HIDROME HIDR OMET TALUR ALURGIA GIA DEL COBR COBRE E
Prof. Pro f. Paul Paula a Espin Espinoza oza C.
Los minerales son compuestos químicos inorgánicos que se han formado por los procesos naturales. Tienen propiedades físicas y químicas definidas de tal forma que sus características son similares, aún cuando ellos se hayan formado en lugares muy distantes en el globo terrestre. Los mine minera rale less se puede eden cla clasifi sifica carr por las las fami famililia as quím químic ica as a las las que pert perten enece ecen, n, en esta esta idea idea,, se encu encuen entr tran an los: los: elem elemen ento toss nativ nativos os,, sulf sulfur uros os,, haluros, óxidos e hidróxidos, sulfatos, wolframatos, carbonatos, fosfatos, silicatos y otros. La mena tal como se extrae de la mina o en forma de “mineral en bruto” consiste en una una mezc mezcla la de miner minerale aless metá metálic licos os valio valioso soss y de dese desech cho o (gan (ganga ga), ), que que normalmente requieren de una cierta preparación para obtener la especie útil o comercial.
AGLOMERACIÓN Y CURADO Las etapas de aglomeración y curado, en la operación, se confunden en una sola, pero para los efectos de facilitar la descripción de cada uno se analizaran por separado. Curado o tiempo de envejecimiento
Es el proceso por el cual el mineral aglomerado, en el cual se ha obtenido la humedad necesaria adicionando agua o líquidos de reciclo, es dejado reposar durante un tiempo (el cual es llamado tiempo de reposo) para que se produzcan las las dife difere rent ntes es reac reaccio cione ness quím química icass de oxid oxidac ación ión,, hidr hidrol oliz izac ació ión, n, sulf sulfat atac ació ión, n, reacciones exotérmicas y otras que contribuyen y facilitan la lixiviación posterior de los valores metálicos que se desea extraer. Cuan Cuando do la aglo aglome mera ració ción n del del miner mineral al se efec efectú túa a en conj conjun unto to con con la solu solució ción n lixiviante, junto con obtener una mejor velocidad de percolación, se obtiene un íntim íntimo o cont contac acto to entr entre e la solu solució ción n lixivi lixivian ante te conc concen entr trad ada a y el miner mineral al;; lo que que generalmente permite una mayor velocidad de lixiviación y recuperación. A este procedimiento se le llama curado de mineral.
EQUIPO DE CURADO
El mineral grueso es acondicionado para la lixiviación en pilas en el tambor de curado La función del tambor de curado es: • Transformar el mineral triturado en un mineral de mayor solubilidad en medio ácido. • Disminuir el contenido de impurezas en un medio de alta acidez. • Formar aglomerados para aumentar la permeabilidad del mineral que se apila en se adhieren a las partículas mas grandes y formen aglomerados).
EQUIPO DE CURADO
Aglomeración
Podemos definir la aglomeración, como el un proceso de aumento de volumen, en el que está involucrado la unión de partículas pequeñas con partículas de tamaño mayor. Con el proceso de aglomerado se logra lo siguiente: • Las Partículas finas se ligan a las gruesas, formando pellets de un tamaño uniforme, de menor densidad y mayor permeabilidad. • Reducir la probabilidad de segregación de las partículas finas durante el carguío y regadío de la pila. • Mejorar la permeabilidad de la pila debido a la uniformidad del tamaño de las partículas. • Mejorar la oxigenación de la pila. • Fracturar la roca matriz, lo que permite crear vías de ataque y penetración. • Mejorar la velocidad de extracción, reduciendo el ciclo o tiempo de lixiviación, lo que influye favorablemente, en la economía de las operaciones de la planta. Se pueden resumir las siguientes ventajas al agregar solución lixiviante al mineral antes de apilarlo: • Se logra una solución muy homogénea de la solución lixiviante sobre toda la carga del mineral. • Se obtiene un íntimo contacto entre la solución lixiviante concentrada y el mineral, permitiendo que la etapa de lixiviación termine en el menor tiempo posible.
EQUIPO DE AGLOMERACIÓN Este método se aplica cuando el material contiene gran proporción de finos, pero al mismo tiempo debe contener también gruesos y con distribución lo más homogénea posible hasta el tamaño máximo de la operación). Así será posible una aglomeración de finos con los gruesos. El diseño del equipo es el clásico de cualquier cilindro rotatorio y obviamente su finalidad principal, por su volumen, es aumentar el tiempo de contacto entre finos y gruesos para que se produzca la aglomeración.
LIXIVIACION
El procesamiento de menas de cobre oxidadas y ciertos tipos de sulfuros, para la obtención de cátodos de cobre de alta pureza , se realiza a través de un proceso hidrometalúrgico que incluyen las siguientes etapas: 1. Preparación y pretratamiento de mineral (chancado, aglomerado y curado); . , bacterial; 3. Lavado y separación de residuos sólidos; 4. Purificación y concentración de la especie útil presente en la solución proveniente de lixiviación, por medio de la extracción por solvente; 5. Precipitación del cobre disuelto en la etapa de electroobtención.
LIXIVIACION
Lixiviación es aquel proceso mediante el cual, se extrae selectivamente un compuesto, presente en una fase sólida, a través de la disolución de las especies de interés, por medio de un agente lixiviante, que transforma éstas especies en sales solubles. En el caso de la lixiviación de menas de cobre el agente lixiviante es principalmente sulfatos. Dicho de otra forma, el proceso de lixiviación permite que la especie de interés se transfiera desde un sólido a una solución, permitiendo descartar los sólidos agotados y continuar con el procesamiento de la solución para obtener el metal. Sin embargo, es necesario que la solución obtenida en el proceso de lixiviación tenga una concentración apta para continuar con las etapas posteriores, de lo contrario no es viable el procesamiento de mineral.
LIXIVIACION AGENTE LIXIVIANTE El agente lixiviante es una solución acuosa que contiene disuelto algún reactivo químico o especie capaz de reaccionar con el mineral útil a fin de solubilizarlo. Para escoger el agente lixiviante más adecuado, se debe considerar entre otros: 1. Características físicas y químicas del material a lixiviar. 2. Debe disolver el metal o compuesto de interés en forma rápida y debe . 3. La solubilidad de los reactivos de lixiviación debe ser alta, al igual que los productos del proceso para minimizar el volumen de las soluciones. 4. Costo razonable y adecuada disponibilidad. 5. Capacidad de regeneración en forma simple. 6. Mínimos problemas de corrosión en los equipos. 7. En lo posible no debe ser peligroso para los seres humanos y el medio ambiente. 8. Deben actuar en frío y en concentraciones diluidas.
LIXIVIACION
La lixiviación de minerales de cobre depende de varios factores, que también son comunes en la lixiviación de otros minerales, y entre los que podemos mencionar: • Tamaño de partícula a que debe molerse o triturarse el mineral • Composición y concentración del disolvente • Tiempo de contacto, Tasa de Riego, Razón de lixiviación • Temperatura del disolvente, Consumo de Acido
LIXIVIACION LIXIVIACIÓN EN PILAS (HEAP LEACHING) El mineral a lixiviar es chancado previamente a una granulometría que puede variar entre bajo 2 pulg. y ¼ pulg. para luego acopiar el mineral ya chancado, formando una pila de base cuadrada, sobre un piso previamente impermeabilizado. La altura de la pila puede ir desde 1.5 hasta 5 metros, dependiendo de consideraciones metalúrgicas y sistema de carguío. poliuretano, dándole al piso una leve pendiente de alrededor de un 3 %, dirigida hacia una canaleta de recolección de soluciones. La pila se riega por aspersión o goteo desde encima, mediante sistemas de tuberías conectadas a mangueras que alimentan los goteros o aspersores. La gran ventaja de la lixiviación en pilas radica por una parte, en el inventario de soluciones de regadío, la cual es muy inferior que en lixiviación por agitación y en bateas. Por otra parte, los costos de inversión y operación son muy inferiores respecto de los sistemas antes mencionados, pues no se requiere de infraestructura y equipos sofisticados salvo, un buen sistema de regadío y carguío de la pila.
LIXIVIACION Ciclo de Lixiviación
Se entenderá como ciclo Metalúrgico o de Lixiviación de una pila a módulo, el período de tiempo medido en días, o meses, en que un mineral es depositado en una cancha de lixiviación y es sometido a las siguientes operaciones. a) Carguío de la pila b) Primera entrante (Refino de Extracción por solvente) c) Recirculación d) Avance (Drenajes de lixiviación) e) Lavado f) Drenaje de lavado g) Descarga
LIXIVIACION Ciclo de Lixiviación
Se entenderá como ciclo Metalúrgico o de Lixiviación de una pila a módulo, el período de tiempo medido en días, o meses, en que un mineral es depositado en una cancha de lixiviación y es sometido a las siguientes operaciones. a) Carguío de la pila b) Primera entrante (Refino de Extracción por solvente) c) Recirculación d) Avance (Drenajes de lixiviación) e) Lavado f) Drenaje de lavado g) Descarga
LIXIVIACION Sistemas de funcionamiento y configuración de la pila Desde el punto de vista de la operación misma, las pilas pueden adoptar las Siguientes configuraciones: a) Pila Unitaria: Todo el material depositado pasa simultáneamente por las diversas etapas del ciclo de tratamiento, carga, lixiviación, estruje, lavado y descarga. Se carga de una vez la totalidad de la pila y se descarga de una vez al término del ciclo de tratamiento. Se aplica en Plantas de Beneficio de baja capacidad. Operación más simple y flexible. b) Pila Dinámica: En una misma pila coexisten materiales que están en diversas etapas del ciclo de tratamiento. En cada período o etapa que puede ser diaria o múltiplo de la capacidad diaria, descarga un módulo y carga otro módulo; los cuales se adosan directamente a los respectivos sectores de la pila, con la condición que no haya contacto entre la mena fresca y el ripio agotado. De esta forma la pila queda constituida por “subpilas internas”. Con este sistema se consigue una menor inversión unitaria por mejor
LIXIVIACION
LIXIVIACION
Faja Transportadora (Overland- Tripper)
EXTRACCIÓN POR SOLVENTES
La extracción por solventes es un proceso que implica el paso del cobre, disuelto en forma de iones dentro de una fase acuosa hacia otra fase líquida, inmiscible con ella, conocida como fase orgánica. Durante el contacto líquido-líquido se produce un equilibrio en el cual el cobre en solución se distribuye entre las fases acuosas y orgánicas de acuerdo a sus . Esta técnica se aplica en la metalurgia extractiva del cobre con fines fundamentales de concentrar, purificar y separar este metal de otros elementos o metales disueltos.
OBJETIVOS DE EXTRACCIÓN POR SOLVENTES
Son dos los objetivos fundamentales de un proceso de extracción por solventes: • Concentración: Incrementar la concentración de un ión metálico valioso en solución. • Purificación: Purificar una solución de iones metálicos no valiosos e . , Fe+3, Al+3, etc.
PROCESO DE LIX-SX-EW
CONCEPTOS ESENCIALES En la Etapa de extracción La mezcla de las dos soluciones insolubles se llama emulsión o dispersión. Mientras el PLS y la fase orgánica se mezclan, la mayor parte del cobre se transfiere desde el PLS a la fase orgánica. Luego, la emulsión se dirige hacia la sección del decantador del mezcladordecantador, donde se divide gradualmente en dos capas distintas: una capa de . capa de fase acuosa, ahora denominada refino y que contiene aproximadamente 0,62 g/L Cu+2, recircula hacia la poza de refino. La fase orgánica rica en cobre, ahora denominada fase orgánica cargada, y que por lo general contiene 7,93 g/L Cu+2, fluye hacia el tanque de fase orgánica cargada, ubicado en el patio de tanques, y de éste último, hacia el mezclador-decantador de re-extracción.
CONCEPTOS ESENCIALES En la Etapa de re-extracción: La fase orgánica cargada se mezcla con el electrolito pobre. El electrolito pobre es una solución baja en cobre y con alta concentración de ácido, que proviene de la casa de celdas de electroobtención. Nuevamente, estas dos soluciones forman una emulsión y bajo la influencia del alto contenido de ácido, la mayor parte del cobre se transfiere desde la fase orgánica cargada hacia el electrolito. Luego, la emulsión se dirige hacia la sección del mezclador decantador y nuevamente se divide en forma gradual en dos capas distintas. La capa de fase acuosa del fondo, ahora denominada electrolito rico y que contiene aproximadamente 50-55 g/L de cobre,, se transfiere a través del circuito de electroobtención hacia la casa de celdas para la producción de cátodos de cobre. La capa de fase orgánica en la superficie, ahora denominada fase orgánica descargada y que contiene aproximadamente 2,49 g/L de cobre, se recircula para ser utilizada nuevamente en la etapa de extracción. IMPORTANTE: ESTUDIAR DEFINICIONES
REACCIÓN QUÍMICA DE EXTRACCIÓN POR SOLVENTES En la Extracción por Solventes ocurre una reacción química que altera la estructura química del soluto a intercambiar, con el fin de producir un intercambio de iones en fase liquida a través de una miscibilidad preferencial de la nueva estructura en la fase a la cual se quiere llevar el elemento valioso.
ESQUEMA DEL PROCESO EXTRACCION-REEXTRACCION
CIRCUITO DE EXTRACCIÓN Y RE- EXTRACCIÓN
La planta de extracción por solventes consta de un circuito de extracción que comprende 2 etapas (E-1 y E-2), y otro de re-extracción compuesto también por 2 etapas (S-1 y S-2). Etapas de extracción (E-1 y E-2) En las eta as de extracción el cobre resente en la solución lí uida o PLS es transferido al orgánico en forma selectiva por intercambio iónico cargándolo de cobre según la reacción de extracción. El orgánico con alto contenido de cobre (fase orgánica cargada), pasa a las etapas de reextracción y la solución líquida pobre en cobre (fase acuosa o refino) fluye por gravedad hacia la poza de refino siendo reciclada en el proceso de lixiviación.
CIRCUITO DE EXTRACCIÓN Y RE- EXTRACCIÓN
Etapas de re-extracción (S-1 y S-2) En las etapas de re-extracción; la reacción de extracción se invierte, el orgánico cargado se pone en contacto con una solución acuosa de alta concentración de ácido (electrolito pobre de electroobtención); el cobre se transfiere desde la fase orgánica cargada hacia el electrolito pobre, la fase orgánica descargada de salida de la re-extracción ingresa a las etapas de extracción para empezar un nuevo ciclo. El electrolito enriquecido de cobre, toma el nombre de electrolito rico he ingresa al patio de tanques, donde es tratado y acondicionado, antes de llegar a las celdas de electroobtención para la producción de cátodos. En la extracción y re-extracción dadas en las etapas E-1, E-2, S-1 y S-2 respectivamente, producen la separación de las soluciones orgánica y acuosa en dos fases llamadas: fase orgánica y fase acuosa.
CIRCUITO DE EXTRACCIÓN Y RE- EXTRACCIÓN
CIRCUITO DE EXTRACCIÓN Y RE- EXTRACCIÓN
La extracción y re-extracción dadas en las etapas E-1, E-2, S-1 y S-2 respectivamente, producen la separación de las soluciones orgánica y acuosa en dos fases llamadas: fase orgánica y fase acuosa. En las etapas de extracción y reextracción observamos que el orgánico es mezclado con el acuoso (PLS o electrolito), con el objetivo de facilitar el contacto y transferencia de cobre. Una vez mezclado y lograda la transferencia, ambas sustancias se separan en dos fases (la fase orgánica y la fase acuosa), aprovechando la propiedad de inmiscibilidad que existe entre ambas (como el agua y el aceite), éstas se separan por gravedad (diferencia de densidades), quedando en la parte superior el orgánico por ser más ligero que el acuoso.
FASE ORGANICA Y ACUOSA
ELECTROOBTENCION ( EW ) La electroobtención es el proceso final en la producción de cobre catódico de alta pureza. En la electroobtención el cobre metálico se recupera desde una solución de sulfato de cobre ácido (CuSO4) mediante el proceso de electrólisis sumergiendo dos electrodos (cátodo y ánodo) en una solución electrolítica de cobre. Solución electrolítica: Es una solución líquida que tiene la propiedad de permitir el paso de la corriente eléctrica. En la planta la solución electrolítica es una mezcla de agua, ácido sulfúrico y sulfato de cobre. Electrodos: Son planchas metálicas que se usan para hacer pasar la corriente eléctrica por el electrolito. El cátodo inicial (carga negativa), es una plancha de acero inoxidable 316L y el ánodo (carga positiva), es una plancha rolada en caliente de plomo-calcio-estaño.
ELECTROOBTENCION ( EW ) El electrolito rico proveniente de las etapas de extracción por solventes es filtrado y acondicionado para el proceso de electroobtención. Las celdas en cada fila están conectadas eléctricamente en serie y los cátodos individuales están conectados en paralelo en cada celda. El electrolito se distribuye uniformemente a través de las celdas electrolíticas y sobre las caras de los cátodos gracias al marco distribuidor de electrolito. A medida que el electrolito a EW fluye a través de las celdas de Electroobtención, en el proceso se producen varios cambios: • El contenido de cobre del electrolito disminuye a medida que el cobre se deposita en los cátodos. • La concentración de ácido sulfúrico aumenta, debido a la descomposición del H2O en el ánodo. • La temperatura del electrolito aumenta, debido al calor producido por la resistencia y otras ineficiencias.
ELECTROQUÍMICA DEL COBRE En la electroobtención el cobre metálico se recupera por electrólisis a partir de una solución altamente ácida de sulfato de cobre (CuSO4). El proceso de electrólisis se logra haciendo pasar una corriente eléctrica continua entre los electrodos (ánodos inertes pero conductivos, y cátodos), los cuales están sumergidos en un electrolito rico en cobre (CuSO4, H2SO4 y H2O). El ánodo lleva carga eléctrica positiva y el cátodo, carga eléctrica negativa. Los iones de cobre (Cu++) son reducidos, es decir neutralizados en el cátodo por los electrones que fluyen por él, depositándose una capa de cobre metálico sobre la superficie de la plancha madre de acero .
ELECTROQUÍMICA DEL COBRE
ELECTROQUÍMICA DEL COBRE
CONDICIONES ÓPTIMAS DE LA ELECTROOBTENCIÓN Las condiciones de operación garantizan: • Larga vida útil del cátodo. • Eficiencia operacional. • Flexibilidad operacional. • Facilidad en el desmonte del depósito de cobre. • Pureza del depósito. Las condiciones óptimas son las siguientes: 1.- Contenido de cobre (35/40 g/L) 2.- Contenido de ácido (150/180 g/L) 3.- Concentración de cobalto (100/150ppm, 150 si el contenido de manganeso en el electrolito es alto) 4.- Cloruro (menos de 30 ppm) 5.- Orgánico (< 1ppm) 6.- Flujo a las celdas 7.- Reactivo Guartec (150 a 250 g/ tonelada de cobre depositado) 8.- Densidad de corriente (280 A/m2) 9.- Temperatura de la celda (45–50ºC)
PRINCIPALES PROBLEMAS EN LA ELECTROOBTENCIÓN
1.- Corrosión por cloruros 2.- Corrosión Galvánica 3.- Por contactos 4.- Nivel de electrolito en la celda 5.- Alineamiento 6.- Efectos del espacio de separación entre electrodos 7.- Arrastre de Or ánico 8.- Cortocircuitos 9.- Desborre de celdas
EQUIPOS ASOCIADOS AL PROCESO DE E-W La nave EW contiene celdas individuales de concreto polímero con cajones de rebalse integrales
EQUIPOS ASOCIADOS AL PROCESO DE E-W
Celda de electroobtención Las celdas están construidas en concreto polímero (resina de viniliéster con agregado de arena de sílice inerte). Cada una está equipada con un tapón de drenaje ubicado en el fondo y en la parte lateral de la celda (en un extremo de la celda).
EQUIPOS ASOCIADOS AL PROCESO DE E-W
Marco distribuidor de electrolito El marco distribuidor colocado en la base de cada celda, es una tubería de 3” de forma rectangular, perforada con 120 orificios de 6 mm de diámetro, espaciados 101,6 mm en cada costado , lo que permite una distribución uniforme del electrolito sobre las caras de los cátodos suspendidos en la celda. Una válvula manual de 3”, está conectada al marco distribuidor para permitir el cierre del flujo durante el drenaje de la celda.