Ingeniería Civil Industrial: La metalúrgia del Cobre

De las publicaciones del Ingeniero José Arlandis Rubio. Director de Estudios y Desarrollo Corporativo de Atlantic Copper, S.A.

El cobre es el metal industrial más antiguo de la tierra, después de los metales preciosos oro y plata, según lo demuestran las escorias resultantes de la fusión de cobre encontradas en Catal Huyuk (Anatolia) con una antigüedad de 7.000 años antes de Cristo y uno de los Rollos del Mar Muerto era de cobre.

El cobre es un metal que favorece el desarrollo sostenible porque es duradero y reciclable sin perder sus propiedades y el segundo metal más consumido detrás del aluminio, su consumo mundial en el año 2000 fue de 20 millones de toneladas, de las cuales el 25% procedían de chatarras.

Las principales cualidades del cobre para su utilización son las siguientes: conductividad eléctrica 60%, resistencia a la corrosión 21%, transmisión de calor 11%, propiedades mecánicas (fácil fabricación, dúctil, maleable, elástico, no magnético, no produce chispas, etc.) 7% y estética 1%.

El cobre y sus aleaciones se utilizan en todo tipo de cables eléctricos, telecomunicaciones y electrónica; fontanería, calefacción, aire acondicionado y refrigeración; producción y transmisión de energía eléctrica e iluminación; transportes (automoción, ferrocarril, barcos y aviones); monedas, vainas y cartuchos de cerraduras, y en sectores punta tales como el coche eléctrico, células solares, chips para microinformática.

La distribución del consumo por áreas geográficas en el año 2000 fue la siguiente: Europa Occidental 28%, América del Norte 21%, Asia (excluyendo Japón) 18%, China 12%, Japón 9%, América del Sur 6%, Antigua Unión Soviética 4%, África y Oceanía 2%.

MINERÍA

El 90% de las reservas mundiales están concentradas en cinco áreas: la cuenca de las Montañas Rocosas en Estados Unidos, la prolongación de la cadena en Canadá, los Andes de Perú y Chile, Indonesia y Zambia en la cuenca centro/sur de África.

Los principales países productores de concentrados de mineral de cobre son: Chile 4,7 millones/año, Estados Unidos 1,3 millones/año e Indonesia 1,0 millones/año. Europa tiene poca importancia y España marginal.

El mineral de cobre se presenta en pórfidos, en el borde de las grandes cadenas montañosas. En los pórfidos pueden distinguirse tres grandes zonas claramente diferenciadas:

Zona lixiviada u oxidada con una ley de cobre inferior al 0,5%.
Zona de sulfuros secundarios con leyes de cobre entre 1-5%.
Zona de sulfuros primarios con una ley del 1%.

METALURGIA

La metalurgia del cobre depende de que el mineral sean sulfuros, en cuyo caso se utiliza la vía pirometalúrgica en la que se producen ánodos y cátodos, o que sean óxidos, en cuyo caso se utiliza la vía hidrometalúrgica en la que se producen directamente cátodos.

Pirometalurgia

El proceso de producción de cátodos vía pirometalúrgica es el siguiente:

Concentración del mineral è Fundición (Horno Fusión) è Convertidores Afino y moldeo de ánodos) è Refinería (Electrorefinería) è Cátodo

El mineral de sulfuro de cobre en la mina tiene un contenido entre el 0,5-0,2% de cobre, por lo que hay que concentrarlo en la mina, mediante flotación, para su transporte y uso final en la fundición, obteniéndose un concentrado de cobre que contiene entre 20 y 45% de cobre, los otros dos componentes principales son el azufre y el hierro, además de otros metales entre los cuales se encuentran el oro y la plata como positivos y el plomo, arsénico y mercurio como impurezas.

El concentrado de cobre se recibe en la Fundición, cuya primera etapa industrial es el Horno de Fusión, donde se recupera el cobre, eliminando el azufre y el hierro mediante oxidación en estado fundido a una temperatura entre 1200 y 1300 º C.

En el horno el azufre se convierte en gas SO2, mientras que el cobre y el hierro, conjuntamente con sílice procedente de la arena que se introduce en el horno, permanecen en estado líquido. En esta fase líquida el cobre, por su mayor densidad, se deposita en la parte inferior y se extrae del horno formando parte de un producto que se denomina mata de cobre, con un contenido del 62% de cobre, mientras que la mezcla de hierro y sílice en forma de silicato permanece en la parte superior del horno y se extrae en forma de escoria con un contenido del 0,8% de cobre, 45% de hierro y 30% de sílice.

La mata de cobre pasa a la sección de convertidores, para incrementar la riqueza en cobre del producto, donde se le somete a una gran oxidación adicional en un proceso discontinuo “batch”, consiguiendo un producto intermedio denominado blister con un contenido en cobre del 99%, gases ricos en SO2 que se unen a los gases anteriores del horno y escorias con un contenido del 6% de cobre.

El blister pasa al horno de afino donde incrementa su contenido en cobre hasta el 99,6% y posteriormente a la rueda de moldeo de ánodos, donde se da a los ánodos la forma geométrica, semejante a una camiseta de mangas cortas extendidas “T-shirt”, necesaria para su utilización en la Refinería.

Los gases de SO2 producidos en el horno y convertidores se recogen, se oxidan y se convierten en ácido sulfúrico en una planta de doble absorción, mientras que las escorias, después de tratarlas en un horno eléctrico para recuperar todo el cobre que contienen, se enfrían y granulan para su posterior utilización como material estéril.

Como regla general una Fundición que produzca 310.000 Tm/año de ánodos consume 1.000.000 Tm/año de concentrado de cobre y como subproductos produce 900.000 Tm/año de ácido sulfúrico y 300.000 Tm/año de escorias.

Europa produce el 15% del total mundial de ánodos de cobre siendo los líderes europeos Norddeutsche Affinerie (Alemania), Atlantic Copper, S.A. (España) y Boliden (Suecia). España produce el 25% de la producción europea, siendo los únicos productores españoles Atlantic Copper, S.A. y Elmet, S.L.

Los ánodos pasan a la Refinería, que es la fase final del proceso de producción de los cátodos con un contenido del 99,9% de cobre. El proceso utilizado es el electrorefino de los ánodos, que consiste en disponer en celdas (balsas) los ánodos que actúan como electrodo positivo, separados por una placa inerte que actúa como electrodo negativo, sumergidos en una disolución de sulfato de cobre denominada electrolito y utilizar una corriente eléctrica de bajo voltaje, que al ser selectiva para el cobre disuelve los ánodos en el electrolito y los iones de cobre resultante se depositan sobre la placa inerte obteniendo los cátodos que son unas planchas de 1 m2 de superficie y un peso de 55 kg.

Hidrometalurgia

El proceso de producción de cátodos vía hidrometalúrgica más conocido por su nomenclatura anglosajona Sx-Ew es el siguiente:

Mineral de cobreè Lixiviaciónè Extracciónè Electrólisisè Cátodo

En esta vía se parte de mineral de cobre procedente de la mina o residuos mineros, sin concentrar y se tritura a tamaños inferiores a 10 mm siendo posteriormente transportado a los montones o tanques donde será tratado posteriormente. La instalación suele estar anexa a la mina con objeto de ahorrar costes y optimizar servicios. A continuación se lixivian (disuelven) los minerales de cobre, óxidos o sulfuros secundarios, mediante el riego con una disolución acuosa de ácido sulfúrico, obteniéndose una solución de sulfato de cobre con bajo contenido de cobre. Este proceso es lento y complejo pues además de la disolución del cobre, debe obtenerse una estabilidad enlas concentraciones del licor.

La disolución de bajo contenido de cobre con otros metales e impurezas se trata con un reactivo extractante orgánico, en un circuito cerrado y a contracorriente, que extrae el cobre y permite obtener un electrolito con alto contenido de cobre y limpio de todos los elementos indeseables. Actualmente se está investigando la biolixiviación utilizando bacterias que capturen el cobre existente en la disolución directamente.

La disolución con un alto contenido de cobre y limpia de impurezas pasa a las celdas (balsas) de electrólisis, donde la energía eléctrica hace que los iones de cobre presentes en la solución se depositen en los cátodos, de ahí su nombre de electrodeposición, a diferencia del electrorefino, que se realiza al pasar de ánodos de cobre a cátodos.

Europa produce el 16% del total mundial de cátodos de cobre vía pirometalúrgica y no tiene producción hidrometalúrgica, siendo los líderes Norddeutsche Affinerie (Alemania), Umicore (Bélgica) y Atlantic Copper, S.A. (España). España produce el 6% de la producción europea, siendo los únicos productores Atantic Copper, S.A., Elmet, S.L. y La Farga Lacambra, S.A.

Comparación de tecnologías

La última etapa de la vía hidrometalúrgica, la electrodeposición, tiene dos desventajas respecto a la etapa de electrorrefino correspondiente a la vía pirometalúrgica, una, intrínseca a la físico-química del proceso, que es el mayor consumo de energía, y otra, la inferior calidad de los cátodos por las impurezas y menor contenido de cobre, que se va subsanando con las nuevas tecnologías y plantas.

El anterior razonamiento unido a que la metalurgia a utilizar depende de que los minerales sean sulfuros u óxidos y puesto que el 90% de los minerales de cobre son sulfuros, hace que la producción de cobre refinado vía hidrometalúrgica sea solamente el 16% de la producción total, aunque en los próximos diez años se espera que alcance el 18%.

PRODUCCIÓN MUNDIAL DE COBRE REFINADO

SEMITRANSFORMADOS DE COBRE

El cátodo necesita ser transformado en unos productos intermedios para la elaboración de los productos finales que requiere el mercado y que hemos relacionado al principio, estos productos intermedios son los siguientes, incluyendo su importancia sobre la producción total: alambrón 46%, aleaciones de cobre 25%, tubos 12%, planos 9% y otras secciones 8%.

Europa es el mayor productor del mundo occidental con el 27% del total mundial, mientras que España sólo tiene el 6% de la producción europea siendo los líderes Alemania e Italia. Los principales productores españoles son: Atlantic Copper, S.A.; Outokumpu Copper Tubes, S.A.; SIA Copper, S.A.; Laminados Oviedo Córdoba, S.A.; La Farga Lacambra, S.A.; Tubo Técnico Europeo, S.L. y Peninsular del Latón, S.A.

Concluyendo, el cobre es un material indispensable para el mundo actual y favorece el desarrollo sostenible porque es duradero y reciclable sin perder sus propiedades.