Britagem e Moagem no Beneficiamento de Minérios: Processos, Energia e Fragmentação

CAPÍTULO 4 BRITAGEM E MOAGEM Descrevese a operação de fragmentação no campo de beneficiamento de minérios que envolve diversas técnicas para reduzir o tamanho de sólidos como rochas com o objetivo de liberar minerais valiosos ou adequálos para processos industriais Iniciase com o desmonte do minério na mina usando explosivos para produzir blocos que serão britados para obter material adequado à moagem A moagem é essencial para produzir um produto fino para processos industriais subsequentes Destacase que a fragmentação consome a maior parte da energia no processamento de minérios representando uma parte significativa dos custos operacionais de uma usina Um exemplo é citado da Erie Mining Co que processa minérios de ferro taconíticos exigindo redução a uma granulometria específica Ademais é destacado que 80 da energia consumida em uma unidade industrial é direcionada para a fragmentação ressaltando a importância do estudo desse processo Qualquer melhoria na operação pode resultar em economia significativa no processo Além disso os pesquisadores buscam entender os modelos matemáticos da fragmentação e sua relação com as variáveis operacionais Esse conhecimento pode ser aplicado em otimização controle do processo e no dimensionamento de unidades industriais É apresentado os princípios da fragmentação destacando que a maioria dos minerais são materiais cristalinos cuja estrutura é mantida por ligações físicas e químicas Essas ligações podem ser quebradas por forças externas gerando a fragmentação No entanto rochas e minerais são heterogêneos e anisotrópicos contendo falhas e fraturas que afetam sua resistência mecânica A teoria da fratura explora a formação e propagação dessas falhas A energia mecânica necessária para a fragmentação pode ser aplicada por esmagamento impacto atrito e abrasão A velocidade de aplicação das forças influencia na quantidade de energia necessária para a ruptura sendo que em geral o consumo de energia aumenta com a velocidade de aplicação das forças exceto em casos de impactos de alta velocidade Já sobre as leis da fragmentação que são tentativas de estabelecer relações entre a energia consumida e a redução do tamanho de um material A Lei de Rittinger relaciona a energia específica à área da nova superfície produzida por fragmentação e se aplica à moagem muito fina como no caso do clínquer de cimento A Lei de Kick estabelece que o trabalho requerido é proporcional à redução em volume das partículas envolvidas e é preferencialmente aplicável à fragmentação de matacões Houve controvérsias entre os seguidores dessas duas leis devido a interpretações diferentes e ao paradoxo de que na prática mais energia é utilizada do que o previsto teoricamente A Lei de Bond proposta por FC Bond postula que a energia consumida é inversamente proporcional à raiz quadrada do tamanho do material e é amplamente utilizada na indústria para classificar materiais segundo sua resposta à fragmentação As três leis foram estudadas por Austin em 1973 resultando em formulações mais abrangentes e esclarecendo sua aplicação e restrições Ao analisar a energia em um moinho o texto destaca que a energia superficial representa apenas uma pequena fração da energia total fornecida ao moinho Rose demonstrou que praticamente toda a energia fornecida ao moinho se converte em calor som ou energia de transformação de fase sem relação direta com a energia superficial A lei empírica utilizada na prática relaciona a energia específica de moagem com a superfície produzida por unidade de massa quebrada Além disso é mencionada a relação de Charles que busca modelar os resultados práticos da fragmentação destacando a representação da distribuição granulométrica em gráficos loglog A relação estabelecida por Hukki para o consumo de energia de fragmentação em relação à granulometria do produto A Figura 7 mostra que as três leis de fragmentação podem ser aplicáveis em diferentes faixas de tamanho mas a Lei de Bond é mais adequada para a faixa de tamanho mais comum na tecnologia mineral No entanto a aplicação da Lei de Bond pode levar a grandes discrepâncias em condições operacionais diferentes das usuais Para corrigir essas discrepâncias Bond e posteriormente Rowland introduziram fatores que serão discutidos posteriormente no capítulo de moagem Um dos principais problemas da aplicação da Lei de Bond é não considerar o Índice de Trabalho WI como uma função das variáveis de processo Tentativas recentes de definir os resultados da fragmentação com base no mecanismo de aplicação da força às partículas estão em desenvolvimento e podem superar essa dificuldade Britagem O processo de britagem é um estágio no processamento de minérios com o objetivo de fragmentar blocos de minério para granulometrias adequadas à utilização direta ou para processamento posterior A britagem é realizada em três estágios grosso intermediário e fino moagem Os britadores utilizados são de grande porte e operam em circuito aberto na britagem primária onde a redução de tamanho é em torno de 81 Na britagem primária são empregados britadores de mandíbulas britadores giratórios britadores de impacto e britadores de rolos dentados Os britadores de mandíbulas são divididos em tipos de um e dois eixos com este último sendo mais indicado para materiais abrasivos e de difícil fragmentação Já os britadores giratórios são preferidos quando há uma grande quantidade de material a ser fragmentado devido à sua capacidade operacional e baixo custo Existem ainda diferentes tipos de britadores utilizados na britagem primária e secundária No caso do britador de impacto a fragmentação ocorre por meio do impacto das barras sobre o material sendo indicado para alta razão de redução e percentagem de finos na britagem primária mas possui elevado custo de manutenção e desgaste O britador de rolo dentado por sua vez utiliza compressão e cisalhamento entre os dentes e a carcaça sendo mais indicado para rochas de fácil fragmentação e britagens móveis Na britagem secundária o objetivo geralmente é a redução granulométrica para a moagem sendo comum o escalpe da fração fina na alimentação para aumentar a capacidade de produção Os equipamentos utilizados incluem britador giratório secundário britador de mandíbulas secundário britador cônico britador de martelos e britador de rolos com funcionamento semelhante aos utilizados na britagem primária porém com dimensões menores O britador cônico possui o mesmo princípio de operação do britador giratório mas com o cone e o manto apresentando superfícies paralelas para garantir um tempo longo de retenção das partículas com a descarga condicionada ao movimento do cone controlado por dispositivos hidráulicos O funcionamento e a aplicação do britador de rolos consiste em dois rolos de aço girando em sentidos contrários para fragmentar materiais friáveis ou de fácil fragmentação com limitação quanto à granulometria da alimentação A britagem terciária é geralmente o último estágio de britagem comumente utilizando britadores cônicos em circuito fechado para obter produtos finais com granulometria específica No contexto brasileiro devido às restrições ambientais na exploração de areia natural o uso de britadores de impacto vertical VSI para produção de areia artificial tem sido estudado e implementado em algumas regiões Esses equipamentos são capazes de modificar as partículas conferindolhes formato cúbico ou arredondado através de processos como impacto abrasão e atrição O dimensionamento dos britadores é feito com base em especificações técnicas capacidades de produção e curvas granulométricas observandose as condições de operação e recepção Já os fatores que influenciam a escolha do tipo de britador em uma instalação de britagem têmse o tamanho máximo dos blocos na alimentação distribuição granulométrica conteúdo de argila e umidade densidade do material forma das partículas e corrosividade do minério Esses fatores são essenciais para determinar o tipo de britador mais adequado para processar o minério de forma eficiente e econômica Além disso um exercício prático é apresentado onde é necessário projetar uma instalação de britagem com base em dados específicos do minério como capacidade de produção tamanho máximo dos blocos WI do minério densidade teor de argila e umidade O processo de seleção do britador é descrito juntamente com o cálculo da curva granulométrica do produto britado com base nos dados fornecidos É realizado o cálculo para a escolha do rebritador com base nos dados fornecidos A partir da Tabela 5 são observadas as capacidades de produção em relação ao tamanho dos blocos Com base nesses dados é selecionado o rebritador secundário 9026 com uma abertura de boca de saída na posição fechada de 1 ½ que possui capacidade de 29 37 m³h Utilizando o movimento do queixo de ¾ é consultada a curva correspondente na Figura 19 para determinar a distribuição granulométrica do produto final Moagem É abordado a importância da etapa de moagem no processo de fragmentação de minérios A moagem é crucial para reduzir as partículas a um tamanho adequado para a liberação do mineral de interesse que será concentrado nos processos subsequentes Tanto a submoagem quanto a sobremoagem são indesejadas pois afetam a eficiência do processo e o consumo de energia Os equipamentos mais comuns utilizados na moagem são os moinhos cilíndricos que podem conter barras bolas ou seixos como corpos moedores Esses moinhos operam em uma faixa de velocidade sendo a velocidade crítica um ponto importante a ser considerado para garantir a eficácia da moagem Geralmente os moinhos são operados em velocidades entre 50 e 90 de sua velocidade crítica com a escolha dependendo das condições econômicas e das necessidades de processamento Os movimentos das bolas dentro da carcaça dos moinhos durante a operação de moagem destacando quatro tipos de movimentos rotação translação deslizamento e queda Cada movimento contribui de maneira diferente para a fragmentação das partículas seja por compressão atrito ou impacto Além disso são discutidos os regimes de operação dos moinhos catarata e cascata influenciados pela velocidade do moinho e pelo fator de enchimento O regime de catarata é mais adequado para a fragmentação de material mais grosso enquanto o regime de cascata é mais eficaz para a obtenção de um produto final com granulometria fina Em seguida são descritos dois tipos de moinhos cilíndricos comuns o moinho de barras e o moinho de bolas O moinho de barras utiliza barras como meio moedor e é adequado para britagem fina ou moagem grossa Já o moinho de bolas utiliza bolas como meio moedor e é mais adequado para a moagem fina São detalhadas as características construtivas desses moinhos incluindo o material de fabricação o revestimento e os diferentes tipos de revestimento disponíveis para otimizar a operação do moinho Ademais abordase a alimentação de moinhos dependendo do tipo de circuito de moagem aberto ou fechado e se a moagem é a seco ou a úmido São descritos diferentes tipos de alimentadores utilizados como o alimentador bica de entrada o alimentador pescador o alimentador de tambor e o alimentador pescador e tambor combinados Cada um desses alimentadores é adequado para diferentes condições de operação e tipos de moinhos Também são discutidos os métodos de descarga de polpa dos moinhos tanto para moinhos de barras quanto para moinhos de bolas São detalhados os tipos de descarga mais comuns como descarga periférica central descarga periférica terminal descarga por grade e descarga por transbordo e suas respectivas aplicações em diferentes cenários de moagem Por fim são abordados fatores importantes na operação de moinhos como a velocidade de operação e o fator de enchimento A velocidade adequada de operação e o fator de enchimento influenciam diretamente no consumo de energia e na eficiência do processo de moagem Valores recomendados para esses parâmetros são apresentados destacando a importância de ajustálos de acordo com as características do moinho e do processo de moagem Existem ainda diversos aspectos relacionados à porcentagem de sólidos na polpa ao tamanho dos corpos moedores e à sua influência na eficiência e capacidade do moinho A Porcentagem de Sólidos na Polpa é a quantidade de água usada no moinho para formar a polpa depende da granulometria da alimentação e do tipo de moinho A eficiência de moagem aumenta com uma concentração adequada de sólidos na polpa reduzindo o consumo de bolas até um ponto máximo a partir do qual a eficiência começa a diminuir O Tamanho dos Corpos Moedores é crucial para a eficiência do moinho Devese escolher um tamanho que quebre eficientemente as maiores partículas da alimentação sem reduzir a capacidade do moinho O desgaste dos corpos moedores ao longo do tempo resulta em uma distribuição contínua de diâmetros conhecida como carga de equilíbrio Recomendase iniciar a operação do moinho com uma carga de meio moedor próxima à carga de equilíbrio Além disso são mencionados estudos realizados sobre o efeito de aditivos químicos na moagem a úmido mostrando que o controle da fluidez da polpa pode melhorar a velocidade da moagem sem aumentar os custos de energia e consumo de meio moedor Já no que concerne os circuitos de moagem que podem ser a seco ou a úmido dependendo do material a ser processado e do processo subsequente As vantagens da moagem a úmido são destacadas incluindo menor consumo de energia maior capacidade por unidade de volume do moinho e possibilidade de uso de peneiramento e classificação úmida Os circuitos de moagem são divididos em abertos e fechados No circuito aberto o material é alimentado no moinho de forma que o produto final já atinja o tamanho desejado em uma única passagem No entanto este método não oferece controle sobre a distribuição do tamanho do produto e pode resultar em sobremoagem Na indústria geralmente a moagem é realizada em circuito fechado onde um classificador ou peneira retorna a fração grossa ao moinho como carga circulante Isso reduz o tempo de residência das partículas diminuindo a sobremoagem e aumentando a eficiência A capacidade do moinho aumenta com a diminuição do diâmetro das bolas até um certo ponto Além disso a carga circulante influencia na capacidade do moinho com valores ótimos geralmente entre 100 e 350 Os moinhos de barras geralmente operam em circuito aberto enquanto os moinhos de bolas são operados em circuito fechado com classificador São discutidas também aplicações específicas dos moinhos de barras e de bolas destacandose o uso do moinho de barras na moagem primária de minérios mais grossos e o moinho de bolas na moagem secundária para obter o tamanho de partícula requerido para o processo subsequente A tendência atual é o uso de um único estágio de moagem em moinhos de bolas com bolas maiores e alta razão de redução desde que o material seja previamente britado até um tamanho menor O trecho aborda diferentes tipos de moinhos utilizados em diversas indústrias como o moinho de martelos Que consiste em um eixo giratório com martelos presos de forma articulada O material é alimentado pela parte superior e é fragmentado pelo impacto dos martelos contra a superfície interna da câmara Esse tipo de moinho é amplamente utilizado em indústrias químicas cerâmicas de cal calcário e carvão mineral O moinho de discos que possui dois discos com ressaltos internos sendo um fixo e outro móvel A alimentação é direcionada ao centro dos discos e é fragmentada pelo impacto e atrito do disco móvel Esse moinho é empregado para pulverizar amostras mas a contaminação com ferro proveniente do desgaste dos discos pode ser um problema O moinho vibratório que é usado para moagem contínua ou em batelada de materiais em granulometria muito fina operando a seco ou a úmido Consistem em dois tubos sobrepostos com um peso excêntrico que gera uma vibração circular nos tubos facilitando a fragmentação do material Possuem baixo consumo de energia e podem produzir materiais com granulometria fina E os moinhos de rolos de alta pressão que têm origem nos moinhos de rolos antigos mas foram desenvolvidos para moagem de minérios Consistem em uma mesa giratória e rolos estacionários que aplicam pressão sobre o material O mecanismo de fragmentação predominante é a compressão em camadas de partículas São amplamente utilizados na indústria cimenteira para moagem de farinha crua obtendo um produto com granulometria finaEsses diferentes tipos de moinhos têm aplicações específicas em diversas indústrias desde a pulverização de amostras até a produção de materiais com granulometria muito fina Existem diferentes aspectos relacionados aos moinhos de rolos especialmente o tipo MPS Pfeifer AG e F L Smith e os moinhos HPGR High Pressure Grinding Rolls Os Moinhos MPS são conhecidos pela sigla MPS e foram inicialmente fabricados pela Pfeifer AG e posteriormente pela F L Smith sob licença São utilizados para moagem de farinha crua e carvões minerais O MPS é caracterizado por apresentar três rolos esféricos suspensos em um quadro comprimidos contra a superfície da mesa giratória Já os moinhos HPGR têm como vantagem um menor consumo de energia em comparação com os moinhos convencionais de bolas Entretanto há preocupações sobre o desgaste dos rolos o que pode aumentar os custos operacionais A configuração de revestimento com cravos de metal duro contribuiu para resultados satisfatórios na indústria mineral levando ao rápido crescimento do HPGR na produção de pelet feed Além disso o texto menciona o dimensionamento de moinhos destacando a importância da determinação da energia necessária para produzir a moagem desejada A equação de Bond é amplamente utilizada para esse fim mas requer correções para condições específicas como moagem a seco e circuito aberto em moinhos de bolas