DE HORNO DE FUSIÓN

[0001] La presente solicitud se dirige a un sistema integrado inteligente para controlar las variables que intervienen en un proceso de fusión de concentrados de minerales. Específicamente, se dirige a un sistema integrado inteligente que permite controlar toda la operación de un proceso de fusión, midiendo desde la calidad y cantidad mineralógica del concentrado que se inyecta al horno de fusión, así como las variables de temperatura, nivel de las fases líquidas y porcentaje de cobre dentro del horno, de tal manera que el sistema a partir de la lectura de dichas variables, actúa en forma autónoma sobre las variables manipuladas considerando incertezas, permitiendo mantener la temperatura del reactor estable, obteniendo productos en la calidad requerida y controlar las fases líquidas dentro del mismo, entre otras variables controladas, logrando aumentar la eficiencia de fusión.

ARTE PREVIO

[0002] Debido a la permanente búsqueda en la mejora de los procesos de fusión pirometalúrgica cada vez se torna más necesario contar con herramientas de control que permitan actuar a tiempo sobre las variables que intervienen para conseguir un óptimo resultado en el proceso global propiamente tal. Dentro del arte previo es posible observar soluciones dirigidas a controlar o medir variables específicas del proceso, por ejemplo aquellas que ocurren dentro de un reactor u horno, pero que no actúan ni de forma autónoma o inteligente o bien, no se encuentran integradas al control o medición de otras variables relevantes que intervienen de modo de tener un control global automatizado inteligente sobre el proceso de fusión.

[0003] Por ejemplo, el registro de patente CL 49.311 describe método y sistema para determinar la altura de niveles de metales líquidos o en estado fundido dentro de reactores de fundición de metales, eje, mata o escoria. Este sistema por medio de la aplicación de una señal externa al baño en fundición determina en línea la altura de fases, pudiendo obtener la altura de la interfaz escoria-mata y el nivel total del baño. No obstante ser una muy buena herramienta para observar lo que ocurre con las fases dentro del reactor, no se encuentra integrado a las otras variables que intervienen en la fusión, como la temperatura y las características mineralógicas del concentrado que se inyecta.

[0004] La publicación de patente WO2017066348 describe sistemas y métodos de un desarrollo de aplicaciones de control de activos inteligentes jerárquico y la optimización del sistema de control de activos inteligente integrado. El sistema puede desarrollar una aplicación de control de activos jerárquicos y los requisitos de hardware de control correspondientes. Esto se puede usar para crear un Sistema de Control de Activos Inteligentes Integrado para ejecutar varios procesos para un conjunto de elementos de equipo. Los activos inteligentes asociados con el sistema pueden utilizar agentes inteligentes para equilibrar las restricciones operacionales y los objetos operacionales para determinar los parámetros operacionales optimizados en tiempo real para un proceso e implementar los controles apropiados para facilitar el logro de los objetivos operacionales mejorados. A diferencia de la invención, esta publicación enseña de manera genérica cómo controlar algunas variables que intervienen en el reactor. Sin embargo, no enseña cómo controlar variables relacionadas con las características mineralógicas del concentrado que es inyectado y tampoco la altura de las fases líquidas dentro del reactor, así como tampoco dichas variables pueden estar interconectadas para de forma autónoma incidir en la operación del horno o reactor.

[0005] La publicación de patente US2014107810 describe métodos y aparatos para controlar el uso de dispositivos de campo y control que proporcionan un entorno de máquina virtual y que se comunican a través de una red IP. A modo de ejemplo, el dispositivo de campo puede ser un transmisor o actuador "inteligente" que incluye un procesador de baja potencia, junto con una memoria de acceso aleatorio, una memoria de solo lectura, FlashRAM y una interfaz de sensor. El procesador puede ejecutar un sistema operativo en tiempo real, así como una máquina virtual Java (JVM). El código de bytes de Java se ejecuta en la JVM para configurar el dispositivo de campo para realizar las funciones típicas de control de procesos, por ejemplo, para el control de la derivada integral proporcional (PID) y el acondicionamiento de señales. Las redes de control pueden incluir una pluralidad de tales dispositivos de campo y control interconectados por una red IP, como un Ethernet. Puede observarse en esta publicación un sistema para controlar una máquina de manera inteligente, pero sin mencionar en modo alguno las variables que la presente invención integra en el sistema. No obstante, la publicación representa un buen ejemplo de hacia dónde se dirige la tecnología en general en torno a contar con herramientas que permitan controlar dispositivos de manera autónoma.

[0006] La publicación de patente CN105334736 describe un método de control de la temperatura de calentamiento de un horno basado en el control predictivo de un modelo de orden fraccional de espacio extendido para mantener la estabilidad de un sistema de orden fraccional y garantizar un buen rendimiento de control. El método de control de la temperatura de calentamiento del horno basado en el control predictivo de un control de orden fraccional comprende los pasos por los que se adopta primero un método de aproximación de Oustaloup para aproximar un modelo de orden fraccional a un modelo de orden superior de orden entero, se establece un modelo de espacio de estado extendido basado en el modelo de orden superior aproximado, luego se introduce un operador de cálculo fraccional en una función objetivo, y además se diseña un controlador funcional de predicción de orden fraccional basado en el modelo de espacio de estado extendido y la función objetivo seleccionada. El método de control de la temperatura de calentamiento del horno basado en un control predictivo de orden fraccional se puede aplicar bien a un objeto de proceso práctico descrito por el objeto de orden fraccional, las deficiencias de un método MPC de orden entero en el aspecto del control del sistema de orden fraccional se superan. Mientras tanto, se mejora el grado de libertad del ajuste de parámetros del controlador, se obtiene un buen rendimiento de control y se pueden satisfacer bien las demandas del proceso industrial real.

[0007] Esta publicación enseña cómo controlar de manera inteligente la temperatura de un horno, sin embargo no enseña cómo vincular dicha variables a las otras que intervienen en el proceso como sí lo hace el sistema de la invención.

[0008] De esta manera, surge la necesidad de contar con un sistema que permita controlar las variables relevantes dentro de un proceso de fusión, como lo son las características mineralógicas del concentrado que se está inyectando, la temperatura de reacción dentro del horno, el porcentaje de cobre y la altura de los líquidos que componen las fases dentro del horno, hacerlas interactuar entre sí por medio de un sistema integrado inteligente como el de la presente invención.

BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS

[0009] Figura 1 : representa un diagrama que ilustra el sistema integrado inteligente en modo asesor.

[00010] Figura 2: representa un diagrama que ilustra el sistema integrado inteligente en modo automático.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION

[00011] La invención consiste en un sistema de control predictivo que integra sub-sistemas de control, modelos pirometalúrgicos, información de sensores (S1 , S2, S3...), restricciones de operación e incertezas del proceso, la cual está orientada a determinar acciones de control que apuntan a mejorar la estabilidad de las variables críticas del proceso en un horno de fusión. Gracias a las acciones de control calculadas por el sistema de la invención, se influye positivamente en la productividad, calidad y continuidad del proceso, traduciéndose en un aumento en el tiempo de la campaña del horno. Como consecuencia positiva, se evitan daños del horno provocados por el sobre calentamiento, filtraciones por toberas o pasajes.

[00012] El sistema está compuesto por cuatro sub-sistemas específicos: un sub sistema para la detección y cuantificación de especies mineralógicas mediante difracción de rayos X (DRX) del concentrado de cobre seco antes de ser inyectado a un convertidor u horno de fusión; un sub-sistema para determinar la altura de fases o niveles de metales líquidos o en estado fundido dentro de un horno de fusión ; un sub sistema de medición de temperatura y espesor de refractarios para hornos de fusión y un sub-sistema para para medir en línea y en tiempo real el porcentaje de cobre del producto principal de un horno de fusión, estos cuatro sub-sistemas se encuentran entrelazados de tal manera que se logra aumentar la confiabilidad del proceso de fusión mediante la medición de variables críticas, de tal manera de mantener estable el proceso optimizando el consumo de circulantes, aumentar la duración de los refractarios, reducción de costos y aumento de capacidad de fusión, mediante la medición de variables como mineralogía y composición química de concentrados, que permitan alimentar a un simulador del proceso que indique el óptimo de operación y mediante el control y medición de la altura de las fases al interior del horno de fusión.

[00013] Los cuatro sub-sistemas que comprende el sistema de la invención se encuentran integrados a un procesador que tiene incorporado un software de control avanzado de los cuatro sub-sistemas. Dicho procesador está conectado a una interfaz de datos los cuales son transmitidos desde el horno de fusión. Dicha transmisión puede ser realizada mediante una conexión alámbrica o inalámbrica desde los sensores de cada uno de los cuatro sub-sistemas antes mencionados.

[00014] En una modalidad preferida de ejecución de la invención, la interfaz de datos donde se adquieren las mediciones de las variables críticas, se encuentra conectada a un simulador dinámico de procesos que permite, dada la lectura de las variables de temperatura, características mineralógicas del concentrado, la altura de fases y el porcentaje de cobre dentro del horno, observar qué es lo que ocurriría dentro del reactor cuando estas variables son cambiadas o influenciadas por el sistema integrado inteligente. Si lo que se observa como resultado en el simulador dinámico es favorable al proceso de fusión, sólo entonces se transmiten los datos para variar o influenciar los parámetros dentro del horno. Adicionalmente, el simulador dinámico, será usado como un sensor virtual que entregará medición de nivel de fases al interior del horno, porcentaje de cobre del metal blanco y análisis mineralógico del concentrado y temperatura al interior del horno en linea en caso que uno de los de los sensores de alguno de los sub-sistemas falle. En estricto rigor el análisis mineralógico del concentrado es una entrada para el simulador y a partir de esas características se pueden determinar las otras tres variables faltantes (porcentaje de cobre, temperatura, nivel de fases), debido a que la base del mismo integra ecuaciones fenomenológicas (balance de masa y calor).

[00015] En este sentido, el simulador dinámico de procesos permite realizar optimizaciones de operación en tiempo real, basado en modelos pirometalúrgicos y la medición de los sensores de temperatura, características mineralógicas y análisis químico de concentrado y la altura de fases, de cada sub-sistema respectivamente. [00016] El sistema de la invención permite como objetivo de control estabilizar la temperatura del interior del horno de fusión (Bath Smelting) y obtener los productos, metal blanco y escoria, en la calidad requerida, integrando las variables críticas de instrumentación en terreno.

[00017] El sub-sistema para la detección y cuantificación de especies mineralógicas mediante difracción de rayos X (DRX) del concentrado de cobre seco antes de ser inyectado al convertidor u horno de fusión está conformado por un dispositivo que realiza un análisis mineralógico en línea y tiempo real de concentrado de cobre en horno de fusión baño fundido, mediante difracción de rayos x (DRX) el cual permite un control de mezcla ideal para un proceso óptimo de sulfuro de cobre (Cu2S)-metal blanco, sulfuro de fierro (FeS)-Escoria y azufre pirítico (S2)-temperatura.

[00018] El sub-sistema para determinar la altura de fases o niveles de metales líquidos o en estado fundido dentro de un horno de fusión está compuesto por un controlador lógico programable (PLC) equipado con un dispositivo transmisor- receptor inalámbrico el cual posee entradas análogas y salidas discretas conectadas a un circuito de relés de estado sólido y relés electromecánicos; en donde el circuito está conectado a electrodos (que en definitiva son los sensores de este sub-sistema) dispuestos en el horno de fusión. Los electrodos se encuentran sumergidos en una fase específica del baño metalúrgico dentro del horno y el controlador lógico programable se encuentra conectado a través del dispositivo transmisor-receptor a una interfaz de control. El sistema permite determinar el nivel de las fases fundidas en línea y en tiempo real mediante un algoritmo que considera variables relevantes la resistencia en el baño producto de la inyección de voltaje y circulación de corriente.

[00019] El sub-sistema de medición de temperatura y espesor de refractarios para hornos de fusión está compuesto por una barra de acero refractario la cual cuenta con cavidades para albergar un arreglo de sensores, cumpliendo el papel de conductor térmico y soporte o chasis del arreglo, en que la barra de acero es dispuesta en el manto y/o culata del horno de fusión. El sistema permite determinar la temperatura del interior del horno en línea y en tiempo real mediante un algoritmo que considera variables relevantes la información del arreglo de sensores. [00020] El sub-sistema para medir en línea y en tiempo real el porcentaje de contenido de cobre en el producto principal de un horno de fusión, está conformado por al menos cuatro electrodos alineados que se insertan a través de la pared refractaria del horno de fusión, de modo que un extremo de cada uno de los electrodos queda en el exterior del horno y el otro extremo queda inserto en el medio donde ocurre la reacción de fundición, es decir inserto en el baño en fundición. Los electrodos están conectados a un amplificador de señal, que a su vez está conectado a un generador de señales, en donde el generador de potencia envía una señal replicada del generador de señales, enviando la señal aumentada en corriente para cargas con resistencias menores a 0,1 ohm, y con un ancho de banda de 3 MHz. El amplificador de potencia envía la señal de potencia a los electrodos dispuestos en los extremos de la alineación, de modo que los electrodos que quedan en el centro reciben la lectura de resistividad una vez que se ha enviado la señal.

[00021] El sistema de la invención, a su vez puede operar en modo asesor o en modo automático. El modo asesor actúa como apoyo a la operación, donde obtienen las acciones de control a ser aplicadas al sistema las cuales son observadas visualmente como recomendaciones mediante la interfaz de operación. En estricto rigor, el modo asesor, no toma acción de control con los actuadores del sistema pero entrega sugerencias para ajustar las variables manipuladas por el operador. Por otro lado, el modo automático toma acción de control y el operador puede monitorear el funcionamiento mediante la interfaz de operación. El simulador dinámico, funciona como respaldo a los sensores de cada sub-sistema y en el caso de que llegase a fallar alguno se pasa al modo automático, donde es posible que actúe el simulador dinámico de procesos entregando datos que reemplacen los fallidos o ausentes. En ambos modos de operación el simulador dinámico de procesos puede operar.