El presente trabajo de título pretende estudiar el comportamiento de las principales propiedades de los morteros de cemento con adición de escoria de cobre en reemplazo de porcentaje en peso de cemento Portland. Entre las propiedades a estudiar se encuentra la cantidad de agua para obtener consistencia normal, el cambio de longitud, tiempo de fraguado, calor de hidratación, lixiviación y resistencias mecánicas. De la misma manera se estudiará la composición química y mineralógica de la escoria de cobre, en los aspectos que puedan influir en su reactividad con los productos de la hidratación del cemento Portland. La escoria a utilizar en el presente estudio proviene de la fundición de Caletones, de la división El Teniente de CODELCO.

Ingeniero Civil de Minas / La presente tesis fue desarrollada en el marco del proyecto FONDECYT Regular 1120341 denominado Relaciones de fase y distribución de arsénico, antimonio y plomo durante el tratamiento de materiales complejos de cobre ricos en impurezas mediante el uso de arrabio y en particular corresponde al estudio que describe el comportamiento del plomo como impureza en el tratamiento para scraps y matas complejas de cobre siguiendo un procedimiento experimental a alta temperatura, enfriamiento de muestras en agua, y análisis posterior empleando técnicas de espectrometría de combustión infrarroja (CIS), espectrometría de plasma acoplado inductivamente (ICP-OES) y gravimetría. Se realizaron 25 experimentos a una temperatura de 1473 K (1200 °C) en un horno eléctrico obteniendo así la base termodinámica que permitió establecer las relaciones de fase y la distribución del plomo como impureza en el sistema Cu-Fe-S-Pb saturado en carbón. Se trabajó en dos zonas de estudio, la Zona I donde coexisten fases de mata y Fe-rica y en la Zona II donde coexisten mata, Fe-rica y Cu-rica. Para cada uno de los experimentos iniciales se trabajó con 150 gramos y se evaluaron cuatro niveles de plomo 3, 6, 9 y 12 % en masa respecto a la masa total considerando un tiempo de equilibrio 21.6 ks. Las muestras obtenidas de experimentos fueron cortadas, secadas, y posteriormente se tomaron sub-muestras representativas de cada fase que fueron analizadas por diversos métodos para determinar sus composiciones. Los resultados experimentales constituyen una robusta base de datos termodinámica que en conjunto con información existente y complementaria, permitieron la determinación de parámetros fundamentales tales como el coeficiente de actividad, el coeficiente de distribución y el parámetro de interacción del plomo en las diferentes fases generadas; en el equilibrio termodinámico del sistema Cu-Fe-S-Pb-C a 1473 K. El coeficiente de actividad del plomo para la fase Cu-rica para la Zona II es: ln⁡〖〖<γ〗_Pb>=-3.05-10.73*N_Pb 〗 A partir de los parámetros termodinámicos encontrados, se generaron modelos matemáticos-metalúrgicos predictivos del comportamiento del plomo como impureza para el tratamiento propuesto de scraps y matas complejas de cobre ricas en dicha impureza mediante el uso de arrabio. Los resultados de este trabajo solventan que, empleando el tratamiento propuesto, es factible disminuir el nivel de plomo casi en un 50% desde matas complejas de cobre, distribuyendo la impureza a, la fase de Fe-rica para un descarte más seguro y un pequeño volumen de la fase de Cu-rica que debiese ser tratada en un proceso posterior para recuperar el cobre.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Metalurgia Extractiva / Ingeniero Civil de Minas / Se ha investigado y desarrollado un nuevo proceso pirometalúrgico, para eliminar arsénico y antimonio de una mata de cobre compleja rica en impurezas, producida a partir de concentrados de cobre sulfurados. Para asentar las bases de esta tecnología se investigaron las relaciones de fases y la distribución de elementos entre las fases en equilibrio en el sistema Cu-Fe-S-As-Sb saturado con carbón. La investigación se llevó a cabo mediante la realización de una serie de pruebas a escala de laboratorio, evaluando cuatro niveles de impureza de 3, 6, 9 y 12 %másico total de carga (RAs/Sb = 1), en un horno eléctrico experimental a una temperatura de 1473 K, bajo un ambiente altamente reductor. Esto, seguido por un método de enfriamiento rápido por agua, permite que se formen tres fases condensadas distintas en el equilibrio termodinámico; una mata de cobre, una aleación rica en cobre y otra aleación rica en fierro. Las muestras obtenidas de los experimentos fueron analizadas mediante técnicas de análisis de plasma inducido (ICP), espectroscopia de absorción atómica (AAS), espectroscopia infrarroja (CIS) y gravimetría. Los resultados fueron comparados con los datos termodinámicos obtenidos de los sistemas Cu-Fe-S-X-C (X= As, Sb) y se discutieron sobre la base de los coeficientes de actividad de Raoult para el arsénico y el antimonio en la fase de mata para cinco distintos contenidos de cobre. Los modelos matemáticos que gobiernan dichos coeficientes de actividad se basan en los parámetros de interacción para los compuestos menores de la fase de aleación rica en hierro generada en la línea de la brecha de miscibilidad donde coexisten tres fases, y se expresan como: ln[γAs]= -6 + 13 NAs + 7.3 NCu + 9.7 NC + 23.3 NS + 38.1 NSb ln[γSb]= -1.4 + 3 NSb + 23.1 NCu + 18.3 NC - 348.6 NS + 99.8 NAs Donde γX es el coeficiente de actividad para el elemento X = As, Sb y NY es la fracción molar del elemento Y = As, Sb, Cu, C, S. Mediante el análisis de los datos obtenidos se realizaron cálculos de balances de masa relativos al tratamiento de limpieza de una mata de cobre rica en arsénico y antimonio por medio de la adición de arrabio. Los resultados indicaron que, al utilizar una técnica de separación de fases, es factible limpiar hasta un 60% del contenido de As y Sb en una mata de cobre compleja, recuperar cobre valorable tanto en la mata como en la fase de aleación rica en cobre, la eliminación de hierro, arsénico y una aceptable cantidad de antimonio hacia la fase rica en hierro, la cual se podría descartar como un desecho inofensivo y ambientalmente estable.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Metalurgia Extractiva / Ingeniero Civil de Minas / La conversión de mata a Blíster, es una etapa tradicional e indispensable del proceso productivo de cobre metálico a partir de concentrados sulfurados, sin embargo, sus costos asociados por concepto de energía son crecientes y las normas medioambientales resultan ser cada vez más estrictas respecto a las emisiones de gases fugitivos e impurezas, lo anterior, ha motivado el desarrollo de procesos continuos y de menor costo. Es así como el grupo de pirometalurgia de la Universidad de Chile ha investigado y desarrollado un nuevo proceso de conversión continua basado en la oxidación de mata de cobre con un flujo de aire o aire enriquecido con O2 en contracorriente en un reactor de lecho empacado con una capacidad de 80 [g/min]. En este estudio, se investigó, mediante pruebas experimentales a escala de laboratorio, la cinética de oxidación de mata y la distribución de impurezas de As, Sb, Pb y Zn en relación a cuatro variables: ley de cobre en la alimentación [%Cualim], flujo de gas de reacción [Qg], enriquecimiento de O2 del gas de reacción [%O2], y altura de lecho empacado [H]. Las pruebas experimentales se llevaron a cabo a una temperatura de 1250°C y una tasa de alimentación de 20 [g/min] de mata de cobre, variando %O2 desde 21 (aire atmosférico) hasta 40%, Qg entre 20 y 40 [l/min], H de 12 a 21 [cm] y %Cualim de 62 a 73% en peso. La oxidación de la mata de cobre, en términos de la desulfurización, resultó ser gobernada por una cinética de primer orden en donde el contenido de azufre en el Blíster, [S], depende del %O2 y de los parámetros de diseño del reactor de lecho empacado: En el proceso, se observó una alta cinética de oxidación debido al incremento del área de reacción generada por la mayor dispersión de la mata de cobre dentro del lecho empacado, reportando una tasa de desulfurización estandarizada mínima de 5.67x10-3 [mol/g/min], lo que equivale a 4 veces su correspondiente en los procesos convencionales. De manera paralela se determinó que la difusión del gas oxidante controla la cinética de la reacción. Los resultados relativos al comportamiento de impurezas indicaron que la eliminación desde la mata de cobre hacia las fases de escoria y gas es fuertemente dependiente del %O2 y de H. Un aumento de esta última contribuye a prolongar la residencia de las impurezas en el lecho empacado, mejorando el contacto con el gas de reacción, mientras que un mayor %O2 favorece la oxidación de las impurezas y su posterior escorificación y volatilización. En comparación al proceso convencional, las eliminaciones de As y Sb fueron similares, mientras que aquellas para Pb y Zn resultaron ser mayores. Los resultados del estudio indican una concreta y promisoria utilización de la novedosa tecnología de conversión continua en reactor de lecho empacado como reemplazo de aquellas tradicionales. Finalmente, se proponen algunos temas relacionados con este estudio en los que se debe ahondar a futuro para complementar y mejorar la tecnología.

Ingeniero Civil / Se ha demostrado la factibilidad de producir pellet, partículas aglomeradas a partir de subproductos, tales como la escoria de alto horno y la ceniza volante, que actúan como fuentes de aluminosilicatos que se activan por medio de una solución alcalina, formada por silicato de sodio e hidróxido de sodio, mediante el uso del disco peletizador. Los pellets obtenidos en la presente investigación poseen un densidad real en estado saturado con superficie seca (dr sss) igual a 1892 kg/m3 y una densidad aparente suelta igual a 1019 kg/m3, junto con poseer un excelente comportamiento bajos las solicitaciones normales de compresión, desgaste y desintegración por sulfato. Asimismo se ha verificado su adecuada afinidad con el cemento hidráulico, presentando una reactividad potencial álcali-sílice muy por debajo del límite inferior estipulado por norma. El objetivo del estudio ha sido poner a prueba una metodología para generar árido liviano a partir de desechos de otras industrias que pueda reemplazar a la fracción de árido grueso en la dosificación de hormigones especiales, con la finalidad de introducir mejoras a los procesos constructivos, que redunden en la obtención de hormigones sustentables, ya que de esta manera se controlan los desechos contaminantes para el medio ambiente mediante su transformación (inertización), disminuyendo los problemas asociados con su manejo y su disposición, así como la posible contaminación del aire, o a nivel de subsuelo en aguas subterráneas debido a la eventual lixiviación de contaminantes pesados. Por otra parte se reduce la explotación de recurso natural que actualmente proviene de distintos depósitos, ya sea de lechos de ríos, canteras o pozos. También el uso de este árido liviano de síntesis geopolimérica en la dosificación de hormigón, permite disminuir las cargas propias, traduciéndose en diseños estructurales más eficientes. El estudio experimental contempló el estudio de distintas formulaciones, variando las proporciones de escoria de alto horno, ceniza volante y distintas composiciones de la solución alcalina activadora (NaOH y Na2SiO3), con el fin de obtener el pellet que cumpla con una densidad real (dr sss) menor a 2000 kg/m3 y que posea un buen comportamiento mecánico. A partir de la composición óptima se obtuvo el árido suficiente para la fabricación de hormigones de prueba. Finalmente para comparar el comportamiento relativo de este árido liviano, se realizaron hormigones de prueba variando la fracción gruesa: pellet experimental geopolimérico, árido de arcilla expandida y árido natural del río Maipo. Concluyendo con estas series de pruebas que el pellet geopolimérico en estudio, siendo la fracción gruesa capaz de formar un hormigón de densidad promedio igual a 1830 kg/m3, con un comportamiento mecánico superior al de la arcilla expandida en un 40 %, e inferior al árido natural en un 30 %.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Metalurgia Extractiva / Cuando ocurre un enfriamiento lento de la escoria de fusión de Cobre en ollas o recipientes, esta permite la sedimentación de gotas de cobre y sulfuro de cobre pudiendo observarse 2 fases, la superior en donde se encuentra la matriz de la escoria con cobre diseminado y una inferior la cuál ha sido nombrada como un botón de cobre. El tiempo de enfriamiento de las escorias de cobre afecta directamente sobre sus propiedades, dependiendo la velocidad en la cual se solidifiquen El objetivo del presente trabajo es crear un modelo de sedimentación y coalescencia de gotas de metal blanco y de cobre metálico mediante el enfriamiento controlado de escorias de fusión de cobre del Convertidor Teniente, el cuál prediga la formación del botón de mata, así como también la composición y las características de la escoria remanente, mediante herramientas computacionales apoyadas con pruebas experimentales. Se realizan pruebas en el laboratorio de pirometalurgia del Departamento de Ingeniería de Minas de la Universidad de Chile, las cuales consideran la utilización de un horno de fusión a alta temperatura que permite llegar a los 1350°C y simulaciones llevadas a cabo con el software de modelación Ansys el cual corresponde a un CFD. El volumen de control para las pruebas corresponde un crisol cilíndrico de alúmina con un diámetro interno de 18 mm, una altura de 105 mm y un espesor de paredes de 2 mm, en donde la escoria utiliza alrededor de 45 mm de altura y se pretende identificar la recuperación de cobre en la sección inferior (botón de cobre). En relación al tipo de enfriamiento las pruebas experimentales demuestran que desde bajos tiempos de sedimentación se tienen altos porcentajes de recuperación de cobre en la sección inferior, sin embargo, para los mismos tiempos, el tipo de enfriamiento si tiene una influencia aumentando en hasta un 9% la recuperación de cada una de las pruebas. En las simulaciones se observa un comportamiento diferente con respecto a las pruebas experimentales con respecto a los valores de recuperación lo cual es debido a las condiciones iniciales impuestas en las simulaciones que representa de mejor manera el enfriamiento, pero si demuestran la similitud que se obtiene en las pruebas experimentales para ambos tipos de enfriamiento (súbito y por convección natural). Para el enfriamiento controlado se observa una concentración considerable para bajas rampas de enfriamiento en el cual se llega a obtener un crecimiento constante de la recuperación en la zona inferior de hasta un 38% para la rampa de 0,5°/min (400 minutos de enfriamiento) lo cual indica que a mayores tiempos puede crecer la recuperación en el botón de cobre. Con respecto a la concentración de Cobre se observa un crecimiento considerable para las pruebas cuando se superan los 100 minutos de enfriamiento llegando a concentraciones cercanas a un 87% en el fondo del crisol y una ley promedio de la sección inferior de 69,3% de Cobre (para la rampa de 0,5°/min), el cual puede ser recirculado a la etapa de conversión.

En la industria de metales no ferrosos, particularmente en las fundiciones de cobre, hay una variedad de diferentes procesos y se utilizan varios tipos de hornos. El recubrimiento interno de todos estos reactores es principalmente de ladrillos de cromo magnesita. Los mecanismos de desgaste que ocurren dentro de los ladrillos en servicio necesitan ser comprendidos, en particular en lo que se refiere a nuevos procesos. Esta investigación es parte del Proyecto Fondef “Nuevo proceso de conversión continua de mata a cobre blister”, éste se basa en el nuevo principio de flujo de mata de cobre líquido en contracorriente dispersa en un lecho empacado y aire de soplado enriquecido en oxígeno, junto con escorificación de los óxidos de fierro con fundentes de cal y sílice. Los fundentes elegidos forman con los óxidos de fierro una escoria tipo olivina. Un tipo de ladrillo básico de cromo magnesita (Cr2O3 ∙ MgO) fue sometido a un test estático (cup test) con el objeto de estudiar la penetración y corrosión que sufre con una escoria tipo olivina, de composición: 48,4% de FeO, 37,4% de SiO2 y 14,2% de CaO. Se realizaron doce experimentos a tres temperaturas diferentes: 1290°C, 1330°C y 1370°C. A cada temperatura fueron analizadas distintas concentraciones de Cu2O en la escoria: 0%, 7%, 13% y 15% en peso. De los resultados se obtuvo que el aumento de la temperatura y Cu2O en la escoria producen una disminución en la viscosidad, debilitamiento de los enlaces inter - moleculares y aumento del trabajo de adhesión en la escoria. Ello conduce a una penetración mayor en el ladrillo refractario. El porcentaje más alto de penetración fue de un 23,9%, y se observó en un ladrillo sometido a 1370°C, con un contenido de 15% de Cu2O en la escoria. El principal componente del ladrillo (MgO) fue disuelto por la escoria. En el área infiltrada los principales productos observados fueron monticellita (CaMgSiO4) y forsterita (Mg2SiO4). La cromita fue enriquecida con óxido de Fe y Cu debido al fenómeno de difusión en fase sólida. Los coeficientes de difusión obtenidos fueron DCu,Cr2O3= 3*10-14 [m2 /s] y DFe,Cr2O3 = 3*10-15 [m2 /s]. El mecanismo de reacción estudiado es comparable a la corrosión que sufren los ladrillos con una escoria de tipo fayalítica convencional. Si bien se observaron varios signos de corrosión en las muestras, en ellas permanecen numerosas estructuras de picrocromita (espinel que da estabilidad química y mecánica al ladrillo), lo que indica que el refractario básico analizado tiene una resistencia media a buena al ataque con escorias olivinas con Cu2O. Este ladrillo es una buena alternativa para probar en el horno de conversión continua, sin embargo, la duración de una campaña refractaria depende de factores de materiales, de proceso y de operación, por lo que se recomienda re evaluar este ladrillo después de un período prolongado de utilización a escala industrial.

En el siguiente trabajo se realizaron, mediciones de viscosidad de escorias tipo olivina y alúmino olivina utilizando un viscosímetro de cilindro rotatorio. Las escorias madres para las mediciones de viscosidad fueron preparadas por un pre fundido de las cantidades apropiadas de Fe, Fe2O3, CaO y SiO2 en atmósfera de nitrógeno. En esta investigación, se estudió la variación de la viscosidad de escorias olivina con el aumento en la cantidad de Al2O3 y la variación de la viscosidad de escorias alúmino olivina con el aumento de Cu2O en su composición. Los resultados muestran que el Al2O3 se comporta como un óxido básico cuando se encuentra en cantidades inferiores a 10% en masa, produciendo una disminución en la viscosidad de la escoria. Y cuando se encuentra en cantidades superiores a 10% en masa se comporta como un óxido ácido aumentando la viscosidad de la escoria. Este es el comportamiento anfótero de la alúmina. Las adiciones de Cu2O sobre la escoria alumino olivina producen una disminución de la viscosidad, debido que esta especie se comporta como un óxido básico. Además, se propone un modelo que describe esta situación. Donde η es la viscosidad (Pa·s), b dependen de la composición de la escoria y T es la temperatura en grados Celsius. La constante a y b se calcula según. Las especies químicas están expresadas en porcentaje en masa.

La adición de polvos a la escoria requiere el empleo de un sistema que asegure la disolución completa de éstos, antes que se volatilicen. Para esto, se ha decidido emplear la reacción exotérmica que se genera al mezclar óxidos de arsénico con hidróxido de calcio, permitiendo formar arsenatos/arsenitos de calcio, los cuales podrían disolverse completamente en la escoria. El cemento tiene un importante contenido de óxido de calcio (CaO), llegando incluso a superar el 60% y al combinarse con agua forma hidróxido de calcio (Ca(OH)2). Por esta razón, el cemento puede ser empleado como aglomerante de los polvos antes de adicionarlos a la escoria. Con esto, el cemento podría proteger la liberación y volatilización del arsénico, permitiendo su disolución en la escoria como arsenito y arsenato de calcio. Por otra parte, el cobre contenido en los polvos como sulfato (CuSO4) podría ser reducido, permitiendo su recuperación al sedimentar como inclusiones de Cu2S. La presente investigación busca estabilizar el arsénico contenido en polvos de fundición empleando la vía pirometalúrgica mediante un proceso que incluye: − Mezcla de polvos de fundición con cemento − Adición de la mezcla a la escoria fundida. − Recuperación de cobre contenido en los polvos.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Metalurgia Extractiva / Ingeniero Civil de Minas / El procesamiento de escorias de fusión, mediante molienda y flotación, se inicia con el enfriamiento de la escoria fundida, etapa durante la cual existe sedimentación y coalescencia de gotas de especies de cobre. Como resultado del enfriamiento controlado, precipita y solidifica una fase sulfurada de mata de cobre que se retorna a la operación unitaria de conversión; igualmente se forma una escoria sólida que se envía a molienda y flotación. Es así como la velocidad de enfriamiento determina la generación de distintos productos, en términos de masa y composición. El presente trabajo tiene como objetivo investigar el efecto de la etapa de enfriamiento controlado en el consumo de energía y la recuperación de especies valiosas en el procesamiento de escorias de fusión por molienda y flotación. Para ello, se generaron diversas escorias mediante pruebas de enfriamiento controlado a escala de laboratorio, considerando una escoria industrial de fusión, tecnología Convertidor Teniente, como alimentación. El consumo energético se estudió por medio del desarrollo de tests de Bond y la recuperación de valiosos mediante pruebas de flotación, ambas a escala de laboratorio. Igualmente, se efectuaron simulaciones integradas del proceso molienda-flotación y conjunto fundición, clarificando la operación y la optimización técnica-económica del estudio. En relación al test de Bond, el work index de la escoria de fusión, sin una etapa previa de enfriamiento controlado, fue de 27.88 [kWh/t]. En cambio, las escorias obtenidas por enfriamientos controlados rápido y lento presentaron work index de 18.23 y 17.12 [kWh/t], respectivamente. Lo anterior, sumado a la recuperación másica obtenida durante el enfriamiento controlado representan un ahorro energético, con respecto a la escoria de fusión, de 44.34 [%] para el enfriamiento rápido y de 47.83 [%] para el enfriamiento lento. Respecto a los resultados de las pruebas de flotación, en el caso de la escoria de fusión, sin una etapa previa de enfriamiento controlado y un P80 de 48.4 [μm], se alcanzó una recuperación de cobre de 89.99 [%] con un contenido de cobre en el relave de 1.90 [%]. En cambio en las pruebas de flotación aplicadas a las escorias enfriadas controladamente, se generaron relaves con contenidos de cobre entre 0.59 y 0.40 [%], alcanzando recuperaciones conjuntas de cobre entre 97.23 y 98.11 [%] al considerar las etapas de enfriamiento controlado y de flotación. Finalmente, las simulaciones integradas, considerando la etapa de fusión y de procesamiento posterior de las escorias por molienda y flotación (solo flotación rougher), revelaron que la recirculación de los concentrados rougher de escorias al conjunto fundición, conlleva la necesidad de incorporar algún tipo de combustible en la etapa de fusión para asegurar el balance térmico del reactor.