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METALURGIA DEL COBREIndustrias Mineras de Base Metálica 2010
IMPORTANCIA DEL COBRE…
Elevada conductividad eléctrica, solo superada por la
plata.
Excelente resistencia a la corrosión.
Elevada conductividad térmica.
Facilidad de formar aleaciones con el zinc y con el
estaño (latón y bronce), que poseen excelentes
propiedades.
Valor de la chatarra de cobre.
MINERALES
CLASIFICACIÓN DE LAS MENAS
YACIMIENTOS ARGENTINOS
PIROMETALURGIA
•Concentración por flotación
•Tostación
•Fusión
•Oxidación de la mata
•Afino
BENEFICIO DEL MINERAL (TRAT. PREVIOS)
TOSTACIÓN Es una oxidación parcial de los concentrados de los
sulfuros de cobre con aire. Los objetivos son:
Utilizar el calor de tostación para secar y calentar la carga antes de ser introducida al horno de fundición.
Aumentar la concentración de cobre en el producto de fundición, o sea, en la mata líquida.
Las reacciones principales durante la tostación son la oxidación de sulfuros de hierro y cobre para obtener sulfatos y óxidos. Algunos ejemplos son:
El proceso de tostación se lleva a cabo en
tostadores de hogar múltiple y de lecho
fluidizado a temperaturas entre 500 y
700°C. Normalmente es autógena .
La tostación da por resultado una eliminación
neta de hierro y azufre, y esto conduce a un
producto de fundición (mata) que es de un
grado de cobre considerablemente más alto
que el concentrado original.
EQUIPOS DE TOSTACIÓN
Tostador de lecho
Fluidizado
FUSIÓN DE MATA La producción de mata líquida (mata fundida) y
su conversión posterior a cobre blíster (cobre ampollado) es el método más importante de extracción de cobre a partir de minerales sulfurados.
Las ventajas son:
Procesa cobre metálico de los minerales sulfurados de cobre con un gasto de energía relativamente bajo.
El cobre se produce a una velocidad alta.
La principal desventaja del método es la contaminación a la atmosfera con gas SO2.
Los objetivos de la fusión de mata son formar una fase líquida de sulfuros (mata) la cual contiene todo el cobre de la carga y una fase líquida de escoria sin cobre. La mata posteriormente es oxidada para formar cobre blíster impuro y la escoria fundida se desecha directamente o después de una etapa de recuperación de cobre.
El proceso se lleva a cabo al fundir la carga total del horno a una temperatura aproximada de 1200°C normalmente con fundentes de sílice.
El producto principal de la fundición es una mata de Cu-S-FeS (de 35 a 65%Cu) la cual se dirige al proceso de conversión para la producción de cobre blíster.
EQUIPOS PARA LA FUSIÓN DE MATA
Alto Horno
EQUIPOS PARA LA FUSIÓN DE MATA
Horno de Reverbero
EQUIPOS PARA LA FUSIÓN DE MATA
Horno Eléctrico
EQUIPOS PARA LA FUSIÓN DE MATA
Horno de Fusión Instantánea (INCO)
EQUIPOS PARA LA FUSIÓN DE MATA
Horno de Fusión Instantánea (Outokompu)
CONVERSIÓN (OX. DE LA MATA)
La conversión del cobre consiste en la oxidación (con aire) de la mata líquida proveniente de la fundición. La conversión elimina el hierro y el azufre de la mata, dando por resultado la producción de cobre blíster sin refinar (99%Cu).
La formación de cobre (b) no sucede hasta que la mata contiene menos del 1% de Fe, de modo que casi todo el hierro se elimina del convertidor (como escoria) antes de comenzar la producción de cobre.
El producto del proceso de conversión es el cobre blíster el cual contiene entre 0,02 y 0,1%S. No ocurre formación significativa de óxido de cobre hasta que el contenido de S no está por debajo de 0,02% de modo que la oxidación de cobre no es un problema.
EQUIPO DE CONVERSIÓN
REFINACIÓN- REFINACIÓN TÉRMICA
Se puede hacer en un horno de reverbero, a unos 1150°C, mediante fusión oxidante con volatilización y escorificación.
Al hacer pasar el aire comprimido, la eliminación de las impurezas se realiza del modo siguiente: El azufre y el cadmio, por volatilización El zinc, parte por volatilización y parte en la escoria. El magnesio, el aluminio, el hierro y el estaño, en la escoria. El plomo en la escoria si la acción es intensa. El arsénico y el antimonio, en la escoria de carbonato de
calcio y cal. El bismuto no se elimina por el calor, y el cobre, que
contiene este elemento se afina, en general, electrolíticamente.
Para la segunda parte del proceso se elimina de la mata fundida la escoria y se cubre con antracita, carbón vegetal o coque, para tener en el horno condiciones reductoras. Cuidando de que no llegue aire al metal fundido se elimina el óxido cuproso disuelto, por agitación del baño, a unos 1100°C. El cobre en esta etapa, se conoce como cobre tenaz, y no está completamente desoxidado, sino que contiene aproximadamente un 0,05% de oxígeno (0,45% de óxido cuproso), que se ve en el microscopio en forma de un eutéctico Cu-Cu2O en los bordes de los grandes granos.
La mayor parte del cobre comercial es de esta clase. Esta operación dura de 1 a 3 horas.
FINALIDADES DEL AFINO TÉRMICO
Afino completo del cobre, con el objeto de producir barras apropiadas para la fabricación de chapas, láminas, varillas, etc., o lingotes destinados a la elaboración de aleaciones.
Afino parcial del cobre, con el fin de formar con él ánodos para su refino electrolítico.
REFINACIÓN ELECTROLÍTICA El cobre blíster se refina
electroquímicamente a un producto de una pureza de 99,99%, que sirve en la industria eléctrica.
Los ánodos deben ser lisos, uniformes y sobre todo, consistentes.
Los ánodos de cobre, relativamente impuros, se sumergen, entre cátodos de cobre puro, en un electrolito compuesto de sulfato de cobre y ácido sulfúrico.
Al pasar la corriente continua, el cobre de los ánodos se disuelve y se deposita sobre los cátodos. (La tensión en las celdas industriales es de 0,25 a 0,30v.)
Al mismo tiempo que el cobre, se disuelven las impurezas del ánodo que están por encima del cobre en la serie electroquímica, pero estas no se depositan sobre el cátodo. Otras impurezas, tales como el plomo, selenio, teluro, plata, oro y los metales raros, no se disuelven, por ser más nobles que el cobre, y forman barros.
REACCIONES Y PROCESOS
El cobre del ánodo se disuelve electroquímicamente dentro de la solución, es decir:
Se producen cationes de cobre más electrones Los electrones producidos por la reacción anterior
son conducidos hacia el cátodo a través del circuito y suministro de energía externo
Los cationes Cu2+ en la solución emigran por difusión y convección hacia el electrodo negativo (cátodo)
Los electrones y los iones Cu2+ se combinan en la superficie del cátodo para producir cobre metálico que se deposita sobre el mismo.
Se practican dos procedimientos de afino electrolítico:
El sistema múltiple, que produce la mayor parte del cobre afinado electrolíticamente.
El sistema en serie.
Esta clasificación es en base a la disposición de los electrodos en cada tanque, es decir, en paralelo o en serie.
HIDROMETALURGIA
Lixiviación:• In situ.• En escombreras o terreros.• En pilas o Montones.• En tanques o cajones.• Por agitación.• De sulfuros mediante Bacterias.
Recuperación de cobre• A partir de soluciones diluidas de
lixiviación. (Cementación y Extracción con solventes orgánicos)
• A partir de soluciones concentradas de lixiviación. (Electrólisis)
Las técnicas hidrometalúrgicas para la extracción de cobre se aplican principalmente a los minerales de cobre con oxígeno y a los desechos de óxido y sulfuro de baja ley.
Cuando la concentración de cobre es muy baja en las menas de óxido no puede emplearse la técnica pirometalúrgica.
MINERALES Y REACTIVOS
El medio de lixiviación para minerales de cobre casi siempre es una solución acuosa de ácido sulfúrico. El amoníaco y el ácido clorhídrico se usan en 2 o 3 casos para minerales de sulfuro Ni-Cu o mata y también han sido propuestos para concentrados de sulfuro de cobre.
Ventajas del ácido sulfúrico son su bajo costo, su acción rápida sobre los minerales de cobre que contienen oxígeno, y el hecho de que es regenerado cuando son lixiviados minerales de sulfato o sulfuro.
Las fuentes principales de cobre para la extracción hidrometalúrgica son los minerales de óxido, los más importantes se muestran en la siguiente tabla:
Los principales minerales de sulfuro encontrados en los depósitos de lixiviación son la calcopirita (CuFeS2), calcocita (Cu2S) y pirita (FeCu2).
LIXIVIACIÓN
Se denomina lixiviación al proceso de separación del metal por ataque y disolución del mismo a partir de la mena tratada físicamente.
LIXIVIACIÓN IN SITU
Aplicada a masas de baja ley o minas subterráneas ya trabajadas.
Implica el rompimiento de la mena con explosivos sin que la mena sea extraída por los métodos más usados en las minas.
LIXIVIACIÓN EN ESCOMBRERAS O TERREROS
Se aplica a los desechos con bajo contenido de cobre provenientes de los métodos comunes de explotación, generalmente operaciones a cielo abierto.
La roca se amontona en grandes depósitos (millones de tn) y el lixiviante se distribuye periódicamente sobre la superficie para que escurra a través del depósito.
La mayor parte del cobre lixiviado en los terreros proviene de minerales sulfurados para lo cual es necesario el oxígeno. El oxígeno es suministrado entre las aplicaciones periódicas del lixiviante .
LIXIVIACIÓN EN PILAS O MONTONES Es esencialmente lo mismo que la lixiviación en
terreros sólo que los depósitos de mineral oxidado superficiales, a diferencia de los desechos de mina, se parten y apilan en montones más pequeños (100.000 - 500.000tn)
Los materiales sólidos en los montones son algo más pequeños (10cm) que en los depósitos y la lixiviación es continua y considerablemente más rápida.
Nota: En los 3 casos, la solución de lixiviación concentrada tiene poco cobre (1-5kg/m3) y por lo tanto el proceso posterior es la cementación del cobre de la solución sobre chatarra de acero o la extracción con disolvente de cobre para la preparación del electrolito.
LIXIVIACIÓN EN TANQUE O CAJONES
Incluye mineral triturado (1cm) con soluciones de 50 a 100kg de ácido sulfúrico por m3 en grandes tanques rectangulares (25m de largo, 15m de ancho y 6m de profundidad con capacidad para 3000 a 5000tn).
La lixiviación en tanques de los minerales de cobre que contienen oxígeno (1 a 2%Cu) se realiza para producir directamente una solución de lixiviación concentrada con el suficiente cobre para la separación por electrólisis (30 a 50 Kg Cu/m3).
Comparada con la In situ, en terreos y pilas, es un método de alto nivel de producción.
LIXIVIACIÓN POR AGITACIÓN
Es la lixiviación rápida de partículas finas (normalmente entre 90 y 75μm) de concentrados de cobre oxídicos o productos calcinados provenientes del tostador en soluciones concentradas de ácido (50 a 100kgH2SO4/m3).
Mientras que la lixiviación in situ, pilas y terreros toma años y la que se realiza en tanques toma días, la lixiviación por agitación toma de 2 a 5hs.
Los minerales de sulfuros no son lixiviados durante el corto contacto proporcionado por la lixiviación por agitación.
Por lo general, la lixiviación tiene lugar continuamente en una serie de 3 o 4 tanques (volumen de 50 a 200m3), el aire o medios mecánicos proporcionan la agitación. (T ≈60°C)
La lixiviación de minerales que contienen oxígeno, es un proceso relativamente simple debido a su alta solubilidad en ácido sulfúrico.
LIXIVIACIÓN DE SULFUROS MEDIANTE BACTERIAS
Para menas de cobre de baja ley y desechos industriales.
Ciertas bacterias aceleran la oxidación de los sulfuros de cobre y hierro. El Thiobacillus thiooxidans, que oxida el sulfuro a sulfato.
La lixiviación bacteriana de sulfuros de cobre se lleva a cabo a temperaturas entre 25 y 40°C, pH de 1,5 a 3,5 (ácido sulfúrico), una concentración bien definida de iones metálicos y aireación para un suministro continuo de oxígeno.
RECUPERACIÓN DE COBRE A PARTIR DE SOLUCIONES DILUIDAS DE LIXIVIACIÓN
Las soluciones saturadas provenientes de las operaciones de lixiviación son de 2 tipos: Concentradas: contienen de 30 a 50 kg Cu/m3 y
son provenientes de la lixiviación en tanque o por agitación. Estas soluciones contienen una concentración suficiente para la separación por electrólisis directa de cobre de alta pureza.
Diluidas: contienen de 1 a 5 kg Cu/m3 provenientes de la lixiviación In situ, pilas y terreros. Estas soluciones son demasiado diluidas para la separación por electrólisis, por lo tanto el cobre se recupera mediante cementación o extracción con solventes.
CEMENTACIÓN La base del proceso de cementación es
electrometalúrgica. El potencial de reducción del cobre (II) es 0,34v, mientras que el de hierro (II) es de -0,41v, por lo que la reacción:
tiene un potencial estándar de 0,75v que da una energía libre negativa, muy favorable a un desplazamiento de esa reacción a la derecha.
La reducción del cobre se realiza en celdas, tanques o precipitadores cónicos especiales.
El precipitado, cobre cementado, es un cobre impuro de un 50-90% de riqueza que precisa un posterior afino térmico. El cobre cementado, cuando está relativamente puro, puede utilizarse como materia prima para la producción de sulfato de cobre.
EXTRACCIÓN CON SOLVENTES ORGÁNICOS
La extracción con solventes orgánicos permite, mediante el paso de cobre a una solución orgánica, concentrar la solución acuosa con un proceso posterior de reextracción. La nueva solución se habrá concentrado entre 10 y 50 veces eliminando las impurezas según el grado de selectividad del extractante orgánico utilizado.
Existen varios grupos importantes de compuestos químicos orgánicos para el proceso de extracción con solventes, por ejemplo: los reactivos tipo LIX, los tipo KELEX, los ACORGA, etc. hasta más de 30 para el cobre. Estos compuestos son salicilaldoximas y ketoximas.
La base del proceso para un reactivo orgánico tipo LIX está en la reacción reversible, donde R representa a un radical orgánico:
Una vez extraído el metal a la fase orgánica, la reextracción se produce con un contacto del solvente con una solución a pH fuerte (electrolito de retorno).
El proceso se apoya en que las soluciones acuosas y orgánicas son inmiscibles.
RECUPERACIÓN DE COBRE A PARTIR DE SOLUCIONES CONCENTRADAS DE LIXIVIACIÓN
PRECIPITACIÓN POR ELECTRÓLISIS O ELECTRORECUPERACIÓN
La deposición electrolítica del cobre a partir de soluciones de lixiviación ricas consiste en la reducción del cobre sobre hojas catódicas de inicio y con ánodos inertes. La reacción catódica es la misma que la de afino electrolítico:
La reacción anódica es la correspondiente a la descomposición del agua, con producción de oxígeno y protones:
.
El ácido que se forma se retorna a la lixiviación o al circuito de extracción. Los ánodos son insolubles y no se forman lodos anódicos. Normalmente, se fabrican en plomo aleado, aunque se pueden hacer de titanio platinado, pues disminuyen el potencial de oxígeno, lo que permite reducir el potencial de la reacción de formación gaseosa y aumentar el rendimiento de la corriente hasta un 90%.
La tensión de la celda es de –0,89v. A este potencial teórico hay que sumar los sobrepotenciales de oxígeno-gas (0,5v), del cobre (0,05v) y la caída Ohmica, por lo que se aproxima a los 2v. El consumo de la electrorecuperación es de más de 2.000kWh/Mg, frente a los 300 del afino.
Las plantas de electrorecuperación se construyen, se equipan y se operan de forma similar a las de afino electrolítico. Su capacidad de producción, sin embargo, es relativamente menor.
Cristian González
Manuel González Vital
