Metalurgia Extractiva De Minerales Sulfurados De Cobre 2j3i2a

PROCESAMIENTO PIROMETALÚRGICO DE MINERALES SULFURADOS CASO: COBRE

¿Cómo encontramos el cobre?

• Cu asociado a: – Azufre (sulfurados) • • • •

Calcopirita Bornita Calcocita Covelina

CuFeS2 Cu5FeS4 Cu2S CuS

– Oxígeno (oxidados) • Tenorita CuO • Cuprita Cu2O • Malaquita CuCO3·Cu(OH)2

Minerales Sulfurados (vía (vía pirometalúrgica) pirometalúrgica) Ley 0.5-1 % Cu Conminución

Flotación Concentrados (20-30% Cu) Secado o Tostación

Secado

Fusión en Reverbero

Secado

Fusión Conversión

Fusión en Horno Flash Eje (35-70% Cu) MB (70-75% Cu)

Secado

Conversión

Cobre Blister (99% Cu)

Fusión Directa

Refinación a fuego

Cátodos

Electrorrefinación

Ánodos (99.5 % Cu)

Flowsheet pirometalúrgico típico Concentrados húmedos Secado

Gases Escoria

Concentrados húmedos

Concentrados secos

Fusión

Fusión- Conversión

Eje / metal blanco Gases Escoria

Eje / metal blanco

Conversión Cobre blister

Escoria

Pirorrefinación Anodos

Electrolito

Electrorrefinación Cátodos Moldeo

Barros anódicos

Minerales Sulfurados (vía (vía pirometalúrgica) pirometalúrgica)

• • • • •

Conminución (chancado y molienda) Flotación con espuma Fusión del concentrado a mate Conversión del mate fundido a cobre blister Refinación a fuego (ánodos)

• Electrorefinación (cátodos)

Concentración de minerales sulfurados

• •



 

Baja ley de cobre (0.5 – 1% Cu) no permite la fusión directa del mineral. Etapas de concentración previa a la fusión. Conminución: chancado y molienda que aseguren la liberación del mineral. Clasificación por tamaño. Separación física de las partículas de mineral por flotación con espuma.

Chancado Primario Secundario Clasificación Harneros Clasificación

Molienda

Hidrociclones

RougherScavenger

Flotación

Cleaner

Re-cleaner Concentrado 25 – 30% Cu

Conminución Objetivo: reducir el tamaño de las partículas de mineral para alcanzar la máxima liberación de la mena desde la ganga. •La máxima liberación debe considerar el menor costo asociado así como también un tamaño adecuado para las operaciones posteriores (10-100m). • Una excesiva cantidad de partículas finas tienden a formar lodo que cubre las partículas de cobre • Partículas excesivamente grandes enmascaran el cobre inhibiendo su flotación

Conminución: Chancado Mandíbulas

Cono

Rodillo

Clasficación: Harneros

Conminución: Chancado Equipo

Tamaño

Operación

Alimentación

Tamaño alimentación

Tamaño producto

Capacidad (ton/hr)

Chancadora Giratoria

3 m diámetro 2 m largo

Mov. Eccentrico Fzas. compresiva sobre el mineral

Mineral

1m

20 cm

3000

Molienda semiautógena

11 m diámetro 5 m longitud

Molienda húmeda, trozos de mineral en cascada 10% v/v bolas

Producto del chancador giratorio

20 cm

1-2 cm

100-1500

Molienda autógena

10 m diámetro 4 m longitud

Molienda húmeda, trozos de mineral en cascada (10-20 rpm)

Producto del chancador giratorio

20 cm

1-2 cm

500-1000

Molino de bolas

5 m diámetro 8 m longitud Bolas 5-10 cm

Molienda húmeda en cascada entre el medio de molienda y el mineral (10-20 rpm)

Producto de la molienda autógena o SAG

1-2 cm

100 μm

500-1000

Hidrociclón

¾m diámetro 2 m longitud

Separación centrífuga

Descarga del circuito de molienda

100 μm

200

Celdas de flotación

15 m3 a 100 m3

Flotación del mineral de cobre generando un overflow

Overflow del hidrociclón

100 μm

Conminución: Molienda • •

Autógena (sin medio de molienda) Semi-autógena (0.1 m3 de bolas 10% volumen)

• •

Molino de barras ( 2,5 – 15 cm) Molino de bolas • • •

 5-10 cm 1/3 volumen Consumo bolas 0.2 kg/ton

•

Los mecanismos de fractura son: compresión con las paredes del molino, abrasión y desgaste entre partículas y medios de molienda, e impacto durante la caída de ambos durante el giro del molino.

•

75% sólidos

Conminución: Molino de barras

Conminución: Molino de bolas

Conminución: Molino de bolas

Conminución: Molinos de bolas y SAG

Clasificación: Hidrociclones •

• •

•

Asegurar que las partículas en el producto tengan el tamaño adecuado para la etapa posterior de flotación Las partículas más gruesas son recirculadas en el circuito para remolienda. El flujo entra tangencial al hidrociclón generando un movimiento rotacional dentro del ciclón. Esto genera una fuerza centrífuga que empuja las partículas de mineral hacia las paredes del ciclón. El tamaño de las partículas se puede controlar ajustando el % sólidos.

Fracción bajotamaño

Pulpa Vórtex

Ápex

Fracción sobretamaño

Clasificación: Hidrociclones

Concentración: Flotación •

• •

• • • •

•

Proceso basado en las propiedades superficiales de los sólidos. En particular, la adherencia de las partículas sólidas en suspensión a las burbujas de aire concentrándose en la superficie del agua en forma de espuma. Minerales hidrofóbicos naturalmente: grafito, azufre. Colector: compuesto orgánico con una molécula compuesta por una parte no polar y otro grupo polar. Este se adsorbe sobre la superficie iónica del mineral y el grupo no polar se dirige hacia el exterior haciendo que sólido tenga un comportamiento hidrofóbico. Espumante: estabilizador de espuma Acondicionador de pH (CaO) Acondicionamiento de la pulpa mineral bajo el principio de hidrofobicidad Paso de un flujo de aire a la forma de pequeñas burbujas (~0.5 mm) a través de la pulpa Se obtienen recuperaciones de ~90% del mineral sulfurado y ~25 a 30% Cu

• • •

Tamaño máximo de partículas Tiempo de residencia en las celdas de flotación Reactivos acondicionadores (dosis y composición adecuados)

Concentración: Flotación

Minerales Sulfurados (vía (vía pirometalúrgica) pirometalúrgica)

• • • • •

Conminución (chancado y molienda) Flotación con espuma Fusión del concentrado a mate Conversión del mate fundido a cobre blister Refinación a fuego (ánodos)

• Electrorefinación (cátodos)

Minerales Sulfurados (vía (vía pirometalúrgica) pirometalúrgica)

Se considera una etapa preparatoria del concentrado, es decir una etapa previa a la fusión. El secado ha ganado importancia debido a las altas exigencias de humedad en el concentrado en los nuevos procesos flash y algunas técnicas de producción directa de cobre blister. La fusión Flash INCO y Outokumpu (< 0,2%) consideran el secado de concentrado en un secador rotatorio (vapor indirecto).

4X38 m

Minerales Sulfurados (vía (vía pirometalúrgica) pirometalúrgica)

La etapa de fusión tiene por objetivo la formación de dos fases líquidas, una sulfurada e idealmente conteniendo todo el cobre presente en el concentrado y la otra fase oxidada idealmente exenta de cobre. La fase oxidada llamada escoria caracterizada y descartada directamente o enviada posteriormente a una etapa de recuperación de cobre en caso de tener un alto contenido de este elemento. La fase sulfurada y rica en cobre es enviada a una etapa posterior de conversión por oxidación. El proceso de fusión ocurre a temperatura del orden de 1200°C en un sistema fundido, con suspensión de partículas sólidas en el baño, correspondiente a partículas con alto punto de fusión (sílice, magnetita y otros).

Minerales Sulfurados (vía (vía pirometalúrgica) pirometalúrgica) La reacción de fusión se puede representar por: Concentrado + Fundentes + Energía  Mata + Escoria + Gas Mata : Cu2S, FeS Escoria : FeO, Fe3O4, SiO2, Al2O3, CaO , MgO, Cu2O, otros Gas : O2, SO2, N2, CO, CO2, otros

Concentrado 25-30%Cu

Aire Recirculación

O2 SiO2

Escoria 1220°C ~1%Cu

Fusión 1250°C Eje 1200°C 40-70%Cu Conversión

Salida de gases y polvos 1250°C Recuperación de calor (caldera) remoción de polvos (pp electrostático) y planta de ácido

Minerales Sulfurados (vía (vía pirometalúrgica) pirometalúrgica) La fusión tiene por objetivo transformar el mineral sulfurado en un concentrado de cobre sólido por medio de oxidación de la carga. Para la oxidación se utiliza oxígeno el que es alimentado como aire enriquecido. Las principales reacciones de fusión de cobre a mate son: O2  Cu-Fe-S + FeO + SO2 CuFeS2 + concentrado aire y O2 eje (40-70%Cu) gas 

+

5/2 O2

FeO

+

SiO2  adición

3FeO

+

1/2 O2 

FeS2 impureza

FeO

+

2SO2

Exotérmicas

FeO.SiO2 escoria Fe3O4

 La estrategia de fusión considera muchos parámetros, sin embargo, uno de los más importantes es entre la ley del mate y la recuperación.

Minerales Sulfurados (vía (vía pirometalúrgica) pirometalúrgica)

Un alto contenido de O2 permite oxidar una gran cantidad de Fe obteniéndose un eje de alta ley. Si el contenido de O2 es demasiado alto puede ocurrir que parte del cobre vaya a la escoria de acuerdo a la siguiente reacción: Cu2S

+

3/2 O2  Cu2O +

SO2

Existe entonces una adición de O2 óptimo para producir una ley de mate aceptable sin generar pérdidas significativas de cobre en la escoria. Otro tipo de reacciones que pueden generar pérdidas de cobre es la asociada a un alto contenido de FeO en la escoria el que reaccionará con el Cu2S en el mate de acuerdo a : FeO + escoria

Cu2S eje



Cu2O + escoria

FeS eje

Esta reacción es poco favorable termodinámicamente a la temperatura de fusión (KE 10sin embargo, una alta actividad de FeO en la escoria y una baja actividad del FeS en el mate genera una alta actividad de Cu2O en la escoria. 4),

Esto ocurre si se oxida una alto porcentaje del Fe presente en el concentrado.

Minerales Sulfurados (vía (vía pirometalúrgica) pirometalúrgica) Si la actividad del FeO en la escoria es muy alta este reacciona con O2 para formar magnetita sólida de acuerdo a: 3FeO + O2 Fe3O4 Se debe entonces disminuir aFeO en la escoria. Para ello se adiciona sílice, la que reacciona con wustita para formar fayalita: 2FeO + SiO2 2FeO·SiO2 •La viscosidad de la escoria fundida aumenta a medida que aumenta el contenido de sílice, dificultando su manejo reduciendo además la tasa de sedimentación del eje a través de la escoria. •Si las partículas de eje no sedimentan fácilmente, permanecerán atrapadas en la escoria durante el sangrado, aumentando las pérdidas de cobre en la escoria. •Un adecuado nivel de FeO y SiO2 debe considerar los aspectos anteriores.

Minerales Sulfurados (vía (vía pirometalúrgica) pirometalúrgica)

o partículas de concentrado y fundente con aire enriquecido en oxígeno dentro del horno. •Oxidación del mineral sulfurado •Rx. Exotérmicas

Sedimentación del eje a través de la capa de escoria La mayoría de los reactores cuentan con una zona de poca turbulencia para estos efectos. Sangrado periódico del eje y escoria a través de canales separados. La alimentación al horno es continua pero el sangrado es batch.

Minerales Sulfurados (vía (vía pirometalúrgica) pirometalúrgica) Distribución estimada de impurezas en la fusión flash de un eje con 55%Cu (Steinha et al., 1984) El material volátil es condensado y recirculado al horno.

Minerales Sulfurados (vía (vía pirometalúrgica) pirometalúrgica)

Fusión en suspensión  Constituye aproximadamente 50% de la fusión de cobre  Proceso continuo y autógeno desde el punto de vista energértico  Producto de la fusión flash – Eje Cu-Fe-S 65% Cu – Escoria fayalítica 1 a 2 %Cu – Polvos (pp electrostático) y gases (planta de ácido) de salida 30 a 70%SO2

 Flash Outokumpu 30 (Chuquicamata-Chagres)  Flash INCO 5

Minerales Sulfurados: Fusión •

18x6x2m

•

(1500 ton concen./día)

•

Quemadores de concentrado (1-4)

•

Cámara de reacción

•

Sedimentador

•

Canales de sangrados refigerados

•

Salida de gases

Minerales Sulfurados: Fusión Fusión en baño

Minerales Sulfurados: Fusión

Minerales Sulfurados: Conversión

La conversión de cobre consiste en la oxidación del eje proveniente de fusión. Se produce la remoción del Fe y S del eje obteniéndose un cobre blister de alta pureza (99% Cu). El proceso es autógeno, se utiliza el calor generado por las reacciones de oxidación del Fe y S. La conversión de cobre se lleva a cabo en dos etapas debido a la mayor afinidad que presenta el Fe por el oxígeno.

Minerales Sulfurados: Conversión

La primera etapa de conversión o también denominado primer soplado, corresponde a la oxidación del Fe según: FeS(l) + 3/2 O2(g)FeO(l)+SO2(g) El producto formado FeO es escorificado con sílice para obtener fayalita (más estable) 2FeO.SiO2. La segunda etapa o segundo soplado consiste de la oxidación del Cu2S para formar cobre blister y SO2: Cu2S(l) + O2(g)2Cu(l) + SO2(g)

Minerales Sulfurados: Conversión

La reacción: FeS(l)+Cu2O(l) Cu2S(l)+FeO(l) Gº1500ºK =-317120 cal/mol, con lo que la reacción tiende a desplazarse hacia la derecha, es decir, son más estables los productos que los reactivos.

Minerales Sulfurados: Conversión

N2/SO2 Cuº

Mezcla gas/Cu2S-Cu-Cu2O 4 m de diámetro X 11 m de longitud Acero, ladrillo refractario de magnesita cromo Capacidad 300-700ton eje/día Capacidad de producción 200-600 ton cobre/día Soplado de aire con O2 enriquecido a 600 Nm3/min P =1.2 atm Entrada del eje 0.5 a 1 m bajo la superficie de las toberas

Minerales Sulfurados: Refino

El cobre blister obtenido como producto en la etapa de conversión será posteriormente electrorrefinado para obtener càtodos de alta pureza (99.99% Cu). La electrorrefinación requiere la obtención de ánodos los que deben principalmente cumplir algunos requerimientos: –Buenas propiedades mecánicas (estabilidad en las celdas) –Estructura de solidificación sin defectos (requerimientos de diseño) Las impurezas presentes pueden influir negativamente en estos requerimientos principalmente en lo que se refiere al S y O (desde conversión).

 Reducir impurezas S O

200 ppm 2000 ppm

< 20 ppm < 1000 ppm