Por: Jorge Ganoza, metalurgista.

Introducción

Existe un desafío de largo tiempo en la industria minera para mejorar los resultados de los programas de pruebas de flotación de laboratorio y escalarlos a una planta industrial. Muchas veces, el problema está asociado a una frase típica, “puede funcionar así en el laboratorio, pero nunca funcionará así en la planta”. En ocasiones, no es posible obtener información de la planta piloto. La sustitución se puede realizar considerando información confiable de programas de pruebas. 

Esta dificultad para escalar datos de un nivel de operación a otro, plantea serios problemas económicos que los operadores de planta creen que deben abordarse porque los trabajadores del laboratorio tienen que contentarse con trabajar en problemas que perciben que pueden resolverse cuando se producen desarrollos prometedores en el laboratorio, y que la empresa minera tal vez no pueda obtener los beneficios económicos debido a que esta mejora no se reprodujo exitosamente en la planta. 

El diseño de un circuito de flotación para tratar un yacimiento específico puede no ser óptimo, lo que puede resultar en muchos problemas operativos. Si la reproducibilidad de los resultados fue buena en los programas de pruebas, el diseño y escalamiento serán óptimos.

La prueba de flotación primaria (rougher) es generalmente el primer paso en el programa de ensayos de flotación. Las condiciones empleadas en las pruebas deben ser fácilmente transferibles a operaciones de gran escala, y es importante el uso de un procedimiento que pueda duplicar fielmente los resultados, en otras palabras, la reproducibilidad es un punto clave. 

Un aspecto importante en los programas de pruebas de flotación es la simplicidad para realizar la prueba. Un procedimiento con pasos o reactivos de flotación innecesarios es difícil de escalar. Existe una tendencia a agregar nuevos reactivos o etapas sin evidencia adecuada de que dichos cambios realmente proporcionen una mejora^[1].

Es importante indicar que la máquina de flotación de laboratorio Denver D12 ha sido utilizada durante muchos años como herramienta de preparación para operadores de plantas y por investigadores para evaluar la eficiencia de nuevos sistemas de flotación, y optimizar operaciones. Sin embargo, se observó que se pueden obtener mejores rendimientos reestudiando el diseño de la celda^[2].

Tradicionalmente, los resultados de las pruebas de flotación dependen en gran medida del operador. Esto, a su vez, ha llevado a situaciones en las que diferentes laboratorios metalúrgicos han obtenido resultados de flotación muy diferentes para la misma muestra. La principal causa de la mala repetibilidad de los resultados es la falta de un método consistente para remover la espuma. Esta variación tiene un impacto en el equilibrio del sistema y la rapidez de flotación^[3].

El propósito de este artículo técnico es mostrar un procedimiento de desarrollo para el diseño y operación de una celda de flotación de laboratorio equipada con un deflector de espuma y un sistema de remoción de espumas a una frecuencia determinada. La técnica es aplicable igualmente a la evaluación de nuevas muestras de mineral, que pueden ser muestras de exploración (testigos de perforación) o el estudio de nuevos tipos de mineral de una operación minera existente.

Equipo de flotación Denver D12

La máquina de flotación de laboratorio más utilizada es la Denver D12. El equipo incluye celdas que se agitan mecánicamente y simulan las celdas a gran escala disponibles comercialmente. El diseño es relativamente simple y permite la introducción de aire normalmente a través de un tubo vertical hueco que rodea el eje del impulsor y, a su vez, está equipado con un difusor. 

En este modelo de celda de flotación, la acción del impulsor atrae aire hacia el tubo vertical (es decir, la máquina auto aspira aire del medio ambiente), y la velocidad del impulsor controla la velocidad del aire. La configuración se puede modificar para inyección de aire forzado. De cualquier manera, el impulsor^[4] divide la corriente de aire en finas burbujas. La Figura 1 muestra la celda de flotación Denver D12.

El caudal de aire inducido se incrementa con la velocidad del impulsor, aumenta a medida que disminuye el nivel de pulpa, es mayor a medida que se reduce la densidad de la pulpa y disminuye con la adición de espumante. Estas dependencias se explican a continuación: aumentar la velocidad del impulsor incrementa la succión; la disminución del nivel de pulpa y de la densidad de la misma reduce la contrapresión cerca del impulsor, y la adición de espumante reduce el tamaño de las burbujas que luego se alejan más lentamente del impulsor y esta acumulación reduce la densidad del fluido y el consumo de energía^[5].

En una celda Denver auto aspirante, el aumento resultante en el caudal de aire al incrementar la velocidad del impulsor provoca un mayor tamaño de la burbuja que compensa con creces cualquier efecto del aumento de fraccionamiento de las mismas. El otro efecto del incremento de la velocidad del impulsor es un aumento en la retención de gas de flotación. Al ser mayor la velocidad del impulsor, el gas tiene más tiempo de retención en la celda porque el arrastre de las burbujas y la circulación de la pulpa aumentan al incrementar la intensidad de la turbulencia^[5]. Los límites de entrada y salida del flujo de aire para realizar el modelado Computational Fluid Dynamics (CFD) se muestran en la Figura 2.

Los primeros modelos del equipo Denver eran bastante diferentes a los mostrados en la Figura 1. Un diseño era una celda de flotación Denver Sub-A para recibir 50 gramos. Con este se pudo evaluar el efecto de los reactivos, la densidad de pulpa y otros parámetros habituales. Esta máquina fue útil para estudiar muestras pequeñas, como concentrados obtenidos de otras pruebas, productos de molienda y subproductos químicos. 

Este modelo estaba equipado con un motor monofásico y un interruptor de dos velocidades. No se incluyó un sistema para remoción de espumas de manera controlada^[6]. Similar a este se ofrecieron otros tres modelos para recibir cargas de 500, 1,000, y 2,000 gramos. Estos incorporaron una alimentación positiva hacia el impulsor rodeado de un difusor. La velocidad variable fue obtenida por un motor de velocidad variable con transmisión por faja trapezoidal. Se podía obtener una velocidad lenta para el acondicionamiento y una velocidad alta para la flotación. El ajuste de la velocidad mientras la máquina estaba en funcionamiento se realizaba simplemente moviendo un brazo nivelador (ver Figura 3).

Un factor requerido para establecer el número de celdas para tratar un determinado mineral es el tiempo de flotación. En una prueba, la pulpa se mantiene en la celda hasta que todo el mineral deseado haya flotado a un tiempo determinado. El concentrado se obtiene quitando la espuma con una paleta manual usualmente hecha de madera, metal o plástico. En la mayoría de los casos, la remoción de espumas debe realizarse a un ritmo uniforme (ver la Figura 4). El tiempo normalmente estará en el rango de 5 a 20 minutos, lo que variará con diferentes minerales y debe registrarse como parte de los datos de la prueba. 

El concentrado de flotación primario (rougher) se puede producir en celdas para recibir 1,000 o 2,000 gramos, y generalmente se limpia con una densidad de pulpa menor que la flotación primaria, utilizando una celda para 250 o 500 gramos^[7].

La mayoría de las veces, si el operador de flotación no tiene suficientes habilidades, los problemas aparecerán después de los resultados de las pruebas de los primeros días, especialmente si algunas se repitieron para confirmar los resultados. La recuperación en términos de precisión no se puede lograr con un número razonable de pruebas. El problema puede ser más complejo cuando el laboratorio de metalurgia emplea diferentes máquinas de flotación o cuando la misma muestra es analizada por diferentes laboratorios utilizando diferentes celdas de flotación^[8]. 

Por ese motivo, es importante considerar un buen protocolo de flotación y un equipo estándar para minimizar el error humano. Los resultados de los perfiles de tiempo y recuperación, y la selectividad de la máquina de flotación, expresados en términos de las curvas grado – recuperación para una misma muestra de mineral, se muestran en la Figura 5.

Como el propósito de un programa de pruebas de flotación es simular una planta de proceso a gran escala, la máquina de flotación de laboratorio con la mejor cinética de flotación y recuperación en el laboratorio podría o no proporcionar los datos más deficientes para escalamiento^[8]. Por esa razón, es importante repetir las pruebas óptimas para confirmar los resultados y no generar datos no confiables.

Diferentes laboratorios metalúrgicos realizan pruebas de flotación utilizando una máquina Denver D12. Sin embargo, emplean diferentes medios para remover la espuma. En algunos casos, los resultados son óptimos, pero la reproducibilidad no es buena. Como consecuencia, existen interpretaciones incorrectas que pueden llevar al investigador a tomar decisiones equivocadas. La incertidumbre de los resultados tiene graves consecuencias en la economía del proyecto o proceso. La Figura 6 muestra cuatro formas de remover la espuma utilizando diferentes medios.

Debido a las peculiaridades de algunos operadores, muchas veces solo un operador puede realizar pruebas para un proyecto en particular. Uno de los objetivos de mejorar la reproducibilidad de las pruebas es superar esta dependencia de los resultados relacionada con las habilidades del trabajador.

Remoción de espumas

Remover mecánico de alta velocidad

Tradicionalmente, se ha usado un dispositivo manual (paleta) para remover la espuma de la celda de flotación. Algunos investigadores intentaron emplear un dispositivo especial para remover la espuma. Uno de los primeros diseños fue para una celda de flotación tipo impulsor-estator de aproximadamente 6,000 cm³ de volumen. El impulsor se hizo funcionar a 2,300 rpm y una paleta mecánica de doble hoja girando a 38 rpm. El aire comprimido, era emitido desde un distribuidor colocado justo encima del nivel del líquido en la parte posterior de la celda, lo cual aseguró un flujo uniforme de espuma hacia el frente de la celda desde todas las zonas de la superficie de la pulpa. 

La parte trasera de la celda estaba hecha de plástico transparente para que se pudiera observar la pulpa durante el funcionamiento. La Figura 7 muestra la celda de flotación equipada con un remover de espumas mecánico^[9].

Celda con inserto y removedor manual de altura fija

Otro diseño consideró un removedor operado a una altura fija y un inserto de acrílico instalado en una celda de flotación Denver D12 usada para carbón. En los programas de pruebas convencionales, el operador puede influir en los resultados seleccionando el área y la profundidad de la espuma a remover. Para evitar este problema, se decidió colocar un inserto de acrílico, que evita la formación de espuma en la parte posterior de la celda y cerca del eje del impulsor. La parte inferior del bloque tiene una inclinación de 45° para guiar las formaciones de aire/carbón hacia el frente de la celda^[3]. 

La Figura 8 muestra el diseño, según el cual la espuma se puede eliminar mediante un remover manual diseñado para cubrir todo el ancho de la celda a una profundidad fija considerando la distancia entre el borde inferior del removedor de espumas y el borde lateral de la celda. Además, el diseño incluía un dispositivo para mantener automáticamente un nivel de pulpa constante. El dispositivo mantenía un flujo constante de agua a la celda mediante un depósito con una carga de agua constante. 

Para la celda de flotación modificada, un remover de espumas de acero inoxidable se deslizaba a través de la espuma cada cinco segundos, y se pudo colectar las espumas removidas. Se puede utilizar un cronómetro para controlar la operación.

Removedor mecánico de dos paletas

Otro laboratorio evaluó la automatización de una máquina de flotación de laboratorio Denver D12. Las principales ventajas incluyeron una reproducibilidad mejorada de los resultados de las pruebas, minimizar los errores del operador, facilidad de operación e intercambiabilidad de las celdas. Inicialmente, la celda se construyó de acero inoxidable y se utilizó para la flotación de carbón. Alternativamente, la celda puede estar hecha de acrílico, de modo que los eventos que ocurren durante la flotación puedan observarse a través de las paredes de la celda.

El diseño básico de esta celda incorpora características muy parecidas a las de una industrial a gran escala. Dos removedores de espumas mecánicos, uno a cada lado, giran alrededor de un eje horizontal fijo a una profundidad determinada. Las paletas giran dentro de bocinas de teflón, ya que los cojinetes convencionales son susceptibles a la corrosión y contaminan la pulpa con fugas de grasa^[10]. La velocidad de rotación de las paletas se puede ajustar entre 0 y 60 rpm mediante un controlador de velocidad y un motorreductor. 

Igualmente, las paletas eran relativamente grandes en comparación con el volumen de la celda para cubrir la mayor superficie posible de la espuma. Dado que la parte superior de la celda está abierta, las paletas y los lados de la celda se pueden limpiar fácilmente rociando agua durante el funcionamiento (ver Figura 9).

Con esta celda se usó un controlador de nivel electrónico tipo sonda. El funcionamiento del controlador se basa en el hecho de que la resistencia eléctrica de la pulpa y la espuma son diferentes. A medida que avanza la flotación, el nivel de pulpa desciende y la punta de la sonda queda expuesta a la capa de espuma. El aumento de resistividad detectado por la sonda indicará al controlador que active la bomba de agua para suministrar líquido de reposición a la celda^[10]. La Figura 10 muestra los resultados de las pruebas cinéticas del cobre. La prueba se repitió tres veces.

Celda sin tubo superior de ingreso de aire

También se diseñó una celda de flotación sin el tubo que aloja el sistema de agitación, en donde se encuentra el impulsor y difusor. Este tipo de celda de laboratorio es conveniente para obtener datos para el análisis de cinética de la flotación, pero las máquinas son costosas, y el mantenimiento del accionamiento inferior es problemático debido a la fuga de pulpa dentro de los cojinetes. 

El cuerpo de la celda en la que se realiza la flotación consta de una columna de vidrio apoyada sobre una placa circular de plástico, que se acopla a la base mediante una brida con una empaquetadura en su interior para proteger la superficie del vidrio. Un eje ingresa a la celda desde la parte inferior y es impulsado por un motor de velocidad variable. Un impulsor de turbina de seis palas está firmemente sujeto al eje y, si es necesario, puede sustituirse fácilmente por un impulsor de geometría diferente. 

El impulsor está rodeado por un estator formado por varillas rectangulares colocadas radialmente para romper las burbujas grandes en más pequeñas. El estator tiene un disco extraíble en la parte superior para evitar que el aire pase por las palas del impulsor y reducir la turbulencia en la celda^[11] (ver Figura 11).

Celda INCO

INCO en Canadá desarrolló una celda de flotación práctica para obtener los resultados de la cinética de flotación, lo cual es importante para estudiar la flotación primaria (rougher). Básicamente, el diseño se puede utilizar en la celda de flotación de laboratorio Denver D12 e incorpora un bloque de desviación para dirigir toda la espuma hacia el frente de la celda, para que se pueda remover toda la espuma. 

Se consideró un sistema mecanizado de remoción de espuma para mantener la misma frecuencia de remoción. Otra característica es el caudal de aire controlado con un rotámetro y una válvula. La propia celda puede estar hecha de Perspex o de acero inoxidable. El control del nivel de pulpa es otra característica importante. La celda tiene un volumen de trabajo de 2.1 litros y es adecuada para recibir 1 kg de sólidos^[12]. 

El uso de una paleta giratoria accionada por motor liberó al operador de una de las actividades más problemáticas y que consumen más tiempo en la ejecución de la prueba de flotación, mantener la misma frecuencia de remoción de espuma. La Figura 12 muestra la vista frontal y lateral de la celda de flotación del laboratorio.

La celda se utilizó para estudiar un mineral de cobre y níquel. La Tabla 1 presenta los resultados de la cinética de flotación de la chalcopirita. La prueba se repitió cuatro veces.

Celda de flotación como domo y placa deflectora

Para evaluar la recuperación de tierras raras, se utilizó una celda de flotación modificada con un domo de acumulación de espuma y una placa deflectora de espuma en la máquina de flotación del laboratorio de Denver. El dispositivo permite el flujo de la espuma concentrada sin asistencia ni restricciones. Durante todo el experimento se utilizó un flujo de aire de 0.5 l/min y una velocidad de agitación de 1,200 rpm. Debido al nuevo diseño de la celda, el investigador no requería ni realizaba el control del nivel de pulpa. En otras palabras, el concentrado rebosaba la celda sin utilizar un dispositivo de eliminación de espuma (manual o mecánico)^[13]. La Figura 13 muestra la celda modificada instalada en una máquina de flotación Denver D12.

Celda de flotación equipada con deflector de espumas

La celda de flotación de laboratorio equipada con un deflector de espuma y un remover mecánico fue construida para ser utilizada en una máquina Denver D12. Fue diseñada considerando las celdas desarrolladas en las referencias 3 y 12. La Figura 14 muestra la celda de flotación.

El deflector de espumas es básicamente un bloque desviador, que puede estar hecho de cloruro de polivinilo (PVC) o Perspex. Las condiciones de la pulpa no se ven afectadas por el uso de este dispositivo. El principal efecto que ocurre es que el área de espumas se reduce con respecto a la celda convencional, por lo que el caudal de aire tendrá que reducirse si se utiliza la misma profundidad de espuma. Dado que el área de espuma se reduce, la prueba se realiza un poco más cerca de las condiciones de la planta que una celda de laboratorio de diseño convencional^{[14, 15]}.

Es importante que la celda tenga los lados inclinados para que el bloque deflector (deflector de espuma) pueda insertarse fácilmente en la celda. Este punto es importante, de lo contrario, al intentar encajar el deflector en la celda convencional, será difícil conseguir un ajuste perfecto. De esta manera, no pueden quedar atrapados sólidos entre el bloque y la pared de la celda. Los lados inclinados resolvieron este problema.

Alternativamente, es posible perforar algunos agujeros en la parte posterior del bloque para poder usar pernos con tuercas de mariposa para apretar el bloque y la celda en la parte posterior. Es mucho mejor hacer un soporte en forma de angular, fijarlo al bloque con pernos para que cuando el bloque se baje al interior de la celda, los dos queden cómodamente juntos. A medida que el bloque se baja a su posición, el soporte lo colocará firmemente en su lugar en la parte posterior de la celda. Esta disposición garantiza que no quede pulpa atrapada entre la celda y la parte posterior del bloque.

El dispositivo mecanizado de remoción de espumas no debe utilizar más de una paleta. La razón de esto es que la constante de cinética de flotación en la ecuación de primer orden puede verse afectada por factores como el caudal de aire y la velocidad de remoción de espuma. Con una sola paleta y removiendo espuma a cada 5 segundos (12 rpm), todavía se obtiene una flotación rápida cuando la profundidad de la espuma es de aproximadamente dos centímetros.  

Las espumas menos profundas producen una cinética de flotación aún más rápida con alrededor del 60 al 70% de recuperación en el primer minuto. El caudal de aire debe producir un número de flujo de aire (air flow number) de aproximadamente 3 x 10^-3[15,16]. El diseño de auto aspiración del equipo de flotación proporciona suficiente succión para permitir tanto la circulación de la pulpa como la difusión de aire que ingresa con presión del medio ambiente^[17]. Como la parte superior de la celda está abierta, la paleta, el deflector y los lados de la celda, se pueden limpiar rociando agua durante el funcionamiento.

Se realizaron una serie de pruebas para evaluar la celda de flotación en la recuperación del zinc. El contenido de plomo en la muestra no era importante. Por esta razón, fue posible hacer flotar el sulfuro de zinc sin flotar el plomo inicialmente. La pirita fue deprimida y, si bien esto fue beneficioso, fue complementario al objetivo principal de rechazar los minerales de ganga. La composición elemental de la muestra se muestra en la Tabla 2.

Para efectuar las pruebas, un kilo de muestra fue molido en un molino de bolas de laboratorio. El objetivo era que el 65% pase la malla 200. Se agregaron Cal, NaCN y NaHSO₃ en el molino de bolas para promover la depresión de la pirita. Los otros reactivos de flotación utilizados fueron xantato isopropílico de sodio (SIPX) como colector y sulfato de cobre como activador. Se añadió MIBC como espumante. También se adicionó cal para regular el pH a 11.0 y deprimir la mayor parte de la pirita.

Las pruebas de flotación se realizaron en una máquina de laboratorio Denver con una celda de 2.2 litros modificada para que se pudieran recopilar datos reproducibles y precisos, que sean adecuados para el análisis cinético. El caudal de aire se reguló utilizando la válvula ubicada en el tubo vertical que contiene al sistema de agitación, para que el flujo de aire deseado pudiera establecerse prácticamente en forma instantánea. 

Se utilizó el deflector de espumas, así como el removedor mecánico de espumas. El agitador funcionó normalmente a 21.7 Hz (1300 rpm). La frecuencia de remoción de espumas fue una vez cada 5 segundos. Se utilizó un cronometro para ayudar al operador a controlar y monitorear la frecuencia de remoción de espumas. Normalmente, las espumas con concentrado se recogieron a los tiempos de 15, 30, 60, 105, 180, 300, 480 y 720 segundos. La prueba se repitió cuatro veces. La Figura 15 muestra el remover mecánico de espumas en operación ubicado adelante del deflector de espumas.

Los resultados de cada una de las pruebas se ajustaron a una ecuación de cinética de flotación de primer orden modificada^[18], a partir de la cual se pudo calcular el tiempo de separación óptimo y la recuperación de zinc. Los parámetros cinéticos K, la constante de velocidad de primer orden y RI, y la recuperación en un tiempo de flotación infinito, se calcularon usando el programa Curve Expert 4.1.

La ecuación de cinética de flotación modificada es R = RI*(1 - exp [1-k*(t + Ø)]) 

R es la recuperación en el tiempo "t".

RI es la recuperación en un tiempo infinito.

k es la constante de cinética de flotación de primer orden (tiempo^-1).

t es el tiempo acumulado de flotación.

Ø es un factor de corrección de tiempo (tiempo).

El factor de corrección de tiempo se agregó en la ecuación de cinética debido a la dificultad de asignar físicamente el tiempo cero. El cronómetro siempre se pone en marcha en el mismo instante que el flujo de aire, y este es nominalmente el tiempo cero. Dado que se necesita un tiempo finito para que se acumule una espuma estable en la superficie de la pulpa, parecería que sería necesaria una corrección negativa del tiempo. De hecho, esto se observa a menudo, especialmente con el componente menos flotable. 

Por otro lado, los sólidos más hidrofóbicos suelen tener algo de aire adherido durante el periodo de acondicionamiento que siempre precede a la introducción de aire, lo que hace que floten más rápido de lo que lo harían en ausencia de este aire adherido. Tal fenómeno causa un factor de corrección positivo porque la flotación parece haber comenzado antes del inicio del flujo de aire.

No es inusual encontrar un factor de corrección negativo para un mineral y un factor de corrección positivo para otro mineral en las mismas pruebas de flotación. Afortunadamente, con las modificaciones de la celda de flotación que se acaban de describir, el factor de corrección de tiempo suele ser pequeño y tiene poco impacto en la recuperación calculada en los momentos de mayor interés^{[19, 20]}.

Los resultados de la cinética de flotación primaria del zinc se muestran en la Tabla 3. La pequeña desviación estándar indica que los resultados se alinean con el promedio. La repetición de las pruebas de flotación ha sido buena.

Los resultados de flotación de zinc se representan en la Figura 16, donde se muestra la recuperación de Zn en función del tiempo de flotación acumulado.

La Tabla 4 muestra los parámetros de cinética para pruebas de flotación de zinc replicadas. Los valores pequeños de la desviación estándar indican que los resultados están alineados cerca del promedio.

Conclusiones

1. Debido a las peculiaridades de algunos operadores, muchas veces solo uno puede realizar pruebas de flotación en un proyecto en particular. Uno de los objetivos de mejorar la reproducibilidad de las pruebas es superar esta dependencia de los resultados relacionada con el trabajador especializado.

2. La celda de flotación Denver modificada es una buena alternativa para obtener información confiable para evaluar el desempeño metalúrgico del circuito de flotación primario (rougher).

3. Los datos obtenidos con la ecuación de cinética de flotación indican la precisión de los resultados cuando se utiliza el deflector de espuma.

4. Sin duda, un sistema de espumas que sea capaz de estabilizar en primer lugar el rendimiento del circuito, y luego controlarlo para obtener datos confiables para diseñar un circuito a gran escala, será considerado bueno.

Referencias

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