Beneficio de Minerales de Hierro: Procesos y Técnicas Clave

El hierro es un elemento abundante en la corteza terrestre, con un promedio de 2 % a 3 % en rocas sedimentarias y 8,5 % en basaltos y gabros. Al estar presente en muchas zonas, tiene un valor relativamente bajo; por tanto, un yacimiento debe tener un alto porcentaje de metal para considerarse de ley minera. Típicamente, se requiere al menos un 25 % de hierro para ser económicamente recuperable.

Más de 300 minerales contienen hierro, pero cinco son las fuentes principales: (i) magnetita (Fe₃O₄), (ii) hematita (Fe₂O₃), (iii) goethita (Fe₂O₃·H₂O), (iv) siderita (FeCO₃) y (v) pirita (FeS₂). La minería de minerales de hierro requiere perforación, voladura, trituración, cribado y mezcla de los minerales.

La trituración y cribado son parte integral de las instalaciones de producción. La trituración suele implicar una trituradora primaria y secundarias en circuito cerrado con cribas vibratorias. La selección de equipos depende de la friabilidad del mineral. La mayoría de las operaciones de cribado en minerales de alta ley son en seco, salvo cuando la fracción de finos puede mejorarse eficazmente por deslimado.

Categorías de minerales de hierro

Los minerales de hierro se clasifican normalmente en tres categorías:

1. Minerales de envío directo (alta ley): contienen suficiente hierro para cargarse directamente al horno de reducción; solo requieren trituración, cribado y mezcla.
2. Minerales comerciables de baja ley asociados: ocurren alrededor de los de alta ley, pueden extraerse simultáneamente y requieren mejoras menores por lavado para aumentar su contenido de hierro.
3. Minerales de baja ley: requieren trituración, molienda y concentración extensivas para producir un concentrado aceptable.

Los minerales en estas tres categorías tienen requisitos de procesamiento muy diferentes. Para obtener un producto uniforme, los minerales de diferentes grados, composiciones y tamaños suelen mezclarse.

El término beneficio respecto a minerales de hierro abarca todos los métodos usados para procesar el mineral y mejorar sus características químicas, físicas y metalúrgicas, volviéndolo una alimentación más deseable para el horno de reducción. Estos métodos incluyen: trituración y molienda, lavado, filtración, clasificación, dimensionado, concentración por gravedad, separación magnética, flotación y aglomeración. Las operaciones de beneficio producen dos productos: (i) un concentrado y (ii) un relave (desecho), que se descarta.

Trituración y molienda

El beneficio comienza con la trituración y molienda, junto con clasificación en húmedo o seco de los minerales extraídos, en preparación para actividades posteriores de aumento del contenido de hierro. Es un proceso multi-etapa que puede usar alimentación de mineral seco o húmedo. Según la dureza del mineral, se usan dos, tres y a veces cuatro etapas de trituración para reducir el mineral run-of-mine (ROM) al tamaño de alimentación requerido. La trituración primaria y secundaria es normalmente por trituradoras giratorias o de cono. Las trituradoras de mandíbulas rara vez tienen la capacidad o durabilidad para usarse como unidad primaria, salvo que el mineral sea excepcionalmente blando. La trituración terciaria a un tamaño máximo de 25 mm suele hacerse con trituradoras de cabeza corta en circuito cerrado con cribas. Típicamente, la trituración primaria, secundaria y cribado ocurren en el sitio minero.

La inversión de capital y costos operativos de trituración y molienda son sustanciales; por tanto, la economía juega un papel importante en la determinación del uso de estos equipos y el grado de trituración y molienda. Otros factores importantes incluyen la concentración de valor del mineral, su mineralogía, dureza y contenido de humedad.

Posterior a la trituración inicial, la molienda fina reduce las partículas de mineral a la consistencia de polvo fino (malla 325, 0,44 micras). La elección del circuito de molienda se basa en la densidad y dureza del mineral. Aunque el uso de molinos de barras o bolas es común, algunas instalaciones usan sistemas de molienda autógena o semi-autógena. La molienda autógona usa trozos gruesos del propio mineral como medio de molienda. Las operaciones semi-autógenas usan bolas y/o barras metálicas para complementar la acción de molienda de los trozos de mineral. La molienda autógona se adapta mejor a minerales débilmente cementados que contienen algo de material duro. Su beneficio es ser menos intensiva en capital y mano de obra. La molienda semi-autógona elimina la necesidad de un circuito de trituración secundaria. El desgaste de barras y bolas, principal costo de mantenimiento de molinos tradicionales, también se elimina con este método.

Molino de barras

Los molinos de barras suelen diseñarse para moler alimentación de menos 35 mm a menos malla 3. Son molinos rotativos con relación longitud/diámetro de 1,5 a 2,0. El medio de molienda son barras de acero de hasta 100 mm de diámetro. El mineral se muele en húmedo con contenido de sólidos de 68 % a 80 %. El tamaño del producto se controla combinando tasa de alimentación, características de la carga de barras, velocidad del molino, densidad y viscosidad de la pulpa.

Molino de bolas

Los molinos de bolas son el principal medio de molienda fina de minerales de hierro. Son molinos rotativos como los de barras, pero con relación longitud/diámetro menor, hasta 1,5. El medio de molienda son bolas de acero en lugar de barras. La eficiencia de molienda se ve muy afectada por la eficiencia de clasificación y los parámetros operativos del molino: velocidad, carga de medio, densidad y viscosidad de la pulpa.

Molino de guijarros

Los molinos de guijarros también se usan para molienda fina. Son similares a los de bolas, pero cargados con guijarros de 25 mm a 100 mm en lugar de bolas de acero. Su principal ventaja es no requerir medio de molienda de acero y reducir el desgaste de revestimientos. Sin embargo, normalmente tienen alto consumo de energía.

Entre cada operación de molienda, se usan hidrociclones para clasificar partículas gruesas y finas. Las gruesas retornan al molino para mayor reducción. El mineral molido en forma de pulpa se bombea al siguiente paso de beneficio. Si el mineral molido va destinado a flotación, los reactivos químicos se añaden normalmente a la pulpa en esta etapa.

Flotación

La flotación es efectiva para la concentración de minerales de hierro finos (menos malla 100). El proceso depende de que ciertos reactivos añadidos a suspensiones acuosas de mineral finamente molido causen selectivamente que los minerales de óxido de hierro o las partículas de ganga exhiban afinidad por el aire. Los minerales con esta afinidad se adhieren a burbujas de aire y pasan a través de la suspensión, siendo removidos como producto de espuma. Factores importantes para el éxito incluyen: uniformidad del tamaño de partícula, uso de reactivos compatibles con el mineral, y condiciones de agua que no interfieran con la adhesión de reactivos al mineral o burbujas.

Reactivos químicos en flotación

Se usan normalmente cuatro tipos de reactivos:

• Colectores/aminas: inducen la afinidad preferencial por el aire, causando adherencia entre partículas sólidas y burbujas en la celda de flotación.
• Espumantes: causan formación estable de burbujas o espuma; reducen la tensión superficial, permitiendo la recolección de material valioso por desnatado.
• Antiespumantes: reaccionan con superficies de partículas en la celda para evitar que materiales permanezcan en la espuma; caen al fondo como relaves.
• Otras sustancias (modificadores, dispersantes, depresores): se añaden para control, como ajuste de pH, o para causar mejor dispersión o floculación.

Factores importantes al acondicionar el mineral para flotación con reactivos: mezcla y dispersión completa de reactivos en la pulpa, contacto repetido entre reactivos y todas las partículas relevantes, y tiempo para el desarrollo de contactos que produzcan las reacciones deseadas.

Los reactivos pueden añadirse en varias formas: sólido, líquido inmiscible, emulsión y solución acuosa. La concentración se controla estrechamente durante el acondicionado. El exceso de reactivo puede retardar la reacción y reducir la eficiencia.

La tendencia actual es hacia celdas de flotación más grandes y energéticamente eficientes. Una pulpa con mineral molido, reactivos y agua se alimenta a las celdas. Típicamente, 10 a 14 celdas se disponen en serie desde roughers a scavengers. Los roughers hacen una separación gruesa de minerales metálicos ferríferos (valores) de la ganga. Los scavengers recuperan cantidades menores de valores restantes de la pulpa. La pulpa pasa de roughers a scavengers mientras se remueven valores. Los concentrados recuperados de la espuma en celdas de roughing y scavenging van a celdas de limpieza para producir el concentrado final de mineral metálico ferrífero.

Tipos de colectores

Los colectores de flotación son de dos tipos: (i) aniónicos y (ii) catiónicos. Los aniónicos se ionizan en solución de modo que la especie activa (que se adhiere a la superficie mineral cargada positivamente) es de carga negativa. En los catiónicos, la especie iónica activa es de carga positiva.

La principal aplicación de la flotación aniónica es flotar minerales ferríferos lejos de la ganga. Los colectores más comunes son ácidos grasos o sulfonatos de petróleo. A menudo se añade fuel oil junto con los colectores para promover la recuperación de partículas de óxido de hierro más finas de ~10 micras. Por el contrario, la flotación catiónica se usa para flotar ganga lejos de mineral crudo finamente molido y para remover pequeñas cantidades de ganga de algunos concentrados. Los colectores catiónicos son principalmente aminas alifáticas o diaminas, beta-amina o éter-aminas, generalmente en forma de acetato.

Residuos de flotación

Los desechos de la celda se recogen del aliviadero de relaves. Según la ley de la espuma, se recicla para mayor recuperación de unidades de hierro o se descarta como relaves. Los relaves contienen ganga remanente, minerales de hierro no recuperados, reactivos químicos y agua de proceso. Generalmente, los relaves pasan a un espesador antes de ir a un depósito de relaves. El contenido de sólidos de la pulpa varía entre 30 % y 60 %. Tras el espesado, los relaves se bombean a un depósito y los sólidos se reciclan para mayor beneficio para recoger valores remanentes, y el agua clarificada retorna a la trituración y molienda. En la presa de relaves, los sólidos se sedimentan y el componente líquido se recicla al molino de molienda. Los reactivos químicos usados en flotación generalmente se adhieren a las partículas de relaves y permanecen en el depósito.

Espesado / Filtrado

Los espesadores se usan para remover la mayor parte del líquido de concentrados en pulpa y relaves en pulpa. Las técnicas de espesado se emplean usualmente en dos fases de producción de mineral de hierro: (i) los concentrados se espesan para reducir humedad y recuperar agua, y (ii) los relaves en pulpa se espesan para recuperar agua. Las instalaciones suelen emplear varios espesadores concurrentemente.

Típicamente, las operaciones de mineral de hierro usan espesadores continuos con mecanismo de rastrillo para remover sólidos. Existen varias variaciones de rastrillos. Cuando se espesan concentrados, el subflujo (concentrado) se recoge y trata en un filtro de vacío de disco cerámico, que remueve la mayor parte del agua restante. El componente líquido removido durante el espesado puede contener reactivos de flotación y/o productos minerales disueltos y suspendidos; suele reciclarse a una laguna de retención para reuso en el molino de molienda. Cuando se espesan concentrados, el material sólido resultante se recoge como concentrado final para aglomeración y procesamiento adicional. Los relaves espesados se descargan a un depósito de relaves.

Concentración por gravedad

La concentración por gravedad se usa ampliamente en el beneficio de minerales de hierro hematíticos. Esta tecnología suspende y transporta ganga más ligera lejos del mineral valioso más pesado. La separación se basa principalmente en diferencias de gravedad específica de los materiales y tamaño de partícula. Los valores pueden removerse junto con la ganga (relaves) a pesar de diferencias de densidad si los tamaños de partícula varían. Por este problema potencial, los tamaños de partícula deben mantenerse uniformes con clasificadores (cribas e hidrociclones). Tres métodos de separación por gravedad se han usado históricamente para mineral de hierro: (i) lavado, (ii) yigging (jigging) y (iii) separadores de medio denso (heavy-media). Las espirales y conos Reichert son otros dos métodos.

Los desechos de concentración por gravedad son relaves compuestos por ganga en forma de partículas gruesas y finas y agua de proceso. Este material se bombea como pulpa a una presa de relaves. El contenido de sólidos varía con cada operación, entre 30 % y 60 %. Tras la separación de sólidos en la presa, el agua de relaves puede reciclarse o descargarse.

Lavado

El lavado es el proceso de concentración más simple que aprovecha la alta gravedad específica y tamaño comparativamente grueso de los minerales ferríferos para separarlos de la ganga silícea más fina y ligera, predominantemente cuarzo y minerales de arcilla. El mineral se prepara triturando en una o dos etapas a tamaño menor de 50 mm. El mineral triturado se alimenta a lavadores de troncos (log washers). La agitación intensa por las paletas (similar a un pug mill moderno) combinada con agua en contracorriente conminuye y remueve eficientemente la sílice fina, dejando un producto residual grueso rico en hierro. El desbordamiento del lavador de troncos a menudo se retrata en clasificadores de rastrillo o espiral para recuperar hierro fino adicional. Algunas plantas de lavado emplean clasificadores espirales en una o dos etapas sin lavador de troncos en minerales con cantidad mínima de ganga arcillosa pegajosa. Clasificadores de asentamiento impedido de varios tipos también se usan a veces para recuperar hierro fino.

Yigging (Jigging)

El yigging es una forma más compleja de beneficio que el lavado simple, usada en minerales más duros que requieren trituración para romper capas ricas en ganga. Los yigs para beneficio de hierro son básicamente cribas horizontales que llevan una cama de mineral de 150 mm a 250 mm de profundidad. El mineral se alimenta en un extremo y se estratifica por la acción pulsante de agua, causada por una bomba oscilante o por movimiento físico arriba-abajo de la criba. A medida que el mineral avanza por la cubierta, el pulso permite que partículas más ligeras suban a la cima de la cama, mientras las partículas ferríferas más pesadas se segregan en la base. Los dos productos se separan al final del yig: partículas más ligeras sobre el vertedero de descarga y concentrado de hierro por el fondo. Los yigs de hierro funcionan mejor en partículas de 1 mm a 25 mm.

Separación por medio denso (Heavy Media Separation)

Los dispositivos de separación por medio denso se desarrollaron en los años 1950 como alternativa más efectiva al yigging para la mejora de minerales de hierro. Operan por el principio de hundimiento-flotación. Una suspensión de ferrosilicio fino (menos malla 200) en agua crea un medio fluido con gravedad específica ~3,0. Partículas ricas en sílice (gravedad ~2,6) flotan en la superficie, mientras partículas de hierro más densas (gravedad >4,0) se hunden al fondo. El medio convencional para concentrar mineral grueso es ferrosilicio con 15 % Si y 85 % Fe. Suspensiones acuosas con 64 % a 85 % de ferrosilicio finamente molido tienen gravidades específicas de 2,2 a 3,6.

Los vasos de separación para mineral grueso (más 9 mm) son comúnmente clasificadores espirales, de rastrillo o tambores rotativos. Mineral más fino de 9 mm y más grueso de 3 mm puede separarse en ciclones de medio denso, donde altas fuerzas gravitacionales aceleran el asentamiento de partículas pesadas de hierro. Ferrosilicio finamente molido se usa para el medio denso en ciclones en lugar de ferrosilicio. La dinámica del ciclón crea la densidad y fluidez requeridas a pesar de la menor gravedad específica de la magnetita. Además, el costo de la magnetita es mucho menor que el ferrosilicio molido.

El medio (ferrosilicio y magnetita) se lava de los productos de hundimiento y flotación en cribas finas con canales de lavado y rociadores de agua, y se recupera del agua de lavado con separadores magnéticos y recicla.

Espirales

La espiral, desarrollada inicialmente para tratamiento de arenas de playa, se usa en concentración de hierro para tratar minerales de menos malla 6 (3,36 mm) a malla 100 (0,149 mm). La eficiencia por debajo de malla 100 disminuye rápidamente y las espirales son inefectivas en materiales más finos. Operan normalmente a densidad de pulpa de 25 % a 30 % de sólidos.

Las espirales se usan ampliamente para recuperación suplementaria de hierro fino de tipos de mineral comerciable y son el dispositivo de concentración principal para minerales de hematita especular del Labrador Trough y minerales similares que pueden liberarse moliendo no más fino de malla 20.

Los concentradores espirales son dispositivos de separación por película fluida. La operación general es un flujo laminar gravitacional continuo por una superficie inclinada. El mecanismo de separación involucra patrones de flujo primario y secundario. El flujo primario es la pulpa fluyendo por el canal espiral bajo gravedad. El flujo secundario es radial a través del canal: las capas superiores de fluido con partículas de mayor densidad se alejan del centro, mientras las capas inferiores de concentrado de mayor densidad se mueven hacia el centro. Las espirales requieren adición de agua en varios puntos para ayudar al lavado del mineral, transportando la ganga ligera lejos del mineral denso. La cantidad y distribución del agua de lavado se puede ajustar. El control puntual minimiza el total de agua requerida dirigiéndola eficientemente en la pulpa fluyente en el ángulo más efectivo.

El concentrador espiral es un canal de fondo curvo, enrollado alrededor de un eje vertical en forma de hélice. Al alimentarse en la parte superior con pulpa de mineral y ganga, la ganga menos densa, más fácilmente suspendida por el agua, alcanza mayor velocidad tangencial que los minerales de hierro, y migra hacia el borde exterior del canal. El agua de lavado añadida a lo largo del borde interior ayuda a arrastrar la ganga ligera. Tras unas vueltas, se forma una banda de mineral de hierro a lo largo del borde interior, y la ganga forma bandas hacia el borde exterior. Puertos espaciados a lo largo del borde interior recogen y remueven los minerales de hierro. La ganga permanece en la espiral y descarga en el fondo.

Cono Reichert

Las ventajas principales del cono Reichert son su capacidad y la habilidad para recuperar minerales pesados finos eficientemente hasta ~malla 325, más fino que en espirales. Un solo cono Reichert tiene capacidad de hasta 100 toneladas/hora y puede usarse efectivamente para recuperar finos de hematita especular.

El cono Reichert es un concentrador de película fluida. Las partículas más densas se concentran en el fondo de una película fluida de pulpa con ~60 % de sólidos en peso. El mecanismo de separación combina asentamiento impedido de partículas densas y goteo intersticial de partículas finas. El elemento de separación es un cono de 1,9 m de diámetro con pendiente interna. La pulpa de alimentación se distribuye uniformemente alrededor de la periferia. Al fluir por gravedad hacia el centro, las partículas finas y pesadas se concentran en el fondo y se remueven por una ranura anular cerca del vértice. El relave fluye sobre la ranura y se recoge en el vértice o centro. Como la eficiencia de esta separación es relativamente baja, se repite varias veces en una disposición apilada de conos para aumentar la recuperación. Generalmente, el concentrado de mayor ley se produce en el cono de separación primaria.

Separación magnética

La separación magnética se usa normalmente para separar mineral de hierro magnético natural (magnetita) de materiales menos magnéticos o no magnéticos. Durante la separación magnética, un porcentaje sustancial de las unidades de hierro beneficiadas se pierden en relaves, ya que la hematita es solo débilmente magnética.

La separación magnética se conduce en ambiente seco o húmedo; los sistemas húmedos son más comunes. Puede categorizarse como baja o alta intensidad. Los separadores de baja intensidad usan campos magnéticos de 1000 a 3000 gauss; se usan normalmente en mineral de magnetita y son un método económico y efectivo. Capturan solo material altamente magnético (magnetita). Los separadores de alta intensidad emplean campos de hasta 20.000 gauss; se usan para separar minerales de hierro débilmente magnéticos (hematita) de ganga no magnética o menos magnética. Otros factores importantes para determinar el tipo de separador incluyen el tamaño de partícula y el contenido de sólidos de la pulpa de alimentación.

Tecnologías de separación magnética

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

Otros mecanismos incluyen poleas magnéticas, separadores de rodillo inducido, separadores de banda transversal y separadores de tipo anillo.

Típicamente, la separación magnética implica tres etapas: (i) cobbing, (ii) limpieza/roughing, y (iii) acabado (finishing). Cada etapa emplea varios tambores en serie para aumentar la eficiencia. Cada etapa sucesiva trabaja en partículas más finas como resultado de la remoción de sobredimensionadas en separaciones anteriores. Los cobbers trabajan en partículas grandes (9 mm) y rechazan ~40 % de la alimentación como relaves. La separación seca de baja intensidad a veces se usa en la etapa de cobbing. Los limpiadores o scavengers trabajan en partículas de 48 malla (0,32 mm) y remueven solo 10 % a 15 % de la alimentación como relaves. Finalmente, los acabadores trabajan en partículas menores de 100 malla (0,149 mm) y remueven el 5 % restante de ganga, debido a la naturaleza altamente concentrada de la alimentación en esta etapa.

Los procesos húmedos de baja intensidad típicamente involucran transportadores y separadores de tambor rotativo con imanes permanentes, usados principalmente en partículas de 9 mm o menos. El mineral se alimenta por transportador al separador donde las partículas de magnetita son atraídas y retenidas en los lados del tambor hasta ser llevadas fuera del campo magnético y transferidas a un receptor de concentrado. La ganga no magnética o menos magnética permanece y se envía a presa de relaves. En algunas operaciones, varios tambores se disponen en serie para maximizar la recuperación.

Los separadores húmedos de alta intensidad producen gradientes de campo magnético altos usando una matriz de piezas de hierro formadas que actúan como sitios de recolección para partículas paramagnéticas. Estas formas pueden incluir bolas, barras, placas ranuradas, metal expandido y fibras.

Los desechos primarios son relaves de ganga en forma de partículas gruesas y finas, y pulpa de agua residual en separación húmeda. Los desechos particulados de separación seca también pueden ponerse en pulpa. Tras la separación de sólidos en espesador o presa de sedimentación, los sólidos van a un depósito de relaves y el componente líquido puede reciclarse al molino o descargarse si se cumplen criterios de calidad de agua.

Separación magnética de alta intensidad en húmedo (WHIMS)

La WHIMS se desarrolló para recuperar unidades de hierro no magnéticas. Puede aplicarse efectivamente en un amplio rango de tamaño de partícula, de 10 malla (2 mm) a 500 malla, según la matriz usada. Aplicaciones incluyen: recuperación de hierro de finos de mineral natural, mejora de concentrados espirales y recuperación de hematita de relaves. En WHIMS, electroimanes producen un campo magnético de muy alta intensidad aplicado a una matriz de bolas de acero, placas ranuradas espaciadas, lana de acero o piezas de metal expandido. La matriz se contiene en un anillo que rota entre los imanes de alta intensidad. La pulpa de mineral se introduce donde la matriz está en el campo. Los altos gradientes magnéticos alrededor de la matriz retienen la hematita mientras la ganga es lavada. El concentrado de hematita se libera y descarga al mover la matriz fuera del campo magnético.

La Fig. 1 muestra un diagrama esquemático de una espiral y una WHIMS.

Fig. 1 Diagrama esquemático de una espiral y una WHIMS