CAPÍTULO V
FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE LA REDUCCIÓN DE TAMAÑO
5.1 Introducción.
Las formas en que los metales se encuentran en la corteza terrestre y como depósitos en el lecho de los mares, depende de la reactividad que tengan con su ambiente, en especial con el oxígeno, azufre y bióxido de carbono. El oro y los metales del grupo del platino se encuentran principalmente en forma nativa o metálica. La plata, cobre y mercurio se encuentran nativos, así como también en forma de sulfuros, carbonatos y cloruros. Los metales más reactivos siempre están en forma de compuestos, tales como los óxidos y sulfuros de hierro y los óxidos y silicatos de aluminio y berilio. Los compuestos que se presentan en forma natural se conocen como minerales y a muchos se les conoce de acuerdo a su composición (por ejemplo, la galena es sulfuro de plomo, PbS; la esfalerita es sulfuro de zinc, ZnS; la casiterita, óxido de estaño, SnO2).
Por definición los minerales son sustancias inorgánicas naturales que poseen estructura atómica y composición química definida. Muchos minerales presentan isomorfismo, que es la sustitución de átomos dentro de la estructura cristalina por átomos similares sin cambiar la estructura atómica. Los minerales también exhiben polimorfismo, minerales diferentes que tienen la misma composición química, pero propiedades físicas marcadamente diferentes debido a una diferencia en la estructura atómica. Frecuentemente el término mineral se usa en un sentido más extenso para incluir cualquier cosa de valor económico que se extraiga de la tierra. Así la hulla o carbón mineral, yeso, arcilla y granito no entran dentro de las definiciones de minerales, aunque los detalles de su producción generalmente se incluyan dentro de los valores nacionales para la producción mineral. De hecho tales minerales son rocas, material estéril ó ganga las cuales no son homogéneas en su composición física y química, como son los minerales, pero generalmente consisten de una variedad de minerales y forman gran parte de la corteza terrestre.
Frecuentemente en la naturaleza, un depósito natural se encuentra sometido a la acción de un sin número de fenómenos naturales de tipo climatológico y/o sismológico cuyo efecto en el tiempo es la concentración de la especie mineral. Cuando esta concentración llega a niveles tales que haga económicamente atractivo su recuperación, los depósitos pasan a denominarse mena. La mayor parte de las menas son mezclas de minerales valiosos posible de extraer y de material rocoso (de ningún valor comercial) denominado ganga.
Una mena se describe brevemente como una acumulación de mineral en cantidad suficiente para permitir una extracción económica.
El precio de mercado del metal establece esto como un criterio crítico en la definición y varía de acuerdo a las demandas comerciales. Con el paso del tiempo y el agotamiento del material más rico o más fácilmente accesible, un depósito mineral mejora hasta convertirse en una mena.
La Ley (contenido de metal) de la mena triturada y procesado dependerá de varios factores y generalmente las menas de más bajo grado se tratan en las plantas de mayor capacidad que las menas de grado más alto.
Los factores que se deben considerar para definir si un depósito de mineral es o no atractiva económicamente para su explotación, se pueden resumir en:
• Localización y tamaño del depósito.
• Ley de alimentación de la mena, mineralogía y textura de la mena.
• Aspectos financieros; requisitos de inversión, capital disponible y costos de los préstamos, impuestos y pagos de regalías.
• Costo de tronadura.
• Costo de servicios subordinados, tales como suministro de energía, agua, carreteras y disposición de los relaves.
• Docilidad de la mena para el tratamiento: diagrama de flujo del proceso, costos de operación, ley de concentrados y recuperaciones obtenibles.
• La demanda y el valor del metal, los precios del concentrado metálico y el valor del concentrado colocado en la mina.
El contenido mínimo de metal necesario para que un depósito se califique como una mena, varía de un metal a otro de acuerdo a los factores antes mencionados. Con frecuencia las menas se clasifican de acuerdo con la naturaleza del mineral valioso. Así en las menas nativas, el metal está presente en forma elemental; las menas sulfuradas contienen el metal en forma de sulfuro y en las menas oxidadas, el mineral valioso puede estar presente como óxido, sulfato, silicato, carbonato o alguna forma hidratada de los mismos. Las menas complejas son aquellas que contienen cantidades aprovechables de más de un mineral valioso. Las menas también se clasifican por la naturaleza de sus gangas, tales como calcáreas o básicas, o silíceas o ácidas.
5.2 Antecedentes generales.
Debido a que los minerales se encuentran finamente diseminados e íntimamente asociados con la ganga, deben ser liberados antes de realizar un proceso de separación. Para flotación, interesa un determinado tamaño del material, una superficie específica o el mencionado grado de liberación.
Las primeras etapas de conminución se realizan para facilitar el manejo del material proveniente de la mina y luego, en sucesivas etapas de chancado y molienda, para separar el mineral de la ganga.
El chancado se realiza con material seco, y el mecanismo de reducción de tamaño es la compresión o impacto .
La molienda se realiza principalmente en húmedo. El mecanismo de reducción es abrasión e impacto del mineral por el movimiento de los medios de molienda, tales como barras, bolas o el mismo material grueso (guijarros ).
Debido a que estas son etapas que consumen grandes cantidades de energía, la filosofía en la aplicación de cada etapa, es moler lo mínimo necesario. La tabla 2.1 muestra los rangos de tamaño de aplicación de cada una de las etapas .
Tabla Nº 2.1 : Rangos de tamaño de aplicación en cada etapa.
Etapa Sub-
etapa
Rango Tamaño
Consu mo Energí
a Kwh/to
n
Equipo
Trituración ( 100 cm-0.5
cm )
Primaria
Secundar ia Terciaria
100 cm-10 cm
10 cm-1cm (4"-3/8") 1cm-0.5cm (3/8"-1/4")
0.35 0.3 - 3
Trituradora Mandíbula y
Giratoria Trituradora Cono
Estándar Trituradora Cono
Cabeza Corta
Molienda ( 10 cm - 10
m )
Primaria Secundar
ia Terciaria
10 mm - 1 mm 1mm – 100 m 100 m –
10 m
3 - 6 10 10 - 30
Molino de Barras Molino de Bolas Molino de Bolas
5.3 Antecedentes Generales.
La reducción de tamaño de partículas es una operación necesaria en una variada gama de actividades que incluye a las industrias mineras, metalúrgica, química, del cemento, entre otras. El objetivo que normalmente se persigue en la industria minera es obtener un producto, de un tamaño, en el cual las especies mineralógicas valiosas se encuentren liberadas y puedan ser separadas de la ganga en procesos posteriores.
Las operaciones de reducción de tamaño, se caracterizan por involucrar un alto consumo de energía. En una evaluación del uso de energía en la conminución de minerales de cobre porfídico mediante métodos tradicionales, se concluye que la reducción de tamaño consume
aproximadamente un 74% de un promedio de 13 Kwh/ton. de mineral, necesarias para producir un concentrado y ello representa el 25% de un total de 2400 KW requeridos para obtener una tonelada de cobre catódico. (Sepúlveda, Gutiérrez. 1986)
5.3.1 Relación Energía - Tamaño de Partícula.
Desde los primeros años de la aplicación industrial de los procesos de conminución al campo de beneficio de minerales, se pudo constatar la relevancia del consumo de energía específica como parámetro controlante de la reducción de tamaño y granulometría final del producto, en cada etapa de conminución.
En términos generales, la energía consumida en los procesos de conminución se encuentra estrechamente ligada con el grado de reducción de tamaño de las partículas en la etapa correspondiente. Por otro lado, se ha logrado demostrar que en las etapas de chancado y molienda convencional la energía mecánica suministrada supera entre 100 a 1000 veces el consumo teórico de energía requerida para crear nuevas superficies, es decir, menos del 1 % del total de energía entregada al equipo de conminución es efectivamente empleada en la fragmentación de las partículas. Los posibles caminos que puede tomar la energía cuando los sólidos están sujetos a reducción de tamaños fueron presentados por C. Orr en 1966 y se resumen a continuación:
5.3.2 Energía Suministrada para Reducción de Tamaño.
Material que se Fractura
• Reordenamiento cristalino
• Energía superficial
• Deformación elástica de las partículas
• Deformación plástica de las partículas
Máquina de Conminución
• Fricción entre partículas
• Roce entre piezas de la máquina
• Energía cinética proporcionada a la máquina
• Deformaciones elásticas de la máquina
• Efectos eléctricos
• Ruido
• Vibraciones de la instalación
Lo anterior indica la importancia de establecer correlaciones confiables entre la energía específica, KWh/ton,consumida en un proceso de conminución y la correspondiente reducción de tamaño alcanzada en dicho proceso, a objeto de determinar la eficiencia energética de los respectivos equipos, facilitar su apropiada elección y proyectar su correcto dimensionamiento a escala industrial.
La molienda es una función esencial en muchas áreas de la industria minera. Por muchos años los molinos de bolas, inventado hace más de 100 años, ha servido los propósitos de la industria. En el desarrollo de las modernas tecnologías aplicada a los procesos han surgido las necesidades de equipos más adecuados. Muchas de las operaciones actuales requieren de una molienda fina, que los molinos convencionales no pueden cumplir eficientemente. Como respuesta a esta necesidad se puso a disposición de la industria minera el Molino Torre, el cual fue desarrollado para satisfacer necesidades específicas de una eficiente molienda fina. (Minería Chilena N°75, Junio de 1987)
5.4 Principios de la Conminución
Los minerales poseen estructura cristalina y sus energías de unión se deben a los diferentes tipos de uniones y enlaces que participan en la configuración de sus átomos. Estos enlaces interatómicos son efectivos sólo a corta distancia y pueden ser rotos por la aplicación de esfuerzos de tensión o compresión .
Para romper un material se necesita una menor energía que la teórica, debido a que el material presenta fallas que pueden ser:
• microscópicas (de Griffith)
• microscópicas o grietas
Se ha demostrado que éstos son sitios en que al aplicar los esfuerzos, éstos se concentran en dichas fallas, y así éstas se activan y aumentan el largo de la grieta, aumentando la concentración de esfuerzos y causando una rápida propagación de la grieta, produciéndose entonces la fractura.
Cuando la fractura ocurre, la energía almacenada se puede transformar en energía libre superficial, la cual es la energía potencial de los átomos en estas superficies creadas, y así estas superficies frescas son más reactivas, y aptas para la acción de los reactivos de flotación.
La energía requerida en la conminución se puede reducir por la presencia de agua o por otros aditivos que se absorben en el sólido. Esto puede deberse a la disminución de la energía superficial en la adsorción, dado que el agente tenso-activo puede penetrar en la grieta y reducir la fuerza del enlace y así facilitar la ruptura .
Los tipos de esfuerzos que pueden dar origen a la fractura son:
• Compresión: La aplicación de estos esfuerzos es lenta, se produce en máquinas de chancado en que hay una superficie fija y otra móvil. Da origen a partículas finas y gruesas. La cantidad de finos se puede reducir, disminuyendo el área de contacto, usando superficies corrugadas.
• Impacto: Es la aplicación de un esfuerzo en forma instantánea, y así la partícula absorbe más energía que la necesaria para romperse. El producto es a menudo muy similar en tamaño y forma.
• Cizalle: Produce gran cantidad de finos y, generalmente, no es deseable. Se debe principalmente a interacción partícula- partícula.
En partículas pequeñas, las grietas tienden a desaparecer y sólo quedan las fallas del material, lo cual produce un aumento de la dureza del material.
La dureza de un material, queda definida por:
• La distribución de esfuerzos.
• La distribución de fallas y grietas.
• El tamaño de la partícula.
5.5 Teorías de Conminución
5.5.1 Teorías Clásicas de Conminución
Desde los primeros años de aplicación industrial de los procesos de conminución al campo de beneficio de minerales (es decir, hace aproximadamente un siglo atrás), se pudo constatar la relevancia del consumo de energía específica como parámetro controlante de la reducción de tamaño y granulometría final del producto, en cada etapa de conminución.
En términos generales la energía consumida en los procesos de chancado, molienda/clasificación y remolienda se encuentra estrechamente relacionada con el grado de reducción de tamaño alcanzado por las partículas en la correspondiente etapa de conminución, aún cuando la eficiencia energética de estos procesos raras veces supera el 10% del total de energía mecánica suministrada a los mismos.
A manera de ejemplo, los investigadores Rose y Sullivan demostraron que en las etapas de chancado y molienda convencional la energía mecánica transferida a las partículas de un mineral supera entre 100 a 1000 veces el consumo teórico de energía requerida para crear nuevas superficies; es decir, menos del 1% del total de la energía entregada al equipo de conminución, es efectivamente empleada en la
fragmentación de las partículas. En general se ha logrado establecer que gran parte de la energía mecánica suministrada a un proceso de conminución se consume en vencer resistencias nocivas de diversos tipos, tales como:
• Deformaciones elásticas de las partículas antes de romperse.
• Deformaciones plásticas de las partículas, que originan posteriormente la deformación de las mismas.
• Fricción entre las partículas.
• Vencer la inercia de las piezas de la máquina.
• Deformaciones elásticas de la máquina.
• Producción de ruido, calor y vibraciones de la instalación.
• Generación de electricidad.
• Roce entre partículas y piezas de la máquina.
• Pérdidas de eficiencia en la transmisión de la energía eléctrica y mecánica.
La breve discusión anterior pone en relieve la necesidad de establecer correlaciones confiables entre la energía específica (KWh/ton) consumida en un proceso de conminución y la correspondiente reducción de tamaño alcanzada en dicho proceso, a objeto de determinar la eficiencia energética de los respectivos equipos, facilitar su propia elección y proyectar su correcto dimensionamiento a escala industrial. En este sentido, existen diversas teorías de correlaciones empíricas entre consumo de energía y tamaño de partículas que serán brevemente analizadas a continuación.
5.5.1.1 Postulado de Rittinger
Cronológicamente, fue Von Rittinger, en 1867, quien por primera vez postuló una relación entre la energía específica consumida (Energía/masa) y el incremento de superficie específica generado en las partículas durante la conminución.
El postulado de Rittinger (Primera Ley de la Conminución) establece lo siguiente: "La energía específica consumida en la reducción de tamaño de un sólido es directamente proporcional a la nueva superficie específica creada".
Este postulado considera solamente la energía necesaria para producir la ruptura de cuerpos sólidos ideales (homogéneos, isotrópicos y sin fallas), una vez que el material ha alcanzado su deformación crítica o límite de ruptura.
Aún cuando el postulado de Rittinger carece de suficiente respaldo experimental, se ha demostrado en la práctica que dicha teoría funciona mejor para la fracturación de partículas gruesas, es decir, en la etapa de trituración o chancado del material.
5.5.1.2 Postulado de Kick
En el año 1874, Kirpichev y posteriormente en 1885, Kick, propusieron independientemente una segunda teoría, conocida como postulado de Kick. en ella se establece: "La energía requerida para producir cambios análogos en el tamaño de cuerpos geométricamente similares es proporcional al volumen de estos cuerpos". Esto significa que "iguales cantidades de energía producirán iguales cambios geométricos en el tamaño de un sólido".
Kick consideró que la energía utilizada en la fractura de un cuerpo sólido ideal (homogéneo, isotrópico y sin fallas) era solo aquella necesaria para deformar el sólido hasta su límite de ruptura, despreciando la energía adicional para producir la energía del mismo.
