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  • 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. 1
  • 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 2
  • 3. Luis crispin Procesamiento de Minerales I 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 3
  • 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 4
  • 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. 5
  • 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 6
  • 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. 7
  • 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 8
  • 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 9
  • 10. Procesamiento de Minerales I Luis crispin 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…………………… 10

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