Modelagem e Simulação Da Hidrociclonagem Da Usina Do Projeto Manganês Do Azul

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



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 de Minas e Meio

Ambiente.

Orientador: Prof. Dr. Reginaldo Sabia

de Paiva.

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



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 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 INTRODUO ........................................................................................................... 12

2 OBJETIVOS ............................................................................................................... 13

3 REVISO DE LITERATURA .................................................................................. 14

3.1 MANGANS ................................................................................................................ 14

3.2 MINERAIS DE MANGANS ..................................................................................... 15

3.3 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 HIDROCICLONES ...................................................................................................... 29

3.5 DESEMPENHO DE HIDROCICLONES .................................................................... 31

3.6 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 MATERIAIS E MTODOS ...................................................................................... 41

4.1 AMOSTRAGEM .......................................................................................................... 41

4.2 ENSAIOS DE HIDROCICLONAGEM ....................................................................... 41

4.3 CARACTERIZAO DAS AMOSTRAS .................................................................. 43

4.4 MODELAGEM E SIMULAO DE HIDROCICLONES ......................................... 44

5 RESULTADOS E DISCUSSES .............................................................................. 46

5.1 ENSAIOS DE HIDROCICLONAGEM ....................................................................... 46

11

5.2 CARACTERIZAO DAS AMOSTRAS .................................................................. 47

5.3 BALANO DE MASSA .............................................................................................. 47

5.4 MODELAGEM E SIMULAO ................................................................................ 49

6 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 REVISO DE LITERATURA

3.1 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.

Minerais Frmula

Qumica

Teor

molecular

de Mn

Descrio

Criptomelana

KMn8O16 59,83%

Densidade de 5,5 e 4,5

g/cm3. Ocorrncia em

depsitos supergnicos

e sedimentares.

16

Minerais Frmula

Qumica

Teor

molecular

de Mn

Descrio

Pirolusita

MnO2- 62-63%

Formado pela oxidao

de outros minerais de

mangans. Possui

densidade de 4,75 g/cm3

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

[Mn4+

,Mn2+

,

(O,OH)2] 62,97%

Sua densidade varia de

4,2 a 4,9 g/cm3. Muito

importante devido suas

propriedades eletro-

qumicas.

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+

)8O

16], 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+

)8O

16], todorokita [(Mn2+

,Ca,Mg)Mn3+4O

7H2O], 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+

)8O

16], todorokita

[(Mn2+

,Ca,Mg)Mn3+4O

7H2O], 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+

)8O

16], nsutita

[MnO2] e todorokita [(Mn2+

,Ca,Mg)Mn3+4O

7H2O]. 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):

Figura 12: Fluxograma da usina. (Modificada de Sampaio, 2002).

Ponto de coleta das amostras

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 considera-

se 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=

(4)

Sendo:

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;


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;


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;



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, fechou-

se 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 guarda-

chuva. 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 =

(9)

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.

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.

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

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00

90,00

100,00

1,00 10,00 100,00 1000,00 10000,00

Pas

san

te a

cum

ula

do

(%

)

Malha (microns)

Anlise granulomtrica

Alimentao Underflow Overflow

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

(%)

Qualidade da

separao

>50 Muito pobre

50 - 40 Pobre

40 - 30 Razovel

30 - 20 Boa

20 - 10 Muito boa

< 10 Raramente

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) Partio de Plitt

2000 100,00

1000 100,00

500 99,89

250 83,76

150 49,68

106 29,85

75 16,76

63 12,33

45 6,70

37 4,66

-37 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 Pass. Acumulado (%) Partio

By-

pass

Partio

corrigida (microns) Alim. Under Over

2000 100,00 100,00 100,00 100,00 0,00 100,00

1000 98,77 97,84 100,00 99,98 3,32 99,97

500 96,46 93,80 100,00 99,97 6,24 99,96

250 88,21 79,79 99,39 96,82 22,27 94,96

150 75,93 65,11 90,31 68,22 33,14 49,68

106 44,76 36,03 56,36 53,21 84,14 25,92

75 26,98 20,65 35,38 49,34 48,01 19,79

63 14,51 10,39 19,98 46,92 33,64 15,96

45 4,27 2,95 6,02 41,43 27,65 7,27

37 1,25 0,86 1,78 39,65 8,14 4,45

-37 0,00 0,00 0,00 38,92 3,39 3,29

Plotando os valores da partio real (figura 23) percebe-se o efeito da curto-

circuitagem. Devido este efeito a curva de partio no intercepta o eixo x, uma vez que os

finos so carreados pela gua para o underflow.

Figura 23: Curva de partio real.

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

10,00 100,00 1000,00 10000,00

Curva de Partio Real

Malha (microns)

Pas

san

te a

cum

ula

do

(%

)

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.

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.

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

10,00 100,00 1000,00 10000,00

Pas

san

te a

cum

ula

do

(%

)

d/d50

Curvas Padro de Partio

Simulado 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

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Documents

Modelagem e Simulação Da Hidrociclonagem Da Usina Do Projeto Manganês Do Azul