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MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero MINERÍA / MAYO 2022 / EDICIÓN 536 4 Ofrecer a nuestros lectores conocimiento, tecnología e innovación, orientados al desarrollo productivo y sostenible de las operaciones mineras, buscando la mejora de la calidad y competitividad del sector minero. Misión: PRESIDENTE: Abraham Chahuan 1er. VICEPRESIDENTE: Darío Zegarra 2do.VICEPRESIDENTE: Juan Carlos Ortíz DIRECTORES Raúl Garay Jimena Sologuren Johny Orihuela Julia Torreblanca Miguel Cardozo Roberto Maldonado Rómulo Mucho Alfredo Alfaro Edgardo Orderique Diana Rake Tomás Gonzáles EXPRESIDENTE: Víctor Gobitz REPRESENTANTE CIP: Germán Arce GERENTE GENERAL: Carlos Diez Canseco COMITÉ EDITORIAL: Miguel Cardozo Roberto Maldonado Richard Contreras Darío Zegarra Luz Cabrera Diógenes Uceda Rómulo Mucho PUBLICACIÓN OFICIAL DEL IIMP www.revistamineria.com.pe rmineria@iimp.org.pe 536 Mayo 2022 Director: Venancio Astucuri Editor: Hebert Ubillús Arriola Publicidad: 961748318 / 944570038 Colaboradores: Julio Bonelli – Jesús Londoña y Máximo Simón Zavala – Jean Paul Bueno y Maylin Mendoza – Jorge Parisuaña – Juan Carlos Zevallos – Jorge Olivari Diagramación: César Blas Valdivia Corrección: C & S Comunicaciones MINERÍA es la publicación oficial del Instituto de Ingenieros de Minas del Perú Calle Los Canarios 155-157, Urb. San César - II Etapa, La Molina, Lima 12, Perú. Telf. (511) 313-4160 / E-mail: rmineria@iimp.org.pe http://www.iimp.org.pe «Hecho el Depósito Legal Nº 98-3584 en la Biblioteca Nacional del Perú» El Instituto de Ingenieros de Minas del Perú no se solidariza necesariamente con las opiniones expresadas en los artículos publicados en esta edición de MINERÍA. Se autoriza la reproducción de los textos siempre que se cite la fuente Contenido Histórico 58 Antracita en el área cultural Chavín Plantas de beneficio 06 Enfoque cinético químico y electroquímico en reacciones de cementación de metales disueltos en electrolitos acuosos Geología 29 Caracterización litogeoquímica en el yacimiento VMS Cerro Lindo y su relación con la mineralización para determinar vectores guías en exploración Mina 37 Planeamiento de minas de cobre operadas con In situ Recovery, desarrollos y retos Gestión Social 51 La función social de las empresas mineras y la búsqueda de equilibrio entre progreso social y crecimiento económico 18 Aplicación del diseño de experimentos en la dosificación de cianuro en una planta de procesamiento de oro
MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero MINERÍA / MAYO 2022 / EDICIÓN 536 5 MINERÍA: 70 años de avances tecnológicos Editorial Desde la primera edición de mayo de 1952, la revista MINERÍA del Instituto de Ingenieros de Minas del Perú (IIMP) ha mantenido una línea de difusión de los avances tecnológicos que se han desarrollado en la industria minera, a los que con el tiempo se sumaron informaciones institucionales, de actualidad y opiniones sobre temas de coyuntura, medio ambiente y gestión social. En estos 70 años de publicaciones ininterrumpidas, el órgano oficial de difusión del IIMP, le ha permitido cumplir con uno de los objetivos fundacionales, como es el de vincular a los profesionales del sector a través del intercambio de conocimientos, mediante la presentación de los trabajos técnicos que les permiten resolver los problemas que se presentan en el día a día de las operaciones. En la primera edición, como ha quedado registrado, se abordaron temas relacionados con aspectos metalúrgicos del tostado de minerales y respecto al origen de algunos depósitos de hierro en el Perú, así como comentarios sobre el Código de Minería de 1950 y una breve historial del IIMP. Con los años, las iniciales publicaciones semestrales dieron paso desde 1956 a ediciones bimensuales y a fines del siglo pasado se comenzó con las versiones mensuales, con lo que se marcó un hito importante poniéndola a la par de las principales revistas tanto en el ámbito nacional como internacional. Desde comienzos de esta década, con la llegada de la pandemia, que significó un desafío sin precedentes, de la mano con los cambios que experimentó el Instituto en resguardo de las medidas para mantener el distanciamiento físico, decidimos pasar no solo a ediciones puramente digitales sino también semanales, con el propósito de atender la nueva demanda de información que la coyuntura requería. De esta manera, la revista del IIMP ha registrado el cambio disruptivo más importante de su historia, pues ha incorporado elementos digitales de difusión superiores a los que se pueden utilizar en una edición tradicionalmente impresa y ha multiplicado casi por diez el número de lectores en el ámbito global. Es evidente, que esto forma parte de su transformación permanente en el tiempo, que le ha permitido mantenerse vigente como la principal publicación con carácter científico y tecnológico del sector minero en el país, por ello desde estas líneas nuestro reconocimiento tanto a los Consejos Directivos del Instituto como a los directores y editores que en estas siete décadas han ofrecido su aporte para el éxito alcanzado. Igualmente, nuestro agradecimiento sincero a todos los profesionales que año tras año han confiado en MINERÍA para difundir sus trabajos técnicos y opiniones, en beneficio del desarrollo competitivo de la industria minera peruana, pues sin su esfuerzo, hubiese sido imposible cumplir nuestros objetivos. Del mismo modo, al igual como se reseña en la primera edición, debemos agradecer el apoyo y la confianza tanto de las empresas mineras como de los proveedores de bienes y servicios, quienes semana a semana publican los avisos que nos permiten financiar los costos relacionados a la revista. En estos 70 años, si bien es muy importante lo avanzado, para adelante existen nuevos retos que debemos asumir con el mismo espíritu de los fundadores de innovar de manera permanente, con el fin de seguir siendo una publicación que vincule a los profesionales del sector con lo último del desarrollo científico y tecnológico en beneficio de la minería peruana. Venancio Astucuri, director.
MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero MINERÍA / MAYO 2022 / EDICIÓN 536 6 Enfoque cinético químico y electroquímico en reacciones de cementación de metales disueltos en electrolitos acuosos Plantas de beneficio Por: Julio Bonelli A., Consultor Metalúrgico. Resumen Conocidos desde tiempos inmemoriales unos y otros también desde una centuria atrás, los sistemas de cementación han jugado un rol importante en la industria minero-metalúrgica mundial y, en algunos casos, continúan haciéndolo. Son reacciones aparentemente muy sencillas y espontáneas que implican el desplazamiento de un elemento metálico disuelto por otro metal sólido más reactivo para precipitar al más noble en forma de un denominado cemento y dejando una concentración muy baja de este último en la solución gastada. Los sistemas de cementación Cu++/Fe0 y Co++, Cu++, AsO 2H/Zn0 son los que analizaremos desde un enfoque cinético químico y electroquímico con el propósito de conocer cómo ocurren y qué conocimientos se pueden extraer de estos estudios fundamentales con el fin de utilizarlos en el diseño de reactores apropiados para los fines que se persiguen en cada uno de ellos. En el caso de la cementación de cobre con chatarra de fierro, se han analizado enfoques químicos y electroquímicos, donde ambos han coincidido que esta reacción es controlada por un fenómeno de difusión molecular de los iones cúpricos a través de la película inmóvil de líquido. Asimismo, se analiza la influencia del depósito en el progreso de la reacción teniendo en cuenta los aspectos prácticos de la parte operativa. Se explica cómo debería ser un reactor de cementación para cumplir con los objetivos de la práctica industrial. De otra parte, el segundo sistema de cementación a discutir que se refiere a la purificación de soluciones de sulfato de zinc, para la remoción de cobalto dentro del proceso electrolítico de zinc, emplea activadores como cobre, arsénico o antimonio, con el fin de lograr una más eficiente precipitación de cobalto con un consumo razonable de polvo de zinc. Figura 1. Modelo electroquímico de cementación.
MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero MINERÍA / MAYO 2022 / EDICIÓN 536 7 Abstract Cementation systems have played an important role in the world's mining and metallurgical industry since time immemorial, and in some cases continue to do so. They are apparently very simple and spontaneous reactions involving the displacement of a dissolved metallic element by another more reactive solid metal to precipitate the more noble one in the form of a so-called cement and leaving a very low concentration of the latter in the spent solution. The Cu++/Fe0 y Co++, Cu++, AsO 2H/Zn0 cementation systems are the ones that will be analyzed from a chemical kinetic and electrochemical approach with the purpose of knowing how they occur and what knowledge can be extracted from these fundamental studies in order to use them in the design of appropriate reactors for the purposes pursued in each one of them. In the case of copper cementation with iron scrap, chemical and electrochemical approaches have been analyzed, where both have agreed that this reaction is controlled by a phenomenon of molecular diffusion of cupric ions through the immobile liquid film. We also analyze the influence of the tank on the reaction progress taking into account the practical aspects of the operational part. We explain how a cementation reactor should be in order to meet the objectives of industrial practice. On the other hand, the second cementation system to be discussed, which refers to the purification of zinc sulfate solutions, for the removal of cobalt within the zinc electrolytic process, employs activators such as copper, arsenic or antimony, in order to achieve a more efficient cobalt precipitation with a reasonable consumption of zinc powder. Several fundamental studies are discussed with the purpose of understanding the role of activators in cobalt removal reactions. There are different points of view, all of them respectable, that aim to explain the role of activators. A different type of reactor is also presented, which could be the solution to the deficiencies and lack of control suffered by the conventional systems used for the purification of zinc sulfate solutions. At the end, a list of specific references on both cementation systems is presented. Se analizan diversos estudios fundamentales con el propósito de conocer el papel que juegan los activadores en las reacciones de remoción de cobalto. Como veremos, hay diferentes puntos de vista, todos ellos respetables, que apuntan a explicar el rol de los activadores. Se presenta, asimismo, un tipo distinto de reactor que podría ser la solución a las deficiencias y falta de control que adolecen los sistemas convencionales empleados para la purificación de soluciones de sulfato de zinc. Al final, se presenta un listado de referencias específicas sobre ambos sistemas de cementación. Introducción Reacciones de cementación, también conocidas como reacciones de reducción por contacto, son aquellas en las que un metal disuelto menos reactivo, al contactarse, en solución, con un metal sólido más reactivo, precipita sobre este último,
MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero MINERÍA / MAYO 2022 / EDICIÓN 536 8 en lo que constituye un proceso espontáneo con intercambio de electrones. Una de las reacciones de cementación más emblemáticas es indudablemente la reducción de cobre disuelto con fierro metálico (chatarra de fierro). Es conocida desde la antigüedad y fue posteriormente utilizada para recuperar el metal rojo a partir de soluciones de lixiviación o aguas de mina[1]. Interés por conocer aspectos fundamentales de esta reacción recién se produce a mediados del siglo XX con el propósito de generar diseños de reactores más eficientes que los sistemas rudimentarios empleados en épocas pasadas. El objetivo era producir un cemento de cobre de leyes más altas y con menor impurificación de fierro y alcanzar menores consumos de fierro por libra de cobre recuperada. Reactores que operaron en la industria fueron, por ejemplo, las canaletas de precipitación, celdas de flujo forzado en serie con piso perforado, cono Kennecott y tambor rotatorio. Algunos otros reactores emplearon el concepto de cátodo fluidizado, pero solo en trabajos a nivel de laboratorio. En la actualidad, este proceso de cementación ha sido desplazado por la tecnología de extracción por solventes-electrodeposición, especialmente en las plantas de mayor capacidad. Sin embargo, en operaciones de lixiviación pequeña y mediana todavía continúa utilizándose. Otro sistema de cementación importante, conocido desde principios del siglo XX, es aquel empleado para remover cobalto a partir de soluciones impuras de sulfato de zinc dentro del Proceso Electrolítico de Zinc (PEZ), cuya partida de nacimiento se remonta a 1916[2]. Este esquema utilizado en la industria para remover básicamente cobalto emplea polvo de zinc y activadores como iones cúpricos y arsénico o antimonio disueltos y opera a temperaturas entre 75 y 90 °C. Era prácticamente una “receta” que aplicaban las plantas que requerían remover cobalto. Recién, a mediados de la década de 1930, se genera interés por conocer más fundamentalmente estos peculiares sistemas electroquímicos. Así, tenemos a Grevel[3], que empleando mediciones voltamétricas observa que un efecto notorio de precipitación de cobalto se lograba con polvo de zinc en presencia de iones de arsénico y antimonio. Posteriormente, Cambi, en 1939, presenta en un Congreso Internacional de Química en Roma, el llamado método inorgánico usando sulfato de cobre y trióxido de arsénico y empleando polvo de zinc a 75 °C. Por lo expuesto, a continuación, se presentará formalmente los tipos de sistemas de cementación más conocidos que se manejan en la industria. Seguidamente, cubriremos aspectos fundamentales de las reacciones de cementación como son el modelo electroquímico, potenciales redox de metales, el concepto de sobrevoltaje de hidrógeno, la doble capa eléctrica y de cinética electroquímica. Más adelante, analizaremos desde el punto de vista cinético, dos sistemas de cementación re- Figura 2. Serie electromotriz de metales.
MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero MINERÍA / MAYO 2022 / EDICIÓN 536 9 levantes de la industria. Comentarios finales es un punto también a considerar. Se incluyen referencias sobre información. Lo que se pretende relacionar son los conceptos básicos de las reacciones de cementación a analizarse con criterios para el diseño de reactores apropiados para estas reacciones. Tipos de sistemas de cementación Los sistemas de cementación de importancia industrial corresponden a dos grupos: aquellos para recuperación primaria de valores metálicos y los que se utilizan en purificación de soluciones impuras. Con relación a los primeros, los más conocidos son cementación de cobre con fierro metálico, que lo podemos representar como Cu++/Fe°, y la recuperación de oro (y plata) con polvo de zinc, que lo representaremos como Au(CN)2-/Zn°. Respecto a los sistemas de purificación, gran parte de ellos se utilizan en el PEZ para remover impurezas, luego del proceso inselectivo de lixiviación de calcinas y antes del proceso de electrodeposición. Ejemplos de estos sistemas son: Cu++/Zn°; Cd++/Zn°; Co++, AsO 2H, Cu++/Zn° y Co++, Sb+++, Cu++/Zn°. Respecto a los sistemas de recuperación primaria, la cementación de cobre ha sido ampliamente utilizada hasta hace unas cinco décadas atrás, habiendo sido desplazada por la tecnología de extracción por solventes-electrodeposición, tal como fue mencionado previamente. Con referencia a la recuperación de oro (y plata), todavía tiene un espacio muy importante en las plantas auríferas, especialmente cuando en el mineral hay significativas concentraciones de plata, además de oro. En la industria, se le conoce como proceso Merrill Crowe y opera en las plantas auríferas hace más de un siglo. En cuanto a los sistemas empleados en purificación de soluciones impuras de sulfato de zinc, todos los mencionados anteriormente forman parte de un esquema de purificación. Estos arreglos pueden estar constituidos hasta con tres etapas en serie, con el propósito de asegurar una alta calidad de la solución de sulfato de zinc a electrodepositar, lo que, a su vez, conlleva a alcanzar una excelente calidad física y química del depósito y una elevada eficiencia de corriente en la casa de celdas (tankhouse). Modelo electroquímico de cementación Conceptualmente, una reacción de cementación puede representarse por el gráfico de la Figura 1. Allí podemos apreciar que en la misma superficie del metal más reactivo (M°2), ocurren simultáneamente dos semirreacciones, una anódica y otra catódica, pero separadas espacialmente, tal como se observa. Asimismo, se advierte un flujo de electrones que parten del área anódica y se dirigen al área catódica. Igualmente, en el área catódica, que es la que recibe electrones, se produce la reducción del metal menos reactivo, la cual se representa como un depósito (M°1) que se posa sobre el metal más reactivo. Las reacciones antes mencionadas ocurren espontáneamente y conforman lo que se denomina un proceso galvánico (similar a lo que ocurre en las pilas). También, se le suele nombrar como electroquímico en cortocircuito, pues el ánodo con el cátodo están juntos (no separados). Figura 3. Naturaleza de la interfase sólido-solución.
MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero MINERÍA / MAYO 2022 / EDICIÓN 536 10 De otro lado, desde el punto de vista electroquímico, para que el proceso galvánico funcione, se va a constituir un llamado potencial de compromiso EC entre el sólido y la solución que va a hacer posible que se lleven a cabo las reacciones anódica y catódica simultáneamente, siendo los sobrepotenciales anódico y catódico, la diferencia entre el potencial de compromiso y cada uno de los potenciales de equilibrio en las áreas anódica y catódica. El valor de estos sobrepotenciales tiene una importante influencia en definir el control de la cinética de la reacción de cementación. Potenciales redox de metales, sobrevoltaje de hidrógeno, doble capa eléctrica y ecuación de cinética electroquímica En la Figura 2, podemos apreciar un diagrama esquemático donde se representa, en una serie electromotriz cualitativa (con potenciales de reducción), la reacción de cementación de acuerdo al modelo mostrado. Vemos las semirreacciones anódica y catódica en los extremos y un punto intermedio Ec que es el llamado potencial de compromiso. También, es posible observar los sobrepotenciales na y nc que se determinan respecto a Ec y que definen la electroquímica de cada semirreacción. Si Ec se ubica más cerca de la semirreacción catódica de lo que se ve en Figura 2, entonces na será significativamente de mayor magnitud que nc; esto nos lleva a afirmar que la “fuerza electroquímica” para la semirreacción catódica será reducida, en comparación con la que correspondería a la semirreacción anódica. Este escenario planteado le confiere importancia a la reacción de reducción de iones hidrógeno para formar hidrógeno gaseoso. Una reacción importante en electroquímica es la que se conoce como reacción de evolución de hidrógeno, esto es, la formación de hidrógeno gaseoso en el cátodo a partir de iones hidrógeno presentes en la solución. Esta reacción se debe producir en una superficie metálica o electrodo. Cada metal ofrece una determinada “resistencia” a que iones hidrógeno evolucionen (formen hidrógeno gaseoso) en su superficie. Tanto el zinc como el mercurio son dos metales con altos sobrepotenciales de hidrógeno. Un metal como el cobalto registra un sobrepotencial más bajo que el zinc, por lo que puede ser una superficie más adecuada para que iones hidrógeno formen hidrógeno gaseoso. Otro concepto trascendente cuando se analiza una reacción electroquímica como la de cementación, es reconocer la presencia de lo que se conoce como doble capa eléctrica que está presente en cualquier interfase de contacto entre un sólido y una solución electrolítica. En la Figura 3, es posible observar una representación esquemática donde las cargas de los iones disueltos se alinean de acuerdo a la carga del sólido y se constituye una caída de potencial. Cada doble capa eléctrica genera un perfil de potencial de la interfase que se prolonga hasta el seno de la solución electrolítica, alcanzando allí el valor de cero. El potencial que se genera en esta doble capa depende fundamentalmente de las caracterísFigura 4. Sistema de Cementación Cu++/Fe0.
MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero MINERÍA / MAYO 2022 / EDICIÓN 536 11 ticas electroquímicas del sólido (si es metal o semiconductor o aleación o compuesto intermetálico) y juega un rol significativo en las reacciones en que esté involucrado el sólido. Tiene una influencia trascendente en las reacciones electroquímicas. Respecto a la ecuación cinética de una reacción electroquímica, esta tiene un parámetro adicional a la de una reacción química, que es el sobrepotencial, que se define como la diferencia entre el potencial aplicado (el potencial EC para el caso de las reacciones de cementación) y el potencial de equilibrio. Asimismo, la velocidad de una reacción electroquímica se expresa en términos de densidad de corriente. La forma más general de la ecuación para procesos electroquímicos es la de Butler Volmer[4], que es una relación que involucra funciones exponenciales (seno hiperbólico). Sin embargo, hay expresiones más simples, que son casos específicos de la de Butler Volmer, por ejemplo, para el caso de bajos sobrepotenciales. En esta situación, se tiene que la densidad de corriente y el sobrepotencial guardan una relación lineal. Análisis cinético del sistema Cu++/Fe° Este sistema de cementación ha sido estudiado, con un enfoque cinético, en numerosas ocasiones, con distintas formas de contacto entre la solución que contiene cobre y el precipitante fierro sólido. De estos trabajos experimentales efectuados, se ha considerado apropiado tomar los resultados de aquellos que utilizaron una hidrodinámica conocida como es el electrodo de disco rotatorio[5],[6]. En ese sentido, es posible resumir, a continuación, los principales hallazgos de estas investigaciones: La cementación de cobre con fierro es un proceso controlado por difusión con una energía de activación Ea de 3.4 Kcal/mol. La etapa controlante de la reacción es la difusión de los iones cúpricos Cu++ a los sitios de reacción catódica a través de la película inmóvil de fluido en contacto con el fierro metálico. Bajo ciertas condiciones, puede ocurrir un cambio en el mecanismo de reacción, llegando a que la etapa controlante sea la difusión de iones ferrosos Fe++, desde los sitios anódicos hacia el seno de la solución, a través del cobre depositado, como cemento, sobre el fierro. La morfología del depósito de cobre es una función de la concentración inicial de los iones cúpricos Cu++, de la temperatura y de la intensidad de agitación que se registra en el sistema de cementación. Dependiendo del tipo de depósito que se forme, este puede influir en que se alcance un mayor o menor efecto positivo o negativo en términos de aumentar o disminuir la cinética de la reacción. Cuando una reacción controlada por difusión está representada por una línea recta con pendiente negativa, se produce en un cierto tiempo, una desviación de este comportamiento lineal, pudiendo ser esta desviación positiva o negativa, la cual se interpreta como un incremento o disminución de las superficies catódicas disponibles en el tiempo. Por lo expresado en este enfoque cinético químico, la reacción de cementación estaría gobernada por la siguiente ecuación diferencial: d [cu++] dt [cu++] AK = - Ec. 1 la cual integrada, nos lleva a la relación que a continuación mostramos: c c0 AK V Ln t = - Ec. 2 Asimismo, en la Figura 4 presentamos un diagrama esquemático de potenciales de equilibrio para cada semirreacción y donde el potencial de compromiso EC puede ubicarse en algún punto intermedio entre ambos.
MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero MINERÍA / MAYO 2022 / EDICIÓN 536 12 Igualmente, es relevante conocer la posición del potencial de equilibrio para la reacción de evolución de hidrógeno en relación con EC, ya que de ello dependería su mayor o menor influencia en la semirreaccion catódica. De otro lado, un enfoque electroquímico para esta reacción de cementación ha sido desarrollado por Power[7], empleando los diagramas de Evans que se utilizan para estudiar corrosión de metales. Han sido construidos por superposición de curvas de polarización anódicas y catódicas. En la Figura 5, podemos apreciar las curvas anódica y catódica en forma esquemática, el punto trascendente es la intersección de ambas. Por lo expuesto en este enfoque cinético para el sistema Cu++/Fe0, vemos que ambos acercamientos, químico y electroquímico, coinciden en sus resultados al determinar que la reacción total es controlada por difusión de iones cúpricos al cementante fierro. Análisis cinético de los sistemas Co++/ Zn° y Co++, Cu++, AsO 2H/Zn° Respecto al sistema Co++/Zn0, representa un proceso de cementación termodinámicamente muy favorable que solo debería utilizar polvo de zinc para precipitar iones cobalto. Su constante K de equilibrio, a 25 °C, de 2x1016 indicaría que la remoción de cobalto de la solución sería prácticamente completa. Lo que realmente ocurre es que esta reacción de cementación registra poca velocidad, debido probablemente a consideraciones e interferencias cinéticas. Algunos otros hallazgos sobre esta reacción se resumen seguidamente: El cobalto metálico tiene un sobrepotencial más bajo que el zinc metálico, de modo que cualquier cobalto depositado o codepositado cataliza la reacción de evolución de hidrógeno. La reacción de evolución de hidrógeno en el cátodo crea un incremento de pH localmente que, aparentemente, conduce a la formación de películas pasivantes de hidróxido o de sulfato básico de zinc, inhibiendo de esa manera la precipitación de cobalto. Además de una lenta cinética de cementación, esta reacción involucra también un alto consumo de polvo de zinc que podría tener un impacto significativo en la producción de zinc metálico que se destina a la fabricación de polvo como lo hacen todas las refinerías. Estudios para determinar el efecto del pH inicial en la remoción de cobalto presentan algunos resultados que pueden parecer contradictorios. Mientras Krause[8] indica que la reacción es controlada por difusión, Bonelli[9] encontró que la energía de activación calculada correspondería a un proceso controlado por una etapa química o electroquímica. Lo cierto es que la reacción de evolución de hidrógeno debe jugar un rol trascendente dada la ubicación de los potenciales de equilibrio, tal como puede verse en la Figura 6. En el caso del sistema Co++, AsO 2H, Cu++/Zn0, hay varios trabajos de investigación que se han efectuado no solo empleando arsénico sino tamFigura 5. Diagrama de Polarización para el Sistema Cu++/Fe0.
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MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero MINERÍA / MAYO 2022 / EDICIÓN 536 14 bién antimonio como activadores. En 1975, Bonelli[9] confirmó que el arsénico soluble juega un papel importante en la remoción de cobalto al formar una nueva fase sólida precipitada, con propiedades electroquímicas distintas a las del zinc. Se especuló que esta nueva fase podría ser un compuesto intermetálico con arsénico y cobalto. El aditivo cobre, en forma de iones cúpricos, también influye positivamente en la remoción de cobalto cuando se encuentra en una concentración media. Se determinó una energía de activación para el sistema con activadores de 26.1 Kcal/mol, lo que condujo a efectuar una propuesta de modelo cinético electroquímico para la reacción con activadores. En la Figura 7, se presenta conceptualmente lo que puede haber ocurrido con el potencial de la reacción catódica con el empleo de activadores. Por su parte, en 1995, Nelson[10] estudió el sistema empleando cobre y antimonio como activadores ante las barreras cinéticas que presentaba el proceso sin activadores. Su preocupación era alcanzar una solución purificada por cobalto con 0.1 mg/l Co++ y un consumo de polvo de zinc relativamente bajo. Asimismo, evaluó la performance de varios otros metales como activadores que permitieran menores consumos de polvo de zinc. En la Figura 8, se presenta la concepción de como actuarían los activadores en el sistema Co++, Sb+++, Cu++/ Zn0. En 1999, Van Der Pas[11] llevó a cabo un estudio experimental donde encontró que el cobalto no se precipitaba solo sino conjuntamente con el zinc, en una aleación cobalto-zinc. Por su parte, cobre y antimonio solubles mejoraban la velocidad y extensión de la cementación de cobalto. Al parecer, concentraciones de cobre y antimonio se cementaban en momentos iniciales del proceso formando un sustrato preferencial para la deposición de cobalto. También, Krause[8] evaluó el sistema de cementación con la presencia de activadores tales como cobre y arsénico. Precisó el rol del arsénico indicando que permite la precipitación de cobalto, a potenciales más positivos, como arseniuro de cobalto, lo que debe hacer posible la remoción de cobalto a muy bajos niveles de concentración. Igualmente, encontró en su investigación que el sistema de cementación de cobalto con polvo de zinc sin activadores podía ser descrito por una ecuación cinética de primer orden. Un aspecto que el autor remarca es el efecto que produce la recirculación de una parte del cemento ya formado de cobalto en reducir el consumo de polvo de zinc. Finalmente, en el 2015, Zaheri[12] critica el proceso de cementación de cobalto con polvo de zinc y activadores, indicando que es un proceso ineficiente, con tiempos de retención de 2 a 3 horas y altos consumos de reactivos, especialmente de polvo de zinc. El principal propósito de su investigación fue evaluar altas temperaturas y presiones para acelerar la remoción de cobalto y reducir el consumo de polvo de zinc y concentraciones de activadores. Halló que una temperatura de 125 °C Figura 6. Sistema de cementación Co++/Zn0.
MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero MINERÍA / MAYO 2022 / EDICIÓN 536 15 podía precipitar cobalto y llevarlo a niveles de 0.1 mg/l en 20 min., donde las concentraciones iniciales de activadores fueron de 2.5 mg/l Sb y 45 mg/l Cu y de 3.5 g/l de polvo de zinc. Del mismo modo, determinó que menores tamaños de polvo de zinc mostraron mejores resultados para remoción de cobalto pero se obtenía redisolución del cemento ya depositado. Respecto a la influencia de la presión, prácticamente no jugó un papel preponderante. Como podemos apreciar en los estudios que hemos analizado, la explicación de por qué la cementación de cobalto es más eficiente en presencia de activadores, todavía no es muy clara. Lo que sí parece evidente es que tanto el arsénico como el antimonio participan en la reacción y aportan en la conformación de un nuevo sustrato diferente, con propiedades también distintas y más favorables para la cementación de cobalto. Un enfoque electroquímico debería ser clave en explicar estos peculiares fenómenos que se producen. Comentarios finales Luego de haber discutido los sistemas de cementación tanto para recuperación primaria de metales como para purificación de soluciones de sulfato de zinc, se presentan los siguientes comentarios: Del análisis cinético efectuado para la reacción Cu++/Fe0 y de los objetivos prácticos que se persiguen en la operación (alta ley de cobre en el cemento extraído, menor posible contaminación con fierro, mejor aprovechamiento de la chatarra de fierro y una alta velocidad de cementación), es posible deducir que un reactor que muestre una buena performance es aquel donde la solución que contiene cobre siempre encuentre una superficie fresca de fierro donde depositar el metal rojo y que este contenedor pueda ser separado (desprendido) del fierro donde se depositó. Esta clase de condiciones las preFigura 7. Sistema de cementación Co++, AsO 2H, Cu++/Zn0.
MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero MINERÍA / MAYO 2022 / EDICIÓN 536 16 senta el llamado Cono Kennecott que, como su nombre lo indica, es un reactor que se configura como un cono invertido, donde la solución con cobre ingresa, a presión, por la parte inferior, estableciéndose un buen contacto con la chatarra de fierro que se encuentre almacenada en el cuerpo mismo del cono. La fuerza de la solución ingresante desprende el contenedor de cobre ya depositado en la chatarra y lo transporta, como sobrenadante, fuera del cono. El cemento es luego espesado y filtrado. Otro reactor que también mostro buena performance es el tambor rotatorio, que por su propio movimiento de rotación, produce muy buen contacto entre la solución que ingresa con la chatarra de fierro, logrando también un desprendimiento del cobre ya depositado. Reactores menos eficientes han sido las celdas en serie de flujo forzado y pisos perforados y las canaletas. Las celdas en serie de flujo forzado fueron instaladas y operadas en la planta piloto de lixiviación bacteriana para el proyecto Toromocho en la segunda mitad de la década de los 70 con resultados aceptables. En el sistema de cementación Co++/Zn0, se han reportado estudios aparentemente contradictorios sobre la etapa controlante de esta reacción cuando se utiliza polvo de zinc como cementante. Krause[8] reporta que la reacción es controlada por difusión de los iones cobalto a la superficie del zinc metálico. De otro lado, Bonelli[9] encontró que la reacción sería controlada por reacción química al reportar una energía de activación de 14.4 kcal/mol. La explicación radicaría en el pH inicial con que se llevó a cabo cada grupo de pruebas. En el primer caso, el pH fue de 4.5, en tanto que en el segundo, fue de 2.60. Aparentemente, con el pH inicial más bajo había mayor disponibilidad de iones hidrógeno que podrían evolucionar en la superficie de cobalto, al tener este elemento un sobrepotencial de hidrógeno bajo. Por lo tanto, se trataría de una reacción secundaria que interfiere significativamente, compitiendo, en condiciones más favorables, con la reducción de cobalto en el zinc metálico. Esto se traduciría en que la velocidad de reducción de cobalto se haría más lenta. La remoción de cobalto con el empleo de activadores, además de polvo de zinc, continúa siendo el método más utilizado por la industria, con ajustes específicos en cada planta donde lo usan. Con referencia a los equipos empleados en estos procesos, se trata de tanques y sistemas de agitación convencionales, así como suministro de calor para alcanzar temperaturas entre 75 y 90 °C. El objetivo principal es alcanzar concentraciones finales de cobalto del orden de 0.1 mg/l. Respecto al depósito que contiene cobalto, no se busca separar este de los otros metales y se le trata para recuperar a la impureza como un subproducto de la operación. También, se ha podido apreciar esfuerzos que se realizan para asegurar un nivel de cobalto que no cause problemas en la electrodeposición de zinc, así como en la reducción del consumo de polvo. En ese sentido, se resalta el reactor que emplea temperaturas del orden de 125 °C. Todavía no se tiene una completa claridad del papel que juegan los activadores en el proceso de remoción de cobalto, así como el control de los mismos para tener un proceso continuo y confiable de purificación. Se podrían esperar avances interesantes en esta dirección en un futuro corto plazo. Referencias 1. Nadkarni, R.M., A Kinetic Study of Copper Precipitation on Iron Part 1, Transactions of the Metallurgical Society of AIME, Volumen 239, April 1967, pp. 581-585.
MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero MINERÍA / MAYO 2022 / EDICIÓN 536 17 2. Mathewson, C. H., Zinc The Science and Technology of the Metal, its Alloys and Compounds, Reinhold Publishing Corporation, New York, 1959. 3. Grevel, A., The Precipitation of Cobalt from Zinc Sulfate Solutions in the Electrolytic Production of Zinc, Wiss Veroffentlich Siemens Konzern 13, N° 1, 1934, pp. 61-64. 4. Bockris, J. and Reddy, A.K.N., Modern Electrochemistry, Volume 2, A Plenum/Rosetta Edition, Plenum Publishing Corporation, Plenum Press, New York, 1970. 5. Sareyed-Dim, N.A., Kinetics of Copper Cementation on Iron from Copper Sulfate Solutions, Master of Science Thesis, Department of Metallurgical Engineering, Colorado School of Mines, Colorado, USA, June 1971. 6. Strickland, P.H. and Lawson, F., The Measurement and Interpretation of Cementation Rate Data, International Symposium on Hydrometallurgy, The American Institute of Mining, Metallurgical and Petroleum Engineers, New York 1973, pp. 293-330. 7. Power, G., A contribution to the theory of cementation-metal displacement- reactions, Australian Journal of Chemistry, January 1976 8. Krause, B.J., Optimization of the purification process of a zinc sulfate leach solution for Figura 8. Sistema de cementación Co++, Sb+++, Cu++/ Zn0. zinc electrowinning, Master of Engineering Thesis, Department of Materials Science and Metallurgical Engineering, University of Pretoria, Pretoria, South Africa, July 2014. 9. Bonelli, J., Contact Co-Reduction of Cobalt in the Presence of Copper and Arsenic by Zinc Metal in Aqueous Electrolytes, Master of Science Thesis, Department of Metallurgical Engineering, Colorado School of Mines, Colorado, USA, July 1976. 10.Nelson, A., Novel Activators in Cobalt Removal from Zinc Electrolyte by Cementation, Master of Engineering Thesis, Department of Metallurgical Engineering, McGill University, Montreal, Canada, November 1998. 11.Van Der Pas, V., A Fundamental Study of Cobalt Cementation with Zinc Dust in the Presence of Copper and Antimony Additives, Master of Applied Science Thesis, Department of Metals and Materials Engineering, The University of British Columbia, Vancouver, Canada, March 1995. 12.Zaheri, S., High Temperature and High Pressure Cobalt Cementation onto Zinc, Master of Applied Science Thesis, The Faculty of Graduate and Postdoctoral Studies, The University of British Columbia, Vancouver, Canada, January 2015.
MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero MINERÍA / MAYO 2022 / EDICIÓN 536 18 Aplicación del diseño de experimentos en la dosificación de cianuro en una planta de procesamiento de oro Plantas de beneficio Por: Jesús H. Londoña Soria y Máximo Simón Zavala, Compañía Minera Poderosa. Abstract Mineral processing plants are continuously seeking to improve recoveries due to different factors and there are many variables that can be improved. One variable that influences gold recovery is cyanide concentration, which should be analyzed in order to determine the values to work between, this can be determined in the metallurgical laboratory under certain conditions. Cyanide dosage to be added at certain concentrations can also be determined in a plant by performing a statistical analysis of the results obtained from the extraction, and finding the optimum in a specified range of exploration. Later, an analysis of the experimental design can be carried out with plant data to refine the results. The application of this knowledge in our process plant is necessary and fundamental to optimize the dosage of the cyanide reagent and to obtain the best extraction results. To achieve this, it is necessary to look at the process as a system that performs a function and to interpret the results in a metallurgical way. Introducción En una planta de procesamiento de minerales continuamente se va estar buscando mejorar las recuperaciones por diversos factores y existen muchas variables que se puede perfeccionar. En el caso del oro, una variable que tiene influencia en la recuperación es la concentración de cianuro, lo que conlleva al análisis de entre qué valores se debe trabajar, esto se puede determinar en el laboratorio metalúrgico bajo ciertas condiciones. En una planta también se puede determinar la dosificación de cianuro a agregar a ciertas concentraciones, esto al realizar un análisis estadístico de los resultados obtenidos en la extracción, y encontrar el óptimo en un rango especificado de exploración. Posteriormente se puede realizar un análisis del diseño de experimentos con los datos de planta que se tengan para afinar los resultados, la aplicación de este conocimiento en nuestra planta de procesos es necesaria y fundamental para optimizar la dosificación del reactivo cianuro y obtener los máximos resul-
MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero MINERÍA / MAYO 2022 / EDICIÓN 536 19 tados en la extracción. Para ello, es necesario mirar el proceso como un sistema que realiza una función e interpretar los resultados de una forma metalúrgica. Objetivo Mejorar la recuperación del oro en el proceso de lixiviación, con la concentración de cianuro adecuado aplicando el diseño de experimentos en los molinos de la planta de Compañía Minera Poderosa. Ubicación Minera Poderosa cuenta con dos plantas de cianuración llamadas Santa María y Marañón, ubicadas en el distrito y provincia de Pataz, departamento de La Libertad, a una altura entre 1,250 y 2,800 msnm., accediendo vía aérea y terrestre, la empresa procesa mineral de oro del yacimiento tipo Filoniano emplazado en el Batolito de Pataz, siendo su capacidad de tratamiento de 740 TMS y 800 TMS de plantas Santa María y Marañón, respectivamente. Antecedentes La planta de procesamiento Marañón ya había l legado a su máxima capacidad de tratamiento con sus equipos de molienda, l legando a pasar 740 TMS/día, pero a pesar de el lo, se tenía que aumentar la recuperación de oro, por lo cual se hicieron pruebas a nivel de laboratorio para ver que parámetros se tenía que ajustar para poder lograr el objetivo, identificándose que se debería mejorar la molienda, la clasificación primaria, encontrar la óptima concentración de cianuro basados en prueba y error, todos estos parámetros se per feccionaron, sin embargo, cuando ingresaban minerales de alta ley al circuito, el relave sólido también se incrementaba, eran problemas puntuales, Figura 1. Flow-sheet molienda.
MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero MINERÍA / MAYO 2022 / EDICIÓN 536 20 pero ocasionaban una cier ta pérdida a los indicadores de recuperación y se afectaba a los resultados del mes. Ante esta situación se busca mejorar aún más algunas variables para poder contrarrestar esta pérdida, en un primer momento se sugiere incrementar la concentración de cianuro, pero no se aprueba el referido aumento por falta de data en el proceso. Frente a la necesidad de demostrar que a una mayor concentración de cianuro se va obtener mejores resultados, es que se decide usar el diseño de experimentos para determinar cuál es la concentración adecuada en el proceso. En la planta Marañón se tiene más de 30 variables que son parte de los controles, el problema radicaba ¿en dónde se aplica los diseños de experimentos en una planta de procesos que no es automatizada? ¿Cómo se demuestra que con un incremento de cianuro se obtiene mejores resultados?, ¿cuál es la concentración de cianuro adecuada? ¿Los resultados obtenidos teóricamente se reflejaran en la realidad del proceso? , todas estas dudas se fueron descartando conforme se avanzaba en la aplicación de los resultados del diseño de experimentos. Importancia del uso de diseño de experimentos a) Este trabajo es importante porque nos permitirá predecir un suceso (ley de relave sólido) en función a la data estadística de las siguientes variables (ley del mineral de cabeza que ingresa al proceso, la concentración del cianuro en los molinos primarios, y remolienda de concentrados), y en base a esto obtener las mejores recuperaciones. Figura 2. Flow sheet equipos auxiliares.
MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero MINERÍA / MAYO 2022 / EDICIÓN 536 21 b) Ante la falta de resultados como las leyes de oro y plata en línea en todo el proceso, la aplicación de los diseños de experimentos basados en la data estadística es una herramienta poderosa y necesaria que nos permitirá manejar un proceso de la mejor forma. Identificación del problema En la planta de procesamiento de minerales van a existir diferentes variables que influyen en los resultados. Para el caso de una planta de procesamiento de oro mediante el proceso Merrill Crowe, estas variables son: el tipo de mineral, tonelaje tratado, carga de bolas, clasificación adecuada, dosificación de cianuro, pH de la solución y otros. El trabajo realizado se enfoca en tres variables independientes que tienen influencia en el resultado de la ley del relave sólido, estas son: Tabla 1. Reacomodo de Datos Fuente: Datos internos del proceso CMPSA. Fuente: Propia del proceso. Figura 3. Esquema analizado. Figura 4. Diseño factorial.
MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero MINERÍA / MAYO 2022 / EDICIÓN 536 22 1. Ley del mineral que ingresa al molino primario (molino 8x10). 2. Concentración de cianuro en la descarga del molino primario (molino 8x10). 3. Concentración de cianuro en la descarga del molino 5x10 (remolienda de concentrados). Descripción del proceso La planta Marañón, cuando se decidió aplicar el diseño de experimentos, contaba con tres molinos, de dimensiones M8x10, M6x7 y M5x6 y el control del cianuro se tomaba en la descarga de los molinos, el cual consistía en conocer el pH que oscilaba de 10.8 a 11.2 y la concentración de cianuro era 800 ppm, 700ppm y 600 ppm, respectivamente, que se debía mantener durante todo el proceso, estos tres molinos se encargaban de reducir la partícula del mineral de 98%-m3/8” a 60%-m200 , ver Figura 1. El mineral, una vez molido y lixiviado el oro por el cianuro, adopta la forma de pulpa, la cual recorre la siguiente etapa del circuito de equipos auxiliares conformado por espesadores que recuperan la solución rica, agitadores que dan un mayor tiempo de lixiviación, espesadores Fuente: Datos internos CMPSA (abril-septiembre 2017). Figura 5. Matriz de diseño factorial de datos de planta Marañón. Fuente: Aplicación de función estimación lineal hoja Excel. Figura 6. Resultados estimación lineal. Figura 7. Resultados de relave sólido (real y simulado) de tabla 2. Figura 8. Diagrama Pareto de la tabla 3.
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MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero MINERÍA / MAYO 2022 / EDICIÓN 536 24 que realizan el lavado en contra corriente de la pulpa cargada de oro residual en solución, para posteriormente evacuar al relave la pulpa empobrecida, cuya ley de oro es analizada en el laboratorio químico, ver Figura 2. Proceso donde se aplica el diseño de experimentos Todo este proceso descrito en los equipos auxiliares se puede denominar sistema, para nuestro análisis con el diseño de experimentos quedaría de la forma como se observa en la Figura 3. Plasmar el proceso en una función Para este análisis hay que tener en cuenta el tiempo de residencia del circuito, para formar una matriz de entrada y salida de las leyes del mineral, por lo que se deben de reacomodar los datos de reporte diario de acuerdo al tiempo de residencia para trabajar con la misma partícula lixiviada (considerar el cortocircuito despreciable para obtener algo teórico que después será probado en campo). Ver Tabla 1. Una vez reacomodados los datos se tiene una variedad de data con resultados en planta, los cuales son analizados, se procede a verificar las cifras mínimas y máximas para nuestro diseño factorial como se observa en la Figura 4, pero como no se tienen datos precisos en planta como mínimo y máximo, como se tendría en un laboratorio, tomamos un rango en el cual se tiene data real como se observa en la Figura 5. Estos datos son tomados del seguimiento que se realizó al proceso de lixiviación de planta entre Tabla 2. Errores entre el Valor Real y el Valor Simulado Fuente: Comparación de datos internos del proceso.
MINERÍA la mejor puerta de acceso al sector minero MINERÍA / MAYO 2022 / EDICIÓN 536 25 los meses de abril a septiembre de 2017 según el enfoque de la Figura 3. De estos datos obtenidos de mínimos y máximos en planta, procedemos a buscar un modelo matemático que nos describa el proceso en sí, encontrando en Excel la función estimación lineal, la que se ajusta a nuestro proceso r2 = 0.806 como se observa en la Figura 6. Con estos valores procedemos a formar nuestra ecuación de simulación o predicción de la ley del relave sólido que se va a obtener en planta. Tamaño de la muestra finita Para validar los datos se recurrió a la estadística según el tamaño de muestra necesaria para que los resultados sean confiables. El análisis de los datos de planta se realizó desde abril a septiembre de 2017, todos los días en los tres turnos teniendo como datos analizados y depurados 324. N = 324 Z2 α=confiabilidad=95%, α=0.05,Z= 1.96 p = Proporción esperada = 5% = 0.05 q = 1 – p = 0.95 p + q = 1 e = Precisión en la muestra 3% =0.03 n = muestra Por lo que son necesarios 124 datos que cumplan la condición de la ecuación descrita para que el cálculo sea confiable. Cálculo del error de la ley de relave sólido verdadero y relave simulado Con la fórmula hallada procedemos a simular los resultados y a calcular el error, entre el valor verdadero de la ley de relave sólido y el valor de la ley del relave simulado, ver Tabla 2 y Figura 7. Rango de trabajo de la ley de cabeza en la planta de procesos Hay que tener en cuenta que la ley de cabeza del mineral que ingresa al proceso, comenzando por el molino, es variable por tratarse de mineral de terceros o mineros que venden a la empresa, que traen de diferentes leyes por lo que se hizo un diagrama de Pareto para encontrar entre que valores las leyes de cabeza mayormente fluctúan, encontrando que varían entre [13-22] g/t., ver Tabla 3 y Figura 8. Tabla 3. Tabla de Frecuencia de Leyes de Cabeza Fuente: Resumen de datos de reporte diario de abril a diciembre 2017 de CMPSA. Tabla 4. Cuadro Resumen en Planta MN
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