Por qué es importante el cobre secundario
El cobre es uno de los metales industriales reciclados con mayor eficacia. Puede refundirse repetidamente sin perder sus propiedades esenciales, tiene un alto valor intrínseco de chatarra que favorece la recolección y su tecnología de refinación está bien establecida. El resultado es que una gran proporción del cobre que se utiliza hoy en día en productos terminados proviene de material reciclado en lugar de concentrado recién extraído, y la producción secundaria es una parte establecida de la cadena de suministro de varillas, alambres, flejes, tubos y piezas fundidas.
La ruta de tratamiento depende enteramente de la materia prima. Aproximadamente dos tercios del cobre recuperado de productos al final-de-vida útil es material limpio y de alta-calidad, como alambre y chatarra de molino, que se puede refundir y utilizar directamente en la producción de productos de cobre o aleaciones de cobre. El tercio restante contiene mezclas de metales, recubrimientos, óxidos o plásticos, y debe fundirse y refinarse antes de poder regresar al mercado como cobre refinado. Esa división es la base de las dos rutas de utilización que se describen a continuación y explica por qué una fundición secundaria se organiza en torno a la calidad de la chatarra en lugar de en torno a un único proceso fijo.
Clasificación de chatarra y las dos rutas de utilización
La primera vía es la utilización directa. La chatarra limpia y clasificada de química conocida se funde y se vierte en cobre refinado o en una aleación de cobre, y llega al usuario como un material terminado sin pasar por electrólisis. Los grados adecuados para uso directo incluyen alambre desnudo brillante, recortes limpios de laminado, barras colectoras y cobre pesado de equipos fuera de servicio.
La segunda vía es la utilización indirecta. La chatarra contaminada, oxidada o de composición mixta se funde primero en una placa anódica y luego se refina electrolíticamente para obtener cobre catódico, que es equivalente al cobre refinado primario para la mayoría de los fines posteriores. El paso de refinación es el que elimina las impurezas que concentra el paso de fundición, y es la razón por la que la ruta indirecta puede aceptar chatarra de calidad que sería inutilizable en un horno de refusión.
Dentro de la ruta indirecta, el proceso se clasifica además según la calidad de la chatarra: el material de alta-calidad se puede refinar en una secuencia corta, mientras que el material de baja-calidad requiere una secuencia más larga con más formación de escoria y mayor eliminación de impurezas. Los términos una-etapa, dos-etapas y tres-etapas se refieren al número de pasos pirometalúrgicos antes de la electrólisis.
Rutas de fundición de una-etapa, dos-etapa y tres-etapa
Las tres rutas difieren en la cantidad de mejora que se debe realizar antes de fundir el ánodo. La elección depende del contenido de cobre, del espectro de impurezas de la chatarra y de la capacidad de los hornos disponibles.
| Ruta | alimentación típica | Secuencia del proceso |
|---|---|---|
| Una-etapa | Cobre de alta-calidad, superior a aproximadamente el 98 % de cobre, como cobre pesado, barra colectora limpia y residuos electrolíticos. | Se carga directamente en el horno de refinación de ánodo, se refina por fuego hasta obtener el ánodo y luego mediante refinación electrolítica hasta convertirse en cátodo. |
| Dos-etapas | Chatarra de grado medio-que requiere fusión y eliminación de azufre o impurezas | Horno de fusión para cobre crudo, luego horno de refinación de ánodos y luego refinación electrolítica. |
| Tres-etapas | Chatarra mixta de baja-calidad y residuos-que contienen cobre, que contienen desde un pequeño porcentaje de cobre en adelante | Horno de fundición para mate o cobre crudo, soplado de convertidor, refinación de ánodos, refinación electrolítica. |
La ruta de una-etapa es la más corta y la más eficiente desde el punto de vista energético, pero exige una alimentación limpia porque no existe un paso intermedio en el que las impurezas puedan convertirse en escoria. La ruta de dos-etapas añade un paso de fusión y soplado, que permite procesar el material oxidado y parcialmente contaminado y produce cobre crudo que luego se refina. La ruta de tres-etapas es la más flexible y puede aceptar materias primas con contenidos de cobre muy bajos, porque el horno de fundición separa el cobre en una fase de metal mate o crudo mientras rechaza el hierro, la sílice y parte de las otras impurezas en escoria.
En la ruta de tres-etapas, la chatarra de baja-calidad y los residuos que contienen cobre-se funden en un horno de fundición, generalmente un horno de eje o alto horno de fundición o un horno de fundición de baño-de lanza sumergida para obtener mayores rendimientos. La mata fundida o el cobre crudo pasa a un convertidor, donde el aire u oxígeno-enriquecido oxida el azufre y el hierro y las impurezas restantes se convierten en parte en escoria y en parte en polvo de combustión. Luego, el cobre convertido se refina al fuego en un horno de ánodos, se moldea en ánodos y se envía a la casa del tanque. La ruta de tres-etapas logra una alta recuperación de cobre y subproductos- valiosos, y la composición del polvo de combustión es relativamente simple y, por lo tanto, más fácil de tratar, pero implica más equipo, más combustible y una operación más compleja que las rutas más cortas. En la práctica, la mayoría de las plantas de cobre secundario combinan los conceptos de dos-etapas y de tres-etapas para reducir el consumo de energía por tonelada y maximizar la recuperación de metales valiosos.
Refinación, control de impurezas y subproductos-
El refinado al fuego en el horno de ánodo tiene dos objetivos: la oxidación, que elimina los elementos más reactivos que el cobre, y la reducción, que elimina el exceso de oxígeno que deja la etapa de oxidación para que el ánodo esté sano y se funda limpiamente. La etapa de oxidación se lleva a cabo soplando aire u oxígeno en la masa fundida, y la etapa de reducción tradicionalmente utiliza un gas reductor o un material carbonoso que se inyecta en el baño. La temperatura y el punto final de cada etapa se controlan estrechamente, porque la sobre-oxidación produce un ánodo poroso y de mala fundición, mientras que la sub-oxidación deja impurezas residuales.
Luego, el refinado electrolítico produce cobre catódico de alta pureza. Los ánodos se suspenden en un electrolito de sulfato de cobre y ácido sulfúrico, y la corriente directa transfiere cobre del ánodo a un cátodo de acero inoxidable o cobre mientras las impurezas permanecen en solución o se sedimentan como limo anódico. El limo es un subproducto valioso-porque concentra los metales preciosos y la corriente de purga del electrolito se trata para controlar la acumulación-de níquel, arsénico y antimonio. El control de impurezas en la casa del tanque es el paso que determina si el cátodo cumple con la pureza esperada del cobre refinado.
Las impurezas que causan más dificultades en la fundición secundaria son el plomo, estaño, zinc, níquel, antimonio y bismuto. El zinc y el plomo son volátiles en diferentes grados y se transmiten en parte al polvo de combustión. El estaño, el antimonio y el bismuto son difíciles de eliminar en el refinado por fuego y deben manejarse mezclando cuidadosamente la carga para que la química del ánodo permanezca dentro de la ventana que la casa del tanque puede tolerar. Es por eso que el cálculo de la mezcla es una de las tareas de control más importantes en una planta de cobre secundario: el objetivo es mantener el contenido de cobre lo suficientemente alto y los elementos de penalización lo suficientemente bajos para que el ánodo cumpla con las especificaciones sin un costo excesivo de refinación.
Energía, Emisiones y Control de Calidad
El argumento energético a favor del cobre secundario es sólido y es una de las razones por las que existe la industria. La producción de cobre a partir de material reciclado requiere una pequeña fracción de la energía consumida en la minería y la fundición del concentrado primario, y las cifras comúnmente citadas sitúan el ahorro en la gran mayoría de la demanda de energía primaria, con las correspondientes reducciones en las emisiones de dióxido de azufre y en el volumen de relaves generados. El beneficio es mayor para la ruta de utilización directa, donde el metal simplemente se vuelve a fundir, y menor para la ruta de tres-etapas, que aún implica fundición y conversión a alta-temperatura.
El control ambiental en una planta moderna de cobre secundario abarca varias corrientes:
Los gases de combustión de los hornos de fundición y conversión se enfrían, se limpian en colectores de polvo y se tratan antes de su liberación, y el polvo recolectado se devuelve al proceso para la recuperación del metal.
Se controla el contenido de plástico y materia orgánica en la chatarra, porque la combustión incompleta de material orgánico puede generar emisiones que el sistema de limpieza de gases no está diseñado para eliminar.
La escoria se granula y se vende para su uso en la construcción o se procesa aún más para recuperar el cobre residual.
El agua del proceso se recircula y una corriente de purga se trata para eliminar los metales pesados antes de su descarga.
El control de calidad sigue al producto más que al proceso. Se toman muestras de los ánodos y se analizan en busca de cobre y de los elementos de penalización, y el peso y la geometría del ánodo se controlan para que la casa del tanque funcione con una eficiencia de corriente estable. Se toman muestras del cátodo durante todo el ciclo de revestimiento y se inspecciona el estado de la superficie, y el cátodo terminado se analiza para confirmar que la pureza cumple con los requisitos del cobre refinado. La documentación para los clientes de exportación generalmente incluye el análisis de cada lote de cátodo junto con la identidad del lote, de modo que se pueda rastrear el material hasta el lote de ánodo y la mezcla de desechos que lo produjo.
Preguntas frecuentes
P: ¿Cuál es la diferencia entre la utilización directa e indirecta de chatarra de cobre?
La utilización directa vuelve a fundir chatarra limpia y de alta-calidad y la transforma directamente en cobre refinado o una aleación de cobre. La utilización indirecta funde chatarra contaminada o mezclada en un ánodo y luego la refina electrolíticamente para convertirla en cobre catódico.
P: ¿A qué se refiere la fundición de una-etapa, dos-etapas y tres-etapas?
Se refieren al número de pasos pirometalúrgicos antes del refinado electrolítico. Una-etapa carga cobre de alta-calidad directamente al horno de ánodo, dos-etapas agregan un paso de fusión y soplado, y tres-etapas agregan un horno de fundición y un convertidor antes del refinado del ánodo.
P: ¿Qué desechos son adecuados para el procesamiento de una-etapa?
Material con un contenido de cobre de aproximadamente 98 % o más, como cobre pesado limpio, barras colectoras y residuos de alta-calidad con bajos niveles de elementos de penalización, porque la ruta corta ofrece pocas oportunidades para rechazar las impurezas.
P: ¿Por qué es necesario el refinado del ánodo antes de la electrólisis?
La oxidación elimina elementos más reactivos que el cobre y la reducción elimina el exceso de oxígeno que queda en ese paso, por lo que el ánodo está en buen estado, se funde limpiamente y se disuelve a un ritmo estable en la cámara del tanque. También reduce la carga de impurezas que llega al electrolito.
P: ¿Cómo se manejan el plomo, el estaño y el antimonio?
Se manejan principalmente mezclando la carga para que la química del ánodo se mantenga dentro del rango que la casa del tanque puede tratar, y en parte mediante oxidación en el horno de ánodo, donde algunos de estos elementos se convierten en escoria y polvo de combustión.
P: ¿El cobre reciclado tiene la misma calidad que el cobre primario?
El cátodo producido mediante refinación electrolítica de ánodos secundarios cumple con los mismos requisitos de pureza que el cobre refinado a partir del concentrado primario y es intercambiable en productos posteriores. La calidad depende del control de la secuencia de fundición y refinación, no del origen de la materia prima.
