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Extracción de cobre

La mina de cobre a cielo abierto de Chino en Nuevo México. Ejemplar de calcopirita de la mina Huarón , Perú. La extracción de cobre es el proceso multietapa de obtención de cobr...

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La mina de cobre a cielo abierto de Chino en Nuevo México.
Ejemplar de calcopirita de la mina Huarón , Perú.

La extracción de cobre es el proceso multietapa de obtención de cobre a partir de sus minerales . La conversión de los minerales de cobre consiste en una serie de procesos físicos, químicos y electroquímicos. Los métodos han evolucionado y varían según el país, dependiendo de la fuente del mineral, las regulaciones ambientales locales y otros factores. [ 1 ] Las fundiciones de cobre con mayor capacidad de producción (toneladas métricas de cobre al año) se encuentran en China, Chile, India, Alemania, Japón, Perú y Rusia. [ 2 ] Solo China tiene más de la mitad de la capacidad de producción mundial y es también el mayor consumidor mundial de cobre refinado. [ 3 ] [ 4 ]

Los metales preciosos y el ácido sulfúrico suelen ser subproductos valiosos del refinado de cobre. [ 5 ] Por el contrario, el ácido sulfúrico también es un consumible necesario para la extracción de cobre de los óxidos en las pilas de lixiviación . [ 6 ] El arsénico es el principal tipo de impureza que se encuentra en los concentrados de cobre que ingresan a las instalaciones de fundición. [ 2 ] Ha habido un aumento de arsénico en los concentrados de cobre a lo largo de los años debido al agotamiento progresivo de los depósitos de cobre poco profundos y con bajo contenido de arsénico. [ 7 ]

Historia

Prehistoria

Mineros en la mina Tamarack en Copper Country , en 1905.

El antiguo complejo de cobre en Norteamérica ha sido datado radiométricamente en alrededor del 6500 a. C., al menos [ 8 ], lo que lo convierte en uno de los ejemplos más antiguos conocidos de extracción de cobre en el mundo. [ 9 ] La evidencia más antigua del martillado en frío de cobre nativo proviene de la excavación en Çayönü Tepesi en Anatolia oriental , que data entre el 7200 y el 6600 a. C. [ 10 ] Entre los diversos objetos considerados como ofrendas o amuletos, había uno que parecía un anzuelo y otro un punzón. Otro hallazgo, en la cueva de Shanidar en Mergasur, Irak, contenía cuentas de cobre y data del 8700 a. C. [ 11 ]

Una de las minas de cobre más antiguas del mundo, a diferencia del uso de depósitos superficiales, se encuentra en el valle de Timna , Israel, y se ha utilizado desde el cuarto milenio a. C., mientras que el uso de depósitos superficiales se produjo en el quinto y sexto milenio. [ 12 ] [ 13 ]

El yacimiento arqueológico de Pločnik , en el sureste de Europa ( Serbia ), contiene la evidencia más antigua con datación segura de la producción de cobre a alta temperatura, que data del 5000 a. C. [ 14 ] El hallazgo de junio de 2010 se extiende por 500 años adicionales, datados en el V milenio a. C., y representa el registro más antiguo de fundición de cobre de Rudna Glava ( Serbia ). [ 15 ]

El trabajo de cobre más antiguo en el desierto de Atacama y el mundo andino en su conjunto data de 1432–1132  a. C. [ 16 ] [ 17 ] Los estudios de núcleos de hielo en Bolivia sugieren que la fundición de cobre pudo haber comenzado ya en 700  a. C., hace más de 2700 años. [ 18 ] Se han identificado varios sitios de minas y talleres metalúrgicos prehispánicos en el desierto de Atacama, incluyendo aquellos con restos de cinceles, desechos de fundición y escombros de taller. [ 19 ] [ 20 ] El bronce de estaño, el bronce arsenical y el cobre arsenical eran bienes valiosos producidos en el Imperio Inca . [ 21 ] Aproximadamente a 74 km al noreste de la ciudad chilena de Copiapó en Viña del Cerro, los incas tenían uno de sus centros mineros y metalúrgicos más grandes en Qullasuyu . [ 22 ] Hay evidencia de metalurgia de oro, plata y cobre en el sitio, incluyendo la producción de bronce . [ 22 ] Cuando el conquistador Diego de Almagro atravesó el desierto de Atacama en 1536, sus hombres consiguieron fácilmente herraduras de cobre para sus caballos. [ 23 ]

La tecnología de fundición de cobre dio origen a la Edad del Cobre , también conocida como Edad Calcolítica, y posteriormente a la Edad del Bronce . La Edad del Bronce no habría sido posible sin el desarrollo de la tecnología de fundición.

siglo XIX

La introducción de hornos de reverbero en Chile alrededor de 1830 por Charles Saint Lambert [ 24 ] revolucionó la minería del cobre chileno. [ 25 ] Además, hubo mejoras en el transporte causadas por el desarrollo de los ferrocarriles y la navegación a vapor. [ 26 ] El explorador José Tomás Urmeneta descubrió ricos yacimientos en Tamaya en 1850, un sitio que se convirtió en una de las principales minas de cobre de Chile. [ 25 ] Todo esto hizo que Chile suministrara el 18% del cobre producido mundialmente en el siglo XIX y el país fue, desde la década de 1850 hasta la de 1870, el principal productor mundial. [ 27 ] [ 28 ] En algunos años, la producción de cobre de Chile representó cerca del 60% de la producción mundial y su arancel de exportación representó más de la mitad de los ingresos del Estado. [ 29 ]

Se cree que el éxito de Lambert en la modernización de la industria del cobre chilena durante el segundo cuarto del siglo XIX sembró las semillas de la posterior desaparición de su propio negocio de fundición de cobre (entre otros) en Swansea . [ 30 ] [ 31 ]

A finales del siglo XIX, la industria minera chilena volvió a quedarse rezagada con respecto a los avances tecnológicos (por ejemplo, flotación , lixiviación , minería a cielo abierto a gran escala ), lo que contribuyó a la caída de su participación en la producción mundial al 5-6% en la década de 1890, y se mantuvo en porcentajes similares en las décadas de 1900 y 1910, alcanzando un mínimo del 4,3% en 1914. [ 27 ] [ 32 ] [ 33 ] Hasta las décadas de 1940 y 1950 también hubo una notable falta de esfuerzos importantes de exploración de cobre por parte de las grandes compañías mineras, que dependían de la compra de prospectos ya conocidos por la actividad de mineros a pequeña escala y pirquineros . [ 34 ]

Fundición

Producción mundial de cobre, 1946

Hasta la segunda mitad del siglo XX, la fundición de minerales sulfurados era prácticamente el único método para producir cobre metálico a partir de minerales extraídos ( producción primaria de cobre). En 2002, el 80 % de la producción mundial de cobre primario provenía de minerales de cobre, hierro y azufre, y la gran mayoría de estos se procesaban mediante fundición. [ 35 ]

El cobre se extraía inicialmente de los minerales sulfurados fundiéndolos directamente en un horno. [ 36 ] Las fundiciones se ubicaban inicialmente cerca de las minas para minimizar los costos de transporte. Esto evitaba los costos prohibitivos del transporte de los minerales de desecho y del azufre y el hierro presentes en los minerales que contenían cobre. Sin embargo, a medida que disminuía la concentración de cobre en los yacimientos, los costos energéticos de fundir todo el mineral también se volvieron prohibitivos, y se hizo necesario concentrar primero los minerales.

Las técnicas de concentración iniciales incluían la clasificación manual [ 37 ] y la concentración por gravedad. Estas resultaban en grandes pérdidas de cobre. Por consiguiente, el desarrollo del proceso de flotación por espuma representó un gran avance en el procesamiento de minerales. [ 38 ] El proceso moderno de flotación por espuma fue inventado de forma independiente a principios del siglo XX en Australia por C.V. Potter y, casi al mismo tiempo, por G.D. Delprat . [ 39 ] Esto hizo posible el desarrollo de la gigantesca mina Bingham Canyon en Utah. [ 40 ]

En el siglo XX, la mayoría de los minerales se concentraban antes de la fundición. La fundición se realizaba inicialmente utilizando plantas de sinterización y altos hornos , [ 41 ] o con tostadoras y hornos de reverbero . [ 42 ] La tostadora y la fundición en hornos de reverbero dominaron la producción primaria de cobre hasta la década de 1960. [ 35 ]

En las décadas de 1960 y 1970, las grandes operaciones mineras de cobre de empresas estadounidenses fueron nacionalizadas en muchos de los principales países productores de cobre. [ 43 ] Así, en la década de 1980, las empresas estatales asumieron el papel dominante que empresas estadounidenses como Anaconda Copper y Kennecott habían tenido hasta entonces. [ 43 ] A finales de la década de 1970 y principios de la de 1980, varias compañías petroleras como ARCO , Exxon ( Exxon Minerals ) y Standard Oil Company se expandieron a la minería de cobre durante algunos años antes de vender sus activos de cobre. [ 43 ] Según se informa, las ganancias no fueron tan altas como se esperaba. [ 43 ] Las inversiones en minería de cobre se concentraron en Chile en las décadas de 1980 y 1990, dado que la minería de cobre en otros países enfrentaba problemas como la inestabilidad política ( Perú ), mayores requisitos ambientales (países desarrollados) o el desinterés general en la inversión extranjera en una industria minera nacionalizada ( Zaire , Zambia ). [ 43 ]

siglo XXI

En el período 2013-2023, la capacidad de fundición de cobre en China y Zambia aumentó, mientras que la capacidad en Chile y Estados Unidos disminuyó. [ 3 ] China posee, con diferencia, la mayor capacidad de fundición de cobre, con más de la mitad del total mundial. Además de los países mencionados anteriormente, otros países con una capacidad instalada significativa de producción de cátodos a nivel mundial a partir de 2023 son Japón (8%), Rusia (5%), Polonia (3-4%) y Bulgaria (3-4%). ​​[ 3 ]

Desde la década de 1990 no se ha construido ninguna nueva fundición de cobre en Chile. [ 44 ] Tras el cierre de Fundición Ventanas en el centro de Chile en 2022, se ha generado un debate público sobre la construcción de una nueva fundición de cobre de gran tamaño en Chile. [ 3 ] La región de Antofagasta o la región de Atacama han sido propuestas por académicos de la industria chilena como alternativas viables. [ 45 ] Otros han defendido mantener la fundición en la región de Valparaíso dada la existencia de minas cercanas. [ 45 ] Si bien algunos argumentan que la planta de reemplazo debería estar cerca de la costa, Chuquicamata y El Salvador , en el interior del país , también han sido propuestas como alternativas. [ 45 ] El presidente de la Sociedad Nacional de Minería (Sonami), Diego Hernández, estima que el período de construcción de una nueva planta de fundición será de 5 a 7 años. [ 45 ] Un estudio de 2024 identificó la región de Antofagasta como el mejor lugar para una nueva fundición de cobre dadas las ventajas logísticas y un suministro existente y ampliable de concentrado de cobre de minas cercanas. [ 5 ]

La fundición de Guixi, en el interior del sureste de China, es la fundición de cobre más grande del mundo por capacidad. [ 46 ] En 2015 tenía una capacidad de producción anual de 900 000 toneladas de cobre. [ 2 ] [ 47 ]

Concentración (beneficio)

La disminución de la concentración de cobre en los minerales exige ahora un pretratamiento de los mismos.

La ley media de los minerales de cobre en el siglo XXI es inferior al 0,6%, y la proporción de minerales económicamente viables es inferior al 2% del volumen total de la roca. Por lo tanto, en todas las operaciones mineras, el mineral generalmente debe ser beneficiado (concentrado). El concentrado se suele vender a fundiciones distantes , aunque algunas grandes minas cuentan con fundiciones cercanas. Esta proximidad entre minas y fundiciones era más común en el siglo XIX y principios del XX, cuando las fundiciones más pequeñas podían resultar económicamente viables. Las técnicas de procesamiento posteriores dependen de la naturaleza del mineral.

En el caso habitual, cuando se trata principalmente de minerales de cobre sulfurados (como la calcopirita , FeCuS₂ ) , el mineral se trata mediante conminución , donde la roca se tritura para producir partículas pequeñas (<100 μm) que consisten en fases minerales individuales. Estas partículas están luego listas para ser separadas para eliminar la ganga (residuos de rocas silicatadas) mediante flotación por espuma. [ 1 ]

Flotación de espuma

Celdas de flotación por espuma para concentrar minerales de sulfuro de cobre y níquel, Falconbridge, Ontario.
Burbujas de aire cargadas de sulfuro de cobre en una celda Jameson en la planta de flotación de la mina Prominent Hill en Australia Meridional.

En la flotación por espuma, el mineral triturado se humedece, se suspende en una suspensión y se mezcla con reactivos que hacen que las partículas de sulfuro sean hidrofóbicas . Los reactivos típicos ("colectores") incluyen etilxantato de potasio y etilxantato de sodio , pero también se utilizan ditiofosfatos y ditiocarbamatos. La suspensión se introduce en un tanque de aireación lleno de agua que contiene un surfactante como el metilisobutilcarbinol (MIBC). Se fuerza aire constantemente a través de la suspensión. Las burbujas de aire se adhieren a las partículas hidrofóbicas de sulfuro de cobre, que son transportadas a la superficie donde se retira la espuma. Estos residuos generalmente se someten a una celda de limpieza para eliminar el exceso de silicatos y otros minerales de sulfuro que pueden afectar negativamente la calidad del concentrado (típicamente, galena ), y el concentrado final se envía a fundición. La roca que no se ha desprendido en la celda de flotación se desecha como relave o se procesa para extraer otros metales, como plomo (de la galena) y zinc (de la esfalerita ), si los hubiera. Se emplean diversas medidas para mejorar la eficiencia de la flotación por espuma. Se utiliza cal para elevar el pH del baño de agua, lo que permite que el colector se adhiera de forma más eficaz a los sulfuros de cobre. El proceso puede producir concentrados con un contenido de cobre del 27-29 % y del 37-40 % a partir de calcopirita y calcocita , respectivamente.

Hidrometalurgia

En algunos esquemas hidrometalúrgicos, el cobre(II) se extrae de una solución acuosa mediante la formación de un complejo con salicilaldoxima .

Los minerales de cobre oxidados incluyen carbonatos como la azurita y la malaquita , el silicato crisocola y sulfatos como la calcantita . En algunos casos, se permite que los minerales de sulfuro se degraden a óxidos. Dichos minerales son aptos para la hidrometalurgia. Específicamente, estos minerales de óxido se extraen generalmente en ácido sulfúrico acuoso , normalmente mediante lixiviación en pilas o lixiviación en vertederos . La solución de lixiviación resultante se purifica mediante extracción con solventes (SX). Se trata con un solvente orgánico y quelantes orgánicos. Los quelantes se unen a los iones de cobre (y a ningún otro ion, idealmente), y los complejos resultantes se disuelven en la fase orgánica. Este solvente orgánico se evapora, dejando un residuo de los complejos de cobre. Los iones de cobre se liberan del residuo con ácido sulfúrico. El ácido sulfúrico desnaturalizado se recicla de nuevo a las pilas. Los ligandos orgánicos también se recuperan y reciclan. Alternativamente, el cobre puede precipitarse de la solución rica en hierro poniéndola en contacto con chatarra; un proceso llamado cementación . El cobre cementado suele ser menos puro que el cobre SX-EW. [ 48 ]

Minerales especializados

Un ejemplar del mineral calcocita procedente de la mina Geevor, en Cornualles.

Los sulfuros secundarios —aquellos formados por enriquecimiento secundario supergénico— son resistentes ( refractarios ) a la lixiviación sulfúrica. [ 49 ] Los sulfuros de cobre secundarios están dominados por el mineral calcocita; un mineral formado a partir de sulfuros primarios, como la calcopirita , que experimentan procesos químicos como la oxidación o la reducción. [ 50 ] Típicamente, los minerales de sulfuro secundarios se concentran mediante flotación por espuma. [ 51 ] Otros procesos de extracción, como la lixiviación, se utilizan eficazmente para la extracción de sulfuros de cobre secundarios, pero a medida que aumenta la demanda de cobre, se requieren procesos de extracción adaptados a minerales de baja ley, debido al agotamiento de los recursos de cobre. [ 52 ] Los procesos que incluyen la lixiviación in situ, en vertederos y en pilas son métodos rentables adecuados para extraer cobre de minerales de baja ley. [ 53 ]

Los procesos de extracción de sulfuros de cobre secundarios y minerales de baja ley incluyen la biolixiviación en pilas. La biolixiviación en pilas representa un método de extracción rentable que requiere un menor aporte de energía, lo que resulta en una mayor rentabilidad. [ 54 ] Este proceso de extracción puede aplicarse a grandes cantidades de minerales de baja ley, con un menor costo de capital y un impacto ambiental mínimo. [ 54 ] [ 55 ]

Generalmente, la flotación directa por espuma no se utiliza para concentrar menas de óxido de cobre, debido a la estructura mayoritariamente iónica e hidrofílica de la superficie del mineral de óxido de cobre. [ 56 ] Las menas de óxido de cobre se tratan típicamente mediante flotación con reactivos quelantes y flotación con ácidos grasos, que utilizan reactivos orgánicos para asegurar la adsorción en la superficie del mineral a través de la formación de compuestos hidrofóbicos en dicha superficie. [ 56 ] [ 57 ]

Algunos depósitos de sulfuro supergénicos pueden lixiviarse mediante un proceso de lixiviación en pilas con oxidación bacteriana para oxidar los sulfuros a ácido sulfúrico, lo que también permite la lixiviación simultánea con ácido sulfúrico para producir una solución de sulfato de cobre . [ 58 ] [ 59 ] Para los minerales de óxido, se utilizan tecnologías de extracción por solventes y electroobtención para recuperar el cobre de la solución de lixiviación rica . [ 60 ] Para asegurar la mejor recuperación de cobre, es importante reconocer el efecto que la disolución del cobre, el consumo de ácido y la composición mineral de la ganga tienen sobre la eficacia de la extracción. [ 60 ]

Los minerales de sulfuro supergénicos ricos en cobre nativo son refractarios al tratamiento con lixiviación de ácido sulfúrico en todas las escalas de tiempo practicables, y las partículas metálicas densas no reaccionan con los medios de flotación por espuma. Por lo general, si el cobre nativo es una parte menor de un perfil supergénico, no se recuperará y se depositará en los relaves . Cuando son suficientemente ricos, los cuerpos de mineral de cobre nativo pueden tratarse para recuperar el cobre contenido mediante separación por gravedad . A menudo, la naturaleza de la ganga es importante, ya que los minerales de cobre nativo ricos en arcilla resultan difíciles de liberar. Esto se debe a que los minerales de arcilla interactúan con los reactivos de flotación utilizados en los procesos de extracción, que luego se consumen, lo que resulta en una recuperación mínima de un concentrado de cobre de alta ley. [ 61 ]

Asado

El proceso de tostado se realiza generalmente en combinación con hornos de reverbero . En el tostador, el concentrado de cobre se oxida parcialmente para producir " calcinado ". Se libera dióxido de azufre . La estequiometría de la reacción es:

CuFeS 2 + 3 O 2 → 2 FeO + 2 CuS + 2 SO 2

El tostado generalmente deja más azufre en el producto calcinado (15% en el caso del tostador en Mount Isa Mines [ 62 ] ) que una planta de sinterización deja en el producto sinterizado (alrededor del 7% en el caso de la fundición de Electrolytic Refining and Smelting [ 63 ] ).

Desde 2005, la tostación ya no es común en el tratamiento de concentrados de cobre debido a que su combinación con hornos de reverbero no es energéticamente eficiente y la concentración de SO₂ en los gases de escape del tostador es demasiado baja para una captura rentable. Actualmente se prefiere la fundición directa, que utiliza las siguientes tecnologías: fundición instantánea , hornos Isasmelt , Noranda, Mitsubishi o El Teniente. [ 35 ]

Fundición

Sustitución de la fundición en horno de reverbero por la fundición instantánea, en relación con el número de fundiciones de cobre que utilizan esta tecnología.
Horno de fundición instantánea de Inco

La fusión inicial del material a fundir se conoce generalmente como etapa de fundición o de fundición de mata . Puede realizarse en diversos hornos, incluidos los altos hornos y hornos de reverbero , en gran parte obsoletos, así como hornos de fusión instantánea , hornos Isasmelt , etc. El producto de esta etapa de fundición es una mezcla de cobre, hierro y azufre enriquecida en cobre, que se denomina mata o mata de cobre . [ 35 ] El término grado de mata se utiliza normalmente para referirse al contenido de cobre de la mata. [ 64 ]

El propósito de la etapa de fundición de la mata es eliminar la mayor cantidad posible de hierro, azufre y minerales de ganga no deseados (como sílice, magnesia, alúmina y piedra caliza), minimizando al mismo tiempo la pérdida de cobre. [ 35 ] Esto se logra mediante la reacción de sulfuros de hierro con oxígeno (en aire o aire enriquecido con oxígeno) para producir óxidos de hierro (principalmente como FeO , pero con algo de magnetita (Fe 3 O 4 )) y dióxido de azufre . [ 64 ]

El sulfuro de cobre y el óxido de hierro pueden mezclarse, pero cuando se agrega suficiente sílice, se forma una capa de escoria separada. [ 65 ] La adición de sílice también reduce el punto de fusión (o, más propiamente, la temperatura de liquidus ) de la escoria, lo que significa que el proceso de fundición puede operarse a una temperatura más baja. [ 65 ]

La reacción de formación de escoria es:

FeO + SiO 2 → FeO.SiO 2 [ 64 ]

La escoria es menos densa que la mate, por lo que forma una capa que flota sobre la mate. [ 66 ]

El cobre puede perderse de la mata de tres maneras: como óxido cuproso (Cu₂O ) disuelto en la escoria, [ 67 ] como sulfuro de cobre disuelto en la escoria [ 68 ] o como pequeñas gotas (o gránulos ) de mata suspendidas en la escoria. [ 69 ] [ 70 ]

La cantidad de cobre que se pierde como óxido de cobre aumenta a medida que aumenta el potencial de oxígeno de la escoria. [ 70 ] El potencial de oxígeno generalmente aumenta a medida que aumenta el contenido de cobre de la mata. [ 71 ] Por lo tanto, la pérdida de cobre como óxido aumenta a medida que aumenta el contenido de cobre de la mata. [ 72 ]

Por otro lado, la solubilidad del cobre sulfurado en la escoria disminuye a medida que el contenido de cobre de la mata aumenta más allá del 40 % aproximadamente. [ 68 ] Nagamori calculó que más de la mitad del cobre disuelto en las escorias de matas con menos del 50 % de cobre es cobre sulfurado. Por encima de esta cifra, el cobre oxidado comienza a predominar. [ 68 ]

La pérdida de cobre en forma de gránulos suspendidos en la escoria depende del tamaño de los gránulos, la viscosidad de la escoria y el tiempo de sedimentación disponible. [ 73 ] Rosenqvist sugirió que aproximadamente la mitad de las pérdidas de cobre en la escoria se debían a los gránulos suspendidos. [ 73 ]

La masa de escoria generada durante la fundición depende del contenido de hierro del material introducido en el horno y del grado de mate deseado. Cuanto mayor sea el contenido de hierro del material de alimentación, mayor será la cantidad de hierro que deberá desecharse en la escoria para obtener un grado de mate determinado. Del mismo modo, aumentar el grado de mate deseado requiere desechar más hierro y, por consiguiente, incrementar el volumen de escoria.

Por lo tanto, los dos factores que más afectan la pérdida de cobre por escoria en la etapa de fundición son:

  • grado mate
  • masa de escoria. [ 65 ]

Esto significa que existe un límite práctico para la pureza de la mata si se quiere minimizar la pérdida de cobre por escoria. Por lo tanto, se requieren etapas adicionales de procesamiento (conversión y refinación al fuego).

Las siguientes subsecciones describen brevemente algunos de los procesos utilizados en la fundición de mata.

Fundición en horno de reverbero

Los hornos de reverbero son hornos largos que pueden tratar concentrado húmedo, seco o tostado. La mayoría de los hornos de reverbero utilizados en los últimos años trataban concentrado tostado, ya que introducir materiales secos en el horno de reverbero es más eficiente energéticamente y porque la eliminación de parte del azufre en el tostador da como resultado grados de mate más altos. [ 35 ]

La alimentación del horno de reverbero se introduce en el horno a través de orificios de alimentación situados a lo largo de los laterales del horno, y la carga sólida se funde. [ 35 ] Normalmente se añade sílice adicional para ayudar a formar la escoria. El horno se alimenta con quemadores que utilizan carbón pulverizado, fueloil o gas natural. [ 74 ]

Los hornos de reverbero pueden alimentarse adicionalmente con escoria fundida de la etapa de conversión posterior para recuperar el cobre contenido y otros materiales con alto contenido de cobre. [ 74 ]

Debido a que el baño del horno de reverbero está en reposo, se produce muy poca oxidación de la alimentación (y, por lo tanto, se elimina muy poco azufre del concentrado). Es esencialmente un proceso de fusión. [ 73 ] En consecuencia, los hornos de reverbero de carga húmeda tienen menos cobre en su producto de mata que los hornos de carga calcinada, y también tienen menores pérdidas de cobre en la escoria. [ 74 ] Gill cita un valor de cobre en la escoria de 0,23 % para un horno de reverbero de carga húmeda frente a 0,37 % para un horno de carga calcinada. [ 74 ]

En el caso de los hornos cargados con calcina, una porción significativa del azufre se ha eliminado durante la etapa de tostación, y la calcina consiste en una mezcla de óxidos y sulfuros de cobre y hierro. El horno de reverbero permite que estas especies alcancen el equilibrio químico a la temperatura de operación del horno (aproximadamente 1600  °C en el extremo del quemador y unos 1200  °C en el extremo de la chimenea; [ 75 ] la mata está a unos 1100  °C y la escoria a unos 1195  °C [ 74 ] ). En este proceso de equilibrio, el oxígeno asociado a los compuestos de cobre se intercambia con el azufre asociado a los compuestos de hierro, aumentando el contenido de óxido de hierro del horno, y los óxidos de hierro interactúan con la sílice y otros materiales de óxido para formar la escoria. [ 74 ]

La principal reacción de equilibrio es:

Cu 2 O + FeS → Cu 2 S + FeO [ 74 ]

La escoria y la mata forman capas distintas que pueden extraerse del horno como corrientes separadas. La capa de escoria se deja fluir periódicamente a través de un orificio en la pared del horno, por encima de la altura de la capa de mata. La mata se extrae drenándola a través de un orificio hacia cucharas para que sean transportadas con grúa a los convertidores. [ 74 ] Este proceso de drenaje se conoce como vaciado del horno. [ 74 ] El orificio de vaciado de la mata suele ser un orificio en un bloque de cobre refrigerado por agua que evita la erosión de los ladrillos refractarios que recubren el horno. Cuando se completa la extracción de la mata o la escoria, el orificio normalmente se tapa con arcilla, que se retira cuando el horno está listo para ser vaciado de nuevo.

Los hornos de reverbero se utilizaban frecuentemente para tratar la escoria fundida del convertidor y recuperar el cobre que contenía. [ 74 ] Esta se vertía en los hornos desde cucharas transportadas por grúas. Sin embargo, la escoria del convertidor tiene un alto contenido de magnetita [ 76 ] y parte de esta magnetita precipitaba de la escoria (debido a su punto de fusión más alto), formando una acumulación en el hogar del horno de reverbero y requiriendo paradas del horno para eliminarla. [ 76 ] Esta formación de acumulación limita la cantidad de escoria del convertidor que se puede tratar en un horno de reverbero. [ 76 ]

Aunque los hornos de reverbero presentan pérdidas de cobre por escoria muy bajas, no son muy eficientes energéticamente y las bajas concentraciones de dióxido de azufre en sus gases de escape hacen que su captura no sea rentable. En consecuencia, los operadores de fundiciones invirtieron mucho dinero en las décadas de 1970 y 1980 en el desarrollo de nuevos procesos de fundición de cobre más eficientes. [ 77 ] Además, las tecnologías de fundición instantánea se habían desarrollado años antes y comenzaron a reemplazar a los hornos de reverbero. Para 2002, 20 de los 30 hornos de reverbero que aún operaban en 1994 habían sido clausurados. [ 35 ]

fundición en horno de destello

En la fundición instantánea , el concentrado se dispersa en una corriente de aire u oxígeno y las reacciones de fundición se completan en gran medida mientras las partículas minerales aún están en vuelo. [ 77 ] Las partículas reaccionadas se depositan en un baño en el fondo del horno, donde se comportan como la calcina en un horno de reverbero. [ 78 ] Se forma una capa de escoria sobre la capa de mata, y ambas pueden extraerse del horno por separado. [ 78 ]

ISASMELT

La capacidad de alimentación instalada de los hornos Isasmelt ha aumentado a medida que la tecnología ha sido aceptada en las fundiciones de todo el mundo.

El proceso ISASMELT es un proceso de fundición energéticamente eficiente que fue desarrollado conjuntamente entre las décadas de 1970 y 1990 por Mount Isa Mines (una subsidiaria de MIM Holdings y ahora parte de Glencore ) y la CSIRO del Gobierno de Australia . Tiene costos de capital y operación relativamente bajos para un proceso de fundición.

La tecnología ISASMELT se ha aplicado a la fundición de plomo, cobre y níquel. En 2021, había 22 plantas en funcionamiento en once países, además de tres plantas de demostración ubicadas en Mt Isa. La capacidad instalada de las plantas operativas de cobre/níquel en 2020 era de 9,76 millones de toneladas anuales de materia prima y de 750 mil toneladas anuales en las plantas operativas de plomo. [ 79 ]

Las fundiciones basadas en el proceso ISASMELT de cobre se encuentran entre las fundiciones de cobre de menor costo del mundo. [ 80 ]

Mudado

Cobre libre de oxígeno, también conocido como cobre "de alta pureza" (aprox. 98%), que contiene antimonio y níquel.

La mata, que se produce en la fundición, contiene entre un 30 y un 70 % de cobre (dependiendo del proceso utilizado y la filosofía operativa de la fundición), principalmente en forma de sulfuro de cobre, así como sulfuro de hierro. El azufre se elimina a alta temperatura en forma de dióxido de azufre mediante el soplado de aire a través de la mata fundida.

2 CuS + 3 O 2 → 2 CuO + 2 ASI QUE 2
CuS + O₂ → Cu + SO₂

En una reacción paralela, el sulfuro de hierro se convierte en escoria:

2 FeS + 3 O 2 → 2 FeO + 2 SO 2
2 FeO + SiO 2 → Fe 2 SiO 4

Este producto tiene una pureza del 98% y se conoce como cobre blister debido a la superficie agrietada que se forma por la liberación de dióxido de azufre durante el enfriamiento de los lingotes o piezas de cobre blister . Los subproductos generados en el proceso son dióxido de azufre y escoria . El dióxido de azufre se captura y se transforma en ácido sulfúrico, que se vende en el mercado o se utiliza en procesos de lixiviación de cobre.

Refinación

Refinación por fuego

Ánodos de cobre después del refinado al fuego y la fundición.
Ánodos de cobre después del refinado al fuego y la fundición.

El cobre blister se introduce en un horno anódico , que lo refina en dos etapas para obtener cobre de grado anódico. Primero, se elimina la mayor parte del azufre y el hierro restantes, y luego se elimina el oxígeno introducido durante la primera etapa. Esta segunda etapa, a menudo denominada polarización , se realiza haciendo pasar gas natural u otro agente reductor a través del óxido de cobre fundido. Cuando la llama es verde, indicando el espectro de oxidación del cobre, significa que la mayor parte del oxígeno se ha consumido. De esta forma, se obtiene cobre pirometalúrgicamente refinado con una pureza aproximada del 99 %.

Electrólisis

Aparato para el refinado electrolítico de cobre

La etapa final en la producción de cobre es la electrorefinación. La refinación se logra mediante electrólisis , que aprovecha la fácil (bajo potencial) y selectiva conversión de soluciones de cobre(II) al metal. Los ánodos, fundidos a partir de cobre blister procesado, se colocan en una solución acuosa de sulfato de cobre al 3-4% y ácido sulfúrico al 10-16% . Los cátodos son láminas delgadas laminadas de cobre de alta pureza o, más comúnmente en la actualidad, láminas iniciales de acero inoxidable reutilizables (como en el proceso IsaKidd ). [ 81 ] Se requiere un potencial de solo 0,2-0,4 voltios para que comience el proceso. En plantas industriales, son posibles densidades de corriente de hasta 420 A/ m² . [ 82 ]

En el ánodo ( reacción de oxidación ), el cobre y los metales menos nobles se disuelven . Los metales más nobles y los elementos menos solubles , como la plata , el oro , el selenio y el telurio , se depositan en el fondo de la celda como lodo anódico , que constituye un subproducto comercializable. Los iones de cobre(II) migran a través del electrolito hacia el cátodo. En el cátodo ( reacción de reducción ), los iones Cu²⁺ se reducen en cobre metálico y el Cu (s) se deposita, pero los componentes menos nobles , como el arsénico y el zinc, permanecen en solución a menos que se utilice un voltaje mayor. [ 83 ]

Las reacciones que involucran cobre metálico e iones Cu 2+ en los electrodos son las siguientes:

Comercialización de concentrados y cobre

Los concentrados de cobre extraídos de las minas se venden a fundiciones y refinerías que procesan el mineral y refinan el cobre, cobrando por este servicio mediante cargos por tratamiento (CT) y cargos por refinación (CR). Los CT se cobran en dólares estadounidenses por tonelada de concentrado tratado, y los CR en centavos por libra tratada, ambos expresados ​​en dólares estadounidenses, con precios de referencia establecidos anualmente por las principales fundiciones japonesas. El cliente puede ser una fundición que revende lingotes de cobre blister a una refinería, o una fundición-refinería integrada verticalmente.

Una forma común de concentrado de cobre contiene oro y plata, como la producida por Bougainville Copper Limited en la mina Panguna desde principios de la década de 1970 hasta finales de la década de 1980. [ 84 ]

El contrato típico para un minero se denomina según el precio de la Bolsa de Metales de Londres, menos los TC-RC y cualquier penalización o crédito aplicable. Se pueden aplicar penalizaciones a los concentrados de cobre según el nivel de elementos nocivos como arsénico , bismuto , plomo o tungsteno . Dado que una gran parte de los yacimientos de sulfuro de cobre contienen plata u oro en cantidades apreciables, se puede pagar un crédito al minero por estos metales si su concentración en el concentrado supera cierto límite. Por lo general, la refinería o fundición cobra al minero una tarifa basada en la concentración; un contrato típico especificará que se debe un crédito por cada onza de metal en el concentrado que supere cierta concentración; por debajo de eso, si se recupera, la fundición conservará el metal y lo venderá para sufragar los costos.

El concentrado de cobre se comercializa mediante contratos al contado o a largo plazo como producto intermedio. A menudo, la fundición vende el cobre directamente en nombre del minero. Este último recibe el pago al precio vigente en el momento de la venta, no al precio de entrega del concentrado. En un sistema de precios cotizados, el precio se acuerda para una fecha futura fija, generalmente 90 días después de la entrega a la fundición.

El cátodo de cobre de grado A tiene una pureza del 99,99% y se presenta en láminas de aproximadamente 1 metro cuadrado; el grosor y el peso varían según el fabricante.  Una lámina típica de 1 cm de grosor pesa aproximadamente 200 libras (unos 90  kg). Se trata de una materia prima que se puede entregar y negociar en las bolsas de metales de Nueva York (COMEX), Londres (London Metals Exchange) y Shanghái (Shanghai Futures Exchange). A menudo, el cátodo de cobre se negocia en las bolsas de forma indirecta mediante warrants, opciones o contratos de permuta financiera, de modo que la mayor parte del cobre se negocia en la LME/COMEX/SFE, pero la entrega se realiza directamente, mediante el traslado logístico del cobre físico y la transferencia de las láminas desde los almacenes.

La especificación química para el cobre de grado electrolítico es ASTM B 115-00 (una norma que especifica la pureza y la resistividad eléctrica máxima del producto).

Véase también

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