WO2009022895A1 - Proceso y reactor de flotación inversa y elutriación, asistido por agregación selectiva inducida por campos magnéticos uniformes o de gradiente lineal descendente para concentración de minerales magnéticos. - Google Patents

Proceso y reactor de flotación inversa y elutriación, asistido por agregación selectiva inducida por campos magnéticos uniformes o de gradiente lineal descendente para concentración de minerales magnéticos. Download PDF

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magnetic
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particles
flotation
reactor
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PCT/MX2008/000102
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Inventor
Yuri Nahmad Molinari
Alejandro LÓPEZ VALDIVIESO
Hugo Armando GARCÍA MARTÍNEZ
Shaoxian Song Hu
Armando Encinas Oropesa
Original Assignee
Yuri Nahmad Molinari
Lopez Valdivieso Alejandro
Garcia Martinez Hugo Armando
Shaoxian Song Hu
Armando Encinas Oropesa
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    • B03C—MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C1/00—Magnetic separation
    • B03C1/02—Magnetic separation acting directly on the substance being separated
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B03C2201/00—Details of magnetic or electrostatic separation
    • B03C2201/18—Magnetic separation whereby the particles are suspended in a liquid

Definitions

  • the present invention relates to the development of a magnetite ferrimagnetic mineral concentration system (Fe 3 O 4 ), by means of the combined principles of reverse flotation, elutriation, and the use of low intensity magnetic fields, up to 150 gauss, uniform or with a linear gradient in the downward vertical direction (or sedimentation of the particles), to induce selective and anisotropic aggregation of the magnetic particles; and thus, increase the sedimentation rate of magnetite particles, within an upward flow of water and air bubbles (wash water and flotation bubbles) that drag the bargain particles (quartz, alumino-silicates, iron sulphides , calcium carbonates), producing an iron concentrate with a higher grade of iron (Fe) and a lower grade of silica (SiO 2 ), sulfur (S), alumina (Al 2 O 3 ), calcium oxide ( CaO), among other unwanted elements that contaminate the iron concentrate.
  • a downward vertical magnetic field gradient can be created in the
  • the low intensity magnetic concentration is used for the treatment of iron ore ores containing magnetite, in order to produce a concentrate with a high degree of iron, through the elimination of non-magnetic minerals such as quartz, aluminosilicates , pyrite, calcium carbonate and magnesium carbonate, which are called bargain.
  • the equipment which is commonly used in this concentration process, is the rotary drum, which consists of a tub and a steel cylinder whose interior has a series of magnetic bars, for the creation of a low intensity magnetic field of up to 1,000-1,200 gauss. Between the cylinder and the tub there is a space called tub-drum where the pulp is introduced, which is a mixture composed of water and the iron ore that is processed.
  • this tub-drum space which is of the order of 5-10 cm, there is a magnetic field with a higher intensity value on the surface of the drum, than that of the surface of the tub; that is, in the tub-drum space, there is a magnetic field gradient.
  • the magnetite particles upon entering this tub-drum space, are magnetized and strongly attracted to the surface of the drum, forming an agglomerate of chains of magnetite particles, which is transported by the rotating drum from the bottom to the lip of the tub, where the material is stripped off the surface of the drum and collected as a product called iron concentrate.
  • Non-magnetic minerals are evicted along with pulp water, from the bottom of the tub, to be collected as a product called glues or waste.
  • wash water is added to the feed pulp.
  • This water is known as wash water and is used to decrease the percentage of solids in the tub-drum space.
  • wash water is used to decrease the percentage of solids in the tub-drum space.
  • the agglomeration of the magnetite particles on the drum is carried out in a medium of low concentration of bargain particles.
  • the use of wash water per ton of processed ore is excessive and the elimination of bargain particles has a very low efficiency during different stages of concentration, because the particles of bargain are trapped in the compact aggregates of magnetite that are produced with the use of this technology.
  • the magnetic drum seeks to optimize the values of the so-called competing forces by adjusting the geometric parameters of the separator, so that the spatial separation between the magnetic and non-magnetic minerals is maximum.
  • the competing forces acting on the particles are: hydrodynamic drag, buoyance, magnetic attraction, centrifuges and gravity. Therefore, to attract magnetic particles to the drum, a gradient magnetic field is required.
  • both the field value and that of its gradient must be high in most cases, in order to overcome hydrodynamic drag forces or the particle's own weight.
  • the initial value of the field to induce this selective aggregation must be low (60 Gauss) in order to avoid the formation of compact aggregates, that is, these field values allow the pulp to dilute upon entering the reactor and form aggregates. "one-dimensional" with lateral repulsion between them, thus avoiding the entrapment of bargain particles.
  • the injection of air bubbles in the process and reactor of reverse flotation and elutriation assisted by selective aggregation induced by uniform magnetic fields or of descending linear gradient for concentration of magnetic minerals, allows the particles of metal sulphides and silicates adhere to these and are transported to the tails, due to the contrast of hydrophobic properties of the surfaces of the magnetite particles and those of silicates and sulphides.
  • the bargain particles Being the hydrophilic magnetite and hydrophobic bargains, the bargain particles will be selectively adhered to the air bubbles and will be floated to the queue collector at an even faster rate than the hydrodynamic drag rate they would have by the flow of wash water to countercurrent, flow that by itself would be able to dislodge them from the reactor.
  • Mc Gaa ensures that elutriation is superior to flotation because he asserts that the use of flotation agents is undesirable since they must be removed from the process water before it is released.
  • This argument attempts to underline the advantages of its process over other traditional processes, but ignores the fact that the use of the two principles (reverse flotation and elutriation) combined and assisted by the selective aggregation of magnetic particles, leads to greater benefit and vestigial use of flotation agents.
  • the volume of air injected into the reactor allows, on the one hand, to reduce the consumption of washing water substantially and on the other, it allows to carry out a selective transport of the particles of bargain in the opposite direction to that of sedimentation (and magnetic drag by the descending gradient) of the magnetic aggregates, with the use of very few or no chemical flotation agents.
  • the reactor basically consists of five sections corresponding to the different stages of the process, which are: the pulp feed section (I), the tail collection section or, bargain minerals (II), the magnetic aggregation section of magnetite particles, sedimentation and magnetic dragging of aggregates , and phyotation-elutriation of bargains (III), the section of water injection and air bubbles in countercurrent (IV), and the collection section of iron concentrate and pulp thickening (V).
  • the reactor is constituted by a cylindrical body (1), with an observation window (2), surrounded by two or more coils in a Helmholtz type configuration (3), and which produce, already be a uniform magnetic field, or a field whose gradient is constant and oriented downwards in the three quarters of the interior of the cylindrical body that constitutes the aggregation region and where the floating-bargain processes of bargains take place (in the upward direction) and the sedimentation and magnetic (downward) dragging of the aggregates, due to the downward field gradient.
  • the maximum value of the magnetic field that is imposed on the material by means of these coils, either with a uniform field or with a linear gradient field, is 150 Gauss in the lower part of the reactor, while the minimum value corresponds to 60 Gauss in the upper part of the body.
  • the process itself is carried out, that is, the selective aggregation of the magnetic materials, which will form an arrangement of small chains of magnetite particles (aggregates) oriented vertically (typically between 2 and 5 centimeters in length and 200 microns wide, so we give them the qualification of "one-dimensional"), which are kept separated from each other by means of lateral dipolar repulsion.
  • the pulp is fed through a distributor (4), placed at the top of the entire system and from which several feeding tubes (5) emerge, which take the pulp into the cylindrical body below the lip of spillage of the tails and where the magnetic field already has an appreciable value.
  • the pulp feeds on 15 to 20 percent solids by weight.
  • the exit of the pulp through these feeding tubes is carried out in a horizontal direction in order to promote a better dispersion of the pulp in the entire reactor volume and thereby achieve the formation of the "one-dimensional" aggregates necessary to avoid entrapment of bargain particles.
  • perforated tubes or lances (6) are inserted, which carry a mixture of water and pressurized air and constitute the injection system for washing water and air for flotation (7).
  • This system is intended to supply water from washing and the air bubbles that will have an upward flow, with a speed such that the hydrodynamic drag force is capable of dragging the particles released from bargain or that they adhere to the air bubbles and float to Free surface and be removed through the queue collection section.
  • Air bubbles which may be injected to the independent or together with water countercurrent manner, collect iron sulfide minerals such as pyrite (FeS 2), pyrrhotite (Fei - x S) and marcasite (FeS), whose surfaces have been selectively hydrophobicized with chemical reagents called flotation collectors for metal sulphides.
  • These flotation collectors can be of the type of xanthates, dithiophosphates, dithiocarbamates, etc.
  • Air bubbles can also collect silica minerals such as silicates and quartz if flotation collectors are used for these minerals, which can be of the primary or secondary amines type. These collectors can be added to the pulp in the same equipment or before being fed to the equipment. The air bubbles transport the particles of metal sulphides and silicates, upwards, to the tail collection section and then be removed from the equipment.
  • the flotation principle is commonly used in processes in which it is desired to float the values, in contrast to what happens in the Process and reactor of reverse flotation and elutriation, assisted by selective aggregation induced by uniform or magnetic fields of downward linear gradient for concentration of magnetic minerals, in which it is the bargain particles that selectively adhere to the air bubbles for removal, hence the process and the reactor receive the nickname reverse flotation.
  • the cylindrical body of the reactor is crowned with a tray called the tailings collection section (8), where the washing water that carries the barges carried by the upward flow of water or by the bubbles to which it is collected is collected they have adhered the metal sulphides, silicates and other unwanted particles in the final concentrate.
  • a conical reservoir (9) is located and at its apex, the discharge pipe of the final concentrate.
  • the magnetite concentration process is carried out, here the particles have been partially disaggregated because the value of the magnetic field is almost nil in this region, and the pulp or concentrate acquires high density values due to at the high sedimentation rate of magnetite aggregates.
  • the pulp When the pulp enters the reactor body in the feed section, it does so in the presence of: a) a uniform magnetic field or with a linear gradient directed downwards and b) an upward flow of wash water and air bubbles for flotation. This results in the formation of aggregates of filarial structure, or chains of magnetic particles (exclusively).
  • the Process and reactor of reverse flotation and elutriation assisted by selective aggregation induced by uniform magnetic fields or of descending linear gradient for proposed magnetic mineral concentration, uses the principles of reverse flotation and elutriation assisted by magnetic forces to achieve elimination of bargains by hydrodynamic drag and selective adhesion to air bubbles and thus, benefit the magnetite concentrate significantly reducing the entrapment problems that occur with the use of permanent magnet magnetic fields.
  • FIG 3 shows schematically the magnetic aggregates (1), formed due to the imposition of the magnetic field whose direction and its gradient point in the downward direction, represented by the arrow (2).
  • the washing water whose upward flow is represented by the arrow (3), circulates between the floccules without being able to drag them due to their great weight and their elongated shape in the vertical direction.
  • the air bubbles (4) rise, to which the bargain particles (5) adhere due to their hydrophobic properties.
  • air-bargain complexes (6) are formed that float by themselves or are more easily dragged upwards by the washing water when having a specific effective weight less and a cross section greater than the particles released from isolated bargain.
  • the magnetic aggregates (1) descend very quickly due to their weight, shape and orientation, in addition to suffering a force of magnetic attraction due to the downward gradient of the external field in which they are immersed (2).

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Abstract

La presente invención se refiere a un nuevo proceso (y el reactor para su realización) para la eliminación de sulfiiros metálicos, silicatos y otras partículas de minerales no deseados (gangas) de los concentrados de magnetita de la industria extractiva del hierro. El Proceso y reactor de flotación inversa y elutriación, asistido por agregación selectiva inducida por campos magnéticos uniformes o de gradiente lineal descendente para concentración de minerales magnéticos, que se conforma de un tanque rodeado de bobinas en una configuración tipo Helmholtz, en el que se alimenta la pulpa desde la parte superior por medio de un distribuidor de pulpa, y el agua de lavado y el aire de flotación desde la parte inferior por medio de un sistema de lanzas horadadas y su respectivo sistema de distribución. En esta configuración, el agua de lavado y las burbujas de flotación que han arrastrado consigo la ganga (o colas del proceso) se derraman por la parte superior o colector de colas, en tanto que el mineral enriquecido (o concentrado final) se colecta desde el fondo del reactor (en la sección de colección del concentrado de hierro). El principio de funcionamiento de la presente invención, se basa en el incremento del contraste entre las tasas de sedimentación de los materiales magnéticos con respecto a la de los no magnéticos, al inducir, por medio de la aplicación de un campo magnético uniforme o de gradiente lineal descendente, la agregación selectiva (formación de agregados 'unidimensionales, orientados verticalmente) de las partículas magnéticas, lo que produce tasas de sedimentación de los agregados, dos o tres ordenes de magnitud superiores a la tasa de sedimentación de las partículas de ganga y a su vez, ejerce una fuerza de atracción magnética descendente sobre éstos agregados. Con esto, se permite el arrastre hidrodinámico y la flotación ascendente, exclusivamente de las partículas no-magnéticas o gangas (previamente hidrofobizadas con agentes de flotación), que serán eliminadas a través del colector de colas y el arrastre magnético descendente de los agregados magnéticos para su concentración. El objeto de la presente invención es el de proporcionar un proceso, realizable por medio del reactor propuesto en esta misma memoria, para el beneficio de minerales magnéticos, y que permita reducir el contenido de sulfuras metálicos, silicatos y otras gangas en los concentrados de magnetita para la producción de hierro.

Description

PROCESO Y REACTOR DE FLOTACIÓN INVERSA Y ELUTRIACIÓN, ASISTIDO
POR AGREGACIÓN SELECTIVA INDUCIDA POR CAMPOS MAGNÉTICOS
UNIFORMES O DE GRADIENTE LINEAL DESCENDENTE PARA
CONCENTRACIÓN DE MINERALES MAGNÉTICOS.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN.
Objeto de la invención
La presente invención se refiere al desarrollo de un sistema de concentración del mineral ferrimagnético magnetita (Fe3O4), por medio de los principios combinados de flotación inversa, elutriación, y el uso de campos magnéticos de baja intensidad, de hasta 150 gauss, uniformes o con un gradiente lineal en la dirección vertical descendente (o de sedimentación de las partículas), para inducir la agregación selectiva y anisotrópica de las partículas magnéticas; y así, incrementar la tasa de sedimentación de las partículas de magnetita, dentro de un flujo ascendente de agua y burbujas de aire (agua de lavado y burbujas de flotación) que arrastra las partículas de ganga (cuarzo, alumino-silicatos, sulfuras de hierro, carbonatos de calcio), produciéndose un concentrado de hierro con un grado más alto de hierro (Fe) y un grado más bajo de sílice (SiO2), azufre (S), alúmina (Al2O3), óxido de calcio (CaO), de entre otros elementos no deseados que contaminan al concentrado de hierro. Para aumentar aún más la tasa de sedimentación de las partículas de magnetita, en el equipo se puede crear un gradiente de campo magnético vertical descendente, que ejercerá una fuerza de atracción magnética descendente sobre los agregados y partículas de magnetita, procedimiento que también es objeto de la presente invención.
La tecnología que se pretende proteger (aparato y proceso), a través de la presente memoria descriptiva y la solicitud de patente que la acompaña, busca resolver el problema de eliminación de sílice, azufre y otros minerales no deseados en el concentrado de hierro de las industrias extractivas que explotan yacimientos de magnetita y otros minerales magnéticos en México y el mundo. El potencial de comercialización de la magnetita enriquecida por medio del proceso en cuestión (producto), hace que también reclamemos regalías sobre el producto así beneficiado en la presente patente. Ya que la eliminación de los compuestos de azufre, sílice y otros compuestos no deseables en el concentrado de hierro, repercute en la disminución de emisiones contaminantes (SO2), mejora la calidad física de los pelets de hierro que se obtienen del concentrado de magnetita y conlleva a importantes ahorros de energía durante la producción de hierro y acero, el proceso, aparato de separación magnética y el concentrado de hierro obtenido por medio de este proceso, son susceptibles de comercialización y por tanto, de reclamar para los inventores, la protección de la propiedad intelectual y los derechos de explotación de los mismos.
Antecedentes de la invención
La concentración magnética de baja intensidad, se emplea para el tratamiento de menas de mineral de hierro que contienen magnetita, con el fin de producir un concentrado con un alto grado de hierro, a través de la eliminación de minerales no magnéticos como el cuarzo, aluminosilicatos, pirita, carbonato de calcio y carbonato de magnesio, que se denominan ganga. El equipo, que comúnmente se emplea en este proceso de concentración, es el tambor rotatorio, que consiste de una tina y un cilindro de acero en cuyo interior se tiene una serie de barras magnéticas, para la creación de un campo magnético de baja intensidad de hasta 1,000- 1,200 gauss. Entre el cilindro y la tina se tiene un espacio denominado tina-tambor en donde se introduce la pulpa, que es una mezcla compuesta por agua y el mineral de hierro que se procesa. En este espacio tina-tambor, que es del orden de 5-10 cm, se tiene un campo magnético con un valor de intensidad más alto en la superficie del tambor, que el de la superficie de la tina; es decir, en el espacio tina-tambor, se tiene un gradiente de campo magnético. Las partículas de magnetita, al entrar en este espacio tina-tambor, son magnetizadas y fuertemente atraídas hacia la superficie del tambor, formando un aglomerado de cadenas de partículas de magnetita, el cual es transportado por el tambor rotatorio desde el fondo hasta el labio de la tina, en donde el material es desadherido de la superficie del tambor y colectado como un producto denominado concentrado de hierro. Los minerales no magnéticos son desalojados junto con agua de la pulpa, por la parte inferior de la tina, para ser colectados como un producto denominado colas ó residuos. Para que la eliminación de los minerales no magnéticos ó ganga sea más eficiente en el tambor magnético rotatorio, se añade agua a la pulpa de alimentación. A esta agua, se le conoce como agua de lavado y se usa para disminuir el porcentaje de sólidos en el espacio tina-tambor. Así, la aglomeración de las partículas de magnetita sobre el tambor se lleva a cabo en un medio de baja concentración de partículas de ganga. Sin embargo, el uso de agua de lavado por tonelada de mineral procesado es excesivo y la eliminación de partículas de ganga tiene una muy baja eficiencia durante las distintas etapas de concentración, debido a que las partículas de ganga quedan entrampadas en los agregados compactos de magnetita que se producen con el uso de esta tecnología.
En el tambor magnético, se busca optimizar los valores de las, así llamadas, fuerzas en competencia por medio del ajuste de los parámetros geométricos del separador, de tal modo que la separación espacial entre los minerales magnéticos y no magnéticos sea máxima. Las fuerzas en competencia que actúan sobre las partículas son: de arrastre hidrodinámico, buoyancia, atracción magnética, centrifugas y de gravedad. Por tanto, para atraer partículas magnéticas hacia el tambor, se requiere de un campo magnético con gradiente. Además, tanto el valor de campo como el de su gradiente deben ser elevados en la mayoría de los casos, para poder superar las fuerzas de arrastre hidrodinámico o el propio peso de las partículas.
Sin embargo, esta aproximación generalizada al problema de separación magnética, en la que se eligen campos intensos y gradientes altos, conlleva a la formación de agregados o flóculos muy compactos y de geometría cerrada, en los que quedan entrampadas partículas liberadas de ganga (materiales no magnéticos). Tal es el caso de los tambores rotatorios, en los que gran cantidad de partículas liberadas de ganga quedan entrampadas en los agregados de magnetita y son arrastradas hasta el concentrado final. Además, esta aproximación no permite eliminar eficazmente los sulfüros de hierro, entre los que destacan la pirrotita Fe1-xS y la pirita FeS2, responsables de la presencia de azufre en el concentrado de hierro. La presencia de sulfüros de hierro afecta de manera negativa las propiedades físicas del pellet, haciéndolo mas quebradizo y además, es causante de grandes emanaciones de dióxido de azufre a la atmósfera durante el proceso de quemado del pelet, que se lleva acabo a altas temperaturas, para la posterior obtención del hierro y el acero.
Los principios fundamentales del presente invento {Proceso y reactor de flotación inversa y elutriaciόn, asistido por agregación selectiva inducida por campos magnéticos uniformes o de gradiente lineal descendente para concentración de minerales magnéticos), son diametralmente opuestos a los utilizados en los tambores magnéticos rotatorios, procesos de uso corriente en la industria hoy en día. En la presente invención que se reclama, los campos magnéticos se imponen a la pulpa con el fin de reforzar selectivamente los efectos gravitacionales sobre las partículas magnéticas. Con lo cual, se producen aglomerados de partículas de magnetita lineales y abiertos; es decir, cadenas de partículas de magnetita separadas entre si por la repulsión dipolar entre ellas, quedando las partículas de ganga en el espacio entre estos agregados, evitándose así el entrampamiento de ganga. Además, se usa un flujo de agua de lavado y burbujas de aire en dirección ascendente con la finalidad de arrastrar las partículas no magnéticas liberadas hacia la superficie libre de la pulpa. Cabe mencionar, que el principio general de la elutriación solo aprovecha el contraste entre pesos específicos, tamaño y forma de las partículas que se pretenden separar por medio del flujo ascendente que se establece en el sistema (ver por ejemplo, Evenson, GB970643). En contraste, en el Proceso y reactor de flotación inversa y elutriación, asistido por agregación selectiva inducida por campos magnéticos uniformes o de gradiente lineal descendente para concentración de minerales magnéticos, se explota la posibilidad de hacer agregados selectivos de partículas (cambio en el tamaño), o cambio en la forma (también selectivo) y orientación de las partículas o agregados con el fin de reforzar los efectos gravitacionales selectivamente sobre estos agregados. Así, con la imposición de campos magnéticos, del orden de un centenar de Gauss, es posible formar agregados de magnetita en forma de aguja, cuya velocidad de sedimentación se incrementa de dos a tres órdenes de magnitud con respecto a las partículas de ganga, dependiendo del valor del gradiente de campo descendente que se imponga. El valor inicial del campo para inducir esta agregación selectiva debe ser bajo (60 Gauss) con el fin de evitar la formación de agregados compactos, es decir, estos valores del campo permiten que la pulpa se diluya al entrar al reactor y que se formen agregados "unidimensionales" con repulsión lateral entre ellos, evitando así el entrampamiento de partículas de ganga.
Por otra parte, la inyección de burbujas de aire en el Proceso y reactor de flotación inversa y elutriación, asistido por agregación selectiva inducida por campos magnéticos uniformes o de gradiente lineal descendente para concentración de minerales magnéticos, permite que las partículas de sulfuros metálicos y silicatos se adhieran a estas y sean transportadas hacia las colas, debido al contraste de propiedades hidrofóbicas de las superficies de las partículas de magnetita y de las de silicatos y sulfuros. Siendo la magnetita hidrofílica y las gangas hidrofóbicas, las partículas de ganga serán adheridas selectivamente a las burbujas de aire y serán flotadas hacia el colector de colas a una velocidad aún mayor a la velocidad de arrastre hidrodinámico que tendrían por el flujo de agua de lavado a contracorriente, flujo que por si solo sería capaz de desalojarlas del reactor. En este sentido, en el Proceso y reactor de flotación inversa y elutriación, asistido por agregación selectiva inducida por campos magnéticos uniformes o de gradiente lineal descendente para concentración de minerales magnéticos, se usa la adhesión selectiva de minerales a las burbujas para flotar las gangas y no los valores, tal y como ocurre en las celdas de flotación usuales, lo que se denomina flotación inversa. No obstante a que el aprovechamiento de la agregación magnética ha sido usado para incrementar el contraste entre las fuerzas en competencia de los agregados magnéticos con respecto a las partículas de ganga por otros autores (Uri, US380753; Gladkov, EP1524038, y Stafeev, US2005011813), los principios de flotación o flotación inversa, el uso de campos magnéticos uniformes o constantes para las coordenadas radial y angular, pero con un gradiente axial descendente, ni el uso de agentes de flotación, han sido reivindicados. Así, solamente el principio de elutriación ha sido usado en conjunción con el uso de campos magnéticos alternantes por Mc Gaa {US5,868,255), campos cuya producción es mucho más costosa debido a perdidas por calentamiento y que son incapaces de producir un arrastre neto de las partículas magnéticas o sus agregados. Además, Mc Gaa asegura que la elutriación es superior a la flotación pues asevera que el uso de agentes de flotación es indeseable ya que estos deberán ser removidos del agua de proceso antes de que esta sea liberada. Este argumento intenta subrayar las ventajas de su proceso sobre otros procesos tradicionales, pero soslaya el hecho de que el uso de los dos principios (flotación inversa y elutriación) combinados y asistidos por la agregación selectiva de partículas magnéticas, conlleva a un mayor beneficio y a un uso vestigial de agentes de flotación. Esto es, que el volumen de aire inyectado al reactor permite, por una parte disminuir el consumo de agua de lavado sustancialmente y por otra, permite llevar acabo un transporte selectivo de las partículas de ganga en dirección opuesta a la de sedimentación (y arrastre magnético por el gradiente descendente) de los agregados magnéticos, con el uso de muy pocos o nulos, agentes químicos de flotación.
Descripción general de la invención
Un esquema general del Proceso y reactor de flotación inversa y elutriación, asistido por agregación selectiva inducida por campos magnéticos uniformes o de gradiente lineal descendente para concentración de minerales magnéticos, se muestran en la figura 1. El reactor consta básicamente de cinco secciones correspondientes a las distintas etapas del proceso, que son: la sección de alimentación de la pulpa (I), la sección de colección de colas ó, minerales de ganga (II), la sección de agregación magnética de partículas de magnetita, sedimentación y arrastre magnético de agregados, y fíotación-elutriación de gangas (III), la sección de inyección de agua y burbujas de aire en contracorriente (IV), y la sección de colección de concentrado de hierro y espesamiento de la pulpa (V). Como puede apreciarse en la figura 2, eí reactor está constituido por un cuerpo cilindrico (1), con una ventana de observación (2), rodeado por dos o más bobinas en una configuración de tipo Helmholtz (3), y que producen, ya sea un campo magnético uniforme, o bien, un campo cuyo gradiente es constante y orientado hacia abajo en las tres cuartas partes superiores del interior del cuerpo cilindrico que constituye la región de agregación y en donde se llevan acabo los procesos de flotación-elutriación de gangas (en dirección ascendente) y la sedimentación y arrastre magnético (descendente) de los agregados, debido al gradiente de campo descendente. El valor máximo de campo magnético que se impone al material por medio de estas bobinas, ya sea con un campo uniforme o con un campo de gradiente lineal, es de 150 Gauss en la parte baja del reactor, en tanto que el valor mínimo corresponde a 60 Gauss en la parte superior del cuerpo del mismo. En esta región, se lleva acabo el proceso en si, esto es, la agregación selectiva de los materiales magnéticos, los que formarán un arreglo de pequeñas cadenas de partículas de magnetita (agregados) orientadas verticalmente (típicamente de entre 2 y 5 centímetros de longitud y 200 mieras de ancho, por lo que les damos el calificativo de "unidimensionales"), mismas que se mantienen separadas entre si por medio de la repulsión dipolar lateral. Así mismo, es principalmente en esta región en donde ocurre el lavado de estos agregados y la flotación de las gangas, por medio de un flujo de agua y burbujas de aire que fluyen ascendentemente. Parte del flujo ascendente de agua proviene de la misma pulpa, al ser desalojado de esta un volumen igual al volumen de aire inyectado más el volumen de agua en exceso debido al mismo proceso de concentración, ya que la pulpa ingresa con un 15 o 20% de sólidos y sale del reactor con un 30% de sólidos por peso.
La alimentación de la pulpa se hace por medio de un distribuidor (4), colocado en la parte superior de todo el sistema y del cual emergen varios tubos de alimentación (5), que llevan la pulpa al interior del cuerpo cilindrico por debajo del labio de derrame de las colas y en donde el campo magnético tiene ya un valor apreciable. La pulpa se alimenta del 15 al 20 por ciento de sólidos en peso. La salida de la pulpa a través de estos tubos de alimentación, se realiza en dirección horizontal con la finalidad de promover una mejor dispersión de la pulpa en todo el volumen del reactor y lograr con ello, la formación de los agregados "unidimensionales" necesarios para evitar el entrampamíento de partículas de ganga.
En la parte inferior del cuerpo del cilindro se insertan unos tubos o lanzas horadadas (6), que llevan una mezcla de agua y aire a presión y que constituyen el sistema de inyección de agua de lavado y aire para flotación (7). Este sistema tiene el objeto de suministrar el agua de lavado y las burbujas de aire que tendrán un flujo ascendente, con una velocidad tal que la fuerza de arrastre hidrodinámico, sea capaz de arrastrar consigo a las partículas liberadas de ganga o bien, que éstas se adhieran a las burbujas de aire y floten hasta la superficie libre y sean eliminadas a través de la sección de colección de colas. La agregación selectiva de partículas magnéticas en forma de pequeños filamentos o agujas magnéticas, cuyo peso es mucho mayor que el de las partículas no magnéticas y que mantienen un factor de forma (relativo a sus tasas sedimentación) semejante al de las partículas no agregadas, permite que solamente sean arrastradas las partículas no magnéticas por el flujo de agua de lavado.
Las burbujas de aire, que pueden ser inyectadas al sistema de manera independiente o junto con el agua en contracorriente, colectan minerales de sulfuros de hierro como la pirita (FeS2), pirrotita (Fei-xS) y marcasita (FeS), cuyas superficies han sido hidrofobizadas selectivamente con reactivos químicos denominados colectores de flotación para sulfuros metálicos. Estos colectores de flotación pueden ser del tipo de los xantatos, ditiofosfatos, ditiocarbamatos, etc. Las burbujas de aire pueden colectar además, minerales de sílice como los silicatos y cuarzo si se emplean colectores de flotación para estos minerales, los cuales pueden ser del tipo de las aminas primarias ó secundarias. Estos colectores se pueden añadir a la pulpa en el mismo equipo ó antes de ser alimentadas al equipo. Las burbujas de aire transportan las partículas de sulfuros metálicos y silicatos, de forma ascendente, hacia la sección de colección de colas para luego ser desalojadas del equipo.
Cabe mencionar, que el principio de flotación es comúnmente usado en procesos en los que se desea flotar los valores, en contraste con lo que ocurre en el Proceso y reactor de flotación inversa y elutriaciόn, asistido por agregación selectiva inducida por campos magnéticos uniformes o de gradiente lineal descendente para concentración de minerales magnéticos, en el que son las partículas de ganga las que se adhieren selectivamente a las burbujas de aire para su eliminación, de ahí que el proceso y el reactor reciban el apelativo de flotación inversa.
El cuerpo cilindrico del reactor, está coronado con una bandeja que se denomina sección de colección de colas (8), donde se colecta el agua de lavado que acarrea consigo las gangas arrastradas por el flujo ascendente de agua o por las burbujas a las que se han adherido los sulfuros metálicos, silicatos y otras partículas no deseadas en el concentrado final. S
Finalmente, en la parte inferior del reactor de flotación inversa y elutriaciόn, asistido por agregación selectiva inducida por campos magnéticos uniformes o de gradiente lineal descendente para concentración de minerales magnéticos se ubica un reservorio cónico (9) y en su vértice, la tubería de descarga del concentrado final. En esta sección del reactor, se lleva acabo el proceso de concentración de la magnetita, aquí las partículas se han desagregado parcialmente debido a que el valor del campo magnético es casi nulo en esta región, y la pulpa o concentrado adquiere altos valores de densidad debido a la gran velocidad de sedimentación de los agregados de magnetita. Para un buen control de la operación del Proceso y reactor de flotación inversa y elutriaciόn, asistido por agregación selectiva inducida por campos magnéticos uniformes o de gradiente lineal descendente para concentración de minerales magnéticos, es muy importante regular el nivel de la interfase de separación entre agregados de magnetita y colas. Esto se logra simplemente regulando el flujo de salida de Ia pulpa, por medio de una válvula cuya apertura es regulada proporcionalmente a los valores que proporciona un sensor de presión hidrostática ubicado en la sección de colección del concentrado.
En función de la apertura de esta válvula, el flujo de agua de lavado y la carga de alimentación de la pulpa, es posible ver el nivel de Ia interfase entre el mineral beneficiado (de color negro) y el agua de colas (de color marrón claro) a través de la ventana de observación del reactor. Esta interfase suele observarse en el espacio entre las bobinas media e inferior durante la operación óptima del reactor, trabajando a una capacidad de 25 toneladas por hora. Es muy importante hacer énfasis en que la construcción del reactor de flotación inversa y elutriaciόn, asistido por agregación selectiva inducida por campos magnéticos uniformes o de gradiente lineal descendente para concentración de minerales magnéticos, debe realizarse con materiales no magnetizables (acero inoxidable no magnético, plásticos, etc.), con el fin de mantener Ia uniformidad del campo y evitar la formación de gradientes indeseados.
El principio básico de operación de este Proceso y reactor de flotación inversa y elutriaciόn, asistido por agregación selectiva inducida por campos magnéticos uniformes o de gradiente lineal descendente para concentración de minerales magnéticos, es original y se describe a continuación:
Al ingresar la pulpa en el cuerpo del reactor en la sección de alimentación, lo hace en presencia de: a) un campo magnético uniforme o con un gradiente lineal dirigido hacia abajo y b) un flujo ascendente de agua de lavado y burbujas de aire para flotación. Esto resulta en la formación de agregados de estructura fílamentaria, o cadenas de partículas magnéticas (exclusivamente). Estas cadenas sufren, ya sea repulsión lateral, o atracción "cabeza con cola" con otras cadenas semejantes debido a la interacción dipolar magnética, es decir, que forman agregados "unidimensionales", siendo incapaces de formar agregados compactos (si el valor del campo es bajo y hay una buena dispersión de la pulpa) y por tanto, de entrampar partículas de ganga en su interior (esto es posible solo para un conjunto de valores apropiados de los parámetros de agua de lavado, fracción de sólidos en la pulpa e intensidad del campo magnético y su gradiente).
Al formarse los mencionados agregados filamentarios, su velocidad de sedimentación se incrementa con respecto a la velocidad de una partícula aislada de tamaño típico de la pulpa, proporcionalmente al número de partículas que forman dicho agregado. Esto es así, debido a que la fuerza de fricción viscosa crece linealmente con la sección transversal del agregado, pero esta sección transversal (perpendicular a la velocidad de sedimentación), permanece esencialmente constante al crecer el agregado. Gracias a esto, se logra incrementar la tasa de sedimentación de los agregados (constituidos exclusivamente de partículas magnéticas) cerca de dos órdenes de magnitud con respecto a la tasa de sedimentación de las partículas no magnéticas (las que no se hallan formando parte de un agregado). De este modo, dado que los mencionados procesos de sedimentación no se llevan acabo en un líquido quiescente, sino que se dan dentro de un flujo ascendente de agua de lavado y burbujas de aire, cuya velocidad se controla para ser superior a la máxima velocidad de sedimentación que pudiera adquirir una partícula de ganga, entonces la ganga es arrastrada hacia arriba, ya sea por arrastre del agua o por quedar adheridas a una burbuja de aire, en tanto que los agregados decantan y se concentran en el fondo del reactor, para de ahí, pasar a etapas o procesos subsecuentes.
Puesto que la fuerza de atracción magnética que se ejerce por un campo sobre un agregado, depende del producto, tanto del momento dipolar del agregado (proporcional a su tamaño y al valor del campo), como del valor local del campo por el valor de su gradiente, resulta claro que se puede asistir a la fuerza gravitacional con la imposición de un gradiente de campo magnético que apunte en la misma dirección que ésta. Así, imponiendo corrientes distintas en las tres bobinas, de tal forma que por la bobina inferior circule una corriente dos veces mayor que en la superior y que en la bobina intermedia circule una corriente con un valor igual al promedio de las corrientes que circulan por las otras dos, se logrará establecer un campo magnético que crece linealmente desde un cierto valor inicial H0 en la parte superior del reactor, hasta un valor final Hf del doble en la región inferior (Hf=2 H0). Con esto, se obtiene un gradiente de 2 H0/d, con d la distancia entre los centros de las bobinas superior e inferior, permitiendo incrementar al doble la fuerza vertical sobre el agregado y con ello, la velocidad de sedimentación de los agregados magnéticos.
Si además, se introducen burbujas de aire, entorno al 15% sobre volumen, en el agua de lavado y se dispersan agentes de flotación en la pulpa que favorezcan la adhesión selectiva de las partículas de ganga a las burbujas, entonces se puede incrementar sustancialmente la eliminación de sulfuros metálicos y silicatos, y simultáneamente reducir el gasto de agua de lavado. Esto es, el Proceso y reactor de flotación inversa y elutriaciόn, asistido por agregación selectiva inducida por campos magnéticos uniformes o de gradiente lineal descendente para concentración de minerales magnéticos propuesto, utiliza los principios de flotación inversa y elutriación asistidos por fuerzas magnéticas para lograr la eliminación de gangas por arrastre hidrodinámico y adhesión selectiva a las burbujas de aire y lograr así, beneficiar el concentrado de magnetita disminuyendo notablemente los problemas de entrampamiento que se producen con el uso de campos magnéticos de imanes permanentes.
En la figura 3 se muestran esquemáticamente los agregados magnéticos (1), formados debido a la imposición del campo magnético cuya dirección y la de su gradiente apuntan en la dirección descendente, representada por la flecha (2). El agua de lavado, cuyo flujo ascendente se representa por la flecha (3), circula entre los floculos sin ser capaz de arrastrarlos debido al gran peso de éstos y a su forma elongada en la dirección vertical. Junto con el agua de lavado, ascienden las burbujas de aire (4), a las que se adhieren las partículas de ganga (5) debido a sus propiedades hidrofóbicas. Una vez adheridas las partículas de ganga con superficies hidrofóbicas a las superficie de las burbujas de aire, se forman complejos de aire-ganga (6) que flotan por si mismos o bien, son mas fácilmente arrastrados hacia arriba por el agua de lavado al tener un peso específico efectivo menor y una sección transversal mayor que las partículas liberadas de ganga aisladas. Por el contrario, los agregados magnéticos (1) descienden muy rápidamente debido a su peso, forma y orientación, además de que sufren una fuerza de atracción magnética debido al gradiente descendente del campo externo en el que están inmersos (2). Con lo anterior, se logra optimizar el transporte diferenciado de las partículas de ganga y magnetita en direcciones opuestas y se logra su separación para beneficio del mineral.

Claims

REIVINDICACIONESHabiendo descrito suficientemente nuestra invención, consideramos como una novedad y por lo tanto reclamamos como de nuestra exclusiva propiedad, lo contenido en las siguientes cláusulas:
1. Proceso: Proceso y reactor de flotación inversa y elutriación, asistido por agregación selectiva inducida por campos magnéticos uniformes o de gradiente lineal descendente para concentración de minerales magnéticos, caracterizado por el principio de separación que incrementa el contraste entre las tasas de sedimentación de los materiales magnéticos con respecto a la de los no magnéticos, al inducir, por medio de la aplicación de un campo magnético uniforme o de gradiente lineal descendente, la agregación selectiva (formación de agregados lineales "unidimensionales", orientados verticalmente) de las partículas magnéticas, lo que produce tasas de sedimentación de los agregados, entre dos y tres ordenes de magnitud superiores a la tasa de sedimentación de las partículas de ganga y la atracción magnética descendente de los agregados. Con esto, se permite el arrastre hidrodinámico y la flotación ascendente, exclusivamente de las partículas no-magnéticas de sulfuras metálicos y silicatos, o gangas que serán eliminadas a través del colector de colas (flotación inversa) y el arrastre magnético de los agregados de magnetita en dirección descendente (debido a la imposición de un gradiente de campo magnético descendente) para su colección en la sección de concentración o colección del concentrado de minerales magnéticos. Este proceso es original, novedoso y comercializable, por lo que reclamamos su invención.
2. El proceso de flotación inversa asistido por campos magnéticos uniformes o de gradiente lineal descendente, que se caracteriza porque tal y como se reivindico en la cláusula 1, las burbujas de flotación se desplazan ascendentemente entre los agregados filamentarios de magnetita, encontrándose a su paso con las partículas de sulfuros metálicos, silicatos y otros elementos no deseados (previamente hidrofobizados con agentes de flotación), adhiriéndose a estos y transportándolos hacia la sección de colección de colas para su eliminación. Este proceso se caracteriza además, por el arrastre magnético de los agregados de magnetita en la misma dirección en que estos sedimentan, con lo que se logra asistir a las fuerzas gravitacionales para lograr enormes velocidades de sedimentación, al producir agregados con un factor de forma y orientación idóneas para este fin.
3. El proceso de elutriación asistido por campos magnéticos de gradiente lineal descendente, que se caracteriza porque tal y como se reivindico en la cláusula 1, incrementa el contraste entre las tasas de sedimentación de los materiales magnéticos con respecto a la de los no magnéticos, al inducir, por medio de la aplicación de un campo magnético de gradiente S lineal descendente, formación selectiva de agregados "unidimensionales", orientados verticalmente de partículas magnéticas, lo que produce tasas de sedimentación de los agregados, entre dos y tres ordenes de magnitud superiores a la tasa de sedimentación de las partículas de ganga y la atracción magnética descendente de éstos agregados. Con esto, se permite el arrastre hidrodinámico ascendente (elutriación), exclusivamente de las partículas0 no-magnéticas o gangas, que serán eliminadas a través del colector de colas y simultáneamente, el arrastre magnético de los agregados de magnetita en dirección descendente (debido a la imposición de un gradiente de campo magnético descendente) para su concentración en la sección colección del concentrado de hierro. 5
4. El proceso de espesamiento asistido por campos magnéticos uniformes o de gradiente lineal descendente, que se caracteriza porque tal y como se reivindico en la cláusula 1, la agregación de partículas magnéticas con el uso de campos magnéticos uniformes o de gradiente lineal descendente permite incrementar en dos o tres ordenes de magnitud, la velocidad de sedimentación de las partículas magnéticas, disminuyendo en ese mismo factor,0 los tiempos de residencia de la pulpa en el espesador.
5. Aparato: El Proceso y reactor de flotación inversa y elutriación, asistido por agregación selectiva inducida por campos magnéticos uniformes o de gradiente lineal descendente para concentración de minerales magnéticos, que se caracteriza en su5 realización, por un tanque rodeado de bobinas en una configuración tipo Helmholtz (sección de agregación), en el que se alimentan: la pulpa desde la parte superior por medio de un distribuidor de pulpa (sección de alimentación de pulpa), y el agua de lavado y las burbujas de aire para flotación desde la parte inferior por medio de un sistema de lanzas horadadas y su respectivo sistema de distribución (sección de inyección de agua de lavado y burbujas de aire0 para flotación en contracorriente). En esta configuración, el agua de lavado y las burbujas de aire que han arrastrado consigo la ganga (o colas del proceso) derrama por la parte superior (sección de colección de colas), en tanto que el mineral enriquecido, o concentrado final, se colecta desde el fondo del reactor de flotación inversa y elutriación (en la sección de colección del concentrado de hierro). Este aparato es original, novedoso y comercializable,5 por lo que reclamamos su invención.
6. Producto: La magnetita enriquecida mediante el Proceso y reactor de flotación inversa y elutriaciόn, asistido por agregación selectiva inducida por campos magnéticos uniformes o de gradiente lineal descendente para concentración de minerales magnéticos, puede obtenerse a partir de concentrados o yacimientos de baja ley y satisface los, cada vez mas restrictivos, requerimientos actuales de la industria del acero. En vista de la originalidad del aparato y del proceso enunciados en las reivindicaciones previas, la magnetita enriquecida gracias al uso del mencionado aparato o proceso es susceptible de comercializase con un valor agregado, por lo que reclamamos regalías sobre el producto así obtenido.
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