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SIMULACIÓN DEM DE TOLVA DE ALIMENTACIÓN DE UN CONVERTIDOR TENIENTE. CODELCO, Fundición Caletones, división El Teniente. Yerko Aguilera Carvajal.

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SIMULACIÓN DEM DE TOLVA DEALIMENTACIÓN DE UN CONVERTIDORTENIENTE.

CODELCO, Fundición Caletones, división El Teniente.

Yerko Aguilera Carvajal.

Compañia.

La Corporación Nacional Del Cobre, CODELCO, es una empresa estatal chilena dedicada a la

explotación minera cuprífera, rubro en el que es la mayor compañía del mundo. CODELCO

opera en ocho puntos de trabajo ubicados entre la Región de Antofagasta y la Región del

Libertador General Bernardo O'Higgins. Su producción anual equivale al 11% de la producción

mundial de cobre de mina y un 34% de lo producido en Chile.

Descripción del problema.

El estudio presentado a continuación fué desarrollado en la fundición Caletones, División El

Teniente. Caletones utiliza hornos de fusión y fusión-conversión para la obtención del material

de cobre a alta pureza, aprovechando además la liberación de gases metalúrgicos desde los

convertidores Teniente y Pierce Smith para obtener dióxido de azufre componente principal para

la generación de H2SO4 , el cual es ampliamente utilizado en las celdas de electro-obtención de

cobre.

Descripción del problema.

Debido al desfavorable medio de trabajo en que se encuentran los equipos transportadores de

material rocoso en minería, se hace necesario realizar estudios para cuantificar el desgaste en

placas y la vida útil de éstas. En el proyecto presentado a continuación se estudiará el

mecanismo de transporte de mineral desde correas transportadoras hasta la llegada al

convertidor Teniente, analizando la dinámica y el desgaste.

Metodología.

Se realizan dos simulaciones, la primera considerando la condición actual y la segunda

consiste en la propuesta de mejoras en base a la simulación 1, como se resume a

continuación:

1.- Simulación de la tolva de traspaso de material actual, conectada con el convertidor y

con el sistema de inyección de aire activado.

2.- Simulación de la tolva de traspaso de material modificada, conectada con el

convertidor con el sistema de inyección de aire activado.

Propiedad Valor

Flujo máx. de material [ton/h] 47

Flujo mín. de material [ton/h] 10

Densidad real del material [ton/m^3] 2,17

Velocidad correa alimentación

[m/min]

59,85

Diámetro de partícula

[mm]

Porcentaje acumulado

[%]

25,4 100,00

19,05 91,98

13,2 78,54

9,5 64,43

6,7 46,29

4,75 30,41

3,32 14,64

2,36 8,81

1,40 5,56

0,15 1,36

Granulometría del material.Datos para el ingreso de material.

Los datos relacionados con el material a utilizar son visualizados en las tablas adjuntas donde elflujo simulado corresponde al máximo registrado, es decir, 47 ��� �⁄ . El ángulo de reposo

utilizado corresponde a 30° (medido en terreno).

Metodología.

30°°°°

Granulometría.Con el fin de hacer la simulación posible, se trabajó con partículas esféricas y usando la

granulometría indicada en la siguiente tabla (tres primeros valores). En la figura inferior se

muestra la forma de la partícula no esférica usada.

Granulometría.

Parámetros Materiales y Operación.

Parámetro Valor Fuente

Densidad Real [kg/m^3] 2170 CODELCO

Flujo de material [ton/hr] 47 CODELCO

Ángulo de reposo [°] 30 CODELCO

Diámetro de partícula [mm]

Porcentaje acumulado [%]

25,4 100,00

19,05 91,98

13,2 78,54

Metodología.

Parámetro Valor Fuente

Flujo másico entrada [kg/s] 0,97 CODELCO

Presión manométrica entrada [bar] 1,4 CODELCO

Parámetros simulación CFD.

Parámetros geometría para simulación DEM.

Parámetro Valor Fuente

Velocidad correa entrada [m/s] 0,99 CODELCO

Roce estático correa [-] 0,5 ESSS

Roce estático placa de desgaste [-] 0,4 ESSS

Roce estático sistema de traspaso [-] 0,3 ESSS

Metodología.

Para impulsar de manera efectiva el material en zonas cercanas a la boca del convertidor, se

incluye un sistema de inyección de aire, el cual para ser incluido en la simulación DEM es

exportado por medio de un campo de velocidades calculado en ANSYS-Fluent. En las tablas

adjuntas se muestran los parámetros utilizados para la simulación DEM-CFD, algunos datos son

proporcionados por CODELCO y ESSS Chile.

Metodología.

A continuación se muestra el campo de velocidades impuesto en la simulación DEM, obtenido

de ANSYS-Fluent.

Zona de altas

velocidades.

Potencia de corte promedio simulación 1 (sistema actual).

Resultados.

Imagen situación actual.

Imagen de placa de sacrificio obtenida en terreno

Imagen situación actual con desgaste acelerado

En las siguientes imágenes se observa que la simulación entrega una buena aproximación de

la zona de desgaste en comparación a lo observado en terreno.

Metodología.

� Tres camas de piedras más un deflector para orientar el material.� Deflector de flujo de material.

Provocando los siguientes efectos:

� Caída centrada de material.

� Reducción de la velocidad promedio de caída del material a 2,51 [m/s].

Como mejora al modelo original, se proponen las siguientes medidas.

Metodología.

Resultados.

Potencia de corte promedio simulación 2 (sistema modificado):

A continuación se muestra en escala de colores el valor de la potencia de corte de la placa de

sacrificio, notar las diferencias entre ambos sistemas, donde la potencia de corte máxima

corresponde a valores superiores a 700[ ] .

Resultados.

Sistema actual. Sistema modificado.

Zona de máxima

Potencia de corte.Potencia de corte

cercana a 140[ ].

Simulación 1 (sistema actual)

ZonaVelocidad

promedio [m/s]Velocidad

máxima [m/s]

Zona roja 7,82 8,27

Zona azul 2,76 7,16

Zona verde 7,58 13,22

Simulación 2 (sistema modificado)

ZonaVelocidad

promedio [m/s]Velocidad

máxima [m/s]

Zona roja 2,49 3,49

Zona azul 3,42 8,16

Zona verde 7,14 10,37

Superficie Libre

Superficie Libre

Resultados.Para las 2 simulaciones realizadas, se midió la

velocidad en 3 diferentes zonas indicadas en las

siguientes imágenes. Para ambas simulaciones se

presentan las velocidades promedios y las velocidades

máximas obtenidas.

(a)

(b)

• En la figura (a) se muestra que tanto la tolva superior como la inferior, direccionan el material

a través de la interacción entre estas con el material, provocando que la caída del material

sea descentrada, al suceder esto implica que el material desliza por la placa de desgaste

provocando una trayectoria de material descentrada, tal como se muestra en la figura (b).

• En la la figura (c) se observa que la trayectoria de material es parabólica y principalmente la

mayor cantidad de material cae en la parte trasera de este flujo.

(c)

En las siguientes imágenes se muestra la trayectoria del material a través del sistema de

traspaso y dentro del convertidor de la simulación 1 (sistema actual).

Resultados.

(a)

(b)

• En la figura (a) se muestra que las camas de piedra presentan un buen comportamiento. Estas

provocan una disminución de la velocidad de las partículas, cayendo con baja velocidad sobre

el deflector. Luego el deflector cambia la trayectoria de las partículas centrándolo con respecto

a la salida de material. La acción del deflector, y la baja velocidad a la salida de este provoca

que la trayectoria del material sea más centrado que el sistema actual, esto se muestra en la

imagen (b).

• En la figura (c) se muestra que el material se proyecta de manera parabólica y el flujo de

material es más uniforme que el mostrado en la simulación 1.

(c)(a)

En las siguientes imágenes se muestra la trayectoria del material a través del sistema de

traspaso y dentro del convertidor de la simulación 2 (sistema modificado).

Resultados.

En la siguiente animación se muestra el flujo de la simulación 1 (sistema actual).

Resultados.

Resultados.

En la siguiente animación se muestra el funcionamiento del sistema de la simulación 2

(sistema modificado).

Con el fin de determinar la cantidad de material que ingresa al convertidor a la altura de llenado

de material fundido, se ubicaron volúmenes de control a lo largo del flujo, tal como se muestra en

la siguiente figura, y se medirá la masa acumulada dentro de los volúmenes de control de 1,2

metros de longitud.Porcentaje de masa acumulada en volúmenes de

control [%]

Volumen N° Simulación 1 Simulación 2

Volumen 1 86,60 69,70

Volumen 2 12,64 26,87

Volumen 3 0,76 3,43

Volumen 1 Volumen 2 Volumen 3

Sistemaactual

Sistemamodificado

1,0 m 2,5 m 1,1 m 2,6 m

Resultados.

• El material de la simulación 1 (sistema actual) presentan una velocidad promedio de

2,76 [m/s] a la salida del sistema de traspaso, mientras que para la simulación 2

(sistema modificado) es de 3,42 [m/s], lo cual es provocado porque en el sistema

modificado las partículas pasan directamente frente al flujo de aire y con una menor

velocidad lo que ocasiona que las partículas interactúan más tiempo con el flujo de aire.

• La trayectoria del material es similar para ambas simulaciones (parabólica), pero en la

simulación 1 el material cae más descentrado en comparación a la simulación 2, lo cual

provoca una distribución descentrada de material sobre la superficie libre del material

fundido.

• Se observa que la distancia respecto a la pared del convertidor que alcanza el material

sobre el material fundido entre ambas simulaciones varía sólo 10 centímetros aprox.,

pero la calidad del flujo de material en la simulación 2 es más eficiente para distribuir el

material.

• Los valores de la potencia de corte obtenidos para la simulación 2 son más bajos

producto de la inserción de las camas de piedra y de un deflector, lo que reduce la

velocidad de caída de material sobre la placa de sacrificio, provocando un aumento en

la vida de esta placa.

Conclusiones.

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