Cobre, procesos y aplicaciones.

El cobre

Video-Presentación del cobre, procesos y aplicaciones

Características del cobre

Video introductorio del metal cobre y aplicaciones

El cobre es estético, dúctil y maleable. Ha sido utilizado para el arte, la escultura y la fabricación de armas desde el 400 a.c. blando.

El cobre tiene propiedades bactericidas: El cobre tiene una gran resistencia anti-microbiana. Ya en tiempos de los romanos se utilizaba para conductos de agua y utilizaban utensilios de cobre para cocinar.

Conductividad térmica del cobre: el cobre es un excelente conductor del calor. Por ello es ampliamente utilizado en calefacción y algunos utensilios de cocina.

El cobre puede alearse con otros metales para adecuar sus características al uso requerido.

El cobre es un gran conductor eléctrico: Gran parte de los materiales eléctricos están hechos de cobre y por su capacidad en las transmisiones de y datos.

Resistencia ante la corrosión del cobre que lo hace susceptible de ser utilizado en muchos campos.

Propiedades mecánicas

Características mecánicas
De fácil mecanizado. 
Muy maleable, permite la producción de láminas muy delgadas. 
Muy dúctil, permite la fabricación de cables eléctricos muy finos. 
Material blando. Escala de Mohs 3. Resistencia en tracción 25-30 kg/mm2. 
Permite la fabricación de piezas por fundición y moldeo. 
Material soldable. 
Permite tratamiento térmico. Temple y recocido. 
En general sus propiedades mejoran con las bajas temperaturas lo que permite utilizarlo en aplicaciones criogénicas. 

Propiedades físicas y químicas

Número atómico 29

Valencia 1,2

Estado de oxidación +2

Electronegatividad 1,9

Radio covalente (Å) 1,38

Radio iónico (Å) 0,69

Radio atómico (Å) 1,28

Configuración electrónica [Ar]3d104s1

Masa atómica (g/mol) 63,54

Densidad (g/ml) 8,96

Punto de ebullición (ºC) 2595

Punto de fusión (ºC) 1083

Peso atómico del cobre: 63,54

Temperatura de fusión del cobre: 1.083

Coeficiente de dilatación lineal del cobre: 16.5 x 10-6

Temperatura de Recocido del cobre:  500 ºC

Temperatura de Forja del cobre: 750 - 900 ºC

Punto de ebullición del cobre: 2.567 °C

Carga de rotura del cobre:  R (Kg/mm 2 ) 32 22 






Video Historia del Cobre

Procesos con materiales no ferrosos



Obtención del cobre
Los minerales más utilizados para obtener cobre son sulfuros de cobre, especialmente la calcopirita. También existen minerales de óxido de cobre, destacando la malaquita y la cuprita.
Los minerales de cobre suelen ir acompañados también de hierro.
Existen dos métodos de obtención del cobre
- La vía húmeda
- La vía seca




Vía húmeda
Se emplea solamente cuando el contenido de cobre en el mineral es muy reducido
(Menos de un 10%). Consiste en triturar todo el mineral y añadirle ácido sulfúrico y aplicar a la
Mezcla el proceso de electrólisis (es decir, aplicar una corriente continua introduciendo dos electrodos en la mezcla).


Vía seca
Se emplea solamente cuando el contenido de cobre supera el 10%. 



Algoritmo de obtención de cobre 
Por vía seca (se emplea solamente cuando el contenido de cobre supera el 10%)

1. Se tritura el mineral, se criba y se muele hasta reducirlo a polvo.
2. Se introduce en un recipiente con agua abundante, donde se agita para eliminar la ganga que flota.
3. El mineral que quede se lleva a un horno de pisos donde se oxida para eliminar el hierro presente. De este modo se separa el cobre del hierro
4. A continuación se introduce el mineral de cobre en un horno donde se funde. Luego se añade sílice y cal que reaccionan con el azufre y restos de hierro, formando la escoria que flota y se  elimina. El cobre líquido que se encuentra debajo se denomina cobre bruto, cuya pureza es del
40%.
5. Por último, para obtener un cobre de alta pureza se somete el líquido a un proceso electrolítico.
El cobre tendrá una pureza del 99,9%.

Diagrama de flujo del proceso via húmeda

1.       Oxidación Presurizada. En la Oxidación a Presión, se alimenta la autoclave con el concentrado vuelto a moler, junto con el ácido y oxígeno reciclados a una temperatura y presión elevadas. Los minerales de cobre se oxidan rápidamente bajo estas condiciones y resultan en sulfato de cobre básico (sólido), hematita y azufre elemental (Generalmente el cobre obtenido del concentrado no es soluble.)

2.       El lodo obtenido de Oxidación Presurizada, suelta la presión, lo que provoca un enfriado instantáneo del mismo reduciendo su temperatura antes de ser filtrado. Lo filtrado es nuevamente llevado hacia el principio del proceso y los sólidos son lixiviados en el circuito de Extracción por Solventes con ácido reciclado (primeramente refinado). Cualquier cantidad de solución de cobre atrapado en los sólidos lixiviados es recuperada en el circuito de lavado, utilizando el refinado secundario neutralizado proveniente de Extracción por Solventes. Sin la presencia de metales preciosos, el residuo lavado se combina con los relaves del molino para desecho.

3.       La solución proveniente del circuito de Lixiviación Atmosférica contiene impurezas que pueden, si no, resultar en un producto de cobre difícil de vender si se fuera a electro-deposición directamente. Este licor lixiviante, solución primaria cargada, es por lo tanto enviado al circuito de Extracción por Solventes (SX) para purificación.

4.       Dentro de la Extracción por Solventes, un extractante orgánico altamente selectivo elimina casi todo el cobre disuelto de la solución cargada primaria (PLS), dejando atrás una solución acídica conocida como refinado primario. El cobre se separa a partir de la fase orgánica utilizando ácido sulfúrico reciclado. El resultado es un electrolito de calidad comercial el cual es enviado a la etapa de electro-deposición para producir cobre cátodo LME Grado A. Casi todo el refinado primario proveniente de SX es reciclado al circuito de Lixiviación Atmosférica. El resto es neutralizado con piedra caliza, filtrado con la finalidad de remover el yeso, y más adelante extraído por una segunda Extracción por Solventes para producir agua de lavado para el Circuito de Lavado. En esta manera única toda el agua de lavado es internamente generada, además de que permite al Proceso CESL ser autosuficiente y libre de efluentes a la vez.

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Algoritmo de diagrama de flujo de  proceso de manufactura de cobre

1. El cobre o aleación de cobre son mezclados y fundidos en planchas o barras.

2.       Estas planchas o barras son cortadas a las longitudes requeridas y colocadas en un horno para su calentamiento a 800°C.

3.       La matriz utilizada en el proceso de manufactura es colocada en un horno para su calentamiento a 500°C. Luego, son colocados en el área de estrujado para iniciar dicho proceso.

4.        Después del proceso de estrujado, los productos son estirados (cobres circulares), y cortados en diferentes longitudes, completando el proceso y quedando listos para su venta.

Video proceso vía humeda

El cobre aparece vinculado en su mayor parte a minerales sulfurados, aunque también se lo encuentra asociado a minerales oxidados. Estos dos tipos de mineral requieren de procesos productivos diferentes, pero en ambos casos el punto de partida es el mismo: la extracción del material desde la mina a tajo (rajo) abierto o subterránea que, en forma de roca, es transportado en camiones a la planta de chancado, para continuar allí el proceso productivo del cobre.

- Chancado: etapa en la cual grandes máquinas reducen las rocas a un tamaño uniforme de no más de 1,2 cm.

- Molienda: grandes molinos continúan reduciendo el material, hasta llegar a unos 0,18 mm, con el que se forma una pulpa con agua y reactivos que es llevada a flotación, en donde se obtiene concentrado de cobre. En esta parte, el proceso del cobre puede tomar dos caminos: el de la fundición y electro refinación (etapas mostradas en esta infografía), o el de la lixiviación y electro obtención (ver infografía inferior).

- Fundición: para separar del concentrado de cobre otros minerales (fierro, azufre y sílice) e impurezas, este es tratado a elevadas temperaturas en hornos especiales. Aquí se obtiene cobre RAF, el que es moldeado en placas llamadas ánodos, que van a electro refinación.

- Lixiviación: es un proceso hidro-metalúrgico, que permite obtener el cobre de los minerales oxidados que lo contienen, aplicando una mezcla de ácido sulfúrico y agua.

- Electro refinación: los ánodos provenientes de la fundición se llevan a celdas electrolíticas para su refinación. De este proceso se obtienen cátodos de alta pureza o cátodos electrolíticos, de 99,99% de cobre.

- Electro obtención: consiste en una electrólisis mediante la cual se recupera el cobre de la solución proveniente de la lixiviación, obteniéndose cátodos de alta pureza.

- Cátodos: obtenidos del proceso de electro refinación y de electro obtención, son sometidos a procesos de revisión de calidad y luego seleccionados, pesados y apilados.

- Despacho y transporte: los cátodos son despachados en trenes o camiones hacia los puertos de embarque y desde ahí, a los principales mercados compradores.

El cobre es un metal utilizado para el arte, la escultura y la fabricación de armas desde el 400 a.C. En la actualidad se emplea en la industria eléctrica, aplicaciones industriales, casi siempre aleado con elementos tales como Zinc, Estaño, Níquel, Aluminio, Silicio y Berilio, es enviado a los fabricantes, en la mayoría de los casos, como cátodo, billet, cake o lingote.

Mediante procesos mecánicos de extrusión, trefilado, laminación, fusión, electrólisis o atomización, los fabricantes pueden producir hilos, varillas, tubos, laminados, bujes, granallas y otros diversos  formatos. Esos materiales semielaborados de cobre o de aleaciones de cobre se envían a los fabricantes de manufacturados, donde serán utilizados en la confección de productos designados a atender a las necesidades de la sociedad.

Video cobre aplicaciones cables electricos

Bibliografía



Askelend, D.R., y Phulé, P.P. (2004). Ciencia e ingeniería de los materiales. México: Thomson.




Kalpakjian, Serope., Schmid, Steven R. (2002). Manufactura, ingeniería y tecnología. México: Pearson Educación.