La rueda de moldeo de ánodos de cobre es un componente crítico en la fase final del proceso pirometalúrgico, donde el cobre líquido se solidifica para formar ánodos. Este sistema circular no solo da forma al cobre, sino que también juega un papel fundamental en la calidad del producto final, afectando directamente la eficiencia de las etapas posteriores de refinación electrolítica.
El Proceso Pirometalúrgico y la Obtención del Cobre Anódico
El proceso pirometalúrgico del cobre involucra una serie de etapas consecutivas que buscan incrementar progresivamente la pureza del metal, desde un concentrado inicial con 30-40% de cobre hasta un ánodo con aproximadamente 99,5% de pureza. Antes de llegar a la rueda de moldeo, el cobre pasa por varias transformaciones clave:
Preparación del Concentrado
Inicialmente, se procede a deshumidificar el concentrado. Este proceso permite reducir los niveles de humedad, que pueden ir de un 8-10% en un secado parcial a un 0,1-0,3% en un secado total.
Fusión y Conversión
El proceso de fusión de concentrados busca separar el cobre de otros elementos. Posteriormente, la etapa de conversión de mata (eje de alta ley) tiene el propósito de eliminar el hierro, el azufre y otras impurezas presentes. Para esto, se requiere oxidar la mata entre 1.150 y 1.250°C, mediante el soplado con aire o aire enriquecido, propiciando la escorificación del hierro y la volatilización del azufre como SO2. Este proceso puede llevarse a cabo bajo una metodología discontinua, destacando el convertidor Pierce-Smith (CPS), o continua, que se basa en el ingreso ininterrumpido de mata de cobre y un sangrado continuo de cobre blíster. Como resultado de la conversión, se obtiene cobre metálico blíster, cuya pureza es del orden del 98,5-99,5% de cobre.
Refinación Anódica
Luego del proceso de conversión, el cobre blíster aún contiene impurezas y materiales valiosos, como oro, plata, arsénico, antimonio, bismuto y hierro, por lo que debe ser refinado en los hornos anódicos. Este proceso consiste en la refinación cíclica, que se compone por las etapas de llenado, oxidación, escoriado, reducción y vaciado. Una vez completada la carga del horno, se inicia la etapa de oxidación mediante la inyección de aire enriquecido de oxígeno durante 1,5 a 2 horas, llevando a cabo la remoción de sulfuros contenidos en el cobre blíster hasta un nivel de 50 ppm. Asimismo, se eliminan otras impurezas contenidas en el baño fundido. Posterior a este proceso de limpieza, se inicia la reducción del nivel de oxígeno presente en el cobre. Como producto final de esta etapa, se obtiene cobre anódico con un contenido de cobre de un 99,6%, que es el material que alimenta la rueda de moldeo.
La Rueda de Moldeo de Ánodos: Diseño y Operación
La rueda de moldeo de ánodos es una estructura circular diseñada para solidificar el cobre líquido en moldes, formando los ánodos. Su funcionamiento se divide lógicamente en tres zonas principales, a través de las cuales gira el molde:
Zonas de Operación
- Zona de Moldeo: En esta sección, el cobre anódico líquido se vierte en los moldes que forman parte de la rueda. Es crucial un control preciso de la temperatura y el flujo para asegurar un llenado adecuado y uniforme.
- Zona de Enfriamiento: Una vez llenos, los moldes con el cobre fundido avanzan hacia la zona de enfriamiento. Aquí, el cobre se solidifica progresivamente, un proceso que debe ser cuidadosamente gestionado para evitar defectos estructurales en los ánodos.
- Zona de Alzamiento de Ánodos: Finalmente, los ánodos solidificados son extraídos de los moldes y preparados para las etapas subsiguientes, como la refinación electrolítica.
Rueda de moldeo – Chuquicamata. #CodelcoEnSegundos Capítulo 6.
Desafíos y Fallas Comunes
La operación de la rueda de moldeo de ánodos no está exenta de desafíos. Algunas fallas comunes en los ánodos, como grietas y deformaciones, se deben a problemas directamente relacionados con la rueda de moldeo. Estos pueden incluir diferencias de temperatura no controladas durante la solidificación o la presencia de elementos químicos no deseados en el cobre que alteran sus propiedades al solidificar.
Además, la propia estructura de la rueda enfrenta retos significativos. El acero estructural de las ruedas de moldeo existentes es susceptible a cargas térmicas y de fatiga cíclicas a alta temperatura. Esta condición se agrava en combinación con la exposición a productos químicos corrosivos inherentes al proceso, lo que puede resultar en una corrosión excesiva y, eventualmente, en la necesidad de reparaciones o rediseños.
Ingeniería y Mantenimiento Avanzado
Dada la criticidad de estas estructuras, la ingeniería inversa y el mantenimiento predictivo son fundamentales. Por ejemplo, en un caso de estudio, M3 se encargó de proporcionar ingeniería inversa para los elementos estructurales de una rueda de moldeo de ánodos existente en una refinería de cobre. Debido a la edad de los componentes existentes, que superaban los 50 años, no se disponía de planos o información original.
Para abordar esta situación, M3 realizó un escaneo en 3D de la rueda de moldeo de ánodos para recrear los planos conforme a obra (as-built), junto con un modelo de análisis de elementos finitos en 3D. Este enfoque es vital para comprender el comportamiento del material bajo las severas condiciones de operación y para diseñar soluciones que mejoren la durabilidad y eficiencia de estos componentes esenciales.