les va interesar a todo ingeniero quimico

1. Luis crispin Procesamiento de Minerales I
Unidad I
GENERALIDADES
1. INTRODUCCIÓN
La forma en que los metales se encuentran en la corteza terrestre y como
depósitos en el lecho de los océanos, depende de su reactividad con su medio
ambiente, particularmente con oxígeno, azufre y dióxido de carbono.
El oro y los metales del grupo del platino se encuentran principalmente en estado
nativo o forma metálica. La plata, cobre y el mercurio se encuentran en forma
nativa y también a la forma de sulfuros, carbonatos y cloratos. Los metales más
reactivos se encuentran siempre a la forma de compuestos, tales como los óxidos
o sulfuros de fierro y los óxidos y silicatos de aluminio y berilio. Los compuestos
que se encuentran en la naturaleza son conocidos como minerales, a muchos de
los cuales se les ha dado un nombre de acuerdo a su composición, por ejemplo
galena (sulfuro de plomo PbS), esfalerita (sulfuro de zinc ZnS), casiterita (óxido
de estaño SnO2), pirita (sulfuro de fierro FeS2), calcopirita (sulfuro de cobre y
fierro CuFeSs).
Fig. 1.1 Vista aérea de un yacimiento de tajo abierto.
Los minerales por definición son substancias inorgánicas que poseen
composición química y estructura atómica definidas. Sin embargo, se permite
cierta flexibilidad a esta definición. Muchos minerales exhiben isomorfismo, que
es la sustitución de átomos de un elemento en la estructura cristalina por otro
átomo similar sin afectar la estructura atómica. Por ejemplo, el olivino es un
mineral que tiene como composición química (Mg, Fe)2 SiO4, y la razón entre los
átomos de Mg y Fe es variable de un olivino a otro, manteniendo la razón entre
los átomos de Si y O.
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2. Procesamiento de Minerales I Luis crispin
Los minerales pueden exhibir también polimorfismo, que implica que diferentes
minerales tienen la misma composición química, pero diferencias muy marcadas
en las propiedades físicas debido a diferencias en la estructura cristalina. Así, los
minerales grafito y diamante tienen exactamente la misma composición, estando
formados completamente por átomos de carbón, pero tienen propiedades
extremadamente diferentes debido al ordenamiento de los átomos de carbón en
las redes del cristal.
Fig. 1.2 Extracción del mineral aplicando minería subterránea
El término mineral es usado a menudo en un sentido más extenso para incluir
cualquier valor económico que es extraído de la tierra. Así el carbón, la tiza, las
arcillas y el granito no están dentro de la definición de mineral, aunque en
sentido popular se les da esa condición. Tales materiales son, de hecho, rocas,
las cuales no son homogéneas en composición química ni física, como lo son los
minerales, y consisten de una variedad de minerales y forman gran parte de la
corteza terrestre. El granito, por ejemplo, el cual es una de las rocas ígneas más
abundantes, esto es una roca formada por el enfriamiento de material fundido o
magma dentro de la corteza terrestre, está compuesta de tres constituyentes
minerales principales, feldespato, cuarzo y mica. Estos tres componentes
minerales homogéneos ocurren en proporciones variadas en diferentes partes de
la misma masa de granito.
Los yacimientos minerales, tanto metalíferos como no metálicos, son
acumulaciones o concentraciones de una o más sustancias útiles que en su
mayoría están distribuidos escasamente en la corteza exterior de la tierra.
Los elementos que entran en la composición de los materiales de los yacimientos
minerales provienen de las rocas de corteza terrestre exterior o bien de masas
fundidas (magmas) que se enfriaron y formaron las rocas ígneas.
Originariamente, todos los elementos, salvo los que pueden haber persistido de
la primitiva atmósfera, han derivado de magmas o rocas ígneas de la corteza
exterior rocosa de la tierra. De los 106 elementos conocidos, sólo 8 están
presentes en la corteza terrestre en cantidades superiores a 1%, y el 99.5% de
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la corteza terrestre (considerando 16 Km. de profundidad) está formado por los
siguientes 13 elementos:
• Oxígeno • Silicio • Aluminio • Hierro • Calcio
• Potasio • Magnesio • Titanio • Fósforo • Hidrógeno
• Sodio • Carbono • Manganeso
Los elementos restantes, que constituyen tan sólo el 0.5% de la corteza
terrestre, comprenden todas las sustancias preciosas y útiles, tales como el
platino, oro, plata, cobre, plomo, zinc, estaño, níquel y otros. De esta forma es
evidente que han sido necesarios diversos procesos geológicos de concentración
para juntar estos pocos elementos en depósitos minerales explotables
(yacimientos minerales).
Los minerales que constituyen la masa de la corteza terrestre también son poco
numerosos. Se conocen más de 1600 especies minerales, de las cuales unas 200
están clasificadas como minerales de importancia económica.
2. LA PREPARACIÓN MECÁNICA Y LA CONCENTRACIÓN DE MINERALES
La concentración de minerales, llamada también recientemente, por algunos
autores "Mineralurgía" por comparación con el termino "Metalurgia", es la
tecnología que se ocupa de preparar y transformar mecánicamente los minerales,
por ejemplo los productos obtenidos en la explotación de los yacimientos
mineros, para dejarlos aptos a ser sometidos a procesos térmicos y/o químicos
(de metalurgia extractiva u otros) que den lugar a la producción de metales
refinados o de compuestos metálicos o no-metálicos.
Conforme con esta definición, la Preparación Mecánica y Concentración de
Minerales, tiene las siguientes características:
• Forma parte de la Industria Minera, y más precisamente, de la sección
"Procesamiento de Minerales";
• Parte, como materia prima, de "minerales", es decir, productos de explotación
minera, ya sea que estos fueran de naturaleza "metálica" o tengan contenido
metálico que pueda ser convertido por procesamiento ulterior, en metal o
compuesto metálico; o "no metálica", no susceptible de ser reducido a metal
o compuesto metálico.
• Ejemplos de minerales metálicos son: minerales de cobre, plomo, zinc,
oro/plata o combinaciones entre aquellos); arenas de lavaderos de oro,
magnetita, limenita, circón, etc.
• Ejemplo de minerales no-metálicos seria: cementos, tierras refractarias o
cerámicas, fertilizantes naturales, piedras preciosas o semipreciosas,
materiales de construcción, etc.
• Los métodos a utilizar en los procedimientos de concentración de minerales
son exclusivamente de naturaleza física o mecánica, excluyendo medios que
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4. Procesamiento de Minerales I Luis crispin
modifiquen la naturaleza química de los minerales. Por consiguiente, no
discutiremos en el presente curso, procesos hidrometalúrgicos tales como la
lixiviación (por Ej.: tratamiento directo de ciertos minerales de Cu y Ag. /Au
por soluciones lixiviantes) amalgamación o tratamiento de arenas auríferas
por Hg (Mercurio) u otros procesos semejantes.
Fig. 1.3 Típico proceso de concentración de minerales por flotación.
3. POSICIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE MINERALES EN LA INDUSTRIA
MINERA SU FUNCIÓN ECONÓMICA
Representado esquemáticamente el desarrollo de la industria minera (por Ej.: de
un mineral metálico), en forma de "flujo grama", desde el comienzo, por ejemplo
la Búsqueda y Desarrollo del Yacimiento, su Explotación Minera y el
Procesamiento de los Minerales hasta la Obtención de Metal Refinado, se observa
lo siguiente:
Búsqueda / exploración del Yacimiento
Organización y Desarrollo del Yacimiento
Explotación Minera y Transporte del
Mineral
Preparación y Concentración de Minerales
Metalurgia Extractiva y / o
Transformación Química
Comercialización
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5. Luis crispin Procesamiento de Minerales I
Las etapas denominadas "Preparación Mecánica y Concentración de Minerales",
por una parte, y Metalurgia Extractiva, por otra, constituyen, conjuntamente, el
"Procesamiento de Minerales".
4. ¿POR QUÉ SE CONCENTRAN LOS MINERALES?
Fig. 1.4 Se justifica la instalación de una planta concentradora.
La razón económica (y la motivación de los industriales mineros, desde tiempos
inmemoriales, de "preparar" y "concentrar" sus minerales, antes de someterlos a
fundición u otros procesos químicos de transformación), se puede explicar como
sigue (6):
Una tonelada de mineral de Cobre, con ley de cabeza de unos 3%, por ejemplo :
3 x 22 = 66 libras por Tonelada Métrica (lbs/TM) de cobre en forma de Alguna
especie mineralógica, tiene el siguiente valor aproximado si se le desea vender a
una fundición para extraer su cobre:
Valor de Cobre contenido: 95% con deducción mínima de 1%, de 66 lbs/TM. A
razón de $0.83 por libra (cotización internacional del LBM actual, 16/05/2000):
(3 - 1) x 22 x 1 = US $ 36.52- / TM.............................................US$36.52.-/TM
Deducciones: Flete a fundición y gastos de fundición, por ejemplo: maquila,
estimado. US$100.-/TM
Diferencia = Valor
Neto:...................................................................................US$-63.48./T
M
Esto equivale a decir, que un mineral de 3% de Cu tiene un valor negativo,
puesto que el valor del Cu contenido no compensa los costos de fundición y de
flete.
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6. Procesamiento de Minerales I Luis crispin
Vemos que sucede si este mismo mineral se concentra por alguno de los
métodos que estudiaremos a continuación hasta que el contenido de Cu del
producto concentrado llegue a 30% Cu. Supongamos que durante el proceso de
concentración (como es normal en la práctica) se pierdan unos 10% del cobre
contenido en el mineral, en los residuos de concentración, llamados "relaves".
Tenemos entonces:
Tonelaje de concentrado por TM de mineral: Si por cada TM de mineral se tiene
66 libras de Cu contenido (ver Ej.: anterior), y si se perdiera un 10% de este
contenido en los relaves de concentración, se recupera en total 66 x 0.90 = 59.4
lbs/TM mineral. Si según se postulo, cada tonelada de concentrado producido
tendrá una ley de 30% Cu = 660 lbs/TM, se concluye que por cada TM de
mineral original, se producirá 59.4/660 = 0.09 TM de concentrado.
Apliquemos a cada TM de este concentrado, la misma formula de compra del
ejemplo anterior:
Valor del Cu contenido: 95% de 30% = 0.95 x 660 = 627 lbs/T por U$
83/lb..........................................................................................US$520.41.-/T
Deducciones: por flete y gastos de fundición o maquilla, estimado......US$100.-/T
Valor Neto (por diferencia)...........................................................US$420.41.-/T
Como en la práctica, las fundiciones aumentan sus recargos de maquila en
función del contenido metálico (en este caso de Cu), digamos que el nuevo valor
neto será mas bien del orden de US$477 por TM de concentrado, por ejemplo
0.09 x 477 = U$ 42.9 TM de mineral.
Se concluye que mediante el proceso de concentración, a pesar de una perdida
(estimada) de unos 10% del cobre contenido en los relaves, el valor neto por
tonelada de mineral se elevó desde un valor negativo hasta un valor de unos US$
42.9. De este valor habrá que deducir todavía, como se verá los costos de
operación del proceso de concentración, gastos generales, financieros y de
comercialización, etc.
Busquemos ahora la ley del cobre del mineral que se pueda vender a la
fundición, sin perder ni ganar dinero (despreciando en este ejemplo para mayor
simplicidad, los gastos de minado). Minerales de este tipo, con la ley mínima
calculada en el presente ejemplo, se denominan "de fundición directa", es decir,
no necesitan concentración:
Valor de Cu contenido - U$ 100.-/TM = 0
(Ley de Cu - 1%) x 22 x UPL.-/TM = US$ 100.-
(Ley de Cu - 1%) = 4.55% Cu
Ley Mínima de Cu del mineral = 5.55% Cu
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7. Luis crispin Procesamiento de Minerales I
Naturalmente, en la practica, cuando se tenga que tomar en cuenta los gastos de
minado, generales, financieros y de comercialización, etc., la ley mínima del
mineral de "fundición directa" aumentaría proporcionalmente, llegando tal vez a
un 8% Cu o aun a mas, si la distancia de la mina a la fundición fuera tal, que los
gastos de flete sobrepasaran el valor estimado en el ejemplo.
Llegamos entonces a las siguientes conclusiones:
• La concentración de minerales es necesaria para rentabilizar toda la operación
minera para ciertos tipos de mineral, logrando disminuir el impacto negativo
del flete y del gasto de tratamiento del producto, a pesar del costo adicional y
de las perdidas de recuperación causadas por el proceso de concentración.
• Solo minas que produzcan minerales de leyes metálicas elevadas, podrían
operar rentablemente sin necesidad de recurrir a un proceso de
concentración. Tal debe haber sido el caso de la mayoría de las minas de Cu,
Sn y metales nobles, de la antigüedad, así como de ciertas minas en estado
temprano de desarrollo, cuando explotan minerales "ricos" por métodos
mineros selectivos, usando además enriquecimiento por "escogido manual".
Fig. 1.5 La segunda alternativa es la más óptima.
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8. Procesamiento de Minerales I Luis crispin
Fig. 1.6 La etapa previa de concentrar los minerales optimiza
el proceso de obtención de los metales.
5. LA CONCENTRACIÓN DE MINERALES COMO PROCESO INDUSTRIAL
Involucra una transformación de productos, como se vio anteriormente, desde
una “materia prima”, o mineral, hasta un “producto final”, o concentrado (en sí,
un producto semi-terminado, pues servirá de materia prima a otros procesos
industriales de elaboración). Aumenta el “valor agregado” del producto durante
el procesamiento, a cambio de un costo de producción, una inversión en equipo
e instalaciones (que se traduce en costo financiero) y una pérdida de
recuperación en los residuos o “relaves” de la concentración.
Figura 1.7
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9. Luis crispin Procesamiento de Minerales I
A fin de ser viable, el proceso de concentración, como cualquier otro proceso
industrial, debe cumplir la siguiente condición económica básica:
Aumento de valor agregado > Costo + Pérdida de Recuperación
El proceso que estamos analizando, se compone de una serie de operaciones
auxiliares sucesivas, encadenadas, que se denominan “operaciones unitarias”.
Dichas operaciones unitarias tienen la propiedad de ser comunes a diferentes
tipos de procesos industriales, de facilitar y sistematizar el estudio de todas ellas.
Así por ejemplo:
A pesar de que los métodos de preparación mecánica y concentración de
minerales, y de metalurgia extractiva varían de metal, las operaciones básicas de
chancado, molienda, concentración, separación sólido/líquido, fundición y
refinación, etc., son similar. En forma parecida, ciertas industrias químicas e
industrias metalúrgicas tienen en común operaciones básicas como chancadas,
molienda, mezclado, separación sólido-líquido, etc.
6. CONVERSIÓN DE UNIDADES
6.1. FACTORES DE CONVERSIÓN
Son relaciones numéricas que nos permite cambiar de unidades
indistintamente desde cualquier sistema, dependiendo de la relación
numérica escogida.
Principales equivalencias:
1 lb = 453 gramos
1 kg = 2,204 libras
1 onza troy = 31,103 gramos
1 kg = 32.15 onza troy
1 Ton. Métrica (TM) = 1,1023 ton. cortas (TC)
1 Ton corta (TC) = 907 kg.
6.2. EJERCICIOS
1.- Transformar 2 g/TM a oz/TC
2 g/TM * 1 TM/1.1023 TC * 1 oz/31.103 gr = 0.058 oz/TC
2.- Transformar 1.5 oz/TC a g/TM
1,5 oz/TC * 31,103 gr/1 oz * 1,1023 TC/1 TM = 51,427 gr/TM
2 2
3.- Transformar 15 lt/hr*m a ml/min*pie
2 2 2
15 lt/hr*m * 1000 ml/1 lt * 1hr/60 min * 1 m /10,76 pie = 23,23
2
ml/min*pie
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3 2 3 2
4.- Transformar 10 pie /hr*cm a m /min*m
3 2 3 3 2 2
10 pie /hr*cm * 1m /35,31 pie * 1 hr/60 min * 10000 m /1 m
3 2
= 47,20 m /min*m
5.- Transformar 30 % de cobre a lb Cu/1000 kg
30/100 * 1000 kg/TM * 2,2 lb/kg = 660 lb/TM
6.3. TRANSFORMAR
a) 400 oz/TC a kg/TM
b) 2 2
28 lt/hr*m a lt/min*pulg
3
c) 36 gr/lt a kg/m
d) 15 lb/TC a kg/TM
3 2 2
e) 56 cm /seg*m a lt/hr*pie
3 2 2
f) 12 m /min*m a lt/hr*pulg
2 2
g) 24 lt/hr * m a lt/min ; Si el área es de 150 m
2 2
h) 36 lt/hr * m a lt/m ; Si el tiempo es de 360 minutos
3 2 2
i) 45 m /min * m a lt/cm ; Si el tiempo es de 20 horas
Esta es la primera parte son 10 total
esperen si les interesa……………………
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