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COMPRENDIENDO EL MECANISMO DE CONMINUCIÓN DE LOS RODILLOS DE MOLIENDA DE ALTA PRESIÓN: MENOR COSTO, MAYOR EFICIENCIA Y SELECTIV

Por: Dr. Francisco J. Sotillo, PerUsa EnviroMet, Inc. 


Resumen

Comprender el mecanismo de conminución en una cama de partículas es de suma importancia para aprovechar esta tecnología. La conminución en una cama de partículas es el único mecanismo que permite la conminución selectiva. Por consiguiente, los principios de molienda en cama de partículas mediante los cuales funcionan los rodillos de molienda de alta presión (HPGR) o el molino de rodillos de alta presión (HPRM) se discuten para mostrar los beneficios potenciales de este mecanismo. 

Dependiendo del tamaño de liberación de impurezas, los HPGR permiten molerlas selectivamente respecto a los minerales de fosfato. Los HPGR reducen el consumo de energía hasta en un 50% y aumentan la eficiencia de la molienda con respecto a estos mismos parámetros con molinos de barras, así como también mejoran el restregado por atrición y la preparación de la alimentación a flotación del material para las operaciones subsiguientes «aguas abajo». 

Si se requiere mayor molienda para la liberación completa de los minerales, se necesitará una cantidad significativamente menor de energía y se mantendrán los minerales de fosfato en una fracción de tamaño más gruesa mejorando su recuperación.

En consecuencia, se ha investigado el uso de los HPGR de laboratorio para mejorar la eficiencia de separación de los minerales con alto contenido de dolomita, ultra alto contenido de arcilla y alto contenido de arcilla (kaolinita) presentes en una mena de apatita en operaciones subsiguientes «aguas abajo» de beneficio de diferentes minerales de fosfato de origen sedimentario. 

En esa línea, el presente artículo incluye estudios de caracterización de minerales de fosfato dolomítico, datos del modelo físico aplicado por PerUsa EnviroMet, Inc. de HPGR para desarrollar información preliminar de conminución; y evaluaciones de HPGR de laboratorio para determinar los parámetros de chancado, como las velocidades de alimentación, la velocidad y la separación de los rodillos, y el torque, la presión y la energía aplicables. 

Se realizaron trabajos complementarios de molienda con molinos de barras de laboratorio, y estudios de flotación para evaluar la eficiencia del proceso de separación de la dolomita/francolita. 

Las pruebas de HPGR muestran que se pueden obtener productos comerciales en todas las minas. Se reportaron recuperaciones de 74% a 82% de P2O5 y rechazos de 46% a 83% de MgO con un consumo de energía específica del 20% a 50% del de un molino de barras de laboratorio. 

En el caso de la separación de kaolinita/apatita, el mineral de fosfato con ultra alto contenido de arcilla preparado a una fracción de tamaño nominal de menos 9 mm fue sometido a pruebas de HPGR que dieron como resultado una recuperación de 42.45% de P2O5 y un rechazo de 80.81% de Al2O3 con un consumo de energía específica de 1.34 KWh/t. 

Los resultados para HPGR con un tamaño de partículas de 2x0.02 mm para el mineral de fosfato de alto contenido de arcilla se modelaron de acuerdo con los resultados del de ultra alto contenido de arcilla usando el modelo de PerUsa EnviroMet Inc. y mostraron un incremento tanto en la recuperación de 63.4% a 73.2% de P2O5 como en el rechazo de 70% a 84% de Al2O3, con un consumo de energía específica de 3.88 KWh/t.

Introducción

El objetivo de esta investigación es demostrar que entendiendo y aplicando los beneficios del mecanismo de conminución en una cama de partículas, como tiene lugar en los rodillos de molienda de alta presión (HPGR) o molinos de rodillos de alta presión (HPRM), mejora la eficiencia de separación de los minerales de arcilla (kaolinita) y dolomita de la apatita en las operaciones subsiguientes «aguas abajo». Para este fin, se han utilizado diferentes minerales de fosfato de origen sedimentario.

La dolomita es el contaminante más problemático de la industria del fosfato[1] debido a que produce concentrados de baja ley que dan lugar a un alto consumo de ácido sulfúrico, un incremento en la formación de espuma, bajos índices de producción de P2O5, dificultades en la filtración de yeso y problemas de manipulación en las operaciones subsiguientes (producción de fertilizantes) «aguas abajo». La publicación N° 02-082-105[2] del Instituto de Investigación Industrial y de Fosfatos de Florida (Fipri) establece que las reservas de fosfato de alta ley del Distrito Central se están agotando, y que la extensión sur debe ser explotada. Sin embargo, la zona sur (Formación Hawthorn) presenta más variaciones en la composición de los minerales: mayores cantidades de arcilla fosfatada de menos de 0.105 mm, más minerales de ganga (dolomita), intercrecimiento con minerales fosfatados, capa de estériles de mayor espesor y eolitos (pebbles) de más de 1.18 mm, pero de menos de 12.7 mm asociados con considerables cantidades de agregados de dolomita granular fina libre, junto con granos de calcita y arcilla.

Se han realizado numerosos estudios para reducir la dolomita del stock de material de alimentación a las plantas de ácido fosfórico. En un estudio de restregado por atricción[3], fue posible recuperar el 77% del P2O5, pero solo de la fracción de tamaño de malla -14, y el contenido de MgO seguía siendo 1.1% en el mineral. El Bureau de Investigación de Minas de EE.UU. sobre flotación[4, 5] y los estudios del Fipri[1] concluyeron que:

ν El deslamado a 150 mallas (0.105 mm) para los minerales de los condados central y sur de Florida dio como resultado un 50%-80% de rechazo de MgO con pérdidas mínimas (7%) de P2O5, pero la ley de MgO >1% estaba presente en el producto deslamado.

ν Las pruebas por medios densos “Sink and float” no fueron exitosas.

ν La molienda a malla -35 (-0.420 mm) junto con restregado y flotación selectiva de dolomita utilizando ácido neftánico como colector y ácido fosfórico, almidón, ácido fluosílico, etc. como depresores no tuvo éxito; las pérdidas de P2O5 fueron superiores al 50%, y el concentrado todavía contenía 1.9% de MgO.

ν La flotación de fosfato estándar con limpieza con silicato de sodio para los concentrados era prometedora: Se produjeron concentrados de 29.31% de P2O5 que contenían 0.5%-1.3% de MgO con recuperaciones de P2O5 que oscilaban entre el 55% y el 90%. Sin embargo, Fipri no fue capaz de reproducir estos resultados[1].

Los procesos de flotación desarrollados por la Universidad de Florida[6], la Universidad de Alabama[7] y TVA[8] no fueron efectivos en separar la dolomita con una buena recuperación de fosfato. Los estudios de flotación de Zheng y Smith[9] obtuvieron solo un éxito limitado al probar la carboximetilcelulosa, el ácido cítrico y los sulfonatos de neftilo como depresores de la dolomita. Por otro lado, el proceso de flotación catiónica de IMC[1, 10] fue relativamente efectivo usando una alimentación de flotación de malla 28x150 o 35x150 y produjo concentrados de 30%-31.6% de P2O5 y 0.74%-0.84% de MgO, pero con recuperaciones de 50%-60% de P2O5.

Recientemente, Sotillo[11] logró separar la dolomita utilizando flotación inversa de fosfato en la alimentación de flotación de fosfato fino, una fracción de tamaño de 0.125x0.040 mm, y varias etapas de limpieza. Los resultados de la flotación mostraron un concentrado de 28.5%-34% de P2O5 y <0.7% de MgO con recuperaciones de P2O5 de 84%-93%, y un rechazo de MgO de 88%-93%.

Las pruebas de lixiviación fueron realizadas por el Bureau de Minas de EE.UU. usando SO2 acuoso[12] con un éxito limitado. Los estudios de floculación selectiva que utilizaron ácido poliacrílico (PAA) de bajo peso molecular (450,000 PAA) mostraron pobres resultados[13].

Estudios mineralógicos de minerales de fosfato con alto contenido de dolomita[2, 5] establecen que la segunda está presente como:

ν Tipo 1: granos individuales o agregados de granos de dolomita más pequeños (0.010 mm-0.050-mm libres, de rombos de dolomita).

ν Tipo 2: agregados de dolomita parcialmente fosfatados (rombo de dolomita fosfatada de 0.020 mm-0.050 mm).

ν Tipo 3: granos individuales de dolomita como inclusiones en los granos de mineral de fosfato (granos más gruesos y comúnmente aislados en la matriz de fosfato).

La dolomita de tipo 1 representa el 80% de la ocurrencia de este mineral en Florida[2, 5]. Según estudios anteriores, la conminución y el lavado de los minerales de fosfato de dolomita siguen siendo esenciales para el beneficio de minerales con niveles más altos de MgO. Por lo general, los molinos utilizados experimentalmente para la reducción de tamaño muestran poca eficiencia[14, 15, 16, 17] y una selectividad de molienda no óptima debido a la diferencia de moliendabilidad de los minerales en la mena. Así pues, la eficiencia de separación de la apatita de la dolomita se ve afectada de forma negativa en las operaciones subsiguientes «aguas abajo».

En el caso de los minerales de arcilla (kaolinita), se utilizaron las operaciones unitarias convencionales de conminución, restregado, tamizado o clasificación y deslamado. Recientemente, algunos minerales de fosfato en depósitos australianos mostraron una liberación mucho más fina de minerales de arcilla debido a su intercrecimiento e inclusiones en la apatita[18]. Por lo tanto, antes del restregado, se requiere un proceso de conminución para potenciar la liberación de Al2O3 (minerales de arcilla kaolinita). Sin embargo, los molinos SAG y los convencionales de barras y bolas también trituran los minerales que contienen fosfatos debido al mecanismo no selectivo de estas tecnologías. En tal sentido, podrían producirse grandes pérdidas de fosfato, lo que daría lugar a bajas recuperaciones del mismo.

Algunos conceptos sobre conminución

Tradicionalmente, un material se tritura mediante la aplicación de un esfuerzo (compresión) constante predeterminado a través de las caras de las placas de trituración o los medios de molienda[19, 20]. En estas condiciones, las partículas se someten a cargas principalmente en compresión y fallan en tensión. A medida que la partícula se somete a una tensión cada vez mayor, los defectos existentes intensifican la tensión aplicada y las partículas fallan a través del mayor defecto. Este proceso depende de las probabilidades: a1, de ser sometido a compresión por medios de molienda; a2, de tener defectos o fallas cristalográficas; a3, de estar en la posición correcta; a4, de romperse por la compresión aplicada. Por lo tanto, este es el mecanismo de molienda menos selectivo y de menor eficiencia[15].

El mecanismo de molienda más eficiente es el de partícula individual, pero aún no ha sido posible aplicarlo a la molienda industrial[15, 21, 22]. La molienda en una cama de partículas que permite el chancado selectivo de diferentes especies mineralógicas de la mena, como en el caso de los HPGR, es el segundo mecanismo más eficiente en términos de energía y más selectivo, y es aplicable a la conminución[15, 22, 23, 24, 25]. En una cama de partículas, la molienda depende de la resistencia del material, la fricción interna entre las partículas y con las superficies de las máquinas, la distribución de tamaños del material alimentado, los bordes de granos entre las diferentes especies mineralógicas del material y el contenido de humedad superficial. Estudios recientes sobre chancado y molienda de barras y bolas[16, 21, 26] han señalado la importancia de desarrollar métodos prácticos para mejorar la liberación de minerales entre sí mediante el uso de la ruptura interpartículas.

Materiales y métodos

Se obtuvieron cilindros que contenían 250-300 kg de muestras de eolitos (pebbles) de Florida procedentes de cuatro minas, se homogeneizaron y se dividieron mediante cono y cuarteo en muestras de trabajo y de reserva. Las muestras de trabajo se trituraron en una equipo de mandíbula de laboratorio y se tamizaron para obtener un producto 100% de menos de 6.3 mm. Mediante la homogeneización y división de estas muestras de trabajo, se obtuvieron varias submuestras a ser utilizadas en estudios de caracterización, pruebas del modelo de PerUsa (Instron), pruebas de HPGR (HPRM) y pruebas de molienda de barras. En el caso de los minerales australianos, se realizó un procedimiento similar utilizando muestras de 45 kg, triturando el material a menos 9 mm en una chancadora de rodillos. Después de homogeneizar y dividir, se prepararon dos submuestras para los estudios de caracterización y las pruebas de HPGR.

Las pruebas del modelo de HPGR de PerUsa (Instron) se realizaron únicamente en los minerales de fosfato con alto contenido de dolomita de Florida utilizando un sistema MTS con una capacidad máxima de carga de 100 KN y un transductor axial. Se usaron dos tipos de disposiciones de pistón-yunque: i) 63.5 mm (2.5 pulgadas) de diámetro, que sostiene 100 g de muestra húmeda para una presión aplicada de hasta 90 MPa; y ii) 25.4 mm (1 pulgada) de diámetro, que sostiene 25 g de muestra húmeda para una presión aplicada de 100 a 200 MPa. Después de cargar las disposiciones del pistón y yunque, el sistema fue golpeteado 50 veces y sometido a 0.02 MPa de presión aplicada para asegurar una cama compacta y una superficie plana. Se midió la altura de la cama de partículas y se registró como el punto inicial (cero desplazamientos). A continuación se aplicó una fuerza preestablecida a la cama de partículas a una velocidad de 0.01 m/s. Después de liberar la fuerza, se midió la altura final de la cama de partículas y se calculó el desplazamiento. Se recogieron las muestras molidas, se pesaron y se secaron para determinar la recuperación y la humedad. 

Las muestras secas se sometieron a análisis de mallas valoradas para evaluar la liberación de dolomita de los eolitos (pebbles) de fosfato. Con estos datos se determinaron las mejores pruebas, el menor índice de pérdida de fosfato y el mayor índice de rechazo de MgO.

Dos Labwal-HPGR Polycom-Krupp Polysius de escala de laboratorio totalmente instrumentados y con alimentación forzada o a presión fueron utilizados para realizar las pruebas con rodillos de molienda de alta presión. Las unidades se configuraron con las condiciones de funcionamiento predeterminadas para una prueba específica. En primer lugar se fijó la presión hidráulica mediante el bombeo manual de aceite en los cilindros calibrados. Como segundo paso, se puso en marcha la máquina y se controlaron tanto la presión hidráulica como la de trabajo. Tercero, el equipo fue cargado con material que sería molido por el HPRM. El sistema de datos de adquisición determinará automáticamente la fuerza de molienda cero, el tiempo de prueba (requerido por el material para pasar a través de los rodillos), la presión de trabajo, la fuerza, la potencia en el eje y la energía específica suministrada. 

El grosor de las escamas producidas después de moler las muestras de eolitos (pebbles) de fosfato se determinó manualmente utilizando un micrómetro. A continuación se registró un promedio de las medidas de cinco escamas. El grosor de las escamas y el peso y contenido de humedad de las muestras se introdujeron manualmente en el ordenador del HPGR para que el programa procesara e imprimiera la información correspondiente a cada prueba. Las muestras molidas se pesaron, secaron y se sometieron a análisis de mallas valoradas. 

En el caso de los minerales con alto contenido de dolomita de Florida, las muestras seleccionadas fueron enviadas para un análisis mineralógico. Para los minerales australianos, la máquina Krupp Polysius utilizaba rodillos de revestimiento corrugado de 70 mm de ancho y 30 mm Φ; mientras que los HPGR usados para el mineral con alto contenido de dolomita de Florida estaban equipados con rodillos de superficie lisa. Se utilizaron dos velocidades de rodillo, a 0.33 m/s y 0.77 m/s de velocidad perimetral a 40, 50 y 70 bar de presión equivalente a 80 MPa, 120 MPa y 150 MPa de presión aplicada en la cámara de molienda.

Para comparar tanto las características de liberación como el consumo de energía del HPRM con las obtenidas mediante métodos de molienda convencionales para los minerales de fosfato de alto contenido de dolomita de Florida, se realizaron pruebas de molienda en molinos de barras utilizando revestimiento de caucho de 197 mm x 229 mm (7.75" x 9") en el laboratorio metalúrgico de Fipri. 

El criterio utilizado para controlar las pruebas del molino de barras se basó en la obtención de un producto 100% menor a 3.66 mm (malla 6). Se prepararon diez muestras de un kilogramo (base seca) a un tamaño nominal de menos 6.35 mm (¼ pulgadas) para cada mina. Estas muestras se cargaron en el molino de barras con un contenido de sólidos del 50% y se molieron durante un tiempo preestablecido. En las pruebas de molienda, se midieron tanto el voltaje como el amperaje para determinar la energía específica consumida. Después de la molienda, el molino de barras fue cuidadosamente descargado sobre una criba de malla 6 y ambas fracciones de tamaño de malla más y menos 6 fueron recuperadas, secadas y pesadas. El porcentaje de malla menos 6 se determinó en función del tiempo. Una vez que el producto molido alcanzó la malla menos 6 al 100%, la muestra fue secada, pesada, dividida y sometida a análisis de mallas valoradas y mineralógicas.

Las pruebas de flotación solo se realizaron en las muestras molidas mediante HPRM de la Mina IV, ya que se obtuvieron productos comerciales para las otras minas, con leyes de MgO inferiores al 1%. No se hizo ningún esfuerzo para deprimir selectivamente la dolomita durante las pruebas de flotación, que se enfocaron en explorar los efectos de aplicar el proceso de flotación Crago. Se pensó que las partículas molidas por HPGR contenían estrés residual y micro fracturas que podían ser liberadas mediante el tamizaje, clasificación y el restregado. 

La muestra fue tamizada a eolitos (pebbles) de malla +14 (1.19 mm), malla 14x35 (1.19x0.420 mm), malla 35x150 (0.420x0.105 mm) malla 150x400 (0.105x0.037 mm), y fracciones de tamaño de malla menos 400 (menos 0.037-mm). Se secó y analizó la fracción de tamaño de malla menos 400. El procedimiento experimental para cada fracción de tamaño incluía un paso de restregado, excepto para el material de malla +14. El acondicionamiento de los ácidos grasos para cada fracción de tamaño se realizó con un contenido de 75% del peso de sólidos durante 1.5 minutos, y la flotación se llevó a cabo con un 25% del peso de sólidos. 

La fracción de tamaño de malla 150x400 se sometió a flotación con un 10% del peso de sólidos. La flotación con aminas se realizó después de un restregado ácido y un enjuague de los concentrados rougher. Los relaves de la flotación rougher y de limpieza se combinaron y analizaron juntos. De este modo, se produjo un concentrado final y se combinaron los relaves para cada fracción de tamaño.

Resultados y discusión

Estudios de caracterización

En la Tabla 1 se resumen los resultados de los estudios de caracterización de todas las muestras, que revelaron que tanto las muestras de eolitos (pebbles) de Florida como los minerales de fosfato australianos eran representativos de diferentes tipos de eolitos (pebbles) de fosfato con alto contenido de dolomita y de minerales de fosfato sedimentario australianos con alto contenido de arcilla (kaolinita), respectivamente.

Las muestras exhiben un d50 (definido como tamaño medio de las partículas) de 1.63 mm para la Mina I, 1.936 mm para la Mina II, 1.720 mm para la Mina III y 1.371 mm para la Mina IV de los eolitos (pebbles) de Florida. Los minerales de fosfato australianos muestran un d50 de 0.150 mm y 1.690 mm para los minerales de fosfato con ultra alto contenido de arcilla y alto contenido de arcilla, respectivamente. Los análisis químicos de estos eolitos (pebbles) con alto contenido de dolomita representan el 99% de las especies minerales de la Mina I, el 96% de la Mina II, el 98% de la Mina III y la Mina IV. Los valores de MgO fueron de 0.69%, 1.53%, 3.15% y 1.64% para las Minas I a IV, respectivamente. Los análisis químicos de los minerales australianos representan el 99% del peso de las especies minerales, con un 11.87% de Al2O3 para el mineral con ultra alto contenido de arcilla y un 4.10% de Al2O3 para el mineral con alto contenido de arcilla.

Modelo de PerUsa EnviroMet, Inc. - Pruebas Instron

Las pruebas del precursor Instron tenían por objeto determinar, a pequeña escala, si se produce una molienda selectiva de dolomita. Por lo tanto, se llevaron a cabo solo en los eolitos (pebbles) de fosfato con alto contenido de dolomita de Florida. Los resultados de las pruebas Instron proporcionaron información sobre la energía absorbida por los eolitos (pebbles) de fosfato, el comportamiento mecánico (pruebas de relajación) de los materiales, el efecto de la compresión en la distribución del tamaño de las partículas (PSD) y las distribuciones de P2O5 en cada fracción de tamaño. 

La Tabla 2 muestra un resumen de los resultados de las pruebas Instron, que seguidas de un cribado a 0.105 mm (malla 150) mostraron que era posible moler selectivamente la dolomita de cada una de las cuatro minas de Florida. En la Mina I, se obtuvo un producto de 22.9% de P2O5 y 0.53% de MgO rechazando el 41% del MgO y recuperando el 88% del P2O5. En el caso de la Mina II, se obtuvo un producto de 26.3% de P2O5 y 0.80% de MgO, rechazando el 52% del MgO y recuperando el 85% del P2O5. En la Mina III, se obtuvo un producto de 22.2% de P2O5 y 0.75% de MgO, rechazando un 82% de MgO y recuperando un 87% de P2O5. En la Mina IV se obtuvo un producto de 24.9% de P2O5 y 1.08% de MgO, mientras que se rechazó el 45% del MgO y se recuperó el 83% del P2O5. Estos resultados correspondieron a una muestra de material de rechazo de una planta de tratamiento de eolitos (pebbles) de medios densos de esta mina.

La energía total absorbida por la muestra durante la molienda (Em) fue calculada en base al modelo desarrollado por PerUsa EnviroMet, Inc., el cual relacionaba la energía absorbida por la muestra con la presión aplicada. Estas energías fueron: 0.405 KWh/tonelada para la Mina I, 0.724 KWh/tonelada para la Mina II, 0.692 KWh/tonelada para la Mina III y 0.818 KWh/tonelada para la Mina IV. Las pruebas de relajación (realizadas para determinar el efecto del tiempo sobre el esfuerzo del material) indicaron que las cuatro muestras eran aptas para la conminución bajo compresión, siendo su comportamiento mecánico elástico-plástico.

La Tabla 2 muestra el d50 para la PSD de los productos obtenidos para las mejores pruebas realizadas en base al rechazo de MgO y la recuperación de P2O5. El d50 de la PSD obtenida para diferentes presiones aplicadas disminuye a medida que la presión aumenta. 

En la Figura 1 se muestran los finos acumulados (t10) producidos por la molienda de los eolitos (pebbles) de fosfato con alto contenido de dolomita de las cuatro minas en función de la presión aplicada. Los finos acumulados (t10) se definen como el porcentaje de partículas más finas que 1/10 del tamaño de d50 de la alimentación a la prueba Instron[27]. Aunque los t10 se obtienen a partir de pruebas realizadas en una cama de partículas confinada donde la producción de finos está limitada por el espacio interparticular, este parámetro de conminución da información que permite acceder a la resistencia de la roca, que puede relacionarse con la energía específica de conminución, y predecir el comportamiento de esta. Por tanto, la Figura 1 resume el efecto de la presión aplicada en cada una de las cuatro muestras de mina analizadas, presentando la cantidad de finos producidos. 

A partir de esta figura, es posible inferir con prudencia que la Mina IV es el eolito (pebble) de fosfato más duro (menos fino producido), lo cual era de esperarse ya que esta muestra es un rechazo de una planta de medios densos, seguida por la Mina II y la Mina I. La Mina III es el eolito (pebble) de fosfato más blando de todos. Por lo general, los t10 son del 10% al 30% en una chancadora, y del 20% al 50% en un molino rotatorio de tambor. Sin embargo, en las pruebas Instron se obtienen valores de t10 entre el 18% y el 37%, que corresponden a porcentajes entre una chancadora y un molino rotatorio de tambor. Dado que las pruebas Instron se realizan en una cámara confinada, se espera que los productos de las pruebas HPGR (HPRM) muestren un mayor porcentaje de t10 porque la zona de ruptura puede considerarse una cama de partículas pseudo-confinada.

El objetivo principal de las pruebas Instron era determinar la posibilidad de liberar dolomita de los eolitos (pebbles) de fosfato mediante la molienda selectiva de dolomita en una cama de partículas en el que la conminución interpartículas ocurre. Para ello, se pesaron y analizaron las fracciones de tamaño de malla +150 y -150 de cada prueba por P2O5 y MgO, con el fin de determinar la distribución de los valores del conjunto de pruebas Instron realizadas para cada mina. Como ejemplo, en la Figura 2 se muestra la curva de distribución para la Mina III, y se presenta la recuperación de P2O5 y el rechazo de MgO en función de la presión aplicada. Para esta mina, se muestra que el rechazo de MgO no aumenta significativamente por encima de 100 MPa. Esto indica que los eolitos (pebbles) de fosfato comienzan a ser molidos en este punto junto con la dolomita. Por lo tanto, se esperaría que un aumento adicional de la presión aplicada redujera la selectividad del proceso de conminución y la recuperación del P2O5. Las pruebas Instron demostraron que la molienda selectiva de la dolomita a partir de los eolitos (pebbles) de fosfato se produce en una cama de partículas. Fueron obtenidos productos comerciales con MgO inferior al 1%, rechazos superiores al 46% y recuperaciones de P2O5 por encima al 75%.

Pruebas de molienda de alta presión

En el caso de los eolitos (pebbles) con alto contenido de dolomita de Florida, las pruebas de HPGR (HPRM) se basaron en la información obtenida mediante las pruebas Instron y confirmaron los resultados del precursor Instron. Las pruebas HPGR se realizaron en una unidad de escala de laboratorio de 5 tph a presiones de 90 a 200 MPa. Los HPRM tenían como objetivo determinar el consumo de energía específica, la eficiencia energética de la molienda y las distribuciones de P2O5 y MgO para demostrar la molienda selectiva de la dolomita. 

La Tabla 3 muestra los resultados del HPRM a las presiones aplicadas que mostraron la mejor selectividad para cada mina de Florida. En general, la prueba de HPGR produjo productos más finos que la prueba Instron; cada una de las cuatro minas t10 estuvo entre el 34% y el 48%, y más cerca de los valores correspondientes a los molinos rotatorios de tambor[27]. De forma similar a los resultados de las pruebas Instron, un aumento en la presión aplicada dio lugar a una disminución en el d50 de la PSD del producto molido de cada mina. Sin embargo, la pendiente de las curvas de PSD no cambia al aumentar la presión aplicada. La presión de molienda y la correspondiente finura del producto se muestran a continuación para cada una de las muestras de eolitos (pebbles):

ν Mina I - 119 MPa produjo un d50 de 0.260 mm.

ν Mina II - 144 MPa produjo un d50 de 0.310 mm.

ν Mina III - 118 MPa produjo un d50 de 0.210 mm.

ν Mina IV - 139 MPa produjo un d50 de 0.300 mm.

La energía consumida para moler estas muestras de eolitos (pebbles) de fosfato en un HPRM fue de 4.19 KWh/tonelada para la Mina I, 4.03 KWh/tonelada para la Mina II, 6.69 KWh/tonelada para la Mina III y 4.15 KWh/tonelada para la Mina IV. Utilizando el modelo desarrollado, fue posible calcular la energía absorbida por las muestras de las cuatro minas. Dado que el HPRM está instrumentado para proporcionar tanto la presión aplicada como la energía específica utilizada por el molino, se calculó la eficiencia energética de la molienda (η) para las cuatro minas. 

La Tabla 3 muestra la η del 20% para la Mina I, la η del 24% para la Mina II, la η del 13% para la Mina III, y la η del 27% para la Mina IV. La menor eficiencia energética obtenida en el caso de la Mina III se relacionó con el deslizamiento de los rodillos (superficies lisas) debido al alto contenido de humedad en esta muestra. Estas eficiencias de molienda fueron de 1.3 a 3.5 veces más altas que las reportadas por Shönert, Fuerstenau y Vazquez-Favela, y Atkinson et al., para los molinos de molienda convencionales, que están entre el 1% y el 10%[14, 15, 16]. Esta tabla también mostró que tanto las leyes de los productos de P2O5 y MgO para los HPGR eran más altas que las obtenidas en las pruebas Instron para las cuatro muestras de la mina. Sin embargo, las leyes de MgO eran todavía inferiores al 1%, a excepción de la Mina IV, que era del 1.33%. 

Los análisis mineralógicos realizados en las muestras molidas de las cuatro minas mostraron que la dolomita está básicamente libre y liberada de francolita en todas las fracciones de tamaño, incluyendo las de la Mina IV. Sin embargo, la dureza relativa de la dolomita varió en cada una de las menas. Así, el porcentaje de dolomita en la fracción de tamaño de malla +200 (0.075-mm) variaba: 57% para la Mina IV en comparación con el 4% para la Mina I, el 38% para la Mina II y el 10% para la Mina III. Según estos resultados, una técnica de separación selectiva de la dolomita aumentaría la ley del P2O5 en la muestra de la Mina IV y reduciría significativamente la ley del MgO en el producto. Si no se hace un tratamiento posterior del eolito (pebble) con alto contenido de dolomita, es posible recuperar el 74% del P2O5, mientras se rechaza el 61% del MgO en la Mina I. En la Mina II, se recuperó el 82% del P2O5 y se rechazó el 62% del MgO. En la Mina III, se recuperó el 77% del P2O5, mientras que se rechazó el 83% del MgO; y en la Mina IV la recuperación del P2O5 fue del 80% con un rechazo del MgO del 46%.

En el caso de los minerales de fosfato australianos, se realizaron pruebas con ultra alto contenido de arcilla a 80 MPa de presión aplicada, y los resultados fueron relacionaron con el mineral de fosfato con alto contenido de arcilla mediante un modelo matemático. Al igual que en el caso de los eolitos (pebbles) con alto contenido de dolomita, se calcularon todos los parámetros y se presentaron en la Tabla 3. Claramente, la diferencia de resistencia a la compresión para las diferentes especies mineralógicas, apatita y kaolinita, resultó en la molienda selectiva de la kaolinita con respecto a la apatita. Aquí, el t10 fue del 32.5% para el material con ultra alto contenido de arcilla y del 41% para el mineral de fosfato con alto contenido de arcilla, similar a los que se obtienen en el caso de los eolitos (pebbles) de Florida. 

El mineral de fosfato con ultra alto contenido de arcilla, con una fracción de tamaño de malla +400 (0.037 mm), mostró un consumo energético muy bajo debido a la naturaleza blanda del mineral de kaolinita, 1.34 KWh/tonelada. A medida que la kaolinita disminuyó en el mineral de fosfato con alto contenido de arcilla en la fracción de tamaño de malla +400 (0.037-mm), el consumo de energía específica aumentó a 3.88 KWh/tonelada. La eficiencia energética de la molienda, η, fue de 27.9% y 22.82% para los minerales de fosfato australiano con ultra alto contenido de arcilla y con alto contenido de arcilla, respectivamente. 

Para los productos HPGR, se observó que el P2O5 aumentó en los productos de molienda de 6.25% a 8.33% para el mineral con ultra alto contenido de arcilla y de 20.80% a 22.82% en el mineral con alto contenido de arcilla. Sin embargo, la ley de Al2O3 se redujo significativamente del 11.87% al 6.90%, y del 4.10% al 2.28% para los minerales con ultra alto contenido de arcilla y los de alto contenido de arcilla, respectivamente. Estos resultaron en un 42.45% de recuperación de P2O5 y un 80.81% de rechazo de Al2O3 para el mineral de fosfato con ultra alto contenido de arcilla, y un 78.82% de recuperación de P2O5 y un 75.76% de rechazo de Al2O3 para el mineral de fosfato con alto contenido de arcilla.

Como ejemplo de la liberación de minerales de fosfato a partir de la dolomita o la kaolinita, la liberación de eolitos (pebbles) de fosfato a partir de la dolomita debido a la molienda selectiva de esta última se presenta en la Figura 3, que presenta las distribuciones de P2O5 y MgO para la muestra de fosfato de la Mina III molida en un HPGR (HPRM) a 118 MPa de presión aplicada. También se incluye la distribución de “tal como se recibió” (alimentación) para su comparación. Esta figura muestra la cantidad de P2O5 y MgO acumulado recuperado y, por diferencia con el 100%, la cantidad de P2O5 perdido y MgO rechazado para cualquier tamaño de partícula determinado. 

La Figura 3 también muestra que, sin molienda, las curvas de distribución para el P2O5 y el MgO tenían virtualmente la misma curva, por lo tanto, no es posible la separación en ninguna fracción de tamaño. Sin embargo, después de moler la muestra en un HPGR (HPRM), las curvas de distribución para el P2O5 y el MgO tenían curvas completamente diferentes, lo que indica una molienda selectiva de la dolomita con respecto a los eolitos (pebbles) de fosfato. Cuanto más amplia es la diferencia entre la posición de las curvas de distribución del P2O5 y el MgO, más fosfato se recupera y más MgO se rechaza. Dado que un cambio en la pendiente de las curvas de distribución aparece a unos 0.075 mm (malla 200), este tamaño de partícula se considera la malla de separación (MOS). En esta MOS, se recuperó el 77% del P2O5 y el 17% del MgO. La ley del MgO para este producto fue solo del 0.96%. Al igual que en el caso de los resultados Instron, un aumento de la presión aplicada por encima de un valor determinado para cada mina dio lugar a mayores pérdidas de P2O5 y a una menor selectividad de molienda.

Se realizaron pruebas de molienda húmeda controlada con un molino de barras para comparar con los resultados en un HPGR (HPRM) con respecto al consumo y eficiencia de energía, la liberación de dolomita y las distribuciones de P2O5 y MgO. En la Tabla 4, se resumen los resultados del molino de barras. Esta tabla mostró que los d50s obtenidos para las cuatro minas eran mayores que los reportados en las pruebas de HPGR (HPRM). Los d50s para las Minas I, II, III y IV fueron 0.390 mm, 0.470 mm, 0.297 mm y 0.430 mm, respectivamente. Además, el t10 para estos eolitos (pebbles) osciló entre el 23% y el 28%, que correspondió al valor más alto reportado en la literatura para las chancadoras (10%-30%), y a los valores más bajos reportados para los molinos rotatorios de tambor (20%-50%)[27]

El consumo de energía de la Mina I y III fue de 17.48 KWh/tonelada y 17.45 KWh/tonelada, respectivamente, mientras que el de la Mina II fue de 20.55 KWh/tonelada y el de la Mina IV de 14.46 KWh/tonelada. Aunque las eficiencias en el consumo de energía para la molienda de barras estaban entre las reportadas en la literatura (1-10%)[14, 15, 16], eran significativamente menores que las obtenidas con HPGR. La eficiencia energética de la molienda de las Minas I, II y III fue del 5%, mientras que la de la Mina IV fue del 8%. 

Como se muestra en la Tabla 4, las leyes de P2O5 para las cuatro minas fueron similares a las obtenidas al moler las muestras con HPRM. Sin embargo, no fue posible obtener una ley de MgO inferior al 1% para las Minas II, III y IV. La Mina I, que es un eolito (pebble) con bajo contenido de MgO, reporta un 0.56% de MgO después de la molienda en un molino de barras; mientras que 0.46% de MgO se reportó después de la molienda en un HPRM. Las recuperaciones de P2O5 fueron del 83% para la Mina I, 89% para la Mina II, 88% para la Mina III y 85% para la Mina IV; mientras que los rechazos de MgO fueron del 49% para la Mina I, 57% para la Mina II, 74% para la Mina III y 46% para la Mina IV. 

Los análisis mineralógicos de los productos molidos en molino de barras revelaron la presencia de granos angulares de francolita que indicaban que el mecanismo de molienda del molino de barras no era selectivo, puesto que tanto la francolita como la dolomita se molían al mismo ritmo. Este mecanismo de molienda para el molino de barras se basaba en el tamaño de partícula más que en la resistencia de la misma, lo que hace que el proceso no sea selectivo.

Para comparar los resultados del molino de barras con los obtenidos con el HPGR, es necesario estimar la distribución del tamaño de partículas de los productos para las cuatro minas al mismo d50 obtenido con el HPRM. Como promedio, los d50 de los productos del HPRM fueron 0.120 mm más pequeños que los de los productos del molino de barras. Para este propósito, la PSD fue estimada para cada mina asumiendo la naturaleza de autosimiltud y autoconservancia de la distribución de tamaños, después de normalizar la distribución de tamaños en función de sus correspondientes d50s[15, 16]. Las estimaciones de energía específica de molienda de las pruebas en molino de barras no fueron posibles; por lo tanto, no se modificó. Se trataba de una suposición arbitraria, ya que era bien sabido que un producto más fino requeriría más energía suministrada; por lo tanto, se subestimó la energía específica consumida por el molino de barras.

Como ejemplo, la Figura 4 muestra las distribuciones de tamaño del producto molido en HPGR a 118 MPa de presión aplicada y el producto molido en molino de barras para la Mina III. En esta figura se visualiza que la forma de la curva de distribución de tamaños del producto molido en molino de barras es similar a la del material de alimentación (autosimilitud), pero está desplazada hacia tamaños de partículas más finos. Demuestra claramente que la naturaleza autoconservancia del material sometido al molino de barras tiene lugar, y que se basa en la reducción de las partículas originales según su tamaño de forma aleatoria. Por lo tanto, para una energía suministrada dada, las partículas mayores de un tamaño determinado serán molidas independientemente de su composición mineralógica o su dureza relativa. En consecuencia, las fracciones de tamaño más grueso hasta 0.420 mm (punto de cruce entre las curvas de molienda de barras y HPGR a 118 MPa) se muelen preferentemente en un molino de barras debido a su mecanismo de molienda.

En tal sentido, la PSD de la alimentación al molino de barras controla la distribución de tamaños del producto. Las distribuciones de tamaño del HPGR de los productos molidos muestran una pendiente diferente, lo que indica un mecanismo completamente distinto. En primer lugar, las partículas más gruesas (más de 0.590 mm o malla 28) no se muelen de forma preferente; sin embargo, se producen más finos.

El mecanismo de ruptura interpartículas es responsable de este comportamiento. En una cama de partículas, la molienda depende de la resistencia del material, la fricción interna entre las partículas y en las superficies de la máquina, el tipo y tamaño de la distribución de tamaño del material de alimentación y el contenido de humedad en la superficie. La molienda en una cama de partículas es el mecanismo más selectivo y eficiente en cuanto a energía. Por lo tanto, los agregados blandos de dolomita de grano fino son sometidos a una tensión particularmente intensa, mientras que los eolitos (pebbles) de fosfato duros son sometidos a una tensión menor. Aparentemente, las superficies recién formadas siguen los límites de los granos entre los diferentes constituyentes cristalinos del material de alimentación[23, 24]. Por lo tanto, la dolomita más blanda se rompe de forma selectiva, y produce cantidades significativas de finos (partículas primarias de alrededor de 0.020 mm), mientras que los eolitos (pebbles) de francolita más duros y gruesos que se incrustan en el material fino durante la molienda HPGR se conservan.

En la Tabla 5 se comparan las pruebas de molienda HPGR y de barras para las cuatro minas de los eolitos (pebbles) de fosfato con alto contenido de dolomita utilizando el mismo d50, así como los minerales de fosfato australianos con ultra alto contenido de arcilla y alto contenido de arcilla con el procedimiento estándar de preparación por chancado-restregado por atrición. En el caso de los eolitos (pebbles) de fosfato con alto contenido de dolomita. Esta tabla muestra que para todos los productos de HPGR más 0.075-mm (malla +200), el MgO es inferior al 1% y menor que los obtenidos en las pruebas de molinos de barras. Con respecto al consumo de energía, el HPGR utilizó 0.24 de la energía consumida por el molino de barras para la Mina I, 0.20 para la Mina II, 0.38 para la Mina III y 0.53 para la Mina IV. Resultados similares fueron reportados por Fuerstenau y Vazquez-Favela en el caso de la dolomita pura. 

Esta tabla también muestra que el HPRM puede recuperar un 1% más de P2O5 para la Mina I, 17% para la Mina II, 10% para la Mina III, y 16% más para la Mina IV al mismo d50; y puede rechazar un 7% más de MgO para la Mina I, 0.4% más para la Mina II, y 5% más para la Mina III. En el caso de la Mina IV, el rechazo de MgO es 11% menor con HPRM que con el molino de barras, pero es superado por una mejor recuperación de P2O5. En este caso, el índice de pérdida de P2O5 es menor que el índice de incremento de rechazo de MgO para el HPGR en comparación con el molino de barras.

En el caso de los fosfatos australianos, los minerales con alto contenido de arcilla y con ultra alto contenido de arcilla se sometieron a un restregado por atrición como técnica de separación; el mineral con alto contenido de arcilla se sometió a una conminución convencional (estándar) a menos de 2 mm utilizando una chancadora de rodillos. Esta conminución convencional fue sustituida por la molienda HPGR en el caso del mineral con ultra alto contenido de arcilla, a partir de un material de tamaño de partícula nominal de 9 mm, calculándose los resultados del HPGR en el mineral con alto contenido de fosfato utilizando un modelo matemático de PerUsa EnviroMet, Inc. basado en los resultados obtenidos del mineral con ultra alto contenido de fosfato. 

Como en el caso de los eolitos (pebbles) de Florida, el uso del HPGR dio como resultado un menor consumo de energía, 4.38 KWh/tonelada en lugar de 5.90 KWh/tonelada usando el sistema convencional de chancado y restregado por atrición. Además, la ley de P2O5 aumentó de un 20.8% usando el proceso estándar a un 21.11% utilizando HPGR, y la recuperación de P2O5 aumentó de un 63.45% de P2O5 usando el proceso estándar a un 73.20% de P2O5 usando HPGR. La ley de Al2O3 correspondiente en el producto disminuye del 2.14% obtenido mediante el proceso estándar a 1.98% mediante HPGR; el rechazo de Al2O3 aumenta de 69.82% con el proceso estándar a 83.61% con HPGR. Por lo tanto, un aumento de alrededor del 9.75% en la recuperación de P2O5 con un aumento del 13.79% de rechazo de Al2O3.

Los resultados de las pruebas de flotación solo se realizaron en la Mina IV de la muestra de eolitos (pebbles) de fosfato de Florida, ya que era la más difícil de procesar, al ser los rechazos de una planta de medios densos. Estas pruebas tenían por objeto investigar la respuesta del material molido mediante HPGR (HPRM) al proceso Crago, para que pudiera utilizarse directamente en el proceso de flotación convencional utilizado en Florida. En estas pruebas, no se hizo ningún esfuerzo por deprimir la dolomita durante la flotación, o hacer flotar selectivamente la dolomita a partir de los eolitos (pebbles) de fosfato molidos utilizando HPGR. 

Hay que tener en cuenta que, en caso de utilizar la flotación para rechazar los carbonatos, normalmente se utiliza la molienda fina (producto de -0.075 mm o malla -200) con un deslamado a unos 0.040 mm. Por lo tanto, el uso de un HPGR en combinación con un molino de barras permitiría un importante ahorro de energía. Además, se esperaba una reducción significativa en las pérdidas de P2O5 por las operaciones de la unidad de deslamado. Con el fin de comparar las considerables ventajas del uso de HPGR, el material molido con HPGR debe someterse a flotación utilizando la tecnología de flotación de la dolomita, deslamando a 0.040 mm, y realizando la molienda del material con HPGR + molino de barras antes de la flotación de la dolomita; de nuevo, deslamar a 0.040 mm tanto los eolitos (pebbles) como los minerales de fosfato con alto contenido de dolomita.

La Tabla 6 presenta los resultados de las pruebas de flotación, que indicaban que el simple restregado de cada fracción de tamaño era suficiente para obtener un producto que contenga un 24% de P2O5 y un 1% de MgO, con una recuperación del 74% de P2O5 y un rechazo del 69% de MgO. Sin la fracción de tamaño de malla +14 en este producto, ya que no fue restregado, el producto analizaría el 0.83% de MgO. Se pensó que la mejora adicional por medio del restregado provenía del estrés residual y las microfracturas producidas por la molienda en un HPRM[15]. La flotación de estas fracciones de tamaño combinada con el material de malla +14 produjo concentrados con un promedio de 28% de P2O5, una recuperación general de 69% de P2O5 y un rechazo de 68% de MgO del eolito (pebble) original alimentado; mientras que el concentrado de flotación de malla 14x400 analizó 31.16% de P2O5 y 1.08% de MgO.

Resumen y conclusiones

1. Los estudios de caracterización mostraron que las muestras de eolitos (pebbles) de las cuatro minas de Florida y las muestras de mineral de fosfato de Australia eran representativas de los diferentes tipos de eolitos (pebbles) de fosfato de alto contenido de dolomita y de los minerales de fosfato encontrados en Australia, respectivamente.

2. Las pruebas con precursores Instron y las pruebas HPGR (HPRM) a escala de laboratorio demostraron que se produce una molienda selectiva de la dolomita, liberando la dolomita de la francolita en las cuatro minas.

3. Las pruebas HPGR (HPRM) realizados en el modelo de ultra alto contenido de arcilla y de PerUsa aplicado a los minerales de fosfato de alto contenido de arcilla de Australia muestran que la molienda selectiva de Al2O3 con respecto a la apatita produce leyes más altas de P2O5 en el producto, rechazo de Al2O3 y recuperaciones de P2O5 con leyes más bajas de Al2O3 en el producto.

4. La molienda de HPGR es más selectiva y energéticamente eficiente que la molienda de barras de eolitos (pebbles) para las cuatro minas de Florida.

5. La molienda con HPGR es más selectiva y energéticamente eficiente que la conminución convencional (chancado) de los minerales de fosfato australianos, ambos seguidos de un restregado por atrición.

6. Las pruebas de flotación en la Mina IV utilizando HPGR muestran que una combinación de restregado y flotación puede producir un producto comercial empleando el proceso Crago aplicado actualmente a los minerales de fosfato de Florida.

Referencias

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