MX2012009549A - Sistema y metodo de refinacion de anodo de cobre. - Google Patents

Abstract

Se proporciona un método y un sistema para la refinación de ánodo de cobre en los cuales se emplea tecnología de chorro coherente para calentar cargas de cobre de ampolla fundido yio cobre de desperdicio fundido usando una flama de fusión, oxidar el azufre en el cobre de ampolla fundido y reducir el oxígeno en el cobre de ampolla fundido usando corrientes de gas de chorro coherente de soplado superior a partir de uno o más ensambles multi-funcionales de lanza de chorro coherente. Los presentes sistema y método emplean un controlador con base en microprocesador que controla operativamente el flujo de un gas que contiene oxígeno, un gas inerte, un agente reductor y un combustible para la lanza de chorro coherente. El sistema y el método de refinación de ánodo de cobre descritos mejoran grandemente la producción de cobre mientras que disminuyen los tiempos de ciclo oxidación/reducción y minimizan las emisiones de NOx.

Description

SISTEMA Y METODO DE REFINACION DE ANODO DE COBRE Campo de la Invención La presente invención se refiere al tratamiento pirometalúrgico de materiales que contienen cobre con gases de proceso, tales como gases de proceso, oxidantes y reductores, para convertir tales materiales en materiales que contienen cobre de mayor valor. Más particularmente, la presente invención se refiere a la refinación de ánodo de cobre de ampolla fundido para eliminar azufre, oxígeno y otras impurezas mediante el tratamiento selectivo del cobre de ampolla fundido con corrientes de gas, coherentes, de gases de proceso, oxidantes y reductores.

Antecedentes de la Invención La producción de cobre involucra típicamente un procedimiento de pasos múltiples que incluye procedimientos de concentración, fundición, vaciado de ánodo y refinación electrolítica. Típicamente, empieza con un mineral que comprende uno o más de un sulfuro de cobre o mineral de sulfuro de cobre y fierro, tales como calcocita, calcopirita y bornita, el mineral se convierte a un concentrado que contiene usualmente entre 25 y 35 por ciento en peso (%p) de cobre. El concentrado se convierte después, con calor y oxígeno, primero en un cobre mata y después de ampolla.

Con frecuencia se añade desperdicio de cobre sólido adicional al cobre de ampolla. La refinación posterior del cobre de ampolla realiza la reducción de impurezas de oxígeno y azufre en el cobre de ampolla, típicamente desde niveles tan altos como 0.80% y 1.0%, respectivamente, hasta niveles tan bajos como 0.05% y 0.002%, respectivamente, y se lleva a cabo usualmente en el rango de temperatura desde aproximadamente 1090° C hasta 1300° C e incluye un proceso de oxidación para oxidar azufre a dióxido de azufre el cual se desolubiliza del baño así como también un proceso de reducción para eliminar el oxígeno disuelto presente después del paso de oxidación.

La refinación del cobre de ampolla a cobre de ánodo puede conducirse como un proceso por lotes o un proceso semi-continuo. En cualquier caso, se usan típicamente toberas sumergidas de alta velocidad para la inyección de las corrientes de gas oxidante y de gas reductor al cobre fundido. Sin embargo, numerosas dificultades operacionales y de costos significativas están asociadas con el proceso convencional de refinación con fuego del ánodo de cobre y la inyección de las corrientes de gases oxidantes y reductores vía las toberas sumergidas. Tales dificultades incluyen: mantenimiento de toberas y asuntos de confiabilidad; alto desgaste de refractarios del horno debido a los efectos de corrosión de los gases oxidantes y reductores; formación excesiva de NOx, y variaciones del proceso de refinación.

Lo que se necesita es un método mejorado de refinación de ánodo de cobre que elimine la necesidad de toberas sumergidas y que logre altas eficiencias de refinación y producción mientras que al mismo tiempo disminuya los costos operacionales y logre reducciones en los niveles de NOx asociados con el proceso de refinación de ánodo de cobre.

El sistema y método actualmente descritos de refinación de cobre con corrientes de gas coherentes incluye múltiples características y aspectos que solos y colectivamente mejoran el proceso de refinación de cobre desde un punto de vista de productividad y ambiental. Estos aspectos y características de la invención se presentan con mayor detalle en las secciones que siguen.

Breve Descripción de las Invenciones En un aspecto, le presente invención puede caracterizarse como un método para la refinación de ánodo de cobre que comprende los pasos de: (i) proporcionar cobre de ampolla fundido a un horno; (ii) cargar desperdicio de cobre con el cobre de ampolla fundido en el horno; (iii) fundir dicho desperdicio de cobre o calentar el cobre de ampolla fundido usando una flama de fundición producida desde una lanceta o boquilla de soplado superior de chorro coherente, de funciones múltiples; (iv) oxidar impurezas de azufre en el cobre de ampolla fundido en el horno usando una corriente coherente de gas que contiene oxígeno, de soplado superior expulsada desde la lanceta de chorro coherente, dicha lanceta de chorro coherente acoplada a la fuente de gas que contiene oxígeno y la fuente de combustible; y (v) reducir el oxígeno en el cobre de ampolla fundido en el horno usando una corriente coherente de gas reductor, de soplado superior, que contiene un agente reductor y un gas inerte expulsados desde la lanceta de chorro coherente.

En otro aspecto, la presente invención puede caracterizarse como un sistema para refinación de ánodo de cobre que comprende: un horno metalúrgico para cobre que tiene una pared refractaria, el horno adaptado para contener un baño de cobre fundido que tiene una superficie superior y dicho horno que define un espacio de cabezal arriba de la superficie superior del baño de cobre; por lo manos una lanceta de chorro coherente multi-funcional, conectada a fuentes de gas que contiene oxígeno, gas inerte, agente reductor y combustible, dicha lanceta de chorro coherente montada en dicha pared refractaria del horno en una ubicación arriba de la superficie superior del baño de cobre; y un controlador que controla operativamente el flujo de gas que contiene oxígeno, gas inerte, agente reductor y combustible a la por lo menos una lanceta de chorro coherente. La lanceta de chorro coherente, multi-funcional está adaptada para proporcionar una flama de fundición para calentar el cobre fundido o fundir cualesquiera cargas de cobre de desperdicio proporcionadas al horno; una corriente coherente de gas que contiene oxígeno para oxidar azufre en el baño de cobre; y una corriente coherente de gas reductor que contiene el agente reductor y el gas inerte para reducir el oxígeno en el baño de cobre.

En otro aspecto, la presente invención puede caracterizarse como una mejoría al método para refinación continua de cobre en un horno de ánodo. La mejoría comprende los pasos de: (i) proporcionar cobre de ampolla fundido al horno de ánodo y opcionalmente cargar desperdicio de cobre al cobre de ampolla fundido en el horno de ánodo; (ii) oxidar impurezas de azufre en el cobre de ampolla fundido en el horno de ánodo usando una corriente coherente de gas que contiene oxígeno, de soplado superior expulsada desde una lanceta de chorro coherente montada en una pared refractaria del horno de ánodo en una ubicación arriba de la superficie superior del cobre de ampolla fundido; y (iii) reducir el oxígeno en el cobre de ampolla fundido en el horno de ánodo usando una corriente coherente de gas reductor, de soplado superior, que contiene un agente reductor y un gas inerte expulsado desde la lanceta de chorro coherente.

Breve Descripción de los Dibujos Los anteriores y otros aspectos, características y ventajas de la presente invención serán más aparentes a partir de la siguiente descripción más detallada de la misma, presentada en conjunto con los siguientes dibujos, en los cuales: La Figura 1 es una ilustración esquemática de una porción del proceso de refinación de ánodo de cobre, que incluye los hornos de ánodo, usados en la instalación de Kennecott Utah Copper; La Figura 2A es una vista isométrica de un ensamble de lanceta de chorro coherente de la técnica anterior dispuesto dentro de un alojamiento enfriado con agua, mientras que las Figuras 2B y 2C son dibujos de ensambles más pequeños y de peso más ligero de lanceta de chorro coherente de acuerdo con la presente invención; La Figura 3 es una vista de extremo de sección transversal de un ensamble de lanceta de chorro coherente de acuerdo con una modalidad de esta invención; La Figura 4 es una vista longitudinal de sección transversal del ensamble de lanceta de chorro coherente de la Figura 3; La Figura 5 es una vista de extremo de sección transversal de una modalidad alternativa del ensamble de lanceta de chorro coherente; y La Figura 6 es una vista longitudinal de sección transversal de la modalidad alternativa de ensamble de lanceta de chorro coherente de la Figura 5; Descripción Detallada de la Invención Como se usa en la presente, el término "corriente de gas coherente" o "chorro coherente" significa una corriente de gas que tiene poco o ningún incremento en diámetro de chorro en la dirección radial y que retiene su velocidad axial en una distancia de por lo menos 20 diámetros de boquilla según se mide desde la cara de la boquilla de' chorro. Tales chorros se forman expulsando un chorro de gas a través de una boquilla convergente/divergente y rodeándolo con una envoltura de flama que se extiende sobre por lo menos una parte de la longitud del chorro, y de preferencia sobre la longitud entera del chorro. De manera similar, el término "envoltura de flama" significa un flujo de combustión formado por la combustión de un combustible y un oxidante que se extiende a lo largo de una o más corrientes de gas.

En el sentido amplio, el sistema y el método de refinación actualmente descritos se refieren en general a la aplicación de tecnología de chorro coherente a la refinación pirometalúrgica de metales no ferrosos. Aunque la invención en sus modalidades preferidas se refiere particularmente a la refinación de ánodo de cobre fundido, ciertos aspectos y características de los presentes sistema y método pueden ser igualmente aplicables a la refinación de otros metales no ferrosos tales como níquel, plomo, cinc y estaño. Se entiende que puede haber varias cantidades de metales ferrosos en el fundido del metal no ferroso refinado usando las técnicas descritas en la presente. El sistema y el método descritos son particularmente útiles, sin embargo, para la refinación de ánodo de cobre y en particular para procedimientos para la refinación de ánodo de cobre del tipo en donde una carga de cobre se calienta y/o se funde y después se pone en contacto secuencialmente con gases oxidante y reductor de proceso a partir del ensamble mismo de lanceta con el fin de reducir la cantidad de impurezas de azufre y oxígeno en la misma.

La tecnología de chorro coherente involucra inyectar gases en la forma de chorros coherentes de gas a velocidades supersónicas a baños de metal fundido para alcanzar beneficios superiores de proceso en comparación con técnicas convencionales de inyección de gases. Boquillas de inyección de gas diseñadas especialmente mantienen coherente el chorro de la corriente de gas. Coherente significa conservar el diámetro y la velocidad del chorro. El chorro coherente entrega cantidades precisas de la corriente de gas a un baño de metal fundido con mayor momentum, mejor incidencia, menos divergencia o descomposición, menos arrastre de gases ambientales del horno y formación reducida de cavidad o salpicadura, cuando se compara con inyección convencional supersónica de chorro de gas. Los gases entregados usando dispositivos de chorro coherente inciden en el baño de cobre fundido lejos de la pared del horno, lo que puede mejorar la vida del revestimiento del horno en comparación con inyección de gas con toberas sumergidas que inyecta gases a través de las paredes del horno.

El sistema y el método de refinación de cobre actualmente descritos permite completamente un proceso un proceso de refinación de ánodo de cobre sin toberas a través de la utilización de uno o más dispositivos de chorro coherente de soplado superior, multifunciona!, para entregar gases que contienen oxígeno, gas inerte o nitrógeno, agente reductor y un combustible de hidrocarburo tal como gas natural al horno de ánodo y/o al fundido de cobre de ampolla dispuesto en el mismo. Con la eliminación de la necesidad de toberas sumergidas, uno ha eliminado los asuntos de mantenimiento y confiabilidad y costos asociados con las toberas y extendido significativamente la vida útil del recipiente del horno. Además, usando los dispositivos de chorro coherente para proporcionar flamas de fundición, el horno es adecuado para mantener el fundido a las temperaturas deseadas y aun realizar el fundido adicional de desperdicio de cobre lo que puede eliminar la necesidad y costos asociados con un horno separado de fundición de desperdicio. Además, usando dispositivos de chorro coherente para proporcionar flamas de fundición, el horno es adecuado para mantener el fundido a las temperaturas deseadas y aun realizar el fundido adicional de desperdicio de cobre lo que puede eliminar la necesidad y costos asociados con un horno separado de fundición de desperdicio. Un entendimiento exhaustivo de procesos actuales de refinación de cobre que incluyen procesos continuos de refinación de cobre de Kennecott Utah Copper se describen, por ejemplo, en las Patente de Estados Unidos No.6,210,463, y Re 36,598.

Los gases entregados al horno de ánodo incluyen de preferencia oxígeno, gas natural, nitrógeno y mezclas de los mismos que se entregan de acuerdo con puntos establecidos pre-programados. Más particularmente, el sistema de control de chorros coherentes consiste de un sistema de control de flujo de gas (aludido también como corredera de gas o tren de válvulas) y de preferencia uno o dos ensambles de lanceta de chorro coherente. En general se puede pre-programar cualquier combinación deseada de flujos al sistema de control de flujo de gas. Pueden requerirse flujos mínimos de gas o "flujos de purga" a través de cada orificio para evitar la oclusión de boquillas y son tales flujo mínimos de gas que se establecen y mantienen mediante el controlador siempre que las lancetas de chorro coherente operen en el horno caliente.

El cobre a ser refinado comprende típicamente cualquier material de cobre crudo adecuado que contenga cantidades que pueden reaccionar de impurezas de azufre y oxígeno y que puedan sujetarse a reacciones de desulfuración y desoxidación contempladas en la presente. Como se entiende bien en la técnica de refinación de cobre, el cobre contiene típicamente azufre y oxígeno en forma gaseosa disuelta así como también en forma químicamente combinada con átomos de cobre, tal como por ejemplo en la forma de sulfuros de cobre y óxidos de cobre. Típicamente, el cobre de ampolla de conversión continua contiene impurezas de azufre en el rango desde aproximadamente 800 hasta 6000 ppm de azufre o más antes del paso de oxidación e impurezas de oxigeno de aproximadamente 2000 ppm de oxígeno o más. Como es bien sabido por aquellos expertos en la técnica, el cobre de ampolla es el producto que se obtiene después de los pasos de fundición y conversión del refinado de cobre. El presente sistema y método contempla la conversión directa de tal cobre de ampolla en cobre de ánodo. El cobre de ánodo producido contiene típicamente menos que aproximadamente 50 ppm de azufre y menos que aproximadamente 2000 ppm de oxígeno.

Típicamente, el horno de ánodo comprende un horno cilindrico rotatorio tal como un horno de ánodo que tiene un revestimiento refractario el cual está equipado opcionalmente con por lo menos un quemador de aire-combustible u oxi-combustible de tipo convencional montado en una pared de extremo del convertidor para proporcionar calor al horno y que ha sido modificado para contener por lo menos un ensamble de lanceta de chorro coherente, multifuncional, de soplado superior. Un fundido de cobre está contenido en el fondo del horno. El recipiente del horno define un espacio de cabezal sobre la superficie del fundido.

Los ensambles de lanceta de chorro coherente están montados de preferencia en la pared refractaria del horno en una ubicación arriba de la superficie del fundido de cobre y proporciona el soplado superior del fundido con flamas de fundición o las corrientes de gas coherentes.

En la modalidad descrita, las lancetas de chorro coherente están montadas en la parte superior del horno de preferencia en un ángulo prescrito con la superficie del fundido de cobre con el fin de minimizar la salpicadura de la pared refractaria. Opcionalmente, el horno puede ser de un diseño con agitación en el fondo que contiene por lo menos un tapón poroso dispuesto en el fondo del horno para la inyección de un gas de agitación tal como nitrógeno, argón, dióxido de carbono, oxígeno o combinaciones de los mismos. Además, el horno puede estar equipado también con por lo menos un respaldo o tobera secundaria para la inyección de gases oxidantes y/o reductores al fundido cuando el ensamble de lanceta de chorro coherente es inoperante, aunque en la modalidad preferida el uso de toberas no es favorable debido a las desventajas asociadas con las mismas que han sido previamente enumeradas.

Volviendo ahora al dibujo, la Figura 1 es una ilustración esquemática de los hornos de ánodo en la instalación de Kennecott Utah Copper que muestra una modalidad del presente sistema y método de refinación de cobre. El primer horno 22 de ánodo se muestra con un solo orificio 25 de lanceta de chorro coherente mientras que el segundo horno 24 de ánodo se muestra con dos orificios 25 de lanceta de chorro coherente. Aunque no se muestra, las ubicaciones de montaje para los ensambles de lanceta de chorro coherente de preferencia son adyacentes a una plataforma o pasillo existente de manera que no se requieren prácticas de trabajo elevadas para acceso a los ensambles de lanceta de chorro coherente. Los hornos ilustrados incluyen toberas 26 que se usan para inyectar gases durante las prácticas tradicionales de oxidación y reducción. Después de la remoción de la escoria 34, el cobre 32 de ampolla del convertidor 30 de flasheo se alimenta a los hornos de ánodo de cobre vía los orificios 28 de alimentación y se alimenta cobre de ampolla adicional a través de la boca 29 del horno donde el cobre experimenta mucho del proceso de refinación a fuego, incluyendo los pasos de fusión de la carga, oxidación, despumado y reducción. Al término del proceso de refinación a fuego dentro de cada horno de ánodo, se pueden eliminar los ensambles de lanceta de chorro coherente más pequeños, de peso ligero, como se describe más adelante con mayor detalle, y girar el horno para sangrar o vaciar el cobre 40 fundido del horno de ánodo vía el agujero (no mostrado) de sangrado del horno y al proceso de vaciado.

Ensambles de lanceta de chorro coherente, más pequeños, de peso más ligero están dispuestos dentro de los orificios 25 de lanceta de chorro coherente mostrados en la Figura 1. Como se discute en mayor detalle más adelante, los ensambles de lanceta de chorro coherente se usan para proporcionar flamas de fundición durante la fundición de cualquier desperdicio de cobre agregado a la carga fundida, así como también para proporcionar corrientes coherentes de gases durante los pasos de oxidación y reducción del proceso por lo que se reducen los tiempos de ciclos de oxidación y reducción así como también se incrementa la productividad de los hornos de ánodo mientras que se minimizan las emisiones indeseables de NOx.

Comparativamente, cuando no se usan los ensambles y la tecnología de lanceta de chorro coherente, el proceso de refinación de ánodo puede emplear quemadores convencionales JL de oxi-combustible dispuestos en un extremo 20 de cada horno 22, 24 de ánodo de cobre lejos de los orificios 28 de alimentación para proporcionar la energía requerida al horno durante los pasos apropiados de fusión o calentamiento. También, cuando no se usan los ensambles de lanceta de chorro coherente, se aplican los pasos de proceso de oxidación y reducción al cobre dentro del horno de ánodo usando toberas 26 sumergidas para introducir los gases apropiados al fundido de cobre.

La Figura 2A muestra una vista isométrica de un ensamble de lanceta de chorro coherente de la técnica anterior dispuesto dentro de un alojamiento enfriado con agua. El ensamble de lanceta de chorro coherente de la técnica anterior tiene una huella grande con una envergadura o diámetro máximo de aproximadamente 40.6 centímetros. El inyector de chorro coherente de la técnica anterior está dispuesto de preferencia dentro del alojamiento enfriado con agua. El sistema entero de chorro coherente con alojamiento enfriado con agua pesa típicamente cerca de 181.6 kilogramos.

En contraste, el ensamble 50 de lanceta de chorro coherente más pequeño y de peso más ligero usado en los presentes sistema y método de refinación de ánodo de cobre se muestra en las Figuras 2E3 y 2C. El ensamble 50, 150 de lanceta de chorro coherente más pequeño y de peso más ligero está dispuesto también dentro de un alojamiento enfriado con agua, aunque tiene una huella de aproximadamente 94 a 122 centímetros de longitud, pero un diámetro máximo de solo aproximadamente 17.8 centímetros. Los inyectores más delgados de chorro coherente tienen un diámetro de sólo aproximadamente 8.9 centímetros y los sistemas enteros de chorro coherente pesan aproximadamente tanto como la mitad de los dispositivos de la técnica anterior mostrados en la Figura 2A. Este ensamble 50, 150 de lanceta de chorro coherente más pequeño y más delgado permite orificios de acceso más pequeños en la porción superior del recipiente de horno para inserción y remoción más fácil y segura del ensamble de lanceta así como también el taponamiento del orificio.

El peso más ligero del presente ensamble de lanceta de chorro coherente junto con las ubicaciones de montaje antes descritas proporciona la remoción e instalación marcadamente más fácil del ensamble de lanceta de chorro coherente dentro del horno de ánodo. Los orificios de diámetro más pequeño generalmente son más fáciles de abrir y más fáciles de taponar lo que minimiza los riesgos de seguridad asociados con el horno.

En cualquier momento que uno considere el uso de un ensamble de lanceta de chorro coherente en un horno, se necesita considerar la integridad de la estructura del horno y, en particular, la integridad de las características refractarias en la superficie interior del horno. Usando una lanceta de chorro coherente y ensamble más pequeños conjuntamente con orificios de lanceta más pequeños, se minimizan los problemas estructurales y refractarios asociados con la tecnología de chorro coherente, en comparación con los ensambles de lanceta de la técn ica a nterior.

Los ensambles de lanceta de chorro coherente están conectados a fuentes de combustible , un gas q ue contiene oxígeno, u n gas red uctor y, opciona lmente, un gas inerte vía u na corredera o sistema de control de gas (no mostrado) . La corredera o sistema de control de gas controla operativamente el flujo de gases de los ensambles de lanceta de chorro coherente pa ra generar selectivamente diferentes corrientes de gas inyectadas al horno pa ra propósitos de llevar a cabo los diferentes pasos de refinación incl uyendo la fusión del desperd icio de cobre así como también la oxidación y la reducción del fundido de cobre.

Las lancetas de chorro coherente están adaptadas para prod ucir corrientes coherentes de gas estructu radas , de alta velocidad en las cuales por lo menos una corrie nte de gas pri maria se expu lsa de u na boq u illa convergente-divergente y se rodea por u na envoltura de flama q ue se extiende desde el extremo distal del ensamble de lanceta o cara de la lanceta du rante por lo menos u na porción de la long itud de la corriente prima ria de gas y de preferencia se extiende sustancialmente la long itud entera de la corriente primaria de gas, es decir, se extiende desde la cara de la lanceta hasta la superficie del fu nd ido de cobre . La envoltura de flama sirve para evitar el arrastre de gases ambientales (horno) hacia la corriente primaria de gas y por lo tanto inhibe el decaimiento de la velocidad de las corrientes prima rias de gases y permite que las corrientes primarias de gases impacten con la superficie del fundido de cobre a distancias de aproximadamente 20 diámetros de boquilla o más con retención sustancial de la velocidad axial del chorro. La conservación de la velocidad axial de la corriente de gas permite que las corrientes de gases retengan sustancialmente todo su momentum con un área de sección transversal que es sustancialmente igual a aquélla del área de salida de la boquilla en toda esta distancia, mejorando el contacto entre las corrientes primarias de gas y el fundido de cobre y por ende la reacción entre las corrientes coherentes de gas y las impurezas de azufre y oxígeno que están presentes en el fundido de cobre y reduciendo asi los tiempos del ciclo y aumentando la eficiencia del proceso de refinación de cobre.

Los ensambles de lanceta de chorro coherente difieren grandemente de los dispositivos de inyección de gas se soplado superior, no coherentes, convencionales usados en hornos que no emplean una envoltura de flama. Con tales dispositivos convencionales de inyección de gas de soplado superior, conforme la corriente de gas sin envoltura de flama pasa a través de la atmósfera del horno, los gases del horno son arrastrados hacia la corriente de gas causando que se expanda rápidamente en la dirección radial en un patrón característico de cono, con una pérdida rápida de su velocidad axial y momentum.

De hecho, con lancetas o dispositivos convencionales de soplado superior, esta pérdida de velocidad axial es tan sustancial que una corriente de gas supersónico perderá su carácter supersónico en una corta distancia de la cara de la lanceta. Con tecnología de chorro coherente por otra parte, la corriente de gas coherente retendrá sustancialmente su velocidad axial en distancias mayores que 20 diámetros de boquilla y típicamente desde 30 hasta 150 diámetros de boquilla. Tal longitud mayor permite que el ensamble de lanceta de chorro coherente se monte más allá del fundido de cobre, tal como por ejemplo a ras con la pared refractaria del horno, sin pérdida de eficiencia del proceso. Además, la velocidad sustancialmente mayor de corrientes coherentes de gas permite una penetración más profunda de los gases en el fundido de cobre que la que se obtiene con corrientes de gases convencionales, de soplado superior, sin envoltura de flama (es decir, no coherentes). De hecho, en muchos casos se cree que las corrientes coherentes de gas penetran profundamente en el fundido de cobre antes de que fuerzas de flotabilidad causen que los gases inyectados se regresen, que la acción del gas dentro del fundido mimetice la acción del gas inyectado debajo de la superficie, por lo que se elimina la necesidad de toberas sumergidas.

Haciendo referencia ahora a las Figuras 3 y 4, se ilustra un inyector preferido de lanceta de chorro coherente que comprende una cara 52 de lanceta que tiene dispuesta en el centro de la misma una boquilla 54 principal rodeada por anillos concéntricos de orificios 56 de combustible y orificios 58 de oxidante. Aunque no se muestra en las Figuras 3 y 4, el inyector de lanceta de chorro coherente está contenido en un alojamiento de chaqueta enfriada por agua que se enfria con agua usando una manguera flexible desde la chaqueta de agua hasta la conexión de agua. La chaqueta de agua de enfriamiento recibe típicamente un flujo significativo de agua de enfriamiento, una parte de la cual se desvía desde el cabezal de la chaqueta de agua de enfriamiento hasta el ensamble de lanceta de chorro coherente.

En la modalidad preferida, el combustible de preferencia es gas natural 64 conectado a los orificios 56 de combustible vía los pasajes 65. De manera similar, el oxidante es un gas que contiene oxígeno tal como oxígeno 62 puro industrial conectado al orificio 58 de oxidante vía el pasaje 63. De preferencia, cada orificio 56 de combustible y orificios 58 de oxidante están dispuestos en una depresión anular dentro del alojamiento enfriado con agua con el fin de minimizar cualquier bloqueo de los orificios. La boquilla 54 de gas primaria es una boquilla convergente-divergente de alta velocidad apropiadamente dimensionada en vista de los gases y flujos de gas que se espera sean liberados con el ensamble 50 de lanceta de chorro coherente. La boquilla 54 está conectada de preferencia en su extremo corriente arriba a una o más fuentes de gas 60 vía un primer pasaje 61. Aunque las Figuras 3 y 4 ilustran el diseño simple y preferido de inyector, se pueden emplear, si se desea, arreglos de inyector y configuraciones de boquilla alternativos. Por ejemplo, se pueden emplear boquillas de gas primarias duales en lugar de una sola boquilla central.

Haciendo referencia ahora a las Figuras 5 y 6, se ilustra una modalidad preferida alternativa del inyector de lanceta de chorro coherente que comprende una cara 152 de lanceta que tiene en la misma dispuesta en el centro alrededor de su punto central radial una boquilla principal 154 y rodeada por un sólo anillo concéntrico c¡e orificios 155 de gas. Aunque no se muestra en las Figuras 5 y 6, el inyector de lanceta de chorro coherente está contenido también en un alojamiento de chaqueta enfriado con agua y puede incorporar también un ensamble de pirómetro para detectar la temperatura del fundido.

En esta modalidad preferida alternativa, el combustible es de preferencia gas 164 natural conectado a alguno de los orificios 155 de gas vía pasajes 165. De manera similar, el oxidante es un gas que contiene oxígeno tal como oxígeno 162 puro industrial conectado a los otros orificios 155 de gas vía el pasaje 163. De preferencia, el anillo concéntrico de orificios 155 de gas está dispuesto en una secuencia alternante donde los orificios 155 de gas acoplados al combustible están dispuestos adyacentes a los orificios 155 de gas acoplados al oxígeno y viceversa. Todos los orificios 155 de gas están dispuestos de preferencia en una depresión anular dentro del alojamiento enfriado con agua con el fin de minimizar cualquier bloqueo de los orificios como resultado de las salpicaduras de fundido. La boquilla 154 de gas primaria es una boquilla convergente-divergente de alta velocidad apropiadamente dimensionada en vista de los gases y flujos de gas que se espera sean liberados con el inyector de lanceta de chorro coherente. La boquilla 154 de gas primaria de preferencia está acoplada vía el pasaje 161 a una o más fuentes de gas, incluyendo de preferencia una fuente de oxígeno 160 principal vía el acoplador 172 y una fuente de gas inerte tal como nitrógeno 170 vía el acoplador 171.

El presente ensamble de lanceta de chorro coherente es capaz de generar flama de fusión convencional (soplado suave) y corrientes de gas coherentes rodeadas por una envoltura de flama (soplado duro). Como se usa en la presente, una "flama de fusión" se refiere a una flama de no lanceta, de soplado suave (aludida como una "flama forrada" en la técnica de oxi-combustible) que tiene una cobertura amplia de superficie. Tales flamas se producen ajustando los flujos de combustible y oxidante de manera que se produzca una flama que se difunde en la dirección radial y pierde su carácter supersónico en una distancia de aproximadamente 20 diámetros de boquilla desde el extremo distal de la boquilla o cara de lanceta. Como el nombre lo implica, tales flamas se emplean de preferencia para la fusión de cobre sólido y otros materiales de carga tales como desperdicios de cobre, puesto que proporcionan una gran cantidad de calor sobre un área superficial grande para fundir el material de carga. En las presentes modalidades, las corrientes de gas usadas durante tal fusión están sustancialmente libres de nitrógeno para minimizar la formación de NOx. Las flamas de fusión se pueden usar también para mantener la temperatura del fundido de cobre en el rango prescrito durante cualquier modo de operación de "Mantener/Ralentí" y "Quemador".

De preferencia, en la generación de flamas de fusión, el flujo de gas a la boquilla de gas primario se estrangula otra vez a partir oe condiciones de velocidad supersónica, alto flujo, hasta un flujo reducido el cual es por lo menos suficiente para evitar el atascamiento de las boquillas (aludido en la presente como "flujo de purga"), aunque si se desea, se puede continuar el flujo de gas de alta velocidad a través de la boquilla, pero sin la envoltura de flama, para producir una flama híbrida de fusión/lanceta. Los presentes sistema y método contemplan el uso de flamas ya sea forradas o híbridas, y las mismas se subsumen bajo el término general "flama de fusión".

Los combustibles adecuados para uso con los presentes sistema y método incluyen la mayoría de los combustibles de hidrocarburos, tales como gas natural, gas hidrógeno, y combustibles líquidos, pero más preferiblemente gas natural. Los oxidantes útiles incluyen gas que contiene oxígeno y de preferencia gas oxígeno grado industrial de alta pureza. De preferencia, los flujos de gas natural y gas que contiene oxígeno se ajustan de manera que el flujo total de gas natural y gases que contienen oxígeno se dividen uniformemente entre la boquilla primaria y los orificios secundarios, respectivamente, cuando los ensambles de lanceta de chorro coherente se operan en el "Modo de Quemador" (por ejemplo, modo de flama de fusión).

Un controlador PLC con base en microcontrolador está acoplado operativamente a los dispositivos de chorro coherente para controlar con precisión el suministro de gases a las lancetas de chorro coherente en una variedad de modos diferentes de operación (por ejemplo Modo de Mantener/Ralentí, Modo de Quemador o Modo de Refinación) y en respuesta a los comandos del usuario y condiciones de operación del horno. Los flujos reales de los gases son dictados típicamente por el modo de operación y los pasos específicos del proceso de refinación que se lleva a cabo (por ejemplo calentamiento de ampolla fría o fusión de desperdicio, oxidación, reducción, desnatado de escorias, etc.). La selección de los modos de operación y los pasos detallados del proceso empleados por el presente sistema de chorro coherente se hacen de preferencia por los operadores del horno de ánodo vía una interfaz de máquina humano de pantalla de toque en un cuarto de control o estación de control.

La meta principal del proceso de los presentes sistema y método de refinación de ánodo de cobre es proporcionar emergía al horno de ánodo para fusión expandida o incrementada del desperdicio de cobre mientras permanece debajo del límite de NOx de la instalación de fundición y reducción global de los tiempos de los ciclos de oxidación y reducción. En otras palabras, la meta del sistema y del método actuales es lograr el mejor balance entre los costos de operación, eficiencia de la energía, tiempo de ciclo y la menor formación posible de NOx. Las operaciones típicas del horno de cobre incluyen los pasos de (i) cargado; (ii) fusión; (Mi) oxidación; (iv) reducción; (v) desnatado de escoria; y (vi) vaciado. Los pasos detallados del proceso para los pasos del proceso de refinación antes identificados que usan el presente proceso de chorro coherente se discuten con mayor detalle más adelante.

Cargado y Control de NO, Como se discutió antes, los presentes sistema y método proporcionan un proceso de refinación de ánodo de cobre, de NOx bajos, mejorado donde se emplean ensambles de lanceta de chorro coherente para recibir secuencialmente cobre de ampolla fundido y desperdicio de cobre, fundir una carga de cobre, desulfurar el fundido, opcionalmente desnatar la escoria del fundido, desoxigenar el fundido y opcionalmente proporcionar calor al fundido para ayudar al proceso de fundición. En el primer paso de este proceso, se proporciona un fundido de cobre en el horno. Generalmente, este fundido de cobre tomará la forma de un tacón de cobre fundido que permanece a partir de una operación de refinación previa, que se mantiene en forma fundida vía el calor proporcionado por un quemador o alternativamente de los ensambles de lanceta de chorro coherente. Para este tacón, se carga cobre sólido al horno en un tiempo de llenado de aproximadamente 7 a 10 horas. Cuando se desea, se puede cargar también desperdicio de cobre frío al horno en una cantidad que comprende, en una base en peso, una porción menor de la carga total. El desperdicio sólido puede ser cargado al horno en uno o de preferencia más de varios pasos.

Durante el cargado del horno con su apertura respectiva de la puerta del horno, los contenidos son expuestos a la atmósfera ambiental, lo que resulta en la formación de grandes cantidades de NOx. De hecho, se ha descubierto que la generación de NOx durante e' paso de cargado es la fuente sencilla más grande de formación de NOx durante el proceso global de refinación de ánodo. Se puede lograr una disminución significativa de la cantidad de formación de NOx del proceso global mediante la supresión de la formación de NOx durante el paso de cargado cuando se usa el presente ensamble de lanceta operado en el "Modo de Mantener/Ralentí".

Se ha encontrado de manera inesperada que la formación de NOx se puede reducir significativa e inesperadamente inyectando gas nitrógeno al cabezal del horno vía los ensambles de lanceta de chorro coherente. En una modalidad, se expulsan gas nitrógeno, gas oxígeno y una corriente de gas natural vía la boquilla al espacio de cabezal del horno. Aunque no se desea recurrir a ninguna teoría en particular o modo de operación, se cree que esta corriente de gas nitrógeno apaga la zona de alta temperatura que existe en el cabezal que impulsa la formación de NOx, lo que conduce a un nivel reducido de formación de NOx. En un sentido, este resultado es en contra de la intuición puesto que uno habría esperado que la inyección de gas nitrógeno al cabezal y exposición a alta temperatura habría incrementado más bien la cantidad de formación de NOx.

Durante el cargado y el paso de supresión de NOx, los flujos de gas se mantienen bajo condiciones de bajo flujo suficientes para por lo menos purgar los pasajes de la lanceta de material ocluido y evitar el bloqueo de la lanceta debido a la salpicadura del cobre fundido. Durante cualquier paso de supresión de NOx, la boquilla principal de se emplea de preferencia para proporcionar un flujo ligeramente mayor de una corriente de gas nitrógeno para supresión de NOx. El flujo de gas nitrógeno es típicamente menor que aproximadamente 283.2 mchn (metros cúbicos por hora normales) y de preferencia 254.88 mchn, se expulsa de la boquilla principal mientras que los flujos de oxidante y combustible se expulsan de los orificios secundarios a regímenes de flujo menores que los usados durante los pasos de oxidación y reducción. Este modo de operación se denomina "Modo Mantenido/Ralentí".

Aunque el paso de supresión de NOx se ha descrito con respecto al cargado del horno con material de cobre, se ha encontrado que éi uso de nitrógeno u otra corriente de gas de apagado para supresión de NOx es igualmente aplicable durante otras fases del proceso de refinación siempre que se encuentren altos niveles de NO* durante el proceso de refinación. Por ejemplo, la técnica de supresión de NOx descrita en la presente se puede usar también siempre que el procedimiento de refinación esté produciendo cantidades indeseables de NOx durante otras fases de la operación de refinación conmutando periódica o temporalmente las lancetas de chorro coherente a partir de otros modos de operación al "Modo Mantener/Ralentí" antes descrito y después inyectar la corriente de nitrógeno u otro gas de apagado al cabezal del horno a regímenes reducidos de flujo hasta que se reduce el nivel de NOx del horno. Tal estrategia de control de NOx es de preferencia un aspecto automático programado en un controlador PLC con base en microprocesador.

Fusión Después del cargado, de preferencia se lleva a cabo la fusión de la carga a través del calor generado por el ensamble de lanceta de choro coherente a una temperatura y durante un periodo de tiempo suficiente para producir y mantener una temperatura de fusión de aproximadamente 1200° C a 1250° C. Para este propósito, los flujos de gas a los ensambles de lanceta de chorro coherente son de gases que contiene oxígeno y combustible y de preferencia serían sustancialmente libres de nitrógeno. Los flujos de gases se ajustan de manera conocida para proporcionar una flama de fusión que es expulsada a partir del ensamble de lanceta de chorro coherente al cabezal del horno y opcionalmente a contacto con la carga de cobre.

La flama de fusión proporciona la fusión rápida de la carga sólida para formar el fundido de cobre fundido. Típicamente, la carga se pondrá en contacto con la flama de fusión durante por lo menos una porción del periodo requerido para fusión de carga y de preferencia durante el periodo completo requerido para fundir la carga. Durante este paso del proceso, los presentes sistema y método de chorro coherente operan en lo que se llama el "Modo de Quemado". Este "Modo de Quemado" se caracteriza por velocidades de flujo más bajas de las corrientes de gas a partir del ensamble de lanceta y es operativo típicamente durante el proceso de fusión y el proceso de vaciado.

Después de fundir la carga, los presentes sistema y método de chorro coherente operan generalmente en lo que se denomina "Modo de Refinación". El "Modo de Refinación" se caracteriza por flujos de gas protegidos, de alta velocidad del ensamble de lanceta. El Modo de Refinación se selecciona durante mucho del proceso de oxidación, proceso de reducción así como también el proceso de desnatado de escoria. La composición de gas del flujo de gas de la boquilla principal depende del paso activo del proceso (por ejemplo, oxidación, desnatado de escoria o reducción) que se realiza.

Oxidación Después de fundir la carga, el fundido de cobre resultante se sopla desde arriba entonces con una corriente de gas que contiene oxígeno para desulfurar el fundido y oxidar el azufre presente en el mismo a S02. La corriente coherente de gas que contiene oxígeno puede comprender hasta 100% en volumen de oxígeno con solamente cantidades de traza de otros gases. En la práctica, la corriente coherente de gas que contiene oxígeno expulsada de la boquilla puede comprender una mezcla de oxígeno y nitrógeno que contiene por lo menos 21% en volumen de oxígeno, más preferiblemente por lo menos 36% en volumen de oxígeno. La corriente coherente de gas que contiene oxígeno tiene típicamente una velocidad axial (es decir, en la dirección del flujo) desde aproximadamente 1.0 hasta 2.5 Mach, y de preferencia desde aproximadamente 1.5 hasta 2.25 Mach y más preferiblemente desde aproximadamente 1.8 hasta 2.0 Mach, y se produce ajustando de manera conocida los flujos de oxígeno desde los orificios secundarios de oxidante, combustible (por ejemplo, gas natural) desde los orificios secundarios de combustible y oxígeno desde la boquilla principal de manera que se produce una envoltura de flama alrededor de la corriente principal de oxígeno durante por lo menos una porción de la longitud de la corriente principal de gas oxígeno y de preferencia en la longitud entera de la corriente principal de gas oxigeno.

Las condiciones típicas de flujo durante el paso de oxidación incluyen un flujo de combustible desde aproximadamente 141.6 mchn hasta 198.24 mchn, un flujo de oxígeno secundario desde aproximadamente 113.28 mchn hasta 141.6 mchn, y un flujo de gas que contiene oxígeno primario desde aproximadamente 1274.4 mchn hasta 1699.2 mchn de flujo total. El soplado desde arriba del fundido de cobre con la corriente coherente de gas que contiene oxígeno se realiza a una temperatura de fusión desde aproximadamente 1200° C hasta aproximadamente 1250° C y se continúa durante un periodo de tiempo suficiente para reducir la cantidad de azufre presente en el fundido desde, por ejemplo, aproximadamente 800 a 3000 ppm (en una base en peso) hasta aproximadamente de 40 a aproximadamente 100 ppm de azufre.

El paso de desulfurado se puede conducir como un procedimiento de un sólo paso como se describe antes u, opcionalmente, se puede conducir como un procedimiento de pasos múltiples donde en un primer paso el fundido de cobre es soplado desde arriba con una corriente de gas coherente que contiene oxígeno que tiene una concentración mayor de oxígeno, y en un segundo paso y pasos subsiguientes, el fundido de cobre se sopla desde arriba con una corriente de gas coherente que contiene oxígeno que tiene concentraciones más bajas de oxígeno. Esta operación de pasos múltiples puede tener la ventaja de evitar la sobre-oxidación del fundido de cobre. En el procedimiento contemplado de pasos múltiples, el fundido de cobre primero se sopla desde arriba con una corriente de gas coherente que contiene oxígeno que tiene una concentración de oxígeno desde aproximadamente 30 hasta 60% en volumen con el resto que comprende gas inerte, de preferencia nitrógeno. Después, la cantidad de oxígeno presente en el gas que contiene oxígeno disminuye de aproximadamente 21% a aproximadamente 36% en volumen (con el resto que comprende gas inerte, de preferencia nitrógeno) y el fundido de cobre se sopla desde arriba con las concentraciones más bajas de corriente de gas coherente que contiene oxígeno hasta que la concentración de azufre se reduce a un nivel deseado tal como por ejemplo de aproximadamente 40 ppm a aproximadamente 100 ppm de azufre. Si se desea, por supuesto, se pueden emplear menos soplado superior con la corriente de gas coherente de mayor concentración de oxígeno y más soplado superior con la corriente de gas coherente de menor concentración de oxígeno en pasos subsiguientes con el objeto de disminuir la posibilidad de sobre-oxidación del fundido, aunque la cantidad de tiempo requerida para completar la fase de desulfurado del proceso de refinación puede aumentar en consecuencia.

Las condiciones del flujo para el procedimiento de oxidación de pasos múltiples corresponden generalmente a aquéllas para el procedimiento de un paso e incluyen, por ejemplo, un flujo de combustible desde aproximadamente 141.6 mchn hasta 198.24 mchn, un flujo de oxígeno secundario desde aproximadamente 113.28 mchn hasta 141.6 mchn, y una corriente primaria de gas que contiene oxígeno de la boquilla de aproximadamente 1274.4 mchn a 1699.2 mchn de flujo total.

Desnatado de Escoria Después de la oxidación del fundido de cobre con el gas coherente que contiene oxígeno, el fundido se puede sujetar a un paso opcional de desnatado de escoria. Aunque no es esencial para la práctica del sistema y el método actualmente descritos, el desnatado de escoria puede ser deseable periódicamente con el fin de evitar la acumulación de escoria en el horno durante la operación continua o semi-continua del horno de ánodo de cobre. En este paso, el horno se hace girar alrededor de su eje longitudinal de manera que la escoria puede ser removida a través de la boca del horno. Con el fin de proporcionar una fuerza motriz a la escoria, se pueden emplear los ensambles de lanceta de chorro coherente para soplar por arriba el fundido de cobre para elevar la escoria sobre la superficie del mismo y dirigir la escoria en la dirección de la boca del horno. Aunque se puede usar cualquier corriente de gas primario adecuado para este propósito, se prefiere emplear un gas inerte, tal como nitrógeno o una mezcla de gases oxígeno/nitrógeno como la corriente de gas de soplado superior. Como antes, la corriente de gas de soplado superior se forma expulsando un flujo supersónico de una corriente de gas primario desde la boquilla y rodeándola con una envoltura de flama formada por la combustión del oxígeno y el combustible a través de los orificios.

Reducción Después de la oxidación y el desnatado de escoria opcional, el fundido de cobre tendrá típicamente de aproximadamente 3,000 a 7,000 ppm en peso de oxígeno, por ejemplo alrededor de 4,000 ppm de oxígeno. En contraste, el nivel de oxígeno del cobre de ampolla en el cargado típicamente comprenderá aproximadamente 2,000 ppm de oxígeno. Así, el nivel de oxígeno del fundido de cobre ha sido incrementado significativamente por el paso de oxidación sobre valores iniciales. Con el fin de reducir el oxígeno presente en el fundido a niveles aceptables, el fundido se sopla por arriba entonces mediante los ensambles de lanceta de chorro coherente con un gas reductor, tal como hidrógeno, gas natural, un hidrocarburo, monóxido de carbono y amoníaco, con el fin desoxigenar el fundido de cobre y reducir la cantidad de oxígeno presente en el fundido de cobre hasta un valor deseado. De preferencia, el nivel de oxígeno en el fundido de cobre se reduce desde aproximadamente 4,000 ppm en peso después del desulfurado hasta aproximadamente de 1,500 a aproximadamente 1,900 ppm de oxígeno y de preferencia aproximadamente 1,500 ppm de oxígeno. Las temperaturas típicas de fusión (reacción) durante el paso de reducción fluctuarán desde aproximadamente 1170° C hasta aproximadamente 1180° C. Como con el proceso de oxidación, el proceso de reducción puede ser implementado en uno o más pasos o subprocesos que emplean flujos de gas reductor que tiene diferentes concentraciones de gases.

La corriente coherente de gas reductor se forma mediante la expulsión de un flujo supersónico de una corriente primaria de gas reductor desde la boquilla y rodeándola con un envoltura de flama formada por la combustión de oxígeno secundario y combustible a través de los orificios secundarios en la cara de la lanceta. La corriente coherente de gas reductor puede comprender hasta 100% de agente reductor (por ejemplo, gas natural). De preferencia la corriente de gas coherente comprende una mezcla de agente reductor y un gas inerte tal como argón, vapor, nitrógeno, helio y C02 (de los cuales e! nitrógeno es el más preferido) que contiene desde aproximadamente 5% en volumen de agente reductor hasta aproximadamente 25% en volumen de agente reductor y más preferiblemente desde aproximadamente 10% en volumen de agente reductor hasta aproximadamente 20% en volumen de agente reductor, con el resto que comprende gas inerte tal como nitrógeno. Tales mezclas de agente reductor/gas inerte se forman de preferencia ajustando los flujos de gas natural y nitrógeno para los ensambles de lanceta coherente mediante la corredera o sistema de control de gas de manera que se expulsa una mezcla de gas natural y nitrógeno desde las boquillas principales.

Se ha encontrado que el uso de una corriente mixta de agente reductor/gas inerte para la corriente coherente de gas reductor durante la reducción aumenta ciertas ventajas operacionales. En particular, se ha encontrado que debido a su bajo peso molecular (es decir, masa), las corrientes de gas que consisten única o principalmente de agentes reductores forman corrientes coherentes de gas de solamente longitud limitada y fuerza de chorro. De hecho, debido a su baja masa, una corriente coherente de gas de solamente agentes reductores puede no tener suficiente fuerza de chorro para perforar el fundido de cobre y promover el mezclado adecuado de gas/líquido del agente reductor con el fundido de cobre. Para superar este problema, el medio convencional para la introducción de agentes reductores al fundido con frecuencia solamente se logró suplementando los agentes reductores de soplado superior con tapones porosos y toberas sumergidas o estrictamente introduciendo los agentes reductores usando toberas sumergidas.

Ventajosamente, las corrientes de gas inerte forman excelentes corrientes de gas coherentes de longitud y fuerza de chorro útiles debido a su masa mayor. Usando una corriente mixta de agente reductor/gas inerte, se pueden superar los problemas operacionales asociados con el uso único de agentes reductores de soplado superior. Mezclando el agente reductor (por ejemplo, gas natural) con un flujo de gas nitrógeno u otro gas inerte, el gas nitrógeno u otro gas inerte actúa como un gas portador o propulsor para transportar el agente reductor al fundido de cobre con una alta fuerza de chorro suficiente para permitir el mezclado eficiente de gas/líquido y eliminar la necesidad de suplementar la inyección de agentes reductores con tapones porosos o toberas sumergidas.

Fundición Al término de los pasos de reducción, el cobre de ánodo resultante típicamente contendrá aproximadamente 15 ppm o menos de azufre, 1,900 ppm o menos de oxigeno y tendrá una temperatura de fusión en un rango de aproximadamente 1200° C. En este punto, el cobre de ánodo está listo para fundición en ánodos para refinación electrolítica subsiguiente. Con el fin de proporcionar calor para mantener la temperatura de fusión durante la operación de fundición, en la modalidad preferida, el fundido de cobre puede ser soplado desde arriba con una flama de fusión de las lancetas de chorro coherente de manera similar como se describe antes con respecto al paso de fusión de la carga de cobre, con los flujos de gas que contiene oxígeno primario, el oxígeno secundario y el combustible que se ajustan para proporcionar un ligero exceso estequiométrico de combustible del orden de, por ejemplo, aproximadamente 3 a aproximadamente 5% en volumen. Usando tal flama de fusión enriquecida con combustible, se minimiza la fusión. Durante este paso de fundición, los presentes sistema y método de chorro coherente operan, si no es que todo, en el "Modo de Quemado".

Ejemplos La Tabla 1 representa los rangos de flujos de gases contemplados para uso con los presentes sistema y método de refinación de ánodo de cobre para operación a escala comercial.

Tabla 1. Flujos Típicos de Gases del Ensamble de Lanceta sistema y el método de refinación de ánodo de cobre actualmente descritos, fueron evaluados en un horno de ánodo de Kennecott Utah Copper, un horno de ánodo de cobre a escala comercial. En la Tabla 2 se presentan resultados comparativos que muestran el desempeño del horno de ánodo que usa los presentes sistema y métodos de refinación de ánodo de cobre que emplean la tecnología de chorro coherente contra el desempeño del horno de ánodo que usa el proceso tradicional de refinación de ánodo de cobre que emplea un quemador final de oxi-combustible (es decir, JL Burner) y toberas sumergidas.

Tabla 2. Refinación de Cobre en Kennecott Utah Copper (Horno Occidental) Como se esperaba, el consumo de combustible y el consumo de oxígeno globales aumentaron cuando se usan los presentes sistema y método de de refinación de ánodo de cobre que emplean la tecnología de chorro coherente. Específicamente, el consumo de combustible se elevó desde una línea de base de 224.58 MCHN de gas natural hasta 240.15 MCHN de gas natural, un aumento de aproximadamente 7%. El consumo de oxígeno aumentó de 348.05 MCHN a 400.44 MCHN, un aumento de aproximadamente 15%. Sin embargo, los costos incrementados del gas natural y el oxígeno se desviaron por la producción grandemente incrementada. En particular, la fusión de desperdicio de cobre aumentó desde aproximadamente 10 tons por carga usando el proceso tradicional de refinación de ánodo de cobre hasta aproximadamente 34 tons por carga usando los nuevos sistema y métodos de refinación de ánodo de cobre que emplean la tecnología de chorro coherente, un aumento de aproximadamente 240%. Además, los tiempos de ciclo asociados con los pasos de oxidación y reducción se redujeron desde un total de 165 minutos con el proceso tradicional hasta 120 minutos usando el proceso con base en chorro coherente, una reducción de 27%.

También usando los nuevos sistema y métodos de refinación de ánodo de cobre que emplean la entrega secuencial de gases de proceso de oxidación y reducción desde el mismo ensamble de lanceta de chorro coherente con intervención de purga, el contenido de azufre en el cobre de ampolla fundido en dos puntos seleccionados se redujo marcadamente en comparación con el contenido de azufre correspondiente en el proceso tradicional de cobre de ampolla fundido. Como se esperaba, el contenido de oxígeno en el proceso con base en chorro coherente aumentó ligeramente debido al incremento en oxígeno suministrado al horno en los presentes sistema y método de refinación de ánodo de cobre. Este oxígeno en exceso cuenta también para el ligero incremento en el tiempo de reducción necesario para remover el oxígeno en exceso e indeseable.

Igualmente importante es que los presentes sistema y métodos con base en chorro coherente, como se demuestra en el horno de ánodo de cobre a escala comercial, controlando efectivamente los niveles de NOx por debajo de los niveles prescritos durante el proceso entero.

A partir de lo anterior, se debe apreciar que las modalidades y los ejemplos descritos proporcionan varios métodos y sistemas de refinación de ánodo de cobre. Aunque la invención se ha descrito en detalle con referencia a ciertas modalidades preferidas, se pueden hacer numerosas modificaciones, cambios, variaciones, adiciones u omisiones, como se les ocurrirán a aquellos expertos en la técnica, sin apartarse del espíritu y el alcance de las reivindicaciones del caso.

Claims (13)

REIVINDICACIONES

1. Un método para la refinación de ánodo de cobre que comprende los pasos de: (i) cargar cobre de ampolla fundido a un horno; (ii) cargar desperdicio de cobre con el cobre de ampolla fundido en el horno; (iii) fundir dicho desperdicio de cobre o calentar el cobre de ampolla fundido usando una flama de fusión producida desde una lanceta de chorro coherente, de soplado superior, de funciones múltiples, dicha lanceta de chorro coherente acoplada a una fuente de gas que contiene oxígeno y una fuente de combustible; (iv) oxidar impurezas de azufre en el cobre de ampolla fundido en el horno usando una corriente coherente de gas que contiene oxígeno, de soplado superior expulsada desde la lanceta de chorro coherente, dicha lanceta de chorro coherente acoplada a la fuente de gas que contiene oxígeno y la fuente de combustible; y (v) reducir el oxígeno en el cobre de ampolla fundido en el horno usando una corriente coherente de gas reductor, de soplado superior, que contiene un agente reductor y un gas inerte expulsados desde la lanceta de chorro coherente; dicha lanceta de chorro coherente acoplada a la fuente de gas que contiene oxígeno, la fuente de combustible; una fuente del agente reductor; y una fuente del gas inerte.

2. El método de la reivindicación 1, en donde el método de refinación de ánodo de cobre es un proceso continuo de refinación a fuego y el método comprende además los pasos de repetir los pasos (iii) a (v) para cada carga adicional de desperdicio de cobre o cobre de ampolla fundido introducido al horno.

3. Un sistema de refinación de ánodo de cobre que comprende: un horno metalúrgico para cobre que tiene una pared refractaria, el horno adaptado para contener un baño de cobre fundido que tiene una superficie superior y dicho horno que define un cabezal arriba de la superficie superior del baño de cobre; por lo manos una lanceta de chorro coherente, multifuncional conectada a fuentes de gas que contiene oxígeno, agente reductor y combustible, dicha lanceta de chorro coherente montada en dicha pared refractaria del horno en una ubicación arriba de la superficie superior del baño de cobre; y un controlador que controla operativamente el flujo de gas que contiene oxígeno, gas inerte, agente reductor y combustible a la por lo menos una lanceta de chorro coherente; en donde se produce una flama de fusión que comprende el combustible y el gas que contiene oxígeno a partir de la por lo menos una lanceta de chorro coherente para calentar el cobre fundido o fundir cualesquiera cargas de cobre de desperdicio proporcionadas al horno; y en donde se produce una corriente coherente de gas que contiene oxígeno a partir de la lanceta de chorro coherente para oxidar el azufre en el baño de cobre; y en donde se produce una corriente coherente de gas reductor que contiene el agente reductor y el gas inerte a partir de la lanceta de chorro coherente para reducir oxígeno en el baño de cobre.

4. Una mejoría para el método de refinación continua de cobre en un horno de ánodo, la mejoría que comprende los pasos de: cargar cobre de ampolla fundido al horno de ánodo y cargar opcionalmente desperdicio de cobre al cobre de ampolla fundido en el horno de ánodo; oxidar impurezas de azufre en el cobre de ampolla fundido en el horno de ánodo usando una corriente coherente de gas que contiene oxígeno, de soplado superior expulsada desde una lanceta de chorro coherente montada en una pared refractaria del horno de ánodo en una ubicación arriba de la superficie superior del cobre de ampolla fundido, dicha lanceta de chorro coherente acoplada a la fuente de gas que contiene oxígeno y la fuente de combustible; y reducir el oxígeno en el cobre de ampolla fundido en el horno de ánodo usando una corriente coherente de gas reductor, de soplado superior que contiene un agente reductor y un gas inerte expulsados desde la lanceta de chorro coherente; dicha lanceta de chorro coherente acoplada a la fuente de gas que contiene oxígeno, la fuente de combustible; una fuente del agente reductor; y una fuente del gas inerte.

5. El método de la reivindicación 1 o 4, que comprende además el paso de dirigir uno o más flujos de purga a través de la lanceta de chorro coherente multifuncional; después del paso de oxidación y antes del paso de reducción; después del paso de fusión o calentamiento y antes del paso de oxidación; durante los pasos de cargado; durante el paso de fusión; o después del paso de reducción.

6. El método de la reivindicación 1 o 4, en donde el paso de oxidación se conduce en dos o más sub-pasos en los cuales el cobre fundido se pone en contacto con una primera corriente coherente de gas que contiene oxígeno que tiene una concentración de oxígeno de por lo menos 30 porciento en volumen de oxígeno en un primer paso y el cobre fundido se pone en contacto subsiguientemente con una segunda corriente coherente de gas que contiene oxígeno que tiene una concentración menor de oxígeno que dicha primera corriente coherente de gas que contiene oxígeno.

7. El método de la reivindicación 1 o 4, que comprende además el paso de calentar dicho cobre fundido durante la fundición del cobre en ánodos poniendo en contacto dicho cobre fundido con una flama de fusión producida por dicha lanceta de chorro coherente.

8. El método de la reivindicación 1 o 4, que comprende además el paso de desnatar la escoria del cobre fundido usando una corriente de gas expulsada de la lanceta de chorro coherente para dirigir la escoria en la dirección de una boca del horno.

9. El método de la reivindicación 1 o 4, o el sistema de la reivindicación 3, en donde el gas que contiene oxígeno de pureza de grado industrial, el agente reductor y el combustible son gas natural y el gas inerte es nitrógeno.

10. El método de la reivindicación 1 o 4, o el sistema de la reivindicación 3, en donde la flama de fusión está sustancialmente libre de gas nitrógeno.

11. El método de la reivindicación 1 o 4, o el sistema de la reivindicación 3, en donde se introduce una corriente de gas nitrógeno solada desde arriba al cabezal del horno desde la lanceta de chorro coherente durante el cargado de desperdicio de cobre o cobre fundido al horno para suprimir la formación de NOx en el horno.

12. El método de la reivindicación 1 o 4, o el sistema de la reivindicación 3, en donde la lanceta de chorro coherente es una lanceta de chorro coherente de peso ligero, renovable que puede removerse del horno durante los pasos de refinación de cobre diferentes a fusión, oxidación y reducción.

13. Un método para inhibir la formación de NOx durante Is refinación de metales, que comprende los pasos de: proporcionar una carga de metal de desperdicio a un baño de metal fundido en un horno equipado con por lo menos un ensamble de lanceta de soplado superior y acoplado a una fuente de gas que contiene oxígeno, una fuente de combustible y una fuente de gas nitrógeno; fundir dicha carga de metal de desperdicio usando una flama de fusión que usa el combustible y el gas que contiene oxígeno; oxidar o reducir impurezas en el fundido usando el gas que contiene oxígeno o agentes reductores; e inyectar intermitentemente el volumen prescrito de gas nitrógeno al cabezal del horno usando el ensamble de lanceta de soplado superior durante o después del paso de proporcionar una carga de metal de desperdicio para inhibir la formación de NOx durante el proceso de refinación.