Metalurgia Extractiva de Minerales SUlfurados de Cobre

PROCESAMIENTO PIROMETALÚRGICO

DE MINERALES SULFURADOS

CASO: COBRE

¿Cómo encontramos el cobre?¿Cómo encontramos el cobre?

• Cu asociado a:– Azufre (sulfurados)

• Calcopirita CuFeS2

• Bornita Cu5FeS4

• Calcocita Cu2S• Covelina CuS

– Oxígeno (oxidados)• Tenorita CuO• Cuprita Cu2O• Malaquita CuCO3·Cu(OH)2

Minerales Sulfurados (vía pirometalúrgica)Minerales Sulfurados (vía pirometalúrgica)

Ley 0.5-1 % Cu

Conminución

Flotación

Concentrados (20-30% Cu)

Electrorrefinación

Fusión enReverbero

Secado o

Tostación

Secado Secado Secado

Fusión enHorno Flash

FusiónConversión Fusión Directa

ConversiónRefinación a fuegoEje (35-70% Cu)

MB (70-75% Cu) Cobre Blister(99% Cu)

Ánodos

Cátodos

(99.5 % Cu)

Flowsheet pirometalúrgico típicoFlowsheet pirometalúrgico típico

Fusión

Secado

Conversión

Pirorrefinación

Electrorrefinación

Cátodos

Moldeo

Concentrados húmedos

Concentrados húmedos

Eje / metal blanco

Cobre blister

Anodos

Concentrados secos

Fusión- Conversión

Electrolito Barros anódicos

GasesEscoria

Eje / metal blancoGasesEscoria

Escoria


• Conminución (chancado y molienda)• Flotación con espuma• Fusión del concentrado a mate• Conversión del mate fundido a cobre blister• Refinación a fuego (ánodos)• Electrorefinación (cátodos)

Concentración de minerales sulfuradosConcentración de minerales sulfurados

• Baja ley de cobre (0.5 – 1% Cu) no permite la fusión directa del mineral.

• Etapas de concentración previa a la fusión.

Conminución: chancado y molienda que aseguren la liberación del mineral.

Clasificación por tamaño. Separación física de las partículas

de mineral por flotación con espuma.

ChancadoPrimario

Secundario

ClasificaciónHarneros

Molienda ClasificaciónHidrociclones

FlotaciónRougher-

Scavenger

Cleaner

Re-cleaner

Concentrado25 – 30% Cu

Objetivo: reducir el tamaño de las partículas de mineral para alcanzar la máxima liberación de la mena desde la ganga.

•La máxima liberación debe considerar el menor costo asociado así como también un tamaño adecuado para las operaciones posteriores (10-100m).

• Una excesiva cantidad de partículas finas tienden a formar lodo que cubre las partículas de cobre

• Partículas excesivamente grandes enmascaran el cobre inhibiendo su flotación

ConminuciónConminución

Conminución: ChancadoConminución: Chancado

Mandíbulas Cono Rodillo

Clasficación: HarnerosClasficación: Harneros

Conminución: ChancadoConminución: Chancado

Equipo Tamaño Operación Alimentación Tamaño alimentación

Tamaño producto

Capacidad(ton/hr)

Chancadora Giratoria

3 m diámetro2 m largo

Mov. Eccentrico Fzas. compresiva sobre el mineral

Mineral 1m 20 cm 3000

Molienda semiautógena

11 m diámetro

5 m longitud

Molienda húmeda, trozos de mineral en

cascada 10% v/v bolas

Producto del chancador giratorio

20 cm 1-2 cm 100-1500

Molienda autógena

10 m diámetro

4 m longitud

Molienda húmeda, trozos de mineral en

cascada(10-20 rpm)

Producto del chancador giratorio

20 cm 1-2 cm 500-1000

Molino de bolas

5 m diámetro8 m longitudBolas 5-10

cm

Molienda húmeda en cascada entre el

medio de molienda y el mineral

(10-20 rpm)

Producto de la molienda

autógena o SAG

1-2 cm 100 μm 500-1000

Hidrociclón ¾ m diámetro

2 m longitud

Separación centrífuga

Descarga del circuito de molienda

100 μm 200

Celdas de flotación

15 m3 a 100 m3

Flotación del mineral de cobre generando

un overflow

Overflow del hidrociclón

100 μm

Conminución: MoliendaConminución: Molienda

• Autógena (sin medio de molienda) • Semi-autógena (0.1 m3 de bolas 10%

volumen)• Molino de barras ( 2,5 – 15 cm)• Molino de bolas

• 5-10 cm• 1/3 volumen• Consumo bolas 0.2 kg/ton

• Los mecanismos de fractura son: compresión con las paredes del molino, abrasión y desgaste entre partículas y medios de molienda, e impacto durante la caída de ambos durante el giro del molino.

• 75% sólidos

Conminución: Molino de barrasConminución: Molino de barras

Conminución: Molino de bolasConminución: Molino de bolas

Conminución: Molino de bolasConminución: Molino de bolas

Conminución: Molinos de bolas y SAGConminución: Molinos de bolas y SAG

Clasificación: HidrociclonesClasificación: Hidrociclones

• Asegurar que las partículas en el producto tengan el tamaño adecuado para la etapa posterior de flotación

• Las partículas más gruesas son recirculadas en el circuito para remolienda.

• El flujo entra tangencial al hidrociclón generando un movimiento rotacional dentro del ciclón. Esto genera una fuerza centrífuga que empuja las partículas de mineral hacia las paredes del ciclón.

• El tamaño de las partículas se puede controlar ajustando el % sólidos.

Fracción bajotamaño

Fracción sobretamaño

Vórtex

Ápex

Pulpa

Clasificación: HidrociclonesClasificación: Hidrociclones

Concentración: FlotaciónConcentración: Flotación• Proceso basado en las propiedades

superficiales de los sólidos. En particular, la adherencia de las partículas sólidas en suspensión a las burbujas de aire concentrándose en la superficie del agua en forma de espuma.

• Minerales hidrofóbicos naturalmente: grafito, azufre.

• Colector: compuesto orgánico con una molécula compuesta por una parte no polar y otro grupo polar. Este se adsorbe sobre la superficie iónica del mineral y el grupo no polar se dirige hacia el exterior haciendo que sólido tenga un comportamiento hidrofóbico.

• Espumante: estabilizador de espuma • Acondicionador de pH (CaO)• Acondicionamiento de la pulpa mineral bajo

el principio de hidrofobicidad• Paso de un flujo de aire a la forma de

pequeñas burbujas (~0.5 mm) a través de la pulpa

• Se obtienen recuperaciones de ~90% del mineral sulfurado y ~25 a 30% Cu

• Tamaño máximo de partículas• Tiempo de residencia en las celdas de

flotación• Reactivos acondicionadores (dosis y

composición adecuados)

Concentración: FlotaciónConcentración: Flotación


• Conminución (chancado y molienda)• Flotación con espuma• Fusión del concentrado a mate• Conversión del mate fundido a cobre blister• Refinación a fuego (ánodos)• Electrorefinación (cátodos)


Se considera una etapa preparatoria del concentrado, es decir una etapa previa a la fusión.El secado ha ganado importancia debido a las altas exigencias dehumedad en el concentrado en los nuevos procesos flash y algunastécnicas de producción directa de cobre blister.La fusión Flash INCO y Outokumpu (< 0,2%) consideran el secado de concentrado en un secador rotatorio (vapor indirecto).

4X38 m


La etapa de fusión tiene por objetivo la formación de dos fases líquidas, una sulfurada e idealmente conteniendo todo el cobre presente en el concentrado y la otra fase oxidada idealmente exenta de cobre.

La fase oxidada llamada escoria caracterizada y descartada directamente o enviada posteriormente a una etapa de recuperación de cobre en caso de tener un alto contenido de este elemento.

La fase sulfurada y rica en cobre es enviada a una etapa posterior de conversión por oxidación.

El proceso de fusión ocurre a temperatura del orden de 1200°C en un sistema fundido, con suspensión de partículas sólidas en el baño, correspondiente a partículas con alto punto de fusión (sílice, magnetita y otros).


La reacción de fusión se puede representar por:Concentrado + Fundentes + Energía Mata + Escoria + Gas

Mata : Cu2S, FeSEscoria : FeO, Fe3O4, SiO2, Al2O3, CaO

, MgO, Cu2O, otrosGas : O2, SO2, N2, CO, CO2, otros

Fusión1250°C

Concentrado 25-30%Cu

AireO2

SiO2

Recirculación

Escoria 1220°C~1%Cu

Salida de gases y polvos1250°C

Recuperación de calor(caldera)

remoción de polvos (pp electrostático) y planta de ácido

Eje 1200°C40-70%Cu

Conversión


La fusión tiene por objetivo transformar el mineral sulfurado en un concentrado de cobre sólido por medio de oxidación de la carga. Para la oxidación se utiliza oxígeno el que es alimentado como aire enriquecido.

Las principales reacciones de fusión de cobre a mate son:

CuFeS2 + O2 Cu-Fe-S + FeO + SO2concentrado aire y O2 eje (40-70%Cu) gas

FeS2 + 5/2 O2 FeO + 2SO2impureza

FeO + SiO2 FeO.SiO2adición escoria

3FeO + 1/2 O2 Fe3O4

La estrategia de fusión considera muchos parámetros, sin embargo, uno de los más importantes es entre la ley del mate y la recuperación.

Exotérmicas


Un alto contenido de O2 permite oxidar una gran cantidad de Fe obteniéndose un eje de alta ley.Si el contenido de O2 es demasiado alto puede ocurrir que parte del cobre vaya a la escoria de acuerdo a la siguiente reacción:

Cu2S + 3/2 O2 Cu2O + SO2

Existe entonces una adición de O2 óptimo para producir una ley de mate aceptable sin generar pérdidas significativas de cobre en la escoria.

Otro tipo de reacciones que pueden generar pérdidas de cobre es la asociada a un alto contenido de FeO en la escoria el que reaccionará con el Cu2S en el mate de acuerdo a :

FeO + Cu2S Cu2O + FeSescoria eje escoria eje

Esta reacción es poco favorable termodinámicamente a la temperatura de fusión (KE 10-4), sin embargo, una alta actividad de FeO en la escoria y una baja actividad del FeS en el mate genera una alta actividad de Cu2O en la escoria.

Esto ocurre si se oxida una alto porcentaje del Fe presente en el concentrado.


Si la actividad del FeO en la escoria es muy alta este reacciona con O2 para formar magnetita sólida de acuerdo a:

3FeO + O2 Fe3O4

Se debe entonces disminuir aFeO en la escoria. Para ello se adiciona sílice, la que reacciona con wustita para formar fayalita:

2FeO + SiO2 2FeO·SiO2

•La viscosidad de la escoria fundida aumenta a medida que aumenta el contenido de sílice, dificultando su manejo reduciendo además la tasa de sedimentación del eje a través de la escoria.•Si las partículas de eje no sedimentan fácilmente, permanecerán atrapadas en la escoria durante el sangrado, aumentando las pérdidas de cobre en la escoria.

•Un adecuado nivel de FeO y SiO2 debe considerar los aspectos anteriores.


Contacto partículas de concentrado y fundente con aire enriquecido en oxígeno dentro del horno.

•Oxidación del mineral sulfurado•Rx. Exotérmicas

Sedimentación del eje a través de la capa de escoriaLa mayoría de los reactores cuentan con una zona de poca turbulencia paraestos efectos.

Sangrado periódico del eje y escoria a través de canales separados.La alimentación al horno es continua pero el sangrado es batch.


Distribución estimada de impurezas en la fusión flash de un eje con 55%Cu (Steinhauser et al., 1984)

El material volátil es condensado y recirculado al horno.


Fusión en suspensión

Constituye aproximadamente 50% de la fusión de cobre Proceso continuo y autógeno desde el punto de vista energértico Producto de la fusión flash

– Eje Cu-Fe-S 65% Cu – Escoria fayalítica 1 a 2 %Cu– Polvos (pp electrostático) y gases (planta de ácido) de salida 30 a

70%SO2

Flash Outokumpu 30 (Chuquicamata-Chagres) Flash INCO 5

Minerales Sulfurados: FusiónMinerales Sulfurados: Fusión

• 18x6x2m

• (1500 ton concen./día)

• Quemadores de concentrado (1-4)

• Cámara de reacción

• Sedimentador

• Canales de sangrados refigerados

• Salida de gases


Fusión en baño


Minerales Sulfurados: ConversiónMinerales Sulfurados: Conversión

La conversión de cobre consiste en la oxidación del eje proveniente de fusión.

Se produce la remoción del Fe y S del eje obteniéndose un cobre blister de alta pureza (99% Cu).

El proceso es autógeno, se utiliza el calor generado por las reacciones de oxidación del Fe y S.

La conversión de cobre se lleva a cabo en dos etapas debido a la mayor afinidad que presenta el Fe por el oxígeno.


La primera etapa de conversión o también denominado primer primer soplado,soplado, corresponde a la oxidación del Fe según:

FeS(l) + 3/2 O2(g)FeO(l)+SO2(g)

El producto formado FeO es escorificado con sílice para obtener fayalita (más estable) 2FeO.SiO2.

La segunda etapa o segundo soplado consiste de la oxidación del Cu2S para formar cobre blister y SO2:

Cu2S(l) + O2(g)2Cu(l) + SO2(g)


La reacción:

FeS(l)+Cu2O(l) Cu2S(l)+FeO(l)

Gº1500ºK =-317120 cal/mol, con lo que la reacción tiende a desplazarse hacia la derecha, es decir, son más estables los productos que los reactivos.


Mezcla gas/Cu2S-Cu-Cu2O

Cuº

N2/SO2

4 m de diámetro X 11 m de longitudAcero, ladrillo refractario de magnesita cromoCapacidad 300-700ton eje/díaCapacidad de producción 200-600 ton cobre/díaSoplado de aire con O2 enriquecido a 600 Nm3/min P =1.2 atmEntrada del eje 0.5 a 1 m bajo la superficie de las toberas

Minerales Sulfurados: RefinoMinerales Sulfurados: Refino

El cobre blister obtenido como producto en la etapa de conversión seráposteriormente electrorrefinado para obtener càtodos de alta pureza (99.99% Cu).La electrorrefinación requiere la obtención de ánodos los que deben principalmente cumplir algunos requerimientos:

–Buenas propiedades mecánicas (estabilidad en las celdas)–Estructura de solidificación sin defectos (requerimientos de diseño)

Las impurezas presentes pueden influir negativamente en estos requerimientos principalmente en lo que se refiere al S y O (desde conversión).

Reducir impurezas S 200 ppm < 20 ppmO 2000 ppm < 1000 ppm

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