Principios teóricos y prácticos de la tostación de concentrados de zinc

Prefacio

El Autor, José Puga Bullón es Ingeniero Químico y trabajó en la Refinería de Zinc de Cajamarquilla de Minero Perú S.A., entre los años 1979 y 2002, estando, entre los años 1979 a 1988, a cargo de la Jefatura del Departamento de Manipuleo de Concentrados y Planta de Tostación de concentrados de Zinc.

En los 1979 y 1980 participó en las labores de Supervisión de las áreas de Manipuleo de Concentrados y en la Planta de Tostación de concentrados de Zinc durante la instalación (construcción) de la Refinería de Zinc de Cajamarquilla.

En 1981 participó en la puesta en marcha de las áreas de Manipuleo de Concentrados y en la Planta de Tostación de concentrados de Zinc y luego hasta 1988 como responsable de las operaciones de dichas áreas.

La presente monografía fue redactada por el autor aproximadamente en el año 1985, para ayudar al personal que laboraba en la Planta de Tostación de la Refinería de Zinc de Cajamarquilla, de Minero Perú S.A. a que conozca los "Principios teóricos y prácticos de la Tostación de concentrados de zinc", al expresar los conocimientos y experiencias obtenidas en la operación de una Planta de Tostación de concentrados de Zinc

La Monografía fue revisada en el año 2012 para darle difusión y pueda ser de utilidad al personal que trabaja en Plantas de Tostación con lechos fluidizados (TLR: siglas de Turbulent Layer Roaster), profesionales de las áreas de Química y Metalurgia y personal de otras industrias que usan este tipo de hornos o reactores

Esta monografía consta de los siguientes capítulos: INTRODUCCIÓN, HORNOS DE TOSTACIÓN DE CAMA FLUIDIZADA (Historia, Tecnologías, Factores que controlan las reacciones en los hornos de cama fluidizada, Ventajas de los hornos de cama fluidizada, Aplicaciones de los hornos de cama fluidizada), PROCESOS DE TOSTACIÓN DE CONCENTRADOS DE ZINC (Proceso operativo, Variables operativas, Planta de tostación de concentrados de zinc de Cajamarquilla) y BIBLIOGRAFÍA , .

Lima, Junio de 2012

El Autor

Introducción

El principal objetivo de la metalurgia extractiva es el obtener los elementos valiosos que contienen los minerales. Para conseguir esto se utilizan una serie de operaciones y procesos combinados, en un diagrama de flujo, adecuados a las características y contenido del mineral.

Los procesos metalúrgicos van modificándose y evolucionando constantemente, movidos por:

• Las modificaciones de la naturaleza de la materia prima

• El interés de aumentar la productividad

• Las condiciones del mercado

• La política de los gobiernos de prevenir la contaminación ambiental

Los procesos tradicionales, con los perfeccionamientos e innovaciones que vienen y se seguirán adoptando, mantendrán todavía un lugar importante en la metalurgia extractiva, ya que se ha demostrado que los procesos pirometalúrgicos consumen la mitad de energía que los procesos hidrometalúrgicos.

La tostación, es por lo general, la primera etapa del tratamiento metalúrgico de muchos metales, pudiendo ser seguido de otros procesos piro o hidrometalúrgicos.

En el caso de la metalurgia del zinc, la oxidación de la blenda (ZnS) es el objetivo principal de la Tostación, obteniéndose un producto denominado calcina, que es un producto que es soluble por lixiviación.

Entre los principales equipos que se utilizan o se utilizaron para la Tostación de concentrados de zinc tenemos:

• Hornos de solera múltiple

• Hornos de Tostación tipo "flash"

• Hornos de solera estática y parrilla móvil

• Hornos de cama fluidizada

• Hornos de cama turbulenta

El término "cama turbulenta" está referido a aquellos hornos que tratan los concentrados sin necesidad de aglomerarlos, reservando el término "cama fluidizada" a los hornos que usan material aglomerado, denominado "pellets". Muchas veces el término hornos de cama fluidizada abarca a los hornos de cama turbulenta, debido en que en ambos casos las partículas sólidas adquieren la movilidad de los fluidos, habiéndose llegado a generalizar el término para ambos tipos indistintamente.

Hornos de tostación de cama fluidizada

• a) Historia

La técnica de fluidización puede ser atribuida a una propuesta de Robinson en 1879, sin embargo su aplicación comercial comenzó en 1921 cuando la Compañía Badishe Anilin und sodafabrik en Alemania desarrolló el generador de gas Winkler. En los Estados Unidos esta técnica fue principalmente usada en el proceso de craqueo catalítico en la industria del petróleo desde los comienzos de 1940. Las camas fluidizadas comenzaron a ser ampliamente usadas en el campo de la extracción metalúrgica desde el fin de la Segunda Guerra Mundial .Antes de la Guerra los concentrados eran tostados en hornos tipo "Flash" de múltiples hogares, siendo reemplazados gradualmente por los hornos de cama fluidizada.

• b) Tecnologías

• 1) Generalidades

La fluidización de partículas en lechos es una tecnología que se ubica dentro de las reacciones sólido-fluido, mediante la cual una masa constituida por partículas sólidas dentro de un recipiente, en mayor o menor grado de división, adquiere la movilidad de un fluido y se mantiene en suspensión por el empuje o tiro de un fluido que se desplaza en dirección vertical. Durante la fluidización un gas o un líquido se ponen en contacto con un sólido, reaccionan con él y lo transforman en un producto diferente al inicial.

Estas reacciones pueden dar:

Entre las principales características de las camas fluidizadas podemos mencionar:

• Estar compuestas de una cama de sólidos en la parte inferior de la cámara de reacción

• Debajo de la cama hay dispositivos (inyectores-toberas) que distribuyen el aire sobre el área del tostador

• A través de las toberas el gas reaccionante es forzado con una presión positiva

• Los sólidos tratados son íntimamente y rápidamente mezclados con el gas que hace contacto con ellos. El flujo de gas crea el medio fluidizado.

• El material tostado (calcina) es continuamente descargado de la cama de sólidos fluidizados y del sistema de colección de polvos (caldera, ciclones, electrofiltros o precipitadores electrostáticos)

Normalmente los sólidos que se usan están finamente divididos y el fluido más usado es el aire, dado que su adquisición no implica un gasto.

El aire cumple tres funciones:

• Acción mecánica; mantiene en suspensión el lecho para favorecer la tostación cuando ingresan los concentrados

• Acción física: enfriar o refrigerar el tostador del exceso de calor generado en la tostación

• Acción química: proporciona el oxígeno necesario para la oxidación de los sulfuros

Durante la fluidización se observan las siguientes etapas:

• A medida que el flujo del fluido aumenta, se incrementa la caída de presión (resistencia del lecho), el lecho se expande ligeramente y las partículas sólidas comienzan a tener un cierto grado de libertad de movimiento

• La verdadera fluidización se alcanza cuando la presión del fluido es igual que el peso por unidad de área, entonces las partículas quedan suspendidas en el flujo del gas. El estado fluidizado es una condición prácticamente estable, que puede ser mantenida indefinidamente.

• Si se aumenta el flujo del fluido muchas partículas acompañarán al fluido, produciéndose transporte neumático si se continúa aumentando el flujo.

De lo anterior se deduce que el flujo del fluido (que da origen a la velocidad superficial) es una de las variables más importantes en la fluidización.

La cama de sólidos cumple las siguientes funciones:

• Precalienta el flujo del fluido

• Seca la carga de sólidos alimentada

• Precalienta y homogeniza los sólidos alimentados

• Prolonga la residencia de las partículas finas en la cama

• Transfiere calor a los serpentines refrigerantes, cuando se cuenta con estos instalados en la cama o lecho

• 2) Mezcla y fenómenos de transporte

• Comportamiento de las burbujas de gas

Las camas fluidizadas de los sistemas gas-sólido empleadas en los procesos de metalurgia extractiva están esencialmente compuestos de una fase de burbujas y una fase de emulsión, y la conducta de las camas fluidizadas está estrechamente relacionada a la subida de las burbujas de gas; el flujo de gas fuidizante pasa a través de la fase emulsión y el remanente asciende a través de la cama en forma de burbujas de gas. Sin el conocimiento de las burbujas es difícil entender las propiedades de la cama.

En una cama fluidizada se puede estimar el cambio de tamaño y la frecuencia de las burbujas. Esto es principalmente debido a la coalescencia (unión, enlace) de las burbujas, lo cual es también observado en las camas fluidizadas en dos dimensiones. Toei explica la coalescencia de los pares de burbujas en dos dimensiones, como sigue: la interacción de las dos burbujas llega

a ser efectiva cuando la distancia entre los centros de las burbujas decrecen por debajo de la suma de los diámetros de ambas burbujas. Además:

• Las burbujas inferiores son gradualmente aceleradas hacia arriba y la distancia entre las dos burbujas decrece

• En el curso de aproximación a las burbujas superiores, la velocidad de ascenso de las burbujas inferiores disminuye y llega a ser mínima cuando alcanza la parte inferior del borde de la estela de la burbuja superior.

• La burbuja inferior es acelerada otra vez cuando entra en la estela y finalmente es formada una sola burbuja estable.

Debido a la coalescencia y a la ruptura de las burbujas levantadas dentro de una cama fluidizada, el tamaño, la velocidad de ascenso, la frecuencia de las burbujas llega a ser estadístico, y el comportamiento de las burbujas levantadas no sólo gobierna la mezcla característica de gas y partículas dentro de la cama, sino también de las propiedades características de la superficie de la cama. Las burbujas levantadas empujan las partículas a los costados y estas partículas fluyen hacia abajo a lo largo de la superficie de la burbuja, hacia el interior de la estela. Cuando las burbujas alcanzan la superficie de la cama, las partículas sobre las burbujas son empujadas y las partículas en la estela son sopladas dentro del espacio libre. Entre las partículas que están flotando en este espacio, las partículas más grandes o las más pesadas pueden asentarse preferencialmente y esto puede causar la segregación de la superficie de la cama.

• Mezcla de sólidos

La mezcla de partículas y gas dentro de una cama fluidizada gas-sólido es importante en la obtención de una cama uniforme y también en el control de la reacción. La mezcla es causada por el ascenso de las burbujas a través de la cama. Rowe, soplando aire por el fondo de la cama encontró que la penetración descendente de mezcla ocurre a un rate de flujo de 0,83 umf (velocidad de fluidización mínima) y ambas partículas son mezcladas justamente a 1,2 umf. También reportó que el estado de fluidización llega a ser diferente cuando se fluidizan partículas más pequeñas de 60 micrones. De acuerdo a él, esto es debido a la formación de "islas" de partículas en la fase emulsión causadas por la fuerza elestrostática cohesiva, inducida entre las partículas

En camas de baja altura la coalescencia de las burbujas de gas no es prevaleciente, debido a que la distancia de viaje de las burbujas es más bien uniforme y el movimiento de las partículas es considerado aleatorio.

La difusividad en la mezcla de sólidos en dirección vertical es principalmente afectada por el rate de flujo del gas, el diámetro de las partículas y la altura y diámetro de la cama fluidizada.

Kandukan encontró que el movimiento de partículas en dirección vertical es más prominente que en dirección lateral. También encontró que el movimiento en dirección lateral es observado principalmente en la superficie de la cama fluidizada y que la partícula muy raramente ingresa a la porción directamente encima del distribuidor (toberas).

De esto se deduce que la mezcla de sólidos en una cama fluidizada depende mucho del rate del flujo del gas o la cantidad de exceso de flujo de gas por encima de la umf, el cuál asciende la cama en forma de burbujas de gas. Fue reportado por Howe, que el rate de mezcla puede ser predicha por la forma y frecuencia de las burbujas.

El tiempo de residencia de las partículas depende de la altura de la cama, del rate de alimentación de partículas y del rate de flujo de gases.

• Mezcla de gases

Gillilan menciona que el flujo de gases en una cama fluidizada no es una mezcla completa ni un flujo pistón, y se aproxima al flujo pistón cuando dp (diámetro de partícula) se incrementa. Halwagi estableció que la mezcla en retroceso del gas es causada por el flujo descendente de partículas. En suma, el flujo ascendente de gas en forma de burbujas y el flujo descendente acompañado por las partículas descendentes forman un flujo cruzado de gas a través de la nube entre las burbujas y la fase emulsión.

Las camas fluidizadas consisten de una fase emulsión y otra de burbujas que más tarde llega a un estado similar a la fluidización mínima. El exceso de gas sobre la cantidad de gas de fluidización mínima forma la fase burbujas, la cual asciende a través de la cama. Ocurre un intercambio de gas en la interfase de ambas fases. Van Dumter sugiere que la mezcla de gas es acelerado mayormente por la mezcla dentro de la fase emulsión y el flujo cruzado entre las burbujas y la fase emulsión.

• Transferencia de masa

La transferencia de masa que ocurre en una cama fluidizada puede ser clasificada como:

• Mezcla de sólidos y gases en la cama fluidizada

• Difusión de gases a través de la película límite, en la superficie de las partículas

• Difusión de gas a través de la capa del producto de reacción en una partícula fluidizada.

Entre esta, la mezcla sólidos y gases, y la difusión de gas por los poros en una capa de producto reaccionante no es directamente afectado por las condiciones de fluidización.

La medición del rate de transferencia de masa entre sólidos y gases en una cama fluidizada fue hecha por evaporación de un líquido contenido en partículas porosas, por absorción de un componente gaseoso en partículas porosas o por sublimación de partículas sólidas.

Kuani explica la transferencia de masa como sigue: de acuerdo al modelo de la cama burbujeante el flujo de gas ascendente es muy lento en la fase emulsión y algunas veces llega a ser un flujo descendente en camas vigorosamente burbujeantes. Y puede ser razonable suponer que la contribución de la fase emulsión al total de flujo de gases puede ser omitida y el gas fresco que entra a la cama fluidizada lo hace en forma de burbujas. El proceso de absorción de gas por las partículas fluidizadas está compuesto como sigue: primero una porción de gas es absorbido por las partículas flotantes en fase de burbujas y el gas nuevamente es transferido a la nube. Otras porciones son absorbidas por las partículas en la nube y el resto es absorbido completamente por las partículas en la fase emulsión.

En una cama fluidizada donde las partículas finas son agitadas por grandes burbujas de gas, el rate de absorción de gas en la superficie de las partículas se supone que es lo suficientemente más alto que el rate de intercambio de gas entre la fase burbuja y la nube, y entre la nube y la fase emulsión.

• Transferencia de calor

La trasferencia de calor en una cama fluidizada puede ser entre el gas y las partículas, entre las paredes del reactor de cama fluidizada y entre la cama fluidizada y la superficie de sólidos instalados dentro de la cama.

Con el progreso de las reacciones químicas que ocurren dentro de las partículas fluidizadas, una cantidad de calor es despedido o absorbido en la reacción de interfase y el calor es transferido a los alrededores de la parte gaseosa a través de la película límite de las partículas y el rate de transferencia de calor es importante como la base de la cinética de las reacciones que ocurren en la cama fluidizada. La transferencia de calor entre las paredes del reactor y la cama fluidizada es también indispensable en el análisis cinético de las reacciones que ocurren en una cama fluidizada, la cual es externamente calentada o enfriada. La transferencia de calor entre una cama fluidizada y una superficie sólida instalada en la cama es a menudo requerida para evaluar el rate de intercambio de calor entre la cama y un intercambiador de calor.

En una cama fluidizada la temperatura del gas cambia rápidamente en el fondo de la cama fluidizada y converge a una temperatura constante en la porción superior, y la transferencia de calor es casi completa en la porción inferior de la cama.

El valor del coeficiente de transferencia de calor es afectado por la altura de la cama fluidizada, porque esta promedia la cantidad de calor transferida, la cual mayormente ocurre en el fondo de la cama fluidizada. La transferencia de calor también es afectada por la forma y las condiciones de la superficie de las partículas.

Cuando un flujo de gas precalentado es soplado dentro de una cama fluidizada de baja temperatura, el gas asciende a través de la cama principalmente en la forma de burbujas de gas y el calor es transferido de las burbujas a las nubes. Se asume que el gas y las partículas están en equilibrio térmico dentro de la fase emulsión y que la pérdida de calor del gas en la fase burbujas es expresado como:

Se supone que la temperatura del gas medida en la cama fluidizada es el promedio de las temperaturas en la fase burbujas y el gas involucrado en la fase emulsión (la cual es igual a la temperatura de las partículas).

Es conocido que el coeficiente de transferencia de calor llega a ser más bajo cuando el tamaño de las partículas se incrementa. Además dicho coeficiente se incrementa cuando el rate del flujo de gas es bajo, y decrece cuando el rate de flujo es alto; esto debido a que decrece la concentración de partículas fluidizadas. El coeficiente de transferencia de calor está en el rango de 100 a 600 Kcal/m2/ Hr/ ºC

Los factores que afectan el coeficiente de transferencia de calor son: densidad, viscosidad y calor específico del gas; tamaño, densidad, esferoicidad, calor específico y conductividad térmica de las partículas añadidas al rate de flujo de gas; diámetro, altura y fracción vacía de la cama fluidizada.

• 3) Ventajas de las camas fluidizadas

• Las reacciones ocurren a velocidades mayores que en otros tostadores (reactores), debido a que la agitación intensa de las partículas cargadas permite que el contenido de estas y el aire se incremente en forma notable.

• Debido al movimiento vigoroso de las partículas por el gas fluidizante, la cama es uniforme en cuanto a composición de las partículas y temperatura.

• Construcción y operación simples, que permiten un fácil control automático de las operaciones en forma continúa.

• No posee partes móviles sometidas a esfuerzos y/o temperatura.

• Mucho mayor capacidad de tratamiento que otros hornos (reactores)

• Producción de gases de tostación con alto contenido de anhídrido sulfuroso que permite que puedan ser tratados en Plantas de Ácido Sulfúrico, sin tener que quemar adicionalmente azufre.

• Operan en forma automática y permiten la recuperación de calor, que se aprovecha en la generación de vapor y energía eléctrica

• Se puede controlar el tiempo de residencia de las partículas que están siendo tratadas

• Da confiabilidad y estabilidad a la operación

• Facilidad de manejo de sólidos

• 4) Aplicaciones de los hornos de cama fluidizada

• Tostación de concentrados sulfurados (zinc, cobre, molibdeno, piritas y arseno-piritas auríferas)

• Fabricación de cemento

• Craqueo catalítico de hidrocarburos

• Secado de materiales

• Tostación de concentrados de cobre-arsénico para eliminar el arsénico.

• Calcinación de piedras calizas

• Aprovechamiento de finos de carbón y coque para producir vapor

Proceso de tostación de concentrados de zinc

3.1 Proceso operativo

En el proceso de tostación de concentrados de zinc, el aire es inyectado a través de toberas de distribución ubicadas en el fondo de la cámara de reacción y es suministrado a la caja de viento a cerca de 2.5lb/pulg2

En el caso del tostador de la Refinería de Zinc de Cajamarquilla el diámetro del emparrilado es de 10 metros y está provisto de 9,888 toberas de 20 mm, ahusadas hacia el punto de salida a un orificio de 6 mm. Durante la operación el aire es inyectado dentro de la cama a una velocidad en la que la caída de presión a través de la cama es más grande que el peso de los sólidos de la cama; bajo estas condiciones los sólidos llegan a suspenderse libremente en el flujo de gas y la cama adquiere el aspecto de un líquido hirviendo violentamente. Se usan paquetes de tubos (cooling coils) extendidos horizontalmente dentro de la cama para recuperar algo del exceso de calor exotérmico originado en las reacciones de tostación.

Los concentrados húmedos son alimentados por medio de una faja de alta velocidad (slinger belt) que los introduce dentro del horno por una ventana; este concentrado remplaza a la parte de la cama de sólidos que es descargada y se apoya en el emparrillado.

Para un concentrado de zinc típico conteniendo aproximadamente 52 % de zinc, 32 % de azufre y 8 % de hierro, el requerimiento de aire estequiométrico para combustión completa es de 1,6 m3 N/Kg de concentrado.

Los tostadores de concentrados de zinc operan en el rango de 900 a 940 ºC en el nivel de la cama, aunque se manifiestan temperaturas altas de 1000 ºC en la parte alta de los reactores; la velocidad superficial de la cama es de 30-50 cm/seg.

El factor de carga en la cama es cercano a 0,3 toneladas de concentrado/hora /m2 de área de parrilla.

A medida que el concentrado húmedo es alimentado al tostador, la carga de concentrado es secado con la alta temperatura del material de la cama y luego calentadas hasta la temperatura de la cama. Durante este periodo se produce algún aglutinamiento de las partículas finas dentro de los aglomerados más grandes, los cuales son subsecuentemente desgastados por la acción de mezcla de la cama. En efecto, todas las operaciones de tostación industrial aseguran que existe material grueso en la cama en todo momento. En los tostadores de concentrados de zinc, el agua añadida a los concentrados, ayuda en la formación de aglomerados. También es entendido que el tiempo de almacenaje de los concentrados húmedos en una tolva, promueve el envejecimiento y aglomeración de las partículas.

La existencia de la cama fluidizada sirve a un número de importantes funciones: precalienta el flujo de aire seco, precalienta y homogeniza los sólidos alimentados, prolonga la residencia de las partículas finas en la cama y trasfiere calor a los serpentines refrigerantes de la cama.

Estudios experimentales han demostrado que la cama consiste de dos fases distintas: la mayoría de los sólidos están comprometidos en una emulsión gas-sólido, la cual se comporta como un gas empujando un líquido pastoso. En el otro lado la mayor parte del aire inyectado a través de las toberas forma grandes burbujas, las cuáles suben rápidamente a través de la cama. A medida que dichas burbujas se mueven hacia arriba, ellas agitan la emulsión y también hacen subir algunos sólidos; cuando las burbujas alcanzan la superficie de la cama, la mayoría de los sólidos son descargados mientras que las partículas finas son elutriadas y arrastradas en el flujo de gas.

Debido a esto se produce un movimiento cíclico continuo en la cama, los sólidos ascienden primero con el flujo de burbujas y luego descienden con la emulsión por la gravedad. Una prueba con trazadores radioactivos dio confirmación del tiempo de residencia. En esta prueba 70 toneladas de concentrado de zinc radioactivo fue procesado en un tostador de 6.4 metros de diámetro de C.E.Z en Valleyfield, Quebec, y varios flujos fueron muestreados con tiempo. De los resultados de esta prueba, el tiempo promedio de residencia fue estimado ser como sigue:

Producto del ciclón : 1.11 horas

Producto de caldera : 1.90 horas

Producto del over flow: 5.30 horas

La porosidad de la cama en el arranque de la fluidización es llamada la porosidad mínima de fluidización, Emf, y ha sido determinada estar entre 0,5 y 0,6 para partículas de arena de forma irregular en el rango de 300 a 50 micrones de diámetro; para partículas de arena redondeadas en el mismo rango de partículas, el valor de Emf fue de 0,45-0,55; los concentrados de sulfuro de zinc tendrían similar comportamiento a las partículas de arena ahusadas.

Como se anotó al inicio, en operación la cama consiste de una fase emulsión y de una fase burbujas. Si se asume que la cantidad de gas que sube en la fase emulsión en un tostador de zinc industrial, corresponde a la porosidad de fluidización mínima Emf =0,6 el volumen de gas ocupado por la fase burbujas puede ser calculado como sigue:

En el caso de un tostador de 6,5 metros de diámetro durante la operación la cama se expande a una altura de 1,5 metros sobre las toberas de distribución y contiene un estimado de 35 toneladas de material. Asumiendo que el promedio de la gravedad específica de las partículas en la cama es de 4 y que 95% de los sólidos están comprendidos en la fase emulsión vamos a los siguientes cálculos:

• Volumen de la cama expandida= /4x 6.52×1.5 = 48.3 m3

• Volumen de los sólidos de la fase emulsión=

35,000 Kg x 0.95 (4,000 Kg/m3) = 8.5 m3

• Volumen del gas asociado a la fase emulsión=

8.5 m3x 0.6/0.4 = 12.8 m3

• Volumen del gas asociado con la fase burbujas=

48.2 -8.5- 12.8 = 26.9 m3

De acuerdo a lo antes calculado, cerca del 50% del volumen de la cama es ocupado por la fase burbujas y el resto por la fase emulsión.

• Variables operativas en una Planta de Tostación de concentrados de zinc

• Contenido de Humedad

El contenido de humedad óptimo del concentrado para el horno está entre 8 y 9 %. El cálculo de ingeniería de operaciones y procesos se basa en este valor. Cuando se producen diferencias de este valor, motivan una variación del agua que debe inyectarse adicionalmente al horno.

Cuando el contenido de humedad es menor a lo indicado, aumenta la re-combustión a la salida del horno, pudiendo presentarse temperaturas de más de 1,000 ºC, dado que los polvos muy finos (menores de malla 200) se queman aún en la zona del primer paquete evaporador de la caldera. Entre las consecuencias que se pueden producir tenemos:

• Transferencias de calor demasiado elevadas en el primer paquete evaporador y en consecuencia aspectos de sobrecalentamiento en los tubos por causa de falta de agua

• Formación de costras duras en los tubos de los evaporadores a causa de de polvos con contenidos de magnetita, los cuales eventualmente no los puede hacer caer totalmente el dispositivo vibrador

El sobrepasar el contenido de humedad crea en primera instancia problemas de transporte, a consecuencia de un ensuciamiento mayor y formación de costras en las fajas transportadoras. Contenidos de humedad más altos repercuten en el proceso de la siguiente manera:

• Desplazamiento de la combustión en el lecho de fluidización, ya que a consecuencia de la humedad se espesa la blenda y se incinera en las zonas más bajas del lecho fluidizado

• Descenso de la temperatura a la salida del horno

• Eventual aumento de la cantidad de material descargado por el horno

• En casos extremos, engrosamiento de la granulación del lecho del horno

• Formación de puentes en la tolva de almacenaje de concentrados a alimentar al horno

Se deben evitar las oscilaciones en la humedad del concentrado, debido a que repercuten en la exactitud de la extracción de la faja de descarga y originan en el horno oscilaciones de temperatura, que dificultan la operación del horno, siendo necesario un continuo reajuste de la cantidad de concentrado alimentada al horno.

Por estas razones se debe dar especial importancia a la preparación de la mezcla de concentrados. Los concentrados que están bastante secos se deben mezclar con otros más húmedos. La mezcla se puede realizar de modo sencillo cargando alternativamente una palada de concentrado seco y una palada de material húmedo ó en la proporción que esté especificado cada uno.

Si es largo el tiempo de almacenaje de los concentrados, comienza una progresiva oxidación-sulfatación que transcurre lentamente y se hace perceptible en el interior del montón del concentrado almacenado.

Al descargar el concentrado en el almacén, sobre todo cuando se trata de grandes cantidades, se forman grumos a consecuencia del efecto de peletización, los cuales se endurecen al quedar largo tiempo en almacén, a causa de la formación del sulfato mencionado.

Por esta razón los grumos mayores a 25 mm de diámetro se separan al hacerse pasar por una zaranda: el porcentaje de grumos entre 2 y 25 mm no debe ser más del 10 %; en caso contrario se debe variar la malla de la zaranda a una de 20 mm

En el lecho fluidizado se realiza sólo una disminución lenta de los grumos. Un exceso de grumos conduce, a pesar del funcionamiento continuo de la descarga inferior del lecho del horno, a fenómenos de desmezclado y a través de un periodo de tiempo largo (más de 24 horas) a serias perturbaciones en la operación del horno.

• Granulometría del concentrado

Los concentrados que se tuestan hasta ahora en hornos de Tostación Lurgi, se pueden dividir en 3 categorías:

• Concentrados gruesos

• Concentrados normales

• Concentrados extremadamente finos

La tabla que sigue muestra algunos ejemplos:

Los concentrados gruesos tienden al aumento del lecho y la calcinación se produce en el lecho de fluidización. Un contenido de 7-8 % de concentrados gruesos favorece este efecto. En la tostación de concentrados gruesos, por lo general la temperatura del lecho de fluidización está por encima de la temperatura de salida del horno.

En los concentrados de la categoría 2 se puede comprobar que con un contenido de humedad normal, la temperatura del lecho y de la salida del horno son casi iguales; en todo caso las diferencias de temperatura no son mayores a +/- 20ºC entre las mismas.

Los concentrados extremadamente finos exigen mayor atención en su tratamiento. Con un contenido de 8% de concentrados extremadamente finos, la tostación se realiza en su mayor parte en el lecho fluidizado, pero la salida del horno queda más o menos a 50 ºC por encima de la temperatura del lecho. No obstante, la formación del lecho es reducida; en la mayoría de los casos sólo el 10% aproximadamente forma parte del lecho.

El dominio del proceso de tostación resulta difícil si se emplean concentrados finos con escaso contenido de humedad (5 a 7 %). Si esto sucede el resultado es una considerable subida de la temperatura del gas a la salida del horno a más de 1,000 ºC. De ser posible, se debe evitar sobrepasar esta temperatura; bajo estas circunstancias se recomienda una reducción de la cantidad de concentrado y de la cantidad de aire de tostación correspondiente. Un aumento de la humedad del concentrado por adición de agua es únicamente satisfactoria, si la adición de agua se realiza en forma homogénea y se dispone de suficiente tiempo para la absorción de la humedad por la mezcla de concentrados.

En la mayoría de los casos existe únicamente la posibilidad de realizar la adición de agua en el trayecto del transporte a la tolva de almacenamiento de concentrados. Sin embargo, cómo la faja no es uniforme y el concentrado seco es hidrófugo, se observa con frecuencia un embadurnamiento de las fajas y por esta razón se usa poco la aspersión de agua en las fajas. Es por esta razón que es recomendable que la adición de agua se realice durante la preparación de la mezcla de concentrados.

Materiales con un rango amplio de tamaño de partículas da un tiempo de residencia del gas, más grande que el material con un rango de tamaños de partícula más cercanos.

• Temperatura en el horno de tostación

• 1. Lecho fluidizado

El margen de temperatura recomendado en el lecho de un horno de tostación es entre 900-970 ºC; siendo el valor más favorable de 950 ºC: Para mantener esta temperatura se enfría el lecho fluidizado indirectamente por medio de superficies de enfriamiento y directamente por inyección de una pequeña cantidad de agua pulverizada.

La superficie de enfriamiento se ajusta al valor más favorable durante la puesta en marcha y luego se mantienen los valores determinados. La regulación de la temperatura se realiza por la variación de la cantidad de agua de inyección al horno y el ajuste de la adición de agua normalmente se realiza manualmente, pero puede realizarse a distancia.

Según el tamaño del horno fluidizado se instalan 4, 6 u 8 termopares en forma alternada: 4 termopares se elevan verticalmente desde la parrilla en el lecho fluidizado aproximadamente 200 mm; los demás están sumergidos horizontalmente desde la pared del horno. La temperatura del lecho es el promedio de las lecturas de los termopares que están en el lecho fluidizado, no debiendo diferir los valores entre sí en +/- 20 ºC; mayores diferencias podrían significar: termopares defectuosos o lechos fluidizados inhomogéneos.

Las causas de un lecho fluidizado inhomogéneo pueden ser:

• Insuficiente cantidad de aire en relación con la cantidad de concentrado

Un porcentaje demasiado grande de grumos en el concentrado

Subida del valor de la resistencia del lecho por inadvertencia a más del valor máximo.

• Engrosamiento del lecho