Minerales de Hierro: Tipos, Distribución y Prácticas Mineras

El hierro (Fe) es un elemento abundante y ampliamente distribuido en la corteza terrestre, constituyendo en promedio entre un 2 % y un 3 % en rocas sedimentarias y hasta un 8,5 % en basaltos y gabros. Su oferta es prácticamente ilimitada en casi todas las regiones del mundo.

Sin embargo, la mayor parte de este hierro no se presenta en una forma utilizable en las prácticas siderúrgicas actuales. Por tanto, solo aquella fracción del hierro total en la corteza terrestre que está disponible para la industria siderúrgica, tanto económica como espacialmente, puede denominarse correctamente mineral de hierro. No obstante, lo que constituye mineral de hierro varía ampliamente de un lugar a otro y de una época a otra. Existen muchos factores que determinan si un mineral ferrífero puede clasificarse como mineral de hierro, pero fundamentalmente es una cuestión de economía. Teniendo en cuenta este concepto, una definición lógica de mineral de hierro para fines comerciales es: «material ferrífero que puede utilizarse económicamente en un lugar y momento determinados, bajo las condiciones de coste y precio de mercado vigentes».

Grado del mineral y minerales principales

Dado que el hierro está presente en muchas zonas, tiene un valor relativamente bajo; por ello, un yacimiento debe tener un alto porcentaje de Fe para considerarse de ley minera. Con el advenimiento de métodos mejorados de beneficio, concentración y aglomeración, la variedad de materiales ferríferos que pueden utilizarse se ha ampliado, y muchos tipos de mineral de baja ley, antes considerados antieconómicos, ahora se clasifican como mineral de hierro. Típicamente, un yacimiento debe contener al menos un 25 % de Fe para ser considerado recuperable económicamente.

Más de 300 minerales contienen hierro, pero cinco son las fuentes principales de mineral de hierro:

• Magnetita (Fe₃O₄)
• Hematita (Fe₂O₃)
• Goethita (Fe₂O₃·H₂O)
• Siderita (FeCO₃)
• Pirita (FeS₂)

Los tres primeros son de gran importancia por su presencia en grandes yacimientos explotables económicamente. Sin embargo, la mayor parte del mineral de hierro extraído en el mundo pertenece a las dos primeras categorías.

Hematita

La hematita tiene una composición química de Fe₂O₃, correspondiente a un 69,94 % de hierro y un 30,06 % de oxígeno. Su color varía del gris acero al rojo apagado o rojo brillante; puede ser terrosa, compacta o cristalina, con una gravedad específica de 5,26. Las variedades comunes incluyen cristalina, especular, martita (pseudomorfa tras magnetita), maghemita (óxido férrico magnético), terrosa, ocre y compacta. La hematita es uno de los minerales de hierro más importantes. Presenta una amplia ocurrencia en muchos tipos de rocas y orígenes variados: asociada a depósitos de vetas, rocas ígneas, metamórficas y sedimentarias, y como producto de la meteorización de la magnetita. Algunos yacimientos de baja ley de hematita cristalina diseminada se han tratado con éxito mediante técnicas de gravedad y flotación para producir concentrados de alta calidad.

Magnetita

La magnetita tiene una composición química de Fe₃O₄, correspondiente a un 72,36 % de hierro y un 27,64 % de oxígeno. Su color es gris oscuro a negro, con una gravedad específica de 5,16 a 5,18. Es fuertemente magnética, a veces con polaridad, actuando como imán natural. La magnetita aparece en rocas ígneas, metamórficas y sedimentarias. Su propiedad magnética es crucial: permite la exploración por métodos magnéticos y hace posible la separación magnética de la magnetita de los materiales de ganga para producir un concentrado de alta calidad. Ha cobrado una importancia creciente como fuente de hierro gracias a las continuas mejoras en las técnicas de concentración magnética y al uso expandido de productos de alta ley.

Minería de minerales de hierro

La minería (extracción), beneficio y procesamiento del mineral de hierro producen hierro y acero. La minería se define como la remoción del material mineral de un yacimiento y abarca todas las actividades previas al beneficio. Los minerales de alta ley (contenido de hierro superior al 62 %) simplemente se trituran, criban y envían directamente a la unidad de producción de hierro (p. ej., alto horno). Los minerales de baja ley requieren actividades de beneficio adicionales a la trituración, cribado y lavado para aumentar su contenido de hierro. Para ser competitiva, la minería de hierro debe realizarse a gran escala. Existen dos métodos mineros comúnmente empleados: (i) minería a cielo abierto y (ii) minería subterránea o de pozo.

La elección entre minería subterránea o a cielo abierto depende de la proximidad del cuerpo mineral a la superficie. La gran mayoría del mineral de hierro extraído en el mundo se obtiene exclusivamente mediante técnicas a cielo abierto, aunque también existen algunas minas subterráneas en operación. Hay dos métodos básicos de minería a cielo abierto para extraer mineral de hierro de depósitos superficiales: mina a cielo abierto (open pit) y mina a cielo descubierto (open cut). Casi todas las grandes minas de hierro del mundo, salvo unas pocas, se explotan por el método a cielo abierto.

Recursos necesarios

El proceso de minería de hierro requiere recursos masivos: equipos industriales pesados y mano de obra calificada. Los equipos incluyen: bulldozers, scrapers, camiones de acarreo (heavy haulers), volquetes, cargadores frontales, excavadoras hidráulicas, palas hidráulicas y eléctricas (de desmonte y carga), draglines, excavadoras de rueda de cangilones, dragas, camiones cisterna, perforadoras de barrenos de voladura (taladros rotativos con broca de diamante) y transportadores de alta capacidad. Además, se necesitan trituradoras y cribas con sus equipos asociados para la trituración y cribado del mineral hasta obtener un producto comercializable.

Planificación y desarrollo

El proceso minero —desde el descubrimiento del yacimiento hasta la extracción y la restauración del terreno— consta de varias etapas:

1. Descubrimiento del yacimiento: mediante prospección o exploración para definir la extensión, ubicación y valor del cuerpo mineral. Esto conduce a una estimación matemática de recursos para calcular el tamaño y la ley del depósito.
2. Identificación del mineral: mediante perforación diamantina de testigos en una cuadrícula a varios metros de profundidad. La roca mineral contiene un porcentaje sustancial de hierro y el resto son impurezas (alúmina, sílice). Las muestras se analizan y categorizan para que los ingenieros de minas desarrollen un plan minero preciso.
3. Desarrollo de la mina: planificación para evaluar la porción económicamente recuperable, características metalúrgicas, recuperabilidad del mineral, preocupaciones de ingeniería, trituración e infraestructura. La proporción recuperable depende del factor de enriquecimiento del mineral en la zona.
4. Remoción de estéril: para acceder al depósito mineral a menudo hay que minar o remover material de desecho (overburden). El movimiento total de mineral y estéril constituye el proceso minero. A menudo se extrae más estéril que mineral durante la vida de la mina. La remoción y ubicación del estéril es un costo mayor.

La ocurrencia general, tamaño y forma del yacimiento se determinan en la fase de exploración. El conocimiento del depósito se refina mediante trabajos de desarrollo. Frecuentemente es necesario determinar en detalle la posición y naturaleza de las estructuras geológicas que afectan la distribución y disponibilidad del mineral.

Una vez obtenida información detallada suficiente, se estudian diversas combinaciones de planes operativos usando mapas y secciones preparados al efecto. Estos muestran el tamaño y forma del cuerpo mineral, composiciones y resultados de pruebas de laboratorio. A partir de estas representaciones gráficas, se determinan las cantidades de mineral y estéril aplicando factores de peso-volumen. Las computadoras se usan comúnmente para estimaciones de tonelaje y planes mineros detallados, permitiendo evaluaciones comparativas de métodos y planes para determinar el más favorable y programar la explotación.

Es necesario planificar la producción minera para generar un flujo constante de mineral cuya composición se mantenga consistentemente cerca de las leyes objetivo. Esta necesidad impulsa el proceso de convertir una perspectiva de exploración en un proyecto minero viable. Como la composición del yacimiento solo puede muestrearse groseramente antes de la minería, y las condiciones económicas y financieras son volátiles, cualquier plan minero es, en el mejor de los casos, tentativo, sujeto a revisión a medida que se adquiere conocimiento progresivo del yacimiento durante las operaciones.

La planificación y desarrollo no cesan al iniciar la producción, debido a la necesidad de responder a condiciones cambiantes a medida que se despliega el conocimiento del cuerpo mineral, generado por más barrenos y ensayos distribuidos sobre el volumen minado.

Modelo de bloques rectangulares

La planificación, desarrollo y operación de una mina a cielo abierto suele basarse en un modelo de bloques rectangulares. Este modelo comprende un conjunto de bloques rectangulares con dimensiones correspondientes a la unidad minable más pequeña (p. ej., 50 m horizontales × 10 m verticales). Para cada bloque se estiman la ley (hierro y contaminantes como alúmina, sílice y fósforo).

El modelo de bloques es un sistema de información evolutivo y adaptativo. Inicialmente se basa en la interpolación de datos de muestras de perforación exploratoria. Durante el desarrollo y operación, se revisa continuamente mediante perforación de relleno, datos de barrenos de voladura y ensayos del mineral minado al ser triturado y analizado. En cualquier etapa, las decisiones de selección y secuenciación minera deben basarse en la información imperfecta del modelo disponible, para producir mineral de envío que coincida con la ley objetivo dentro de tolerancias especificadas.

Minería a cielo abierto

Los métodos de minería superficial están diseñados para extraer mineral de depósitos en superficie. El yacimiento se expone desmontando una capa de tierra, a veces de solo pocos metros de espesor. Este material a remover se conoce como «overburden» (estéril de cobertura). Puede consistir en material no consolidado, roca, arcilla, grava y mineral pobre. La profundidad de la minería a cielo abierto depende de la ley del mineral, la naturaleza del estéril y la relación estéril/mineral (stripping ratio).

La relación estéril/mineral es la cantidad de estéril y desecho que debe manejarse por cada unidad de mineral extraída. Se describe como la unidad de estéril que debe removerse por cada unidad de mineral bruto. Las relaciones aumentan con la calidad del mineral y los factores de costo relacionados con el beneficio y transporte.

La relación estéril/mineral económica varía ampliamente entre minas. En minerales de envío directo (direct shipping ores), puede ser de 6:1 u 7:1. En minerales de baja ley, una relación inferior a 1,5:1 suele considerarse el límite económico.

Para la minería del hierro, es esencial descubrir el área minera removiendo primero el estéril. Este se carga con grandes palas hidráulicas en camiones de producción, que lo transportan a botaderos de contorno, diseñados ambientalmente para integrarse al entorno.

En la minería a cielo abierto, la remoción del estéril puede continuar durante gran parte de la vida de la mina, ya que los taludes se recortan para permitir el profundizamiento y recuperar mineral en el fondo. Los materiales no consolidados se excavan con palas de potencia, draglines o scrapers, según condiciones locales. Otros materiales generalmente se excavan con palas de potencia.

El mineral se extrae de grandes fosos a cielo abierto mediante extracción progresiva a lo largo de escalones o bancos (benches). Los bancos dan acceso a mineral progresivamente más profundo, a medida que se remueve el mineral del nivel superior. Tras limpiar el suelo y la roca suprayacente, el mineral se perfora y voladura. El objetivo de la voladura es exponer el cuerpo mineral para su extracción o crear accesos (pasajes horizontales) al cuerpo mineral, además de fragmentar el mineral.

Perforación y voladura

La perforación y voladura rompen materiales consolidados en tamaños manejables por equipos mineros, trituración y cribado. También se usa para aflojar bancos de mineral antes de las palas de potencia, aumentando la eficiencia de carga.

La porción del cuerpo mineral a remover se perfora primero en un patrón específico, con grandes perforadoras mecanizadas. El objetivo principal es crear un orificio de diámetro, profundidad y dirección adecuados en la roca para colocar explosivos. Típicamente, los barrenos de voladura tienen 400 mm de diámetro y 10-12 m de profundidad. Alrededor de 400 barrenos se perforan en un patrón de voladura.

Antes de la voladura, los barrenos se llenan con mezclas explosivas. El requisito principal para un explosivo en minería es la capacidad de lograr combustión completa sin suministro externo de oxígeno. Antiguamente se usaban nitroglicerina, material carbonáceo y agente oxidante. Hoy, los explosivos más comunes son mezclas de fertilizante de nitrato de amonio y fuel oil (ANFO). La detonación se inicia con un fulminante de alto poder y/o primer. En algunos casos se usan cartuchos de explosivo en emulsión o gel.

Una vez preparado, el sitio se despeja de trabajadores y equipos, y se detona la voladura. Cada orificio se detona a milisegundos de intervalo, resultando en una pila de mineral bruto fragmentado a tamaño menos de 2 m × 2 m. Los amplios huecos creados por perforación, voladura y extracción se denominan «open pits» (fosos a cielo abierto).

Tras la voladura, el mineral fracturado se conoce como mineral run-of-mine (ROM). El mineral ROM se carga con enormes palas eléctricas, excavadoras hidráulicas o cargadores frontales en volquetes de gran capacidad, que lo transportan a la estación de trituración y cribado.

Trituración y cribado

El mineral de hierro de ley comercial debe dimensionarse adecuadamente antes de cargar el alto horno. La tecnología actual de alto horno requiere comúnmente trituración y cribado de mineral en bulto (lump ore) de carga directa más fino de 10 mm y más grueso de 30 mm. El tamaño específico se selecciona según las características del mineral para mantener alta permeabilidad en la columna y permitir tiempo suficiente para la reducción del material más grueso. Por consiguiente, la trituración y cribado son parte integral de las instalaciones de producción de mineral.

Muchas minas emplean dos o tres etapas de trituración. Algunas tienen la trituradora primaria en la mina, usando transportadores para llevar el mineral triturado a las trituradoras secundaria y terciaria o directamente a los molinos. Las etapas de trituración reducen el mineral desde varios pies de diámetro en la etapa primaria hasta 6 pulgadas, y hasta 1/2 o 3/8 de pulgada como producto final. El producto de la trituradora se alimenta a la operación de molienda para una reducción adicional de tamaño.

La trituración comúnmente implica una trituradora de mandíbulas primaria con trituradoras secundarias operando en circuito cerrado con cribas vibratorias. La selección de equipos depende principalmente de la friabilidad del mineral. La mayoría de las operaciones de cribado en minerales de alta ley son en seco, excepto cuando la fracción de finos puede mejorarse eficazmente por deslimado.

Los finos de menos de 10 mm producidos por trituración y cribado se aglomeran comúnmente por sinterización, o a veces se muelen para peletización.

El programa minero en cada mina se desarrolla para producir un producto uniforme. Aunque hay múltiples pasos de manipulación en la mayoría de los sistemas de carga y envío, no suelen proporcionar suficiente mezcla para cumplir los estándares de aseguramiento de calidad que exigen las acerías, especialmente si se especifican consistencia de tamaño y estándares químicos. Instalaciones sofisticadas de mezcla combinada y carga (blending and load-out) se proveen ahora casi universalmente en las minas de hierro.

Los sistemas de apilamiento y recuperación se usan frecuentemente. El apilamiento resulta en capas de minerales de hierro; cada capa sucesiva puede diferir en consistencia de tamaño o composición química de las adyacentes. La pila alargada se construye hasta una altura limitada por la capacidad de la apiladora. El mineral puede recuperarse luego para su uso mediante excavadoras de rueda de cangilones, cargadores frontales o transportadores transversales de rasqueta. La remoción del mineral desde el frente de la pila produce una corriente de material que es una mezcla uniforme de mineral de todas las capas. El mineral mezclado se despacha luego a los clientes.

Los diversos pasos de la minería se muestran en la Fig. 1.

Fig. 1 Pasos en la minería a cielo abierto de mineral de hierro

Aspectos ambientales

Los materiales generados por la minería a cielo abierto incluyen estéril (overburden), roca de desecho y agua de mina. Otros residuos pueden incluir pequeñas cantidades de aceite y grasa derramados durante la extracción. El agua de mina suele contener componentes disueltos o suspendidos similares a los del propio cuerpo mineral: trazas de aluminio, antimonio, arsénico, berilio, cadmio, cromo, cobre, manganeso, níquel, selenio, plata, azufre, titanio y zinc.

El agua causa diversos problemas en las operaciones mineras de hierro. Salvo en casos raros (minería en cimas de colinas o en condiciones desérticas), el agua debe recogerse en sumideros, pozos o labores subterráneas y bombearse fuera de la mina. Esta agua de drenaje a menudo se utiliza directamente para compensar pérdidas de agua en las operaciones de concentración.