Procés Manhès-David

Procés Manhès-David

Archiu:Caps block 0 caps block 1 caps block 2 caps block 3 - caps block 4 - 546757.jpg

Convertidors de la Inspiration Consolidated Copper Company en 1972. El segon convertidor és de tipo vertical, la flama verda que ix d'ell és característica de la combustió de sulfur de ferro(II) (FES)

El procés Manhès-David és un procediment d'afinado de mates de coure inventat en 1880 per l'industrial francés Pierre Manhès i el seu ingenier Paul David. Inspirat en el procés de Bessemer, consistix en l'us d'un convertidor para oxidar en aire els elements químics indesijables (essencialment ferro i sofre) continguts en la mata per a transformar-la en coure.

La cantitat d'elements a oxidar, aixina com el baix calor de la reacció, varen impondre modificacions al convertidor. Manhès i David li varen donar forma de cilindre, en toveres alineades d'un extrem a l'atre. Uns anys més tart, els nortamericans William H. Peirce i Elias A. C. Smith varen utilisar un revestiment refractario bàsic, molt més durador que l'utilisat pels inventors francesos. Si be esta millora no va modificar els principis del procés, va facilitar el seu us a gran escala, accelerant el pas de la primacia de la producció de coure del Regne Unit als Estats Units.

A l'inici de el XXI, el convertidor Peirce-Smith assegurava el refinat del 90% de les mates de coure i intervenia en el 60% del níquel extret. Este convertidor, com l'adició d'oxigen pur, l'automatisació del procés, el tractament dels fums i el tamany cada volta major de les instalacions han assegurat la durabilitat del procés Manhès-David, encara que les ferramentes modernes ya no tenen molta relació en les seues antecessores. .

Génesis del processe

Orige en el procés Bessemer

Vore també: Convertidor Bessemer

Aixina com l'arrabio produït per un alt forn és ferro aleado en atres elements químics per a formar fundició, el coure extret del mineral està en forma d'una aleació en sofre, ferro i atres elements, cridada mata. Per lo tant, aplicar els mateixos processos a estos dos metals és un pas llògic. Aixina, es va propondre traslladar l'idea del convertidor Bessemer a la metalúrgia del coure, i el principi va ser validat en 1866 (dèu anys despuix de l'invenció d'Henry Bessemer) per l'ingenier rus Semenikow. No obstant, la seua aplicació pràctica va resultar més complexa de lo previst:

De fet, les medicions mostren que l'afinado del ferro fos en el convertidor és possible perque la combustió dels elements indesijables és molt exotèrmica: l'oxidació del silici i del carbono produïx allí respectivament 32,8 i 10,3 kilojulios per quilogram. Pel contrari, si una mata de coure conté una gran cantitat de ferro i sofre, estos elements primer deuen disociarse, lo que consumix 6,8 kilojulios per quilogram de FES, ans que la seua oxidació, que produïx respectivament solament 5,9 kJ/kg, puga començar.

Primeres proves

Els primers refinats de mata de coure utilisant un convertidor es varen realisar des de 1866 fins a 1875 en Ducktown (Tennessee), a on A. Raht va conseguir solament obtindre un refinat parcial. En 1867, els russos Jossa i Latelin varen intentar validar experimentalment els estudis de Semenikow, pero en 1870 varen detindre els seus experiments despuix de solament conseguir aumentar el contingut de coure del seu mata del 31% al 72-80%.

En Anglaterra, John Hollway va profundisar estos ensajos fins a 1878. De la mateixa manera que els seus antecessors, va observar que si el bufat s'inicia de forma satisfactòria, este es torna cada volta més intermitent a mida que alvança el refinat. Els obstàculs identificats eren numerosos:

• El pes de les escorias produïdes és igual al del coure, i el seu volum molt major que el del metal en el forn. Per lo tant, era necessari drenarla en regularitat
• La densitat del metal fos canvia significativament (el coure té una densitat triple que les pirita de les que es deriva)
• La duració del bufat, que alcança les 2 hores, provoca importants pèrdues de calor
• El revestiment refractario silíceo és absorbit per la escoria de la que servix com fundente.

Totes les dificultats trobades no podien resoldre's fàcilment: el balanç de calor de la reacció de refinat del coure en aire no és tan favorable com per al ferro, i la mata es solidifica en la punta de les filtre abans de ser afinada. Inclús modificat, un convertidor Bessemer solament és capaç, en el millor dels casos, d'eliminar el ferro i part del sofre. Hollway no va tindre èxit, pero en publicar tots els detalls de les seues experiències, va identificar els principals problemes del procés.

Filtre laterals

En la década de 1870, l'industrial francés Pierre Manhès va començar les proves en un convertidor Bessemer ordinari chicotet (de 50 kg de capacitat) en la seua fàbrica de Vedène i despuix en les fàbriques d'Éguilles, prop d'Aviñón. Buscava refinar una mata a 25 a 30% de coure prèviament fos en un cresol. Pero de la mateixa manera que Hollway, no va conseguir refinar-la completament. L'oxidació d'elements indesijables es produïa com s'esperava, pero l'operació s'interromp ràpidament per l'aparició de coure metàlic. En efecte, la mata, que és un compost iònic, és inmiscible en la escoria, pero també en el metal fos. Este últim, més dens (ρ_coure ≈ 9), descendix al fondo del convertidor i obstruïx les filtre:

A l'inici de l'operació, el bany va conservar la seua fluïdea, gràcies a la lliberació de calor produïda per l'oxidació del ferro i el sofre. Pero quan es va purificar una cantitat notable de coure, este metal més dens es va acumular en el fondo, i no va tardar en solidificarse obstruint les filtre, mentres que en la superfície la reacció es va fer tumultuosa, provocant proyeccions de escoria. El metal, en conseqüència, estava obligat a afonar-se abans de la seua completa purificació, en el consegüent perill de solidificació del bany de coure.

H. Moissan et L. Ouvrard; Li Nickel/MÉTALLURGIE DU NICKEL (Li Nickel)

Pierre Manhès va patentar més alvance l'us d'aditius l'oxidació dels quals lliberaria suficient calor per a evitar qualsevol solidificació del metal. Finalment, va anar el francés Paul David, llavors ingenier de la fàbrica de Manhès, qui en 1880 va sugerir la solució. Va propondre dispondre unes filtre horisontals, colocades a una distància suficient del fondo del convertidor, per a que el coure puga quedar baix d'elles, i la corrent d'aire bufe constantment sobre la mata. En 1881, el seu convertidor era tècnicament operatiu i rendable.

Durant l'autumne de 1884, el procés va ser adoptat en Estats Units, per la Parrot Silver and Copper Company, de Butte (Montana). En 1885, A. J. Schumacher va conseguir realisar allí un refinat complet en la mateixa retorta. El seu método va ser perfeccionat més tart per C. O. Parsons i F. Klepetco en Great Falls (Montana). Finalment, Franklin Farrel, encara en Parrot Works, va sistematisar el destape de filtre gràcies al seu anellat. La forma de la retorta es va perfeccionar allí, convertint-se en l'estàndart fins a l'aparició del convertidor cilíndric.

Archiu:Caps block 30 caps block 31 caps block 32 Sectional view of the first american steel converter.jpg

Convertidor Bessemer, com s'usa en l'indústria de l'acer. Les filtre verticals es coloquen en la part inferior del convertidor

Archiu:Manhès converter patent caps block 33 .png Convertidor Manhès-David en forma de retorta, en les seues toveres horisontals

Convertidor Manhès-David en Parrot works (Butte (Montana))

La forma cilíndrica

Al voltant de 1883-1884, quan es va adoptar el procés en els Estats Units, els dos inventors francesos varen estudiar un canvi en la forma del convertidor, que es va convertir en un cilindre en un eix horisontal. L'alliniació de les toveres sobre una generatriz del cilindre fa que estiguen totes situades en la mateixa immersió. La forma també permet llimitar l'altura del bany, lo que simplifica la realisació del procés perque la pressió necessària per a bufar l'aire és menor i la capa de coure que es deposita en el fondo és més prima. Ademés, és fàcil corregir la profunditat d'immersió de les filtre girant més o menys el convertidor. També és possible abocar la mata per una obertura situada en un extrem, prop de l'eix de gir, i buidar la escoria per una atra obertura lateral, diametralment oposta a les filtre.

El convertidor cilíndric es va generalisar progressivament, encara que sense eliminar ràpidament els convertidors verticals en forma de retorta. Abdós tipos de convertidors varen ser cada volta més grans, passant d'una capacitat de 1 tm a 8 tm en 1912, i inclús alcançant les 15 tm els convertidors cilíndrics en 1920.

Convertidor cilíndric, palés de Pierre Manhès

Convertidor Manhès-David denominat "en barrica", reconeixible pels seus dos fondos abovedados, en una capacitat de 7 tonellades

Convertidor de tipo Great Falls en 1920. Esta solució intermija entre la retorta i les formes cilíndriques es va explotar fins a principis de la década de 1980

Convertidor millorat de Peirce i Smith

Vore també: Convertidor Peirce-Smith

Convertidor Manhès-David: la mampostería és rugosa i s'maximizar la cantitat de refractario

Molinet de sílice de la Anaconda Copper en 1897, preparant un refractario àcit en 28% de sílice i 72% d'argila

Com la escoria s'enriquix en òxit de ferro durant el bufat, es convertix en bàsica i es combina en el revestiment refractario silíceo, que és molt àcit. Un revestiment bàsic no seria atacat i per lo tant reduiria el cost de producció. Hollway va sugerir l'adopció d'un recobriment inspirat en el desenrollat per Sidney Thomas i Percy Gilchrist en 1877 durant les seues últimes proves a principis de 1800. Pero l'idea no estava provada, sent llavors més prioritaris els problemes fonamentals relacionats en el bufat que l'optimisació del refractario.

En 1890, es va provar un revestiment refractario bàsic en un dels convertidors Manhès-David de Parrot Smelter, en Butte, baix la direcció de Herman A. Keller. Les proves no varen conduir a l'obtenció d'un recobriment compatible en el rendiment industrial exigible al procés. Llavors, despuix de molts ensajos, Ralph Baggaley que encara estava en Montana, va conseguir industrialisar en 1906 un convertidor en revestiment bàsic en Pittsmont Smelter... que es va abandonar en 1908 quan es va tancar la fàbrica. No obstant, el noruec Knudsen va conseguir en 1903 utilisar un revestiment bàsic mentres treballava per a la companyia de les Mines de Sulitjelma: realisava dos bufats successius, primer en un chicotet convertidor en revestiment bàsic, i després en un segon convertidor clàssic, en revestiment àcit.

Finalment, en 1909, en la Baltimore Copper Company's Smelter, els nortamericans William H. Peirce i Elias A. C. Smith varen conseguir fer front als principals inconvenients dels refractarios bàsics, que són més fràgils i, sobretot, s'expandixen i dissipen més calor que els refractarios àcits. Per a això, varen desenrollar una mampostería adaptada al convertidor cilíndric i aumentant la cantitat de metal carregat, varen resoldre els últims problemes del procés.

El convertidor Peirce-Smith va resultar molt més ventajós que el de Manhès i David. El refractario bàsic, que no reacciona en la escoria, dura molt més. Esta millora reduïx el manteniment del refractario dels convertidors, reduïx la construcció d'instalacions per a produir rajoles refractarios i la necessitat d'acumular material de recanvi (dos equips de producció de rajoles per cada convertidor en servici en 1897 en Anaconda Copper), i llimita els riscs de trencament per un mal control del desgast del refractario. La capa refractaria pugues llavors ser més prima, lo que aumenta la capacitat del convertidor, el funcionament del qual ya no depén del desgast del refractario, lo que a la seua volta simplifica la gestió dels fluix de metal fos en la planta.

Si el material utilisat per a preparar el refractario àcit conté coure, o inclús or o argent (freqüentment associats en el coure en el cuarzo aurífero) estos metals s'unixen a la mata a mida que s'elimina el recobriment. En vista de la seua ràpida destrucció, la ventaja econòmica d'un refractario àcit solament és concebible si el seu consum aporta valor al procés. No obstant, esta situació és prou rara i, inclús en este context, una sílice rica en metals preciosos pot rentabilisar-se per atres mijos. Aixina, en 1921, el refractario bàsic es considerava com el principal element de reducció de costs en la pirometalurgia de minerals del coure.

En alguns casos, el cost de conversió va descendir de 15−20 dólars a 4−5 dólars.

Palés de Peirce i Smith, en chales de dilatació i obertura lateral per a un cremador de recalfada

El procés

Mata

Vore també: Mata (metalúrgia)

El procés solament justifica el seu interés econòmic en calitats precises de mata, a voltes cridada “mata de bronze". En efecte, si l'oxidació dels elements indesijables (essencialment el ferro) és exotèrmica, és necessari aportar una proporció de sílice per a llimitar la viscosidad de la escoria. No obstant, la sílice es carrega en fret i la escoria no té valor, contenint ademés estes escorias sempre una miqueta (0,5% al principi de el XXI) de coure.

Per a un revestiment àcit, la mata conté comunament del 40 al 50 % de coure (o del 32 al 22 % de ferro respectivament), encara que és possible, en certs casos, baixar al 32 % de coure sense deixar de ser rendable. Pero en este supòsit, el contingut de ferro no deu ser massa alt, per a evitar un consum massa ràpit del refractario.

Si al principi de el XX en els Estats Units es dia que una mata és pobre quan conté del 45 al 50 % de coure, en Europa les mates que contenen del 15 al 35% de coure es refinen de manera rendable en convertidor, encara que açò complique les operacions. El bufat és llavors molt més llarc i l'operació té lloc en vàries etapes. Un revestiment àcit, en estes condicions solament dura de 7 a 10 processos de bufat. Un recobriment bàsic resulta molt més adequat: al no ser atacat per la escoria, pugues afinar mates molt pobres i es pot optimisar el bufat per a reduir el contingut en coure de la escoria. Des del final de el XX, la conversió d'una mata de 50 a 60% de coure en un convertidor Peirce-Smith bàsic ha segut alguna cosa comú.

També és possible refinar coure negre, que conté més del 70% de coure, ferro i una miqueta de sofre. Este material prové del reciclage de residus de coure o del processament directe del mineral. Tal compost metàlic es pot usar pur o mesclat en la mata en vàries etapes del bufat.

El convertidor

Els convertidors per a processar mates de coure presenten algunes diferències depenent de si el revestiment refractario és àcit (sílice unida en argila) o bàsic (basat en magnesita).

Al començ de el XX, un convertidor en una capacitat de 7 tm requeria 16 tm de refractario àcit, que durava de 6 a 9 processos de bufat. El disseny del convertidor tenia en conte les freqüents intervencions de manteniment: es podia obrir en dos mitats (part inferior i part superior) per a que la reparació de la capa de refractario desgastat, en arena compactar, durara solament una hora i mija.

Al mateix temps, el revestiment bàsic, molt més eficient, va permetre produir convertidors d'unes quaranta tonellades de capacitat, el revestiment de la qual de rajoles magnésicos soportava fins a 75 cicles. Este refractario, que no reacciona en la escoria, no genera un fundente àcit: si no es combina en la sílice, la escoria es convertix en una massa infusible d'òxits de ferro, Manhès Baggaley i uns atres, que havien intentat introduir arena per les filtre, havien fracassat perque no tenia temps de reaccionar en la escoria. Esta dificultat es va salvar colocant en el convertidor unes poques tonellades d'arena abans d'introduir la mata fosa.

Rendiment de diferents tipos de convertidors

	Àcit (inici de el XX)	Bàsic (inici de el XX)	Bàsic (inici de el XXI)
Capacitat (tm de mata)	7 (mija)	35 a 45	220
Número de toveres	14	27	60
Gruixa del refractario (cm)	55 a 70	25	50
Duració del refractario (tonellades de mata)	42 a 63	2000 a 3000	60 000 a 90 000 (solament filtre)

Inadequat per a la producció en massa, el recobriment àcit va desaparéixer gradualment al començ de el XX. En 1912, en els Estats Units, el 80% de la refinación del coure es realisava en convertidors revestits en refractario bàsic, molts dels quals estaven dissenyats per a refractario àcit. En 1925 va desaparéixer el revestiment àcit: cada lliura de coure refinat en el món es refina en un convertidor revestit en material refractario bàsic.

Al començ de XXI, una fàbrica moderna té de 2 a 5 convertidors, en una capacitat unitària de 100 a 250 tm, cada u dels quals transforma 600 a 1000 tm de mata en 500 a 900 tm de coure per dia. La vida útil d'un convertidor Peirce-Smith modern està entre 50 000 i 90 000 tm (és dir, en 1984, entre 100 i 200 dies). La substitució del refractario dura una semana. Els refractarios més eficients són les rajoles de magnesia tractats en cromo. En 2010, en 250 convertidors operatius en tot lo món, els convertidors cilíndrics de Peirce-Smith varen proporcionar el 90 % del refinat de mates de coure.

Seqüència de treball

El principi fonamental del convertidor Manhès-David es basa en el de Bessemer. Consistix en desfer-se de tots els elements indesijables més oxidables que el coure. El bufat oxida successivament el ferro i el sofre, i deu detindre's quan s'hagen oxidat tots els elements indesijables.

Les reaccions d'oxidació deuen ser lo suficientment exotèrmiques per a que la temperatura permaneixca més alta que la del metal fos. Pero també és necessari que la escoria siga suficientment decorreguda. Per a això, deu combinar-se en un fundente, la sílice. Este material ho proporciona o be el revestiment refractario del convertidor (refractario àcit), o be una càrrega prèvia d'arena el pes de la qual alcança aproximadament el 10% del pes de la mata (quan s'utilisa un refractario bàsic).

Evolució de la composició química i flames durant el bufat

La mata a afinar s'aboca entre 900 °C i 1200 °C. Després seguix una breu etapa, caracterisada per una flama roja en una espessa columna de fum blanc, a on es oxidan els constituents secundaris (carbono, arsènic i atres elements en menor proporció).

Quan la flama es torna vert, l'oxidació afecta solament al sulfur de ferro (FES), que continua fins que s'agota el ferro. Mentres que el ferro es oxida a òxit de ferro(II) (LLEIG) i pansa a la escoria, el sofre es oxida a diòxit de sofre (SO
2), que ix del reactor en forma gaseosa:

FES + 3 O → LLEIG + SO
2

L'oxidació del ferro genera la major part de la calor i la escoria produïts durant el refinat. Durant tot este temps, la temperatura deu permanéixer per damunt de 1208 °C per a que la sílice puga combinar-se en el LLEIG:

2 LLEIG + SiO
2→ Fe
2SiO
4 si T > 1208 °C

Quan tot el ferro s'ha oxidado, la flama es torna blanca en una tenyida blava: correspon a l'oxidació del coure en presència de escoria. De fet, a alta temperatura, l'oxidació produïx essencialment silicat de coure (Cu
4SiO
4) en lloc de reaccionar en el sofre. Per lo tant, es buida la escoria i s'afig una càrrega de residus de coure a reciclar per a gelar la càrrega. En este punt, el metal ha alcançat un contingut de coure d'al voltant del 80%. Ya no conté ferro, pero seguix sent ric en sofre i en elements difícils de oxidar: esta aleació intermija es denomina "metal blanc" o "mata blanca".

Després es recomença el bufat per a oxidar el restant del sofre:

Cu
2S + 3 O → Cu
2O + SO
2

Cu
2S + 2 Cu
2O → 6 Cu + SO
2

Durant esta última fase, la flama es torna més menuda, més clara i menys lluminosa, en una tenyida rojosa. Com el final del bufat no produïx una modificació de la flama, es controla per mig de mostreig. No obstant, l'oxidació del coure al final del bufat és significativa: mentres que la escoria escurrida al final del primer bufat solament conté un 2% de coure, la escoria final pot contindre més del 20%. Inclús si després es reciclen ventajosamente per a refinar-se de nou, és millor llimitar la seua cantitat multiplicant, si és necessari, els buidats o buscant una cantitat màxima de coure al final del bufat per mig de recarregues periòdiques de mata.

En el bufat, el convertidor s'inclina cada volta més per a alluntar del fondo les filtre, que tenen tendència a obstruir-se igualment, per lo que és necessari desatascarlas regularment utilisant una barra d'acer. El bufat és per tant una operació exigent i, si s'està treballant en un refractario àcit, a la del metal fos se sumixca la gestió del recobriment:

Potser cap operació metalúrgica requerixca personal més experimentat i una supervisió més cuidadosa i completa que el procés de conversió.

El metal del convertidor conté més del 99% de coure. Es denomina "blister" (que en anglés significa "ampolla"), per les bombetes de SO
2 dissolt que es formen en ell quan es solidifica.Plantilla:,

Evolucions

Bufat d'aire enriquit en oxigen

En 1895, Carl von Linde va conseguir la liqüefacció de l'aire. Independentment d'este plantejament, Georges Claude va posar en servici en 1905 un procés industrial per a la liqüefacció de l'aire. Els seus paléss permeten la producció industrial, i sobretot econòmica, de grans cantitats d'oxigen i de nitrogen líquit. Varen nàixer ràpidament empreses dedicades a esta activitat (Claude va fundar Air Liquide, mentres que von Linde va crear The Linde Group i Praxair). En la década de 1920, les siderúrgicas varen experimentar en l'enriquiment d'oxigen de l'aire insuflado en els convertidors. Despuix de la Segona Guerra Mundial, el método es va generalisar, fins al desenroll del convertidor en oxigen, que ràpidament va suplantar al convertidor Thomas i al forn Martin-Siemens.

L'enriquiment en oxigen en un convertidor Pierce-Smith es va intentar més tart, per primera volta en 1966 en la Fundició Saganoseki, en Japó. L'adició d'oxigen facilita el bucle energètic del bufat i flexibilisa el procés. La pràctica es va estendre a principis de la década de 1970. No obstant, a diferència de l'indústria de l'acer, no es va desenrollar cap convertidor d'oxigen pur, de manera que el contingut d'oxigen pot alcançar excepcionalment el 60 %. De fet, nivells molt alts d'enriquiment generalment són contraproduents: més allà del 25%, la vida útil dels refractarios pot disminuir. En este cas, una injecció perifèrica de nitrogen a les filtre permet prolongar la seua vida útil. De fet, un alt enriquiment solament es justifica al començ del bufat, quan l'us d'oxigen és màxim (les filtre llavors estan colocades profundament i l'abundància d'elements oxidables protegix el coure). En 2010, el contingut de O
2 alcançava el 30 % i la mitat dels convertidors varen funcionar a més del 29 % de O
2.

L'injecció d'oxigen accelera significativament les reaccions químiques. Al començ del bufat, l'us d'aire enriquit en un 25-30 % de O
2 aforra temps entre un 15 i un 30 %. Cap a la mitat de la colada, l'enriquiment es deté gradualment. En l'operació, la calor es dissipa menys i és possible fondre coure afegit (escorias de forns anódicos, escorias de conversió, rebujos de coure i atres residus). Segons la seua calitat, s'incorporen al procés de 3 a 8 tm de adició en fredor per cada tonellada d'oxigen afegit. Per a evitar el sobrecalentamiento en la punta de les filtre, també s'injecten minerals de coure concentrats en forma de pols a través de les pròpies filtre. En 2010, del 10 al 15 % del metal provenia de adició en fret.

Finalment, l'enriquiment de l'aire dona com resultat fums menys abundants i més rics en SO
2, lo que facilita el seu tractament. En un 25,1 % d'oxigen, el contingut de SO
2 dels fums d'un convertidor en captura de fum de tipo Hoboken pansa del 8 al 10 %.

Extensió a la pirometalurgia del níquel

Vore també: Extracció de níquel

Les pirita de coure a sovint contenen níquel. Els processos d'extracció són similars als del coure, i permeten obtindre una mata que conté aproximadament un 20% de coure i un 25% de níquel. En conseqüència,

El Sr. Manhès immediatament va buscar aplicar el seu procés al tractament de sulfur i minerals d'arsènic de níquel, i va conseguir obtindre bons resultats, per mig d'algunes modificacions.

Alliniació de 10 convertidors Manhès-David de la Canadian Copper Company, en Gran Sudbury, en 1913. Estos convertidors refinaven una mata del 36% de Ni+Cu, transformant-la en una mata del 80 % de Ni+Cu

De fet, al començ del bufat, una mata que conté níquel es oxida com una mata de coure. Pero quan queda menys d'1 a 0.5% de ferro en la mata, el níquel comença a oxidarse vigorosament, tan ràpit com el sofre Ademés, en ser l'oxidació del níquel poc exotèrmica, no és possible terminar el bufat. Per lo tant, s'interromp en l'etapa de mata blanca, que casi ya no conté ferro, pero seguix sent rica en sofre. Si el refinat d'una mata de níquel no pot ser tan complet com el d'una mata de coure, el convertidor seguix sent rellevant: en 1896, Henri Moissan senyalava que permet "en una sola operació, passar d'una mata crua en un 16% de níquel a una mata rica en un 70%, i açò en poques hores, evitant toda una serie de torrats seguits de fusions, tan llargues i tan cares". La mata és fàcil de processar i la escoria, que acaba contenint un 5% de níquel, són ventajosamente reciclats.

Al començ de el XXI, l'eficiència del convertidor Peirce-Smith ho va fer universalment adoptat en la refinación de mata de minerals de níquel sulfuroso (pentlandita). El contingut de níquel de la mata crua varia segons el procés: al voltant del 30 % para les mates de forn elèctric, i un 40 % per a les produïdes per fusió flash. El convertidor s'inclina, o s'injecta nitrogen, tan pronte com el ferro es oxida lo suficient. Generalment, la mata refinada conté d'un 40 a un 70 % de níquel i un 20 % de sofre. El contingut final de ferro depén dels processos posteriors: d'1 a 4 % si es tracta en lixiviación, 0,5 % si es tracta en solidificació llenta o electrólisis. La escoria procedent del convertidor és enviada casi sistemàticament a un forn elèctric que la manté fosa, per a decantar totes les gotes de metal fos que conté degut a que la considerable agitació del bany en el convertidor no permet una perfecta separació entre escoria i mata. La escoria solament es recicla si conté més del 0,6 % de níquel.

La temperatura de treball, 1400 °C, és superior a la del coure. El níquel es combina en la sílice per a formar una escoria molt pastosa, que obstruïx les filtre. Per lo tant, mai es deu interrompre la seua neteja, puix de lo contrari, tot es bloqueja en menys d'un minut. En 2011 es va generalisar l'injecció d'oxigen per les mateixes raons que en la producció de coure.

En 2011, el procés Manhès-David, en participar en el tractament de minerals sulfurosos de níquel, va participar en el 60% de l'extracció de níquel. Alguns processos inclús consistixen en agregar sofre al ferroníquel cru de les lateritas, per a fer una mata compatible en el procés Manhès-David. Pero, respecte al coure, el convertidor es veu penalisat per les seues emissions de fums contaminants. Per lo tant, s'han desenrollat processos alternatius de refinat de níquel. Per eixemple, una fusió instantànea suficientment oxidativa pot produir directament una mata blanca. El refinat continu també és menys contaminant que el realisat en un convertidor.

Condicionants generals

Impacte ambiental

Mapa de Washoe Smelter, Anaconda Copper en 1916. Els tallers estan organisats en funció del fluix de fums (en vert), que convergixen en el fumeral

En 1919, la Fumeral de la Fundició Anaconda (de 178,3 m), va superar al fumeral de l'ASARCO (de 174 m), una atra fundició de coure, com l'edifici de mampostería més alt del món. Els fums passen prèviament a través de filtres electrostàtics

Archiu:Inco Superstack. caps block 88

l'Inco Superstack (de 380 m), construïda en 1974, és, en 2015, el segon fumeral més alta del món. Pels alvanços en el tractament dels fums, es preveu la seua substitució per un fumeral de menor altura

Inclús abans de l'invenció del procés Manhès-David, les poblacions propenques a les instalacions dedicades a l'obtenció de coure sofrien les conseqüències de la pluja àcida provocada pel tractament de minerals de coure rics en sofre: els industrials nortamericans varen descriure llavors com smoke farming ("agricultura del fum"), l'activitat dels agricultors per a demandar-los. El tractament dels gasos de combustió a penes es va practicar: "En lloc de sofrir tal restricció, als fundidores els va resultar més econòmic comprar les granges veïnes, o cultivar-les ells mateixos, o llogar-les protegint-se en una «clàusula de fum».

Al començ de el XX, l'aparició de grans complexos metalúrgics va fer necessari i econòmicament possible el tractament dels gasos de combustió. El procés Manhès-David és tan contaminant com els processos de torrat i fusió del mineral de coure, que generen els mateixos fums sulfurosos carregats d'òxits i sulfat de zinc, plom o arsènic. Tots els fums abans de ser llançats a l'atmòsfera s'arrepleguen i es fan circular per conductes, a voltes de varis quilómetros de llarc, en els que es depositen les partícules. Els fumerals de les fàbriques a voltes alcancen altures récort. Quan estos processos encara resulten insuficients, s'instalen filtres de mànegues i electrofiltros a escala industrial.

Les restriccions ambientals es varen ser endurint a lo llarc de el XX. En conseqüència, les indústries varen deure realisar inversions significatives tant per a complir en els estàndarts com per a seguir sent competitives. En els Estats Units, entre 1975 i 1987, la capacitat de fundició es va reduir en un 36%. En Europa, en 2001, es reprocesó el 99% del sofre. L'obtenció de tal resultat representa una quarta part dels costs de transformació del mineral en coure. Entre les ferramentes utilisades, "el convertidor seguix sent el principal problema ambiental en les fundició de coure". De fet, és difícil de sagellar i el seu funcionament intermitent pertorba les instalacions de tractament de gasos de combustió.

El tractament dels fums del convertidor generalment consistix en l'eliminació de la pols que conté i després en la transformació del diòxit de sofre en àcit sulfúric. Els passos de processament llavors consistixen successivament en:

• Eliminació de la pols, utilisant electrofiltros
• Refredat, per mig de recuperació de calor en una caldera de recuperació

• Un llavat per aspersión en una boira terrera d'aigua, que absorbix tant la pols fina com els gasos solubles (fluorurs, clorurs i atres composts)
• Una recalfada que precedix a una oxidació catalítica de SO
  2 en SO
  3
• La producció d'àcit sulfúric H
  2SO
  4, per hidratació de SO
  3

Una planta produïx, depenent del contingut de sofre de la mata, de 2,5 a 4 tm d'àcit sulfúric per tonellada de coure produïda. Per a un tractament econòmic, el fum capturat deu ser lo més ric possible en SO
2. En general, el procés es maneja per a que la concentració de SO
2 en el fum enviat a l'unitat de producció d'àcit mai siga inferior al 3 % (la concentració de SO
2 està entre el 8 i el 12% dins d'un convertidor Peirce-Smith modern). L'extracció de fums és un punt delicat: massa potent, diluïx el fum i ho gela, lo que genera condensados corroents que poden danyar les instalacions de tractament.

La restricció ambiental va motivar moltes millores del convertidor. Per eixemple, el convertidor Hoboken, desenrollat en la década de 1930, dispon d'un sistema de succió fix, i per lo tant està sagellat. El contingut de SO
2 dels fums supera llavors el 12 %. En la captura de fum, realisar el procés observant les flames es convertix en una pràctica completament obsoleta: la composició química del fum és analisada contínuament per sensors. Més allà d'estes millores, alguns processos alternatius combinen fusió i refinat en un mateix reactor, la qual cosa està directament inspirat en el convertidor, com en els processos Noranda i Mitsubishi, desenrollats a partir de la década de 1980. L'objectiu és tindre un procés continu i evitar que la mata fosa es dega traslladar fòra del reactor. Pero la tongada és llenta per l'excelent eficiència química i de procés del convertidor Peirce-Smith.

Archiu:Copper mining and sulfuric acid plant1a34317v.jpg Unitat de producció d'àcit sulfúric al peu del fumeral de la fundició de Copperhill, Estats Units (1939)

Archiu:Copper mining section between Ducktown and Copperhill1a34325v.jpg Paisage entre Ducktown (Tennessee) i Copperhill en 1939: els vapors àcits han matat tota la vegetació, causant una severa erosió del sol

Archiu:Timna sulphur process.jpg Unitat de desulfuración de la fundició de Timna, Israel (década de 1960). Es distinguixen dos grups de sofre

Archiu:Hoboken Converter.svg El convertidor Hoboken, un convertidor Peirce-Smith dissenyat per a millorar la captura de fums

Context tecnoeconómico

Vore també: Història de la producció de coure

Archiu:Copper production evolution caps block 110 caps block 111 .svg

Pas del liderage de la producció de coure de Gran Bretanya a Estats Units. L'agotament dels jaciments va obligar als britànics a treballar en minerals importats, fins que els nortamericans varen ocupar el seu lloc en minerals locals i métodos moderns

Al final de el XVI, Gran Bretanya produïa el 75% del coure del món, procedent principalment de les mines de Cornualles. Al voltant de 1870, segons Paul Louis Weiss, encara produïa més de la mitat, en minerals importats de todas partes del món, principalment de Chile, Espanya i Alemània. De fet, els processos desenrollats, com el forn de reverbero o la flotació per bromera, es mantenien en secret i permetien consolidar el monopoli britànic. Pero a partir d'eixa data, la ràpida expansió de la mineria del coure en Amèrica del Nort va privar als metalúrgics britànics del seu preponderancia. En 1873, els nortamericans es varen convertir en els primers productors de coure del món. En 1881, l'arribada del ferrocarril a l'enorme jaciment de Butte va otorgar a les empreses nortamericanes el domini mundial en la producció de coure.

El procés Manhès-David no formava part de les millores britàniques en torrat i fundició. Ademés, es va completar en una série d'innovacions que no es varen implantar en Gran Bretanya, com el torrat en forns giratoris o l'electrólisis, accelerant l'auge de la producció en el Nou Món:

Hauria segut impossible satisfer l'enorme demanda actual de metal en métodos antics i forns tradicionals. L'estímul més fort per a l'adopció d'estos processos nous o modificats ha segut el desplaçament dels principals centres de producció, des dels més antics i conservadors cap als nous centres emergents en Occident, a on [alimentats] per un fluix cada volta major (i casi illimitat) de l'oferta de mineral disponible, i lliberats de la necessitat de tindre en conte les inversions ya realisades en antigues fàbriques, els hòmens […] varen saber desenrollar les seues idees en originalitat i energia.

Donald M. Levy; (Modern copper smelting)

Este canvi en els volums de producció va ser acompanyat d'un canvi similar en els preus, que va contribuir a acabar definitivament en els antics processos. De fet, el XIX va estar marcat per una rebaixa contínua del preu del coure: 160 £ per tonellada durant la primera década, després 130 £, 101 £, 94 £ i 88 £ durant el periodo 1841-1850. Encara que els secrets del método galés acabaven de ser exposts per la química moderna, els fundidores galeses li les varen arreglar per a dur-se be i mantindre els preus en este nivell fins a principis de la década de 1870. De 1885 a 1887, el preu del coure va alcançar un mínim històric, per baix de 50 £ per tonellada, a pesar de la forta demanda impulsada pels alvanços en l'electricitat i la telefonia. El progrés tècnic generalisat en els Estats Units (sector d'alts forns - convertidors - refinat per electrólisis) va permetre als nous miners nortamericans, canadencs i australians mantindre els seus guanys, inclús a estos preus.

La primacia nortamericana també es va desenrollar en detriment de Chile, que no obstant disponia d'uns depòsits de mineral de coure formidables. De fet, la producció de coure va caure a la mitat durant la guerra del Pacífic, abans de detindre's casi per complet durant la guerra civil chilena de 1891, quan les mineres chilenes no varen poder continuar en les seues inversions. En Europa, la creativitat dels industrials, inclós Pierre Manhès, no va poder compensar l'escassea del mineral. Finalment, despuix de la fallida generada per l'intent d'acaparamiento del coure de 1887, els industrials nortamericans montaran varis cartells que, en generar una série de moviments especulatius, desconectaran els preus del coure dels costs de producció.Plantilla:,

Generalisació i modernisació del convertidor Peirce-Smith

Archiu:Evolution minerai cuivre.svg

Evolució de les proporcions de coure dels minerals explotats

La denominació Manhès-David va desaparéixer a mitan de la década de 1920, al mateix temps que el convertidor de procés àcit. No obstant, el convertidor Peirce-Smith que ho va reemplaçar no presentava cap diferència notable en el procés, pero va representar tal progrés per als treballadors de les fundició nortamericanes compromeses en el creiximent de la capacitat, que es va perdre la referència a Manhès i David. Ademés, encara que es reconeixia de bona gana la paternitat de l'invent als dos francesos, no es va mostrar interés en les posteriors millores propostes per David, com el selector. L'adopció de la denominació Peirce-Smith ilustra el desenroll d'un sector típicament nortamericà, basat en nous processos i adaptat a la producció en massa a partir de minerals més pobres.

Pero, a diferència de la siderúrgia, que va abandonar els processos Bessemer i Thomas durant la segona mitat de el XX, el convertidor Peirce-Smith no va ser reemplaçat per un procés més eficient: en 2010, encara representava el 90% de la refinación de les mates de coure. De fet, l'indústria siderúrgica va tindre accés a jaciments cada volta més rics durant el XX, en continguts de ferro superiors al 50 %. Pel contrari, la metalúrgia del coure va començar a explotar jaciments cada volta més pobres, de manera que el contingut promig de coure del mineral va caure del 3 % al començ de el XX, al 0,6 % al començ de el XXI. En estos minerals, la pirometalurgia ara representa solament el 10 % de l'energia necessària per a tota l'extracció de coure. En conseqüència, l'esforç d'investigació es va centrar en les etapes anteriors del pretratamiento del mineral.

No obstant, el convertidor Peirce-Smith ha evolucionat. En la segona mitat de el XX es varen realisar investigacions per a recolzar a l'operador en la realisació del bufat. Des de llavors, ya no es tracta de confiar únicament en el color de la flama per a determinar el progrés del bufat. La composició del fum s'analisa constantment, la temperatura es controla per mig d'un pirómetro òptic, instalat en una filtre. Ademés, sistemes automàtics desatascan les toveres.

Encara que els convertidors ara són dispositius jagantescs, que a sovint refinen més 200 tm de mata en cada cicle, la modernisació dels seus sistemes de control els ha fet molt més flexibles. Per eixemple, la sílice incrustada es pot reemplaçar per mineral de coure concentrat, en cantitats que varien des d'unes poques decenes fins a varis centenars de quilograms per tonellada de mata. En modular en precisió el contingut d'oxigen de l'aire i en controlar la relació LLEIG/SiO
2 de la escoria, és possible millorar encara més el rendiment de l'operació i llimitar els costs de tractament de fums i escoria. Aixina, al començ de el XXI, com a molts processos pirometalúrgicos, els convertidors Peirce-Smith evolucionen essencialment per a perfeccionar el procés inventat per Pierre Manhès i Paul David.