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TECNOLOGÍA PARA UNA PLANTA DE FLOTACIÓN DE PARTÍCULAS GRUESAS (CPF) Y MODELO DE SERVICIO PARA SOPORTE Y OPERACIÓN

Trabajo ganador del área de Investigación y Tecnología del Foro TIS que obtuvo el Premio Nacional de Minería de PERUMIN 36.
Por: Jorge García y Yoshiro Travezaño, Anglo American Quellaveco. 


Resumen 

La mina Quellaveco de Anglo American está ubicada en Perú, aproximadamente 50 km al este de Moquegua, 236 km al sureste de Arequipa y 1,200 km al sureste de Lima. 

La planta concentradora de Papujune tiene capacidad de procesamiento de 127,500 toneladas de mineral mediante chancado primario, molienda, un proceso colectivo de flotación de cobre-molibdeno (Cu-Mo) y un proceso selectivo de flotación de molibdeno. 

El proceso de flotación Cu-Mo consiste en un circuito de flotación rougher seguido de dos etapas secuenciales de limpieza y producirá un concentrado combinado de Cu-Mo. Los relaves de cola rougher producidos en el proceso colectivo de flotación Cu-Mo contienen valiosos minerales de cobre dentro del tamaño de fracciones más gruesas que se perderían en los desechos finales de la planta (relaves). 

La flotación convencional capturará partículas de hasta 150 µm, mientras que una fracción importante de los valiosos sulfuros está contenida en las colas rougher con un tamaño superior a 150 µm. 

La planta de flotación de partículas gruesas (CPF) recogerá estas partículas de sulfuro más gruesas normalmente perdidas en la corriente de relaves. CPF es una tecnología diseñada para recuperar minerales valiosos no liberados contenidos en volúmenes más gruesos con un área de superficie mineral valiosa en tamaños de partículas tan altos como 500 a 700 µm. 

Esta tercera planta se construye para integrarse al modelo de mina digital de Anglo American con la tecnología más sofisticada integrando su operación desde el centro de control integrado, construyendo su gemelo digital, y con aplicaciones industriales para el control y automatización del proceso, ejecutándose sobre tecnología de redes y servidores propias de una operación de clase mundial.

El desafío se presenta en lograr una operación eficiente y predictiva donde los sistemas de tecnología de los cuales depende la planta CPF no deben fallar. Ante este desafío se ha venido formando nuevos perfiles de ingenieros que puedan soportar la primera mina digital del Perú, así como un modelo de servicio consensuado con la operación para garantizar la continuidad de los sistemas y, por lo tanto, de la producción. 

Introducción  

Las unidades mineras buscan adoptar nuevas formas de operación y así lograr cambios graduales para transformar la manera en la que operan. Soluciones para la reutilización de los recursos naturales, la minimización del consumo de agua, la disminución de emisiones derivadas del carbono y logrando un modelo de economía circular, son parte de los objetivos de la industria minera y son más las empresas que se suman a ello. Nuestro país no es ajeno a estas estrategias de operación. 

En Anglo American, basados en la estrategia Future Smart Mining, se utilizará una novedosa tecnología para el tratamiento de relaves con el objetivo de recuperar cobre que normalmente se desecha. Para esto se está construyendo una nueva planta de flotación de partículas gruesas siendo la primera de este tipo en el Perú. Esta planta se integra a nuestra operación de mina digital, es decir, además de la tecnología novedosa del proceso de recuperación de cobre, se implementa tecnología más sofisticada para su operación y soporte, con el fin de integrar la operación de esta nueva planta a nuestro Centro Integrado de Operaciones (CIO), basados en programas, análisis de datos y aplicando inteligencia predictiva que nos permitirá anticipar eventos y tomar las mejores decisiones considerando toda la cadena de valor. 

Instrumentación inteligente: la planta contará con analizadores para medición de porcentajes de cobre, sistema de cámaras con programación automática, detección de eventos entre otros. 

Sistema de control de procesos y SCADA eléctrico: nos permitirá controlar y automatizar todo el proceso usando el DCS de Siemens PCS7 y COMOS para el modelamiento en 3D de la planta y un almacenamiento dinámico y sincronizado de los diagramas de lazos, PID y hojas de datos. Todo ejecutándose sobre una plataforma de virtualización de servidores manteniendo el estándar de las otras plantas (cobre y molibdeno) y asegurando un respaldo de datos y backups en la nube de Microsoft. 

Redes de alta capacidad: enlaces de fibra óptica redundantes conectados a equipos de comunicaciones Siemens, Cisco y Ruggedcom manteniendo el estándar de seguridad ISA95 y redes definidas por software (SDN). 

Gemelos digitales: utilizando las herramientas SIMIT y UNISIM se construye el gemelo digital de la planta CPF. 

Esto nos permitirá realizar un entrenamiento completo sin esperar la construcción y funcionamiento de la planta incluyendo escenarios de fallas para mayor experiencia de los operadores. También podremos realizar el comisionamiento virtual de la planta y validar el correcto funcionamiento del sistema de control. Finalmente, este gemelo digital será la herramienta continua durante la operación para un mejor análisis e implementación de mejoras en la planta. 

Por lo expuesto, al tener una planta cuya operación depende 100% de la tecnología, amerita formar y entrenar ingenieros que vienen del mundo IT para soportar la operación y las tecnologías OT. Es así como nuestros ingenieros asumen nuevos retos y entienden soluciones de redes industriales como Profinet, herramientas de monitoreo como SINEC NMS, virtualización de estaciones de ingeniería y operación, entre otros. Con esto estamos siendo los pioneros en formar los primeros ingenieros que puedan soportar sistemas operaciones con tecnología de clase mundial.  

Objetivos  

Construir la primera planta de flotación de partículas gruesas para concentrado de cobre del país y una de las más grandes de Sudamérica. 

Operar de manera eficiente gracias a la integración de esta nueva planta al centro integrado de operaciones. 

Soportar todos los sistemas de tecnología de tal manera que no ocurran detenciones del proceso que se traducen en pérdida de producción y, por lo tanto, económicas. 

Desarrollo y colección de datos 

Descripción del proceso 

La planta de flotación de gruesos (CPF, por su sigla en inglés) recuperará las partículas más gruesas que normalmente se pierden en la cola de la flotación rougher. 

La función principal de la planta de flotación de gruesos es recuperar las partículas de mineral con un área superficial expuesta de 1 a 2% del área superficial total y con tamaños de partículas mayores a 150 m. La planta CPF incluye las operaciones unitarias siguientes: 

ν Clasificación de partículas gruesas y deslamado. 

ν Clasificación en separador crossflow. 

ν Flotación de partículas gruesas. 

ν Espesamiento del concentrado.  

ν Remolienda del concentrado. 

Clasificación de partículas gruesas y deslamado 

La alimentación al CPF proviene desde las colas de la flotación rougher de la concentradora Papujune, para el mineral secundario y el primario y un P80 de 188 µm. La pulpa es transportada gravitacionalmente a una canaleta de concreto y descargado en cajones colectores de colas. Las pulpas de colas rougher son desviadas por medio de un sistema de compuerta basculante accionada y transportada gravitacionalmente a la canaleta de alimentación de la planta CPF. 

Las pulpas del cajón de alimentación de la planta son impulsadas por dos bombas que alimentan a los ciclones de deslamado hacia las dos baterías de ciclones de deslamado. Cada una de estas baterías está compuesta por 30 ciclones de 500 mm de diámetro. 

El overflow de los hidrociclones (finos) es transportado por gravedad a los espesadores de cola, al cajón colector de colas, en la planta principal. 

El underflow de los hidrociclones es distribuido por gravedad a los separadores a contracorriente. Este flujo contiene 55% en peso de sólidos. 

Clasificación en separador de Crossflow 

Los underflows desde la batería de hidrociclones serán diluidos con agua de proceso para que la alimentación a los separadores a contracorriente alcance un 35% en peso de sólidos. El principal propósito de los separadores en contra corriente es aumentar el punto de corte alcanzado en los hidrociclones de la etapa previa, por lo tanto, disminuye la cantidad de finos que pasa a la flotación aguas abajo, aumentando la capacidad de esta. 

El tanque de compensación de alimentación a contracorriente, con una capacidad de diseño de 375 m3 cuenta con un agitador, reúne los dos flujos del underflow de los ciclones de deslamado. En este tanque el underflow es diluido antes de ser bombeado con una velocidad controlada hacia los dos distribuidores de flujo a contracorriente. 

Los finos de los separadores a contracorriente son enviados a los espesadores de colas en la planta de flotación principal junto con el overflow de los hidrociclones. Los cajones reciben los gruesos y posteriormente son enviados a los hydrofloat. 

Flotación de partículas gruesas 

Las partículas gruesas que vienen desde la separación crossflow se distribuyen en 10 celdas de flotación hydrofloat donde burbujas de aire colectan el material que contiene superficies de sulfuros y son llevados al overflow mediante inyección de agua, posteriormente el overflow de cada celda es colectado en el cajón de alimentación del espesador. El agua presurizada y el aire son inyectados en la alimentación a una velocidad controlada. 

Los cajones reciben las colas de las unidades hydrofloat y junto al rebalse del separador a contracorriente son transportados a un cajón de alimentación a una canaleta de colas donde se combina con el overflow de los ciclones de deslamado y son llevados a través de una canaleta de colas final y el cajón de recolección de relaves. El agua de rociado se utiliza como elemento de supresión de espuma dentro del cajón. 

Espesamiento de concentrado 

El concentrado del hydrofloat es transportado gravitacionalmente al cajón de alimentación del espesador, el que reduce la velocidad de las pulpas previo a su distribución en los respectivos espesadores (o sedimentadores de cono profundo). Y se obtendrá un underflow del espesador con 50% de sólidos en peso, que es bombeado, transportándolo hacía un cajón final. 

La etapa de espesamiento es considerada para preparar la alimentación a la remolienda y para recuperar agua de proceso. 

Remolienda del concentrado 

El underflow del ciclón de remolienda y el flujo proveniente del cajón colector del underflow del espesador se combinan en el distribuidor del underflow. 

El distribuidor permite que se produzca una división uniforme y ajustable de las pulpas para los dos molinos verticales.  

El producto de los dos molinos de remolienda es transportado gravitacionalmente al cajón de alimentación de bombas del ciclón de remolienda, en este punto se agrega agua de proceso para su dilución y es impulsado por bombas a la batería de hidrociclones. Esta, con 14 hidrociclones, recibe la pulpa bombeada con un P80 de 171 µm y efectúa una separación de tamaño en el material.  

El overflow con un P80 de 120 µm es transportado gravitacionalmente al cajón colector de retorno de concentrado y desde este el concentrado es devuelto para el mineral secundario y primario, respectivamente, por dos bombas en serie al circuito de flotación rougher de Papujune. 

Construcción de la planta 

Planeamiento 

En la planificación y programación del trabajo de construcción se abordarán las siguientes fases para este proyecto: 

ν Movilización del sitio y establecimiento de infraestructura, instalaciones y servicios temporales del sitio para respaldar todas las actividades de construcción y puesta en servicio en el sitio. 

ν Planificación, negociación y adjudicación de contratos. 

ν Gestión de contratos y actividades de construcción hasta su finalización mecánica. 

ν Apoyo a la puesta en marcha de la planta e instalaciones. 

ν Entrega del proyecto a operaciones. 

ν Desmovilización del lugar de trabajo. 

Cronograma 

En la Figura 1, se pueden apreciar las fases de la construcción de la planta CFP.

El cronograma para ejecutar el trabajo de construcción de este proyecto se desarrolló en base a metodologías de edificación lógica y secuencias de trabajo considerando las interfaces con ingeniería, adquisiciones y puesta en servicio previa. 

La ruta crítica del proyecto está dictada por las órdenes de compra de equipos de largo plazo. Los más críticos que se entregarán en el sitio son las celdas hydrofloat (52 semanas después de la orden de compra) y los separadores de flujo cruzado (62 semanas) en el edificio CPF. La suposición actual es que el equipo de flotación está programado para ser levantado en posición, antes de la instalación de la estructura de acero para el siguiente nivel como se muestra en la Figura 2. 

Soporte y operación de la planta usando tecnología 

Operación de la planta CPF 

El área de Flotación de Gruesos (CPF) incluye las operaciones unitarias siguientes: Clasificación de partículas gruesas y deslamado, Separación a contracorriente (crossflow), Flotación de partículas gruesas, Espesamiento y remolienda del concentrado, Reactivos y Servicios. El diagrama de bloques de la planta CPF se muestra en la Figura 3. 

Tecnología en la planta de CPF 

Sistema de control PCS7 de Siemens 

La función del PCS es proporcionar a las operaciones de la planta la capacidad de realizar regulación de procesos y control de secuencias de forma segura. El sistema de control proporcionará características tradicionalmente asociadas con el controlador lógico programable (PLC) y un sistema de control distribuido (DCS). 

El DCS utilizará algoritmos de control regulatorio, lógica discreta y lenguajes de control para realizar operaciones lógicas conducentes a ejecutar el control de las funciones de salidas discretas y análogas hacia los dispositivos de campo. 

Los controladores basados en microprocesadores, las estaciones de operación e ingeniería, todos conectados por una red moderna de fibra óptica y redundante permitirán a los operadores controlar la planta CPF desde el Centro Integrado de Operaciones o incluso desde cualquier otra ubicación de la estación del operador definible para el proyecto. 

Sistema de control eléctrico MV SCADA

El Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) es el sistema de control que permite el comando remoto, la supervisión, la adquisición y los datos históricos provenientes de equipos del sistema de distribución eléctrica. 

El sistema MV SCADA recopila información de dos fuentes principales de medición y protección. El diseño eléctrico considera que la medición y la protección son funciones separadas realizadas por dispositivos separados (IED). 

Para el control y monitoreo del sistema eléctrico, se considera el despliegue de un diagrama de línea de distribución de electricidad que mostrará el estado de la los equipos y principales variables asociadas, estos despliegues se basarán en diagramas de protección y medición. Esto convierte al MV SCADA en una herramienta valiosa para entender el funcionamiento actual y tomar decisiones para el buen funcionamiento del sistema eléctrico que abastece la planta CPF, detectar áreas potencialmente críticas, facilitar la restauración del servicio después de fallas, facilitar la eliminación del mantenimiento del equipo y permitir su intervención con seguridad. 

Este sistema también será operado desde el Centro Integrado de Operaciones. 

COMOS 

El proyecto de la construcción de la planta CPF como parte de la directriz de mina digital, requiere una solución de software integral para la gestión integrada de datos de la planta y el proyecto, proporcionando una base de data única para toda la información de la planta y el proyecto con el fin de garantizar que los ingenieros y operadores puedan acceder a los datos en cualquier momento y en cualquier lugar y así acelerar los tiempos de ingeniería, aprovechando de manera óptima los recursos disponibles para facilitar la creación de diseños personalizados para requisitos técnicos específicos (por ejemplo una modificación a futuro en la planta para incrementar su capacidad de procesamiento). Al final, crea un entorno colaborativo para que los equipos de todas las áreas y disciplinas aumenten su eficiencia y desempeño en seguridad. 

Thermofisher 

Los analizadores Thermofisher de análisis elemental y muestreo en línea AnStat-330 proporcionan muestras compuestas para el balance metalúrgico al mismo tiempo que proporciona análisis en línea. El analizador AnStat-330 proporciona información minuto a minuto para la corriente de suspensión. No sufre los retrasos en el tiempo del ciclo de corriente y el transporte de muestras ni la contaminación cruzada asociada con los sistemas analizadores multiplexados. En cambio, el análisis continuo y dedicado de los flujos de proceso más críticos permite a los operadores o sistemas expertos controlar el proceso y responder rápidamente a las alteraciones y las condiciones cambiantes. 

Para la planta CPF se instalarán dos analizadores uno de concentrado y otro de colas. 

CCTV 

Una operación remota requiere un sistema de cámaras con analítica avanzada, el que será los ojos del operador que se encontrará en el CIO. Para la planta CPF se consideran sistemas de cámaras en: 

ν Las bombas de alimentación. 

ν Ciclones de deslamado. 

ν Las compuertas de bypass. 

ν Espesadores. 

Tabletas en campo 

En una mina convencional existen estaciones Human Machine Interface (HMI) en toda la planta dentro de unas casetas para poder monitorear y controlar de manera local los procesos. En la planta CPF no existen estas casetas de monitoreo, se contará con una red WiFi de alta velocidad para que el operador conecte las tabletas y pueda monitorear el proceso, analizar los instrumentos, ver el estado de los equipos de campo en tiempo real y en cualquier punto que sea necesario. Para esto se necesita tener una planta con todos los instrumentos y controladores interconectados y analizados por software, así como una red inalámbrica en toda la planta. 

Gestión de la tecnología 

La primera parte describe el proceso y operación de la planta CPF, la segunda implementación del proyecto y finalmente los principales sistemas de tecnología para su adecuada operación. En esta sección explicaremos como se implementó un adecuado soporte que se ajuste a los indicadores de producción y disponibilidad de la planta para la continuidad operacional. Esto se dividió en cuatro puntos: 

Modelo de servicio 

Se debe elaborar un modelo de servicio incluyendo los canales de soporte y atención, este debe ser un punto único de contacto. Luego escalar al equipo de ingenieros locales que pertenecen al nivel 2. El nivel 3 está compuesto por los especialistas globales de Anglo American. Finalmente, el nivel 4 corresponde a las marcas y los proveedores de las tecnologías. 

Acuerdos de niveles de servicio (SLA – Service Level 

Agreements) 

En conjunto con las áreas operativas (mantenimiento, operaciones mina, procesos y CIO), se debe definir la prioridad de atención ante algún incidente que pueda ocurrir con la falla de un sistema.

También se debe definir los tiempos de solución de acuerdo con la prioridad del incidente o falla.

Dimensionamiento de recursos 

Para lograr los tiempos de respuesta acordados, se debe realizar un dimensionamiento adecuado de los recursos, estos tienen los sistemas de monitoreo e inteligencia artificial para la eficiencia del uso del recurso humano.

Acuerdos con las áreas de operaciones 

Se definen indicadores de disponibilidad de la tecnología, en la Figura 8 se muestra indicadores establecidos para las máquinas virtuales de planta (servidores donde se ejecutan las aplicaciones de la mina digital), las bases de datos y las estaciones del (CIO). 

Formación nuevos perfiles de ingenieros 

Finalmente, se hace necesario entrenar nuevos ingenieros que vienen del mundo IT cuyo conocimiento está orientado a redes comerciales y protocolos de comunicación empresariales (con certificaciones en Cisco, por ejemplo) hacia un entorno industrial y digital. Es entonces donde estos ingenieros aprendieron redes IEC61850 para el sistema de control eléctrico, redes Profinet que conectan instrumentos y bombas para el sistema de control (DCS Siemens PCS7). 

Esto se logró gracias a una sinergia con equipos globales y otras operaciones de Anglo American donde cuentan con experiencia en estos campos nuevos en Perú. 

Presentación y discusión de resultados  

Producción: 

Se espera aumentar la producción anual de cobre recuperando entre el 2% y 4%. Es decir, considerando una producción de 300,000 toneladas de cobre fino, se obtendrá 12,000 toneladas adicionales. 

La flotación de partículas gruesas (CPF) instalada en el modo de barrido de colas proporcionará ingresos adicionales al Proyecto a través de una recuperación mejorada, sin riesgo para el rendimiento del proceso existente.

Se espera que a niveles de recuperación P50, el proyecto genere aproximadamente 60,000 toneladas (t) de producción de cobre pagadera adicional durante los primeros 5 años, lo que se traduce en más de US$ 350 millones en ganancias antes de intereses, impuestos, depreciación y amortización (EBITDA) en pronóstico actual de los precios del Cu. 

Cero impactos en la molienda: 

La incorporación del proceso CPF implica que se produce una recirculación (a modo de una carga circulante) del producto del proceso CPF hacia la flotación de la planta Papujune. Esto implica que la capacidad de molienda de mineral fresco no se verá afectada.  

Arranque de operaciones sin retrasos: 

Antes de terminar la construcción, se realizará el comisionamiento virtual de la planta donde se probarán más de 100 escenarios de fallas y casos de prueba. Además, de realizará el entrenamiento a operadores, coordinadores y supervisores de la planta CPF sobre el gemelo digital. 

Esta tecnología, permite crear, guardar y recargar estos escenarios preconfigurados. 

Los operadores pueden trabajar con ejemplos del sistema de control y búsqueda acorde con su curva de aprendizaje. 

Cero detenciones de la planta por sistemas de tecnología: 

Una adecuada gestión de servicios y soporte de tecnología para la operación de la planta CPF como el que se mostró en este informe, nos permite tener cero detenciones de la planta debido a fallas por sistemas de tecnología. Este ambicioso resultado ya se está dando en la planta concentradora de cobre. 

Conclusiones 

1. Anglo American construye la primera planta de recuperación de partículas gruesas en Perú y una de las más grandes de Sudamérica por sus características y capacidad de procesamiento. 

2. Este documento técnico explica los lineamientos del proceso, avance del proyecto, tecnología utilizada y como soportar esta tecnología para una operación exitosa que se traslada a mayores ganancias para las compañías. 

3. Se evidencia que la tecnología como gemelos digitales, COMOS, sistemas de control de procesos avanzados, analizadores, cámaras con analítica, centro integrado de operaciones, entre otros, hace que una operación sea más eficiente dando mínima intervención a equipos en campo y maximizando la toma de decisiones desde el cerebro de la mina digital (Centro Integrado de Operaciones). 

4. Un adecuado modelo de gestión de servicios de tecnología hace posible mantener una disponibilidad del 100% de estos sistemas evitando la detención de la planta por fallas en la tecnología. 

5. Se espera que otras operaciones en nuestro país construyan esta planta CPF basados en el conocimiento innovador que Anglo American desarrolla en Perú. 

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