Laval University

From the SelectedWorks of Fathi Habashi

September, 2020

The Future of Extractive Metallurgy [in Spanish]Fathi Habashi

Available at: https://works.bepress.com/fathi_habashi/659/

MINERÍA / SEPTIEMBRE 2020 / EDICIÓN 5164 www.mineriaonline.com.pe

Metales a partir de minerales: el futuro de la metalurgia extractiva

Por: Dr. Fathi Habashi, Departamento de Minería, Metalurgia e Ingeniería de MaterialesUniversidad Laval, Quebec, Canadá.

Metalurgia

AbstractIn the past centuries pyrometallurgy

was the only route to extract metals from ores and this was for a good reason. Today metallurgists have the option to use other technology in particular the hydrometallurgical route. For example, the recovery of zinc and copper have switched over from pyro- to hydrometallurgical technology. Another example is the recovery of alumina from bauxite - an essential step in the production of aluminum. Today, a new technology for aluminum electrolytic production excluding carbon reduction is under research to eliminate CO2 production.

ResumenEn siglos pasados, la pirometalurgia era la

única alternativa para la extracción de metales a partir de minerales, y esto era por una buena razón. Hoy en día los metalúrgicos tienen la po-sibilidad de usar otra tecnología, concretamente la ruta hidrometalúrgica. Por ejemplo, la recupera-ción de zinc y cobre ha pasado de la tecnología piro a la hidrometalurgia. Otro ejemplo es la re-cuperación de alúmina a partir de la bauxita, un paso esencial en la producción de aluminio. Hoy en día, se está investigando una nueva tecnología para la producción electrolítica de aluminio que

excluya la reducción de carbono, para eliminar la producción de CO2.

IntroducciónLa extracción de metales a partir de minerales

requiere una serie de operaciones, algunas me-cánicas, físicas y físico-químicas, conocidas como beneficio de minerales y otras químicas llama-das metalurgia extractiva (Figura 1). Los procesos químicos pueden dividirse a modo de referencia

Figura 1. Extracción de metales a partir de los mi-nerales.

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como piro, hidro y electrometalurgia. La pirometa-lurgia es la tecnología más antigua, mientras que la hidrometalurgia tiene unos cuatro siglos de an-tigüedad.

Por otro lado, la electrometalurgia es la más reciente y apareció solo después de la invención de los generadores eléctricos a gran escala a mediados del siglo XIX. No es de extrañar en-tonces que, en algunos casos, estas dos últimas tecnologías estén desplazando gradualmente a las más antiguas, ya sea por ser más eficientes y económicas o por cumplir con las regulaciones ambientales. He aquí algunos ejemplos.

PirometalurgiaHierro y acero

No hay duda de que la producción de hie-

rro en el alto horno se hará mediante procesos pirometalúrgicos y se utilizará la tecnología más reciente para la fabricación de acero. Implica la inyección de oxígeno desde la parte superior e inferior del reactor (Figura 2). Llevó muchos años desarrollar esta tecnología.

HidrometalurgiaEl problema del azufre

La hidrometalurgia es la única tecnología que permite producir azufre elemental en determinadas condiciones de temperatura y acidez, eliminando así la formación de SO2, como en los procesos pirometalúrgicos. Por debajo de los 150 ºC es posible obtener azufre elemental (Figura 3). Esto permite que la hidrometalurgia sea la tecnología más adecuada para el tratamiento de minerales sulfurados.

Figura 2. Fabricación de acero mediante la inyec-ción de oxígeno hacia arriba y hacia abajo.

Figura 3. Formación de azufre elemental en proce-sos hidrometalúrgicos

Figura 4. Pilas a gran escala de minerales de cobre de baja ley seguidas de extracción por solventes y electro-obtención.

Figura 5. Una planta de lixiviación a presión.

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BiohidrometalurgiaEn la década del 60, el descubrimiento que

ciertos microorganismos autótrofos catalizan la oxidación de los sulfuros, impulsó a los investiga-dores a aplicar estos conocimientos en operacio-nes de lixiviación en pilas a gran escala. Esto se aplicó a los minerales de cobre de baja ley, seguido de la extracción con solventes y la elec-

tro-obtención (Figura 4). También se utilizó para descomponer los concentrados de pirita con con-tenido aurífero con el fin de hacer accesible el oro para la cianuración. Sin embargo, esta tec-nología no puede utilizarse de forma económica para lixiviar concentrados de calcopirita.

Figura 6. Un autoclave horizontal típico. Figura 7. Una bomba de alta presión típica.

Figura 8. Zinc a partir de los concentrados de sul-furo, la antigua ruta pirometalúrgica.

Figura 9. Zinc a partir de concentrados de sulfuro, la ruta piro, hidro y electrometalúrgica.

Figura 10. Mejora de la producción de zinc en los años 70.

Figura 11. Hidrometalurgia a presión del zinc en los años 80.

MINERÍA / SEPTIEMBRE 2020 / EDICIÓN 516 7MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero

Esto en razón, a que se consumiría una gran cantidad de oxígeno y se necesitaría mucha cal para precipitar el sulfato ferroso, y habría un pro-blema de eliminación excesiva de la mezcla de hidróxido ferroso y de yeso.

Como resultado, los intentos de utilizar esta tec-nología en Chile y en otros lugares fracasaron.

Lixiviación a presiónUna planta de lixiviación a presión (Figura

5) está compuesta esencialmente por una bom-ba de alta presión que empuja continuamente el concentrado o el lodo de mineral a un autoclave calentado a una temperatura de 150 a 200 ºC y que funciona a alta presión. El lodo que sale

del autoclave se introduce luego en tanques flash donde se produce una expansión repentina, libe-rando así vapor a baja presión que se utiliza para precalentar el lodo de alimentación y, al mismo tiempo, disminuye la presión para permitir la filtra-ción a presión ambiente. En este tipo de sistema, la economía de calor es máxima. En la Figura 6 se muestra un autoclave típico y en la Figura 7 una bomba de lodo.

La producción de zincDurante siglos, el zinc metálico se producía

tostando su principal mineral: la esfalerita, para obtener óxido de zinc, el cual se reducía a alta temperatura para conseguir el metal (Figura 8). Aunque se hicieron muchas modificaciones para mejorar esta tecnología, solo durante la Primera Guerra Mundial se aplicaron los conceptos hidro y electrometalúrgicos para desarrollar un nuevo proceso que compitiera con la antigua tecnología y que finalmente la desplazó en la década del 70 (Figura 9). Sin embargo, el nuevo proceso in-trodujo otros problemas que deben ser resueltos, como el tratamiento de productos secundarios y la eliminación de residuos (Figura 10). Finalmente, en la década del 80, se inventó un nuevo proce-so que lixiviaba directamente el concentrado de

Figura 13. Proceso de lixiviación a presión para el níquel.

Figura 12. Lixiviación a presión de concentrados de zinc en los años 80.

Figura 14. Proceso térmi-co Le Chatelier para la producción de alúmina.

Figura 15. Proceso Ba-yer de lixiviación a pre-sión para la producción de alúmina.

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sulfuro y electrolizaba la solución para obtener el metal (Figuras 11 y 12).

CobreEl cobre es un metal antiguo y se estuvo pro-

duciendo a lo largo de los siglos mediante la fun-dición del mineral para obtener una mata que luego era tratada mediante una serie de métodos térmicos hasta que el metal era liberado en su forma pura. Además de la gran cantidad de com-bustible necesario para el proceso, la emisión de dióxido de azufre y otros materiales tóxicos obli-gó a los metalúrgicos a buscar otras rutas.

La principal mejora aconteció en la década del 40, cuando se introdujo la fusión flash, con lo que se redujo considerablemente el consumo de combustible, pero el SO2 seguía siendo un proble-

ma. Debe recogerse cuidadosamente, purificarse y transformarse en ácido sulfúrico, para lo cual es necesario disponer de un mercado cercano.

A principios del siglo XXI se descubrió que la misma tecnología aplicada recientemente a los concentrados de sulfuro de zinc puede utilizarse también con el cobre. De ahí que la lixiviación a presión de la calcopirita se introdujera por prime-ra vez en la industria cuprífera en Arizona (Esta-dos Unidos de Norteamérica).

NíquelEl sulfuro de níquel siempre se produjo median-

te un proceso pirometalúrgico. Cuando se descu-brió la Bahía de Voisey en el norte de Canadá y el Gobierno de Terranova se negó a enviar el concentrado fuera de la provincia, la Compañía

Figura 16. Producción de alúmina a partir de arcilla mediante el proceso Orbite.

Figura 17. Horno para preparar los ánodos de car-bono para la producción de aluminio.

Figura 18. Ánodos de carbono para la producción de aluminio.

MINERÍA / SEPTIEMBRE 2020 / EDICIÓN 516 9MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero

1 Publicado por Métallurgie Extractive Québec, Ciudad de Quebec, Canadá, y distribuido por la Librería de la Universidad Laval “Zone” [https://www.zone.coop/librairie/genie/genie-minier.html]

Internacional del Níquel propuso por primera vez en 2005 un proceso de lixiviación a presión para tratar ese concentrado. El método no es diferente al del zinc o el cobre mediante el cual se recupe-ra el azufre elemental (Figura 13).

ElectrometalurgiaAluminio

La electrometalurgia está dominada por la pro-ducción de aluminio. La bauxita sigue siendo la materia prima para la producción de alúmina ne-cesaria para las celdas electrolíticas. Primero se sinterizó con carbonato de sodio a alta tempera-tura y luego se lixivió con agua para obtener una solución de la cual se precipitó el hidróxido de aluminio, se filtró y se calcinó para obtener Al2O3 puro (Figura 14).

Hacia finales del siglo XIX se inventó un nue-vo proceso de lixiviación a presión que desplazó a la sinterización por ser más económico (Figura 15). El método se ha aplicado desde entonces sin mayores cambios, con algunas mejoras en sus aspectos de ingeniería. El proceso de Bayer sigue siendo indiscutible para la alúmina.

La producción de alúmina a partir de la arcilla fracasó debido al costoso método de cristaliza-ción y calcinación de AlCl3, como se muestra en la Figura 16, en comparación con la cristalización por inyección del proceso Bayer.

La producción de aluminio puede sufrir gran-des cambios en un futuro próximo. En Quebec se están llevando a cabo investigaciones para reducir la alúmina disuelta en criolita en un electrodo insoluble en lugar del carbono (No-ticias del Instituto de Aluminio de Canadá). En este nuevo proceso, la reducción tiene lugar en un cátodo inerte hecho de óxido de ní-quel mientras que el oxígeno se genera en el ánodo:

Al3+ + 3e- → Al

O2- → O2 + e-

El único producto resultante de este nuevo mé-todo será el oxígeno. Todos los equipos para pre-parar los ánodos de carbono serán eliminados (Figuras 17 y 18).

El sistema de captura de flúor en las celdas de aluminio es un proceso único para minimizar la contaminación en la industria del aluminio, ya sea que se utilice el proceso antiguo o el nuevo (Figura 19).

Lecturas sugeridas1 F. Habashi. 1998. Principles of Extractive Me-

tallurgy, Volume 4 – Amalgam and Electrometa-llurgy.

F. Habashi. 1999. Textbook of Hydrometallur-gy, Segunda Edición.

F. Habashi. 2002. Textbook of Pyrometallurgy. F. Habashi. 2003. Metals from Ores. An Intro-

duction to Extractive Metallurgy. F. Habashi. 2006. Readings in Historical Me-

tallurgy, Volume 1. Changing Technology in Ex-tractive Metallurgy.

F. Habashi. 2014. Pressure Hydrometallurgy. F. Habashi. 2018. Success and Failure in the

Canadian Metallurgical Industry.

Figura 19. Sistema de captura de flúor en las cel-das de aluminio.