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METALURGIA DEL COBRE 1. ANTECEDENTES Cerca de la costa israelita del Golfo de Aqabah, y cerca de la ciudad de Eilat, hay un valle, el valle de Timna, un lugar caluroso, seco y que es muy posible que sea la cuna misma de la industria del cobre. Cerca de 30 años atrás, una expedición arqueológica en Timna, encontró los restos de una Fundición que data de 6.000 años. Esto es, se tiene una historia de 6.000 años de producción de cobre en el mundo. Revisemos brevemente los pasos de la industria del cobre: éste fue tan importante, que se ha nominado por su causa a una etapa entera de nuestra civilización: la edad del Cobre. Como industria, sin embargo, sólo emerge en el siglo XVI. Pocos años después de la muerte del rey Enrique VIII, se formaron 2 grandes compañías de cobre en Inglaterra. Incluso hasta los comienzos del siglo XIX, Inglaterra fue el principal productor de cobre primario del mundo: cerca de tres cuartas partes de la producción de cobre del mundo venía de las Islas Británicas, gran parte del cual era extraído de minas inglesas. La elevada industrialización en Europa causó un incremento en la búsqueda de depósito de cobre en Japón, Rusia y Chile, y posteriormente en Norteamérica y Australia, sin embargo, hasta la mitad del siglo XIX, Inglaterra era aún el primer productor de cobre del mundo, con un 80% de la producción total mundial. Entre 1860 y 1875, Chile sobrepasó a Inglaterra y pasó a ser el primer productor de cobre del mundo. Sólo en 1880, EE.UU. vino a sobrepasar a Chile. Examinemos ahora cómo ha variado el consumo del metal con los años, para ver si la industria es realmente madura. En 1810 la producción mundial fue de 16.000 t/año, menos de la tercera parte de los que Chile usa hoy al año. En 1860 la producción aumentó a 100.000 t/año en 1910 se llegó a 1 millón t/año, la producción mundial actual es cercana a 15.000.000 t/año. Si consideramos que en los casi 6.000 años antes de 1910, la producción mundial total fue menos de 5 millones de tonelada, se puede ver que ahora se consume casi el doble de eso cada año. 2. ASPECTOS GENERALES Su número atómico es 29 y se encuentra en el grupo 11 de la tabla periódica. El Cobre ocupa el lugar 25 en abundancia en la corteza terrestre. También se encuentra mezclado con otros metales como Oro, Plata, Bismuto y Plomo, y como Sulfuros, Sulfatos, carbonatos y Óxidos minerales. 2.1 GEOLOGÍADE LOS YACIMIENTOS DE COBRE El cobre se extrae de explotaciones a cielo abierto y minas subterráneas, dependiendo de la ley del mineral y de la naturaleza del yacimiento de éste. 2.2 PROPIEDADES Es un metal de color rojizo característico que cristaliza en el sistema cúbico centrado en las caras. El cobre puro es un metal relativamente blando, se presta fácilmente al tratamiento mecánico y al laminado, Se usa en una amplia variedad de aplicaciones a causa de muchas propiedades deseables como: Conductividad eléctrica y calorífica Resistencia a la corrosión Maleabilidad Ductilidad Tiene poca actividad química Únicamente se oxida en el aire húmedo muy lentamente, recubriéndose de una capa de carbonato básico que lo protege de la corrosión posterior. El Cobre forma dos series de compuestos químicos: cuprosos, en los que el | Cobre tiene valencia +1, y cúpricos, en los que tiene valencia +2. Los compuestos cuprosos se oxidan fácilmente a cúpricos, en muchos casos por solo exposición al aire y son de poca importancia industrial; los compuestos cúpricos son estables. Sus propiedades han hecho de él un material pionero e insustituible en el transporte de la energía, la electrónica, la fabricación de bienes de equipo y maquinaria industrial, la industria del transporte y del automóvil. Es 100% reciclable. 2.3 USOS Y ALEACIONES Tubería de cobre: En la industria automotriz, refrigeración, agroindustria, industria de la construcción, etc. Las sales de cobre como el sulfato y oxicloruro de cobre se emplean como fungicida en agricultura y el óxido cuproso como base de ciertas pinturas. Las aleaciones de cobre: Los latones son aleaciones de cobre con zinc, se utilizan para cartuchos de municiones, en la industria automotriz (en los radiadores), ferretería, accesorios para plomería, joyería de fantasía, intercambiadores de calor, estuches para lápiz labial, polveras, etc. En la industria de las comunicaciones y manufacturera: Por su elevada conductividad eléctrica se utiliza mayormente en la fabricación de conductores eléctricos (cables eléctricos). Los bronces son aleaciones de cobre con estaño fundamentalmente, con adiciones de otros elementos en menor proporción tales como plomo, níquel, etc. 3. MATERIA PRIMA 3.1 Las materias primas utilizadas en el procesamiento del cobre por hidrometalurgia son minerales oxidados. Los minerales oxidados de cobre se originan en la descomposición y oxidación de los minerales sulfurados. Fueron los primeros minerales explotados. Los principales minerales oxidados son la malaquita (Cu2CO3(OH)2), la azurita (Cu3(CO3)2(OH)2), la crisocola ((Cu,Al)4H4(OH)8Si4O10·nH2O), la cuprita (Cu2O) y la brochantita (Cu4SO4(OH)6). 3.2 Las materias primas utilizadas en el procesamiento del cobre por pirometalurgia son minerales sulfurados. Los minerales más comunes encontrados en los concentrados de cobre son: la calcopirita (CuFeS2) y la pirita (FeS2), aunque pueden estar presentes otros minerales como la bornita (Cu5FeS4), calcosita (Cu2S) y covelina (CuS). Químicamente los concentrados fundidos, contienen 20 - 30% de Cu, 25 - 35% de Fe y 25 - 35% de azufre. 4. SUBPRODUCTOS 5. PRODUCTOS DE DESECHO 6. PROCESO DE OBTENCIÓN DEL COBRE Método de Hidrometalurgia (por lixiviación): Si el contenido de Cobre es superior al 3%. Representa el 20% de la producción. Método de Pirometalurgia (por fundición): Si está comprendido entre 0,3%, y 3%. Representa el 80% de la producción. 6.1 Método de Hidrometalurgia También llamada lixiviación, consiste en la separación del metal o metales beneficiables con un disolvente selectivo que no ataque a la ganga o material residual y disuelve el metal. 6.1.1 Operaciones de preparación del mineral a. Trituración El fin de la trituración es reducir considerablemente el tamaño de las rocas extraídas de las minas, previo a la molienda. Los pasos o cantidad de trituradoras utilizadas dependen del tamaño de las rocas. Al finalizar el proceso de trituración las rocas son inspeccionadas y las que no cumplan con el tamaño deseado so reintroducidas al proceso y las que si pasan al proceso de molienda. b. Molienda El objetivo principal de la molienda es el de reducir el tamaño del mineral a un tamaño de 10% a 60%, aproximadamente 200 mallas, con esto se asegura una liberación de los elementos de valor económico en la MENA. Los tipos de molinos pueden variar, pero comúnmente se utilizan los molinos de bolas o barras. Con esto se logra un material en óptimas condiciones para que se lleve a cabo el proceso de concentración o flotación. 6.1.2 Lixiviación Operación en la que tiene lugar el ataque químico, en fase acuosa, del metal valioso contenido en la mena mineral. Puede ser ácida, básica o neutra dependiendo del carácter del reactivo químico utilizado, que a su vez es función de la ganga del mineral. Tiene por objetivo la obtención del cobre de los minerales oxidados que lo contienen, aplicando una disolución de ácido sulfúrico y agua. Este proceso se basa en que los minerales oxidados son sensibles al ataque de disoluciones ácidas. Se realiza mediante el “heap leaching” (lixiviación en pilas), consistente en el apilamiento de grandes cantidades de minerales que se riegan con disoluciones diluidas de ácido sulfúrico formando unadisolución de sulfato de cobre (CuSO4). Estas pilas se realizan encima de superficies previamente impermeabilizadas y preparadas para recoger todo el líquido procedente de la lixiviación, que contienen óxidos de cobre así como sulfuros. Este proceso se alarga durante meses o incluso años hasta que se agota el cobre de la pila de material. De la lixiviación se obtienen disoluciones de sulfato de cobre con concentraciones de hasta 9 g/l de cobre. Existen seis métodos para la lixiviación de minerales de cobre: Lixiviación in situ Lixiviación en botaderos (dump leaching) Lixiviación en pilas (heap leaching) Lixiviación TL Lixiviación por percolación (vat leaching) Lixiviación por agitación. LIXIVIACIÓN IN SITU Es la lixiviación de residuos fragmentados en minas abandonadas (In Place Leaching) oa la lixiviación de yacimientos que no se pueden explotar en forma convencional, ya seapor motivos técnicos y/o económicos, en este caso se riega el yacimiento “en el mismolugar“, evitándose costos de extracción mina y de transporte. Este tipo de lixiviación secaracteriza pos bajos costos de inversión y de operación. Para aplicar este tipo de procesos se requiere efectuar estudios geológicos,hidrológicos y metalúrgicos. Para el caso del cobre, este método se justifica conreservas por sobre 100 millones de toneladas, con una ley de 0.5%, obteniéndose unaproducción aproximada a 20000 t de cátodos/año. LIXIVIACIÓN EN BOTADEROS La lixiviación en Botaderos consiste en lixiviar desmontes o sobrecarga de minas de tajoabierto, los que debido a sus bajas leyes (menores de 0.4%) no pueden tratarse pormétodos convencionales. Estos materiales se han ido acumulando a través de los añosa un ritmo que en algunos casos pueden ser de varios cientos de miles de tonelada aldía. La mayoría de los botaderos se construyen en áreas adecuadas cerca de la mina.Este tipo de procesos no requiere inversión en Mina ni tiene costos asociados atransporte, lo que los hace ser proyectos atractivos del punto de vista económico. LIXIVIACIÓN EN PILAS Este método se aplica a minerales de cobre oxidados y a minerales mixtos de cobre de baja ley. Desde la década de los ochenta se ha incorporado un proceso de aglomeración y curado con el objetivo de mejorar las cualidades físicas del lecho poroso y producir la sulfatación del cobre presente en la mena. La aglomeración de partículas finas y gruesas con la adición de agua y ácido concentrado pasó a constituir una operación unitaria de gran importancia en la lixiviación en pilas, pues, como pretratamiento previo a la lixiviación en lecho irrigado tiene los siguientes objetivos: Uniformar el tamaño de partículas, ligando los finos a los gruesos, evitando elcomportamiento indeseable de un amplio rango de distribución de tamaños. Homogenizar la porosidad de un lecho de partículas e incrementarla. Optimizar la permeabilidad de un lecho y la consiguiente operación de lixiviaciónmediante la aglomeración. Facilitar el tratamiento por lixiviación, con los propósitos de disminuir los costos deinversión y operación del proceso extractivo. En el caso del cobre la aglomeración se realiza agregando solamente la fase líquidahumectante ya sea: Agua. Soluciones diluidas. Agua-H2SO4 concentrado. Lo característico, de este ataque o digestión es la concentración elevada del ácido impregnante, la concentración del ácido oscila entre 200 a 1000 gpl con dosificaciones en el rango de 30 a 80 Kg ácido/TM de mineral.El ácido agregado, desempeña variasfunciones: Sulfatar los minerales de cobre y permitir su afloramiento por capilaridad inversa. Fracturar químicamente la roca matriz creando mayores vías de ataque y penetración. Reaccionar inevitablemente con la ganga disolviendo ciertas substancias no útiles. Generar calor en el aglomerado, por reacciones exotérmicas y calor desprendido por dilución del ácido concentrado. Exhibir en el humectante un mayor potencial oxidante. Existen diferentes formas y equipos para efectuar la aglomeración, y dentro de los másutilizados se puede mencionar: tambor rotatorio, disco peletizador, correatransportadora y aglomerado manual. La manera más eficiente de hacerlo es usando untambor rotatorio con una inclinación adecuada en el sentido del flujo de sólidos. El agua y el ácido sulfúrico se agregan mediante duchas o chorros, también en la parteposterior del tambor. Concentración y Dosificación de ácido sulfúrico, la concentración de ácido sulfúrico esel que otorga la capacidad de carga a la solución lixiviante. En efecto, a mayorconcentración de ácido sulfúrico, disminuye el pH y aumenta la disolución del sulfato decobre y se sulfata el cobre remanente. Este ácido inyectado en la alimentación se vaconsumiendo en el recorrido a través del reactor, éste consumo de ácido se debe areacciones químicas tanto con la ganga como con restos de cobre que no reaccionaronen la etapa de curado, provocando un aumento del pH, que a su vez puede provocar laprecipitación de sales. La dosificación de ácido en esta etapa queda determinada por lacombinación óptima del flujo y la concentración alimentada. 6.1.3 Purificación y/o concentración Operación que se realiza sobre la disolución obtenida en la etapa anterior de lixiviación. El objetivo de esta operación es retirar determinadas impurezas de la disolución antes de que ésta sea sometida a la etapa siguiente de precipitación. Se suele realizar mediante los siguientes métodos: Métodos químicos de precipitación. Cementación (reacción de desplazamiento similar a la metalotermia pero en fase acuosa). Utilizando cualquiera de las reacciones de la química convencional que sirven para retirar un metal de una fase acuosa. Extracción con disolventes (en el caso de disoluciones muy diluidas). Separación con resinas de intercambio iónico (en el caso de disoluciones muy diluidas). Las disoluciones obtenidas en la etapa anterior de lixiviación no contienen suficiente cobre, por lo que se extrae este cobre con disolventes orgánicos para separarlo de otras impurezas. A posteriori se extrae una disolución concentrada de cobre de estos disolventes. Mediante la extracción con disolventes se obtienen disoluciones de sulfato de cobre con concentraciones de hasta 45 g/l de cobre. Una de las técnicas más utilizadas en la actualidad corresponde a la extracción por solventes. La extracción líquido-líquido o extracción por solventes es un proceso que implica el paso de una serie de metales disueltos en forma de iones en una fase acuosa a otra fase líquida, inmiscible con ella, conocida como fase orgánica. Durante el contacto líquido-líquido se produce un equilibrio en el cual las especies en solución se distribuyen en las fases acuosas y orgánicas de acuerdo a sus respectivas solubilidades. En la extracción líquido-líquido se ponen en contacto dos fases líquidas inmiscibles deforma tal que los componentes del sistema se distribuyen entre ambas fases, yaprovechando estas propiedades de distribución se logran los objetivos perseguidos depurificación, concentración y separación. Un proceso de extracción por solventes tieneconstaesencialmente de dos etapas: extracción y reextracción. 6.1.4 Precipitación El objetivo de esta operación es separar el metal valioso de la disolución, en forma elemental (casi siempre) o en forma oxidada (en raras ocasiones). Se suele realizar mediante los siguientes métodos: Electrólisis (como es el caso del cobre). Cementación (como es el caso de las disoluciones cianuradas de oro). Métodos convencionales de química, como por ejemplo, la precipitación de metales con hidrógeno gaseoso a presión y temperaturas altas (como es el caso del níquel y el cobre). La disolución resultanteen la etapa anterior de purificación/concentración se electroliza en grandes plantas con cátodos de acero inoxidable y ánodos inertes de plomo-antimonio. Finalizada la electrólisis se extrae cobre sólido del 99,99% de pureza. Esta última electrólisis tiene elevado coste energético. DIAGRAMA DE BLOQUES MATERIA PRIMA TRITURACION LIXIVIACION MOLIENDA CONCENTRACION PRECIPITACION Minerales con óxidos de cobre Solución de h2so4 Solventes orgánicos (aldoxima y citoxima) Agua 6.2 Método de Pirometalurgia El procedimiento por vía seca concentra a la mayor parte del cobre y metales preciosos en un concentrado llamado mata. Se trata principalmente de extraer el metal del mineral, eliminar la ganga del mineral y purificar los metales. 6.2.1 Operaciones de preparación del mineral c. Trituración El fin de la trituración es reducir considerablemente el tamaño de las rocas extraídas de las minas, previo a la molienda. Los pasos o cantidad de trituradoras utilizadas dependen del tamaño de las rocas. Al finalizar el proceso de trituración las rocas son inspeccionadas y las que no cumplan con el tamaño deseado so reintroducidas al proceso y las que si pasan al proceso de molienda. d. Molienda El objetivo principal de la molienda es el de reducir el tamaño del mineral a un tamaño de 10% a 60%, aproximadamente 200 mallas, con esto se asegura una liberación de los elementos de valor económico en la MENA. Los tipos de molinos pueden variar, pero comúnmente se utilizan los molinos de bolas o barras. Con esto se logra un material en óptimas condiciones para que se lleve a cabo el proceso de concentración o flotación. e. Concentración y Flotación Aquí se separa la ganga del mineral, es importante mencionar que el mineral de cobre y la ganga son parte de la MENA, por lo tanto es una cola de la MENA. El número de tanques de acondicionamiento para la concentración puede variar. En el proceso se utilizan depresores, activantes y espumantes. Los depresores son reactivos químicos iónicos que recubren las partículas y las llevan al fondo del tanque. Los espumantes son un tipo de jabón que forma espuma. Los activantes cubren solo al mineral que se quiere separar e impide que este se moje, por lo que flota hasta la espuma en la parte superior del tanque. Esta espuma es sacada del tanque, para luego ser filtrada. El 90% de las menas de Cobre sulfuradas, se concentran por procedimiento de flotación, mediante la adición de productos químicos como el isopropil, el cianuro sódico y la cal. f. Filtrado En este proceso el mineral extraído de la espuma en el proceso de concentración es separado de la misma. Existen varios tipos de filtros, de disco, de Dor Oliver, etc. 6.2.2 DIAGRAMA DE BLOQUES PIROMETALURGIA MATERIA PRIMA TRITURACION PRIMARIA TRITURACION SECUNDARIA MOLIENDA Roca extraída (minerales con sulfuros de cobre) Material particulado Mena reducida 203.2mm Mena de 1 cm a 1m de diámetro aprox. Material particulado Partículas de 1.5cm Agua FLOTACION SECADO FUSION CONVERSION REFINACION ELECTROREFINACION CATADOS DE COBRE 6%-8% Humedad. 0.2%-0.3% Humedad T - 180ºC T- 500ºC a 800ºC Cobre Blister (99.0% de cobre) y otras impurezas con SO2 (35%-45%) y dióxido de azufre. T- hasta 1450ºC Cobre anódico con contenido de Cobre de un 99.6% Humedad de 6%-8% Mineral 150-170 micras Agua Aditivos Aire 25-26% de cobre 7. BALANCE DE MATERIA 8. PROBLEMAS AMBIENTALES 9. TECNOLOGÍAS NUEVAS 10. CONCLUSIONES
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