convertidores y el abrir y cerrar de las válvulas mariposas de las campanas de los convertidores Pierce Smith. Existe una zona, enmarcada en color rojo, en la cual la presión en la cámara de mezcla disminuye varias veces a valores cercanos a -200 [mm.c.a], debido a que no existen convertidores soplando. También se puede observar el ingreso y salida de los convertidores de la etapa de soplado, generando una disminución de la presión cuando sale un convertidor del soplado y un aumento de la presión cuando entra un convertidor al proceso de soplado. Esto se observa en la zona enmarcada en verde. Se puede observar también valores positivos en la CM, esto implica emisiones de gases al ambiente. El tiempo que la cámara de mezcla se encuentra en valor positivo es del 7,9% del tiempo durante el turno. Su media es de -35,9 [mm.c.a] y con una desviación estándar de
Valores de presión muy negativos tampoco son deseados, debido que se aumenta el arrastre de polvos de fundición y se aumenta el flujo de gases desde el HFF, disminuyendo la temperatura dentro de éste.
4.2.4 Planta de Limpieza de Gases.
Los gases de fundición son transportados mediante dos sopladores KKK 1 y KKK 2 , los cuales con controlados de manera manual por el operador de sala de control. El operador manipula la posición de los álabes del ventilador, abriendo o cerrándolos, según sea necesario. En la Figura 4.19 se observa el comportamiento de los sopladores durante su operación. Se observa una primera parte, zona roja, en la cual existen dos convertidores soplando, por lo cual, hay mayor cantidad de gases a transportar, y por lo cual se necesita una apertura de álabes de los sopladores para mover los gases. Luego se observa una zona enmarcada verde, donde los sopladores funcionan con una menor apertura de álabes, debido a que existe sólo un convertidor soplando, y disminuye la cantidad de gases a transportar. Luego se distingue una zona, amarilla, donde no existen convertidores soplando, luego el flujo de gases disminuye considerablemente y la apertura de los álabes de los sopladores se llevan al mínimo. Esto ocurre hasta que comienza nuevamente el soplado de dos convertidores, zona marcada con negro, donde nuevamente se abren los álabes a una posición adecuada para el transporte de los gases. Las disminuciones en la apertura de los álabes, en la zona roja y negra, se deben al movimiento de los convertidores a escoriar para lo cual es necesario una disminución en la succión de los gases. La planta de limpieza de gases también cuenta con un sensor de flujo, para medir el flujo total que ingresa. La media de esta variable es 140300 [Nm 3 /h], con una desviación estándar 8513. La Figura 4.20 muestra el comportamiento del flujo de gases a la planta. Debido a que el flujo de gases a la planta de ácido es producida por los sopladores KKK’s, el comportamiento del flujo de gases se encuentra directamente correlacionado con la apertura de los álabes de los sopladores. Se pueden distinguir tres zonas de operación, una primera zona, roja, de alto flujo de gases, debido a que se encuentran dos convertidores soplando y además una apertura alta de los álabes de los sopladores. También se distingue una zona de flujo intermedio, color verde, donde existe solo un convertidor en etapa de soplado y por lo tanto una apertura media de los álabes. Y se distingue una zona de bajo flujo de gases, zona negra, asociada a una baja apertura de álabes debido a que no se encuentran convertidores en proceso de soplado.
Figura 19 Comportamiento de la apertura de álabes de sopladores KKK’s.
La apertura de los álabes es dado por la experiencia del operador, el cual considera la presión de la cámara de mezcla, un flujo “adecuado” de gases a la planta de ácido y evitar las emisiones por las campanas de los CPS.
Figura 20 Comportamiento del flujo de gases a planta de limpieza de gases.
Otra variable asociada al flujo y a la apertura de álabes de los sopladores, es su consumo de corriente. Esta variable tiene por media 157 [A] y una desviación estándar de 12 para el soplador KKK 1 . Para el soplador KKK 2 su media es 68 [A] y una desviación estándar de 7.
Figura 21 Corriente consumida por sopladores KKK 1 y KKK 2 .
El comportamiento de la corriente en los sopladores se observa en la Figura 4.21. Como en el caso anterior, flujo de gases, el comportamiento de la corriente consumida por los sopladores esta correlacionada con el movimiento de los álabes de los sopladores, a mayor apertura de los álabes mayor consumo de corriente, y a menor apertura de álabes menor consumo de corriente. En la Planta de limpieza de gases se monitorea, además, la concentración de SO 2 de ingreso. Como se explicó anteriormente esta variable depende de la carga de alimentación en el HFF, además del número de convertidores y la etapa de “soplado” que se encuentran. La media de la concentración de SO 2 es de 10,38 [% vol/vol], con una desviación estándar de 1,24. En la Figura 4.22 se muestra el comportamiento de ésta variable. Se puede observar zonas marcadas de color rojo, donde existe una disminución en la concentración de SO 2 en los gases, debido a que un convertidor sale del proceso de soplado. El nivel más bajo de SO 2 es cuando no existen convertidores soplando, esto se muestra destacado en color verde, donde llega a valores de alrededor de 7% de SO 2 en los gases. También se puede observar un aumento en la concentración de SO 2 cuando ingresa un convertidor a etapa de soplado (recuadro de color negro).
Figura 22 Concentración de SO 2 a la planta de limpieza de gases.
El tren de gases es un sistema altamente dinámico, en el cual existe gran interacción entre los diferentes elementos que pertenecen al sistema. Los “picks” en la presión en el HFF son parcialmente causados por el proceso de conversión, ya que los convertidores al ser cargados y descargados cíclicamente generan una variación importante en el flujo de gases, y por tanto en la presión en el HFF. Además cuando un convertidor entra o sale de operación es necesario manipular los dampers de regulación para evitar diluciones, no deseadas, de los gases de fundición. Esta operación genera aumentos y disminuciones de presión en todo el tren de gases. Esto se puede observar en la Figura 4.23. La entrada y salida de los CPS a la etapa de “soplado” es rápida, generando una perturbación que no es gradual, sino instantánea, lo que dificulta su control. Esto se puede observar en la Figura 4.5, que donde aumenta o disminuye bruscamente la frecuencia del VTI, de forma instantánea, para mantener la presión en el valor deseado. La propagación de esta perturbación generada en la zona de conversión, se puede detectar por todo el tren de gases, donde ocurren efectos similares al de HFF, en la cámara de mezcla. Con la apertura y cierre de los dampers de regulación, se genera una variación en la presión de la cámara de mezcla. Si esta perturbación no se detecta a tiempo llega hasta el HFF, generando las variaciones de presión antes descritas.
Figura 23 Presión en cámara de mezcla, presión en HFF, apertura de damper de regulación CPS1 y
En la cámara de mezcla, la presión se intenta mantener cercana a un valor determinado mediante la utilización de los dos sopladores KKK. Esta acción se realiza de manera manual, por lo cual la velocidad de reacción frente a la perturbación, depende del operador de consola. Al utilizar los dos sopladores KKK para mantener la presión en la cámara de mezcla, se pierde temporalmente el objetivo del flujo de gases a la planta de ácido. Por lo cual, cuando la presión en la cámara de mezcla disminuye, y simultáneamente se debe disminuir la presión en la succión del soplador, el flujo de gases hacia la planta de ácido disminuye. Esta variación en el flujo afecta la producción de ácido, dado que la planta recibe variaciones de flujo de gases, dependiendo de la presión de la cámara de mezcla y el movimiento de los convertidores. La concentración de SO 2 a la planta de ácido depende de la taza de fusión del HFF y de la cantidad de convertidores en etapa y tipo de soplado. Otro factor que afecta la concentración de SO 2 es la dilución por campana en los CPS, al mantener abiertas las campanas más tiempo del debido, la concentración de SO 2 , que ingresa a la planta de ácido,
disminuye. Por esto es de importancia que los dampers no se abran más tiempo del necesario para la admisión de los gases desde los convertidores.
4.3 Potencial de Mejoras en Operación del Tren de Gases.
Después de este análisis se puede observar que existe un bajo nivel de automatización del proceso de extracción de gases de la fundición. Sólo existe un lazo de control operativo, el de presión en el HFF. El resto de los equipos, tanto válvulas mariposas de campanas de CPS, VTI de conversión y los sopladores KKK’s en la planta de limpieza de gases, funcionan de forma manual. El funcionamiento de estos equipos depende de la experiencia del operador de sala de control, generando diferencias en la operación de un turno a otro. Dado al bajo nivel de automatización se genera una oportunidad de desarrollo, para lograr unificar criterios de control y aliviar el trabajo del operador de sala de control. Por esto se propone la posibilidad de automatizar, tanto el funcionamiento de los sopladores KKK’s, VTI de Conversión y las válvulas de las campanas de CPS, para obtener una estabilización de las variables involucradas en el tren de gases, flujo gases, concentración de SO 2 en los gases y presiones en el tren de gases, disminuyendo su variabilidad y maximizando el flujo de gases hacia la planta de limpieza de gases.
4.3.1 Definición de Estrategia de Control.
Para lograr este objetivo se propone el desarrollo de un sistema de control que mezcle los conocimientos de los operadores (Control Experto) para administrar los controladores tradicionales (PID). Los objetivos del sistema de control son:
- Minimizar las emisiones de SO 2 al ambiente, generadas por las sobrepresiones en el tren de gases. Para dar cumplimiento a este objetivo se minimizará el tiempo que la presión en las campanas de CPS, cámara de mezcla y HFF sea positiva.
- Maximizar el flujo de gases hacia la planta de ácido, cumpliendo que la concentración de SO 2 esté entre un 9 y 12%. Para comprobar el cumplimiento de este objetivo se monitoreará un sensor de flujo y un analizador de gases, que se
encuentra en la entrada a la salida de la planta de limpieza de gases, de esta forma se conoce el flujo y composición de los gases tratados.
- Minimizar la variabilidad de las presiones del tren de gases (horno flash, cámara de mezcla, campanas de captación de gases), evitando las sobrepresiones en el sistema. Para medir el cumplimiento de éste objetivo, se monitoreará la presión en los lugares dichos, realizando un análisis de estas variables.
- Minimizar la variabilidad de la concentración de SO 2 en los gases hacia la planta de ácido. La variabilidad se monitoreará mediante un análisis del comportamiento de la variable mediada por un sensor de concentración de gases ubicada a la salida de la planta de limpieza. - Mantener una operación estable del proceso, evitando detenciones y mal funcionamiento de los equipos. Mediante monitoreo de variables operacionales relacionadas con los sopladores y VTI, como sensores de vibración, corriente y presiones de succión y descarga, y variables como presión en el HFF, presión y flujo en torres de lavado, temperatura en conversión de gases.
Para llevar a cabo estos objetivos se cuenta con 4 recursos disponibles:
- % de apertura de dampers de CPS.
- Frecuencia del motor de VTI CPS.
- Posición de álabes soplador KKK1.
- Posición de álabes soplador KKK2.
Además se pueden identificar las principales perturbaciones al sistema que son:
- Flujo y composición de gases desde CPS.
- Movimiento de CPS, debido al proceso de soplado.
Un resumen de los objetivos, recursos y perturbaciones, que componen el sistema y que utilizará el sistema de control, se pueden observar en la Figura 4.24
Figura 24 Diagrama de variables, perturbaciones, recursos en el sistema.
ANTECEDENTES DEL CONTROL HÍBRIDO.
5.1 Control Híbrido (Gutierrez, 2009. Nguten y Sorensen, 2007).
La clase más común de arquitecturas de control ha sido, históricamente, basada en la retroalimentación, pero a través del tiempo con la mejora de las herramientas computacionales ha aumentado el interés en usar controladores de mayor complejidad, como son controladores adaptativos, predictivos, supervisores e híbridos, entre otros. Un sistema híbrido es un sistema compuesto por dos o más componentes de diferente
naturaleza, por ejemplo control híbrido está compuesto por partes análogas y digitales. En términos más generales, tales sistemas surgen cuando se mezcla lógica de toma de
generación de leyes de control continuo. Así, las aplicaciones van
desde sistemas de automatización en las plantas a los sistemas de gestión.
decisiones con la
5.1.2 Estructura de un sistema híbrido.
La arquitectura de control híbrido consiste en una familia de funciones de respuesta lineal o no lineal suave y un supervisor. En cada instante, el supervisor selecciona una función de retroalimentación en particular de la familia. El supervisor controla la selección de la función de retroalimentación, así como cuando cambia la selección, es decir la conmutación. Tales controladores son la clase más estudiada de controladores híbridos. En la Figura 5.1 se puede observar un esquema de un controlador híbrido.
Figura 5.1 Esquema de controlador híbrido.
El supervisor puede seleccionar una función de retroalimentación que se activa mediante la especificación de datos de parámetros de control o mediante la especificación de un índice de la función de retroalimentación. El supervisor, así como la familia de las funciones de retroalimentación, puede incluir la dinámica y los “delays” u otros elementos. El supervisor puede generar cambios programados mediante un reloj, como en un controlador digital, o puede ser dirigido por eventos, en los que el cambio se produce de acuerdo con el caso de un cambio del estado o un estado de conexión dependientes del estado. Esta estructura permite que el supervisor cambie entre las selecciones de controlador de acuerdo a un modelo. La motivación para el control híbrido es la siguiente: “Si el controlador híbrido es definido de forma adecuada, entonces el circuito cerrado híbrido puede reflejar, en cierta medida, múltiples propiedades de rendimiento asociados con las propiedades de circuito cerrado proporcionada por cada función de retroalimentación individual”. Esto quiere decir, que el uso del control híbrido es: que el rendimiento de un loop cerrado híbrido puede superar el rendimiento que se puede lograr por cualquier controlador con realimentación fija sin tener que cambiarlo.
5.2 Control Experto (Liao, 2005).
Un sistema experto (SE) es una aplicación de la inteligencia artificial (IA), y fue desarrollado por la comunidad IA a mediados de los años 60. La idea básica detrás de un SE es simplemente como la experiencia de un humano es transferido a un computador. Este conocimiento es entonces almacenado en un computador y los usuarios pueden utilizar el computador para necesidades específicas. El computador puede hacer inferencias y llegar a una conclusión específica. Entonces como un consultor, le da consejos y explica, en su caso, la lógica detrás de los consejos. Los SEs proporcionan una forma poderosa y flexible para la obtención de soluciones a una variedad de problemas que no pueden ser resueltos eficientemente mediante un método tradicional. Por esto, su uso ha proliferado a muchos sectores de la vida social y tecnológica, en que sus aplicaciones están demostrando ser crítico en el proceso de apoyo en la toma de decisión y resolución de problemas. Existen diferentes categorías para clasificar los SE, entre ellos encontramos: sistema basado en reglas, sistema basado en el conocimiento, sistemas de redes neuronales, razonamiento basado en casos, entre otros.
5.2.2 Características de un Sistema Experto.
Cuando se modelan sistemas expertos se busca que tengan las siguientes características propias de los humanos expertos:
 Habilidad para llegar a una solución a los problemas en forma rápida y certera. Esta es la habilidad principal que se espera que posea y pueda llevar a cabo por un experto. El experto no solo debe tener conocimiento en el campo a diagnosticar, sino que además debe poseer experiencia tomando decisiones en él.
 Habilidad para explicar los resultados a la persona que no cuenta con ese conocimiento. Esto quiere decir, que el experto debe responder clara y certeramente a las preguntas concernientes a las razones de los resultados, el razonamiento derivado de los mismos y las implicaciones subsecuentes. Generalmente las
personas que no poseen el conocimiento esperan recibir una respuesta más práctica y que se acerquen a las condiciones que ellos pueden entender.
 Habilidad para aprender de las experiencias. Los expertos deben aprender tanto de sus propias experiencias como de la experiencia de otros. Están obligados a encontrarse al día con la base de sus conocimientos así como de modificar el proceso de razonamiento. Los expertos que no cumplen esto, se vuelven obsoletos.
 Habilidad de reestructurar el conocimiento para que se adapte al ambiente. Esto se refiere a que el experto pueda subdividir la base de su conocimiento y usar la porción útil en la resolución del problema, reduciendo el tiempo de respuesta. También se refiere a visualizar el problema de diferentes perspectivas usando varias porciones del conocimiento y aplicar conocimiento al problema desde distintos niveles.
 Conciencia de sus limitaciones. Los expertos pueden evaluar su capacidad para resolver un problema dado y determinar si el mismo se encuentra dentro de sus posibilidades de resolución. Esto también quiere decir que saben cuando referirse a otros expertos.
5.2.3 Estructura de un Sistema Experto.
La resolución de problemas involucra una intrincada combinación de hechos y conocimiento heurístico. Con el fin que el equipo sea capaz de recuperar y utilizar el conocimiento eficientemente, este debe estar organizado en un formato de fácil acceso, en
el cual se pueda distinguir entre los datos, el conocimiento y la estructura de control. Por esta razón, los sistemas expertos se organizan en tres niveles:
1. Base del conocimiento, consiste en las reglas para la resolución de los problemas, procedimientos y datos intrínsecos relacionados con el problema.
2. Memoria de funcionamiento, se refiere a datos específicos de la tarea para la resolución del problema especificado.
3. Motor de inferencia, es un mecanismo de control por el cual se aplica el conocimiento para la resolución de los problemas.
Estas tres piezas pueden tener diferentes orígenes. El motor de interferencia puede provenir de un proveedor comercial. La base del conocimiento pueden ser una base conocimientos específicos realizado por una consultora, y los datos pueden ser suministrados por el usuario final. La base del conocimiento es el núcleo de la estructura del sistema experto, y es creada por “ingenieros del conocimiento”, quienes traducen el conocimiento de los humanos expertos en reglas y estrategias. Estas reglas y estrategias pueden cambiar dependiendo del problema predominante. La base del conocimiento la constituyen reglas, hechos o intuición que un humano puede utilizar para resolver problemas en un dominio determinado. Las reglas usualmente están almacenadas con una estructura “if-then”. La memoria de trabajo representa los datos relevantes para que el problema en curso pueda empezar a resolverse. El motor de interferencia es el mecanismo de control que organiza los datos del problema y busca en la base del conocimiento las reglas que se puede utilizar. Un buen sistema experto se espera que crezca a medida que aprende de la retroalimentación del usuario. La retroalimentación se incorpora a la base del conocimiento para hacer del sistema experto más “inteligente”.
5.3 Control PID (Mazzone, 2003. Molina, 2000).
A pesar de las innovaciones en las técnicas de control predictivo y avanzado, la mayoría de las industrias químicas hasta hoy usan lazos PID. En aplicaciones de control de proceso, más del 95% de los controladores son del tipo PID. El mantenimiento y operación de los controladores PID son fáciles y robustos. Este tipo de controladores son, sin duda, los controladores más adoptados en la industria, debido a la buena relación costo/beneficio que pueden ofrecer.
5.3.2 Estructura de un controlador PID.
La estructura de un controlador PID es simple, aunque su simpleza es también su debilidad, dado que limita el rango de plantas donde pueden controlar en forma satisfactoria (existe un
grupo de plantas inestables que no pueden estabilizadas con ningún miembro de la familia PID) Consideremos un lazo de control de una entrada y una salida (SISO) de un grado de libertad, como el que se muestra en la Figura 5.2:
Figura 5.2 Esquema de un lazo de control SISO.
Los miembros de la familia de controladores PID, incluyen tres acciones: proporcional (P), integral (I) y derivativa (D). Estos controladores son los denominados P, I, PI, PD y PID. P: Acción de control proporcional, da una salida del controlador que es proporcional al error, es decir: u(t) = K P e(t), que descrita desde su función transferencia queda:
C p (s) = K p
donde K p es una ganancia proporcional ajustable. Un controlador proporcional puede controlar cualquier planta estable, pero posee un desempeño limitado y un error en régimen permanente (off-set). I: Acción de control integral: da una salida del controlador que es proporcional al error acumulado, lo que implica que es un modo de controlar lento.
La señal de control u(t) tiene un valor diferente de cero cuando la señal de error e(t) es cero. Por lo que se concluye que dada una referencia constante, o perturbaciones, el error en régimen permanente es cero. PI: Acción de control proporcional-integral, se define mediante:
donde T i se denomina tiempo integral y es quien ajusta la acción integral. La función de transferencia resulta:
Con un control proporcional, es necesario que exista error para tener una acción de control distinta de cero. Con acción integral, un error pequeño o positivo siempre nos dará una acción de control creciente, y si fuera negativa la señal de control será decreciente. Este razonamiento sencillo nos muestra que el error en régimen permanente será siempre cero. Muchos controladores industriales tienen solo acción PI. Se puede demostrar que un control PI es adecuado para todos los procesos donde la dinámica es esencialmente de primer orden. Lo que puede demostrarse en forma sencilla, por ejemplo, mediante un ensayo de respuesta escalón. PD: Acción de control proporcional-derivativa, se define mediante:
donde T d es una constante de denominada tiempo derivativo. Esta acción tiene carácter de previsión, lo que hace más rápida la acción de control, aunque tiene la desventaja importante que amplifica las señales de ruido y puede provocar saturación en el actuador. La acción de control derivativa nunca se utiliza por sí sola, debido a que sólo es eficaz durante períodos transitorios. La función transferencia de un controlador PD resulta:
Cuando una acción de control derivativa se agrega a un controlador proporcional, permite obtener un controlador de alta sensibilidad, es decir que responde a la velocidad del cambio del error y produce una corrección significativa antes de que la magnitud del error se vuelva demasiado grande. Aunque el control derivativo no afecta en forma directa al error en estado estacionario, añade amortiguamiento al sistema y, por tanto, permite un valor más grande que la ganancia K p , lo cual provoca una mejora en la precisión en estado estable. PID: Acción de control proporcional-integral-derivativa, esta acción combinada reúne las ventajas de cada una de las tres acciones de control individuales. La ecuación de un controlador con esta acción combinada se obtiene mediante:
y su función de transferencia resulta:
Su estructura ha mostrado empíricamente ofrecer suﬁciente ﬂexibilidad para dar excelentes resultados en muchas aplicaciones. El término básico en el controlador PID es el proporcional P, que origina una actuación de control correctiva proporcional el error. El término integral I brinda una corrección proporcional a la integral del error. Esta acción tiene la ventaja de asegurar que en última instancia se aplicará suﬁciente acción de control para reducir el error de regulación a cero. Sin embargo, la acción integral también tiene un efecto desestabilizador debido al corrimiento de fase agregado. El término derivativo D da propiedades predictivas a la actuación, generando una acción de control proporcional a la velocidad de cambio del error. Tiende dar más estabilidad al sistema pero suele generar grandes valores en la señal de control. Varios métodos empíricos pueden usarse para determinar los parámetros de un PID para una dada aplicación. Sin embargo, el ajuste obtenido debe tomarse como un primer paso en el proceso de diseño.
5.3 Controlador PID-PL, Profit Loop PKS (Honeywell, 2007).
5.3.1 Descripción.
El controlador PID-PL es una herramienta que se presenta en el Sistema de Control Experion PKS, dentro de su paquete de controles avanzados. Este tipo de controlador combina la funcionalidad de un controlador PID tradicional con un robusto control predictivo (basado en un modelo) y un optimizador. Este controlador posee las mismas características de diseño que un PID tradicional, el cual puede ser fácilmente remplazado por un PID-PL en cualquier esquema de control. Como tal, este puede ser usado en lazo de control simple, en cascada con otros controladores y configurado como un nodo cruzado de un control supervisor en un ACE. El algoritmo de control pertenece a una clase de controladores conocidos como control predictivo. Estos controladores se basan en un modelo dinámico para predecir el movimiento futuro de la variable de proceso. Si la variable de proceso predicha no cumple con los objetivos de control (mantenerse en el setpoint), se toma una acción de control para realinear la PV con su objetivo. Por el contrario, un controlador PID utiliza las trayectorias del error pasado y actual, para llevar la variable de proceso a su setpoint, mediante un movimiento de control. En muchos casos el controlador PID-PL proporciona un control superior y puede ser utilizado en lugar de un PID estándar. Estos casos incluyen:
 Procesos con retardo por transporte significativos o con respuesta inversa.
 Adecuado para controladores que utilizan mediciones que se realizan con baja frecuencia (tal como los cromatógrafos de gas).
 Procesos con alto ruido, donde el desgaste de válvulas es problemático.
 Procesos con cambios en la dinámica.
 Procesos donde controlar con un setpoint en un rango es beneficioso.
CONSTRUCCIÓN DE SISTEMA DE CONTROL DEL TREN DE GASES.
En el Capítulo 4, se observó la oportunidad de mejorar la operación del tren de gases desarrollando un sistema de control integrado sobre los ventiladores de la zona de transporte de gases y sobre los dampers de las campanas de los CPS. Con el fin de obtener información para el desarrollo del sistema de control, se procede a observar la manipulación de los equipos por parte de los operadores de consola. De esta forma, el sistema control incorporará información entregada por los operadores, emulando su toma de decisiones. Adicionalmente se realizó una correlación cruzada, entre datos en estado estacionario, de las variables del tren de gases, con el objetivo de observar las relaciones existentes entre ellas, para contrastar la información entregada por los operadores y obtener nueva información que sea de utilidad y que no fuera entregada por los operadores. En el Anexo A se puede observar el resultado cualitativo de la correlación cruzada entre las variables. Se confirmó la información obtenida de los operadores, se observó la correlación entre las variables de proceso que monitorea el operador y los recursos que utiliza para esto. Se identificó una fuerte dependencia de la presión en la cámara de mezcla frente a cambios en la frecuencia del VTI de CPS, lo cual es una información valiosa para el desarrollo del controlador y un recurso que el operador no utiliza constantemente. Con la información entregada como resultado de la correlación cruzada se identificaron las reglas que utilizan los operadores para administrar los recursos:
Mantener la presión en la cámara de mezcla menor a -30 mmca, administrando la apertura de los álabes de los dos sopladores KKK.
El flujo de gases a la planta de ácido es manipulado mediante la utilización conjunta de los dos sopladores KKK. Este flujo depende de la concentración de SO 2 que va a la planta de limpieza de gases. A mayor concentración en los gases, se aumenta el flujo hacia la planta de limpieza de gases, intentando llegar a los 150.000 Nm 3 /h y a menor concentración se disminuye el flujo de gases. La apertura y cerrado de los dampers de admisión de gases, se administra según los requerimientos del sistema, es decir, dependiendo del estado de operación de los convertidores y posición de estos, en un rango de 0% de apertura para convertidor en “stand-by”, 50% de apertura para convertidor cargando o escoriando y 100% de apertura para convertidor en posición de soplado.
Después de este análisis, se propone la siguiente estrategia de control para el manejo de los sopladores y dampers del sistema.
- Administrar la apertura de los dampers de aspiración de los gases desde los CPS en función del movimiento y estado de operación del convertidor.
- Controlar la presión de la cámara de mezcla con la frecuencia del VTI de CPS y la posición de los álabes del soplador KKK1.
- Controlar el flujo de gases a la Planta de Ácido con la posición de los álabes del soplador KKK2. El setpoint de flujo es modificado en función de su concentración de SO 2 .
Como objetivos de la estrategia de control, se propone:
- Mantener las emisiones al medio ambiente en la zona de conversión, dentro de los estándares establecidos.
- Evitar o disminuir las sobrepresiones en el tren de gases.
- Debido al manejo de los alabes de los sopladores KKK’s, disminuir el consumo de corriente de estos.
El desarrollo del trabajo fue realizado en la plataforma Experion PKS de Honeywell. La programación del procesamiento de cualquier señal de entrada/salida se debe realizar en un “Control Module” (CM), usando el lenguaje del sistema para configurar las acciones que
se desean lograr. El lenguaje hace uso de bloques ya creados y que realizan tareas específicas, lo que hace más sencilla la programación en el sistema. Para que la programación realizada se ejecute, los CM se deben cargar a un controlador al cual deben estar asociados los equipos e instrumentos a utilizar. Al estar cargados a un controlador los CM se pueden activar y utilizar.
6.2 Controlador de Admisión de Gases de Convertidores Peirce Smith.
Para regular la admisión de gases de los CPS, el controlador utiliza como variables de proceso continuas, como la posición del convertidor, la temperatura de los gases en la campana, y variables discretas, como la activación de la válvula de ingreso de aire al convertidor, la selección de CPS con un soplador GHH, y utilizando como recurso la apertura de los dampers de regulación de las campanas de los CPS. El controlador de admisión de gases de CPS mediante la selección de un convertidor PS con un soplador GHH y la activación de la válvula de ingreso de aire al convertidor PS seleccionado abre el damper de regulación en un 50%, dado que el convertidor se dispone a ser cargado para entrar en operación. Ya al estar activos estos dos eventos, al controlador ingresa el valor de la posición del convertidor PS (α), con lo cual el controlador regula la apertura del damper según esta variable de proceso. La apertura del damper se realiza mediante una rampa desde la posición de carga/escoriado (α > a 40°), hasta abrirse completamente cuando el convertidor
se encuentra en posición de soplado (α < a 10°). En la Tabla 6.1 se muestra la apertura del damper con relación al rango de posición del convertidor (α), para la admisión de los gases de fundición.
Tabla 6.1 Rango de posición para apertura de damper de regulación de convertidores.
Posición CPS (α )
Apertura damper de Regulación.
α> 40°
40° > α > 30°
30° > α > 20°
20° > α > 10°
10° > α > -10°
Figura 6.1 Estrategia de control para zona de transporte de gas.
Además cuando el convertidor se dispone a escoriar, y se desactiva la válvula de admisión de aire al convertidor seleccionado, el damper queda con una abertura del 25% para aspirar los gases en esta etapa, esta apertura se mantiene hasta que la temperatura de los gases en campana sean menores a 110°C, si se encuentra otro convertidor soplando (apertura de damper 100%), el damper cerrará completamente. Del punto de vista operacional se debe mantener apertura en los dampers, esto para evitar que se generen diminuciones considerables de presión en los ductos de trasnporte, generando problemas de inestabilidad operacional y que cause algún problema mecánico en los ductos o en el ventilador. Por esto, si se encuentra un convertidor soplando y otro solamente seleccionado con un GHH (sin la válvula de admisión de aire seleccionada), el damper del convertidor que se encuentra seleccionado abre para completar una suma entre las aperturas de un 100%, cuando el convertidor que se encuentra soplando baja a escoriar. Esto quiere decir que, si un CPS, que se encuentra soplando, tiene apertura de 75%, el segundo CPS que se encuentra seleccionado con un GHH, abre su damper en un 25%. En la Tabla 6.2 se muestra los valores que toman los dampers para estos casos.
Tabla 6.2 Valores de apertura de dampers de regulación para CPS seleccionado y que no se encuentra en “soplado”.
CPS Soplando y seleccionado.
CPS seleccionado.
La lógica de control se compone de 4 Control Module (CM). El primero de nombre “REG_DAMPER_CPSX”, ver Figura 6.2, determina el % de apertura del damper de regulación en el convertidor. La lógica identifica si el convertidor se encuentra soplando mediante la activación de dos “flags” y la salida de un bloque permisivo (AND), el de selección de GHH con el convertidor y la activación de la válvula de admisión de aire.
La salida del bloque permisivo (AND) de identificación de convertidor soplando ingresa a un SWITCH que ingresa el valor del ángulo del convertidor seleccionado, y un valor fijo si no está seleccionado. El valor proveniente del SWITCH ingresa a una serie de comparaciones (GTA), ver Figura 6.3, luego se detecta su rango de posición mediante una serie de “AND”. Dependiendo del rango en que se encuentre el valor del ángulo del convertidor, entra en otro “SWITCH”, el cual determina la apertura del damper del convertidor seleccionado, como se muestra en la Figura 6.4.
El segundo de nombre “CPSX_DAMPER”, Figura 6.5 y 6.6, identifica la acción que están realizando los convertidores, si se encuentran soplando, escoriando o deseleccionado. Esto
se realiza mediante un “SWITCH” y una serie de bloques “AND” el cual da como salida la
apertura del damper, dependiendo de la acción que está realizando el convertidor. El tercero de nombre “DAMPER_CPSX”, Figura 6.7, determina la apertura complementaria (lograr 100% de apertura entre los dampers) del convertidor que sólo se
encuentra seleccionado con un GHH. Esto se logra mediante la identificación del convertidor que se encuentra en soplado y registrando el valor de apertura de damper y
mediante un “SWITCH” se logra el completar la apertura de 100% entre los dampers de los CPS seleccionados.
Y el cuarto de nombre “REG_DUMPER_CPSX”, Figura 6.8, determina la opción manual o
automática del controlador mediante un “SWITCH”. Si se elije la opción automática (CAS), el movimiento de los dampers de los convertidores lo realizará el programa. En caso opuesto si se selecciona el controlador en modo manual (MAN), el operador controlará el movimiento de los dampers de regulación de los convertidores. Estos cuatro CM trabajan en forma conjunta para lograr el movimiento coordinado del damper de regulación de un convertidor, dependiendo de su posición, etapa del proceso y coordinación con los otros tres convertidores. Esta serie de CM se repiten para cada damper, lo que genera un total de 16 CM para
controlar el actuar de los cuatro dampers de regulación.
Figura 6.2 Imagen del CM “REG_DAMPER_CPSX”, detección de convertidor preparado para “soplar”.
Figura 6.3 Imagen del CM “REG_DAMPER_CPSX”, detección del rango posición de CPS.
Figura 6.4 Imagen del CM “REG_DAMPER_CPSX”, apertura de damper de regulación mediante posición del CPS.
Figura 6.7 Imagen de CM “DAMPER_CPSX”.
Figura 6.8 Imagen de CM “REG_DUMPER_CPSX”.
6.3 Controlador de Presión de Cámara de Mezcla, Flujo de Gases y Concentración de SO 2 a Planta de Ácido.
Este contralador se compone de 4 Control Module (CM), los que utilizan como recurso los sopladores KKK’s, de la planta de tratamiento de gases, y el ventilador de tiro inducido (VTI) de la zona de conversión y como variables de proceso utiliza la presión en la cámara de mezcla, el flujos de gases y la concentración de SO 2 a la planta de ácido. Mediante la utilización de Controladores PID (PID-PL, perteneciente al ProfitSuite de Honeywell) y reglas lógicas, se intenta mantener las variables de proceso dentro de un rango deseado (SETPOINT), mediante la utilización de los recursos disponibles (OP).
El primer controlador es el que controla la presión en la cámara de mezcla (como PV utiliza la variable PIT4501.PV) y utiliza como recurso la posición de los álabes del ventilador KKK1 (ZIT4501.PV). Se utilizó para esto un controlador PID- Profit Loop (PID-PL), en el cual se puede asignar un valor alto de setpoint (SPHI) y un valor bajo de setpoint (SPLO), como se puede observar en la Figura 6.9. Se asignó como valores de setpoint un rango entre -30 y -38 mmca. Este rango puede ser modificado directamente en el CM. Para esto se debe hacer doble click en el bloque del controlador PID-PL, y cambiar el valor en la pestaña “setpoint” a los valores deseados.
Figura 6.9 Controlador PID-PL PIC4501, control de presión cámara de mezcla.
Al hacer doble click al controlador PID-PL también se pueden modificar los otros parámetros, al igual que en un controlador PID convencional. A continuación, en la Figura 6.10, se muestra las opciones del bloque PID-PL.
Figura 6.10 Ventana principal del controlador PID-PL.
En esta ventana se puede modificar el rango de la variable de proceso (PV), el modo del controlador, el orden de ejecución del bloque y nombre del bloque de control. En la ventana “algorithm”, Figura 6.11, se puede modificar el algoritmo de operación del bloque de control, para este caso se utilizó el algoritmo “PROFITLOOP”, la cual deja fuera de operación los parámetros normales de un controlador PID. Al utilizar este tipo de algoritmo se puede escoger en “Control Mode” entre Setpoint y Rango, para este caso se eligió rango, dado la característica del sistema a controlar. Si se escogiera como algoritmo de control EQA, funcionaría como un control PID convencional.
Figura 6.11 Ventana de algoritmo del controlador PID-PL.
En la ventana “setpoint”, Figura 6.12, se definen los rangos en los cuales se moverá el setpoint del controlador (Input Range), además se define el rango de control del controlador (Range Control), definiéndose el rango alto (SP High) y rango bajo (SP Low) del setpoint.
Figura 6.12 Ventana de setpoint del controlador PID-PL.
En la ventana “output”, Figura 6.13, se definen los límites de salida del controlador, límite superior e inferior. También se define el sentido de la salida, para este caso es directo (se puede escoger entre directo e inverso). Además está la opción de “Filtering”, la cual disminuye las variaciones abruptas del recurso del controlador, evitando movimientos bruscos del recurso, debido a modificaciones o perturbaciones en el sistema que generen variaciones rápidas en la variable controlada.
Figura 6.13 Ventana de salidas del controlador PID-PL.
En la ventana “Advanced”, Figura 6.14, se puede ingresar directamente los parámetros del modelo que controlará el sistema, esto es posible si se realiza una modelación del sistema y se obtienen matemáticamente los valores. Además en esta sección se puede activar la opción de optimizador, en esta forma el controlador lleva a la variable de proceso al valor de SPLO o SPHI dependiendo si se utiliza minimizar o maximizar respectivamente. También en esta ventana se puede poner la opción de tolerar offset en el setpoint o en la salida del controlador, y seleccionar el tipo de medición de la variable de proceso, si es continua o discreta. Si no se posee conocimiento del modelo matemático que rige el proceso o éste es dependiente de muchas variables lo que lo hace difícil de obtener, esta ventana posee la opción de asistente, para utilizarlo se debe hacer click en “Start Assistant”, al realizarlo se despliega la ventana que se muestra en la Figura 6.15.
Figura 6.14 Ventana avanzada del controlador PID-PL.
Figura 6.15 Ventana resumen del asistente de modelo del controlador PID-PL.
Para cargar el modelo se realiza mediante la selección del tipo de lazo (Loop type), para este caso, luego el tipo de modelo, para este caso PID Tuning, al realizar mediante esta opción se despliega las ventana que se muestra en la Figura 6.16.
Luego de crear el modelo este se descarga y queda controlando el sistema. Para salir del asistente se hace click en “exit”. Además del bloque PID-PL que tiene como objetivo la presión en la cámara de mezcla, el CM tiene programado reglas lógicas para poder maximizar el flujo de gases de ingreso a la planta de tratamiento de gases. Estas reglas lógicas entran en acción cuando el ventilador KKK2, encargado de controlar el flujo de admisión a la planta, no es capaz de llegar al setpoint deseado. Además de esta condición se considera que el ventilador KKK2 debe estar a su máxima apertura de álabes, un rango determinado de concentración de SO 2 y un rango determinado de presión en la cámara de mezcla donde actuará esta maximización de flujo.
Las reglas lógicas utilizadas son:
“Si la concentración de SO 2 es mayor a 8,2% y el soplador KKK2 está en su máxima apertura y además el setpoint de flujo de ingreso a la planta de tratamiento de gases no se cumple, se aumenta la apertura del soplador KKK1 en un 25%.” “Si la concentración de SO 2 es mayor a 9,2% y el soplador KKK2 está en su máxima apertura y además el setpoint de flujo de ingreso a la planta de tratamiento de gases no se cumple, se aumenta la apertura del soplador KKK1 en un 40%.” Estas reglas lógicas funcionan mientras el controlador se encuentre en modo automático y la presión de la cámara de mezcla se encuentra en un valor mayor a 75 mm de H 2 O. Estas reglas lógicas se pueden ver en la Figura 6.17.
Figura 6.17 Muestra de programación de lógica de control del controlador.
Todos estos rangos son modificables en el CM PIC4501.
El segundo controlador rige el flujo de gases de ingreso a la planta de tratamiento de gases (FIC4565B), como variable de proceso se utiliza la variable FTC4560.PV, que es el flujo total de gases de ingreso a la planta de tratamiento de gases. Al igual que con el controlador anterior se utilizó un controlador PID-PL, lo cual da la opción de tener un rango de setpoint (SPHI-SPLO). Los rangos de setpoint de flujo de este controlador están regidos por otro CM (SELMATRIZ), el cual dependiendo del %SO 2 a la planta, dicta los setpoint de flujo al controlador FIC4565B. Los setpoint dictados siguen la Tabla 6.3:
Tabla 6.3 Rangos de setpoint dependiendo de la concentración de SO 2 hacia la planta de ácido.
SPHI [Nm 3 ]
SPLO [Nm 3 ]
Los cambios en el modelo de control del controlador PID-PL se realizan de la misma manera que en el caso anteriormente descrito (PIC4501). Además el CM FIC4565B cuenta con reglas lógicas las cuales, cuando la presión de la cámara de mezcla está en valores menores a -75 mm H 2 O, hacen que disminuya la succión del soplador, para apoyar el accionamiento del controlador PIC4501. Mientras ocurra esto se deja de lado el objetivo de mantener el flujo. Esto se puede observar en la Figura 6.18. El último controlador es el PIC3827D, el cual controla presión en la cámara de mezcla mediante la variable PIT4501.PV y como recurso utiliza la frecuencia en el Ventilador de Tiro Inducido de la zona de CPS. Además el setpoint es un rango (SPHI-SPLO). En la Figura 6.19, se muestra el CM del controlador. El rango del setpoint se puede modificar en el bloque PID-PL al igual que en el controlador PIC4501, además los parámetros del modelo pueden ser modificados en este bloque de la manera anteriormente descrita.
Figura 6.18 Muestra de programación de lógica difusa de control para el controlador FIC4565b.
Figura 6.19 Programación para controlador PIC3827D, control VTI CPS.
RESULTADOS DEL CONTROLADOR HÍBRIDO DEL TREN DE GASES.
En este capítulo se muestran y analizan los resultados finales obtenidos en el tren de gases al operar con el controlador híbrido desarrollado. Los resultados que se muestran son de un turno de operación en la fundición, es decir, 8 horas de funcionamiento de una operación normal (sin detenciones). Para que las pruebas sean comparables con el análisis hecho anteriormente en el Capítulo 4, se deben mantener las mismas condiciones operacionales observadas en este capítulo, es decir:
- Similar tasa de fusión, debido a que a una diferente tasa de fusión cambia la cantidad y concentración de los gases de fusión
- Similar disponibilidad de eje para conversión, puesto que al no existir eje, el proceso de conversión se hace menos continuo, por lo cual varia el flujo y concentración de los gases desde esta zona.
- Similar periodo de tiempo, se debe presentar en el tiempo de prueba todos los movimientos que se realizan el área de conversión, es decir, carga, soplado de fierro, escoriado, soplado de cobre y descarga del convertidor.
Para realizar las pruebas es necesario iniciar el controlador híbrido, para lo cual se debe realizar las acciones detalladas en el Anexo B. Luego de seguir las indicaciones el controlador inicia su funcionamiento, y toma el control de los sopladores KKK y el ventilador de tiro inducido de la zona de CPS (VTI de CPS). Para el caso de los controladores de los dampers de regulación, el controlador se debe utilizar en la modalidad automática para ser iniciado.
7.1 Controlador de dampers de regulación CPS.
Los dampers de regulación se abren con respecto al estado (seleccionado o no), posición del convertidor y estado de los otros convertidores. La apertura es de forma gradual lo que genera una menor perturbación al sistema, dando la posibilidad a los sopladores de actuar a tiempo para mantener la presión en el valor deseado. El cierre también ocurre de forma gradual para lograr el mismo efecto durante el proceso de “escoriado” del convertidor. El controlador imita el procedimiento del operador al manipular la apertura de los dampers de regulación. Cuando el convertidor se encuentra en periodo de carga, abre los dampers para aspirar los gases y cuando el convertidor termina su ciclo de operación, el damper permanece abierto, un porcentaje menor, para ingresar al sistema los gases remanentes y de esta forma, minimizar las emisiones al ambiente. Esto se puede observar en la Figura 7.1
Figura 7.1 Comportamiento controlador de dampers de regulación CPS en forma automática.
Se puede observa en la Figura 7.1 una operación normal de un convertidor. En la zona A se puede ver la etapa de carga del convertido, en donde el damper se abre un 25% para aspirar los gases de la etapa de carga, luego se puede observar, en la zona B, el movimiento del convertidor hacia la posición de soplado a fierro, por lo cual la presión en las toberas aumenta hasta llegar a alrededor de 70 [kPa], y el damper de regulación se abre progresivamente, dependiendo de la posición del convertidor, hasta abrirse completamente.
El convertidor luego de la etapa de soplado a fierro se mueve a escoriar, zona C, para lo cual se detiene el ingreso de aire al convertidor, bajando la presión en las toberas, y el damper de regulación se mueve hasta un 25% de apertura para captar los gases emitidos en esta etapa. Luego el convertidor vuelve a tomar la posición de soplado para proceder a la segunda etapa de soplado a fierro, zona D, seguido por un segundo escoriado, zona E, el damper de regulación se comporta como en lo descrito para las zonas B y C respectivamente. Seguido del segundo escoriado, comienza la etapa de soplado a cobre, en la cual nuevamente el damper de regulación se abre completamente (zona F), ocurre un nuevo escoriado para eliminar los óxidos de cobre (zona G), manteniéndose una apertura del 25% del damper. Continúa el proceso con un nuevo movimiento a posición de soplado (zona H), en el cual termina el proceso de soplado del cobre, seguido se descarga el convertidor (zona I) y el damper permanece con un 25% de apertura para captar los gases. Luego que el convertidor se descarga el damper se cierra completamente. En la Figura 7.2 se muestra una operación manual del damper de regulación para el CPS1.
En la Figura 7.2 se puede observar que para la carga de eje al convertidor, zona A, no se abre el damper, por lo cual, los gases del eje no son colectados por la campana, generando una emisión al medio ambiente. En la zona B comienza la etapa de soplado a fierro y se abre el damper completamente, en un solo movimiento, lo que genera una perturbación al tren de gases. Luego de un tiempo en soplado a fierro, el convertidor se mueve a escoriar y
la apertura del damper queda en un 50% de apertura, generando una dilución de los gases. En la zona D se observa que el proceso de soplado continúa y en la zona E nuevamente el convertidor se mueve para eliminar la escoria generada. En la zona F se observa la etapa de soplado a cobre, con una apertura total del damper, y luego en la zona G se muestra la operación de descarga del convertidor, y se observa que el damper de regulación mantiene una abertura del 50% generando dilución de los gases de conversión.
7.2 Controlador de sopladores del tren de gases.
Como se mencionó anteriormente en el Capítulo 6, el controlador de los sopladores del tren de gases involucra a los dos sopladores KKK y al ventilador de tiro inducido de conversión (VTI CPS). Al iniciarse la operación del controlador, éste toma el control de los sopladores, definiendo el setpoint de flujo de gases a la planta de ácido, dependiendo de la concentración de SO 2 , y manteniendo la presión de la cámara de mezcla en un rango de presión. Las pruebas del controlador se realizaron sin alterar el correcto funcionamiento de la fundición. Esto es de suma importancia dado que cualquier falla que involucre a los sopladores KKK desencadena una detención de emergencia de la fundición y las consecuentes pérdidas por una detención no programada. Una vez terminada la prueba se realiza un análisis de las variables más importantes del tren de gases. Estas se pueden comparar con una operación de forma manual de lo sopladores, para observar sí la operación automática produce una mejora. Esta comparación se realiza bajo similares condiciones de tasa de fusión y disponibilidad de eje para conversión. La Tabla 7.1 muestra los valores medios y desviaciones de las variables involucradas en el tren de gases, para la prueba con el controlador en modo automático.
Tabla 7.1 Comparación entre las variables para operación manual y automática.
Presión Cámara de Mezcla (PIT4500)
-50,09[mmH 2 O]
-52,51 [mmH 2 O]
Presión Horno Flash (PIC3807A)
-2,05[mmH 2 O]

References: resolución 
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