Introducción
La producción de minerales y metales podrían, ciertamente, ser afectada por las crecientes restricciones medio ambientales, particularmente aquellos que tienen que ver con el manejo de residuos masivos, tales como minerales de baja ley, relave de plantas concentradoras y escorias pirometalúrgicas.
Generalmente, los residuos masivos han sido descartados sólo considerando el contenido final del metal principal recuperado durante el proceso primario. Sin embargo, otros importantes componentes también permanecen en estos residuos, los cuales pudieran ser recuperados posteriormente, mejorando de esta manera el balance económico de la operación. Además, debido a su utilización directa, el costo de transporte y disposición serán más bajos que lo tradicional, evitando problemas de estabilidad mecánica, contaminación por metales pesados, entre otros.
En el caso de la industria extractiva del cobre, con el contenido de mineral cercano a 1% de metal, el impacto ambiental asociado en la producción del cobre blister (98-99% Cu) es muy claro. La situación podría cambiar si consideramos los residuos como nuevos recursos en si mismos.
Este trabajo apunta a mostrar proposiciones alternativas para la reutilización de materiales de valor, contenidos en residuos masivos mineros y metalúrgicos, con una atención especial en la escoria final producida durante el proceso pirometalúrgico del cobre.
En este momento, Chile es uno de los mayores productores de cobre de fundición en el mundo, a través de sus 7 fundiciones que produjeron 1,6 millones toneladas de cobre (13% del total mundial) el 2005, mientras cerca de 3,5 millones toneladas de escorias son producidas anualmente. Su caracterización, así como diferentes alternativas técnicas para tratar estas escorias, son analizadas en este artículo. Se espera que este trabajo pueda contribuir a la gestión minera, a través de una disminución del impacto ambiental de sus residuos masivos, así como también con la recuperación de materiales de valor contenidos en estos.
La minería chilenas del cobre y sus impactos ambientales
La actividad minera de Chile se extiende desde la zona norte del Desierto Atacama, el más árido del mundo, hasta la zona central del país contando con ambientes geográficos muy variados. La minería de gran escala está bien establecida y coexiste con operaciones de tamaño mediano, pequeño y artesanal (Valenzuela y Sánchez, 2004).
La minería de gran escala consiste en 20 operaciones, representando cerca del 98% de la producción anual de cobre, oro, plata y molibdeno. Por otro lado, 20 compañías medianas y 450 pequeñas producen aproximadamente 200,000 toneladas de cobre fino por año. Estas compañías cuentan con sus propias instalaciones o venden sus minerales para el procesamiento y comercialización a la compañía estatal Empresa Nacional de Minería (ENAMI).
En la actual tecnología usada para procesar minerales de cobre se producen varios flujos de residuos. Estos residuos son principalmente relaves de flotación, efluentes ácidos, neblina ácida, polvos de fundición, residuos sólidos lixiviados (ripios), emisiones gaseosas, escorias, entre otros. En la tabla I se muestran los principales residuos y las tecnologías de abatimiento aplicadas en Chile.
Tabla I. Tipos de residuos y métodos de abatimiento para las dos rutas tecnológicas más importantes aplicadas en la industria minera de Chile (Valenzuela y Sanchez, 2004).
El caso de la escoria
Escoria producida en Chile desde fundiciones de cobre ( Propiedades y Composición)
Los concentrados sulfurados de cobre son tratados pirometalúrgicamente en fundiciones, mediante procesos de fusión- conversión para obtener cobre blister teniendo 98-99% Cu. También se forma escoria, la cual juega un rol importante durante el proceso. Actualmente, las fundiciones utilizan diferentes reactores de fusión (horno flash, convertidor Teniente, reactor Noranda) y convertidores Peirce Smith para convertir el cobre. Cada reactor produce un tipo diferente de escoria, por lo tanto existen diferentes posibilidades para reutilizar estas escorias. Hoy, algunas escorias son recicladas dentro del proceso, sin embargo, una escoria final siempre es producida y descargada al medio ambiente.
La Figura 1 muestra un diagrama de flujo típico de un Convertidor Teniente y un convertidor Peirce – Smith para tratar concentrados de cobre en una fundición chilena (Valenzuela, et al., 2006).
Figura 1. Diagrama de flujo típico en una fundición de cobre de Chile
Se estima que la producción de una tonelada de cobre blister genera 2,2 toneladas de escoria, entonces si la producción mundial de cobre fue 12,4 millones toneladas en 2004, cerca de 27,3 millones toneladas de escorias fueron generadas en total (Demetrio, et al., 2000). En Chile, la producción de fundiciones en 2005 fue 1,6 millones toneladas, entonces cerca de 3,5 millones toneladas de escorias fueron producidas. Se estima que sobre 30 millones de toneladas de escoria han sido almancenadas en el país en los últimos años.
Datos recientes de escorias producidas en diferentes hornos operando en las 7 fundiciones de cobre de Chile se resumen en la Tabla III (Demetrio, 2000).
Tabla II. Composición química de escorias de cobre en Chile. Año 2000
Las escorias finales de cobre contienen varios metales oxidados (Cu, Fe, Si, Mo y otros), óxidos que forman parte de la escoria (sílice, alumina, cal y otros) y cantidades menores de cobre metálico. Del análisis mostrado en la tabla III, se puede observar que las escorias finales contienen cerca de 30–40 % de hierro, 30-40% sílice, menos de 10 % de alúmina y óxido de calcio, y un contenido de cobre menor al 1%, dependiendo del proceso de limpieza de escoria usado. También se puede detectar bajas cantidades de molibdeno y metales nobles, tales como oro y plata. Considerando que la escoria de cobre final contiene cerca de 1% de cobre, su recuperación puede ser economicamente atractiva si se encuentran procesos de extracción de bajo costo.
Propuesta de recuperaciónde productos de valor desde escorias de cobre
Algunas experiencias de recuperación de especies contenidas en escoria han sido desarrolladas tanto en Chile como en el mundo. Sin embargo, como mayor productor de cobre, los objetivos principales de las fundiciones de cobre chilenas se han enfocado sólo en la recuperación del cobre primario. Diferentes alternativas de procesamiento de escoria de cobre son analizadas en esta sección.
Hoy sólo un pequeño porcentaje de la escoria de cobre en Chile es retratado, principalmente con procesos de flotación para producir concentrado de cobre, el cual es reenviado a la fundición. También, pequeñas cantidades de escoria de cobre son utilizadas como materiales abrasivos, materiales para construcción de caminos y producción de lana de vidrio.
En este sentido, es importante calcular el valor económico potencial de la escoria producida en Chile, con el fin de recuperar diferentes productos, tales como cobre, molibdeno, plata y oro, óxidos de hierro y sílice pura (Sánchez, 2006).
La composición química de la escoria de cobre asumida para el cálculo fue Au – 0,05g/ton, Ag – 2,0g/ton, Cu – 0,8%, Mo – 0,3%, óxido de hierro (FeO y Fe2O3) – 40% y SiO2 – 10%. Como base de cálculo se estima una producción de escoria de 1 millón de ton/año. El valor potencial estimado para el projecto es US$ 40,7 / ton, tal como se observa en la Figura 2.
Figura 2. Potencial valor económico de la recuperación de productos desde escorias de cobre (Sánchez, 2006)
Una vía pirometalúrgica y una hidrometalúrgica son propuestas para la recuperación de diferentes metales y materiales contenidos en la escoria de cobre. El enfoque de este projecto es estudiar diferentes procesos propuestos, el primero pirometalúrgico y el segundo hidrometalúrgico.
Respecto al proceso hidrometalúrgico propuesto, diferentes etapas fueron estudiadas y analizadas, las cuales se pueden observar en la Figura 3.
Figura 3. Diagrama de flujo del proceso hidrometalúrgico
La vía hidrometalúrgica propuesta es básicamente una operación de 5 etapas: conminución, clasificación, lixiviación, extracción por solventes, y eletroobtención. Para la etapa de comminución, el enfriamiento de la escoria juega un rol relevante. En el proceso de solidificación, dependiendo de la velocidad de enfriamiento, se pueden construir diferentes estructuras sólidas (cristalinas y amorfas) y diferentes compuestos pueden quedar atrapados en cada caso. Por esta razón para obtener una apropiada liberación, una reducción de tamaño es necesaria. La velocidad de enfriamiento también tiene una influencia en la dureza y la fragilidad de la escoria, por eso debe ser tomada en cuenta (Besnier, 2003; Waldron G., 2004; Waldron E., 2005).
La clasificación se basa en el tamaño, la densidad y las propiedades magnéticas, y el objetivo es concentrar materiales valiosos. Este concentrado puede ser sometido a una etapa de lixiviación con un proceso posterior de intercambio de iónico para concentrar el cobre en solución. Una celda de electroobtención puede ser usada para depositar el metal. Los principales productos metálicos de este proceso hidrometalúrgico son el cobre y el molibdeno.
El proceso pirometalúrgico seleccionado para tratar la escoria de cobre es la reducción directa (ver la Figura 4). La idea es inyectar carbón a la escoria fundida para producir una aleación hierro-cobre-carbón (pig iron) y una nueva escoria adecuada para la producción de cemento, sin residuos sólidos ni líquidos. Ningún calentamiento será requerido para la fusión, debido a que la escoria debiera ser recibida en un estado líquido desde el horno de limpieza de escorias (González, 2005).
Figura 4. Proceso pirometalúrgico propuesto para el tratamiento de escoria (Sánchez, et al., 2004)
En la Figura 5, se puede observar las fases predominantes en el sistema Fe-Cu-Si-Mo-O-C para escorias de diferentes procesos, primero en el convertidor Teniente, luego en el proceso de limpieza de escoria y finalmente en el proceso pirometalúrgico propuesto. Se observa desde el diagrama que la razón pCO2/pCO es muy baja para el proceso de reducción directa, por eso se puede concluir que la presión parcial de oxígeno en el proceso propuesto debe ser muy baja también.
Figura 5. Diagrama de Predominancia para el sistema Cu-Fe-Mo-Si-O-C (Sánchez, et al., 2004).
En las experiencias de reducción directa de escoria de cobre realizadas en el Departamento de Ingeniería Metalúrgica de la Universidad de Concepción, se observó que la escoria formada después de la reducción directa se aproxima a la composición del cemento Portland (Sánchez, et al., 2004), como se muestra en la Figura 6.
Figura 6.Composición de escorias y cemento portland en el diagrama ternario, CaO, Al2O3 y SiO2, de Imris (Sánchez, 2006).
Conclusiones
Se estima que Chile aumentará su producción de cobre en los próximos años. Sin embargo, la ley de corte de sus minerales de cobre está bajando, lo cual implica manejar más residuos masivos. La reutilización o reciclado de los residuos puede ser una solución para este problema medioambiental.
La reutilización o reciclaje de residuos es ambientalmente favorable, así como, en principio, económicamente atractivo gracias a que diferentes procesos con mayor eficiencia podrían estar disponibles. Sin embargo, serán necesarios más investigación y desarrollo de nuevas tecnologías para el manejo de residuos en procesamientos de cobre.
En esta forma, las escorias de Chile han sido analizadas y su caracterización se mostró en este trabajo. Se puede observar que algunos metales pueden ser recuperados desde escorias finales conteniendo cerca de 1% Cu, 40-45% FeT, Mo, metales preciosos, y óxidos (sílice, MgO, alumina y otros).
Dos diferentes alternativas para tratar escorias de fundiciones de cobre fueron analizadas, descritas y propuestas en este artículo. Una vía hidrometalúrgica que incluye cinco etapas: conminución, clasificación, lixiviación, extracción por solventes, y electroobtención; y otra vía pirometalúrgica en que se usa la reducción directa a altas temperaturas.
Los autores agradecen a CONICYT (Comisión Nacional de Investigación Científica y Tecnológica, de Chile) por su ayuda económica para el proyecto FONDEF No. D02I1159, así como también a las fundiciones chilenas e instituciones gubernamentales que participaron en este trabajo.
REFERENCIAS
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COCHILCO, 2006, “Anuario Estadísticas del Cobre y Otros Minerales, 1986-2005”, edited by the Chilean Copper Commission, www.cochilco.cl
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WALDRON E. "Obtención por tostación y lixiviación de subproductos con valor comercial a partir de escorias pirometalúrgicas de la gran minería en Chile” Chemical Engineer Thesis Supervisors: Professor F. Márquez and Professor F. Parada. Universidad de Concepción, Chile. Sept 2004.
Nombre de la organización: Departmento de Ingeniería Metalúrgica, Universidad de Concepción
Dirección: Edmundo Larenas 285
Ciudad: Concepcion
País: Chile
E-mail: msanchez@udec.cl
Web: http://www.udec.cl
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