miércoles, 4 de agosto de 2010

Procesos de obtención del cobre en el mineral el Teniente

Trabajo geológico de exploración: Encontrando un yacimiento.

Los lugares donde se encuentran las minas de cobre, es decir los yacimientos de cobre, dependen de los procesos geológicos que han ocurrido en ese lugar. De esta forma, los yacimientos de cobre se relacionan con la presencia de intrusivos, que son rocas ígneas y material magmático que se introdujo a gran temperatura y presión en la corteza terrestre. Estos intrusivos aportan los minerales que contienen a las rocas circundantes. De acuerdo a las condiciones en que esto ocurre, se tienen dos tipos de material mineralizado: los súlfuros y los óxidos. La presencia de éstos en un yacimiento define dos zonas que tienen características diferentes, las que a su vez determinan la manera de explotar el mineral: la línea de los óxidos y la línea de los sulfuros.

Características de súlfuros y óxidos

La zona de sulfuros corresponde a la mineralización original del yacimiento, también llamada primaria. Los súlfuros contienen minerales formados por combinaciones de cobre, azufre y hierro los que otorgan a las rocas un aspecto metálico.
La zona de óxidos se encuentra en la superficie del yacimiento o cerca de ella, y contiene óxidos de cobre los que típicamente tienen un color verde o azul. Los minerales oxidados se han formado por acción del oxígeno y otros agentes que atacan las rocas mineralizadas que se encuentran en la superficie.

En la búsqueda de un nuevo yacimiento

La búsqueda y definición de nuevos yacimientos son realizadas por un equipo de profesionales, encabezado por geólogos. Éstas consideran las siguientes etapas:

  • Exploración básica.
  • Exploración intermedia.
  • Exploración avanzada.

1. Primera etapa: Exploración básica

¿Cuál es el objetivo?
En esta primera etapa se efectúa un reconocimiento general de un área extensa (decenas a cientos de kilómetros) con el fin de identificar algunas características favorables que puedan indicar la presencia de un yacimiento.

¿Quién la realiza? ¿Cómo se lleva a cabo?

El geólogo o la geóloga estudia diferentes antecedentes y aplica técnicas específicas (mapas geológicos, imágenes de satélite, geofísica, etc.) para seleccionar las áreas donde desarrollar la exploración básica.

Una vez identificada el área, el equipo se dirige a terreno para registrar las características de las rocas (color, textura, estructura, presencia de minerales indicativos) y su ubicación, y para recoger muestras que permitirán determinar el contenido de los elementos interesantes en una explotación, tales como cobre, oro, hierro, molibdeno, etc.

Esta información es relevante para tomar la decisión de seguir adelante con la exploración o descartar el área y comenzar en otra.


2. Segunda etapa: Exploración intermedia


¿Cuál es el objetivo?
El objetivo de esta etapa es confirmar la existencia de mineralización de cobre en profundidad, de acuerdo con la información recogida en la etapa anterior.

Una vez localizada el área de interés, se realizan con mayor detalle trabajos geofísicos tales como magnetometría, gravimetría, resistividad, etc. y trabajos geoquímicos como la obtención y análisis químicos de muestras de superficie. Junto con estos análisis se interpretan las características que interesan en diferentes mapas, lo que permite aumentar la precisión y reducir el radio de búsqueda del mineral.

La información recolectada permite diseñar la perforación de algunos sondajes exploratorios para extraer muestras de distintas profundidades y determinar la posible continuación de la mineralización bajo la superficie.

¿Qué se obtiene?
El resultado del trabajo de la etapa de exploración intermedia es la identificación de un posible yacimiento, ubicado en un área más o menos definida, de dimensiones aproximadas entre 500 metros y 5 km por lado.

3. Tercera etapa: Exploración avanzada


¿Cuál es el objetivo?

En esta etapa se determina con mayor precisión la forma y extensión del yacimiento y la calidad del mineral encontrado, es decir, la ley de mineral que corresponde al contenido del o de los elementos de interés.

¿Cómo se realiza?
Las determinaciones de forma y ley de mineral se realizan mediante la perforación de más sondajes, distribuidos en una malla regular (cada 200 o 400 m, por ejemplo), los que atraviesan el mineral (zonas de óxidos y de sulfuros).

Mediante los sondajes se pueden reconocer características del yacimiento tales como la ley de cobre y de otros elementos, los tipos de mineral, alteración, estructuras, densidad, dureza, fracturamiento, etc.

¿Qué información se obtiene? ¿Qué se hace con ella?
Los resultados de las características del yacimiento, el tipo de mineral y la ley constituyen la primera información fundamental para el diseño de una futura explotación, ya que permiten estimar el comportamiento geotécnico y geometalúrgico, y el posible rendimiento económico del mineral.

La información obtenida permite hacer una estimación de los recursos de mineral contenidos en el cuerpo mineralizado, en miles o millones de toneladas, con una ley que normalmente fluctúa entre 0,2% y 3% en peso de cobre total contenido. Esta información es analizada por los ingenieros de minas, quienes mediante metodologías especializadas determinan el sistema de explotación, realizan un diseño preliminar de la mina e instalaciones de planta y calculan las expectativas económicas y la vida útil de la futura operación.

¿Cuándo se decide explotar una mina?
La decisión de llevar adelante el proyecto de explotación es tomada considerando las características del yacimiento, el diseño de la operación y las proyecciones a futuro del mercado internacional del cobre (demanda y precio). De demostrarse que se trata de un negocio con una atractiva rentabilidad, se continúa con las etapas siguientes, correspondientes a la ingeniería. Los yacimientos de cobre, cuya explotación es económicamente atractiva, son en general de gran tamaño, del orden de los cientos de millones de toneladas y tienen leyes promedio entre 0,4 y 1,0 % de cobre total.


Extracción subterránea: del macizo rocoso a la roca mineralizada.

¿Cuál es el objetivo?

El objetivo de este proceso es extraer la porción mineralizada con cobre y otros elementos desde el macizo rocoso de la mina (que puede ser a rajo abierto, subterránea o la combinación de ambas) y enviarla a la planta, en forma eficiente y segura, para ser sometida al proceso de obtención del cobre y otros elementos. Para ello, debe lograrse la fragmentación de la roca, de manera que pueda ser removida de su posición original o in situ, cargar y transportar para ser procesada o depositada fuera de la mina como material suelto a una granulometría manejable.


¿Cómo se realiza la extracción?

En la operación de una mina, intervienen varios equipos de, cuyas acciones deben ser coordinadas para lograr una alta eficiencia y seguridad en la faena.

Geología
Entrega la información de las características físicas, químicas y mineralógicas del material a extraer:

Planificación
Elabora el plan minero, considerando todas las variables (geología, operación mantención, costos, plazos, etc.) que intervienen en él.

Operaciones
Realiza el movimiento de material en la mina (perforación, tronadura, carguío y transporte).

Mantención
Debe velar por la disponibilidad electromecánica de todos los equipos (perforadoras, palas, camiones, equipos auxiliares).

Administración
Proporciona el apoyo en manejo de recursos humanos, adquisiciones, contratos, etc.

Además, participan estamentos asesores en materias de seguridad, medio ambiente y calidad, para lograr el cumplimiento de las normas y orientaciones correspondientes a un trabajo seguro, limpio y de calidad.

¿Cómo se diseña la extracción?

El resultado de los diversos estudios de ingeniería, permite determinar la relación óptima entre la capacidad de extracción y beneficio de mineral, que se expresa en miles de toneladas de cobre fino a producir en un año. De acuerdo con la capacidad de operación establecida, se determina la mejor secuencia para extraer el mineral, compatibilizando las características de la operación con los resultados económicos esperados, para un largo período (en general, sobre los 10 años). Esta secuencia se conoce como plan minero y el período en cual se alcanza el agotamiento total de los recursos, es la vida útil de la mina. El plan minero entrega, además, las bases para asegurar que la operación sea eficiente y confiable en todas sus operaciones. Para esto, se define la porción del yacimiento que se explota (denominada mineral en lenguaje minero) de acuerdo con la ley de corte, que es una relación entre la ley (contenido de cobre) y lo que cuesta procesar este mineral, que depende de las características metalúrgicas. De esta forma, se asegura un beneficio económico. El material existente bajo la ley de corte es considerado estéril, si no contiene cobre, o mineral de baja ley, si tiene algo de cobre que podría ser recuperado con otro procedimiento.

La extracción del material se realiza siguiendo una secuencia de las siguientes fases:

  • Perforación.
  • Tronadura.
  • Carguío.
  • Transporte.

El producto principal de este proceso es la entrega de mineral para ser procesado en la planta de beneficio.

Extracción subterránea de mineral

Un yacimiento se explota en forma subterránea cuando presenta una cubierta de material estéril de espesor tal, que su extracción desde la superficie resulta antieconómica.


¿Cuál es el objetivo?

El objetivo es realizar la extracción de las rocas que contienen minerales de cobre de grandes yacimientos y que se encuentran bajo una cubierta de estéril de espesor considerable, por ejemplo al interior de un cerro.

Para ello, se construyen labores subterráneas en la roca desde la superficie para acceder a las zonas mineralizadas. Las labores subterráneas pueden ser horizontales (túneles o galerías), verticales (piques) o inclinadas (rampas) y se ubican en los diferentes niveles que permiten fragmentar, cargar y transportar el mineral desde el interior de la mina hasta la planta, generalmente situada en la superficie.


¿Cómo se construyen los niveles?

Los túneles y piques subterráneos se construyen mediante explosivos que se colocan en perforaciones efectuadas en la roca. Estas perforaciones están distribuidas siguiendo la forma que se le quiere dar a la labor subterránea (túneles, piques o rampas) y la tronadura se realiza en una secuencia, partiendo desde un punto central hacia los bordes.

Después de la tronadura, se extrae el material fragmentado y se estabilizan las paredes y techo del túnel. Para esto, se utiliza una fortificación adecuada para para cada tipo de terreno, que depende de sus características y del uso que se le va a dar al túnel, pique o rampa. Entre cada tronadura, el sector debe ser ventilado y despejado.

¿Cómo se sostienen las labores subterráneas?

Para evitar los derrumbes, las diferentes labores subterráneas deben ser sostenidas en el tiempo para permitir el tránsito, el trabajo del personal y el uso de los equipos subterráneos con seguridad.

En forma natural, las rocas están en un cierto equilibrio con el medio en que se encuentran, pero este equilibrio se rompe al hacer una perforación en su interior. El objetivo de la fortificación es ayudar a la roca a recuperar en parte su capacidad de soporte. El tipo de soporte o fortificación empleada depende de varios factores:

Según la función
Las fortificaciones en los túneles de uso frecuente y prolongado, especialmente aquellas de los lugares por donde deben transitar personas y equipos, deben contar con un factor de seguridad mayor. Las fortificaciones de túneles que presentan un uso esporádico o donde no transita personal, tienen exigencias menores.

Según el peso que soportan

La presión que se genera alrededor de una labor subterránea es mayor cuanto más profunda se ubique, ya que debe soportar una altura mayor de roca. De esta forma los túneles que se encuentran a mayores profundidades requerirán de mayores fortificaciones y de mayor resistencia.

Según las características del terreno
El macizo rocoso presenta diferencias en su constitución (tipo de roca, alteración, estructuras).Por ello, su comportamiento puede ser diferente en cuanto a dureza y resistencia a los esfuerzos. Una roca que se disgrega fácilmente requiere ser fortalecida totalmente; por el contrario, una roca cohesionada de dureza media se autosustenta y requiere poca fortificación; en tanto que una roca cohesionada de alta dureza puede concentrar esfuerzos tan grandes que podrían provocar la explosión de las paredes del túnel, por lo que requiere una fortificación extrema.

Los materiales que se utilizan para reforzar los túneles, piques o rampas son:

  • mallas de acero.
  • pernos de anclaje.
  • cables.
  • hormigón armado.
  • marcos de acero.
  • vigas de madera.
  • lechada de hormigón proyectado.

¿Para qué se usan las labores subterráneas?

Dentro de una mina subterránea se disponen de diferentes áreas que permiten el trabajo de extracción de mineral, así como todas las actividades de apoyo y aquellas inherentes a las necesidades humanas durante la jornada de trabajo. De esta manera, se tienen las siguientes áreas:

  • Producción
Incluye los niveles de transporte, producción, hundimiento y ventilación, piques de traspaso y carguío de mineral.

  • Servicios e infraestructura
Talleres de mantención, piques de transporte de personal, accesos principales, redes de agua y electricidad, drenajes, redes de incendios, oficinas, comedores, baños, policlínicos, bodegas, etc.

¿Cómo se explota la mina?

A diferencia de la explotación a rajo abierto, una mina subterránea extrae el mineral desde abajo hacia arriba, utilizando lo más posible la fuerza de gravedad para producir la fragmentación y el desplazamiento del mineral hacia los puntos de carguío. La otra diferencia importante es que en la mina subterránea no se extrae roca estéril, sino que debido a los altos costos que implica la construcción de túneles, la explotación se concentra preferentemente en las zonas de mineral.


Existe una variedad de métodos de explotación subterránea, pero el más utilizado en la extracción de grandes yacimientos es el conocido como hundimiento por bloques. Éste consiste en provocar el desprendimiento de una porción del macizo rocoso del resto de la masa que lo rodea. Para ello y mediante el uso de explosivos, se socava la base de una columna de roca mineralizada, de manera que el resto de la columna se fragmente paulatinamente hacia arriba y se desplome hacia los puntos de extracción especialmente ubicados para captar la casi totalidad del material quebrado de la columna. En general, los bloques tienen dimensiones entre 100 y 200 m de altura y un área basal de 60m x 90 m, lo cual implica entre 1.000.000 y 2.500.000 toneladas por cada bloque. Cuando el hundimiento se produce en forma secuencial, por tajadas menores del bloque, se habla de método de hundimiento por paneles. Los bloques de producción están agrupados de acuerdo a su ubicación dentro de la mina, constituyendo áreas de producción. Cada una de estas áreas cuenta con una red de túneles y piques que se distribuyen en diferentes niveles:

Concentración: De la roca al mineral de cobre.


El objetivo del proceso de concentración es liberar y concentrar las partículas de cobre que se encuentran en forma de súlfuros en las rocas mineralizadas, de manera que pueda continuar a otras etapas del proceso productivo. Generalmente, este proceso se realiza en grandes instalaciones ubicadas en la superficie, formando lo que se conoce como planta, y que se ubican lo más cerca posible de la mina. El proceso de concentración se divide en las siguientes fases:

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 (1,27 cm).

¿En qué consiste el proceso de chancado?

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 8 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.


¿Cómo son los equipos?

Los chancadores 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 (54' x 74', es decir 16,5 m de ancho por 22,5 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.

Etapa 2: La Molienda

Mediante
la molienda, se continúa reduciendo el tamaño de las partículas que componen el mineral, para obtener una granulometría máxima de 180 micrones (0,18 mm), la que permite finalmente la liberación de la mayor parte de los minerales de cobre en forma de partículas individuales.

¿En qué consiste el proceso de molienda?

El proceso de la 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.

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.

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.

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.

Molienda SAG

La instalación de un molino SAG constituye una innovación reciente en algunas plantas. Los molinos SAG (SemiAutóGenos) son equipos de mayores dimensiones (36 x 15 pies, es decir, 11,0 m de diámetro por 4,6 m de ancho) y más eficientes que los anteriores. Gracias a su gran capacidad y eficiencia, acortan el proceso de chancado y molienda.

¿En qué consiste la molienda SAG?

El mineral se recibe directamente desde el chancador primario (no del terciario como en la molienda convencional) con un tamaño cercano 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.

La mayor parte del material molido en el SAG va directamente a la etapa siguiente, la flotación, es decir tiene la granulometría requerida bajo los 180 micrones, y una pequeña proporción debe ser enviado a un molino de bolas.

Etapa 3: La Flotación

La flotación se define como un proceso físico-químico de tensión superficial que separa los minerales sulfurados del metal de otros minerales y especies que componen la mayor parte de la roca original.

Durante este proceso, el mineral molido se adhiere superficialmente a burbujas de aire previamente insufladas, lo que determina la separación del mineral de interés.

La adhesión del mineral a estas burbujas de aire dependerá de las propiedades hidrofílicas (afinidad con el agua) y aerofílicas (afinidad con el aire) de cada especie mineral que se requiera separar de las que carecen de valor comercial y que se denominan gangas.

En la etapa previa (molienda), se obtiene la roca finamente dividida y se le incorporan los reactivos para la flotación. El propósito es darle el tiempo necesario de residencia a cada uno de los reactivos para conseguir una pulpa homogénea antes de ser utilizada en la flotación. Con la pulpa (o producto de la molienda) se alimentan las celdas de flotación.

Al ingresar la pulpa, se hace burbujear aire desde el interior y se agita con un aspa rotatoria para mantenerla en constante movimiento, lo que facilita y mejora el contacto de las partículas de mineral dispersas en la pulpa con los reactivos, el agua y el aire, haciendo que este proceso se lleve a cabo en forma eficiente.



Pocas partículas de especies minerales tienen flotabilidad natural. Es decir, no forman una unión estable burbuja-partícula. Esto dificulta el proceso de flotación y hace necesario invertir las propiedades superficiales de las partículas minerales. Para ello deben mutar su condición hidrofílica a propiedades hidrofóbicas mediante el uso de un reactivo colector. Además, es necesario que posean el tamaño adecuado para asegurar una buena liberación de las especies minerales.

¿Qué reactivos se utilizan?

  • Reactivos espumantes: alteran la tensión superficial de líquidos. Su estructura les permite agruparse hasta formar otra fase distinta del resto del fluido, formando una espuma que separa el mineral del resto de la ganga. Su objetivo es producir burbujas resistentes, de modo que se adhiera el mineral de interés.

  • Reactivos colectores: favorecen la condición hidrofóbica y aerofílica de las partículas de sulfuros de los metales que se quiere recuperar, para que se separen del agua y se adhieran a las burbujas de aire. Deben utilizarse seleccionando el mineral de interés para impedir la recuperación de otros minerales.

  • Reactivos depresantes: se utilizan para provocar el efecto inverso al de los reactivos colectores, esto es, para evitar la recolección de otras especies minerales no deseadas en el producto que se quiere concentrar y que no son sulfuros.


  • Modificadores de pH: sirven para estabilizar la acidez de la pulpa en un valor de pH determinado, proporcionando el ambiente adecuado para que el proceso de flotación se desarrolle con eficiencia.

Las burbujas de aire generadas arrastran consigo hacia la superficie los minerales sulfurados, rebasando el borde de la celda de flotación hacia canaletas donde esta pulpa es enviada a la etapa siguiente.

Este proceso es reiterado en varios ciclos, de manera que en cada uno de ellos se vaya produciendo un producto cada vez más concentrado.

Adicionalmente, se puede realizar un segundo proceso de flotación, con el fin de recuperar el concentrado de otro metal de interés. El procedimiento es igual que el anterior, pero utilizando reactivos y acondicionadores de pH distintos, lo que permite obtener concentrados de dos metales de interés económico.

La primera flotación se denomina colectiva, donde el concentrado contiene dos o más componentes, y la segunda corresponde a laflotación selectiva, donde se efectúa una separación de compuestos complejos en productos que contengan no más de una especie individual. Un ejemplo de esto es la flotación de cobre y de molibdenita.

Etapas del proceso de flotación

La flotación contempla tres fases:

  • Fase sólida: corresponde a las materias que se quiere separar (material mineral).
  • Fase liquida: es el medio en que se llevan a cabo dichas separaciones.
  • Fase gaseosa: se refiere al aire inyectado en la pulpa para poder formar las burbujas, que son los centros sobre los cuales se adhieren las partículas sólidas.
  • Celdas de flotación: Las hay de 3 tipos.
  • Mecánicas: son las más comunes, caracterizadas por un impulsor mecánico que agita la pulpa y la dispersa.
  • Neumáticas: carecen de impulsor y utilizan aire comprimido para agitar y airear la pulpa.
  • Columnas: tienen un flujo en contracorriente de las burbujas de aire con la pulpa, y de las burbujas mineralizadas con el flujo de agua de lavado.

Los productos de la flotación contienen habitualmente entre un 50% y 70% de sólidos. Gran parte del agua contenida en las pulpas producidas por la flotación es retirada en los espesadores de concentrado y cola, los que realizan simultáneamente los procesos de sedimentación y clarificación. El producto obtenido en la descarga de los espesadores de concentrado puede contener entre 50% y 65% de sólidos. El agua remanente en estos concentrados espesados es posteriormente retirada mediante filtros hasta obtener un valor final que va desde un 8% hasta un 10% de humedad en el producto final. Este último es la alimentación para la siguiente etapa.

Proceso de fundición del mineral al cobre puro:

Para incrementar progresivamente la ley o contenido de cobre del material sometido a fundición, el proceso pirometalúrgico considera fases consecutivas de Fusión, Conversión y Refinación.

Así se logra que la pureza inicial de 30% a 40% contenida inicialmente en el concentrado, se incremente progresivamente hasta 99,5% en el ánodo.

De las fases consecutivas, la fusión y la conversión son las más importantes por lo determinantes que resultan en el proceso general.

La fusión tiene por objetivo concentrar el metal a recuperar, mediante una separación de fases de alta temperatura: una sulfurada rica en el metal y otra oxidada o pobre en él.
La conversión elimina el azufre y el hierro presentes en la fase sulfurada, mediante oxidaciones del baño fundido para obtener un cobre final relativamente puro.

Hoy en día el proceso de fundición once etapas:

1. Recepción y manejo de materias primas e insumos.
2. Secado de concentrados.
3. Tostación parcial de concentrados.
4. Alimentación de concentrados al horno de fusión.
5. Fusión de concentrados.
6. Limpieza de escorias.
7. Granallado de eje alta ley y escorias.
8. Preparación y manejo de eje de alta ley.
9. Conversión de eje de alta ley.
10. Refinación y moldeo de ánodos.
11. Plantas de limpieza de gases.

En la figura de una secuencia clásica de etapas pirometalúrgicas se muestra el rango aproximado de temperaturas involucradas. En su forma clásica, hay una secuencia alternada de etapas endotérmica y exotérmicas, siendo las más relevantes por su tamaño las correspondientes a la fusión y la conversión. Secuencialmente, también hay un aumento paulatino de la temperatura del sistema fundido.

Etapas del Proceso

Recepción y manejo de materias primas e insumos:

El proceso se inicia con la recepción y almacenamiento de los fundentes y otros insumos en áreas especiales para el concentrado. Estos materiales, que son transportados por vía marítima o terrestre, tienen un contenido de humedad que varía entre un 6% a 8% y proviene de distintas fuentes de abastecimiento. Se descargan mediante correas transportadoras tubulares o similares para evitar derrames y daños al medio ambiente.

Un equipo extrae el concentrado desde las camas de almacenamiento hacia el domo de mezcla. La operación normal permite que mientras una de las camas se está llenando, la otra se encuentre descargando a la planta. El domo de mezcla, cuya geometría es una semiesfera metálica cerrada, debe tener capacidad suficiente para algunos días de operación y estar ubicado en las inmediaciones del área de secado. El domo prepara mediante una correa circular interna una mezcla homogénea de concentrado, para dar la estabilidad operacional requerida por el proceso de fusión.

Secado de concentrados

El concentrado húmedo proveniente del domo de mezcla, es almacenado en tolvas desde donde ingresa a las líneas de secado de cada equipo de fusión que cuenta con secadores calefaccionados con vapor de agua En esta etapa la humedad original del concentrado (entre 6% y 8%) se reduce a niveles que oscilan entre 0,2% y 0,3%.

El concentrado va reduciendo sus niveles de humedad a medida que avanza dentro un tambor metálico. En el interior circula vapor a temperatura de 180ºC, por un serpentín que permite la transferencia de calor por radiación y convección. El calor requerido para el secado es suministrado por vapor saturado, a una presión de 20 bares, proveniente desde calderas de recuperación de calor de los gases generados en el proceso de fundición y que se encuentran asociadas a los respectivos hornos de fusión y conversión.

Los vahos producidos por el proceso de secado, compuestos por aire de purga (vapor de agua desprendido del concentrado y polvo arrastrado), pasan a un filtro de mangas donde se recuperan las partículas en suspensión, para ser dirigidas a las tolvas de almacenamiento de concentrado seco. Los vahos limpios son descargados a la atmósfera. El vapor condensado producto del proceso es conducido por cañerías a un estanque recuperador de condesados para su reutilización.

Debido a que la temperatura de operación del secador es de 180 ºC, no se generará emisión de SO2 al ambiente, ya que el azufre solo reacciona con el oxígeno a una temperatura superior a los 300 ºC. En algunos casos puntuales, el grado de humedad del concentrado a tratar se convierte en un parámetro importante, como en la alimentación a los procesos de fusión flash, en los que el concentrado es transportado suspendido en aire enriquecido o en oxígeno. Así, los procedimientos Outokumpu e INCO consideran una etapa de secado de concentrado en un secador rotatorio previo a su tratamiento. Outokumpu y Convertidor Teniente en particular, necesitan grados de humedad inferiores al 0,2%.

Tostación parcial de concentrados

La tostación consiste en la oxidación parcial de los sulfuros del concentrado y en la eliminación parcial del azufre de éste como SO2 y ocurre según reacciones sólido-gaseosas, a temperaturas de 500 a 800 ºC, dependiendo de los productos que se desea obtener.

La fase gaseosa contiene normalmente O2 y SO2 en la alimentación y productos y cantidades menores de gases SO3 y SO2, dependiendo de las reacciones de oxidación.



Alimentación de concentrados al horno de fusión

Una vez alcanzado el nivel de humedad requerido, el concentrado es descargado por gravedad desde los secadores y transportado en forma neumática a tolvas intermedias. En ellas se encuentran, simultáneamente, los polvos recuperados de diferentes partes del proceso de fusión y el concentrado seco proveniente de los secadores. Junto a cada tolva intermedia hay una tolva de almacenamiento de cuarzo fino; el cuarzo es requerido como fundente para la formación de escoria producida por las unidades de
conversión del eje alta ley (FCF) y, en menor cantidad, escoria proveniente de la refinación anódica y materiales recuperados de limpieza de canales, ductos y otros.

El concentrado seco, en conjunto con el cuarzo y en la dosificación adecuada, se extrae por un círculo neumático operado en fase densa que lo conduce por una cañería hasta el quemador del Horno Flash o de fusión inmediata, de tecnología Outokumpu.

Fusión de concentrados

El objetivo de esta etapa es formar una fase de sulfuros líquidos, compuesta principalmente por calcosina (Cu2S), covelina (CuS), calcopirita (CuFeS2), pirita (FeS2) y bornita (Cu5FeS4). En lo posible, debe contener todo el cobre alimentado, y otra fase oxidada líquida adherida a la anterior, llamada escoria, ojalá exenta de cobre, compuesta principalmente de silicatos de hierro. Los silicatos de hierro y los fundentes forman la escoria. La mata de cobre contiene sulfuros de cobre y hierro, algunos metales preciosos y otros elementos a nivel de trazas. La escoria, pobre en el metal, es caracterizada y descartada directamente o sometida a una etapa adicional de recuperación del metal, si su contenido es alto. La mata, en cambio, pasa a una etapa posterior de conversión por oxidación.

Los concentrados sulfurados de cobre son básicamente combinaciones, en proporciones variables, de sulfuros de hierro y cobre mezclados con ganga silícea ácido o básica. Las reacciones que tienen lugar en el Horno de Fusión (HF) transcurren entre estos constituyentes del concentrado y los fundentes, y corresponden principalmente a la reducción de los óxidos de cobre por el sulfuro cuproso y a la sulfuración de los óxidos de cobre por el sulfuro ferroso. Todo el sulfuro de cobre se descompone de acuerdo con las siguientes reacciones:




La tecnología HF corresponde a un proceso de fusión-conversión continua de concentrados, desarrollado por Outokumpu, que aprovecha el calor generado en las reacciones del oxígeno presente en el aire del proceso, con los sulfuros de hierro contenidos en el concentrado alimentado al reactor. Dependiendo principalmente de las características mineralógicas o químicas del concentrado, de los flujos y enriquecimientos en oxígeno del aire soplado, se generarán importantes cantidades de calor en el reactor, suficientes para tener un proceso totalmente autógeno, donde se funden además, materiales fríos de recirculación con cobre o carga fría, generada en el proceso productivo y utilizada para regular la temperatura en el horno.

Los productos generados en este proceso son una fase rica en cobre, conocida como eje de alta ley, con un 62%-70% de cobre, una escoria con un 1%-2% de cobre y 8%-12% de Fe3O4, y una corriente continua de gases con un 30%-35% de SO2 en la salida del horno. Concentración que dependerá principalmente del enriquecimiento en oxígeno del aire de proceso.

La escoria generada en el HF es evacuada por un pasaje de sangría ubicado en el extremo opuesto al punto de extracción del metal blanco, transferida por gravedad a través de una canaleta inclinada, cerrada, refrigerada y recubierta por material refractario, a un Horno Eléctrico de Limpieza de Escoria (en adelante HELE) para recuperar su contenido de cobre. Ambas canaletas, tanto la que conduce la escoria al HELE, como la que conduce el metal blanco a la etapa de granallado, se encuentran totalmente confinadas de tal forma que los gases y vahos emanados por la extracción o sangrado de los productos (metal blanco y escoria), sean captados y conducidos mediante ventilación a un sistema de limpieza de gases secundarios, donde un filtro de mangas recupera las partículas en suspensión (las que luego son recirculadas como carga fría al HF). Luego, los gases y vahos son neutralizados y emitidos a la atmósfera.

Respecto de los gases metalúrgicos primarios producidos en el proceso (ricos en SO2), éstos salen del HF 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 SO22, 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.

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 (léase sílice, magnetita, entre otros).

La reacción de producción de mata y escoria podemos representarla por:

Concentrado + Fundentes + Energía ------> Mata + Escoria + Gas (5)

Donde:

Mata: Cu2S, FeS, fundamentalmente.
Escoria: FeO, Fe3O4, SiO2, Al2O3, CaO, MgO, Cu2O, otros
Gas: O2, SO2, N2, CO, CO2, H2, H2O, otros.

Limpieza de escorias

La escoria fundida producida por el HF es alimentada al HELE por la gravedad a través de una canaleta cerrada y ventilada. La reducción del contenido de Fe3O44 permite mejorar las propiedades fisicoquímicas de la escoria optimizándose la separación y, en consecuencia, la sedimentación de las partículas de cobre. Así se logra la separación de las dos fases fundidas presentes: metal blanco con un contenido de cobre de 70% y escoria descartable con un contenido de cobre de alrededor de 0.70%. Los gases generados en el HELE son captados y conducidos a un incinerador que permite asegurar la quema total del carbón remanente no utilizado. Posteriormente, son mezclados con aire del sistema de ventilación del horno y con los gases secundarios de proceso. Esta mezcla es enfriada y conducida a un sistema de limpieza que permite la recuperación de material particulado. Los gases además de limpiados son neutralizados previo a su emisión a la atmósfera.

Granallado de eje de alta ley y escorias

En las operaciones modernas de fundición no se considera el transporte de materiales fundidos entre las etapas de fusión y conversión, lo que reduce al mínimo las emisiones fugitivas. Esto se consigue con la inclusión de etapas de granallado y molienda que permitan transportar materiales en estado sólido.

El proceso realizado en las plantas de granallado consiste en la granulación del material fundido, ingresa por la parte superior del pit o módulo de granulación y cae gravitacionalmente al fondo de éste. Durante esta caída el material fundido entra en contacto con agua pulverizada por un sistema de boquillas, con lo que el material se solidifica en pequeños gránulos, que caen en el fondo del pit de granulación junto con el agua inyectada. El material es recogido por un elevador de capachos perforados y luego pasa por un harnero vibratorio, donde se separa el sobretamaño una alta tasa de escurrimiento del agua. Las aguas utilizadas en el proceso de granallado (agua industrial) son condensadas y recirculadas en su totalidad dentro del mismo proceso, lo que genera una mínima emisión de vapor de agua.

Preparación y manejo de eje de alta ley

El eje de alta ley granallado proveniente del HF se acumula en el domo de almacenamiento. Una correa circular instalada al interior del domo permite la homogeneización requerida por el proceso de conversión. Desde el domo, el eje de alta ley es transferido mediante un equipo dosificador y una correa alimentadora móvil, a una etapa de molienda y secado constituida por líneas en serie con una unidad de conversión.

Adyacente a la tolva de eje de alta ley se encuentra una tolva de cal fina, material requerido como fundente para la formación y licuación de la escoria producida en el proceso de conversión. La alimentación del eje de alta ley al quemador se efectúa por medio de un sistema de pesaje gravimétrico (loss-in-weight feeder). Las tolvas de cal y polvos poseen su propio sistema de pesaje (loss-in-weight feeder). Un sistema neumático, (air slide) transporta la mezcla dosificada y pesada al quemador del horno de conversión.

Conversión de eje de alta ley

En la etapa de conversión, el sulfuro ferroso se oxida formando dióxido de azufre, mientras que el óxido ferroso se une con la sílice y cal para formar escoria, esencialmente ferrítica. El calor de formación de esta escoria, junto con el producido en la oxidación del azufre y el hierro, es suficiente para mantener los diferentes materiales en estado fundido. Cuando se ha oxidado todo el azufre asociado con el hierro, el eje de alta ley (sulfuro cuproso) también se oxida y, tan pronto como se ha formado una cantidad apreciable de óxido cuproso, éste reacciona con el sulfuro cuproso para formar cobre blíster y dióxido de azufre, según las siguientes reacciones que ocurren hasta que se consume prácticamente todo el azufre:

Respecto de las impurezas presentes en el eje de alta ley, una parte importante del arsénico, antimonio, plomo y zinc se volatiliza en forma de óxidos, mientras que la plata y el oro permanecen en el cobre blíster.

La tecnología de conversión considerada en esta descripción de una fundición moderna, corresponde a Hornos Flash u Hornos de Conversión Inmediata Outokumpu / Kennecott (FCF).

Los principales insumos requeridos en el proceso de conversión son: cal fina (95% CaO promedio), oxígeno técnico (95% O2, en promedio) y aire de distribución. El enriquecimiento del aire en proceso es 70% de oxígeno promedio.

En la torre de reacción se encuentra el quemador donde se alimenta la carga. Una lanza central, con aire enriquecido, facilita su distribución con la consecuente reacción el sulfuro contenido, lo que genera el calor de fusión requerido para el correcto funcionamiento del proceso.


El material se funde de manera instantánea (flash) produciendo cobre blíster, escoria y gases metalúrgicos con altos contenidos de SO2 (35%-45%). La temperatura de la reacción exotérmica alcanza hasta los 1.450 ºC y el calor generado es transferido a los productos fundidos, gases metalúrgicos y al sistema de refrigeración de la torre constituido por elementos de cobre refrigerados por agua, insertos en el revestimiento refractario de la misma.

El calor retirado desde el horno por las chaquetas de cobre refrigeradas por agua, con circuito cerrado de agua tratada e intercambiadores de calor, es eliminado mediante un sistema secundario que no considera torres de enfriamiento, sino una solución radiactiva conectiva mediante el uso de refrigeradores aleteados y ventiladores de aire forzado.

Los materiales fundidos son depositados en el decantador (settler) del FCF, que corresponde a una estructura metálica rectangular revestida interiormente de refractarios y elementos de enfriamiento similares a los de la torre de reacción, pero con geometría distinta. Estos materiales son evacuados desde settler, una vez que la separación de fases (blister y escoria) esté claramente definida debido a su diferencia de densidades y pesos específicos.

El decantador del horno posee placas de sangría para blister y placas de escoria. Estas canaletas que tienen una plancha metálica de acero refrigerada y recubierta con ladrillo refractario, son selladas y ventiladas para evitar el escape de gases y mantener la temperatura adecuada para el sangrado.

La producción de cobre blíster alcanzará un contenido promedio de cobre de 99.0%. La secuencia de sangría del blíster fundido está configurada de acuerdo a la disponibilidad operacional de los hornos de ánodos.

La escoria producida en el FCF es evacuada mediante canaletas selladas, de características similares a las utilizadas para el blíster, hacia una etapa de granallado. Dado el contenido metálico de la escoria granulada (17.6% de cobre), es transferida por camiones al área de almacenamiento de concentrados para su reprocesamiento como carga fría al HF.

Refinación y moldeo de ánodos

El cobre blíster obtenido de la etapa de conversión aún contiene impurezas y materiales valiosos tales como plata, oro, arsénico, antimonio, bismuto y hierro, por lo que debe ser refinado en los hornos anódicos. La operación de los hornos de refinación es cíclica (batch) y está constituida por las siguientes etapas: Llenado, Oxidación, Escoriado, Reducción y Vaciado.

Cada horno opera de forma secuencial, de acuerdo con las cinco etapas mencionadas. Completada la carga del horno, se inicia la etapa de oxidación, que permite remover el sulfuro contenido en el blíster hasta un nivel de 50 ppm. Para tal efecto se inyecta al baño fundido aire enriquecido con oxígeno. Adicionalmente se renuevan otras impurezas contenidas en el cobre blíster, inyectándose vía toberas, si es necesario, pequeñas cantidades de cal, que permiten la formación de una escoria que se descarta por sangrado y posteriormente es recirculado.

Una vez limpio el cobre, se inicia la etapa de reducción del nivel de oxígeno presente en el baño fundido, mediante la inyección de gas natural fraccionado con vapor de aire. Así se obtiene cobre anódico con un contenido de cobre de un 99,6%.

El cobre anódico se extrae del horno de ánodos por una canaleta cubierta, a la rueda de moldeo que va girando, produciéndose la soldificación del ánodo fundido por contacto con el aire ambiente.

Un equipo especialmente diseñado, toma automáticamente los ánodos solidificándolos y los deposita en estanques longitudinales de enfriamiento con agua. Desde los estanques, los ánodos son sacados por un montacargas y depositados en un área dedicada.

Plantas de limpieza de gases

El objetivo de estas plantas de limpieza es acondicionar los gases metalúrgicos primarios para su utilización como insumo en la producción de ácido sulfúrico (H2SO4). Los gases emitidos por el HF están compuestos principalmente por SO2, humo, vapores metálicos y partículas de cobre arrastradas. Los gases provenientes del FCF, están compuestos fundamentalmente de SO2 y material particulado.
Ambos gases primarios, luego de pasar por los respectivos precipitadores electrectroestáticos, se juntan en una cámara de mezcla común desde donde son conducidos a las plantas de limpieza de gases.

El proceso de producción de ácido sulfúrico se lleva a cabo en tres fases: purificación de gases, oxidación catalítica de SO2/SO3 y absorción.

La etapa de purificación o limpieza de gases tiene por objetivo acondicionar el gas, retirando todos aquellos compuestos cuya presencia pueda significar una merma en la eficiencia de producción de ácido sulfúrico o un daño al catalizador. Para ello, se contará con una torre de lavado que permitirá el enfriamiento y limpieza de sólidos y humos metálicos arrastrados; una sección de precipitadores de neblina húmeda y una torre de secado, donde son mezclados con aire de dilución hasta alcanzar un contenido medio de 14% de SO2, apto par ser enviado a la sección de contacto u oxidación.

Mediante la electrorrefinación se transforman los ánodos producidos en el proceso de fundición a cátodos de cobre electrolítico de alta pureza.

La electrólisis: una migración de cationes y aniones

¿Cómo se hace?

Este proceso de electrorrefinación se basa en las características y beneficios que ofrece el fenómeno químico de la
electrólisis, que permite refinar el cobre anódico (ánodo) mediante la aplicación de la corriente eléctrica, obteniéndose cátodos de cobre de alta pureza (99,99%), los que son altamente valorados en el mercado del cobre.

La electrorrefinación se realiza en celdas electrolíticas, donde se colocan en forma alternada un ánodo (que es una plancha de cobre obtenido de la fundición), y un cátodo, (que es una plancha muy delgada de cobre puro), hasta completar 30 ánodos y 31 cátodos en cada celda.

La electrólisis consiste en hacer pasar una corriente eléctrica por una solución de ácido sulfúrico y agua. El ion sulfato de la solución comienza a atacar el ánodo de cobre formando una solución de sulfato de cobre (CuSO4) denominada electrolito. Al aplicar una corriente eléctrica, los componentes de la solución se cargan eléctricamente produciéndose una disociación iónica en la que el anión sulfato (SO4-2) es atraído por el ánodo (+) y el catión (Cu+2) es atraído por el cátodo (-). El anión SO4-2 ataca al ánodo formando sulfato de cobre, el que se ioniza en la solución por efecto de la corriente eléctrica, liberando cobre como catión que migra al cátodo, y se deposita en él. El ion sulfato liberado migra al ánodo y vuelve a formar sulfato de cobre que va a la solución, recomenzando la reacción.

Este proceso es continuo durante 20 días. El día 10, se extraen los cátodos y se reemplazan por otros y los ánodos se dejan 10 días más y se reemplazan por otros. De esta forma, al final del día 20, nuevamente se extraen los cátodos y se renuevan los ánodos.

Los otros componentes del ánodo que no se disuelven, se depositan en el fondo de las celdas electrolíticas, formando lo que se conoce como barro anódico el cual es bombeado y almacenado para extraerle su contenido metálico (oro, plata, selenio, platino y paladio).

Vídeos relacionas con:

lexiviacion en pilas

Proceso de flotación

Explotación de cobre

Nuevo nivel mina en el mineral el Teniente

No hay comentarios:

Publicar un comentario en la entrada