Innovaciones en Procesos de Fundición y Refinación del Cobre

• Manuel Torres Hidalgo
• Jul. 9, 2023

La industria de producción de cobre ha experimentado una notable transformación en los últimos años en términos de desarrollo y adopción de nuevas tecnologías. Las innovaciones tecnológicas más recientes han sido impulsadas en gran medida por la necesidad de una protección ambiental mejorada y una mayor productividad. El desarrollo de tecnologías más respetuosas con el medio ambiente ha acompañado otros avances ventajosos, como la tendencia hacia procesos continuos más herméticos al gas y plantas más grandes, el uso de un mayor enriquecimiento de oxígeno en el gas de proceso, un mejor control del proceso, requisitos de mano de obra reducidos y operaciones de planta con personal más calificado. Esto ha aumentado la ventaja competitiva que disfrutan los productores que adoptan estas nuevas tecnologías.

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FUNDICIÓN Y REFINACIÓN

 

Estas etapas tienen como objetivo incrementar progresivamente la ley o contenido de cobre a partir de los concentrados obtenidos por flotación. Se consideran las siguientes fases consecutivas de Recepción y Muestreo, Fusión, Conversión y Refinación.

 

Figura 01. Proceso de Fundición

 

Conoce más sobre el Proceso de obtendicón del cobre en el siguiente video:

 

 

1.1 RECEPCIÓN Y MUESTREO

El concentrado de cobre que proviene de la Flotación se almacena en áreas especiales, desde donde se extrae una muestra del material y se lleva a análisis de laboratorio con el objetivo de determinar la cantidad de cobre, hierro, azufre y sílice, además del porcentaje de humedad que presenta el material. Esta información es fundamental para iniciar el segundo paso de esta etapa.

 

1.2 FUSIÓN

El proceso de fusión ocurre a una temperatura de 1.200 ºC en un sistema fundido, con suspensión de partículas sólidas en el baño, correspondiente a compuestos de alto punto de fusión (sílice, magnetita, entre otros).

 

El objetivo de esta etapa es formar una fase de sulfuros líquidos, compuesta principalmente por calcosina (Cu2S), covelina (CuS), calcopirita (CuFeS2), pirita (FeS2) y bornita (Cu5FeS4). En lo posible, debe contener todo el cobre alimentado y otra fase oxidada líquida adherida a la anterior, llamada escoria, exenta de cobre y compuesta principalmente de silicatos de hierro. Los silicatos de hierro y los fundentes forman la escoria. La mata de cobre contiene sulfuros de cobre y hierro, algunos metales preciosos y otros elementos a nivel de trazas. La escoria, pobre en el metal, se caracteriza y se descarta directamente o se somete a una etapa adicional de recuperación del metal si su contenido es alto. La mata, en cambio, pasa a una etapa posterior de conversión por oxidación.

 

Los concentrados sulfurados de cobre son básicamente combinaciones, en proporciones variables, de sulfuros de hierro y cobre mezclados con ganga silícea ácida o básica. Las reacciones que tienen lugar en el Horno de Fusión (HF) transcurren entre estos constituyentes del concentrado y los fundentes y corresponden principalmente a la reducción de los óxidos de cobre por el sulfuro cuproso y a la sulfuración de los óxidos de cobre por el sulfuro ferroso. Todo el sulfuro de cobre se descompone de acuerdo con las siguientes reacciones:

 

 Cu2S+2CuO →4Cu+ SO2

Cu2S+2Cu2O →6Cu+ SO2

Cu2S+FeS →Cu2S+ FeO

2CuS+FeS →Cu2S+ Fe 

 

Los productos generados en este proceso son una fase rica en cobre, conocida como eje de alta ley, con un 62%-70% de cobre, una escoria con un 1%-2% de cobre y 8%-12% de Fe3O4, y una corriente continua de gases con un 30%-35% de SO2 en la salida del horno. La concentración de SO2 dependerá principalmente del enriquecimiento en oxígeno del aire de proceso. La reacción de producción de mata y escoria se puede representar de la siguiente manera:

 

Concentrado + Fundentes + Energía → Mata + Escoria + Gas

 

Donde:

Mata: Cu2S, FeS, fundamentalmente

Escoria: FeO, Fe3O4, SiO2, Al2O3, CaO, MgO, Cu2O, otros

Escoria: O2, SO2, N2, CO, CO2, H2, H2O, otros

 

1.3 CONVERSIÓN

En esta fase, el material proveniente de la fusión se procesa mediante combinaciones químicas para separar aún más el cobre de la denominada "escoria" (residuos del proceso). La conversión se realiza en reactores cilíndricos de 4,5 metros de diámetro por 11 metros de largo, y el mineral obtenido en esta etapa se denomina "cobre blister" (el que se logra tras la fusión y conversión) y alcanza aproximadamente un 96% de pureza.

 

En la etapa de conversión, el sulfuro ferroso se oxida formando dióxido de azufre, mientras que el óxido ferroso se une con la sílice y cal para formar escoria, esencialmente ferrítica. El calor de formación de esta escoria, junto con el producido en la oxidación del azufre y el hierro, es suficiente para mantener los diferentes materiales en estado fundido. Cuando se ha oxidado todo el azufre asociado con el hierro, el eje de alta ley (sulfuro cuproso) también se oxida y, tan pronto como se ha formado una cantidad apreciable de óxido cuproso, éste reacciona con el sulfuro cuproso para formar cobre blister y dióxido de azufre, según las siguientes reacciones que ocurren hasta que se consume prácticamente todo el azufre:

 

 Cu2S + 2CuO → 4Cu + SO2

Cu2S + 2Cu2O → 6Cu + SO2 

 

1.4 REFINACIÓN

• Pirorefinación

Tiene por objetivo extraer los restos de oxígeno presentes en el cobre blister para incrementar la pureza del mineral. El cobre blister pasa por los hornos anódicos en los que también se inyecta gas natural con vapor de aire. Esta combinación reduce el nivel de oxígeno presente en el material fundido, logrando ánodos de 99,7% de pureza. El producto resultante de la Fundición se moldea en planchasde cobre (ánodos), con un peso que puede superar los 400 kg, dependiendo del tipo de faena.

 

• Electrorefinación:

En esta etapa se lleva a cabo el proceso químico de electrólisis, que consiste básicamente en disolver los ánodos provenientes de la fundición mediante la aplicación de corriente eléctrica.

Se colocan alternativamente un ánodo (plancha de cobre obtenida de la fundición) y un cátodo (placa muy delgada de metal) en las denominadas celdas electrolíticas, que son como enormes piscinas con una solución de ácido sulfúrico y agua, por las que se hace pasar corriente eléctrica. Esta acción provoca la disolución del cobre del ánodo, generando cationes y electrones, que se dirigen al cátodo y se adhieren a él. En otras palabras, el cobre se corroe en los ánodos para depositarse en los cátodos (placas metálicas).

 

Figura 02. Proceso de electrorefinación

De esta forma, los ánodos, que llegaron con una concentración de cobre del 99,7% desde la etapa de fundición, se convierten en cátodos con una pureza del 99,99%. La diferencia del 0,3% corresponde al llamado barro anódico, que contiene impurezas del ánodo como oro, plata, selenio, paladio y platino, metales que también se recuperan debido a su alto valor.

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INNOVACIONES EN LA FUNDICIÓN Y REFINACIÓN DE COBRE

 

2.1 TECNOLOGÍA DE FUSIÓN-CONVERSIÓN

• Fusión
  En lo que respecta a la fusión, existen distintas tecnologías clasificadas según la forma en que ocurre el proceso:

 

a) Fusión por calentamiento directo

Aquí se encuentra el horno de reverbero, el cual fue ampliamente utilizado en el pasado debido al bajo costo del petróleo en la primera mitad del siglo XX. Sin embargo, esta tecnología presenta deficiencias en cuanto a su ineficiencia térmica y bajo contenido de dióxido de azufre en los gases, por lo cual su uso es limitado en la actualidad.

 

b) Fusión en baño

Estas tecnologías se basan en el principio de fusión en baño, aprovechando la energía generada por las reacciones de oxidación dentro del reactor. Las tecnologías de fusión en baño más relevantes a nivel mundial son Teniente, Noranda, Isasmelt, Ausmelt y Mitsubishi.

 

c) Fusión por inyección en baño líquido (Flash)

En este caso, las tecnologías desarrolladas se basan en la combustión de las partículas de concentrado suspendidas en altas torres de reacción, sobre la zona de baño. Las principales tecnologías en este ámbito son las versiones de Outotec (ex-Outokumpu) e INCO.

 

• Conversión discontinua

La conversión discontinua se basa en el hecho de que la conversión de la mata de cobre debe realizarse en distintas cargas, las cuales deben esperar a que termine una para seguir con la siguiente. La tecnología más destacada en este ámbito es el convertidor Peirce-Smith (CPS), y en menor medida, la tecnología Hoboken.

 

El convertidor Peirce-Smith se basa en la rotación del horno y una boca central que permite descargar la escoria y el cobre blister producidos. Por otro lado, el convertidor Hoboken es una variación del Peirce-Smith que minimiza las emisiones fugitivas debido a su estructura de sifón, aunque se ve limitado en su capacidad para incorporar carga fría.

 

• Conversión continua

La conversión continua se basa en la alimentación constante de mata de cobre y la extracción continua de cobre blister, sin interrupciones en la operación, a excepción de las labores de mantenimiento. En este sentido, destacan las tecnologías de conversión flash y Mitsubishi, así como los nuevos desarrollos de tecnología de conversión continua de origen chino, como los hornos Ausmelt C3 y de lecho empacado.

 

2.2 SENSORES OPTOELECTRÓNICOS EN LAS FUNDICIONES

Durante años, el complejo proceso de extracción, fundición y refinamiento de cobre ha estado alejado de la transformación digital que actualmente se observa en la producción minera. Sin embargo, esta realidad está cambiando rápidamente, ya que la digitalización permite una mejor toma de decisiones en la fundición de metales. Basado en este contexto, Roberto Parra, docente e investigador del Departamento de Metalurgia de la Universidad de Concepción en Chile, ha desarrollado una interesante idea: la fabricación y uso de sensores optoelectrónicos para monitorear el proceso de fundición de cobre y mejorar la productividad en diversas plantas.

 

Esta tecnología se basa en una fibra óptica que se conecta a un instrumento de digitalización llamado radiómetro, el cual captura datos según la intensidad de radiación presente en el proceso químico de fundición. Al analizar estas curvas, el ingeniero metalúrgico puede monitorear el proceso de oxidación del cobre, medir la temperatura a distancia y obtener información sobre otras variables, lo que permite controlar el buen funcionamiento de este proceso industrial.

 

Se respalda en el uso de la fibra óptica ya que, al ser flexible, le permite acceder a lugares donde no hay una visión directa. Asimismo, captura las radiaciones que se producen al separar el fierro y azufre del cobre. Esta información viaja por la fibra óptica y llega a los radiómetros que convierten esa señal en una digital que se puede ver en un computador, generando data para mejorar el monitoreo y desempeño en los procesos. Para ello se emplea sensores optoelectrónicos que ingresan al interior de los reactores y están sometidos a condiciones internas de 1.300 a 1.500 grados. La radiación emite colores como el rojo, naranjo o blanco, y con ello se procede a analizar obtener información de la condición operacional

 

El uso de sensores optoelectrónicos en los procesos de fundición de cobre tiene varios beneficios. Permite medir variables en tiempo real, obteniendo resultados más estables y precisos en los procesos de fundición. Además, reduce el riesgo para los operadores, ya que se trata de un proyecto inalámbrico con un equipamiento de instalación y manejo sencillos.

 

Conoce más sobre los Sensores OptoElectrónicos en el siguiente video:

 

 

 

2.3 PROCESAMIENTO DE CONCENTRADOS DE COBRE CERO EMISIONES USANDO HIDRÓGENO VERDE

Un grupo de investigadores del Departamento de Metalurgia de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Concepción ha desarrollado una iniciativa denominada Green Copper. Esta iniciativa busca establecer un proceso alternativo a las fundiciones convencionales de cobre, las cuales generan una gran cantidad de escoria y emisiones fugitivas de gases que contienen dióxido de azufre, altamente tóxico.

 

Figura 03. Pirometalurgia

 

El proceso desarrollado por Green Copper es una tecnología disruptiva de oxidación-reducción que opera en fase sólido/gas a 800-850ºC en reactores cerrados. Este proceso logra un aprovechamiento completo del concentrado de cobre, generando subproductos comerciales y evitando la producción de escoria. Además, utiliza hidrógeno verde en la etapa de reducción y genera energía excedente. Este enfoque integra operaciones unitarias consolidadas, lo que minimiza el riesgo tecnológico.

 

Figura 04. Proceso Green Copper

 

El procesamiento de concentrados de cobre cero emisiones propuesto por Green Copper ofrece varias ventajas significativas. Permite una recuperación de cobre superior al 99% y una recuperación de molibdeno superior al 80%. Además, genera subproductos comerciales de hierro y sílice, evitando así la generación de residuos. Esta tecnología representa un paso importante hacia una producción de cobre más sostenible y respetuosa con el medio ambiente.

 

Conoce más sobre la Tecnología Green Copper en el siguiente video:

 

 

 

COMENTARIOS

La industria de producción de cobre ha experimentado avances significativos en términos de tecnología y procesos. Las mejoras en la fusión, conversión y refinación han llevado a una mayor eficiencia, reducción de emisiones y generación de subproductos valiosos. La incorporación de sensores optoelectrónicos ha permitido un monitoreo más preciso y en tiempo real de los procesos de fundición. Además, la tecnología de procesamiento de concentrados de cobre cero emisiones de Green Copper representa una alternativa prometedora para una producción más limpia y sostenible.

 

Sin embargo, aún existen desafíos por superar. Sería beneficioso explorar aún más las tecnologías de fusión y conversión continua para maximizar la eficiencia y reducir aún más las emisiones. Además, se deben considerar aspectos económicos y logísticos al implementar estas nuevas tecnologías. Por último, se requiere un enfoque integral que aborde no solo los procesos de fundición y refinación, sino también los aspectos relacionados con la extracción responsable de minerales y la gestión adecuada de los residuos generados.

 

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REFERENCIAS

1. Codelco (2019). Fundición. Chile

2. Sohn, H., Kang, S., Chang, J. (2005) Sulfide smelting fundamentals, technologies and innovations.  Minerals & Metallurgical Processing, Vol.2 -No.2, 65-76.

3. Tarazona, L. (2020). Tecnología minera y su uso en las fundiciones de cobre.

4. Toledo, M. (2022). Igor Wilkomirsky patenta nuevo sistema de procesamiento de concentrados de cobre en base a hidrógeno verde

5. Universidad de Concepción (2020). Green Copper.

6. Castillo, E., Cantallopts, J. (2025). Tecnologías en funciones de cobre.