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ADios,mifamilia,profesores,compaerosdetrabajoyestudios,y
demscolaboradoresquienesmeapoyaron,orientaron,alentaron
yaconsejaronalafelizculminacindelpresenteestudio
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RESUMEN
En cumplimiento con el reglamento de Grados Acadmicos de Bachiller y Ttulo Profesional
de la Universidad Nacional de Ingeniera, Facultad de Ingeniera Geolgica, Minera y
Metalrgica, Escuela Profesional de Ingeniera Metalrgica, presento a consideracin de los
seores Ingenieros miembros del Jurado la Tesis de Grado titulada: ESTUDIO DE
PREFACTIBILIDAD PARA LA RECUPERACIN DE AGUA A PARTIR DE RELAVES DE
GRAN MINERA DE COBRE MEDIANTE LA TECNOLOGA DE RELAVES ESPESADOS
Tesis de grado, con la cual una vez aprobada, pretendo obtener el Ttulo Profesional de
Ingeniero Metalurgista.
El tema de produccin, manejo, transporte, disposicin y caracterizacin reolgica de
relaves espesados, es un tema poco tratado en la currcula de nuestra especialidad, pero
que resulta de vital importancia al optar por el espesamiento de relaves por encima de los
niveles convencionales como solucin tecnolgica ante problemas tales como: escasa
disponibilidad de agua para los procesos metalrgicos en zonas ridas, de inestabilidad de
presas por efectos de licuefaccin de relaves, de reducidos volmenes de almacenamiento
disponibles en presas de relaves, y ante problemas ambientales por la generacin de agua
cida, entre otros. Esta investigacin se centra en plantear una solucin al primer problema
mencionado, y pretende aportar una solucin a este vaco acadmico, otorgando as al
ingeniero de procesos, pautas en las metodologas disponibles para la caracterizacin
reolgica, as como en el dimensionamiento y diseo de sistemas de espesamiento y
transporte de pulpas espesadas.
Lima, Agosto del 2011
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TABLA DE CONTENIDO
SECCIN PGINA
NDICEDEFIGURAS.........................................................................................................VII
NDICEDETABLAS.............................................................................................................X
INTRODUCCION.................................................................................................................1
1.0 CONTEXTODELAPROBLEMATICA......................................................................3
1.1 reaenelqueseinscribelainvestigacin....................................................4
1.2 Niveldeinvestigacin....................................................................................4
1.3 Definicindelproblema.................................................................................5
1.4 Objetivosdelainvestigacin.........................................................................6
1.4.1 Objetivogeneral...............................................................................6
1.4.2 Objetivosespecficos........................................................................7
1.5 Justificacindelproyecto..............................................................................8
1.5.1 Justificacintcnica..........................................................................8
1.5.2 Justificacineconmica..................................................................10
1.5.3 Justificacinambientalysocial.......................................................12
1.6 Hiptesis......................................................................................................13
1.7 Alcancesylimitacionesdelestudio.............................................................13
1.7.1 Alcances..........................................................................................13
1.7.2 Exclusiones......................................................................................14
2.0 HISTORIADELATECNOLOGADEPASTAYRELAVESESPESADOS....................16
2.1 Disposicinsubterrnea(Rellenoenpasta)................................................18
2.2 Disposicinsuperficial.................................................................................19
2.3 Plantasenoperacin...................................................................................19
2.3.1 KidCreek.........................................................................................20
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2.3.2 LuckyFriday....................................................................................20
2.3.3 BulyanhuluGold..............................................................................20
2.3.4 AghDarreh......................................................................................22
2.3.5 CoalCreek.......................................................................................22
2.3.6 PeakMine.......................................................................................23
2.3.7 GoroNckel.....................................................................................23
2.3.8 CaraibaMineracao..........................................................................24
2.3.9 SanBartolom................................................................................24
2.4 ProyectosenSudamrica............................................................................24
2.4.1 ProyectodeampliacindelaconcentradoraToquepala/SouthernPerCopper(Per).........................................................................25
2.4.2 ProyectoToromocho/Chinalco(Per)..........................................25
2.4.3 ElBrocal/SociedadMineraElBrocalS.A.A.(Per)........................26
2.4.4 ProyectoConga/MineraYanacochaS.R.L(Per)..........................26
2.4.5 ProyectoEsperanza/GrupoAntofagastaMinerals(Chile)............27
3.0 MARCOTCNICOTERICO................................................................................28
3.1 Definicionesprevias.....................................................................................28
3.2 Reologa.......................................................................................................29
3.3 Viscosidad....................................................................................................30
3.3.1 Tiposdeviscosidad.........................................................................31
3.4 Clasificacindefluidos.................................................................................33
3.4.1 FluidosNewtonianos......................................................................36
3.4.2 FluidosNoNewtonianos.................................................................38
3.4.3 Fluidosviscoelsticos......................................................................47
3.5 Resistenciaalafluencia...............................................................................48
3.6 Metodologaparapruebasreolgicas.........................................................49
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3.6.1 Determinacindeviscosidad..........................................................49
3.6.2 Determinacindelaresistenciaalafluencia.................................52
3.6.3 AsentamientodeconoSlump......................................................55
3.6.4 Consideracionesparaeldiseo......................................................58
3.7 Coloides.Coagulacinyfloculacin.............................................................64
3.7.1 EstabilidadcoloidalTeoraDLVO.................................................64
3.7.2 Desestabilizacindesuspensiones.................................................73
3.8 Separacinslidolquido............................................................................77
3.8.1 Sedimentacinoespesamiento......................................................77
3.8.2 Leyesdelasedimentacin..............................................................77
3.9 Produccinderelavesaltamentedensificados...........................................78
3.9.1 Rangosdeespesamiento................................................................80
3.9.2 Tecnologasdeespesamiento.........................................................82
3.9.3 Espesadoresindustriales................................................................84
3.9.4 Evolucinhistricadelosespesadores..........................................88
3.9.5 Consideracionesparaeldimensionamientodeespesadores........90
3.9.6 Metodologasparaeldiseodeespesadores(ProcesoBatch)......92
3.9.7 Requerimientodetorque.............................................................103
3.9.8 Velocidaddelacajadeengranajes...............................................104
3.9.9 Motorelctrico.............................................................................104
3.9.10 Diseodeespesadoresporsimulacinmatemticaeinvestigacionesactuales...............................................................104
3.9.11 Parmetrosinvolucradosenunaoperacindeespesamiento....106
3.10 Transportehidrulicodeslidos...............................................................106
3.10.1 Velocidadcritica............................................................................107
3.10.2 Velocidaddeflujo.........................................................................110
-
3.10.3 Velocidaddetransicin................................................................110
3.10.4 Alturadinmicatotal....................................................................112
3.10.5 Factordecorreccindealturadinmicatotal..............................112
3.10.6 Prdidasporfriccinenpulpasespesadas...................................113
3.10.7 Seleccindetuberas.Espesormnimorequerido.......................114
3.10.8 Bombeo.........................................................................................118
4.0 PRUEBASDELABORATORIO.............................................................................120
4.1 Desarrollodepruebas................................................................................121
4.1.1 Caracterizacinderelaves............................................................121
4.1.2 Seleccindefloculante.................................................................122
4.1.3 Porcentajededilucinydosificacindefloculante....................125
4.1.4 Compactacin...............................................................................126
4.1.5 reaunitaria.................................................................................127
4.1.6 Resistenciaalafluenciavs.porcentajedeslidos.......................129
5.0 DIRECTRICESDELDISEO.................................................................................132
5.1 Espesamiento.............................................................................................133
5.2 EspesadoresdeltimaGeneracin...........................................................133
5.2.1 Outotec.........................................................................................136
5.2.2 FLSmidth.......................................................................................137
5.2.3 Delkor............................................................................................138
5.2.4 Alternativasparaelmontajedeespesadores..............................139
5.3 Reologa.....................................................................................................143
5.4 Disponibilidaddeaguafresca....................................................................143
6.0 ANLISISHIDRULICO......................................................................................144
6.1 Rangooperativo.........................................................................................144
6.2 Velocidadcrtica.........................................................................................145
-
6.3 Velocidaddetransicin..............................................................................146
6.4 TasasdeabrasinyrevestimientoenHDPE..............................................147
6.5 Prdidaporfriccin....................................................................................148
7.0 CRITERIOSDEDISEO......................................................................................149
7.1 Distribucinderelaves..............................................................................149
7.2 Espesadoresderelaves..............................................................................150
7.3 Sistemadeemergencia..............................................................................151
7.4 Floculacin.................................................................................................151
7.5 Tanquedealmacenamientoderelavesespesados...................................151
7.6 Bombeoderelavesespesados...................................................................152
7.7 Tanquedealmacenamientodeaguaderebose.......................................152
7.8 Bombeodeaguaderebose.......................................................................152
7.8.1 Bombasparadilucinyrecirculacin...........................................153
7.8.2 Bombasdeaguarecuperada........................................................153
8.0 INGENIERADELPROYECTO.............................................................................154
8.1 Descripcindelproceso.............................................................................154
8.2 Filosofadecontrol....................................................................................154
8.3 DiagramadeflujodeprocesoyBalancedemasa.....................................156
8.4 Servicios.....................................................................................................157
8.5 Arreglogeneral..........................................................................................157
8.6 Listadodeequiposmecnicos...................................................................158
8.7 Estimadodecostodecapital.....................................................................158
8.8 Estimadodecostodeoperacin...............................................................159
8.9 Distribucinporperodostrimestralesdelcostodecapital......................159
CONCLUSIONES.............................................................................................................160
BIBLIOGRAFIA................................................................................................................162
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NOMENCLATURALISTADESMBOLOSYABREVIATURAS........................................170
UNIDADES......................................................................................................................175
LISTA DE ANEXOS
Anexo A Criterios de diseo de proceso
Anexo B Balance de masa.
Anexo C Listado de equipos mecnicos.
Anexo D Hoja tcnica floculante Praestol 2530.
Anexo E Determinacin de rea unitaria
Anexo F Caracterizacin reolgica de los relaves.
Anexo G Anlisis hidrulico.
Anexo H Estimado del costo de capital y de operacin.
Anexo I Distribucin por perodos trimestrales del costo de capital.
LISTA DE PLANOS
Plano 1 Diagrama de flujo de proceso y balance de masa (FS-01).
Plano 2 Arreglo general de la planta (AG-01).
Plano 3 Arreglo general de la planta (AG-02).
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NDICE DE FIGURAS
Figura1.1:PlantadepastaenBulyanhulu.TomadodeGolderPasteTec(2005e:4)...........21
Figura1.2:AvancelaminardepastaenBulyanhulu.TomadodeGolderPasteTec(2005e:4).......................................................................................................................22
Figura3.1:Esquemadelasfuerzasasociadasalfenmenodeviscosidad.TomadodeHaake(s/a:4)...........................................................................................................30
Figura3.2:Clasificacindefluidossegncomportamientoreolgico.Elaboracinpropia.34
Figura3.3:Clasificacindefluidosconpropiedadesindependientesdeltiempo.Elaboracinpropia........................................................................................36
Figura3.4:CurvadefluidezyviscosidaddefluidosNewtonianos.TomadodeHaake(s/a:12).................................................................................................................37
Figura3.5:Curvadefluidezyviscosidadparafluidospseudoplsticos.TomadodeItescam(2010:16)......................................................................................................38
Figura3.6:Representacindelasteoradelflujodevarillasrgidassuspendidasenelfluido.TomadodeItescam(2010:19).....................................................................39
Figura3.7:Representacindelateoradelflujodemolculasfilamentariasenunfluido.TomadodeItescam(2010:20).....................................................................40
Figura3.8:Curvadefluidezyviscosidadparaunfluidodilatante.TomadodeItescam(2010:22)......................................................................................................41
Figura3.9:Curvadefluidezyviscosidadparaunfluidoplstico.TomadodeItescam(2010:24).................................................................................................................42
Figura3.10:Curvasdefluidezydeviscosidaddeunfluidotixotrpico.TomadodeItescam(2010:27)......................................................................................................44
Figura3.11:Estructuratipocastillodenaipesenfluidostixotrpicos.TomadodeItescam(2010:28)......................................................................................................45
Figura3.12:Estructuratipoarmaduraenfluidostixotrpicos.TomadodeItescam(2010:28).................................................................................................................45
Figura3.13:Estructuradeperlasencadenadasenfluidostixotrpicos.TomadodeItescam(2010:28)......................................................................................................46
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Figura3.14:Curvadefluidezyviscosidaddefluidosreopcticos.TomadodeItescam(2010:30).................................................................................................................47
Figura3.15:Metodologasparapruebasreolgicas.Elaboracinpropia............................49
Figura3.16:Ensayodeasentamientodecono.TomadodeConstrumatica(2010).............56
Figura3.17:Asentamientodeconosegnconsistenciadematerial.TomadodeAustralianGovernment(2007:54).................................................................................57
Figura3.18:Efectosobrelaresistenciaalafluenciaalcambiarelcontenidodearcillasminerales.TomadodePSICHILE(s/a:5)......................................................60
Figura3.19:Efectodearcillasenreologaderelavesdecobre.Elaboracinpropia.AdaptadodeGolder(2007:1011)...............................................................61
Figura3.20:Interaccindefuerzasdeatraccinyrepulsinenpartculascargadasnegativamente.Elaboracinpropia,adaptadodeSvarorvsky(2000:105)...65
Figura3.21:Curvadeenerganetadeinteraccinsegndistanciadelcoloide.TomadodeRavina(1993:4).............................................................................................67
Figura3.22:Modelodeladoblecapaelctrica.Elaboracinpropia,adaptadodeRavina(1993:2)........................................................................................................68
Figura3.23:Variacinenlaconcentracindeionespositivosynegativosrespectoaladistanciadelcoloide.Elaboracinpropia,adaptadodeRavina(1993:3)....68
Figura3.24:Figura26:Variacinenladensidaddecargarespectoaladistanciadelcoloide.Elaboracinpropia,adaptadodeRavina(1993:3).......................................69
Figura3.25:Potencialrespectoaladistanciadelcoloide.Elaboracinpropia,adaptadodeRavina(1993:3).............................................................................................70
Figura3.26:Atraccintipoparchecargado.Elaboracinpropia,adaptadodeDay(2002:190)...............................................................................................................74
Figura3.27:Atraccintipopuente.Elaboracinpropia,adaptadodeDay(2002:191)......75
Figura3.28:Diagramasimplificadodelosrangosdeespesamiento.TomadoGolder(2005a:2)...................................................................................................................80
Figura3.29:Clasificacindemezclasslidoliquido.TomadodeJewell(2002:5)...............83
Figura3.30:Arreglotpicodebrazosyrastrasenunespesador.TomadodeEstruagua(2010)............................................................................................................87
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Figura3.31:Evolucinhistricadeespesadores.Elaboracinpropia,adaptadodeMeggyes(2008:8)........................................................................................................88
Figura3.32:Sedimentacindentrodeunespesador.Elaboracinpropia,tomadodeGupta(2006:405)....................................................................................................92
Figura3.33:Resumendemetodologasparaladeterminacindelreaunitariaenespesadores.Elaboracinpropia..................................................................93
Figura3.34:ModelodeKynch.TomadodeWills(2006:387)..............................................98
Figura3.35:Representacindelospuntosdecompresinypuntocrticoenlacurvadesedimentacin.TomadodeNuez(s/a:21)...............................................100
Figura3.36:MtodogrficoparaelclculodetuparalafrmuladeTalmage&Fitch.TomadodeNuez(s/a:22).........................................................................101
Figura4.1:Distribucingranulomtricaderelavesdecobre.Elaboracinpropia............122
Figura4.2:Velocidaddesedimentacinvs.tipodefloculante.Elaboracinpropia..........124
Figura4.3:Velocidadesdesedimentacinsegndosificacindefloculante.Elaboracinpropia..........................................................................................................126
Figura4.4:Curvadesedimentacinexperimentalparalosrelavessintticosdecobre.Elaboracinpropia......................................................................................128
Figura4.5:Resistenciaalafluenciaversusporcentajedeslidospararelavescizalladosysincizallar.Elaboracinpropia....................................................................131
Figura6.1:Rangooperativodelsistemadebombeoderelavesespesados.Elaboracinpropia..........................................................................................................145
Figura6.2:Velocidadcrticacalculadapararelavesdecobre.Elaboracinpropia............146
Figura6.3:VelocidaddetransicindeacuerdoametodologadeSlatteryWaspparapulpastipoBinghamK=23.Elaboracinpropia..........................................147
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NDICE DE TABLAS
Tabla1:ModelogenricodeHerschelBulkleyparafluidosconpropiedadesindependientesdeltiempo.TomadodeHaake(s/a:22)........................................................35
Tabla2Viscosidadesdinmicasfluidosnewtonianos...........................................................37
Tabla3:Resistenciasalafluenciatpicas.TomadodeBoger(2002:28)...............................48
Tabla4:Equipamientoyaccesoriosnecesariosparaladeterminacindelaresistenciaalafluencia.Elaboracinpropia.........................................................................55
Tabla5:Resistenciaalafluenciaparaunasentamientodeconofijo.TomadodeBoger(2002:31)......................................................................................................57
Tabla6:Efectodelagranulometrasobrelaspropiedadesreolgicasdelabauxitapara67%wdeslidos.TomadodeSofra(2006:15).............................................61
Tabla7:Tiposdefloculanteyaplicacionesenlaindustriaminera.Elaboracinpropia,adaptadodeDay2002:194195)..................................................................76
Tabla8:Comparacinentreproductosdeespesamientosegnconsistenciaenladescarga.Elaboracinpropia........................................................................................81
Tabla9:Porcentajedeslidoscomomaladefinicindepasta.Elaboracinpropia.AdaptadodeWilliams(2004:28)..................................................................................82
Tabla10:Requerimientodeespesadoressegnconsistenciaderelaves.Elaboracinpropia,adaptadodeWilliams(2004:28)..................................................................88
Tabla11:ValorestpicosdefactorZparaclculodetorque.TomadodeMIP(2009:2)....103
Tabla12:Factoresdecorreccinporsoldadura.TomadodeDekker.(2004:68)...............116
Tabla13:Tasasdedesgasteporabrasin.TomadodeRayo(1993:6667)........................117
Tabla14:Densidadrelativadelaireambienteenelsitio.TomadodeWorldlingo(2010).119
Tabla15:Caracterizacinmetalrgicageneraldelrelavedecobre(muestrasinttica).Elaboracinpropia......................................................................................121
Tabla16:Resultadosdeseleccindefloculante(FlocculantScreening).Elaboracinpropia..........................................................................................................125
Tabla17:Resistenciaalafluenciavs.Porcentajedeslidosrelavescizalladosysincizallar.Elaboracinpropia......................................................................................130
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Tabla18:Comparativoentretecnologasdeespesamiento:Outotec,FLSmidthyDelkor.Elaboracinpropia......................................................................................135
Tabla19:Alternativasparaelmontajedeespesadores.Elaboracinpropia.....................141
Tabla20:DeterminacindeespesordeHDPEcontradesgasteporabrasin.Elaboracinpropia..........................................................................................................148
Tabla21:Estimadodecostosdecapital25%.Elaboracinpropia....................................158
Tabla22:Estimadodecostosdeoperacin25%.Elaboracinpropia..............................159
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1
INTRODUCCION
En el presente trabajo de investigacin se propuso el empleo de la tecnologa de relaves
espesados como alternativa ante el problema de disponibilidad de agua destinada para
procesos minero-metalrgicos, en zonas ridas; para ello se consider una planta de
flotacin de minerales de cobre con un produccin 100 000 t/d de relaves, la cual se
considera adecuada para casos de gran minera, con el propsito de aplicar el mismo
concepto y filosofa a operaciones de altos tonelajes.
Las pruebas de caracterizacin metalrgica, espesamiento y reologa, realizadas a nivel
laboratorio, a partir de una muestra sinttica de relave de cobre, reportaron como floculante
ptimo al Praestol 2530, de alto peso molecular y carga aninica media, el cual present la
mejor respuesta de velocidad de sedimentacin y compactacin frente al Floerger PHP20,
Floerger PHP30, Floerger PHP40, Magnafloc 351 y Orifloc 2052. La concentracin de
slidos de alimentacin ptima de la pulpa fue determinada en 8 %w de slidos, empleando
una dosificacin de floculante de 10 g/t. La tasa de alimentacin se calcul en 0,7 t/m2/h
mediante las metodologas de Coe & Clevenger, Talmage & Fitch y Solids Settling Flux, lo
cual significan el uso de 4 espesadores HCT de 41m de dimetro. La mxima
compactacin (forzada) alcanzada despus de 24hr en laboratorio fue de 82%w.
En cuanto a la limitacin de porcentaje de slidos para que sea manejable por bombas
centrifugas, los resultados indican que una descarga de 66%w presentara valores
adecuados de resistencia a la fluencia para que sea manejable por bombas centrifugas, a la
vez maximizando la recuperacin de agua. Reolgicamente los relaves espesados de cobre
presentan fcil cizallamiento de valores alrededor de 150Pa a valores cercanos e inferiores
a 60Pa.
-
2
En materia hidrulica, la velocidad crtica calculada fue de 2,50 m/s, mientras que la
velocidad de transicin se calcula en 4,0 m/s para una pulpa de 66%w. Con el objetivo de
mantener una velocidad nominal de 4m/s, una tubera de 24 acero al carbono cdula 40
con revestimiento de 1,3 de HDPE es la mejor decisin ante el alto desgaste asociado a
estas altas velocidades. Este revestimiento permitira una operacin durante 20 aos sin
cambio alguno de la tubera. Por otro lado, y de acuerdo a la ecuacin de Darby, la prdida
por friccin calculada es 0,6 kPa/m.
Por lo tanto, tras finalizar el estudio de pre-factibilidad realizado se identifica que es factible
tcnicamente la instalacin de un sistema de recuperacin de agua a partir de relaves de
cobre mediante tecnologas de espesamiento con una recuperacin mnima de 560 l/s de
agua a partir del desaguado de los relaves y con un estimado de costos de capital de US$
54,5 millones de dlares americanos, para una produccin 100 000 t/d. El estimado de
inversin comprende la adquisicin e instalacin de equipos, as como las obras civiles,
movimiento de tierras, costos mecnicos, elctricos y de instrumentacin. Con respecto a
los costos de operacin, stos alcanzaran los 0,50 US$/m3 de agua recuperada. Ambos
estimados con una precisin de 25%.
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CAPITULO I
1.0 CONTEXTO DE LA PROBLEMATICA
En el sur de nuestro pas, as como en el norte de Chile las operaciones de gran minera de
cobre se encuentran ubicadas en una de las zonas ms secas del mundo. Hoy en da, el
suministro de agua se ha convertido en un problema que estas mineras abordan desde las
fases iniciales de sus proyectos, o que deben afrontar al evaluar una ampliacin de sus
operaciones. Sumado esto a las cada vez mayores exigencias medioambientales para el
otorgamiento de los derechos por el aprovechamiento del recurso natural, hacen hoy que el
agua en estas zonas tenga un elevado costo.
Especficamente en la gran minera del cobre, el agua se emplea con intensidad en el
proceso tradicional de concentracin por flotacin, y en los procesos hidrometalrgicos:
lixiviacin, extraccin por solventes y electro-deposicin. De acuerdo a la experiencia
chilena, el consumo de agua en una planta concentradora vara entre 0,4 a 1,6 m3 por
tonelada de mineral procesado, con una media del orden de 0,7 m3.
-
4
Pese a la problemtica en estas zonas sobre la disponibilidad de agua, persiste an la
prctica convencional en el tratamiento y manejo de los relaves, los cuales son los
subproductos mineros que contienen la mayor proporcin del recurso hdrico.. Se estima
que del total de agua que ingresa a una planta concentradora, generalmente ms del 95%
va a dar a la presa de relaves, mientras que el resto o bien se evapora o es recuperado
parcialmente o est contenida en los concentrados. Es aqu que la tecnologa de relaves
espesados como solucin ante el problema de disponibilidad de agua para los procesos
metalrgicos adquiere un papel decisivo.
De manera general, podemos indicar que durante las ltimas tres dcadas la tecnologa de
pasta y relaves espesados ha pasado de ser un objeto de investigacin y conceptualizacin
a ser una solucin aceptada mundialmente y que ha adquirido prctica extensiva para el
manejo de desechos minerales. Operaciones actuales en operacin y muchos proyectos
aplicando esta tecnologa indican esta tendencia.
1.1 rea en el que se inscribe la investigacin
El Estudio se inscribe dentro de la disciplina de Ingeniera Metalrgica, rea de ingeniera de
proyectos, ms explcitamente dentro del rea de investigacin y desarrollo tecnolgico. El
Estudio involucra el conocimiento y la aplicacin de nociones de caracterizacin metalrgica
y reolgica de pulpas minerales, separacin slido-lquido, hidrulica, transporte de slidos
y economa en proyectos de inversin.
1.2 Nivel de investigacin
La investigacin se llevar a cabo en cuatro niveles:
-
5
1. Separacin slido-lquido, que consistir en la realizacin de pruebas de
espesamiento a escala laboratorio empleando una muestra sinttica de relaves de
cobre.
2. Caracterizacin reolgica de relaves espesados, que consistir en la determinacin
de la viscosidad y resistencia a la fluencia de pulpas espesadas de cobre a distintos
porcentajes de slidos.
3. Anlisis hidrulico de relaves en pulpa y espesados, que consistir en la
determinacin de las velocidades de sedimentacin y de transicin de la pulpa
espesada, tamao ptimo de tubera, clculo terico de las prdidas por friccin y
estimacin de la potencia necesaria.
4. Diseo de la planta de espesamiento, que consistir en el diseo de los
componentes de la planta de espesamiento y bombeo de relaves espesados,
propuesta de arreglos mecnicos generales, etc. incluyendo el estimado de costos
de capital y costos de operacin con una precisin de 25%.
1.3 Definicin del problema
Hace ocho aos era impensable la extraccin y tratamiento de minerales de cobre con leyes
menores al 3,0%, ya que resultaba econmicamente inviable. Sin, embargo, hoy en da, la
escasez del recurso cuprfero y el aumento en la demanda, ha motivado al tratamiento de
depsitos con contenidos no mayores a 0,2%, y que son factibles econmicamente slo si
son explotados a gran escala, lo cual, a su vez, requiere un mayor uso de agua y genera
una mayor cantidad de relaves como desecho1 (Pennan 2009: 409).
1Traduccindelautor
-
6
En el sur de nuestro pas, regin rida y de poca disponibilidad de agua, en la mayor parte
de las plantas de concentracin de minerales de cobre el suministro de agua limita en
muchos casos las operaciones y/o restringe la ampliacin de stas. Uno de los
componentes de una solucin global, la cual ha llegado a ser mayormente aceptada, es el
uso de la tecnologa de espesamiento como alternativa de recuperacin de agua a partir de
cualquier pulpa. Segn Meggyes (2009: 18), el ahorro de agua es un punto ambiental muy
favorable en el uso de la tecnologa de pasta, lo cual es muy atractivo en zonas ridas, ya
que permite recuperar agua para el proceso, a diferencia de las grandes cantidades que son
perdidas por evaporacin en presas de relaves convencionales. Adems, una menor huella
de relaves significa una menor rea impactada, menor rea de monitoreo durante y
posterior a la operacin de la mina. Por otro lado, el incremento legislativo as como
demanda social por una consiente disposicin de los residuos mineros, afectan no solo a la
comunidad minera, sino tambin al costo de las operaciones (Kuyucak 2009: 151).
En el presente estudio, se pretende obtener informacin para determinar la viabilidad
tcnica para la aplicacin de relaves espesados; as como de los costos involucrados en
este tipo de instalacin industrial para el caso de gran minera de cobre.
1.4 Objetivos de la investigacin
1.4.1 Objetivo general
Realizar un estudio de recuperacin de aguas a partir de relaves de una planta de
concentracin de minerales.
-
7
1.4.2 Objetivos especficos
1. Realizar un estudio acerca de la viabilidad tcnica y econmica para la instalacin
de un sistema de recuperacin de agua a partir de relaves de cobre mediante
tecnologas de espesamiento. Se pretende por medio del alto tonelaje presentado
(100 000 t/d) en esta evaluacin, que el mismo concepto y filosofa de operacin
pueda aplicarse a otros casos de plantas de tratamiento de gran minera de esta
magnitud.
2. Caracterizar metalrgica (gravedad especfica de slidos, distribucin de partculas,
etc.) y reolgicamente (viscosidad y resistencia a la fluencia) los relaves espesados
de cobre en el rango de porcentaje de slidos en evaluacin.
3. Analizar el efecto en la dosificacin de floculante sobre la velocidad de
sedimentacin, determinar el floculante ptimo y su consumo esperado, adems
del rango de tasa de alimentacin para este material.
4. Establecer el diagrama de flujo, balance de masa y arreglo general de las
instalaciones para la planta de espesamiento.
5. Disear el sistema de bombeo de pulpa espesado y agua recuperada a partir del
espesamiento de relaves.
6. Estimar el costo de capital y operacin involucrado en la planta de espesamiento
con una estimacin de 25%
-
8
1.5 Justificacin del proyecto
1.5.1 Justificacin tcnica
El proyecto se justifica frente a la limitada disponibilidad de agua fresca en el sur de nuestro
pas y en el norte de Chile, zonas ridas donde la mayor parte de minera de cobre a gran
escala se desarrolla, y ante la potencial posibilidad de extraer el recurso hdrico a partir del
desaguado de los relaves. En otras partes del mundo, especialmente Europa, frica y
Australia, a medida que el agua limpia y potable se vuelven ms escasos, todo aquel
proceso que reduzca su consumo o que permita su re-uso en la minera, gana ms
importancia. Se estima que el proceso metalrgico requiere el uso entre 0,4 a 1,6 m3 por
tonelada de mineral procesado, con una media del orden de 0,7 m3 (Kuyucak 2009: 151-
157). En el caso de minera aurfera el consumo medio est alrededor de 1 m3 por tonelada
de mineral (Gupta 2006: 401).
Entre otras ventajas tcnicas que representa el espesamiento de relaves tenemos:
1. Disminucin de pozas de agua sobre la presa de relaves, reduciendo as, el riesgo
de colapso de presas por licuefaccin. La Comisin Internacional de Presas de
Gran Envergadura (ICOLD) ha reportado a la fecha que de los 221 incidentes
reportados [al 2009], 135 de ellos fueron por causas de este tipo [licuefaccin], los
que significan al menos 41.9 millones de metros cbicos de relaves que viajaron
considerables distantes. Por otro lado, se seala que la tasa de falla de presas era
de 1,7 por ao, tasa que se ha incrementado a 2,0 entre los aos 1995 a 2001
(Pennan 2009: 409).
2. Adems, la menor agua contenida en los relaves reduce las filtraciones
subterrneas y la segregacin de partculas, esto ltimo indica que la pasta o
relaves espesados no presenta velocidad de sedimentacin en la tubera de
transporte, ni potencial riesgo de taponamiento. Adems, la propiedad de no-
segregacin de los relaves espesados es responsable del agrupamiento de
-
9
partculas, por ende se reduce el potencial de erosin y emisin de polvo 2
(Australian Government 2007: 41, Meggyes 2008: 2).
3. Reduccin de volmenes de presa, y mejor aprovechamiento del rea disponible al
permitir mayores ngulos de disposicin. Segn Olcay (s/a: 1) este ngulo es
tpicamente entre 2 a 6% en climas poco agrestes, sin embargo, para climas mucho
ms secos, es posible incluso inclinaciones mayores, mientras que los relaves
convencionales no tienen ngulo de disposicin. Por otro lado, permite la posibilidad
de co-disposicin con otros materiales de desecho, y el uso como material para
bases de sostenimiento civil.
Los relaves pueden ser almacenados de diferentes maneras dependiendo de su naturaleza
fsico-qumica, la topografa, condiciones climticas y el contexto socio-econmico, sin
embargo el requerimiento bsico de un depsito de relaves es proveer almacenamiento
seguro, estable y econmico con mnimo impacto a la salud y ambiental durante su
operacin y despus de ella (Australian Government 2007: 1).
La razn por la cual una presa de relaves convencional falla no es por la presa en s, sino
por el hecho de que una presa convencional retiene una gran masa de slidos poco
consolidados y una cantidad elevada de agua de proces, elementos que sumados a una
fuerza externa producen el ms catastrfico de los fenmenos: La licuefaccin (Chandler
1995, Pennan 2009). Se define la licuefaccin como el proceso de prdida de resistencia de
ciertos tipos de suelos saturados en agua cuando son sometidos a fuerzas externas (como
por ejemplo un movimiento ssmico). La prdida de resistencia del suelo hace que la masa
2Traduccindelautor
-
10
se comporte como un lquido, y una vez en este estado lquido, los relaves pueden viajar
varios kilmetros aguas abajo, como ocurri en la catstrofe de Stava en Italia en 1985
donde 250 000 m3 de relaves licuefactados arrasaron el valle de Stava, alcanzando una
velocidad de hasta 90km/h, y sepultaron dos pueblos con ellos 268 muertes, convirtiendo
as este suceso como al peor desastre ocurrido en una instalacin de manejo de relaves en
Europa (Chandler 1995: 67-68). Slo en el ao 2000, nueve fallas de presa de relaves han
sido reportadas en China, Romania, Suecia y Nueva Guinea (Deventer et l 2003: 29-30).
La principal contribucin en seguridad, es que incluso si una presa de relaves espesados
falla, el material bien consolidado y sin contenido de agua, no podran fluir grandes
distancias desde su lugar de confinamiento (Meggyes 2008: 17).
1.5.2 Justificacin econmica
El costo del agua suele ser muy alto en zonas de escasez de este recurso hdrico. La
inversin as como el perodo de recuperacin de la inversin de una planta de
espesamiento suele ser en muchos casos ms competitiva que la aplicacin de otras
tecnologas, como la de tratamiento de agua de mar, por el costo de tratamiento y
transporte, por ejemplo. Sin embargo, el presente estudio no pretende realizar una
comparacin de otras tecnologas de obtencin de agua, ya que es obvio que los costos son
particulares para cada caso, as por ejemplo, dependen de las distancias entre la planta y la
fuente de agua, las condiciones del sitio, etc.
A continuacin se describen ventajas econmicas factibles que representan el
espesamiento de relaves, entre ellas las ms importantes:
-
11
1. Reduccin de costos de capital asociados a presas de gran envergadura diseadas
para la contencin de grandes volmenes de relaves convencionales, de los costos
operativos de bombeo de agua sobrenadante en el rea de disposicin, de los
costos de requerimientos de agua fresca, y por concepto de ahorro en reactivos
debido a la recuperacin de metales disueltos y productos qumicos en el agua de
relaves (Pennan 2009: 407, Robinsky 1999).
2. Extensin de la vida til de una relavera existente, por ende la reduccin de los
costos de capital y de operacin por este concepto. Facilitacin al cierre progresivo
reduciendo as, los costos de cierre, ya que permite la rehabilitacin progresiva
mientras la mina est en operacin, lo cual permite realizar trabajos de remediacin
asociados con un flujo de caja activo y recursos disponibles, y no luego de
terminadas las operaciones de la mina (Australian Government 2007: 4, Robinsky
1999).
3. Reduccin del riesgo de falla de presa, cuyo costo asociado se ha identificado entre
20 a 40 millones de dlares (Pennan 2009: 411). Por otro lado, una falla en un
depsito de relaves trae como consecuencia corporativa la disminucin del valor
accionatario, como respuesta del mercado por los costos de limpieza, suspensin
de operaciones y posibilidad de clausura de la operacin, debidos al accidente; esto
sin considerar, el deterioro en la reputacin de la compaa y hasta la inhabilitacin
social para seguir operando (Australian Government 2007: 4).
4. Meggyes (2009: 18) afirma que la disposicin superficial de relaves espesados
reduce los costos de construccin del embalse, costo de compra de terrenos,
ingeniera, monitoreo, cierre y recuperacin.
-
12
Si bien el costo de una planta de relaves espesados puede resultar entre 3 a 10
millones de dlares con una capacidad entre 3 000 a 10 000 t/d - cifra destinada
exclusivamente para la adquisicin de equipos de desaguado como ciclones,
espesadores filtros- sin embargo, el costo de capital involucrado total debe ser
contrastado con los costos asociados a una operacin con relaves convencionales,
como el costo de construccin y operacin de una presa de gran envergadura,
continuos recrecimiento de la presa, as como de los sistemas de bombeo de agua
reclamada, incluyendo costos finales de recuperacin que, en el caso de disposicin
convencional, deben iniciarse 20 o 30 aos despus de trmino de las operaciones
cuando los relaves ganen suficiente consolidacin (Australian Government 2007: 4,
Robinksy 1999).
1.5.3 Justificacin ambiental y social
Adems de la justificacin tcnica y econmica para el uso de la tecnologa de relaves
espesados, existe actualmente un compromiso ambiental y social en la reduccin del
impacto de toda operacin minera. Hoy en da, las tecnologas de disposicin de relaves
convencionales, aguas arriba, aguas abajo y centrales, son vistas por el pblico como
instalaciones inestables, como lo evidencia el gran nmero de incidentes reportados en este
tipo de instalacin (Meggyes 2008: 1, Pennan 2009: 412). Segn Robinsky (1999) y Kuyuck
(2009) las ventajas ambientales y sociales ms importantes de los relaves espesados son:
1. Disminucin del rea de impacto requerida para la disposicin de grandes
volmenes de relaves; disminucin de la contaminacin de suelos y aguas
subterrneas. Reduccin y/o eliminacin de la generacin de agua cida y
transporte de contaminantes. Disminucin de la exposicin de vida salvaje a agua
potencialmente contaminada o a relaves blandos donde pueden quedar atrapados
(Australian Government 2007: 9)
-
13
2. Recuperacin de mayor cantidad de agua para uso en los procesos y por ende
reduccin del consumo de agua fresca, lo cual genera que la percepcin del pblico
sobre las presas de relaves mejore al ser considerada una instalacin
estructuralmente ms estable.
Segn Meggyes (2008), los relaves espesados pueden ser incluso mezclados con suelo,
semillas y fertilizantes, y en el caso de disposicin con descarga central en pilas, se propicia
la recuperacin de la tierra, incluso antes del cierre de la operacin minera.
El atractivo de reducir los costos de la gestin de relaves en el corto plazo debe ser sopesado
cuidadosamente contra la posibilidad de incrementar los costos sociales y ambientales en la clausura y ms
all. Esto requiere un modelo robusto y flexible de riesgos, asociado a un anlisis de beneficio-costo para
tomar la decisin correcta durante la vida de todo el proyecto. La salud pblica, as como los riesgos de
seguridad e impactos sociales y ambientales deben ser considerados, incluyendo aquellas situaciones en las
que se podran liberar contaminantes en el largo plazo 3(Australian Government 2007: 12).
1.6 Hiptesis
Siendo la mayor prdida de agua en operaciones minero-metalrgicas aquella agua no
reutilizada, es decir aquella contenida en los relaves que van hacia las presas de relaves, y
siendo su recuperacin importante frente a la poca disponibilidad de este recurso, se
considera la tecnologa de espesamiento de relaves una alternativa viable tcnica y
econmica.
1.7 Alcances y limitaciones del estudio
1.7.1 Alcances
El alcance del Estudio de Pre-factibilidad incluye lo siguiente:
3Traduccindelautor
-
14
1. Determinacin de la tasa de alimentacin para el espesamiento de los relaves.
2. Caracterizacin reolgica de relaves espesados.
3. Diseo del Sistema de Espesamiento para lograr la mxima recuperacin de agua.
4. Diseo del sistema de bombeo de relaves espesados.
5. Diseo del sistema de bombeo de agua recuperada.
6. Costo de capital con una precisin 25%.
7. Costo operativo con una precisin 25%; y
8. Distribucin trimestral del costo de capital.
1.7.2 Exclusiones
Los siguientes puntos referidos a la planta de espesamiento no estn considerados dentro
de los alcances de este estudio:
1. Suministro de relaves en pulpa a la planta de espesamiento.
2. Suministro de energa al rea.
3. Suministro de agua fresca.
4. Suministro de agua potable.
-
15
5. Suministro de aire de instrumentacin y procesos.
6. Movimientos de tierras, excavacin masiva y relleno para trazado de tuberas
(plataformas y accesos).
7. Diseo de edificaciones e instalaciones para el personal.
8. Plan de disposicin de los relaves espesados en la presa de relaves.
9. Servicios contra incendios.
10. Permisos ambientales y legales.
11. Servicios auxiliares.
-
CAPITULO II
2.0 HISTORIA DE LA TECNOLOGA DE PASTA Y RELAVES
ESPESADOS
Se define a la pasta como una mezcla de agua y partculas slidas que posee alto
porcentaje de slidos, alta viscosidad, alta resistencia a la fluencia, produce slump de
acuerdo a la norma ASTM C143, no posee velocidad crtica de sedimentacin, se mueve a
travs de una tubera como un plug flow y no como flujo turbulento, exuda poca o nada de
agua una vez depositada o en reposo, y debe contener al menos 15% de partculas
menores a 20 m (Golder PasteTec 2005a: 1). En general se puede indicar que el
contenido de humedad tpico de una pasta se encuentra entre el 10 a 25%, de manera tal
que la consistencia puede ser medida mediante asentamiento de cono (ASTM slump cone
test), sin embargo el porcentaje de slidos resulta un criterio muy pobre para la definicin de
relaves espesados o en pasta, pues la consistencia de un material depende de su
mineraloga, gravedad especfica, morfologa de partculas y qumica, entre otros.
La aparicin de las primeras investigaciones y aplicaciones de la tecnologa de disposicin
de relaves espesados se remontan a hace unos cuarenta aos, con los trabajos de Shields
(1974) y posteriormente, de manera independiente, por Robinsky en el ao 1976. Este
ltimo fue un ingeniero geotcnico quien propuso para la mina Kidd Creek, propiedad de
-
17
Falconbridge Limited, y por primera vez a escala industrial, la idea que reducir el volumen
de disposicin de relaves mediante la remocin de agua de proceso, ante la reducida rea
disponible para sus disposicin, de tal manera que el producto pueda autosostenerse por s
solo sin la necesidad de una presa con una pendiente de 3 respecto a la horizontal. De
esta manera Kidd Creek se convirti en la primera operacin minera en usar relaves
espesados a partir del ao 1976, operando con xito hasta la fecha (Pennan 2009: 410).
Pese a la oposicin de sus detractores, y la negacin que encontr en publicar sus trabajos,
Robinsky public l mismo su libro en el ao 1999, mismo ao en que la primera planta de
pasta destinada nicamente para la disposicin superficial de relaves espesados a razn de
158 t/h fue comisionada en Australia (Pennan 2009: 410). El objetivo de un sistema de
disposicin de relaves espesados o en pasta [], es crear una estructura auto-soportante,
de tal manera que se optimice los requerimientos de confinamiento. Para lograr esto, los
relaves deben ser espesados mediante el uso de floculantes y equipos mecnicos
espesadores filtros -, resultando un material no segregable con una distribucin de sus
partculas uniforme, en la que no se produce segregacin granulomtrica de partculas, y
que una vez dispuesto no presenta exudacin significativa de agua (Robinsky 1999: 140,
Meggyes 2008: 1). Esta ltima caracterstica, la hace atractiva, adems, para su uso como
relleno subterrneo con la adicin de cemento, agregado y cal. Por otro lado, como
resultado de la densificacin del material se pueden obtener mayores ngulos de
disposicin en superficie, entre 2% a 6% por ejemplo, lo cual significa una gran ganancia en
trminos de volumen de presa (Olcay s/a: 1).
Es as que hoy en da las dos principales aplicaciones de la tecnologa de desaguado de
relaves pueden clasificarse en dos grandes tendencias: disposicin subterrnea ( relleno
en pasta), y disposicin superficial. Actualmente existen muchas operaciones que emplean
la tecnologa de relaves espesados y en pasta, se estima en cerca de 30 plantas similares
-
18
alrededor del mundo que han entrado en operacin o se encuentran en etapas de diseo o
construccin. Este nmero vendr en aumento, ya que las limitaciones del pasado,
principalmente costo y falta de tecnologa, se han adelgazado. Hoy en da, la tecnologa de
espesadores permite la produccin de descargas altamente densificadas, a la vez que los
costos se han reducido significativamente (Australian Government 2004: 52, Golder
PasteTec 2005a: 1-2)
2.1 Disposicin subterrnea (Relleno en pasta)
El campo de la disposicin subterrnea tiene como concepto producir un material altamente
densificado para el llenado de los vacos ocasionados por los procesos de minado. La
aplicacin se opona as a la tendencia tradicional de emplear relleno hidrulico sin
densificar para el mismo propsito. En ambos casos los materiales empleados comnmente
son relaves, arena, roca y cemento.
Entre los principales beneficios, en el aspecto tcnico y econmico, de la tecnologa de
relleno en pasta, frente a los mtodos de relleno hidrulico tenemos (Golder PasteTec
2005a: 1-2):
1. Menor consumo de cemento para lograr la misma resistencia mecnica, comparado
con el relleno hidrulico convencional, debido a la menor cantidad de agua
contenida en el producto de relleno. Esto a su vez reduce el nmero de barricadas
en interior mina al permitir mayores ngulos de disposicin, reduce el ciclo de tajeos
al permitir un secado ms rpido, y reduce el volumen de manejo y costos de
tratamiento de agua en interior mina.
2. Aprovechamiento ms eficiente de todos los relaves totales, ya que mediante el
relleno en pasta es factible la utilizacin total. El relleno hidrulico, por lo general,
-
19
considera nicamente el uso de la fraccin gruesa contenida en los relaves con el
propsito de incrementar la resistencia mecnica.
2.2 Disposicin superficial
La disposicin de relaves mineros histricamente ha sido en forma de pulpa, y en grandes
extensiones destinadas para tal propsito, las cuales requieren de grandes inversiones
asociadas a infraestructura y obras de ingeniera, y adems en la mayora de casos
representan un alto costo operativo. Sin embargo, la tecnologa de relaves en pasta y
espesados no slo gener el inters de la industria minera en el campo de la disposicin
superficial desde el punto de vista econmico (costos de inversin y de operacin) sino
tambin desde el aspecto ambiental y geotcnico.
2.3 Plantas en operacin
Citaremos a continuacin algunas de las plantas alrededor del mundo que emplean el
concepto de disposicin superficial de relaves espesados o en pasta:
-
20
2.3.1 Kid Creek
Histricamente, Kid Creek de propiedad de Falcombridge Limited, es la primera mina en el
mundo en adoptar el sistema de relaves espesados en el ao 1976, cuya concepcin se
atribuye al ingeniero geotcnico E. Robinsky (1999). Las operaciones de extraccin y
concentracin de mineral de zinc/cobre se ubican en Ontario, Canada a un ritmo de 8 000
t/d. La planta de manejo de relaves cuenta con una espesador de alta compresin HCT de
35m de dimetro, cuyo underflow es luego bombeado y dispuesto en el depsito mediante
un nico punto de descarga central (Meggyes 2008: 16, Robinsky 1999, Golder PasteTec
2005c: 5).
2.3.2 Lucky Friday
Las operaciones de explotacin de minerales de zinc/cobre de la mina Lucky Friday de
propiedad de Hecla Mining en Idaho, Estados Unidos de Amrica, mantienen el siguiente
esquema para el manejo de sus relaves: estos son primero cicloneados y luego espesados
a 65%w de slidos, enseguida un filtro de discos al vaco produce un queque de 87%w de
slidos. Finalmente un mezclador produce la pasta cementada a un slump de 200m a
250mm, a una tasa de 120 t/h y se emplea una bomba de pistn, similar a las empleadas en
el bombeo de concreto, con una presin de 70bars para el relleno de tajos 1500m verticales
y 600m horizontalmente interior mina (Meggyes 2008: 16).
2.3.3 Bulyanhulu Gold
Bulyanhulu, operacin minera de cobre, oro y plata ubicada en el norte de Tanzania, frica,
y de propiedad de Barrick / Kahama Mining Corpotation LTD (KMCL), es la primera mina en
adoptar una solucin completa de pasta, desde el inicio de sus operaciones en el ao 2001,
-
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23
planta de pasta, puesta en funcionamiento en el ao 2005 con una inversin de 3 millones
de dlares, en la que las cenizas de carbn son conducidas como pulpa espesada de alta
densidad con el objeto de extender el tiempo de hidratacin debido a sus propiedades
altamente cementantes. La pulpa convencional de ceniza exhibe una inmediata hidratacin
por lo cual requiere altas velocidades para evitar el taponamiento en tuberas. Una vez en la
zona de disposicin, la pulpa se hidrata y adquiere resistencia a la compresin in situ en
menos de 24 horas (Golder PasteTec 2005c: 6).
2.3.6 Peak Mine
Peak Mine, de propiedad de Rio Tinto, cuenta con una planta de tratamiento en New South
Wales, Australia en la que se procesa mineral de oro, cobre, plomo y zinc a una tasa de
produccin de 10 000 t/d. Desde el ao 1992, la generacin de relaves de las operaciones
son manejadas mediante tecnologa de relaves en pasta para su disposicin superficial a
travs de un solo punto de descarga central produciendo un pendiente de disposicin entre
1,5% a 2,0%. Con este enfoque las operaciones no requieren de una presa de relaves
perimetral para la retencin de material, consiguiendo ahorros significativos por este
concepto (Meggyes 2008: 16).
2.3.7 Goro Nckel
Goro Nickel, operacin de nquel y cobalto con una tasa de produccin de 60 000 t/h se
ubica en la localidad de Brisbane en Australia. Esta operacin minera, de propiedad de
INCO Limited, incluye una planta de desaguado para el manejo de sus relaves, la cual
consiste principalmente de espesadores de alta compresin y bombas de desplazamiento
-
24
positivo de alta presin para conducir los relaves de alta densidad desde la planta hasta la
zona de su disposicin superficial (Golder PasteTec 2005c: 7).
2.3.8 Caraiba Mineracao
De propiedad de Mineracao Caraiba S.A, las operaciones cuprferas de Caraiba Mineracao
a una tasa de 186 t/h, cuentan con una planta de manejo de relaves espesados con una
inversin de 6 millones de dlares en Baha Brasil, y que desde el inicio de sus operaciones
en el ao 1998 han optado por una combinacin de disposicin superficial y relleno
subterrneo para sus relaves (Golder PasteTec 2005c: 11, 2005e: 8).
2.3.9 San Bartolom
La Empresa Minera Manquiri S.A en Bolivia, llev a cabo la construccin y puesta en
marcha en el ao 2008, de su planta de manejo de relaves, la cual involucra la disposicin
superficial de relaves en pasta a razn de 300 t/h. La planta de produccin de pasta cuenta
con un espesador de cono profundo altamente automatizado y con bombas de
desplazamiento positivo tipo pistn, especificadas para vencer una inclinacin de 20% hasta
el rea de disposicin final (Golder PasteTec 2005c: 9).
2.4 Proyectos en Sudamrica
Actualmente la mayor parte de la investigacin referente al tema de recuperacin de agua a
partir del desaguado de relaves para la aplicacin de disposicin superficial se encuentra en
-
25
Chile, sin embargo, esta corriente no es ajena al Per, donde dos potenciales operaciones
mineras de cobre pretenden la utilizacin de esta tecnologa a gran escala en los prximos
aos, una de ellas en etapa de Factibilidad y la segunda en etapa de Ingeniera Bsica.
2.4.1 Proyecto de ampliacin de la concentradora Toquepala / Southern Per Copper (Per)
En un caso peruano, citaremos el proyecto de produccin de relaves espesados de la
mexicana Southern Peru Copper, cuyas operaciones se localizan al sur de nuestro pas.
An en etapa de factibilidad, el estudio pretende la recuperacin de agua a partir los 87 000
t/d de los relaves de flotacin de cobre de la unidad minera Cuajone para la produccin de
una cantidad de agua que permita la ampliacin de operaciones en la unidad Toquepala. El
concepto es producir un relave espesado cerca de 63%w de slidos que sea capaz de fluir
por gravedad a travs de la Quebrada Cimarrona y llegar a la presa de relaves existente. La
recuperacin de agua es de 315 l/s.
2.4.2 Proyecto Toromocho / Chinalco (Per)
En etapa de ingeniera bsica y detalle, el proyecto de Toromocho pretende la utilizacin de
las bondades de la tecnologa de relaves espesados con el fin de reducir as los
requerimientos de inversin de su presa de relaves. A una tasa de produccin cercana a los
150 000 t/d de relaves de cobre se espera espesar los relaves, por medio de espesadores
de alta compresin, de 55%w a 69%w de manera que sean adecuados para un bombeo
mediante bombas centrfugas hacia el depsito convenido. La recuperacin de agua es de
hasta 368 l/s.
-
26
2.4.3 El Brocal / Sociedad Minera El Brocal S.A.A. (Per)
El proyecto de la nueva presa de relaves de Huachuacaja de propiedad de Sociedad Minera
El Brocal S.A.A, considera el uso de tecnologas de relaves espesados para la disposicin
superficial. La Planta de Espesamiento de relaves estara conformada por un (1) espesador
del tipo HCTde 40 m de dimetro, al que ingresaran los relaves en pulpa con 20% de
contenido de slidos desde la Planta Concentradora y saldran con un contenido de slidos
de 62 a 65%. La ubicacin de la Planta de Espesamiento de relaves ser a la cota 4250
msnm, ubicada a 500 m al nor-noroeste de la Planta Concentradora Huaraucaca, y desde
esta Planta los Relaves espesados son enviados al depsito de relaves Huachuacaja. En
cuanto al sistema de distribucin de relaves espesados desde la Planta de Espesamiento de
relaves hasta el depsito de relaves Huachuacaja, la descarga de relaves se realizar en la
presa de relaves (sector sur) y en la ladera oeste del depsito de relaves (sector oeste). El
sector sur es de 1 km de longitud y el sector oeste de 5 km de longitud. El sistema de
distribucin consiste en bombas centrfugas de impulsin y una lnea de acero de 12 SCH
80. En esta lnea se instalarn descargas de relaves cada 200 m aproximadamente,
controlado por vlvulas, estas descargas sern de tuberas de HDPE de 8 SDR 11.
2.4.4 Proyecto Conga / Minera Yanacocha S.R.L (Per)
El proyecto cuprfero/aurfero de Minas Conga, de propiedad de Minera Yanacocha se
ubica en Cajamarca, Per a una elevacin de 3500 msnm y considera el desarrollo del
beneficio de minerales con contenido de cobre, oro y plata mediante mtodos de
procesamiento convencional de chancado, molienda y flotacin, en una planta con una
capacidad nominal de 92 000 tpd. Los relaves sern producidos por la planta concentradora
y sern espesados a niveles de 62 a 65%w (masa de slido/masa total) y dispuestos
-
27
mediante bombas centrifugas al depsito de relaves diseado para tal fin que se encontrar
ubicado en las cuencas de la quebrada Toromacho y del ro Alto Jadibamba. El proyecto se
encuentra actualmente en etapa de Ingeniera de Detalle. La recuperacin de agua es de
hasta 430 l/s.
2.4.5 Proyecto Esperanza / Grupo Antofagasta Minerals (Chile)
El Proyecto Esperanza en Chile, constituir dentro de poco, la mayor aplicacin de relaves
espesados del mundo, con una planta de procesamiento de 98 000 t/d, constituye un
yacimiento de minerales secundarios de cobre, oro y molibdeno, ubicado a 30 kilmetros del
poblado de Sierra Gorda, II Regin de Antofagasta, en pleno desierto de Atacama, a 2 300
msnm. La etapa de construccin se encuentra en ejecucin en este momento, de manera
que su puesta en marcha se espera para el cuarto trimestre de 2010, e involucrara una
inversin total de 1 500 millones de dlares. Una de las principales innovaciones que
presentar este proyecto, es que su relave ser espesado. La mezcla de relave estar
constituida por un 67%w y ser bombeada a travs de tuberas, para ser distribuida en
sectores determinados de la presa (Minera Esperanza 2010).
-
CAPITULO III
3.0 MARCO TCNICO-TERICO
3.1 Definiciones previas
Los elementos y compuestos en la naturaleza se presentan en 3 fases: fase slida, liquida y
gaseosa. Un fluido puede contener ms de una fase y seguir comportndose como tal. De
acuerdo a este criterio, los fluidos pueden ser clasificados como:
1. Unifsicos: Liquido o gas.
2. Bifsicos: Liquido-gas, liquido-slido o gas-slido.
3. Multifsicos: Fluidos que contienen los tres estados.
En el caso que nos compete, los relaves son considerados fluidos bifsicos compuestos de
una fase slida (mineral) y una fase liquida (agua). En el presente estudio haremos
referencia a este tipo de fluidos simplemente como pulpas.
-
29
3.2 Reologa
Uno de los pre-requisitos fundamentales para el diseo e implementacin de un sistema de
relaves espesados es un entendimiento completo de las caractersticas reolgicas del
material. Se define la reologa como el estudio de las relaciones de deformacin que
experimenta un fluido al aplicrsele una fuerza externa. El origen de esta ciencia se estima
en la segunda mitad del siglo XVII, cuando Robert Hooke e Isaac Newton daban a conocer
las primeras ideas acerca del slido elstico y del fluido viscoso ideales, respectivamente.
La Reologa moderna, adems de los comportamientos elstico y viscoso, estudia los
sistemas complejos de aquellas sustancias viscoelsticas las cuales presentan
simultneamente propiedades elsticas y viscosas (Itescam 2010: 1-5). En el campo
minero-metalrgico, la reologa es aplicada al estudio de la dependencia del
comportamiento hidrulico de pulpas minerales en relacin al tamao de sus partculas, de
la qumica de sus superficies, de las caractersticas y dosificacin de floculante (si se trata
de un producto espesado), de su concentracin y de la energa (generalmente mecnica)
que se le aplica a la suspensin.
A nivel industrial, otras aplicaciones de la reologa (Itescam 2010:4) son para el control de
calidad, textura y consistencia de alimentos; produccin de pegamentos, pinturas,
cosmticos, y medicamentos; caracterizacin de elastmeros y de polmeros tipo PVC;
estabilidad de emulsiones y suspensiones; caracterizacin de gasolinas y otros tipos de
hidrocarburos; caracterizacin de metales (en situaciones de elevada temperatura) y de
cristales lquidos; y control de sustancias que sean transportadas a lo largo de tuberas.
Por otro lado, Huynh et l. (2002: 1) ha estudiado las ventajas econmicas que es posible
alcanzar tras la modificacin de las propiedades reolgicas de un concentrado de cobre,
-
comparand
resaltando
3.3 Vis
La viscosid
mediante u
s, separad
superficie i
velocidad v
Figura3.1
Si definimo
el movimie
de velocida
experiencia
cual se def
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de esta man
scosidad
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un experimen
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nferior estt
v (ver Figura
:Esquemade
os el esfuerzo
nto (Ec. 1) y
ad dv que ex
a describe q
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de medirse
nto sencillo:
stancia dada
ica, se hace
3.1).
elasfuerzasa
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y el rea de
xperimenta e
que existe un
viscosidad d
reactivos em
rtancia de la
directamente
Se consider
a y, las cu
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como la rela
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AFA
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viscosidad.To
a fuerza FA a
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aplicada para
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cies.
30
bombeo,
emuestra
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x con una
ake(s/a:
a generar
iferencial
tonces la
ambos la
(Ec. 1)
-
31
dtd
dydV
(Ec. 2)
dydx
(Ec. 3)
Donde:
: Esfuerzo de corte
FA : Fuerza aplicada
A : rea superficial
: Deformacin
x : Desplazamiento en la direccin y
y : Desplazamiento en la direccin x
La representacin grfica de ambas variables (esfuerzo de corte vs. la razn de corte) se
denomina curva de fluidez y es caracterstica de cada fluido en estudio. La curva de fluidez
describe el comportamiento del fluido a distintas tasas de corte, de manera que brinda
informacin muy til para el dimensionamiento de la bomba, tubera, etc. de acuerdo a la
tasa de corte que cada componente del sistema presente sobre el fluido. La generacin de
una curva de fluidez se consigue ya sea aplicando distintas tasas de corte o esfuerzos de
corte de manera que la variable contraria se registre como respuesta del material (Kealy
2006a: 3).
3.3.1 Tipos de viscosidad
Existen tres tipos de viscosidad: la viscosidad dinmica, la viscosidad aparente y la
viscosidad cinemtica.
-
32
La viscosidad dinmica 1 : es la definicin clsica de la viscosidad tal como fue definida en la
seccin anterior, es decir la relacin entre el esfuerzo de corte y la razn de corte.
Grficamente es la pendiente en cada punto de la curva de fluidez. Segn el tipo de fluido,
puede ser o no una constante. Si la relacin es constante, tal como en la Ec. 4, se denomina
viscosidad dinmica ():
o
(Ec. 4)
Si la relacin no es constante, tal como en la Ec. 5, se denomina funcin viscosidad ():
o
(Ec. 5)
La viscosidad para pulpas diluidas (porcentaje de slidos menor a 30%) se considera como
agua limpia, es decir 1 mPa.s Para porcentajes de slidos mayores a 30%, la determinacin
de la viscosidad mediante reogramas ser requerida.
La viscosidad aparente es calculada asumiendo que sta es constante (Ec. 6), por lo tanto
es una manera errnea de expresar la viscosidad para fluidos. De manera grfica, es el
cociente entre el esfuerzo de corte y la razn de corte.
o
'
(Ec. 6)
1En el sistema cgs se expresa como g/cm.s y es llamada Poise (P). 1 cP = 1 mPas
-
33
La viscosidad cinemtica 2 : relaciona la viscosidad dinmica () con la densidad del fluido
utilizado (Ec.7).
(Ec. 7)
La viscosidad, cualquiera de los tres tipos indicados, depende de una gran cantidad de
parmetros tales como: composicin qumica, temperatura, presin, razn de corte, tiempo,
etc. Es por ello que la viscosidad, para fluidos de este tipo, siempre debe ir indicada de los
parmetros bajo los cuales fue medido, tal como lo establecen las normas DIN 53 018 y DIN
53 019.
3.4 Clasificacin de fluidos
La funcin matemtica de la viscosidad permite clasificar a los fluidos en tres grandes
grupos: newtonianos, no newtonianos y viscoelsticos, tal como se muestra en la Figura 3.2,
de los cuales el grupo de no newtonianos adquiere un mayor inters en el campo de la
minera, especialmente en el transporte de pulpas minerales bifsicas.
En general, los fluidos con propiedades reolgicas independientes del tiempo, pueden
representarse mediante el modelo genrico de Herschel Bulkley (Ec.8)
noK
0 (Ec. 8)
Donde:
2Las unidades ms utilizadas de la viscosidad cinemtica son los centistokes [cst].
-
34
: Esfuerzo de corte
: Resistencia a la fluencia
K : ndice de consistencia de fluido del modelo genrico de Herschel
Bulkley
n : ndice de comportamiento de flujo del modelo genrico de Herschel
Bulkley
Figura3.2:Clasificacindefluidossegncomportamientoreolgico.Elaboracinpropia.
De acuerdo al modelo genrico de Herschel Bulkley, la resistencia a la fluencia (0) y el
ndice de comportamiento de flujo (n) son suficientes para la clasificacin de los fluidos
segn sus propiedades reolgicas, tal como se muestra en la Tabla 1 y de manera grfica
en la Figura 3.3.
TipodeFluido
Newtoniano
NoNewtoniano
Dependientedeltiempo
Tixotrpico
Reopcticos
Independientedeltiempo
Sinresistenciaalafluencia(0=0)
Pseudoplstico(Modelode
OstwalddeWaele)
Dilatante
Conresistenciaalafluencia(00)
Binghamplstico
Pseudoplsticocedente
Cedentedilatante
Viscoelstico
-
35
Es importante sealar que aunque existen muchos tipos de fluidos no newtonianos, los de
mayor implicancia en la industria minera son los llamados fluido tipo plsticos Bingham.
Tabla1:ModelogenricodeHerschelBulkleyparafluidosconpropiedadesindependientesdeltiempo.TomadodeHaake(s/a:22)
Modelo Resistencia a
la fluencia
ndice de comportamiento
del flujo
Ecuacin
constitutiva
Newtoniano 0 = 0 n=1 o
Bingham plstico 0 > 0 n=1 o
0 K
Pseudo plstico (Modelo de
Ostwald de Waele) 0 = 0 n 0 n1 n
oK
Cedente dilatante 0 > 0 n>1
n
o
0 K
-
Figura3
3.4.1 Flu
Si la razn
dice que el
La ecuaci
establece q
valor nega
Fluidez y v
.3:Clasificaci
uidos Newto
n de corte ma
fluido es Ne
n 9 es la
que la resiste
ativo de la r
iscosidad co
indefluidos
onianos
antiene una
ewtoniano.
expresin m
encia a la flu
razn de co
omo se mues
sconpropiedprop
relacin con
o .
matemtica d
encia entre c
rte. Los flu
stra en la Fig
adesindepenpia.
nstante con
de la ley de
capas de flui
uidos Newto
gura 3.4.
ndientesdelti
el esfuerzo d
e Newton d
ido adyacent
nianos pres
iempo.Elabo
de corte ent
de la viscos
tes es propo
entan una C
36
racin
onces se
(Ec. 9)
idad que
orcional al
Curva de
-
Figura3.
La Tabla 2
temperatur
.4:Curvadef
2 muestra alg
ra y presin a
Ta
Vid
Polm
M
Ac
fluidezyvisco
gunos valore
ambientales.
abla2ViscosiTomadode
Fluidos
Vidrio
drio Fundido
Betn
Bitumen
meros fundido
Miel lquida
Glicerol
eite de oliva
Leche
Agua
osidaddefluid
es de la visc
.
idadesdinmeItescam(201
V
os
dosNewtonia
cosidad din
micasfluidosn10:6)yHaake
Viscosidad
anos.Tomado
mica para f
ewtonianos.e(s/a:10)
aproximada
1043
1015
1011
108
106
104
103
102
101
100
odeHaake(s/
luidos newto
a (mPas)
37
/a:12)
onianos a
-
38
3.4.2 Fluidos No Newtonianos
Los fluidos no newtonianos son aquellos en los que la relacin entre esfuerzo cortante y la
velocidad de deformacin no es lineal. De manera general estos fluidos se expresan
matemticamente como se indica en la Ec. 10.
o
(Ec. 10)
Estos fluidos a su vez se diferencian en dependientes e independientes del tiempo.
Fluidos independientes del tiempo
Se pueden clasificar dependiendo de si tienen o no resistencia a la fluencia es decir, si
necesitan un mnimo valor de esfuerzo cortante para que el fluido se ponga en movimiento.
a) Fluidos pseudoplsticos: Se caracterizan por una disminucin de su viscosidad, y de
su esfuerzo cortante, al incrementarse la razn de corte, tal como se presenta en la Figura
3.5.
Figura3.5:Curvadefluidezyviscosidadparafluidospseudoplsticos.TomadodeItescam(2010:16)
Log
Vis
cosi
dad
(Pa.
s)
Log
Esfu
erzo
de
corte
(Pa.
s)
Log Razn de corte. (1/s)
-
39
Este comportamiento es denominado cizallamiento ante el corte o shear thining. Y se
pueden dar dos explicaciones a este fenmeno:
1. Teora del flujo de varillas rgidas suspendidas en un lquido Newtoniano:
En esta teora (Itescam 2010) existen una serie de varillas desorientadas dentro del
lquido newtoniano, las cuales se caracterizan por su movimiento browniano y
tienen un vector de velocidad que tiende a adoptar una situacin horizontal (Figura
8). Dicho movimiento browniano es una observacin indirecta de la agitacin
trmica de las molculas de un lquido, al visualizarse el desplazamiento de
partculas en suspensin en el seno del mismo. La resultante de los choques al
azar es una fuerza de magnitud y direccin variable a la orientacin de las varillas -
responsable de la viscosidad que evita que se llegue a un cierto estado de
equilibrio. Cuanto mayor sea la orientacin de las varillas, menor ser la viscosidad
del fluido.
Figura3.6:Representacindelasteoradelflujodevarillasrgidassuspendidasenelfluido.TomadodeItescam(2010:19)
1. Teora del flujo de molculas filamentarias en un lquido Newtoniano
Se supone que, dentro de un fluido newtoniano situado entre dos placas paralelas,
una de las cuales se mueve, aparece una serie de macromolculas en forma de
fuerza aplicada en placa superior
-
40
filamentos porosos que contienen grupos de tomos con una gran movilidad. Al
principio, estos grupos de tomos forman filamentos bastante enredados. Con el
tiempo, al moverse la placa superior, la velocidad de deformacin aumenta y la
resultante de las fuerzas tiende a desenredar estos filamentos en la direccin del
flujo, dependiendo de su elasticidad y de su velocidad de deformacin, y adems
dicha fuerza libera parte del lquido que existe alrededor de la molcula. Como
resultado de todo lo que ocurre en el seno del fluido se produce una disminucin de
la friccin interna dando lugar a su vez a una disminucin de la viscosidad (Figura
3.7).
Figura3.7:Representacindelateoradelflujodemolculasfilamentariasenunfluido.TomadodeItescam(2010:20)
fuerza aplicada en placa superior
-
41
b) Fluidos dilatantes: Los fluidos dilatantes son suspensiones en las que se produce un
aumento de la viscosidad con la razn de corte, tal como se representa en la Figura 3.8.
Figura3.8:Curvadefluidezyviscosidadparaunfluidodilatante.TomadodeItescam(2010:22)
El fenmeno de dilatancia, tambin llamado shear thickening, se produce debido a la fase
dispersa del fluido. En dicho fluido tiene lugar un empaquetamiento de las partculas,
dejando a la fase continua casi sin espacio. Si a continuacin se aplica un esfuerzo, el
empaquetamiento se altera y los huecos entre las partculas dispersas aumentan. Adems,
conforme aumenta la velocidad de deformacin aplicada, mayor turbulencia aparece y ms
difcil es el movimiento de la fase continua por los huecos, dando lugar a un mayor esfuerzo
cortante (la viscosidad aumenta).
Log
Vis
cosi
dad
(Pa.
s)
Log
Esfu
erzo
de
corte
(Pa.
s)
Log Razn de corte. (1/s)
-
42
c) Plsticos: Este tipo de fluidos se comportan como un slido hasta que sobrepasan un
esfuerzo cortante mnimo (resistencia a la fluencia) y a partir de dicho valor se comporta
como un lquido, tal como se representa en la Figura 3.9.
Figura3.9:Curvadefluidezyviscosidadparaunfluidoplstico.TomadodeItescam(2010:24)
La razn por la que se comportan as los fluidos plsticos es la gran interaccin existente
entre las partculas suspendidas en su interior, formando una capa llamada de solvatacin.
Estn formados por dos fases, con una fase dispersa formada por slidos y burbujas
distribuidos en una fase continua. En estos fluidos, las fuerzas de Van der Waals y los
puentes de hidrgeno, producen una atraccin mutua entre partculas. Tambin aparecen
fuerzas de repulsin debidas a potenciales de la misma polaridad. En este tipo de fluidos se
forman coloides cuyas fuerzas repulsivas tienden a formar estructuras de tipo gel. Si las
partculas son muy pequeas poseen entonces una gran superficie especfica, rodeados de
una capa de adsorcin formada por molculas de fase continua. Gracias a esta capa, las
partculas inmovilizan gran cantidad de fase continua hasta que no se aplican sobre ellas un
esfuerzo cortante determinado.
Log
Vis
cosi
dad
(Pa.
s)
Log
Esfu
erzo
de
corte
(Pa.
s)
Log Razn de corte. (1/s)
-
43
Los fluidos plsticos, a su vez, se diferencian en la existencia de proporcionalidad entre el
esfuerzo cortante y la razn de corte, a partir de su resistencia a la fluencia. Si existe
proporcionalidad, se denominan fluidos plsticos de Bingham y si no la hay, se denominan
solo plsticos (Itescam 2010:24). El modelo de Bingha