Verbesserte Ausbeute

Trends bei der Vermahlung von Nichteisen-Metallerzen

Zusammenfassung: Die Mahltechnik steht derzeit bei der Aufbereitung von Nichteisen-Metallerzen im Fokus. Dies liegt daran, dass konventionelle Mahlverfahren mit Autogen- und Semiautogenmühlen an ihre Leistungsgrenzen gestoßen sind, andererseits moderne Mahlverfahren aber noch Potenzial nach oben haben. Welches diese neuen Mahlverfahren sind und um welche Potenziale es sich dabei handelt, wird in dem nachfolgenden Beitrag dargestellt.

1 Einleitung

Die globalen Explorationsausgaben im Mining Sektor – ohne Eisenerz, Aluminium, Kohle, Öl + Gas und industrielle Mineralien – haben sich in 2011 auf etwa 18,2 Mrd. US$ gegenüber 2010 nahezu verdoppelt. Auf Nordamerika entfallen dabei 26 %, auf Lateinamerika 25 %, auf Afrika 14 %. Kanada ist das Land mit den größten Explorationsausgaben in Höhe von 18 % bzw. 3,3 Mrd. US$, gefolgt von Australien mit 13 % und den USA mit 8 %. Auf den weiteren Plätzen folgen Mexiko (6 %), Chile und Peru (jeweils 5 %) sowie China und Indien (jeweils 4 %) (Bild 1). In 2012 sollen die Explorationsausgaben weiter um 5-15 % steigen. Dieses relativ niedrige prognostizierte Wachstum hat damit zu tun, dass der Investitionsanteil von Junior-Mining-Unternehmen infolge von Problemen bei der Beschaffung von Risikokapital eher schrumpfen wird. Ein hohes Wachstum wird für die etablierten Minengesellschaften vorhergesagt. Die Marktdaten zeigen, dass die Unternehmen derzeit auf hohe Kapazitätsauslastungen kommen.

 

Von der Projektseite her hat man es mit zwei Effekten zu tun. Zum einen wächst kontinuierlich der weltweite Bedarf an Basis- und Edelmetallen, zum anderen schrumpfen die Abbaumengen aus den vorhandenen Minen von Jahr zu Jahr. Das bedeutet, es müssen ständig neue Minen erschlossen werden, um den steigenden Bedarf zu decken. Bild 2 zeigt den Sachverhalt am Beispiel des weltweiten Kupferbedarfs. Dieser ist von 15 Millionen Jahrestonnen (Mta) im Jahr 2000 auf 19 Mta in 2011 gestiegen. Bis 2025 wird ein Wachstum auf 29 Mta erwartet. Infolge der schrumpfenden Ausbeute der vorhandenen Kupferminen wird der jährliche Bedarf um 15 Mta Kupfer ansteigen. Das entspricht einem durchschnittlichen jährlichen Wachstum von 5,3 % anstelle von 3 %, wenn die Produktionsmengen der vorhandenen Minen konstant bleiben würden.

 

Branchenriesen wie BHP Billiton haben deshalb ständig eine größere Zahl von neuen Minenprojekten vorzuhalten. Derzeit kommt das Unternehmen auf 22 solcher Projekte. Im Kupfersektor geht es zum Beispiel um den weiteren Ausbau des Escondia Minenkomplexes (Bild 3) in Chile mit gleich 4 größeren Projekten, die eine Kupfergewinnung von 1,3 Mta bis 2015 zum Ziel haben. Um derartige Projekte umsetzen zu können, müssen entsprechende Renditen aus dem laufenden Geschäft erwirtschaftet werden. Den Branchenunternehmen haben dabei die steigenden Marktpreise und entsprechenden Erlösanstiege in die Karten gespielt. So wurden zuletzt wieder deutlich mehr Großaufträge für neue Projekte vergeben. Zahlreicher sind allerdings Aufträge für Modernisierungen, Kapazitätserweiterungen und Ersatzbeschaffungen.

Einen Boom in den Aufträgen erfahren derzeit die gro-ßen internationalen Anlagenbauer, allen voran Marktführer FLSmidth Minerals, die in 2011 einen Umsatz von 2,31 Mrd. US$ in dem Sektor machten. Kupferprojekte hatten bei FLSmidth in 2011 einen Anteil an Auftragseingängen von 34 %, Goldminenprojekte von 14 %, Kohle und Eisenerz in Höhe von 10 % und 6 %. Von der Technologieseite her waren in 2011 in erster Linie Mahlanlagen mit 42 % Anteil am Auftragseingang gefragt, vor Trennverfahren (28 %) und Materials Handling Equipment (21 %). Im ersten Quartal 2012 konnte FLSmidth den Auftragseingang bei Minerals weiter um 36 % gegenüber dem Vorjahr steigern. Gegenüber den Boomjahren in 2007 und 2008 haben sich die Margen für die Anlagenbaufirmen aber wieder verschlechtert. Es kommt inzwischen wieder zu Lieferengpässen und die Leadzeiten haben sich demzufolge vergrößert. So wird für ein aktuelles Goldminenprojekt von FLSmidth in Nordamerika mit 2 Semiautogenmühlen (SAG) und 3 Kugelmühlen als Lieferdatum 2014/2015 genannt.

2 Fokus Mahltechnik

Die Komplexität von Minenprojekten hat sich in den letzten Jahren ständig erhöht. Dies liegt zum einen daran, dass Ressourcen knapper werden und Vorkommen mit niedrigerer Qualität ausgebeutet werden müssen (Bild 4). Im Ergebnis bedeutet dies in der Regel deutlich höhere Explorationskosten. Hinzu kommt, dass einzelne Projekte in immer abgelegeneren Gebieten erschlossen werden. Teilweise sind dort auch die Wasservorräte begrenzt und ökologische Aspekte erfordern einen steigenden Aufwand, um Betriebsgenehmigungen zu erhalten. Andererseits haben sich die Wettbewerbsbedingungen verschärft. Dies liegt teilweise an der fortschreitenden Globalisierung aber auch an Newcomern in dem Sektor, wie beispielsweise chinesischen Unternehmen oder Firmen, die ihr Portfolio gezielt in Wachstumsmärkte erweitern.

In einem früheren Marktbericht wurde dargelegt, dass die Mahltechnik nur einen kleinen Teil einer Erzaufbereitungsanlage ausmacht [1]. Allerdings ist die Mahlanlage meist das Herzstück der Anlage, wobei zumeist etwa 70 % der Betriebskosten solcher Anlagen auf die Mahltechnik entfallen. Den größten Anteil machen dabei die Energiekosten aus. Für die Vermahlung wird üblicherweise ein Energiebedarf von 20-25 kWh/t veranschlagt. Entsprechend groß ist der Energiebedarf von großen Erzaufbereitungsanlagen bis zu 100 000 t/d. Wichtig ist dabei auch, dass der Energiebedarf für die Vermahlung nicht nur von der erforderlichen Feinheit abhängt, sondern auch von der eingesetzten Mühle.

 

Je nach Verfahrensstufe in Erzaufbereitungsanlagen werden unterschiedliche Mühlentypen verwendet. Die klassische Aufbereitungskette besteht aus Primär-, Sekundär- und Tertiärbrecher und mehreren nachgeschalteten Mühlen, die die gewünschte Feinheit für die Flotation erzeugen sowie den Nachmühlen für die Aufbereitung/Verarbeitung von Flotationsbergen. Die Vorbrecher zerkleinern Erzbrocken von über 1 m Größe auf Korngrößen von etwa 200 mm. Die eigentliche Vermahlung auf Korngrößen von etwa 5‑10 mm erfolgt zumeist in Autogen- bzw. Semiautogenmühlen (SAG) , die heute Größen von fast 13 m Durchmesser erreichen, Antriebsleistungen von 25 MW benötigen und dabei Durchsätze von 10 000 t/d erzielen. Den SAG-Mühlen werden Kugelmühlen nachgeschaltet, die das Erzmaterial auf Feinheiten von unter 0,1 mm zerkleinern.

Während man bei den Brechern von Grobvermahlung spricht, decken SAG- und Kugelmühlen die Feinvermahlung ab. Die Feinheitsanforderungen für die Erzvermahlung haben sich in den letzten Jahren nur wenig geändert. Für jedes Erz ergibt sich ein bestimmtes Feinheitsoptimum, um den nötigen Aufschluss und die nötige Ausbeute zu erzielen. Prinzipiell erhöht sich die Ausbeute mit höherer Feinheit. Höhere Feinheitsanforderungen ergeben sich auch dann, wenn polymetallische Erze, d.h. solche mit mehreren auszubeutenden Metallrohstoffen vorliegen. In der Primär- und Sekundärflotation werden die nicht verwertbaren Mineralstoffe abgeschieden und die Metallinhaltsstoffe (Wertstoffe) des Erzes gewonnen. Ein Teil der Wertstoffe und auch die sogenannten Tailings aus der Flotation können einer Nachvermahlung (Regrinding) unterzogen werden. Die Feinheitsanforderungen dazu bewegen sich in einem weiten Bereich von 1-50 µm (0,001-0,05 mm).

 

Bei der Aufbereitung und Vermahlung von Nichteisen-Metallerzen sind in den letzten Jahren zunehmend zwei Mühlentypen bzw. Prozessvarianten in das Blickfeld gerückt. Anstelle von SAG-Mühlen und Kugelmühlen kommen öfter Hochdruckrollenpressen (HPGR) zum Einsatz. Bei der Nachvermahlung (Feinstvermahlung) werden anstelle konventioneller vertikaler Rührwerkskugelmühlen (Tower Mills bzw. Vertimills) immer öfter horizontale Rührwerkskugelmühlen (IsaMills) eingesetzt. Daneben dringen Vertimills und IsaMills immer mehr in die Feinvermahlung vor und ersetzen dort in erster Linie Kugelmühlen, die einen deutlich höheren spezifischen Energiebedarf haben. Eine weitere Mühlenvariante sind Vertikalmühlen (Bild 5), wie sie beispielsweise in der Zementindustrie zum Einsatz kommen. Auch diese Mühlen sind in der Lage, Kugelmühlen energetisch deutlich günstiger zu ersetzen [2].

 

3 Entwicklungen bei HPGRs

SAG- und Kugelmühlen nehmen heute in der Nichteisen-Metallerzaufbereitung noch einen großen Platz ein. Allerdings sind inzwischen die Mühlen an ihre Leistungsgrenze gestoßen und auch hinsichtlich einer Optimierung von Durchsatz, Energiebedarf, Verfügbarkeit und Verschleiß sind keine großen Entwicklungssprünge mehr zu erwarten. Anders dagegen verhält es sich bei den Hochdruckrollenpressen (HPGR), die seit Mitte der 1980er Jahre in der Erzaufbereitung in Betrieb sind, aber lange benötigt haben, um sich auch bei Metallerzen bzw. Hartgestein durchzusetzen [3]. Bild 6 zeigt das Prinzipbild einer HPGR. Das Material wird von zwei gegenläufig rotierenden Mahlwalzen mit hoher Presskraft zerkleinert. Fest- und Loswalze sind in Lagerblöcken in einem Maschinenrahmen fixiert. Die Mahlkräfte werden mittels Hydraulikzylindern auf die Loswalze übertragen.

 

Der Durchbruch von HPGRs bei der Nichteisen-Metallerz-aufbereitung erfolgte in 2006 bei dem Cerro Verde Kupfererzprojekt (Bild 7) in Peru [4]. Dort werden mit Hilfe von Polysius-HPGRs Erzmengen von 108 000 t/d durchgesetzt und SAGs vollständig ersetzt. Die Erzvermahlung erfolgt mit vier identischen Polycom-Rollenpressen mit jeweils ­2100 t/ h Nominaldurchsatz und einer Antriebsleistung von jeweils 2 x 2500 kW. Den HPGRs sind Kugelmühlen nachgeschaltet. Ein Vergleich mit einem konventionellen Mahlkreislauf mit SAGs und Kugelmühlen liefert einen um 21 % verminderten Energiebedarf und jährliche Betriebskosteneinsparungen von fast 15 Mio. US$ [1]. HPGRs haben im Vergleich zu konventionellen Mahlverfahren mit SAG-Mühlen die folgenden wesentlichen Vorteile:

 

• Hohe Energieeinsparungen von mehr als 20 %

• Verringerter Mahlbarkeitsindex für eine nachfolgende Vermahlung

• Verbesserter Erzaufschluss durch Mikrorisse

• Längere Standzeiten der Mahlelemente

• Konstante Mahlergebnisse über die Zeit

• Kürzere Inbetriebnahmezeiten

• Kompaktes Design

 

HPGRs werden in drei Bereichen der Erzaufbereitung eingesetzt (Bild 8). Erste Anwendungen erfolgten Ende der 1980er Jahre bei Diamanterz/Kimberlite. Im Bereich von Eisenerz und Eisenerzkonzentrat wurde bisher das größte Wachstum mit den höchsten Absatzzahlen erzielt. Der Bereich Nichteisen-Metallerz (Hartgestein) umfasst im wesentlichen Kupfererz, Golderz, Erz der Platingruppenmetalle (PGM), Molybdänerz sowie Zink/Bleierz. Ein Großteil der bisher verwendeten HPGR kommt dabei als Tertiärbrecher hinter Primär- und Sekundärbrechern zum Einsatz. Dabei kann in vielen Fällen infolge der erreichten Feinheit auf eine zusätzliche SAG-Mühle verzichtet werden und das gebrochene/vermahlene Erz zur Feinvermahlung auf eine Kugelmühle aufgegeben werden.

 

Die HPGRs werden dabei entweder im Durchlaufbetrieb oder in einem geschlossenen Kreislauf mit einer Kugelmühle entweder mit Nasssiebung oder mit Trockensiebung geschaltet. Für Kupfer- und Golderz als den wichtigsten Mineralien kommen zumeist geschlossene Kreisläufe mit einer Nasssiebung zum Einsatz. Generell sind den Schaltungsvarianten aber kaum Grenzen gesetzt, da HPGRs auch in SAG-Kreisläufen als Zwischenbrecher eingesetzt werden, und teilweise sind die Möglichkeiten durch die Vorlieben der HPGR-Anbieter festgelegt. In den letzten Jahren haben insbesondere drei aus Deutschland stammende Anbieter von HPGR den Markt bestimmt. Polysius kommt dabei in der Erzaufbereitung auf etwa die Hälfte der verkauften Mühlen. KHD und Koeppern sind die beiden weiteren Mühlenlieferanten. Weitere Anbieter sind FLSmidth sowie chinesische Firmen, darunter CD Leejun, die ebenfalls auf den Markt drängen.

 

Polysius verfügt momentan über die breiteste Anwendungspalette von HPGRs für Nichteisen-Metallerze. Nach dem Projekt Cerro Verde erhielt man Aufträge für die Vermahlung von Kupfer-, Platin- und Golderz. Zu den herausragenden Projekten neben Cerro Verde zählen die Aufträge von Newmont für deren Boddington Golderzmine (Bild 9), Freeport für deren Grasberg Kupfer/Golderzmine, Goldcorps für deren Tarkwa-Heapleach Goldmine sowie Anglo Platinum für deren Platingruppenmetall-Mine Mogalakwena. Diese genannten Projekte bildeten die Grundlage und Blaupause für eine große Anzahl von weiteren Projekten wie beispielsweise die Kupfererzprojekte Salabo 1+2 und Cristalino von Vale oder das Molybdänerzprojekt Spinnefex Ridge von MolyMines [4].

Bei den unterschiedlichen Projekten werden neue Erkenntnisse gewonnen, die in die neueste Technologie einfließen und die Performance von HPGRs für künftige Projekte verbessern. Ein solches Beispiel ist die Standzeitverlängerung der Mahlwalzen-Profile, die Polysius bei dem Cerro Verde Projekt erzielen konnte. Ausgehend von 2500 Betriebsstunden (Mai 2008) wurde die Standzeit der Profile mit 6210 Betriebsstunden (März 2011) mehr als verdoppelt (Bild 10). Sowohl verfahrenstechnische Parameter als auch Materialparameter wurden verändert [5]. Künftig werden 7000 Betriebstunden angestrebt. Ein weiterer Aspekt ist die Durchsatzsteigerung. Im Projekt Cerro Verde wurde der Durchsatz mit den HPGRs ausgehend von 108 000 t/d (2006) nach mehreren Optimierschritten inzwischen auf 130 000 t/d bzw. um 20 % vergrößert.

KHD hatte eine erste HPGR zur Golderzvermahlung von Suchoi Log in Russland in 2001 als Auftrag erhalten [6]. Nurkazgan in Kazakhstan vergab in 2005 zwei Aufträge an KHD für die Vermahlung von Kupfererz. Dort sind in einer Kupferaufbereitungsanlage 2 KHD Rollenpressen vom Typ RPS 13-170/140 (Bild 11) für Durchsatzraten von 850- 950 t/h mit einer Antriebsleistung von je 2 x 1150 kW im Einsatz. Die Endfeinheit liegt bei 80 % < 0,8 mm. Mit dem Projekt Vasilkovka von VasGold/KazZinc hat man einen weiteren Auftrag aus Kazakhstan für eine Goldmine erhalten. Dort sind zwei KHD Rollenpressen seit 2009 für eine Durchsatzleistung von jeweils 1200-1400 t/h in Betrieb. Die beiden RPS 16-170/180 HPGR sind als Tertiärbrecher mehreren Kugelmühlen vorgeschaltet und ersetzten damit SAG-Mühlen, die ursprünglich als Lösung vorgesehen waren [7]. Die Endfeinheit dieser HPGRs liegt bei 80 % < 5,0 mm. Bei Adanac Molybdenum in Kanada sind ebenfalls zwei KHD Rollenpressen in Betrieb.

 

Koeppern lieferte bereits in 2000 eine erste Pilotmahlanlage nach Polen zur Vermahlung von Kupfererz. In den folgenden Jahren wurden für die Vermahlung von Nichteisen-Metallerzen verschiedene Aufträge erhalten, darunter von Bendigo Gold Mining für eine Koeppern Gutbettwalzenmühle 72/10-500 für die Vermahlung von 100 t/h Golderz, eine Maschine 92/14-1400 für die Windimurra Vanadum Mine in Australien für 575 t/h Durchsatz sowie mehrere Aufträge aus China (Bild 12) für die Vermahlung von Gold-, Kupfer- und Molybdänerz. Der jüngste Auftrag in dem Sektor stammt von Anglogold Ashanti für die Vermahlung von Golderz mit einer Maschinengröße 750/20-1850 und einem Durchsatz von 1775 t/h.

4 Entwicklungen bei IsaMillsTM

Über Entwicklungen beim Regrinding und den eingesetzten IsaMillsTM wurde bereits 2008 in einem Marktbericht zum Thema Vermahlung von Hartgestein berichtet [1]. Seitdem hat die Technologie (Bild 13) ein rapides Wachstum erlebt. Ursprünglich wurde die Technologie nur für die Ultra-Feinvermahlung von 1-20 µm konzipiert. Eine erste Full-Scale Anlage ging 1994 für eine Zinkaufbereitungsanlage in Betrieb. Bis zum Jahr 2007 wurden Mühlen mit etwa 30 MW kumulierter installierter Leistung für die Ultra-Feinvermahlung verkauft (Bild 14). Der Durchbruch gelang insbesondere, als man sich dem Gebiet der Feinvermahlung widmete und hier seit 2007 einen kräftigen Auftragsboom im Bereich der MID-Vermahlung (Midstream Inert Grinding) erlebte. Bisher sind bereits über 100 IsaMillsTM verkauft. Über 90 % der bisherigen Anwendungen betreffen die Erzaufbereitung von Platingruppen-Metallen (44 %), Kupfer-/Golderz sowie Blei-/Zinkerz mit jeweils 24 %.

 

IsaMillsTM sind für die Ultrafeinvermahlung bis zu 30 % effizienter als Tower Mills und diese sind wiederum bis zu 30 % mehr effizient als konventionelle Kugel-Nassmühlen. Die Maschinengrößen der IsaMillTM umfassen jetzt eine M500 für 200 kW bis zu einer M50000 für 8 MW, sowie die Größen M3000, M5000 und M10000. Eine M10000 IsaMillTM mit einer Antriebsleistung von 3 MW verfügt über ein inneres Volumen von nur 10 m3 – das ist weniger als 1/10 des Volumens einer vergleichbar leistungsstarken Kugelmühle oder Tower Mill [8]. Entsprechend kommen IsaMillsTM auf eine sehr hohe Beanspruchungsintensität von 400 kW/m3, verglichen beispielsweise mit Kugelmühlen, die auf etwa 20 kW/m3 kommen. IsaMillsTM haben Mahlscheiben-Umfangsgeschwindigkeiten von 12-20 m/s. Dies wird kombiniert mit relativ dicht gepackten inerten Mahlkörpern von 2-5 mm Größe.

Bild 15 zeigt eine M10000 IsaMillTM in der Prominent Hill Kupfer/Golderz-Aufbereitungsanlage von Oxiana in Südaustralien. Die Mühle ist seit dem Jahr 2008 in Betrieb und vermahlt Rougher Konzentrat mit einer Feinheit von etwa 100 µm zu 24 µm, welches anschließend in eine Jameson Flotationszelle gelangt, um ein Kupferkonzentrat mit einer verbesserten Qualität zu erzielen. Bei der Anlage Amandelbult UG2 von Anglo Platinum in Südafrika sind insgesamt drei IsaMillsTM im Einsatz. Bild 16 zeigt eine der beiden MIG M10000 (Midstream Inert Grinding) sowie eine UFG M3000 (Ultra-Feinvermahlung), die als Regrinding Mühlen für Konzentrat arbeiten. Die IsaMillsTM dort sind seit März 2009 in Betrieb, wobei die Wartungszyklen für die Anlagen länger als 6 Monate sind. Bis August 2011 waren in verschiedenen Minen von Anglo Platinum bereits insgesamt 22 IsaMills in Betrieb. Die Installation der Mühlen hat nicht nur die Energiekosten gesenkt, sondern auch die PGM-­Ausbeute um insgesamt 5 % verbessert [9].

 

5 Ausblick

Moderne Mahlverfahren in der Erzaufbereitung sorgen nicht nur für deutlich geringere Energiebedarfszahlen, sondern auch für verbesserte Ausbeuten bei Nichteisen-Metallerzen. Damit ist ein Trend ausgelöst, der sich weiter fortsetzen wird. Das Ergebnis ist, dass eine Substitution von SAG-Mühlen durch HPGRs erfolgt, Kugelmühlen durch Tower Mills und IsaMillsTM ersetzt werden und schließlich auch Tower Mills von IsaMillsTM abgelöst werden. Derzeit sind schon vereinzelt Anlagen in Betrieb, wo bereits vollständig auf SAG- und Kugelmühlen verzichtet wird und stattdessen HPGRs und IsaMillsTM eingesetzt werden. Ein gewisser Trend ist auch hinsichtlich der Trockenvermahlung bzw. Trockenabsiebung zu erkennen. Hier könnten künftig auch Vertikalmühlen, wie sie aus der Zementindustrie bekannt sind, stärker zum Einsatz kommen.

[1] Harder, J.: Trends in the Grinding of Hard Rock for Raw ­Materials Production. AT Minerals Processing, 8/2008, pp. 38-48
[2] Gerold, C. et all: Recent Installations and Developments of ­Loesche Vertical Roller Mills in the Ore Industry. 8th International Comminution Symposium (Comminution 12), April 17-20, 2012, Cape Town/South Africa
[3] Patzeld, N.: HPGRs for Hard Rock Applications. Proc. of the Randol Innovative Metallurgy Forum 2005, Perth/Australia
[4] Burchardt, E. et all; HPGR’s in Minerals: What do Existing Operations tell us for the Future? SAG Conference, September 25-29, 2011, Vancouver/Canada
[5] Bolles, T.: Pioneering the Use of HPGRs at Cerro Verde. Mill Optimisation Conference, March 30-31, 2011, Perth/Australia
[6] Van der Meer, F.P.; Maphosa, E.: High Pressure Grinding moving ahead in Copper, Iron and Gold Processing. The Southern African Institute of Mining and Metallurgy Base Metals 2011
[7] Van der Meer, F.P. et all: High Pressure Grinding at Vasilkovka Gold. 7th International Mineral Processing Seminar, December 8-10, 2010, Santiago/Chile
[8] Rule, C.M.: Stirred Milling – New Comminution Technology in the PGM Industry. The Journal of the Southern African Institute of Mining ands Metallurgy. February 2011, pp. 101-107
[9] Rule, C.M.; De Waal, H.: IsaMill Design Improvements and Operational Performance at Anglo Platinum. Metallurgical Plant Design and Operating Strategies (Met-Plant 2011), Conference Proceedings pp. 176-192, August 8-9, 2011, Perth/Australia
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