Procesamiento de minerales: cómo la mena se vuelve materia prima

El procesamiento de minerales (o beneficio) es el conjunto de operaciones que transforma la mena en bruto, recién salida de la mina, en un producto que la industria puede usar. Rompe la roca, separa el mineral de interés del resto y elimina el agua, sin cambiar la identidad química de los minerales. Es el eslabón entre la explotación y la metalurgia o la industria química.

En resumen

• El procesamiento cambia el tamaño de las partículas y la concentración del mineral de interés, sin transformarlo químicamente.
• Las etapas principales son la conminución (chancado y molienda), la clasificación, la concentración y el desaguado.
• El resultado es un concentrado, rico en el mineral útil, y unos relaves, que necesitan un destino seguro.
• Dos números miden el éxito: la ley del concentrado y la recuperación del mineral.
• En Brasil, el mineral de hierro de Carajás (en el estado de Pará) casi solo se chanca y se harnea; el itabirito de Minas Gerais necesita concentrarse.

Qué es el procesamiento de minerales

Según el Centro de Tecnología Mineral (CETEM, un centro de investigación federal de Brasil), el beneficio, o tratamiento de minerales, son operaciones que modifican la granulometría (el tamaño de los granos), la concentración relativa de los minerales o su forma, sin modificar la identidad química o física de los minerales.

El mineral que tiene valor es el mineral de mena; lo que viene junto y no se aprovecha es la ganga (consulta Mineral, mena y roca: cuál es la diferencia).

¿Por qué no usar la mena tal como sale de la mina? Porque muchas veces es demasiado pobre. El CETEM da un ejemplo: una mena de scheelita (mineral de tungsteno) con 0,35% de óxido de tungsteno no puede usarse directamente en la metalurgia. Después de concentrarse hasta cerca del 70%, sí.

Conminución: chancado y molienda

El mineral solo puede separarse cuando está liberado, es decir, cuando cada partícula tiene, idealmente, un único mineral. Para eso, la roca tiene que reducirse de tamaño. Este proceso se llama conminución y tiene dos fases:

• Chancado (trituración): rompe bloques que pueden tener cerca de 1.000 mm hasta fragmentos de unos 10 mm, según el CETEM. Se hace por etapas, con chancadoras de mandíbulas, giratorias o cónicas, entre otras.
• Molienda: es la última etapa de la fragmentación. En molinos cilíndricos que giran con barras o bolas de acero en su interior, las partículas se reducen por impacto, compresión, abrasión y fricción hasta el tamaño adecuado para la liberación. En general se hace en húmedo, lo que gasta menos energía y elimina el polvo.

Moler poco deja el mineral atrapado en la ganga y baja la recuperación. Moler demasiado gasta energía en vano y aumenta las pérdidas en la concentración. Por eso, según el CETEM, la regla es fragmentar solo lo estrictamente necesario.

Clasificación: harneros e hidrociclones

En el harneado (tamizado), las partículas se separan por su tamaño físico, sobre una malla. Para partículas muy finas, el harnero pierde eficiencia y entra la clasificación, que separa los granos por la velocidad con que se mueven en el agua.

El equipo más usado es el hidrociclón: la pulpa (agua con sólidos) entra a presión y gira; las partículas gruesas y densas salen por abajo, y las finas salen por arriba con la mayor parte del agua. En la molienda en circuito cerrado, la más común en la industria, la fracción gruesa vuelve al molino.

Concentración: separar lo que vale de lo que no vale

La concentración aprovecha alguna diferencia de propiedades entre el mineral de mena y la ganga. Los principales métodos:

Método	Diferencia aprovechada	Ejemplos de uso citados por el CETEM
Gravimétrica	Densidad, tamaño y forma, bajo la gravedad o la fuerza centrífuga	Jigs, mesas y espirales; los egipcios ya recuperaban así el oro aluvial
Magnética	Respuesta a un campo magnético (susceptibilidad magnética)	Mineral de hierro en Itabira (Minas Gerais); eliminación de hierro del caolín
Flotación	Afinidad de la superficie por el agua o por el aire	Minerales de hierro, fosfato, zinc, cobre
Electrostática	Conductividad y cargas eléctricas en la superficie	Ilmenita, rutilo, circón; exige material seco

La flotación merece un párrafo aparte, porque es la menos intuitiva. La pulpa recibe aire en forma de burbujas. Un reactivo llamado colector se fija en la superficie del mineral que se quiere separar y la vuelve hidrofóbica, es decir, reacia al agua. Esas partículas se adhieren a las burbujas, suben y quedan retenidas en una espuma, como la de la foto al inicio de esta página, que se separa del resto. Otro reactivo, el depresor, impide que el colector actúe sobre los minerales no deseados.

En el mineral de hierro brasileño, la lógica se invierte: la flotación catiónica inversa hace flotar la ganga de cuarzo, con aminas como colector, mientras que el almidón de maíz retiene los óxidos de hierro en el fondo. Separar elementos químicamente parecidos, como las tierras raras, ya exige procesos químicos, descritos en Cómo se separan las tierras raras.

Desaguado: quitar el agua

Como la concentración suele hacerse en húmedo, el concentrado sale empapado. El desaguado tiene dos equipos principales:

• Espesadores: grandes tanques donde los sólidos sedimentan por gravedad. El sólido espesado sale por el fondo, y el agua clarificada queda arriba y puede volver al proceso.
• Filtros: fuerzan el agua a atravesar un medio filtrante por diferencia de presión (al vacío o a presión), dejando una “torta” de sólidos más seca.

Ley y recuperación: un ejemplo con números

La ley es la concentración de lo que interesa, como el porcentaje de hierro. La recuperación es la fracción del mineral de interés de la alimentación que terminó en el concentrado. Se calcula así, como en el ejemplo del propio CETEM:

recuperación = (masa del concentrado × ley del concentrado) ÷ (masa de la alimentación × ley de la alimentación)

Un ejemplo hipotético, con números redondos: una planta recibe 100 toneladas de mena con 40% de hierro. Hay, por lo tanto, 40 toneladas de hierro en la alimentación. Produce 50 toneladas de concentrado con 64% de hierro.

• Hierro en el concentrado: 50 × 0,64 = 32 toneladas.
• Recuperación: 32 ÷ 40 = 80%.
• Relaves: 50 toneladas, con las 8 toneladas de hierro restantes, es decir, 16% de hierro.

La ley subió del 40% al 64%, pero el 20% del hierro se perdió en los relaves. Según el CETEM, por regla general, cuanto mayor es la ley del concentrado, menor es la recuperación. Mejorar ambas suele aumentar el costo, y la planta tiene que encontrar el equilibrio.

Los relaves: lo que sobra

Los relaves son la fracción de la mena sin valor económico que sale del procesamiento, a diferencia del estéril, que se descarta todavía en la mina. Después de los espesadores convencionales, según el CETEM, todavía tienen solo entre 40% y 50% de sólidos, es decir, son un lodo. Por eso se almacenan en presas o, cuando se filtran, en pilas. Los riesgos y las reglas están en Presas de relaves: qué son y por qué algunas son peligrosas, y los demás efectos sobre el suelo, el agua y el aire, en Impactos ambientales de la minería.

Agua y energía: cuánto consume el procesamiento

Energía. El CETEM reunió datos del Balance Energético Nacional de Brasil de 2007: la explotación y el procesamiento de minerales, sin contar la peletización, consumieron 8,44 TWh de electricidad, cerca del 2% del consumo eléctrico del país. El promedio fue de unos 7 kWh por tonelada de producto, con gran variación: de 2 a 3 kWh/t en la piedra chancada a cerca de 17 kWh/t en el mineral de hierro. La conminución representa cerca de la mitad del consumo eléctrico de una planta de procesamiento.

Agua. Según el mismo libro, de 2010, las grandes mineras brasileñas reciclaban cerca del 70% del agua de proceso, llegando al 90% en algunos casos. El espesamiento es justamente donde se recupera buena parte de esa agua.

Un ejemplo brasileño: Carajás e Itabira

Carajás (Pará, en el norte de Brasil). Según Vale, la ley de hierro allí ya supera el 64%, y el material solo se chanca y se harnea para separarlo por tamaño, sin concentración. La tendencia es hacerlo sin agua, en el llamado procesamiento con humedad natural: en 2019, 11 de las 17 líneas de la principal planta de Carajás ya eran en seco. Un diagrama de flujo de la planta de 2001, publicado por el CETEM, muestra tres etapas de chancado y varios harneros, que generan productos como granulado, sinter feed y pellet feed. En 2019, la empresa informó que, en el proyecto S11D, esta ruta reduce en un 93% el consumo de agua en comparación con un proyecto convencional.

Itabira y Minas Gerais (un estado del sudeste de Brasil). En el Cuadrilátero Ferrífero (Quadrilátero Ferrífero), la mena es el itabirito, una roca con bandas de óxidos de hierro y cuarzo. Según Vale, en 2019, la ley media en Minas Gerais era de cerca del 40% de hierro, y por eso necesita concentrarse en húmedo. Los relaves, básicamente sílice, van a presas. En Itabira, según el CETEM, Vale empezó a usar a inicios de los años 1970 separadores magnéticos de alta intensidad en húmedo, lo que hizo viable el aprovechamiento de los itabiritos, que hasta entonces no se consideraban mineral de hierro. Las plantas de Cauê y Conceição también aparecen en una lista de 2006, reproducida por el CETEM, de las principales plantas de flotación del país. Para reducir el uso de presas, Vale informó en 2019 que estudiaba invertir en el filtrado y apilamiento de los relaves.

El procesamiento es una de las seis etapas de la vida de una mina, descritas en Cómo funciona una mina: del descubrimiento al cierre.

Preguntas frecuentes

¿Qué es el procesamiento de minerales?

Es el conjunto de operaciones que prepara la mena para el uso industrial: reducir su tamaño, separar el mineral de interés de la ganga y quitar el agua. En general, no altera la composición química de los minerales.

¿Cuáles son las etapas del procesamiento?

Conminución (chancado y molienda), clasificación (harneros e hidrociclones), concentración (gravimétrica, magnética, flotación o electrostática), desaguado (espesamiento y filtrado) y disposición de los relaves.

¿Cuál es la diferencia entre ley y recuperación?

La ley es el porcentaje del elemento de interés en un material. La recuperación es la parte del elemento que entró en la planta y terminó en el concentrado. En general, cuando una sube, la otra tiende a bajar.

¿Qué es la flotación?

Es un método de concentración en el que burbujas de aire llevan a la superficie las partículas que se volvieron hidrofóbicas por acción de un reactivo, el colector. El mineral sale en la espuma, y el resto queda en la pulpa.