INTRODUCCIÓN A LA METALURGIA

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1 INTRODUCCIÓN A LA METALURGIA Ing. Arturo Lobato Flores Lima, marzo 2011 LOS METALES EN LA NATURALEZA MINERAL Es una sustancia natural con una composición química característica, que varía sólo dentro de cierto límite. MINA Es un depósito mineral cuya concentración es adecuada para extraer un metal determinado. GANGA Materiales relativamente grandes que acompañan al mineral. 1

2 PROCESO METALÚRGICO METALURGIA Es la ciencia de la separación de los metales a partir de su mena y aleaciones. ALEACIÓN Disolución sólida compuesta de dos o más metales. METAL Elemento que es buen conductor de calor y electricidad, pierde electrones (se oxida), es reductor, electropositivo, presenta brillo peculiar. ETAPAS DE LA RECUPERACIÓN DE UN METAL 1 Beneficio del mineral 2 Producción del metal 3 Purificación del metal 2

3 SECCIONES DE LA PLANTA CONCENTRADORA SECCIÓN DE CHANCADO LIBERACIÓN SECCIÓN MOLIENDA PLANTA CONCENTRADORA SELECCIÓN SECCIÓN FLOTACIÓN ELIMINACIÓN DE AGUA SECCIÓN ESPESADO Y FILTRADO 1 BENEFICIO DEL MINERAL Es el tratamiento preliminar de la mena El mineral deseado es separado de una parte de los minerales de desecho, por lo general arena y minerales silícicos que reciben el nombre de ganga. Los métodos de separación son Flotación Separación magnética Pirometalurgia Hidrometalurgia Reducción electrolítica 3

4 CHANCADO Etapa inicial de la reducción de tamaño del mineral Reducción del tamaño a rangos de 1/4-1/2 OBJETIVOS DEL CHANCADO Inicio de la liberación Reducir el consumo de la energía en la Molienda CHANCADO PRIMARIO ETAPAS DE CHANCADO CHANCADO SECUNDIARIO CHANCADO TERCIARIO MINERAL DE MINA CHANCADO PRIMARIO PRODUCTO CHANCADO 6-8 4

5 CHANCADORAS DE MANDÍBULA CHANCADORA DE DOBLE EFECTO - Chancadora Blake - Chancadora Kuen Ken - Chancadora Accionamiento directo CHANCADORA DE SIMPLE EFECTO O BIELA SIMPLE TIPOS : A, B, C, D, E, F, CHANCADO SECUNDARIO PRODUCTO DE CHANCADO PRIMARIO ( 8-10 ) CHANCADO SECUNDARIO PRODUCTO DE CHANCADO SECUNDARIO (2-3 ) 5

6 CHANCADO TERCIARIO PRODUCTO CHANCADO SECUNDARIO CLASIFICADO CHANCADO TERCIARIO PRODUCTO DE CHANCADO TERCIARIO (1/2-3/8 ) TOLVAS DE GRUESOS Objetivo de las tolvas de gruesos - Depósito donde se almacena el mineral que viene de la mina para alimentar a las chancadoras. 6

7 F E D Y A B C J J H F Dr Y C L 1 L 2 K A : Zona de Trituración B : Mandíbula fija C : Mandíbula Móvil D : Paredes paralelas fijas E : Polea F : Centro el eje del motor H : Excéntrica J : Biela K : Varilla de transmisión K : Resorte L 1 : Placa riostra anterior L 2 : Placa riostra posterior Dr : Pared posterior del Bastidor principal C : Encastre de la riostria J : Pieza móvil O : Punzón de acero Q : Placa de apoyo U : forros J U O Q J K Chancadora de Mandíbulas Blake CEDAZOVIBRATORIO INCLINADO (de cuatro apoyos ) CEDAZOVIBRATORIO HORIZONTAL 7

8 MOLIENDA Y CLASIFICACIÓN GENERALIDADES La molienda es una operación que permite la reducción del tamaño del mineral hasta tener una granulometría final deseada, mediante los diversos aparatos que trabajan por choques, aplastamiento o desgaste. En esta operación de molienda, es donde se realiza la verdadera liberación de los minerales valiosos y se encuentra en condiciones de ser separados de sus acompañantes. 8

9 GENERALIDADES Por lo general, la molienda está precedida de una sección de trituración y por lo tanto, la granulometría de los minerales que entran a la sección molienda es casi uniforme. Los tamaños pueden variar de un F80 de 20 mm. (20000 micrones) a unos 5 mm. (5000 micrones), hasta obtener un producto de P80, variando normalmente entre unas 200 mallas por pulgada lineal (74 micrones) hasta 100 mallas (147 micrones). ETAPAS DE MOLIENDA Según las etapas de reducción de tamaño, usan los siguientes equipos: Molienda Primaria: Seguido a etapa de chancado. Molinos de cascada, medios de molienda: barras, bolas, autógenos. Operan en circuito abierto, sin clasificadores intermedios. Molienda Secundaria y Terciaria: Molinos de cascada, molinos verticales, molienda fina y ultrafina. Operan en circuito cerrado con clasificación. Molinos Especiales: Trapiches, vibratorios de energía fluida. 9

10 MOLINOS DE BARRAS Generalmente empleados para molienda primaria, algo así como una etapa intermedia entre chancado y molienda. Por ejemplo: cuando hay la presencia de arcilla o panizo en el mineral dificulta el chancado fino. Se caracterizan por una razón largo/diámetro del cilindro mayor de 1,5:1. Por las limitaciones mecánicas en el largo de las barras, existen limitaciones en la dimensión y la capacidad de este tipo de molinos, que recientemente comienza a perder preferencia (aunque aún operan en algunas plantas de la sierra peruana). Corte esquemático de un molino de barras 10

11 MOLINOS DE BOLAS Operan con bolas de hierro (o aleaciones antiabrasivas especiales) fundido o acero forjado, con razones de (largo/diámetro), (1,5 : 1) o menos. El diámetro de bolas usadas varía entre 4 para molienda gruesa y ¾ para molienda fina y remolienda de concentrados u otros productos intermedios. BENEFICIO DEL MINERAL FLOTACIÓN Es un proceso en el cual el mineral se muele finamente y se vierte en agua que contiene aceite y detergente La mezcla líquida se calienta o se sopla para formar espuma. El aceite moja selectivamente las partículas del mineral y las arrastra hacia la espuma. Aplicable a sulfuros, carbonatos y silicatos que no se humedecen con el agua o la repelen 11

12 BENEFICIO DEL MINERAL FLOTACIÓN Clasificación del mineral por su valor comercial: Mineral Rico : Mineral Pobre: Minerales predominantes en el Perú: La gran mayoría de las minas contienen minerales pobres. Composición de un mineral pobre: Parte no valiosa : Cuarzo, pirita, óxido de hierro, andesita, etc. Galena Esfalerita Chalcopirita 12

13 CONCEPTOS BÁSICOS. Por qué es importante la flotación? Porque se flotan los sulfuros valiosos para obtener los concentrados respectivos. Cuáles son las variables que intervienen en la flotación? El mineral La pulpa Los reactivos El aire La agitación Dispersión. 13

14 CELDAS DENVER SUB-A CELDAS DENVER DR: 14

15 VALORIZACION DE CONCENTRADOS Problema: Valorizar TM de concentrado de Zn. Con las siguientes condiciones contractuales: Pagos: Zn: 85% o deducción mínima 8 unidades. Ag: -3 0z/TMS, se paga el 60% del saldo. Humedad: 8%. Merma: 1% Maquila: US$ 280,00/TMS ESCALADORES Basado en el precio base del Zn de US$ 2511/TMS; se aumentará en 0.15$/TMS o se disminuirá 0.09 $/TMS, por cada 1 $/TMS por si el precio del zinc suba o baje, respectivamente, con relación a la base. Penalidades: As+Sb: 0.1% libre, US$ 2.50/TMS por cada 0.1% en exceso. Fe: 5.0% libre, US$ 2.50/TMS por cada 1% en exceso. Silice: 2% libre, US$ 2.00/TMS por cada 0.1% en exceso. Mn: 0.4% libre, US$ 2.50/TMS por cada 0.1% en exceso. Hg: 50ppm libre, US$ 3.0/TMS por cada 10ppm en exceso. 15

16 Precios: Zn: 2470 $/ TMS. Ag: $/oz. Leyes promedio: Zn: 52.0% Pb: 3.5% Ag: 30.0 oz/tc Au: oz/tm As : 0.125% Cu : 2% Sb : 0.4% Hg : 175 ppm. Bi: 0.055% Mn: 0.41% Sílice: 3.3% Fe: 5.5% SOLUCIÓN 8% de humedad - Peso Seco: = TMS 1% Merma = TM. Elemento Ley Pago Precio Valor Zn 52% (52%)*(0.85)= 44,2% 52%- 8% =44% Ag 30 0z/TC [(30 oz/tc)*(1,1023tc/tm)- 3oz/TM]*60%= ,80 $/TM $/TM $/oz 587, $/TM Valor Bruto= 1673,867156$/TM 16

17 Deducciones: Valor de maquila $/TMS Escaladores: Precio Zn 2470 $/TMS Precio base 2511 $/TMS Se restará 0.09 $/TM por c/1$/tm (41 $/TM)*(0.09 $/TMS) = 3.69 $/TMS 1 $/TM Penalidades: SiO 2 : ( 3.3%-2%)* (2,0 $/TMS) = 26,00 $/TMS 0.1% As + Sb : ( 0.125%-0.1%)* (2,5 $/TMS) = $/TMS 0.1% Fe : ( 5.5%-5%)* (2.5 $/TMS) = 1.25 $/TMS 1.0% Mn: ( 0.41%-0.4%)* (2.5 $/TMS) = 0.25 $/TMS 0.1% Hg : ( )ppm* (3,0 $/TMS) = $/TMS 10 ppm Total Penalidades = $/TMS Total de Deducciones: [maquila + escalador + penalidades] = [349,315 $/TMS] [Valor bruto Total de deducciones] = [ ,315] Valor Neto Del Concentrado= $/TMS Valor De La Venta Mensual= Valor Neto del Concentrado* Peso Seco Neto Pagable 1324,552 $/TMS* TMS = $ 17

18 Espesamiento Esquema General PLANTA CONCENTRADORA Concentrado % Sólidos Agua ESPESADOR % Sólidos Agua FILTRO Concentrado 6-12 % H 2 O Agua decantada Relave % Sólidos ESPESADOR % Sólidos RELAVERA 18

19 Separación sólido/liquido Operaciones unitarias destinadas a eliminar el agua de los productos intermedios o finales de una planta concentradora Separación sólido/líquido Espesamiento y clarificación.- Resulta una pulpa espesa con un contenido de sólidos de 50 70% de sólidos Filtración.- Producto final es el cake de sólidos con un contenido de humedad entre 10 a 20 % de agua. Secado.- Por vía térmica, en la que la humedad se reduce hasta 5 % 19

20 Espesadores La sedimentación se realiza en equipos denominados espesadores, que en su modelo tradicional son recipientes de forma cilíndrica con fondo en forma de cono de gran ángulo. Espesamiento El espesamiento ocurre por sedimentación de las partículas. El tamaño de las partículas tiene que ser evaluado en las operaciones desde molienda, evitando exceso de molienda y de atricción de partículas a fin de obtener buena eficiencia en el desaguado. Las partículas finas tienen bajas velocidades de sedimentación y bajas velocidades de filtración. 20

21 ESQUEMA DE UN ESPESADOR Zona de agua clara Alimentación Rebose Zona de clarificación Zona de espesamiento Agua Sólidos Descarga de pulpa densificada Filtración 21

22 Filtración Proceso de separación de sólidos desde un líquido, por medio de un medio poroso, el cual retiene el sólido, permitiendo el paso del líquido. Generalmente es la última etapa de separación sólido líquido a llevarse a cabo previo al embarque del concentrado. Filtración 22

23 BENEFICIO DEL MINERAL SEPARACIÓN MAGNÉTICA Al hierro y al cobalto que son fuertemente atraídos por los imanes, se les llama ferromagnéticos. En ese procedimiento se hace uso de las propiedades magnéticas de ciertos minerales. En particular la magnetita Fe 3 O 4 se puede separar de la ganga usando un electroimán. BENEFICIO DEL MINERAL AMALGAMAS El mercurio forma amalgamas con numerosos metales. El oro y plata contenidos en una mena, se disuelven para formar una amalgama. Se separan luego por destilación del mercurio que hierve a 357 C. 23

24 2 PRODUCCIÓN DEL METAL Debido a que los metales, en su forma combinada, tienen siempre número de oxidación positivo, la producción de un metal libre, es siempre una reducción. PRODUCCIÓN DEL METAL MINERAL METALÍFERO MINERAL ENRIQUESIDO GANGA CARBONATO ÓXIDO SULFURO POR REDUCCIÓN ESCORIA GANGA MINERAL BRUTO METAL PURO 24

25 PRODUCCIÓN DEL METAL PIROMETALURGIA Calcinación Tostación HIDROMETALURGIA ELECTROMETALURGIA PRODUCCIÓN DEL METAL PIROMETALURGIA Calcinación Consiste en el calentar fuertemente un mineral hasta su descomposición, -300 a 1000 C- transformándolo en óxido y eliminando un producto volátil CaCO 3 CaO + CO 2 25

26 PRODUCCIÓN DEL METAL PIROMETALURGIA Tostación Tratamiento que conduce a oxidación o reducción -según la actividad del metal- y puede ir acompañado de calcinación. Se aplica principalmente a sulfuros. 2 ZnS + 3 O 2 2 ZnO + 2 SO 2 HgS + O 2 Hg + SO 2 PRODUCCIÓN DEL METAL HIDROMETALURGIA En medio líquido, se aprovecha el que algunos metales son más electropositivos que otros - más reductores- para separar sus componentes. V 2 O Ca 2 V + 5 CaO TiCl Mg Ti MgCl 2 Cr 2 O Al 2 Cr + Al 2 O 3 3 Mn 3 O Al 9 Mn + 4 Al 2 O 26

27 PRODUCCIÓN DEL METAL REDUCCIÓN ELECTROLÍTICA Es aplicable a metales muy electropositivos como el sodio, magnesio y aluminio. El proceso por lo general se realiza con el óxido o haluro de un metal fundido. 2 MO 2 M cátodo + O 2 ánodo 2 MCl 2 M cátodo + Cl 2 ánodo 3 PURIFICACIÓN DE METALES ELECTRÓLISIS Se puede diferenciar de acuerdo a si comprenden electrólisis de sal fundida o de una solución acuosa. Ej. El cobre metálico obtenido por tostación del sulfuro tiene impurezas como el Fe, Zn Au, Ag. El ánodo (+), es plancha de metal impuro y el cátodo(-) es plancha de metal refinado. Al circular la corriente los átomos del ánodo pasa al cátodo. 27

28 PURIFICACIÓN DE METALES ELECTRÓLISIS El Hierro y el Zinc, al igual que los otros metales más reactivos, se oxidan en el ánodo de cobre y pasa a la disolución pero no se reducen en el cátodo. Los menos electropositivos, como el Oro y la Plata, no se oxidan en el ánodo y caen al fondo. El cobre llega a una pureza de 99.99%. PURIFICACIÓN DE METALES ELECTRÓLISIS Ánodo Cu Cu e - Cátodo Cu + 2 e - Cu 28

29 METALURGIA DEL HIERRO EXISTENCIA DE HIERRO Las formas más comunes de hierro en la naturaleza son: Pirita FeS Siderita Fe CO 3 Hematita Fe 2 O 3 Magnetita Fe 3 O 4 (FeO.Fe 2 O 3 ) METALURGIA DEL HIERRO PIROMETALURGIA La operación más importante es la reducción del hierro. Las fuentes más importantes son los minerales de óxidos de hierro. La reducción se lleva a cabo en un alto horno. 29

30 METALURGIA DEL HIERRO 30

31 METALURGIA DEL HIERRO REACCIONES EN ALTO HORNO 3 Fe 2 O 3 + CO 2 Fe 3 O 4 + CO 2 Fe 3 O 4 + CO 3 FeO + CO2 FeO + CO Fe + CO 2 CaCO 3 CaO + CO 2 CaO + Al 2 O 3 Ca(AlO 2 ) 2 CaO + SiO 2 CaSiO 3 SIDERURGIA I 31

32 SIDERURGIA II SIDERURGIA III 32

33 SIDERURGIA IV SIDERURGIA V 33

34 PROCESO HALL: ALUMINIO METALURGIA DEL COBRE 34

35 METALURGIA DEL PLOMO METALURGIA DEL ZINC 35

36 METALURGIA DEL ZINC 36

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