El objetivo de los procesos de molienda es la reducción del tamaño de los materiales, de modo de liberar aquellas especies minerales útiles que se encuentran dispersas en una gran masa, la que generalmente carece de valor comercial. Esta etapa requiere una gran inversión de capital y frecuentemente es el área de máxima utilización de potencia y de materiales resistentes al desgaste de una planta.
La molienda se realiza habitualmente en cilindros rotatorios que utilizan diferentes medios moledores, los que son levantados por la rotación del cilindro, para fracturar las partículas minerales por medio de la combinación de diferentes mecanismos de molienda tales como:
- Impacto: La fragmentación se consigue por golpes y rebotes. El producto resultante es grueso y, con frecuencia, de tamaño crítico.
- Fricción, Presión y Cizallamiento: La molienda se logra cuando las partículas más pequeñas son apretadas o cizalladas entre partículas grandes y por la presión de la molienda .
- Erosión, Desgaste Superficial: Las partículas de tamaño grande y medio se reducen por desgaste superficial.
Los medios de molienda pueden ser el mismo mineral, medios no-metálicos naturales o manufacturadas y medios metálicos manufacturados.
Habitualmente se habla del término molino rotatorio, lo que involucra a molinos de barras, molinos de bolas, molinos de pebbles y molinos autógenos. El molino rotatorio posee una forma cilíndrica ó cónico-cilíndrica, que rota en torno a su eje horizontal. La velocidad de rotación, el tipo de revestimiento y la forma y tamaño de los medios de molienda son seleccionados para proveer las condiciones deseadas de operación para cada aplicación específica de molienda. La clasificación de los molinos rotatorios está basada en el tipo de medios de molienda utilizados, la razón largo-diámetro y el método de descarga.
Molino de Barras
Su propósito principal es la reducción de tamaño y liberación mineralógica, ocasionalmente también es usado como un reactor químico. Los molinos de bolas y barras dominaron la molienda hasta mediados de 1970, en ese punto los molinos AG y SAG comenzaron a utilizarse como alternativa a la molienda gruesa. Los molinos de barras tienen limitaciones de tamaño inherentes dadas las necesidades de mantener los medios de molienda paralelos.
Los molinos de barras proporcionan una efectiva clasificación interna del mineral, las partículas mayores a un cierto tamaño serán, por lo general, totalmente eliminadas. Si no los son, las
barras se sobrecargarán y se enredarán. Los molinos de barras están bien situados en la reducción del producto del chancado secundario (P80 cercano a 25mm) a la alimentación del
molino de bolas (P80 de 1-2mm).
Debido a la inclusión de la molienda SAG/AG, los molinos de barras son ahora poco comunes en las plantas concentradoras existentes.
Descripción del proceso
Los molinos de barras son cilindros que rotan sobre su eje horizontal (figura), mineral y agua son alimentados en uno de los extremos y descargados por el otro. La descarga puede ser efectuada por diversos métodos, siendo el más común la descarga por rebalse.
El medio de molienda utilizado son barras de acero, las que son de gran tamaño y peso, y por lo tanto no pueden ser llevados fuera del molino por los flujos de pulpa. La descarga de un molino bolas y barras es a menudo ajustada con un harnero o trommel cilíndrico con el propósito de proteger el proceso aguas abajo de partes de barras de acero o bolas que puedan abandonar el molino.
La mayor parte de la clasificación de partículas ocurre dentro del molino y las aperturas del trommel (típicamente 3-10mm) tienen un efecto menor en el tamaño del producto (clasificación).
Molino de Barras visto exteriormente. Variables Clave
Tamaño de las Barras y Potencia
Debido a las dificultades prácticas en la obtención de barras de más de 6 a 7 m de longitud, los molinos de barras están limitados a este largo. Para mantener las barras paralelas, se usa una razón de 1.2 a 1.6 entre el largo de las barras y el diámetro del molino.
El efecto total de esta restricción es un límite máximo en la potencia del orden de 1MW. La forma de la carga del molino de barras es más constante que la de un molino SAG/AG y puede ser calculada usando la siguiente ecuación:
( 6.3
5.4
V
)fCs
D
1.752
kW
13 r r=
⋅
−
⋅
Donde:Kwr kiloWatts por tonelada de barras D Diámetro interior del molino (m)
Vr Fracción del volumen del molino cargado con barras fCs Fracción de velocidad critica
Velocidad del molino
Como en otros molinos (Bolas, AG/SAG), la velocidad del molino es expresada como la fracción (o porcentaje) de la velocidad a la cual la carga del molino en la superficie de los revestimientos centrifugaría, esto es, fuerzas centrifugas igualan a las gravitacionales.
La velocidad crítica en Cs en revoluciones por minuto está dada por:
RPM
D
42.3
C
S=
Donde D es el diámetro del molino en metros. Medios de Molienda
El nivel de carga esta expresado como la fracción del molino ocupada por los medios de molienda después de 5-10 minutos de molienda (sin material).
Las barras nuevas varían su diámetro entre 25 a 150mm. Una barra ideal mantiene geométricamente derecha hasta que el desgaste llega a 10-20% de su diámetro original y entonces se fractura en 2 secciones cortas (100-150mm) las que pueden abandonar el molino. Las barras disminuyen su diámetro en función del tiempo en una proporción aproximadamente lineal. Allis Chalmers desarrollo una función empírica para la selección del tamaño (diámetro) de las barras. Esta correlación está definida de la siguiente manera:
(
)
⋅
=
3.281D
%C
sg
WI
160
F
R
s 0.75 80 Donde: R Diámetro de la barra (mm) F80 Tamaño del 80% pasante (µm) WI Work Index(kWh/ton)sg Gravedad especifica del mineral de alimentación %Cs Porcentaje de velocidad critica
D Diámetro entre los revestimientos (m)
Minerales que sean más duros por unidad de volumen (WI*sg), y gruesos, requerirán de barras más largas. Molinos de diámetros mayores operando a altas velocidades pueden usar barras de tamaños menores, debido a que mas levantotes (lifters) permiten a las barras pequeñas proporcionar la energía necesaria para la fractura.
El manejo de las barras no es un problema trivial. Las barras son pesadas y cualquier manejo manual puede provocar serios riesgos y daños al operador. La solución consiste en un sistema automatizado de carga de barras, el problema es que este puede utilizar inclusive más espacio que el mismo molino.
Configuraciones de Circuitos
Los molinos de barras casi siempre son operados en circuito abierto, alimentándose a partir de la descarga de un circuito de chancado y entregando su producto a un circuito de molienda de bolas.
Molino de Bolas
Los molinos de bolas son la forma más común de molinos, probablemente porque ellos trabajan con eficacia en distintos rangos de operación, esto es, desde unidades pequeñas (pocos watts) de laboratorio, hasta unidades de gran tamaño de orden industrial de 10-12 MW. Los molinos de bolas son usados en molienda primaria con un tamaño de alimentación sobre los 200mm, también en la molienda secundaria y terciaria e incluso operaciones de remolienda de productos finos.
En el ultimo siglo los molinos de bolas se han crecido de manera constante, durante la década de 1950-1960 los molinos de bolas de largos diámetros dominaron la molienda primaria. Sin embargo, desde mediados de los 1970, los circuitos de chancado y molienda de bolas han sido casi completamente suplantados por circuitos AG/SAG relegando a los molinos de bolas a la molienda secundaria.
Descripción del proceso
Los molinos de bolas son cilindros que rotan sobre su eje longitudinal, como se muestra en la figura. Al molino son alimentados tanto mineral como agua en un extremo y luego descargados por el extremo opuesto.
Corte esquemático de un molino de bolas.
Hay dos tipos principales de molinos de bolas, dependiendo de cómo se descarga la pulpa desde ellos. El molino por rebalse (overflow) es aquel que tiene en la descarga un orificio de salida más grande que el de la alimentación, produciéndose un gradiente hidráulico que conduce a la pulpa a través del molino. Los molinos que descargan por parrillas tienen una parrilla interna y levantadores de pulpa en la zona de descarga (como los molinos AG/SAG), este tipo de molinos funcionan con un nivel de pulpa menor que los molinos que descargan por rebalse.
Generalmente se monta un trommel en la zona de descarga del molino para remover las bolas. Variables Clave
Tamaño de Bolas del molino y Potencia
Los molinos de bolas trabajan con un amplio rango de razones largo – diámetro, con razones de 1-1.5 siendo los más comunes; también se observan razones de 1:3 hasta 3:1.
Los molinos de bolas pueden ser usados sobre un muy amplio rango de tamaños, desde molinos de laboratorio de 200mm x 200mm (pocos watts de potencia) hasta molino gigantes de 6m de diámetro por 9 m de largo con potencias de 10-12MW. Son pocos los procesos que pueden cubrir más de 6 órdenes de magnitud!
Carga de Bolas y Velocidad del molino
Estas son expresadas de la misma forma en todos los molinos rotatorios. La carga de bolas corresponde a la fracción de área transversal después de moler durante 10-15 minutos (sin alimentar mineral). Esto es equivalente a un 40%. La carga de bolas comúnmente se sitúa en un 35 a 45%.
La velocidad del molino se expresa como la fracción (o porcentaje) de la velocidad a la que la aceleración centrifuga se hace igual a la aceleración gravitacional (denominada velocidad crítica, Cs):
RPM
D
42.3
C
S=
Los molinos de bolas son a menudo operados más lentamente a tamaños mayores. Sin embargo, incluso para molinos grandes, la molienda máxima ocurre a un 80% de la velocidad crítica.
Tamaño y forma de los medios de molienda
Minerales duros y alimentaciones de tamaños gruesos requieren altos niveles de energía y por lo tanto medios de molienda (bolas) de mayor tamaño. La molienda fina necesita una gran área superficial de medios de molienda y por lo tanto el tamaño del medio de molienda (bolas) debe ser menor.
La forma del medio de molienda puede ser alterada por patrones de desgaste, la calidad de las bolas, o el uso deliberado de formas con mayor área superficial. Las bolas que se fracturan o se astillan indican solo una pobre fabricación o mala calidad de la bola.
Para molienda fina, los medios de molienda con una forma en que se máxime el área superficial por unidad de masa producirán un mayor grado de molienda, por lo que bolas de menor tamaño muelen mejor en tamaños más finos.
Interior de un molino de bolas. Configuraciones de Circuitos
Los molinos de bolas no son clasificadores eficientes y en su mayoría son usados en circuito cerrado. Una excepción es la molienda primaria de bolas seguida por un circuito de molienda secundario en circuito cerrado. Además para molinos de bolas hay sólo dos configuraciones de interés práctico:
• Molino de Bolas – Ciclón • Ciclón – Molino de Bolas
Izq. Circuito Molino de Bolas – Ciclón, Der. Circuito Ciclón – Molino de Bolas
El circuito Molino de Bolas – Ciclón es casi siempre mejor para molienda primaria, porque el clasificador (ciclón) está protegido por el molino de bolas de las partículas de tamaño más grueso.
El circuito Ciclón – Molino de Bolas es una practica común para el tratamiento del producto de un molino de barras o un molino AG/SAG, o un molino de bolas primario.
Modelamiento del Molino de Bolas
Consideremos el molino de bolas como un tanque perfectamente mezclado. Entonces podremos describir el proceso en términos de
• Transporte a través del molino • Fractura dentro del molino
f, s y p son vectores de distribuciones de tamaño en unidades de t o t/h: f es un vector de la
Alimentación s es un vector de losContenidos p es un vector del producto f 1grueso (t/h) s1grueso (t/h) p1 grueso (t/h)
f 2 intermedio (t/h) s2intermedio (t/h) p2 intermedio (t/h)
f 3fino (t/h) s3fino (t/h) p3fino (t/h)
• • •
• • •
• • •
f n muy fino (t/h) snmuy fino (t/h) pn muy fino (t/h)
f n+1submalla (t/h) sn+1submalla (t/h) pn+1submalla (t/h)
Como el molino está perfectamente mezclado, una velocidad de descarga, di, define al producto como sigue:
i i
i
d
s
Esto es, si conocemos los contenidos del molino (en cada fracción de tamaños) y la velocidad de descarga para cada fracción de tamaño, podemos multiplicar ambos factores y obtener un vector de productos en toneladas por hora.
Si el molino está en estado estacionarios, entonces la suma:
Alimentación molino – material que se fractura + material fracturado de partículas de tamaños gruesos – descarga del molino = 0
Matemáticamente para un tamaño i:
0
s
d
s
r
a
s
r
f
i 1 j i i j j ij i i i−
+∑
−
=
=Donde aij representa la fractura desde un tamaño j hasta un tamaño i, y riaij la velocidad de
fractura en esa fracción de tamaño.
R)s
(I
ARs
f
p
=
+
+
−
Donde R es una matriz diagonal de la velocidad de fractura por unidad de tiempo y A es una matriz que describe como una partícula fracturada reaparecerá en los contenidos del molino. I es la matriz identidad.
Si hacemos una consideración grafica del proceso por el cual el material aparece y desaparece desde un intervalo de tamaño específico tenemos lo siguiente:
Esquema del mecanismo del modelo mezcla perfecta de molinos de bolas
Si tomamos una partícula y la fracturamos, obtendremos una distribución de tamaño de partícula. Si lo vemos en términos matriciales: