Separación por Gravedad y Beneficiación de Minerales: Desde el Cernido de Oro Antiguo hasta Soluciones Mineras Modernas

Separación por gravedad y beneficiación de minerales

La separación por gravedad es la técnica de beneficiación de minerales más antigua conocida y se practica extensamente en la «naturaleza». El uso humano registrado más temprano de la separación por gravedad fue la recuperación de oro por cernido en el Alto Nilo por los antiguos egipcios, que data del 1900 a.C.

La separación por gravedad es un proceso físico que consiste en la separación de diferentes tipos de minerales en el mineral entre sí, basándose en las diferencias en sus gravedades específicas utilizando la fuerza de gravedad, la cual puede ser influenciada por una o más de otras fuerzas como la fuerza centrífuga, la resistencia al movimiento por un fluido (ej. aire, agua), etc. Por tanto, además de la gravedad, otros factores como el tamaño, la forma, etc., también influyen en el movimiento relativo y, por tanto, en la separación. El efecto de la acción centrífuga sobre la fuerza de gravedad se muestra en la Fig. 1. Se puede observar que a medida que aumenta la fuerza de gravedad, la velocidad de sedimentación de partículas más pequeñas se vuelve mayor.

La separación de la partícula de mineral por gravedad depende de dos factores: (i) la velocidad de sedimentación de las partículas, y (ii) la diferencia en gravedad específica cuando se compara con el medio en el que se separan, lo que da una velocidad de sedimentación diferencial y se ha denominado «criterio de concentración». La velocidad de sedimentación de una partícula está dictada por la «ley de Stokes» y es igual a kd²g(Ds-Df), donde k es una constante, d es el diámetro de la partícula, g es la fuerza de gravedad, Ds es la gravedad específica del sólido y Df es la gravedad específica del medio fluido.

El «criterio de concentración» (CC) da una idea de la aptitud de separación de dos partículas de mineral y puede expresarse por (Dh-Df)/(Dg-Df), donde Dh es la gravedad específica del componente más pesado del mineral, Df es la gravedad específica del medio fluido, y Dg es la gravedad específica del componente más ligero del mineral. Generalmente, cuando el cociente es mayor que 2.5 (ya sea positivo o negativo), la separación por gravedad es relativamente fácil. Con una disminución en el valor del cociente, la eficiencia de la separación disminuye y por debajo de 1.25, la separación por gravedad no es factible.

Métodos de separación por gravedad

Existen varios tipos de métodos de separación por gravedad. Los principales son: (i) jig (batidor), (ii) cajas de estrangulamiento (pinched sluices), (iii) espirales, (iv) mesas vibratorias, (v) separadores de partículas finas como el Separador Multi-Gravedad (MGS), y (vi) gravedad/tamaño como hidrosizadores e hidrociclones.

El método de separación por batido (jigging) se ha descrito en otro artículo en el enlace https://www.ispatguru.com/low-grade-iron-ore-beneficiation-and-the-process-of-jigging/

Cajas de estrangulamiento (Pinched sluices)

Los separadores por gravedad tipo caja de estrangulamiento fueron populares en algunos lugares hasta la introducción de la nueva generación de espirales. La caja de estrangulamiento es básicamente una pendiente inclinada, sobre la cual se hace fluir una pulpa que contiene partículas de diferentes gravedades específicas. Debido a la ocurrencia de fuerzas gravitacionales y de fricción, y al estrechamiento de la cubierta de la caja (estrangulamiento), se produce la segregación con las partículas finas y pesadas migrando al fondo de la película fluida y las partículas ligeras y gruesas hacia la parte superior. Por medio de una ranura (toma de concentrado) cerca del final de la caja, las partículas finas y pesadas se eliminan de la corriente de partículas ligeras y gruesas, que pasa sobre la ranura y se descarga al final. Hay dos tipos de cajas de estrangulamiento: (i) bandejas, y (ii) cono Reichert. Los principios de operación en bandejas y cono Reichert se muestran en la Fig. 2.

Las bandejas entraron en operación primero y tienen varias variaciones. Normalmente consisten en múltiples puntos de alimentación por unidad, con varias etapas (ej. rougher/cleaner/scavenger) en cada unidad. Las ventajas de las bandejas incluyen: (i) abiertas para inspección visual, ajuste y limpieza, y (ii) alta densidad de alimentación (63 % sólidos) por lo que se necesita bajo volumen de bombeo. Desventajas incluyen: (i) difíciles de manejar por su gran requerimiento de espacio, (ii) baja relación de enriquecimiento (típicamente 3:1), (iii) se necesita gravedad específica controlada de la alimentación, (iv) baja recuperación de finos, (v) la alimentación necesita cribado, (vi) baja tolerancia a lodos, (vii) hay múltiples puntos de alimentación y superficies separadoras, y (viii) necesita agua de lavado para control de densidad durante etapas de limpieza.

Los conos Reichert son esencialmente una versión mejorada de las bandejas. Tienen forma cónica con un único punto de alimentación central. Generalmente contienen múltiples etapas montadas verticalmente una sobre otra. Las configuraciones más comunes son: (i) 4DS (cuatro etapas doble/simple), y (ii) 2DSS.DS (dos etapas doble/simple/simple más una etapa doble/simple), la primera usada como rougher mientras que la segunda como cleaner. Las variables del proceso son: (i) tasa de alimentación (aumentar la tasa reduce el rendimiento por encima de un óptimo), (ii) densidad de alimentación (debe mantenerse entre 60 % a 63 % sólidos, de lo contrario la recuperación o la ley sufren), y (iii) ajustes de insertos (rango 1 a 9, con apertura creciente la recuperación es mayor pero la ley se reduce). Las ventajas son: (i) alta capacidad por área de piso, y (ii) alta densidad de alimentación (63 % sólidos) por lo que se necesita bajo volumen de bombeo. Las desventajas son: (i) baja relación de enriquecimiento (típicamente 3:1), (ii) se necesita gravedad específica controlada de la alimentación, (iii) baja recuperación de finos, (iv) la alimentación necesita cribado, (v) baja tolerancia a lodos, (vi) las superficies separadoras inferiores de los conos no son visibles ni fácilmente accesibles, y (vii) necesita agua de lavado para control de densidad durante etapas de limpieza.

Espirales

Los concentradores espirales se usan en el procesamiento de minerales compuestos de minerales con diferentes gravedades específicas. Consiste en un equipo con separación por película fluida. Es básicamente un canal inclinado con una sección transversal compleja enrollado alrededor de una columna central. El principio es que una combinación de fuerzas gravitacionales y centrífugas que actúan sobre partículas de diferentes gravedades específicas causa que las partículas finas pesadas y las gruesas ligeras se segregen (Fig. 3). Estas fuerzas son mayores que en el cono y, junto con la menor densidad de pulpa normalmente usada, producen una mayor relación de enriquecimiento que la caja de estrangulamiento (típicamente 5:1) y una mejor recuperación de finos. Las espirales se fabrican con pendientes de distinta inclinación, el ángulo afecta la gravedad específica de separación, pero tiene poco efecto en la ley y recuperación del concentrado.

Una unidad espiral está compuesta por un canal perfilado barrido helicoidalmente alrededor de un poste central creando una canaleta en espiral. Las espirales comúnmente usadas tienen entre tres y siete vueltas, con un diámetro que varía entre 0.4 m y 1 m. La operación general es un flujo laminar gravitacional continuo hacia abajo en una superficie inclinada. La mezcla de alimentación está compuesta por mineral molido mezclado con agua, formando una pulpa que se alimenta por gravedad en la parte superior de la canaleta. En su camino hacia la parte inferior de la espiral, las partículas más densas generalmente se desplazan hacia el interior mientras que las partículas menos densas fluyen normalmente hacia la parte exterior de la canaleta. El mecanismo de separación involucra patrones de flujo primario y secundario. El flujo primario es esencialmente la pulpa fluyendo hacia abajo por la canaleta espiral bajo la fuerza de gravedad. El patrón de flujo secundario es radial a través de la canaleta (Fig. 3). Esta descripción del flujo es central para la teoría de separación espiral. A medida que la película de pulpa fluye hacia abajo por la canaleta, las partículas densas se sedimentan más rápido y son llevadas hacia el interior por la capa inferior del flujo secundario, mientras que las partículas menos densas permanecen encima de las densas y son luego llevadas hacia el exterior por la capa superior del flujo secundario. Se ha reportado que este mecanismo tiene lugar principalmente en las primeras tres vueltas de la espiral. Después de esta separación temprana, la mayor parte del agua se encuentra hacia el borde exterior y una banda de material denso con un contenido de sólidos hasta 70 % se encuentra cerca del poste central, lista para ser removida por un dispositivo de recuperación intermedio o un divisor al final de la canaleta. La velocidad de flujo depende del diseño y operación de la canaleta, con valores reportados en el rango de 0.1 m/s a 0.3 m/s radialmente a través de la mayor parte de la canaleta, con una corriente más rápida hacia el punto más externo.

Las espirales necesitan adición de agua en varios puntos a lo largo de la espiral para asistir el lavado del mineral, es decir, transportar las partículas gruesas ligeras lejos de las partículas finas pesadas del mineral. La cantidad de agua de lavado y su distribución a lo largo de la canaleta espiral puede ajustarse para cumplir los requisitos operativos. El control puntual minimiza los requisitos totales de agua al dirigir eficientemente el agua hacia la pulpa fluida en el ángulo más efectivo. La aplicabilidad del tamaño de alimentación está en el rango de 0.3 mm a 1 mm. Las espirales normalmente operan a una densidad de pulpa de 25 % a 30 % sólidos.

Mesas vibratorias (Shaking tables)

La mesa vibratoria es un equipo de separación por gravedad que ha estado en uso desde hace muchos años. Poco ha cambiado en el diseño, aunque las mesas de múltiples cubiertas (hasta tres niveles) han llevado a aumentos de capacidad relativos al área de piso. Las mesas vibratorias generalmente se usan solo en etapas de limpieza ya que sus capacidades suelen ser bajas.

El principio de separación se basa en el movimiento de partículas según sus gravedades específicas y tamaños moviéndose en una pulpa (en el caso de mesas húmedas) a través de una mesa inclinada, que oscila hacia adelante y hacia atrás esencialmente en ángulo recto a la pendiente, en conjunción con estrías (riffles) que retienen las partículas más cercanas a la cubierta. Este movimiento y configuración causan que las partículas finas de alta gravedad específica migren más cerca de la cubierta y sean llevadas por las estrías para descargar en la parte superior de la mesa, mientras que las partículas gruesas de baja gravedad específica se mueven o permanecen más cerca de la superficie de la pulpa y pasan sobre las estrías, descargando por el borde inferior de la mesa (Fig. 4).

En el caso de mesas húmedas, hay muchos tipos construidos para manejar alimentaciones gruesas o finas. Las variables en el caso de mesas húmedas son: (i) ángulo de la cubierta (más inclinado, menos peso al concentrado), (ii) longitud de carrera (más larga, más movimiento lateral y por tanto más peso al concentrado hasta un máximo), (iii) frecuencia de carrera (similar a la longitud, es decir, más frecuente, más movimiento lateral hasta un máximo), (iv) posiciones de los divisores (la posición de los divisores en el canal de concentrado determina el peso llevado al concentrado), (v) tasa y densidad de alimentación (por encima de un máximo de típicamente 2 ton/hora por mesa de tamaño completo y densidad típicamente 40 % sólidos, dependiendo del tipo y tamaño de partícula de la alimentación, la separación se reduce), (vi) agua de lavado (se añade a lo largo de la parte superior de la mesa para asistir el flujo de sólidos, mantener baja densidad de sólidos, prevenir «puntos secos», y lavar lodos a relaves), y (vii) altura de las estrías (una altura baja es mejor para alimentaciones finas y viceversa).

En el caso de mesas de aire, como su nombre sugiere, la alimentación y separación son en seco, con la cama móvil de partículas siendo fluidizada por aire a baja presión soplado a través de una cubierta de lona, que junto con la pendiente de la cubierta, ausencia de estrías y el movimiento oscilante de la mesa causa que las partículas finas de gravedad específica ligera se muevan a la parte superior de la cama y las partículas gruesas de gravedad específica pesada se muevan más cerca de la cubierta, descargando estas últimas por la parte más baja de la mesa.

Las mesas de aire para procesamiento de minerales se desarrollaron a partir de la industria del grano, y generalmente se adaptan para usos específicos donde la separación por gravedad en seco es preferida sobre otros métodos. Típicamente esto se usa durante las etapas de limpieza de un molino en seco. Las variables de la mesa de aire incluyen: (i) como en mesas húmedas (pendiente de cubierta, longitud de carrera, frecuencia de carrera, divisores), y (ii) flujo de aire fluidizante (aumento del flujo mantiene la movilidad de la cama hasta un máximo). La mesa de aire es ventajosa donde el proceso anterior o posterior es en seco ya que elimina la necesidad de secado térmico adicional.

Las ventajas de las mesas vibratorias incluyen: (i) altamente selectivas, con alta relación de enriquecimiento si se usan correctamente, y (ii) capacidad de observar la separación y hacer ajustes. Las desventajas incluyen: (i) baja capacidad, (ii) grandes requerimientos de área de piso, (iii) necesita atención frecuente del operador, verificación y ajuste, y (iv) la alimentación requiere dimensionado.

Separadores de partículas finas

El deseo de mayor uso de circuitos por gravedad y la necesidad de recuperar partículas más finas han llevado al desarrollo de dispositivos específicos para recuperar partículas generalmente demasiado finas para recuperar eficientemente usando espirales, etc. Dos ejemplos son el concentrador Falcon y el Separador Multi-Gravedad Mozley (MGS) (Fig. 5).

El concentrador Falcon es básicamente una combinación de una caja de estrangulamiento y una centrífuga de operación continua. Es capaz de operar a alta velocidad de rotación y, por tanto, la fuerza de gravedad permite separar partículas finas de diferente gravedad específica. La forma del cuenco giratorio es tal que a medida que la pulpa de alimentación sube por el cuenco, las partículas más pesadas reaccionan más que las más ligeras a las fuerzas que actúan sobre ellas. Esto resulta en la migración de las partículas más pesadas dentro de la corriente de pulpa hacia la superficie en contacto con el cuenco, mientras que las partículas más ligeras tienden a moverse hacia la parte superior de la pulpa con el agua. La separación entonces tiene lugar por la remoción de la porción inferior (mayor gravedad específica) de la pulpa a través de un labio/ranura de recolección, el flujo a través del cual es regulado por un número de orificios que se abren y cierran de manera controlada, removiendo el concentrado de la corriente principal, que descarga a relaves.

Las variables para el concentrador Falcon incluyen: (i) velocidad de rotación o giro (aumento del giro eleva la fuerza de gravedad y así aumenta la fuerza de separación sobre la alimentación), (ii) frecuencia de pulso de orificios de concentrado (aumento de frecuencia hasta un máximo aumenta la toma de peso), y (iii) tasa y densidad de alimentación (aumento de tasa y densidad por encima de un cierto máximo obstruye la separación). Las ventajas del concentrador son: (i) capaz de tratar partículas en tamaño que están en el rango de 15 a 20 micras, (ii) construcción mecánica relativamente simple y robusta en diseño, (iii) capacidad relativamente alta, y (iv) requerimiento relativamente bajo de atención del operador. Las desventajas incluyen: (i) normalmente baja relación de enriquecimiento (típicamente 2:1), (ii) ausencia de visibilidad de las superficies separadoras, y (iii) necesita que la alimentación sea cribada a menos que el tamaño de apertura de los orificios de concentrado para prevenir cegamiento.

El MGS es un equipo para la separación de partículas en rango de tamaño fino. El MGS es adecuado para el tratamiento de finos con un tamaño máximo de partícula de alrededor de 0.5 mm. El principio del MGS puede visualizarse enrollando la superficie horizontal de una mesa vibratoria convencional en un tambor y rotando el mismo a lo largo del eje horizontal. Esto causa la aplicación de una fuerza gravitacional mejorada, muchas veces superior a la normal, sobre la partícula mineral que fluye a través de la superficie. Esto conduce a una mejora en el tratamiento de partículas finas en comparación con separadores convencionales como la mesa vibratoria.

Como se mencionó, el MGS combina el movimiento centrífugo de un tambor rotatorio inclinado con el movimiento oscilante de una mesa vibratoria, para proporcionar una separación por gravedad mejorada, particularmente adecuada para partículas finas. El principio de la separación en el MGS se basa en las fuerzas mencionadas que actúan sobre partículas en una corriente de pulpa siendo alimentada y distribuida sobre el interior de la superficie del tambor. Con la ayuda de raspadores y agua de lavado, las partículas de mayor gravedad específica migran hacia arriba del tambor para descargar sobre el labio superior del tambor, mientras que las partículas de menor gravedad específica fluyen en dirección opuesta y descargan sobre el labio inferior del tambor.

Las variables incluyen: (i) velocidad de rotación del tambor o giro (aumento del giro aumenta la fuerza centrífuga de gravedad impartida a las partículas, haciéndolo más difícil para que las partículas se muevan hacia arriba del tambor, resultando en una menor toma de peso y un concentrado más limpio), (ii) longitud y frecuencia de carrera del tambor (aumento de longitud y frecuencia dentro de límites tienden a aumentar las fuerzas moviendo las partículas hacia arriba del tambor, resultando en una mayor toma de peso y una ley de concentrado más baja), (iii) agua de lavado del tambor aumenta el lavado de las partículas de pulpa mientras intentan moverse hacia arriba del tambor, produciendo así un concentrado más limpio, y (iv) ángulo de inclinación del tambor (aumento de la inclinación produce un concentrado más limpio). Las ventajas son: (i) separación muy selectiva con partículas de tamaño fino (típicamente -75 micras a +10 micras), y (ii) altas relaciones de enriquecimiento (típicamente 20:1). Las desventajas son: (i) baja capacidad por área de superficie y espacio, aunque ahora hay equipos de mayor capacidad (y físicamente más grandes) disponibles, (ii) mecánicamente bastante complejo y costoso, (iii) generalmente cerrado por lo que no se pueden ver las superficies de separación, (iv) requiere una cantidad razonable de atención del operador, y (v) no adecuado para tratar material grueso (la alimentación debe ser cribada).

Separadores gravedad/tamaño

Los siguientes dos ejemplos de separadores: (i) hidrosizer, y (ii) hidrociclón, se dan. Sus principios se muestran en la Fig. 6. Representan más bien equipos de dimensionado que separadores por gravedad. Sin embargo, debido a su naturaleza, también combinan la gravedad específica de la partícula con el tamaño de la partícula en su separación.

El hidrosizer es un desarrollo de los clasificadores de columna teeter que usa el principio de sedimentación de partículas para lograr una separación entre partículas finas/ligeras y gruesas/pesadas en un ambiente de un flujo ascendente de agua en un tanque generado por inyección de agua a través de un colector a unos dos tercios de la altura del tanque. Esto crea un desbordamiento de los primeros, y un subdesbordamiento de los segundos. Una partícula de peso suficiente debido a su gravedad específica y tamaño se sedimenta más rápido en un fluido que una partícula de menor gravedad específica y tamaño. Si hay una corriente ascendente de fluido, entonces a una cierta tasa volumétrica, la velocidad de la corriente ascendente supera la velocidad de sedimentación de las partículas más ligeras/pequeñas pero no la de las más pesadas/gruesas y tiene lugar una separación.

Las variables son: (i) tasa de flujo de agua de inyección (aumentar la tasa de flujo aumenta el peso de las partículas y gravedad específica/tamaño de partículas reportando al desbordamiento), (ii) densidad de la columna (aumentar la gravedad específica de la pulpa contenida en la columna entre el colector de inyección de agua y el vertedero de desbordamiento aumenta el peso al desbordamiento), (iii) descarga de subdesbordamiento (aumentar la tasa volumétrica de descarga de subdesbordamiento reduce la densidad de sólidos de la columna y tiende a reducir el flujo ascendente, reduciendo así la gravedad específica/tamaño de los sólidos de desbordamiento), y (iv) tasa de flujo másico de alimentación (aumento de la tasa de alimentación por encima de un nivel óptimo reduce la nitidez de la separación). Las ventajas son: (i) control automático preciso de la separación basado en medición de gravedad específica de la cabeza de la columna en un lazo de control con la válvula de subdesbordamiento, (ii) capaz de observar ambos productos y hacer ajustes fáciles al mecanismo de control si se requiere, (iii) sin partes móviles, y (iv) puede ser alimentado en húmedo o seco. Las desventajas son: (i) requiere bomba dedicada de agua de inyección que pueda entregar un suministro limpio, constante pero ajustable, (ii) alto requerimiento de agua, (iii) alto volumen para la capacidad dada necesario, y (iv) necesita tasa de alimentación estable.

Los hidrociclones crean una separación entre partículas gruesas/alta gravedad específica y finas/baja gravedad específica basándose en su geometría y el movimiento centrífugo del flujo dentro de ellos actuando sobre las partículas en consecuencia. Cuando la pulpa se alimenta bajo presión tangencialmente en el cuerpo en forma de tubo de un ciclón, la fuerza centrífuga tiende a lanzar las partículas más pesadas hacia el exterior en preferencia a las más ligeras. Las partículas exteriores luego se mueven hacia abajo por el cono bajo presión y son forzadas fuera del pico de subdesbordamiento, mientras que las partículas más ligeras (y agua) en el interior del vórtice suben hacia el buscador de vórtice y descargan como desbordamiento.

Las variables son: (i) presión de alimentación (esta es la fuerza impulsora detrás de la separación, de tal manera que mayor la presión, más fino el corte de tamaño logrado), (ii) diámetro del buscador de vórtice (mayor el diámetro, mayor el desbordamiento y menor la presión, por tanto la separación es más gruesa), (iii) diámetro del pico (igualmente, mayor el diámetro, mayor el flujo por lo que el subdesbordamiento es más fino o más húmedo), picos variables pueden usarse, (iv) sifoneo (si el desbordamiento descarga más bajo relativo al subdesbordamiento ocurre un efecto sifón causando aumento de sólidos y flujo al desbordamiento lo cual se supera introduciendo una ruptura de vacío), (v) densidad de alimentación (si la densidad es demasiado alta: típicamente por encima de 35 % sólidos entonces la separación se ve afectada), (vi) ángulo y longitud de la sección cónica (aumento de longitud y ángulo más bajo reduce el tamaño de corte), y (vii) diámetro del barril (mayor el diámetro, mayor la capacidad, menor la presión y más grueso el tamaño de corte). Las ventajas son: (i) alta capacidad para el volumen y área de piso requeridos, (ii) sin partes móviles, y (iii) atención limitada del operador. Las desventajas son: (i) no fácilmente ajustable para cambios en alimentación y requisitos de producto, y (ii) necesita ser alimentado bajo presión y a tasa estable.