Separación Magnética y Beneficiación de Mineral de Hierro: Técnicas Avanzadas para Concentración Eficiente

Separación magnética y beneficiación de mineral de hierro

La separación magnética es una técnica antigua para la concentración de minerales de hierro y para la remoción de hierro extraño. Desde 1849, se han emitido numerosas patentes sobre separación magnética en EE. UU., y los textos de algunas patentes antes de 1910 describen una variedad de separadores magnéticos para procesamiento de minerales.

Los métodos de separación magnética se usan para aprovechar la diferencia en las propiedades magnéticas para separar el mineral de hierro de los materiales de ganga no magnéticos asociados. La separación magnética puede realizarse ya sea en un ambiente seco o húmedo, aunque los sistemas húmedos son más usados.

La separación magnética es una separación física de partículas discretas basada en la competencia de tres vías entre fuerzas tractivas: (i) fuerzas magnéticas, (ii) fuerzas gravitacionales, hidrodinámicas de arrastre, friccionales o inerciales, y (iii) fuerzas inter-partícula atractivas o repulsivas. Estas fuerzas se combinan para actuar diferencialmente sobre partículas de diferentes propiedades magnéticas en el material de alimentación. La Fig. 1 muestra el principio de la separación magnética.

Las fuerzas en los separadores magnéticos que compiten con las fuerzas magnéticas y actúan sobre todas las partículas que viajan a través del separador son las de gravedad, arrastre hidrodinámico, fricción e inercia. Dependiendo del tipo de separador magnético, ciertas de estas fuerzas pueden tener mayor o menor importancia.

La fuerza gravitacional es significativa para partículas grandes, mientras que la fuerza de arrastre hidrodinámico es significativa para partículas pequeñas. Así, en el separador magnético que trata partículas grandes en forma seca, el material de alimentación pasa a través de la fuerza de gravedad. Las fuerzas magnéticas necesitan ser suficientes para retener la partícula magnética contra la fuerza competidora de gravedad. En un separador húmedo para partículas pequeñas, la fuerza magnética necesita ser mayor que la fuerza de arrastre hidrodinámico que es aplicada por la corriente de pulpa sobre las partículas atrapadas.

Competencia entre fuerzas y eficiencia de separación

La competencia entre la fuerza magnética y las fuerzas competidoras en un separador magnético determina la probabilidad de que una partícula magnética sea atrapada o recuperada en el separador magnético. La fuerza inter-partícula, aquellas entre partículas magnéticas y no magnéticas, determina la concentración de los productos de la separación magnética. Si la fuerza entre las partículas es mayor que las fuerzas magnéticas y competidoras, entonces muchas partículas no magnéticas probablemente sean atrapadas junto con las magnéticas. Por el contrario, muchas partículas magnéticas pueden ser llevadas junto con las no magnéticas y fallar en ser atrapadas.

Para lograr alta recuperación de partículas magnéticas, la fuerza de separación magnética debe ser mayor que la suma de las fuerzas competidoras. Sin embargo, si la fuerza magnética es mucho mayor que la fuerza competidora, la selectividad de la separación es pobre, ya que no se hace distinción entre varias partículas magnetizables. La selectividad del proceso debe ser determinada críticamente por los valores relativos de las fuerzas magnéticas y competidoras que son afectados por una correcta elección del separador mismo y sus parámetros operativos.

Las fuerzas operativas magnéticas, competidoras e inter-partícula determinan el rendimiento del separador. Estas fuerzas dependen tanto de la naturaleza de la alimentación a separar como de las características del separador magnético. La naturaleza de la alimentación incluye su tamaño y propiedades físicas que pueden afectar las diversas fuerzas involucradas. Las características del separador magnético incluyen el diseño y sus parámetros variables, particularmente el campo magnético y la tasa de proceso. Existe una relación general entre estos parámetros. Además, la fuerza magnética en un separador puede maximizarse al igualar el gradiente del campo magnético al tamaño de partícula.

El separador magnético separa el material de alimentación de mineral de hierro en dos o más componentes. Si el propósito es producir un concentrado magnético de mineral de hierro, entonces el otro componente que es no magnético son los relaves. En algunos casos también puede haber la posibilidad de separar un tercer componente menos magnético que se llama middlings. Cada una de estas corrientes de material deben ser transportadas hacia, a través del separador, o fuera del separador.

Las fuerzas magnéticas y competidoras gravitacionales, de fricción, arrastre hidrodinámico o inerciales tienden a separar las partículas mientras que las fuerzas inter-partícula atractivas tienden a reducir el grado de separación. En cualquier situación real para separación, tanto partículas magnéticas como no magnéticas también se encuentran normalmente en los relaves, o middlings, y solo en el caso límite la separación magnética completa es posible. La eficiencia de la separación magnética se expresa usualmente tanto por la recuperación (la relación de material magnético en el mineral concentrado relativo al que está en el material de alimentación), y la ley (la fracción de material magnético en el mineral concentrado). Estas son las dos medidas independientes normalmente usadas para la efectividad del separador magnético. Estas medidas dependen de la magnitud relativa de las fuerzas tractivas magnéticas, gravitacionales, de arrastre hidrodinámico, friccionales o inerciales, y atractivas o repulsivas inter-partícula.

En la separación magnética, aunque las condiciones de separación eficiente están claramente definidas, hay una complicación ya que la importancia relativa de las fuerzas está determinada principalmente por el tamaño de partícula. Esto es principalmente ya que las fuerzas competidoras tienen dependencia del tamaño de partícula. En la separación magnética en seco, la fuerza de arrastre usualmente tiene un efecto despreciable en el tamaño de partícula y, por tanto, como regla, no afecta considerablemente la eficiencia de separación. Por el contrario, el tamaño de partícula tiene dependencia significativa en la fuerza magnética y la fuerza gravitacional durante la separación magnética en seco. Por otro lado, en la separación húmeda donde la fuerza de arrastre hidrodinámico puede ser importante, la selectividad de la separación es considerablemente influenciada por la distribución de tamaño de partícula. Con la disminución del tamaño de partícula, la importancia relativa del arrastre hidrodinámico aumenta en comparación con la fuerza magnética.

En el diseño de un separador magnético, es necesario que además de un campo, un gradiente en la intensidad del campo también sea provisto para mejorar el movimiento de las partículas en las direcciones deseadas. En un campo de flujo magnético uniforme, las partículas magnéticas convergen en el flujo y se orientan de modo que hay una concentración en su cuerpo pero no se mueve. Por otro lado, al producir un campo convergente, hay una tracción resultante sobre las partículas hacia el área de mayor flujo.

El campo magnético y el gradiente de campo que actúan sobre las partículas en todos los separadores magnéticos pueden ser producidos de una variedad de formas y resultan en geometrías y fuerzas de campo ampliamente variables. En algunos casos, imanes permanentes producen los campos directamente, mientras que en otros casos bobinas y circuitos magnéticos de hierro se usan para magnetizar una estructura ferromagnética cuyos gradientes de campo atraen las partículas magnéticas.

Tipos de separadores magnéticos

Hay diferentes tipos de separadores magnéticos que han sido diseñados para permitir el campo magnético requerido basado en los minerales a beneficiar junto con otros criterios. Los separadores magnéticos se categorizan ampliamente en dos grupos: (i) baja intensidad, y (ii) alta intensidad. Ambos grupos pueden ser de tipo de operación húmeda o seca. Algunos de los tipos de separadores magnéticos que están en uso común son: (i) separación magnética de baja intensidad húmeda y seca (LIMS), (ii) separación magnética de alto gradiente (HGMS), (iii) separación magnética de alta intensidad húmeda (WHIMS), (iv) separadores magnéticos de rodillo para procesar minerales débilmente magnéticos, y (v) separación magnética por rodillo de inducción (IRMS) para concentrar minerales en seco. El campo magnético usualmente se genera por una de las varias formas como: (i) imán permanente, (ii) electroimán con yugo de hierro, (iii) solenoide y (iv) imán superconductor.

Las operaciones de separación magnética a menudo se categorizan como de baja o alta intensidad. Los separadores de baja intensidad usan campos magnéticos que varían entre 0.1 Tesla a 0.3 Tesla. Las técnicas de baja intensidad normalmente se usan en mineral de magnetita como un método de separación económico y efectivo. Los separadores de alta intensidad emplean campos tan fuertes como 1 Tesla a 2 Tesla. Este método se usa para separar minerales de hierro débilmente magnéticos como la hematita, de materiales de ganga no magnéticos o menos magnéticos. Otros factores importantes para determinar qué tipo de sistema de separador magnético se debe usar incluyen el tamaño de partícula y el contenido de sólidos de la pulpa de alimentación de mineral.

Los separadores magnéticos generalmente se agrupan como separadores magnéticos de baja intensidad seco/húmedo, separadores magnéticos de alta intensidad seco/húmedo, y separadores magnéticos de alto gradiente. Los agrupamientos basados en la intensidad del campo magnético se muestran en la Fig. 2. Además, hay pocos separadores, que también se cuentan bajo el grupo de alta intensidad en seco, como separador magnético de rodillo permanente, separador isodinámico, separador de gradiente abierto, separador/filtro magnético de alto gradiente vibrante, y separador magnético de alto gradiente superconductor. Los separadores magnéticos de alta intensidad en seco tienen mayor fuerza de campo magnético impartida ya sea por un imán permanente o a través de un campo magnético inducido para separar las partículas basándose en su susceptibilidad magnética.

Aunque hay varios agrupamientos de separadores magnéticos, el principio de separación por dos tipos de separadores (tambor, y alta intensidad) se describe aquí. El separador de tambor es representativo del separador magnético convencional de bajo gradiente. En tal separador (Fig. 3), el material de alimentación en seco se introduce en la parte superior de un tambor rotatorio. Las partículas de mineral son llevadas hacia abajo a lo largo del tambor por la acción combinada de fuerzas gravitacionales y de fricción que transmiten la rotación del tambor a las partículas. Las fuerzas magnéticas producidas por los imanes estacionarios dentro del tambor retienen las partículas de mayor magnetismo contra el tambor rotatorio. Estas partículas son depositadas a la derecha a medida que el tambor se mueve pasado el final de los imanes. Las partículas no magnéticas caen libremente del tambor hacia la izquierda. Tal separador puede usar ya sea imanes permanentes o electroimanes. Separadores magnéticos similares a estos son ampliamente usados para la beneficiación de minerales de hierro que contienen magnetita.

La Fig. 3 también muestra la representación esquemática del separador magnético de alta intensidad. En este separador magnético de alto gradiente, se usa un imán diseñado para producir un campo fuerte ajustable en el volumen del contenedor. Este volumen está empaquetado con una matriz de material ferromagnético filamentosos. Las fuertes fuerzas magnéticas producidas por los altos gradientes de campo en los bordes de los filamentos son efectivas para atrapar partículas muy finas (menos de 100 micras) de sustancias incluso débilmente magnéticas. Estos filamentos se eligen para igualar el tamaño de las partículas de alimentación con el fin de optimizar las fuerzas magnéticas. La alimentación de mineral de hierro, en fluido (usualmente agua) pulpa, es pasada hacia abajo a través del contenedor. El fluido y las partículas no magnéticas pasan fácilmente a través de la estructura relativamente abierta de la matriz. Las partículas magnéticas atrapadas son fácilmente lavadas cuando el campo aplicado se reduce a cero. Los separadores magnéticos de este tipo son útiles para la concentración o remoción de partículas magnéticas finas cuando se procesa mineral de hierro para alimentación de pellet.

Los separadores magnéticos son parte integral de los sistemas de beneficiación de mineral de hierro de baja ley. El tostado de minerales de hierro de baja ley para aumentar su magnetización (es decir, conversión de hematita a magnetita) extiende la aplicabilidad de los separadores magnéticos convencionales. Los separadores magnéticos también se usan en ciertas aplicaciones de reciclaje de hierro.

Tipos de separadores magnéticos

Hay varios tipos de separadores magnéticos que se usan para la beneficiación de mineral de hierro. Los más comunes son los separadores de tambor seco y húmedo que se usan para la beneficiación de minerales de hierro. Los separadores de rodillo inducido se usan para tratar minerales de hierro débilmente magnéticos, mientras que los separadores de polea se usan más a menudo en la remoción de hierro extraño de varias alimentaciones. Estos separadores usan ya sea imanes permanentes o electroimanes y operan en modo continuo. Los separadores de tambor y los separadores magnéticos de alto gradiente se describen en algún detalle a continuación.

Separadores de tambor (Drum separators)

Los separadores de tambor de muchos tipos son quizás el tipo más común de separador magnético que se está usando. Estos tipos incluyen polea, tambor seco, tambor húmedo, y separadores de rodillo inducido concurrente, contra-rotante, y contra-corriente.

Los separadores de tambor seco, rodillo inducido, y polea operan similar al separador mostrado en la Fig. 3 y descrito anteriormente en el artículo. La alimentación en seco es lanzada de un lado u otro del tambor o polea dependiendo de la magnitud relativa de las fuerzas magnéticas, centrífugas, o gravitacionales actuando sobre la partícula. Con estos tipos de separadores, es posible recuperar una fracción middling. Las partículas middling son débilmente atraídas por la fuerza magnética que las partículas de concentrado y por tanto son hechas caer en un contenedor entre los contenedores de concentrado y relaves. Estos middlings generalmente consisten en partículas parcialmente liberadas que contienen tanto componentes magnéticos como no magnéticos. Dado que la molienda de minerales es costosa, frecuentemente es económicamente atractivo tratar el mineral inicialmente con un separador de tambor seco y remoler la fracción middling antes de retratarla magnéticamente.

Los separadores de tambor seco se usan para tratar partículas tan pequeñas como 100 micras. El rendimiento de estos separadores en la producción de concentrados es fuertemente afectado por el contenido de humedad del mineral de alimentación. Si el contenido de humedad es alto, las partículas pequeñas pueden adherirse a las partículas más grandes resultando en una separación menos completa. Dado que el tambor no magnético en la Fig. 1 gira pasado los polos estacionarios de los imanes dentro del tambor, se puede ver que una partícula magnética experimenta una fuerza de magnitud variable a medida que viaja sobre la superficie del tambor. Esta variación en la fuerza de la fuerza magnética puede producir un movimiento de volteo de las partículas atrapadas que ayuda en su separación de las partículas no magnéticas no deseadas. La reversión del campo magnético entre polos magnéticos también resulta en una rotación de partículas con momentos remanentes. El movimiento específico de la partícula es fuertemente dependiente del tamaño de partícula.

Hay tres tipos principales de separadores de tambor húmedo (Fig. 4). Estos son: (i) concurrente, (ii) contra-rotante, y (iii) tipos contra-corriente. Los imanes en los tambores son como los mostrados en la Fig. 3 y cubren alrededor del mismo arco que las flechas que indican rotación. En el separador magnético de tambor concurrente, la pulpa de alimentación es pasada a través de la artesa en la misma dirección que la rotación del tambor. Las partículas magnéticas son atraídas a la superficie rotatoria del tambor no magnético por los imanes estacionarios dentro del tambor. Las partículas no magnéticas se hunden al punto más bajo en la artesa y son retiradas como relaves. El concentrado magnético es llevado por el tambor rotatorio por encima del vertedero hacia la derecha. Este tipo de separador produce un concentrado de alta ley para partículas del orden de unos pocos milímetros de diámetro. La separación es relativamente limpia ya que las partículas magnéticas son afectadas por las fuerzas magnéticas competidoras e hidrodinámicas de arrastre todo a lo largo de la periferia del tambor. Esta limpieza ocurre aunque la variación en la fuerza debido a los polos alternados dentro del tambor no produce el mismo grado de movimiento de partículas en el tambor como se ve en el separador en seco donde las fuerzas viscosas de la pulpa no están presentes. Dado que el separador de artesa concurrente a menudo produce relaves en los que permanece una cantidad relativamente grande de material magnético, los relaves a menudo son retratados en un separador de tambor contra-rotante.

El separador contra-rotante se muestra en la Fig. 4. La alimentación es pasada a través de la artesa en dirección opuesta a la rotación del tambor. Las partículas magnéticas son recogidas en la superficie del tambor y llevadas hacia arriba a la izquierda. Este separador produce una alta recuperación pero generalmente de un concentrado de baja ley ya que la mayoría de las partículas magnéticas son atrapadas en una sección corta del tambor y hay poca oportunidad para que el material de las partículas atrapadas libere partículas no magnéticas atrapadas. La alta recuperación también resulta de la oportunidad de las partículas de ser recogidas más aguas abajo por el tambor y ser llevadas de vuelta como concentrado. Tal separador normalmente trata partículas hasta 100 micras. Debido a su capacidad de recoger partículas magnéticas no inmediatamente atrapadas, este separador tiene una capacidad mayor que el tipo concurrente.

El tercer tipo de separador magnético de tambor húmedo, el tambor contra-corriente, a menudo se usa como un separador de acabado porque produce un concentrado extremadamente limpio con buena recuperación para partículas hasta alrededor de 70 micras. Este separador retiene algunas características de ambos los tipos concurrente y contra-rotante. Este separador se muestra en la Fig. 4 como un separador tandem de 3 tambores. En este separador la alimentación se introduce alrededor del punto medio en la sección magnética del tambor. El flujo de la pulpa de alimentación es opuesto a la dirección de la rotación del tambor mientras que las partículas atrapadas viajan en la misma dirección. Estas partículas atrapadas son lavadas por agua introducida en el lado izquierdo del tanque. El concentrado limpio es desbordado hacia la izquierda.

Una característica común a todos los separadores de tambor húmedo es el desbordamiento de la pulpa de concentrado al final del tanque. Esto es deseable para prevenir que las partículas magnéticas sean atraídas a través de la interfaz aire-agua y la resultante pérdida de partículas magnéticas. En algunos de los separadores en los que se desea un concentrado desaguado, las partículas magnéticas son llevadas por encima de la superficie de la pulpa y raspadas del tambor. En estos casos, la pulpa debe ser recirculada para recuperar las partículas magnéticas perdidas.

La fuerza competidora principal en un separador de tambor húmedo, sin embargo, es la fuerza de arrastre hidrodinámico. Esto resulta de la velocidad relativa de la pulpa o agua de lavado que pasa junto a una partícula atrapada. En el separador concurrente esta velocidad es alrededor de la velocidad periférica mientras que en el separador contra-rotante estas velocidades se suman. En general, las velocidades periféricas del tambor son considerablemente más altas que las velocidades de la pulpa. Además de su efecto en la velocidad de arrastre relativa, la velocidad del tambor también afecta la capacidad de un separador de tambor. Una velocidad más lenta resulta en una capacidad reducida mientras que una velocidad más alta disminuye la recuperación debido a mayores velocidades de arrastre y resulta en mayor desgaste de la superficie del tambor.

Algunos de los separadores magnéticos se llaman separadores de alta intensidad. Esto generalmente designa separadores de diseño convencional empleando imanes de mayor fuerza que lo usual. Desarrollan campos magnéticos de alta intensidad y son capaces de remover partículas que no responden al separador magnético de baja intensidad.

Separadores de alto gradiente (High gradient separators)

Varios tipos de separadores magnéticos de alto gradiente han sido desarrollados basándose en el hecho de que los altos gradientes de campo magnético pueden producir grandes fuerzas magnéticas. Estos separadores también se llaman separadores de «polo inducido» porque los gradientes de campo son producidos al aplicar un campo magnético de fondo relativamente uniforme a una estructura ferromagnética (rejillas, pantallas, placas ranuradas o lana de acero) e induciendo polos magnéticos a lo largo de bordes propiamente orientados. Dado que los grandes gradientes de campo magnético generalmente pueden existir solo en pequeños volúmenes, estos separadores están diseñados para la separación de partículas magnéticas pequeñas. Producir altos gradientes y grandes fuerzas magnéticas sobre un área de superficie lo suficientemente grande para atrapar números prácticos de partículas es un problema mayor. Agujas con sus ejes paralelos al campo aplicado producen altos gradientes en campos relativamente bajos pero la superficie de atrapamiento disponible es muy limitada. Por el contrario, filamentos magnetizados perpendiculares a su eje largo tienen un gran factor desmagnetizante, pero mucho mayor área de superficie.