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Metalurgia Extractiva del Cobre

FG4003 Minería, Desafíos y Desarrollo del País

Julio Díaz Marinovic

Ing. Civil de Minas - M.Sc. en Metalurgia ExtractivaUniversidad de Chile


2

3

Introducción

Mineralogía

Procesamiento de Minerales

1

Contenidos

4

5

Pirometalurgia

Hidrometalurgia

6 Electrometalurgia

1


Introducción – Proceso Minero

2


IntroducciónEnriquecimiento Secundario

2


Minerales de Cobre - ÓxidosAtacamita

2


Minerales de Cobre - ÓxidosChalcantita

2


Minerales de Cobre - ÓxidosMalaquita

2


Minerales de Cobre - ÓxidosAzurita

2


Minerales de Cobre - ÓxidosCrisocola

2


Minerales de Cobre - ÓxidosCuprita

2


Minerales de Cobre - SúlfurosCalcopirita

2


Minerales de Cobre - SúlfurosCalcosina

2


Minerales de Cobre - SúlfurosCovelina

2


Minerales de Cobre - SúlfurosBornita

2


Ganga MetálicaPirita

2


Ganga MetálicaMagnetita

2


Ganga MetálicaHematita

2


HIDROMETALURGIA

OXI

SULF

2

I DOS

FUROS



•El mineral de una operación minera consiste de diversas especies minerales, algunasde ellas de valor comercial (generalmente las menos abundantes) y otras de menor osin valor relativo (ganga).

•El procesamiento de minerales sigue a la explotación minera con el objetivo de:preparar el mineral para la extracción del metal valioso (menas metálicas) o entregar

2

preparar el mineral para la extracción del metal valioso (menas metálicas) o entregarun producto final (minerales industriales y carbón).

•Tras el procesamiento, el producto adquiere un valor de mercado y puede transarse.Por lo tanto el procesamiento de minerales genera el primer producto comercializableo con precio y mercado de referencia.



Chancado

Conminución

Molienda

Etapas

2

Concentración

Flotación

Concentración Gravitacional

Sorting

Concentración Magnética

Otros


Procesamiento de MineralesConminución

• Corresponden a las etapas destinadas a la reducción de tamaño del mineral.

2

• La conminución es una etapa de gran importancia, ya sea para:• Producir partículas de un cierto tamaño y forma• Liberar minerales valiosos de la ganga para facilitar su concentración• Incrementar su área superficial disponible para alguna reacción

química.


Procesamiento de MineralesConminución - Liberación

2


Procesamiento de MineralesConminución – Chancado

• El chancado es la primera parte de losprocesos de conminución. Generalmentees una operación en seco y usualmenterealizada en 1, 2 o 3 etapas.

2

• Las colpas del mineral proveniente delas minas pueden ser tan grandes como1,5 m y el producto final requeridovariará, según sea la aplicación de que setrate: entre 20 cm y 7 mm.


Procesamiento de MineralesConminución – Chancado Primario

•Para realizar el chancado primario hay básicamente dos tipos de equipos: chancadores de mandíbulas y chancadores giratorios.

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Procesamiento de MineralesConminución – Chancado Secundario y Terciario

• Se utilizan chancadores de “conos”

2


Procesamiento de MineralesCircuito de chancado típico

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Procesamiento de MineralesConminución – Molienda

• La molienda es la segunda parte de losprocesos de conminución. Generalmente es unaoperación en húmedo y usualmente realizadaen 1 o 2 etapas.

2

• El mineral chancado proviene normalmente delas etapas de chancado primario o terciario (congranulometrías del orden de 20 cm o 1 cm) y elproducto final requerido variará, según sea laliberación requerida del mineral de que se trate,entre 100 y 300 μm.

• La reducción de tamaño se realiza mediante lacombinación de los mecanismos de impacto yabrasión, en tubos cilíndricos o cilindrocónicosllamados molinos.


Procesamiento de MineralesConminución – Molienda

2


Procesamiento de MineralesMolienda Convencional Unitaria

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Procesamiento de MineralesMolienda Semi-Autógena (SAG)

2


Procesamiento de MineralesConcentración

•Separación selectiva (sin reacción química) entre los minerales de mena y la ganga.

2


Procesamiento de MineralesConcentración – Flotación de Minerales

• La concentración por flotación se efectúa aprovechando las diferencias en laspropiedades fisicoquímicas de las especies mineralógicas que se desee separar.

• Si la mena contiene cantidades significativas de más de un mineral valioso, lafinalidad de la concentración de minerales es, por lo general, separarlos,

2

finalidad de la concentración de minerales es, por lo general, separarlos,obteniendo así más de un concentrado.


Procesamiento de MineralesConcentración – Flotación de Minerales

Se produce, al coexistir las fases líquida y gaseosa, ya que las partículas hidrofóbicas“preferirán” adherirse a la fase gaseosa en vez de la líquida, mientras que las demáspermanecerán en la fase líquida. Las burbujas con partículas adheridas, con unadensidad conjunta menor que la del líquido, ascenderán, pasando a la espuma.

2


Procesamiento de MineralesFlotación Selectiva

• Cuando se tiene más de una especie mineralógica de interés y se pretende obtenerdiferentes productos comercializables, es necesario introducir más de un circuito comolos ya descritos, con la finalidad de realizar eficientemente la separación selectiva entreellos.

2


Procesamiento de MineralesFlotación Selectiva

• Ejemplos en que se requiere más de una planta de flotación, son la concentración deminerales sulfurados de cobre y molibdeno y la concentración de mineralespolimetálicos.

2


PirometalurgiaEstudio conjunto de procesos químicos y operaciones físicas a alta temperatura que

permiten la extracción de un metal como componente de uno o varios compuestos en un mineral para obtenerse en estado metálico o formando un compuesto con pureza y/o

forma adecuada para su utilización posterior

•Es el más importante y más antiguo de los métodos extractivos de metales utilizado por el hombre.

2

hombre.

•Utilizado para la extracción de:

•Hierro•Níquel•Estaño •Cobre•Oro •Plata •Otros


Pirometalurgia del Cobre

•Vía de tratamiento de minerales sulfurados de cobre 80% del cobre primario mundial

Ácido

•La extracción de cobre mediante esta vía ocurre en instalaciones llamadas fundiciones

2

FUNDICIÓNConcentrado

+ 30% CuÁnodo de Cu

+99,5% Cu

Ácido Sulfúrico

Escoria


Pirometalurgia del CobreDentro de una fundición existen unaserie de etapas necesarias para laobtención del producto final, éstasson:

•Secado•Fusión

2

•Fusión•Conversión•Refinación•Moldeo

Existen además operaciones anexastales como:

•Tostación•Limpieza de Escorias•Tratamiento de Gases



Eliminación parcial o total del agua contenida en los concentrados.

Las razones por la cual se secan los concentrados :•Reducción costos de transporte•Mejoramiento del carguío y de la operación de los hornos en la etapa de fusión

Secado

2

•Mejoramiento del carguío y de la operación de los hornos en la etapa de fusión•Mejoramiento del balance térmico en la fusión

SECADOConcentrado

húmedo(7 – 10% H2O)

Concentrado seco

(0.1 - 3% H2O)



Existen diversos secadores dependiendo del mecanismo de secado.

En minería del cobre, los más utilizados corresponden a los secadores rotatorios.

Secado

Secador Rotatorio Fundición Paipote (ENAMI)


Pirometalurgia del CobreFusión

Proceso cuyo objetivo es concentrar el cobre del concentrado formando una fase desulfuros líquidos, llamada mata o eje, en lo posible conteniendo todo el cobre alimentadoy otra fase oxidada líquida, llamada escoria en los posible exenta de cobre

En la fusión, el concentrado de cobre es sometido a altas temperaturas (entre1200 y 1300°C) para lograr el cambio de estado de sólido a líquido.1200 y 1300°C) para lograr el cambio de estado de sólido a líquido.

FUSIÓNMata, Eje o

Metal Blanco(50-75%Cu)

Gases

Escoria

Concentrado+ 30% Cu



REACCIO� ∆H

[cal/mol]

2CuFeS2(s) + O2(g) = Cu2S + 2FeS + SO2(g) -47540

FeS2(s) + O2(g) = FeS + SO2(g) -54251

Cu5FeS4(s) + O2(g) = 5Cu2S +FeS + SO2(g) -32740

2CuS(s) + O2(g) = Cu2S + SO2(g) -63171

FeS(l) + 3/2 O2(g) = FeO + SO2(g) -120120

3FeO + 1/2 O2(g) = Fe3O4 -70582

2FeO + SiO2 = Fe2SiO4 -9600



Concentrado: Producto principal de la etapa de flotación. Los minerales más comunesencontrados en los concentrados de cobre son: Calcopirita (CuFeS2) y Pirita (FeS2),aunque pueden estar presentes otros minerales como la Bornita (Cu5FeS4), Calcosina(Cu2S), Covelina (CuS) y Cuarzo (SiO2). Químicamente los concentrados fundidos,contienen 25 - 35% de Cu, 25 - 35% de Fe y 25 - 35% de azufre.

Mata : Corresponde a la fase metálica y es en donde se concentra el cobre asociadoMata : Corresponde a la fase metálica y es en donde se concentra el cobre asociadoprincipalmente a azufre. Está compuesta también por sulfuros de hierro. Es la fase másdensa del material fundido y se encuentra en la parte baja del horno. La cantidad decobre varía dependiendo del método de fusión (entre 50 y 75%).

Cu2S FeS Fe3O4 Au Ag Pt Sb Bi As Zn Pb

Escoria: Es la parte menos densa del fundido, contiene principalmente óxidos de hierro,fundentes y cobre (pérdidas). Si el contenido de cobre es alto, ésta puede ser enviada ahornos destinados a la limpieza de escoria para recuperar el contenido de cobre que aúnle queda.

FeO Fe3O4 SiO2 Al2O3 CaO MgO Cu2O Sb Bi As Zn Pb



Convertidor TenienteFundición Paipote

Horno Flash Outokumpu



Tiene por objetivo eliminar fierro, azufre desde la mata para producir cobre blister de

un 98,5% de Cu aproximadamente.

Esto se logra, oxidando el fierro y el azufre contenido en la mata con aire algunasveces enriquecido con oxígeno. La conversión del eje de cobre se lleva a cabo casiuniversalmente en los convertidores Peirce-Smith, aunque también existen equipos

Conversión

universalmente en los convertidores Peirce-Smith, aunque también existen equiposalternativos tales como el convertidor Hoboken, Inspiration, Mitsubishi y otros endesarrollo.

CONVERSIÓNMata, Eje o

Metal Blanco(50-75%Cu)

Cobre Blister(+98,5% Cu)

Escoria

Gases


Pirometalurgia del CobreConversión

Convertidor Pierce-Smith Fundición Chagres


Pirometalurgia del CobreLa conversión se lleva a cabo en 2 etapas:

1. Soplado a escoria

El Fe presente como FeS se oxida a FeO y Fe3O4 generando SO2 gaseoso según lassiguientes reacciones:

FeS + 3/2O = FeO + SO Oxidación del FeSFeS + 3/2O2 = FeO + SO2 Oxidación del FeS3FeO + 1/2O2 = Fe3O4 Formación de la Magnetita

2FeO + SiO2 = 2FeO.SiO2 Escorificación del FeO

Las reacciones son de carácter exotérmicoEsta etapa termina cuando la mata contiene menos de 1% de FeS.Escoria con 10 – 20 % magnetita sólida y hasta un 15 % Cu disuelto y atrapado.Producto Final Metal Blanco con una temperatura de 1200°C, escoria líquida a 1250°C y gasesa 1300°C



2. Soplado a CobreSe elimina el S presente en el Cu2S oxidándolo a SO2 según las reacciones:

Cu2S + 3/2O2 = Cu2O + SO2

Cu2S + 2Cu2O = 6Cu + SO2

Cu S + O = 2Cu + SOCu2S + O2 = 2Cu + SO2



Tiene por objetivo reducir las impurezas, principalmente oxígeno y azufre presentesen el cobre blíster y en menor grado otras impurezas metálicas (Plomo, Zinc,Arsénico, Antimonio, etc) con el fin de generar ánodos de buena calidad física,química y mecánica.

Se realiza a temperaturas entre 1150 y 1200°C

Refinación

REFINACIÓN Cobre Anódico(+99,5% Cu)

Cobre Blister(+98,5% Cu)

Gases

Escoria


Pirometalurgia del CobreRefinación

Impurezas Concentración [ppm]

O 1200 - 1800

S 20 - 30

Concentraciones típicas de impurezas el cobre anódico

S 20 - 30

As 1000 - 1500

As/Sb >4


Pirometalurgia del CobreMoldeo

Enfriamiento del cobre anódico en moldes con el fin de formar ánodos sólidos

El moldeo se realiza en “ruedas de moldeo” que son plataformas rotatorias conmoldes ubicados circunferencialmente que giran a medida éstos son llenados concobre anódico


Pirometalurgia del CobreMoldeo

Rueda de Moldeo Fundición Chagres



•Limpieza de escorias

•Tostación

Etapa utilizada como pre-tratamiento de concentrados. Se utiliza por ejemplo paravolatilizar y capturar el arsénico de algunos concentrados con alto porcentaje deeste metal

Tiene por objetivo recuperar el cobre atrapado en las escorias de los hornos defusión y conversión. Produce una mata que es recirculada a los convertidores y unaescoria de descarte con menos de un 1% de Cu.

•Limpieza y Tratamiento de Gases

Los gases generados en los distintos hornos (con contenidos importantes de SO2)son capturados y llevados a plantas de ácido. El dióxido de azufre pasa por distintosprocesos con el fin de producir ácido sulfúrico.


Hidrometalurgia del Cobre

Rama de la metalurgia extractiva encargada de extraer los metales, desde los materiales que los contienen, mediante métodos físico-químicos en fase líquida

Utilizada en la extracción de:

• Cobre

• Plata

• Oro

• Uranio

• Vanadio


Hidrometalurgia del Cobre

•Vía de tratamiento de minerales oxidados de cobre 20% del cobre primario mundial

La producción de cobre a partir de menas oxidadas requiere de las siguientes etapas :

•Chancado•Chancado

•Aglomeración

•Lixiviación en Pilas

•Extracción por Solventes (SX)


Hidrometalurgia del CobreAglomeración

El material, previamente chancado, estransportado hacia tambores aglomeradoresdonde se mezcla con ácido sulfúrico concentradoy agua.

En este proceso las partículas más finas seadhieren a partículas gruesas mejorando laporosidad, oxigenación, permeabilidad y elescurrimiento de la solución de lixiviación en lapila.


Hidrometalurgia del CobreLixiviación en Pilas

La lixiviación en pilas es un proceso que permite disolver el cobre de los mineralesoxidados que lo contienen, aplicando una solución de ácido sulfúrico y agua.

El mineral aglomerado se deposita enpilas de lixiviación (6 a 8 metros dealtura). Se esparce una solución ácidaconocida como solución lixiviante,mediante un sistema de irrigación queestá compuesta por las líneas de goteros.La solución lixiviante escurre a través de lapila, disolviendo el cobre diseminado



El proceso de lixiviación es lento, con duraciones de entre 45 y 60 días. En dicho períodopueden alcanzarse recuperaciones metalúrgicas de un 90% de Cobre.

De la lixiviación se obtienen soluciones deDe la lixiviación se obtienen soluciones desulfato de cobre (CuSO4) con concentracionesde hasta 9 gramos por litro denominadas PLS(pregnant leach solution) que son llevadas adiversas piscinas donde se decantan paraeliminar las partículas sólidas que pudieranhaber sido arrastradas.

Estas soluciones de sulfato de cobre limpiasson llevadas a planta de extracción porsolventes.



Lixiviación en Pilas Mina El Soldado


Hidrometalurgia del CobreExtracción por Solventes - SX

En esta etapa la solución que viene de las pilas de lixiviación, se libera de impurezas y seconcentra su contenido de cobre, pasando de 9 a 45 gpl, mediante una extraccióniónica.

Para extraer el cobre de la solución PLS, ésta sePara extraer el cobre de la solución PLS, ésta semezcla con una solución orgánica. La fase orgánicade esta solución captura los iones de cobre (Cu+2)en forma selectiva. De esta reacción se obtiene porun lado un complejo orgánico-cobre (fase orgánicacargada) y por otro una solución empobrecida encobre que se denomina refino. Esta última seretorna a la etapa de lixiviación.



La fase orgánica cargada pasa a una segunda etapa en que se contacta con una soluciónacuosa rica en ácido, la que provoca la descarga de cobre desde el orgánico hacia la faseacuosa, logrando una concentración del cobre en esta solución de 45 gpl.



La extracción por solvente se lleva a cabo según la siguiente reacción:

-2

4(orgánico)2

-2

4

2

(orgánico) SO 2H CuR SO Cu H-2R ++++++

→←

extracción

En una primera etapa de extracción, la fase orgánica (2R-H) se contacta con la soluciónPLS que contiene 9 gpl de Cu2+. Esto produce que el compuesto orgánico capture alcobre (R2Cu) liberando H+.

En una segunda etapa de descarga, el orgánico cargado (R2Cu) se contacta con unasolución con altos contenidos de H+, lo que produce que el equilibrio en la reacción sedesplace hacia la izquierda, con esto el cobre vuelve a ocupar la fase acuosa pero amayor concentración (45 gpl). Esta fase acuosa cargada se envía a electro-obtención.

→←descarga


Electrometalurgia del Cobre

Rama de la metalurgia extractiva encargada de extraer los metales, desde los materiales que los contienen, mediante métodos electrolíticos

Utilizada en la extracción de:

• Cobre

• Plata

• Oro

• Aluminio

• Renio



Minerales Oxidados

Chancado

AglomeraciónAglomeración

Lixiviación en Pilas

Extracción por Solventes

Electro-ObtenciónEW



La fuente de Cu es la soluciónproveniente de SX. El Cu sedeposita en forma de cátodo de99,99 % de pureza.

Electro Obtención

99,99 % de pureza.

La electro-obtención ocurre enceldas electrolíticas

El cobre contenido en lassoluciones se deposita sobrecátodos de acero o de cobre.

Este proceso ocurre por aplicaciónde corriente



Minerales Sulfurados

Chancado

MoliendaMolienda

Flotación

Fundición

Electro-RefinaciónER



La fuente de Cu es un ánodo decobre “impuro” (99,5 %), sedisuelve en electrólito ácido y sedeposita “puro” (99,99 %) sobre

Electro Refinación

deposita “puro” (99,99 %) sobreun cátodo.

La electro-refinación tambiénocurre en celdas electrolíticas

Este proceso ocurre por aplicaciónde corriente

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