Radiometric sensing solution for mining

Si eres representante de una compañía minera con operaciones dentro de la Región de Atacama, y estas interesado en conocer más, y eventualmente pilotear esta solución dentro de tu faena, puedes solicitar que te contactemos con el oferente de la solución, y en caso de acuerdo entre las partes, el Programa Tantay puede aportar con un cofinanciamiento y seguimiento del plan de trabajo para la ejecución del piloto.

Resumen de la solución

Actualmente, las fundiciones de cobre, tanto en Chile como en el extranjero, aplican limitadas técnicas de monitoreo y control. Más aún, muchas decisiones sólo se basan en la experiencia de cada operador de terreno lo que afecta la estandarización de criterios, estabilidad del proceso y limita el número de posibilidades en el proceso de toma decisiones. Un factor clave que ha impedido una mejor condición en el monitoreo y control de estos procesos es la escasa o casi nula disponibilidad de instrumentación y sensores específicamente diseñados para procesos pirometalúrgicos de producción primaria de cobre. Entre otros factores, esto se debe a que el desarrollo de instrumentos para procesos pirometalúrgicos no ferrosos es complejo por las condiciones operacionales en los cuales estos instrumentos tienen que funcionar (temperatura, vibraciones y polvo) y la heterogeneidad de los reactores donde se deben instalar, lo que implica un alto costo de desarrollo.

La solución al problema planteado, se basa en el uso de tecnología optoelectrónica para la captura y transmisión de la información espectral generada en los procesos pirometalúrgicos de la fusión de concentrados de cobre. Específicamente, la solución hace uso de tecnología de transducción óptica digital (radiometría) que genera datos digitales que son usados por algoritmos de “machine learning” para la estimación de ley de cobre y algoritmos basados en la ley de Planck para la estimación de la temperatura del proceso pirometalúrgico. En cuanto a los componentes que conforman estos sistemas optoelectrónicos de medición, se utilizan fibras ópticas multinúcleo VIS-NIR protegidas para operar en ambientes de alta temperatura, espectrómetros VIS-NIR (espectro visible e infrarrojo cercano), sistemas de comunicación industriales y computadores de alto rendimiento para el proceso de estimación de ley de cobre y temperatura en tiempo real. Esta solución se aplica a las dos tecnologías actuales usadas en la fusión de concentrados en una fundición de cobre: (i) fusión en hornos flash o fusión instantánea y (ii) fusión en baño, conocida también como “bath smelting” por su denominación en inglés.

Problemática identificada

Actualmente, las fundiciones de cobre, tanto en Chile como en el extranjero, aplican limitadas técnicas de monitoreo y control. Más aún, muchas decisiones sólo se basan en la experiencia de cada operador de terreno lo que afecta la estandarización de criterios, estabilidad del proceso y limita el número de posibilidades en el proceso de toma decisiones. Un factor clave que ha impedido una mejor condición en el monitoreo y control de estos procesos es la escasa o casi nula disponibilidad de instrumentación y sensores específicamente diseñados para procesos pirometalúrgicos de producción primaria de cobre. Entre otros factores, esto se debe a que el desarrollo de instrumentos para procesos pirometalúrgicos no ferrosos es complejo por las condiciones operacionales en los cuales estos instrumentos tienen que funcionar (temperatura, vibraciones y polvo) y la heterogeneidad de los reactores donde se deben instalar, lo que implica un alto costo de desarrollo. Al mismo tiempo, el mercado objetivo es acotado, resultando en un panorama poco atractivo para empresas enfocadas al desarrollo de nuevos instrumentos tecnológicos.

En general las fundiciones de cobre tienen una configuración en la cual tres etapas se suceden para fundir y refinar el cobre presente en los concentrados: fusión, conversión y pirorrefinación. La fusión es la responsable del procesamiento directo del concentrado para producir una fase fundida de sulfuros, la cual es convertida a cobre metálico en la segunda etapa y finalmente refinada en la tercera. Si bien la carencia de instrumentación alcanza las tres etapas indicadas, este proyecto se focalizará en consolidar sistemas optoelectrónicos de apoyo a la operación de los hornos de fusión, etapa que suele ser considerada “el corazón de la fundición”.

En la actualidad, RS2 Mining, empresa beneficiaria, ha podido sobrepasar las barreras iniciales que dificultan el desarrollo de instrumentos para procesos pirometalúrgicos a través de consecutivos proyectos de investigación universitaria realizado durante los últimos años que han permitido idear, diseñar, construir y validar sistemas optoelectrónicos como instrumentos para la estimación de temperatura y ley de cobre en hornos de fusión. Esto, sumado a la magnitud de la industria del cobre nacional, representa una oportunidad estratégica para la consolidación de instrumentación avanzada para la pirometalurgia del cobre. Particularmente, los sistemas optoelectrónicos desarrollados ya han tenido una primera experiencia en fundiciones reales en la industria que han permitido lograr una madurez tecnológica de TRL 6. Específicamente, estos sistemas han sido sujetos a pruebas de validación en la Fundición Hernán Videla Lira (FHVL), de ENAMI en Copiapó, la Fundición de Atlantic Copper (AC) en Huelva, España y la fundición que Aurubis opera en Pirdop (Bulgaria). En estas pruebas, se observó que ciertas condiciones de operación en terreno tales como vibraciones, polvo, temperatura y tránsito en la operación de planta, impactaron de manera negativa en la durabilidad de los componentes de nuestros sistemas y por tanto en la disponibilidad, ciclo de vida y confiabilidad de éstos.

Tecnología propuesta

La solución al problema planteado, se basa en el uso de tecnología optoelectrónica para la captura y transmisión de la información espectral generada en los procesos pirometalúrgicos de la fusión de concentrados de cobre. Específicamente, la solución hace uso de tecnología de transducción óptica digital (radiometría) que genera datos digitales que son usados por algoritmos de “machine learning” para la estimación de ley de cobre y algoritmos basados en la ley de Planck para la estimación de la temperatura del proceso pirometalúrgico. En cuanto a los componentes que conforman estos sistemas optoelectrónicos de medición, se utilizan fibras ópticas multinúcleo VIS-NIR protegidas para operar en ambientes de alta temperatura, espectrómetros VIS-NIR (espectro visible e infrarrojo cercano), sistemas de comunicación industriales y computadores de alto rendimiento para el proceso de estimación de ley de cobre y temperatura en tiempo real. Esta solución se aplica a las dos tecnologías actuales usadas en la fusión de concentrados en una fundición de cobre: (i) fusión en hornos flash o fusión instantánea y (ii) fusión en baño, conocida también como “bath smelting” por su denominación en inglés.

En este proyecto, se busca que la solución propuesta consolide diseños especialmente adaptados a las características necesarias que estas dos tecnologías de fusión de cobre requieren para una operación ininterrumpida en planta. En particular, para ambos tipos de tecnología de fusión de cobre se requiere consolidar diseños de circuitos ópticos que sean robustos ante vibraciones, polvo, altas temperaturas y alto tránsito de operación, pues estos agentes dañan los elementos encargados de medir la radiación de los procesos pirometalúrgicos y sus acoplamientos. Se requiere, además, que para ambos tipos de tecnología de fusión el diseño cuente con puntas optomecánicas intercambiables para reducir los tiempos de respuesta por mantenimiento. Por un lado, en el caso del sistema optoelectrónico destinados al monitoreo de hornos reactores “bath smelting”, se requiere un diseño de circuito óptico de tipo periscopio adosado a una fibra óptica de longitud apropiada dado que estos reactores no cuentan con un acceso óptico con línea de vista al baño y, además, su cámara de reacción gira inclinándose de sobremanera en situaciones de emergencia de operación, lo que arrastra consigo todo el equipamiento industrial adosado que no esté preparado. Por otro lado, en el caso del sistema optoelectrónico destinado al monitoreo de hornos de fusión flash, se requiere que un diseño de circuito óptico tipo sonda, adosada a una fibra óptica, para ser introducida ya sea a través del quemador central del horno, o por diferentes accesos destinados a quemadores de soporte térmico o mirillas de inspección. Estando en estas condiciones el instrumento al interior del horno, se debe garantizar su protección ante partículas incandescentes y/o fundidas eyectadas desde la llama de fusión flash.

¿Cómo es abordado hoy este problema y cómo tu solución se diferencia?

Actualmente el problema solo tiene dos propuestas comerciales para el monitoreo de los procesos de los reactores de una fundición de cobre: el pirómetro Noranda y el sistema OPC. Las características de ambos limitan su aplicación a ciertos reactores y a condiciones particulares del proceso de conversión. En efecto el pirómetro Noranda solo mide temperatura de baño para reactores con toberas sumergidas y el sistema OPC se aplica exclusivamente para identificar el punto de término del soplado de Fe y en algunos casos el soplado de Cu, esto exclusivamente para convertidores Peirce Smith. La solución en desarrollo mediante el uso de sensores radiométricos presenta ventajas frente a estos dos instrumentos del mercado. Desde la perspectiva del mecanismo de operación, los sensores radiométricos en desarrollo miden la radiación del proceso en el rango VIS-NIR mientras que los actuales instrumentos lo hacen solo para determinadas bandas. Esto otorga una mayor versatilidad de aplicación para los sensores en desarrollo. De igual forma, los sensores de RS2Mining cumplen con la caracterización química de las fases fundidas pudiendo así ser una herramienta de monitoreo continuo y en línea del proceso químico que ocurre en los diferentes reactores de una fundición de cobre.

Descripción del equipo

El equipo comprende a los fundadores, Drs. Roberto Parra y Sergio Torres.  Profesores titulares de la Facultad de Ingeniería, con más de 30 años de experiencia en temas relacionados a la instrumentación óptica, tratamiento de señales, telecomunicaciones y procesos metalúrgicos, muy particularmente procesos de la pirometalurgia del cobre.

Este equipo está complementado con ingenieros de investigación, algunos con grado de doctor.

Representante

Camila Pabst

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Comuna

Concepción, Bío Bío

Categoría

El área usuaria corresponde a la fundición de concentrados de cobre.