FUNDICIÓN DE MINERALES Y REFINACIÓN DE METALES Elementos de Minería Séptimo Geología Carranco Andrés Rodríguez Omar Enero 2013
Definición •
Procesos para conseguir recuperar los metales desde los concentrados o las soluciones lixiviadas, en los cuales se obtienen los metales en estado de pureza listos para su transformación industrial.
Fundición (calor )
Principales Métodos •
Fundición Sulfuros
• Tostación a
(600-800°C)
Óxidos
• Procesos Piro-
Metalúrgicos (1000-1500°C)
Metal
• Se obtienen
metales, aun en
Principales Métodos •
Refinación Pirometalúrgico
Electrolítico
Hidrometalúrgico
• En hornos especiales se
• Mediante la acción de la
• Consiste en la disolución
somete al metal impuro a fusión y a la acción de oxidación, insuflando aire u oxigeno puro.
electricidad, el metal impuro colocado en un polo (ánodo) se ioniza en el medio ácido en que se encuentra, para depositarse luego en forma pura en el otro polo (cátodo).
o lixiviación de los minerales por medio químicos. Una vez obtenida determinada concentración del metal en solución se procede a la descontaminación de la solución, para someterla finalmente a un proceso de electro depositación.
Equipos e Instalaciones necesarias •
Fundición o o o o
o
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Tostadores Reverberos Convertidores Sistemas de gases y ventilación Moldes
Refinación o o o
Celdas electrolíticas Altos Hornos Planta de extracción por solventes
Equipos e Instalaciones necesarias •
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Tostadores: Proceso que consiste en el calentamiento o tostado de los materiales, a temperaturas de 650º a 800º C, para eliminar: la humedad, el arsénico, y parte del contenido de azufre que contienen los concentrados. Reverberos: Es donde la calcina se funde a temperaturas que varían de 1300º a 1500º C, convirtiéndose en una masa liquida dividida en dos capas. La superior denominada escoria, la que es sacada del reverbero. La inferior, que está constituida básicamente por el mineral bajo la forma de sulfuro, se le denomina “mata”. Convertidores: En estos se agregan determinados materiales como sílice y se inyecta oxigeno para producir la oxidación en determinados metales que se encuentran en la mata. Los metales oxidados forman escorias que se separan en la parte superior facilitando su eliminación. Se recuperan los humos y polvos de los reverberos así como de los convertidores a través de ductos de
Equipos e Instalaciones necesarias •
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Sistema de gases y ventilación: En los procesos de tostación, fusión y conversión, se producen gases que forman parte de los re-circulantes del circuito, los mismos que recolectan a través de ductos conduciéndoles hasta los filtros (Cottrelles). Los materiales o polvos recuperados por este sistema reingresan al circuito o son transferidos a otros procesos o subprocesos. Moldes: La mata que se obtiene de los convertidores, constituye el blister y es moldeado en maquinas que normalmente tienen forma cilíndrica y gira a medida que se va vaciando el cobre, el producto de este moldeo lo constituyen los ánodos de cobre. Refinación electrolítica: Se necesita una celda electrolítica con un ánodo y cátodo en una solución acida, donde se utiliza energía eléctrica.
Refinación pirometalúrgica: Utiliza hornos de altas temperaturas de fusión, a base de energía calorífica. Refinación hidrometalúrgica: Se utiliza equipos de lixiviación, extracción por solvente y electro-obtención (SX-EW).
Principales rubros de inversión PRODUCTOS
DÓLARES
Hornos industriales y sus partes Máquinas procesadora de datos Ánodos Partes para equipos de fundición Proceso de electrorefinación (Partes y piezas) Equipos de monitoreo (Densímetros, espectrómetros, termómetros, pirómetros, medidores de control de presión, medidores y calibradores de gases, termostatos, presostatos, partes y piezas de estos equipos) Ventiladores y compresores de aire (Repuestos y partes) Artículos eléctricos (Resistencias, potenciómetros, enchufes, fusibles, empalmes, switch, interruptores, relés, arrancadores) Otros reactivos (Dióxido de azufre, trióxido de arsénico, sulfuro de sodio, sílice, cianuro de sodio, metil, isobutil, carbonil, xantato isopropílico, reactivos tensoactivos aniónicos)
200.000* $ 10.000* $ 15.000* $ 50.000* $ 75.000* $ 15.000* $ 10.000* $ 10.000* $ 15.000* $
Impactos ambientales negativos Directos: Selección de Sitio 1. Ubicación de la planta en o cerca de los hábitats frágiles: manglares, esteros, humedales y arrecifes de coral.
Medidas de Atenuación •
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2. Ubicación junto a un río, causando su eventual degradación
3. La ubicación puede causar serios problemas de contaminación atmosférica en el área local.
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Ubicar la planta en una área industrial, de ser posible, a fin de reducir o concentrar la carga sobre los servicios ambientales locales y facilitar el monitoreo de los efluentes. Integrar la participación de las agencias de los recursos naturales en el proceso de la selección del sitio, a fin de estudiar las alternativas. El proceso de selección del sitio debe examinar las alternativas que reduzcan los efectos ambientales y no excluyan el uso beneficioso de la extensión de agua. Las plantas que producen descargas líquidas no deben ubicarse sino en los ríos que tengan la capacidad adecuada para absorber los desechos de los efluentes tratados. Ubicar la planta en un área más alta que la topografía local, que no esté sujeta a inversiones y donde los vientos predominantes se dirijan hacia las áreas relativamente despobladas.
La selección del sitio debe evaluar la ubicación según los siguientes lineamientos: •
4. Ubicación puede agravar los problemas que se relacionan con los desechos sólidos en el área.
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La planta debe estar cerca de un sitio adecuado para la eliminación de desechos El lote debe tener un tamaño suficiente que permita eliminar los desechos en el sitio La ubicación debe ser conveniente para que los contratistas públicas/privadas puedan recolectar y transportar los desechos sólidos al sitio donde serán eliminados
Impactos ambientales negativos Directos: Operación de la Planta
Medidas de Atenuación •
5. Contaminación hídrica debido a los efluentes, agua de enfriamiento y escurrimiento de las pilas de desechos.
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6. Emisión de partículas a la atmósfera provenientes de todas las operaciones de la planta.
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7. Emanaciones gaseosas de SO2 y CO a la atmósfera, provenientes de la producción de metales.
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8. Liberación casual de solventes y materiales ácidos y alcalinos, que
El análisis de laboratorio de los efluentes debe tomar en cuenta los sólidos Totales Suspendidos, aceite y grasa, amoníaco, nitrógeno y monitorear la temperatura in-situ. No debe haber ninguna descarga de agua de enfriamiento. Si no es factible reciclarla, se la puede descargar, siempre que la temperatura de la extensión de agua que la recibe no suba más de 3°C Mantener el pH del efluente entre 6.0 y 9.0 Áreas para las Pilas de Acopio de los materiales y Eliminación de los Desechos Sólidos Reducir al mínimo la filtración incontrolable de la lluvia a través de los montones.
Controlar las partículas con filtros recolectores de tela o precipitadores electroestáticos Controlar mediante el lavado con soluciones alcalinas Hacer un análisis de las materias primas durante la etapa de factibilidad del proyecto para determinar los niveles existentes de azufre y diseñar los equipos adecuados para controlar las emisiones.
Mantener las áreas de almacenamiento y eliminación de desechos en buen estado, de modo que se prevengan las fugas casuales.
Impactos ambientales negativos Indirectos
Medidas de Atenuación •
9. Los efectos para la salud de los trabajadores, debido al polvo fugitivo, manejo de materiales, ruido, u otras operaciones del proceso.
La planta debe implementar un Programa de Seguridad y Salud diseñado para cumplir lo siguiente: •
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10. Se complica el problema de la eliminación de los desechos sólidos en la región debido a la falta de almacenamiento en el sitio, o de instalaciones para su eliminación definitiva. 11. Se alteran los modelos de tránsito, creando ruido y congestión, y ocasionando serios peligros para los peatones, debido al uso de camiones pesados para transportar la materia prima hacia la planta o fuera de ella. 12. El procesamiento de metales puede requerir cantidades significativas
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La frecuencia de los accidentes es mayor que lo normal, debido al bajo nivel de experiencia de los trabajadores. Identificar, evaluar, monitorear y controlar los peligros para la salud y seguridad Dar capacitación sobre la seguridad
Planificar las áreas adecuadas para la eliminación en el sitio, luego de verificar si el lixiviado tiene propiedades peligrosas
La selección del sitio puede atenuar algunos de estos problemas Se debe hacer un análisis del transporte durante el estudio de factibilidad del proyecto para seleccionar las mejores rutas y reducir los impactos. Establecer reglamentos para los transportistas y diseñar planes contingentes de emergencia para reducir el riesgo de accidentes.
Realizar el procesamiento de los metales durante las horas en que las otras industrias que
Caso - Mirador Concentrado
Proceso de Fundición y Refinación de Cobre Secado
Tostación
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 Fusión para separar fases
6. Limpieza de escorias
Conversión a cobre blíster
8. Preparación y manejo de eje de alta ley
7. Granallado de alta ley y escorias 9. Conversión de eje de alta ley 10. Refinación y moldeo de ánodos
Pirorrefinación
11. Plantas de limpieza de gases 12. Electrorefinación (cátodos)
Caso - Mirador 1. Recepción y manejo de materias primas e insumos: el proceso inicia con la recepción y almacenamiento de los fundentes y otros insumos en áreas especiales para el concentrado. En este proceso se preparan los “blending” o “mezclas” adecuadas para optimizar los procesos de fundición. 2. 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 (6%-8%) se reduce a 0,2% y 0,3%. 3. Tostación parcial de concentrados: 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. 4. Alimentación de concentrados al horno de fusión: 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. 5. Fusión de concentrados: El objetivo de esta etapa es formar una fase de sulfuros líquidos, compuesta principalmente por calcosina (Cu2S), calcopirita (CuFeS2), pirita (FeS2). 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 . 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. Concentrado + Fundentes + Energía → Mata + Escoria + Gas Donde:
Mata: Cu2S, FeS, fundamentalmente.
Caso - Mirador 6. Limpieza de escorias: la escoria fundida producida por el HF es alimentada al HELE. La reducción del contenido de Fe 3O4 permite mejorar las propiedades fisicoquímicas de la escoria optimizándose la separación y, en consecuencia, la sedimentación de las partículas de cobre. Esta mezcla es enfriada y conducida a un sistema de limpieza que permite la recuperación de material particulado. 7. Granallado de alta ley y escorias: consiste en la granulación del material fundido, ingresa por la parte superior del 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 o modulo de granulación junto con el agua inyectada. 8. Preparación y manejo de eje de alta ley: el eje de alta ley granallado proveniente del HF se acumula en el domo de almacenamiento. 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. 9. 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. 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.
Respecto de las impurezas presentes en el eje de alta ley, una parte importante del arsénico, antimonio, plomo, molibdeno y zinc se volatiliza en forma de óxidos, mientras que la plata y el oro permanecen en el cobre blíster.
Caso - Mirador 10. 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. 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%. 11. 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). El proceso de producción de ácido sulfúrico se lleva a cabo en tres fases: purificación de gases, oxidación catalítica de SO 2/SO3 y absorción. El proceso de limpieza de gases genera un residuo líquido, que contendrá la totalidad del arsénico y trazas de otros elementos metálicos volatilizados en la fundición. 12. Electrorefinación: se realiza a partir del cobre blíster el cual es colocado como ánodo en las celdas electrolíticas y en el cátodo se coloca láminas delgadas de cobre refinada, que funcionarán como cátodo y se sumergen en una solución se sulfato de cobre, bajo la acción de la corriente eléctrica y se inicia un proceso electrolítico en la cual las partículas puras de cobre del ánodo van hacia el cátodo, el cual se va engrosando y el ánodo se va desintegrando, en donde las partículas que no son cobre se precipitan en las celdas y forman los denominados lodos anódicos.
Concentrado de Cobre (30%)
FUNDICIÓN
REFINACIÓN
Cobre blíster (98%)
Cobre puro (99,99%)
Caso – Fruta del Norte Materia Prima Aurífera
Copelación
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Proceso Miller •
Proceso Wohlwill
Copelación Implica el tratamiento de los minerales a altas temperaturas para separar los metales nobles, como el oro y la plata, de los metales básicos. Los metales básicos, tales como el cobre, zinc y plomo, se oxidarán mientras que los metales nobles no. El proceso Miller Inventado por Francis Bowyer Miller, es capaz de refinar el oro a 99,95% de su pureza. Esta técnica incluye el paso de gas cloro a través de oro fundido, sin refinar, haciendo que la plata y otros metales básicos se vuelvan sólidos y floten en la parte superior desde donde se desnata. El proceso Wohlwill Refina el oro a un 99,999% de su pureza (la mayor pureza posible). Desarrollado por Emil Wohlwill en 1987, este proceso electroquímico utiliza una barra de 95% de oro puro como un ánodo y pequeñas hojas de oro puro de 24 quilates como cátodo. Una corriente pasa a través del sistema, que utiliza ácido cloroaúrico como un electrolito; el oro puro se acumula en el cátodo, que a continuación se puede fundir o procesar.
Caso – Fruta del Norte 1. Copelación: implica minerales que se funden a temperaturas superiores a 960°C; a esta temperatura los metales básicos se oxidan (tales como el cobre, zinc y plomo) mientras que la plata y el oro permanecen en la parte superior de la mezcla. 2. El proceso Miller: se basa en el hecho de que el oro no forma rápidamente ningún cloruro volátil, mientras que en la mayoría de las impurezas que le acompañan sí lo hacen, por lo que se pueden eliminar mediante el burbujeo de cloro gas en el oro fundido.
la secuencia de formación de los cloruros es Fe > Zn > Pb > Cu > Ag. De una forma general se obtiene un oro
Caso – Fruta del Norte 3. El proceso Wohlwill: utiliza la electrólisis para el refino del oro. El metal impuro se moldea en ánodos, mientras que los cátodos se preparan de titanio o de oro muy fino. El electrólito es una disolución acuosa del ácido tetracloroaúrico
El principal problema se debe a la polarización que da lugar a la presencia de plata y a la obtención de cátodos cada vez más impuros. La impureza del cátodo se reduce mediante agitación con aire y utilizando sistemas que recojan el cloruro de plata que se forma en el proceso. Algunas de las impurezas como el cobre, el cinc, el platino y el