Obtención del cobre

Primera etapa: lixiviación en pilas

¿Cuál es el objetivo?

La lixiviación es un proceso hidrometalúrgico que permite obtener el 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 soluciones ácidas.

¿Cómo se realiza el proceso?

Chancado

El material extraído de la mina (generalmente a rajo abierto), que contiene minerales oxidados de cobre, es fragmentado mediante chancado primario y secundario (eventualmente terciario), con el objeto de obtener un material mineralizado de un tamaño máximo de 1,5 a ¾ pulgadas. Este tamaño es suficiente para dejar expuestos los minerales oxidados de cobre a la infiltración de la solución ácida.

Formación de la pila

El material chancado es llevado mediante correas transportadoras hacia el lugar donde se formará la pila. En este trayecto el material es sometido a una primera irrigación con una solución de agua y ácido sulfúrico, conocido como proceso de curado, de manera de iniciar ya en el camino el proceso de sulfatación del cobre contenido en los minerales oxidados. En su destino, el mineral es descargado mediante un equipo esparcidor gigantesco, que lo va depositando ordenadamente formando un terraplén continuo de 6 a 8 m de altura: la pila de lixiviación.

Sobre esta pila se instala un sistema de riego por goteo y aspersores que van cubriendo toda el área expuesta. Bajo las pilas de material a lixiviar se instala previamente una membrana impermeable sobre la cual se dispone un sistema de drenes (tuberías ranuradas) que permiten recoger las soluciones que se infiltran a través del material.

Sistema de riego

A través del sistema de riego por goteo y de los aspersores, se vierte lentamente una solución ácida de agua con ácido sulfúrico en la superficie de las pilas. Esta solución se infiltra en la pila hasta su base, actuando rápidamente. La solución disuelve el cobre contenido en los minerales oxidados, formando una solución de sulfato de cobre, la que es recogida por el sistema de drenaje, y llevada fuera del sector de las pilas en canaletas impermeabilizadas. El riego de las pilas, es decir, la lixiviación se mantiene por 45 a 60 días, después de lo cual se supone que se ha agotado casi completamente la cantidad de cobre lixiviable. El material restante o ripio es transportado mediante correas a botaderos donde se podría reiniciar un segundo proceso de lixiviación para extraer el resto de cobre.

¿Qué se obtiene del proceso de lixiviación?

De la lixiviación se obtienen soluciones de sulfato de cobre (CUSO4) con concentraciones de hasta 9 gramos por litro (gpl) denominadas PLS que son llevadas a diversos estanques donde se limpian eliminándose las partículas sólidas que pudieran haber sido arrastradas. Estas soluciones de sulfato de cobre limpias son llevadas a planta de extracción por solvente.

Segunda etapa: extracción por solvente (SX)

¿Cuál es el objetivo?

En esta etapa la solución que viene de las pilas de lixiviación, se libera de impurezas y se concentra su contenido de cobre, pasando de 9gpl a 45 gpl, mediante una extracción iónica.

¿Cómo se hace?

Para extraer el cobre de la solución PLS, ésta se mezcla con una solución de parafina y resina orgánica. La resina de esta solución captura los iones de cobre (CU+2) en forma selectiva. De esta reacción se obtiene por un lado un complejo resina-cobre y por otro una solución empobrecida en cobre que se denomina refino, la que se reutiliza en el proceso de lixiviación y se recupera en las soluciones que se obtienen del proceso. El compuesto de resina-cobre es tratado en forma independiente con una solución electrolito rica en ácido, el que provoca la descarga del cobre desde la resina hacia el electrolito (solución), mejorando la concentración del cobre en esta solución gasta llegar a 45 gpl. Esta es la solución que se lleva a la planta de electroobtención.

Tercera etapa: Electroobtención (EW)

¿Cuál es el objetivo?

Mediante el proceso de electroobtención se recupera el cobre de una solución electrolito concentrado para producir cátodos de alta pureza de cobre (99, 99%) muy cotizados en el mercado.

¿Cómo se hace?

La solución electrolítica que contiene el cobre en forma de sulfato de cobre (Cu SO4) es llevada a las celdas de electroobtención que son estanques rectangulares, que tienen dispuestas en su interior y sumergidas en solución, unas placas metálicas de aproximadamente 1 m2 cada una. Estas placas corresponden alternadamente a un ánodo y un cátodo. Los ánodos son placas de plomo que hacen las veces de polo positivo, ya que por éstos se introduce la corriente eléctrica, en tanto que los cátodos son placas de acero inoxidable, que corresponde al polo negativo, por donde sale la corriente. Todas las placas están conectadas de manera de conformar un circuito por el que se hace circular una corriente eléctrica continua de muy baja intensidad, la que entra por los ánodos y sale por los cátodos. El cobre en solución (catión, de carga positiva +2: Cu+2) es

atraído por el polo negativo representado por los cátodos, por lo que migra hacia éstos pegándose partícula por partícula en su superficie en forma metálica (carga cero).

¿Qué se obtiene?

Una vez transcurridos seis a siete días en este proceso de electroobtención, se produce la cosecha de cátodos. En este tiempo se ha depositado cobre con una pureza de 99,99% en ambas caras del cátodo con un espesor de 3 a 4 cm, lo que proporciona un peso total de 70 a 80 kg por cátodo. Cada celda de electroobtención contiene 60 cátodos y la cosecha se efectúa de a de 20 cátodos por maniobra. Los cátodos son lavados con agua caliente para remover posibles impurezas de su superficie y luego son llevados a la máquina despegadora, donde en forma totalmente mecanizada se despegan las hojas de ambos lados, dejando limpio el cátodo permanente que se reintegra al ciclo del proceso de electroobtención.

Los cátodos de cobre son apilados y embalados mediante zunchos metálicos para su transporte final al puerto de embarque, mediante camiones o ferrocarril. Previamente, se efectúa un muestreo sistemático de algunos cátodos para determinar su contenido de cobre, que debe ser de 99,99%, e impurezas (menos de 0,01%, principalmente azufre).

Pulvimetalurgia de aleaciones de cobre

INTRODUCCION

Sin duda que el metal, si no es uno de los materiales más usados en la industria, pues pega en el palo. Y es que dentro de las múltiples formas para trabajar este material, puede ser a través de la metalurgia de los polvos, o como comúnmente se le llama, el proceso de Pulvimetalurgia; que es uno de los más conocidos dentro de la gama de formas para trabajar el metal. A grandes rasgos es el uso de polvos metálicos para la fabricación de piezas de determinada índole. Es por ello que al remontarse al preludio del uso de esta técnica se debe remontar a varios centenares de años atrás, pero no fue sino apenas en el siglo pasado qué, por causas o acción de los avances tecnológicos de aquella época de II Guerra Mundial, la Pulvimetalurgia sufrió un proceso de auge. Desde ese momento y por acción derivada de los continuos avances, la calidad y la utilidad de piezas metálicas hoy por hoy, su industria va en crecimiento rápidamente en comparación a otros procesos de manufactura de piezas metálicas. Es por ello que en este informe se dará a énfasis al proceso como tal, desde sus inicios, e interpelando el “por qué” utilizar esta técnica y sus productos basados en piezas hechas con tecnología de polvos de metal. A la vez el mostrar estas piezas y su uso cotidiano no deja de ser menos importante

RESUMEN

El proceso de Pulvimetalurgia es un proceso de conformación metálica, ejemplo de ello son la forja o el moldeo. Lo positivo y más rescatable de este proceso es el control de exactitud dimensional que presentan las piezas. Este proceso abarca desde las etapas de obtención de los polvos metálicos hasta las piezas terminadas, es decir, producción de polvos, mezcla, compactado, sintetizado, acabado. Una vez ya obtenido los polvos metálicos el proceso se acota en tres partes esenciales:

La mezcla: Se deben mezclar los polvos metálicos con sus respectivos aditivos, esto dependerá del tipo de propiedades que se les quieran conferir. Es importante lograr una homogeneidad en los componentes

El Compactado: Es decir, se compacta la mezcla y finalmente se obtiene una forma y tamaño estipulado para la pieza. Lo importante a destacar es que se requiere de cohesión de los componentes para seguir con la próxima etapa.

El sintetizado: Quiere decir que las piezas son dirigidas al horno con una temperatura controlada y sabida para el proceso, generalmente no debe exceder el punto de fundición de metal base. En esta fase, los enlaces entre cada átomo, se vuelven más fuertes entre sí; desde un enlace mecánico a enlace metalúrgico, confiriéndole así propiedades de resistencia.

Acabado: Es simplemente dejar la pieza a punto con sus tolerancias requeridas y que se pueda desarrollar con un óptimo desempeño de sus capacidades.

PROCESO DE PULVIMETALURGIA

Este proceso consiste en prensar una cantidad determinada y estudiada de polvos metálicos para darle alguna forma específica, el proceso de prensado se logra por medio de prensas similares a la de procesos cotidianos de forjado. Por otro lado los polvos deben ser sometidos a un tratamiento térmico en un horno antes del proceso de prensado. Se busca con esto sintetizar la cantidad de polvos y crean una unión de sus moléculas. En un primer momento se le confirieron trabajos menores como la formación de alambres muy duros y resistentes para trabajarlos.

Pero a través de tiempo se le ha ido dando más énfasis en sus propiedades por lo que hoy por hoy es común para la fabricación de piezas pequeñas, ya que se puede fabricar ciertos materiales que por otros medios resultaría tedioso y casi imposible. Los puntos de fusión de los metales son 3000°C para el Tungsteno, en cambio en Titanio trabaja a 2996°C y el Molibdeno a 2620°C, lo cual se concluye que son muy difíciles de trabajar. Este proceso es una forma eficaz y practica de refinar y fabricar piezas de metales como los mencionados anteriormente. Son muy utilizados en la industria eléctrica derivado de que es posible en él la combinación de materiales metales y no metales, y aunque su precio es alto; es preferible pagar un costo por los beneficios entregados por este tipo de proceso.

PRINCIPIOS

Toma polvos metálicos con ciertas características como tamaño del grano, forma y empaquetadura del mismo, para luego poder moldear una figura de alta dureza y precisión. Los pasos que logran el éxito de una pieza va desde la compactación del polvo y la consiguiente unión termal de sus partículas por sintonización. Un “pro” que tiene este proceso entre los muchos que se enumeraran en un futuro, es que se basa en unas operaciones automáticas.

Con ello se puedes desglosar muchos aspectos positivos como, alto uso de los materiales, bajo costo, consumo de energía operacional bajo, y además al ser un proceso automático no hay fatiga del operario a cargo ya que la maquina es la que hace el proceso. Esto lo hace un proceso valorable para toda industria ya que tiene un alto índice de productividad, bajo consumo energético y ato consumo en las materias primas. Otro aspecto muy valorable es que el área se mantiene en constante evolución lo que radica en su actualización continua de los procesos y materiales nuevos, todo ello conjuga en que es posible que entregue un amplio espectro de nuevos materiales, microestructuras y propiedades nuevas.

PROCESO

Todo el proceso de la industria de la metalurgia de los polvos tiene su origen con los procesos por el cual se fabrican los polvos metálicos. Existe una gran gama de procesos que conducen a la producción de polvos para metales. Entre los más comunes y de los cuales la producción de polvos se lleva la gran mayoría, están:

Reducción a Estado Sólido

O Solid State Reduction, este es el proceso más común que se utiliza en la industria de metalurgia de los polvos, para la producción de polvo de hierro. Esta es la materia prima para cualquier producto en este tipo de proceso; posterior a ello es aplastada, mezclada con carbón y pasada a un horno continuo donde reacciona. Ipso facto este proceso deja una especie de torta esponjada de hierro, que después se aplasta nuevamente, con ello se consigue separar los materiales no metálicos y posteriormente se pasa el producto en un tamiz para separar el polvo (clasificar). Debido a la ausencia de refinación, la pureza que pueda tener el polvo dependerá simplemente del tipo de materia prima ocupada. En este mismo proceso puede ser ocupado para la fabricación de polvo de cobre.

Electrólisis

Escogiendo las condiciones apropiadasposición y fuerza del electrólito, corriente, densidad, temperatura, entre otros; muchos metales pueden sufrir el cabio de estado y transformarse en polvos metálicos. Este tipo de proceso, puede requerir para su éxito, otros procesos alternativos para lograr propiedades deseadas. Generalmente es común dársele como material base el polvo de cobre, pero también es posible usar cromo y manganeso. Lo que es realmente destacable en este proceso son la alta pureza y la alta densidad alcanzada por los polvos.

Atomización

En este tipo de proceso, el metal fundido es separado por medio de pequeñas goteras que posteriormente son congeladas de forma muy rápida, esto para buscar que entren en contacto entre ellas o con una superficie sólida. El principal método para desintegrar es a través de una delgada corriente de metal es someterla al impacto por golpes de gas (aire, nitrógeno, argón) o liquido (agua) y así variando parámetros del proceso se puede controlar el tipo y tamaño de partículas.

En principio la técnica es aplicable para todos los metales que se puedan fundir pero es comercialmente utilizada para la producción de polvos de Hierro, Cobre, Aceros, Bronce, Aluminio, Plomo y Zinc. Además de estos tres procesos, hay varios que están obteniendo una creciente aceptación, debido a sus aplicaciones. Los Procesos de Electrodo Rotatorio y Trituración Mecánica son ejemplos representativos de estos métodos. El primero de Electrodo Rotatorio tiene la gran ventaja de que se puede ejecutar en envases cerrados, con atmósfera controlada e inclusive en el vacío, con esto se obtiene un polvo muy puro y limpio, además permite trabajar con metales

altamente reactivos. El Proceso de Trituración Mecánica tiene gran aplicabilidad en la producción de polvos extremadamente finos. Esto se alcanza con la pulverización mecánica en un molino de bolas. Para este proceso se acostumbra utilizar como materia prima metales que ya hayan sido pulverizados. La finura de los polvos producidos por este método, le ha representado un incremento en su uso sobre todo para la fabricación de polvos finos para el moldeo por inyección (Método nuevo de la metalurgia de polvos).

La mezcla

En esta etapa de mezclado se debe alcanzar una homogeneidad de los materiales que conformaran la pieza, posteriormente se añade algún lubricante que busca como función esencial reducir los índices de fricciones entre el polvo metálico y las superficies de las herramientas que se utilizan en el proceso. El lubricante debe ser vertido en la etapa de compactación con el fin de conseguir una densidad uniforme en todo el compactado. El reducir la fricción entre los componentes es importante ya que ayuda a la eyección de el en el compactado, así se evita que se formen grietas. Es importante considerar la elección del lubricante que se utilizara, debido que una mala elección puede ser significado de malos efectos que resulten perjudicial en dureza en el material durante el compactado. Por otra parte si se aumenta la cantidad de mezclado o sobre mezclar el material, puede resultar perjudicial para la densidad aparente y reducir la dureza del material a priori el sintetizado

El Compactado

La mezcla es introducida en un molde de acero o carburo rígido y presionado para obtener la forma deseada. La presión a la cual se somete la mezcla durante esta etapa es de 150-900 MPa. La mezcla debe ser presionada lo suficiente para que soporte la fuerza de la eyección del molde y que pueda ser movida antes del sinterizado. El compactado es una etapa muy importante ya que la forma y las propiedades mecánicas finales de la pieza están fuertemente relacionadas con la densidad al presionar. Debido a que los polvos metálicos bajo presión no se comportan como líquidos, la presión no es transmitida uniformemente por el molde y hay virtualmente cero flujo lateral. Por esto, la obtención de buenas densidades en la pieza depende en un alto grado de el diseño de la herramienta que aplica la presión. Las siguientes son consideraciones que se deben tener al diseñar una herramienta para el compactado.

• Relación entre longitud y ancho. La presión aplicada y por ende la densidad decrece a lo largo de la pieza. La compactación de doble lado (se aplica presión por los dos lados de la mezcla) mejora la distribución de la presión pero sigue dejando una región en la mitad de la pieza con menos densidad. Por esto relaciones entre largo y ancho de piezas superiores a 3:1 no son recomendadas.

• Cambios bruscos en las secciones se deben omitir, debido que producen más estrés, lo que puede llevar a fracturas en la pieza.

• La complejidad en la forma de la pieza y el número de operaciones de presión que se necesitan entran en juego para la velocidad en que se puede fabricar una pieza. Prensa hidráulica utilizada para hacer la operación del compactado.

• La fricción entre los granos del polvo y las paredes del molde reduce progresivamente la transmisión de presión y por lo tanto la densidad obtenida a lo largo de la pieza. Estos efectos se pueden minimizar con la ayuda de buenos lubricantes.

• La curva de densidad vs. Presión aplicada sigue una relación hiperbólica. Por esta relación se debe buscar la presión a la que la densidad es óptima ya que una mayor presión presentaría un efecto negativo en la densidad. El compactado del polvo a temperaturas normales y sin un ambiente controlado es muy útil, por su bajo costo, para la fabricación de muchas piezas; sin embargo tiene grandes limitantes en materia de la densidad del compactado. Por esta razón se han desarrollados varios métodos que mejoran esta y otras propiedades del compactado.

LA SINTETIZACIÓN

Esta etapa de sintetizado es esencial para el proceso de Pulvimetalurgia, pues es en la sinterización en donde las piezas adquieren propiedades tales como fuerza y/o resistencia para la función predeterminada a la que fueron fabricadas. Este término tiene literalmente la siguiente definición: “Es el tratamiento térmico de un polvo compactado a una temperatura inferior a la temperatura de fusión de la base que tiene la mezcla. Busca esencialmente de incrementar valores de fuerza y resistencias de la pieza creando enlaces moleculares fuertes” Para describir este proceso sin basarse en la parte técnica y química, solo queda por decir que ocurre una difusión atómica de las partículas y las partes que son unidas en el proceso de compactación que se fortalecen y crecen hasta formar una pieza homogénea.

Al hacer un proceso de re-cristalización se busca que la porosidad en el material decrezca. Se logra con una atmosfera controlada y a temperaturas de entre 60% y 90% de la temperatura de fusión. Se debe llevar por ende un control sobre el tiempo de calentamiento, temperatura y atmosfera para obtener resultados que son requeridos. Una herramienta necesaria para lograr una buena temperatura o más bien un buen proceso de sinterización es por medio de un horno eléctrico, y con ello se incrementa la resistencia de las piezas. Las atmósferas controladas son una parte esencial en casi cualquier proceso de sinterización ya que previenen la oxidación y otras reacciones que no conviene al proceso.

Algunas de las atmósferas más usadas son las compuestas con hidrógeno seco o con hidrocarburos sometidos parcialmente a la combustión. Ya si se requieren usos más especiales y que puedan soportar el incremento en el costo de la atmósfera se pueden utilizar las llamadas atmósferas sintéticas. Debido a que son producidas mezclando cuidadosamente Nitrógeno con Hidrógeno y con gas de hidrocarburos para la sinterización de aceros. Estos tipos de atmósferas tienen las ventajas de ser mucho más limpias, tener mayor adherencia al material sinterizado y un nivel muy

bajo de vapor de agua. Hay diferentes tipos de sinterizado que se pueden aplicar según sea el caso, ya sea que se requiere bajar costo, aumentar propiedades de la pieza, trabajar con un material especial, etc.

OPERACIONES DE ACABADO

Acuñado

Es un prensado posterior al sintetizado para reducir las tolerancias dimensionales de la pieza y obtener un mejor acabado superficial. Si existe una deformación platica muy grande, se habla de la forja pulvimetalurgica.

Impregnado

Sirve principalmente para poder penetrar directamente en la red porosa del material. Bien es el caso que puede ocurrir con aceite, con los cojinetes; o bien con metal fundido cuando se desee una calidad no porosa del material.

APLICACIONES DEL PROCESO DE PULVIMETALURGIA

Abrasivos: Ruedas pulidoras metálicas, equipos de molienda

Agricultura: Cobertores de semillas, equipos de jardín y agricultura

Aeroespacial: Motores de jet, escudos de calor, boquillas de turbina

Automóviles: Válvulas, engranes, varillas

Químicos: Colorantes, filtros, catalíticos

Eléctrico: Contactos, conectores

Hardware: candados, herramientas, herramientas de corte

Tratamiento de calor: Calderas, termo cúpulas, bandejas de correo

Industrial: Absorción de sonido, herramientas de corte

Uniones: Soldadores, electrodos, llenado de soldadura

Magnético: Relays, imanes, núcleos

Medicina/dental: Implantes de cadera, fórceps, amalgamas

Metalúrgico: Recubrimiento metálico, aleación

Nuclear: Escudos, filtros, reflectores

Producción y caracterización de polvos

El tamaño, forma y distribución de los polvos afectan las características de las piezas que se deben producir, por lo que es preciso tener un cuidado especial en la forma en la que se mecanizan los polvos. Tienen especiales características en:

1. Forma: tiene relevancia en la génesis del polvo, y forma del mismo que dependerá en la forma que se produjo el polvo. Puede ser esférica, quebrada, dendrítica, plana o angular.

2. Finura: la finura se refiere al tamaño de la partícula, y se mide por medio de tamiz o mallas normalizadas, las que consisten en mallas normalizadas, las que se encuentran en 36 y 850 micras.

3. Distribución del tamaño de partículas: Enfatiza en las cantidades de los tamaños de las partículas que participan en la composición de una pieza fabricada a base de polvo de metales. Su influencia radica en la fluidez y densidad de las partículas y porosidad final del producto.

4. Fluidez: Es una propiedad que permite fluir fácilmente de una parte a otra. O de un molde a otro. También es posible rescatar de este proceso de Pulvimetalurgia propiedades químicas en el proceso. Esto puede yacer en la compresibilidad, en la cual se da la relación entre volumen inicial del polvo utilizado y el volumen final de la pieza ya comprimida.

CONCLUSION

La Pulvimetalurgia es un método que se debe tener en cuenta para la fabricación de muchas piezas que normalmente utiliza la industria. Un hecho muy claro de las características positivas de este proceso son las propiedades mecánicas que alcanza el proceso, muchas veces es casi imposible alcanzar por otros métodos de fabricación. Consigo este proceso trae beneficios económicos así como también el funcionamiento de la máquina que utilice la pieza fabricada por este método.

Es un proceso que va en constante evolución, por lo que a mayoría de que los conocimientos vayan en aumento, los procesos anteriores quedaran obsoletos, pero en cambio aparecerán nuevas aplicaciones de la pulvimetalurgica. La demanda en estos materiales es cada vez mayor, así como también las nuevas aleaciones, lo que será hincapié para que esta tecnología sea de mayor auge en la industria. Históricamente las aleaciones eran preparadas mezclando materiales fundidos, por lo que la pulvimetalurgica llego a cambiar el proceso normal de conformado de material, además de añadirle características especiales. In situ es un proceso que surgió por la necesidad tecnológica, además es un proceso en variadas y muchas veces económico dependiendo del tipo de piezas, ya que existe una diversidad de procesos y equipos, que aprovechan al máximo los materiales o polvos utilizados, y que por ende resultan de fácil aplicación y fabricación.