mini|300px|upright=1|idioma=es|Esquema de un horno flash de Outokumpu
La fusión flash es un proceso de extracción pirometalúrgica de metales no ferrosos, que consiste en oxidar y fundir simultáneamente los metales contenidos en una mena sulfurosa, como la calcopirita. El proceso fue inventado por la empresa finlandesa Outokumpu, siendo utilizado desde 1949 para la metalurgia del cobre. Desde entonces, se ha adaptado a la extracción de níquel y plomo. Al comienzo de , la fundición flash participa en el 50 % de la producción mundial de cobre, el 30 % de la producción de níquelPdf y el 10 % de la producción de plomo.
Historia Fin del : primeros intentos mini|upright=1.2|Horno convertidor propuesto por John Hollway en 1879 para fundir piritas en mata de cobre. El convertidor utilizado es del tipo vertical, un modelo primitivo inventado por Bessemer y abandonado en favor de la forma en retorta
La idea de oxidar el azufre contenido en los minerales de cobre sulfurosos es antigua. En la década de 1870, el metalúrgico inglés John M. Hollway experimentó con la fusión y el afinado del cobre mediante un convertidor inspirado en el convertidor Bessemer. Propuso el sulfuro de hierro como combustible, generando su oxidación para formar y una escoria de FeO. Sin embargo, la oxidación no es completa: Hollway se preocupó de tener siempre un exceso de azufre en el baño de material fundido para evitar la oxidación del cobre, pero también del níquel y de los metales preciosos que generalmente acompañan al cobre en pequeñas proporciones, como la plata o el oro.
Por lo tanto, Hollway estaba considerando la producción de una mata blanca, es decir, una mezcla de cobre y azufre, pero no planeó llevar la refinación más allá para eliminar todo el azufre. Comenzó una serie de extensos experimentos a mediados de la década de 1870 en Penistone, en Inglaterra, convirtiéndose en el pionero de los intentos de fundir y refinar piritas cupríferas en un solo paso. A pesar de su perseverancia, Hollway no logró desarrollar un proceso utilizable industrialmente:
Sin embargo, sin ocultar nada de sus fracasos y publicando patentes sin futuro, Hollway hizo públicos en detalle sus pruebas y sus resultados. Por lo tanto, cuando Pierre Manhès y Paul David desarrollaron el proceso Manhès-David, su invento se benefició inmediatamente de la experiencia adquirida en las pruebas de Hollway. Pero su proceso se limitaba al refinado mediante el insuflado de aire en una mata previamente fundida.
Primera mitad de : procesos específicos
En 1898, el metalúrgico estadounidense Edward Dyer Peters calculó que el 60 % del costo de producción del cobre correspondía al consumo de combustible. A ningún metalúrgico se le escapaba que este combustible se utilizaba para eliminar el hierro y el azufre combinados con el cobre. Sin embargo, estos elementos en sí mismos podrían ser combustibles útiles. En particular, el tostado de minerales es una operación de desulfuración que requiere un uso intensivo de combustible.
El uso de un alto horno para la fusión de pirita de cobre se probó ya en 1878. El coque iniciaba la combustión del azufre contenido en el mineral. Gracias a la excelente eficiencia del alto horno, era posible obtener una reducción del 40 % en los costos de combustible. Además, se evitaban las etapas de trituración y de tostación del mineral, que representaban entonces entre el 17 % y el 50 % del costo de transformación del mineral en cobre. Pero la fundición en altos hornos también tiene sus inconvenientes, porque es efectivo solo con minerales suficientemente ricos y de naturaleza rocosa; y los yacimientos metalíferos de este tipo ya estaban casi todos agotados en la década de 1930. Estos hornos también eran difíciles de operar y producían una mata de baja calidad.
El uso de un horno de reverbero también permite la fusión y el refinado simultáneos de piritas, y en 1878 el metalúrgico estadounidense Henry L. Bridgman patentó su principio de funcionamiento, que consistía en oxidar el mineral sulfuroso una vez pulverizado finamente. Si bien los procesos de enriquecimiento que se comenzaron a desarrollar (como la flotación por espuma), facilitaban la producción de dicho mineral, la idea no se materializó. Además, la baja eficiencia de los hornos de reverbero hizo que todo el proceso solo permitiera una reducción del 5 % del combustible necesario. En 1915, investigadores de la compañía Anaconda Copper patentaron el uso de un regenerador Siemens para mejorar su eficiencia térmica. Pero no hay constancia de que su invento, al igual que el similar patentado en 1932 por Horace Freeman, llegara a ser materializado.
Basándose en estas patentes, algunos investigadores que daban por sentada la teoría de la oxidación de la pirita, comenzaron a trabajar en su puesta en práctica a escala industrial. En la década de 1930, Frederick Laist y J. P. Cooper, todavía de Anaconda Copper, demostraron que recuperar el calor liberado por la oxidación de piritas durante su tostado sobre solera giratoria podía ahorrar hasta un 60 % del combustible necesario para la operación. En 1935 se evaluó un horno similar en la Unión Soviética, que se abandonaría poco después debido al mal resultado de los refractarios y a la obstrucción del horno causada por partículas fundidas. En 1937, la Société française des mines de Bor probó un horno vertical, pero abandonó sus pruebas debido a dificultades técnicas, y especialmente por el inicio de la Segunda Guerra Mundial.
Finalmente, en 1936, Telfer E. Norman, un metalúrgico que trabajaba en nombre de la compañía Inco, publicó una revisión exhaustiva sobre el tema de la fusión de pirita sin combustible. Demostró que el calor desprendido por la oxidación de las piritas no es suficiente para la fusión: el calentamiento del nitrógeno del aire utilizado para oxidar las piritas consumía demasiado calor. Sin embargo, en una atmósfera que contuviese más del 40% de oxígeno, la fusión de un mineral sulfuroso muy concentrado se volvía teóricamente posible. Dado que, en ese momento, las técnicas criogénicas para producir oxígeno puro se volvieron bastante viables para aplicaciones industriales, no existía ningún impedimento teórico o tecnológico para el desarrollo de un proceso de fusión autógena para las piritas:
Sin embargo, la llegada de la Segunda Guerra Mundial supuso que se suspendieran todas las investigaciones.
Década de 1950: desarrollo del proceso Outokumpu
En 1936, la pequeña empresa finlandesa Outokumpu, fundada en 1914 cerca de la localidad epónima para explotar un depósito de cobre local, encargó una horno de arco eléctrico para la fundición del mineral en mata. Este horno era entonces el más grande del mundo para este uso. Pero, en 1944, el Armisticio de Moscú dio lugar a la anexión por parte de la Unión Soviética de la región finlandesa de Carelia, y por lo tanto de las dos represas hidroeléctricas de Enso-Vallinkoski y de Lesogorsk/Rouhiala, privando al mismo tiempo a Finlandia de un tercio de su capacidad de producción de electricidad. Este hecho, combinado con la desmovilización y el pago de reparaciones de guerra (el 61 % de las exportaciones del país en 1945) supuso una gran presión sobre la industria finlandesa. Mientras la empresa Outokumpu consumía el 3% de la electricidad del país, el precio de esta energía se quintuplicó entre 1946 y 1948.
Pero, ya en 1945, anticipándose a las fuertes restricciones que estaba sufriendo el suministro eléctrico, la empresa se embarcó en el estudio del desarrollo de un proceso más eficiente energéticamente. En tan solo tres meses, el equipo de cuatro ingenieros encargado de solucionar el problema ideó una alternativa. Sus cálculos demostraron que oxidando el mineral concentrado con aire, y luego recuperando el calor de los humos para precalentar el aire oxidante, era posible lograr la fusión casi sin agregar combustible. En febrero de 1947, menos de dos años después del inicio de los estudios, ya estaba operativo el antecesor de los hornos de fusión flash. Se construyó un modelo industrial a partir de septiembre, que comenzó a operar tres meses después. En 1949, el proceso estaba operativo en la fábrica de Harjavalta, aunque el horno eléctrico de antes de la guerra todavía aseguró un tercio de la producción de Outokumpu hasta 1953.
Inco
Después de la Segunda Guerra Mundial, el gigante mundial de níquel, la empresa canadiense Inco reanudó la investigación donde Norman se había detenido. Con abundante electricidad gracias a la explotación de las cataratas del Niágara, y uniéndose a la francesa Air Liquide, una empresa más pequeña pero mucho más agresiva que su competidora Linde, Inco retomó el desarrollo de un horno de fundición flash mediante enriquecimiento con oxígeno. El prototipo se comenzó en enero de 1947 (es decir, un mes antes que el de Outokumpu), pero el primer modelo industrial operativo solo estuvo listo el 2 de enero de 1952. Al igual que su equivalente Outokumpu, es una evolución directa del horno de reverbero.
Aunque el horno flash de Inco no tenía el propósito de ahorrar energía como el de Outokumpu, demostró ser térmicamente más eficiente. De hecho, los intercambiadores de calor elegidos por Outokumpu son menos sofisticados que los de tecnología criogénica utilizados por Inco. También son más frágiles y menos eficientes.
La ausencia de nitrógeno en el aire comburente genera humos muy ricos en (aproximadamente un 50%), lo que simplifica considerablemente su tratamiento. Así, en 1952, el primer horno industrial de Inco estaba asociado a una unidad de tratamiento de tamaño estándar, mientras que eliminaba diez veces más azufre que cualquier otra unidad equivalente en el mundo.
Hornos flash mini|350px|idioma=es|Evolución de los procesos empleados en la metalurgia extractiva del cobre, en relación con el número de fundiciones que los utilizan a nivel mundial
Horno flash de Outokumpu
Aunque menos eficiente que el diseño de Inco, el horno de Outokumpu acabó imponiéndose. De hecho, la empresa finlandesa adoptó una estrategia de venta de sus patentes y exportación de su procedimiento que permitió la rápida difusión de su tecnología. Por el contrario, Inco solo utilizó fundición flash para mantener su cuasi-monopolio en la producción de níquel.
El horno de Outokumpu consta de un cilindro vertical, el reactor, por cuya parte superior entra el mineral concentrado seco y pulverizado, y el aire, posiblemente mezclado con oxígeno, combustible o un fundente silíceo. Llevado instantáneamente a alta temperatura, el concentrado se oxida y funde durante su caída en el reactor. Luego llega a la cámara de sedimentación, donde se separan la mata y la lechada. Los humos escapan por el otro extremo de la cámara a través de un conducto vertical, que los lleva a un recuperador de calor. En Harjavalta, un concentrado de cobre al 23 % da una mata de cobre al 64 % y genera entre un 11 y un 14 % de . En 1996, el horno flash más grande de este tipo, instalado en San Manuel (Arizona), produjo de mata e incluso podría haber alcanzado con algunas modificaciones. En comparación con un horno de reverbero, la producción es 4 veces mayor para una superficie igual, y el consumo de energía se divide por 2.
Originalmente, el precalentamiento del aire a una temperatura de entre 200 y 800 °C permitía lograr un funcionamiento autógeno.Pdf En 1971, Outokumpu adoptó el enriquecimiento de oxígeno en su planta de Harjavalta. Esta actualización lleva el horno de Outokumpu al mismo nivel de eficiencia energética que el de Inco Al comienzo de , el enriquecimiento de oxígeno, a niveles de entre el 30 y el 90 %, reemplazó casi en todas partes a la recuperación de calor.