Cobre

Antecedentes

El cobre es uno de los elementos químicos básicos. En su estado casi puro, el cobre es un metal de color naranja rojizo conocido por su alta conductividad térmica y eléctrica. Se usa comúnmente para producir una amplia variedad de productos, incluidos cables eléctricos, ollas y sartenes para cocinar, tuberías y tubos, radiadores de automóviles y muchos otros. El cobre también se usa como pigmento y conservante para papel, pintura, textiles y madera. Se combina con zinc para producir latón y con estaño para producir bronce.

El cobre se utilizó por primera vez hace 10.000 años. Un colgante de cobre de aproximadamente 8700 a. C. fue encontrado en lo que ahora es el norte de Irak. Hay evidencia de que alrededor del 6400 A.C. el cobre se estaba fundiendo y fundiendo en objetos en el área que ahora se conoce como Turquía. Hacia el 4500 A.C. , esta tecnología también se practicaba en Egipto. La mayor parte del cobre utilizado antes del 4000 a. C. provino del descubrimiento aleatorio de afloramientos aislados de cobre nativo o de meteoritos que habían impactado la Tierra. La primera mención de la extracción sistemática de mineral de cobre se remonta aproximadamente al 3800 a. C. cuando una referencia egipcia describe las operaciones mineras en la península del Sinaí.

Aproximadamente en el 3000 A.C. , se encontraron grandes depósitos de mineral de cobre en la isla de Chipre en el Mar Mediterráneo. Cuando los romanos conquistaron Chipre, le dieron al metal el nombre latino aes cyprium, que a menudo se abrevia a cyprium. Más tarde, este se corrompió a cuprum, del cual se derivan la palabra inglesa cobre y el símbolo químico Cu.

En América del Sur, los objetos de cobre se producían a lo largo de la costa norte de Perú ya en el año 500 a. C. , y el desarrollo de la metalurgia del cobre estaba muy avanzado cuando el imperio Inca cayó ante los conquistadores soldados españoles en el siglo XVI.

En los Estados Unidos, la primera mina de cobre se abrió en Branby, Connecticut, en 1705, seguida de una en Lancaster, Pensilvania, en 1732. A pesar de esta producción temprana, la mayor parte del cobre utilizado en los Estados Unidos se importó de Chile hasta 1844, cuando Se inició la extracción de grandes depósitos de mineral de cobre de alta ley alrededor del lago Superior. El desarrollo de técnicas de procesamiento más eficientes a fines del siglo XIX permitió la extracción de minerales de cobre de menor ley de enormes minas a cielo abierto en el oeste de los Estados Unidos.

En la actualidad, Estados Unidos y Chile son los dos principales países productores de cobre del mundo, seguidos de Rusia, Canadá y China.

Materias primas

El cobre puro rara vez se encuentra en la naturaleza, pero generalmente se combina con otros productos químicos en forma de minerales de cobre. Hay alrededor de 15 minerales de cobre extraídos comercialmente en 40 países de todo el mundo. Los más comunes se conocen como minerales de sulfuro en los que el cobre se une químicamente con azufre. Otros se conocen como minerales de óxido, minerales de carbonato o minerales mixtos, según los productos químicos presentes. Muchos minerales de cobre también contienen cantidades significativas de oro, plata, níquel y otros metales valiosos, así como grandes cantidades de material comercialmente inútil. La mayoría de los minerales de cobre extraídos en los Estados Unidos contienen solo alrededor de 1.2-1.6% de cobre en peso.

El mineral de sulfuro más común es la calcopirita, CuFeS ₂ , también conocida como pirita de cobre o mineral de cobre amarillo. Calcocita, Cu ₂ S, es otro mineral de sulfuro.

Cuprita o mineral de cobre rojo, Cu ₂ O, es un mineral de óxido. Malaquita o mineral de cobre verde, Cu (OH) ₂ • CuCO ₃ , es un mineral de carbonato importante, como lo es la azurita, o carbonato de cobre azul, Cu (OH) ₂ • 2CuCO ₃ .

Otros minerales incluyen tennantita, boronita, crisocola y atacamita.

Además de los minerales en sí, a menudo se utilizan varios otros productos químicos para procesar y refinar el cobre. Estos incluyen ácido sulfúrico, oxígeno, hierro, sílice y varios compuestos orgánicos, según el proceso utilizado.

El
proceso de fabricación

El proceso de extracción de cobre del mineral de cobre varía según el tipo de mineral y la pureza deseada del producto final. Cada proceso consta de varios pasos en los que los materiales no deseados se eliminan física o químicamente y la concentración de cobre aumenta progresivamente. Algunos de estos pasos se llevan a cabo en el sitio de la mina, mientras que otros pueden llevarse a cabo en instalaciones separadas.

Estos son los pasos que se utilizan para procesar los minerales de sulfuro que se encuentran comúnmente en el oeste de los Estados Unidos.

Minería

• 1 La mayoría de los minerales de sulfuro se extraen de enormes minas a cielo abierto mediante perforación y voladura con explosivos. En este tipo de minería, el material ubicado sobre el mineral, llamado sobrecarga, se retira primero para exponer el depósito de mineral enterrado. Esto produce un pozo abierto que puede llegar a tener una milla o más de ancho. Una carretera para permitir el acceso de los equipos desciende en espiral por las pendientes interiores del foso.
• 2 El mineral expuesto se recoge con grandes palas mecánicas capaces de cargar de 500 a 900 pies cúbicos (15 a 25 metros cúbicos) en un solo bocado. El mineral se carga en camiones volquete gigantes, llamados camiones de transporte, y se transporta hacia arriba y fuera del pozo.

Concentrarse

El mineral de cobre generalmente contiene una gran cantidad de tierra, arcilla y una variedad de minerales que no contienen cobre. El primer paso es eliminar parte de este material de desecho. Este proceso se llama concentración y generalmente se realiza mediante el método de flotación.

• 3 El mineral se tritura en una serie de trituradoras de cono. Una trituradora de cono consiste en un cono de trituración interior que gira sobre un eje vertical excéntrico dentro de un cono exterior fijo. A medida que el mineral se introduce en la parte superior de la trituradora, se aprieta entre los dos conos y se rompe en pedazos más pequeños.
• 4 Luego, el mineral triturado se muele aún más pequeño mediante una serie de molinos. Primero, se mezcla con agua y se coloca en un molino de varillas, que consiste en un gran recipiente cilíndrico lleno de numerosos trozos cortos de varilla de acero. A medida que el cilindro gira sobre su eje horizontal, las varillas de acero se tambalean y rompen el mineral en pedazos de aproximadamente 0,13 pulgadas (3 mm) de diámetro. La mezcla de mineral y agua se desintegra en dos molinos de bolas, que son como un molino de barras, excepto que se utilizan bolas de acero en lugar de barras. La lechada de mineral finamente molido que emerge del molino de bolas final contiene partículas de aproximadamente 0,01 pulgadas (0,25 mm) de diámetro.
• 5 La lechada se mezcla con varios reactivos químicos, que recubren las partículas de cobre. También se agrega un líquido, llamado espumador. El aceite de pino o el alcohol de cadena larga se utilizan a menudo como espumantes. Esta mezcla se bombea a tanques rectangulares, llamados celdas de flotación, donde se inyecta aire en la lechada a través del fondo de los tanques. Los reactivos químicos hacen que las partículas de cobre se adhieran a las burbujas a medida que suben a la superficie. El vaporizador forma una capa gruesa de burbujas, que desborda los tanques y se acumula en comederos. Se deja condensar las burbujas y se escurre el agua. La mezcla resultante, llamada concentrado de cobre, contiene aproximadamente entre un 25% y un 35% de cobre junto con varios sulfuros de cobre y hierro, además de concentraciones más pequeñas de oro, plata y otros materiales. Los materiales restantes en el tanque se denominan ganga o relaves. Se bombean a estanques de sedimentación y se dejan secar.

El proceso de extracción de cobre del mineral de cobre varía según el tipo de mineral y la pureza deseada del producto final . Cada proceso consta de varios pasos en los que los materiales no deseados se eliminan física o químicamente y la concentración de cobre aumenta progresivamente.

Fundición

Una vez que los materiales de desecho se han eliminado físicamente del mineral, el concentrado de cobre restante debe someterse a varias reacciones químicas para eliminar el hierro y el azufre. Este proceso se llama fundición y tradicionalmente involucra dos hornos como se describe a continuación. Algunas plantas modernas utilizan un solo horno, que combina ambas operaciones.

• 6 El concentrado de cobre se introduce en un horno junto con un material de sílice, llamado fundente. La mayoría de las fundiciones de cobre utilizan hornos flash enriquecidos con oxígeno en los que se fuerza aire precalentado y enriquecido con oxígeno al interior del horno para que se queme con fueloil. El concentrado de cobre y el fundente se derriten y se acumulan en el fondo del horno. Gran parte del hierro del concentrado se combina químicamente con el fundente para formar una escoria, que se desprende de la superficie del material fundido. Gran parte del azufre en el concentrado se combina con el oxígeno para formar dióxido de azufre, que se extrae del horno en forma de gas y se trata posteriormente en una planta de ácido para producir ácido sulfúrico. El material fundido restante en el fondo del horno se llama mate. Es una mezcla de sulfuros de cobre y sulfuros de hierro y contiene aproximadamente un 60% de cobre en peso.
• 7 La mata fundida se extrae del horno y se vierte en un segundo horno llamado convertidor. Se agrega fundente de sílice adicional y se sopla oxígeno a través del material fundido. Las reacciones químicas en el convertidor son similares a las del horno flash. El fundente de sílice reacciona con el hierro restante para formar una escoria y el oxígeno reacciona con el azufre restante para formar dióxido de azufre. La escoria se puede retroalimentar al horno flash para que actúe como fundente y el dióxido de azufre se procesa a través de la planta de ácido. Una vez que se elimina la escoria, una inyección final de oxígeno elimina todo menos un rastro de azufre. El material fundido resultante se llama blíster y contiene aproximadamente un 99% de cobre en peso.

Refinando

A pesar de que el blister de cobre es 99% de cobre puro, todavía contiene niveles lo suficientemente altos de azufre, oxígeno y otras impurezas como para dificultar el refinamiento adicional. Para eliminar o ajustar los niveles de estos materiales, el cobre blíster se refina primero al fuego antes de enviarlo al proceso de electrorrefinación final.

• 8 El cobre blíster se calienta en un horno de refinación, que es similar a un convertidor descrito anteriormente. Se sopla aire en la ampolla fundida para oxidar algunas impurezas. Se puede agregar un fundente de carbonato de sodio para eliminar las trazas de arsénico y antimonio. Se extrae una muestra del material fundido y un operador experimentado determina cuándo las impurezas han alcanzado un nivel aceptable. El cobre fundido, que tiene una pureza de aproximadamente el 99,5%, se vierte luego en moldes para formar grandes ánodos eléctricos, que actúan como terminales positivos para el proceso de electrorrefinación.
• 9 Cada ánodo de cobre se coloca en un tanque individual, o celda, hecha de hormigón polímero. Puede haber hasta 1250 tanques en funcionamiento a la vez. Se coloca una hoja de cobre en el extremo opuesto del tanque para que actúe como cátodo o terminal negativo. Los tanques se llenan con una solución ácida de sulfato de cobre, que actúa como conductor eléctrico entre el ánodo y el cátodo. Cuando pasa una corriente eléctrica a través de cada tanque, el cobre se quita del ánodo y se deposita en el cátodo. La mayoría de las impurezas restantes caen de la solución de sulfato de cobre y forman un lodo en el fondo del tanque. Después de unos 9-15 días, se corta la corriente y se retiran los cátodos. Los cátodos ahora pesan alrededor de 300 lb (136 kg) y son 99,95-99,99% de cobre puro.
• 10 La baba que se acumula en el fondo del tanque contiene oro, plata, selenio y telurio. Se recolecta y procesa para recuperar estos metales preciosos.

Transmisión

• 11 Después del refinado, los cátodos de cobre se funden y moldean en lingotes, tortas, palanquillas o varillas, según la aplicación final. Los lingotes son ladrillos rectangulares o trapezoidales, que se vuelven a fundir junto con otros metales para fabricar productos de latón y bronce. Los pasteles son losas rectangulares de aproximadamente 8 pulgadas (20 cm) de espesor y hasta 28 pies (8,5 m) de largo. Se laminan para fabricar productos de láminas, láminas, láminas y láminas de cobre. Los tochos son troncos cilíndricos de aproximadamente 8 pulgadas (20 cm) de diámetro y varios pies (metros) de largo. Se extruyen o estiran para fabricar tubos y tuberías de cobre. Las varillas tienen una sección transversal redonda de aproximadamente 0,5 pulgadas (1,3 cm) de diámetro. Por lo general, se moldean en longitudes muy largas, que se enrollan. Este material enrollado luego se estira más hacia abajo para hacer alambre de cobre.

Control de calidad

Debido a que las aplicaciones eléctricas requieren un nivel muy bajo de impurezas, el cobre es uno de los pocos metales comunes que se refinan hasta casi el 100% de pureza. Se ha demostrado que el proceso descrito anteriormente produce cobre de muy alta pureza. Para garantizar esta pureza, las muestras se analizan en varios pasos para determinar si se requiere algún ajuste al proceso.

Subproductos / Residuos

La recuperación de ácido sulfúrico del proceso de fundición de cobre no solo proporciona un subproducto rentable, sino que también reduce significativamente la contaminación del aire causada por el escape del horno. El oro, la plata y otros metales preciosos también son subproductos importantes.

Los productos de desecho incluyen la sobrecarga de la operación minera, los relaves de la operación de concentración y la escoria de la operación de fundición. Estos desechos pueden contener concentraciones significativas de arsénico, plomo y otras sustancias químicas, que representan un peligro potencial para la salud del área circundante. En los Estados Unidos, la Agencia de Protección Ambiental (EPA) regula el almacenamiento de dichos desechos y la remediación del área una vez que cesan las operaciones de extracción y procesamiento. El gran volumen del material involucrado, en algunos casos miles de millones de toneladas de desechos, hace que esta sea una tarea formidable, pero también presenta algunas oportunidades potencialmente rentables para recuperar los materiales utilizables contenidos en estos desechos.

El futuro

Se espera que la demanda de cobre se mantenga alta, especialmente en las industrias eléctrica y electrónica. Las tendencias actuales en el procesamiento del cobre apuntan a métodos y equipos que usan menos energía y producen menos contaminación del aire y desechos sólidos. En los Estados Unidos, esta es una tarea difícil debido a los estrictos controles ambientales y los minerales de cobre de muy baja concentración que están disponibles. En algunos casos, los costos de producción pueden aumentar significativamente.

Una tendencia alentadora es el aumento del uso de cobre reciclado. Actualmente, más de la mitad del cobre que se produce en Estados Unidos proviene de cobre reciclado. El cincuenta y cinco por ciento del cobre reciclado proviene de operaciones de mecanizado de cobre, como el conformado de tornillos, y el 45% proviene de la recuperación de productos de cobre usados, como cables eléctricos y radiadores de automóviles. Se espera que el porcentaje de cobre reciclado crezca a medida que aumenten los costos del nuevo procesamiento de cobre.