idoc pub_metalurgia-del-cobre

Vista previa del material en texto

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