Optimización de la Beneficiación de Minerales de Hierro para Producción Eficiente de Acero

Beneficiación de Minerales de Hierro

El mineral de hierro es un mineral usado tras extracción y procesamiento para producción de hierro y acero. Los minerales principales suelen contener Fe₂O₃ (70 % Fe, hematita) o Fe₃O₄ (72 % Fe, magnetita). Los minerales están normalmente asociados con material de ganga no deseado. El grado se determina por el contenido total de Fe. Minerales "run-of-mine" tras dimensionado en seco o húmedo, si contienen normalmente >62 % Fe, se conocen como "mineral natural" o "mineral de envío directo" (DSO). Estos pueden usarse directamente en producción de hierro y acero. Todos los demás necesitan beneficiación y cierto procesamiento antes de su uso.

Necesidad de Beneficiación

Los minerales de bajo grado no pueden usarse directamente y deben mejorarse para reducir ganga y aumentar Fe. El proceso para mejorar el contenido de Fe se conoce como beneficiación de mineral de hierro (IOB).

Sin embargo, minerales de distintas fuentes tienen características mineralógicas propias y requieren tratamiento beneficiario y metalúrgico específico para obtener el mejor producto. Para beneficiación efectiva, son necesarios trituración, molienda y cribado efectivos, empleando tecnologías adecuadas. La elección del tratamiento depende de la naturaleza de la ganga y su asociación con la estructura del mineral. Varios métodos (lavado, jigging, separación magnética, gravitacional, flotación) se usan para aumentar Fe y reducir ganga. Estas técnicas se usan en diversas combinaciones. El énfasis suele ser desarrollar una hoja de flujo (flow sheet) rentable incorporando trituración, molienda, cribado y técnicas de beneficiación necesarias. La figura 1 muestra una hoja de flujo típica.

Figura 1: Hoja de flujo típica de planta de beneficiación de mineral de hierro

Técnicas Comunes

Trituración, Molienda y Cribado

El propósito de molienda y remolienda es reducir el mineral a tamaño suficiente para liberar y recuperar minerales valiosos. Los sistemas de trituración, molienda y cribado de una planta IOB deben diseñarse considerando requisitos de procesos de beneficiación posteriores. Unidades de trituración pueden incluir sistemas primario, secundario, terciario y cuaternario. Trituradoras de mandíbula, giratorias, cónicas y de rodillos se usan. Circuitos de molienda semiautógena y autógena se usan para molienda. Molinos de barras y bolas se usan para este propósito. Inversión de capital y costos operativos de equipos de molienda son altos. La economía juega gran papel en planificar grado de trituración y molienda. Otros factores: concentración de valor del mineral, mineralogía, dureza y humedad. Molienda en circuito cerrado minimiza sobre-molienda de mineral muy friable. Cuanta más carga de recirculación, menos sobre-molienda de partículas.

Lavado y Escarificado Húmedo

Proceso primitivo y ampliamente usado en mineral de hierro en bloques para desalojar y remover materiales lateríticos friables y blandos, finos y partículas de arcilla limonítica adheridas al mineral. El escarificado húmedo también es útil en minerales duros y porosos, que invariablemente tienen cavidades/poros llenos de material arcilloso que requieren remoción sustancial.

Separación Gravitacional

Usada donde minerales ferríferos están libres de ganga asociada. La gravedad específica de minerales de hierro es usualmente mayor que la de ganga. La efectividad depende de trituración y dimensionado adecuados para asegurar alimentación de tamaño correcto al equipo y remoción de lodos. Muchos equipos/procesos funcionan por gravedad. Algunos descritos:

• Separación por medios densos (DMS): También llamada separación por medios pesados. Para minerales gruesos (3-50 mm). Ferrosilicio molido -300 mesh usado como suspensión para densidad de corte 3-3.2, suficiente para que ganga flote y se separe. Material de suspensión recuperado por separadores magnéticos de baja intensidad (LIMS). Alimentación debe ser dura y compacta con ganga no porosa.
• Ciclón de medios pesados: Para finos de mineral (0,2-6 mm). Separador tipo ciclón usa fuerzas centrífuga y gravitacional. Ferrosilicio -325 mesh usado como medio.
• Jigging: Técnica de concentración gravimétrica donde mineral se separa en fracciones de densidad ligera, media y pesada. Rango de tamaño: 0,5-30 mm.
• Espirales: Concentradores de película fluida. Operación continua de flujo laminar gravitacional por superficie inclinada. Separación por patrones de flujo primario y secundario. Flujo primario: pulpa fluyendo por canal espiral bajo gravedad. Flujo secundario: radial a través del canal. Capas superiores (partículas mayor densidad) se alejan del centro; capas inferiores (mayor densidad) se mueven al centro. Requieren adición de agua en varios puntos para lavado (transportar ganga ligera lejos del mineral denso). Cantidad y distribución de agua ajustable. Control puntual minimiza agua total dirigiéndola eficientemente al ángulo más efectivo. Tamaño alimentación: 0,3-1 mm. Operan a densidad de pulpa 25-30 % sólidos.
• Mesas: Amplia gama en tratamiento gravimétrico. Usadas en circuitos de limpieza y barrido. Tamaño alimentación: 0,3-1 mm. Operan a 25-30 % sólidos.
• Concentrador multi-gravedad: En desarrollo, para tratar finos y ultrafinos. Útiles para procesar valores de lodos y colas.
• Ciclones: Varios tipos: hidrociclón, ciclón stub, ciclón de medios pesados. Económicos y simples. Partes principales: diámetro, boquilla de entrada, buscador de vórtice, sección cilíndrica y cónica. Relaciones geométricas adecuadas entre diámetro, área entrada, vórtice, orificio ápex, y longitud suficiente para tiempo de retención para clasificar partículas. Al entrar alimentación, comienza rotación de pulpa, causando fuerzas centrífugas que aceleran partículas hacia pared exterior. Partículas migran hacia abajo en espiral por sección cilíndrica a cónica. Partículas de menor masa migran al centro y espiral hacia arriba y salen por buscador de vórtice, descargando por tubería de rebose (overflow). Producto con partículas finas y mayoría de agua. Partículas de mayor masa permanecen en espiral descendente por paredes de sección cónica y salen gradualmente por orificio ápex (underflow). Ambos descargados a presión atmosférica o cercana.

Separación Magnética

Tecnologías de separación magnética aprovechan diferencias en propiedades magnéticas para separar mineral de hierro de ganga no magnética. Puede hacerse en seco o húmedo, aunque sistemas húmedos son más comunes.

Operaciones también categorizadas como baja o alta intensidad. Separadores de baja intensidad usan campos 1000-3000 gauss. Usados normalmente en mineral magnetita como método económico y efectivo. Separadores de alta intensidad emplean campos hasta 20.000 gauss. Para separar minerales de hierro débilmente magnéticos (hematita) de ganga no magnética o menos magnética. Otros factores importantes: tamaño de partícula y contenido de sólidos de la pulpa de alimentación.

Típicamente implica tres etapas: (i) cobbing (desbaste), (ii) limpieza/desbaste, (iii) acabado. Cada etapa puede emplear varios tambores en serie para mejorar eficiencia. Cada etapa sucesiva trabaja partículas más finas por remoción de sobredimensionados en separaciones anteriores. Cobbers trabajan partículas grandes y rechazan porcentaje sustancial como colas.

Tecnologías usadas:

• Separación magnética seca y húmeda de baja intensidad (LIMS)
• Separación magnética de alto gradiente (HGMS)
• Separación magnética húmeda de alta intensidad (WHIMS)
• Separadores de rodillo para minerales débilmente magnéticos
• Separación magnética por inducción (IRMS) para concentrar minerales secos

Proceso de Flotación

Usa técnica donde partículas de un mineral o grupo se adhieren preferencialmente a burbujas de aire en presencia de reactivo químico. Logrado usando reactivos que reaccionan preferencialmente con mineral deseado. Factores importantes: uniformidad de tamaño de partícula, reactivo compatible con mineral, condiciones de agua que no interfieran con adherencia de reactivos al mineral o burbuja.

Hoy la flotación se usa principalmente para mejorar concentrados resultantes de separación magnética. Raramente se usa sola como método de beneficiación.

Reactivos químicos son principalmente tres grupos: (i) colectores/aminas, (ii) espumantes, (iii) antiespumantes. Pueden añadirse en formas: sólido, emulsión líquido inmiscible, solución en agua. Concentración debe controlarse estrechamente durante acondicionamiento; exceso de reactivo retrasa reacción y reduce eficiencia. Factores que afectan acondicionamiento: mezcla y dispersión completa de reactivos en pulpa, contacto repetido entre reactivos y todas las partículas relevantes, tiempo para desarrollo de contactos reactivos-mineral para producir reacciones deseadas.