manual de entrenamiento en concentración de minerales

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MANUAL DE ENTRENAMIENTO EN
CONCENTRACIÓN DE MINERALES
SECCIÓN IV
CLASIFICACIÓN
1. GENERALIDADES
La clasificación es la operación de separación de un material granular en dos o
más productos basado en la velocidad con la que las partículas caen en el seno de
un fluido. En la concentración de minerales normalmente el medio fluido es el
agua. La clasificación húmeda generalmente se aplica a partículas de mineral que
son consideradas muy finas para ser separadas eficientemente por medio del
cernido. Ya que la velocidad de las partículas en un medio fluido no solamente
depende de su tamaño, sino también de su peso específico y de su forma, los
principios de la clasificación son importantes en la separación de minerales por
medios gravimétricos.
La clasificación es la operación de separación de un material granular en dos o
más productos basado en la velocidad con la que las partículas caen en el seno de
un fluido.
2. PRINCIPIOS DE LA CLASIFICACIÓN
Cuando una partícula cae libremente en el vacío, está es sometida a una
constante aceleración y su velocidad se incrementa indefinidamente, siendo
independiente de su tamaño y densidad. Consiguientemente, un trozo de plomo y
una pluma caen exactamente con la misma velocidad.
En un medio viscoso, como el agua o el aire, hay resistencia al movimiento y el
valor se incrementa con la velocidad. Cuando se ha alcanzado el equilibrio entre
la fuerza de la gravedad y las fuerzas de resistencia del fluido, el cuerpo alcanza
su velocidad terminal y después cae a una velocidad uniforme.
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La naturaleza de la resistencia al descenso de la partícula depende de su
velocidad de descenso. A bajas velocidades es baja, debido a que la capa de
fluido en contacto con la partícula se mueve con está, mientras que el fluido del
entorno permanece sin movimiento. Entre ambas posiciones existe una zona de
corte en el fluido en toda la trayectoria de descenso de la partícula. En efecto,
toda la resistencia al movimiento de la partícula se debe a las fuerzas de corte o
viscosidad del fluido y por lo tanto se denomina resistencia viscosa. A altas
velocidades la principal resistencia es causada por el desplazamiento de la
partícula en el fluido, y la resistencia viscosa es relativamente pequeña; esto es
conocido como resistencia turbulenta.
Los clasificadores consisten esencialmente de una columna de clasificación en la
cual un fluido sube a una velocidad uniforme (Fig. 1). Las partículas
introducidas en la columna de clasificación, o suben o bajan, dependiendo de si
su velocidad terminal es mayor o menor que la velocidad de ascenso del fluido.
En la columna se clasifica la carga alimentada en dos productos, un rebalse
(overflow) que consiste en partículas con velocidad terminal menor que la del
fluido y un underflow o producto spigot con partículas cuya velocidad terminal
es mayor que la del fluido.
OVERFLOW
Partículas cuya
velocidad terminal
es menor o igual
que V
V
UNDERFLOW o
SPIGOT
V = Velocidad del fluido (Agua)
Partículas cuya
velocidad terminal
es mayor que V
Fig. Nº 1. Columna de clasificación
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3. RADIO DE ASENTAMIENTO
El radio de asentamiento se define como la razón de tamaño de dos partículas
que tienen la misma velocidad terminal.
4. ASENTAMIENTO LIBRE (Fig. 2)
El asentamiento libre se refiere al asentamiento de partículas en un volumen de
un fluido, el cual es mucho mayor con respecto al volumen total de las partículas
(como en el asentamiento en un dique de colas), por lo tanto el volumen del
conjunto de partículas es despreciable. Para pulpas bien dispersadas, predomina
el asentamiento libre cuando el porcentaje de sólidos en la pulpa es menor al 15
%.
5. ASENTAMIENTO RETARDADO (Fig. 2)
A medida que la cantidad de sólidos aumenta en la pulpa, las partículas
interfieren unas con otras sus movimientos de caída libre. Por esta razón el
sistema empieza a comportarse como un medio pesado cuya densidad es mayor a
la del líquido. A este sistema, en el que las partículas se mueven con una
velocidad ligeramente menor a su velocidad máxima debido a la interferencia
entre partículas, se denomina asentamiento retardado. La resistencia al
movimiento de las partículas es mayor debido a la turbulencia creada.
Cuanto más baja sea la densidad de las partículas, más marcado será el efecto de
la reducción de la densidad efectiva y mayor será la reducción de la velocidad
máxima. De forma similar, cuanto mayor es el tamaño de partícula, mayor es la
reducción en la velocidad de caída a medida que la densidad de pulpa aumente.
Esto es importante en el diseño del clasificador, el asentamiento retardado reduce
el efecto del tamaño de partículas, mientras que aumenta el efecto de la densidad
en la clasificación.
El radio de asentamiento retardado siempre es mayor que el radio de
asentamiento libre. Cuanto mayor sea la densidad de pulpa, mayor será la
diferencia entre ambas razones. En la práctica los clasificadores de asentamiento
retardado son usados para aumentar el efecto de la densidad en la separación,
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mientras que los clasificadores de asentamiento libre trabajan con pulpas menos
densas para incrementar el efecto del tamaño en la separación.
(a)
(b)
Fig. Nº 2. Clasificación por: (a) Sedimentación libre,
(b) Sedimentación obstaculizada
6. TIPOS DE CLASIFICADORES
Se han diseñado y construido muchos tipos de clasificadores. Sin embargo, ellos
pueden agruparse en dos clases principales dependiendo de la dirección de la
corriente del fluido:
v Clasificadores de
corriente
vertical
hidráulicos). Para asentamiento retardado.
(clasificadores
v Clasificadores de corriente horizontal
mecánicos). Para asentamiento libre.
(clasificadores
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6.1
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CLASIFICADORES DE CORRIENTE VERTICAL
Estos clasificadores se caracterizan por que la separación de las partículas de
acuerdo a sus tamaños se realiza en una corriente vertical de agua, la cual
arrastra a las partículas pequeñas y deja sedimentar a las grandes.
6.1.1 CLASIFICADOR DE COLUMNAS (ELUTRIADOR)
La figura 3 muestra el esquema de un clasificador (de laboratorio). Consta de
columnas de clasificación de diferente diámetro. En la primera columna, la
alimentación de pulpa se efectúa por la parte superior, mientras que el agua se
inyecta por la parte inferior, de modo que las partículas cuya velocidad máxima
sea igual a la velocidad del agua son arrastradas hacia el rebalse, mientras que las
partículas que tienen velocidad mayor caen al fondo.
Alimentación
Rebalse
Agua
adicional
Fracción I
Sólidos gruesos
o pesados
Fracción II
Fracción III
Sólidos menos
gruesos
Sólidos aun menos
gruesos
Fig. Nº 3. Esquema de un elutriador o clasificador de tamaños,
mediante sedimentación libre
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6.1.2
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CLASIFICADOR FAHRENWALD
La figura 4 muestra el esquema de un clasificador industrial. Consta de varias
columnas. La pulpa se alimenta a través de un alimentador en la parte superior
del equipo del que pasa a la primera columna. El agua se inyecta a cada columna
por la parte inferior y puede ser regulada de acuerdo a requerimiento por medio
de llaves de paso. El overflow (con partículas pequeñas) de la primera columna
pasa a la siguiente columna mientras que las partículas grandes se descargan por
los Spigots
Tapones
Rebalse
Alimentación
Agua
.
Escape inferior
(Spigot)
Fig. Nº 4. Clasificador Fahrenwald.
6.1.3
CLASIFICADOR SPITKASTEN
La figura 5 muestra el esquema del equipo. Las columnas son cónicas y de
diferente tamaño, para favorecer el efecto del asentamiento retardado.
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6.1.4
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CLASIFICADOR ONDULADO RHEAX
La figura 6 muestra el esquema del equipo. La columna tiene forma de zig zag,
para mejorar la eficiencia de separación.
Alimentación
Lama
- 60 µm
Agua
Grueso
250 µm
Agua
Agua
Medio
150 µm
Fino
100 µm
Fig. Nº 5. Clasificador Spitkasten
Espesador
horizontal
Rheax
Elutriador
horizontal
Rheax
Clasificador
ondulado
Rheax
Polvos
Arena
gruesa
Arena
fina
Fig. Nº 6. Clasificador ondulado Rheax.
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CLASIFICADORES DE CORRIENTE HORIZONTAL
Los clasificadores de este tipo se caracterizan por que la separación de las
partículas se realiza en una corriente de agua horizontal, la cual arrastra a las
partículas finas y deja sedimentar a las grandes. Además cuentan con un
dispositivo mecánico para remover las partículas grandes
6.2.1
CONO DE ASENTAMIENTO
La figura 7 muestra un esquema del equipo. Al final del tubo de alimentación se
crea una corriente horizontal desde el centro hacia la pared interna del cono, la
que arrastra a las partículas pequeñas y deja sedimentar a las grandes, que son
descargadas por la parte inferior del cono.
Alimentación
Rebalse
Rebalse
Arena
Fig. Nº 7. Esquema de un cono de sedimentación.
6.2.2 CLASIFICADOR DE RASTRILLOS
En la figura 8 podemos apreciar el equipo. El equipo consta de uno o dos
brazos, los cuales van limpiando la carga gruesa del tanque del equipo hacia
la parte superior del mismo, donde se encuentra la descarga. Una parte del
trayecto de las paletas esta fuera del nivel del agua y consiguientemente llega
al nivel de descarga con menor contenido de agua. Este equipo está
actualmente instalado en el ingenio de mina Huanuni. Una variante de este
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tipo de clasificador es el llamado Clasificador Esperanza que tiene varias
paletas instaladas, unidas entre sí, y que trabajan como una correa sin fin (Fig.
10). Este tipo de clasificadores se han usado ampliamente en las Plantas
Lavadoras del Cañadón Antequera (Estalsa).
6.2.3
CLASIFICADOR DE ESPIRAL TIPO AKINS
La figura 9 muestra un esquema del equipo. El sistema de transporte de
partículas gruesas asentadas en la piscina del equipo es trasladada hasta la
descarga en la parte superior del mismo por medio de una espiral, la cual
transporta una parte de la subida en seco, lo cual permite descargar el material
con menor porcentaje de agua. Este equipo es ampliamente usado en los
ingenios convencionales de nuestras minas.
Los clasificadores más importantes son los clasificadores mecánicos de
espiral y de rastras.
Movimiento
de las
Rastras
Alimentación
Arena
Rebalse
Drenaje
Fig. Nº 8. Clasificador de rastrillos Duplex (Rake).
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Nivel de pulpa
Descarga
(Arena)
Rebalse
(Finos)
Entrada de la Alimentación
Fig. Nº 9 Clasificador mecánico de espiral (Akins).
Correa
Movimiento
Alimentación
Arena
Rebalse
Fig. Nº 10. Clasificador mecánico tipo Esperanza
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7. CARACTERISTICAS DEl TRABAJO EN UN CLASIFICADOR
MECÁNICO
La figura 11 muestra el esquema de un clasificador de rastras o de espiral, en
ella se puede distinguir las cuatro zonas de trabajo más importantes de este
tipo de clasificadores.
PULPA (Del molino)
Agua
ZONA D
Arena
Rebalse
ZONA A
ZONA C
ZONA B
Fig. Nº 11. Zonas de trabajo de un clasificador mecánico.
ZONA A: Ubicada en el fondo del estanque, es una capa estacionaria de
partículas de grano grueso por debajo de los rastrillos o la espiral. Actúa
como una capa protectora, ya que absorbe las fuerzas abrasivas durante el
transporte.
ZONA B: Partículas de grano grueso que han sedimentado y serán
transportadas.
ZONA C: Suspensión de partículas en agua. Zona de asentamiento retardado,
de alta densidad y turbulencia.
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ZONA D: Corriente horizontal de pulpa desde el punto de alimentación hasta
el rebalse (overflow).
8. VARIABLES DE OPERACIÓN Y DE DISEÑO
a) Pendiente del tanque (variable de diseño), determina el área de la zona
de sedimentación y por tanto también determina el tamaño de partículas
que van hacia el overflow.
b) Altura del rebalse (variable de operación) permite regular el área de la
zona de sedimentación. Un aumento de la altura, produce un aumento del
área de la piscina y una disminución del tamaño máximo de partícula en el
overflow.
c) Velocidad (variable de diseño) es importante desde el punto de vista de
agitación del baño y su efecto en el tamaño de separación.
d) % sólidos del overflow (variable de operación) factor importante porque
determina el tamaño de separación del clasificador y está en función de la
cantidad de agua que se añade al circuito. Una disminución del % sólidos
en el overflow disminuye el tamaño de separación, esto ocurre hasta un
valor denominado dilución critica (aproximadamente 10% sólidos) por
debajo de este valor el tamaño de separación aumenta.
e) Caudal de pulpa en la alimentación (variable de operación) un aumento
del caudal aumenta la velocidad de la corriente horizontal y por tanto
también aumenta el tamaño de separación.
9. HIDROCICLONES
Es un equipo de operación continua que utiliza la fuerza centrífuga para acelerar
la sedimentación de las partículas. Es uno de los equipos más importantes
usados en la industria minera, y hay más de 50 tipos de hidrociclones
fabricados en el mundo.
Su principal uso en la concentración de minerales es la de clasificar, ha
demostrado ser un equipo eficiente para separar partículas finas. Se está usando
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en forma ascendente en los circuitos cerrados de molienda, pero se han
encontrado otros usos, tal como deslamador y como espesador.
Un hidrociclón típico podemos ver en la figura 12, el cual consta de un recipiente
cónico abierto en la parte inferior, boquilla de descarga (apex) unido a una
sección cilíndrica el cual tiene un ingreso de pulpa tangencial. La parte superior
del cilindro es cerrada con una plancha a través de la cual pasa un tubo central,
boquilla de descarga (overflow). La cañería se extiende dentro el cuerpo del
ciclón por medio de una sección corta y removible conocida como vortex, el cual
previene un cortocircuito de la alimentación hacia el overflow.
Overflow
Entrada de la
alimentación
Vortex
Ápex
Descarga
(Underflow)
Fig. Nº 12. Zonas de trabajo de un clasificador mecánico.
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La presión hidrostática acelera la velocidad de la pulpa, la cual ingresa al ciclón
a través de una boquilla de ingreso tangencial. Mediante el efecto de
estrangulación del paso de la parte cónica inferior la pulpa rotante se separa en
dos flujos de pulpa, uno que cae hacia fuera y otro que sube por la parte interna.
De esta manera, el material pesado o material grueso se concentra hacia las
paredes del ciclón, siendo expulsado por la parte inferior (ápex) y el material
liviano o material fino, por la parte superior central del ciclón (vortex). 1
Las formas de los ciclones se diferencian según la forma de uso (Fig. 13)
Concentración
Clasificación y
fraccionamiento
Recuperación de
Sólidos y
espesamiento
Fig. Nº 13. Formas de ciclones y sus aplicaciones
v Hidrociclón con ángulo agudo: separación sólido – líquido (espesamiento,
separación de material sólido), ángulo del cono 10 – 20º.
v Forma intermedia: clasificación (ángulo del cono < 20º)
v Hidrociclón cilíndrico: concentración, producción de preconcentrado, etc.
1
Pequeña Minería – Técnicas y Procesos – M. Priester, T. Hentschel, B. Benthin
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(ciclones CBC).
Los ciclones se usan en:
v Espesamiento de pulpas de tamaño de grano finísimo, suspensiones, etc.
v Deslame
v Clasificación por ejemplo, para trituración cuidadosa con preclasificación
y clasificación intermedia en circuitos de molienda
v Clasificación selectiva por ejemplo., de dos materiales finos diferentes
pesos específicos (por ejemplo arena de cuarzo, caolín)
v Concentración o clasificación para enriquecimiento de fracciones finas de
minerales pesados, por ejemplo en los minerales de oro, estaño,
wolframita.
Entre los usos especiales podemos mencionar la concentración en medios densos
en ciclones de pulpa pesada. La separación se lleva a cabo en una pulpa con
magnetita o FeSi (ferró silicio) con una densidad de pulpa controlada. El material
pesado es recuperado luego de la pulpa mediante separación magnética. Las
mejores experiencias se realizaron con materiales pesados los que debido a su
forma de grano redondeado y a su proceso de fabricación conducen a:
v
v
v
v
v
Menor viscosidad de la pulpa
Mayor resistencia a la corrosión
Menor desgaste mecánico del polvo
Menor desgaste mecánico de la máquina
Menores fuerzas de adhesión a la superficie de los productos beneficiados
Con FeSi se pueden alcanzar densidades entre 2 y 2,8 kg/lt con las cuales se
pueden concentrar minerales de hierro, manganeso, cromo, plomo, zinc, estaño,
fluorita, barita, diamantes, grava y cascajo.
La clasificación con hidrocicolones previa a equipos de concentración como
separadores helicoidales, mesas o buddles donde se concentra principalmente
según la superficie del grano expuesta al flujo, conduce a procesos de
concentración con grados mucho mayores de separación que si se clasificara
mediante cribas.
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La parte de desgaste más importante del ciclón es la boquilla inferior de descarga
(ápex), por la cual atraviesa la fracción gruesa con una presión relativamente
alta. Para una prolongación del tiempo de vida del ciclón se usan las siguientes
boquillas de descarga:
v Revestimiento de porcelana dura
v Boquillas cambiables de material resistente al desgaste (goma,
poliuretano, porcelana dura.
v Boquillas de goma regulables neumáticas.
v Boquillas de goma regulables manualmente
9.1
APLICACIÓN DEL HIDROCICLÓN
Este equipo es adecuado para la aplicación en las cooperativas o minería chica.
Puede usarse para el deslame, la clasificación y la concentración. En situaciones
donde no hay fuerza motriz, se puede emplear un desnivel entre 3 – 10 m. Estos
equipos son relativamente fáciles de construir.
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