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CONCENTRACION DE MINERALES 2013-1 Introducción Prof. Dr. Dr. Adolfo Pillihuaman Pillihua man Zambrano Docente Sección Ingeniería de Minas - PUCP

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La Metalurgia comprende el estudio de los metales y aleaciones desde su obtención a sus aplicaciones debidas a sus propiedades (físicas, químicas y mecánicas), pasando por tratamientos térmicos, mecánicos y químicos, y por los métodos de conformación y ensayos.  Aunque, no hay posibilidad de separar con rigor el aspecto físico del químico, es usual dividir la Metalurgia en Metalurgia Extractiva o Química y Metalurgia Transformativa Transformativa o Física

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La Metalurgia Transformativa comprende

el estudio del estado metálico y su relación con las propiedades de la estructura fina, micrográfica y macrográfica, mediante el empleo de rayos X, la difracción electrónica, el microscopio metalográfico, óptico y electrónico, los análisis térmicos y dilatométrico, etc., y los ensayos físicos y mecánicos y los tratamientos mecánicos y térmicos con las variaciones en las propiedades físicas y mecánicas que se producen en los metales y aleaciones como consecuencia de los mismos.

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 A la Metalurgia Extractiva se adscriben principalmente los métodos de obtención de los metales a partir de sus minerales; en tanto que a la Metalurgia Transformativa se ocupa de la naturaleza, estructura y propiedades físicas y mecánicas de los metales y aleaciones.

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PERU

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La Metalurgia Extractiva opera con dos tipos generales de materias primas: las menas metálicas y las fuentes secundarias.

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La fuentes secundarias comprenden las chatarras metálicas así como subproductos o residuos industriales o de consumo que contienen metales libres o en forma combinada. Contribuyen a la producción de alrededor del:  50% del hierro, cobre y plomo, 30% del aluminio y zinc y aproximadamente 20% de metales preciosos. • • •

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En buena parte, estas fuentes secundarias pueden introducirse a la metalurgia primaria. Sin embargo, estos materiales se producen actualmente en cantidades superiores a las que puede absorber la metalurgia primaria y por ello se procesan en plantas de reciclaje.

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El beneficio o procesamiento de minerales es un conjunto de operaciones que se realizan para convertir un producto geológico en un mineral útil para realizar las operaciones propias de la metalurgia extractiva: Pasar de mineral a metal.

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Los minerales

Los minerales por definición son sustancias inorgánicas naturales que poseen una composición y estructura química definida.

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Muchos minerales muestran isomorfismo, donde se produce la sustitución de átomos dentro la estructura cristalina por átomos similares sin afectar la estructura atómica. Los minerales pueden también mostrar polimorfismo , diferentes minerales teniendo la misma composición química tienen diferentes propiedades físicas debido a la diferencia en la estructura cristalina.

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Una m en a m et áli c a  puede definirse como una asociación de minerales a partir de la cual uno o varios metales pueden ser obtenidos de forma económicamente favorable. La mena está formada de dos partes: el mineral, porción relativamente rica en el metal o elemento que se desea obtener, de composición química definida; y la g a n g a , el estéril o desperdicio.

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La ganga  generalmente es rocosa, silicatos o calizas. Solo pocos metales se encuentran nativos en las menas, estos son el oro, el cobre, la plata, el platino. Lo corriente es encontrarlos en forma de combinaciones químicas estables.

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 Yacimientos

Un yacimiento  puede ser descrito brevemente como una acumulación de mineral en una cantidad tal que pueda ser extraído económicamente. Esto se determina por el precio del mineral en el mercado y este puede variar de acuerdo a la demanda. Con el paso del tiempo y el agotamiento de depósitos ricos y accesibles, un depósito mineral no rentable puede convertirse en un yacimiento.

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Mejoras metalúrgicas e introducción de nuevos métodos,

se convierten también en factores que hacen posible la explotación de depósitos hasta ahora considerados no rentables.  Así la introducción de la flotación en la concentración de minerales permitió la recuperación de cobre de un material con 1% de Cu, considerado antes no rentable.

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Los factores que determinan la conveniencia de explotar y procesar un depósito económicamente pueden resumirse en: Ubicación y tamaño del depósito.

•

El contenido metálico o ley   del metal o metales

•

potencialmente extraíbles. El precio del metal: Un mineral con 10% de aluminio

•

no es mena de este metal; mientras que uno con 10 ppm de oro puede considerarse una mena rica.

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Los costes de explotación minera: •

•

•

Dependen del tamaño y tipo de yacimiento. Los grandes depósitos superficiales, explotables a cielo abierto, permiten trabajar con leyes más bajas. Los pequeños o profundos yacimientos, explotables únicamente por minería subterránea.

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Los costes de los procesos de extracción.

Dependen tanto de las características físico químicas de la mena como las del metal que se va a obtener. Las menas con minerales fácilmente concentrables o bien fácilmente solubles, posibilitan trabajar con yacimientos de leyes menores. •

•

 –

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La presencia de elementos tóxicos o de difícil comercialización, (las impurezas, elementos como •

arsénico, antimonio, bismuto, cadmio, mercurio y teluro, reducen o incluso anulan el valor de una mena).

Contenido del depósito, su mineralogía, y su textura. (La textura se refiere al tamaño y la distribución de los minerales con valor dentro del yacimiento. •

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Sin embargo, con frecuencia, el mineral se presenta finamente diseminado, y es necesario un examen microscópico para estudiar su presencia. Es importante conocer la naturaleza de los minerales para su procesamiento, pues existe diferencia entre la mena y ganga. Aspectos financieros, requerimientos para inversión, capital de trabajo, costos de capital, impuestos, patentes y regalías.

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Costos de operación mina:

Los costos en minería subterránea son más altos que en minería a cielo abierto y aluvial, y es más económico solamente en yacimientos con alto contenido. Contenidos de 0.8 a 2 % son típicos en una mina subterránea de Sn, mientras que en una operación aluvional se puede trabajar con leyes mucho más bajas. Una operación con draga en Malasia puede procesar material con un contenido de 0.02 % de Sn o menos 1 %. •

•

•

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•

Costos de servicios, tales como suministro de

energía, agua, caminos, dique de colas o relaves, etc. Demanda del mineral concentrado, precio del metal, y valor del concentrado puesto mina. •

Flujograma de tratamiento en la planta de concentración, costos de operación, leyes de •

concentrado, recuperación obtenible.

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Se debe tomar en cuenta que el precio del metal en el mercado no se aplica en su totalidad al concentrado. Los términos de compra establecidos por la fundición se basan generalmente en un contenido nominal del concentrado, contenidos bajos son penalizados en relación directa con el contenido del metal.

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Los costos de fundición y refinación son deducidos  juntamente con un porcentaje por las pérdidas de tratamiento. Impurezas en el concentrado, las que estén sobre los límites especificados, son penalizadas Pero también se bonifica por metales preciosos que pueden ser recuperados del concentrado. Por lo tanto, el precio del concentrado en el mercado varía de acuerdo a su ley y contenido de impurezas.

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El contenido de metal mínimo para que un depósito sea calificado como yacimiento varía de metal a metal de acuerdo a los factores anotados anteriormente. Hay muchas plantas que recuperan mineral tratando colas, donde la ley de cabeza es mucho más baja de la ley que podría ser económica para una operación subterránea.

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 A los yacimientos frecuentemente se los clasifica de acuerdo a la naturaleza del mineral valioso que contienen.  Así, en los yacimientos nativos, el metal está en forma natural, como el oro, platino. En yacimientos sulfurosos el metal está en forma de sulfuros y en yacimientos oxidados el metal se presenta en forma de óxidos.  Yacimientos complejos son aquellos que contienen cantidades rentables de más de un mineral valioso. •

•

•

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metálicos se encuentran frecuentemente en ciertas asociaciones, como la •

Los

minerales

galena y esfalerita, por ejemplo, van comúnmente asociadas, también sulfatos de cobre con esfalerita, en menor grado. La pirita (FeS2) suele estar también asociada a los minerales indicados. También los yacimientos se clasifican de acuerdo a la naturaleza de las gangas, tal como calcáreos o básicos (ricos en cal) silíceos ó ácidos (ricos en sílice). •

•

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PRINCIPIOS FÍSICOS Y QUÍMICOS QUE SE UTILIZAN EN LA CONCENTRACIÓN DE MINERALES En el procesamiento de minerales se hacen uso de propiedades físicas y químicas de minerales y rocas. La diferencia en su comportamiento entre el mineral valioso y los minerales no valiosos proporcionan métodos para la separación de éstos de los otros.

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Las propiedades físicas y químicas de interés en la concentración de minerales son: Gravedad Dureza Peso específico y densidad Sedimentación Fuerza centrífuga y centrípeta Trabajo y potencia Energía  Adsorción Rozamiento pH Viscosidad Principio de Arquímedes

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OBJETO DE LA CONCENTRACIÓN DE MINERALES El objetivo es de producir un concentrado del mineral valioso con una ley, la más alta posible y a un costo lo más bajo posible. La recuperación, del mineral valioso, debe ser la más alta posible y el rechazo del material sin valor debe ser la más alta posible. Todas las partes de la plantas deben estar, de tal manera sincronizadas, que se logre el máximo de retorno por tonelada de mineral tratado.

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El mineral de la mina (run-of-mine) está constituido de minerales valiosos y no valiosos (ganga). El procesamiento o la concentración de minerales tiene por objeto preparar el mineral de la mina para extraer el mineral valioso.

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Concentración de minerales

Es un proceso de separación entre las partes con valor (mena) y las sin valor (ganga), para producir una porción enriquecida, o concentrado, que contiene la mayor parte del mineral valioso, y un descarte,  o cola, o relave que contiene material estéril. Reduce la cantidad de material que debe ser manipulada en las plantas, reduce a si mismo la cantidad de energía y reactivos para producir el metal puro en procesos siguientes.

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Diagrama de flujo de una planta concentradora

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Representación concentradora

esquemática

de

equipos

de

planta

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Diagrama de flujo de una planta concentradora

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Diagrama de flujo de una planta concentradora

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Importancia:

La concentración de minerales es una operación unitaria dentro de la Ingeniería Metalúrgica y comprende desde la etapa que sale el mineral del socavón o tajo abierto hasta la concentración propiamente dicha por separación tanto física como química de la mena y la ganga.

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Es importante tener conocimiento de esto para el Ingeniero de Minas ya que las tres ingenierías, Geológica, Minas y Metalúrgica, están ligadas y trabajan juntas en la exploración, explotación y concentración-transformación del bien mineral.

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Conceptos: Mineral, es el producto de la explotación de una mina,

ya sea que este producto tenga o no valor comercial, este está constituido por la mena (parte valiosa) y la ganga (parte estéril o inservible) Mena, esta constituida por especies mineralógicas valiosas y cuyo aprovechamiento constituye el motivo fundamental de la explotación minera. Ganga, esta constituida casi siempre por especies mineralógicas terrosas o pétreas, principalmente cuarzo, o ciertos minerales metálicos sin valor comercial como pirita (FeS2), etc y otros que son perjudiciales como arsenopirita (FeAsS), rejalgar (AsS), oropimente (As2S3), estibina (SbH3), etc.

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En todo tratamiento de concentración de minerales se denomina: Cabeza, al mineral bruto que se alimenta al tratamiento Concentrado, al material valioso que se obtiene por el procedimiento de concentración empleado y que contiene la mayor parte de la especie mineralógica valiosa. Relave, es la parte sin valor que sale del tratamiento, está constituido fundamentalmente por ganga y lleva consigo algo de mena

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En forma general las operaciones que llevan a la concentración de minerales pueden ser clasificadas en cuatro: Preparación del mineral Concentración (separación sólido-sólido), propiamente dicho Desaguado (separación sólido-líquido) Operaciones de transporte y almacenamiento

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Imagen de barrido electrónico (EDS) Composición química de las fases presentes

Fase 1 2 3 4 5

O 12.26 27.06 14.22 20.29

Mg 11.73 23.38 10.74 0.52

Al Si Ca 15.25 0.73 0.29 1.47 42.21 0.39 13.66 0.47 0.27 15.99 60.57 1.41 Resina de embutimiento

Cr 41.78 1.24 41.0 0.77

Fe 17.95 4.25 19.65 0.45

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Composición química del concentrado (difracción de rayos X)  Análisis

Cr 2O3

Fe2O3

FeO

SiO2

 Al2O3

MgO

CaO

CO2

volátiles

Fe total

Ferbasa

41.2

na

16.86

5.66

17.29

15.63

0.38

na

na

13.1

Outo kumpu

43.7

6.1

12.50

4.30

17.40

15.30

0.30

0.43

0.98

13.8

Distribución granulométrica del concentrado (cromita) Malla

Abertura (µm)

% ac. retenido

% ac. pasante

100

147

0.00

100

150

104

0.75

99.25

200

74

20.96

79.04

270

53

73.39

26.61

400

38

97.18

2.82

100

0.00

-400

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Preparación del mineral:

Consiste en operaciones de reducción de tamaño y separación de partículas (trituración-tamizado en rangos gruesos y molienda-clasificación en rangos finos), para liberar los minerales valiosos de los estériles y preparar el conjunto en un rango de tamaños adecuados.

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La concentración puede realizarse por cualquiera de los siguientes métodos: Flotación, su aplicación se basa en la diferencia entre las

propiedades superficiales de las partículas. Es el método mas importante de concentración y tiene aplicaciones en la obtención de concentrados de sulfuros, de carbonatos, silicatos, óxidos, fosfatos, elementos nativos (oro, cobre, plata) y carbones.

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Gravimetría, consiste en la separación sólido-sólido

utilizando la diferencia entre las densidades de los minerales; se utiliza especialmente en la concentración de minerales de plomo, oro, estaño, tungsteno y otros. Magnetismo, método de concentración que utiliza la

diferencia entre las susceptibilidades magnéticas de los minerales. Encuentra cada vez mayor aplicación debido al desarrollo de aparatos que permiten separar materiales con susceptibilidades magnéticas muy bajas.

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Electrostática, se aplica a casos específicos de

minerales que pueden ser separados debido a sus propiedades conductoras de electricidad. Escogido ó pallaqueo, sin duda es el método más

antiguo de concentración y consiste como su nombre lo indica, en el escogido a mano ó mediante la ayuda de aparatos, de un mineral valioso aprovechando su diferenciación en color, brillo, fluorescencia, etc. de los materiales estériles.

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El desaguado, constituye un conjunto de operaciones de separación sólido-líquido (sedimentación ó espesamiento, filtración y secado) que se realizan con el fin de eliminar agua (que en muchos casos es reciclada) de las pulpas de concentrados y relaves originados durante la concentración.