Adaptado de la 3ª edición, Enciclopedia de Salud y Seguridad en el Trabajo.
En la producción y refinación de metales, los componentes valiosos se separan del material sin valor en una serie de reacciones físicas y químicas diferentes. El producto final es metal que contiene cantidades controladas de impurezas. La fundición y refinación primaria produce metales directamente a partir de concentrados de minerales, mientras que la fundición y refinación secundaria produce metales a partir de chatarra y desechos del proceso. La chatarra incluye fragmentos y piezas de piezas metálicas, barras, virutas, láminas y alambres que no cumplen con las especificaciones o están desgastados pero que se pueden reciclar (consulte el artículo “Recuperación de metales” en este capítulo).
Descripción general de los procesos
Generalmente se utilizan dos tecnologías de recuperación de metales para producir metales refinados, pirometalúrgico y hidrometalúrgico. Los procesos pirometalúrgicos usan calor para separar los metales deseados de otros materiales. Estos procesos utilizan diferencias entre los potenciales de oxidación, los puntos de fusión, las presiones de vapor, las densidades y/o la miscibilidad de los componentes del mineral cuando se funden. Las tecnologías hidrometalúrgicas se diferencian de los procesos pirometalúrgicos en que los metales deseados se separan de otros materiales mediante técnicas que aprovechan las diferencias entre las solubilidades de los constituyentes y/o las propiedades electroquímicas en soluciones acuosas.
Pirometalurgia
Durante el procesamiento pirometálico, un mineral, después de ser beneficiado (concentrado por trituración, molienda, flotación y secado), se sinteriza o se tuesta (calcinado) con otros materiales como el polvo de la cámara de filtros y el fundente. Luego, el concentrado se funde, o se derrite, en un alto horno para fusionar los metales deseados en un lingote fundido impuro. Este lingote luego se somete a un tercer proceso pirometálico para refinar el metal al nivel deseado de pureza. Cada vez que se calienta el mineral o el lingote, se crean materiales de desecho. El polvo de la ventilación y los gases del proceso se pueden capturar en una cámara de filtros y se eliminan o se devuelven al proceso, según el contenido de metal residual. También se captura el azufre en el gas, y cuando las concentraciones están por encima del 4% se puede convertir en ácido sulfúrico. Según el origen del mineral y su contenido de metales residuales, también se pueden producir como subproductos varios metales, como el oro y la plata.
El tostado es un importante proceso pirometalúrgico. El tostado por sulfatación se utiliza en la producción de cobalto y zinc. Su propósito es separar los metales para que puedan transformarse en una forma soluble en agua para su posterior procesamiento hidrometalúrgico.
La fundición de minerales sulfurosos produce un concentrado de metal parcialmente oxidado (mata). En la fundición, el material sin valor, generalmente hierro, forma una escoria con el material fundente y se convierte en óxido. Los metales valiosos adquieren la forma metálica en la etapa de conversión, que tiene lugar en hornos de conversión. Este método se utiliza en la producción de cobre y níquel. El hierro, el ferrocromo, el plomo, el magnesio y los compuestos ferrosos se producen por reducción del mineral con carbón vegetal y un fundente (piedra caliza), y el proceso de fundición suele tener lugar en un horno eléctrico. (Véase también el Siderurgia capítulo.) La electrólisis de sal fundida, utilizada en la producción de aluminio, es otro ejemplo de un proceso pirometalúrgico.
La alta temperatura requerida para el tratamiento pirometalúrgico de metales se obtiene quemando combustibles fósiles o usando la reacción exotérmica del propio mineral (por ejemplo, en el proceso de fundición instantánea). El proceso de fundición instantánea es un ejemplo de un proceso pirometalúrgico de ahorro de energía en el que se oxidan el hierro y el azufre del concentrado de mineral. La reacción exotérmica junto con un sistema de recuperación de calor ahorra mucha energía para la fundición. La alta recuperación de azufre del proceso también es beneficiosa para la protección del medio ambiente. La mayoría de las fundiciones de cobre y níquel construidas recientemente utilizan este proceso.
Hidrometalurgia
Ejemplos de procesos hidrometalúrgicos son la lixiviación, la precipitación, la reducción electrolítica, el intercambio iónico, la separación por membranas y la extracción por solventes. La primera etapa de los procesos hidrometalúrgicos es la lixiviación de metales valiosos a partir de materiales menos valiosos, por ejemplo, con ácido sulfúrico. La lixiviación suele ir precedida de un pretratamiento (p. ej., tostado con sulfatación). El proceso de lixiviación a menudo requiere alta presión, la adición de oxígeno o altas temperaturas. La lixiviación también se puede realizar con electricidad. De la solución de lixiviación se recupera el metal deseado o su compuesto por precipitación o reducción utilizando diferentes métodos. La reducción se lleva a cabo, por ejemplo, en la producción de cobalto y níquel con gas.
La electrólisis de metales en soluciones acuosas también se considera un proceso hidrometalúrgico. En el proceso de electrólisis, el ion metálico se reduce al metal. El metal se encuentra en una solución ácida débil de la que precipita sobre cátodos bajo la influencia de una corriente eléctrica. La mayoría de los metales no ferrosos también se pueden refinar mediante electrólisis.
A menudo, los procesos metalúrgicos son una combinación de procesos pirometalúrgicos e hidrometalúrgicos, según el concentrado de mineral a tratar y el tipo de metal a refinar. Un ejemplo es la producción de níquel.
Riesgos y su prevención
La prevención de riesgos para la salud y accidentes en la industria metalúrgica es principalmente una cuestión educativa y técnica. Los exámenes médicos son secundarios y sólo tienen un papel complementario en la prevención de riesgos para la salud. Un armónico intercambio de información y colaboración entre los departamentos de planificación, línea, seguridad y salud ocupacional dentro de la empresa dan el resultado más eficiente en la prevención de riesgos para la salud.
Las mejores y menos costosas medidas preventivas son las que se toman en la etapa de planificación de una nueva planta o proceso. En la planificación de nuevas instalaciones de producción, se deben tener en cuenta como mínimo los siguientes aspectos:
- Las fuentes potenciales de contaminantes del aire deben encerrarse y aislarse.
- El diseño y la ubicación del equipo de proceso deben permitir un fácil acceso para fines de mantenimiento.
- Las áreas en las que pueda ocurrir un peligro repentino e inesperado deben monitorearse continuamente. Deben incluirse avisos de advertencia adecuados. Por ejemplo, las áreas en las que la exposición a arsina o cianuro de hidrógeno podría ser posible deben estar bajo monitoreo continuo.
- La adición y el manejo de químicos de proceso tóxicos deben planificarse de modo que se pueda evitar el manejo manual.
- Siempre que sea posible, se deben utilizar dispositivos de muestreo de higiene ocupacional personal para evaluar la exposición real del trabajador individual. El monitoreo fijo regular de gases, polvo y ruido brinda una visión general de la exposición, pero solo tiene un papel complementario en la evaluación de la dosis de exposición.
- En la planificación del espacio se deben tener en cuenta los requerimientos de futuros cambios o ampliaciones del proceso para que no empeoren los estándares de higiene ocupacional de la planta.
- Debe haber un sistema continuo de capacitación y educación para el personal de seguridad y salud, así como para los capataces y trabajadores. En particular, los nuevos trabajadores deben estar bien informados sobre los posibles riesgos para la salud y cómo prevenirlos en sus propios entornos de trabajo. Además, la capacitación debe realizarse siempre que se introduzca un nuevo proceso.
- Las prácticas de trabajo son importantes. Por ejemplo, la higiene personal deficiente al comer y fumar en el lugar de trabajo puede aumentar considerablemente la exposición personal.
- La gerencia debe tener un sistema de monitoreo de seguridad y salud que produzca datos adecuados para la toma de decisiones técnicas y económicas.
Los siguientes son algunos de los peligros y precauciones específicos que se encuentran en la fundición y el refinado.
lesiones
La industria de fundición y refinación tiene una tasa más alta de lesiones que la mayoría de las otras industrias. Las fuentes de estas lesiones incluyen: salpicaduras y derrames de metal fundido y escoria que resultan en quemaduras; explosiones de gas y explosiones por contacto de metal fundido con agua; colisiones con locomotoras, vagones, grúas viajeras y otros equipos móviles en movimiento; caídas de objetos pesados; cae desde una altura (p. ej., al acceder a la cabina de una grúa); y lesiones por resbalones y tropiezos debido a la obstrucción de pisos y pasillos.
Las precauciones incluyen: capacitación adecuada, equipo de protección personal (PPE) apropiado (por ejemplo, cascos, zapatos de seguridad, guantes de trabajo y ropa protectora); buen almacenamiento, limpieza y mantenimiento de equipos; reglas de tránsito para equipo en movimiento (incluidas rutas definidas y un sistema efectivo de señales y advertencias); y un programa de protección contra caídas.
PROCESADOR
Las enfermedades de estrés por calor, como el golpe de calor, son un peligro común, principalmente debido a la radiación infrarroja de los hornos y el metal fundido. Esto es especialmente un problema cuando se debe realizar un trabajo extenuante en ambientes calurosos.
La prevención de enfermedades por calor puede implicar pantallas de agua o cortinas de aire frente a los hornos, enfriamiento puntual, cabinas cerradas con aire acondicionado, ropa protectora contra el calor y trajes enfriados por aire, que permitan suficiente tiempo para la aclimatación, pausas para trabajar en áreas frescas y un suministro adecuado. de bebidas para consumo frecuente.
Peligros químicos
La exposición a una amplia variedad de polvos, humos, gases y otros productos químicos peligrosos puede ocurrir durante las operaciones de fundición y refinación. La trituración y molienda del mineral, en particular, puede resultar en una alta exposición a sílice y polvos metálicos tóxicos (p. ej., que contienen plomo, arsénico y cadmio). También puede haber exposición al polvo durante las operaciones de mantenimiento del horno. Durante las operaciones de fundición, los humos metálicos pueden ser un problema importante.
Las emisiones de polvo y humo se pueden controlar mediante el encierro, la automatización de procesos, la ventilación por extracción local y por dilución, el humedecimiento de los materiales, la manipulación reducida de materiales y otros cambios en los procesos. Cuando estos no sean adecuados, se necesitará protección respiratoria.
Muchas operaciones de fundición implican la producción de grandes cantidades de dióxido de azufre a partir de minerales sulfurados y monóxido de carbono a partir de procesos de combustión. La dilución y la ventilación de escape local (LEV) son esenciales.
El ácido sulfúrico se produce como subproducto de las operaciones de fundición y se utiliza en el refinado electrolítico y la lixiviación de metales. La exposición puede ocurrir tanto al líquido como a las nieblas de ácido sulfúrico. Se necesita protección para la piel y los ojos y LEV.
La fundición y el refinado de algunos metales pueden tener riesgos especiales. Los ejemplos incluyen carbonilo de níquel en la refinación de níquel, fluoruros en la fundición de aluminio, arsénico en la fundición y refinación de cobre y plomo, y exposiciones al mercurio y cianuro durante la refinación de oro. Estos procesos requieren sus propias precauciones especiales.
Otros peligros
El deslumbramiento y la radiación infrarroja de los hornos y el metal fundido pueden causar daños en los ojos, incluidas cataratas. Se deben usar gafas protectoras y protectores faciales adecuados. Los altos niveles de radiación infrarroja también pueden causar quemaduras en la piel a menos que se use ropa protectora.
Los altos niveles de ruido de la trituración y molienda del mineral, los sopladores de descarga de gas y los hornos eléctricos de alta potencia pueden causar pérdida de audición. Si la fuente del ruido no se puede encerrar o aislar, se deben usar protectores auditivos. Debe instituirse un programa de conservación de la audición que incluya pruebas audiométricas y capacitación.
Los peligros eléctricos pueden ocurrir durante los procesos electrolíticos. Las precauciones incluyen el mantenimiento eléctrico adecuado con procedimientos de bloqueo/etiquetado; guantes, ropa y herramientas aislantes; e interruptores de circuito de falla a tierra donde sea necesario.
El levantamiento y manejo manual de materiales puede causar lesiones en la espalda y las extremidades superiores. Las ayudas mecánicas de elevación y la capacitación adecuada en los métodos de elevación pueden reducir este problema.
Contaminación y Protección del Medio Ambiente
Las emisiones de gases irritantes y corrosivos como el dióxido de azufre, el sulfuro de hidrógeno y el cloruro de hidrógeno pueden contribuir a la contaminación del aire y provocar la corrosión de los metales y el hormigón dentro de la planta y en el entorno circundante. La tolerancia de la vegetación al dióxido de azufre varía según el tipo de bosque y suelo. En general, los árboles de hoja perenne toleran concentraciones más bajas de dióxido de azufre que los de hoja caduca. Las emisiones de partículas pueden contener partículas no específicas, fluoruros, plomo, arsénico, cadmio y muchos otros metales tóxicos. Los efluentes de aguas residuales pueden contener una variedad de metales tóxicos, ácido sulfúrico y otras impurezas. Los desechos sólidos pueden estar contaminados con arsénico, plomo, sulfuros de hierro, sílice y otros contaminantes.
La gestión de la fundición debe incluir la evaluación y el control de las emisiones de la planta. Este es un trabajo especializado que debe ser realizado únicamente por personal completamente familiarizado con las propiedades químicas y toxicidades de los materiales descargados de los procesos de la planta. El estado físico del material, la temperatura a la que sale del proceso, otros materiales en la corriente de gas y otros factores deben tenerse en cuenta al planificar medidas para controlar la contaminación del aire. También es deseable mantener una estación meteorológica, llevar registros meteorológicos y estar preparado para reducir la producción cuando las condiciones climáticas no sean favorables para la dispersión de los efluentes de la chimenea. Los viajes de campo son necesarios para observar el efecto de la contaminación del aire en las áreas residenciales y agrícolas.
El dióxido de azufre, uno de los principales contaminantes, se recupera como ácido sulfúrico cuando está presente en cantidad suficiente. De lo contrario, para cumplir con los estándares de emisión, el dióxido de azufre y otros desechos gaseosos peligrosos se controlan mediante depuración. Las emisiones de partículas se controlan comúnmente mediante filtros de tela y precipitadores electrostáticos.
Grandes cantidades de agua se utilizan en procesos de flotación como la concentración de cobre. La mayor parte de esta agua se recicla de nuevo en el proceso. Los relaves del proceso de flotación se bombean como lodos a estanques de sedimentación. El agua se recicla en el proceso. El agua de proceso que contiene metales y el agua de lluvia se limpian en plantas de tratamiento de agua antes de su descarga o reciclaje.
Los desechos en fase sólida incluyen escorias de fundición, lodos de purga de la conversión de dióxido de azufre en ácido sulfúrico y lodos de embalses superficiales (p. ej., estanques de sedimentación). Algunas escorias se pueden reconcentrar y devolver a las fundiciones para su reprocesamiento o recuperación de otros metales presentes. Muchos de estos desechos en fase sólida son desechos peligrosos que deben almacenarse de acuerdo con las normas ambientales.