Una posible definición del término “lavado” sería “eliminar una sustancia con agua o mediante la acción del agua”. En el sentido del procesamiento de minerales, el lavado comúnmente se refiere a la eliminación de partículas sueltas, a menudo arcillas finas, de la superficie de menas más aceptables.
Según esta definición, el lavado se diferencia de la clasificación, que sería un paso de procesamiento posterior, mediante el cual se separan las fracciones de distinto tamaño.
A pesar de que cada vez hay más preocupación por el valor y la disponibilidad del agua, el lavado de menas sigue siendo un método de beneficio común y rentable, ya que el consumo de agua se optimiza mediante una mayor recuperación de agua.
Entre las ventajas de la depuración de menas, se pueden incluir la reducción de ganga para continuar el procesamiento, una mejor calidad de producto y un mayor rendimiento de los equipos aguas abajo.
Aunque por lo general se cree que consiste en eliminar material de desecho, en yacimientos muy erosionados, puede ocurrir al revés y los minerales valiosos pueden estar contenidos en los finos. Algunos ejemplos serían la alúmina, las lateritas de níquel, el uranio y, ocasionalmente, el oro.
Principios de diseño
El principio fundamental del lavado de menas consiste en proporcionar suficiente energía y tiempo para separar las arcillas finas, pero no lo suficiente para provocar la conminución de las partículas intrínsecas en componentes más pequeños.
También se debe tener cuidado de suministrar la energía y el flujo indicados para mantener las partículas finas en suspensión e impedir que se aglomeren y se acumulen en forma de bolas de arcilla. Por lo tanto, a la hora de definir un proceso adecuado para el lavado de menas, se debe tener en cuenta lo siguiente:
- Aporte energético: expresado en kWh/t
- Distribución del tamaño de las partículas (mm)
- Tiempo
- Rendimiento
La determinación del tamaño de los equipos para lavado de menas es una tarea mayormente empírica que se basa en la ampliación de pruebas piloto o de laboratorio, para luego tomar las instalaciones en funcionamiento como referencia.
Debido al grado elevado de variabilidad de la mineralogía de arcillas, se prefiere hacer pruebas específicas de cada sitio. Existen normas como ASTM D4318-17, ASTM D4221-17 y ASTM D3744-03 que ayudan a definir la plasticidad o la dispersión de los materiales arcillosos y la durabilidad de los áridos, pero hasta la fecha, no se ha publicado una correlación medible entre estas características y el aporte energético.
Pruebas
Por lo general, las pruebas se llevan a cabo en laboratorios comerciales o en instalaciones de proveedores. McLanahan Corporation cuenta con instalaciones en Australia (Nueva Gales del Sur) y en los Estados Unidos (Pensilvania) para efectuar pruebas internas de materiales.
Los equipos empleados en las pruebas pueden variar desde equipos de distribuidores a escala reducida, sustitutos adaptados comercializados y equipos diseñados para pruebas alternativas hasta plantas piloto construidas para un uso particular capaces de funcionar como las plantas de tamaño normal.
Una de las principales limitaciones de todos estos equipos, excepto las plantas piloto construidas para un uso particular, es la capacidad de procesar un intervalo representativo de tamaños de muestra, en especial para las actividades con un tamaño de alimentación de hasta 10ʺ(250 mm).
La mayor parte del trabajo de prueba a pequeña escala se hace por lotes. Esto puede generar algunos problemas de interpretación. Por lo general, se reconoce que las pruebas por lotes dan indicios del tiempo de residencia necesario de los sólidos. Sin embargo, la mayoría de los equipos funcionan de modo continuo.
Al estar sujeta a la geometría y a los patrones de flujo dentro de los equipos, la fase fluida se desplaza a una velocidad diferente. Por lo tanto, se debe tener en cuenta la distribución del tiempo de residencia de ambas fases, líquida y sólida.
Las especificaciones de diseño comunes se refieren solo a un tiempo de residencia promedio, de ahí que la evaluación de los equipos que se emplean en las pruebas es fundamental para establecer parámetros de diseño.
El modelo de elementos discretos (DEM) mediante simulación por computadora se ha utilizado con resultados satisfactorios para hacer un cálculo aproximado del tiempo de residencia y del consumo de energía en una escala comparativa cuando se lo calibra frente a una instalación conocida.
Descripciones de los equipos clave
Una vez establecidos los requisitos de energía, tamaño de partículas, tiempo de residencia y rendimiento, la matriz a continuación puede proporcionar una guía para la selección de los equipos.
Selección de máquinas
Celdas de atrición
Las celdas de atrición son dispositivos muy potentes que se utilizan para liberar material perjudicial plástico duro y eliminarlo del material aceptable. También está comprobado que liberan arcillas, lo que reduce la turbidez del producto, y separan conglomerados sueltos.
Estas máquinas consisten principalmente en un tanque (celda) en el cual un eje vertical acciona un conjunto de dos o tres paletas mezcladoras diametralmente opuestas. Las celdas en sí pueden ser redondas, cuadradas, hexagonales u octagonales, pero todas suelen estar desviadas hasta cierto punto para minimizar los remolinos. La configuración de las paletas puede ser un diseño sencillo de turbina axial o hélice.
A medida que giran las paletas, hacen chocar el material contra sí mismo para provocar colisiones entre partículas, lo que erosiona la superficie y libera el material de revestimiento.
Debido a la intensa acción de mezclado, la distribución del tiempo de residencia de las partículas en cualquier celda puede ser bastante amplia, y algunas partículas salen de la celda rápidamente (desvío) mientras que otras permanecen más tiempo.
Para ayudar a mejorar el desvío, las celdas de atrición suelen ser múltiples. La cantidad más común es de dos a cuatro celdas por máquina. A menudo, las celdas alternadas en series como esta invierten la inclinación de las paletas impulsoras para ayudar a dirigir el flujo hacia la salida, ya sea en la parte superior o inferior del tanque.
Los vertederos en el sello de descarga final permiten que el operador ajuste la altura de la pulpa dentro del tanque y, por ende, aumente o disminuya el tiempo de residencia.
Por lo general, las celdas de atrición se alimentan con gran cantidad de sólidos (60-80 % de sólidos por masa). Por lo tanto, en las operaciones de las unidades aguas arriba suelen emplearse ciclones desaguadores o incluso zarandas desaguadoras. Estos equipos presentan el material a un grado elevado de densidad para lograr la máxima acción de depuración entre partículas.
El tamaño de alimentación está limitado a aproximadamente 1/4ʺ (6 mm) para materiales en el intervalo de gravedad específica de 2,7. Debido a que la eficiencia de la atrición es mayor con concentraciones más elevadas de sólidos, se debe tener cuidado de que la máquina no funcione en un entorno que provoque obstrucciones. El control del aporte energético puede ayudar a funcionar en una región más deseable con solo agregar agua a demanda.
También es importante detectar cualquier cambio en el estado de la pulpa a medida que surte efecto el proceso de atrición. En casos en que hay presencia de arcillas de alto grado, o arcillas que solo se descomponen y suspenden tras someterse a una gran fuerza de corte, la pulpa en sí puede adoptar una consistencia similar a la papilla de avena. Como resultado, las partículas aceptables quedan bien lubricadas en la masa y se dificulta la posterior atrición.
La solución a esto consiste en incluir una operación de lavado entre etapas, entre los conjuntos de celdas de atrición. Estos circuitos de lavado eliminan las arcillas liberadas y devuelven las partículas aceptables restantes al proceso de atrición aguas abajo. A fin de ayudar a reducir el consumo de agua en las etapas de lavado, a menudo se recomienda emplear un método a contracorriente, mediante el cual las descargas más sucias se lavan con el agua más sucia.
Debido a que se trabaja en un entorno con una gran fuerza de corte, es importante contar con un grado adecuado de protección contra el desgaste (revestimiento de goma o aceros endurecidos) a fin de maximizar la vida útil y minimizar el tiempo y el costo de los repuestos.
Las celdas de atrición se utilizan en las industrias de vidrio, minerales y pesados y arena de fractura para facilitar una depuración intensiva (Preston y Tatarzyn, 2013), con un aporte energético de entre 5 y 10 kWh/t. Para adaptarse al alto nivel de potencia, se emplean unidades pequeñas de 1 a 10 m³ comúnmente equipadas con un motor de transmisión directa. Los tiempos de residencia pueden variar entre 0,5 y 5 minutos.
Lavadores de tornillo sin fin para material grueso
Los lavadores de tornillo sin fin para material grueso se fabrican principalmente para lavar piedra chancada, grava y otros minerales de mena duros, con un tamaño que generalmente varía de 3/8ʺ (10 mm) a 4ʺ (100 mm). Eliminan con eficacia arcillas livianas de tipo limosas, suciedad, polvo del chancador y revestimientos que no se pueden eliminar únicamente por medio del zarandeo en húmedo.
También se pueden utilizar para quitar la vegetación flotante y los áridos blandos, aunque es posible que no se elimine por completo toda la vegetación y los palos impregnados de agua. Los lavadores de tornillo sin fin para material grueso no están diseñados para eliminar la arcilla plástica dura que normalmente requiere máquinas con mayor potencia.
Los lavadores de tornillo sin fin para material grueso están equipados con paletas en combinación con tramos roscados para depurar, erosionar y agitar el material. La acción turbulenta de lavado, combinada con la corriente de agua ascendente introducida en el fondo de la caja en el extremo de alimentación, separa la fracción más liviana de los áridos de calidad.
La fracción más liviana (es decir, la arcilla y la vegetación flotante), sube a la superficie debido a que el agua sube en la caja y luego desborda el vertedero ubicado en la parte posterior de la caja. A continuación, se depura el producto limpio deseado, y las paletas y los tramos roscados lo transportan hasta el extremo de descarga de la caja.
Se recomienda utilizar una zaranda de enjuague después del lavador de tornillo sin fin para material grueso a fin de clasificar el material.
La determinación del tamaño y la selección de un lavador de tornillo sin fin para material grueso se basan en el tipo de material, la capacidad deseada y el tamaño máximo de alimentación. Cuantas más paletas se utilicen, menor será la capacidad. Sin embargo, la acción de lavado se incrementa debido al hecho de que las paletas no transportan el material a la caja del lavador con tanta rapidez como los tramos helicoidales.
Es posible equipar un lavador de tornillo sin fin para material grueso con hasta 40 paletas por eje. Cuando se utilizan paletas adicionales, también es necesario bajar la inclinación de la caja y aumentar la potencia del motor. Esto ayudará a transportar el material al extremo de descarga.
Según la actividad, es posible que haya limitaciones de capacidad volumétrica y de sólidos que justifiquen el uso de unidades de doble tornillo. El área de piscina más grande de la unidad de doble tornillo disminuye la velocidad de ascenso, lo que permite una clasificación más fina, y la característica de doble tornillo permite una mayor carga de sólidos. El eje del tornillo está compuesto por un eje de tubería de acero extrapesado con paletas de hierro duro interiores y exteriores resistentes a la abrasión, reversibles y renovables, que están atornilladas al eje en la zona de alimentación. Estas paletas van precedidas y seguidas de tramos de acero pesado equipados con revestimientos resistentes a la abrasión atornillados. El eje del tornillo tiene bridas en ambos extremos y está atornillado a los ejes de acople para facilitar el mantenimiento normal.
Lavadores de paletas
Los lavadores de paletas se utilizan en diversas aplicaciones de procesamiento de materiales y son conocidos por su capacidad para eliminar arcillas plásticas duras presentes en grava natural y chancada, piedra chancada y menas.
Una limitación de los lavadores de paletas es que deben tener un tamaño máximo controlado. En general, la mayoría de las unidades pueden aceptar material de alimentación cúbico de hasta 4” (100 mm), aunque algunas unidades de mayor diámetro pueden aceptar material de alimentación cúbico de hasta 6” (150 mm).
Cuando se procesan finos, puede que sea necesario capturar el desagüe de la unidad para guardar esta fracción y procesarla posteriormente, o cerrar la abertura de desagüe para transportar el material a lo largo de toda la caja y depurar los finos.
Cuando se selecciona un lavador de paletas para una aplicación, es necesario tener en cuenta la cantidad, el tipo y el porcentaje de material perjudicial (es decir, arcilla) que debe eliminarse. A medida que aumenta el porcentaje de material perjudicial que debe eliminarse, existen opciones para hacer lo siguiente:
- Variar la longitud de la caja de lavado
- Cambiar el ángulo de las paletas entrecruzadas para proporcionar más potencia o acelerar el transporte del material
- Modificar el ángulo de montaje
- Modificar la altura del vertedero de desagüe
- Variar el caudal de agua para la corriente ascendente y el enjuague
La mayoría de los lavadores de paletas vienen de serie con vertederos ajustables en las aberturas de desagüe que permiten cambiar la profundidad del agua, lo que, a su vez, puede afectar la calidad del producto lavado. A menudo, vienen equipados con una barra rociadora para enjuagar el material antes de la descarga.
Para que un lavador de paletas sea fiable, es fundamental que cuente con un diseño sólido de la caja de lavado, los ejes de las paletas, la caja de engranajes/transmisión y los rodamientos traseros sumergidos.
Las superficies de desgaste y de los rodamientos sumergidos de las paletas requieren mantenimiento. Con frecuencia, las paletas cuentan con zapatas protectoras reemplazables.
Acondicionadores y molinos de paletas
Los molinos de paletas, también llamados acondicionadores, están diseñados para ayudar a los productores a comenzar a liberar suciedad o arcilla ligera o limosa de la roca gruesa o de la arena antes de continuar el procesamiento.
Son muchas las aplicaciones en las que puede usarse un molino de paletas. Por ejemplo, cuando se lava roca gruesa, el molino de paletas puede colocarse delante de una zaranda de lavado para obtener roca o mena más limpia. Cuando se lavan materiales más finos, como arena, la unidad puede colocarse delante de una zaranda, de un tanque de clasificación de arena o de un lavador de tornillo sin fin para material fino.
Los molinos de paletas son capaces de aceptar material de alimentación fino o grueso.
Tenga en cuenta que los molinos de paletas están diseñados para acondicionar el material. No están diseñados para eliminar arcilla plástica dura o altos porcentajes de arcilla. Por lo general, los molinos de paletas se seleccionan para su empleo en combinación con otros equipos de procesamiento a fin de mejorar el lavado y la separación del material aguas abajo.
Dado que todo el material y el agua salen de la unidad, el material de descarga no puede cargarse en una cinta transportadora. Generalmente, la cantidad de agua necesaria para un molino de paletas es un tercio adicional del peso del material que se está procesando.
Los molinos de paletas se parecen mucho a los lavadores de tornillo sin fin para material grueso, pero funcionan de manera muy distinta. La principal diferencia es que todo el material y el agua que entra en el molino de paletas debe salir por la abertura de descarga ubicada en la parte inferior de la caja opuesta al extremo de alimentación. Este tipo de equipo no cuenta con un desagüe.
Mediante una combinación de paletas y tramos dispuestos en un formato alternado a lo largo de todo el eje, estos equipos comienzan a erosionar, desgastar fricción y descomponer el material perjudicial. Los ejes pueden tener diferentes configuraciones, pero el concepto principal es tener tramos y paletas alternados.
Los molinos de paletas se afirman sobre una pendiente de 0° a 5° y tienen mayor capacidad en comparación con los lavadores de tornillo sin fin para material grueso del mismo tamaño. Esto se debe a la menor pendiente de funcionamiento de la máquina.
Además, el molino de paletas se utiliza cuando se necesita procesar y humedecer el material antes de que se introduzca en una zaranda vibratoria, en un lavador de tornillo sin fin para material fino o en otra clase de equipos para procesamiento en húmedo.
Tambores lavadores rotatorios
Los tambores lavadores rotatorios están diseñados principalmente para eliminar marga y arcillas ligeras y materiales de desecho suaves y solubles presentes en áridos, piedras y menas.
Estos equipos no están diseñados para reemplazar los lavadores de paletas en aplicaciones donde las arcillas plásticas duras contaminan el material que debe limpiarse. Cuando estas arcillas duras se introducen en un tambor lavador, es posible que las partículas de arcilla tiendan a granularse por la caída del material.
Por ejemplo, es posible que las piezas de arcilla plástica del tamaño de una pelota de golf no se rompan. Incluso ha habido casos en los que se agrandaron hasta alcanzar el tamaño de una pelota de tenis.
Por lo general, los tambores lavadores rotatorios y los lavadores de tornillo sin fin para material grueso se seleccionan para eliminar contaminantes similares presentes en áridos y menas variadas. La principal diferencia es que los tambores lavadores pueden aceptar material de alimentación de mayor tamaño, mientras que los lavadores de tornillo sin fin para material grueso deben tener un tamaño máximo controlado.
Asimismo, los tambores lavadores ofrecen una capacidad de producción mucho mayor. Dado que los tambores lavadores de gran diámetro tienen capacidad para un material de alimentación de hasta 10-12” (250-300 mm), a veces se utilizan como lavadores primarios antes de efectuar el chancado o el zarandeo.
En situaciones con tiempos de residencia más prolongados y menor energía, una máquina más larga y de menor diámetro resulta más eficaz. Si se trabaja con tiempos de residencia más breves y un mayor aporte energético, una máquina más corta y de mayor diámetro es más eficaz.
Normalmente, la capacidad se determina mediante un análisis del tipo de material de alimentación, el porcentaje y el tipo de material de desecho que se debe eliminar, un análisis de la zaranda del material de alimentación y el agua disponible. El tiempo de retención necesario de un tambor lavador varía según la aplicación debido a los diferentes tipos y cantidades de desechos que se desea eliminar. Las pruebas ayudan a establecer las pautas necesarias.
El diámetro de los tambores lavadores rotatorios puede variar de 8ʹ(2,5 m) a 18ʹ(5,0 m), y la longitud, de 8ʹ (2,5 m) a 60ʹ (18 m), mientras que la relación de aspecto (altura/diámetro) puede oscilar entre 1,8 y 3,0. Estos equipos pueden ser de un tamaño que permita procesar hasta 5000 t/h (toneladas por hora) de mena.
Es posible mejorar el lavado mediante las siguientes acciones:
- Ajustar el caudal al tambor lavador
- Modificar el diseño del revestimiento y del elevador
- Ajustar la altura del vertedero de descarga (para modificar el tiempo de residencia)
- Modificar la velocidad de rotación para variar la intensidad de energía
La selección de un mecanismo de transmisión adecuado depende de la potencia y de la variabilidad necesarias. Las unidades pequeñas pueden emplear un sistema de transmisión por fricción, cadena o anillo de goma. Estos estilos de máquinas tienen limitaciones de potencia, entre 300 y 500 kW, y un diámetro aproximado de 10ʹ(3 m).
Las unidades más grandes pueden emplear un engranaje con corona y piñón o un motor hidráulico montado en el acople del eje de transmisión. La intensidad de potencia necesaria para la mayoría de las actividades de depuración varía entre 0,2 y 1,0 kWh/t.
Los sistemas de soporte ofrecidos incluyen rodillos de muñón con anillos de poliuretano, goma o acero, o almohadillas de rodamientos hidrostáticos similares a las de los molinos de bolas.
Los tambores lavadores rotatorios funcionan mediante la introducción de agua de proceso y sólidos a través de la tolva de alimentación. A medida que gira el cilindro, la fracción de alimentación sólida sube por el lado del tambor por acción de la fuerza centrífuga hasta que su superficie alcanza el ángulo dinámico de reposo, por lo general situado en un intervalo de 35° a 45°.
A continuación, el material de la superficie cae en cascada hasta el fondo de la pila de sólidos antes de volver a quedar debajo de la pila por la rotación del tambor.
Las barras elevadoras en la cubierta del tambor aseguran que la pila de sólidos caiga en cascada en lugar de deslizarse por la pared. Esta acción ayuda a romper los materiales más suaves y libera las arcillas, la suciedad, la marga y otros materiales extraños para disolverlos en una solución.
En el caso de aplicaciones especiales de lavado y zarandeo, puede utilizarse una combinación de tambor rotatorio y zaranda. Estos equipos combinan las características de depuración de los tambores lavadores rotatorios con la acción de las zarandas de trommels rotatorios, todo en una unidad. La parte del zarandeo puede contar con un diseño de cubierta simple o doble.
La combinación de tambor rotatorio y zarandas puede resultar eficaz a la hora de manipular materiales difíciles de lavar y zarandear, como conchas de ostras y matriz de fosfato, y ofrece algunos beneficios en cuanto a las opciones de diseño de planta.
El mantenimiento necesario para los tambores lavadores rotatorios varía según el tamaño, la dureza, al rendimiento y la agresividad del material que se procesa. Los revestimientos reemplazables de la cubierta de la tolva de alimentación y de la pared de fondo pueden cambiarse a intervalos de 12-36 meses.
