PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA

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1 PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA PROYECTO PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL EN METALURGIA EXTRACTIVA MODIFICACIÓN DE VARIABLES RELEVANTES PARA DISMINUIR EL CONSUMO Y OPTIMIZAR LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN REFINERÍA ELECTROLÍTICA DIVISIÓN VENTANAS CODELCO - CHILE Edgar Cortés Altamirano Profesor Guía: Alvaro Aracena Caipa 2014

2 A mis hijos, Gabriel y Joaquín, que me impulsan a seguir adelante y a mí amor, Claudia, que es el pilar fundamental de nuestra familia. A mis queridos padres, Olegario y Lidia, que me han apoyado y aconsejado en mis decisiones.

3 RESUMEN EJECUTIVO En la Fundición y Refinería de Ventanas se ha estimado aproximadamente que el 50% del consumo de energía eléctrica se utiliza en la electrorefinación de cobre, situación por la cual se ha impulsado la idea de modificar las variables relevantes del proceso y así poder disminuir el consumo de energía eléctrica en la electrorefinación. Este trabajo consistió en estudiar las variables que pudiesen provocar una disminución del consumo de energía en el proceso de electrorefinación de cobre, esta información se obtuvo del sistema PI, contabilidad metalúrgica y central térmica. Las variables estudiadas fueron la temperatura del electrolito, la adición de una mayor concentración de ácido sulfúrico al electrolito, los voltajes por día de los ciclos catódicos analizados y los cortocircuitos que se generan por día en cada ciclo catódico seleccionado. De las conclusiones obtenidas, la temperatura del electrolito es una de las variables más importantes ya que al aumentarla, disminuye la viscosidad del electrolito, obteniéndose una mejor conductividad de la solución y así la electrólisis puede efectuarse a mayores densidades de corriente. En cuanto al voltaje, está dentro de lo esperado que al inicio sea mayor ya que al estar recién conectado al circuito la temperatura de conexión es mínima, generándose una alta viscosidad en la solución lo que provoca una mayor resistencia del electrolito. Al avanzar los días se va incrementando la cantidad de cortocircuitos incidiendo en una disminución de la resistencia lo que genera un decrecimiento en el voltaje. Al incrementarse la concentración de ácido sulfúrico en la solución se produce, en la mayoría de los casos, una baja en el consumo de energía eléctrica. Para mantener una eficiencia de corriente por sobre el 93% es necesario mantener controlados los cortocircuitos, de lo contrario una mayor acumulación de corriente produce una menor eficiencia de corriente. En el plan de producción anual está contemplado el cambio de celdas, se ha optado por la celda Tecmin, dado que su fondo redondeado permite disminuir los tiempos de lavado de la celda generándose un incremento en la producción de cobre electrolítico de 660 toneladas anuales. El registro de consumo energético para la refinería se puede obtener con el sistema PI e información de central térmica, pero es central térmica la encargada de entregar el consumo que es utilizado para tomar decisiones en las distintas áreas de la División. iii

4 ÍNDICE GENERAL CAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN OBJETIVO GENERAL OBJETIVOS ESPECÍFICOS... 2 CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO ELECTROQUÍMICA DEL COBRE CINÉTICA DE ELECTRODEPOSITACIÓN CONDUCTIVIDAD DEL ELECTROLITO EFICIENCIA DE CORRIENTE IMPUREZAS PRESENTES EN ELECTROREFINACIÓN CAPÍTULO III. ANTECEDENTES DE LA EMPRESA ANTECEDENTES GENERALES PROCESO PRODUCTIVO REFINERÍA ELECTROLÍTICA OPERACIÓN ADITIVOS COMPOSICIÓN QUÍMICA DE ÁNODOS Y CÁTODOS DISTRIBUCIÓN DE CIRCUITOS CAPÍTULO IV. TRABAJO EXPERIMENTAL PERFIL DE TEMPERATURA DEL ELECTROLITO OBTENCIÓN DE CONCENTRACIÓN DE ÁCIDO SULFÚRICO MEDIANTE SISTEMA PI ANALIZAR Y CUANTIFICAR VARIABLES OPERACIONALES COMPARAR INFORMACIÓN DE CONSUMO DE ENERGÍA ENTREGADA POR SISTEMA PI Y CENTRAL TÉRMICA CAPÍTULO V. RESULTADOS Y DISCUSIONES PERFIL DE TEMPERATURA DEL ELECTROLITO Grupo Grupo Grupo iv

5 5.2 OBTENCIÓN DE CONCENTRACIÓN DE ÁCIDO SULFÚRICO MEDIANTE SISTEMA PI Circuito 2 y Circuito Circuito 3 y Circuito Circuito ANALIZAR Y CUANTIFICAR VARIABLES OPERACIONALES Voltaje y Ciclo catódico Voltaje y Cortocircuitos Eficiencia de corriente y Cortocircuitos Lavado de celda electrolítica COMPARAR INFORMACIÓN DE CONSUMO DE ENERGÍA ENTREGADA POR SISTEMA PI Y CENTRAL TÉRMICA Circuito Circuito CAPÍTULO VI. CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA v

6 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1 Refinación electrolítica de cobre... 5 Figura 2 Proceso productivo División Ventanas Figura 3 Diagrama de procesos de la refinería de División Ventanas Figura 4 Molécula de Tiourea Figura 5 Distribución de circuitos en la refinería electrolítica de Ventanas Figura 6 Instrumento de medición Figura 7 Puntos de medición Figura 8 Puntos de medición internos Figura 9 Celda Tecmin y puntos de medición externos Figura 10 Celda CR Figura 11 Celda CTI Figura 12 Rectificador Figura 13 Rectificador Figura 14 Área de celda de fondo redondeado Figura 15 Área de celda de fondo cuadrado Figura 16 Perfil de temperatura de celda 33 y 41 del grupo Figura 17 Espaciamiento anódico Figura 18 Ubicación de celda 21 del grupo Figura 19 Perfil de temperatura en celda 1 y 21 de grupo Figura 20 Celda CTI utilizada en refinería Ventanas Figura 21 Perfil de temperatura en celda 29 y 41 del grupo Figura 22 Consumo de energía en función de la concentración de ácido sulfúrico en el circuito Figura 23 Consumo de energía en función de la concentración de ácido sulfúrico en el circuito Figura 24 Consumo de energía en función de la concentración de ácido sulfúrico en el circuito Figura 25 Consumo de energía en función de la concentración de ácido sulfúrico en el circuito vi

7 Figura 26 Consumo de energía en función de la concentración de ácido sulfúrico en el circuito Figura 27 Voltaje promedio por días en función cada ciclo catódico del grupo Figura 28 Voltaje promedio por días en función de cada ciclo catódico del grupo Figura 29 Voltaje promedio por días en función del promedio de cortocircuitos por día del grupo Figura 30 Voltaje promedio por días en función del promedio de cortocircuitos por día del grupo Figura 31 Eficiencia de corriente en función de cantidad de cortocircuitos del grupo Figura 32 Eficiencia de corriente en función de cantidad de cortocircuitos del grupo Figura 33 Lavado de celda CTI Figura 34 Comparación de consumo de energía en función de la concentración de ácido sulfúrico por sistema PI y central térmica en el circuito Figura 35 Comparación de consumo de energía en función de la concentración de ácido sulfúrico por sistema PI y central térmica en el circuito vii

8 ÍNDICE DE TABLAS Tabla I Efecto de la conductividad del electrolito... 8 Tabla II Composición de ánodos y barro anódico típica Tabla III Composición química del electrolito Tabla IV Características de los rectificadores utilizados en la refinería de Ventanas Tabla V Aditivos utilizados en la refinería electrolítica de Ventanas Tabla VI Composición química de los ánodos Tabla VII Composición química del cátodo Tabla VIII Temperaturas externas de las celdas 33 y 41 del grupo Tabla IX Temperaturas externas de las celdas 1 y 21 del grupo Tabla X Temperaturas externas de las celdas 29 y 41 del grupo viii

9 NOMENCLATURA USD: Dólar estadounidense TMS: Toneladas métricas secas TMF: Toneladas métricas finas MWh: Mega watt por hora kwh: Kilo watt por hora ka: Kilo ampere ppm: Parte por millón PVC: Policloruro de vinilo ton: Toneladas g/l: Gramos por litro V: Volt A: Ampere mm: Milímetros cm: Centímetros m: Metros C: Grados Celsius ix

10 CAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN La energía eléctrica es un recurso de vital importancia en los procesos de obtención de productos en la minería del cobre. Su disponibilidad es necesaria para los nuevos proyectos que en que nuestro país se están desarrollando, siendo fundamental la creación de nuevas fuentes de energía eléctrica. En la refinería electrolítica de División Ventanas - Codelco, una de las principales materias primas es la energía eléctrica de la cual se ha estimado que aproximadamente el 50% del consumo de energía eléctrica de la División se utiliza en el proceso de electrorefinación y la energía eléctrica representa el 30% del costo del proceso de electrorefinación y en el año 2012 fue del orden de USD. Si se realiza una comparación del consumo de energía por tonelada de cobre, entre la refinería electrolítica de División Ventanas - Codelco con las demás refinerías del mundo, la División está por sobre el promedio mundial de 328 kwh/ton Cu, con un consumo promedio de energía de 340 kwh/t Cu. En la refinería electrolítica de Ventanas el principal producto a obtener es el cátodo de cobre, que dependiendo de la calidad física recibe una bonificación. Este producto es llamado Cátodo de Grado A y se le otorga una ganancia de 90 USD por tonelada. Este trabajo de memoria comprende la recopilación de antecedentes relacionados con el proceso y campaña de mediciones en la refinería como la temperatura del electrolito, intensidad de corriente y voltaje de grupo para el estudio de la eficiencia energética.

11 1.1 OBJETIVO GENERAL Disminuir el consumo de energía y optimizar la eficiencia energética de la refinería electrolítica, modificando variables operacionales que permitan aplacar las resistencias al paso de la energía eléctrica. 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS i) Realizar experimentalmente un perfil de temperatura del electrolito al interior de tres tipos de celda electrolítica en condiciones normales de operación. ii) Determinar mediante sistema PI el efecto que produce una mayor concentración de ácido en el consumo de energía. iii) Analizar y cuantificar variables operacionales del proceso. iv) térmica. Comparar información de consumo de energía entregada por sistema PI y central 2

12 CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO 2.1 ELECTROQUÍMICA DEL COBRE La refinación electrolítica, como se muestra en la Fig. 1, consiste en la disolución electroquímica de cobre de un ánodo impuro y el depósito selectivo de cobre disuelto sobre un cátodo de cobre o acero inoxidable. La electrorefinación tiene dos objetivos: i) Eliminar las impurezas que reducen las propiedades eléctricas y mecánicas del cobre refinado a fuego. La pureza del cobre electrolítico es mayor al 99.99% de Cu, con menos de 0.004% de impurezas metálicas (incluyendo azufre). ii) Recuperar las impurezas valiosas del cobre refinado a fuego. El barro anódico formado por especies insolubles se trata posteriormente para la obtención de oro y plata principalmente. La aplicación de un voltaje entre un ánodo y cátodo de cobre, sumergidos en una celda que contiene una solución ácida de sulfato de cobre, origina las reacciones y procesos siguientes 1 : El cobre del ánodo se disuelve electroquímicamente según: Cu 0 Cu e E 0 oxidación = V (1) Para esta reacción de oxidación, el potencial de acuerdo a la ecuación de Nernst es: E ánodo = E oxidación R * T F * Ln Cu+2 (i) En donde: E 0 oxidación = Potencial estándar de oxidación, V R = Constante de los gases, V*C/ K*mol T = Temperatura del electrolito, K n = Número de electrones transferidos F = Constante de Faraday, C/mol Cu +2 = Concentración de cobre en la solución [Molar] 3

13 Los electrones producidos por la reacción anterior son conducidos hacia el cátodo a través del circuito externo. Los cationes del Cu +2 en la solución son transportados principalmente por difusión y convección hacia el negativo (cátodo). Los electrones y los iones de Cu +2 se recombinan en la superficie del cátodo para producir cobre metálico que se deposita sobre el cátodo según: Cu e Cu 0 E 0 reducción = V (2) Análogamente, de acuerdo a Nernst: E cátodo = E reducción R * T F * n Ln 1 Cu 2 (ii) La reacción electroquímica total es la suma de las reacciones anteriores, es decir, Cu 0 (impuro) Cu 0 (puro) (3) Para la cual el potencial teórico reversible E eq (potencial de equilibrio), es decir, la suma entre los potenciales de electrodo es muy cercana a cero (debido a que las concentraciones de cobre son muy parecidas en el anolito y catolito): E eq = E ánodo + E cátodo 0 V (iii) En la práctica real, la resistencia al flujo de corriente en el electrolito (por transporte de iones) y la resistencia al flujo de electrones en el circuito externo formado por las barras de distribución y conexiones eléctricas, deben ser vencidas aplicando una tensión entre el ánodo y el cátodo superior a cero. También existe una sobretensión necesaria para el depósito de cobre sobre el cátodo y una más pequeña en el ánodo. Por lo que el potencial aplicado, E apl queda compuesto como sigue: 4

14 E apl = E eq + n a + n c + IR sol + IR contac (iv) En donde: n a = Sobretensión anódica, V n c = Sobretensión catódica, V IR sol = Potencial por caída óhmica en el electrolito, V IR contac = Potencial por caída óhmica en el circuito eléctrico externo, V La tensión en las celdas industriales de refinación electrolítica alcanza un valor entre 0.25 a 0.4 V. Salida de electrolito Ánodo 99.6% Cu Cátodo 99.99% Cu Ánodo 99.6% Cu _ + + Entrada de electrolito Cu 0 Cu +2 Cu 0 Cu 0 Cu +2 Cu 0 Barro Anódico As Ni Bi Electrolito H 2 SO 4 Cu +2 Ni H 2 O Ag Se Pt Au As Sb Te Cu 0 Figura 1 Refinación electrolítica de cobre 2.2 CINÉTICA DE ELECTRODEPOSITACIÓN La cinética de depositación de metales, de acuerdo a las leyes de Faraday, depende solamente de la corriente aplicada y no de otros factores tales como la temperatura, la concentración u otros 2. Sin embargo, la calidad del depósito de metal está relacionada directamente con esos factores. Los depósitos electrolíticos de metales son siempre cristalinos, pero pueden variar desde un depósito adherente, grueso, de granos grandes, hasta un depósito pulvurulento, de 5

15 grano fino y poco adherido. Durante la depositación electrolítica se debe tener en cuenta dos procesos simultáneos, la nucleación y el crecimiento de los cristales. Cuando la tasa de nucleación es mucho más rápida que la velocidad de crecimiento de los cristales, el producto será un polvo fino. Por otro lado, cuando la velocidad de crecimiento de los cristales es mucho mayor que la velocidad de nucleación, el producto será un grano grueso. Cuando la concentración de iones del metal en la interfase de depositación, C i, tiende a cero, es decir, cuando el proceso tiende a ser controlado por la difusión, la tasa de nucleación llega a ser mucho más grande que la velocidad de crecimiento de los cristales, y de esta manera se favorece la depositación del tipo pulvurulento. En otras palabras, la formación de polvos en la depositación electrolítica ocurre cuando el proceso de electrodo está controlado por difusión, y la depositación de grano grueso ocurre cuando el control cinético del proceso es de tipo químico. Los siguientes factores influyen en el valor de C i, y por consiguiente, influyen en la naturaleza del depósito metálico. i) Densidad de corriente: A bajas densidades de corriente la descarga de iones es lenta. Es decir, el proceso será controlado por la velocidad de reacción química. La tasa de crecimiento de los cristales es mucho mayor que la velocidad de nucleación. De esta manera, el producto será un depósito grueso. A densidades de corriente muy altas ocurre lo contrario. ii) Concentración del electrolito: A bajas concentraciones del electrolito la velocidad de difusión es lenta y, normalmente, es la que controla la totalidad del proceso. Es decir, el proceso completo es controlado por difusión y se favorece la producción de polvo. Mientras más diluido es el electrolito, más finas son las partículas del polvo de cobre que se electrodeposita. Lo opuesto ocurre a altas concentraciones de electrolito. iii) Temperatura: Aumentando la temperatura se aumentan la velocidad de difusión y la tasa de crecimiento de los cristales. Ambos factores favorecen la formación de un depósito 6

16 más grueso. De esta manera, el aumentar la temperatura permitirá formar un depósito más coherente y grueso. Además, con el aumento de la temperatura se obtiene una mejor conductividad de la solución y un aumento en la solubilidad del sulfato de cobre 3. Así, con una mayor temperatura la electrólisis puede efectuarse a mayores densidades de corriente. En cuanto al depósito, un aumento de la densidad de corriente reduce los efectos desfavorables de la alta temperatura sobre la estructura cristalina del depósito. Las especies en solución son transportadas por migración, difusión y convección 4. La temperatura de la solución afecta a los tres procesos, como se expresa a continuación: Aumenta la movilidad de los iones, luego, la conductividad eléctrica de la solución, incrementando las velocidades de migración. Aumenta la solubilidad del cobre, permitiendo mayores gradientes de concentración y mayores velocidades de difusión. Disminuye la viscosidad del electrolito, generando mayores velocidades de convección. Por estas consideraciones, el aumento de la temperatura de la solución mejora indudablemente las velocidades de transporte. Sin embargo, la temperatura de operación está limitada por el costo de calentar grandes volúmenes de electrolito, la necesidad de mayor aislamiento térmico de las celdas, el mayor desprendimiento de vapores ácidos a la atmósfera y la mayor incidencia de corrosión en la planta. iv) Presencia de sustancias coloidales en el electrolito: Pequeñas adiciones de agar, cola, gelatina, gomas, peptosa, azúcares, etc., resultan en la formación de un depósito de grano fino y suave. Sin embargo, si la concentración de estos coloides sobrepasa cerca de 0,05 g/l se obtiene un depósito suelto. Este comportamiento se debe a que los coloides mencionados se adsorben sobre el núcleo de los cristales del metal, evitando su crecimiento y los iones se ven forzados a iniciar un nuevo núcleo. 7

17 2.3 CONDUCTIVIDAD DEL ELECTROLITO Los principales elementos que se controlan en solución son el cobre y el ácido sulfúrico. Sus concentraciones tienen un efecto importante sobre la conductividad del electrolito y sobre la calidad del depósito electroquímico 3. También influyen en la conductividad elementos tales como el níquel, el fierro y el arsénico. En la Tabla I se muestran resultados experimentales que indican el efecto que tienen distintos elementos sobre la conductividad. Tabla I Efecto de la conductividad del electrolito Especie Cobre Níquel Fierro Arsénico Calcio Ácido sulfúrico Temperatura Antimonio Zinc Efecto Disminuye la conductividad Aumenta la conductividad Poco efecto sobre la conductividad Es conveniente mantener la concentración de sulfato de cobre en niveles bajos para la normal operación; en el caso de refinerías que operan con altas densidades de corriente, este valor no debe ser mucho mayor a 50 g/l. El ácido sulfúrico provoca una mayor conductividad en la solución, hasta un límite específico para cada refinería. Experiencias prácticas han demostrado que la concentración máxima de ácido sulfúrico para un electrolito con una temperatura entre 50 y 70 ºC, es de 220 g/l. Este contenido se controla agregando ácido sulfúrico puro en los estanques de circulación. De acuerdo a mediciones experimentales, se ha determinado que la conductividad del electrolito aumenta, especialmente con un mayor contenido de ácido sulfúrico y una mayor temperatura. Por el contrario, decrece con mayores concentraciones de fierro, cobre y níquel. 8

18 Una ecuación para determinar de la conductividad del electrolito se expresa a continuación: k *(12.1* Cu] *[Ni] *[Fe] - 9.5*[H 2SO 4 ] + 3 9* As] - 8 0*T En donde: k = Conductividad, 1/ohm/cm [ ] = Concentración, g/l T = Temperatura, C Los valores típicos de conductividad para electrorefinación de cobre son del orden de /ohm/cm. En un estudio realizado por el Centro de Investigación Minera y Metalúrgica acerca de la conductividad en la refinería electrolítica de Ventanas en el año , se midieron valores promedios en torno a los /ohm/cm. 2.4 EFICIENCIA DE CORRIENTE Las leyes fundamentales que rigen las reacciones electroquímicas fueron formuladas por Michael Faraday 4 en 1831: i) La cantidad de cambio químico producido por una corriente eléctrica, esto es, la cantidad disuelta o depositada de una sustancia es proporcional a la cantidad de electricidad pasada. ii) Las cantidades de diferentes sustancias depositadas o disueltas por la misma cantidad de electricidad, son proporcionales a sus pesos químicos equivalentes. A partir de estas leyes se presenta la siguiente relación fundamental de Faraday: M = I * t * PA F * n (vi 9

19 Donde M es la masa depositada en gramos, F se conoce como constante de Faraday, cuyo valor numérico es coulomb/gramos-equivalente, I es la corriente en Amperes, t es el tiempo en segundos, PA es el peso atómico del cobre en gramos/átomo-gramos y n es el número de electrones intercambiados en gramos-equivalente/átomo-gramos, en el caso del cobre es 2. La relación anterior supone una eficiencia en el uso de corriente. Sin embargo, de la práctica se sabe que esto es un caso hipotético e ideal, y que normalmente un cierto porcentaje de electrones se deriva, ya sea a la depositación de otra sustancia, o a la descomposición de agua y por ende en desprendimiento de gas hidrógeno, o bien que una fracción de metal depositado se disuelva químicamente o se pierda de alguna otra manera. En conclusión, el peso de material efectivamente depositado versus el que teóricamente debía haberse precipitado constituye la eficiencia de corriente, que se indica como η, expresado en tanto por ciento. η = M real M teórica (vii) Entonces, la cantidad de masa real depositada: M real = I * t * PA * η (viii) F * n Para determinar el consumo de energía en la refinería electrolítica es necesario contar con la energía eléctrica utilizada y las toneladas de cátodos producidos en un periodo de tiempo estipulado. El consumo específico de energía eléctrica, CEE, representa la cantidad de energía eléctrica consumida por unidad de masa depositada, como se observa a continuación: CEE = U * I * t * 10-3 kwh/kg (ix) M 10

20 En donde: U = Tensión a los electrodos, V I = Corriente aplicada, A t = Tiempo, h M = Masa depositada, kg 2.5 IMPUREZAS PRESENTES EN ELECTROREFINACIÓN Las impurezas en electrorefinación de cobre, se pueden clasificar en tres grupos: los elementos más electronegativos que el cobre, los más electropositivos y aquellos de afinidad electroquímica similar al cobre 6. Los elementos más electronegativos que el cobre, como el Ni, Zn, Fe, Co, pasan directamente en solución desde los ánodos y no pueden electrodepositarse sobre el cátodo. Su concentración creciente en el electrolito afecta la conductividad y la solubilidad del cobre. Los elementos más electropositivos (o más nobles) que el cobre, como el Au, la Ag y los metales del grupo del platino, pasan directamente a los barros anódicos. Los elementos como As, Bi y Sb pasan a la solución y bajo ciertas condiciones tales como, concentración elevada, baja concentración de Cu +2, alta densidad de corriente, pueden depositarse en el cátodo. Los barros se tratan para obtener el metal doré por lixiviación con ácido sulfúrico y aire a temperatura, filtración del barro, secado y copelación con bórax y carbonato de sodio. El metal doré contiene 98% en plata siendo el resto oro, platino, paladio y cobre. 11

21 A continuación, en la Tabla II se muestran la composición de ánodos y barro anódico típica. Tabla II Composición de ánodos y barro anódico típica Especie % Ánodo Barro anódico Cu Pb As Sb Se Ni Ag SiO 2 Si La impureza anódica más importante es el Cu 2 O que puede llegar a ser de 2500 ppm en oxígeno. Este compuesto puede disolverse electroquímica y químicamente, y es el principal responsable del aumento de la concentración de cobre en el electrolito de refinación. Cu 2 O + H 2 SO 4 CuSO 4 + H 2 O + Cu e (4) El ánodo también puede contener otro tipo de óxidos como NiO, PbO, SnO 2, ZnO u óxidos mixtos Pb-As, Ni-As, Pb-Sb, Ni-Sb como PbO-As 2 O5, PbO-Sb 2 O 5, etc. Estos óxidos pueden seguir diferentes caminos. El NiO pasa a los barros anódicos (poco soluble en H 2 SO 4 ), el SnO 2 pasa a los barros anódicos, el PbO puede precipitar como PbSO 4, el ZnO pasa al electrolito como Zn +2, el Ni pasa como Ni +2, óxidos mixtos de plata pasan a los barros, el Bi (óxido mixto con Sb y Pb) conforma una sal básica vía el Bi +3. La plata se encuentra generalmente a la forma de Ag 2 Se, CuAgSe, Ag 2 Te, AgCuTe. El bismuto aparece asociado como óxido al arsénico y al plomo. Los barros anódicos de electrorefinación contienen principalmente del orden de 40% en Cu, 10% en Ag, 1% en Au y 9% de As, Sb, Pb, Se, Te, Ni, Bi, Sn. Se producen alrededor de 1.5 a 2 kg/ton. 12

22 CAPÍTULO III. ANTECEDENTES DE LA EMPRESA 3.1 ANTECEDENTES GENERALES División Ventanas - Codelco, ubicada en Ventanas comuna de Puchuncaví, ofrece servicios de procesamiento de concentrados, precipitados y refinación electrolítica de cobre, plata y oro. La puesta en marcha del complejo industrial fue en 1964, perteneciente a la Empresa Nacional de Minería. En mayo de 2005 es traspasado a la Corporación Nacional del Cobre, constituyéndose como la quinta División de Codelco. La materia prima trata concentrados de cobre (30% Cu), que provienen de las plantas concentradoras de División Andina - Codelco y División Teniente - Codelco, además de la pequeña y mediana minería (Cenizas, Valle Central, San Gerónimo). En la etapa de refinación electrolítica además de tratar los ánodos producidos en Fundición Ventanas, recibe ánodos de Fundición Caletones de Codelco División Teniente, de Fundición Hernán Videla Lira de ENAMI y Fundición Chagres de AngloAmerican. Los principales productos son cátodos de cobre, lingotes de oro y granalla de plata. Además como subproductos obtiene ácido sulfúrico, selenio, teluro, concentrado de platino-paladio. La producción para el año 2012 fue: Fundición: TMS/año de concentrado. Refino a Fuego: TMS/año de ánodos. Cobre Electrolítico: TMF/año de cátodos. Plata: kg/año. Oro: kg/año. Ácido Sulfúrico: ton/año. 13

23 3.2 PROCESO PRODUCTIVO Las mezclas de concentrado de cobre (30% Cu) son conducidas a un secador rotatorio por correas transportadoras para reducir el contenido de humedad desde un 10% a un 0.2%. A continuación, el concentrado se carga al Convertidor Teniente, en donde ocurre la fusiónconversión a una temperatura aproximada de 1200 C, aquí para oxidar el fierro y el azufre se inyecta aire enriquecido para obtener el metal blanco con valores de 70-75% de cobre. En esta etapa se libera SO 2 que es conducido a la Planta de ácido sulfúrico. En este reactor, además de fundir el concentrado, se inicia la conversión, la cual se completa en el Convertidor Pierce Smith, donde se obtiene el cobre blíster con una pureza de 97%. El blíster sigue a la etapa de los Hornos de Refino, de donde se obtiene cobre de 99.6% moldeado en forma de ánodos, los que constituyen la materia prima de la Refinería Electrolítica. De esta última etapa se obtienen los cátodos de cobre comerciales de 99.99% de pureza, como también el barro anódico del cual es posible separar metales nobles como oro y plata. El proceso productivo global se aprecia en la Fig. 2. Figura 2 Proceso productivo División Ventanas 14

24 3.3 REFINERÍA ELECTROLÍTICA La refinería electrolítica corresponde a la etapa final del proceso de producción, donde se obtiene el producto terminado para su posterior venta: cátodos de cobre comerciales. El objetivo principal de esta etapa es la obtención de un cátodo de cobre de alta pureza (99.99%), que es adecuado para ser transformado en alambrón, mediante su fusión y colada continua. El proceso central de una refinería es la electrólisis, que se lleva a cabo en un dispositivo llamado celda electrolítica. En la División Ventanas se usa el proceso convencional de electrorefinación a partir de una lámina inicial de cobre. La Fig. 3 muestra el proceso en la refinería. Barro Anódico ELECTROREFINACIÓN LÁMINAS Hoja Inicial MÁQUINAS PREPARACIÓN CÁTODO INICIAL Resto Ánodo HM Cátodos Iniciales Barro Anódico a Fundición Ánodos H. Madre 99.99% Cu RECEPCIÓN Y PREPARACIÓN ELECTROREFINACIÓN COMERCIAL DE ÁNODOS Ánodos Comerciales PRODUCCIÓN CÁTODOS Ánodos 99.6% Cu Restos Ánodos a Fundición Cátodos MANEJO Y EMBARQUE CÁTODOS Electrolito a Venta Cátodos a Venta 99.99% Cu Figura 3 Diagrama de procesos de la refinería de División Ventanas A continuación, se presentan los componentes de la refinería electrolítica: i) Nave Electrolítica: Es el edificio principal de la refinería electrolítica y está compuesto por 6 circuitos independientes, cada uno con su propio rectificador. Los circuitos están formados por 8 grupos, cada grupo posee 42 celdas electrolíticas. 15

25 ii) Celda Electrolítica: Es la unidad básica de la refinería electrolítica y está compuesta de 40 ánodos y 39 cátodos ubicados alternadamente y una solución ácida, el electrolito. La Tabla III, muestra la composición química del electrolito. Tabla III Composición química del electrolito Elemento Cantidad Unidad Cu g/l H 2 SO g/l As 9-12 g/l Sb g/l Bi g/l Ni g/l Fe g/l Ca g/l Cl g/l Los 79 electrodos (ánodos y cátodos), suspendidos en una celda, están apoyados sobre una barra triangular llamada barra intercelda. Básicamente existen dos tipos de celdas, las celdas comerciales, desde donde se obtienen los cátodos comerciales, y las celdas de hojas madres, donde se obtienen láminas de cobre para los cátodos iniciales del proceso en una celda comercial. iii) Sistema de circulación de electrolito: La circulación de electrolito debe ser suficiente para mantener la temperatura deseada y prevenir la estratificación de la solución, lo que se manifiesta en una baja de la concentración de los iones de cobre cerca de la superficie del cátodo (catolito) y una elevada concentración cerca de la superficie del ánodo (anolito), por lo que se debe mantener homogénea la concentración de iones cúpricos. El ingreso del electrolito se hace por intermedio de la caja de alimentación esta caja permite que el flujo del electrolito circule desde el fondo de la celda ascendiendo a través de los electrodos. La salida del electrolito desde la cuba o celda se produce por rebalse en el extremo opuesto a la alimentación. Cada uno de los circuitos tiene su propio sistema de circulación. El electrolito es alimentado por gravedad a los grupos de un circuito desde estanques elevados, de manera de 16

26 entregar un flujo constante; luego el electrolito sale de las celdas y se dirige a un estanque de almacenamiento. Desde el estanque de almacenamiento el electrolito se bombea a través de un intercambiador de calor, con el objetivo de reponer las pérdidas de calor que sufre el electrolito en las cañerías y celdas, de donde es conducido hasta el estanque elevado que cierra el sistema de circulación de electrolito. iv) Rectificadores: Son los encargados de entregar la corriente eléctrica necesaria para el proceso de electrorefinación. Existe uno para cada circuito, como se muestra en la Tabla IV. Tabla IV Características de los rectificadores utilizados en la refinería de Ventanas Rectificador Circuito Amperaje Voltaje Grupos Celdas 1 Láminas y v) Anexos: Máquina preparadora de ánodos, con una capacidad de 500 ánodos por hora, donde se laminan los ánodos para otorgarles verticalidad y se pulen las orejas para mejorar el contacto con la barra intercelda. Máquina fabricadora de cátodos iniciales, con una capacidad de 50 cátodos por hora, donde mediante un prensado se les imprime un diseño de círculos concéntricos para otorgarle mayor rigidez y verticalidad, también se les insertan las orejas y el tubo soporta cátodo. 3.4 OPERACIÓN El proceso de operación en la refinería electrolítica comienza con la cosecha de las hojas madres o láminas iniciales, que son despegadas del cátodo permanente de titanio en que se depositaron los cationes de cobre, para luego ser llevadas a la máquina fabricadora de cátodos iniciales. Antes de ingresar los cátodos a las celdas se deben depositar los ánodos, que deben quedar perfectamente alineados, a una distancia de 100 mm uno de otro. Una vez que el 17

27 montaje alternado de electrodos ha finalizado en todo el grupo, comienza el llenado de las celdas con electrolito, la temperatura de ingreso del electrolito es de 66 C, pero como se acaban de montar los electrodos se espera a que el electrolito al interior de la celda llegue a 54 C para recién conectar el grupo al rectificador y se inicie el ciclo catódico. La intensidad de corriente aplicada a los grupos de los circuitos 3, 5 y 6 es del orden de los 22 ka para poder trabajar a una densidad de corriente de 313 A/m 2 y para los circuitos 1, 2 y 4 se trabaja con una intensidad de corriente de 22.5 ka para trabajar con una densidad de corriente de 320 A/m 2. El ciclo catódico comercial tiene una duración de 8 días y el de hojas madres de 15 horas. El ciclo anódico para celdas comerciales de 16 días por lo que un ánodo se usa para dos ciclos catódicos. Durante el ciclo del proceso, se debe controlar la temperatura del electrolito al ingresar a la celda debe ser 66 C, el flujo del electrolito debe ser de 18 l/min, la concentración de ácido sulfúrico debe estar entre g/l y la concentración de iones cobre debe estar entre g/l y por último la presencia de cortocircuitos, que se producen cuando un ánodo y cátodo adyacentes se tocan en un punto, ya que estos disminuyen la eficiencia de corriente. 3.5 ADITIVOS Al electrolito se le agregan substancias que retardan o impiden el proceso catódico y que se llaman aditivos, o más bien, inhibidores. Estos no cubren la superficie sino que actúan sobre sitios activos, regulando el depósito y generando cristales finos, compactos y una superficie homogénea de baja rugosidad. En ausencia de aditivos, los iones metálicos difunden hacia los puntos más altos de la superficie del cátodo. Al agregar aditivos, las moléculas se ubican en estos sitios preferenciales, bloqueando el depósito. Como resultado de la acción de los aditivos, se obtiene una superficie lisa. En la refinería de División Ventanas se utilizan los siguientes aditivos en el electrolito: i) Tiourea: actúa como afinador del tamaño de grano en el depósito de cobre. Su uso en exceso puede producir depósitos cristalinos desordenados. Químicamente, este aditivo es una molécula como la indicada en la Fig.4. 18

28 H 2 N H 2 N C = S Figura 4 Molécula de Tiourea ii) Cola animal: consiste en proteínas animales o sintéticas de alto peso molecular. Es un fuerte activador energético, produciendo un aumento notable de la sobretensión catódica, debido al bloqueo de sitios preferenciales. iii) Avitone: es un compuesto sulfurado derivado del petróleo. Su principal efecto sería de floculante de partículas sólidas, además de actuar forma combinada con los demás aditivos. iv) Ion cloruro: se obtiene por adición de sal (NaCl) y actúa como depolarizante anódico y catódico, aumentando el tamaño del grano, además de disminuir la solubilidad de la plata. En resumen, en la Tabla V se muestran las cantidades de Tiourea, Cola animal, Avitone e Ion cloruro en g/ton de cátodo utilizado: Tabla V Aditivos utilizados en la refinería electrolítica de Ventanas Aditivo Cantidad Unidad Tiourea 40.8 g/ton de cátodo Cola animal 24.5 g/ton de cátodo Avitone 30.0 g/ton de cátodo Sal 21.8 g/ton de cátodo 19

29 3.6 COMPOSICIÓN QUÍMICA DE ÁNODOS Y CÁTODOS A continuación se puede observar, en la Tabla VI y VII, la composición química de los ánodos y cátodos de grado A que se utilizan y producen, respectivamente, en la refinería electrolítica de Ventanas. Tabla VI Composición química de los ánodos Elemento Ventanas HVL Teniente AngloAmerican Unidad Cu % Ag ppm Au ppm As ppm Sb ppm Bi ppm Te ppm O ppm Ni ppm Sn ppm Pb ppm Se ppm S ppm Fe ppm Zn ppm 20

30 Tabla VII Composición química del cátodo Elemento Cantidad Unidad Cu % Ag 8 9 ppm Au ppm As ppm Sb ppm Zn ppm S 3 4 ppm Bi ppm Sn 0.2 ppm Fe 0,5 1,0 ppm Ni ppm Pb ppm Se ppm Te 0.5 ppm O ppm Otros ppm Algunos elementos provenientes del ánodo como el arsénico, el níquel y el fierro provocan una disminución de la conductividad en el electrolito. En cambio, el antimonio y el zinc tienen poco efecto sobre la conductividad. Bajo ciertas condiciones, tales como, concentración elevada, baja concentración de Cu +2 y alta densidad de corriente, el arsénico, el bismuto y el antimonio en solución pueden depositarse en el cátodo, como se muestra en la Tabla VII. 3.7 DISTRIBUCIÓN DE CIRCUITOS La refinería está compuesta de 6 circuitos, cada uno alimentado con su propio rectificador. Cada uno de estos circuitos está compuesto de 8 grupos, los que a su vez, están compuestos por 42 celdas electrolíticas. En la Fig. 5 se muestra la distribución de los grupos en la refinería. El rectificador 4, además de alimentar a sus 8 grupos, alimenta a 4 grupos del circuito 1, ya que este último está destinado a la fabricación de hojas madres y opera a distintas condiciones. 21

31 Figura 5 Distribución de circuitos en la refinería electrolítica de Ventanas Las pruebas de medición de temperatura fueron realizadas en los circuitos 1, 4 y 5, de los cuales los grupos elegidos fueron el 3, 32 y 35, respectivamente, según lo indicado por la Dirección técnica de Fundición y Refinería (FURE) Para elegir estos grupos se tomó en cuenta el tipo de celda electrolítica, es decir, la forma en el fondo de la celda. De cada grupo, que consta de 42 celdas, se escogieron dos celdas, para obtener el perfil de temperatura que pueda entregar el comportamiento del electrolito a través de la celda electrolítica. 22

32 CAPÍTULO IV. TRABAJO EXPERIMENTAL 4.1 PERFIL DE TEMPERATURA DEL ELECTROLITO Según el catastro de celdas, en la refinería hay 10 tipos de celdas, que se diferencian por el material que están fabricadas, por la aislación que proporcionan y de su forma en la parte inferior. La elección de las celdas se hizo en conjunto con el tutor de la empresa, según su vasta experiencia en refinería electrolítica, sería muy interesante saber si la forma, aislación y exposición de la celda tiene alguna influencia en la variación de la temperatura del electrolito en circulación. Las experiencias se realizaron en los circuitos 1, 4 y 5 (ver Anexo A) de la nave electrolítica. Del circuito 1, se eligieron las celdas 33 y 41 correspondientes al grupo 3. Del circuito 4, se eligieron las celdas 1 y 21 correspondientes al grupo 32. Del circuito 5, se eligieron las celdas 29 y 41 correspondientes al grupo 35. Se hicieron dos mediciones por día para un ciclo catódico, la primera se hizo por la mañana antes de que los inspectores eliminaran el cortocircuito en la celda y la segunda por la tarde después de eliminado el cortocircuito. Cabe señalar que cada cortocircuito se produce por el contacto entre al ánodo y el cátodo debido al crecimiento nodular, elevando la temperatura a su alrededor. La temperatura del electrolito es de suma importancia ya que a través de ella se transmite el calor por conducción a través de la pared de la celda hacia el exterior y por convección desde la base del cátodo hacia el electrolito que circula en el fondo de cada celda, puesto que sí el fondo de la celda es cuadrado el electrolito es más viscoso produciéndose una baja circulación o carga muerta y, por lo tanto, la transferencia de calor por convección disminuye al igual que la transferencia de calor por conducción. En cambio, en una celda de fondo redondeado, la circulación del electrolito es constante ya que la temperatura, como se verá más adelante, es mucho más homogénea en toda celda, al contrario de las celdas de fondo cuadrado. La transferencia de calor por conducción se rige por la ley de Fourier 8 : Q = A * k * T x (x) En donde: A = Área en metros cuadrados k = Conductividad térmica en W/m*K 23

33 T = Temperatura en Kelvin x = ancho de la placa en metros La transferencia de calor por convección se rige por la ley de enfriamiento de Newton 8 : Q = A * h * (T f - T i ) (xi) En donde: A = Área en metros cuadrados h = Coeficiente de transferencia de calor por convección en W/m 2 *K T = Temperatura en Kelvin Para analizar el comportamiento del electrolito a medida que va avanzando a través de la celda se utilizó un instrumento fabricado por el área de instrumentistas, que consistía básicamente en una termocupla, un termómetro digital y un tubo de PVC (ver Fig. 6) que protege el cableado de la corrosión, para luego sumergirlo en el electrolito y así poder medir su temperatura a diferentes profundidades. El tubo de PVC tiene 15 mm de diámetro y 1 m y 40 cm de largo. Además, en el tubo se marcaron las medidas del cátodo para saber la profundidad que debe sumergirse. El tubo debe ser lavado con agua caliente cada vez que se utiliza. Tubo PVC Termocupla Termómetro Figura 6 Instrumento de medición 24

34 Los puntos de medición se eligieron tomando como referencia el largo y ancho del cátodo sumergido en el electrolito, como se aprecia en la Fig. 7. Para el largo del cátodo se definieron tres tipos de alturas: i) Altura superficial, corresponde a la altura que está inmediatamente a continuación de las orejas de cada cátodo. ii) Altura media, corresponde al punto medio del cátodo sumergido. iii) Altura base, corresponde a la base del cátodo sumergido. Para el ancho del cátodo se definieron tres puntos de medición: i) Temperatura lado derecho. ii) Temperatura punto medio. iii) Temperatura lado izquierdo. Además, se midió la temperatura en el fondo de la celda en el punto medio (1 cm sobre el fondo) en: la entrada, el cátodo 20 y a la salida de la celda. Temperatura lado izquierdo Temperatura punto medio Temperatura lado derecho Altura superficial Altura media Altura base Temperatura fondo Figura 7 Puntos de medición 25

35 Estas mediciones se hicieron en: la entrada, cátodo 1, cátodo 10, cátodo 20, cátodo 30, cátodo 39 y a la salida de cada celda, como se aprecia en la Fig. 8. Salida de electrolito Entrada de electrolito Cátodo 39 Cátodo 30 Cátodo 20 Cátodo 10 Cátodo 1 Figura 8 Puntos de medición internos La aislación externa y geometría interna de la celda juegan un papel importante para que la temperatura del electrolito sea constante en el tiempo. Es por esto, que también se midió la temperatura en costados y centro externo de cada celda mencionada, utilizando el mismo instrumento. Las zonas medidas y la celda Tecmin se muestran a continuación en la Fig. 9. Temperatura costado izquierdo Temperatura costado derecho Temperatura centro Figura 9 Celda Tecmin y puntos de medición externos 26

36 La celda cuadrada en el fondo es del tipo CR como se ve en la Fig. 10 y en la Fig. 11 se aprecia la celda CTI de forma intermedia en el fondo. Figura 10 Celda CR Figura 11 Celda CTI 4.2 OBTENCIÓN DE CONCENTRACIÓN DE ÁCIDO SULFÚRICO MEDIANTE SISTEMA PI El consumo de energía en la refinería disminuye, según la experiencia, por el sólo hecho de aumentar la concentración de ácido sulfúrico, manteniendo en lo posible las otras variables dentro de los rangos establecidos. El sistema PI es un programa que permite la entrega de datos históricos y datos en línea, es decir, se puede obtener información de la concentración de ácido sulfúrico adicionada en el electrolito (ver Anexo B). La superintendencia de la refinería electrolítica tomó la decisión de aumentar la concentración de ácido sulfúrico a partir de marzo de 2012, y para hacer un mejor estudio se tomaron datos desde noviembre de 2011 hasta agosto de 2012 para observar el cambio que se produce en el consumo de energía al aumentar la concentración de ácido sulfúrico en el electrolito. El consumo de energía se mide por los kwh por tonelada de cobre depositado, la experiencia se realizó en los circuitos 2, 3, 4, 5 y 6. A continuación, se muestran los rectificadores 2 (ver Fig. 12) y 4 (ver Fig. 13) que se utilizan en la refinería. 27

37 Figura 12 Rectificador 2 El rectificador 4 energiza 12 grupos de la refinería electrolítica por lo tanto el voltaje es más alto, con un promedio de 167 V, que en el rectificador 2 que alimenta a 8 grupos, con un promedio de 120 V. Figura 13 Rectificador 4 28

38 Para cuantificar el consumo de energía eléctrica se tomara como base el costo del MWh en dólares. Para el año 2012 este valor fue de 130 USD por MWh consumido, la idea es reflejar en valores tangibles la disminución del consumo de energía eléctrica al incrementar la concentración de ácido sulfúrico a los circuitos mencionados con anterioridad. 4.3 ANALIZAR Y CUANTIFICAR VARIABLES OPERACIONALES Para cuantificar las variables operacionales se recopilaron datos históricos y actuales del sistema PI. Se seleccionaron datos de 22 ciclos catódicos para el grupo 24 (ver Anexo C) y 25 (ver Anexo D) ciclos catódicos para el grupo 32 de la refinería electrolítica. En cada ciclo catódico las variables relevantes cuantificadas fueron: el voltaje promedio por día del ciclo, los cortocircuitos y la eficiencia de corriente por ciclo. Para analizar y cuantificar el voltaje promedio por día se hizo lo siguiente: se tomó el día 0 de cada ciclo catódico y se obtuvo un voltaje promedio para ese día y así se hizo sucesivamente para los 7 días restantes. En cada ciclo catódico además de obtener el voltaje promedio por día, también se obtiene una sumatoria de cortocircuitos por día. El análisis de los cortocircuitos se hizo al igual que el de voltaje promedio, tomando la sumatoria de cada día de los ciclos catódicos desde el 0 hasta el 7 y agrupándolos con sus iguales, es decir, los 0 con los 0, los 1 con los 1, etc. Esta sumatoria de cortocircuitos se hizo en función del voltaje promedio por día ya mencionado con anterioridad. Al término de cada ciclo catódico la variable que nos permite cuantificar el consumo de energía es la eficiencia de corriente, para la refinería electrolítica de Ventanas según la Dirección Técnica FURE debe ir desde 93% hacia arriba. Esta eficiencia de corriente se ve directamente asociada en la mayoría de los casos con los cortocircuitos dado que a una menor cantidad de cortocircuitos aumenta la eficiencia de corriente del ciclo y viceversa Otra variable operacional que no está directamente relacionada con la eficiencia energética pero si con la mayor producción de cobre electrolítico es el lavado de la celda electrolítica. Esta mayor producción es posible gracias a la forma redondeada de la celda Tecmin acortando los tiempos de lavado, que es necesario para retirar el barro anódico al finalizar cada ciclo catódico luego de retirar los electrodos. Es consecuencia de lo anterior que en la refinería 29

39 existe un plan de renovación de celdas a mediano plazo y así poder reemplazar las celdas de fondo cuadrado por las de fondo redondeado. 4.4 COMPARAR INFORMACIÓN DE CONSUMO DE ENERGÍA ENTREGADA POR SISTEMA PI Y CENTRAL TÉRMICA En la División Ventanas, central térmica es el área encargada de entregar el consumo de energía de la refinería electrolítica. El servidor PML, ubicado en la línea antes de ingresar a la refinería, va registrando el consumo de energía activa, en kwh, de cada uno de los circuitos de la refinería. Entre el servidor PML y la corriente que ingresa a cada uno de los circuitos se ubica el transformador y el rectificador. En la refinería existen consumos de energía eléctrica no cuantificados, ya que se han hecho instalaciones eléctricas anexas en la línea que alimenta a los circuitos de cátodos comerciales, produciendo un consumo de energía mayor en kwh para producir cobre electrolítico. El sistema PI se ha ido implementando en la refinería desde marzo de 2011 lo que ha permitido el monitoreo de variables relevantes del proceso tales como temperatura del electrolito y amperajes. Para obtener el registro por sistema PI, de la energía activa en kwh consumidos, para cada uno de los rectificadores sólo basta ingresar el Tag que lo identifica. Cada uno de los sensores que registran los kwh de sistema PI, se ubican en la linea continua después del transformador-rectificador. El consumo en kwh equivale al registro de la energía activa que se representa como: P = V*I* 3*COS (φ), en donde el factor de potencia o coseno de phi (φ), en la refinería, es de y es característico de sistemas inductivos como ocurre en los transformadores de voltaje. Este valor, en estos sistemas, se muestra siempre como una fracción decimal menor que 1 que es la forma de indicar cuál es el retraso o desfasaje que produce la carga inductiva en la sinusoide correspondiente a la intensidad de corriente con respecto a la sinusoide de la tensión o voltaje. El factor de potencia en la refinería es un valor de alta eficiencia para un sistema inductivo, lo que indica que del total de la energía abastecida, el 98.4% es utilizada y sólo el 1.6% es energía desaprovechada. 30

40 El consumo de energía que se trató en esta memoria está relacionado con la resistencia que ofrece el electrolito al paso de la electricidad que ocurre entre los electrones y los cationes de cobre, las demás perdidas de energía como los contactos entre las barras soporta cátodos y las orejas de los cátodos fueron descritas y analizadas en otra memoria 7 ya realizada en la refinería. Para comprobar si el consumo de energía disminuye, se recopilaron datos utilizados en central térmica y datos del sistema PI. Se hará entre ellos una comparación de los costos de energía eléctrica consumidos tomando como base el costo en dólares del MWh, dato proporcionado por la Dirección Técnica FURE. 31

41 CAPÍTULO V. RESULTADOS Y DISCUSIONES 5.1 PERFIL DE TEMPERATURA DEL ELECTROLITO El objetivo que se persigue con las mediciones es obtener un perfil promedio de temperatura del electrolito a medida que avanza en la celda electrolítica. Este perfil debe servir para inferir si la temperatura incide en factores determinantes del proceso como la eficiencia de corriente y la densidad de corriente, que son datos entregados por contabilidad metalúrgica después de cada ciclo catódico. La geometría del fondo de las celdas estudiadas incide en la transferencia de calor por conducción a través de la pared de la celda que ocurre desde el electrolito, ya que en la celda de fondo cuadrado existe una mayor área que cubrir, no así en la celda de fondo redondeado como se muestra en la Fig.14 y 15. Figura 14 Área de celda de fondo redondeado Sí hay una baja transferencia de calor, el fluido es más viscoso lo que produce una disminución de la temperatura, lo que conlleva a un estancamiento del electrolito en el fondo, situación que se da en las celdas con fondo cuadrado, no así en la celda de fondo redondeado que permite una circulación del electrolito más suave. Además, como se observa en la Fig.14, el área de transferencia de calor en la celda de fondo cuadrado es mayor por lo que se esperaría una mayor transmisión de calor que el área de la Fig. 15 lo que produciría una baja de temperatura en el fondo comparada con la celda de fondo redondeado. 32

42 Figura 15 Área de celda de fondo cuadrado Grupo 3 En este grupo las celdas medidas fueron la 33 y 41, denominadas con la sigla T según catastro entregado, su principal característica es la forma redondeada en el fondo (tipo tina), fabricada de hormigón polimérico por la empresa Tecmin (actualmente Ancor Tecmin S.A). La ubicación de este grupo en la nave electrolítica (parte antigua) le proporciona una buena aislación del exterior, no así el subterráneo frío y húmedo al que estas celdas están expuestas en su parte inferior. Cabe mencionar que estas celdas poseen un par de placas aislantes en su parte anterior y posterior. Se hizo un registro del comportamiento de la temperatura en la parte inferior de las celdas dando como resultado la Tabla VIII. Celda Tabla VIII Temperaturas externas de las celdas 33 y 41 del grupo 3 Temperatura costado Izquierdo, C Temperatura centro, C Temperatura costado derecho, C En la Tabla VIII se observa que hay pérdida de calor a lo largo y ancho de la celda, esta situación podría cambiar si las celdas fueran aisladas y así disminuir este valor. Sin embargo, esta pérdida debiese ser tan relevante para el proceso como el calor que se pierde por la superficie que alcanza el 60% y más, contrarrestándolo con el uso de lonas de telas antievaporantes. Debido al diseño de estas celdas el perfil de temperatura es el esperado como se aprecia a continuación en la Fig

43 Figura 16 Perfil de temperatura de celda 33 y 41 del grupo 3 Según se ve en la gráfica, la geometría de la celda produce un flujo de electrolito más suave en el fondo evitando el estancamiento, produciéndose una temperatura casi homogénea a lo alto y ancho de la celda. Los puntos de mayor temperatura ocurren justo desde la salida de la caja de alimentación del electrolito, punto denominado altura base, hasta la mitad del cátodo, punto denominado altura media. En los extremos se aprecia una leve disminución de la temperatura comparado con el centro de la celda, del orden de los 2 C, pero que no tendría un efecto negativo en la electrólisis. La temperatura de ingreso del electrolito debiese ser 66 C y no superar los 70 C, pues causaría la degradación de los aditivos. En este caso, la temperatura de ingreso fue de 65.4 C, lo que podría disminuir la calidad superficial del electrodeposito. La teoría indica que al aumentar la temperatura se obtiene una mejor conductividad de la solución y un aumento en la solubilidad del sulfato de cobre. Así, con una mayor temperatura, la electrólisis puede efectuarse a mayor densidad de corriente. Hasta marzo de 2012, según datos entregados, se trabajaba con una densidad de corriente de 305 A/m 2, es decir, la corriente suministrada por rectificador es de 21.5 ka. Para poder aumentar la densidad de corriente y el cobre depositado es necesario incrementar la corriente y la cantidad de electrodos. El hecho de aumentar la cantidad de electrodos provoca una 34

44 disminución de la densidad de corriente ya que el área a depositar se incrementa pero se beneficia la producción de cobre. El espaciamiento usado hoy es de 100 mm (ver Fig. 17) y la incorporación de un ánodo implica agregar otro cátodo reduciendo este espaciamiento pudiendo aumentar la cantidad de cortocircuitos lo que conlleva una disminución en la eficiencia de corriente. En el periodo que se registraron estas mediciones, la corriente promedio suministrada a estas 2 celdas fue de 22.4 ka llegando a 318 A/m 2 según fórmula entregada. ESPACIAMIENTO ESPACIAMIENTO Cátodos Ánodos 40 ±5 mm 40 ±5 mm 27 mm 24 mm 32 mm 29 mm 105 mm 100 mm NOTA: Medidas para electrodos planos y paralelos. Figura 17 Espaciamiento anódico 35

45 Pero la información final, que incluye las 42 celdas del grupo, es entregada por contabilidad metalúrgica. Con fecha se obtuvo una cosecha de toneladas con una corriente de 22.1 ka logrando una eficiencia de corriente de 90.7 %. Para que una cosecha de cátodos se considere muy buena, el peso del grupo debe ser de 193 toneladas, pero como es un proceso multifactorial el peso no fue suficiente para obtener una mayor eficiencia de corriente, que debiese ser de 93 % y más. Para una corriente de 22.1 ka la densidad de corriente es 314 A/m 2. El ideal de densidad de corriente a alcanzar es de 320 A/m 2, para ello se debe aumentar la corriente a 22.5 ka esfuerzo no menor ya que este aumento de corriente podría causar un aumento de los cortocircuitos, si es que por una no adecuada práctica, la cuadratura de los cátodos con respecto a los ánodos no fue apropiada, provocando una disminución en la eficiencia de corriente. Finalmente, para este tipo de celda, se puede decir que aunque la temperatura que se obtuvo para el electrolito fue de cierta manera homogénea, la eficiencia de corriente no fue la esperada, pero si favoreció una mejor conductividad de la solución pudiéndose trabajar a una mayor densidad de corriente quedando demostrado con el peso obtenido. Se puede inferir que la celda Ancor Tecmin es capaz de entregar una mayor eficiencia de corriente sí se trabaja a una menor temperatura que la obtenida en el perfil de temperatura, eso se debe a que hay muchos factores relacionados directa e indirectamente con el proceso, al disminuir la temperatura disminuye levemente la conductividad de la solución y así se podría guiar la solubilidad del sulfato de cobre para que los iones no se aglomeren en un cierto punto y provoquen cortocircuitos que inciden directamente en la eficiencia de corriente, además habría un cuidado mayor de los aditivos que también influyen en la calidad de la superficie del cátodo y por último pero no menor se podría disminuir el consumo de vapor que se necesita para calentar el electrolito y llevarlo a la temperatura requerida de 66 C Grupo 32 En este grupo, las celdas medidas fueron las celdas cabezales 1 y 21. La celda 1 denominada con la sigla CTI, hecha por CTI de concreto polimérico con aislación posee una forma 36

46 intermedia en el fondo, y la celda 21 denominada con la sigla CR, de fabricación local de concreto normal con resina sin aislación es de forma cuadrada en el fondo. La ubicación de este grupo en la nave electrolítica (parte antigua) y en particular de la celda 21 (ver Fig. 18) no es la ideal ya que esta contigua a una puerta de acceso sin cierre, en un vértice de la refinería, quedando expuesta a corrientes de aire marino, al frío en invierno y además al subterráneo húmedo al que están expuestas en su parte inferior. Puerta de acceso Celda 21 Corriente de aire Figura 18 Ubicación de celda 21 del grupo 32 Debido a esta exposición por la parte inferior de la celda, también se dejó registro del comportamiento de la temperatura que ahí se dio, obteniendo como resultado la siguiente Tabla IX. Celda Tabla IX Temperaturas externas de las celdas 1 y 21 del grupo 32 Temperatura costado Izquierdo, C Temperatura centro, C Temperatura costado derecho, C

47 En la Tabla IX se observa que la celda 1 pierde mayor calor por el fondo que la celda 21, comprobando que su ubicación y característica no favorece a una mayor conservación del calor que le proporciona el electrolito y las barras por donde circula la corriente. Figura 19 Perfil de temperatura en celda 1 y 21 de grupo 32 La gráfica en la Fig. 19 nos indica que la temperatura de ingreso del electrolito no alcanzó la temperatura de operación lo que al parecer provocó una baja de temperatura en el fondo de la celda pudiendo afectar la calidad superficial del cátodo. Además, la temperatura de fondo al interior de la celda 21 es cercana a los 39 C y es muy baja comparada con la que se ve a la salida de la caja de alimentación del electrolito que bordea en promedio los 60 C. Esta baja de temperatura en el fondo de la celda se debe a un estancamiento del electrolito originado por su forma cuadrada en el fondo y también por el frío que la rodea por debajo. En la celda 1 la tendencia es parecida aumentando la temperatura de fondo en casi 7 C con respecto a la celda 21. Si nos fijamos sólo en las otras temperaturas promedio se aprecia que en los puntos de altura superficial y altura base existe una diferencia del orden de los 2 C para ambas celdas, lo que coincidiría con el grupo 3, que estaría marcando una tendencia. En el periodo de tiempo que se registraron estas mediciones, la corriente promedio suministrada a estas 2 celdas fue de ka, llegando a una densidad de corriente de 317 A/m 2, según fórmula entregada. Contabilidad metalúrgica entrega la información final para las 42 celdas del grupo al término 38

48 del ciclo catódico. Con fecha se obtuvo en la cosecha un peso de toneladas con una corriente de 22 ka logrando una eficiencia de corriente de 94.9 %. Con una menor temperatura se logró una buena eficiencia de corriente. La corriente de 22 ka produce una densidad de corriente de 313 A/m 2 y a menor corriente disminuyen los cortocircuitos y por lo tanto disminuye la acumulación de corriente generando una mayor eficiencia de corriente. En este caso, se puede argumentar que la intervención de los inspectores de cortocircuitos estuvo acertada ya sea cuadrando de buena forma los ánodos con respecto a los cátodos como también eliminando los cortes que elevan la acumulación de corriente del ciclo analizado. Por último, con los resultados de estas dos celdas se proyecta que a una menor temperatura el electrolito ofrece una mayor resistencia que disminuye la conductividad lo que provoca una menor depositación de cobre Grupo 35 En este grupo las celdas medidas fueron la 29 y 41, denominadas con la sigla CTI, fabricada por CTI de concreto polimérico con aislación, posee una forma intermedia en el fondo (ver Fig.20). La ubicación de este grupo en la nave electrolítica (parte nueva) le proporciona una buena aislación del exterior, el subterráneo es cálido y seco, por lo tanto, no hay corrientes de aire frío que contribuyan a una significativa pérdida de calor por el fondo de la celda electrolítica. 39

49 Figura 20 Celda CTI utilizada en refinería Ventanas Se hizo un registro del comportamiento de la temperatura en la parte inferior de las celdas obteniendo los resultados mostrados en la Tabla X. Celda Tabla X Temperaturas externas de las celdas 29 y 41 del grupo 35 Temperatura costado Izquierdo, C Temperatura centro, C Temperatura costado derecho, C La temperatura externa alrededor de las celdas aumenta con respecto al grupo anterior debido a su aislación y al diseño de esta parte de la refinería, la circulación de aire en el subterráneo es mucho menor debido a que las celdas están más cerca del suelo. Ambas celdas se ubican en el centro de su grupo otorgándole mayor protección y así poder mantener una temperatura homogénea dentro de la celda, situación que se puede apreciar a continuación en la Fig

50 Figura 21 Perfil de temperatura en celda 29 y 41 del grupo 35 En este caso, la temperatura de ingreso del electrolito sobrepaso la temperatura de operación en la celda 29 lo que aumenta la conductividad del electrolito produciéndose una mayor depositación de cobre, claro que este aumento de temperatura implica un costo energético para calentar el electrolito a una mayor temperatura. La temperatura a lo largo del cátodo se mantiene casi homogénea con una diferencia de casi 2 C entre los extremos, siguiendo el patrón de las otras celdas de los grupos 3 y 32. Se aprecia una tendencia de disminución de temperatura en el fondo de la celda que se debe explícitamente al tipo de geometría de la celda en el fondo, al igual que en el grupo 32 las gráficas son muy parecidas, se produce un estancamiento de electrolito en el fondo provocando una carga muerta. En el periodo de tiempo que se registraron estas mediciones, la corriente promedio suministrada a estas 2 celdas fue de 21.8 ka, llegando a 310 A/m 2, según fórmula entregada. La información final, que incluye las 42 celdas del grupo 35, es entregada por contabilidad metalúrgica al término del ciclo catódico. Con fecha se obtuvo en la cosecha un peso de toneladas con una corriente de 21.6 ka logrando una eficiencia de corriente de 90 %. 41

51 Nuevamente, con un perfil de temperatura más homogéneo se obtuvo una eficiencia de corriente baja, esto podría ser causado por el aumento de cortocircuitos en el grupo, aumentando la acumulación de corriente. La corriente promedio del grupo de 42 celdas, al final del ciclo fue de 21.6 ka, obteniéndose una densidad de corriente de 307 A/m 2 y un depósito de toneladas, si este ciclo se hizo con ánodos recién montados o lado total es más probable que se produzcan mayor cantidad de cortocircuitos ya que el espaciamiento es el mínimo. Para que esto no ocurra los cátodos no deben perder su verticalidad al momento del montaje y la cuadratura por parte de los encargados debe ser la adecuada. Por último, sólo queda agregar que estas temperaturas siguen reforzando la idea de hacer un cambio con la temperatura de trabajo establecida, se podría experimentar la electrólisis disminuyendo la temperatura del electrolito y así rebajar los gastos extremadamente altos para producir vapor para calentar el electrolito. 5.2 OBTENCIÓN DE CONCENTRACIÓN DE ÁCIDO SULFÚRICO MEDIANTE SISTEMA PI Según los datos recopilados del sistema PI, al aumentar la adición de ácido sulfúrico al electrolito hay una tendencia a disminuir el consumo de energía, esta tendencia no se cumple para todos los casos, ya que se deben mantener las demás variables dentro de los valores establecidos. Por ejemplo, si los cortocircuitos aumentan en un grupo, habrá un mayor consumo de energía eléctrica. A continuación, se hará un análisis de los resultados para cada circuito, comenzando con él o los circuitos que mejor evidencien la tendencia a disminuir o aumentar del consumo de energía si la concentración de ácido sulfúrico varía Circuito 2 y Circuito 5 Los datos del sistema PI se pueden obtener en línea a cada segundo y solo basta ingresar la fecha y hora para que el sistema entregue lo solicitado. En la Fig. 22 y 23, se puede observar que la tendencia del consumo de energía es a disminuir si la concentración de ácido sulfúrico aumenta, también se observa que al disminuir la concentración de ácido sulfúrico, aumenta el consumo de energía eléctrica por tonelada de cobre depositado. En el mes de enero para ambos circuitos se obtuvieron resultados adversos ya que al aumentar el ácido aumentó el 42

52 consumo de energía, además, en los meses de mayo y junio, tanto la concentración de ácido sulfúrico como el consumo de energía aumentaron para el circuito 5 y disminuyeron para el circuito 2, respectivamente, ocurriendo lo contrario según la teoría y la experiencia. Figura 22 Consumo de energía en función de la concentración de ácido sulfúrico en el circuito 2 Esto puede producirse por la alteración de una o más variables. Si la concentración de ácido sulfúrico sobrepasa el límite permisible para el electrolito, 200 g/l, se produce un aumento en la viscosidad y por lo tanto se incrementa su resistencia (voltaje) afectando la migración de iones hacia el cátodo, ocurriendo una depositación más lenta y su consecuencia es el incremento del consumo de energía y la disminución del tonelaje de cobre depositado, menor a 193 toneladas. Puede ocurrir también que la temperatura del electrolito no fue la adecuada para la electrólisis y la conductividad decrece, provocando el efecto ya mencionado. 43

53 Figura 23 Consumo de energía en función de la concentración de ácido sulfúrico en el circuito 5 Antes de aumentar la concentración de ácido sulfúrico, en el mes de marzo, para el circuito 2 y 5 respectivamente, el consumo promedio de energía eléctrica era de 312 kwh/ton Cu y 315 kwh/ton Cu con un promedio de ácido sulfúrico de 175 g/l y 180 g/l, luego de aumentar la concentración de ácido sulfúrico el consumo promedio de energía eléctrica fue de 313 kwh/ton Cu y 309 kwh/ton Cu con un promedio de ácido sulfúrico de 182 g/l y 195 g/l. Para el circuito 2 el consumo de energía aumentó en 1 kwh/ton Cu con un aumento promedio de ácido sulfúrico de 7 g/l y para el circuito 5 el consumo de energía disminuyó en 6 kwh/ton Cu con un aumento promedio de ácido sulfúrico de 15 g/l. En ambos casos si se cosecharan 193 toneladas de cobre por grupo y en un circuito hay 8 grupos, habría un gasto extra de energía de 1544 kwh en el circuito 2 y habría un ahorro de 9264 kwh en el circuito 5. El costo en dólares asociado al gasto extra de energía para el circuito 2 se aprecia a continuación: 130 USD MWh = USD MWh 44

54 El ahorro en dólares que se produjo en el circuito 5 se muestra a continuación: 130 USD MWh = USD MWh El paulatino descenso que tuvo la adición de concentración de ácido sulfúrico en los últimos meses debe obedecer a problemas operacionales tales como aumento de la resistencia demorando la pronta depositación, la alta conductividad del electrolito sumado a un aumento en la densidad de corriente pudo desencadenar un notable aumento en los cortocircuitos lo que se traduce en una calidad superficial no adecuada para un cátodo de grado A. Son muchas las variables que inciden en el proceso, es tarea de todos en la refinería que estas variables no se alteren reiteradamente y el proceso se lleve a cabo siguiendo los estándares establecidos Circuito 3 y Circuito 6 La concentración de ácido sulfúrico adicionada para cada circuito es diferente ya que cada circuito posee su propio estanque de circulación en donde se regula la cantidad de ácido necesaria para cada ciclo catódico. En la Fig. 24 y 25, es posible notar que el consumo de energía disminuye en la mayoría de los meses en donde aumenta la adición de la concentración de ácido sulfúrico. Para el mes de marzo del circuito 3 y los meses diciembre, marzo y mayo del circuito 6, sucede un incremento del consumo de energía al aumentar la concentración de ácido sulfúrico. En cambio, en los meses de febrero y agosto del circuito 3 ocurre una disminución del consumo de energía al disminuir la adición de ácido sulfúrico. 45

55 Figura 24 Consumo de energía en función de la concentración de ácido sulfúrico en el circuito 3 Estos dos fenómenos producen el efecto contrario según la teoría, es decir, el aumento de la concentración de ácido sulfúrico en el electrolito no sólo disminuye el consumo, sino que puede aumentar, es por esto que todas las variables son importantes en el desarrollo del proceso de electrorefinación. Las variables nombradas en el punto anterior son aplicables para todos los circuitos, otra variable es la temperatura, si esta aumenta también incrementa la conductividad del electrolito, pudiendo trabajar a mayor densidad de corriente si es que la cuadratura de los electrodos fue la adecuada para que no se produzcan cortocircuitos y así aumentar la depositación para obtener un mayor tonelaje que beneficie la producción. 46

56 Figura 25 Consumo de energía en función de la concentración de ácido sulfúrico en el circuito 6 Antes de aumentar la adición del ácido sulfúrico, desde el mes de marzo, el consumo de energía promedio para el circuito 3 y circuito 6, respectivamente, fue de 318 kwh/ton Cu y de 317 kwh/ton Cu con un promedio de ácido sulfúrico de 167 g/l y 175 g/l, luego de aumentar la concentración de ácido sulfúrico el consumo promedio de energía del periodo fue de 309 kwh/ton Cu y 311 kwh/ton Cu con un promedio de ácido sulfúrico de 184 g/l y 189 g/l. Para ambos circuitos se produjo una disminución del consumo de energía, siendo de 9 kwh/ton Cu con un aumento promedio de ácido sulfúrico de 17 g/l para el circuito 3 y de 6 kwh/ton Cu con un aumento promedio de ácido sulfúrico de 14 g/l para el circuito 6. Esto se traduce para ambos casos, si se cosechan grupos de 193 toneladas y los circuitos son de 8 grupos, en un ahorro en el consumo de energía para el circuito 3 de kwh y de 9264 kwh para el circuito 6. El ahorro en dólares que se produce al aumentar el ácido sulfúrico en el circuito 3 se aprecia a continuación: 130 USD MWh = USD MWh 47

57 Para el grupo 6 el ahorro de energía eléctrica reflejado en dólares se muestra en el siguiente cálculo: 130 USD MWh = USD MWh Cabe mencionar una situación particular que sucedió en el mes de marzo en el circuito 6 con un aumento brusco del consumo de energía que pudo deberse al cambio de dos o más variables del proceso como puede ser un aumento de la temperatura que produce un aumento de la conductividad (menor resistencia) del electrolito que podría provocar un aumento de cortocircuitos afectando la cantidad y calidad del depósito final Circuito 4 Este circuito que se aprecia en la Fig. 26 es el que entregó la menor eficiencia ya que el consumo de energía se vio afectado en cuatro de los nueve meses observados. Figura 26 Consumo de energía en función de la concentración de ácido sulfúrico en el circuito 4 48

58 En los meses de enero y febrero hubo una disminución del consumo de energía y de la adición de concentración de ácido sulfúrico. En cambio en los meses de junio y julio el consumo de energía y la adición de concentración de ácido sulfúrico aumentaron. En los demás meses se cumplió la teoría y experiencia, es decir, la conductividad del electrolito aumentó debido a la adición de ácido sulfúrico provocando un disminución del consumo de energía, esto se produce gracias a que la resistencia del electrolito disminuye al aumentar el ácido favoreciendo una mayor depositación pero asociada a que se produzcan cortocircuitos. Para antes del mes de marzo de 2012, el ácido sulfúrico promedio adicionado al electrolito fue de 173 g/l y el consumo de energía promedio asociado fue de 315 kwh/ton Cu. Desde el mes de marzo hasta el fin del periodo observado, el ácido sulfúrico promedio adicionado al electrolito aumentó a 184 g/l, promediándose un consumo de energía de 311 kwh/ton Cu. Lo anterior, permitió una disminución del consumo de energía en 4 kwh/ton Cu al incrementarse en 11 g/l la concentración de ácido sulfúrico. Si en un grupo se considera una cosecha de 193 toneladas de cobre y en este circuito en particular hay 12 grupos asociados al rectificador 4, se obtendría un ahorro de 9264 kwh. El ahorro en dólares que ocurre en el circuito 4 que se produce por incrementar el ácido sulfúrico se muestra a continuación: 130 USD MWh = USD MWh El proceso de electrorefinación depende de muchas variables y mantenerlas dentro de sus rangos establecidos es la normativa que rige para todo el personal de la refinería, pero la tendencia de la gráfica no difiere de las anteriores, ya que el consumo de energía al fin del periodo observado no disminuyó pero se mantuvo dentro de los valores normales para la refinería de Ventanas, ya que cada refinería posee sus valores y rangos que las hace distinguirse de las demás refinerías electrolíticas. 49

59 5.3 ANALIZAR Y CUANTIFICAR VARIABLES OPERACIONALES En la refinería electrolítica de Ventanas, se ha monitoreado constantemente el voltaje del grupo 24 y del grupo 32 de los circuitos 3 y 4 respectivamente, por decisión de la Superintendencia. Este monitoreo se hace por intermedio del sistema PI que va guardando los datos del voltaje para poder utilizarlos y analizar los cambios que lo afectan si las demás variables sufren una modificación. La eficiencia de corriente se entrega al final de cada ciclo catódico por contabilidad metalúrgica, y los cortocircuitos se van entregando diariamente por cada turno, son 2, por los inspectores al momento de hacer la revisión de las celdas electrolíticas en el horario programado. El lavado de celdas es hecho al final de cada ciclo catódico y es labor del operario limpiarla en el menor tiempo posible. A continuación, se analizarán los resultados de las variables ya mencionadas en el proceso de electrorefinación Voltaje y Ciclo catódico En la Fig. 27 se muestran los voltajes por día de ciclos catódicos para el grupo 24 tomando 22 ciclos catódicos, mientras que la Fig. 28 muestra los voltajes por día de ciclos catódicos para el grupo 32 los cuales fueron 25 ciclos catódicos. Figura 27 Voltaje promedio por días en función cada ciclo catódico del grupo 24 50

60 En ambas gráficas, se aprecia que el día 0 no es un buen parámetro de medición, esto se debe a que por lo general el día 0 de cada ciclo catódico comienza con un voltaje alto, ya que al estar recién conectado y montados los electrodos la temperatura es de 54 C y por lo tanto el electrolito ofrece una mayor resistencia. En algunos casos, si los electrodos no fueron bien montados y no hay verticalidad entre ellos pueden quedar muy cercanos, lo que provoca cortocircuitos a corto plazo y el voltaje puede disminuir como si fuera el día 2 o día 3 debido a que la resistencia que entrega el electrolito es mínima. Figura 28 Voltaje promedio por días en función de cada ciclo catódico del grupo 32 En los dos grupos se aprecia en la gráfica que la mayor cantidad de puntos de voltaje se concentra entre los 14 y 16 Volt. También se observa que a medida que avanzan los días el voltaje va decreciendo y es más notorio en el grupo 32. Como ya se ha comentado, este es un proceso en el cual inciden muchos factores tales como la cantidad de ácido sulfúrico adicionada al electrolito, los cortocircuitos presentes y la temperatura del electrolito, en cada uno de estos ciclos, tanto el acierto como el error del operario está presente. 51

61 5.3.2 Voltaje y Cortocircuitos El voltaje promedio por día en función del promedio de los cortocircuitos que presentan cada uno de los días del ciclo catódico marca una tendencia como se observa a continuación en la Fig. 29 y 30. Figura 29 Voltaje promedio por días en función del promedio de cortocircuitos por día del grupo 24 Se puede observar en ambas figuras que el día 0 presenta un voltaje promedio por sobre los 16 Volt que es lo esperado pero es alto comparado con los siguientes días, una de las causas se debe a que la temperatura del electrolito es de 54 C, lo que permite una mayor viscosidad del electrolito aumentando su resistencia. También, está dentro de lo que debe ocurrir, que el día 1 haya una disminución del voltaje debido al decrecimiento de la resistencia producto de la estabilización de la temperatura del electrolito y un aumento considerable de los cortocircuitos ya que los cátodos están muy livianos y los inspectores u otros trabajadores pueden moverlos involuntariamente de su posición pudiendo quedar en contacto con el ánodo lo que provoca los cortocircuitos, problema que es solucionable si es detectado a tiempo puesto que los cátodos en sus 3 primeros días poseen una masa que permite se puedan levantar y eliminar los cortes. 52

62 Figura 30 Voltaje promedio por días en función del promedio de cortocircuitos por día del grupo 32 La experiencia del inspector de cortocircuitos es muy importante ya que al observar ambas figuras la cantidad de cortocircuitos disminuyó al día 2 pero es inevitable que se sigan produciendo mientras avanzan los días, la tarea ahora es que se produzcan los menos posibles para obtener una eficiencia de corriente mayor o igual a 93%. El voltaje a partir del día 2 comienza a decrecer en ambos grupos a consecuencia de la disminución de la resistencia del electrolito permitiendo una mayor migración de iones cobre hacia el cátodo. Desde el día 3 y hasta el día 6 el voltaje se mantiene casi permanente promediando 14.8 Volt pero los cortocircuitos van en aumento lo que provoca en el día 7 una baja abrupta del voltaje promediando 14 Volt en ambos grupos ya que al formarse nuevos cortocircuitos la corriente tiende a irse solo por esos puntos ocasionando el decrecimiento de la resistencia y un aumento en el flujo de corriente. 53

63 5.3.3 Eficiencia de corriente y Cortocircuitos En la Fig. 31 se muestra la relación que existe entre la eficiencia de corriente y la cantidad de cortocircuitos para cada uno de los 22 ciclos catódicos del grupo 24, mientras que en la Fig. 32 se observa la misma relación para cada uno de los 25 ciclos catódicos del grupo 32. Figura 31 Eficiencia de corriente en función de cantidad de cortocircuitos del grupo 24 Para la refinería electrolítica de Ventanas la eficiencia de corriente del ciclo catódico debe ser igual o mayor a 93%. Como se puede visualizar en ambos diagramas de dispersión la curva de ajuste para los datos presentes es utilizar una recta que nos entrega un coeficiente de correlación lineal de 0.83 y 0.86 para los grupos 24 y 32 respectivamente. El valor de estos coeficientes nos indica que los datos poseen una alta respuesta a ser un modelo lineal. En ambas gráficas, desde el eje y con un 93% de eficiencia de corriente se proyecta una linea segmentada que se extiende hasta la recta o linea de tendencia y luego baja en forma perpendicular hasta el eje x que nos indica la cantidad de cortocircuitos por ciclo aproximados para el grupo 24 es de 740 y de 690 para el grupo 32. Entonces, si los cortocircuitos que se obtienen en cada uno de los ciclos catódicos no superan los valores ya dichos, debiera esperarse una eficiencia energética igual o mayor a 93%, como se cumple en la mayoría de los casos que se muestran en ambas figuras. 54

64 Figura 32 Eficiencia de corriente en función de cantidad de cortocircuitos del grupo 32 Se observa en ambos diagramas que al incrementarse los cortocircuitos la eficiencia de corriente decrece y viceversa. Es por esto que es fundamental mantener controlados los cortocircuitos en los grupos desde el primer día de conexión al circuito ya que si aumentan producen una mayor acumulación de corriente provocando una baja en la eficiencia de corriente. Ef. cte. t (x ) i En donde, t son las toneladas cosechadas por grupo, 1000 se utiliza para convertir toneladas en kilos, 5.2 es la masa de la hoja inicial de cobre en kilos, 42 corresponde al número de celdas electrolíticas por grupo, 39 es la cantidad de cátodos, es el equivalente electroquímico en kilogramos sobre ampere por hora y finalmente i representa la cantidad de corriente acumulada en ampere por hora de un ciclo catódico. La eficiencia de corriente no afecta la calidad química de los cátodos comerciales producidos, si la eficiencia disminuye en un ciclo catódico quiere decir que se utilizó más energía eléctrica 55

65 para su producción, pero sí podría afectar su calidad superficial a causa del aumento de cortocircuitos afectando la bonificación de cátodo de grado A Lavado de celda electrolítica Al finalizar el día 7 del ciclo catódico de un grupo, se apaga el rectificador que lo alimenta de energía eléctrica para empuentar (cerrar el circuito) dicho grupo y así quede aislado de los otros grupos del mismo circuito para luego iniciar el lavado y retiro de los electrodos. Una vez terminado el retiro de restos de ánodos comienza el lavado de la celda electrolítica, que consiste en aplicar un flujo a presión de agua caliente en las paredes y fondo de la celda para remover el barro anódico producido en el ciclo catódico como se aprecia en la Fig. 33. Figura 33 Lavado de celda CTI Como ya se ha dicho, en la refinería electrolítica de Ventanas, existen diferentes tipos de celdas siendo la más común la celda CTI que posee un fondo de forma intermedio o casi cuadrado. 56