Adaptado de EPA 1995.

Cobre

El cobre se extrae tanto en minas a cielo abierto como subterráneas, según la ley del mineral y la naturaleza del yacimiento. El mineral de cobre normalmente contiene menos del 1% de cobre en forma de minerales de sulfuro. Una vez que el mineral se entrega sobre el suelo, se tritura y muele hasta obtener una finura de polvo y luego se concentra para su posterior procesamiento. En el proceso de concentración, el mineral molido se mezcla con agua, se agregan reactivos químicos y se sopla aire a través de la suspensión. Las burbujas de aire se adhieren a los minerales de cobre y luego se eliminan de la parte superior de las celdas de flotación. El concentrado contiene entre 20 y 30% de cobre. Los relaves, o minerales de ganga, del mineral caen al fondo de las celdas y se extraen, se deshidratan mediante espesadores y se transportan como una lechada a un estanque de relaves para su eliminación. Toda el agua utilizada en esta operación, desde los espesadores de deshidratación y la balsa de relaves, se recupera y se recicla nuevamente al proceso.

El cobre se puede producir de forma pirometalúrgica o hidrometalúrgica, según el tipo de mineral utilizado como carga. Los concentrados de mineral, que contienen minerales de sulfuro de cobre y sulfuro de hierro, se tratan mediante procesos pirometalúrgicos para producir productos de cobre de alta pureza. Los minerales de óxido, que contienen minerales de óxido de cobre que pueden encontrarse en otras partes de la mina, junto con otros materiales de desecho oxidados, se tratan mediante procesos hidrometalúrgicos para producir productos de cobre de alta pureza.

La conversión de cobre del mineral a metal se logra mediante la fundición. Durante la fundición, los concentrados se secan y se introducen en uno de varios tipos diferentes de hornos. Allí, los minerales de sulfuro se oxidan parcialmente y se derriten para producir una capa de mata, una mezcla de sulfuro de cobre y hierro y escoria, una capa superior de desechos.

El mate se procesa aún más mediante la conversión. La escoria se extrae del horno y se almacena o desecha en pilas de escoria en el sitio. Una pequeña cantidad de escoria se vende para balasto de ferrocarril y para arenado. Un tercer producto del proceso de fundición es el dióxido de azufre, un gas que se recolecta, purifica y convierte en ácido sulfúrico para su venta o uso en operaciones de lixiviación hidrometalúrgica.

Después de la fundición, la mata de cobre se introduce en un convertidor. Durante este proceso, la mata de cobre se vierte en un recipiente cilíndrico horizontal (aproximadamente 10 x 4 m) equipado con una hilera de tuberías. Las tuberías, conocidas como toberas, se proyectan hacia el interior del cilindro y se utilizan para introducir aire en el convertidor. Se agrega cal y sílice a la mata de cobre para que reaccione con el óxido de hierro producido en el proceso para formar escoria. También se puede agregar chatarra de cobre al convertidor. El horno se gira para que las toberas queden sumergidas y se sopla aire en la mata fundida, lo que hace que el resto del sulfuro de hierro reaccione con el oxígeno para formar óxido de hierro y dióxido de azufre. Luego se hace girar el convertidor para verter la escoria de silicato de hierro.

Una vez que se elimina todo el hierro, el convertidor gira hacia atrás y se le da un segundo golpe de aire durante el cual el resto del azufre se oxida y se elimina del sulfuro de cobre. Luego se hace girar el convertidor para verter el cobre fundido, que en este punto se llama cobre ampollado (llamado así porque si se deja solidificar en este punto, tendrá una superficie irregular debido a la presencia de oxígeno gaseoso y azufre). El dióxido de azufre de los convertidores se recolecta y alimenta al sistema de purificación de gas junto con el del horno de fundición y se convierte en ácido sulfúrico. Debido a su contenido de cobre residual, la escoria se recicla nuevamente al horno de fundición.

El cobre blíster, que contiene un mínimo de 98.5 % de cobre, se refina a cobre de alta pureza en dos pasos. El primer paso es el refinado al fuego, en el que el cobre ampolloso fundido se vierte en un horno cilíndrico, de apariencia similar a un convertidor, donde primero se sopla aire y luego gas natural o propano a través de la masa fundida para eliminar el último azufre y cualquier resto. oxígeno residual del cobre. Luego, el cobre fundido se vierte en una rueda de fundición para formar ánodos lo suficientemente puros para la electrorrefinación.

En el electrorrefinado, los ánodos de cobre se cargan en celdas electrolíticas y se intercalan con láminas iniciales de cobre, o cátodos, en un baño de solución de sulfato de cobre. Cuando pasa una corriente continua a través de la celda, el cobre se disuelve del ánodo, se transporta a través del electrolito y se vuelve a depositar en las láminas iniciales del cátodo. Cuando los cátodos se han acumulado hasta un espesor suficiente, se retiran de la celda electrolítica y se coloca un nuevo juego de láminas iniciales en su lugar. Las impurezas sólidas en los ánodos caen al fondo de la celda como un lodo donde finalmente se recolectan y procesan para la recuperación de metales preciosos como el oro y la plata. Este material se conoce como limo anódico.

Los cátodos extraídos de la celda electrolítica son el producto principal del productor de cobre y contienen 99.99% de cobre. Estos pueden venderse a molinos de alambrón como cátodos o procesarse posteriormente hasta obtener un producto llamado alambrón. En la fabricación de alambrón, los cátodos se funden en un horno de cuba y el cobre fundido se vierte en una rueda de fundición para formar una barra apta para laminarse en un alambrón continuo de 3/8 de pulgada de diámetro. Este producto de alambrón se envía a molinos de alambre donde se extruye en varios tamaños de alambre de cobre.

En el proceso hidrometalúrgico, los minerales oxidados y los materiales de desecho se lixivian con ácido sulfúrico del proceso de fundición. La lixiviación se realiza in situ, o en pilas especialmente preparadas distribuyendo ácido por la parte superior y permitiendo que se filtre a través del material donde se recolecta. El suelo debajo de las pilas de lixiviación está revestido con un material plástico impermeable a prueba de ácidos para evitar que el licor de lixiviación contamine las aguas subterráneas. Una vez que se recolectan las soluciones ricas en cobre, se pueden procesar mediante cualquiera de dos procesos: el proceso de cementación o el proceso de extracción por solvente/electroobtención (SXEW). En el proceso de cementación (que rara vez se usa hoy en día), el cobre en la solución ácida se deposita en la superficie de la chatarra de hierro a cambio del hierro. Cuando se ha cementado suficiente cobre, el hierro rico en cobre se coloca en la fundición junto con los concentrados de mineral para la recuperación de cobre a través de la ruta pirometalúrgica.

En el proceso SXEW, la solución de lixiviación cargada (PLS) se concentra mediante extracción por solvente, que extrae cobre pero no metales impuros (hierro y otras impurezas). Luego, la solución orgánica cargada de cobre se separa del lixiviado en un tanque de sedimentación. Se agrega ácido sulfúrico a la mezcla orgánica cargada, que despoja el cobre en una solución electrolítica. El lixiviado, que contiene el hierro y otras impurezas, se devuelve a la operación de lixiviación donde su ácido se usa para una mayor lixiviación. La solución de banda rica en cobre pasa a una celda electrolítica conocida como celda de electroobtención. Una celda de electroobtención se diferencia de una celda de electrorrefinación en que utiliza un ánodo permanente e insoluble. Luego, el cobre en solución se deposita en un cátodo de hoja inicial de la misma manera que en el cátodo en una celda de electrorrefinación. El electrolito empobrecido en cobre se devuelve al proceso de extracción con solvente, donde se usa para extraer más cobre de la solución orgánica. Los cátodos producidos a partir del proceso de electroobtención se venden o se transforman en varillas de la misma manera que los producidos a partir del proceso de electrorrefinación.

Las celdas de electroobtención también se utilizan para la preparación de láminas iniciales para los procesos de electrorrefinación y electroobtención mediante el recubrimiento del cobre sobre cátodos de acero inoxidable o titanio y luego se quita el cobre recubierto.

Los peligros y su prevención.

Los principales peligros son la exposición a polvos de mineral durante el procesamiento y la fundición del mineral, los humos metálicos (incluidos el cobre, el plomo y el arsénico) durante la fundición, el dióxido de azufre y el monóxido de carbono durante la mayoría de las operaciones de fundición, el ruido de las operaciones de trituración y molienda y de los hornos, el estrés por calor de los hornos y el ácido sulfúrico y los peligros eléctricos durante los procesos electrolíticos.

Las precauciones incluyen: LEV para polvos durante las operaciones de transferencia; extracción local y ventilación de dilución para dióxido de azufre y monóxido de carbono; un programa de control de ruido y protección auditiva; ropa y escudos protectores, pausas para descansar y líquidos para el estrés por calor; y LEV, PPE y precauciones eléctricas para procesos electrolíticos. La protección respiratoria se usa comúnmente para protegerse contra el polvo, los humos y el dióxido de azufre.

La Tabla 1 enumera los contaminantes ambientales para varios pasos en la fundición y refinación de cobre.

Tabla 1. Entradas de materiales de proceso y salidas de contaminación para la fundición y refinación de cobre

Lidera

El proceso de producción de plomo primario consta de cuatro pasos: sinterización, fundición, escoria y refinación pirometalúrgica. Para empezar, una materia prima compuesta principalmente de concentrado de plomo en forma de sulfuro de plomo se introduce en una máquina de sinterización. Se pueden agregar otras materias primas, como hierro, sílice, fundente de piedra caliza, coque, sosa, ceniza, pirita, zinc, cáustico y partículas recolectadas de los dispositivos de control de la contaminación. En la máquina de sinterización, la materia prima de plomo se somete a ráfagas de aire caliente que queman el azufre y crean dióxido de azufre. El material de óxido de plomo existente después de este proceso contiene alrededor del 9% de su peso en carbono. Luego, el sinterizado se alimenta junto con el coque, varios materiales reciclados y de limpieza, piedra caliza y otros agentes fundentes en un alto horno para la reducción, donde el carbón actúa como combustible y funde el material de plomo. El plomo fundido fluye hacia el fondo del horno donde se forman cuatro capas: “speiss” (el material más liviano, básicamente arsénico y antimonio); “mata” (sulfuro de cobre y otros sulfuros metálicos); escoria de alto horno (principalmente silicatos); y lingotes de plomo (98% de plomo, por peso). A continuación, se escurren todas las capas. El speiss y la mata se venden a fundiciones de cobre para la recuperación de cobre y metales preciosos. La escoria de alto horno que contiene zinc, hierro, sílice y cal se almacena en pilas y se recicla parcialmente. Las emisiones de óxido de azufre se generan en los altos hornos a partir de pequeñas cantidades de sulfuro de plomo residual y sulfatos de plomo en la alimentación del sinterizado.

Los lingotes de plomo en bruto del alto horno generalmente requieren un tratamiento preliminar en calderas antes de someterse a las operaciones de refinación. Durante la formación de escoria, el lingote se agita en una caldera de escoria y se enfría justo por encima de su punto de congelación (370 a 425 °C). Una escoria, que se compone de óxido de plomo, junto con cobre, antimonio y otros elementos, flota hacia la parte superior y se solidifica sobre el plomo fundido.

La escoria se retira y se introduce en un horno de escoria para recuperar los metales útiles distintos del plomo. Para mejorar la recuperación de cobre, los lingotes de plomo en escoria se tratan agregando materiales que contienen azufre, zinc y/o aluminio, lo que reduce el contenido de cobre a aproximadamente 0.01 %.

Durante el cuarto paso, el lingote de plomo se refina utilizando métodos pirometalúrgicos para eliminar cualquier material vendible que no sea plomo restante (por ejemplo, oro, plata, bismuto, zinc y óxidos metálicos como antimonio, arsénico, estaño y óxido de cobre). El plomo se refina en una caldera de hierro fundido en cinco etapas. Primero se eliminan el antimonio, el estaño y el arsénico. Luego se agrega zinc y se eliminan el oro y la plata en la escoria de zinc. A continuación, el plomo se refina mediante la extracción al vacío (destilación) del zinc. El refinado continúa con la adición de calcio y magnesio. Estos dos materiales se combinan con el bismuto para formar un compuesto insoluble que se extrae de la tetera. En el paso final, se puede agregar sosa cáustica y/o nitratos al plomo para eliminar cualquier resto de impurezas metálicas. El plomo refinado tendrá una pureza de 99.90 a 99.99 % y podrá mezclarse con otros metales para formar aleaciones o directamente moldearse en formas.

Los peligros y su prevención.

Los principales peligros son la exposición a polvos de mineral durante el procesamiento y la fundición del mineral, los vapores metálicos (incluidos el plomo, el arsénico y el antimonio) durante la fundición, el dióxido de azufre y el monóxido de carbono durante la mayoría de las operaciones de fundición, el ruido de las operaciones de molienda y trituración y de los hornos, y el estrés por calor. de los hornos.

Las precauciones incluyen: LEV para polvos durante las operaciones de transferencia; extracción local y ventilación de dilución para dióxido de azufre y monóxido de carbono; un programa de control de ruido y protección auditiva; y ropa protectora y escudos, descansos y líquidos para el estrés por calor. La protección respiratoria se usa comúnmente para protegerse contra el polvo, los humos y el dióxido de azufre. El monitoreo biológico del plomo es esencial.

La Tabla 2 enumera los contaminantes ambientales para varios pasos en la fundición y refinación de plomo.

Tabla 2. Entradas de materiales de proceso y salidas de contaminación para la fundición y refinación de plomo

Zinc

El concentrado de zinc se produce separando el mineral, que puede contener tan solo un 2 % de zinc, de la roca estéril mediante trituración y flotación, un proceso que normalmente se realiza en el sitio de la mina. Luego, el concentrado de zinc se reduce a zinc metálico en una de dos formas: pirometalúrgicamente por destilación (retorta en un horno) o hidrometalúrgicamente por electroobtención. Este último representa aproximadamente el 80% del total de la refinación de zinc.

En el refinado hidrometalúrgico de zinc se utilizan generalmente cuatro etapas de procesamiento: calcinación, lixiviación, purificación y electroobtención. La calcinación, o tostado, es un proceso a alta temperatura (700 a 1000 °C) que convierte el concentrado de sulfuro de zinc en un óxido de zinc impuro llamado calcina. Los tipos de tostadores incluyen hogar múltiple, suspensión o lecho fluidizado. En general, la calcinación comienza con la mezcla de materiales que contienen zinc con carbón. Luego, esta mezcla se calienta, o se tuesta, para vaporizar el óxido de zinc que luego se saca de la cámara de reacción con la corriente de gas resultante. La corriente de gas se dirige al área de la cámara de filtros (filtro) donde el óxido de zinc se captura en el polvo de la cámara de filtros.

Todos los procesos de calcinación generan dióxido de azufre, que se controla y convierte en ácido sulfúrico como subproducto comercializable del proceso.

El procesamiento electrolítico de la calcina desulfurada consta de tres pasos básicos: lixiviación, purificación y electrólisis. La lixiviación se refiere a la disolución de la calcina capturada en una solución de ácido sulfúrico para formar una solución de sulfato de zinc. La calcina puede lixiviarse una o dos veces. En el método de doble lixiviación, la calcina se disuelve en una solución ligeramente ácida para eliminar los sulfatos. Luego, la calcina se lixivia por segunda vez en una solución más fuerte que disuelve el zinc. Este segundo paso de lixiviación es en realidad el comienzo del tercer paso de purificación porque muchas de las impurezas de hierro se eliminan de la solución, así como el zinc.

Después de la lixiviación, la solución se purifica en dos o más etapas mediante la adición de polvo de zinc. La solución se purifica a medida que el polvo fuerza la precipitación de elementos nocivos para que puedan ser filtrados. La purificación generalmente se lleva a cabo en grandes tanques de agitación. El proceso tiene lugar a temperaturas que oscilan entre 40 y 85 °C y presiones que van desde la atmosférica hasta las 2.4 atmósferas. Los elementos recuperados durante la purificación incluyen cobre como torta y cadmio como metal. Después de la purificación, la solución está lista para el paso final, la electroobtención.

La electroobtención de zinc se lleva a cabo en una celda electrolítica e implica el paso de una corriente eléctrica desde un ánodo de aleación de plomo y plata a través de la solución acuosa de zinc. Este proceso carga el zinc suspendido y lo obliga a depositarse en un cátodo de aluminio que se sumerge en la solución. Cada 24 a 48 horas, se apaga cada celda, se retiran y enjuagan los cátodos revestidos de zinc y se extrae mecánicamente el zinc de las placas de aluminio. El concentrado de zinc luego se funde y se moldea en lingotes y, a menudo, tiene una pureza de hasta el 99.995 %.

Las fundiciones de zinc electrolítico contienen hasta varios cientos de celdas. Una parte de la energía eléctrica se convierte en calor, lo que aumenta la temperatura del electrolito. Las celdas electrolíticas operan en rangos de temperatura de 30 a 35°C a presión atmosférica. Durante la electroobtención, una parte del electrolito pasa a través de torres de enfriamiento para disminuir su temperatura y evaporar el agua que acumula durante el proceso.

Los peligros y su prevención.

Los principales peligros son la exposición a polvos de minerales durante el procesamiento y la fundición del mineral, los humos metálicos (incluidos el zinc y el plomo) durante el refinado y el tostado, el dióxido de azufre y el monóxido de carbono durante la mayoría de las operaciones de fundición, el ruido de las operaciones de trituración y molienda y de los hornos, el estrés por calor de los hornos y el ácido sulfúrico y los peligros eléctricos durante los procesos electrolíticos.

Las precauciones incluyen: LEV para polvos durante las operaciones de transferencia; extracción local y ventilación de dilución para dióxido de azufre y monóxido de carbono; un programa de control de ruido y protección auditiva; ropa y escudos protectores, pausas para descansar y líquidos para el estrés por calor; y LEV, PPE y precauciones eléctricas para procesos electrolíticos. La protección respiratoria se usa comúnmente para protegerse contra el polvo, los humos y el dióxido de azufre.

La Tabla 3 enumera los contaminantes ambientales para varios pasos en la fundición y refinación de zinc.

Tabla 3. Entradas de materiales de proceso y salidas de contaminación para la fundición y refinación de zinc

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