Ingeniero Civil Mecánico / El Convertidor Teniente (CT) es un reactor pirometalúrgico cuya función es llevar a cabo el proceso de fusión-conversión de concentrado de cobre mediante la inyección de aire a través de toberas sumergidas en el baño líquido. Es posible, mediante maquetas frías que funcionan con agua y aire comprimido, estudiar la fluidodinámica del baño de un CT real. Fenómenos como regímenes de inyección, formación de estados de oscilación y trayectoria del gas, son fácilmente reproducibles y observables en estas maquetas. El Instituto de Innovación en Minería y Metalurgia (IM2) posee este tipo de maquetas a escala, maquetas 3D completas y tajadas, en donde se estudia diferentes condiciones de operación, intentando traspasar los resultados de alguna variación en la operación de estas maquetas al CT real, ya sea para aumentar la tasa de conversión, reducir el desgaste de los refractarios internos del CT o para obtener mejores condiciones de operación a las actuales. Por otro lado, los modelos numéricos ofrecen una alternativa bastante robusta, en el sentido de que en ellos es posible registrar de una manera mucho más fácil parámetros como la presión y la velocidad. En estos modelos es posible apreciar, gracias al registro de imágenes en escalas de tiempo pequeñas, fenómenos como la formación de burbujas o el estado de oscilación de la superficie libre. Sin embargo, los modelos numéricos requieren una construcción geométrica precisa y un seteo numérico riguroso de los parámetros fluidodinámicos en pos de la obtención de resultados confiables y representativos. Últimamente, mediante la utilización de computadores en cluster, conjuntos de computadoras con hardware compartido y que funcionan como si fuesen una única computadora mucho más rápida, es posible la solución de estos modelos numéricos con la incorporación de mallas mucho más finas que las que hasta el momento se utilizaba. Esta alternativa ha hecho posible, por primera vez en este tipo de problema, validar la densidad de malla utilizada en la solución de estos modelos, cuestión que les confiere una validez adicional. En este trabajo se ha simulado mediante dos modelos, uno 3D completo a escala 1:5 del CT real y uno slice o tajada, la operación de las maquetas frías. Se ha comparado los resultados de ambos modelos, obteniendo como uno de los principales resultados, que el modelo slice reproduce una física mucho más realista de los fenómenos gracias a la posibilidad de una reducción mayor que en el modelo 3D completo, del tamaño de los elementos componentes de la malla. Se ha visto además que no existe una pérdida importante, en cuanto a la reproducción del comportamiento del baño, pasando desde el modelo 3D completo, al modelo slice. Por otra parte, una de las alternativas que se utiliza para lograr una mayor tasa de conversión es inyectar una mayor cantidad de aire a través de las toberas. En este trabajo se ha probado la inyección de aire a través de una segunda tobera en la parte inferior en del modelo slice, sumándose a la inyección lateral tradicional. Se ha inyectado por la tobera inferior mediante dos tasas de inyección y se comparado con la forma tradicional de inyección, encontrándose que es posible obtener un estado de agitación y mezcla mucho más propicio para el proceso de fusión-conversión, sin generar un comportamiento del baño que vaya en desmedro de la operación de la maqueta de CT y del posible desgaste acelerado de refractarios internos del CT real.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Matemáticas Aplicadas. Ingeniero Civil Matemático / El convertidor teniente es un horno usado en el proceso de purificación del cobre, cuyo funcionamiento se basa en la inyección de aire enriquecido con oxígeno (a través de toberas) en un baño de material fundido, produciendo reacciones indispensables para su depuración y generando energía, la que es aprovechada para mantener los niveles de temperatura adecuados al interior del convertidor. Debido a la inyección de aire se produce un fenómeno de acoplamiento entre el chorro de burbujas y la oscilación presente en la superficie del baño, produciendo un fenómeno de resonancia el cual genera ondas de gran amplitud en la superficie, las que producen desgaste sobre las paredes internas del convertidor. Este desgaste acorta los tiempos de producción, ya que es necesario recubrir con nuevos ladrillos el interior del convertidor.\\ En esta tesis se proponen dos estrategias de control para prevenir y minimizar el oleaje en la superficie. En primer lugar se desarrolla un control retroalimentado con comportamiento robusto. Esta robustez permite el control usando modelos inciertos del sistema original, sin perder rendimiento ni estabilidad.\\ En segundo lugar se propone un control pasivo por medio de un segundo chorro de aire (una segunda tobera) el cual disminuye los modos de oscilación de gran amplitud, disminuyendo la energía de las oscilaciones sobre la superficie. Para ello se modela la interacción que hay entre la excitación de las ondas superficiales y la presencia de inyección de chorros de aire en el baño. Modelando un segundo chorro de burbujas es posible replicar datos experimentales en los que se logra estabilizar el oleaje por medio de una segunda tobera. / Este trabajo ha sido financiado por Codelco a través de la beca PiensaCobre

El objetivo general del presente trabajo de título es propone y evaluar una metodología de mantenibilidad de un control avanzado, con el objeto de mejorar la confiabilidad y disponibilidad del sistema de control avanzado; se espera con esto que la empresa pueda obtener mayores ganancias y reducir costos de mantención y soporte del sistema.