La presente solicitud de patente de invención se dirige a un sistema para medir en línea y en tiempo real el porcentaje de contenido de cobre del producto principal de un horno de fusión, mejorando así la eficiencia de los procesos aguas abajo. Específicamente, se dirige a un sistema para medir el concentrado de cobre en la etapa de fusión que comprende electrodos alineados conectados a un amplificador de potencia, estando los electrodos insertos en el horno de fusión por medio de la pared refractaria o la culata del mismo, de modo que un extremo de cada uno de los electrodos quedan 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 y al aplicarles potencia se mide la resistividad que reciben de los que ocurre dentro del baño en fundición, pudiendo determinar, por su resistividad específica, el porcentaje de cobre en el baño en fundición dentro del horno. El sistema permite el aumento de la capacidad de tratamiento de concentrados, disminución de reprocesamiento de escorias y utilización eficiente del circulante, lo que se traduce en una reducción de costos operacionales.

ARTE PREVIO

El contenido de cobre es uno de los parámetros más influyentes en la calidad del metal blanco que se produce y la escoria que se desecha durante la etapa de fusión. Este valor es planificado por la fundición en función de sus requerimientos, es así que una planificación puede dar como resultado que el horno produzca un metal blanco de un determinado porcentaje de Cu porque se requiere una mayor energía para consumir carga fría en el proceso posterior de conversión, mientras que en otra planificación, se puede requerir una concentración superior de Cu para generar un mínimo nivel de escoria.

Actualmente, en el proceso de fusión, existe un bajo nivel de instrumentación que implica no poder obtener la calidad de metal blanco con una variabilidad necesaria para la operación. Esto debido a que no se tiene una medición de la concentración de cobre en el metal blanco al interior de horno, en línea y en tiempo real (según los tiempos naturales del proceso). Por el contrario, actualmente esta información, está disponible con un retraso de 30 a 120 minutos y por tanto las decisiones del operador son tardías, esto debido a que se toma una muestra manual (paleto del chorro, ya sea en metal blanco, como en escoria). En la actualidad no existe un sensor que permita monitorear en línea la calidad de metal blanco en el interior del horno, para extraerlo con el porcentaje de cobre requerido.

La publicación de patente JP2009068855 describe un dispositivo para medir concentración de cobre en metal fundido, que se compone por una sonda que mide la concentración de cobre en fundiciones de hierro, cuya metodología considera la medición de la actividad del cobre por métodos electroquímicos. Comprende que en la superficie externa de un electrolito sólido, que presenta una conductividad de iones de oxígeno, se coloca un electrodo secundario que cuenta con óxidos de cobre; además se adiciona una cubierta o tapa que cubre al electrolito por la parte externa de dicho electrodo secundario. Así conjuntamente con esto queda estructurado un dispositivo elemental para uso de electrodos normales aparejado con un electrodo opuesto estableciéndose un equilibrio parcial (o local) entre los óxidos de cobre que está constituido por el electrodo secundario, el oxígeno y el cobre dentro del metal derretido. De esta forma, se enfoca en profundidad a crear la sonda de cobre por medio de un electrolito que permita medir cobre, lo cual es diferente a la solución de la presente invención que se enfoca en el problema de medición electroquímica de potenciometría.

La publicación de patente US2006250614 describe un método y dispositivo para el análisis para sistemas en fases fundidas usando espectrometría de emisión óptica, por ejemplo en hierro o acero colado, o una escoria, un vidrio, o una lava. Se usa un elemento sensible que tiene al menos un espectrómetro de emisión y al menos un dispositivo de estímulo, con el fin de excitar al material que será analizado y permitir la generación parcial total de una radiación que será analizada por el espectrómetro presente en el elemento sensible. El elemento sensible antes mencionado se pone en contacto con el material fundido que será analizado y transmite información, la cual contiene elementos de análisis proporcionados por un espectrómetro. La invención también se refiere a un sensor de inmersión. A diferencia de la presente solicitud, en esta publicación no se considera un dispositivo con electrodos que midan por potenciometría. La publicación de patente US2003234928 describe un aparato y método que por medio de Técnica LIBS puede analizar en tiempo real un material fundido a altas temperaturas. Esta técnica es aplicada para determinar composición elemental en sólidos, líquidos y gases; y en resumen consiste en excitar una muestra por medio de un impulso luminoso. La respuesta esperada es la generación de plasma (iones, átomos, electrones) los que emiten en un espectro de radiación de los elementos contenidos en el plasma.

El procedimiento utiliza un flujo de gas forzado a través de un tubo que puede ser ingresado en el interior del material fundido con el objetivo de generar una burbuja; luego la superficie interna de esta burbuja es la representante del material fundido. En el caso de un horno o un convertidor, el impulso del láser debería ser ingresado tal vez por las toberas (lo que operacionalmente no sería muy factible). En vista del arte previo antes mencionado, surge la necesidad de contar con un un sistema de medición de conductividades eléctricas a través de electrodos en el interior del baño. El electrolito posee un sensor que es capaz de medir la concentración de cobre presente en el baño, por ejemplo metal blanco, en el interior de un horno de baño, de tal manera que un operador posee una herramienta para tomar una decisión oportuna para extraer el líquido con la calidad que se requiere.

BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS Figuras 1 y 2: corresponde a una ilustración de cómo se instalan los electrodos en la pared refractaria de un horno de fundición.

Figuras 3 y 4: representa una imagen de los electrodos instalados en la culata de escoria de un convertidor Teniente. Figuras 5 y 6: representa una imagen de los electrodos instalados en la culata de metal blanco de un convertidor Teniente.

Figura 7: ilustra un resistor lineal de sección transversal A y longitud I conectado a una fuente de voltaje CC, para explicar la ley de ohm.

Figura 8: corresponde a un gráfico que ilustra la resistividad eléctrica en función de la temperatura para el cobre sin considerar corrección de volumen.

Figura 9: representa una gráfica que muestra el cociente de expansión de volumen en función de la temperatura para el cobre.

Figura 10: representa una gráfica que muestra la resistividad eléctrica en función de la temperatura para el cobre, considerando corrección de volumen. Figura 11 : representa una gráfica que muestra la conductividad eléctrica en función de la temperatura para el cobre sin considerar corrección de volumen. Figura 12: representa una gráfica que muestra la conductividad eléctrica en función de la temperatura para el cobre, con corrección de volumen. DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION

Con el objeto de medir la concentración de cobre de forma continua en fases líquidas a temperaturas superiores a los 1200 [°C], se considera como base teórica los antecedentes de los comportamientos de la conductividad y resistividad eléctrica de forma general y con respecto a la temperatura. Particularmente, en función de las referencias experimentales, se obtienen las diferencias de resistividades y conductividades eléctricas en función de la temperatura, con respecto a la teoría; la conductividad de un material cambia drásticamente cuando existe un cambio de fase, ya que el mecanismo de transporte de cargas y su interacción con las partículas constituyentes del material, cambia su naturaleza. En el caso de un material sólido, la teoría se refiere a “fonones", que son paquetes de energía que viajan a través de la red cristalina e interactúan con los portadores de carga, obstruyendo su camino, implicando que a nivel macroscópico cambie la conductividad; en el caso de fases líquidas, el modelo se refiera a soluciones iónicas, en donde las cargas eléctricas interactúan entre ellas por medios de fuerzas culómbicas, en donde la temperatura influye en la velocidad de las partículas presentes en la solución de manera aleatoria. Por ejemplo, la conductividad eléctrica en un material en estado sólido es del orden de 9 x 10 ⁷ [1 /ohm x m] mientras que en estado líquido es de 4 x 10 ⁷ [1/ohm x m].

Los parámetros constitutivos electromagnéticos de un medio material son su permitividad eléctrica e, permeabilidad magnética m y conductividad s. Se dice que un material es homogéneo si sus parámetros constitutivos no varían de un punto a otro y a su vez es isotrópico, si sus parámetros constitutivos son independientes de la dirección. Existe gran cantidad de materiales que exhiben propiedades isotrópicas; sin embrago no todos los sólidos cristalinos poseen esta particularidad al igual que los líquidos.

La conductividad eléctrica mide la facilidad con la que los electrones pueden viajar a través del material por la influencia de un campo eléctrico externo. Los materiales se clasifican como conductores eléctricos (metales) o dieléctricos (aislantes) de acuerdo a las magnitudes de sus conductividades.

Un conductor tiene un gran número de electrones débilmente adheridos en las capas más externas de los átomos. Sin un campo eléctrico externo, estos electrones libres se mueven en direcciones aleatorias y con rapidez variable. Su movimiento aleatorio produce una corriente promedio cero a través del conductor. Sin embargo, al aplicar un campo eléctrico externo, los electrones emigran de un átomo al siguiente a lo largo de una dirección opuesta a la del campo externo. Su movimiento, que se caracteriza por una velocidad promedio llamada velocidad de flujo de electrones, origina una corriente de conducción. En un dieléctrico, los electrones están fuertemente adheridos a los átomos lo que implica que es difícil desprenderlos bajo la aplicación de un campo eléctrico. Por consiguiente, no fluye corriente a través del material.

Un dieléctrico perfecto es un material con s casi cero, y en contraste, un conductor perfecto es un material con s muy grande. La conductividad eléctrica de la mayoría de los metales se encuentra en el rango de 10 ⁶ a 10 ⁷ [1 / ohm x m], en comparación con 10 ^-10 a 10 ^-7 de los buenos aislantes (Ver tabla 1 ).

Tabla 1. Conductividad eléctrica de algunos materiales comunes a 20 °C (y baja frecuencia) Los materiales con conductividades eléctricas comprendidas entre las de los conductores y aislantes se llaman semiconductores.

La conductividad eléctrica de un material depende de varios factores, incluidos la temperatura y la presencia de impurezas. En general en los metales, la conductividad decrece con el aumento de la temperatura y por otro lado a temperaturas muy bajas en la cercanía del cero absoluto, algunos conductores se vuelven superconductores porque sus conductividades llegar a ser muy altas. Un conductor perfecto es un medio equipotencial, lo que significa que el potencial eléctrico es el mismo en todos los puntos del conductor. Esta propiedad se deriva a que la diferencia entre dos puntos del conductor, es igual por definición, igual a la integral de línea del campo entre dos puntos; pero el campo es igual a cero en todas las partes del conductor, entonces la diferencia de voltaje es cero. Sin embargo, el hecho de que el conductor sea un medio equipotencial, no necesariamente implica que la diferencia del potencial entre el conductor y algún otro conductor sea cero. Cada conductor es un medio equipotencial, pero la presencia de diferentes distribuciones de carga sobre sus superficies puede generar una diferencia de potencial entre ellas.

Para introducir otro término importante más utilizable en las referencias, la resistividad, se utilizará la forma puntual de ley de Ohm puntual:

En la figura 7, se muestra un conductor de longitud I, resistencia R, y sección transversal A. El eje del conductor está orientado a lo largo del eje x y se extiende entre los puntos X ₁ y X ₂ , con I = X ₂ - X ₁ . Un voltaje V aplicado entre las terminales del conductor establece un campo eléctrico:

La dirección de E es el punto de potencial más alto (punto 1 de la figura 7) al punto de potencial más bajo (punto 2 figura 7).

La relación entre el voltaje y la componente del campo eléctrico en x, se obtiene como sigue a continuación:

La corriente que fluye a través de la sección A del conductor es la integral de la densidad de corriente en la superficie:

Por otro lado de la relación más conocida de la ley de Ohm y de (2) y (3) se tiene:

Donde p es otro parámetro importante, llamado resistividad eléctrica; y es la inversa de la conductividad. Este último es el más estudiado en comportamiento en función de la temperatura; de esta manera, conociendo su forma se puede indirectamente conocer a la conductividad eléctrica.

Según las teorías, la resistividad eléctrica y por lo tanto la resistencia en un conductor dependen de la temperatura; en muchos casos, se puede asumir que la resistividad depende linealmente.

En un intervalo de temperaturas no demasiado grande, la resistividad de un metal puede representarse aproximadamente por la siguiente ecuación: Donde po es la resistividad a una temperatura de referencia T ₀ (generalmente tomada como a 20ºC o temperatura ambiente) y ρt la resistividad a una temperatura T. El factor α se denomina coeficiente de temperatura de resistividad. En la tabla 2 se pueden ver valores representativos de este coeficiente.

Tabla 2. Coeficientes de temperatura de resistividad. ll También puede existir que la resistividad eléctrica varíe no linealmente con la temperatura, lo que implica que es conveniente expresar a esta propiedad en términos de serie de potencia: De todas las referencias conocidas y además considerando que el cobre es un metal, la resistividad eléctrica presenta un comportamiento lineal creciente con la temperatura; además, cuando llega a su punto de fusión, su resistividad eléctrica aumenta, en particular para el cobre aproximadamente el doble; básicamente en el fondo el volumen cambia. Por ejemplo, en la figura 8 se puede ver para el cobre su gráfica de resistividad eléctrica en función de la temperatura, sin corrección debido al cambio volumétrico, utilizando la ecuación (5) con T ₀ = 293 K y po= 1 ,72 x 10 ^-8 [ohm x m]. De termodinámica se conoce que se deriva la expansión de volumen en función del cambio de longitud, como una extensión de la expansión lineal para sólidos sometidos a temperatura (en la termodinámica clásica):

Luego se obtiene la gráfica de variación de cociente de volúmenes en función de la temperatura, como la que se ve en la figura 9. De esta gráfica, se puede observar que en el punto de fusión ≈ 1356 [K] o 1083 [°C], hay un cambio en el cociente pasando de 1 ,037 a 1,095. Como la resistividad eléctrica depende implícitamente de variables de longitud, también se ve afectada en el cambio de volumen. En la práctica significa que la corriente debe ampliarse en un mayor espacio; por lo tanto, el “cuerpo o superficie” se hace más resistivo.

Haciendo las respectivas transformaciones respectivas, se llega a la gráfica de la figura 10 que muestra la resistividad corregida en función de la temperatura con las siguientes ecuaciones que parametrizan las funciones:

P _corr (T) = -0,02861 + 9,98873x10 ^-5 T 1100K <T <1356K P _corr (T) = 0,11031 + 7,83066 10 ^-5 T 1356K< T< 1900 K

En virtud de lo anteriormente expuesto, se sabe que la resistividad eléctrica es el “inverso multiplicativo” de la conductividad eléctrica, y por lo tanto en la práctica el comportamiento de la conductividad eléctrica es:

La gráfica de esta ecuación 8 en función de la temperatura sería como la que se muestra en la figura 11 . Según lo anterior, la corrección del volumen en el paso de sólido a líquido modifica los valores de la resistividad eléctrica en función de la temperatura (ya que no modifican la forma), implica que un fluido presenta más resistencia al paso de corriente dado el aumento del volumen. Por el contrario, la conductividad eléctrica tiene un comportamiento inverso; a mayor volumen el cuerpo o baño a investigar es menos conductivo; por lo tanto, el decaimiento es mayor en función de las altas temperaturas. Como se puede ver en la gráfica de la figura 12 el valor de la conductividad eléctrica del cobre pasando del punto de fusión decrece de 9 x 10 ⁷ a 4 x 10 ⁷ [1/ohm x m] aproximadamente; lo que implica que, en la práctica, los valores, no deberían ser mayor a 9 x 10 ⁷ (valores asignables al estado sólido).

Considerando los conceptos señalados precedentemente, el sistema para medir en línea el porcentaje de cobre en un baño en fundición considera que mientras mayor concentración de cobre exista en un baño fundido (por ejemplo, metal blanco); la conductividad eléctrica de él es mayor. Esto en la práctica debería ser consecuente en que si una muestra de metal blanco con 72.8% de presencia de cobre debería presentar una conductividad más baja que la de una de 73.8. Del punto de vista de medición el sistema permite variar en frecuencias y comparar las muestras de metal blanco con distintos contenidos de cobre en estado fundido, y medir su conductividad eléctrica en modo corriente alterna y con técnicas de 4 puntas. Esta técnica permite eliminar la contribución del cableado y los potenciales de contacto. Es muy útil para medir resistencias de muy bajo valor y con especiales aplicaciones a prospecciones geofísicas. La técnica fue desarrollada originalmente por Lord Kelvin, más tarde perfeccionada por Frank Wenner, a comienzos del siglo XX, que la utilizó para medir la resistividad de muestras de tierra. En geofísica a esta técnica se la conoce método de Wenner. Para medir una resistencia de valores intermedios (decenas de [ohm] a unos pocos mOhm), lo más común es medir con 2 puntas usando un multímetro.

De esta forma, el sistema de la invención está conformado por al menos cuatro electrodos (1) alineados que se insertan a través de la pared refractaria (2) de un horno de fundición, de modo que un extremo de cada uno de los electrodos (1) quedan 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 (1) se encuentran conectados a un amplificador de señal, esto es un amplificador que recibe una señal desde un generador de señales conectado a dicho amplificador y las conduce hasta los electrodos (1). En estricto rigor, la señal amplificada corresponde a enviar una corriente de bajo voltaje, en el orden de los 6 V, pero con alta corriente, en el orden de los 30 A, de modo de interferir lo menos posible con la resisitividad que presenta el cobre en estado líquido en el baño en fundición y así poder medir los cambios que experimenta a medida que cambia su estado durante el proceso de reacción.

Específicamente, la señal amplificada corresponde a una señal aumentada en corriente para cargas con resistencias menores a 0,1 ohm, y con un ancho de banda de 3 MHz, en que dicho amplificado de potencia envía la señal de potencia a los electrodos (1) dispuestos en los extremos de la alineación, de modo que los electrodos (1) que quedan en el centro reciben la lectura de resisitividad una vez que se ha enviado la señal. Para ello dichos electrodos que quedan en el centro de la alineación, se encuentran conectados a un procesador de datos que interpreta la lectura de resitividad de dichos electrodos como porcentaje de cobre presente en el baño en fundición en el horno de fusión.

En una modalidad preferida de ejecución, los electrodos (1) son introducidos alineados a través de la pared de la culata de escorias (3) de un convertidor de fusión y en otra modalidad preferida los electrodos (1 ) son introducidos alineados a través de la pared de la culata de metal blanco (4) de un convertidor de fusión. En ambos casos, los electrodos (1) son cubiertos en la parte exterior del convertidor por un gabinete (5).

Los electrodos (1) están conformados por barras acero refractario, las cuales presentan buenas condiciones para equilibrar la resistividad. Las barras de acero refractario tienen un aumento de resistencia muy lento por envejecimiento; pueden aumentar con una razón de aproximadamente 5 - 6 % por cada 1.000 horas de funcionamiento continúo a 1400 °C y una razón de un 3 % por cada

1.000 horas de funcionamiento continúo a 1.000 °C.