FRAGMENTAÇÃO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MINAS - UFMG EMN120 TRATAMENTO DE MINÉRIOS Prof a. Sônia Denise Ferreira Rocha 2010

FRAGMENTAÇÃOFRAGMENTAÇÃO

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MINAS - UFMGDEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MINAS - UFMG

EMN120 TRATAMENTO DE MINÉRIOSEMN120 TRATAMENTO DE MINÉRIOS

ProfProfaa. Sônia Denise Ferreira Rocha. Sônia Denise Ferreira Rocha

20102010

FRAGMENTAÇÃO

FRAGMENTAÇÃO• Fases distintas e interdependentes do Tratamento de

Minérios:


Minérios:

Fase 1: Preparação, inclui a fragmentação (britagem e moagem) e o controle de tamanho (peneiramento e classificação);


Minérios:


Fase 2: Concentração, inclui tanto os métodos físicos de separação (densitários, magnéticos e elétricos) como os métodos físico - químicos (flotação e floculação seletiva);


Minérios:


Fase 2: Concentração, inclui tanto os métodos físicos de separação (densitários, magnéticos e elétricos) como os métodos físico - químicos (flotação e floculação seletiva);

Fase 3: Acabamento, inclui as técnicas de separação sólido - líquido (espessamento, filtragem e secagem).

FRAGMENTAÇÃO A fragmentação ou cominuição abrange o conjunto de operações responsáveis pela redução do tamanho das partículas minerais → OBJETIVOS:

• Obtenção de uma parte ou de todo o minério dentro das especificações granulométricas para seu uso posterior;

• Obtenção de grau de liberação necessário para se efetuar uma operação de concentração;

• Aumentar a área superficial específica dos minerais de um minério expondo-os mais facilmente ao ataque por reagentes químicos.

FRAGMENTAÇÃO

• Objetivos podem ser atingidos simultâneamente, isto é, liberar para concentrar e obter um produto dentro de especificações granulométricas de mercado;

• Operação realizada com rigoroso controle por ser uma operação normalmente cara. A fragmentação excessiva deve ser evitada.

FRAGMENTAÇÃO Operações de concentração são mais eficientes se recebem

o material dentro de determinadas faixas granulométricas específicas para cada método ou equipamento. Por este motivo estão sempre associadas à fragmentação operações de separação por tamanho:

• para evitar a entrada de partículas abaixo do tamanho desejado no interior das máquinas de fragmentação;

• para encaminhar partículas de determinado tamanho para equipamentos que possam fazer sua fragmentação com maior eficiência;

• fragmentação é realizada, via de regra, em circuito fechado com equipamentos de separação por tamanho para a obtenção de um produto com granulometria uniforme e para obtenção da maior capacidade de produção.

FRAGMENTAÇÃO

Alimentação

< 0,15 mm

> 0,15 mm

Alimentação < 0,15 mm

> 0,15 mm

> 0,15 mm

< 0,15 mm

FRAGMENTAÇÃO Mecanismos de Fragmentação

• Impacto: é o mais eficiente em termos de utilização da energia. Ocorre quando as forças de fragmentação são aplicadas de forma rápida e em intensidade muito superior à resistência das partículas. Faz uso, em geral, da energia cinética de corpos em movimentos cadentes.


• Compressão: é a mais comum, desde blocos da ordem de metros até partículas micrométricas. Ocorre quando forças de compressão são aplicadas de maneira lenta e progressiva, permitindo-se que, com o aparecimento da fratura, o esforço seja aliviado. Em geral, as forças de compressão aplicadas são pouco superiores à resistência dos blocos rochosos ou partículas. Gera um número reduzido de fragmentos homogêneos de tamanho intermediário.


• Cisalhamento: leva a um consumo alto de energia e a uma produção alta de superfinos. As forças aplicadas são insuficientes para provocar fraturas ao longo de toda a partícula. Prevalece uma concentração de esforços na área periférica que leva ao aparecimento de pequenas fraturas. Partículas muito pequenas convivem com partículas de tamanho próximo ao original.

FRAGMENTAÇÃO

FRAGMENTAÇÃO

Cisalhamento

Impacto

Compressão

Tamanhooriginal

Distribuição de tamanhos


• Choque ou impacto: britadores de impacto e nas áreas de impacto dos corpos moedores cadentes no interior dos moinhos revolventes.

• Compressão ou esmagamento: britadores de mandíbulas, britadores giratórios e cônicos. Nos moinhos revolventes ele está associado à compressão das partículas entre corpos moedores ou à compressão entre as partículas.

• Abrasão por Cisalhamento: partículas maiores são aprisionadas entre superfícies dotadas de movimento. Na maioria das vezes, o movimento entre as superfícies é contrário ao das próprias partículas. É observado freqüentemente nos produtos de moagem autógena.

FRAGMENTAÇÃO - ESTAGIAMENTO

Área = 6a2

Volume = a3

aresta = a

ASEv = 6a2/a3 = 6/a

FRAGMENTAÇÃO - ESTAGIAMENTO

Aresta = a/2

Área = 8 . 6. (a/2)2 = 12 a2

Volume = 8 . (a/2)3 = a3

ASEv = 12 a2/a3 = 12/a

FRAGMENTAÇÃO Britagem - primeiro estágio do processo de fragmentação

(m ao cm). Divisão básica em primária e secundária.

Britagem primária - alimentação é o ROM, localização próxima ou dentro da cava, operação a seco e circuito aberto com ou sem grelha para escalpar alimentação.

Britagem secundária - alimentação é o produto da britagem primária ( < 15 a 30 cm) operação normalmente via seco com circuito fechado ou aberto.

FRAGMENTAÇÃO Britadores

Britadores de Mandíbulas

Britadores Giratórios

Britadores Cônicos

Britadores de Impacto


Britadores de Mandíbulas - britagem realizada entre uma superfície fixa e outra móvel, material escoado por gravidade. Grau de redução de 5/1.

O tipo Blake é o mais usado e tem uma abertura de alimentação fixa e abertura de saída móvel.

Alimentação nominal = 0,5 a 1,5 m

Velocidade = 200 a 350 rpm

Sistema Móvel de Britagem e Peneiramento na MinaSistema Móvel de Britagem e Peneiramento na Mina

Sistema Móvel de Britagem e Peneiramento na MinaSistema Móvel de Britagem e Peneiramento na Mina

Sistema Móvel de Britagem e/ou Peneiramento na MinaSistema Móvel de Britagem e/ou Peneiramento na Mina

FRAGMENTAÇÃO

Britadores

Britadores giratórios - superfície externa em forma de tronco de cone com vértice para baixo e interna, móvel, com vértice para cima. Maior capacidade que os britadores de mandíbula, podem receber alimentação direta de caminhões.

Alimentação nominal = 1 a 1,6 m

Grau de redução = 8/1

FRAGMENTAÇÃO

Britadores

Britadores cônicos - concepção semelhante aos giratórios diferenciando - se pela superfície externa, alta capacidade. São os mais usados em britagem secundária.


Grau de redução = 3/1 a 7/1


Britadores de impacto - rotor que gira a grande velocidade, preso a peças(martelos) que se chocam com o material alimentado arremessando-o contra placas fixas, 500 a 3000 rpm. Limitação→ materiais abrasivos ( sílica + óxidos metálicos < 15 %).



FRAGMENTAÇÃO


Britadores de rolos - Consistem de dois rolos lisos que giram um contra o outro fragmentando o material alimentado entre os rolos. Baixa capacidade e aplicação restrita a materiais friáveis.

Alimentação nominal = 0,2 m

Grau de redução = até 4/1


Britadores de rolos dentados- Consiste de um rolo dentado que gira de encontro a uma placa fixa ou contra outro rolo dentado. Aplicações = carvão, calcário, caulim, fosfatos, ferro ( materiais friáveis e pouco abrasivos).



Característica Mandíbula Giratório Impacto Rolo dentado

Capacidade Baixa a média

Média a alta Baixa Baixa

Potência (kW) 2,25 a 225 5 a 750 11 a 450 15 a 300

Abrasividade do material

sem restrição Sem restrição sílica + óxidos

metálicos <15%

Restrição

Granulometria do produto

top size alto para

lamelares

Top size menor que mandíbula

alta produção de finos

Produz menos finos

Grau de redução

5/1 8/1 até 40/1 até 4/1

BRITADORES PRIMÁRIOS

EXEMPLOEXEMPLO

Um britador realiza uma operação de Um britador realiza uma operação de fragmentação com os seguintes dados:fragmentação com os seguintes dados:

- Granulometria da alimentação: 80% < 75mmGranulometria da alimentação: 80% < 75mm

- Granulometria do produto: 80% < 25mmGranulometria do produto: 80% < 25mm

Qual é o grau de redução deste equipamento?Qual é o grau de redução deste equipamento?

tamanho de pedra

98,8

90

80

70

60

50

40

30

20

10

8

6

abertura de saída - lado fechado

Distribuição granulométrica aproximadado produto de britagem conforme a aber-tura de saída na posição fechada (APF). CIRCUITO ABERTO

98,8

90

80

70

60

50

30

40

20

10

1"8 16

3"41"

165"

83"

21"

85"

43" 1" 4

1"1 21

1"43"

1 21"

22" 3" 4" 5" 6"

% p

ass a

nte

% pass ante

10 mesh20 mesh

CURVAS GRANULOMÉTRICAS DE BRITAGEM (CURVA FRAGMENTATRIZ)%

Paa

san

te A

cum

ulad

a

Supondo-se que as curvas representem adequadamente os produtos de britagem, responda as questões abaixo.

- Estime as quantidades de material produzido (m3/h) nas seguintes faixas granulométricas: > 1”, < 1” > ½”, < ½” > ¼”, < ¼”, considerando-se uma alimentação de 50 m3/h, e abertura de saída na posição fechada de 1”.

- Explique a influência da variação da abertura de saída sobre a operação de britagem.

- Qual deve ser o grau de redução deste britador se a granulometria da alimentação é 80% < 6”.

EXEMPLO

tamanho de pedra

98,8

90

80

70

60

50

40

30

20

10

8

6



98,8

90

80

70

60

50

30

40

20

10

1"8 16

3"41"

165"

83"

21"

85"

43" 1" 4

1"1 21

1"43"

1 21"

22" 3" 4" 5" 6"

% p

ass a

nte

% pass ante

10 mesh20 mesh


Paa

san

te A

cum

ulad

a > 1 “

100 - 70 = 30%

tamanho de pedra

98,8

90

80

70

60

50

40

30

20

10

8

6



98,8

90

80

70

60

50

30

40

20

10

1"8 16

3"41"

165"

83"

21"

85"

43" 1" 4

1"1 21

1"43"

1 21"

22" 3" 4" 5" 6"

% p

ass a

nte

% pass ante

10 mesh20 mesh


Paa

san

te A

cum

ulad

a < 1” > ½ “

70 - 37 = 33%

tamanho de pedra

98,8

90

80

70

60

50

40

30

20

10

8

6



98,8

90

80

70

60

50

30

40

20

10

1"8 16

3"41"

165"

83"

21"

85"

43" 1" 4

1"1 21

1"43"

1 21"

22" 3" 4" 5" 6"

% p

ass a

nte

% pass ante

10 mesh20 mesh


Paa

san

te A

cum

ulad

a < ½ “ > ¼ “

37 - 21 = 16%

tamanho de pedra

98,8

90

80

70

60

50

40

30

20

10

8

6



98,8

90

80

70

60

50

30

40

20

10

1"8 16

3"41"

165"

83"

21"

85"

43" 1" 4

1"1 21

1"43"

1 21"

22" 3" 4" 5" 6"

% p

ass a

nte

% pass ante

10 mesh20 mesh


Paa

san

te A

cum

ulad

a < ¼ “

21%

APF 1

granulometria % m3/h

> 1 30 15.0

< 1" > 1/2" 33 16.5

< 1/2" > 1/4" 16 8.0

< 1/4" 21 10.5

100 50.0

tamanho de pedra

98,8

90

80

70

60

50

40

30

20

10

8

6



98,8

90

80

70

60

50

30

40

20

10

1"8 16

3"41"

165"

83"

21"

85"

43" 1" 4

1"1 21

1"43"

1 21"

22" 3" 4" 5" 6"

% p

ass a

nte

% pass ante

10 mesh20 mesh


Paa

san

te A

cum

ulad

a

R = 10 - 100 EY

61

FRAGMENTAÇÃOCircuitos de Britagem

Britagem primária na mina ou local próximo, circuito aberto. Britagem secundária ou terciária em geral circuito fechado com peneira

• Circuito fechado normal• Circuito fechado reverso

R = 1 10 - 100 Z Y E

62

R , R = carga circulante em porcentagem da alimentação nova E = eficiência de peneiramento Y = % passante na peneira presente na descarga do britador secundário

1 2

FRAGMENTAÇÃOCircuitos de Britagem

Britagem primária na mina ou local próximo, circuito aberto. Britagem secundária ou terciária em geral circuito fechado com peneira → granulometria homogênea.

• Circuito fechado normal• Circuito fechado reverso

Britagem Primária

Britagem Secundária

Peneira Vibratória

Produto

US

OS

Car

ga C

ircu

lant

e

Fechado Reverso

Britagem Primária

Britagem Secundária

Peneira Vibratória

Produto

US

OS Car

ga C

ircu

lant

e

Fechado Normal

Calcule a carga circulante em um circuito fechado reverso de britagem secundária, que utiliza peneira vibratória, considerando-se os seguintes dados:- abertura da peneira: 12,5 mmgranulometria da descarga do britador secundário: 60% < 12,5 mmgranulometria da descarga do britador primário: 30% < 12,5 mm- eficiência da peneira: 85%

Calcule a carga circulante em um circuito fechado normal de britagem secundária, que utiliza peneira vibratória, considerando-se os seguintes dados:- abertura da peneira: 12,5 mmgranulometria da descarga do britador secundário: 60% < 12,5 mm- eficiência de peneiramento: 85 %

Calcule a carga circulante em um circuito fechado normal de britagem secundária, que utiliza peneira vibratória, considerando-se os seguintes dados:- abertura da peneira: 12,5 mmgranulometria da descarga do britador secundário: 60% < 12,5 mm- eficiência de peneiramento: 85 %

R = 10 - 100 EY

61

Calcule a carga circulante em um circuito fechado reverso de britagem secundária, que utiliza peneira vibratória, considerando-se os seguintes dados:- abertura da peneira: 12,5 mmgranulometria da descarga do britador secundário: 60% < 12,5 mmgranulometria da descarga do britador primário: 30% < 12,5 mm- eficiência da peneira: 85%

R = 1 10 - 100 Z Y E

62

FRAGMENTAÇÃO Moagem - último estágio do processo de fragmentação

(cm ao μm). Moinhos revolventes ou tubulares são, ainda, os mais usados. São cilindros rotativos onde é realizada a fragmentação em seu interior pela ação de corpos moedores. Corpos moedores

• Barras cilíndricas• Bolas• Cylpebs - tronco de cone• Fragmentos do minério

Carga = corpos moedores + material a ser fragmentado Carga = 30 a 50 % do volume interno do moinho

FRAGMENTAÇÃO Moagem - a fragmentação ocorre através da movimentação

da carga. Em moinhos de bolas podem ocorrer dois regimes distintos de movimentação da carga:

• Cascata - menor velocidade

• Catarata - maior velocidade

Velocidade crítica = ponto de mudança de trajetória circularpara parabólica: operação entre 40 e 80% da Velocidade Crítica

Nc = 42,30 √D - d

Nc = velocidade crítica (rpm) D = diâmetro interno do moinho (m) d = diâmetro da bola (m)

FRAGMENTAÇÃO Moagem - a fragmentação ocorre através da movimentação

da carga. Em moinhos de bolas podem ocorrer dois regimes distintos de movimentação da carga:

• Cascata - menor velocidade

• Catarata - maior velocidade

Velocidade crítica = ponto de mudança de trajetória circularpara parabólica: operação entre 40 e 80% da Velocidade Crítica

Nc = 42,30 √D - d

Nc = velocidade crítica (rpm) D = diâmetro interno do moinho (m) d = diâmetro da bola (m)

Velocidade crítica

FRAGMENTAÇÃO

FRAGMENTAÇÃO Moagem - os moinhos são revestidos internamente ( aços

especiais, ferro fundido e borracha).• proteger a carcaça• diminuir escorregamento da carga moedora• adequar levantamento e trajetória da carga moedora

FRAGMENTAÇÃO

Moagem - Moinhos de Barras - usam como carga moedora barras de aço cilíndricas. Relação comprimento / diâmetro (L/D) > 1,25 / 1. Barras 150 mm menores que o moinho e de aço de alto carbono. Usual circuito aberto.

Descarga por transbordo: relações L/D entre 1,4 a 1,7 /1, grau de redução de 15 a 20/1, velocidade entre 60 e 65% Vc

Descarga periférica central: alimentação nas duas extremidades, L/D entre 1,3 a 1,5/1, grau de redução entre 4 e 8/1 velocidade entre 65 e 70% Vc

Descarga periférica: L/D entre 1,3 e 1,5/1, grau de redução entre 12 e 15/1 entre 65 e 70% Vc

MOINHOS DE BARRAS - TIPOS DE DESCARGAS

TIPOS DE DESCARGA

MOINHOS DE BOLAS

Moagem - Moinhos de Bolas - usam bolas, cylpebs e ballpebs como carga moedora. Relação L/D 1 a 2/1. Bolas de aço ou ferro fundido. Operação é normalmente feita em circuito fechado e descarga por transbordo. Velocidade entre 65 e 78% da Vc.

ballpeb cylpeb bola

FRAGMENTAÇÃO

FRAGMENTAÇÃO

FRAGMENTAÇÃO Moagem - Autógena/Semi-autógena - Usam fragmentos

grandes do próprio minério ou mistura de fragmentos e bolas como corpos moedores. Possibilitam redução de custo de corpos moedores e eventual eliminação de estágios de britagem. Diâmetro muito maior que o comprimento ( L/D 1/ 1,5 a 3). % de enchimento de carga de 25 a 35% do volume do moinho.

FRAGMENTAÇÃO Moagem - algumas variáveis da moagem

• Diâmetro e comprimento do moinho

• Porcentagem de enchimento

• Porcentagem da velocidade crítica

• Porcentagem de sólidos

• Tipo e material do corpo moedor

• Tipo e material do revestimento

FRAGMENTAÇÃO Moagem - Moinhos de rolos de alta pressão - pistãos

hidráulicos forçam um dos rolos contra o outro rolo que é fixo. A pressão comprime um leito de partículas levando à quebra “entre partículas” e induzido trincas residuais. Aplicações em carvão, calcário, cimento, produção de pellet feed e outros produtos.

Parâmetro Faixa de Valor

Diâmetro do rolo 750 - 2100 mm

Largura do rolo 260 - 1600 mm

Velocidade periférica do rolo 0,5 - 2,0 m/s

Pressão 2000 - 8500 KN/m

Potência motor 100 - 4000 kW

Produção 10 - 2000 t/h

FRAGMENTAÇÃO Moagem - Moinhos de rolos de alta pressão -

Circuito Descrição Aplicações

A moinho de barras em circuito aberto moagem grosseira. Minério de urânio. Produção sinter-feed. Moagem a seco de coque

B moinho de barras em circuito fechado pouco comum. Moagem relativamente grossa com pequena produção de slimes. Serrana, moagem de silvinita

C moinho de bolas em estágio único muito comum em minério de cobre. Alimentação deve ser britada fina

D moinho autógeno ou semi-autógeno em estágio único

usado na África do Sul e em moagem de taconito. Alimentação brita primária. Alto consumo energético

E moinho de barras em circuito aberto e de bolas em circuito fechado

alto investimento, baixo consumo energético. Recomendado para materiais de difícil britagem fina

F moinho autógeno ou semi-autógeno seguido de moinho de bolas

aplicações tendem a expandir-se por apresentar baixo investimento e razoável consumo energético

G idêntico ao anterior substituindo o moinho de bolas por de seixos

investimento mais elevado que no F e custos mais baixos

H circuitos A-B-C. Moinho autógeno, britador e moinho de bolas

utiliza britador para moer partículas nas faixas granulométricas críticas do moinho autógeno

I moinho multi-câmara. Circuito fechado a seco

moagem de cimento ou bauxita

J moinho de rolos (roller-mill) moagem a seco de materiais pouco abrasivos. Usado em moagem de carvão, fosfato e cru de cimento (quando o teor de sílica livre na matéria prima é baixo)

Estagiamento do Trabalho de Fragmentação• A fragmentação de blocos ou maciços rochosos é um processo

que é realizado em estágios.• O desmonte de rochas, com explosivos, constitui a primeira

etapa de fragmentação. Desmonte mecânico também pode ser utilizado em minérios friáveis.

• A britagem é aplicada na redução de blocos maiores - metros até centímetros.

• Caso seja necessária maior redução no tamanho das partículas, a moagem é processo mais adequado - centímetros até micrômetros.

• Em partículas maiores, é necessária uma grande quantidade de energia para a fragmentação. Por outro lado, a quantidade de energia necessária por unidade de massa (kWh/t) é pequena.

• Ao se reduzir o tamanho das partículas, reduz-se também energia necessária para a sua quebra, ao passo que a energia aplicada por unidade de massa aumenta.

Aspectos Energéticos da Fragmentação

• Num circuito de fragmentação, o tipo de equipamento selecionado varia na medida em que o tamanho das partículas diminui. Na grande maioria dos equipamentos existentes, as forças associadas à quebra são aquelas que envolvem ou compressão ou impacto. As diferenças entre equipamentos estão associadas aos diferentes tipos de mecanismos que levam a aplicação dessas forças sobre as partículas minerais.

• Conseqüentemente, os equipamentos primários, referindo-se aos britadores, devem apresentar estruturas mecânicas maciças, concentradoras de energia. Na redução mais fina, no caso os moinhos, devem ser capazes de distribuir a energia de fragmentação sobre uma grande extensão de superfície.

)11

(10FP

WiE

Equação de Bond

Determinação da energia necessária para a moagem

Exemplo

Considerando-se:

- granulometria da alimentação: 80% < 15000m- granulometria do produto: 80% < 1500 m- Wi = 12 kwh / tonelada curta- alimentação: 500 t/h

a) Determine o grau de redução do moinho.

b) Determine a potência necessária ao moinho (HP)

FRAGMENTAÇÃO

Aspectos Energéticos da Fragmentação

• Diferentes tipos de relações matemáticas, empíricas, têm sido propostas para correlacionar a resistência que partículas de composição, tamanho e forma diferentes apresentam à fragmentação.

• Entretanto, tais índices não têm apresentado nenhuma relação com a fragmentação industrial visto que esta se realiza em máquinas onde milhares de partículas estão presentes. Na fragmentação industrial a ruptura de partículas não é um fenômeno isolado.

• No interior das máquinas de fragmentação ocorrem outros fenômenos que, num processo caótico, contribuem para a dissipação de energia de fragmentação. Podemos citar diversos tipos de dissipação de energia como, por exemplo, a deformação, o atrito e até mesmo o ruído

)11

(10FP

WiE

Equação de Bond

Método de Bond

]1010

[)(

)5,44(1,1

8080

82,023,01

)(

FPGpbp

W testei

100

100

cc = 250

Determinação da energia necessária para a moagem

FRAGMENTAÇÃO

FRAGMENTAÇÃO

Equações Empíricas da Distribuição do Processo de Quebra

Denominação Função de Distribuição

1- Gilvary F(d) = 1-exp[-(d/k1)-(d/k2)2-(d/k3)3]

2- Rosin-Rammler F(d) = 1-exp[-(d/d*)n)]

3- Gaudin-Meloy F(d)= 1 - [1- (d/d*)]n

4- Klimpel and Austin F(d) = 1 - [1-(d/d*)]n1[1-(d/d*)]n2[1-(d/d*)]n3

5-Gates-Gaudin-Schuhmann

F(d) = (d/d*)n

6-Broadbent-Callcott F(d) = [1-exp[-(d/d*)n)]]/[1-exp(-1)]

(d/d*) representa uma relação geométrica

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