SERVIO PBLICO FEDERAL UNIVERSIDADE FEDERAL DO PAR CAMPUS DO SUL
E SUDESTE DO PAR FACULDADE DE ENGENHARIA DE MINAS E MEIO
AMBIENTE
VINCIUS DA SILVA MOREIRA
MODELAGEM E SIMULAO DA HIDROCICLONAGEM DA USINA DO PROJETO
MANGANS DO AZUL
MARAB-PA 2011
1 VINCIUS DA SILVA MOREIRA
MODELAGEM E SIMULAO DA HIDROCICLONAGEM DA USINA DO PROJETO
MANGANS DO AZUL
Trabalho de Concluso de Curso apresentado Faculdade de
Engenharia de Minas e Meio Ambiente da Universidade Federal do Par
UFPA, em cumprimento s exigncias para obteno do grau de Bacharel em
Engenharia Ambiente. Orientador: Prof. Dr. Reginaldo Sabia de
Paiva. de Minas e Meio
MARAB-PA 2011
2
Dados Internacionais de Catalogao-na-Publicao (CIP) Biblioteca
II do CAMAR/UFPA, Marab, PA Moreira, Vincius da Silva Modelagem e
simulao da hidrociclonagem da usina do projeto mangans do Azul /
Vincius da Silva Moreira ; orientador, Reginaldo Sabia de Paiva.
2011. Trabalho de Concluso de Curso (Graduao) - Universidade
Federal do Par, Campus Universitrio de Marab, Faculdade de
Engenharia de Minas e Meio Ambiente, Marab, 2011. 1. Beneficiamento
de minrio - Parauapebas (PA). 2. Mangans Minas e minerao. 3.
Separao (Tecnologia). I. Paiva, Reginaldo Sabia de, orient. II.
Ttulo.
CDD: 22. ed.: 622.7098115
3 VINCIUS DA SILVA MOREIRA
MODELAGEM E SIMULAO DA HIDROCICLONAGEM DA USINA DO PROJETO
MANGANS DO AZUL
Trabalho de Concluso de Curso apresentado Engenharia de
Faculdade Minas e de Meio
Ambiente da Universidade Federal do Par UFPA, em cumprimento s
exigncias para obteno do grau de Bacharel em Engenharia de Minas e
Meio Ambiente.
Data da aprovao:_______________ Conceito: ______________________
Banca examinadora:
__________________________________________ Prof. Dr. Reginaldo
Sabia de Paiva
__________________________________________ Prof. Dr. Lucinewton
Silva de Moura
__________________________________________ Prof. M.Sc. Marinsio
Pinheiro Lima
4
Aos meus pais, meus melhores professores.
5 AGRADECIMENTOS
Deus, que durante toda minha estadia em Marab me manteve
determinado e saudvel para o cumprimento de minhas metas e anseios
acadmicos e profissionais. minha famlia, pelo apoio e compreenso,
representada pelos meus pais, Raimundo Alves Moreira e Raimunda da
Silva Moreira, e irmos, Allyne da Silva Moreira e Werney da Silva
Moreira. Ao discente e amigo Jordan Pacini pela ajuda na realizao
dos ensaios de hidrociclonagem. Aos amigos Jordan Pacini, Ever
Dias, Marcinato Ferreira e Victor Albuquerque pela amizade e
companheirismo durante todo o perodo do curso, tendo fundamental
participao na minha formao acadmica e profissional. minha namorada,
Tainara Lopes de Moraes, e sua famlia, pela constante companhia e
conforto em momentos determinantes no final do curso. A Prof. Dr.
Reginaldo Sabia de Paiva, pela orientao e determinao em superar os
desafios durante todo o trabalho, e, principalmente, por me inserir
na pesquisa cientfica atravs da concesso de bolsa de iniciao
cientifica. Ao CETEM, Centro de Tecnologia Mineral, pelo estgio
realizado em suas instalaes no Rio de Janeiro/RJ, o que ampliou
meus conhecimentos em tratamentos de minrios, fundamental para a
realizao deste trabalho. Faculdade de Engenharia de Minas e Meio
Ambiente pelo fornecimento da estrutura da usina piloto e
laboratrios para a realizao dos experimentos. Vale, pela
oportunidade do estgio na usina de beneficiamento do Mangans do
Azul, pelo apoio tcnico e concesso das amostras para a realizao dos
ensaios. Principalmente ao supervisor da usina, Rivelino Pereira, e
aos funcionrios Roseane Cardoso, Guilherme Cipriano e Hamilton
Sales.
6
Se fosse fcil achar o caminho das pedras tantas pedras no
caminho no seria ruim. Humberto Gessinger
7 RESUMO
A Mina do Azul est localizada no municpio de Parauapebas-PA,
distante 63 Km de sua sede. Atualmente a maior mina de mangans em
operao do Brasil, pertencente a Vale Mangans S.A. O projeto
composto por trs minas, depsitos de estril, duas barragens,
oficinas, escritrios, ptios de estocagens e usina de
beneficiamento. Tal usina consiste basicamente de processos de
britagem, lavagem, peneiramento e classificao, gerando trs produtos
de diferentes granulometrias: o granulado (35-75 mm), o mdio
granulado (9-35 mm) e o sinterfeed (0,15 a 9 mm). Nesse contexto os
hidrociclones tm papel fundamental na recuperao de sinterfeed,
transformando em produto o material que seria direcionado barragem
de rejeitos. Dessa forma, alm de agregar valor ao minrio, essa
operao unitria permite o aumento da vida til da barragem. Para
garantir que esses equipamentos funcionem corretamente, ou seja,
que direcione para o overflow partculas menores que 0,15 mm, e
ainda, que a partio de gua para o underflow seja pequena, necessrio
otimizar algumas variveis operacionais e de projeto. A modelagem e
simulao vem a contribuir com este dimensionamento de forma rpida e
menos onerosa. Modelos como os de Plitt e Linch e Rao so muito
utilizados at hoje. Seguindo este raciocnio foram coletadas
amostras da alimentao dos hidrociclones de 4 da usina de
beneficiamento da Mina do Azul para a realizao dos ensaios em
hidrociclone na UFPA em Marab. A partir da anlise granulomtrica da
alimentao, overflow e underflow desse hidrociclone, foi possvel a
calibrao da partio de Plitt partio experimental. Segundo o modelo,
para se obter apenas partculas menores que 0,15 mm no overflow,
deve-se aumentar a seo cilndrica do hidrociclone e diminuir a
percentagem de slidos da alimentao.
Palavras-chave: Modelagem e simulao, classificao, hidrociclones,
mangans.
8 ABSTRACT
The Mangans do Azul manganese mine is located 63 km from
Parauapebas town. It is currently the largest manganese operation
mine in Brazil, and it is explored by Vale Mangans SA company. In
this project contain three mines, wastes deposits, two dams,
workshops, offices, storage yards and mineral processing plant.
This plant contain crushing processing, washing, screening and
classification, obtain three products: the granulado (35-75 mm),
the mdio granulado (9-35 mm) and the sinterfeed (0,15 a 9 mm). The
hydrocyclones have key role in the sinterfeed production, because
transform in product the materials that would be directed to the
dam. So, this unit operation adds value to the ore and increases
the lifespan of the dam. For this equipment to work properly it's
necessary that optimization of operating variables and design. For
it the modeling and simulation is important method, its a fast and
cheap form. Plitt and Lynch and Rao models are used a lot today.
For this work were collected feed hydrocyclones samples in the
mineral processing plant. The samples was taken to UFPA, in Marab,
for the tests. From the feed, overflow and underflow analysis the
Plitt model was calibrated. By the model, for obtain smaller
particles that 0,15 mm in the hydrocyclone overflow is needed to
increase the cylindrical section and decrease the feed solids
percent. Keywords: Modeling and simulation, classification,
hydrocyclones, manganese.
9 LISTA DE ILUSTRAES
Figura 1: Vista das trs minas..
................................................................................................
17 Figura 2: Localizao da Mina de Mangans do Azul..
........................................................... 19
Figura 3: Mapa geolgico da Provncia Mineral de Carajs..
.................................................. 20 Figura 4:
Distribuio das litologias na mina.
..........................................................................
22 Figura 5: Amostra da litologia detrtico..
.................................................................................
23 Figura 6: Amostra da litologia pelito
tabular............................................................................
23 Figura 7: Amostra da litologia pelito rico..
..............................................................................
24 Figura 8: Amostra da litologia macio..
...................................................................................
25 Figura 9: Pilha pulmo da usina. Carregadeiras alimentando os
silos. .................................... 26 Figura 10: Processos
presentes na usina.
..................................................................................
27 Figura 11: Silos de produtos e ptio de semiacabados.
............................................................ 28
Figura 12: Fluxograma da usina.
..............................................................................................
28 Figura 13: Equipamentos de classificao da usina..
............................................................... 29
Figura 14: Esquema de um hidrociclone..
................................................................................
30 Figura 15: Caractersticas das famlias de
hidrociclones..........................................................
31 Figura 16: Tipos de alimentao
..............................................................................................
32 Figura 17: Esquema dos tipos de descarga de um hidrociclone..
............................................. 33 Figura 18:
Distribuio granulomtrica.
...................................................................................
35 Figura 19: Imagem ilustrativa do equipamento utilizado nos
ensaios...................................... 42 Figura 20: Detalhe
do hidrociclone utilizado.
..........................................................................
46 Figura 21: Anlise granulomtrica da alimentao, underflow e
overflow. ............................ 47 Figura 22: Balano de
massa.
...................................................................................................
48 Figura 23: Curva de partio real.
............................................................................................
50 Figura 24: Curva padro de partio simulada e experimental (partio
corrigida). ............... 51
10 SUMRIO
1 2 3 3.1 3.2 3.3
INTRODUO...........................................................................................................
12 OBJETIVOS
...............................................................................................................
13 REVISO DE LITERATURA
..................................................................................
14 MANGANS
................................................................................................................
14 MINERAIS DE MANGANS
.....................................................................................
15 MINA DE MANGANS DO AZUL
...........................................................................
17
3.3.1 Localizao da mina e aspectos
fisiogrficos............................................................
18 3.3.2 Geologia regional
........................................................................................................
19 3.3.3 Minrios
.......................................................................................................................
21 3.3.3.1 Minrio de Mangans Detrtico (DET)
.........................................................................
22 3.3.3.2 Pelito Manganesifero Tabular (PMT)
...........................................................................
23 3.3.3.3 Pelito Manganesifero Rico (PMR)
...............................................................................
24 3.3.3.4 Minrio de Mangans Macio (MMM)
........................................................................
24 3.3.4 Usina de
beneficiamento.............................................................................................
25 3.4 3.5 3.6 HIDROCICLONES
......................................................................................................
29 DESEMPENHO DE HIDROCICLONES
....................................................................
31 PRINCIPAIS VARIVEIS DO PROCESSO
..............................................................
33
3.6.1 Dimetro de corte
.......................................................................................................
33 3.6.2 Propriedades fsicas do sistema slido-fluido
........................................................... 34
3.6.3 Distribuio granulomtrica das partculas
............................................................. 34
3.6.4 Variveis geomtricas e operacionais
.......................................................................
36 3.7 MODELOS DE HIDROCICLONES
...........................................................................
37
3.7.1 Modelo de Linch e Rao
...............................................................................................
37 3.7.2 Modelo de Plitt
............................................................................................................
38 4 4.1 4.2 4.3 4.4 5 5.1 MATERIAIS E MTODOS
......................................................................................
41 AMOSTRAGEM
..........................................................................................................
41 ENSAIOS DE HIDROCICLONAGEM
.......................................................................
41 CARACTERIZAO DAS AMOSTRAS
..................................................................
43 MODELAGEM E SIMULAO DE
HIDROCICLONES......................................... 44
RESULTADOS E DISCUSSES
..............................................................................
46 ENSAIOS DE HIDROCICLONAGEM
.......................................................................
46
11 5.2 5.3 5.4 6 CARACTERIZAO DAS AMOSTRAS
..................................................................
47 BALANO DE MASSA
..............................................................................................
47 MODELAGEM E SIMULAO
................................................................................
49 CONCLUSO
.............................................................................................................
52
REFERNCIAS
.....................................................................................................................
54
12 1 INTRODUO
O mangans foi reconhecido como elemento qumico em 1774, aps ser
identificado por J.G. Gahn ao reduzir o dixido de mangans com o
carbono (Vieira, 2008). Como possui uma distribuio muito irregular
na face da Terra j chegou a ser considerado um metal estratgico.
Hoje sua importncia se baseia principalmente na indstria
metalrgica, participando na composio do ao. A maior mina de mangans
do Brasil se encontra no sudeste do Par, a cerca de 57 km do
municpio de Parauapebas. O projeto conta com trs minas, usina de
beneficiamento, depsito de estril e duas barragens, atualmente, uma
de captao de gua e a outra para despejo de rejeito da usina. Esta,
por sua vez, composta basicamente por operaes de britagem, lavagem,
peneiramento e classificao. Nesse contexto, os hidrociclones tm
papel fundamental no aproveitamento de partculas finas, de forma a
aumentar a recuperao de minrio e ainda, a vida til da barragem,
transformando em produto o que seria descartado. O funcionamento
dos hidrociclones se baseia na ao da fora centrfuga que a polpa
adquire ao ser bombeada e na ao da gravidade. Estes equipamentos so
relativamente simples e no possuem partes mveis, facilitando
consideravelmente sua manuteno. Entretanto o consumo energtico
superior a de outros equipamentos, uma vez que necessita do
funcionamento ininterrupto de bombas (Chaves, 2006). A modelagem e
simulao de hidrociclonagem aparecem como importantes alternativas
para garantir seu correto funcionamento, economizando tempo e
dinheiro, recursos escassos em qualquer processo industrial. Uma
vez criado um modelo que represente de forma fidedigna os processos
da usina, para se observar os efeitos de modificaes que venham a
sanar algumas limitaes da planta, necessria apenas a realizao de
algumas simulaes em computador. No sendo, portanto, necessrio que
tais modificaes propostas sejam realizadas na prtica, o que
necessitaria de deslocamento de mo-de-obra, gastos com amostragens
e tempo de realizao das anlises. Softwares especficos foram criados
ao longo dos anos, sendo cada vez mais inseridos no dia a dia de
empresas de minerao. Tais softwares utilizam modelos j consagrados
em modelagem de hidrociclones, como o modelo de Plitt e de Lynch e
Rao. Uma forma mais simples de utilizao desses modelos atravs de
planilhas eletrnicas.
13 2 OBJETIVOS
Deseja-se, a partir dos ensaios em laboratrio, fazer a calibrao
do modelo de Plitt ao funcionamento da hidrociclonagem da usina da
mina do Mangans do Azul, de sorte que as simulaes posteriores
representem fielmente o funcionamento do hidrociclone,
possibilitando a otimizao das variveis geomtricas e operacionais
do processo.
2.1
OBJETIVOS ESPECFICOS
a) Determinao do dimetro mediano da partio (d50); b) Determinao
do dimetro de corte (d95); c) Determinao da curva padro de partio;
d) Dimensionamento do hidrociclone; e) Otimizao das variveis
operacionais.
14 3 3.1 REVISO DE LITERATURA
MANGANS
O mangans metal de transio, situando-se no grupo 7 (7B) da
tabela peridica dos elementos, sendo Mn seu smbolo, nmero atmico 25
e massa atmica 55. Como a grande maioria dos metais, slido a
temperatura ambiente. Devido distribuio muito irregular na face da
Terra, o mangans entre as dcadas de 40 e 60 foi considerado um
metal estratgico. As reservas mundiais de mangans, medidas e
indicadas, possuem cerca de 5,9 bilhes de toneladas As maiores
reservas se localizam na frica do Sul, totalizando 4 bilhes de
toneladas, e no Brasil, com 570 milhes de toneladas. Estes dois
pases so os maiores produtores de concentrado do mangans. Em 2008 o
Brasil produziu 3 milhes de toneladas, o que correspondeu a 20,1%
do mercado mundial, enquanto que a frica do Sul produziu 2,6 milhes
de toneladas, sendo 19,1% do mercado mundial (DNPM, 2009). A
importncia desse elemento se deu no incio da era industrial, como
importante insumo na produo do ao, devido suas propriedades
dessulfurante e dessoxidante, conferindo maior ductibilidade liga.
O minrio de mangans denominado qumico utilizado na colorao de
tijolos e na pigmentao de tintas. Seu sulfato comercializado na
produo de fertilizantes e raes animais. A forma no metalrgica mais
importante desse minrio na fabricao de pilhas. Nessa ltima aplicao
o dixido de mangans usado como catodo e despolarizador em pilhas
zinco/carbono (Zn/C). Para ser utilizado na fabricao de pilhas o
dixido de mangans necessita apresentar propriedades como o alto
grau de pureza, grande atividade eletroqumica e livre de impurezas
como cobre, nquel, arsnio, cobalto e teores de xido de ferro
inferiores a 4% (Roriz, 2010). Com o aumento da preocupao ambiental
nos ltimos anos, v-se a necessidade da substituio dos ons cobalto
(LiCoO2) e nquel (LiNiO2), que so ambientalmente txicos, na
fabricao de pilhas por outros de menos toxicidade. O espinlio
(LiMn2O4) uma boa alternativa para tanto, este por sua vez possui
ons de mangans.
15 A indstria de ao e outras ligas de mangans participa com 85%
do consumo desse minrio no Brasil, seguido pela fabricao de pilhas
com 10,2% e pela indstria qumica com 4,8% (DNPM, 2004). Dependendo
do minrio de mangans, o seu teor pode variar. De acordo com essa
variao tem-se a denominao minrio de mangans quando composto por
mais de 35% de mangans, minrio ferruginoso para quantidades de
mangans que variam entre 10 e 35% e minrio de ferro manganesfero
quando o teor de mangans superior a 5% e inferior a 10%.
3.2
MINERAIS DE MANGANS
O mangans encontrado em mais de uma centena de minerais,
entretanto apenas alguns constituem minerais de minrio, ou seja,
que possuem viabilidade econmica para extrao. Os minrios mais
importantes desse metal so os dixidos, onde a pirolusita (MnO2), a
psilomelana e a manganita (Mn2O3.H2O) so suas principais fontes
comerciais (Luz e Lins, 2008). Na tabela 1 encontram-se os minerais
de mangans encontrados na mina do Azul, assim como informaes sobre
os mesmos.
Tabela 1: Minerais de mangans presentes na mina do Azul. Frmula
Qumica Teor molecular de Mn
Minerais
Descrio
Criptomelana Densidade de 5,5 e 4,5 KMn8O16 59,83% g/cm3.
Ocorrncia em depsitos supergnicos e sedimentares.
16 Frmula Qumica Teor molecular de Mn
Minerais
Descrio
Pirolusita Formado pela oxidao de outros minerais de MnO2-
62-63% mangans. Possui3
densidade de 4,75 g/cm
Todorokita [(Na,Ca, KMn2+)(Mn4+ ,Mn2+,Mg)].3 H2O 56,54% Seu nome
originado na mina de mangans em Todoroki, no Japo. Tem densidade de
3,49 a 3,82 g/cm3.
Nsutita [Mn ,Mn , (O,OH)2]4+ 2+
Sua densidade varia de 4,2 a 4,9 g/cm3. Muito 62,97% importante
devido suas propriedades qumicas. eletro-
Fonte: Vieira, J.M.A. (2008).
17 3.3 MINA DE MANGANS DO AZUL
No ano de 1965, a United States Steel, empresa norte americana,
iniciou pesquisas por reservas de mangans, seu objetivo era sua
aplicao no mercado de pilhas e baterias. Inicialmente descobriu a
reserva de minrio de ferro de Carajs e, em 1971, a reserva de
mangans do Azul. Aproveitando a infraestrutura logstica criada para
o escoamento da produo das minas de ferro, as operaes de lavra e
beneficiamento de mangans tiveram inicio em 1985 (Vale, 2010).
Atualmente a maior mina de mangans do Brasil em operao. A rea total
impactada cerca de 280 ha, com 1,1 km de largura mxima e 5 km de
extenso, abrangendo as trs minas do projeto, mina 1, 2 e 3, como
pode ser visto na figura 1. (Souza et al. 2006).
Figura 1: Vista das trs minas. (Modificada de Souza et al.
2006).
O mtodo de lavra utilizado mina a cu aberto, com a lavra feita
por desmonte mecnico atravs de tratores de esteira e carregadeiras.
Caminhes de grande e pequeno porte transportam os materiais, estril
e minrio, at as pilhas de estril e usina de beneficiamento,
respectivamente.
18 O beneficiamento do minrio feito em uma planta com operaes de
britagem, peneiramento, lavagem e classificao. A gua utilizada no
processo advinda 100% da barragem do Kalunga, no havendo, portanto
reaproveitamento. Os rejeitos so lanados na barragem do Azul. Os
produtos da usina possuem trs faixas granulomtricas distintas,
denominadas de granulado, com granulometria variando de 35 a 75 mm,
mdio granulado (de 9 a 35 mm) e o sinterfeed (de 0,15 a 9 mm).
Esses produtos so direcionados a quatro silos, sendo dois de mdio
granulado, um de granulado e um de sinterfeed. Tais silos
descarregam o minrio em caminhes, que os direcionam ao ptio de
semiacabados. Aps o tempo pr-determinado de residncia no ptio, a
fim de se reduzir a umidade do material de forma a atender a
especificao dos clientes, o minrio transportado pera ferroviria da
mina de ferro de Carajs atravs de caminhes, onde aps o carregamento
dos vages levado ao Porto de Ponta da Madeira, em So Luiz - MA.
Viradores de vages so utilizados para descarregar o trem, sendo
transportado ao ptio de estocagem e posteriormente embarcado em
navios at seus clientes. Para se obter produtos em conformidade com
especificaes requeridas pelos clientes, so feitas amostragens do
minrio na mina para anlises qumicas e granulomtricas, de forma a se
controlar a qualidade do minrio que chega at a usina de
beneficiamento. Tal trabalho repetido ao final de cada turno da
usina. Os principais contaminantes so o Fe, Al2O3, SiO2, K2O, P,
CaO, MgO, Na2O, TiO2, H2O e a PPC (perda por calcinao) (Sampaio,
2002).
3.3.1 Localizao da mina e aspectos fisiogrficos
O projeto Mangans do Azul est localizada na Provncia Mineral de
Carajs, no municpio de Parauapebas-PA, estrada Raimundo
Mascarenhas, km 57. Dista 40 Km do Ncleo Urbano de Carajs e 57 km
da sede do municpio. O projeto Mangans do Azul, assim como toda a
Serra dos Carajs est localizada em uma rea de clima tropical mido
de mono, com temperaturas que variam de 10 a 35C e umidade relativa
mdia de 85% (Costa, 2007). A Provncia Mineral de Carajs inclui
terrenos relativamente elevados se tratando de Amaznia, uma vez que
as altitudes variam entre 600 e 900 m (Da Costa et al. 2008). A
mina do Azul encontra-se entre encostas de plat leste - oeste com
at 600 m de altitude, entre os igaraps Azul, atual barragem de
rejeito da usina, e
19 Kalunga, atualmente utilizada como barragem de captao de gua,
mas que no passado era utilizada para deposio dos rejeitos. A
figura 2 mostra a localizao das principais minas presentes na Serra
dos Carajs, assim como os modos de acesso e os centros urbanos
prximos.
Figura 2: Localizao da Mina de Mangans do Azul. Fonte: Da Costa
et al. (2008).
3.3.2 Geologia regional
O depsito pertence formao Azul, do Grupo guas Claras, e est
associado aos sedimentos pelticos. Os sedimentos presentes na regio
foram depositados em plataforma marinha e esto representados por
conglomerados, arenitos brancos, siltitos e folhelhos pretos, ricos
em matria orgnica. Segundo Bernadelli (1982) apud Dardenne &
Schobbenhaus (2001), a mineralizao do protominrio de mangans
associada seqncia peltica na forma de duas unidades manganesferas.
Tal unidade composta por rodocrosita, quartzo, filossilicatos,
feldspato e matria orgnica. J a mineralizao secundria de origem
latertica, sendo resultado do enriquecimento supergnico da Unidade
Manganesfera Inferior, constituindo a maior parte do minrio
explorado.
20 O teor de mangans nos depsitos subsuperficiais, que so
representados por pelitos manganesferos, se encontra entre 20 e
30%, com camadas que podem ter at 60 metros de espessura. Nessa
camada tambm possui bixidos de mangans, com teor mdio de 46% e
espessura mdia de 15 metros, e o mineral predominante nsutita. Os
pisolitos se localizam nos depsitos superficiais, sua espessura
pode atingir 20 metros. Seu contedo de mangans, aps deslamagem,
varia de 14 a 18%. Os materiais detrticos tambm se encontram nessa
poro da jazida, representando o minrio mais rico da mina, com teor
mdio de 45% de mangans, sendo a criptomelana o mineral principal
(Dardenne & Schobbenhaus, 2001). A figura 3 mostra o mapa
geolgico da regio considerada, pertencente Formao guas Claras.
Figura 3: Mapa geolgico da Provncia Mineral de Carajs. Fonte:
Bernardelli (1982).
De acordo com Bernadelli e Beisiegel (1978) apud Dardenne &
Schobbenhaus (2001) a mina possui uma a camada superior, podendo
chegar a 70 metros de espessura, de quartzo anguloso, matriz
argilosa e siltito com xidos de mangans, com teores aproximados de
6% de mangans, tal parcela da coluna estratigrfica da mina pertence
a Unidade 6. Com espessuras entre 33 e 54 metros, a Unidade
Manganesfera Superior, Unidade 5, possui leitos intercalados e
leitos argilo-carbonatados, e mais prximos a superfcie
transformam-se me
21 pelitos ricos, que um dos litotipos manganesferos presentes
na mina, os teores de mangans se encontram entre 14 e 16%. Siltitos
avermelhados, estratificado, placides com leitos intercalados de
concrees manganesferas esto na Unidade 4, onde os teores de mangans
so inferiores a 5%, com espessura entre 17 e 44 metros. A Unidade
3, com espessura variando de 16 a 50 metros, e teores de mangans no
chegando a 4%, possui siltito carbonoso, estratificado, placide,
com intercalaes mais argilosas de folhelho carbonoso na base. Na
Unidade Manganesfera Inferior, Unidade 2, ocorre camada de folhelho
manganesfero carbontico, ou pelito manganesfero, alternncia entre
estratos argilosos com rodocrosita, quartzo e pirita. Esta unidade
sofreu alterao e enriquecimento, produzindo material manganesfero
granulado e pelitos enriquecidos. Os teores de mangans nesta
unidade se encontram entre 21 e 16%. Completando a coluna
estratigrfica da mina, chega-se a Unidade 1, onde esto presentes os
siltitos e argilitos carbonatados escuros, em que o teor de mangans
no supera 14%, com espessuras aproximadas de 65 metros.
3.3.3 Minrios
Uma caracterstica marcante dessa mina a presena de vrias
litologias manganesferas, o que deixa um pouco mais complexa a
adequao da usina de beneficiamento a todos eles, uma vez que se
comportam de formas distintas no decorrer do processo de
beneficiamento. Os minrios so o macio, detrtico, pelito rico e
pelito tabular, tendo ainda o pelito siltito, que hoje estril, em
fase de testes para futura denominao de minrio. A figura 4 mostra a
distribuies desses litotipos nas minas do projeto.
22
Figura 4: Distribuio das litologias na mina. Fonte: Vale
(2008).
O plano de lavra preparado com o corte dos minrios de mangans na
faixa do sinterfeed em 32% para as litologias detrtico e pelito
tabular, porm com a tendncia de mercado para valorizao do preo do
Mangans e absoro de produtos com teor inferior ao praticado
atualmente pode viabilizar reservas com teor mais baixo. A descrio
de cada litologia manganesfera segundo Vale (2009) segue
abaixo:
3.3.3.1 Minrio de Mangans Detrtico (DET)
Minrio superficial formado pelos detritos das unidades
manganesferas inferiores, com a presena de fragmentos angulosos e
pouco arredondados de tamanhos que variam de 1,0 a 10,0 cm, coesos,
compactos e duros com tonalidades de cinza claro a escuro imerso em
matriz argilosa de colorao amarela avermelhado. Principais minerais
so: criptomelana [K (Mn2+, Mn4+)8O16], pirolusita [MnO2], caulinita
[Al2Si2O5(OH)4] e gibsita . A espessura dessa camada varia de 1 a
20 metros. O teor global est entre 30 e 40% de Mn. Nos produtos da
usina os teores se distribuem da seguinte forma: granulado: 44%;
mdio granulado: 43%; sinterfeed: 38%. Na usina, esta litologia
produz muito mdio granulado, pouco granulado e sinterfeed, com uma
recuperao de 69%,
23
Figura 5: Amostra da litologia detrtico. Fonte: Vale (2008).
3.3.3.2 Pelito Manganesifero Tabular (PMT)
Folhelhos manganesferos carbonosos de colorao cinza intercalados
com pequenas camadas de siltitos e caulinita, apresenta
fissilidade, granulometria fina, tendo como uma das caractersticas
principal o baixo teor de fsforo. Os principais minerais so:
criptomelana [K (Mn2+, Mn4+)8O16], todorokita
[(Mn2+,Ca,Mg)Mn3+4O7H2O], Nsutita [MnO2], caulinita
[Al2Si2O5(OH)4] e gibsita. A espessura desta camada varia de 1 a
60 metros e forma lenticular. No granulado os teores giram em torno
de 40% de Mn, 43% no mdio granulado e 41% no sinterfeed. Sendo o
teor global acima de 35%, na mina. Dentre as litologias presentes
na mina, a que gera menor recuperao na usina, 58%.
Figura 6: Amostra da litologia pelito tabular. Fonte: Vale
(2008).
24 3.3.3.3 Pelito Manganesifero Rico (PMR)
Folhelhos manganesferos carbonosos de colorao cinza escuro
intercalado com pequenas laminas sltica esbranquiadas, apresenta
fissilidade, granulometria fina e alto teor de Mn. Os principais
minerais so: criptomelana [K (Mn2+, Mn4+)8O16], todorokita
[(Mn2+,Ca,Mg)Mn3+4O7H2O], pirolusita [MnO2], nsutita [MnO2],
Caulinita [Al2Si2O5(OH)4] e gibsita. A espessura desta camada varia
de 1 a 60 metros e forma lenticular. O teor global desse minrio de
35 a 40% de Mn. No granulado os teores so de 45%, no mdio
granulado, 47%, e no sinterfeed, 46%.
Figura 7: Amostra da litologia pelito rico. Fonte: Vale
(2008).
3.3.3.4 Minrio de Mangans Macio (MMM)
Folhelhos cinzas a negros, com aspecto macio laminar com muita
matria orgnica carbonosa (MOC) e presena de laminas de caulim, por
vezes apresenta blocos de macio de tamanhos mtricos de
caractersticas densas e bastante duros. Sendo esta litologia o
minrio mais rico da mina. Os principais minerais so: criptomelana
[K (Mn2+, Mn4+)8O16], nsutita [MnO2] e todorokita
[(Mn2+,Ca,Mg)Mn3+4O7H2O]. A espessura dessa camada varia de 1 a 15
metros e formato lenticular. O minrio macio o que gera, alm de alta
recuperao, 82%, os maiores teores de Mn: global: >45%;
granulado: 51%; Mdio Granulado: 51%; Sinterfeed: 52%.
25
Figura 8: Amostra da litologia macio. Fonte: Vale (2008).
3.3.4 Usina de beneficiamento
A usina de beneficiamento da Mina do Azul composta basicamente
por processos de britagem, lavagem, peneiramento, e classificao. O
minrio transportado da mina para a pilha pulmo por caminhes. Dessa
pilha levado por carregadeiras a dois silos, os quais alimentam
duas linhas de britagem, figura 9. Correias transportadoras
direcionam o ROM s peneiras desbastadoras com dois decks, tendo a
funo de retirada dos finos, que so direcionados duas peneiras
desaguadoras, sendo o oversize o sinterfeed, e seu undersize
direcionado dois hidrociclones de 26. Seu overflow rejeito e seu
underflow se dirige ao classificador espiral ou, atravs de um
by-pass, para uma peneira desaguadora. O oversize desta ltima
peneira produto sinterfeed e o undersize rejeito.
26
Figura 9: Pilha pulmo da usina. Carregadeiras alimentando os
silos.
O oversize das peneiras desbastadoras so direcionados a dois
scrubers, com o objetivo de desagregar o minrio e, principalmente,
o estril (composto basicamente por siltitos), que por sua
granulometria muito fina ao ser desagregado passante nas peneiras e
direcionado ao classificador espiral, saindo por seu overflow. A
descarga dos scrubers peneirada em duas peneiras classificadoras
com dois decks, sendo a primeira malha de 75 mm e a segunda de 9
mm, que so justamente os limites superior e inferior,
respectivamente, do produto granulado e mdio granulado. O undersize
direcionado a um classificador espiral, objetivando a recuperao das
partculas finas. O transbordo desse equipamento direcionado aos
hidrociclones de 4, com overflow lanado no tanque de rejeito e o
underflow em uma peneira desaguadora, seu oversize produto
sinterfeed e seu undersize rejeito.
27
Figura 10: Processos presentes na usina: A) Britagem. B)
Lavagem. C) Peneiramento e D) Classificao.
O retido na primeira malha das peneiras classificadoras
rebritado, de forma que todo o minrio esteja numa granulometria
abaixo de 75 mm. O retido na segunda malha (-75+9 mm) peneirado em
equipamentos com dois decks, o primeiro com malha de 35 mm e o
segundo com malha de 9 mm. Essas malhas objetivam a separao entre
granulado e mdio granulado, sendo o retido na malha de 35 mm o
produto granulado, que direcionado por correias transportadoras um
silo, e o retido na malha de 9 mm o produto mdio granulado, tambm
direcionado dois silos por correias transportadoras. Dessa forma,
somando com o silo de sinterfeed, a usina possui quatro silos de
produtos. Caminhes so alimentados por estes silos, transportando os
produtos ao ptio de semiacabados, onde depois de cumprido seu tempo
de residncia, que objetiva a perda de umidade, transportado pera
ferroviria da mina de ferro, distante 29 km.
28
Figura 11: Silos de produtos e ptio de semiacabados.
Todos os processos citados esto sintetizados no fluxograma
abaixo (figura 12):
Ponto de coleta das amostras
Figura 12: Fluxograma da usina. (Modificada de Sampaio,
2002).
29 A importncia da classificao nesta usina se baseia na
recuperao das partculas finas do minrio, que so comercializadas
como sinterfeed. Dessa forma possvel agregar valor ao que seria
designado como rejeito e ainda aumentar a vida til da barragem. Os
equipamentos para este fim so os hidrociclones de 26 e 4 e o
classificador espiral (figura 13).
Figura 13: Equipamentos de classificao da usina. A)
Hidrociclones de 26. B) Hidrociclones de 4. C) Classificador
espiral.
3.4
HIDROCICLONES
Os hidrociclones so equipamentos constitudos por uma parte
cilndrica e uma parte cnica, com trs orifcios por onde entra a
alimentao e saem os produtos, o grosso pelo underflow e o fino pelo
overflow (Valado e Arajo, 2007). O equipamento alimentado atravs de
um orifcio tangencial na parte superior da seo cilndrica, injetada
por uma bomba a altas presses. O fluxo da polpa dentro do ciclone
governado pelas foras radiais, verticais e horizontais. As
partculas mais grossas so lanadas para as extremidades do
equipamento, enquanto de as partculas finas ficam no centro do
mesmo. A gravidade direciona as partculas grossas ao underflow, e
fluxo ascendente de ar provocado pela presso negativa gerada dentro
do equipamento transportam as partculas finas ao overflow.
30
Figura 14: Esquema de um hidrociclone. Fonte: Luz (2004).
Foi desenvolvido por Dutch States Mines Department, na Holanda,
sendo utilizado para classificaes finas, entre 100# e 2 mm (Chaves,
2006). o equipamento mais utilizado em circuito fechado com
moinhos, devido principalmente sua eficincia no ser alta, entre 60
e 70%. Dessa forma possvel o retorno de material fino para o
moinho, o que aumenta a eficincia da moagem. Outras aplicaes em que
os hidrociclones so empregados: Desaguamento, atravs de ajustes nas
variveis geomtricas e operacionais o equipamento elimina maior
parte da gua na polpa; Deslamagem, utilizada para eliminar as
partculas finas; Classificao seletiva, utilizando-se uma configurao
em srie se obtm um conjunto de produtos com granulometrias
definidas; Pr-concentrao, a concentrao feita por gravidade, onde os
minerais mais densos so descartados pelo underflow, conseguido com
hidrociclones de fundo chato (Carrisso e Correira, 2004).
Comparativamente a outros equipamentos de classificao os
hidrociclones tm a vantagem de possuir alta capacidade em relao rea
ocupada, fcil controle operacional, entra em regime rapidamente e
de fcil manuteno. Entre as desvantagens destaca-se principalmente o
custo operacional mais elevado, uma vez que por necessitar de
bombas funcionando ininterruptamente elevado o custo energtico.
Eficincia de classificao menor que a de classificadores espirais e
falta de capacidade de armazenar grande volume de polpa.
31 Quanto geometria, as propores entre as dimenses do
equipamento e de seus orifcios, os hidrociclones podem ser,
principalmente, do tipo Bradley, Rietema e Krebs. A figura 15
mostra estas configuraes, sendo Di o dimetro do inlet, Dc o dimetro
do hidrociclone, Do o dimetro do vortex finder, L o comprimento do
equipamento, L1 o comprimento da parte cilndrica e o ngulo da parte
cnica.
Figura 15: Caractersticas das famlias de hidrociclones.
(Adaptado de Arruda et al. 2001).
O local de instalao desses equipamentos sempre so pontos altos
na usina, uma vez que o bombeamento da alimentao regra. Dessa forma
os produtos do hidrociclone escoam por gravidade para as operaes
posteriores, economizando energia.
3.5
DESEMPENHO DE HIDROCICLONES
O desempenho dos hidrociclones influenciado por suas dimenses,
pelas variveis operacionais e pelas propriedades fsicas dos slidos
e da polpa alimentada (Luz, 2004). Entende-se como variveis
geomtricas o dimetro do equipamento, do apex, do vortex finder, do
inlet, ngulo da parte cnica, altura da seo cilndrica. As variveis
operacionais so a vazo de fluido e concentrao de slidos na
alimentao, enquanto que a densidade do slido e do fluido,
viscosidade do fluido, distribuio granulomtrica das partculas so
as
32 propriedades do sistema slido-fluido de maior influncia no
desempenho de hidrociclones (Massarani e Scheid, 2000). As usinas
de beneficiamento cada vez mais necessitam da recuperao de fraes
mais finas dos minrios, para tanto se utilizam de hidrociclones de
pequeno dimetro a altas presses. Entretanto esbarrasse na
necessidade de grandes reas para tal instalao, uma vez que para
altas vazes tem-se que recorrer a grandes quantidades desses
equipamentos. Outros problemas so o desgaste dos revestimentos, os
altos custos com o bombeamento e a dificuldade de se distribuir de
forma homognea a polpa nos hidrociclones. A utilizao de
equipamentos de grandes dimetros resolveria estes problemas,
entretanto diminuiria o desempenho da hidrociclonagem. Equipamentos
com alimentao tangencial se mostra limitado em relao aos que
possuem alimentao involuta. Tal fato se d pela diminuio da
turbulncia, o que permite uma separao mais fina e com alta
capacidade (Drucker et al. 2001). De forma semelhante atua o fluxo
da alimentao em uma entrada retangular, pois orientam as linhas de
corrente do escoamento, evitando a perturbao do fluxo (Chaves,
2006). A figura 16 mostra as duas geometrias dos orifcios,
tangencial e involuta.
Figura 16: A) Alimentao tangencial. B) Alimentao involuta.
Fonte: Drucker et al. (2001)
Atravs do comportamento do fluxo do underflow possvel se retirar
consideraes sobre o desempenho do hidrociclone. Descargas do tipo
cordo indica que est havendo perda de minrio para o overflow,
mostrando que a abertura o apex insuficiente, o que impede a
entrada o fluxo ascendente de ar que carrega as partculas finas
para o overflow. Comportamento do tipo guarda-chuva indica que a
abertura do apex muito grande, de forma que as partculas finas
dirigem-se ao underflow. Quando o fluxo assemelha-se ao de um
chuveiro o desempenho do hidrociclone est em um nvel adequado. A
figura 17 mostra tais comportamentos.
33
Figura 17: Esquema dos tipos de descarga de um hidrociclone.
Fonte: Sampaio et al. (2007).
3.6
PRINCIPAIS VARIVEIS DO PROCESSO
3.6.1 Dimetro de corte
O dimetro de corte um parmetro criado para caracterizar
granulometricamente uma populao de partculas. Em peneiramento esta
caracterizao se d atravs de faixas de tamanhos, com um limite
superior e inferior. Em que as partculas so passantes em uma malha
e retidas em outra. O dimetro de corte usualmente utilizado nesta
operao unitria o d80. O seu valor ser a malha pela qual 80% das
partculas so passantes. A distribuio granulomtrica do material ser
dada atravs da plotagem de uma curva que mostra a percentagem de
material em cada uma destas faixas de tamanho. No entanto isto no
possvel em operaes de classificao, pois no h limites superiores e
inferiores de tamanho no material. Dessa forma o dimetro mediano da
partio (d50) utilizado para se saber o tamanho das partculas com
mesma probabilidade de se direcionar ao overflow e underflow. Para
se encontrar o d50 em uma operao de classificao, uma
hidrociclonagem, por exemplo, necessria a coleta de amostras e
anlise granulomtrica da alimentao, underflow e overflow. Calcular a
partio para o underflow, considerar a curto-circuitagem de finos
para o underflow e recalcular a partio, encontrando chamada partio
corrigida. Com as malhas utilizadas para anlise granulomtrica e com
a partio corrigida, atravs de
34 interpolao, encontra-se a malha correspondente a 50% na
partio corrigida. Este dimetro muito importante para a modelagem e
simulao, uma vez que todos os modelos a utilizam. O d95 a malha
pelo qual 95% do overflow passante. Seu valor definido atravs da
anlise granulomtrica do overflow, definir o passante acumulado em
cada malha e interpolar esses valores com o tamanho das malhas de
forma a encontrar o dimetro que corresponde 95% na coluna do
passante acumulado. Por caracterizar melhor o processo de
classificao, o d95 considerado por muitos autores o dimetro de
corte, enquanto que o d50 apenas o dimetro mediado da partio.
3.6.2 Propriedades fsicas do sistema slido-fluido
Um dos fatores que aumentam o dimetro de corte a grande presena
de lamas na polpa que alimentar os hidrociclones. Isto causado
devido o aumento da viscosidade da polpa, dificultando a sedimentao
das partculas no campo centrfugo. De forma contrria ocorre com o
aumento da percentagem de slidos, o que diminui a viscosidade e a
densidade da polpa, facilitando a sedimentao das partculas e
consequentemente diminuindo o dimetro de corte.
3.6.3 Distribuio granulomtrica das partculas
Distribuio granulomtrica a forma como as massas se distribuem em
cada faixa granulomtrica, definida em um limite superior e
inferior, dessa forma no se pode determinar o tamanho exato das
partculas, mas atravs desse conceito possvel determinar que certa
massa menor que uma malha e maior que outra malha, atravs de
peneiramento, sendo passante em uma e retida em outra malha. A
figura 18 (A) mostra um minrio classificado em faixas
granulomtricas, uma classificao perfeita mostrada no tem (B), nas
quais as partculas maiores que certo dimetro se direcionam ao
underflow e as menores ao overflow. As partculas muito finas
obedecem partio de gua, se direcionando ao underflow, como mostra o
item (C). Como
35 as partculas exatamente do tamanho do dimetro de corte no
podem ficar acumuladas dentro do equipamento, imagina-se que estas
tenham as mesmas chances de irem p underflow e overflow, dessa
forma a curva ficaria como no item (D). O item (E) mostra como se
apresentaria a curva aps esses fenmenos. Finalmente, o item (F) a
forma como as curvas de partio se apresentam, devido a introduo do
conceito de eficincia de classificao.
Figura 18: (A) Minrio classificado em faixas granulomtricas. (B)
Classificao perfeita. (C) Classificao causada pelo by-pass. (D)
Classificao no perfeita. (E) Classificao no perfeita somada ao
efeito by-pass. (F) Curva de partio resultante.
A curva de partio derivada da distribuio granulomtrica, sendo a
percentagem de material da alimentao que se desloca ao underflow em
cada frao granulomtrica. atravs desta curva que se calcula o d50
(dimetro pelo qual as partculas tm 50% de probabilidade de serem
deslocadas ao underflow e overflow).
36 3.6.4 Variveis geomtricas e operacionais
O dimetro do equipamento sem dvida o parmetro geomtrico mais
importante, uma vez que comanda o dimetro da classificao. Dessa
forma a escolha do dimetro do hidrociclone determinada a partir da
necessidade de se obter aquele corte granulomtrico desejado para o
material. Ou parmetro que esta varivel afeta a vazo que o
equipamento pode suportar. Quando se necessita de altas capacidades
necessria instalao de baterias de hidrociclones. Outro parmetro que
influencia tal capacidade a rea do orifcio de entrada da polpa, alm
de determinar a velocidade de entrada do material. O tempo de
residncia da polpa no equipamento governado pelo comprimento da seo
cilndrica e pelo ngulo da seo cnica. O dimetro de corte varia
conforme modificaes na geometria do equipamento e das condies
operacionais. Quanto maior o dimetro do vortex finder, maior ser a
facilidade das partculas passarem por este orifcio, aumentando a
quantidade de material deslocado para o overflow, o que provoca um
aumento do dimetro de corte. Seguindo esse mesmo raciocnio
imagina-se que aumentando o dimetro do apex maior ser a massa de
partculas dirigidas ao underflow e dessa forma diminuindo o dimetro
de corte. Entretanto pelo apex de entra o fluxo ascendente de ar
que faz as partculas finas se deslocarem ao overflow, dessa forma
com o aumento desse orifcio maior quantidade de ar entra no
equipamento, elutriando maior quantidade de finos. Quando se
necessita obter um dimetro de corte menor a Krebs, tradicional
fabricante de hidrociclones, recomenda o uso de pores cilndricas
mais longas, e para separaes mais grossas, uma poro cilndrica
curta. Dessa forma, aumentar a seo cilndrica provoca uma diminuio
do dimetro de corte. Outro fator que provoca a diminuio desse
dimetro o aumento da presso de alimentao da polpa, uma vez que
aumenta o campo centrfugo.
37 3.7 MODELOS DE HIDROCICLONES
Muitos autores ao longo dos anos desenvolveram modelos
matemticos tentando simular o funcionamento de muitas operaes
unitrias em tratamento de minrios. Em classificao, estes modelos
foram criados devido a grande necessidade de se prever a distribuio
granulomtrica das partculas. A maioria dos modelos possuem dois
parmetros que descrevem a forma da curva, um que representa o
tamanho da separao e outro que representa a eficincia da
separao.
3.7.1 Modelo de Linch e Rao
Neste modelo foi inserido o conceito de by-pass, que considera
que uma frao de todos os tamanhos das partculas se direciona para o
underflow devido o arraste pela gua, dessa forma no sofreram
classificao. Portando no apenas o campo centrfugo e os mecanismos
de classificao que governam a partio. Devido a este efeito a curva
de partio no passa pela origem, tendo de ser corrigida para isto
ocorrer. Para tanto considerase que a frao curto-circuitada
proporcional a partio de gua, como prope a equao (1).
Partio corrigida = (
)100
(1)
O parmetro que determina a eficincia da classificao no modelo de
Lynch e Rao determinado pela varivel . Segundo Beraldo (1987) apud
Chaves (2006), o seu valor mais comum 4 e a eficincia diminuiria
para valores menores. A partio neste modelo calculada segundo a
equao (2): y= (2)
Nesta equao, y a partio, d o dimetro considerado e o d50 o
dimetro mediano da partio. O segundo parmetro utilizado para
caracterizar a hidrociclonagem o dimetro mediano da partio, o d50c.
Para Lych e Rao este dimetro proporcional presso de alimentao e ao
dimetro do vortex finder, e ainda, inversamente proporcional ao
dimetro do apex e vazo de gua no overflow. O valor do d50c
calculado de acordo com a equao (3):
38
(3)
Onde: FPS = percentagem de slidos na alimentao, em volume; spig
= dimetro do apex, em cm; VF = dimetro do vortex finder, em cm; Q =
vazo da alimentao, em l/min; k = constante.
3.7.2 Modelo de Plitt
Este modelo pode ser utilizado para scale-up de instalaes
industriais, uma vez que no necessita de dados experimentais. Isto
se deve ao fato de todas as constantes j estarem calculadas atravs
dos ensaios realizados por Plitt e outros autores. No entanto,
Chaves (2006) recomenda que os parmetros do modelo sejam calculados
para cada material e instalao particular. A performance do
hidrociclone fortemente influenciada pelo curto-circuito das
partculas para o underflow, determinado pelo fluxo volumtrico que
divide o overflow do underflow. Este fluxo uma funo da relao entre
o dimetro do vortex finder e do apex, mas tambm depende da taxa de
alimentao. A relao entre as vazes volumtricas do underflow e
overflow encontrada pela equao (4), onde os valores recomendados
para os coeficientes so os seguintes: a = 3,79; b = 3,31; c = 0,36;
d = 0,54; f = 1,11; e g = 0,24 (King, 2001):
S= Sendo:
(4)
S = relao entre vazes volumtricas do underflow e overflow;
39 Du = dimetro do apex, em cm; Do = dimetro do vortex finder,
em cm; h = altura da extremidade do vortex finder em relao ao topo
do apex, em cm; = percentagem de slidos na alimentao, em volume; Dc
= dimetro do hidrociclone, em cm; H = rea do inlet, cm2.
A partio volumtrica dada por:
Rv
(5)
Como j explicitado, todos os modelos possuem dois parmetros, um
que representa o tamanho da separao e outro que representa a
eficincia do processo. O primeiro parmetro, neste modelo, o d50c
(dimetro mediano da partio). Este por sua vez funo da geometria do
hidrociclone (dimetro da seo cilndrica, do inlet, do vortex, do
apex, da altura da extremidade do vortex finder em relao ao topo do
apex), das caractersticas do minrio (densidade do slido), das
condies operacionais (vazo no underflow, percentagem de slidos na
alimentao), conforme a equao (6):
D50c =
(6)
Onde: a = 39,7; b = 0,46; c = 0,6; d = 1,21; f = 0,71; g = 0,38;
i = 0,45; Dc = dimetro do hidrociclone, em cm; Di = dimetro do
inlet, em cm; Do = dimetro do vortex finder, em cm; = percentagem
de slidos na alimentao, em volume; Du = dimetro do apex, em cm; h =
altura da extremidade do vortex finder em relao ao topo do apex, em
cm; Q = vazo da alimentao, em l/min;
40 s = densidade dos slidos, em g/cm3; f = densidade da gua, em
g/cm3.
Este ltimo parmetro, neste modelo, encontrado atravs da equao
(7). Em que a eficincia dita alta para valores de m superiores a 3
e baixa para valores inferiores a 2.
(7)
Em que:
Qu = vazo do underflow, em l/min; Q = vazo da alimentao, em
l/min; Dc = dimetro do hidrociclone, em cm; h = altura da
extremidade do vortex finder em relao ao topo do apex, em cm.
A partio de Plitt funo das caractersticas do fluxo da alimentao,
das dimenses do hidrociclone, das caractersticas do mineral e das
condies operacionais. Esta partio pode ser definida conforme a
equao (8), em que Yi a partio, di o dimetro considerado e d50 o
dimetro mediano da partio:
(8)
A curva de partio corrigida de Plitt tambm calculada conforme
equao (1).
41 4 MATERIAIS E MTODOS
4.1
AMOSTRAGEM
As amostras foram coletadas da alimentao dos hidrociclones de 4
da usina de beneficiamento de mangans do Azul. Cerca de 80 litros
de polpa de minrio foram coletados no dia 14/10/2010. Como na data
da amostragem a usina estava processando minrio detrtico, esta foi
a litologia utilizada nos ensaios. Devido a problemas mecnicos com
a bomba que direciona o material do tanque para a bateria de
hidrociclones, no foi possvel a coleta do material diretamente da
sada do distribuidor desta bateria. Sendo assim, as amostras foram
coletadas diretamente no tanque (ponto vermelho na figura 12) que
recebe o transbordo do classificador espiral. Para diminuio dos
erros de amostragem foram coletados incrementos a cada 20 minutos,
durante uma hora, de cerca de 20 litros de polpa. Totalizando 80
litros de material. Foram condicionadas em quatro gales de 20
litros e direcionados ao laboratrio de tratamento de minrios da
Faculdade de Engenharia de Minas e Meio Ambiente, na Universidade
Federal do Par, em Marab, onde foram realizados os ensaios de
hidrociclonagem.
4.2
ENSAIOS DE HIDROCICLONAGEM
Antes da realizao dos ensaios, primeiramente foram reguladas as
geometrias do equipamento, de forma a se obter um hidrociclone com
as propores entre as geometrias iguais as da famlia Krebs, conforme
a figura 15. Uma vez que os hidrociclones da usina do Mangans do
Azul pertencem a esta famlia. O procedimento para a realizao dos
ensaios foi seguido conforme recomenda Sampaio et al. (2007). Como
a amostra j se encontrava na forma de polpa de minrio, a vazo foi
regulada com a prpria polpa, e no com gua, como recomenda o
procedimento adotado. Para tanto os 80 litros de polpa do minrio
foi adicionada ao tanque de agitao, onde foi homogeneizada durante
10 minutos. Aps este tempo, ligou-se a bomba, mantendo a vlvula R2
fechada e a R1 aberta (figura 19), deixando o material circular.
Logo aps, fechouse o registro R1 e, simultaneamente abriu-se o
registro R2. Aguardou-se o hidrociclone entrar
42 em regime estacionrio, de forma que a presso se mantenha
constante. Verificou-se se o fluxo do underflow apresentava um
pequeno ngulo, e no na forma de cordo ou guardachuva. Procedeu-se
ento a medio da vazo na alimentao, no underflow e overflow, atravs
da contagem do tempo necessrio para se adquirir o volume
determinado, repetiu-se esse procedimento dez vezes, para que se
pudesse obter um valor confivel.
Figura 19: Imagem ilustrativa do equipamento utilizado nos
ensaios. 1: Tanque de polpa. 2: Inversor de freqncia. 3:
Hidrociclone. R1: Registro de atalho. R2: Registro de
alimentao.
A etapa seguinte foi a amostragem dos produtos do hidrociclone.
Coletou-se amostras do underflow e overflow em curtos espaos de
tempo, visando a no perturbao do sistema. Utilizou-se o mesmo
procedimento utilizado para medio da vazo da alimentao (L/min) para
a descarga do apex e vortex finder. As amostras foram dirigidas s
anlises granulomtricas, de densidade e percentagem de slidos.
43 4.3 CARACTERIZAO DAS AMOSTRAS
Como foi visto anteriormente a densidade uma importante
propriedade do sistema fluido-partcula quando se trata de
processamento de minrios, principalmente de hidrociclonagem. Sendo
assim, a determinao da densidade da polpa essencial ao sucesso dos
ensaios. A densidade uma propriedade intensiva, ou seja, no
dependem do tamanho da amostra, e resultado da razo entre duas
propriedades extensivas (Atkins e Jones, 2001). Tal propriedade
pode ser real ou aparente, entretanto, em hidrociclonagem,
densidade real que nos interessa. Para esta determinao o mtodo mais
simples a picnometria. Picnmetro basicamente um balo de fundo chato
equipado com uma rolha de vidro, pelo qual passa um canal capilar.
Este mtodo utilizado para a determinao da densidade de slidos. Tal
determinao, assim como da densidade da polpa, utilizada para se
encontrar a percentagem de slidos.
ds = Onde: ds = Densidade dos slidos; A1 = Massa do picnmetro;
A2 = Massa do picnmetro + amostra; A3 = Massa do picnmetro +
amostra + gua; A4 = Massa do picnmetro + gua.
(9)
A densidade da polpa (dp) pode ser encontrada pela simples razo
entre a massa da polpa (mp) e seu volume (Vp): dp = (10)
44 A importncia da determinao da percentagem de slidos se baseia
no balano de massa. atravs do balano de massa que se encontra a
recuperao. A percentagem de slidos (%S), como pode ser visto pela
equao (11), funo da densidade do slido (ds), da polpa (dp) e da
gua. Para densidade da gua igual a 1000 Kg/m3, tem-se:
S(%) =
100
(11)
A distribuio granulomtrica do material encontrada atravs de
peneiramento. Em que uma srie de peneiras colocada uma sobre a
outra, enquanto um sistema de agitao proporciona a passagem das
partculas pelas malhas, as quais foram: 10#, 18#, 35#, 60#,
100#,150#, 200#, 250#, 325# e 400#. A medio das massas retidas em
cada peneira, assim como sua percentagem, possibilita a gerao da
curva de distribuio granulomtrica. atravs desta curva que se
visualiza o comportamento granulomtrico do material. Uma vez
realizadas as anlises granulomtricas, determina-se os valores dos
dimetros que caracterizam a amostra, o d50, que calculado a partir
da curva de partio, e o d95, retirado da anlise granulomtrica do
overflow, sendo a malha que retm 5% da das partculas.
4.4
MODELAGEM E SIMULAO DE HIDROCICLONES
Para a realizao deste trabalho foi adotado o modelo de Plitt
devido sua grande aceitao e de fcil utilizao. Conforme recomenda
Chaves (2006), no foram utilizadas todas as constantes
predeterminadas por Plitt, mas sim encontradas para o material
utilizado, o minrio detrtico de mangans da Mina do Azul. Para se
determinar a curva de partio de Plitt so necessrias as malhas em
que foram feitas as anlises granulomtricas dos produtos dos ensaios
de hidrociclonagem, as dimenses do equipamento, as caractersticas
do mineral e as condies de operao. A relao entre as vazes do
underflow e overflow foram encontradas de acordo com a equao (4). O
dimetro mediano da partio foi encontrado seguindo a equao (6). A
forma de adquirir um melhor ajuste da curva simulada experimental
variar cada uma variveis geomtricas e operacionais, encontrando
vrios valores de d50 e realizar um ajuste
45 exponencial. Dessa forma a cada um dos coeficientes (b, c, d,
f, g e i) serem otimizados. A multiplicao de todos os coeficientes
lineares destes ajustes seria o coeficiente a. No entanto seriam
necessrios inmeros ensaios. Nesta impossibilidade, devido
quantidade limitada da amostra, procedeu-se um ajuste linear. O
parmetro que define a eficincia da separao m foi calculado de
acordo com a equao (7). Para se gerar a curva padro de partio
necessrio calcular a partio de Plitt para cada faixa granulomtrica.
Isto possvel atravs da equao (8), que est em funo das malhas
utilizadas no peneiramento, do parmetro m e do dimetro de corte. O
grfico deve ser plotado com os valores da partio no eixo Y e d/d50
no eixo do X.
46 5 RESULTADOS E DISCUSSES
5.1
ENSAIOS DE HIDROCICLONAGEM
A figura 20 mostra o equipamento utilizado assim como o
processamento dos ensaios. Observou-se a descarga do underflow em
forma de chuveiro, mostrando que estava havendo classificao. A
presso do equipamento foi de cerca de 18 psi e 18,97% foi
percentagem de slidos da alimentao, a densidade da polpa foi de
1,15 g/cm3 na alimentao, 1,2 no underflow e 1,12 no overflow. A
geometria do hidrociclone foi dimensionada para se obter as mesmas
propores entre as geometrias do equipamento utilizado na usina, so
eles: Dimetro do ciclone: 7 cm; do inlet:1,9 cm; do vortex finder:
2 cm; do apex: 1 cm; comprimento: 42 cm; comprimento da parte
cilndrica: 30 cm. As medies das vazes retornaram os seguintes
resultados: no overflow: 32,86 L/min; no underflow: 15,85
L/min.
Figura 20: (A) Detalhe do hidrociclone utilizado; (B)
Homogeneizao da polpa; (C) Hidrociclone em funcionamento.
47 5.2 CARACTERIZAO DAS AMOSTRAS
As anlises granulomtricas da alimentao, underflow e overflow
foram realizadas com o objetivo se determinar a curva de partio
corrigida, de forma a se encontrar o valor do d50 e,
principalmente, do d95, o qual vai mostrar se o hidrociclone est ou
no mandando material acima de 0,15mm para o overflow. Dessa forma,
pode-se perceber pela anlise granulomtrica do overflow que o valor
do d95 de 0,201 mm. Este valor mostra que granulometrias
pertencentes ao sinterfeed no est sendo recuperado pelo
hidrociclone.
Anlise granulomtrica100,00 90,00 80,00Passante acumulado (%)
70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 1,00 10,00
100,00Malha (microns)
1000,00
10000,00
Alimentao
Underflow
Overflow
Figura 21: Anlise granulomtrica da alimentao, underflow e
overflow.
5.3
BALANO DE MASSA
Atravs dos dados da anlise granulomtrica, o que permitiu a
descoberta da partio de slidos, foi realizado o balano de massa e
de gua, uma vez que a partio de gua um dos parmetros que medem a
qualidade da classificao. A partio de gua para o underflow foi de
36,8%, e segundo o critrio de avaliao da qualidade da operao de
ciclones de
48 NapierMunn (1996), como mostrado na tabela 2, se enquadra
como de qualidade razovel, muito prxima de ser considerada
pobre.
Tabela 3: Critrio para avaliao da qualidade da operao. Partio de
gua para o underflow (%) >50 50 - 40 40 - 30 30 - 20 20 - 10
Qualidade da separao
Muito pobre Pobre Razovel Boa Muito boa Raramente < 10
alcanada Fonte: Napier-Munn (1996) apud Foggiatto (2009)
Dessa forma foi feito o balano de massa da hidrociclonagem:
Figura 22: Balano de massa.
49 5.4 MODELAGEM E SIMULAO
O valor encontrado para o parmetro m experimental foi de 1,27. A
relao entre as vazes volumtricas do underflow e overflow foi 0,499,
a partio volumtrica para o underflow foi de 0,332. O d50Plitt
(0,120 mm) foi encontrado atravs da equao (6) e o d50exp. (0,151
mm) atravs da anlise granulomtrica. Para o ajuste da funo,
encontrou-se um fator atravs de ajuste linear, cujo valor
encontrado foi de 1,247 (nmero adimensional), encontrado atravs da
relao d50exp./ d50Plitt de forma que: d50corrigido = 0,151 mm. De
acordo com esses valores foi possvel a determinao da partio de
Plitt na faixa granulomtrica considerada, de acordo com a tabela
2:
Tabela 2: Partio de Plitt. Malhas (microns) 2000 1000 500 250
150 106 75 63 45 37 -37 Partio de Plitt 100,00 100,00 99,89 83,76
49,68 29,85 16,76 12,33 6,70 4,66 0,96
Atravs da anlise granulomtrica calcula-se o passante acumulado
da alimentao, overflow e underflow. A partio experimental ser a
percentagem de cada frao granulomtrica a se dirigir ao underflow.
Devido ao efeito da curto-circuitagem, esta curva no passa pela
origem. Para corrigir este efeito deve-se calcular o by-pass, que
considera que parte de cada frao se dirigir ao underflow, carreado
pela gua. A partio corrigida calculada conforme a equao (1):
50 Tabela 3: Partio experimental Malha (microns) 2000 1000 500
250 150 106 75 63 45 37 -37 Pass. Acumulado (%) Alim. Under Over
100,00 100,00 100,00 98,77 97,84 100,00 96,46 93,80 100,00 88,21
79,79 99,39 75,93 65,11 90,31 44,76 36,03 56,36 26,98 20,65 35,38
14,51 10,39 19,98 4,27 2,95 6,02 1,25 0,86 1,78 0,00 0,00 0,00
Partio 100,00 99,98 99,97 96,82 68,22 53,21 49,34 46,92 41,43 39,65
38,92 Bypass 0,00 3,32 6,24 22,27 33,14 84,14 48,01 33,64 27,65
8,14 3,39 Partio corrigida 100,00 99,97 99,96 94,96 49,68 25,92
19,79 15,96 7,27 4,45 3,29
Plotando os valores da partio real (figura 23) percebe-se o
efeito da curtocircuitagem. Devido este efeito a curva de partio no
intercepta o eixo x, uma vez que os finos so carreados pela gua
para o underflow.
Curva de Partio Real120,00
100,00
Passante acumulado (%)
80,00
60,00
40,00
20,00
0,00 10,00
100,00
1000,00
10000,00
Malha (microns)
Figura 23: Curva de partio real.
51 Plotando a curva de partio de Plitt e a curva de partio
corrigida, e colocando-se d/d50 no eixo do X, teremos a curva padro
de partio, que invariante a geometria do equipamento e as condies
operacionais (figura 24). Portanto esta curva funo apenas do
material utilizado nos ensaios, no caso o minrio detrtico de
mangans.
Curvas Padro de Partio
120,00 100,00 Passante acumulado (%) 80,00 60,00 40,00 20,00
0,00 10,00
100,00 d/d50 Simulado
1000,00 Experimental
10000,00
Figura 24: Curva padro de partio simulada e experimental (partio
corrigida).
Como pode ser observado na figura 23, conseguiu-se um bom ajuste
da curva simulada, atravs do modelo de Plitt, curva de partio
experimental.
52 6 CONCLUSO
Aps o trabalho de reviso de bibliografia, trabalho experimental
e anlise tcnica, observou-se que a modelagem e simulao aparece como
uma importante alternativa na otimizao de processos, economizando
tempo e reduzindo custos. A grande maioria das operaes unitrias
pode ser simulada, para tanto h inmeros softwares no mercado e,
principalmente, as planilhas eletrnicas. Analisando a planilha de
horas disponveis e horas trabalhadas por equipamento da usina,
concluiu-se que a hidrociclonagem de 4 desta usina possui uma
baixssima utilizao, ocasionada por constantes obstrues e quebra das
telas da peneira desaguadora para qual o fluxo do underflow
direcionado. Acredita-se que as obstrues so ocasionadas pelo alto
valor do topsize da alimentao, principalmente quando se trabalha
com pelito tabular, que devido sua caracterstica laminar acaba se
direcionando ao overflow do classificador quando a polpa est muito
viscosa, a uma alta taxa de produo e/ou com a espiral rotacionando
a uma maior velocidade. A constante quebra das telas da peneira
desaguadora pode ser justificada pela grande partio de gua, o que
gera um peso muito grande sobre as telas. Constatou-se que o
equipamento est funcionando com uma eficincia muito baixa, uma vez
que o valor m est menor que 2. A partir as anlises, encontrou-se:
d50 = 0,15 mm e d95 = 0,201 mm. Para que o valor do d95 seja prximo
a 0,15 mm, segundo o modelo, deve-se aumentar o comprimento da seo
cilndrica do hidrociclone, de 40 cm para 60 cm, uma que
necessita-se reduzir o dimetro de corte de 0,201 mm para 0,15 mm e
conforme mostra a literatura, pores cilndricas maiores favorecem a
esta reduo. Outra modificao sugerida pelo modelo diminuio da
percentagem de slidos da alimentao, que deve ser regulada a 10%.
Isto se deve pelas constantes obstrues ocasionadas pela alimentao
de polpas com alta percentagem de slidos. Novos ensaios, a fim de
calibrar o modelo, seriam necessrios para confirmar sua exatido. No
entanto, por problemas de logstica da mina em Parauapebas at a UFPA
em Marab, no foi possvel a realizao de novos ensaios. Acredita-se
que os resultados adquiridos representam, com uma margem de erro
dentro do aceitvel, a pesar da amostragem ter sido realizada
diretamente do classificador
53 espiral, a hidrociclonagem da usina. No entanto, para a
comprovao e validao do modelo, sugere-se que as modificaes
propostas pelo modelo adotado sejam feitas e novas amostragens e
ensaios em escala piloto sejam realizados. Sugere-se ainda que os
ensaios sejam realizados com todas as litologias, principalmente
utilizando pelito tabular.
54 REFERNCIAS
Arruda, E.B; Koboldt, C.A.; Damasceno, J.J.R.; Barrozo, M.A.S.
Estudo do comportamento de um hidrociclone filtrante de geometria
Krebs. Faculdade de Engenharia Qumica. Uberlndia-MG. 2001. Atkins,
P. e Jones, L. Princpios de Qumica: Questionando a vida moderna e o
meio ambiente. Porto Alegre-RS. Bookman, 2001. Beraldo, J.L. Moagem
de minrios em moinhos tubulares. So Paulo, Editora Edgard Blucher,
1987. Bernadelli, A.L. Jazida de mangans do Azul. In: SBG, Simpsio
de Geologia da Amaznia, 1, Belm, Anexo Anais, 47-60. 1982
Bernadelli, A.L. e Beisiegel. Geologia econmica da jazida do
mangans do Azul. In: SBG, Congresso Brasileiro de Geologia,
Recife-PE. 1978. Carrisso, R.C.C; Correira, J.C.G. Classificao e
peneiramento.Rio de Janeiro-RJ. Centro de Tecnologia Mineral. 2004.
Chaves, A.P. Teoria e Prtica de Tratamento de Minrios. Signus
Editora, 3 edio. So Paulo-SP, 2006. Costa, L.P.; Rosire, C.A.;
Lobato, L.M. Caracterizao das Seqncias Metavulcanossedimentares da
Poro Leste da Provncia Mineral Carajs (PA). Dissertao de Mestrado,
Universidade Federal de Minas Gerais. Belo Horizonte-MG. 2007. Da
Costa, M.L.; Fernandez, O.J.C.; Requelme, M.E.R. Caracterizao de
depsitos minerais em distritos mineiros da Amaznia. Captulo V: O
depsito de mangans do Azul, Carajs: Estratigrafia, mineralogia,
geoqumica e evoluo geolgica. 2006. Dardenne, M.A.; Schobbenhaus C.
Metalognese do Brasil. Editora Universidade de Braslia. Pg. 392.
2001. DNPM (2004). Departamento Nacional de Produo Mineral.
Disponvel em: . Acessado em: 01/07/2010. DNPM (2009). Departamento
Nacional de Produo Mineral. Sumrio Mineral de 2009. Disponvel em: .
Acessado em: 13/10/2010. Drucker, J.B.; Beltro, F.S.; Strorolli,
F.A. Como obter o mximo em eficincia e separao?. Revista Brasil
Mineral, n 201. Dezembro, 2001. Foggiatto, B. Previso do desempenho
do circuito de moagem de Carajs. Dissertao de Mestrado.
Universidade de So Paulo. So Paulo SP. 2009.
55 King, R.P. Modeling and simulation of mineral processing
systems. Department of Metallurgical Engineering, University of
Utah, USA. Salt Lake City-USA. ButterworthHeinemann, 2001. Luz,
A.B. Tratamento de Minrios. Centro de Tecnologia Mineral-CETEM. Rio
de JaneiroRJ. 2004. Luz, A.B. e Lins, F. Rochas e Minerais
Industriais. Centro de Tecnologia MineralCETEM. Rio de Janeiro-RJ.
2008. Massarani, G.; Scheid, C. M. Separao Slido-Fluido
No-Newtoniano em Hidrociclones. Centro de Tecnologia Mineral-CETEM.
Rio de Janeiro-RJ. 2000. NapierMunn, T. J. Mineral comminution
circuits: their operation and optimisation. Indooroopilly: Julius
Kruttschnitt Mineral Research Centre, 1996. Roriz, E.R.R.
Reciclagem do mangans na forma de dixido de mangans eletroltico.
Dissertao de Mestrado. Escola Politcnica de So Paulo. Departamento
de Engenharia Metalrgica e de Materiais. So Paulo-SP. 2010.
Sampaio, J.A. Mangans Mina do Azul - Carajs/CVRD. Usina de
Beneficiamento de Minrios do Brasil. Centro de Tecnologia
Mineral-CETEM. Rio de Janeiro-RJ. 2002. Sampaio, J.A.; Frana,
S.C.A.; Braga, P.F.A. Tratamento de Minrios, Prticas Laboratoriais.
Centro de Tecnologia Mineral-CETEM. Rio de Janeiro-RJ. 2007. Souza,
C.S.; Costa, A.F.U.; Costa, R.T.; Daniel, P.H. Locao de poos de
rebaixamento de nvel dgua utilizando geologia e o mtodo geofsico
imageamento eltrico bidimensional da Mina de Mangans do Azul
Provncia Mineral de Carajs-PA. XIV Encontro Nacional de
Perfuradores de Poos. 2006. Valado, G.E.; Araujo, A.C. Introduo ao
tratamento de minrios. Belo Horizonte-MG, Editora UFMG. 2007. Vale
SA. Apresentao do Negcio Mangans aos visitantes do projeto. Gerncia
de Operaes da Mina de Mangans do Azul - GAMZN. 2008. Vale SA.
Caractersticas litolgicas dos minrios na Mina de Mangans do Azul.
Gerncia de Operaes da Mina de Mangans do Azul - GAMZN. 2009. Vale
SA. Vdeo de apresentao do projeto Mangans do Azul. Gerncia de
Operaes da Mina de Mangans do Azul - GAMZN. 2010. Vieira, J.M.A.
Parametrizao do indicador operacional do processo de escrubagem da
usina de beneficiamento da mina de mangans do azul. Programa de
Ps-graduao em Sistemas Mneros-Metalrgicos. 2008.
