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EL METODO DE DENSIDAD DIFERENCIAL PARA LA PREPARACIÓN DE MINERALES Dr. Ruiz Bates El método de densidad diferencial o “sink and float”, aplicado originalmente al lavado de carbones, ha empezado a usarse en los últimos 40 años en el tratamiento de minerales pesados, con resultados tan satisfactorios que ya en 1939 tres grandes instalaciones en los Estados Unidos de N. América trataron por este procedimiento mas de 5,5 millones de toneladas de minerales de zinc, plomo y hierro. Simultáneamente el procedimiento se ha aplicado también en otros países, en plantas de pequeñas y grandes capacidades, desplazando a las instalaciones de selección a mano y jigs de descaje. En su estado actual de desarrollo la aplicación del “sink and float” esta limitada a los tamaños más gruesos que 2,4 mm y por lo tanto este es un procedimiento de concentración final, salvo ciertos casos especiales de minerales de poco valor para los cuales el límite de recuperación económica es muy bajo, tal como pasa en el tratamiento de minerales de hierro. En la concentración de minerales más valiosos y especialmente cuando estos están finamente diseminados y siempre que presenten una proporción importante de materia estéril separable en los tamaños gruesos, el procedimiento de densidad diferencial es ventajosamente aplicable como etapa de preconcentración, con la consiguiente economía en la molienda y el aumento virtual de la capacidad de las instalaciones en las etapas subsiguientes. 1. PROCEDIMIENTO QUE EMPLEAN LIQUIDOS PESADOS VERDADEROS Para separar distintas especies mineralógicas y para estudiar las posibilidades de concentración por gravedad, se emplean en los laboratorios distintos líquidos pesados que consisten unas veces en soluciones de sales de mercurio y lodo y otras en hidrocarburos halogenados. El método es de gran precisión y sencillez, pero las

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EL METODO DE DENSIDAD DIFERENCIAL PARA LA PREPARACIÓN DE MINERALES

Dr. Ruiz Bates

El método de densidad diferencial o “sink and float”, aplicado originalmente al lavado de carbones, ha empezado a usarse en los últimos 40 años en el tratamiento de minerales pesados, con resultados tan satisfactorios que ya en 1939 tres grandes instalaciones en los Estados Unidos de N. América trataron por este procedimiento mas de 5,5 millones de toneladas de minerales de zinc, plomo y hierro. Simultáneamente el procedimiento se ha aplicado también en otros países, en plantas de pequeñas y grandes capacidades, desplazando a las instalaciones de selección a mano y jigs de descaje. En su estado actual de desarrollo la aplicación del “sink and float” esta limitada a los tamaños más gruesos que 2,4 mm y por lo tanto este es un procedimiento de concentración final, salvo ciertos casos especiales de minerales de poco valor para los cuales el límite de recuperación económica es muy bajo, tal como pasa en el tratamiento de minerales de hierro. En la concentración de minerales más valiosos y especialmente cuando estos están finamente diseminados y siempre que presenten una proporción importante de materia estéril separable en los tamaños gruesos, el procedimiento de densidad diferencial es ventajosamente aplicable como etapa de preconcentración, con la consiguiente economía en la molienda y el aumento virtual de la capacidad de las instalaciones en las etapas subsiguientes.

1. PROCEDIMIENTO QUE EMPLEAN LIQUIDOS PESADOS VERDADEROS

Para separar distintas especies mineralógicas y para estudiar las posibilidades de concentración por gravedad, se emplean en los laboratorios distintos líquidos pesados que consisten unas veces en soluciones de sales de mercurio y lodo y otras en hidrocarburos halogenados. El método es de gran precisión y sencillez, pero las sustancias usadas, por su costo y propiedades químicas y físicas, no se prestan para aplicación industrial.En el tratamiento de carbones, que requiere líquidos de solamente 1,5 de peso específico, aparecen las primeras aplicaciones industriales del método de laboratorio. El procedimiento Lessing, usado en Wales, Inglaterra, emplea una solución de cloruro de calcio con densidad alrededor de 1,4 y produce carbones muy pobres en cenizas. El licor que necesariamente se diluye en las operaciones de lavado, es concentrado nuevamente por evaporación y esta parte del procedimiento parece ser una de las razones económicas que han impedido una mayor difusión del mismo.Similarmente, el sistema Bertrand, usado en Bélgica, emplea también una solución de cloruro de calcio, pero por medio de un sistema de circulación en contra-corriente evita la necesidad de concentrar el licor por evaporación. Este sistema exige la circulación de cinco distintas soluciones con la consiguiente complicación del esquema. El método se aplica especialmente para el tratamiento de los finos del carbón, entre 1 y 5 mm, dando productos excepcionalmente puros que se usan en la fabricación de electrodos, carbón coloidal y combustible para generadores de gas en automotores.

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Recientemente, la firma Du Pont ha presentado un procedimiento que emplea también líquidos pesados verdaderos y que es aplicable tanto al lavado de carbones como al tratamiento de minerales pesados. Los líquidos usados son el tetrabromometano, el dibromoetileno, el pentacloroetano y el tricloroetileno con pesos específicos de 2,96; 2,17; 1,68 y 1,48 respectivamente. Estos hidrocarburos halogenados pueden mezclarse entre sí para combinar el peso específico requerido, son insolubles en el agua y el agua es insoluble en ellos, tienen baja presión de vapor, son químicamente estables, tienen baja viscosidad y no son inflamables. En cuanto a su costo no conocemos datos todavía, pero dada su composición es de suponer que no sea muy bajo. La recuperación de estos líquidos se hace por lavado aprovechando su alto peso específico y la propiedad de no ser soluble en agua. Para evitar pérdidas por humedecimiento del mineral se emplean en el procedimiento Du Pont dos sustancias llamadas “agentes activos”, el tanino y el acetato de almidón, en soluciones de 1 por 10000, con las cuales se moja el material antes de entra en contacto con los líquidos pesados, quedado los trozos recubiertos por una película de agua que los aísla de aquellos. El sistema es aplicable solamente a materiales mayores que 6 mm y el manejo de los líquidos requiere ciertas precauciones por ser venenosos. En la literatura consultada no se menciona ninguna aplicación del procedimiento Du Pont en la concentración de minerales metálicos, pero se lo usa en el lavado de carbones.

2. SUSPENSIONES PESADASSe sabe que partículas sólidas suspendidas en agua, comunican a la pulpa o

suspensión así formada, las propiedades de un líquido pesado en cuanto se refiere a su facultad para flotar trozos de materiales de menor peso específico y dejar hundir

los de mayor densidad.

Figura 1Efecto del peso específico de la pulpa sobre la consistencia, en distintos

suspensoides –200 +325 mallas

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Estas suspensiones se conocen en la práctica del “sink and float” con el nombre de “medios” y el material en suspensión con el de “suspensoide”. Los medios usados son generalmente inestables y requieren cierto grado de agitación para evitar la separación entre líquido y suspensoide. Este último, además de determinar el peso específico de la pulpa, le comunica cierta consistencia o viscosidad aparente, que depende del tamaño y forma de los granos así como del carácter superficial de los mismos. La presencia de impurezas y la temperatura afectan la relación entre peso específico y consistencia.

a) Materiales usados en la preparación de mediosDesde luego, en la selección de un material para suspensoide, el peso específico es la condición más importante. En el tratamiento de carbones un medio de peso especifico entre 1,3 y 1,5 será suficiente para hacer flotar al carbón dejando hundir la ganga. En la preparación de carbones se usan medios de arena de cuarzo y arcilla y podrían usarse seguramente muchos otros minerales de densidad semejante. En el caso del tratamiento de minerales metálicos, en el cual hay que hacer flotar gangas de peso específico alrededor de 2,7 es necesario emplear suspensoides mas pesados, generalmente arriba de 5,0.La magnetita, la galena y el ferrosilicio son los materiales usados hasta ahora, pero sin duda podrían usarse muchas otras sustancias adecuadas a las necesidades de cada caso. Fuera del peso específico del suspensoide hay que tomar en cuanta su costo, la forma de las partículas, la resistencia al desgaste, la fragilidad o aptitud de ser reducido a polvo fino, la inercia química y finalmente alguna propiedad física o química que facilite su limpieza.

La arena de cuarzo se usa ya desde 1917 en el lavado de carbones según el procedimiento patentado por Chance. Con este material se puede preparar suspensiones de hasta 1,8 sin que la consistencia ocasione dificultades.

La arcilla se empleaba en 1931 en una mina de Pittsburg, Kansas, como suspensiones para el lavado de sus carbones. Los medios de arcilla tienen mayor consistencia que los de arena, para un peso específico igual, pero son más estables y requieren menos agitación.

Con magnetita no se pueden preparar suspensiones de densidad suficiente para hacer flotar las gangas comunes, pero puede aplicarse para el tratamiento de minerales livianos como el azufre, la crisocola, el yeso y desde luego el carbón. Suspensiones de peso específico mayor que 2,55 son ya demasiado viscosas. Las propiedades magnéticas de la magnetita son muy útiles en la recuperación y limpieza del medio.

La galena, con su alto peso específico (7,5) se presta muy bien para la preparación del medio. Con el mineral puro es posible llegar a densidades de 4,8 sin que la consistencia sea muy alta. Con concentrados de galena normalmente puros se pueden preparar medios de densidad hasta 3,8, lo que es más que suficiente para la separación de las gangas comunes. Los medios de galena pueden limpiarse en mesas de concentración y las partes más finas en máquinas de flotación. La fragilidad y poca dureza de la galena son desventajas en su empleo como suspensoide. Debido a estas propiedades las partes mas gruesas, por efecto del bombeo y circulación, pasan rápidamente al estado de lamas muy finas, hasta tamaños coloidales, que es necesario eliminar del medio por el efecto que tienen sobre la viscosidad.

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Figura 2Efecto del grado de molienda sobre la consistencia de pulpas de galenaA –menos 5 micrones; B – menos 200 mallas; C – menos 100 mallas

(Según De Vaney y Shelton)

Con el nombre de ferrosilicio se conoce una serie de aleaciones entre hierro y silicio que pueden contener hasta 90 % de este último. Desde el punto de vista del “ Sink and Float” las mejores aleaciones son las que contienen alrededor de 15 % de silicio: son altamente magnéticas, inoxidables, resistentes al desgaste y fáciles de moler. Con aleaciones de 15 % de silicio, que tienen peso específico de 6,8 pueden prepararse medios de densidad 3,3, los cuales pueden limpiarse fácilmente con separadores magnéticos. El ferrosilicio cuesta en los Estados Unidos alrededor de 60 dolare por tonelada.

El alto peso específico del plomo y su precio relativamente bajo, hacen de este metal un material muy interesante para la preparación del medio. Con plomo metálico en polvo se pueden preparar suspensiones de densidad hasta 6,2 que son perfectamente fluidas hasta un peso específico de 5,0. Sensiblemente, el plomo finamente dividido se oxida rápidamente en el agua y en el aire siendo además un material muy poco resistente al desgaste. Una suspensión dejada asentar y secar se cementa por la formación de carbonatos básicos de plomo hasta el punto que es imposible volver a ponerla en suspensión. Por estos motivos el plomo no ha sido usado todavía como suspensoide, pero sigue siendo objeto de estudio para su aplicación.

b) Relación entre peso específico y consistencia

Si se trata de aumentar la densidad de una suspensión de sólido en agua, lo lógico será aumentar el contenido de material en suspensión. Pero a medida que aumenta el peso específico de la pulpa, aumenta también sus consistencia o viscosidad aparente, hasta llegar a un punto en que es imposible toda separación entre materiales de distinto peso específico.

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Para medir la viscosidad aparente de los medios, De Vaney y Shelton construyeron un aparato que llamaron “consistómetro”, semejante en principio a los viscosímetros, pero con agregados necesarios para mantener en suspensión un fluido que de otra manera cambiaría constantemente sus propiedades. Con el consistómetro se estudiaron las relaciones entre densidad y consistencia de medios de cuarzo, magnetita, ferrosilicio, galena y plomo, usando materiales rigurosamente cernidos entre 200 y 325 mallas y prácticamente libres de lamas coloidales. Los resultados de estas pruebas están representados en el gráfico de la figura 1, en la cual se han tomados los pesos específicos sobre el eje de abscisas y las consistencias o viscosidades aparentes en el eje de ordenadas, expresadas en centipoises. El examen de las distintas curvas demuestra una semejanza general. La consistencia aumenta en todos los casos en relación constante con el peso específico hasta llegar a un punto definido mas allá del cual corresponden rápidos aumentos de viscosidad aparente para pequeños incrementos de densidad. El final de la parte recta de cada curva representa un punto crítico en la relación estudiada. Si se calcula la composición volumétrica de las distintas pulpas en sus puntos críticos, se encuentran valores entre 22 y 28 % de sólidos. Estas diferencias se atribuyen a la influencia de las distintas formas de granos. De igual manera, si se calculan las composiciones volumétricas de las distintas pulpas para puntos de igual consistencia cerca de la fluidez cero, se encuentran valores semejantes cerca de 45 % de sólidos.

El tamaño de los granos que forman el suspensoide, tiene influencia en la relación entre viscosidad aparente y densidad. Las pulpas formadas con granos mas finos tienen, para densidades iguales, viscosidades más altas que las suspensiones formadas con granos más gruesos. En la práctica del “sink and float” el suspensoide esta formada por una variedad de tamaños de grano debajo de cierto límite superior. Por efecto del desgaste, la composición granulométrica del mismo cambia constantemente en el sentido de una mayor proporción de finos. Estos, especialmente los que se acercan a límites coloidales, tienen una influencia perniciosa sobre las propiedades del medio, aumentando notablemente la viscosidad aparente. En el gráfico de la figura 2 se ven las relaciones entre peso específico y viscosidad aparente de tres pulpas de galena molida respectivamente a menos de 5 micrones, 200 mallas (74 micrones) y 100 mallas (150 micrones).

Figura 3

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Efecto de la forma de las partículas sobre la consistencia. A – cuarzo angular; B – cuarzo redondeado; C – ferrosilicio nuevo; D – ferrosilicio usado, (Según DeVaney y

Dhelton).

La forma de los granos que constituye el suspensoide, tiene influencia sobre la viscosidad aparente del medio. La forma esférica es la que ofrece menor superficie por unidad de volumen, y las partículas de forma poliédrica ofrecen mayor fricción interna que las redondeadas. En el gráfico de la figura 3 se comparan las relaciones entre consistencia y peso específico de las pulpas de distinta forma de granos. La curva B corresponde a un medio formado por arena natural y la curva A a otro formado con arena de cuarzo molido. Los materiales eran de la misma procedencia y fueron cernidos entre 100 y 150 mallas. Las curvas C y D corresponden a medios de ferrosilicio nuevo y usado. Visto bajo el microscopio los granos de ferrosilicio nuevo presentan superficies angulares cubiertas de pequeños cristalitos, mientras que los granos de material usado, por efecto del desgaste, presentan superficies más suaves con esquinas redondeadas. En la práctica, los medios nuevos, especialmente los de ferrosilicio, tienen mayor consistencia para un peso específico determinado, que los medios viejos. Este efecto ocurre naturalmente por el desgaste y como las adiciones de material nuevo se hacen en pequeñas cantidades y a intervalos regulares, su influencia es de poca significación.

Mucho mas importante desde el punto de vista práctico es el efecto de las impurezas en los medios. A pesar de que todas las instalaciones de “sink and float” están provistas de recursos para la limpieza del medio, es inevitable que el medio tenga cierta cantidad de impurezas. No obstante que los minerales que llegan a los separadores, han sido previamente cernidos y lavados, como estas operaciones no pueden hacerse de una manera perfecta, pequeñas partículas del material tratado pasan siempre a contaminar el medio sin que sea posible su separación total en las operaciones de limpieza. Una muestra de medio tomada en una planta que trata minerales de zinc y plomo, resultó tener 72,5 % de plomo, 3,8 % de zinc y 4,4 de insoluble. Tratándose de un medio de galena era de esperarse una ley de plomo de 80 % o más. Otra muestra de ferrosilicio, procedente también de un ingenio en operación, contenía 4,8 % de material no magnético.

De Vaney y Shelton determinaron el efecto de dos impurezas que si bien son típicas en los medios pesados, representan solamente una parte de las muchas que pueden presentarse como contaminaciones, estudiando pulpas de galena con 5 % de cuarzo y 5 % de arcilla, en comparación con una suspensión de galena pura. Los resultados pueden verse en el gráfico de la figura 4. Siendo los pesos específicos de cuarzo y arcilla aproximadamente iguales, podría esperarse que ambas curvas apareciesen en el grafico juntas o casi juntas. Pero el cuarzo es un material cristalino y afecta ala pulpa solamente en razón de su menor peso específico, es decir, que una mezcla de 95 % de galena de peso específico 7,5 y 5 % de cuarzo de peso específico 2,7, se comporta como un suspensoide de cierto material de densidad 7,27. En cambio, la, arcilla es un material que se disgrega hasta tamaños coloidales y aumenta notablemente la viscosidad aparente.

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Figura 4Efecto de las impurezas en pulpas de galena. A – galena menos 100 mallas con 5 % de arcilla; B – galena menos 100 mallas con 5 % de cuarzo; C – galena menos 100

mallas (Según De Vaney y Shelton).

La temperatura también tiene influencia sobre la viscosidad del medio. Pero para densidades hasta 2,5 cambios de temperaturas entre 3,5 y 35 ºC tienen poco efecto. Estando las densidades usuales en tratamiento de minerales pesados cerca de la cifra señalada y los cambios de temperatura de los ingenios normalmente dentro de los límites indicados, la influencia de temperatura puede pasarse por alto en la mayor parte de los casos.

c) Velocidad de asentamiento

La velocidad de asentamiento del medio determina el grado de agitación necesario para mantenerlo en suspensión en los separadores y las dimensiones de los estanques espesadores necesarios para su reacondicionamiento. Todos los

factores que afectan a la consistencia influyen también en la velocidad de asentamiento. Las leyes de la caída libre de sólidos dentro de un líquido no son aplicables a los medios, ya que en la práctica del “sink and float” las suspensiones son tan espesas que el asentamiento tiene lugar bajo las condiciones de “caída impedida”(hindered settling).

Para pulpas de igual densidad, la velocidad de asentamiento es mayor que en aquellas formadas con suspensoides de mayor peso específico, es decir, que las velocidades son mayores en 1os medios mas diluidos.

Las pulpas formadas con suspensoides de granos finos tienen menor velocidad de asentamiento que las de igual densidad formadas con material de granos gruesos. Esta diferencia se hace muy notable cuando se llega a tamaños de fineza coloidal, como puede verse en el gráfico de la figura 5, en el cual se comparan las velocidades de los mismos materiales estudiados en el grafico de la figura 2.

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Figura 5Efecto del grado de molienda sobre la velocidad de asentamiento de pulpas de galena

(según De Vaney y Shelton)

Los efectos de las impurezas de cuarzo y arcilla sobre la velocidad de asentamiento pueden verse en el gráfico de la figura 6. Así como en el caso de la viscosidad aparente, la influencia de la arcilla es mucho más notable que la del cuarzo, siendo la disminución de la velocidad de asentamiento un resultado del aumento de viscosidad expresado en el gráfico de la figura 4.

Figura 6.

Efecto de las impurezas sobre la velocidad de asentamiento de pulpas de galena menos 100 malla (Según De Vaney y Shelton).

En general, todas las causas que aumentan la consistencia o viscosidad aparente de los medios, disminuyen su velocidad de asentamiento.

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3. PROCEDIMIENTOS QUE EMPLEAN SUSPENSIONES PESADAS

En el procedimiento patentado por la Minerals Beneficiation Incorporated, conocido con el nombre de “M.B.I. Process”, la instalación consta esencialmente de un elemento separador que consiste en un cono invertido de palastro, provisto de agitadores mecánicos y de aire comprimido para mantener en suspensión al medio. El mineral lavado y cernido llega al cono por una correa transportadora y cae sobre la superficie del medio que llena al cono. El material que flota, rebalsa con parte del medio por un vertedero que hay en el borde del cono, mientras que el que se hunde se reúne en el fondo del mismo de donde es extraído por medio de una elevadora de aire que pasa por el centro del cono. Ambos productos son descargados sobre cedazos vibrantes donde se recupera parte del medio en su concentración original, el cual regresa al separador. De estos cedazos los materiales pasan a otros donde son lavados con abundante agua; el medio así diluido pasa, mediante bombas, a la instalación de limpieza y espesamiento. Este último se hace en estanques del tipo Dorr y la purificación en mesas de concentración, flotadoras o separadores magnéticos según el caso.

Los medios usados generalmente requieren muy poca agitación para ser mantenidos en suspensión; el agitador mecánico da solamente unas 4 revoluciones por minuto y la agitación con aire es solamente un elemento auxiliar.

En el procedimiento patentado por Huntington, Heberlein & Co., conocido con el nombre de HH Sink and Float Process, el producto pesado es extraído del cono por medio de una elevadora de baldes, mientras que la parte que flota, sale del cono por medio de un arrastre de correa. En este procedimiento se usan medios estables que no requieren agitación, gracias a una composición granulométrica adecuada que produce una relación óptima entre viscosidad y peso específico. Según los inventores es posible tratar materiales tan finos como 2,4 mm.

4. LIMITACIONES Y FUTURO DEL METODO

El método de densidad diferencial, ya sea por suspensiones o líquidos pesados, no es aplicable a todos los minerales. Se requiere en primer lugar una diferencia de peso específico entre los elementos a separar. El método es muy sensible y con viscosidades bajas pueden hacerse separaciones entre piezas que difieren solamente 0,01 en densidad. Las menas en las cuales el elemento valioso esta uniformemente diseminado o finamente distribuido y los minerales macizos, no se prestan para el tratamiento, salvo en el caso de vetas angostas, cuya explotación requiere el arranque de cantidades importantes de la roca encajonante. Minerales gruesamente diseminados o finamente diseminados pero en agregados gruesos, se prestan especialmente para el “sink and float”. En general puede decirse que todas las menas que en un grado de molienda relativamente grueso permitan la separación de una cantidad económicamente importante de material estéril o suficientemente pobre, son tratables por el método de densidad diferencial.

La naturaleza de la mena determina el grado de molienda necesario para la liberación. En la práctica actual, el límite superior de tamaño parece ser alrededor de 50 mm, pero no hay razones teóricas que se opongan al tratamiento de materiales más

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gruesos y solamente consideraciones relativas al manejo de grandes trozos en la planta podrían limitar el tamaño máximo.

El tamaño mínimo tratable esta limitado, en el estado actual del desarrollo del método, por varias razones. La viscosidad de los líquidos o medios pesados retarda las velocidad de caída de los materiales. Esta retardación es de poca significación en los tamaños gruesos, pero en los granos finos puede llegar a impedir totalmente la separación entre elementos que difieran poco en peso específico. Cuando se emplean suspensoides inestables que requieren agitación, las corrientes y remolinos que se forman dentro del medio, afectan también la separación en los tamaños menores. Finalmente, para separar el medio de los productos obtenidos en el cono, se emplean cedazos; el tratamiento de tamaños mas finos implicaría también el uso de telas mas ceñidas. En la práctica, de la concentración de minerales, el empleo de cedazos más finos que 1 mm es poco común por su baja eficiencia, elevado costo y rápido desgaste. Siempre que exista una diferencia apreciable de peso específico o de tamaño entre el concentrado y el suspensoide, será posible usar para su separación clasificadores hidráulicos de tipo adecuado, en vez de cedazos.

La tendencia en el desarrollo del método de densidad diferencial va dirigida en el sentido del tratamiento de minerales mas y más finos. La acción de la bentonita sobre los medios es promisora en ese sentido. Este material arcilloso, agregado en pequeñas cantidades, tiene la propiedad de estabilizar las suspensiones concentradas aumentando muy poco la viscosidad y sin afectar a la velocidad de asentamiento de los medios diluidos.

En un ingenio de Oklahoma, E. U., ya se prueba el tratamiento del mineral de galena sobre 10 mallas (1,65 mm) y se espera poder llegar a tratar tamaños hasta sobre 20 mallas (0,63 mm)(3).

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Flota Grueso

Sink (hunde)

Fig. 3 Corte transversal de un separador de tambor.

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Fig. 6. Separador de cono tipo Wemco

Fig. 7. Separador Huntington - Keberlein

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