Optimización en la fundición de precipitados de oro y plata

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. ASPECTOS TEORICOS:

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. RESULTADOS:

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)

7. CONCLUSIONES:

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.

8. REFERENCIAS:

Grimwade, Mark. 2000. "A plain’s man guide to Alloy Phase Diagrams: Their use in Jewellery Manufacture".

Imris, Ivan. 2000. "Gold and Silver Smelting and Refining Processes"

Imris, Ivan. 2000. "Slag from Doré Smelting Process"

McGuire, M.A. 1995. "Recovery of Precious Metals from Merrill-Crowe Precipitates by Smelting"

Palacios G, José. 1999. "Fundamentos de la Fusión a Metales Doré".

Santander, Nelson H. 1997. "Materiales Refractarios".

Velasco, Carlos. 1999. "Pirometalurgia del Oro"

Eduardo Candela Paredes

Categoría a publicar: Ingeniería. Se sugiere categoría "Metalurgia"

Perú, Setiembre 2005