Práctica de Reducción y refinación PIROEXTRACCIÓN DE COBRE

Práctica de Reducción y refinación

PIROEXTRACCIÓN DE COBRE

OBJETIVOS

Poner en práctica los conocimientos adquiridos en clase para obtener cobre metálico, a partir de concentrado de sulfuro de cobre, empleando proceso pirometalúrgico del cobre y su posterior refinación para obtener un metal con mayor pureza, mediante el proceso de electrorefinación.

INTRODUCCIÓN

Aproximadamente el 90% del cobre primario mundial se extrae desde minerales sulfurados. Estos minerales, por ser difícilmente explotables por métodos hidrometalúrgicos, como son los óxidos, son tratados en su gran mayoría, por técnicas pirometalúrgicas a partir de sus concentrados. La extracción por esta vía puede consistir de las siguientes etapas:

Secado del concentrado

Tostación parcial del concentrado

Fusión para separar fases

Conversión de la fase sulfurada

Pirorrefinación de la fase metálica

La pirorrefinación o refinación térmica corresponde a un condicionamiento del cobre blíster para las etapas posteriores de electrorefinación, en orden a ajustar el grado de oxidación del metal y el contenido de impurezas presentes, para producir un ánodo de buena calidad mecánica y físico-química.

De las cinco etapas expuestas, sin lugar a dudas, son la fusión y la conversión las más importantes por los determinantes en el proceso general. La primera, cuyo fin es concentrar el metal a recuperar mediante una separación de fases de alta temperatura: una sulfurada rica en el metal y otra oxidada exenta o pobre en él; y la segunda, con el objeto de eliminar el azufre y el hierro presente en la fase sulfurada mediante oxidaciones del baño fundido para obtener un cobre final relativamente puro.

La secuencia clásica de etapas pirometalúrgicas se muestra en la figura 1, en la que se observa además el rango aproximado de temperaturas involucradas. Podemos notar que, en su forma clásica, hay una secuencia alternada de etapas endo y exotérmicas, siendo las más relevantes por su tamaño las correspondientes a la fusión y la conversión. Secuencialmente también, hay un aumento paulatino de la temperatura del sistema fundido.

Figura 1. Etapas de un Proceso de Extracción Pirometalúrgica

MARCO TEÓRICO

FUSIÓN PARA SEPARAR FASES

El objetivo de esta etapa es formar una fase de sulfuros líquidos, llamada mata, que contenga en lo posible todo el cobre alimentado y otra fase oxidada líquida, llamada escoria, en lo posible exenta de cobre.

La escoria, pobre en el metal, es caracterizada y descartada directamente, o sometida a una etapa adicional de recuperación del metal, si su contenido es alto. La mata, constituida fundamentalmente por sulfuros de cobre y hierro, pasa 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 compuestos de alto punto de fusión.

La reacción de producción de mata y escoria podemos representarla por:

Concentrado+Fundentes+Energía→Mata+Escoria+Gas

Donde:

Mata: Cu2S, FeS, fundamentalmente

Escoria: FeO, Fe3O4, SiO2, Al2O3, CaO, MgO, Cu2O, otros

Gas: O2, SO2, N2, CO, CO2, H2, H2O, otros

La separación natural a alta temperatura entre fase metálica y fase oxidada puede alterarse ventajosamente con la adición de fundentes adecuados. En efecto, si observamos el ternario de la figura 2, podemos notar el efecto de la sílice (SiO2), en la separación de una mata, nominada sulfuro de hierro y una escoria de óxido de hierro.

Figura 2. Equilibrio líquido-líquido. Sistema FeO-FeS-SiO2, 1200°C

A 1200°C y en ausencia de SiO2, no existiría una separación real entre fase sulfurada y oxidada, sino una mezcla líquida homogénea. Sin embargo, al adicionar SiO2, aparece una laguna de inmiscibilidad con una separación entre dos líquidos: uno rico en FeS y otro rico en FeO. A medida que el contendido de SiO2 aumenta, también aumenta el grado de separación, llegándose a un valor máximo con las composiciones más alejadas entre la fase oxidada y sulfurada, para contenidos de SiO2 del orden de 32-40% en peso. A partir de ese momento, cualquier nueva adición del fundente, involucra la aparición de una fase sólida rica en sílice.

El efecto de la sílice en la escoria se muestra en el ternario FeO-Fe2O3-SiO2 de la figura 3. A 1200°C existe una pequeña región líquida delimitada en sus costados por tres regiones: sílice, magnetita (corresponde a la relación estequiométrica entre FeO y Fe2O3) y wustita, FeO.

Figura 3. Diagrama líquido en función de la temperatura. Sistema FeO-Fe2O3-SiO2. Isobaras de oxígeno (----).

Sobre la región líquida de esta figura se indican las presiones relativas del oxígeno durante la fusión y podemos observar que es aceptable una presión parcial de este gas de hasta 10-8 aproximadamente (punto D) para 1200°C de temperatura. Por las razones expuestas anteriormente respecto del contenido de SiO2 en las escorias, para cualquier PO210-8 atmósferas, debiera aparecer magnetita en el baño, y aumentar considerablemente las pérdidas de cobre en las escorias. En efecto, el equilibrio más importante que gobierna la formación de magnetita es:

6FeO(l)+O_2=2〖Fe〗_3 O_4 (s)

Cuya energía libre, G°, es aproximadamente -62 Kcal a esta temperatura (K=15.8x108) y la presión de oxígeno en equilibrio con el Fe3O4 viene entonces dada por:

P_O2=1/K ((a_Fe3O4 )^2)/((a_FeO )^6 )

Entre los problemas que ocasione la magnetita en las escorias, podemos citar la acumulación de estos compuestos sobre el piso del horno de fusión, formando una fase separada, que, tras sucesivas jornadas de operación, significa una pérdida de eficiencia en el volumen del reactor. Además, la magnetita aumentará notoriamente la viscosidad de la escoria con todos los problemas que conlleva una falta de fluidez en esta fase.

Tal como se muestra en la figura 4, el contenido de cobre en las escorias aumentará al aumentar la ley de cobre en las matas, por efecto de difusión del constituyente entre la fase sulfurada y la fase oxidada.

Dos efectos pueden ser los responsables de este traspaso de cobre desde la mata a la escoria, pudiendo ser de tipo químico o mecánico. En las pérdidas químicas, el cobre es traspasado a la escoria como óxido, específicamente como Cu2O, de tal manera que es un compuesto termodinámicamente estable en esa fase y su recuperación debe entenderse en términos de reducción con algún reductor adecuado (carbón, hidrocarburos, otros). En las pérdidas mecánicas, sin embargo, el cobre es traspasado

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