1. LAS PRIMERAS TECNOLOGÍAS Alrededor del del año 6.000 AC, se utilizaron utilizaron morteros morteros y majares para para la reducción reducción de tamaños. tamaños. Las rocas tales como el basalto y la caliza dura eran los materiales adecuados para la molienda de granos, mientras que las piedras volcánicas muy duras, como los feldespatos, feldespatos, eran las que se utilizaban para la fragmentación fragmentación de las menas. menas. Los mecanismos mecanismos de fractura fractura eran el el impacto y la compresión. compresión. El desgaste desgaste sobre los morteros y majares siempre era un problema, particularmente con las menas. El mortero y el majar probablemente sean la única pieza de los equipos de molienda que no ha cambiado en más de 10.000 años. Aún representan un elemento especial en muchos laboratorios y cocinas, y es utilizado utiliz ado para preparar comida en muchos países desarrollados.
Aproximadamente Aproximadamente 4.000 años años atrás en el el tiempo se inventó inventó el molino de “silla de piedra” piedra” (saddlestone mill). Las sillas de piedra utilizaban una piedra fija en posición horizontal sobre la cual se movía otra piedra hacia delante delante y hacia atrás. atrás. Este molino, el cual cual se basaba basaba en la fuerza muscular muscular de los humanos humanos como fuente de energía, solo se utilizó para la molienda fina de diversos materiales durante más de 1.500 años. Pero trabajar con este molino resultaba ser agotador, con lo cual la molienda consistía en una labor temida y tan profundamente odiada que solo era llevada a cabo por los esclavos, los prisioneros, y la mayoría mayoría de los sirvientes domésticos. domésticos. Estos molinos de piedra resultaron ser esenciales en la vida doméstica en tiempos bíblicos. Resultaron ser la principal herramienta utilizada para la reducción de tamaños hasta cerca del 2.500 AC, cuando se inventó el molinillo de mano (quern). El movimiento rotacional del molinillo era mucho más fácil de mantener que el movimiento hacia atrás y hacia delante de los molinos de silla de piedra. Aún cuando no tenían la capacidad de generar partículas partículas muy finas, con el tiempo, el molinillo se volvió ampliamente utilizado. Se desarrollaron desarrollaron molinillos más grandes, los cuales podían ser movidos con
animales, y, luego de la invención de la rueda de agua, ésta pasó a ser utilizada para mover a estos grandes molinillos.
La molienda de los minerales quedó rezagada por la molienda de granos, debido a que los guijarros duros y abrasivos tenían la tendencia a desgastar y fracturar a las costosas piedras que se empleaban como molinillos. Durante miles de años, los mineros utilizaron cinceles, martillos, piquetas, o palancas como herramientas para liberar a los minerales metálicos y no metálicos empotrados en las formaciones rocosas. Estas herramientas machacaban las rocas para fracturarlas y liberarlas de las rocas de mayor tamaño; los fragmentos de roca eran martillados con rocas más pequeñas o martillos; y los pequeños guijarros eran molidos con las mismas herramientas manuales empleadas para moler a los granos. La reducción de tamaño de los minerales tuvo un cambio importante alrededor del año 1.500 DC, cuando la alta demanda de metales condujo al desarrollo de molinos machacadores (stamp mills)
movidos por la acción del agua, los cuales sirvieron para la molienda de grandes volúmenes de guijarros hasta partículas pequeñas. En los molinos machacadores, los guijarros se hacían añicos mediante el impacto de martillos con superficies protegidas con hierro contra el desgaste.
Aún cuando estos molinos eran mecánicamente complejos, constituyeron las máquinas empleadas para una molienda fina durante 400 años, particularmente porque podían moler rápidamente a los guijarros.
2. EL EMPLEO DE LA FUERZA MUSCULAR EN LA MINERÍA 2.1. Molinillos para la molienda de menas La fragmentación de las menas en tiempos de la Antigua Grecia y del Imperio Romano se efectuaba principalmente mediante la fuerza humana, aunque en el año 200 AC se introdujeron los molinos tirados con animales (cattle mills). El procedimiento usual era para las rocas que debían ser fracturadas con martillos, los guijarros de gran tamaño que debían ser fragmentados en morteros y majares, y los guijarros pequeños a ser fracturados en molinillos. Se utilizaban zarandas hechas con cabello de caballo para separar las partículas finas.
2.2 Martillos, cuñas y fuego En los primeros años de la historia humana, las rocas que eran utilizadas para la construcción de estructuras y monumentos, o para la extracción de metales eran explotadas manualmente mediante el empleo de martillos y cuñas de piedra, madera, o hueso. Esta fue la primera etapa en la reducción de tamaños, la cual varió poco desde la Edad de Piedra hasta el siglo 17, momento en el cual se utilizaron por primera vez los explosivos para fracturar a las rocas. Los martillos y las cuñas empleadas 100 siglos atrás son los mismos que se usan en la actualidad, aunque constituidos con aceros de buena calidad en lugar de piedra. Al igual que el mortero y el majar, los martillos y las cuñas siempre serán empleados por el ser humano. El fuego se introdujo al menos 4.000 años atrás para fracturar a las rocas y hacer más fácil de remover los fragmentos. Se quemaba madera contra una roca durante horas hasta que ésta se volvía muy caliente. La roca colapsaba de manera natural o se le arrojaba agua para inducir dicho colapso. Los guijarros luego podían ser removidos con facilidad. El calor intenso y los humos tóxicos hacían peligroso el uso subterráneo de esta técnica, pero podía ser controlada y era más segura que los explosivos. Aún a finales del siglo 19 se la empleaba para la creación de túneles en la minería subterránea de Europa y Japón, obteniendo un avance de 1,5 – 6 m por mes.
2.3. Trituración manual La segunda etapa de reducción de tamaños en la minería era la trituración manual de las rocas explotadas hasta un tamaño adecuado para el uso de una posterior fragmentación. La trituración manual se empleó ampliamente hasta fines del siglo 19 y aún se la utiliza en muchas regiones del mundo. En el año 1.900, la nomenclatura para la trituración manual se definía como (Foster 1.894):
Ragging: fractura de rocas muy grandes con grandes martillos que pesaban 3,5 – 5,5 kg.
Spalling: es similar al ragging, pero se fracturan rocas pequeñas con martillos de 1,8 – 2,3 kg.
Cobbing: se usan pequeños martillos para golpear al estéril de las rocas.
Bucking: se utiliza un gran martillo chato, de alrededor de 100 mm 2 y con una cara plana, para reducir a la mena hasta un polvo grueso.
2.4. Perforaciones manuales La fragmentación de las rocas mediante la voladura con explosivos comenzó en el siglo 17 y lentamente se volvió parte de la práctica minera. Esto requería que se perforen huecos para poner el explosivo dentro de la roca. La perforación en las rocas no resultaba ser un arte nuevo: “el uso de diamantes para la perforación de las rocas era conocido por las antiguas civilizaciones” (Drinker 1.888), y “los antiguos egipcios utilizaban polvo o guijarros de cor indón para perforar pozos en los depósitos porfíricos” (McGregor 1.967). Los pozos perforados en la antigüedad tendrían pequeños diámetros, pero los pozos para la voladura deben ser más grandes. Hasta el año 1.696, las perforaciones tenían un diámetro de 50 – 62 mm, 1 m de profundidad, y contenían 1 kg de pólvora (Drinker 1.888). Se estima que con buenos martillos y brocas, tres hombres podían perforar un pozo de voladura de 2 m de profundidad en una roca granítica en unas 5 – 6 horas, dependiendo de la roca y la localización en donde se efectuaba el trabajo.
3. MOLINOS MACHACADORES Y TRITURADORAS Hasta el siglo 15, todos los desarrollos importantes en la reducción de tamaños se enfocaron en la industria de la preparación de alimentos, o sea, para la molienda de granos para hacer harina. A pesar de que había una demanda de minerales, particularmente de oro, cobre, zinc, y plomo, y de materiales para la construcción; ésta era pequeña, y los métodos utilizados para la molienda de granos resultaban ser suficientes. Sin embargo, cuando se aplicaban herramientas y máquinas operadas manualmente para la trituración y molienda de rocas y menas, el proceso de reducción de tamaño requería más tiempo debido a que los materiales eran cada vez más duros y por lo tanto era necesario aplicar más energía para fragmentarlos. Las rocas y las menas también eran mucho más grandes que los granos y debían ser fracturadas manualmente antes de ser colocadas en un mortero o en un molinillo. Finalmente, las rocas y las menas eran mucho más abrasivas que los granos, incrementando el desgaste y reduciendo la vida de los equipos de trituración y molienda. La creciente demanda de metales, cemento, y agregados, la cual comenzó alrededor del siglo 15, alcanzó su pico máximo durante los siglos 19 y 20. Para satisfacer la creciente demanda por maquinaria capaz de triturar y moler minerales metálicos y no metálicos, materia prima para el cemento y clínquer, y también a las grandes rocas hasta un tamaño pequeño y adecuado para ser utilizado como agregados; se requería una nueva clase de equipos que empleara fuentes emergentes de energía. Primero se utilizó la energía del agua con las ruedas de agua, las cuales eran capaces de mover a las maquinarias. Luego aparecieron las máquinas de vapor, las cuales condujeron hacia posteriores desarrollos en la reducción de tamaños. A continuación, estuvieron los motores eléctricos reemplazando a los de vapor, re-energizando el proceso en la tecnología de la reducción de tamaños una vez más. Es interesante notar que tanto el agua como el vapor constituían la fuente principal de energía que le da movimiento a las turbinas que abastecen a los generadores eléctricos.
3.1. Molinos machacadores para la fragmentación de la mena A medida que la población mundial y su demanda por minerales continuaba creciendo, se volvió necesario desarrollar una máquina que pudiera triturar a las menas hasta tamaños más pequeños con razones de reducción más elevadas y que también pudieran ser abastecidas con una fuente de energía renovable. Así se introdujeron los molinos machacadores. A comienzos del año 900 DC, los molinos machacadores en seco movidos mediante la fuerza de las personas eran el tipo de máquina empleada para el hierro, y, en el siglo 12, comenzaron a ser utilizados en menor escala para la liberación de minerales desde la mena para una concentración gravimétrica. Los primeros equipos esencialmente consistían en morteros y majares mecanizados. En la siguiente figura, proveniente del libro De Re Metallica (Agricola 1.650) se reproduce un molino machacador y una rueda de agua con un operario moviendo una carretilla de guijarros gruesos de
vuelta hacia el molino para una posterior molienda, y un molinillo cuyo movimiento se debe a una rueda de agua que muele al producto del molino.
Los primeros molinos machacadores en seco se usaron para moler una mezcla de nitrato de sodio o potasio, azufre, y carbono para fabricar pólvora negra, la cual era un explosivo ampliamente utilizado. Allá en el 1.500, el Renacimiento se encentraba en pleno apogeo, y con éste hubo una renovación en la cultura de las artes y las ciencias que habían florecido en tiempos de griegos y romanos. La vitalidad intelectual del Renacimiento creó un ambiente que encaminó a las nuevas ideas y a las mejoras radicales hacia ideas de uso común. La prosperidad resultante generó una gran demanda de metales, y la producción de plata y cobre en Europa Central se incrementó notoriamente entre los años 1.460 y 1.530 (Nef 1.858). Esto requería una capacidad más elevada para la molienda de las menas que la que proporcionaban las máquinas operadas manualmente, y de fuentes de energía renovable, tales como agua y viento, que hasta entonces solo habían sido utilizadas para la molienda de harina. Sigismud von Maltitz introdujo a los molinos machacadores en húmedo en el 1.512 (Scheibe 1.993), y eventualmente se hizo común moler a las menas en estos nuevos molinos, en donde una pulpa que contenía a las partículas finas podía rebosar (overflow) directamente desde los molinos, permitiéndoles operar en continuo. Estos equipos eran abastecidos por ruedas de agua y constituyeron la máquina de trituración y molienda de finos que dominó desde alrededor del 1.500 y hasta la primera mitad del siglo 20.
Estas máquinas eran las únicas disponibles que se encontraban disponibles para moler menas en forma continua hasta un tamaño menor a 1 mm, el cual era el adecuado para efectuar una posterior concentración gravimétrica. Los procesos gravimétricos liberaban a los minerales como plomo y cobre desde las menas con granos relativamente gruesos explotadas en aquella época. Las partículas muy finas producidas en los molinos machacadores, sin embargo, en la actualidad podrían interferir con la concentración gravimétrica. Además, estos molinos eran grandes, pesados, difíciles de mantener, y ruidosos, creando vibraciones a lo largo del área en donde eran instalados. Estos molinos a su vez no eran fáciles de operar eficientemente. Los molinos machacadores alcanzaron su eficiencia máxima, con una producción de hasta unas 200 tpd, a fines del siglo 19 en EEUU y Australia. Las grandes plantas de procesamiento de minerales contenían más de 150 machacas (stamps). Las menas que contenían oro grueso, las cuales fueron explotadas durante los años de la fiebre del oro en California y Victoria, Australia, en el año 1.850, pronto comenzaron a escasear, y los operarios se vieron obligados a procesar menas de oro de grano fino y con bajas leyes. Los depósitos de oro encontrados en Colorado y California constituyeron un ejemplo de menas de dureza similar, pero con diferente composición, que requerían una molienda diferente en los molinos machacadores. A fines del siglo 19, los equipos se utilizaron prominentemente en los campos de oro de Sudáfrica, antes del advenimiento de los molinos de guijarros. Sin embargo, los molinos machacadores se encontraban limitados por su capacidad de producción y por el tamaño del producto que era económicamente posible con estas máquinas. Pero a pesar de todos sus problemas, estos molinos fueron las máquinas principales para una trituración fina y una molienda gruesa desde el año 1.500 y hasta el año 1.900, aproximadamente, y constituyen una de las grandes invenciones para la reducción de tamaños. Los molinos machacadores comenzaron a perder terreno cuando tanto las trituradoras de tamaños finos como los molinos de bolas, los cuales eran menos costosos y más fáciles de mantener y operar, probaron ser confiables como unidades que operaban de forma continua. En 1.915, las nuevas instalaciones de molinos machacadores eran escasas, culminando de esta forma una era que duró alrededor de 400 años.
3.2. Los rolos Cornish En Cornwall, en 1.804, John Taylor colocó dos tambores de bombas en paralelo (Barton 1.961) como rolos horizontales para triturar menas de cobre y estaño para ser concentradas gravimétricamente. Esta trituradora experimental, la cual se hizo conocida como los “rolos Cornish”, era abastecida por una máquina de vapor. Los rolos solo eran uno de los muchos métodos nuevos que introdujo Taylor. La trituradora de rolos Cornish fue muy exitosa y pronto se la utilizó ampliamente, haciendo una contribución importante a la reducción de tamaño de los materiales.
Durante la segunda mitad del siglo 19, se inventaron las trituradoras de mandíbulas y giratorias que aún se utilizan en la actualidad, entre las cuales están la trituradora de mandíbulas Blake, patentada en 1.858, y la trituradora giratoria Gates, patentada en 1.881. En 1.850, la trituradora de dos rolos con superficie lisa y abastecida con motores de 15 KW, empleada para la molienda de menas, operaba a una velocidad de 50 rpm y molía unas 60 tpd de menas silíceas. Desde 1.890 y hasta 1.910, se encontraban bien establecidos los procesos de cianuración y flotación, por lo que se requerían trituradoras para tamaños finos para moler menas a elevadas razones de reducción hasta llegar a un tamaño menor a 5 mm, el cual era apropiado para ser utilizado luego para la alimentación de un molino de bolas. La respuesta a esto se estableció con el uso de las trituradoras de rolos. Se construyeron modelos más fuertes y compactos en comparación con los que ya existían en el mercado, los cuales comenzaron a ser operados con velocidades más elevadas. En 1.925, los rolos eran de 1,8 m de diámetro y 0,53 m de ancho, y eran abastecidos por motores de 112 KW. Típicamente molían menas silíceas hasta un tamaño menor a 3 mm.
A continuación se muestra el tipo de trituradora de rolo que fue de uso común a nivel mundial durante la mayor parte del siglo 20. Las trituradoras de rolos utilizaban dos rolos de acero que rotaban uno hacia el otro, imponiendo una presión alta sobre el material pasante. Uno de los rolos giraba en torno a un cojinete fijo, el otro en un cojinete móvil se mantenía en posición mediante fuerte resortes compresores. La mena era alimentada en la cavidad formada por los rolos mientras rotaban, y empujada hacia una zona de fragmentación mediante la acción de la gravedad y la fricción entre la mena y la cara de los rolos, hasta que ésta pasaba a través de la abertura más pequeña que se formaba entre los mismos rolos. A principios del siglo 20, estas trituradoras se limitaban a triturar solo 70 toneladas por rolo y además, su desempeño se veía condicionado al material con el cual estaban construidos los resortes.
Con el desarrollo de pistones hidráulicos, se hizo posible aplicar presiones mucho más elevadas, pero la demanda de trituradoras de dos rolos había decrecido debido a la capacidad superior y a la necesidad de menos paradas operativas que poseían los molinos de barras y las trituradoras de cono para tamaños muy pequeños. Para obtener un producto con un tamaño consistente, era importante mantener un desgaste homogéneo a lo largo de la superficie del rolo. Para esto, era preciso mantener una uniforme distribución de tamaños, así como también, que el espesor de la corriente de alimentación a través de la cara del rolo sea siempre el mismo. Generalmente, estos equipos requerían mucho mantenimiento sobre la superficie de cada uno de los rolos. Estas máquinas se utilizaron satisfactoriamente para la trituración de finos en las plantas de agregados hasta la década de 1.920, cuando comenzaron a ser reemplazadas por trituradoras giratorias modificadas para tratar finos, y luego, por las trituradoras de cono.
3.3. Trituradoras de mandíbulas Blake La trituradora Blake tiene su origen en una decisión del alcalde del pueblo de New Haven, Connecticut, en 1.852, para construir un camino de 3,2 km en el centro del pueblo usando el proceso MacAdam. Eli Blake era uno de los pueblerinos responsables de la planificación del camino, y llegó a la conclusión de que el costo sería menor si una máquina pudiera fracturar las rocas provenientes de la cantera de una forma más rápida y económica que con el método de la fragmentación manual, el cual era no solo lento sino también costoso. La trituradora que inventó fue rápidamente aceptada por la industria de los áridos, y se decía que “… hacía el trabajo de 100 hombres en un tiempo dado y con menos de un tercio de los costos” (Dickinson 1.945). La brillante inventiva de Blake quedó demostrada en el hecho de que la trituradora de mandíbulas tipo Blake aún se continúa utilizando ampliamente en la actualidad, y su diseño tan solo ha cambiado un poco desde su diseño original.
La trituradora de mandíbulas tipo Blake diseñada en 1.853 y patentada en 1.858 fue uno de los grandes inventos en las máquinas de reducción de tamaños (Dickinson 1.945). La trituradora, tal como se muestra a continuación, tiene una mandíbula fija y una mandíbula móvil que converge en el punto de descarga. Esta última pivotea sobre un eje en la parte superior, su base posee un movimiento reciprocante de alrededor de 12,5 mm, y es movida mediante un pasador (toggle). La articulación (toggle joint) aplica una fuerza inmensa a la roca que se encuentra entre las mandíbulas, a medida que se enderezan y se hacen pedazos todas las rocas frágiles, sin tomar en consideración su dureza.
Las primeras trituradoras Blake operaban con una productividad de 5 – 15 tph dependiendo del tamaño del producto, pero su capacidad se incrementó considerablemente a medida que se fueron construyendo unidades con mayores dimensiones. Aún cuando fueron utilizadas extensivamente para la construcción de caminos, recién en 1.861 fueron empleadas para triturar mena. La trituradora de mandíbulas Blake fue el primer éxito que emergió desde el auge de las invenciones en el siglo 19 para la reducción de tamaños de rocas y guijarros.
3.4. Trituradoras giratorias Gates Philetus Gates fue uno de los diversos inventores que patentó diseños rudimentarios que incorporaron la idea de una trituradora circular entre los años 1.860 y 1.878, pero no fue sino hasta 1.881 que patentó una exitosa trituradora giratoria (Dickinson 1.945). A continuación se muestra como operaba la trituradora Gates original y cuales fueron sus primeros modelos.
La trituradora Gates consistía de un cono vertical suspendido en la parte superior y sostenido por un manguito excéntrico en el fondo que gira dentro de un cono fijo. La trituración se produce alrededor de la periferia a medida que la superficie móvil de trituración, llamada manto, se acerca y aleja de la superficie fija de trituración, denominada cóncavo. La parte circular poseía una mayor abertura para la alimentación, lo cual reducía el bloqueo producido por las rocas. Las trituradoras Blake y Gates eran máquinas rivales, y la costumbre de esos días era la de poner a prueba a las piezas de las máquinas y otorgarle el contrato al ganador de dicha competencia. En 1.883,
en Meriden, Connecticut, se estableció un desafío entre la trituradora de mandíbulas Blake y la trituradora giratoria Gates. Cada máquina debía triturar 7 m 3 de piedra, con un tamaño de alimentación y un set de descarga similares. La interrogante en cuanto a la productividad rápidamente quedó despejada cuando la trituradora Gates finalizó su trabajo en 20,5 minutos, mientras que la trituradora Blake necesitó de 64,5 minutos. Estos dos equipos de trituración aún en la actualidad son las máquinas preferidas para una trituración primaria, y sus diseños con el correr de los años han tenido muy pocas modificaciones en comparación con los originales. Desde fines del siglo 19 y hasta inicios del siglo 20, la tendencia fue la de incrementar la capacidad de trituración duplicando las unidades pequeñas.
3.5. Los rolos gigantes de Edison En 1.895, Thomas Edison fue responsable de una destacable innovación en la trituración. Edison creía que los depósitos con altas leyes de mena de hierro en el este de EEUU se estaban agotando, y decidió desarrollar un depósito de mena con bajas leyes que contenía magnetita, a una razón de producción de unas 6.000 tpd. Minimizar los costos de explotación y trituración era esencial para tener éxito, y los elevados costos capitales y operativos de múltiples pequeñas trituradoras resultaba ser un área particular a ser tratada. Edison razonó que la energía recuperada en 1 lb de carbón y en 1 lb del 50% de dinamita era aproximadamente la misma, pero el costo de la dinamita era 100 veces el costo del carbón (Dyer y Martin 1.910). Consecuentemente, sería más económico fracturar grandes piezas de mena por máquinas alimentadas con vapor que por la energía aportada por un explosivo, particularmente porque mucha de la dinamita utilizada para la re-fragmentación de las rocas provenientes de la primera explosión. Su objetivo era el de fracturar las rocas con dinamitas en grandes volúmenes (hasta 5 – 6 toneladas) y luego utilizar grandes trituradoras para fragmentar estas piedras en pequeñas partículas. Eventualmente se construyeron rolos de Edison de 2,4 m x 2,1 m, y debe haber sido espectacular observarlos en acción. Pero sus costos operativos deben haber sido altos, por lo que pronto declinaron en popularidad. Los gigantescos rolos solo fueron una de muchas innovaciones en el complejo sistema de explotación y procesamiento imaginado por Edison, el cual resultó en partículas muy finas de magnetita extraídas desde menas con bajas leyes. Los rolos fueron un esfuerzo heroico de Edison para reducir los costos de trituración y molienda, pero con el tiempo el proceso resultó no ser un éxito económico. Los rolos de Edison crearon mucho interés en la industria minera por un momento, y se instalaron varios en otras plantas, incluyendo cuatro conjuntos de rolos operando en serie en las canteras de caliza de las plantas de cemento Edison. Pero pronto las trituradoras de mandíbulas y las trituradoras giratorias probaron ser superiores, y los gigantescos rolos de Edison pasaron a la historia.
