Comprender los minerales de hierro y la minería del mineral de hierro

Comprensión de los minerales de hierro y la extracción de minerales de hierro

El hierro (Fe) es un elemento abundante y ampliamente distribuido en la corteza terrestre, constituyendo en un promedio que va del 2 % al 3 % en rocas sedimentarias al 8,5 % en basalto y gabro. Su suministro es esencialmente ilimitado en casi todas las regiones del mundo.

Sin embargo, la mayor parte de este hierro no se encuentra en una forma que pueda usarse en las prácticas actuales de fabricación de hierro. Por lo tanto, sólo la parte del hierro total en la corteza terrestre que está disponible para la industria del acero, tanto económica como espacialmente, puede denominarse correctamente mineral de hierro. Sin embargo, lo que constituye el mineral de hierro varía mucho de un lugar a otro y de una época a otra. Hay muchos factores que determinan si el mineral que contiene hierro se puede clasificar como mineral de hierro, pero básicamente es una cuestión de economía. Teniendo este concepto en mente, una definición lógica de mineral de hierro con fines comerciales es "material con contenido de hierro que se puede utilizar económicamente en un lugar y momento determinados en las condiciones actuales de costo y precio de mercado".

Debido a que el hierro está presente en muchas áreas, tiene un valor relativamente bajo y, por lo tanto, un depósito debe tener un alto porcentaje de Fe para ser considerado como mineral. Con el advenimiento de métodos mejorados de beneficio, concentración y aglomeración, la variedad de materiales que contienen hierro que ahora se pueden usar se ha ampliado y muchos tipos de materiales de baja ley que antes se consideraban antieconómicos ahora se consideran como mineral de hierro. Por lo general, un depósito debe contener al menos un 25 % de Fe para que se considere económicamente recuperable.

Más de 300 minerales contienen hierro, pero cinco minerales son las principales fuentes de mineral de hierro. Son (i) magnetita (Fe3O4), (ii) hematita (Fe2O3), (iii) goethita (Fe2O3.H2O), (iv) siderita (FeCO3) y (v) pirita (FeS2). Los primeros tres son de gran importancia debido a su ocurrencia en grandes yacimientos económicamente explotables. Sin embargo, la mayor parte del mineral de hierro extraído en todo el mundo se incluye en las dos primeras categorías.

La hematita tiene una composición química de Fe2O3 correspondiente a 69,94 % de hierro y 30,06 % de oxígeno. Tiene un color que va del gris acero al rojo opaco o rojo brillante, puede ser terroso, compacto o cristalino y tiene una gravedad específica de 5,26. Las variedades comunes se denominan cristalina, especular, martita (pseudomórfica después de magnetita), maghemita (óxido férrico magnético), terrosa, ocre y compacta. La hematita es uno de los minerales de hierro más importantes. Tiene una amplia presencia en muchos tipos de rocas y es de diversos orígenes. Se presenta asociado a depósitos de vetas, rocas ígneas, metamórficas y sedimentarias, y como producto de la meteorización de la magnetita. Algunos depósitos de baja ley de hematites cristalino diseminado han sido tratados con éxito mediante técnicas de flotación y gravedad para producir concentrados de alta calidad.

La magnetita tiene una composición química de Fe3O4, correspondiente a 72,36 % de hierro y 27,64 % de oxígeno. Tiene un color de gris oscuro a negro y una gravedad específica de 5,16 a 5,18. Es fuertemente magnético, a veces posee polaridad por lo que actuará como un imán natural. La magnetita se encuentra en rocas ígneas, metamórficas y sedimentarias. La propiedad magnética de la magnetita es importante, ya que 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. Se ha vuelto cada vez más importante como fuente de hierro debido a las continuas mejoras en las técnicas de concentración magnética y en el mayor uso de productos de alta calidad.

Extracción de minerales de hierro

La minería (extracción), beneficio y procesamiento de mineral de hierro produce hierro y acero. La minería se define como la extracción de material mineral de un depósito y abarca todas las actividades previas al beneficio. Los minerales de hierro de alta calidad (con un contenido de hierro superior al 62 %) se trituran, criban y envían directamente a la unidad de producción de hierro (por ejemplo, un alto horno). Los minerales de hierro de bajo grado que contienen un contenido de hierro más bajo necesitan actividades de beneficio distintas de la trituración, el tamizado y el lavado para aumentar su contenido de hierro. Para ser competitiva, la extracción de mineral de hierro debe realizarse a gran escala. Hay dos métodos de minería que se emplean comúnmente. Son (i) minería de superficie, (ii) minería subterránea o de pozo.

La decisión de emplear técnicas de minería subterránea o de superficie depende de la proximidad del yacimiento a la superficie. La mayoría del mineral de hierro extraído en todo el mundo se realiza exclusivamente mediante técnicas de minería de superficie. Sin embargo, también hay algunas minas de hierro subterráneas en funcionamiento en el mundo. Hay dos métodos básicos de minería de superficie diseñados para extraer mineral de hierro de los depósitos de superficie. Estos son métodos a cielo abierto y a cielo abierto. Casi todas las grandes minas de mineral de hierro del mundo, con la excepción de unas pocas, se explotan mediante métodos a cielo abierto.

El proceso de extracción de mineral de hierro requiere recursos masivos. Estos recursos incluyen equipo de minería industrial pesado y mano de obra calificada. El equipo utilizado incluye bulldozers, traíllas, camiones de acarreo (transportadores pesados), dumpers, cargadores frontales, excavadoras hidráulicas, palas hidráulicas y eléctricas (palas de extracción, palas de carga), dragalinas, excavadoras de rueda de cangilones, dragas, camiones cisterna, perforadoras de pozos de voladura (taladro rotativo con broca de diamante) y transportadores de servicio pesado. Además, se necesitan trituradoras y cribas con equipos asociados para triturar y cribar el mineral hasta convertirlo en un producto comercial.

Planificación y desarrollo

El proceso de extracción de mineral de hierro desde el descubrimiento de un cuerpo de depósito de mineral de hierro hasta la extracción de minerales de hierro y, finalmente, para devolver la tierra a su estado natural consta de varios pasos distintos. El primero es el descubrimiento del depósito de mineral de hierro, que se lleva a cabo a través de la prospección o exploración para encontrar y luego definir la extensión, ubicación y valor del yacimiento. Esto conduce a una estimación de recursos matemáticos para estimar el tamaño y la ley del depósito.

La extracción de mineral de hierro comienza a nivel del suelo. El mineral se identifica mediante muestras de núcleos de perforación diamantina en una cuadrícula de varios metros en la tierra. La roca de mineral de hierro comprende un porcentaje sustancial de hierro y el resto son impurezas como alúmina y sílice. Estas muestras se analizan y clasifican para que los ingenieros de minas puedan desarrollar con precisión un plan de mina.

El desarrollo de la mina incluye la planificación de la mina para evaluar la porción económicamente recuperable del depósito, las características metalúrgicas de los minerales, la capacidad de recuperación del mineral, las preocupaciones de ingeniería, la trituración y los requisitos de infraestructura. La proporción de un depósito que es económicamente recuperable depende del factor de enriquecimiento del mineral en el área.

Para obtener acceso al depósito mineral dentro de un área, a menudo es necesario extraer o eliminar material de desecho que no es de interés inmediato. El movimiento total de minerales y desechos constituye el proceso de extracción. A menudo, se extraen más desechos que minerales durante la vida útil de una mina, según la naturaleza y la ubicación del yacimiento. La eliminación y colocación de desechos es un costo importante para la operación minera.

La presencia general, el tamaño y la forma de un depósito de mineral de hierro se determinan durante la fase de exploración. El conocimiento del depósito se determina con más detalle a través del trabajo de desarrollo. A menudo, durante el desarrollo de una mina es necesario determinar, con considerable detalle, la posición y la naturaleza de las estructuras geológicas que afectan la distribución y disponibilidad del mineral.

Después de obtener suficiente información detallada, se estudian varias combinaciones de planes operativos utilizando mapas y secciones preparadas para este propósito. Estos muestran el tamaño y la forma del cuerpo mineral, las composiciones del mineral y los resultados de las pruebas de laboratorio. A partir de estas representaciones gráficas, las cantidades de minerales y materiales de desecho se determinan mediante la aplicación de factores de peso por volumen. Las computadoras se usan comúnmente en la preparación de estimaciones de tonelaje y en la preparación de planes de minería detallados. Mediante el uso de estos sistemas, se realizan evaluaciones comparativas de varios métodos y planes de extracción para determinar el plan más favorable para cada depósito en particular y programar la extracción del depósito.

En consecuencia, es necesario planificar la producción de la mina para generar un flujo constante de mineral de hierro cuya composición sea consistentemente cercana a las leyes objetivo. Esta necesidad impulsa el proceso de convertir un prospecto de exploración en un proyecto minero viable. Debido a que la composición del depósito de mineral solo se puede muestrear de manera aproximada antes de la extracción, y debido a que las condiciones económicas y financieras tienden a ser bastante volátiles, cualquier plan de mina es, en el mejor de los casos, provisional, sujeto a revisión a la luz de los cambios en el conocimiento sobre el depósito de mineral. a medida que se expone progresivamente durante las operaciones mineras.

El desarrollo y la planificación de la mina no cesan cuando comienza la producción, debido a la necesidad de responder a las condiciones cambiantes como resultado del desarrollo del conocimiento sobre el cuerpo mineralizado, generado a medida que más pozos de perforación proporcionan más ensayos distribuidos sobre el volumen del cuerpo mineralizado. es minado.

La planificación, el desarrollo y la operación de una mina a cielo abierto generalmente se basan en un modelo de bloques rectangulares. Este modelo de bloque comprende un conjunto de bloques rectangulares, con dimensiones correspondientes a la unidad minable más pequeña, dice 50 metros cuadrados en horizontal por 10 metros en vertical. Para cada bloque se realizan estimaciones de la ley (hierro, más cada uno de los 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 tomadas durante la perforación exploratoria. Durante el desarrollo y la operación de la mina, el modelo de bloques se revisa continuamente mediante perforación de relleno, datos de barrenos perforados para colocar explosivos y de los ensayos del mineral extraído a medida que se tritura y analiza. En cualquier etapa de la operación, las decisiones de secuenciación y selección minera deben basarse en la información del modelo de bloque imperfecto actualmente disponible, a fin de producir mineral para el envío que coincida con el grado objetivo dentro de las tolerancias especificadas.

Minería a cielo abierto

Los métodos de minería de superficie están diseñados para extraer minerales de los depósitos de superficie. El depósito de mineral se expone quitando una capa de tierra, a veces de solo unos pocos metros de espesor. Este material que necesita ser decapado se conoce como "sobrecarga". La sobrecarga puede consistir en material no consolidado, roca, arcilla, grava y material mineral pobre. La profundidad a la que se lleva a cabo la minería a cielo abierto depende de la ley del mineral, la naturaleza de la sobrecarga y la relación de extracción. La relación de desbroce es la cantidad de estéril y desperdicio que debe manejarse por cada unidad de mineral extraído. Se describe como la unidad de sobrecarga que debe eliminarse por cada unidad de mineral crudo extraído. Las proporciones de extracción aumentan con la calidad del mineral que se extrae y los factores de costo relacionados con el beneficio y el transporte.

La relación económica de desbroce varía ampliamente de una mina a otra, dependiendo de una serie de factores. En el caso de minerales de envío directo, puede ser tan alto como 6:1 o 7:1. En el caso del mineral de baja ley, una relación de extracción de menos de 1,5:1 suele considerarse un límite económico.

Para la extracción del mineral de hierro, es esencial descubrir el área de la mina quitando primero el material estéril. La sobrecarga se carga mediante grandes palas hidráulicas en camiones de producción, que la transportan a vertederos de contorno. Estos vertederos están diseñados ambientalmente para que coincidan con el área circundante.

En la minería a cielo abierto, la remoción de la sobrecarga puede continuar durante gran parte de la vida útil de una mina a medida que se recortan las paredes del tajo para permitir la profundización de la mina para recuperar el mineral en el fondo. Los materiales no consolidados se excavan con palas mecánicas, dragalinas o mototraíllas, según las condiciones locales. Otros materiales generalmente se excavan con palas mecánicas.

El mineral se extrae de grandes tajos abiertos mediante extracción progresiva a lo largo de escalones o bancos. Los bancos brindan acceso al mineral progresivamente más profundo, a medida que se extrae el mineral del nivel superior. Después de limpiar el suelo y la roca suprayacente, el mineral se perfora y se explota. El objeto de la voladura es exponer el cuerpo de mineral para la extracción o crear un acceso (pasajes horizontales) que se pueda utilizar para acceder al cuerpo de mineral. La voladura también se usa para romper el mineral.

La perforación y la voladura se realizan para romper los materiales consolidados en tamaños que puedan ser manipulados por equipos de minería, así como por instalaciones de trituración y cribado. A veces también se hace para aflojar los bancos de mineral delante de las palas mecánicas para aumentar la eficiencia de la carga.

La porción del cuerpo de mineral que se va a extraer se perfora primero en un patrón específico. La perforación se realiza con grandes equipos de perforación mecanizados. El objetivo principal de las operaciones de perforación es crear un agujero de diámetro, profundidad y dirección adecuados en la roca para colocar los explosivos para las actividades de voladura. Por lo general, los agujeros de voladura perforados tienen 400 mm de diámetro y alrededor de 10 a 12 metros de profundidad. Se perforan alrededor de 400 agujeros en un patrón de explosión.

Antes de la voladura, los agujeros perforados se llenan con mezclas explosivas. El principal requisito para que un explosivo se utilice en la voladura de minas es la capacidad de lograr una combustión completa sin suministro externo de oxígeno. En el pasado, los explosivos utilizados en las voladuras estaban compuestos de nitroglicerina, material carbonoso y un agente oxidante. Hoy en día, los explosivos más comunes utilizados son mezclas de fertilizantes de nitrato de amonio y fuel oil (llamados ANFO). El explosivo es detonado por un detonador y/o detonador de alto explosivo. En algunos casos se utilizan cartuchos explosivos de emulsión o gel.

Una vez preparado, se despeja el sitio de la mina de trabajadores y equipos, y se detona la explosión. Cada uno de los agujeros es detonado con solo un milisegundo de diferencia, lo que da como resultado una pila de mineral de hierro crudo que se rompe en pedazos a un tamaño de menos 2 m x 2 m. Los agujeros anchos en el suelo creados por la perforación, la voladura y la extracción de mineral se conocen como "tajos abiertos".

Después de la voladura, el mineral fracturado se conoce como mineral extraído (ROM). El mineral ROM se carga con enormes palas eléctricas, excavadoras hidráulicas o cargadores frontales en camiones volquete de gran capacidad, que lo transportan a la estación de trituración y cribado.

Trituración y cribado

El mineral de hierro de calidad comercial debe tener el tamaño adecuado antes de cargarlo en el alto horno. La tecnología actual de altos hornos normalmente requiere trituración y cribado de mineral en trozos de carga directa más fino de 10 mm y más grueso de 30 mm. El tamaño específico seleccionado se basa en las características del mineral y se especifica para mantener una alta permeabilidad de la pila y también permitir suficiente tiempo para la reducción del material más grueso. En consecuencia, la trituración y el cribado son una parte integral de las instalaciones de producción de minerales.

Muchas minas emplean dos o tres etapas de trituración. Algunas minas tienen la trituradora primaria ubicada en la mina, utilizando cintas transportadoras para transportar el mineral triturado a las trituradoras secundaria y terciaria o directamente a los molinos. Las etapas de trituración reducirán el mineral de hierro de varios pies de diámetro en la etapa primaria a seis pulgadas hasta la mitad o tres octavos de pulgada como producto final. El producto de la trituradora se alimenta a la operación de molienda para una mayor reducción de tamaño

La trituración generalmente involucra una trituradora de mandíbula primaria con trituradoras secundarias que operan en circuito cerrado con cribas vibratorias. La selección del equipo está determinada en gran medida por 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 se puede mejorar de forma eficaz mediante el deslamado.

Los finos de menos 10 mm producidos por la trituración y el tamizado se aglomeran más comúnmente mediante la sinterización o, a veces, se muelen para peletizar.

El programa de minería en minas individuales se desarrolla para producir un producto uniforme. Aunque hay múltiples pasos de manejo involucrados en la mayoría de los sistemas de carga y envío, a menudo no brindan suficiente mezcla para cumplir con los estándares de garantía de calidad que ahora requieren las plantas de acero, especialmente si se especifican tanto la consistencia del tamaño como los estándares químicos. Las instalaciones de carga y mezcla combinadas sofisticadas ahora se proporcionan casi universalmente en las minas de mineral de hierro.

Los sistemas de apilamiento y recuperación se utilizan con bastante frecuencia. El apilamiento da como resultado la estratificación de los minerales de hierro. Cada capa sucesiva representa un mineral de hierro que puede diferir en consistencia de tamaño o composición química de las capas adyacentes. La pila alargada se construye hasta una altura limitada por la capacidad de apilamiento de la máquina apiladora. Luego, el mineral se puede recuperar para su uso con excavadoras de rueda de cangilones, cargadores frontales o un transportador transversal raspador. La eliminación del mineral de la cara de la pila da como resultado una corriente de material que es una mezcla uniforme de mineral de todas las capas. Luego, el mineral mezclado se envía a los clientes.

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

Figura 1 Pasos en la minería a cielo abierto de mineral de hierro

Cuestiones medioambientales

Los materiales generados como resultado de la minería a cielo abierto incluyen estéril, roca estéril y agua de mina. Otros desechos 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 que se encuentran en el propio cuerpo mineralizado. Estos pueden incluir trazas de aluminio, antimonio, arsénico, berilio, cadmio, cromo, cobre, manganeso, níquel, selenio, plata, azufre, titanio y zinc.

El agua causa una variedad de problemas en las operaciones de extracción de mineral de hierro. Excepto en raras ocasiones, como en la minería en la cima de una colina o en condiciones desérticas, el agua debe recolectarse en sumideros, pozos o trabajos subterráneos y bombearse fuera de la mina. Esta agua de drenaje se utiliza a menudo directamente para compensar las pérdidas de agua en las operaciones de concentración.