investigación y desarrollo de procesos gravimétricos

INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE
PROCESOS GRAVIMÉTRICOS
Por Juan Luis Bouso Aragonés, Director General de ERAL, Equipos y Procesos, S.A.
Separata de la Revista “Canteras y Explotaciones” - 30/6/86
La pasada crisis petrolífera provocó una gran sacudida en la industria
minera mundial, forzándola a mejorar sus procesos productivos mediante
costos más bajos. Esta reducción de costos podía alcanzarse por dos
vías:
1) Optimización de los procesos en uso.
2) Búsqueda de otros procesos menos costosos.
En el presente artículo se estudia la segunda vía de procesos eficientes
y de bajo costo, centrándose en los procesos gravimétricos que han
alcanzado notables desarrollos en los últimos años. En él se describen
las técnicas y equipos que constituyen la base de este tipo de procesos,
haciendo especial hincapié en las Espirales Reichert y plantas piloto
de espiral para la realización de ensayos de tipo operacional.
La pasada, y aparentemente superada, crisis petrolífera, provocó una
gran sacudida en el mundo industrial de enorme repercusión en la
industria minera. Nuestro país, es obvio, no quedó al margen.
En general, la industria minera mundial se vio forzada a mejorar sus
procesos productivos, buscando costos operativos más bajos que
permitieran compensar el tremendo incremento en el gasto energético.
Este fue, en nuestra opinión, uno, y no el único, de los efectos positivos
de dicha crisis.
Por supuesto, y esto fue lo más negativo, también se buscaron
yacimientos minerales de mayor riqueza que permitiesen un balance
económico más favorable, lo que provocó el cierre de explotaciones
hasta el momento rentables, pero que debido a la ley de mineral, no
pudieron compensar sus costos.
La eficiencia en el proceso de tratamiento no fue ya una simple
expresión metalúrgica de leyes y recuperación. A partir de este momento
pasó a ser una ecuación financiera.
La reducción de los costos de operación podía alcanzarse, básicamente,
por dos vías:
1. Optimizando los procesos en uso, para así conseguir reducir
principalmente la demanda de energía.
2. Buscando otros procesos de tratamiento menos costosos.
— La primera vía incidió, sobre todo, en ciertas etapas del proceso de
tratamiento:
• Los circuitos de molienda se reestudiaron tratando de obtener
una menor carga circulante, mejorando la clasificación. Igualmente,
se incrementó el empleo de molinos autógenos y semiautógenos
frente a molinos convencionales.
• Los circuitos de flotación no fueron ajenos a esta nueva revolución,
y se desarrollaron y optimizaron las celdas de gran volumen
(hasta 50 m3), que presentaban un menor consumo de energía
por volumen de celda.
Figura 1.- Planta de tratamiento de Scheelita-Wolframexsa.
• Los procesos de filtrado y secado fueron rediseñados, buscando
la eliminación de las etapas finales de secado mediante aportación
de calor (fuel). Se extendió el empleo de filtros de banda, y muy
especialmente, de filtros de presión. De estos últimos destacaríamos
el filtro Larox.
— La segunda vía condujo a la búsqueda de procesos alternativos por
un lado, y por otro, al tratamiento de antiguas escombreras que, a
pesar de su relativamente baja riqueza, dado su costo cero, permitían
una operación económicamente rentable.
• Se hicieron notables esfuerzos en la implantación de etapas
primarias de preconcentración: por ejemplo en medios densos,
antes de las etapas de molienda, o bien intercalándolas entre la
molienda y la flotación.
• Se introdujo la flotación "flash" en los propios circuitos de
molienda, reduciendo así la carga circulante de producto estéril.
• Se empezaron a tratar escombreras de producto fino, que no
precisaban grandes inversiones en equipos de molienda o que,
inclusive, no requerían ninguna etapa de reducción, aún a costa
de una eventual pérdida de recuperación.
• Se investigó en procesos gravimétricos avanzados de bajo coste
operacional, que permitían el tratamiento de una gran variedad
de minerales con una recuperación elevada.
Esta búsqueda en la reducción de costos ha sido y es intensa en todos
los países de larga tradición minera, pero además, y por fortuna, esta
vez España no fue la excepción.
Figura 2.- Hidrociclones.
PROCESOS Y EQUIPOS GRAVIMETRICOS
El interés en procesos eficientes y de bajo costo, como la separación
gravimétrica, ha aumentado en los últimos años. Desde comienzos de
siglo, la separación por gravedad se ha ido reemplazando por otros
procesos más atractivos como la flotación, hidrometalurgia, lixiviación,
separación magnética, etc.
La crisis petrolífera produjo un aumento drástico en el costo de la
energía y en los reactivos químicos, generalmente derivados del petróleo,
y esto originó la vuelta a la actualidad de los procesos gravimétricos
(fig. 1), ya que estos requieren menos energía y ninguno o escaso
consumo de agentes químicos.
Notables desarrollos se han alcanzado en esta técnica singular , que
no deben ignorarse. La respuesta de los metalurgistas hacia estos procesos
ha sido entusiasta. Concretándonos a España, existen en nuestro país
numerosos minerales factibles de tratar por gravimetría. Nuestros
yacimientos de minerales pesados, importantes en número, no lo son
tanto en cuanto a riqueza y reservas. Igual podría decirse de nuestros
yacimientos carboníferos.
De cualquier modo, y esto es lo importante, el incremento en la
investigación y desarrollo de minerales pesados y carboníferos nos ha
colocado en una favorable posición de vanguardia. Contamos en la
actualidad con un centro de investigación nacional; Empresa Nacional
Adaro de Investigaciones Mineras (ENADIMSA), que posee una
completísima planta de ensayos gravimétricos con los últimos y más
avanzados equipos.
Existen, igualmente, empresas fabricantes bien introducidas en
nuestro mercado, que poseen plantas piloto que pueden ser alquiladas
a las empresas mineras para realizar ensayos de proceso en la propia
planta o yacimiento. El proceso gravimétrico basa su principio de
operación en la diferencia de pesos específicos de los diferentes minerales.
Podrían citarse dos tipos bien diferenciados de proceso; el de minerales
pesados y el de carbón.
— En el primero de ellos, el mineral a recuperar tiene un peso específico
mayor de 2,6-2,7, que la mayoría de las veces es el de los estériles
que sirven de soporte.
— En el segundo, el proceso es inverso; es decir, el mineral a recuperar,
carbón (mena), tiene un peso especifico de 1,7- 1,8, menor que el
de la ganga.
Podríamos establecer una división dentro de los procesos
gravimétricos, en función de la densidad del medio líquido, soporte del
sólido: medio líquido agua, y medio denso (suspensión de agua y un
Figura 3.- Espiral Reichert.
producto sólido-fino densificador del medio, como por ejemplo magnetita
y ferrosilicio).
La elección de un sistema u otro depende, mayormente, de la
proporción mena-ganga y de la distribución granulométrica del sólido.
Existen numerosos equipos que, basándose en este principio, constituyen
el corazón de un proceso gravimétrico. Destacaríamos como principales:
Ciclones (fig. 2), Espirales (fig. 3), Conos Reichert (fig. 4), Jigs de
pulsación hidráulica o neumática (fig. 5), Mesas de sacudidas (fig. 6)
y Tambores de medio denso.
La Fig. 7 muestra la eficiencia de separación de diferentes equipos,
en función del tamaño de partículas. Se omiten equipos para tamaño de
partículas mayores a 3 mm, entre los que podríamos citar los sistemas
de medio denso: tambor y ciclones por un lado, y los Jigs de gruesos
por otro.
Puede apreciarse en el gráfico que los equipos con mejor eficiencia
para el tratamiento de partículas comprendidas entre 0,1 y 1 mm son
las espirales. Además, y con la excepción de la flotación, proceso no
gravimétrico, son también los equipos más eficientes para tratar partículas
superiores a 30 micras.
ESPIRALES REICHERT
El primer tipo de espiral, Humphreys, fue introducido en 1945. El
principio básico se ha mantenido hasta nuestros días, pero con evoluciones
considerables en cuanto al diseño y técnicas de fabricación. Los materiales
de construcción empleados han evolucionado desde la madera y hierro
Figura 5.- Jig Yuba.
Figura 4.- Cono Reichert.
fundido hasta el poliéster reforzado con fibra de vidrio, pasando por
aleaciones, hormigón, goma, etc.
Actualmente, la mayoría de los fabricantes construyen en poliéster
reforzado con fibra de vidrio, con recubrimientos de poliuretano o goma,
y éste, relativamente sencillo proceso de fabricación, ha sido uno de
los motivos del rápido avance en el diseño de estos separadores. Los
mayores avances en el diseño han incidido en el perfil y paso de la
Espiral. El campo de aplicación se ha expandido principalmente, debido
al desarrollo de espirales en las cuales paso y perfil cambian a lo largo
de su longitud.
Mineral Deposits Limited, de Australia, posee numerosas patentes
relacionadas con estos conceptos con su serie de espirales Reichert y
Wright (Ver Fig. 8). Las espirales convencionales poseen diversas tomas
de concentrado a lo largo de la longitud del canal, localizadas
aproximadamente cada 180º; es decir, cada vuelta. Inmediatamente
antes de cada toma existe una pequeña aportación de agua cuya función
es eliminar las arcillas, efectuando un lavado del concentrado.
La nueva generación de espirales no necesita aportación de agua
(waterless), operando además a concentraciones de sólidos superiores
a las convencionales, 30-50 por 100, frente a 15-35 por 100. Además,
y esta es la mayor innovación y ven- taja, especialmente en cuanto a
flexibilidad de operación se refiere, no poseen tomas de concentrado.
Los productos: concentrado, mixtos y estériles, son separados al final
del canal mediante unas cuchillas ajustables, lo cual simplifica
enormemente el control y operación del equipo (fig. 9).
Estas mejoras en el diseño, junto con la utilización de nuevos
materiales más ligeros en su construcción, han permitido montar en una
misma columna: una, dos, tres y hasta cuatro canales, formando lo que
se conoce como espirales: simples (single), gemelas (twin), triples
(triplex), etc.
Pueden, igualmente, formarse "bancos" de espirales Con hasta 8
columnas formando un módulo o banco muy compacto. De este modo
pueden formarse unidades agrupando hasta 24 ó 32 canales Con
capacidades máximas del orden de 60 TM/h, y ocupando un espacio
muy reducido.
La relación capacidad/superficie ocupada es mucho más favorable
que para otros equipos como mesas de sacudidas, jigs, etc. El consumo
de agua con el empleo de estas nuevas espirales se ha reducido
considerablemente, en especial si se compara con el de equipos
tradicionales.
El módulo o banco, generalmente, suministrado con su propio
distribuidor de pulpa central para cada canal y canaletas de recogida
únicas para los distintos productos. Esto permite una rápida y fácil
instalación in situ y evita numerosos problemas de implantación.
Creemos necesario mencionar que éstos últimos desarrollos se han
concretado en una última familia de espirales para carbón, con un perfil
de canal específicamente desarrollado para esta separación inversa.
Como equipo más reciente, acaba de ser introducido en el mercado
un nuevo modelo, el LD4 (fig. 10), de diámetro mayor que los
convencionales y con una capacidad unitaria por canal de hasta 6 Tm/h.
Este modelo puede ser montado en forma de 3 canales por columna, y
agruparse formando bancos de 4 columnas; lo que se traduce en una
Figura 6.- Mesa de sacudidas
Figura 7.- Diagrama de eficiencia de separación de diferentes equipos, en
función del tamaño de partícula del material a tratar.
capacidad da tratamiento por banco de hasta 72 Tm/h con una superficie
ocupada menor de 5 m2.
La tremenda aceptación de estas modernas espirales en las plantas
de preparación de carbón fino, y minerales pesados, prueba su elevada
eficiencia frente a equipos alternativos.
PLANTAS PILOTO
Figura 8.- Banco de 8 Espirales Reichert LD10.
La mayoría de los procesos, ensayados o no en laboratorio, requerirían
ser reproducidos a nivel industrial antes de realizar una nueva planta
de tratamiento, o incluso antes de introducir una mejora en base a un
nuevo equipo en una planta existente.
Reproducir resultados de laboratorio o de planta piloto a nivel
industrial, requiere una inversión considerable, y por ello en la mayoría
de los casos no se lleva finalmente a cabo. En ocasiones, ya pesar de
haber realizado ensayos en planta piloto, la fiabilidad de los resultados
obtenidos queda fuertemente condicionada a la representatividad de las
muestras ensayadas.
Cuando la posibilidad de obtener muestras representativas es escasa,
debe compensarse este inconveniente ensayando un gran volumen de
muestra, lo que complica enormemente los trabajos de investigación.
En estos casos es conveniente realizar los ensayos en el propio yacimiento,
y aquí es donde las plantas piloto, fácilmente transportables, prestan
una ayuda inestimable.
Concentrándonos en los procesos gravimétricos, es claro que,
dependiendo del proceso elegido, la complejidad de una planta piloto
es el mayor condicionante.
Un proceso por medios densos requiere de equipos cuyas dimensiones
mínimas son de tal magnitud, que la necesaria facilidad de transporte
es más que discutible; además de ser un proceso complejo, en cuanto
al manejo del medio denso (magnetita o ferrosilicio) se refiere.
Los jigs de pequeño tamaño pueden desplazarse fácilmente, pero
presentan la desventaja de que su operación no refleja fielmente la de
equipos industriales, al influir notablemente la formación del lecho, a
que se requiere un tiempo mínimo de operación para alcanzar un lecho
equilibrado.
Equipos de nuevo diseño y aplicación, como los Conos concentradores
Reichert de Mineral Deposits Limited, pueden ser simulados en planta
piloto mediante los denominados Tray, especialmente diseñados como
un "gajo" o sector de un cono industrial, y permiten la operación a bajos
tonelajes de 3 ó 4 Tn/h.
Estos Tray pueden ser instalados en diferentes configuraciones,
siendo la denominada 4DS la más versátil. Esta configuración corresponde
a cuatro etapas repetitivas de concentración, con un primer paso doble
y un segundo simple. El diagrama de la figura 11 es suficientemente
ilustrativo.
El equipo por excelencia para la realización de ensayos es la espiral,
y dentro de los varios modelos existentes, destacaríamos la nueva familia
de espirales Reichert, desarrollada por M.D.L. (fig. 12). Estas plantas
pueden equiparse con espirales de diferentes tipos, adecuados al tipo de
proceso o mineral a tratar, manteniendo el esquema operativo (fig. 13).
Como puede observarse en el diagrama, se puede operar tanto en
circuito abierto como en cerrado, si bien este último presenta una mayor
simplicidad de operación, al tiempo que permite ajustar la espiral
perfectamente antes de proceder a la toma de muestras. El dispositivo
de toma de muestras simultáneo permite, una vez realizados los oportunos
Figura 9.- Detalle de cortadores en Espirales Reichert.
Figura 10.- Espiral de carbón LD4.
análisis: granulometría, concentración de sólidos, ley, etc., establecer
el balance de masas.
Con el citado balance puede calcularse fácilmente el factor de
enriquecimiento o concentración, la recuperación y, en fin, todos los
parámetros necesarios para evaluar el proceso, tanto metalúrgica como
económicamente. A menudo un proceso gravimétrico, a similitud con
uno de flotación, precisa varias etapas de concentración: desbaste
(rougher), limpieza (cleaner), afino (recleaner), barrido o apure
(scavenger). Estos circuitos múltiples pueden simularse perfectamente
con estas plantas, realizando ensayos acumulativos.
Supongamos que quiere ensayarse un circuito convencional compuesto
de una etapa de desbaste, seguida de una limpieza del concentrado y
otra de barrido del estéril. (Fig. 14).
El primer paso seria efectuar un deslamado del producto, eliminando
la fracción menor a 38 micras ( 400 mallas). Esto es siempre indispensable
Figura 11.- Esquema configuración Tray 4DS.
Figura 12.-Planta para ensayos de espira.
en procesos gravimétricos, pues la presencia de partículas ultrafinas
incrementa la viscosidad del líquido portante y la separación se hace
más dificultosa.
En el tratamiento de minerales de carbón conviene eliminarlas
partículas menores de 74 micras (200 mallas), pues al ser el proceso de
concentración inverso, el problema anteriormente mencionado es todavía
más acusado, al ir la mayor parte del líquido portante con el producto;
carbón en este caso.
Para realizar este paso seria necesario operar en circuito abierto; o
bien, y esto es más simple, realizar un ensayo acumulativo de modo
que se van realizando tomas sucesivas de la descarga y el rebose del
ciclón, y de este modo se obtiene una descarga del ciclón acumulada.
Cada toma de muestra debe ir seguida de la correspondiente reposición
de sólido yagua.
Tomas periódicas durante la acumulación son reservadas para análisis,
y así poder obtener el correspondiente balance.
La descarga del ciclón acumulada es utilizada como alimentación
fresca al primer escalón de concentración (desbaste) que, como que en
el caso anterior debe ser acumulativo, guardando para etapas sucesivas
los productos; concentrado y estéril.
A partir de aquí los ensayos de limpieza y barrido se realizan como
un puro circuito cerrado.
Lógicamente, la realización de ensayos independientes para cada
etapa no simulan perfectamente el proceso total donde deben incluirse
posibles recirculaciones de mixtos, concentrados o estériles a etapas
anteriores. Este problema, aparentemente insalvable y sólo posible de
evitar mediante la operación en una planta piloto que reprodujese total
Figura 13.- Diagrama operativo de planta para ensayos de espiraI.
y fielmente el proceso, no lo es en nuestros días gracias a la ayuda de
los microordenadores.
La mayoría de los metalurgistas nos hemos visto forzados al empleo
de ordenadores y hemos desarrollado una serie de programas que nos
permiten, rápidamente, balancear un circuito complejo como el que
estamos estudiando partiendo de resultados en etapas simples. En
general, la mayoría de los programas creados tienen una estructura
común. La más empleada corresponde a considerar cada etapa de
tratamiento como un "elemento" o "caja" desde donde salen los diferentes
productos identificados por niveles, según su calidad y el "elemento"
o "caja" a donde van dirigidos. (Fig. 15 ).
De este modo se establece una matriz para cada elemento donde el
primer dígito indica el número de productos; el segundo, el dígito
identificativo del elemento a que va dirigido el primer producto, el
tercer dígito identifica el elemento a donde se dirige el segundo producto,
etc. El orden de los productos lo establece la calidad de los mismos.
Figura 14.- Proceso en tres etapas.
Esta estructura matricial se completa con los valores cuantitativos
(Tm/h) y cualitativos de cada producto en cada elemento (ley).
Relacionando todos los elementos, se efectúa un balance que, mediante
sucesivas iteraciones, es ajustado por medio del mínimo de la diferencia
de los cuadrados.
Las tablas 1 y 2 de la figura 15 reflejan los datos de entrada y salida,
respectivamente, de un proceso como el indicado, ajustado mediante
un programa de ordenador basado en la estructura indicada anteriormente.
Con el empleo de estas plantas piloto, fácilmente transportables, y
con la ayuda inestimable de los ordenadores, o calculadoras de bolsillo
programables, es posible estudiar y llegar a conclusiones definitivas
que, de otro modo, deberían estudiarse en plantas completas con la
consiguiente repercusión económica. La investigación y desarrollo de
procesos gravimétricos es, actualmente, una alternativa que no debe
dejar de tomarse en cuenta en el estudio de nuevas explotaciones o
nuevos procesos metalúrgicos, dada la relativa baja inversión y su alta
eficiencia.
Los costos de investigación, gracias a estos nuevos equipos, son muy
reducidos, y lo que quizás es todavía más importante, pueden representar
una ventajosa economía de tiempo gracias a su simplicidad. Son
numerosas las referencias de plantas de tratamiento en nuestro país,
donde la gravimetría es la clave del proceso de concentración o
enriquecimiento, y la relación siguiente puede dar una idea de minerales
Figura 15.- Estructura programa ordenador.
adecuados a procesos gravimétricos: Barita, Hierro, Wolframio, Estaño,
Tántalo y Niobio, Titanio, Sulfuros de Cobre, Plomo, Zinc y Hierro,
Oro y Plata, Carbón.
Muchas plantas hoy en operación, han sido desarrolladas basándose
en ensayos sobre planta piloto, y la experiencia ha demostrado
ampliamente que las estimaciones alcanzadas con estos ensayos fueron
siempre veraces.