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Los efectos de las voladuras en la eficiencia de trituración y molienda y el consumo de energía Lyall Workman1 y Jack Eloranta2

Resumen La voladura tiene un impacto importante en la minería y la molienda más allá de la capacidad necesaria para excavar y cargar el mineral de manera eficiente. Hay un creciente cuerpo de investigaciones de voladuras que indican impactos significativos en la trituración y trituración. Estos incluyen un aumento de la producción a través de una mayor producción y menos retrasos para salvar y atascar el tamaño excesivo. Además, la fragmentación más adecuada para el sistema de trituración está indicada para llevar a reducir el consumo de energía mediante estas actividades, un resultado importante en el entorno actual. Un componente importante de la fragmentación óptima para este propósito parece ser la micro-fractura dentro de fragmentos individuales. Esto difiere de los criterios de fragmentación para la carga, que se centran principalmente en el tamaño del fragmento. Por lo tanto, uno debe analizar la voladura ampliamente para obtener resultados satisfactorios a lo largo de la operación. Este artículo examina el papel que juega la voladura en la trituración y trituración óptimas con énfasis en la reducción de energía. Se estudia el papel de las diferentes fuentes de energía de voladura en la fragmentación y se relaciona con las necesidades de la planta. Se estudia el efecto de diferentes tamaños de alimentación en el consumo de energía en la trituración y trituración. Se examina el papel de la micro-fractura en este proceso. En el entorno actual, es esencial una política de uso de energía donde sea menos costosa y de conservarla donde sea más costosa. Tanto el costo unitario como la eficiencia de los diversos procesos deben ser considerados. Sobre la base de los resultados de este estudio, se discuten los métodos para una asignación racional de la energía. Se señala la necesidad de más investigación en microfractura y de hasta qué punto las mejoras de voladuras en sentido descendente afectan los resultados de las operaciones de la unidad subsiguientes.

Introducción En los últimos años se ha prestado mayor atención al efecto de las voladuras en las operaciones posteriores. En el pasado, el objetivo principal era la capacidad del equipo de excavación para excavar productivamente la roca volada y la cantidad de trozos de gran tamaño producidos. Ahora, se tiene más en cuenta el efecto de la voladura en operaciones más allá de la carga, como trituración y trituración. Hay dos aspectos importantes de la voladura en la fragmentación; Uno se ve y el otro no se ve. El primero es la distribución del tamaño de los fragmentos volados. Esto a menudo se evalúa cualitativamente, por inspección, como buena o mala. También se puede medir cuantitativamente mediante técnicas de análisis de imágenes. Si bien estos métodos no son perfectos, en términos de medición de multas, proporcionan mucho mejor los resultados que las técnicas anteriores, son repetibles y no intrusivos para los procesos de producción. El tamaño de los fragmentos es la parte "vista" de los resultados de voladuras. Es muy importante en la trituración, ya que afecta la producción y el tiempo de inactividad. La fragmentación demasiado gruesa reducirá el rendimiento de la trituradora primaria. El material grueso dará lugar a más tiempo de inactividad para eliminar los puentes y enchufes de la trituradora. La fragmentación deficiente aumentará la carga a las etapas de trituración secundarias y terciarias, si se utiliza, porque habrá menos tamaño que se puede dividir para evitar estas etapas. Esto afectará la productividad y el consumo de energía. Es muy probable que la distribución del tamaño de voladura introducida en la trituradora primaria afecte las distribuciones del tamaño de alimentación a lo largo de las etapas de trituración.

El segundo efecto de la voladura, que es "invisible", es la generación de grietas que se produce dentro de los fragmentos. Existe evidencia sustancial de que tal agrietamiento ocurre. El trabajo de Nielsen y Kristiansen (Fragblast5, 1996) es un excelente ejemplo. Las fracturas generadas en los fragmentos pueden ser macrofracturas o microfracturas. Las microfracturas se desarrollan alrededor de los granos minerales y se ven a través de un microscopio. Las microfracturas tienen la mayor posibilidad de sobrevivir a las diversas etapas de trituración y estar presentes en la alimentación de molienda. El efecto de las fracturas internas es "ablandar" los fragmentos, facilitando su ruptura. Esto tiene beneficios para la productividad, el gasto de energía y el desgaste de los artículos consumibles. Por lo tanto, en el proceso de optimización de voladuras es muy importante, pero no suficiente, saber que la distribución de la fragmentación es adecuada. También se debe tener en cuenta cómo la voladura precondicionará los fragmentos individuales mediante fracturación interna. Mientras que el primer factor es ahora medible directamente, el segundo debe evaluarse a través del estudio de la producción, el consumo de energía y el costo de suministro. Destacan dos factores que son de importancia esencial para determinar la eficacia de trituración y trituración. Uno es la productividad. Ciertamente, hay ejemplos de plantas procesadoras en donde la producción pobre de trituración y molienda ha controlado la producción general de la planta. El segundo es el consumo de energía. Las grandes minas de roca dura gastan enormes cantidades de energía, con costos asociados. Una parte sustancial de esta energía se gasta en trituración y trituración. Más particularmente, el consumo de energía en la molienda es grande. La razón es que el cambio del tamaño de alimentación al tamaño del producto, logrado en la molienda, suele ser mucho mayor que en la trituración. Existe evidencia significativa de que la voladura sí afecta los resultados de trituración y trituración, y que pueden acumularse grandes ahorros en costos (Eloranta, 1995; Paley y Kojovic, 2001). Es razonable postular que la distribución del tamaño de los fragmentos volados y el ablandamiento interno de los fragmentos individuales mediante voladuras puede afectar la eficacia de trituración y trituración, incluso aunque estos procesos son procesos de dos a tres unidades aguas abajo de la perforación y voladura. El papel de las microfracturas es muy importante, especialmente en la etapa de molienda. En general, se considera que los fragmentos se vuelven más duros en cada etapa del tamaño, ya que la alimentación es más pequeña y hay menos fracturas geológicas e inducidas por explosiones en los fragmentos. Dado que la alimentación de molienda es generalmente de menos de 3/4 de pulgada, solo serán las macrofracturas más pequeñas y las microfracturas que sobreviven para reducir la resistencia a la molienda. El grado en que esto sucede actualmente no está claro. Hay evidencia de que el índice de trabajo de Bond se reduce significativamente por voladuras más pesadas (Nielsen y Kristiansen, 1996). Sin embargo, hay investigaciones recientes que sugieren que, si bien se observa un ablandamiento significativo en la etapa de trituración, hay pocos cambios en el nivel de molienda (Katsabanis et al, 2003, 2 artículos). El trabajo de Katsabanis se limita actualmente a la granodiorita, por lo que no se considera el papel del tipo de roca. Como se mencionó anteriormente, también hay estudios en plantas operativas que muestran mejoras importantes en la trituración y molienda de la producción y el costo asociado con los cambios en la voladura. Por razones que se aclaran en este documento, será importante aclarar la capacidad de supervivencia y el papel de las microfracturas en un estudio futuro. Un tercer factor de efectividad en la trituración y molienda es la liberación de minerales. Una mayor liberación significa una mejor recuperación de aguas abajo. Una pregunta actualmente sin respuesta es si la voladura que crea más microfracturas alrededor o a través de granos minerales mejorará la liberación y la recuperación.

Consumo de energía en trituración y molienda La entrada de energía para dimensionar fragmentos de mineral es grande. La reducción general, realizada en una serie de etapas, puede ser desde un tamaño de alimentación del ochenta por ciento que pasa de 40 cm (15.8 pulgadas) a un

tamaño de producto final de 270 a 325 mallas (.053 a .045 mm). Se gasta mucha energía para lograr esto, y no es particularmente eficiente, ya que gran parte de la energía se disipa en forma de calor. Se ha estimado que la eficiencia de molienda puede ser tan baja como el uno por ciento (Hukki, 1975; Willis, 1988). La tercera teoría de la conminución desarrollada por Bond (1952) todavía se usa hoy en día, aunque ha habido avances recientes (King y Schneider, 1995). Utilizando esta teoría, se pueden calcular los requisitos de energía para reducir los fragmentos de un tamaño de alimentación del 80% a un tamaño de producto del 80%. La ecuación de endeudamiento de Bond se indica a continuación: 1 1 𝑊 = 10𝑊𝑖 ( .5 − .5 ) 𝑃 𝐹 Donde    

W = entrada de trabajo, kwh / ton Wi = índice de trabajo para el tipo de roca específico, kwh / ton P = 80% de tamaño de paso del producto. F = 80% del tamaño de paso de la alimentación.

Una razón para usar la tercera teoría de Bond es que el índice de trabajo Wi ha sido medido y reportado para muchas rocas. Usando esta relación, se puede estudiar la entrada de trabajo requerida para diferentes tamaños de alimentación e índices de trabajo en las etapas de conminución. En el estudio actual, la Wi se mantiene constante a lo largo de las etapas, aunque puede, de hecho, variar. Siempre que se mantenga la coherencia, las tendencias en el consumo de energía y el costo serán correctas. Como caso base, asumimos que el mineral de taconita está siendo chorreado con un ANFO pesado (HANFO) que tiene una resistencia de peso absoluta de 3,35 MJ / Kg (801 cal / gm). El tamaño de paso del 80% del mineral chorreado se ha medido y se ha encontrado que es de 40 cm (15.75 pulgadas). El mineral pasa a través de la trituración primaria y secundaria y la molienda. El producto final es 80% pasando por malla 270. Bond ha publicado una red Wi para taconite de 14.87 (1961). Este valor se utiliza en estos cálculos de caso base. La Tabla 1 muestra la alimentación y el tamaño del producto, la entrada total de energía calculada y el costo de energía para cada operación de unidad. El costo explosivo se basa en el factor de polvo de 0.33 kg / tonelada (0.65 lbs / ton) y un costo explosivo de $ 0.264 / kg ($ 0.12 / lb). Se supone que el costo de la energía eléctrica es $ 0.07 por kwh.

Tabla 1: Cálculos de energía y costos por unidad de operación. Operación

Explosivos

Tamaño del Entrada del Costo producto trabajo energético cm kwh/ton $/ton 40 .24 .087 

Trituración Primaria

40

10.2

.23

.016

Trituración secundaria

10.2

1.91

.61

.043

Molienda

1.91

.0053

19.35

1.35

20.43

1.50

Totales

Tamaño de la alimentación cm

Con mucho, la mayor entrada de trabajo está en moler. El tamaño se reduce en un factor de 360. En la trituración primaria, se reduce en un factor de cuatro y en la trituración secundaria aproximadamente cinco veces. Claramente, los cambios en las voladuras que reducen los requisitos de molienda tendrán el mayor impacto para el ahorro de energía. La entrada de trabajo que se muestra para voladuras se calcula mediante la ecuación de Bond. La entrada de energía real es .33 kg / ton, o .31 kwh / ton. Por lo tanto, la eficiencia en comparación con Bond es del 77 por ciento. Esto se debe probablemente a la naturaleza variable de la roca y la transmisión de la energía, y la posibilidad de que Wi sea mayor que 14.87 en el estado sin arrastrado. Sin embargo, el costo de los explosivos es el asociado con el factor de polvo de .31 kwh / ton. Desde el punto de vista del consumo de energía, está claro que la voladura que disminuye el índice de trabajo de Bond producirá grandes ahorros si esa reducción lleva a la molienda.

Cambiando el consumo de energía La energía consumida puede cambiar de tres maneras. Primero, si el tamaño de alimentación a la trituradora primaria disminuye, se requerirá menos energía para triturar el mineral hasta el mismo tamaño de producto. Segundo, una disminución en Wi relacionada con macrofractura y microfractura adicionales dentro de fragmentos individuales. En tercer lugar, un porcentaje mayor del tamaño inferior que pasa por alto las etapas de trituración, lo que disminuye el porcentaje del total de toneladas trituradas. Considere el caso hipotético en el que el factor de polvo en el ejemplo anterior aumenta a 0,45 kg / tonelada (0,90 lb / tonelada), y se produce una reducción asociada en el tamaño de P80 a 30 cm en el mineral chorreado. La entrada de trabajo, suponiendo que no haya cambios en el índice de trabajo, es de .194 kwh / ton. Para una mina que aplasta 50 millones de toneladas por año, se realiza una reducción de 1.8 millones de kilovatios-hora, o alrededor de $ 125,000 por año. La segunda posibilidad es una disminución en Wi. Hay evidencia de que el índice de trabajo tiene una relación con el factor de polvo. Nielsen y Kristiansen examinaron los resultados de la molienda para el núcleo de tres tipos de roca cuando la muestra del núcleo no se sometió a la acción de explosión, y cuando las muestras se sometieron a la voladura de una y dos piezas de cordón detonante (1996). Para taconita, se calculó una reducción sustancial en el índice de trabajo. La reducción fue mayor para el caso de dos cables detonantes que para la prueba de un cable. Hemos utilizado datos sobre las dimensiones del núcleo y el cable detonante utilizado, que se encuentra en su papel, para calcular un factor de polvo. Se supone una densidad de taconita de 3.93 ton / m3 (6000 lbs / cyd). Este factor de polvo derivado debe considerarse solo como una aproximación de primer orden. Los resultados se muestran en el gráfico de la figura 1. Este gráfico muestra una marcada disminución en Wi con el aumento del factor de polvo. También ilustra que la disminución incremental en el índice de trabajo para un factor de polvo más alto es menor, y eventualmente no sería ventajoso para mayores aumentos en la energía explosiva aplicada. La tendencia sugiere que el nivel de energía explosiva en el que no hay mejoras adicionales en Wi puede ser bastante alto. Para el aumento propuesto en el factor de polvo a 0,45 kg / tonelada, este gráfico sugeriría que la Wi 9.5. Sin embargo, para ser algo conservadores, hemos elegido un índice de trabajo de 10.4 para este caso. Se sigue utilizando una red Wi-Fi de 14.87 para destruir el mineral no perturbado.

Una vez más se consideran dos etapas de trituración y un circuito de molienda. El mineral se dimensiona al 80% pasando por una malla de 270. La tabla 2 proporciona los resultados de este análisis. Se utiliza el mismo HANFO como explosivo, y el costo de la voladura se basa en el factor del polvo, que es una entrada de trabajo más alta que la calculada por la Ecuación de Bond.

Tabla 2: Cálculos de energía y costo por unidad de operación con un mayor factor de polvo. Operación

Explosivos

Tamaño del Entrada del Costo producto trabajo energético cm kwh/ton $/ton 30 .27 .119 

Trituración Primaria

30

10.2

.135

.009

Trituración secundaria

10.2

1.91

.428

.030

Molienda

1.91

.0053

13.55

.949

14.38

1.107

Totales

Tamaño de la alimentación cm

En el ejemplo, el trabajo requerido se ha reducido en un 30% y el costo total en un 26%. El costo en trituración y molienda se ha reducido en un 30%. No se tiene en cuenta aquí el aumento de la producción, el desgaste o el aumento del tamaño inferior que pasa por alto las etapas de la trituradora. El trabajo real que aportan los explosivos es de 0,42 kwh / ton, mientras que la ecuación de Bond arroja un requisito de 0,27 kwh / ton. La eficiencia es del 65% y representa la variabilidad del entorno de campo y la naturaleza de la transferencia de energía a la roca. Supongamos que una mina aplasta 40 millones de toneladas por año. En el caso base, la mina gastará $ 60.0 millones por año en energía, como se calcula en la tabla 1. Cuando el factor de polvo aumenta, el requisito cae a $ 44.28 millones. Se realiza un ahorro de $ 15.72 millones por año, o $ 0.39 por tonelada. Esta es una reducción sustancial en el costo.

Es interesante comparar esto con los ahorros reportados por Paley y Kojovic, (2001) como resultado de la implementación de un taladro a molino en la Mina Red Dog. Informaron ahorros que superaron los $ 30 millones por año, con el potencial de mejora adicional. Su caso considera más que el costo de la energía. Lo importante es que sus resultados y el presente análisis utilizando parámetros asumidos son del mismo orden de magnitud. Esto sugiere que, al menos en algunos minerales, la fragmentación interna mejorada transporta los circuitos de trituración y trituración. Sin embargo, se necesita mucho más estudio para determinar si esto es cierto. La magnitud del potencial indica que dicho estudio debe ser una prioridad.

Efecto del índice de trabajo decreciente Claramente, las reducciones en el índice de trabajo tienen el potencial de reducir los costos de consumo de energía. En la figura 2 se presentan el factor de polvo y la reducción en el costo de la energía de trituración y molienda. También se grafica, en el segundo eje y, el aumento en los costos de explosivos asociados con la disminución del índice de trabajo. Para cada índice de trabajo y factor de polvo asociado, se supone que el tamaño de alimentación a la trituración primaria es de 30 cm. En realidad, esto podría cambiar, pero en ausencia de datos específicos para respaldar los cambios en el tamaño de la alimentación, hemos optado por mantener F80 a la trituradora constante. El gráfico se refiere a taconita. La tendencia del factor de polvo se basa en los valores que derivamos del estudio de Nielsen y Kristiansen (1996), pero se incrementa desde la línea de tendencia en la figura 1 para una estimación conservadora. Estos factores de polvo deben considerarse una estimación solamente. Las relaciones deben ser confirmadas por un estudio de campo en minas operativas. Una reducción en Wi de 10.4 a 5.0 está acompañada por una disminución en el costo de trituración y molienda de $ 0.513 por tonelada. El aumento asociado en el costo de los explosivos para el HANFO a $ 0.264 por kilogramo es de $ 0.219 por tonelada. La disminución neta en el costo de energía es de $ 0.294 por tonelada. Para una mina que aplasta 40 millones de toneladas de mineral por año, el ahorro es de $ 11.8 millones por año. Esta es una reducción muy valiosa en costo. Uno observa en la figura 2 que la disminución en el costo de energía de dimensionamiento se reduce a medida que el índice de trabajo disminuye y el aumento del factor de polvo se acelera. Sin embargo, la tendencia sugiere que no se han alcanzado los límites, si las relaciones son verdaderas en la práctica de campo. Esto sería consistente con los hallazgos de Eloranta (1995) y de Paley y Kojovic (2001).

Discusión Este documento se basa en un examen de varios proyectos de investigación y ejecución de simulacros a molino que se han informado. Está destinado a informar al personal de perforación y voladura de las mejoras que la voladura puede afectar en las operaciones de procesamiento. El material presentado debe dejar claro que los ingenieros de voladuras deben trabajar en estrecha colaboración con los ingenieros de procesos para lograr el mejor costo de operación. Los análisis presentados se basan en el supuesto de que la fractura interna que conduce a un ablandamiento de fragmentos individuales, y un índice de trabajo reducido, llevan a la etapa de molienda. Con mucho, el mayor ahorro potencial en la entrada de energía se produce en esta etapa de dimensionamiento. Hay evidencia, como se cita, para apoyar esta opinión. Depende de la producción de microfracturas dentro de los fragmentos. Sin embargo, hay investigaciones recientes que no encontraron reducciones en el índice de trabajo hasta la molienda, al menos en granodiorita, a menos que se empleen niveles de energía de voladura muy altos. La magnitud de los ahorros potenciales hace imperativo que estas preguntas se resuelvan. La investigación adicional y el trabajo en el entorno operativo harán una contribución importante a la comprensión de la broca a la fresa. La investigación debe incluir varios tipos de rocas y geologías estructurales, por lo que se puede entender el papel de la geología en la fracturación interna y el ablandamiento de rocas. Este documento no examina cuantitativamente otros resultados beneficiosos de la voladura mejorada. Sin embargo, estos existen e incluyen: 12345-

Mayor productividad en trituración y molienda. Más bajo tamaño que evita las etapas de trituración. Reducción del desgaste de los consumibles en la trituración, trituración, carga y transporte. Mayor producción de pala y menos gasto energético en la carga. Beneficios terciarios, como la capacidad de usar cajas de camiones livianos debido al servicio menos severo encontrado. Esto también disminuirá el consumo de energía.

Estos factores mejorarán aún más la imagen del costo. Incluso si no se consiguen todos los ahorros de energía en trituración y trituración, es posible un ahorro significativo de costos. Este estudio emplea un factor de polvo más alto para lograr mejores resultados en sentido descendente. Hemos observado numerosos casos en los que este enfoque es beneficioso. Sin embargo, el especialista en fragmentación debe abordar la optimización de taladro a molino con una mente abierta. Dependiendo de la geología y del equipo de trituración y trituración empleado, aumentar el factor de polvo puede no ser siempre la respuesta. Este análisis no considera el costo de perforación. Sin embargo, dependiendo de cómo se logre un mayor factor de polvo, este costo puede aumentar y reducir algunos de los ahorros proyectados. No se incluyen los costos de voladura, como mano de obra, equipos y accesorios, ya que se consideran similares en todos los casos. Los análisis anteriores indican que la optimización de taladro a molino abre muchos aspectos del diseño y la implementación de voladuras. Estos incluyen la selección de explosivos, el factor de polvo, el tamaño del pozo de ventilación, las dimensiones del patrón y la precisión de sincronización.

Conclusiones Se hacen las siguientes conclusiones. 1- Mayor ahorro de energía disponible se encuentra en la molienda debido al gran cambio en el tamaño de partícula alcanzado. 2- Las mejoras relacionadas con la voladura en el esmerilado dependerán principalmente del grado de microfractura que se logre, ya que son estas grietas las que sobrevivirán las primeras etapas de trituración. 3- Se puede lograr una mejora sustancial en el costo. 4- El uso de una mayor entrada de energía en la operación de la unidad de voladura a menudo será menos costoso que gastar la energía aguas abajo. 5- Quedan preguntas sin responder sobre la optimización de taladro a molino. El gran ahorro de costos proyectado, y en algunos casos vistos en la práctica real, hace que la investigación en este campo sea una prioridad urgente para la minimización de los costos de minería.

Referencias Bond, F. C. 1952, The Third Theory of Comminution, Mining Engineering, mayo pp 484-494. Bond, F. C., 1961, Cálculos de trituración y molienda, Parte II, Ingeniería química británica, agosto. Eloranta, J., 1995, La selección de factor de polvo en agujeros de gran diámetro, Proc. De 21 Conf. Anual On Explosives and Blasting Research, Vol. 1, Nashville, TN, pp 68-77 Hukki, R. T., 1975, Los principios de la constitución: un resumen analítico, ingeniería y Diario de minería, vol. 176, pp 106-110 Katsabanis, P., Gregersen, S., Pelley, C., y Kelebek, S., 2003, Estudio a pequeña escala de daños debidos a explosiones e implicaciones en la trituración y trituración, Proc. De la 29ª Conf. Anual En explosivos y la investigación de voladuras, Nashville, TN. Katsabanis, P., Kunzel, G., Pelley, C., y Kelebek, S., 2003, Damage Development in Small Bloques, Proc. De la 29ª Conf. Anual En explosivos y la investigación de voladuras, Nashville, TN. Nielsen, K., y Kristiansen, J., 1996, Blasting-Crushing-Grinding: Optimización de un Sistema Integrado de Conminución. Proc. De FRAGBLAST 5, Fragmentación por voladura, Montreal, Canadá, 25-29 de agosto, pp 269-277. Paley, N. y Kojovic, T., 2001, Ajuste de la voladura para aumentar el rendimiento del molino SAG en el Mina Red Dog, Proc de la 27ª Conf. Anual En Explosivos e Investigación de Explosiones, Orlando, FL. Schneider, C. L., y King, R. P., 1995, una simulación integral de un circuito de contaminación industrial que trata Taconite. XIX Congreso Internacional de Procesamiento de Minerales, San Francisco, CA, octubre Willis, B. A., 1988, Mejora de la Liberación Mineral, Procedimientos de XVI Internacional Congreso de Procesamiento de Minerales, pp 293-297