Metalurgia Del Cobre

METALURGIA DEL COBRE Cruz Ana Díaz Luis Díaz Vanessa Saltos Cynthia

INTRODUCCIÓN • El cobre es un material de color rojizo que se encuentra ligado a la humanidad desde que se descubriera en forma nativa. Se encuentra (a veces) en la naturaleza en forma metálica (al igual que el oro), y fue por esta razón que fue uno de los primeros metales conocidos y usados por el ser humano (Edad del Cobre) para la elaboración de utensilios, adornos, herramientas y armas. • La mitad del cobre se utiliza en la industria eléctrica y una cuarta parte en la construcción. Las principales aleaciones son los latones (Cu-Zn), los bronces (Cu-Sn) y cuproaluminios (Cu-Al), se emplean ampliamente en la industria naval en base a su resistencia a la corrosión. • Unos siglos antes de Cristo se conseguía el cobre probablemente por medio de sucesivas tostaciones y fusiones. • El primer bronce se obtuvo a partir de menas complejas de cobre y estaño.

USOS Y APLICACIONES Las aplicaciones del cobre de alta calidad (99.99%), del que se produce el 95% del cobre primario se utiliza debido a su conductividad eléctrica en aplicaciones eléctricas (>50% del consumo mundial) de baja tensión fundamentalmente. Máquinas eléctricas, como generadores, motores y diversos equipos eléctricos.

Industria química y alimentaria por su resistencia a la corrosión.

Se usa en agricultura para evitar hongos con baja toxicidad.

Debido a su conductividad térmica, en tuberías de calefacciones Como catalizadores en cierto tipo de reacciones, también se emplea como pigmento en vidrios, cerámicas y esmaltes.

PROPIEDADES FÍSICAS La conductividad disminuye con el trabajo en frío y con los elementos que forman solución sólida y se recupera por recocido.

El cobre de elevada pureza es muy dúctil. El trabajo en frío incrementa la dureza y la resistencia a la tensión, el recocido por su parte elimina el endurecimiento.

Dependen de su pureza, y esta de la mena y del proceso de obtención. La conductividad eléctrica del cobre es la más alta de todos los metales tras la plata (0.6% la de ésta).

El cobre puro trabaja bien en caliente, sin fragilidad, pero la resistencia a altas temperaturas es baja

PROPIEDADES QUÍMICAS Metal de transición perteneciente al grupo del oro y la plata en la tabla periódica con estados de oxidación +1 y +2

El cobre, en aire seco y a temperatura ambiente, se cubre de una capa delgada de óxido cuproso.

El cobre se ataca por oxidación y formando iones complejos. El cobre es soluble en ácidos oxidantes (como el nítrico o el crómico) o ácidos no oxidantes (como el sulfúrico) que contengan un agente oxidante (oxígeno o peróxido de hidrógeno).

El agua pura no corroe el cobre, por el contrario el agua del mar produce un ataque moderado.

La solubilidad del oxígeno en el cobre líquido es importante. El SO2 también se disuelve en el cobre fundido formado sulfuros.

Menas de Cobre

Encontrar una mena rica en cobre en la corteza terrestre es muy difícil, por lo que se considera que es rica en cobre si contiene al menos un 6% de este metal, aunque las menas más comunes contienen de 0.5% (minas a cielo abierto) hasta 1 a 2% de cobre (en minas subterráneas).

El cobre, se encuentra en la corteza terrestre principalmente en forma de minerales sulfurados como la calcopirita (CuFeS2), bornita (Cu5FeS4) y calcocita (Cu2S) y el más importante de todos ellos, es la calcopirita.

CALCOPIRITA Es la mena de cobre más ampliamente distribuida. Químicamente es un disulfuro de hierro y cobre metalizado.

CuFe S2

Casi dos tercios de su peso son de hierro y cobre, ambos metales de gran aplicación industrial. Se extrae aproximadamente un setenta y cinco por ciento de todo el cobre que se produce en el mundo. Se caracteriza porque tiene un brillo metálico y cuando arde emite luces verdes por la presencia de cobre, así como emana vapores tóxicos, por lo que hay que tener cuidado al manipularla.

BORNITA Es un sulfuro de hierro y cobre, de color cobre manchado con iridiscencias púrpuras, por lo que se le da el apodo de pavo real mineral.

Cu5 Fe S4

Es una de las menas secundarias utilizadas para la extracción de cobre Raramente se la encuentra en forma de cristales más o menos cúbicos, siendo normal encontrarla de forma masiva y recubierta por una pátina púrpura o azulada muy llamativa.

CALCOSINA Aparece como mineral secundario en o cerca de las zonas de oxidación de los yacimientos de minerales sulfuros del cobre.

Cu2S

Su brillo es metálico y su color es un gris plomo que pierde su brillo y se oscurece cuando se expone al aire. Contiene el 79.8% de cobre y el 20.2% de azufre.

Las menas oxidadas de cobre, fundamentalmente se encuentran en el llamado “Cinturón de cobre de África”. Otros países productores de cobre son: USA, Canadá, Chile, Perú, Sudáfrica y, sobre todo, en Europa en países como Croacia, España o Portugal.  

Pirometalurgia del Cobre

Es una rama de la metalurgia extractiva en la que se emplean procesos para obtención y refino o refinación de metales utilizando calor, como en el caso de la fundición.

El proceso de obtención y refinación del cobre depende de que el mineral sean sulfuros (cuando el cobre se combina con el azufre pasa a llamarse sulfuro de cobre), en cuyo caso se utiliza la vía pirometalúrgica en la que se producen ánodos y cátodos.

Etapas:

Concentración de menas de cobre • Permite incrementar el contenido en cobre del mineral dado que las menas que se explotan son de baja ley. • La ley es una medida que describe el grado de concentración del mineral presente en una mena. • El material es triturado y molido hasta 10 y 20 um para optimizar la liberación.

• La forma tradicional de concentración es por medio de flotación. • FLOTACIÓN MASIVA: Concentra todos los minerales que contengan contenido metálico. • FLOTACIÓN SELECTIVA: Separa los distintos minerales

Tostación de las menas de cobre • Consiste en oxidar los concentrados de cobre para el resto de operaciones de la pirometalurgia e hidrometalurgia. • Pirometalurgia: Reduce el contenido de azufre hasta un valor óptimo para la fusión de la mata. • Hidrometalurgia: Permite formar compuestos que se pueden lixiviar total o parcialmente

Reacciones en Fusión para la MATA Los procesos pirometalúrgicos de fusión de cobre se basan en el principio de oxidación parcial de concentrados de sulfuros La fusión de concentrados de cobre, que pueden estar parcialmente tostados como se mencionaba o sin tostar, con adición de fundentes va a generar dos fases fundidas: la MATA, que es la fase más pesada y que contiene la mayoría de los sulfuros y que es el producto de concentración del cobre; y la ESCORIA, que contiene una fase oxidada y ferrosa. La oxidación del azufre de los sulfuros y del hierro es exotérmica, permitiendo alcanzar los niveles adecuados de composición de la masa.

Las reacciones de la fusión para mata son: 4������ + 5�2 ↔ 2��2� · ��� ���; ���� + 2��� + 4��2 (����é�����) Y: 2��� + ���2 ↔ 2��� · ���2 ���; ������� (����é�����) Otra de las reacciones de importancia, es el equilibrio entre las fases mata y escoria, entre los óxidos y sulfuros de cobre y hierro: ��2� ���; ������� + ��� ���; ���� ↔ ��2� ���; ���� + ��� (��� ; ������� )

LA FUSIÓN PARA MATA CONCENTRADOR DE COBRE.

ES

UN

PROCESO

Tras es proceso de fusión, los metales que acompañan el cobre: Calcio, magnesio y aluminio, pasan a la escoria sin reducirse. Los metales preciosos que se encuentran disueltos en los sulfuros pasan a la mata casi en su totalidad. El resto de metales (Ni, Co, Pb, Zn, As, Sb, Bi, etc.) se distribuyen entre la mata y la escoria, o se separan con los gases del horno de fusión. La fusión para mata va a permitir la rápida separación entre la mata y la escoria, enriquecida la primera en cobre y empobrecida la segunda. La separación de las fases se va a ver producida por:

La diferencia de enlace en la mata y en la escoria (covalente e iónico, respectivamente). La diferencia de densidades entre las dos fases (del orden de 1 g/cm3). Pese a que la mayor parte del cobre va a la mata (100 veces a 1, es una cantidad de cobre importante que se pierde en la escoria), una parte va a la escoria. Esta pérdida de cobre en la escoria va a depender de la riqueza de la mata (cuanto más rica más cobre en la escoria, mayores pérdidas), y luego de la riqueza de los concentrados (más ricos los concentrados, menos escoria y menos pérdidas de cobre).

Hidrometalurgia del Cobre La extracción de metales por hidrometalurgia se lleva a cabo mediante operaciones por vía húmeda que se realizan a través de reacciones en fase acuosa y a bajas temperaturas. En general los minerales que se extraen de la naturaleza no son puros, sino que están mezclados con materias estériles, que constituyen la ganga del mineral. Estas materias se encuentran en la naturaleza rodeando al mineral propiamente dicho (mena) y no se pueden separar al arrancar el mineral en condiciones económicas y ventajosas.

Lixiviación Tiene por objetivo la obtención del cobre de los minerales oxidados que lo contienen, aplicando una disolución de ácido sulfúrico y agua. Este proceso se basa en que los minerales oxidados son sensibles al ataque de disoluciones ácidas. Se realiza mediante el “heap leaching” (lixiviación en pilas), consistente en el apilamiento de grandes cantidades de minerales que se riegan con disoluciones diluidas de ácido sulfúrico formando una disolución de sulfato de cobre (CuSO4). Este proceso se alarga durante meses o incluso años hasta que se agota el cobre de la pila de material. De la lixiviación se obtienen disoluciones de sulfato de cobre con concentraciones de hasta 9 g/l de cobre.

Purificación/Concentración Las disoluciones obtenidas en la etapa anterior de lixiviación no contienen suficiente cobre, por lo que se extrae este cobre con disolventes orgánicos para separarlo de otras impurezas. A posteriori se extrae una disolución concentrada de cobre de estos disolventes. Mediante la extracción con disolventes se obtienen disoluciones de sulfato de cobre con concentraciones de hasta 45 g/l de cobre. Electrólisis-Electrodeposición La disolución resultante en la etapa anterior de purificación/concentración se electroliza en grandes plantas con cátodos de acero inoxidable y ánodos inertes de plomo-antimonio. Finalizada la electrólisis se extrae cobre sólido del 99,99% de pureza. Esta última electrólisis tiene elevado coste energético.

Reacciones de lixiviación • Lixiviación con Cloruros: se basa en el efecto oxidante del ion férrico para la disolución del cobre

• Lixiviación de sulfuros con oxigeno en reactor a presión: el objetivo producir sulfato a la vez q se disuelve el cobre

• Cementación : consiste en la reducción y precipitación del cobre a partir del hierro en chatarra su reducción en celdas es relativamente puro • Electro recuperación: consiste en la reducción del cobre sobre hojas catódicas

Fundición en la Industria del Cobre • Los cátodos se funden en los hornos y se adicionan aleantes para colar el producto • La atmosfera no puede ser oxidante • El producto final son plcas y barras de hsta 12 metros de longitud

• Las aleaciones del cobre son • Cu-Zn (Latones) Característica Color dorado Acción microbiana No produce chispas Resistencia a cavitación

Campo bisutería Pomos de puertas Transporte de sustancias explosivas Fabricación de las hélices de barcos

Aleaciones del cobre

Bronces Característica

Campo

Resistencia al roce

Joyería, medallas , esculturas

Resistentes a la corrosión

Monedas

No produce chispas

Transporte de sustancias inflamables

Alpacas Características

Campo

Buena resistencia a la corrosión

Fabricación de diales de aparatos de radio

Buenas cualidades mecánicas

Fabricación de objetos de fontanería

Color similar a la plata

Ornamentación

Aleaciones del cobre • Cuproníqueles Característica

Campo

Resistencia a la corrosión de agua salada

Uso en aparatos de destilación y condensadores de sistemas de mas

• Cuproaluminios Característica

Campo

Elevada resistencia metálica y maleabilidad

Fabricación de tubos de intercambio de calor

Resistencia a la corrosión por agua marina

Tornillería en arquitectura naval

Color dorado

Orfebrería