La producción de cobre a partir de minerales de óxidos y sulfurados será analizada mediante el siguiente S.I.P.Q

1) Materias Primas 1 14

a) Origen:

Los minerales sulfurados de cobre constituyen el 80% de la extracción total de este, el 20% lo constituyen los minerales de óxidos. Y a un nivel global, la calcopirita es la materia prima más usada en la industria.

Los principales minerales de óxidos de cobre son la Malaquita (Cu2(OH)2CO3), Azurita (Cu3(OH)2(CO3)2), Crisolcola(CuSiO3 2H2O), Cuprita (Cu2O), Tenorita (CuO) y Calcantita (CuSO4 5H2O)

Los principales minerales de sulfuro de cobre son la Calcopirita (CuFeS2), Calcocita (Cu2S), Covelina (CuS), Bornita (Cu5FeS4), Tetraedrita ((Cu,Fe)12Sb4S13) y Enargita (Cu3AsS4).

La fuente más grande de cobre es del pórfido; depósitos de mineral en el que uno o una combinación de los minerales de los indicados está presente. Un típico mineral sulfurado de cobre contiene varios niveles de tipos de sulfuro de hierro que generalmente incluyen pirita (FeS2) y pirrotina (Fe1-x S). A menudo, el oro y la plata están presentes, los que pueden estar asociados con los sulfuros o están libres. Las partículas de la ganga pueden consistir en una variedad de minerales desde silicato de cuarzo a talco y arcillas.

b) Composición 2: A continuación se adjunta una tabla que muestra la composición de los minerales sulfurados y de óxidos

Mineral Fórmula Apariencia % de CobreCalcocita Cu2S Gris oscuro metálico 80Bornita Cu5FeS4 Café-dorado metálico 63Calcopirita CuFeS2 Amarillo-dorado metálico 35Covelina CuS Azul índigo metálico 66Enargita Cu3AsS4 Blanco plateado con una pátina superficial negra 48Tetraedrita (Cu,Fe)12Sb4S13 Gris muy oscuro metálico 34.8Malaquita Cu2(OH)2CO3 Verde opaco, lustroso 57.5Azurita Cu3(OH)2(CO3)2 Azul claro, lustre adamantino 55Crisolcola CuSiO3 2H2O Verde a azul, a veces pardo. Opaco 36Cuprita Cu2O Rojo, marrón rojo, lustroso y brillante 89Tenorita CuO Gris a negro, terroso 80Calcantita CuSO4 5H2O Azul, lustre vítreo 25.5

c) Cantidades 3: A continuación se adjunta una imagen que muestra los yacimientos de sulfuros de cobre y pórfidos de alrededor del mundo

Imagen 1: Yacimientos de cobre y de pórfidos a nivel mundial

Los puntos en color rojo indican yacimientos de pórfidos y los triángulos en azul indican depósitos de cobre alojados en los sedimentos

El mayor productor de cobre en el mundo empresarial es la empresa estatal chilena Codelco. Codelco produjo 1,76 millones de toneladas de cobre refinado en el 2010, alrededor del 11% de la producción mundial total. Otros grandes productores son Freeport-McMoRan Copper & Gold Inc., BHP Billiton y Xstrata Plc.

d) Costos 4: El precio del mineral sulfurado de cobre es de 480-600 US/Ton.

2) Preparación de materias primas 6

a) Operaciones Involucradas:

Etapa 1: Chancado

El mineral proveniente de la mina presenta una granulometría variada, desde partículas de menos de 1 mm hasta fragmentos mayores que 1 m de diámetro, por lo que el objetivo del chancado es reducir el tamaño de los fragmentos mayores hasta obtener un tamaño uniforme máximo de ½ pulgada (1,2 cm).

Para lograr el tamaño deseado de ½ pulgada, en el proceso del chancado se utiliza la combinación de tres equipos en línea que van reduciendo el tamaño de los fragmentos en etapas, las que se conocen como etapa primaria, etapa secundaria y terciaria.

En la etapa primaria, el chancador primario reduce el tamaño máximo de los fragmentos a pulgadas de diámetro.

En la etapa secundaria, el tamaño del material se reduce a 3 pulgadas.

En la etapa terciaria, el material mineralizado logra llegar finalmente a ½ pulgada.

Etapa 2: La Molienda

Objetivo: Mediante la molienda, se continúa reduciendo el tamaño de las partículas que componen el mineral, para obtener una granulometría máxima de 1 0 micrones (0,18 mm), la que permite finalmente la liberación de la mayor parte de los minerales de cobre en forma de partículas individuales

El proceso de molienda se realiza utilizando grandes equipos giratorios o molinos de forma cilíndrica, en dos formas diferentes: molienda convencional o molienda SAG. En esta etapa, al material mineralizado se le agregan agua en cantidades suficientes para formar un fluido lechoso y los reactivos necesarios para realizar el proceso siguiente que es la flotación.

Hasta aquí para ambos tipos de minerales los tratamientos previos son los mismos

Etapa 3: La Flotación (exclusiva para minerales sulfurosos)

Objetivo: La flotación es un proceso físico-químico que permite la separación de los minerales sulfurados de cobre y otros elementos como el molibdeno, del resto de los minerales que componen la mayor parte de la roca original.

La pulpa proveniente de la molienda, que tiene ya incorporados los reactivos necesarios para la flotación, se introduce en unos receptáculos como piscinas, llamados celdas de flotación. Desde el fondo de las celdas, se hace burbujear aire y se mantiene la mezcla en constante agitación para que el proceso sea intensivo.

Los reactivos que se incorporan en la molienda tienen diferentes naturalezas y cumplen diferentes funciones:

• Reactivos espumantes: tienen como objetivo el producir burbujas resistentes.

• Reactivos colectores: tienen la misión de impregnar las partículas de sulfuros de cobre y de molibdeno para que se separen del agua (efecto hidrófobo)) y se peguen en las burbujas.

• Reactivos depresantes: destinados a provocar el efecto inverso al de los reactivos colectores para evitar la recolección de otros minerales como la pirita, que es un sulfuro que no tiene cobre.

• Otros aditivos: como la cal sirven para estabilizar la acidez de la mezcla en un valor de pH determinado, proporcionando el ambiente adecuado para que ocurra todo el proceso de flotación.

Las burbujas arrastran consigo los minerales sulfurados hacia la superficie, donde rebasan por el borde de la celda hacia canaletas que las conducen hacia estanques especiales, desde donde esta pulpa es enviada a la siguiente etapa.

El proceso es reiterado en varios ciclos, de manera que cada ciclo va produciendo un producto cada vez más concentrado. En uno de estos ciclos, se realiza un proceso especial de flotación para recuperar el molibdeno, cuyo concentrado alcanza una ley de 49% de molibdenita (MoS2).

Luego de varios ciclos en que las burbujas rebasan el borde de las celdas, se obtiene el concentrado, en el cual el contenido de cobre ha sido aumentado desde valores del orden del 1% (originales en la roca) a un valor de hasta 31% de cobre total. El concentrado final es secado mediante filtros y llevado al proceso de fundición se mantiene la mezcla en constante agitación para que el proceso sea intensivo.

b) Equipos Necesarios:

Para el chancado

Se utilizan chancadores que son equipos eléctricos de grandes dimensiones. En estos equipos, los elementos que trituran la roca mediante movimientos vibratorios están construidos de una aleación especial de acero de alta resistencia.

Los chancadores son alimentados por la parte superior y descargan el mineral chancado por su parte inferior a través de una abertura graduada de acuerdo al diámetro requerido. Todo el manejo del mineral en la planta se realiza mediante correas transportadoras, desde la alimentación proveniente de la mina hasta la entrega del mineral chancado a la etapa siguiente.

El chancador primario es el de mayor tamaño (es decir 1 m de ancho por 22 m de alto). En algunas plantas de operaciones, este chancador se ubica en el interior de la mina (cerca de donde se extrae el mineral) como es el caso de la División Andina.

Para los distintos tipos de molienda

a) Molienda convencional: La molienda convencional se realiza en dos etapas, utilizando molino de barras y molino de bolas, respectivamente, aunque en las plantas modernas sólo se utiliza el segundo. En ambos molinos el mineral se mezcla con agua para lograr una molienda homogénea y eficiente. La pulpa obtenida en la molienda es llevada a la etapa siguiente que es la flotación.

b) Molienda de barras: Este equipo tiene en su interior barras de acero de 3.5 pulgadas de diámetro que son los elementos de molienda. El molino gira con el material proveniente del chancador terciario, que llega continuamente por una correa transportadora. El material se va

moliendo por la acción del movimiento de las barras que se encuentran libres y que caen sobre el mineral. El mineral molido continúa el proceso, pasando en línea al molino de bolas.

c) Molienda de bolas: Este molino, cuyas dimensiones son 16 x 24 pies ( es decir, 4.9 m de diámetro por 7.3 m de ancho), está ocupado en un 35% de su capacidad por bolas de acero de 3.5 pulgadas de diámetro, las cuales son los elementos de molienda. En un proceso de aproximadamente 20 minutos, el 80% del mineral es reducido a un tamaño máximo de 180 micrones.

c) Molienda SAG: La instalación de un molino SAG constituye una innovación reciente en algunas plantas. Los molinos SAG (SemiAutóGenos) son equipos de mayores dimensiones (35 x 15 pies, es decir, 11 m de diámetro por 4.6 de ancho) y más eficientes que los anteriores. Gracias a su gran capacidad y eficiencia, acortan el proceso de chancado y molienda.

El mineral se recibe directamente desde el chancador primario (no del terciario como en la molienda convencional) con un tamaño cercado a 8 pulgadas (20 cm, aproximadamente) y se mezcla con agua y cal. Este material es reducido gracias a la acción del mismo material mineralizado presente en partículas de variados tamaños (de ahí su nombre de molienda semi autógena) y por la acción de numerosas bolas de acero, de 5 pulgadas de diámetro, que ocupan el 12% de su capacidad. Dados el tamaño y la forma del molino, estas bolas son lanzadas en caída libre cuando el molino gira, logrando un efecto conjunto de chancado y molienda más efectivo y con menor consumo de energía por lo que, al utilizar este equipo, no se requieren las etapas de chancado secundario ni terciario.

c) Requerimientos energéticos:

Chancador primario7: 118 KW

Molino de barras 8: hasta 600 kW

Molino de bolas 9: hasta 2000 kW

Molino SAG 10: hasta 16000-36000 kW

d) Condiciones de operación (T1, P):

3) Conversión

Para los minerales sulfurosos 4

- Fundición: para separar del concentrado de cobre otros minerales (fierro, azufre y sílice) e impurezas, este es tratado a elevadas temperaturas en hornos especiales. Aquí se obtiene cobre RAF, el que es moldeado en placas llamadas ánodos, que van a electro refinación.

El mineral concentrado se calienta fuertemente con dióxido de silicio (sílica) y aire u oxígeno en un horno u hornos en serie.

El proceso de fusión ocurre a temperatura de 1.200 ºC, en un sistema fundido, con suspensión de partículas sólidas en el baño, correspondiente a compuestos de alto punto de fusión

El iones de cobre (II) en la calcopirita se reducen a sulfuro de cobre (I) (el cuál se reduce nuevamente a metal de cobre en la última etapa

El hierro en la calcopirita termina convertido en escoria de silicato de hierro (II) la cual se remueve

La mayor parte del azufre en la calcopirita se convierte en dióxido de azufre. Este se usa para fabricar ácido sulfúrico mediante el proceso de contacto

La reacción global para esta serie de pasos es:

2CuFe S2+2 SiO2+4O2→Cu2S+2FeSiO3+3SO2 Ec.1

El sulfuro de cobre (I) producido se convierte en cobre con un última ráfaga de aire

Cu2S+O2→2Cu+SO2 Ec.2

Nota: Esta es una versión simplificada del proceso - un intento para condensar todo a dos ecuaciones bastante sencillas. Hay todo tipo de variaciones sobre la extracción, uno de estos tipos de ellos lo hace todo en un solo horno, y las ecuaciones anteriores representan este proceso en particular.

El producto final de esto se llama cobre blíster, una forma porosa y frágil del cobre con un porcentaje de pureza en un rango del 98-99.5%

En la segunda ecuación el sulfuro de cobre (I), el cobre tiene un estado de oxidación de 1 y el azufre de -2

Los estados de oxidación del oxígeno y del cobre elemental son 0

En el dióxido de azufre, el oxígeno tiene un estado de oxidación de -2 y el azufre de +4

Esto significa que el cobre y el oxígeno han sido reducidos (disminución del estado de oxidación). El azufre se ha oxidado (aumentado su estado de oxidación)

El agente reductor es por lo tanto el ion sulfuro en el sulfuro de cobre (I)

En la primera reacción el CuFeS2 se debe saber que el cobre y el hierro tienen un estado de oxidación de +2. El estado de oxidación del silicio no cambia de +4. El cobre se ha reducido de +2 a +1; el oxígeno (en el gas) se ha reducido de 0 a -2 (el oxígeno en el SiO 2 no sufre cambios) y tres de los cuatro sulfuros en la parte izquierda de la reacción se han oxidado de -2 a +4 (el otro no sufre cambios)

Aquí los iones sulfuro están actuando como agentes reductores

Respecto de los gases metalúrgicos primarios producidos en el proceso (ricos en SO2), éstos salen del Horno por una torre refrigerada y pasan a una caldera donde se enfrían hasta alcanzar una temperatura de 350 ºC. Transfieren su calor por radiación y convección a los tubos de la caldera para producir vapor saturado de 60 bar de presión, que se utiliza en múltiples aplicaciones como un medio calefactor en procesos de intercambio de calor. Los gases primarios, limpios en partículas y ricos en SO2, son forzados por un ventilador de tiro inducido y conducido a la Planta de Limpieza de Gases y el dióxido de azufre es utilizado en la producción de ácido sulfúrico. El accionar de este ventilador permite inducir el flujo de gases a través del horno y asegurar que no existirán fugas de gases con contenido de SO2 al entorno.

Para los minerales de óxidos

Lixiviación (exclusiva para minerales de óxidos) 14

Es un proceso hidrometalúrgico, que permite obtener el cobre de los minerales de óxidos que lo contienen, aplicando una mezcla de ácido sulfúrico y agua.

Los minerales de óxidos de cobre pueden disolverse en soluciones de ácido sulfúrico. Una facilidad del uso de la técnica de lixiviación del ácido sulfúrico es la facilidad para recuperar el cobre metálico de la solución.

Las reacciones de lixiviación para mineral específico son:

TenoritaCuO+H 2SO 4→CuSO4+H 2O Ec.3

CupritaCu2O+H 2SO 4→CuSO4+Cu+H 2O Ec.4

Cris ócolaCuSiO3 ∙2H 2O+H 2SO 4→CuSO4+SiO2+H 2OEc.5

AzuritaCu3(OH )2(CO3)2+3H 2SO 4→3CuSO4+2CO2+4H 2O Ec.6

MalaquitaCu2(OH )2CO3+2H 2SO4→2CuSO 4+CO2+3H 2O Ec.7

Los principales métodos de lixiviación son: in situ, dump, heap, vats y por agitación. La selección del método de lixiviación depende de las características físicas y químicas del mineral y los minerales asociados a ser tratados. Los factores importantes son: El grado del mineral, la solubilidad del valor metálico, la cinética de la disolución, el consumo de reactivo, etc.

Lixiviación en situ: Comprende la lixiviación del mineral fracturado en el terreno como se encuentra. El mineral puede ser el residuo dejado de la mina después que ha sido explotado. Este método elimina todo el minado y la manipulación de grandes toneladas de materiales. Comprende la inyección de un disolvente acuoso a través del mineral. Después de pasar a través de este y disolver algunos valores metálicos, la solución impregnada es bombeada para su tratamiento posterior.

Lixiviación en Dump: Es usada para extraer valores metálicos de materiales tal como salen de la mina conteniendo valores metálicos de materiales tal como salen de un yacimiento en proceso de explotación. La materia prima es usualmente el desecho generado durante la operación de minado a cielo abierto en gran escala. Este material es descargado sobre una cancha impermeabilizada y el disolvente acuoso es esparcido sobre la superficie del dump y percola a través del dump por gravedad. La solución impregnada es recolectada en el fondo del dump y se le da un tratamiento posterior. Después de completar el ciclo de lixiviación, el residuo sólido libre del metal es dejado sobre la cancha.

Lixiviación en Vats: Es usada para extraer valores metálicos del mineral chancado de alta ley en un recipiente limitado. El chancado es necesario para permitir un contacto adecuado entre el solvente acuoso y el valor metálico en el mineral. El tamaño del mineral chancado es de 3/8 a ¾ de pulgada. Una planta de lixiviación de vats consiste de un cierto número de vats., cada uno mide de 60 a 175 pies por lado y de 10 a 20 pies de profundidad y equipados con filtros de soluciones especialmente construidos alrededor de las descargas en la base del vats. Los vats usualmente son construidos de concreto reforzado con un revestimiento tal como plástico reforzado.

Si el mineral de cobre oxidado se lixivia agregando constantemente ácido fresco de modo que la concentración de ácido se mantenga constante, y si se toman muestras de concentración de Cu+2

en la solución durante el tiempo de lixiviación se observa la siguiente tendencia:

Imagen 2: Concentración del Cu+2 v/s el tiempo

La concentración de cobre crece en forma parabólica, o sea rápidamente al principio y luego cada vez más lentamente.

Luego la velocidad de lixiviación, que es proporcional a la pendiente d CCu+2/dt (líneas rojas), se ve que disminuye con el tiempo de lixiviación.

Una curva parabólica similar se obtiene cuando se grafica la recuperación de cobre en el tiempo, según se muestra en la imagen Esto es porque la recuperación, de acuerdo a la ecuación 5, es proporcional a la concentración de cobre en solución.

Imagen 3: Porcentaje de recuperación de cobre en función del tiempo

5) Separación y Purificación del producto final 5

Minerales Sulfurosos

Cuando el cobre se fabrica a partir de minerales sulfurosos por el método descrito, el producto que se obtiene es impuro. Primero el cobre blíster se trata para remover todo el azufre remanente (atrapado como burbujas de dióxido de azufre) y luego fundirlo en ánodos para refinación usando electrolisis

La purificación del cobre usa una solución electrolítica de sulfato de cobre (II), ánodos impuros de cobre y tiras de cobre de alta pureza

Imagen 2: ilustración muy simplificada de una celda electroquímica

En el cátodo, los iones de cobre (II) se depositan como cobre

Cu(ac)2+¿+2e→Cu( s)¿ Ec.8

En el ánodo, el cobre pasa a la solución como iones de cobre (II)

Cu(s)→Cu(ac)2+¿+2e ¿ Ec.9

Para todo ión de cobre que se deposita en el cátodo, en teoría otro pasa a la solución desde el ánodo. La concentración debe mantenerse en un valor constante.

Lo que sucede es que existe una transferencia de cobre desde el ánodo al cátodo. El cátodo aumenta de tamaño a medida que se deposita cobre puro; el ánodo gradualmente desaparece.

Cualquier metal en el ánodo impuro el cual está debajo del cobre en las series electroquímica (series reactivas) no pasa a la solución como ion. Se mantiene como un metal y se deposita en el fondo de la celda como barro anódico junto con cualquier resto de material no reactivo del mineral. El barro anódico contendrá metales valiosos como plata y oro.

Los metales debajo del cobre en las series electroquímicas (como el zinc) formarán iones en el ánodo y pasaran a la solución. Sin embargo, no se descargarán en el cátodo siempre que su concentración no sea muy alta.

La concentraciones de iones como el zinc aumentará con en el tiempo, y la concentración de los iones cobre (II) en la solución disminuirá. Para cada ion zinc pasando a la solución habrá un ión menos de cobre que se forme .

La solución de sulfato de cobre tiene que purificarse constantemente para compensar esto.

Minerales de óxidos 12

La electro obtención es un proceso de electrometalurgia mediante el cual se recupera el cobre que se encuentra concentrado en la solución de cobre (CuSO4) con el propósito de producir cátodos de alta pureza de cobre (99,99%), muy cotizados en el mercado.

En este proceso, la solución electrolítica que contiene el cobre en forma de sulfato de cobre (CuSO4), es llevada a las celdas de electro obtención, (especies de pequeñas piscinas) que tienen dispuestas en su interior ánodos (+) y cátodos (-) en orden. El ánodo es una placa de acero inoxidable que corresponde al polo positivo por donde entra la corriente eléctrica. El cátodo, que también es una placa permanente de acero inoxidable, corresponde al polo negativo por donde sale la corriente eléctrica. En estas celdas se aplica una corriente eléctrica continua, de muy baja intensidad, la que entra por el ánodo y sale por el cátodo. El cobre de la solución de sulfato de cobre (Cu +2) es atraído por la carga negativa del cátodo y migra hacia él, depositándose en la superficie del cátodo permanente de acero inoxidable.

Imagen 4: Celdas de electro obtención

 

Una vez transcurridos siete días en el ciclo catódico, comienza la cosecha de cátodos. Esta cosecha se realiza siguiendo un orden establecido de "tercios de celdas", lo que significa levantar 20 placas de acero inoxidable simultáneamente (cátodos)

Luego se recogen los cátodos en perfecto estado, con una pureza de 99,99%, los que serán embalados para su despacho a los lugares de embarque.

6) Producto Final 13

Entre otras cosas el cobre como producto final es usado para:

Cableado eléctrico. Es un muy buen conductor de la electricidad y se puede hacer cables fácilmente con este metal.

Fontanería doméstica. No reacciona con el agua y es dúctil Hervidores e intercambiadores de calor. Es un buen conductor del calor y no reacciona con

agua Fabricación de latón. El latón es una aleación de cobre y zinc. La aleación produce un

metal más duro que el cobre o el zinc individualmente. El bronce es otra aleación del cobre, pero con estaño.

Acuñación: Por ejemplo, las monedas chilenas son una aleación de cobre con níquel.

Bibliografía (Nota: Los sitios web fueron visitados desde el 4 al 5 de Mayo del 2013)

1 http://resources.schoolscience.co.uk/CDA/14-16/cumining/copch2pg2.html

2 http://resources.schoolscience.co.uk/CDA/14-16/cumining/copch2pg2.html

3 http://geology.com/usgs/uses-of-copper/copper-deposits-map-lg.jpg

4 http://www.alibaba.com/product-gs/713007622/Sunhill_Copper_Sulphide.html

5 http://www.chemguide.co.uk/inorganic/extraction/copper.html

6 https://www.codelcoeduca.cl/cobre Patricio Cuadra, Codelco Central

7 http://www.acee.cl/sites/default/files/recursos/guias/Guia_Sistemas_Tratamiento_Materiales%20(1).pdf

8 http://www.trituradoras-machacadora.mx/blog/caracteristicas-de-molinos-de-barras-molino-de-barras-para-la-venta.html

9 http://www.equitec.co/files/maquinaria/molinos_de_bolas.pdf

10 http://www.cement-machine.com.es/semi-autogenous-mill.htmlç

11 https://www.u-cursos.cl/ingenieria/2010/2/MI51G/1/material.../314691

12 https://www.codelcoeduca.cl/procesos_productivos/escolares_electroobtencion.asp

13 http://tecnolowikia.wikispaces.com/Aplicaciones+del+Cobre

14 http://industrial.umsa.edu.bo/ingcoronel/PRACTICA%208.pdf