CONGRESO CONAMET/SAM 2004

MINERALES DE TITANIO EN CHILE.David Fuller Brain(1), Jorge Fuller Padilla(2), Nury Cabrera Alcaíno(3), Pablo Recabarren Arias(4) y Carlos Riquelme Catalán(5) (1)

Universidad Técnica Federico Santa María, Departamento de Ciencia de Materiales, Avda. España 1680 casilla 110-V, Valparaíso, Chile, [email protected] (2) Synergy Asesores, Luis Thayer Ojeda 0191, Providencia, Santiago, Chile, [email protected] (3) Synergy Asesores, Luis Thayer Ojeda 0191, Providencia, Santiago, Chile, [email protected] (4) Universidad Técnica Federico Santa María, Departamento de Ciencia de Materiales, Avda. España 1680 casilla 110-V, Valparaíso, Chile, [email protected] (5) Universidad Técnica Federico Santa María, Departamento de Ciencia de Materiales, Avda. España 1680 casilla 110-V, Valparaíso, Chile, [email protected] RESUMEN Chile no ha sido un país productor de minerales de Titanio como muchas regiones terrestres en las cuales se explotan yacimientos de Ilmenita, como también extensa zonas costeras con yacimientos sedimentarios de Arenas Titaníferas. Se conoce hace mas de 20 años, algunas afloraciones de minerales primarios de Rutilo, como también se tiene conocimientos de bajos contenidos de minerales de titanio en relaves de la minería del cobre. Todo esto hasta el presente no se ha concretado en proyectos productivos. Otra presencia de titanio se encuentra en las arenas sedimentarias Titaníferas en la costa marítima de Chile. Estas arenas comenzaron a ser estudiadas en la década de 1980 por CORFO, pero sin resultados positivos. Posteriormente en 1989 se inició en la Universidad Técnica Federico Santa María, un proyecto para beneficiar las arenas sedimentarias costeras, con el fin de producir productos a base de Titanio; en especial Rutilo Sintético que permitieran su exportación. En el presente trabajo se expone buena parte de lo estudiado con las Arenas Ferrotitaníferas, en especial el conocimiento de cómo se presentan en las playas chilenas y como están constituidas química y cristalográficamente. Para finalizar este trabajo hemos calculado con los datos prácticos obtenidos, cuál sería la reserva probada de 5 playas en el sur de la V Región y parte de la VI Región. Este ejemplo nos hace deducir que las reservas hasta llegar al Canal Chacao serían enormes. Palabras Claves: Rutilo,Titanomagnetita, Arenas Negras, Minerales Ferrotitaníferos, Synrutilo.

1. INTRODUCCIÓN Dos prospectos de minerales de titanio al estado de Rutilo natural se dieron a conocer durante la década del 80. Uno fue el de un yacimiento en Freirina, entre Vallenar y Huasco. En esta zona se ubican dos afloramientos llamados de Agua del Medio y Agua Colgada a 12 y 20 Km. al sur de Freirina.1 El segundo prospecto fue el perteneciente a la Sociedad Minera El Inca de la Serena y de propiedad de don René Martin Jure. Esta sociedad tenía los derechos de un yacimiento denominado Mina Indiana ubicado en los cerros al sur de la carretera a Vicuña, justo frente al aeropuerto de La Serena.2

Mas o menos al mismo tiempo comenzó a divulgarse la noticia que los relaves de la gran minería del cobre tendrían del orden de 0.4% a 0.6% de Rutilo. Este valor es muy cercano al contenido aceptado de Ti en la corteza terrestre 3 que da 0.44% Ti. Recientemente han aparecido dos nuevas informaciones en la literatura técnica que da a conocer dos nuevos proyectos para la explotación de yacimiento de Rutilo en Chile en la zona de Freirina. Uno bajo el nombre de Cerro Blanco Project 4 y el segundo denominado San Pedro Project 5.

CONGRESO CONAMET/SAM 2004 La presencia mas extensa de minerales de titanio en Chile lo constituye los yacimientos sedimentarios de arenas negras en las playas y dunas de la costa del litoral chileno. Detallados estudios de prospección de arenas costeras se han llevado a cabo en Chile explorando las extensas playas del litoral marítimo 6,7,8 financiados por la “Corporación de Fomento de la Producción”; CORFO de Chile. Más tarde en 1989, esta misma corporación apoyó el trabajo emprendido por la “Compañía Procesadora de Minerales S.A”; COPROMIN, cuyos resultados constituyen varios informes de avance .9,10,11,12 Algunos años después hemos publicado un artículo en el XII Congreso Nacional de Ingeniería Química 13 y tres artículos en la revista Minería Chilena especializada en Minería y Metalurgia 14,15,16 en que tratamos sobre Minería Oceánica y en especial sobre Minerales Ferrotitaníferos ubicados en las extensas playas del litoral chileno. Durante estos últimos años también hemos abordado el estudio del procesamiento metalúrgico de estos minerales sedimentarios y el conocimiento mas exacto sobre la naturaleza de ellos.

10 playas prospectadas durante 1989 y 1990. Estas cinco playas están ubicadas en orden secuencial de Norte a Sur y serán estudiadas en esta presente publicación. Tabla I: Playas citadas en este trabajo: N° Playa

Frente a la costa chilena se desplaza la conocida corriente marítima de Humboldt de sur a norte con aguas bastante frías como es de conocimiento general. Los vientos predominantes, en especial durante los meses de invierno, corren del mar hacia el continente o sea del oriente hacia occidente y de norte a sur. Observando la geografía de la costa marítima se aprecia que los ríos que descargan sus aguas al Océano Pacífico tienden preferentemente a curvarse hacia el norte como siguiendo la corriente de Humboldt. En la Tabla I entregamos las características de 5 de las

Km

Total de muestras tomadas

Longitud playa

01

Santo Domingo

6274,350

20,0

6264,350

245

02

Punta Culebra

6260,600

3,5

6260,000

42

03

Maitenlahue

6257,350

6,5

6251,500

82

04

Navidad

6245,325

7,5

6287,850

102

09

Cáhuil

6186,300

5,0

6183,800

81

Tabla II: Contenidos máximos de TiO2 y Fe en cada playa N° Playa

% TiO2 máximo

% Fe máximo

% Fe / % TiO2

01

4.53

19.7

4.35

02

2.87

13.5

4.70

03

1.85

8.65

4.68

04

1.63

6.96

4.27

05

1.43

6.53

4.57

2.-MINERALES SEDIMENTARIOS DE TITANIO EN EL LITORAL MARITIMO CHILENO.-

En la Figura I y con la ayuda de la Tabla II, hemos graficado el máximo porcentaje de TiO2 y Fe encontrados en cada una de las 5 playas estudiadas. El contenido de TiO2 crece al igual que el Fe en el mismo sentido en que se desplaza la corriente de Humboldt, de Sur a Norte. % Elementos v/s Kilómetros 25

20 % TiO2 Máx.

% Elementos

Nuestras prospecciones iniciadas a fines del año 1989, tuvieron por objeto ubicar los mejores yacimientos aptos para ser explotados, basándonos en los anteriores estudios de CORFO indicados.6,7,8 El litoral marítimo chileno se extiende prácticamente en dirección Norte a Sur, por lo que para identificar cada yacimiento o playa lo indicamos en nuestro estudio con un número correlativo cronológico, por su nombre toponímico y por su ubicación geográfica, en unidades UTM del punto de muestreo inicial de la prospección o Punto 01. El punto siguiente de toma de muestras se encuentra a 500 metros al sur del primero. En cada punto de muestreo se toma no menos de 5 muestras representativas, las que mezcladas arrojan las características de esa ubicación.. Todos los puntos sucesivos siguen aproximadamente la línea de altas mareas al medio día y ordenados de Norte a Sur.

Nombre

Coordenada UTM, de Punto con máximo Ti y Fe

Coordenada UTM, Punto de Muestreo 01, Km.

% Fe Máx

Relación % Fe Máx/TiO2 promedio

15

10

5

0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Kilómetros

Figura I: : Contenidos máximos de TiO2 y Fe en su extensión de Kilómetros.

100

CONGRESO CONAMET/SAM 2004 Los resultados de la Figura I podrían indicar que las arenas negras al irse desplazando de sur a norte por la corriente de Humboldt y los vientos soplando contra el continente harían perder masa inerte, lo que incrementaría la concentración en Ti como en Fe, perdiendo material blando o ganga. La razón % Fe / % TiO2 que permanece constante en un valor medio de 4,51 ratificaría que estas 5 playas analizadas corresponden a una misma arena de origen al sur de ellas. También podría aceptarse que las arenas estarían constituidas por un compuesto único cuya relación Fe/TiO2 es el valor calculado gráficamente de 4,51. Todas las muestras tomadas en un Punto de Muestreo dan origen a un compósito, el que es analizado en su contenido de Titanio y Fierro, además de otras propiedades. En las Figuras II y III, entregamos los resultados de los contenidos en Ti y Fe de cada punto en función de la ubicación en la playa de Santo Domingo.

Figura II: % Fe en playa 01 de Santo Domingo.

Figura III: % Ti en playa 01 de Santo Domingo.

En estos gráficos se observa que en ambos extremos Norte (N) y Sur (S) se tiende a valores mínimos, 0,4% para Ti y 4% para el Fe aproximadamente. En la parte central se ubican concentraciones mayores de Ti y Fe. Deducimos que la playa originalmente habría estado formada por un sedimento pobre en Ti y Fe. Posteriormente habría entrado desde el mar un segundo sedimento mas rico en los elementos mencionados. El sedimento primario con bajos contenidos en Ti-Fe lo asociamos al producto de destrucción de roca magmática original en nuestra corteza terrestre. Esta manifestación de presencia de contenidos mínimos de Ti y Fe la constatamos en todas nuestras determinaciones de estos elementos como lo veremos en adelante. Similares resultados tenemos para las otras 4 playas estudiadas e identificadas en la Tabla I anterior. La similitud de las Figuras II y III, entre los perfiles de barra nos llevó a deducir que existía una relación lineal entre % Fe y % Ti para las 5 playas, cuyos resultados estamos presentando aquí,

exponemos a continuación las correspondientes ecuaciones de correlación en la Tabla III. Tabla III: Ecuaciones de correlación %Ti v/s %Fe para las 5 playas en estudio.

N° Playa 01

02

03

04

09

Nombre

Ecuación %Ti v/s %Fe

Correlación R2

Puntos experimentales

Santo Domingo

%Ti = 0,145% Fe –0,219

0,988

40

Punta Culebra

%Ti = 0,132% Fe –0,082

0,997

7

Maitenlahue

%Ti = 0,135% Fe –0,08

0,993

7

Navidad

%Ti = 0,163% Fe –0,175

0,979

8

Cáhuil

%Ti = 0,141% Fe –0,083

0,903

6

Esta correlación entre Ti y Fe expuesta en la Tabla III, indicaría que estamos en presencia de uno o varios compuestos minerales muy estables e insolubles frente a la acción del medio ambiente presente en las playas marítimas. Estos minerales Ferrotitaníferos son de color negro, poseen propiedades ferromagnéticas y presentan pesos específicos que varían entre 4,5 y 5,2 g/cm3. En las playas prospectadas los minerales densos, también conocidos como arenas negras, están asociados a otros que conforman una proporción importante según sea la playa estudiada. La fracción Ferrotitanífera puede ser fácilmente separada por métodos gravitacionales, tales como espiral y mesa vibratoria que hemos utilizado. Se separa la fracción liviana, cuya densidad oscila entre 2,6 y 2,8 g/cm3, que está formada por Sílice, Silicatos, Andesita, Aluminatos, etc., todo esto es ganga sin valor comercial. La recuperación de los minerales pesados es muy alta pero junto a los ferrotitaníferos encontramos también muchos otros minerales pesados, tales como Zircón, Sulfuros de varios metales, Monacita, Metales nobles, Tierras Raras, etc. que harían la delicia de cualquier metalurgista. Como por ejemplo damos el caso de la playa 01 en Santo Domingo (Tabla IV) en la cual la fracción densa alcanza a un 22,35% en peso del total (separada por líquido denso tetrabromo etano; γ = 2.83 g/cm3).

CONGRESO CONAMET/SAM 2004 Tabla IV: Contenido de material denso y liviano las playas en estudio. CONTENIDO MATERIAL DENSO % Densidad g/ml Playa Promedi o playa

Valor máximo

Valor mínimo Fracción Densa

Fracción Liviana

01

22,35

53,3

12,8

3,534

2,710

02

20.88

37.5

4.4

3.404

2.698

03

17.52

33.3

6.8

3.301

2.703

04

10.97

18.3

5.7

3.116

2.689

09

15.15

19.6

10.7

3.254

2.684

3.-MINERALES FERROTITANIFEROS EN EL LITORAL CHILENO.Con lo expuesto en el capítulo anterior y visto en la Figura 1, deducimos que el TiO2 con los óxidos de fierro forman un compuesto férreamente unido generando un enlace químico. Esta combinación química se conoce como Mineral Ferrotitanífero. Los minerales Ferrotitaníferos que nos atañen primordialmente comenzaron a ser estudiados en profundidad aproximadamente en la década del 1950. Lo que en la actualidad sabemos es que los minerales ferrotitaníferos están formados por los tres óxidos de fierro conocidos: Wustita, Magnetita y Hematita por combinación de los cationes Fe+2 y Fe+3 con el oxígeno, generando óxidos ferroso, magnético y férrico los que reaccionan en diversas proporciones con el dióxido de titanio TiO2 que aparece como radical ácido. Esto da lugar a un amplio número de combinaciones Fe-O-Ti que se representan según un diagrama ternario FeO-Fe2O3-TiO2 que se expone en la Figura V. Los minerales titanomagnéticos se generan por reacciones en el magma terrestre líquido. Este magma al enfriarse y solidificarse aparecen tres familias de compuestos magmáticos que son:

1.- Pseudobruquita. 2.- Fase Rombohédrica. 3.- Espinel.

Figura IV: Diagrama Ternario FeO-Fe2O3-TiO2 Estas tres fases pueden variar de un extremo a otro por sustitución continua. En cada una de las tres familias la sustitución es de Titanio por Fierro y se mantiene en cada familia la misma estructura cristalina. En 1962 R.W. Taylor recibe su grado de Doctor of Philosophy en la Pennsylvania State University en USA17, con un estudio muy detallado sobre la construcción del Diagrama ternario de equilibrio del sistema FeO-Fe2O3-TiO2 a 1300 °C y cuyo diagrama reproducimos en nuestra Figura V. Nuestras mediciones de Arenas Negras, las podemos representar por el diagrama de la Figura V, enfriando y solidificando. Generamos así algunas modificaciones que son mínimas. Sólo es necesario aceptar que la Wüstita no sería estable y se descompone bajo los 560°C según la ecuación: (1)

4 FeO → Fe + Fe3O4

La Wüstita en caliente es no magnética, la que se transforma en productos fuertemente magnéticos, al enfriarse bajo 560°C. El resto del diagrama es sensiblemente similar al de 1300°C. El extremo del FeO se convierte en el punto mas magnético de todo el sistema. Podemos reconocer que la propiedad de atracción magnética es máxima para la zona comprendidad entre el punto FeO (que en frío sería ¼ (Fe+Fe3O4)), hasta el lugar Fe3O4. Si nos alejamos desde esta línea basal y nos vamos acercando hacia el extremo superior TiO2, la propiedad magnética va continuamente decreciendo y al llegar al extremo TiO2, el rutilo es no magnético Si sometemos el mineral Ferrotitanífero a una separación magnética obtendremos en la fracción no magnética TiO2 pero acompañado de otros compuestos pesados y no magnéticos como Zircón, Cromita, Monacita, etc.; pero económicamente interesantes. En la fracción

CONGRESO CONAMET/SAM 2004 magnética se concentrará el mineral Ferrotitanífero propiamente tal, constituido como ya hemos enunciado, por óxidos de Fierro unidos por enlaces químicos con Rutilo. Hemos analizando químicamente el contenido de Oxígeno asociado a los iones Fe+2 y Fe+3 , lo que arroja para este grupo de 5 playas (01, 02, 03, 04 y 09), un valor de O1.13. Con las 5 playas en estudio, desde Santo Domingo en el Norte hasta Cáhuil unos 88 km. hacia el Sur, podemos procesar 67 compósitos de punto de muestreo tomados y analizados por Fe y Ti. Con estos resultados de 67 titulaciones de Fe y 67 de Ti, graficamos el % de FeOx v/s % de TiO2, con un x= 1.13, según contenido en % masa en la Figura V. % FeOx v/s %TiO2 30.00

25.00

En la Tabla I , hemos indicado las cinco playas con sus respectivas longitudes que hemos prospectado. Ellas suman 42,5 km. de largo, en las que se tomaron 552 muestras individuales con las cuales se preparó 67 compósitos de muestras de Puntos de Muestreo, las que fueron analizadas químicamente en el Centro de Investigaciones Minero y Metalúrgico CIMM en Santiago. Es nuestro interés en esta ocasión y con los datos que disponemos llevar a cabo una cuantificación preliminar para deducir cuán importante es la reserva de Titanio en Chile, estudiando estos minerales sedimentarios en nuestras costas marítimas. Vamos a suponer que podríamos explotar una franja de 40 mt de ancho, a partir de la rompiente en alta marea y retiramos arena por 1 mt. de profundidad (que es hasta donde hemos explorado con el muestreo).

20.00

% FeOx

Nuestro estudio y presentación de las características de Arenas Negras la estamos realizando justamente con playas que parten de Santo Domingo, junto al río Maipo y al sur de él. De nuestras cinco playas en análisis, algunas quedan en la 5º, como en la 6º región.

15.00 y = 5.6319x + 1.391 R 2 = 0.9796 10.00

5.00

0.00 0.000

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

3.500

4.000

4.500

5.000

% TiO2

Tenemos así un volumen para las cinco playas de: Longitud Total: 42.500 mt.

Figura V: % FeOx v/s %TiO2 Podemos establecer con ayuda de la Figura V, una fórmula promedio general para el conjunto de las 5 playas estudiadas que nos entrega el siguiente resultado:

FeOx = η × TiO2 + c

(2)

para % masa

En esta relación FeOx, representa la masa de óxidos de fierro y TiO2 la masa de Rutilo presente en la Titanomagnetita En que: η=5.6319 x=1.13 4.-DISPONIBILIDAD DE MINERALES FERROTITANIFEROS EN CHILE.Las Arenas Negras Titaníferas en Chile se encuentran ampliamente distribuidas en las playas y dunas de la costa chilena, notándose una mayor presencia en la mitad sur del país. Podemos estimar que al sur del río Aconcagua en la 5º Región, comienza a incrementarse la presencia de Arenas Negras y las playas son sin discusión mas oscuras que las playas nortinas.

Ancho Franja: 40 mt. Espesor: 1 mt. Volumen: 1.700.000 m3 Usando los valores de la Tabla IV, que dan los contenidos de material denso como promedio de playa, obtenemos un valor ponderado por la longitud de 18,63% denso, para el conjunto de las cinco playas. El contenido total de volumen de mineral denso será se 1.7 x 106 m3 x 18,63%. Luego el volumen de material denso = 316.710 m3 De la misma Tabla IV, obtenemos el valor de la densidad media ponderada que arroja un 3,381 ton/m3. El valor de la reserva sería de: 316.710 m3 x 3,381 ton/m3= 1.078 x 106 ton, como mineral denso o Titanomagnetita. Ésta, de las cinco playas estudiadas queda representada por la ecuación ya vista (2) y que se transformaría en: (3) y para una

FeO1,13 = 5,6319 × TiO2 + 1,390

CONGRESO CONAMET/SAM 2004 Titanomagnetita limpia podemos asumir que masa de TiO2=100

[4]

Petersen Brian, “UTA Networking”, PR Newswire, USA, 18 Dec, 2003.

Masa de FeOx=563,19+1,391=564,58 Este resultado nos indica que si planteamos una producción industrial de 10.000 ton/año de TiO2, lo que constituye una planta no despreciable a nivel internacional, esto iría acompañado de una producción estimada de: TiO2=10.000 t/año Fe=85.300 t/año Oxígeno=27.610 t/año Titanomagnetita= 122.910 t/año

[5]

Intrnacional PBX, “San Pedro Project”

[6]

Corporación de Fomento de la Producción, “Prospección Preliminar de los Minerales Pesados de Arenas Costeras”, Primera etapa, Santiago, Mayo 1979.

[7]

Corporación de Fomento de la Producción, “Prospección Minera No Tradicional de Arenas Costeras”, Segunda etapa, Santiago, Mayo, 1980.

El depósito sedimentario de arena negra no se limita abruptamente a la rompiente. En la playa de Santo Domingo hemos avanzado aguas adentro fácilmente 100 mt., llegando el agua a la altura de la rodilla. La reserva así podría multiplicarse por 2 ó 3.

[8]

Corporación de Fomento de la Producción, “Estudio de la recuperación de Zircón y Elementos Asociados a partir de Arenas Costeras”, Santiago, 1986.

[9]

Compañía Procesadora de Minerales S.A,”Explotación de Arenas Titaníferas y Producción de Pigmento de Titanio TiO2, 1o Informe de Avance, Valparaíso, Junio 1990.

[10]

Compañía Procesadora de Minerales S.A,”Explotación de Arenas Titaníferas y Producción de Pigmento de Titanio TiO2, 2o Informe de Avance, Valparaíso, Dic. 1990.

[11]

Compañía Procesadora de Minerales S.A,”Explotación de Arenas Titaníferas y Producción de Pigmento de Titanio TiO2, 3o Informe de Avance, Valparaíso, Dic. 1991.

[12]

Compañía Procesadora de Minerales S.A,”Explotación de Arenas Titaníferas y Producción de Pigmento de Titanio TiO2, Informe Final, Valparaíso, Julio 1992.

Otro factor que es necesario estudiar con mas dedicación es cuantificar la profundidad del depósito costero de Arena Negra. Será necesario realizar una campaña de perforaciones en el litoral seleccionado. CORFO a través de su Departamento de Sales Mixtas, llevó a cabo una breve campaña a este efecto a comienzos de 1980, con resultados bastante auspiciosos que podrían augurar el aumento de la reserva por 5 veces conservadoramente. Lo presentado aquí en forma muy resumida es muy alentador, porque desplazándonos mas al sur en el litoral se encuentran muchas sorpresas de playas esperando ser convertidas en fuente de trabajo y bienestar. 5.-CONCLUSIONES.Para terminar esta breve exposición, deseamos expresar nuestro convencimiento y que se deduce del presente texto, de que las Arenas Negras al desplazarse de Sur a Norte, constituirían una reserva renovable y que al irse explotando una playa podríamos ver en los años posteriores que volvería a colmarse de la interesante Arena Negra. Esta presencia en las regiones del Sur debe constituir reservas importantes y que no han sido cuantificadas aún. 6.-REFERENCIAS.[1]

Ruiz Fuller Carlos y Peebles L. Federico, “Geología , Distribución y Génesis de los Yacimientos Metalíferos Chilenos”, Ed. Universitaria S.A., 1988, pp. 201-204.

[2]

Martin Jure René y Fuller Brain David, "Correspondencia Privada”, 1988-1990.

[3]

Hurlbut Cornelius S. Jr., "Dana'S”, “Manual of Mineralogy”, 18th Edition. John Wiley & Sons, New York, pp. 484.

[13] Fuller B. David, Rojo O. Adrián, Fuller P. Jorge, “Exploración de Arenas Titaníferas en el Litoral Central de Chile, XII Congreso Nacional de Ingeniería Química, Actas 1996, Valparaíso, pp.91-104. [14] Fuller B. David, “Minería Oceánica: Un nuevo Futuro para Chile, Minería Chilena No 235, Enero 2001, pp.21-27. [15]

Fuller B. David, “Minería Oceánica: Explotación de Arenas Titaníferas Chilenas, Minería Chilena No 237, Marzo 2001, pp.4951.

[16] Fuller B. David, “Una nueva riqueza aportada por la Minería Oceánica, Minería Chilena No 250, Abril 2002, pp.153-157. [17] Taylor R.W.,”Phase Equilibria in the system FeO-Fe2O3-TiO2 at 1300 0C”. Thesis for the degree of Doctor of Philosophy, University of California, 1962, Summary in The American Mineralogist, vol 49, Jul-Aug, 1964.