espirales de concentracion

por Juan Luis Bouso ERAL, Equipos y Procesos S. A.

INDICE

1. Introducción Introducción 2. Procesos gravimétricos 3. Espirales concentradoras 4. Plantas industriales

Las espirales de concentración y su vuelta a la actualidad RESUMEN Los primeros procesos de trata-  miento, hasta la llegada de la flotación, f lotación, fueron especialmente gravimétricos, y en ocasiones hidrometalúrgicos. hidrometalúrgicos. Las caídas de los precios de los  metales, tienen con frecuencia efec-  tos positivos, en cuanto obligan a las  empresas productoras, y técnicos  metalurgistas a optimizar los proce-  sos de concentración, buscando me-  nores costes operativos. Sin lugar a  duda el mayor coste en el proceso  global de tratamiento de cualquier mi-  neral se centra en la etapa de reduc-  ción de tamaños, y concretamente en  las etapas de molienda. Los procesos gravimétricos, basa-  dos en la diferencia de densidades  entre mena y ganga, permiten la con-  centración o enriquecimiento de mi- 

nerales pesados o carbón, desde ta-  maños inferiores a 100 mm, y en ge-  neral desde granulometrías granulometrías inferiores  a 15 mm con bastante eficiencia, y  muy eficientemente con tamaño de  partículas inferiores a 2 mm. Lo mis-  mo podría decirse de los procesos 

hidrometalúrgicos, en los que la  lixiviación en pilas de minerales de  cobre, tanto óxidos como sulfuros se-  cundarios, ha mostrado un especta-  cular avance y desarrollo en los últi-  mos diez años. La concentración gravimétrica de 

plotación valgan las cifras siguientes: se movieron más de 200 millones de m3 con un contenido medio de oro de 2 g/t y se debieron producir más de 4 toneladas anuales de oro metal, hay galerías visitables de más de 650 m de longitud, y se estima que el numero de trabajadores fue del orden de 7.000. Para esta explotación el agua era esencial, por lo que la trajeron de los montes Aquilanos cercanos al yacimiento, existiendo 400 km de canalizaciones con ocho acueductos, y una capacidad de almacenamiento de agua superior a 20.000 m 3 .El historiador Plinio el Viejo describe con detalle el sistema de explotación, Ruina Montium, "Quebrantado, el monte cae por sí mismo, con gran estruendo y fuerte viento que no puede ser confracciones finas, inferiores a 1 o 2  bón representan un caso típico don-  cebido por la mente humana", figura  mm, mediante espirales, se presenta  de las espirales son igualmente un  2. como una promisoria alternativa frente  equipo indispensable. Al desarrollarse la flotación para el o como complemento al proceso con-  tratamiento de minerales metálicos, vencional de flotación, pues permite  los procesos gravimétricos no desaprescindir o reducir las etapas de  Los primeros procesos de concen- parecieron pero pasaron a un segunmolienda fina, de costes elevados, tración de minerales fueron gra- do plano, a excepción de los mineratanto de inversión como operativos. vimétricos, seguidos de procesos les conocidos como "pesados" como Minerales metálicos, como Cobre, pirometalúrgicos para obtener los el wolframio, estaño, hierro, etc., que Zinc, Plomo, Hierro y Oro, pueden in-  metales; en ocasiones los concentra- siguieron tratándose por gravimetría, cluir en sus procesos, espirales, al  dos gravimétricos obtenidos eran re- con etapas de refino por flotación para menos como etapas de preconcen-  finados con procesos hidrometa- eliminar la pirita y arsenopirita, siemtración. En el caso de minerales in-  lúrgicos, como en el caso del oro y el pre ligada a estos minerales. dustriales como el Zirconio, Titanio, cobre. Los minerales de hierro y el carCuarzo entre otros, las espirales cons-  bón siempre fueron prioritariamente El yacimiento aurífero español de tituyen el corazón del proceso de en-  Las Medulas de origen romano, es un tratados con gravimetría, al igual que riquecimiento, seguidas de las nece-  extraordinario ejemplo de gravimetría determinados minerales industriales sarias etapas de separación electro-  en gran escala, figura 1. 1. La explota- como la barita, el espato flúor, el magnética y electrostática. Minerales  ción debió comenzar en el siglo I a.C titanio, zirconio, etc.. pesados como el Wolframio y Esta-  y terminó a fines del siglo II d.C. Para Cada vez que por cualquier cauño, o productos ligeros como el Car-  dar una idea de la magnitud de la ex- sa, caen los precios de los metales,

INTRODUCCIÓN

los mineralurgistas volvemos la vista hacia estos procesos sencillos; quizás por eso no muy valorados; pues a pesar de ser menos efectivos que la flotación, son de costo operativo muy inferior. Una buena combinación de ambos procesos podría significar buena recuperación a bajo costo. Un aspecto positivo de los procesos gravimétricos es su posibilidad de aplicación a partir de granulometrías gruesas, pudiéndose tratar partículas de hasta 100 mm, lo que significa signific a que se puede prescindir de las etapas de molienda. El lado negativo es su mal comportamiento con las partículas finas, tanto en términos de recuperación como de capacidad de tratamiento. Por supuesto la posibilidad de aplicación de la gravimetría va condicionada a la existencia de liberación de la mena de la ganga, aunque sólo sea parcialmente; según el grado de liberación de las diferentes especies minerales en el mineral bruto, podrán producirse preconcentrados o concentrados finales. Si la liberación no es suficiente, la gravimetría permite obtener preconcentrados intermedios que posteriormente pueden ser molidos y reducidos al tamaño necesario, de modo que con una etapa de concentración posterior, bien gravimétrica, de flotación, o con cualquier otro proceso puede producirse un concentrado final reduciendo considerablemente el tamaño de las etapas de molienda. El trabajo que se presenta a continuación intenta exponer brevemente

los diferentes procesos gravimétricos existentes, para centrarse en la gravimetría de finos mediante espirales, donde nuevos avances, especialmente en el t ratamiento de ultrafinos permiten considerar esta alternativa como válida. Finalmentese exponen algunos ejemplos de aplicación de esta tecnología a los minerales metálicos, no metálicos o industriales, y carbón.

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2.-PROCESOS GRAVIMÉTRICOS El proceso gravimétrico basa su principio de operación en la diferencia de pesos específicos de los diferentes minerales, y es sin duda el método más simple y económico de concentración. Lógicamente cuanto mayor es la diferencia de densidad entre la mena y la ganga, más fácil y eficaz resulta la separación. Existen dos situaciones bien diferentes, la concentración de minerales pesados y el lavado o concentración de carbón. En la primera de ellas, el mineral a recuperar, mena, tiene una densidad específica superior a 2.6002.700 kg/m3, que es la mayoría de las veces la densidad de los estériles asociados al mineral. En la segunda, el proceso es inverso, es decir, el producto a recuperar, carbón, tiene una densidad específica menor que la ganga o estéril, entre 1.500-1.800 kg/m 3 . Podría establecerse una división dentro de los procesos gravimétricos en función de la densidad del medio líquido: medio líquido agua, y medio

carbón. Medios, inferiores a 40 mm y superiores a 2 mm: Hidrociclones de medio denso y convencionales, Jigs especiales, Concentradores centrífugos Finos, inferiores a 2 mm: Conos Reichert, Espirales, Mesas de sacudidas, Concentradores centrífugos, Jigs de columna. La figura 3 muestra 3 muestra la eficiencia de separación de diferentes equipos en relación al tamaño de partícula. En los últimos años han surgido varios equipos nuevos, principalmente para el tratamiento de minerales finos, entre los que merecen ser citados los siguientes: El cono Reichert de 3,5 m de diámetro, desarrollado por la firma australiana MD mt, a partir de su modelo convencional de 2 m. Este nuevo cono tiene una capacidad unitaria de tratamiento de 300 t/h, frente a las 90 t/h de su predecesor, recomendándose para granulometrías inferiores a 1 mm, y concentraciones de sólidos en la alimentación del 65% en peso. El jig Kelsey, es un jig centrífugo, desarrollado en Australia, del cual existen varias unidades en operación para el refinado de minerales de titanio y zirconio con buenos resultados; también existen algunas unidades en el tratamiento de estaño y hierro. Según información del fabricante recuperan eficientemente partículas de hasta 10 micras, siendo el tamaño máximo recomendable de 0,5 mm. Se construyen equipos que pueden tratar hasta 150 t/h de alimentación. Es un equipo de costo relativamente alto por su

denso (suspensión de agua y un producto sólido fino densificador del medio, como magnetita o ferrosilicio). También podrían clasificarse los métodos gravimétricos en función del sistema mecánico que rige la separación: Inmersión en un medio denso, en el que las partículas pesadas se hunden y las ligeras flotan; como en tambores y platos, y ciclones. Corrientes verticales pulsantes (jigging), donde los pesados caen a mayor velocidad que los ligeros; como en los jigs y cajas hidrodinámicas. Película liquida, donde los minerales en base a su densidad se mueven con distinta velocidad; como en conos Reichert, espirales, mesas de

sacudidas, canaletas, y concentradores centrífugos. La elección de un sistema u otro depende, mayormente, de la proporción mena-ganga y su diferencia de densidades, del tamaño de partícula y la distribución granulométrica del sólido. Existen numerosos equipos de concentración gravimétrica, estando limitado el rango de aplicación de cada uno de ellos en base al tamaño de partícula a tratar, pudiéndose establecerse la siguiente clasificación: Gruesos, inferiores a 100 mm y superiores a 20 mm: Tambores y platos de medio denso. Jigs de pulsación hidráulica para minerales pesados y Cajas de pulsación neumática para •

complejidad mecánica, pues posee dos mecanismos de giro, el principal que mueve el jig propiamente dicho, y un segundo concéntrico que efectúa la pulsación. El modelo mayor tiene un costo superior a 1.000.000 USD, y requiere más de 150 kW de potencia. Otro equipo es el jig a presión en línea, también desarrollado en Australia, del cual la única aplicación conocida, al menos por el autor de este trabajo, es la concentración de oro. Básicamente es un jig circular, encerrado en un recipiente a presión, por lo que la alimentación debe ser realizada a través de una bomba para alcanzar la presión de operación requerida. La pulsación, obtenida mediante un dispositivo electro-hidráulico, se ve potenciada por la presión interior del equipo. Puede tratar partículas de hasta 25 mm, con una capacidad máxima de 60 t/h, y buena recuperación de partículas superiores a 45 micras. Los concentradores centrífugos, de los cuales básicamente solo dos de ellos han alcanzado un gran desarrollo, Falcon y Knelson. Ambos equipos han sido desarrollados en Canadá, y especialmente el último de ellos está ampliamente difundido a nivel mundial, habiendo obtenido excelentes resultados en la recuperación de minerales pesados, especialmente en oro, y sobre todo en etapas finales de limpieza. Ambos equipos han adoptado los últimos desarrollos electrónicos para acercarse al funcionamiento en continuo, pudiendo decir que el primero ha sido desarrollado para productos de granulometría fina y el segun-

do para granulometrías medias. Knelson ha renovado todos sus modelos, por el nuevo tipo tipo CD de descarga central automatizada, y su equipo mayor puede puede tratar hasta 100 t/h de sólidos, con tamaño de partículas de hasta 6 mm. Falcon fabrica dos modelos C y B, el primero para un amplio rango de tamaño de partículas y el segundo especialmente para finos, con capacidades de hasta 100 t/h y 25 t/h, y "tazas" de 1.000 mm y 500 mm de diámetro respectivamente; el máximo tamaño máximo recomendado es inferior a 1 mm. Otro concentrador centrífugo que ha demostrado buenas aptitudes para el tratamiento de partículas ultrafinas es el Multi-Gravity Separator MGS de Mozley, que podría considerarse

como uno de los mejores equipos gravimétricos para la recuperación de partículas ultrafinas de hasta de 5 micras, aunque la capacidad máxima de tratamiento no excede de 5 t/h. Recientemente ha aparecido un modelo grande MeGaSep con capacidad de hasta 25 t/h. La firma americana MTI, en colaboración de la universidad de West Virginia, ha desarrollado un jig de columna empaquetada, el Yang Jig, para el tratamiento de minerales y carbón de granulometría fina, inferior a 150 micras. Los resultados alcanzados en carbón son prometedores, con recuperaciones del orden del 50% y reduciendo el contenido de cenizas desde 40% hasta menos del 10%. Por último, recientemente la firma MD mineral technologies ha desarrollado una nueva espiral para el tratamiento de partículas ultrafinas hasta 10 micras, que será objeto de comentario posterior.

3.- ESPIRALES CONCENTRADORAS La primera espiral, Humphrey, fue introducida 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 fundido hasta el poliéster reforzado con fibra de vidrio, pasando por aleaciones, hormigón, goma, etc.. Actualmente la mayoría de las espirales se construyen en poliéster reforzado con fibra de vidrio con recubrimientos de poliuretano, y éste relativamente sencillo proceso de fabricación, ha sido uno de los motivos del rápido avance en el diseño de estos separadores. Su campo de aplicación se ha expandido debido al desarrollo

de espirales con canales de distinta sección en las que, además, el paso y el perfil cambian a lo largo de su longitud, figura 4 . Existen en la actualidad una gran variedad de espirales, diseñadas en función del mineral a tratar y de las características específicas del proceso. Las espirales de diseño antiguo disponen de diversas tomas de concentrado a lo largo del canal, localizadas aproximadamente cada 180º, es decir cada media vuelta. Inmediatamente antes de cada toma existe una pequeña aportación de agua cuya función es desplazar las arcillas, efectuando un lavado del concentrado. Posiblemente el mayor fabricante de espirales mundial sea la firma australiana MD mt con un amplio amplio abanico de modelos específicos para cada

tratamiento particular. En numerosas ocasiones desarrollan modelos "privados", para un cliente y problema concreto, como es el caso de la espiral modelo MG7S, suministrada a la empresa Consolidated Rutile Ltd. (CRL), para su proyecto Yarraman; espiral diseñada para retratar los estériles de las espirales existentes MG4B. La actual generación de espirales no precisa aportación de agua (waterless), operando además a concentraciones de sólidos elevadas, del 30% al 50%, frente al 15%-30%. Además, y esta es la mayor innovación y ventaja, especialmente en cuanto a flexibilidad de operación se refiere, los productos: concentrado, mixtos y estériles, son separados al final del canal mediante unas cuchillas ajusta-

bles, lo cual simplifica enormemente el control y operación del equipo, figu-  ra 5 . Las espirales empleadas en las etapas de limpieza y afino, debido a que tienen tratar productos con alto contenido de pesados, más del 5%, poseen tomas intermedias de concentrado situadas cada dos o tres vueltas, figura 6 , y en algunos modelos, puede aportarse agua inmediatamente antes para lavar el concentrado antes de la toma, y después de cada toma para efectuar un repulpado y repetir el proceso de concentración. concentración. El numero de vueltas varia entre tres y ocho, dependiendo de la aplicación y del modelo de espiral, siendo las más empleadas las de siete vueltas. La tendencia actual es el uso de espirales "cortas", con cuatro vueltas en el caso del carbón, y seis vueltas en las espirales de minerales pesados, a fin de reducir la altura de las

instalaciones. Recientemente se ha introducido un modelo de espiral que combina en una misma columna dos espirales, una primera sección de desbaste, y a continuación una segunda sección de limpieza del concentrado o del mixto obtenido en la primera sección, disminuyendo de este modo la altura total requerida. Mejoras en el diseño, junto con la utilización de nuevos materiales más ligeros en su construcción, han permitido montar en una misma columna: uno, dos, tres y hasta cuatro y cinco canales dependiendo del modelo de espiral. Pueden prepararse "bancos" de espirales de hasta 12 columnas formando módulos muy compactos con hasta 36 canales, y capacidades del orden de 50 t/h a 120 t/h, ocupando un espacio muy reducido, figura 7 . Los bancos se suministran con un distribuidor de pulpa y canaletas para re-

cogida de los productos, lo que permite una instalación fácil y rápida, siendo la relación capacidad/superficie

ocupada mucho más favorable que para otros equipos como mesas de sacudidas.

Un punto de especial importancia es el diseño de los distribuidores que deben repartir la pulpa de alimentación, uniforme y equitativamente a los diferentes canales. canales. La firma MD mt ha desarrollado su distribuidor MK7 con el que se consigue un coeficiente de variación del orden del 3%. Además el diseño de este distribuidor permite la apertura y cierre de canales en operación por razones bien de mantenimiento o de operación (reparto de carga), de un modo simple y rápido gracias a su accesibilidad, pudiendo inclusive ser automatizados, figura 8 . Las espirales para carbón, tienen el perfil del canal específicamente diseñado para esta separación inversa y acaba de ser introducido en el mercado, un nuevo modelo LD7 de cua-

tro vueltas de mayor diámetro que las convencionales, con una capacidad unitaria por canal de hasta 5 t/h. Pueden acoplarse hasta 3 canales por columna, y agruparse formando bancos de 4 columnas; lo que significa una capacidad de tratamiento por banco de hasta 60 t/h con una superficie ocupada menor de 5 m 2. La investigación en la operación de las espirales es continua y como resultado de ello han surgido nuevas mejoras en los modelos existentes, así como desarrollos para cubrir nuevos campos de aplicación. Tratando de hacer un resumen del rango actual de espirales construidas por MD mt, podrían considerarse dos grupos principales: minerales pesados y carbón, dentro de cada uno de los cuales podría establecerse la siguiente clasificación: MINERALES PESADOS  1) Espira Espirales les LG: LG: para para produc productos tos con bajo contenido de pesados, inferior a 5%, Low Grade. Aplicación en etapas de desbaste y barrido. Dentro de este subgrupo existen básicamente dos modelos, LG4 y LG7D. 2) Espira Espirales les MG: MG: para para conten contenido idos s medios de pesados, hasta 20%, Medium Grade. Aplicación en desbaste y limpieza. Modelos Mo delos MG4B, MG4CF, MG5D, MG6.3, MG7S. 3) Espira Espirales les HG: para para alto alto c con on-tenido de pesados, superiores al 20%, High Grade. Aplicación en limpieza y etapas finales de afino. Modelos HG7D, HG8-5, HG8-7, HG10. 4) Espira Espirale les s WW: para para aplica aplicacio cio-nes específicas con baja diferencia de

para realización de ensayos, Walkabout. Los principales minerales donde estas espirales pueden ser aplicados son: Arenas minerales (ilmeníta, rutilo y zirconio), minerales de hierro, cromita, estaño y wolframio, tantalo, oro, arenas silíceas (eliminación de pesados), piedra pómez, etc.. En general la cadensidades entre mena y ganga, de pacidad unitaria por canal puede estidiseño "convencional" con adición de marse entre 2 t/h y 4 t/h para las espiagua de limpieza, Wash Water, figura  rales tipo LG y MG, máximo 3 t/h para 9. Modelos WW2, WW3, WW6-5, las HG, y menos de 2 t/h las FM. En WW6-7. cualquiera de estos tipos la concen5) Espira Espirales les FM: para para mine mineral rales es tración de sólidos en la alimentación de granulometría fina, Fine Mineral, fi- puede llegar hasta el 50% en peso, gura 10. Modelo FM1. aunque el mejor rango está entre 35% 6) Espira Espirall PW1: PW1: de labora laborator torio io y 45%. El tamaño máximo de partícula recomendable no debe ser mayor de 2 mm.

CARBÒN

1) Espirales LD: para productos de baja densidad, carbón, Low Den-sity. Aplicación en cualquiera de las etapas de lavado. Modelos LD4E, LD7, LD9, LD10.

Las espirales de carbón tipo LD 4E y LD7 tratan hasta 5 t/h por canal y pueden montarse como máximo 3 canales por columna. Los tipos LD9 y LD10 tratan unas 2 t/h. Todos los modelos han sido hoy día prácticamente desplazados por el último diseño LD7, que ha demostrado una gran flexibilidad, tanto en el rango granulométrico como en el contenido de cenizas del producto de alimentación, figura 11. 11. La granulometría del carbón bruto no debe ser superior a 3 mm y la concentración de sólidos puede llegar hasta el 40% en peso, pero el mejor rango es 25-30%. El último desarrollo, la espiral FM1

representa una solución para el tratamiento de finos con procedimientos gravimétricos. Hasta el presente los modelos de espirales existentes del grupo de minerales pesados "acababan" en las 30/40 micras, pero a partir de las 70 micras la recuperación caía "en picado". Este nuevo modelo FM1 puede recuperar con buena eficiencia partículas de hasta 20 micras y menores, significando la extensión de la gravimetría hasta el rango solamente cubierto por equipos de precio superior y costo operativo más elevado, representado inclusive una alternativa a la flotación. No existen todavía muchas referencias dada su no-

CIRUTOELAVOECARBÓNCONESPIRALES CIRUTOETRA MIENTOEWOLFRAMIOCNESPIRALES CIRUTOGRAVIMÉNTERICAO-MURLIFENACONESPIRALES A L I ME N T A C I O N

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ALIMENTACION