El objetivo de esta etapa es formar una fase de sulfuros líquidos, compuesta principalmente por calcosina (Cu2S), covelina (CuS), calcopirita (CuFeS2), pirita (FeS2) y bornita (Cu5FeS4). En lo posible, debe contener todo el cobre alimentado, y otra fase oxidada líquida adherida a la anterior, llamada escoria, ojalá exenta de cobre, compuesta principalmente de silicatos de hierro. Los silicatos de hierro y los fundentes forman la escoria. La mata de cobre contiene sulfuros de cobre y hierro, algunos metales preciosos y otros elementos a nivel de trazas. La escoria, pobre en el metal, es caracterizada y descartada directamente o sometida a una etapa adicional de recuperación del metal, si su contenido es alto. La mata, en cambio, pasa a una etapa posterior de conversión por oxidación.
Los concentrados sulfurados de cobre son básicamente combinaciones, en proporciones variables, de sulfuros de hierro y cobre mezclados con ganga silícea ácido o básica. Las reacciones que tienen lugar en el Horno de Fusión (HF) transcurren entre estos constituyentes del concentrado y los fundentes, y corresponden principalmente a la reducción de los óxidos de cobre por el sulfuro cuproso y a la sulfuración de los óxidos de cobre por el sulfuro ferroso. Todo el sulfuro de cobre se descompone de acuerdo con las siguientes reacciones:
La tecnología HF corresponde a un proceso de fusión-conversión continua de concentrados, desarrollado por Outokumpu, que aprovecha el calor generado en las reacciones del oxígeno presente en el aire del proceso, con los sulfuros de hierro contenidos en el concentrado alimentado al reactor. Dependiendo principalmente de las características mineralógicas o químicas del concentrado, de los flujos y enriquecimientos en oxígeno del aire soplado, se generarán importantes cantidades de calor en el reactor, suficientes para tener un proceso totalmente autógeno, donde se funden además, materiales fríos de recirculación con cobre o carga fría, generada en el proceso productivo y utilizada para regular la temperatura en el horno.
Los productos generados en este proceso son una fase rica en cobre, conocida como eje de alta ley, con un 62%-70% de cobre, una escoria con un 1%-2% de cobre y 8%-12% de Fe3O4, y una corriente continua de gases con un 30%-35% de SO2 en la salida del horno. Concentración que dependerá principalmente del enriquecimiento en oxígeno del aire de proceso.
La escoria generada en el HF es evacuada por un pasaje de sangría ubicado en el extremo opuesto al punto de extracción del metal blanco, transferida por gravedad a través de una canaleta inclinada, cerrada, refrigerada y recubierta por material refractario, a un Horno Eléctrico de Limpieza de Escoria (en adelante HELE) para recuperar su contenido de cobre. Ambas canaletas, tanto la que conduce la escoria al HELE, como la que conduce el metal blanco a la etapa de granallado, se encuentran totalmente confinadas de tal forma que los gases y vahos emanados por la extracción o sangrado de los productos (metal blanco y escoria), sean captados y conducidos mediante ventilación a un sistema de limpieza de gases secundarios, donde un filtro de mangas recupera las partículas en suspensión (las que luego son recirculadas como carga fría al HF). Luego, los gases y vahos son neutralizados y emitidos a la atmósfera.
Respecto de los gases metalúrgicos primarios producidos en el proceso (ricos en SO2), éstos salen del HF por una torre refrigerada y pasan a una caldera donde se enfrían hasta alcanzar una temperatura de 350 ºC. Transfieren su calor por radiación y convección a los tubos de la caldera para producir vapor saturado de 60 bar de presión, que se utiliza en múltiples aplicaciones como un medio calefactor en procesos de intercambio de calor. Los gases primarios, limpios en partículas y ricos en SO22, son forzados por un ventilador de tiro inducido y conducido a la Planta de Limpieza de Gases y el dióxido de azufre es utilizado en la producción de ácido sulfúrico. El accionar de este ventilador permite inducir el flujo de gases a través del horno y asegurar que no existirán fugas de gases con contenido de SO2 al entorno.
El proceso de fusión ocurre a temperatura de 1.200 ºC, en un sistema fundido, con suspensión de partículas sólidas en el baño, correspondiente a compuestos de alto punto de fusión (léase sílice, magnetita, entre otros).
La reacción de producción de mata y escoria podemos representarla por:
Concentrado + Fundentes + Energía ------> Mata + Escoria + Gas (5)
Donde:
Mata: Cu2S, FeS, fundamentalmente.
Escoria: FeO, Fe3O4, SiO2, Al2O3, CaO, MgO, Cu2O, otros
Gas: O2, SO2, N2, CO, CO2, H2, H2O, otros.
