- Descripción general del
proceso metalúrgico - Descripción detallada del
proceso en refinería - Aspectos
teóricos - Desarrollo de la
optimización - Resultados
- Conclusiones
- Referencias
1.
INTRODUCCIÓN:
El proceso
Merrill-Crowe es quizás la práctica más
común en la Metalurgia
Extractiva del Oro y Plata y por consiguiente, también el
tratamiento de los precipitados provenientes de estas plantas. Los
principales objetivos de
la fundición de estos precipitados es poder obtener
lingotes de Doré mediante el control adecuado
de varios parámetros con el fin de lograr altos contenidos
de Oro y Plata en las barras y mínimas cantidades de
valiosos en las escorias formadas.
La literatura
Pirometalúrgica nos da una limitada información publicada acerca de la
fundición de este tipo de materiales y
esto fue uno de los motivos por el cual realice un estudio de
Optimización con el cual pudiera conocer más acerca
de proceso. Este estudio lo efectué en una mina de Oro en
el Perú. Los datos y
resultados presentados demuestran que es un proceso controlable y
no es empírico.
El principal objetivo para
preparar y presentar este trabajo es de
suministrar una fuente de información no solo
teórica, sino práctica en la fundición de
precipitados de Merrill-Crowe y así proveer un punto de
partida que conduzca al cálculo
del fundente adecuado para procesar otros precipitados con
características diferentes.
El trabajo se enfocó en describir tanto el
proceso metalúrgico general y el proceso en
Refinería, Algunos aspectos teóricos en la
fundición de precipitados de Oro y Plata, Desarrollo de
la Optimización, Resultados, Conclusiones y Referencias
Bibliográficas.
Palabras Clave: Oro, Fundición,
Precipitados, Pirometalurgia, Merrill-Crowe, Escoria,
Doré, Fundente
2.
DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESO
METALURGICO:
El mineral extraído desde la mina se transporta
en camiones descargándose directamente en la Chancadora
Primaria donde se reduce a un tamaño menor de 6". De
ahí pasa a una zaranda que separa las fracciones mayores
de 1.5" pasándolas a la Chancadora Secundaria. Luego todo
el mineral se une al descargarse en una faja transportadora que
lo lleva a una Tolva de Almacenamiento.
El objetivo del Chancado es reducir el tamaño del mineral
para facilitar la acción
de la solución química que
recuperará el Oro y la Plata en la etapa de
Lixiviación.
Desde la tolva de Almacenamiento, el mineral se
transporta vía camiones sobre un área denominada
"Pad de Lixiviación", donde se esparce con un tractor de
orugas. Una vez apilado el mineral, se lixivia con NaCN y a
través de un proceso químico, se disuelve el Oro y
la Plata. La solución cargada de Oro y Plata se bombea
hacia la planta de Procesos para
la recuperación de los valores
metálicos.
El Oro y la Plata se recuperan de la solución
empleando un proceso de precipitación con polvo de Zinc
denominado Merrill-Crowe; la solución rica se bombea a un
tanque clarificador y se hace circular por filtros clarificadores
de hojas para eliminar los sólidos en suspensión.
La solución rica clarificada se bombea a una torre
deaereadora a fin de eliminar el Oxigeno
disuelto. Según sea necesario se agrega polvo de Zinc a la
solución rica deaereada. La solución se bombea
Filtros Prensa donde se
colecta el precipitado de Oro y Plata.
Figura 1. Diagrama de Flujo
General
El precipitado de Oro y Plata se envía a hornos
de retortas donde se extrae el Mercurio, y luego se mezcla con
fundentes y cargado a dos hornos de Inducción. La mezcla se funde para separar
el Oro y la Plata de los otros metales base. El
Doré de Oro y Plata así obtenido es vertido en
barras y empacado para su embarque. El diagrama de
flujo general del proceso metalúrgico se muestra en la
Figura 1.
3. DESCRIPCIÓN
DETALLADA DEL PROCESO EN REFINERIA:
En la Refinería, el proceso comienza con la
colección del precipitado proveniente de la planta de
Procesos y el cual es retenido en tres Filtros Prensa. La
solución filtrada, a la que se denomina Solución
Barren y que contiene menos de 0.02 ppm de Au y Ag, se recepciona
en un tanque y luego se bombea al Pad de Lixiviación para
el riego de las pilas. El
sólido retenido se colecta cada 6 o 7 días,
dependiendo de la cantidad precipitada, y es recepcionado en
bandejas. Este precipitado tiene una humedad de 35% y un
contenido promedio de 25% Au, 57% Ag y 10% Hg.
Luego, el precipitado se traslada a cuatro Hornos de
Retortas. La finalidad de estos es secar el precipitado colectado
y recuperar todo el Mercurio que se encuentra en él, por
ello se trabaja con rampas de temperatura
hasta alcanzar un máximo de 550 ºC. El ciclo total de
la Retorta es de 24 hrs. y se trabaja bajo una condición
de vacío de 7" Hg. El Mercurio removido es colectado por
un sistema de
condensadores
enfriados por agua y se
almacena en un colector el cual se descarga al final del ciclo, a
contenedores especiales de Hg (flasks) para su almacenamiento
seguro.
A fin de remover eventuales remanentes de mercurio
gaseoso que puedan ir al medio
ambiente, el flujo de vacío pasa a través de un
post-enfriador enfriado por agua, ubicada inmediatamente
después del colector. Luego, este flujo pasa a
través de columnas de carbón activado y un
separador de agua antes de ir a la bomba de vacío y
recién es descargado a la atmósfera. La
saturación de los carbones se controla mediante monitoreos
constantes. La recuperación de Mercurio está en
valores por
encima del 99%.
El precipitado seco y frío se mezcla con los
fundentes necesarios y se carga a dos Hornos de Inducción.
Se requiere cerca de 2 horas para que la carga se funda
completamente y llegue a una temperatura de 1300º C (aprox.)
con el fin de realizar las escorificaciones y la colada final
para obtener las barras Doré. Se utiliza el sistema de
colada en cascada para la obtención de las barras. Las
barras de Doré obtenidas son limpiadas, enumeradas y
guardadas en la bóveda hasta el momento de su
despacho.
Las escorias producidas se tratan para recuperar el poco
de material valioso que pudieran contener, para ello se procesan
en un circuito de Chancado y se tamiza a –20m para pasarla
por una mesa gravimétrica. Las escorias remanentes
(relave) son bombeadas al Pad de lixiviación. El
concentrado obtenido se funde nuevamente con el siguiente lote.
La recuperación promedio es de 99.7% para el Oro y de
99.5% para la Plata. La Figura 2, muestra el Diagrama de Flujo
del área de Refinería.
Figura 2. Diagrama de Flujo en
Refinería
4.1 CARACTERISTICAS DE LOS FUNDENTES:
Los fundentes usados en la Refinería, para la
formación de escorias se describen brevemente a
continuación:
- Bórax: El Borato de Sodio usado
está en forma anhidra
(Na2B4O7). El Bórax se
funde a 743º C, lo cual disminuye el punto de fusión
para toda la carga. Cuando se funde es muy viscoso, pero en
calor rojo
se convierte en un ácido fluido fuerte el cual disuelve
y capta prácticamente todos los Óxidos
metálicos (tanto ácidos
como básicos). Las grandes cantidades de Bórax
pueden ser perjudiciales causando una escoria dura y poco
homogénea. Además un exceso de Bórax puede
dificultar la separación de fases debido a la
reducción del coeficiente de expansión de la
escoria y su acción de impedir
cristalización. - Sílice: El Dióxido de Silicio
(SiO2) funde a 1750°C y es el fundente
ácido más fuerte y disponible que se tiene. Se
combina con Óxidos metálicos para formar cadenas
de silicato estables. Las escorias con alto contenido de
Sílice son extremadamente viscosas y retienen
excesivamente metálicos en suspensión. Cuando la
Sílice se mezcla con Bórax, se forman cadenas
Borosilicatadas. El ratio en peso de Bórax a
Sílice en presencia de cantidades considerables de Zinc,
generalmente no debe ser menor de 2:1.Estas escorias
Borosilicatadas no solo tendrán una alta solubilidad
para Óxidos metálicos base, sino que ofrecen
buena fluidez al fundido. - Nitro: El Nitrato de Sodio
(Na2NO3) se añade para oxidar los
metales básicos en la carga. Este es un agente oxidante
muy poderoso cuyo punto de fusión es de 338ºC. A
bajas temperaturas el nitro se funde sin alteraciones; pero a
temperaturas entre 500ºC y 600ºC se descompone
produciendo Oxígeno, el cual oxida a los sulfuros y
algunos metales como el Hierro,
Cobre y
Zinc. Se debe controlar la adición de Nitro porque al
liberar Oxígeno ocasiona una reacción vigorosa y
puede ocasionar el rebose en el crisol. El Nitro reacciona con
el Grafito, provocando una excesiva erosión
del crisol reduciendo su vida. - Carbonato de Sodio: El Carbonato de Sodio
(Na2CO3), es un fundente básico
poderoso que funde a 852°C. En presencia de Sílice,
el Carbonato de Sodio forma Silicato de Sodio con el
desprendimiento de Dióxido de Carbono.
Estos silicatos reaccionan con una variedad de Óxidos
básicos para formar silicatos complejos. Además,
debido a la facilidad natural para formar sulfatos alcalinos,
también actúa como desulfurizante y un agente
oxidante. El uso de El Na2CO3 proporciona
transparencia a la escoria pero en cantidades excesivas origina
escorias pegajosas e higroscópicas que son
difíciles de remover del Doré. - Fluoruro de Calcio: Conocido como Fluorspar
(CaF2), tiene un punto de fusión de
1380°C. Cuando se funde es muy fluido y es capaz de
mantener en suspensión partículas sin fundir, sin
afectar la fluidez de la escoria. Reduce la viscosidad
porque es un eficiente rompedor de cadenas silicatadas. Aun en
pocas cantidades, el Fluoruro de Calcio tiende a atacar el
crisol y puede causar pérdida del Bórax por
volatilización del BF3.
4.2 FUNDICION DEL
DORE:
El Doré es una aleación de Au y Ag. El
objetivo del proceso de fundición o fusión de
precipitados de Oro y Plata es obtener metal Doré en
presencia de fundentes formadores de escoria a temperaturas que
excedan el punto de fusión de todos los componentes de la
carga típicamente entre 1200 y 1300ºC. El tiempo que se
demora en fundir completamente la carga no solo depende de la
calidad de la
escoria que se forma sino también de la composición
química de la aleación Oro-Plata. El punto de
fusión del Oro es de 1064°C, mientras que la Plata
funde a 962°C. La Figura 3 muestra el diagrama binario Ag-Au
y se puede apreciar que el punto de fusión de la
aleación se incrementa si aumenta el contenido de
Oro.
Figura 3. Diagrama Binario
Ag-Au
Si el Cobre no es eficientemente oxidado y removido en
la escoria, permanece en estado
metálico y puede formar parte del Doré, alterando
su punto de fusión. Se forma entonces una aleación
ternaria, tal como se ve en la Figura 4.
Figura 4. Diagrama Ternario
Ag-Au-Cu
4.3 FUNDICION DE LA CARGA:
La preparación de la carga es una tarea crítica
en la operación de la fundición. El precipitado y
el material recuperado de las escorias son pesados y mezclados
con fundentes en proporciones adecuadas con el objetivo de
obtener una escoria con las siguientes propiedades:
- Bajo punto de fusión
- Baja densidad
- Baja viscosidad
- Alta fluidez
- Alta solubilidad de los óxidos de los metales
básicos - Insolubilidad de los metales preciosos
- Bajo desgaste refractario (corrosión / abrasión)
- Fácil de romper para volver a ser
tratado
La eficiencia en la
separación entre la escoria y el metal Doré, se
mide en términos de leyes de Au y Ag
en la escoria o lo que es lo mismo, la recuperación de
metales base (y otras impurezas) atrapadas en la escoria. La
perfomance depende de la naturaleza del
precipitado a ser fundido, en base a su contenido metálico
y las propiedades de los fundentes a ser usados.
5. DESARROLLO DE LA
OPTIMIZACION:
5.1 CONTROL Y MEJORAMIENTO DE CALIDAD DEL
PRECIPITADO:
Antes de poder realizar las pruebas del
precipitado con los fundentes, fue necesario caracterizar el tipo
de precipitado que se obtenía en los Filtros Prensa. La
calidad del precipitado colectado se mide en base a su contenido
metálico (de Oro y Plata) y es una importante variable de
control.
Se observó que se tenía una baja calidad
de precipitado, con un contenido metálico promedio de
Au-Ag del 50%. La diferencia para el 100%, son por impurezas y
mayormente Tierra
Diatomácea (TD) o Diatomita.
Con el propósito de tener un precipitado estable
sin muchas oscilaciones en sus contenidos que pueden dar
tropiezos en su posterior fundición, se coordinó
con el personal de
Merrill Crowe para tener un mejor control en:
- La cantidad de impurezas contenidas en el
precipitado, principalmente Zinc. Actualmente este contenido se
mantiene en valores entre 5-8%, lo cual es bajo en
comparación a los precipitados típicos que se
obtienen en otras plantas y el cual no ha afectado en las leyes
de Au y Ag en el Barren. - La cantidad de TD en el precipitado. La TD
ingresa a los Filtros Prensa cuando éstos se encuentran
en operación. Este material es utilizado como ayuda
filtrante en este tipo de filtros. Como se sabe, la TD es un
material a base de Sílice, cuyo contenido en el
precipitado debe considerarse a fin de obtener un adecuado
balance en la escoria que se quiere formar. Su ingreso hacia
los Filtro Prensa es inevitable, pero es perfectamente
controlable. Actualmente este contenido se mantiene en valores
entre 7-10%
La Figura 5 muestra la calidad del precipitado que se
obtiene de la planta de Merrill-Crowe, medidos en contenidos de
Oro y Plata. Se observa que esta calidad ha ido mejorando,
pasándose de un contenido de Oro y Plata de 47% hasta un
85% (promedio) y que actualmente se mantiene en valores cercanos
a éste. Esto permitió prolongar el ciclo de
operación de cada Filtro, reduciendo la cantidad de
cosechas mensuales y aumentar la disponibilidad de estos
equipos.
Figura 5. Calidad del
Precipitado
5.2 COMPOSICION DE LA ESCORIA:
La composición de la escoria se basa
principalmente en el Sistema Ternario
B2O3-Na2O-SiO2, ya
que son los 3 principales componentes. Este Diagrama se muestra
en la Figura 6. El Diagrama presenta regiones (fases)
determinadas con estructuras
cristalográficas definidas como la Cristobalita, Cuarzo y
Tridimita, así como compuestos conocidos como el
Na2O.2B2O3 (Bórax) con su
punto de fusión de 742°C.
Lo más importante que se puede obtener de este
Diagrama, son las isotermas a diferentes temperaturas que tiene y
que indican puntos de fusión a determinadas composiciones
ternarias. El Sistema presenta puntos Eutécticos y
Peritecticos, los cuales representan bajos puntos de
fusión y nos dan un punto de partida para calcular la
composición del fundente.
Se empezó trabajando con composiciones cercanas a
los puntos Eutécticos del sistema ternario mencionado ya
que son los que tienen el punto mas bajo del sistema
(aproximadamente 550°C). Sin embargo, las pruebas realizadas,
han mostrado que no son los más adecuados para trabajar
con nuestro tipo de precipitado, principalmente por la baja
cantidad de metales base presentes. Alcanzar dicho punto implica
agregar gran cantidad de fundentes oxidantes innecesarios, lo
cual crea una atmósfera muy oxidante y que es perjudicial
tanto para la vida de los crisoles como para la calidad de las
escorias.
Figura 6. Diagrama Ternario del Sistema
B2O3-Na2O-SiO2
Al tener una atmósfera muy oxidante, se desprende
gran cantidad de Oxigeno que provoca espumación durante la
fusión de la carga. Esta espuma (que además
contiene vapor de agua, gases de
combustión y vapores de óxidos
metálicos como ZnO) hace que el Oro y la Plata queden
atrapados mecánicamente en la escoria, incrementando
notablemente el contenido metálico en ella. A fin de
minimizar esto, se necesitará un tiempo de
retención adicional a fin de que desaparezca la espuma y
dar tiempo a que el Au y Ag atrapados puedan separarse de la
escoria por simple sedimentación. Obviamente esto retrasa
la continuidad del proceso.
5.3 CARACTERISTICAS DE CRISOL:
Las pruebas se realizaron en crisoles ingleses de 1TM de
capacidad de la marca Starrbide,
modelo SC
31100 HW y que se presenta en la Figura 7. La
característica principal que se debe tener en cuenta en
los crisoles es su composición quimica, como se vera mas
adelante. Estos crisoles tienen una composición de 60% SiC
y 30% C.
Figura 7. Crisol Starrbide SC 31100
HW
Se ha visto que el Nitrato de Sodio es un fuerte agente
oxidante. Si se tiene un exceso de este componente se crea una
atmósfera fuertemente oxidante y empieza a ocurrir una
"descarburización" acelerada del crisol, ya que el Carbono
contenido en él, comienza a reaccionar directamente con el
Nitrato de Sodio produciendo CO2 y N2
según:
4NaNO3 + 5C =
2Na2CO3 + 3CO2 +
2N2
Esto acelera el desgaste del crisol y afecta grandemente
a su rendimiento.
6.1 COMPOSICIÓN TERNARIA
ÓPTIMA:
Se ha determinado que para procesar nuestro tipo de
precipitado, es necesario trabajar con puntos cercanos al punto
Peritéctico, correspondiente a la siguiente
composición ternaria, y que se puede apreciar en la Figura
8:
B2O3 | Na2O | SiO2 |
45.5 % | 20.5 % | 34 % |
De todos las composiciones evaluadas, es el que ha dado
mejores resultados. En esta composición, el punto de
fusión es cercano a 600°C, y se obtiene una escoria de
baja viscosidad el cual hace posible se mantenga al mínimo
la adición de Espato Flúor. Además la
escoria obtenida es bastante dócil al tratamiento
posterior para la recuperación de los pocos valores
metálicos atrapados en ella. En la figura 8 se ha trazado
una línea adicional desde la composición del
Bórax hacia la Sílice, y en el punto
Peritéctico se tiene un ratio de 2:1 Bórax a
Sílice.
Actualmente se esta trabajando con la siguiente
adición de Fundentes por cada 1000 Kg de Precipitado seco.
La adición exacta depende de la cantidad de TD que
contiene el precipitado, y el cual varía entre 7 y
10%:
* Bórax = 320 – 350 Kg
* Sílice = 90 – 110 Kg
* Carbonato de Sodio = 12 Kg
* Nitrato de Sodio = 4 Kg
* Espato Flúor = 1 Kg
Figura 8. Punto Peritéctico del Diagrama
Ternario del Sistema
B2O3-Na2O-SiO2
6.2 CALIDAD DE LAS BARRAS DORÉ:
El contenido de Oro y Plata que contiene el producto
final, es un parámetro importante de control, y es uno de
los principales objetivos del estudio de optimización,
pues permite determinar si las impurezas contenidas en el
precipitado han sido eficientemente removidas en las escorias. La
Figura 9 representa las variaciones en el contenido
metálico de el Doré. Se puede ver, que ha mejorado
la calidad de las barras pasando de un contenido promedio de
Au-Ag de 98% hasta 99%
Figura 9. Contenidos de Oro y Plata en el
Doré
6.3 RECUPERACIONES DE ORO Y PLATA:
Otro de los objetivos planteados fue el de maximizar las
recuperaciones tanto de Oro como para la Plata.
Históricamente se han obtenido mejores recuperaciones para
el Oro que para la Plata, por lo que se busco más
incrementar la recuperación de este último.
Asimismo estos valores permiten determinar cuanto ha quedado
atrapado en la escoria y de esta forma saber si es que
ésta ha sido la mas adecuada.
La Figura 10 muestra las recuperaciones para el Oro y la
Plata respectivamente, y en el cual se han obtenido notables
incrementos, sobre todo para el caso de la Plata en el que se ha
pasado desde una recuperación de 99.2% a 99.6% (promedio).
En el caso del Oro, se ha mejorado su recuperación desde
un 99.7% a un 99.9% (máximo).
El adecuado control en la adición de reactivos
oxidantes minimizado las pérdidas de Plata en la escoria
como Oxido (AgO) o atrapado mecánicamente debido a la
excesiva espumación. Como se mencionó
anteriormente, para reducir la espumación, es necesario
dar un tiempo adicional de retención a fin de que
ésta desaparezca y los valores metálicos de Oro y
Plata puedan separarse de la escoria por simple
decantación.
Figura 10. Recuperaciones de Oro y
Plata
6.4 RENDIMIENTO DE CRISOLES:
El rendimiento de los crisoles ha sido evaluado
según la cantidad de precipitado y fundentes que se puede
procesar por unidad. La Figura 11 muestra la variación de
la cantidad de precipitado que se ha fundido por crisol, en 17
crisoles instalados en el Horno # 1. Se puede apreciar un
evidente incremento de la cantidad de precipitado procesado por
crisol debido principalmente a la adecuada adición de
fundentes.
Se ha logrado mejorar el rendimiento del crisol, para
procesar nuestro tipo de precipitado, pasando de procesar 5000 Kg
(promedio) de precipitado por crisol, hasta un máximo de
7600 Kg, siendo esto un incremento superior al 50%. La
línea de tendencia es muy favorable, y muestra que
está en aumento y que todavía no ha logrado
mantenerse estable.
Figura 11. Precipitado fundido por
crisol
Figura 12. Cambios mensuales de
crisoles
También se puede acotar, que se ha reducido los
cambios de crisol por mes, tal como se muestra en la Figura 12.
Si se tiene en cuenta que cada crisol de este tipo cuesta $1800,
se puede afirmar que ha representado un ahorro en
más del 60%.
6.5 COSTOS POR
FUNDENTES:
Las evaluaciones en la calidad de las escorias, han
determinado también la cantidad mínima de fundentes
necesaria para procesar el precipitado. Se ha logrado reducir el
factor Fundente / Precipitado desde valores cercanos a 1 hasta
valores de 0.42 (relación en peso), y que es el
actualmente utilizado. Se ha podido comprobar que esta
reducción puede hacerse sin afectar la calidad del
Doré y escorias obtenidas. La Figura 13 muestra los costos
por consumo de
fundentes.
Al controlar eficientemente los costos por consumo por
fundentes se esta demostrando que éste es perfectamente
manejable y que se controla al agregar sólo la cantidad
necesaria para la remoción de impurezas del precipitado
seco. Se puede apreciar, que se ha logrado reducir notablemente
los costos provenientes por el consumo de reactivos fundentes
pasando desde valores cercanos a 3$ por Kg de Doré
obtenido en promedio, hasta un mínimo de 0.6 y que
actualmente se mantiene en valores cercanos a este valor. Es
necesario señalar que las unidades están en
función
al producto final que obtenemos que es el metal Doré y que
se ha convertido en un parámetro de control
cuantificable.
Figura 13. Costos por consumo de Fundentes ($/Kg
Doré)
Después de los resultados presentados en el
presente trabajo, se pueden extraer las siguientes
conclusiones:
- Se ha logrado optimizar la fundición de
precipitados de Oro y Plata al controlar eficientemente los
diversos parámetros que involucra este proceso, a pesar
de ser un tema no muy publicado en la literatura
pirometalúrgica. - Se ha logrado mejorar la calidad del precipitado (en
base a los contenidos de Oro y Plata) que se obtiene de la
Planta de Procesos. Se ha logrado mantener casi constante los
valores metálicos del precipitado en 85%. - Se determinó que para procesar adecuadamente
el precipitado que produce la Planta de Merrill-Crowe, se debe
trabajar con composiciones ternarias cercanas al Punto
Peritéctico. - El desarrollo de las pruebas ha logrado aumentar el
contenido de Oro y Plata en las barras de Doré desde 98%
hasta 99% en promedio. - Se han logrado incrementar la recuperación de
Oro desde 99.7% hasta 99.9% y de la Plata desde 99.2% hasta
99.6%. - Se obtuvo un aumento en más del 50% en el
rendimiento de los crisoles usados en la
Refinería. - Se ha reducido los costos por consumo de reactivos en
un 40%, ya que se controla la adición de fundentes en
las proporciones adecuadas y necesarias para las impurezas que
contiene el precipitado.
Grimwade, Mark. 2000. "A plain’s man guide to
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Velasco, Carlos. 1999. "Pirometalurgia del
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Eduardo Candela Paredes
Categoría a publicar: Ingeniería. Se sugiere categoría
"Metalurgia"
Perú, Setiembre 2005