INGENIERÍA DE PROCESOS EN LA INDUSTRIA MINERA Relator: Hernán Barros. 27 de Junio, 2014 Lixiviación en Pilas Permanentes. Anglo American Chile División Mantoverde, 2003.
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INGENIERÍA DE PROCESOS EN LA INDUSTRIA MINERA
Relator: Hernán Barros. 27 de Junio, 2014
Lixiviación en Pilas Permanentes. Anglo American Chile División Mantoverde, 2003.
1 Introducción
2 Yacimientos Mineros
3 Operaciones de Minería
CONTENIDO
3 Operaciones de Minería
4 Procesamiento de Minerales
5 Hidrometalurgia
INTRODUCCIÓNIngeniería de Procesos
En la industria minera, la Ingeniería de Procesos desarrolla, evalúa ydiseña los procesos productivos relacionados con Plantas de Procesamientode Minerales.
Estos procesos consisten en una serie de tratamientos físico-químicos y/obiotecnológicos para extraer las especies de valor, y que varían de acuerdoal tipo de mineral, a la forma en que se encuentra asociado con otrosminerales, y al proceso de explotación.
Por lo tanto, para comprender la naturaleza de las diferentes tecnologías deprocesamiento de minerales, se debe revisar con antelación el concepto demineral, la formación de yacimientos, y los métodos de minería.
Definición de los Minerales
YACIMIENTOS MINEROS
Los minerales son compuestos sólidos naturales de origen inorgánico,homogéneos, de composición química definida, y que normalmentepresentan una estructura de cristal. Los minerales constituyen la principalfuente de obtención de los diferentes metales.
Pirita (FeS2)Brochantita y Azurita
Cu4SO4(OH)6 y Cu3(CO3)2(OH)2Cuarzo (SiO2)
Ejemplos de minerales y sus fórmulas químicas.
Yacimientos Minerales
YACIMIENTOS MINEROS
Pero los minerales están dispersos, por lo que para que sean extraíbles, senecesita encontrarlos en concentraciones que sólo aparecen de maneraexcepcional. A estas formaciones con una concentración estadísticamenteanómala de minerales, se le denomina yacimiento mineral o depósitomineral.
Cuando los depósitos ocurren en cantidad y calidad que permite laexplotación y procesamiento económicamente rentable con las tecnologíasactuales, se les denomina yacimientos mineros.actuales, se les denomina yacimientos mineros.
Izq.: Mineralización de óxidos de cobre, afloramiento superficial. Der.: Yacimiento minero “La Escondida”, de propiedad de BHP Billiton.
Ley de Mineral
YACIMIENTOS MINEROS
A esta concentración de un metal o mineral económico en un yacimientominero se le denomina “Ley de Mineral”, y se expresa como % en peso (paralos metales básicos), o como gramos u onzas por tonelada (para los metalesnobles).
•Por ejemplo, una ley de 1% de Cobre significa que de 1.000 Kg de rocasólo 10 Kg son de cobre.
•Asimismo, una ley de 5 g/ton de Oro significa que de 1.000.000 gr deroca solo 5 gr son de oro.
Desde una perspectiva de explotación minera y posterior procesamientometalúrgico, se hace evidente que el “mineral” que alimenta a una plantade beneficio consistirá de dos partes: una parte valiosa, y una parte novaliosa.
Conceptos de Mena y Ganga
YACIMIENTOS MINEROS
La parte valiosa se denomina “mena” y corresponde a los minerales cuyosvalores metálicos son susceptibles de ser recuperados metalúrgicamente.La parte no valiosa se denomina “ganga” y corresponde al mineralsecundario que acompaña al metal que se desea explotar.
Mena: Oro NativoMena: Galena (PbS)
Las características de un yacimiento tales como su tamaño, especiesmineralógicas y ley de mineral, dependerán de cómo se formó el dichoyacimiento.
Ganga: GranitoGanga: Cuarzo
La corteza terrestre está dividida en las denominadas “placas tectónicas”,las cuales están en permanente desplazamiento (Deriva Continental). Enlas zonas de placas contiguas se concentran el vulcanismo, la orogénesis(formación de montañas) y la sismicidad.
Cuando una placa se pliega y se introduce bajo otra placa, se denominasubducción. Los depósitos minerales se forman principalmente en estaszonas de subducción, pero también en costuras oceánicas.
Tectónica de Placas
YACIMIENTOS MINEROS
Freie Universitat, Berlin. http://www.cms.fu-berlin.de/geo/fb/e-learning/geolearning/en/mountain_building/plate_tectonics/
Formación de Yacimientos
YACIMIENTOS MINEROS
Según su origen, los yacimientos mineros se agrupan en Magmáticos(cristalización de minerales), hidrotermales (escape de fluidos calientes),sedimentarios (precipitación de minerales a partir de un lago u océano),placeres (decantación de minerales en ríos) y residuales (mineralesmeteorizados por la acción del clima y/o micro-organismos).
Los pórfidos cupríferos (yacimientos de gran extensión y baja ley) seforman a partir de sistemas hidrotermales.
Izq.: Intrusión de Magma. Der.: Sistema Hidrotermal.
YACIMIENTOS MINEROSSistema Hidrotermal
La alteración hidrotermal es un proceso geológico en donde las rocassufren los efectos de la circulación de fluidos de agua a altas temperaturasque son químicamente activos, dando origen a cuatro zonas mineralizadas:
1) Cubierta lixiviada (Zona de contacto con la superficie, oxidación intensa)2) Zona de oxidación (Cobre se estabiliza en la forma de minerales oxidados)3) Zona de cementación (Bajo el nivel freático, formación de sulfuros secundarios)4) Zona primaria (Mineralización inalterada de súlfuros de origen hidrotermal)
Figura obtenida del Curso “Geología para Metalurgistas”, Dr. Marcos Pincheira, Universidad de Concepción, 2003.
Para efectos de procesamiento metalúrgico, los minerales presentes en unpórfido cuprífero se clasifican en dos grupos principales denominadosóxidos y súlfuros.
YACIMIENTOS MINEROSMenas Solubles de Cobre
En el caso de los minerales óxidos, la especie de interés está asociada a unátomo de oxígeno y se caracteriza por su solubilidad en agua odeterminados reactivos químicos (sulfatos y carbonatos de cobre seincluyen en esta categoría).
Crisocola ((Cu,Al)4H4 (OH)8 Si4O10 ·nH2O)
Cuprita (Cu2O)
Atacamita (Cu2Cl (OH)3)
Covelina (CuS)
YACIMIENTOS MINEROSMenas Insolubles de Cobre
Calcopirita (CuFeS2) Bornita (Cu5FeS4)
En el caso de los minerales sulfurados, la especie de interés está asociadaa un átomo de Azufre y se caracteriza por su hidrofobicidad y bajasolubilidad en agentes químicos.
Debido a las propiedades señaladas, los minerales sulfurados sonsometidos a procesos de concentración física para posterior obtención demetales mediante técnicas pirometalúrgicas.
En resumen, los óxidos y minerales solubles de Cu de un pórfido cupríferose lixivian, mientras los sulfuros de Cu se concentran.
Procesamiento de Menas de Cobre
PirometalurgiaSúlfuros -Concentración
Óxidos -Hidrometalurgia
YACIMIENTOS MINEROS
De esta forma, durante la explotación de los yacimientos mineros del tipopórfido cuprífero, se generan inicialmente óxidos y posteriormente súlfuros,como podemos apreciar esquemáticamente en este caso de la mina “LaEscondida” de BHP Billiton, y sus diversas fases de expansión.
YACIMIENTOS MINEROSMinería a Rajo Abierto
Fases de Expansión de mina “La Escondida” de BHP Billiton.
Otro ejemplo es el caso de la mina Chuquicamata de CODELCO Chile, la quetambién conlleva al procesamiento por separado de óxidos y súlfuros.
YACIMIENTOS MINEROSMinería a Rajo Abierto
Izq: Geología de Chuquicamata. Sebastián Ávalos, Cristian Castro y Yerko Yávar. Universidad de Chile, 2009
YACIMIENTOS MINEROSChuquicamata Ayer
Presentación “Chiquicamata Histórico”. Fotografía: E. de Bruyne.
YACIMIENTOS MINEROSChuquicamata Hoy
Presentación “Chiquicamata Histórico”. Fotografía: E. de Bruyne.
La minería subterránea se realiza en determinados yacimientos por suscaracterísticas (tipo de yacimiento, profundidad, cantidad). El minadosubterráneo es más complejo y costoso que el minado por rajo abierto, yaque hay que identificar, diseñar y operar sistemas más complicados deseguridad, acceso, sostenimiento, ventilación y transporte.
YACIMIENTOS MINEROSMinería Subterránea
Izq: Esquema General de Explotación Subterránea. Der: Modelamiento Explotación Subterránea Mina Cinabrio (Tamaya Resources), 2008.
YACIMIENTOS MINEROSTransición de Rajo Abierto a Subterránea
Es habitual encontrarse con casos en que la mina se explotó inicialmente demanera subterránea para luego pasar a rajo abierto. También se da el casoinverso, como lo que ocurre actualmente en Chuquicamata que está pasandode rajo abierto a subterránea.
CODELCO Chile - Proyecto Mina Chuquicamata Subterránea. Expomin 2010.
Prospección
OPERACIONES DE MINERÍA
Las operaciones mineras se agrupan en prospección, exploración, explotacióny cierre.
La prospección comienza con la identificación de los blancos a buscar y seutilizan métodos geológicos (levantamiento o mapeo), geoquímicos (análisisquímico de muestras) y Geofísico (identificación de anomalías magnéticas).
Mapeo con sistema “Spectrem” de Anglo American PLC. Presentación “Anglo Group Strategy”, Paul Dempsey, 2005.
Una provincia metalogénica esun área caracterizada por unaagrupación de depósitosminerales o por uno o mástipos característicos dedepósitos, y puede contenermás de un episodio demineralización.
OPERACIONES DE MINERÍAFranjas Metalogénicas
El propósito de los mapasmetalogénicos es proveer unabase o punto de partida sólidopara exploraciones minerasregionales.
Franjas Metalogénicas en Chile. Extraído de METMINCO Project Review, Mining Journal Magazine UK, 2011.
OPERACIONES DE MINERÍAFranjas Metalogénicas
Sondaje Diamantino
OPERACIONES DE MINERÍA
En la perforación de sondaje se puede definir dos métodos principales:Perforación diamantina y circulación reversa. Con el sondaje diamantino seextrae es un testigo de roca al utilizar un sistema de brocas y barrenas.
Izq.: Esquema Sondaje Diamantino. Der Sup.: Brocas de Perforación. Der. Inf.: Oro nativo en matriz de cuarzo en un testido de sondaje diamantino (Mining Journal Magazine, UK)
Sondaje de Aire Reverso
OPERACIONES DE MINERÍA
En la perforación de aire reverso, la roca es destruida (casi pulverizada) poruna broca tipo “Tricono” generando un detrito el cual es extraído mediante lainyección de aire.
Izq.: Esquema Sondaje Aire Reverso. Der.: Tricono de Perforación.
OPERACIONES DE MINERÍASondaje de Aire Reverso
Perforación de Aire Reverso (CABO Drilling Co., website).
Modelación de Yacimientos
Los sondajes intersectan zonas mineralizadas lo que permiteposteriormente en base a la información, generar un modelo de lamineralización y de explotación
OPERACIONES DE MINERÍA
Perforación y Tronadura
OPERACIONES DE MINERÍA
En minería a rajo abierto se usa perforación diamantina o aire reverso. Enminería subterránea se usan perforadoras Jumbo.
Izq Sup.: Perforadora en Quebrada Blanca (TECK). Izq. Inf.: Tronadura en Rajo Lince, AMSA (Actual Michilla).
OPERACIONES DE MINERÍACarguío y Transporte
En minería a rajo abierto se usan palas o cargadores frontales de grancapacidad para cargar camiones.
En las minas subterráneas se utilizan cargadores de bajo perfil (Scoop) quealimentan piques o sistemas de trenes.
Izq.: Operación de Carguío en Mina Collahuasi (Anglo American Chile + Glencore Xtrata). Carguío con Cargador Frontal en Mina Mantoverde de Anglo American Chile, 2002.
OPERACIONES DE MINERÍACarguío y Transporte
Extraído de “Métodos de Explotación de Minería Subterránea”. www.Aulados.net.
PROCESAMIENTO DE MINERALESIntroducción
El procesamiento de minerales se inicia con las etapas de conminución, quees el término que se utiliza para designar los procesos de reducción detamaño. El objetivo principal es liberar la mena de la ganga.
Las etapas de la conminución son el Chancado y la Molienda. Existe unlímite para el cual los chancadores son eficientes y, pasado éste, se utilizanlos molinos, los que realizan la reducción de material para tamaños másfinos.
EL chancado es una operación unitaria de reducción de tamaño mediante laaplicación de fuerzas de compresión, mientras la molienda se caracterizaprincipalmente por las fuerzas de impacto y abrasión.
Equipos de Chancado
Giratorio Mandíbulas Cono
PROCESAMIENTO DE MINERALES
Molinos SAG
PROCESAMIENTO DE MINERALES
El objetivo de la molienda es reducir el material al tamaño óptimo para elproceso siguiente (flotación o lixiviación). Existen molinos de barras, bolas ysemiautógenos (SAG). Se realiza por lo general cuando el material está enuna pulpa con agua.
Izq.: Molino SAG. Der.: Molino de Bolas.
PROCESAMIENTO DE MINERALESCircuito de Molienda
Planta de Molienda Minera San Cristóbal S.A. (Potosí, Bolivia). Publicado en minerasancristobal.com, 2011.
PROCESAMIENTO DE MINERALESRodillos de Alta Presión (HPGR)
En el sistema de rodillos abrasivos de altapresión, a diferencia de los rodillostrituradores convencionales, las partículasse rompen por compresión en una base departículas empaquetada.
Permite hasta un 10% de humedad delmineral, es decir, no trabaja con pulpa.mineral, es decir, no trabaja con pulpa.
Diagrama y Equipo HPGR (Weir Minerals). Gentileza : Felipe Navarrete.
PROCESAMIENTO DE MINERALESEquipos de Clasificación
El objetivo de la clasificación es separar el material que está apto para lasiguiente etapa de procesamiento, del que aún requiere ser reducido detamaño.
Izq.: Harnero para clasificación de mineral seco. Der.: Hidrociclón para clasificación de pulpa.
PROCESAMIENTO DE MINERALESEquipos de Clasificación
Batería de Hidrociclones Minera San Cristóbal S.A. (Potosí, Bolivia). Publicado en minerasancristobal.com, 2011.
Es un proceso de concentración de las especies de interés por medio de untratamiento físico – químico, que consiste en la adición de reactivos quecrean las condiciones de adherencia de las partículas de mineral a lasburbujas de aire.
PROCESAMIENTO DE MINERALESCeldas de Flotación
Esquema publicado en procesaminerales.blogspot.com. Original de Encyclopaedia Britannica Inc, 1999.
Fotografía Planta Flotación Minera San Cristóbal S.A. (Potosí, Bolivia). Publicado en minerasancristobal.com, 2011.
PROCESAMIENTO DE MINERALESFlotación
El espesaje de una pulpa mineral es un mecanismo físico de separaciónsólido/líquido, en el cual se dan las condiciones, reactivos y el tiemponecesario para que las partículas sedimenten por efecto de la gravedad,obteniendo una pulpa densa en la descarga y un líquido claro en el rebose.
PROCESAMIENTO DE MINERALESEspesamiento
Esquema publicado por Endress+Hauser Australia PTY Ltd. en www.sustainabilitymatters.net.au.
Filtro Banda Filtro Larox Filtro Prensa
PROCESAMIENTO DE MINERALESFiltrado
El filtrado es un método de separación sólido/líquido donde se aplicanfuerzas externas como la compresión, la succión y/o el soplado paraproducir la separación. Se obtiene un sólido de baja humedad y un líquidocon bajos contenidos de sólidos.
PROCESAMIENTO DE MINERALESFiltrado
Concentrado de Cobre en bodegas portuarias (Nanjing, China) de la Nanjing Huining Wharfs Co. Ltd Publicado por bloomberg.com, 2010.
PROCESAMIENTO DE MINERALESTranque de Relaves
El relave es la roca finamente molida sin valor comercial. Se compone departículas menores a 0.1 mm de diámetro (arena y lamas).
Los relaves se disponen en relaves húmedos en pulpa, relaves espesados yen pasta, dependiendo de su humedad residual.
El principal objetivo de la fundición y la refinación es procesar elconcentrado y mediante procesos de oxidación y/o reducción, elevar elcontenido de metal.
Fusión y Conversión
PROCESAMIENTO DE MINERALES
Electro Refinación
Mediante la fundición, el contenido de cobre en un concentrado quetípicamente es 30% puede elevarse a 95%-98%. La refinación puedeelevar el contenido a 99.999% en el mejor de los casos.
PROCESAMIENTO DE MINERALES
HIDROMETALURGIAIntroducción
Hidrometalurgia es la rama de la metalurgia que comprende losprocesos de extracción selectiva de los elementos de interés y suposterior recuperación de la solución por diferentes métodos.
A este proceso se le denomina lixiviación y corresponde a la disoluciónde los elementos desde un sólido por medio de agentes químicos como elácido sulfúrico o el cianuro (cobre y oro respectivamente).
Existe una variedad de métodos de lixiviación, que dependenfundamentalmente de las características del mineral. Los procesos máshabituales son la lixiviación en pilas y botaderos, pero también se tienela lixiviación en bateas, lixiviación por agitación y la lixiviaciónbacteriana de súlfuros de baja ley, entre otros.
HIDROMETALURGIAEsquema General de Procesos
Mineral Chancado
Aglomerado o directo desde la
mina
Nave de Electro-
obtención
Piscinas de Soluciones
ácidas
Etapa de Re-extracción
Etapa de Extracción
HIDROMETALURGIAMétodos de Lixiviación
Lixiviación por Percolación (Bateas)
HIDROMETALURGIA
Lixiviación en bateas (o por percolación) consiste en una solución deriego que circula a través de un lecho de mineral que se depositapreviamente en depósitos de hormigón.
Este proceso debe ser alimentado con minerales de ley alta-media, paraque el proceso de lixiviación sea en períodos razonablemente cortos, conel objetivo de amortizar rápidamente la gran inversión inicial.
Lixiviación por Agitación
HIDROMETALURGIA
La lixiviación por agitación (en comparación con otros métodos delixiviación), da las mejores recuperaciones en menor período de tiempo.Se utiliza preferiblemente para el mineral no poroso o mineral que liberademasiado fino, o con mayor contenido de arcilla.
En este método, el mineral pasa por un proceso de molienda paraformar una pulpa, que se trata en estanques de agitación.
En las minas a rajo abierto, la lixiviación ROM (Run Of Mine) se aplica aminerales bajo la ley de corte que de otra forma se apilan como estéril.
En la lixiviación ROM los minerales son tratados directamente de latronadura (sin chancado o aglomeración) en un área impermeabilizada paratal fin. La inversión está asociada principalmente a la plataforma delixiviación.
HIDROMETALURGIALixiviación en Botaderos
Dump Sur Mantoverde (AAChile) ROM Esperanza (AMSA)
HIDROMETALURGIAAglomeración
El mineral chancado es aglomerado en un tambor rotatorio con ácido y refino(o agua) con dos objetivos principales: mejorar la permeabilidad de la pila alligar las partículas finas a las más gruesas; y provocar la sulfatación delóxido de cobre para así mejorar la recuperación en la lixiviación.
El proceso de lixiviación en pilas se define como el apilamiento programadode mineral chancado y aglomerado con el propósito de lixiviarlo a bajo costo.
Estas pilas pueden ser permanentes o dinámicas. En las pilas permanentesse carga mineral fresco sobre pilas abandonadas. En la pila dinámica, seretira el ripio a un botadero.
Las pilas permanentes se construyen con sistemas mecanizados de correasfijas y móviles.
Lixiviación en Pilas
HIDROMETALURGIA
fijas y móviles.
Pilas Permanentes
HIDROMETALURGIA
En las pilas dinámicas el mineral no es abandonado en el lugar sino que esretirado por camiones o rotopalas, para luego enviar el ripio a un botadero yasí aprovechar la superficie generada para cargar una nueva pila.
El esquema más utilizado es el tipo hipódromo, aunque también se utilizancamiones o correas portables.
Pilas Dinámicas
HIDROMETALURGIA
Lixiviación en Pilas Dinámicas
HIDROMETALURGIA
Lixiviación en Pilas Dinámicas
HIDROMETALURGIA
Rotopala en Faena Minera Mantoverde de Anglo American Chile, 2005.
Botadero de Ripios
HIDROMETALURGIA
El procesamiento de mineral en pilas dinámicas requiere de un botadero deripios. En la imagen se aprecia la pila dinámica y botadero de la faenaRadomiro Tomic de CODELCO Chile.
Botadero de Ripios
HIDROMETALURGIA
La construcción de los botaderos de ripio se realiza regularmente consistemas de correas transportadoras y equipos mecanizados montadossobre orugas (también puede ser con camiones).
Al equipo apilador de ripios se le llama “Esparcidor de Ripios” o “Spreader”.
Extracción por Solventes
RefinoOrgánico
DescargadoElectrolito
PobreProducción
Cobre Fino en
Es el proceso selectivo de transferencia, concentración y depositación deun metal contenido en una solución acuosa, para producir una láminametálica (Cátodo).
HIDROMETALURGIA
LIX
PLSOrgánico Cargado
Electrolito Rico
Extracción Re-Extracción
MineralChancado y Aglomerado
Cobre Fino en Cátodos
Extracción por Solventes
HIDROMETALURGIA
Izq.: Principio de Funcionamiento de un Mezclador-Decantador tradicional. Der. Sup. Mezclador. Der. Inf.: Decantador.
HIDROMETALURGIAElectro-Obtención
El proceso de electro-obtención o EW tiene por objeto captar los iones decobre que se encuentran en la solución acuosa (electrolito) proveniente deSX y depositarlos como cobre de alta pureza mediante la aplicación decorriente. Con el proceso SX/EW se puede producir cobre de hasta99,999% de pureza.
Cosecha de Cátodos en División Mantoverde de Anglo American Chile, 2005.
INGENIERÍA DE PROCESOS EN LA INDUSTRIA MINERA
Relator: Hernán Barros. Junio, 2014
Lixiviación en Pilas Permanentes. Anglo American Chile División Mantoverde, 2003.
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