Explicación de las cuatro etapas del procesamiento de minerales: desde la trituración hasta la deshidratación

Una concentradora que trata 10.000 toneladas de mineral al día suele enviar menos de 400 toneladas de producto. Las otras 9.600 toneladas son roca y agua que deben romperse, clasificarse, separarse y drenarse en una secuencia fija, y esa secuencia es lo que los diseñadores de plantas llaman las cuatro etapas del procesamiento de minerales. Si se pierde un eslabón de la cadena, toda la planta paga por ello: un molino que muele el tamaño incorrecto mata de hambre a las celdas de flotación, y un espesador que sedimenta mal hace que los costos del agua aumenten durante años.

La respuesta corta primero. Las cuatro etapas del procesamiento de minerales son: (1) trituración, que abarca la trituración y la molienda; (2) dimensionamiento y clasificación; (3) concentración; y (4) deshidratación. Cada diagrama de flujo (pórfido de cobre, sulfuro de zinc, roca de fosfato, salmuera de potasa o mineral que contiene litio) se construye a partir de estas cuatro etapas dispuestas, en bucle y sintonizadas en torno a un objetivo: liberar los minerales valiosos primero, separarlos después y sacar el agua al final.

El pedido no es negociable, porque cada etapa entrega un producto específico a la siguiente. La flotación no puede recuperar partículas que todavía están encerradas dentro de la roca, por lo que la reducción de tamaño debe ser lo primero. La molienda no puede mantener un tamaño objetivo estable sin que la clasificación cierre el círculo, por lo que el tamaño se ubica entre la molienda y la separación. Y un concentrado húmedo no es vendible ni barato de transportar, por lo que la deshidratación siempre cierra el diagrama de flujo. Cuando una planta tiene un rendimiento deficiente, los metalúrgicos experimentados diagnostican los traspasos entre etapas antes de tocar el banco de reactivos.

Las cuatro etapas del procesamiento de minerales de un vistazo

Camine por cualquier concentrador bien administrado desde la trituradora primaria hasta el cobertizo de concentrado y pasará por las mismas cuatro etapas en el mismo orden. Las máquinas cambian con el mineral: una planta de potasa en la costa tailandesa y una planta de zinc en Mongolia Interior comparten la misma lógica, aunque sus equipos difieren. La siguiente franja muestra el recorrido típico de una partícula de mineral.

Dos bucles se esconden dentro de esa línea. La clasificación envía partículas de gran tamaño de regreso al molino, por lo que un circuito de molienda comúnmente recicla entre el 150 y el 350 % de su nueva alimentación como carga circulante. La concentración envía la harinilla de regreso para su retratamiento, por lo que un circuito de flotación reprocesa los relaves limpiadores y depuradores varias veces antes de que escapen. Por lo tanto, un diagrama de flujo no es tanto una línea recta como un conjunto controlado de bucles que alimentan una línea recta, y los bucles son donde se esconden la mayoría de los errores de diseño.

Verá este trabajo llamado procesamiento de minerales, tratamiento de minerales o beneficio; los términos describen la misma disciplina. Lo que varía es el énfasis. Una operación de placer de oro puede ejecutar sólo cribado, separación por gravedad y deshidratación, omitiendo por completo la molienda porque la naturaleza ya liberó el oro. Un mineral de oro refractario puede agregar lixiviación después de las cuatro etapas. Trate la estructura de cuatro etapas como la columna vertebral, luego agregue o elimine extremidades para que coincidan con el mineral que tiene frente a usted.

Etapa 1: Conminución - Trituración y Molienda

La conminución existe por una razón: la liberación. El mineral sale de la mina en forma de trozos de roca en los que el valioso mineral queda físicamente encerrado dentro de los desechos. Ningún separador del mercado puede extraer un cristal de calcopirita de un trozo de pórfido de 20 centímetros. La primera etapa rompe esa masa hasta que los minerales de valor se mantienen solos, y todo lo posterior (recuperación, costo de reactivos, tamaño del espesante) depende de qué tan bien se haga.

Por qué la liberación fija el objetivo

El tamaño de la liberación es una propiedad del mineral, no del equipo. En muchos minerales de pórfido de cobre, los granos de calcopirita miden aproximadamente de 50 a 150 micrones de ancho, razón por la cual la alimentación de flotación generalmente se muele a un P80 (la abertura de la criba por la que pasa el 80% del material) entre aproximadamente 45 y 150 micrones. Muele más grueso y las partículas permanecen bloqueadas, por lo que la recuperación disminuye. Si se muele más fino de lo que el mineral realmente necesita, se crearán limos de menos de 10 micrones, que flotan lentamente, consumen reactivo adicional y se asientan mal en el espesante. Toda la economía de la planta se encuentra entre esos dos modos de falla, razón por la cual las pruebas de recuperación de molienda en laboratorio son el primer elemento en cualquier plan de proyecto serio.

La molienda es el mayor consumidor de energía en la mayoría de las plantas, y las estimaciones de la industria comúnmente atribuyen un pequeño porcentaje de la generación mundial de electricidad a la trituración en todas las minas. Ese costo explica una regla que todo superintendente de fábrica conoce: triturar tanto como sea posible y moler lo menos necesario. Romper roca en una trituradora cuesta una fracción de lograr la misma reducción de tamaño en un molino.

Cómo triturar y moler dividen el trabajo

El mineral a cielo abierto puede llegar en bloques de cerca de un metro de diámetro. La trituración lo reduce en etapas: una trituradora de mandíbula primaria o giratoria de aproximadamente 150 a 250 mm, una trituradora de cono secundaria de 25 a 75 mm y, a menudo, una pasada terciaria de 6 a 19 mm. Cada máquina logra una relación de reducción de aproximadamente 3:1 a 6:1 por pasada, razón por la cual se plantan trituradoras en cadena en lugar de pedirle a una máquina que haga todo.

Por debajo de aproximadamente 10-12 mm comienza el rectificado. El mineral se muele en agua y el caballo de batalla clásico para la molienda de primera etapa es el molino de bolas de rejilla húmeda. Su placa de descarga de celosía expulsa la pulpa del tambor a un nivel controlado, permitiendo que las partículas gruesas salgan antes de que pasen el objetivo. Para tareas de trituración y segunda etapa más finas, los molinos de descarga de desbordamiento retienen la pulpa por más tiempo. Elegir entre los dos no es una decisión de catálogo; se desprende directamente del objetivo de molienda y del índice de trabajo de su mineral. Si desea un recorrido más profundo de esta máquina (carga de medios, elección del revestimiento, fallas comunes y rutinas de mantenimiento), nuestra guía para operar y mantener un molino de bolas tipo rejilla húmeda cubre los detalles.

Especificaciones que debes precisar antes de comprar

• Dureza del mineral: consultar por el índice de trabajo Bond en kWh/t. Los minerales blandos, como la piedra caliza, se sitúan entre 8 y 12, la mayoría de los minerales de pórfido de cobre y zinc entre 12 y 16, y los minerales duros tipo taconita pueden superar los 20.
• Tamaño del pienso y del producto: el máximo terrón de pienso que debe aceptar el molino y el P80 que debe entregar el circuito, indicado por escrito.
• Rendimiento y servicio: toneladas por hora para la molienda de primera etapa versus la molienda, porque el mismo mineral puede necesitar máquinas diferentes para cada uno.
• Consumo de acero: medios de molienda y gramos de revestimiento por tonelada, un costo silencioso que en minerales abrasivos rivaliza con la electricidad.
• Potencia por tonelada: indique los kWh/t en la molienda objetivo, no solo los kilovatios del motor instalado.

Un proveedor que responde a esos cinco números de las pruebas de su muestra real vale más que uno que cotiza un modelo de catálogo del doble de tamaño a la mitad de precio. Las fábricas sobredimensionadas no sólo desperdician capital; un molino con poca carga rompe los medios y los revestimientos más rápido e incluso puede moler más grueso que uno más pequeño correctamente cargado.

Etapa 2: Dimensionamiento y Clasificación

Primera conclusión: la clasificación es un seguro barato para todo lo que ocurre en el futuro. El escenario en sí no recupera ningún metal y no vende nada. Lo que hace es decidir, partícula por partícula, qué tamaños avanzan y cuáles regresan para realizar más trabajo. Cuando los resultados de la flotación varían, el primer lugar donde miran los metalúrgicos experimentados suele ser el desbordamiento del ciclón, no el estante de reactivos.

Cribas, clasificadores espirales e hidrociclones

Dos familias de equipos hacen este trabajo. Las cribas funcionan en seco y por apertura, desde cribas grizzly que protegen las trituradoras primarias hasta cribas finas de cerca de 0,1 mm. Las máquinas clasificadoras funcionan en húmedo y según el comportamiento de las partículas en agua, lo que las convierte en el socio natural de los molinos de bolas. El clasificador en espiral utiliza una artesa inclinada y un tornillo giratorio: las arenas gruesas se hunden, el tornillo las arrastra cuesta arriba hasta la alimentación del molino y los finos se desbordan a la siguiente etapa. Es simple, tolera los aumentos repentinos de alimentación y es fácil de mantener, por lo que sigue siendo común en circuitos de tamaño mediano y diagramas de flujo de molienda de dos etapas donde los cortes son más gruesos y la alimentación es moderada.

El hidrociclón no tiene ninguna pieza móvil. El purín se bombea tangencialmente; La fuerza centrífuga arroja partículas gruesas a la pared y las expulsa a través del ápice, mientras que los finos salen en espiral del buscador de vórtices en la parte superior. Al cambiar el diámetro, la presión, el ápice y los tamaños del buscador de vórtices, un operador puede colocar el corte de separación en cualquier lugar entre aproximadamente 5 y más de 100 micrones. El flujo inferior del ciclón regresa al molino como carga circulante (comúnmente entre el 150 y el 350 % de la nueva alimentación) y el flujo excedente se convierte en alimentación de flotación a un P80 estable.

La clasificación también protege la economía de la liberación. Cada partícula que se encuentra debajo del objetivo desperdicia energía y se convierte en una baba que es difícil de recuperar y lenta para deshidratarse. Mantener el bucle apretado (tamaño de corte correcto, densidad constante, piezas de desgaste reemplazadas antes de que distorsionen el corte) es una de las disciplinas menos glamorosas y más rentables en una concentradora. Pregunte a cualquier proveedor cómo su clasificador o paquete de ciclón mantiene su corte bajo desgaste, no sólo el día de la puesta en servicio; la respuesta separa a los proveedores de equipos de los socios de procesos genuinos.

Etapa 3: Concentración - Separación de minerales de valor de la ganga

La concentración es donde aparece el dinero. La alimentación ingresa con una ley que a menudo se mide en fracciones de porcentaje y sale como un producto que vale la pena enviar: concentrado de cobre comúnmente entre 20 y 30 % de Cu, concentrado de zinc por encima del 45 % de Zn, y la recuperación decide si el plan de negocios de la mina realmente funciona. Las cuatro etapas son importantes, pero ésta es aquella en la que la química, la física y el diseño de máquinas se encuentran de manera más visible.

Flotación de espuma: el caballo de batalla de la industria

La flotación explota una propiedad simple de la superficie: con los reactivos adecuados, las partículas minerales valiosas se niegan a humedecerse y, en cambio, se adhieren a las burbujas de aire, transformándolas en una espuma que se elimina como concentrado. Los reactivos cumplen varias funciones: los recolectores hacen que las superficies objetivo sean hidrofóbicas, los espumantes estabilizan el manto de burbujas, la cal u otros modificadores fijan el pH y los depresores o activadores encienden y apagan los minerales individuales. Antes de que algo funcione, la lechada debe cumplir con la química adecuada, que es la tarea del acondicionamiento: un tanque de mezcla de agente o un tanque de mezcla de alta concentración proporciona a los reactivos varios minutos de tiempo de contacto para que la primera celda reciba pulpa tratada en lugar de una sorpresa química.

Un circuito de producción lo gestiona como un circuito de bancos. Las células más rugosas se recuperan rápidamente y en masa; las células carroñeras exprimen el resto de los relaves más ásperos; Las células más limpias vuelven a limpiar el concentrado más áspero para alcanzar la calidad, y sus relaves se reciclan a la cabeza. La calidad y la recuperación se intercambian entre sí en cada válvula, y el diseño del circuito (no los reflejos del operador) determina dónde se establece ese intercambio.

La elección de la máquina depende del tamaño de las partículas y del tonelaje. Las máquinas autocebantes tipo SF, JJF y BF extraen su propio aire y lodo y se adaptan a plantas de tamaño mediano que desean menos bombas y diseños más simples. Para celdas grandes y alimentos gruesos o densos, las máquinas de tanque XCF y KYF funcionan con un soplador común: las celdas KYF brindan una fuerte dispersión de aire a baja potencia, mientras que las celdas XCF manejan la entrada de lodo entre bancos para que toda la línea fluya horizontalmente sin bombas auxiliares. Las tareas con granos gruesos requieren máquinas tipo CLF que mantengan en suspensión las partículas pesadas.

Las modernizaciones muestran claramente el apalancamiento. En una mejora de la flotación de zinc de 3.000 toneladas por día en Yunnan, la sustitución de los antiguos bancos por máquinas con tanques más grandes y una clasificación más estricta dieron a los metalúrgicos un P80 estable con el que trabajar, y siguió la recuperación. Proyectos como esa reforma técnica de flotación de zinc rara vez cambian el mineral; cambian la coherencia con la que las cuatro etapas se transmiten entre sí.

Cuando la flotación no es la respuesta: separación por gravedad, magnética y electrostática

La flotación domina los sulfuros y muchos minerales industriales, pero otras tres familias se ganan su lugar donde la física les conviene más. La separación por gravedad aprovecha las diferencias de densidad en plantillas, mesas vibratorias y concentradores en espiral; Es barato por tonelada y sobresale en oro grueso, casiterita, cromita y arenas minerales pesadas, pero pierde eficiencia a medida que las partículas se vuelven finas. La separación magnética es la columna vertebral del mineral de hierro magnetita (los separadores de tambor recuperan habitualmente la magnetita por encima del 90%) y las versiones de alta intensidad extienden el método a la hematita y la ilmenita. La separación electrostática separa los conductores de los no conductores en circuitos secos de arena de playa, separando el rutilo del circón donde ambos no son magnéticos.

Etapa 4: Deshidratación: espesadores, filtros y recuperación de agua

La deshidratación parece una tarea doméstica y se comporta como un centro de ganancias. Una alimentación de flotación con un 30% de sólidos transporta más de dos toneladas de agua por cada tonelada de mineral. Si esa agua sale con el concentrado y los relaves, la planta debe bombear, tratar y pagar reposiciones; si se recupera y se devuelve, la misma agua sirve al circuito durante años. En las regiones mineras áridas, la recuperación de agua no es una partida de sostenibilidad: es la licencia de operación.

El espesamiento devuelve la mayor parte del agua primero.

El espesante hace el trabajo pesado. La lechada diluida ingresa a un tanque grande, el floculante une las partículas finas en grupos que se sedimentan rápidamente y el agua limpia se desborda del borde para su reutilización mientras los rastrillos empujan el lecho sedimentado hacia una descarga central. Un espesador convencional con accionamiento central (la configuración utilizada en la mayoría de los concentradores de tamaño mediano) normalmente recibe alimentación con un 20-35 % de sólidos y entrega un flujo inferior con un 50-70 % de sólidos, devolviendo el exceso como agua de proceso. El tamaño de un espesador es un ejercicio de prueba de sedimentación: el área por tonelada por día depende de qué tan rápido se sedimentan realmente los sólidos floculados, no del optimismo del catálogo.

La misma lógica se aplica a los relaves. Espesar los relaves a 55-70% de sólidos antes de que salgan de la planta encoge la instalación de relaves, reduce el riesgo de filtración y mantiene el agua en el circuito en lugar de enterrarla bajo un estanque. Para muchos proyectos nuevos, el espesador de relaves ahora se diseña al mismo tiempo que el espesador de concentrado, porque ambos utilizan los mismos datos de sedimentación.

Filtración y secado: listos para el camino

La filtración finaliza el concentrado. Los filtros de tambor y de disco de vacío comúnmente llevan los concentrados de cobre o zinc a la banda de humedad del 8-15%, los filtros de presión bajan cuando las especificaciones son estrictas y los filtros de disco cerámicos brillan en los concentrados finos y de alto valor. La mayoría de los concentrados enviados viajan bajo los límites de humedad en el rango del 8-12% establecidos por las reglas de seguridad del transporte, por lo que el filtro es la última puerta de calidad antes de vender el producto. El secado térmico se añade sólo cuando los filtros no pueden alcanzar las especificaciones, porque el combustible es más caro que la tela filtrante.

Un punto que a menudo se pasa por alto: el rendimiento de deshidratación se remonta a aguas arriba. El agua reciclada transporta reactivos y sales disueltos y, a medida que se cierra el circuito, la química del agua cambia y puede alterar la selectividad de flotación. Las plantas que monitorean la calidad del agua de retorno junto con la ley y la recuperación evitan la lenta deriva que de otro modo aparece meses después de la puesta en servicio.

Cómo se equilibran entre sí las cuatro etapas: un ejemplo de equilibrio de masa

Primera conclusión: las cuatro etapas no son cuatro compras separadas; son un balance de masa dividido en cuatro puestos de trabajo. La forma más rápida de verlo es mediante la simple aritmética en una planta de cobre de tamaño mediano.

La alimentación de 10.000 toneladas diarias con un 1,0% de cobre transporta 100 toneladas de metal contenido. Con una recuperación del 90%, 90 toneladas pasan al concentrado. Si el concentrado tiene una ley de 25% de cobre, la producción diaria es de 360 ​​toneladas, y aproximadamente 9.640 toneladas de relaves salen de la planta con las 10 toneladas restantes de cobre. Cada una de las cuatro etapas aparece en esos números: el costo de trituración y el tamaño de la molienda establecen qué tan cerca del 90% de recuperación puede alcanzar la planta, la estabilidad de la clasificación decide si esa recuperación se mantiene durante todo el turno, el equipo de concentración establece la ley del 25% y la deshidratación decide qué cantidad de las más de 23.000 toneladas de agua utilizadas diariamente con un 30% de sólidos regresa.

Lea las interacciones en ambas direcciones. Una molienda más fina aumenta la liberación y la recuperación potencial, pero multiplica el costo de energía y los lodos, que luego obstaculizan tanto la flotación como el espesamiento. Una molienda más gruesa ahorra energía y permite que los espesadores funcionen más rápido, pero pierde valor en los relaves. Una mayor dilución aguas arriba suaviza la flotación pero carga el espesante; Los flujos inferiores más gruesos facilitan la deshidratación pero corren el riesgo de que partículas gruesas se escapen a las células. Ninguna etapa se puede ajustar de forma aislada, razón por la cual los diseñadores experimentados establecen el equilibrio de masas en papel antes de soldar un solo tanque.

Una lista de verificación del comprador para el equipo en cada etapa

La mayoría de las decepciones en materia de adquisiciones en el procesamiento de minerales se remontan al mismo puñado de lagunas: pruebas realizadas con el mineral de otra persona, energía indicada como tamaño del motor y términos de servicio vagos hasta la primera avería. La siguiente lista convierte las cuatro etapas en preguntas que puede plantear a cualquier proveedor.

1. Ejecute primero los ensayos y la mineralogía. Sepa qué minerales tienen valor, el tamaño de sus granos y cómo se entrelazan con la ganga, porque el tamaño de la liberación decide todo el diagrama de flujo.
2. Exija pruebas en su muestra. Las pruebas de molienda, sedimentación y flotación a escala de banco en su mineral (no en un depósito "similar") son la reducción de riesgo más barata que puede comprar.
3. Haga coincidir la clase de máquina con el servicio. Descarga de rejilla para la primera etapa de molienda y rebose para la molienda; clasificadores en espiral o hidrociclones según su corte; tipos de celdas autocebantes o sopladas para adaptarse al tonelaje y al tamaño de las partículas.
4. Compare la energía por tonelada, no por kilovatios. Pregunte por kWh/t en la molienda objetivo y una estimación de la potencia del ciclo de vida, ya que la molienda por sí sola puede consumir la mitad de la electricidad de la planta.
5. Poner precio a las piezas de desgaste. Los medios, revestimientos, componentes ciclónicos, telas filtrantes y dientes de rastrillo son costos recurrentes; confirmar por escrito sus tasas de consumo y plazos de entrega.
6. Verifique el circuito de agua. Un espesante citado sin realizar pruebas es una suposición; Pregunte por el área de sedimentación por tonelada por día detrás de la oferta.
7. Poner en el contrato instalación y puesta en marcha. Un proveedor con experiencia real en el campo se comprometerá con la supervisión, el apoyo a la puesta en marcha y la capacitación de los operadores, no solo con un cronograma de entrega.
8. Preguntar por plantas de referencia con la misma familia de minerales. Un proveedor que haya encargado mineral similar en un tonelaje similar diseñará en torno a problemas que usted aún no ha enfrentado.

Dos de ellos merecen énfasis. Las pruebas en su mineral real no son negociables, porque cada regla general en este artículo se adapta a la mineralogía. Y el apoyo a la puesta en marcha separa a los proveedores de equipos de los constructores de plantas: las primeras semanas de un nuevo concentrador establecen sus hábitos operativos durante años, y un equipo de puesta en marcha experimentado evita que se formen malos hábitos.

Del diagrama de flujo a la planta de trabajo: por qué es mejor planificar las etapas en conjunto

Un diagrama de flujo elaborado por un equipo y equipos comprados a varios otros tienden a coincidir por primera vez en el sitio, donde los problemas de interfaz son costosos: una descarga de molino que no se adapta a la alimentación del clasificador, un espesador dimensionado para la pulpa de otra persona, un sistema de control que habla tres dialectos. La entrega de ingeniería, adquisiciones y construcción, generalmente abreviada como EPC, existe para eliminar esas costuras. Una parte lleva el balance de masa desde las pruebas hasta la puesta en servicio, por lo que las cuatro etapas se diseñan entre sí en lugar de ensamblarse después del hecho.

Ese modelo es adecuado para los fabricantes que construyen ellos mismos el equipo. Nuestra fábrica en Zhuji, Zhejiang, a unos 70 kilómetros de Hangzhou, con conexiones ferroviarias y por carretera con el puerto, ha dedicado décadas a equipos de mezcla y enriquecimiento por proceso húmedo, respalda sus diseños con un sistema de calidad certificado ISO 9001 y más de 200 máquinas de producción y prueba, y ofrece proyectos EPC completos de procesamiento de minerales. El trabajo reciente abarca toda la cadena de cuatro etapas: máquinas de flotación XCF-KYF16, tanques de mezcla de 3.000 por 3.000 y un espesador de 9 metros enviados juntos para una planta de potasa en Tailandia; concentradores de espodumena y lepidolita en Sichuan y Zimbabwe; circuitos de zinc, molibdeno y cobre en Mongolia Interior, Shaanxi y Guangxi; y proyectos de potasa en lagos salados en Qinghai y Laos.

El beneficio práctico para el propietario de una planta es la responsabilidad única. Cuando el molino, el clasificador, las celdas de flotación y el espesador provienen de un mismo ámbito de ingeniería, las garantías de rendimiento se negocian una vez, las piezas de repuesto comparten un tiempo de entrega y el equipo de puesta en servicio ha visto el diagrama de flujo antes de aterrizar. Eso no hace que un proyecto esté libre de riesgos -los minerales siempre están llenos de sorpresas- pero elimina los riesgos autoinfligidos, que son los que más cuestan.

Preguntas frecuentes

Si está planificando un nuevo concentrador o reconstruyendo uno antiguo, incluya las cuatro etapas en la discusión desde el principio, idealmente con un ensayo de cabeza, un rendimiento objetivo y, cuando esté disponible, un informe de laboratorio en mano. Esos tres documentos permiten a un ingeniero de equipos esbozar un balance de masa, proponer la clase de máquina adecuada para cada etapa y señalar los riesgos que realmente importan para su mineral, en lugar de citarlos en un folleto.

Nuestros ingenieros trabajan con minerales de cobre, zinc, oro, fosfato, potasa y litio desde las primeras pruebas hasta la puesta en servicio de la planta, y nos complace igualmente revisar un diagrama de flujo existente como diseñar uno nuevo. Envíe sus detalles del mineral, objetivo de rendimiento y requisitos de molienda, y le presentaremos una propuesta etapa por etapa que podrá comparar con cualquier otra oferta.