Minería del cobre

Minerales. Recursos. Clasificación. Composición química. Oxidados. Sulfurados. Extracción. Procesamiento mecánico. Obtención

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MINERIA DEL COBRE.

- Clasificación de los recursos

El cobre se encuentra en forma de diversas sales en yacimientos que, según su composición química, se clasifica en :

- minerales oxidados

- minerales sulfurados, primarios y secundarios, generalmente en yacimientos de tipo “porfídico”.

El cobre puede estar también en forma metálica en pequeñas vetas (cobre nativo), pero ello no es frecuente.

En la mayoría de los yacimientos se encuentran diversos tipos de minerales. La moderna tecnología ha permitido llegar ha limites rentables de explotación bajos, especialmente en el caso de los minerales oxidados y sulfurados secundarios.

Geológicamente en el caso de los yacimientos de tipo mixto, el recurso oxidado se encuentra a nivel más superficial que el sulfurado, por causa de la lenta acción del oxigeno atmosférico.

Composición química de algunos minerales oxidados

Azurita

Malaquita

Brocantita

Calcantita

Atacamita

Crisocola

Cuprita

Composición química de algunos minerales sulfurados

Calcopirita (primario)

Covelina (secundario)

Bornita (secundario)

Calcosina (secundario)

Enargita (secundario)

SISTEMAS DE EXTRACCIÓN DEL MINERAL.

- A rajo o tajo abierto

- subterráneas

La decisión sobre cual sistema utilizar de la minería en general depende en la evaluación económica, que con la ayuda de sistemas computacionales define las zonas de interés y los volúmenes. En principio una explotación subterránea es de mayor costo que una a rajo abierto, aunque la inversión inicial dependerá del material estéril que tiene que ser removido hasta llegar a la zona mineralizada. El volumen de mineral de la explotación será vital para estimar la amortización del capital invertido, según el tipo de extracción definido.

Figura 1. Explotación a tajo abierto en mineral la Escindida 2ª. Región.

Las maquinarias utilizadas en la gran minería son de dimensiones espectaculares. Se pueden observar palas gigantes que con su “cuchara” pueden extraer hasta 80 toneladas de mineral en cada operación, los camiones tolva con capacidad de carga superior a las 300 ton.

Figura 2.Gigantesca pala mecánica cargando camión tolva de 300 ton. En explotación de cobre a rajo abierto

La explotación subterránea posee equipos para efectuar tronaduras múltiples para el retiro del mineral, incluso manejados a control remoto, por seguridad.

Figura 3. Cargador frontal especialmente diseñado para la explotación en minas subterráneas

El pequeño minero utiliza la explotación subterránea, buscando el filón o mena para justificar el esfuerzo de trabajar en condiciones precarias en cuanto a equipamiento y normas de seguridad. En algunos casos extraen el cobre de antiguos botaderos de minas que aun tienen una ley de metal explotable ; esto como consecuencia de los métodos de extracción ineficientes que utilizaban en épocas anteriores.

SISTEMAS DE PROCESAMIENTO MECANICO DEL MINERAL

En la extracción del mineral se obtienen trozos de diverso tamaño, que pueden llegar a medir mas de un metro de diámetro.

El mineral debe ser fragmentado y molidos en tamaños adecuados a cada sistema de tratamiento ulterior.

Las operaciones de fragmentación utilizadas son:

- El chancado y la molienda

Ambas pueden realizarse en etapas sucesivas denominadas: proceso primario, secundario y terciario. Obteniéndose partículas de menor tamaño.

Si el mineral va a ser sometido a un proceso de “lixiviación”,el rango de la partícula podrá oscilar en 6-10mm de diámetro. Si el proceso ulterior es la “flotación” de las partículas su tamaño tendrá que ser muy fino (0.1mm), obteniéndose en forma de una “pulpa” donde se agrega agua y reactivos para facilitar el proceso. El tamaño se expresa en micrometros.

Figura 4.Molienda de mineral sulfurado para lograr tamaño de partícula 0.1mm.

Este es el molino más grande del mundo y posee un motor de 16000 HP.

Las operaciones de fragmentación son aquellas donde el material producido es seleccionado en tamices y la que es rechazada es devuelta a la etapa anterior; con la ayuda de correas transportadoras y tolvas.

OBTENCIÓN DE COBRE DESDE MINERALES “OXIDADOS”.

La secuencia de operaciones es utilizada para extraer el cobre del tipo “sulfuros” secundarios, mediante modernos procesos de lixiviación.

  • Lixiviación del mineral.

  • Purificación de la solución mediante extracción con solvente.

  • Electro-obtención de cátodos de cobre.

Lixiviación se denomina al proceso químico que consiste en la solución de diversas sales presentes en los minerales. Su objetivo es obtener en solución una determinada especie química relativamente concentrada (solución rica o fuerte), la que se separa del resto de los áridos del mineral

(ripios o gangas).

Tradicionalmente la lixiviación se realiza con dos tipos de sistemas

- Precolación en grandes estanques abiertos (piscinas o bateas)

- Agitación en baterías de estanques provistos de grandes hélices

El primer sistema se utilizo en Chiquicamata para tratar minerales oxidados. El proceso dura entre 80 y 120 horas, con etapas de “remojo”, percolación” y “lavado” del mineral. El segundo proceso era empleado en explotaciones más pequeñas ; su mayor problema era el costo de producción y energético.

Se ha impuesto el sistema de lixiviación en pilas o T.L (del ingles “thin layer”, capa fina). Donde se acumula el mineral de óxidos y sulfuros secundarios, de tamaño adecuado y “aglomerado” en pilas de 3 a 6 m de altura y gran extensión. Las pilas se forman en terreno aplanado con leve pendiente, se extiende una carpeta impermeable de polietileno y mangueras para recuperar el lixiviado.

Normalmente la operación comprende dos etapas :

  • Una rápida (15 a 45 días) donde se disuelve el 80-90% del mineral oxidado y el 40-50% de los sulfuros secundarios.

  • Una lenta (6 meses), en la cual se completa el 100% de recuperación del oxidado y el 80-90% del sulfurado.

Figura 5. Etapa de formación de una pila de minerales de óxidos y sulfuros secundarios de cobre, mediante correa transportadora.

El mineral oxidado se lixivia, en cambio los sulfuros secundarios (Calcosina, Covelina, Bornita) se disuelven fundamentalmente por la acción de bacterias del tipo Thiobacillus, principalmente Thio-oxidans y Ferro-oxidans. Son microorganismos mesofilos que oxidan en presencia de aire, formado actúa como agente oxidante que transforma los sulfuros en sulfatos solubles.

La lixiviación de sulfuros primarios (ej. Calcopirita ) muy abundante en la naturaleza, no es factible, debido a que la genética de la reacción es demasiado lenta por eso son tratados en forma totalmente diversas.

Al finalizar los ciclos de lixiviación, el material se retira con gigantesca palas y se acumulan en botaderos no contaminantes, o se forma una nueva pila sobre la ya agotada Este último es el más utilizado por razones de costo.

La solución o lixiviado final contiene un porcentaje de cobre C u C O relativamente bajo (1-3 g l ) Está contaminada con yerro y otros elementos mencionados, por lo cual debe ser purificada ante el proceso de electro - obtención.

Purificación. Antiguamente el proceso de purificación era netamente químico y bastante engorroso.

Hoy día se utiliza universalmente la extracción por solventes, para soluciones de cobre ácidas como almoniacales. Consiste en disolver en querosenos una resina adecuada, por ejemplo del tipo oxima. Esta resina son selectivas para el cobre y no captura otros cationes ( F e, A l, A s, etc.)

NI Aniones . En una segunda etapa , la regeneración o “stripping”, la face orgánica cargada con cobre se agita con una solución concentrada de I I S O pasando el C u a la fase acuosa.

Electro-obtención . El cobre en este proceso se obtiene en forma de láminas metálicas, Cátodos. Con pureza superior al 99. 98%, mediante la electrólisis de la solución “rica” proveniente del proceso de purificación con solventes.

Figuras 6. Obtención de cátodos de cobre en el proceso electro-obtención.

Figura 7. Cátodos de cobre electrolíticos ( 99.98%) en patio de almacenamiento, previo a su embarque.

El sistema consiste básicamente en recuperar el cobre contenido en el electrolito mediante el paso de corrientes eléctricas continuas. En forma simultánea, en ánodos insolubles. Se desprende oxígenos y se regenera ácidos sulfúricos.

La Electrólisis, se desarrolla generalmente en celdas rectangulares de hormigón revestido en Pvc, donde se colocan alternadamente los cátodos iniciales y los ánodos insolubles de aliación de plomo.

Esta solución regresa la etapa de “Stripping” en la extracción con solventes completando un ciclo cerrado que no genera contaminación.

La intensidad de la corriente continua que circula por las celdas puede llegar a 25-30.000 Amperios.

Se puede calcular el gasto energético para obtener un kg. De C u castódico, considerando los siguientes conceptos y relaciones:

Potencia: 1 kw = 1000 x V x Y, siendo un kw = 1000 Vatios. V = Voltios, Y = Amperios.

Energía Potencia x Tiempo (kw x h), o sea ( K V x Y h ).

- 1 Amperio x hora ( A-h) deposita 1. 18 g. De C u ( con Rend. 100)

- Por lo tanto 1 kg de C u es depositado por el paso de 847. 5 A - h (100/1.18)

Figura 8. Esquema del proceso de obstención de cátodos de cobre electrolítico a partir de minerales oxidados y sulfuros secundarios.

OBSTENCION DE COBRES DESDE MINERALES “SULFURADOS”

Comprende el procesamiento de la calcopirita (Sulfuro Primario) y los sulfuros secundarios incluidos en el mineral junto a dichas especies.

Fundamentalmente, las etapas del proceso de obstención de cátodos de cobres, partiendo del mineral ya finamente molidos, se pueden resumir así:

Proceso de concentración del mineral.

  • “Flotación” selectiva de compuestos de cobre y molibdeno .

  • Espesamiento y filtración del concentrado de cobre.

Procesos pirometalurgico

  • Secado de concentrados.

  • Fusión de concentrados para obtener “matas” o “eje”.

  • Conversión del eje acore “Blister”.

  • Refinación a fuego para llegar a cobre “ Raf”.

  • Moldeo de ánodos Raf.

Procesos electroquímicos.

  • Refinación electrolítica, para obtener finalmente “Cátados” de alta pureza.

En cada una de estas etapas el porcentaje de cobre contenido en cada producto se va elevando hasta llegar al cátado de metal con máximo pureza. Este tipo de cobre es el único que sirva para elaborar cables y alambre eléctricos, los que deben tener mayor conductividad, se logra eliminando pequeños porcentajes residuales del Raf mediante la refinación electrolítica.

Con cofre Raf se fabrica, entre otros productos como plancha y cañerías del metal.

Figura 9 : Porcentajes de C u en las etapas del proceso con minerales “ sulfurado” (% )

Concentración del mineral

La baja concentración del cobre en los grandes yacimientos cupríferos impide su tratamiento directo mediante operaciones de fusión. El mineral debe ser previamente concentrado mediante un tipo de proceso denominado “ flotación”.

En forma resumida se entiende “ flotación “ a un proceso físico - químico que consiste en la separación de partículas finalmente molidas de un mineral, basándose en el diverso grado de humectación de sus distintos competentes con agentes especiales (colectores, espumantes, etc).

En general, todos los constituyentes de mineral finalmente divido, tanto los compuestos de cobres como la ganga o áridos, “ mojados” por agua pura, pero no lo son por otras solucione. Por tanto si el agua se le adiciona reactivos adecuados en concentraciones y p I I bien estudiado.

La refinación pirometalúrgica final a cobre Raf se efectúa en hornos rotatorios o rectangulares, calentados con quemadores de petróleos diesel. En ellos se desarrollan la refinación en dos etapas:

  • Eliminación de las impurezas presentes con llamas oxidantes.

  • Reducción del oxido cuproso (C u 2 0 ).

La reducción del C u O se consigue introduciendo en el horno tronco de eucaliptos verdes o inyectado de hidrocarburo ( petróleos, kerosene) en la masa.

El oro y la plata quedan junto al cobre, al igual que los restos de otros elementos, tales como As, Sb, Fe, Ni, Se, Te, Pb, y S, esto último obviamente concentraciones muy reducidas.

El cobre tipo Raf puede ser comercializado como tal o refinado en forma electrolítica para obtener cátodos de alta pureza, en cuyo caso previamente debe ser moldeado para formar los ánodos necesarios para el proceso. El moldeado se realiza en una rueda o “carrusel continuo .

Figura 12 Rueda de moldeo (“carrusel “) Para producir ánodos de cobre refinado a fuego (Raf)

Electro-refinación

La refinación electrolítica es el único sistema adecuado desde un punto de vista técnico- económico, para eliminar en forma prácticamente total las impurezas contenidas en el cobre y recuperar integralmente los metales nobles que lo acompañan.

Consiste en la electrolisis de una solución ácida de sulfato cúbrico, durante la cual se disuelve los ánodos del metal por refinar.

El general, las características operacionales de las refinerías difieren entre sí por lo que en este caso se utilizará como caso tipo la Refinería de Ventanas, los ánodos Raf son de 92 x 91 . 5 x 3 . 5 cm. ( largos - Ancho- Espesor) y pesan inicialmente 260 kg. Los Cátodos “iniciales” son delgadas láminas ( 0.5- 0.7mm) de Cu electrolítico de dimensiones similares a los ánodos, que pesan alrededor de 5 kg. Durante la electrólisis, los ánodos se disuelven mientras que los cátodos iniciales van aumento su peso hasta llegar 100- 110 kg., mom3entro que sin retirados de la celda ( “ cosechan”) El proceso se verifica en más de 100 celdas de concreto revestidas de P V C laminar, de 4.1 x 1.1 x 1.3 m (Largo- Ancho- profundidad), casa una contiene 33 ánodos y 34 cátodos intercalados.

El electrolíto es una solución de Cu S O que circula por las celdas con un flujo de 15-30 lt. Min a una temperatura de 60-65 C .

La intensidad de corriente continua es del orden de los 13.000 A por celda la que se obtiene de grandes equipos denominados “transformadores- rectificadores”. Esos equipos rebajan el voltaje de la corriente alterna que los alimenta y luego los pasa a corriente continua de bajos voltajes, que es la empleada en la electrólisis.

Por este motivo la concentración de los elementos solubles aumenta en forma constante en el electrolito, lo que obliga a su purificación cuando se alcanza un nivel tal que pueda afectar en la calidad de los cátodos. Esto se hace en forma continua en un grupo de celdas especiales, donde primero se recupera el cobre presente en la solución y luego se elimina el arsénico por depositación catódica. El electrolito remanente, que contiene el resto de las impurezas se “descarta”, previa recuperación del níquel por cristalización.

Comprende toda una gama de operaciones térmicas que consisten básicamente en la fusión del concentrado y su transformación de sulfuros a cobres metálicos de purezas cada vez más elevada. El secado de los concentrados, después del procesado de filtración permite rebajar su contenido de humedad hasta un 5-8% , generalmente se emplea una corriente de aire caliente de 800 - 850 C. Para facilitar la operación del horno de reverbero o del horno modificado “ El Teniente”, ambos utilizados en la gran minería .

En la etapa de la fusión del horno, el concentrado se transforma en “ ejes” o “ mata”, mediante reacciones que permiten eliminar el hierro y el azufre contenido en el mineral.

En el material fundido se estratifica. Quedando en la parte superior una “ escoria” con menor peso específico, que contiene fundamentalmente el hierro.

El “eje” que aún contiene un alto porcentaje de hierro se lleva a convertidores cilíndricos horizontales con capacidad de giro parcial , de gran tamaño.

En el convertidor se agrega un fúndente ácido para que forme una escoria. A través de numerosos orificios ubicados a lo largo del horno, bajo el nivel de la masa fundida, se insufla aire u oxígeno a alta presión, se genera reacciones químicas exotérmicas.

La escoria del convertidor puede contener entre 1.5 y 2.5% de Cu, por lo que es reciclada al horno de reverbero.

Figura 10 celdas de Flotación para la recuperación de partículas de minerales sulfurados de cobre.

Se aprovecha la circunstancia de que partículas finas de sulfuros de cobre y otros metales tiene la propiedad de absorber una finísima capa de algunos productos químicos. Esto facilita que la partícula se adhiera a las pequeñas burbujas de aire ( espuma ) “ y flote” hacia la superficie, permite su separación del resto de las partículas de gangas, las que no absorben el colector y debido a ello son humectadas por el agua, quedando en el fondo de las celdas de flotación. La espuma con las partículas minerales ricas en cobres y otros elementos valiosos se recuperan por rebase de las celdas y se somete a tratamiento de limpieza, de espesamiento y de filtración para elimina el exceso de humedad.

La ganga que queda en el fondo de las celdas se acumula habitualmente en grandes tranques. En aquellos casos en que los minerales sulfurados de cobre tengan porcentajes interesantes de molibdeno, los procesos de flotación en gran escala se realizan buscando la recuperación de ambos productos.

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