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Tecsup Virtu@l Trituración de Minerales
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Trituración de M inerales
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ÍNDICE 1. 2. 3.
4. 5. 6. 7.
Introducción ....................................................................................... 3 Objetivos ............................................................................................. 3 Trituración de minerales................................................................... 3 3.1. Conminución ......................................................................... 4 3.2. La liberación .......................................................................... 5 3.3. Mecanismos de conminución.............................................. 6 3.3.1. Fractura................................................................... 7 3.3.2. Astillamiento ......................................................... 8 3.3.3. Abrasión ................................................................. 8 Relaciones energía - tamaño de partícula....................................... 9 Chancado .......................................................................................... 10 5.1. Chancadoras ........................................................................ 10 5.2. Circuitos de chancado ........................................................ 19 Nuevas tendencias en trituración .................................................. 20 Resumen de la unidad .................................................................... 21
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1. Introducción Las operaciones de concentración de minerales en ciertos casos requieren de una preparación previa de los minerales, la cual se realiza en equipos especiales de trituración. Estas operaciones se llevan a cabo cuando se trata de conseguir el tamaño adecuado con la cual se realizará las operaciones de concentración. Sin embargo, estas operaciones no solamente consistirán en reducir de tamaño la roca mineral, sino que será necesario obtener la granulometría a la cual se logre la liberación de la especie mineral. En esta unidad se revisará los equipos de trituración primarios y secundarios, así como algunos circuitos de chancado. De igual manera se revisarán los conceptos básicos de los mecanismos involucrados en dichas operaciones. 2. Objetivos • •
•
Revisar los conceptos fundamentales de los mecanismos de chancado. Identificar variables operativas relacionadas con las operaciones de trituración y su influencia en la eficiencia de los equipos. Reconocer los mecanismos involucrados en la fracturación de las rocas minerales.
3. Trituración de minerales
Figura 1. Planta de chancado
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3.1.
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Conminución Conminución es un término general utilizado para indicar la reducción de tamaño de un mineral y que puede ser aplicado sin importar el mecanismo de fractura involucrado. Entre los equipos de reducción de tamaño se incluyen, entre otros, chancadoras (trituradoras), molinos rotatorios de varios tipos, molinos de impacto y molinos de rodillos. Algunas máquinas de conminución efectúan la reducción de tamaños a través de compresión lenta, algunos a través de impactos de alta velocidad y otros principalmente a través de esfuerzos de corte o cizalle. El rol de la conminución y de las operaciones unitarias relacionadas a ella es de gran importancia. Esto es especialmente cierto en términos de los costos de operación, ya que estos procesos unitarios representan la mayor fracción de los costos totales en el procesamiento de minerales. Razones para reducir de tamaño un mineral •
Lograr la liberación de especies minerales comerciables desde una matriz formada por minerales de interés económico y ganga.
•
Promover reacciones químicas rápidas a través de la exposición de una gran área superficial.
•
Para reducir un material con características de tamaño deseables para su posterior procesamiento, manejo y/o almacenamiento.
•
Para satisfacer requerimientos de mercado en cuanto a especificaciones de tamaños particulares en el producto.
Se propone una clasificación de etapas básicas de reducción de tamaño de partículas que se presenta en la tabla 1.
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Tabla 1. Etapas básicas de conminución Etapa de reducción de tamaño Explosión destructiva Chancado primario Chancado secundario Molienda gruesa Molienda fina Remolienda Molienda superfina
Tamaño mayor Infinito 1m 100 mm 10 mm 1 mm 100 µm 10 µm
Tamaño menor 1m 100 mm 10 mm 1 mm 100 µm 10 µm 1 µm
Las etapas de conminución se realizan para facilitar el manejo del material proveniente de la mina y luego, en sucesivas etapas de chancado y molienda, para separar mineral de la ganga. 3.2.
La liberación Cuando las partículas de una mena están formadas por los minerales, se habla de partículas libres; cuando ellas consisten de dos o más especies minerales se les llaman partículas mixtas. El grado de liberación de una especie mineral particular es el porcentaje de partículas individuales de ese mineral que ocurren en forma libre o mixta. La Liberación es la separación de los componentes minerales de la mena. Causas de la separación o fractura en materiales Debilidades macroestructurales, como planos de estratificación en el carbón.
Debilidades microestructurales, como esquistos en algunos minerales.
Diferencias microestructurales en Propiedades físicas de minerales adyacentes, como dureza, fragilidad y clivaje.
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La decisión de efectuar la fractura de partículas utilizando procesos de conminución en húmedo o seco, depende del tipo de material a procesar o del producto a obtener. Los principales factores que determinan que un mineral sea procesado en vía húmeda o seca fueron presentados por Taggart en 1927. Factores que determinan que un mineral sea procesado por la vía seca o húmeda:
3.3.
•
Características físicas y subsecuente utilización o requerimientos de proceso.
•
Efecto del material en el equipo de molienda, tales como, abrasión, corrosión y compactación en la zona de molienda.
•
Forma, distribución de tamaños y calidad del producto deseado.
•
Consideraciones económicas, condiciones climáticas, disponibilidad de agua, factores ambientales y de seguridad, tales como, ruidos, polvos y vibración excesiva.
Mecanismos de conminución Los minerales poseen estructuras cristalinas y sus energías de unión se deben a los diferentes tipos de enlace que participan en la configuración de sus átomos. Estos enlaces interatómicos son efectivos sólo a corta distancia y pueden ser rotos por la aplicación de esfuerzos de tensión o compresión. Para desintegrar una partícula se necesita una energía menor que la predicha teóricamente, debido a que todos los materiales presentan fallas que pueden ser macroscópicas (grietas) o microscópicas. Se ha demostrado que estas fallas son sitios en las que se concentran los esfuerzos aplicados. Las grietas se activan aumentando la concentración de esfuerzos, que causan su propagación, produciendo la desintegración de la partícula.
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Mecanismos presentes en conminución
Fractura
Astillamiento
3.3.1.
Abrasión
Fractura Es la fragmentación de un cuerpo sólido en varias partes, debido a un proceso de deformación no homogénea. Los métodos de aplicar fractura en un mineral son: Compresión La aplicación de esfuerzos de compresión es lenta. Normalmente se produce en máquinas de chancado en que hay una superficie fija y otra móvil. Da origen a partículas finas y gruesas. La cantidad de material fino se puede disminuir reduciendo el área de contacto utilizando superficies corrugadas.
Material fino Material grueso
Figura 2. Esquema de la acción de esfuerzos de compresión Impacto Es la aplicación de esfuerzos comprensivos a alta velocidad. De esta manera la partícula absorbe
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más energía que la necesaria para romperse. El producto, normalmente, es muy similar en forma y tamaño.
Material fino (menor que en compresión)
Figura 3. Esquema de la acción de esfuerzos De impacto Cizalle El cizalle ocurre como un esfuerzo secundario al aplicar esfuerzos de compresión y de impacto. Produce gran cantidad de finos y, generalmente, no es deseable.
Figura 4. Esquema de la acción de esfuerzos cizalle 3.3.2.
Astillamiento La ruptura de esquicios y cantos de una partícula, ocurrida por la aplicación de esfuerzos fuera del centro de la partícula, genera el mecanismo de astillamiento.
3.3.3.
Abrasión Cuando el esfuerzo de cizalle se concentra en la superficie de la partícula se produce abrasión.
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4. Relaciones energía - tamaño de partícula Desde los primeros años de aplicación industrial de los procesos de conminución al campo de beneficio de minerales, se pudo constatar la relevancia del consumo de energía específica como parámetro controlante de la reducción de tamaño y granulometría final del producto, en cada etapa de conminución. (Ver tabla 2). En términos generales, la energía consumida en los procesos de conminución se encuentra estrechamente relacionada con el grado de reducción de tamaño alcanzado por las partículas en la etapa correspondiente. Por otro lado, se ha logrado demostrar que en las etapas de chancado y molienda convencional, la energía mecánica suministrada al equipo de conminución supera entre 10 a 100 veces el consumo teórico de energía requerida para crear nuevas superficies, es decir, menos del 10% del total de energía entregada al equipo de conminución es efectivamente empleada en la fragmentación de las partículas. Tabla 2. Rango de aplicación de cada una de las etapas de reducción de tamaños Etapa Chancado
Molienda
Sub-etapa
Rango en tamaño
Primario Secundario Terciario Primario Secundario Terciario
100 a 10 cm 10 al cm 1 a 0,5 cm 10 al mm 1 a 0,1 mm 100 a 10µm
Consumo de energía (kWh/t) 0,3 a 0,4 0,3 a 2 0,4 a 3 3a6 4 a 10 10 a 30
Es importante establecer correlaciónales confiables entre la energía específica, kWh/t consumida en un proceso de conminución y la correspondiente reducción de tamaño alcanzada en dicho proceso, a objeto de determinar la eficiencia energética de los respectivos equipos, facilitar su propia elección y proyectar su correcto dimensionamiento a escala industrial.
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5. Chancado El diseño de las máquinas de reducción de tamaño cambia marcadamente a medida que cambia el tamaño de las partículas. Virtualmente en todas las máquinas las fuerzas de fractura son aplicadas por compresión o impacto. Los productos en cada caso son similares y la diferencia entre las máquinas está asociada principalmente con los aspectos mecánicos de aplicación de la fuerza a los varios tamaños de partículas.
Cuando la partícula es grande, la energía para fracturar cada partícula es alta aunque la energía por unidad de masa es pequeña. A medida que disminuye el tamaño de la partícula, la energía por unidad de masa necesaria para fracturarla aumenta con mayor rapidez. Consecuentemente, las chancadoras tienen que ser grandes y estructuralmente fuertes mientras que los molinos deben ser capaces de dispersar energía sobre una gran área. 5.1.
Chancadoras El chancado es la primera etapa de la reducción de tamaño. Generalmente es una operación en seco y usualmente se realiza en dos o tres etapas, existiendo en algunos casos hasta cuatro etapas. El chancado se realiza mediante máquinas pesadas que se mueven con lentitud y ejercen presiones muy grandes a bajas velocidades. La fuerza se aplica a los trozos de roca mediante una superficie móvil o mandíbula que se acerca o aleja alternativamente de otra superficie fija capturando la
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roca entre las dos. Una vez que la partícula grande se rompe, los fragmentos se deslizan por gravedad hacia regiones inferiores de la máquina y sometidas de nuevo a presiones, sufriendo fractura adicional. Las chancadoras pueden clasificarse básicamente de acuerdo al tamaño del material tratado con algunas subdivisiones en cada tamaño de a la manera en que se aplica la fuerza (ver tabla 2). En el chancado primario de minerales se utiliza principalmente chancadoras de mandíbula o giratorias. En el secundario, chancadoras de cono. Mientras que en el chancado terciario se utilizan casi universalmente chancadoras de cono. Alternativamente, cuando existe chancado cuaternario, las chancadoras utilizadas son de cono. Trituradoras
Chancadora primaria
Chancadora secundaria
Chancadoras primarias Las chancadoras primarias se caracterizan por una aplicación de fuerza con baja velocidad a partículas que se ubican entre dos superficies o mandíbulas casi verticales, que son convergentes hacia la parte inferior de la máquina y que se aproximan y alejan entre sí con un movimiento de pequeña amplitud que está limitado para evitar el contacto entre mandíbulas. Ejemplo Práctico Estimación de consumo de energía en chancadoras La potencia requerida para el chancado de un tamaño determinado hasta la granulometría deseada, se puede calcular en forma aproximada por la fórmula de Bond:
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W = 10wi
1 P80 −
1 F 80
Supongamos que wi=15 KWH/TC, F80=50cm.=500000 micras P80 = 7.5 cm. = 75000 micras; entonces: W = 150(3.65/1000 – 1,41 / 1000) = 0.34 KWH / TC Si el tonelaje horario llegará a 500 TC/h, la potencia requerida sería (sin incluir pérdidas de transmisión): 500 * 0.34 = 170 KW Chancadoras giratorias Las chancadoras giratorias (figuras 5 a y b) son usadas primordialmente para chancado primario, aunque se fabrican unidades para reducción más fina que pueden usarse para chancado secundario. La chancadora giratoria, consiste de un largo eje vertical o árbol que tiene un elemento de molienda de acero de forma cónica, denominada cabeza el cual se asienta en un mango excéntrico. El árbol está suspendido de una araña y a medida que gira, normalmente entre 85 y 150 r.p.m., describe una trayectoria cónica en el interior de la cámara de chancado fija, debido a la acción giratoria de la excéntrica. Al igual que en la chancadora de mandíbula, el movimiento máximo de la cabeza ocurre cerca de la descarga. Esto tiende a aliviar el atorado debido al hinchamiento y la máquina trabaja bien en chancado libre. El árbol esta libre para girar en torno a su eje de rotación en el mango excéntrico, de modo que durante el chancado los trozos de roca son comprimidos entre la cabeza rotatoria y los segmentos superiores del casco y la acción abrasiva en dirección horizontal es despreciable.
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Figura 5 (a) - Esquema de una trituradora primaria En cualquier sección cuadrada de la máquina hay en efecto dos sets de mandíbulas, abriéndose y cerrándose. Debido a que la chancadora giratoria chanca durante el ciclo completo, su capacidad es mayor que la de una chancadora de mandíbulas de la misma boca y generalmente se prefiere en aquellas plantas que tratan tonelajes grandes de material. En minas que tienen capacidades giratorias. Las chancadoras giratorias grandes, frecuentemente trabajan sin mecanismos de alimentación y se alimentan directamente por camiones. Si la alimentación contiene demasiados finos puede que haya que usar un grizzly. Esto reduce el costo de la instalación y reduce la altura desde la cual cae el mineral, minimizando así el daño a la araña de centrado. El casco exterior de la chancadora es construido de acero fundido o placa de acero soldada. El casco de chancado está protegido con revestimientos o cóncavos de acero al manganeso o de fierro fundido blanco (Ni - duro)
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reforzado. Los cóncavos están respaldados con algún material de relleno blando, como metal blanco, zinc o cemento plástico, el cual asegura un asiento uniforme contra la pared. La cabeza está protegida con un manto de acero al manganeso. El manto está respaldado con zinc, cemento plástico o más reciente, con resina epóxica. El perfil vertical con frecuencia tiene forma de campana para ayudar al chancado de material que tiene tendencia al atorado. El mango excéntrico, en el cual calza el árbol está hecho de acero fundido con revestimientos reemplazables de bronce.
Figura 5b. Esquema de trituradora giratoria
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El tamaño de las chancadoras giratorias se especifica por la boca (ancho de la abertura de admisión) y el diámetro del manto. Así, una chancadora giratoria de 42 x 65 pl., tendrá un ancho de admisión de 42 plg. Y un manto de 65 plg. de diámetro. El ángulo de mordida es este tipo de chancadora normalmente es mayor que al de mandíbulas, generalmente 25º.
Figura 6. Dimensionamiento de chancadoras Chancadora de mandíbula
Figura 7. Figura de una chancadora de mandíbula Consta de un marco o caja, robusto de acero fundido o similar, con una cámara de chancado en un lado, formada por una mandíbula fija (hacia el extremo) y una mandíbula móvil (más hacia el interior) ambas revestidas con “liners” reemplazables de desgaste de una aleación de alta resistencia al impacto y a la abrasión. La mandíbula móvil es impulsada por un
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poderoso mecanismo excéntrico que ejerce una presión elevada sobre los trozos de mineral hasta exceder su límite de ruptura como se verá, los trozos de mineral se trituran en realidad según grietas preexistentes. El tamaño de la chancadora se expresa de acuerdo al área de entrada, es decir, la distancia entre las mandíbulas en la abertura de alimentación que se denomina boca y el ancho de las placas (longitud de la abertura de admisión). Es una chancadora de 30’’ x 48’’ tendrá una boca de 30 plg. y un ancho de placas de 48 plg. Al seleccionar la chancadora apropiada para mineral de un cierto grosor, debe procurarse que la dimensión mayor de las rocas no debe sobrepasar el 80% de la distancia entre quijadas. La regulación de la abertura de descarga o “setting” de la máquina, se efectúa reemplazando el “toggle”. Otros detalles constructivos son visibles debiendo acentuarse la importancia de la lubricación que debe ser automática. También se destaca la calidad y el perfil de los revestimientos o “corazas” de las mandíbulas fija y móvil, que son normalmente de una buena aleación de acero autentico al Mn (12-14% Mn y a veces hasta 2% Cr).
Figura 8. Esquema de una trituradora primaria Su diseño será tal, que se mantenga el ángulo óptimo de ataque; por ejemplo, el ángulo con que se produce la compresión de las quijadas para “atrapar” y forzar las partículas de mineral a descender por la cámara de
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chancado para ser fracturado. El ángulo de ataque más frecuente varía entre 19 y 25 grados, dependiendo tanto de la naturaleza del mineral como del estado de desgaste de las corazas. Además, las corazas pueden ser planas o corrugadas y reversible (o de 2 usos) o irreversibles (1 solo uso). Ver figura 8. Comparación entre chancadoras primarias Al decidir entre una chancadora giratoria y una de mandíbula para una aplicación particular, el principal factor es el tamaño máximo del mineral que deberá tratar la trituradora y la capacidad requerida. Trituradora de quijada
Trituradora giratoria
Acción intermitente. Trituradora con toda su superficie la mitad de tiempo. Favorable en pequeñas instalaciones (subterráneas). Trabaja mejor bajo condición de no-ahogamiento.
Acción continua. Trituradora con la mitad de su superficie todo el tiempo.
Se usan cuando la abertura de la trituradora es más importante que la capacidad.
Favorable en grandes instalaciones (tajo abierto). Puede trabajar en su máxima capacidad con la cabeza sepultada en un mineral. Se usan si es necesario una alta capacidad.
Chancadoras secundarias y terciarias
Figura 9. Esquema de un corte transversal de una chancadora cónica
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Las chancadoras secundarias son más livianas que las máquinas primarias, puesto que toman el producto chancado en la etapa primaria como alimentación. El tamaño máximo normalmente será menor de 6 ú 8 plg. de diámetro y, puesto que todos los constituyentes dañinos que vienen en el mineral desde la mina, tales como trozos metálicos, madera, arcilla y barro han sido ya extraídos, es mucho más fácil de manejar. Las chancadoras secundarias también trabajan con alimentación seca y su propósito es reducir el mineral a un tamaño adecuado para molienda o chancado terciario si el material lo requiere. Las chancadoras usadas en chancado secundario y terciario son esencialmente las mismas, excepto que para chancado terciario se usa una abertura de salida menor. La mayor parte de chancado secundario y terciario (chancado fino) de minerales se realiza con chancadoras de cono. La chancadora de cono La chancadora de cono es una chancadora giratoria modificada. La principal diferencia es el diseño aplanado de la cámara de chancado para dar alta capacidad y alta razón de reducción del material. El objetivo es retener el material por más tiempo en la cámara de chancado para realizar mayor reducción de éste en su paso por la máquina. El eje vertical de la chancadora de cono es más corto y no está suspendido como en la giratoria sino que es soportado en un soporte universal bajo la cabeza giratoria o cono (figura 9). Las chancadoras de cono se especifican por el diámetro del revestimiento del cono. Los tamaños pueden variar desde 2 hasta 10 pies y tienen capacidades de hasta 3000 tc/h para aberturas de salida de 2 1/2 plg. La amplitud de movimiento de una chancadora de cono puede ser de hasta 5 veces la de una chancadora primaria que debe soportar mayores esfuerzos de trabajo. También operan a mucha mayor velocidad. El material que pasa a través de la chancadora está sometido a una serie de golpes tipo martillo en vez de una compresión lenta como ocurre con la cabeza de la chancadora giratoria que se mueve lentamente.
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Figura 10. Recorrido de las partículas en la cámara de chancado La acción de la alta velocidad permite a las partículas fluir libremente a través de la chancadora y el recorrido amplio de la cabeza crea una gran abertura entre ella y el casco cuando está en la posición completamente abierta. Esto permite que los finos chancados sean descargados rápidamente, dejando lugar para alimentación adicional. La Figura 10 muestra un esquema representativo de lo que ocurre en la cámara de chancado al entrar mineral. 5.2.
Circuitos de chancado
Figura 11. Figura que muestra el área de chancado en una Concentradora La planta de chancado debe producir un material adecuado para alimentar el molino SAG o molinos
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convencionales. De ésta forma, el propósito es lograr un producto lo más fino posible en la planta de chancado debido a que los costos de chancado son considerablemente menores que los costos de molienda convencional. Para lograr el grado de reducción deseada del material normalmente es necesario usar varias etapas de chancado. Aún cuando una chancadora tiene la capacidad de alcanzar una alta razón de reducción normalmente es más eficiente hacer funcionar la chancadora con una abertura de salida ajustada a un valor medio en vez de escoger la posición más cerrada, que ofrece la razón de reducción más alta. La principal consideración en cada etapa de chancado para maximizar la producción, es el uso de la energía. Hay una abertura de salida óptima para cada chancadora y un número óptimo de etapas de chancado requeridos para maximizar la producción basado en las características individuales del material en tratamiento. Sobrecargar la chancadora no aumenta la producción sino, todo lo contrario, es contra productiva y disminuirá la vida de los componentes de la chancadora. Operar la chancadora con una abertura de salida demasiado estrecha disminuye su capacidad y produce alto desgaste. Una abertura muy ancha, en proporción al tamaño máximo de alimentación, impedirá el chancado en la zona superior y desarrollará excesivo consumo de potencia. 6. Nuevas tendencias en trituración La gran novedad en molienda son los molinos de rodillo de Alta Presión (HPGR por sus siglas en inglés, High Pressure Grinding Rolls), Los molinos de rodillos de alta presión actualmente están demostrando ser una alternativa viable y confiable en los circuitos de conminución. Las prensas de rodillos fueron introducidas como nueva tecnología de molienda en 1984, siendo desde entonces instaladas con éxito en un gran número de plantas, sobre todo de cemento y caliza, en todo el mundo. Recientemente, las prensas de rodillos han sido empleadas asimismo en plantas de procesamiento de minerales.
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La conminución de alta presión se consigue empleando un tipo avanzado de rodillos de molienda. Contrariamente a los rodillos convencionales de trituración, las partículas son trituradas mediante compresión en un lecho relleno y no por el contacto directo de partículas con los dos rodillos. Este lecho de partículas es creado por presión entre dos rodillos en rotación opuesta. Entre estos rodillos se prensa una camada de partículas. Esta compresión se consigue aplicando una elevada presión, excediendo la resistencia de compresión del material alimentado. Durante este proceso de compactación, el material es molido con una extensa distribución de tamaños de partículas con una elevada proporción de materiales finos, compactados en forma de escamas.
Figura 12. Esquema que muestra un HPGR en el área de chancado
7. Resumen de la unidad La presente unidad comprende los aspectos fundamentales de las operaciones de trituración de minerales y los mecanismos involucrados en tal operación. Como todos sabemos las especies minerales valiosas se encuentran entrelazadas con rocas minerales sin valor económico, es decir, lo que denominamos ganga. Por tal motivo es necesario efectuar la operación de liberación de la especie valiosa. Para ello se somete el mineral bruto a la acción de máquinas trituradoras en una serie de etapas, con lo cual se
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entrega el material a un tamaño adecuado para ser tratado a la molienda, en donde se completará la liberación. La trituración primaria se realiza en chancadoras giratorias y de mandíbula y comprende la reducción de tamaño desde la voladura hasta un tamaño promedio de 100 mm, la trituración secundaria reduce el material hasta un promedio de 10 mm. El mineral podrá ser reducido aún más de acuerdo a las características del mineral, en una posterior trituración terciaria y hasta cuaternaria. Se revisan también en este capítulo los mecanismos que participan en la fractura de la roca mineral y de la estimación de la energía necesaria para reducción de tamaño, estudiando las relaciones que existen entre la energía entregada por la máquina trituradora y el tamaño de partícula a la cual se desea llegar, de acuerdo a los postulados de Bond.
FIN DE LA UNIDAD
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