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DESEMPENHO DO CLASSIFICADOR PNEUMÁTICO STURTEVANT NA
PRODUÇÃO DE AREIA ARTIFICIAL
Cunha, E. R.'; Almeida, S. L. M. 2; Tavares, L. M. M.3
I, 3 -Programa de Engenharia Metalúrgica c de Materiais/COPPE - Universidade Federal do Rio de Janeiro- Cx. Postal
68505 - 21949-900- Rio de Janeiro - RJ
[email protected] .br; tavarcs@ufrj .br
2 - Centro de Tecnologia Mineral- CETEM, Avenida Ipê, 900- Cidade Universitária, 21941-590,
Rio de Janeiro- RJ
O presente trabalho trata da avaliação do desempenho de um separador pneumático para classificação de areia produzida
por um britador do tipo VSI (vertical shaji impactar) e finos do processo de produção de brita (produzidos usando
britadores giratórios c cônicos), visando adequá-los para utilização como agregado miúdo na construção civil. A matéria
prima utilizada para este estudo é um charnokito da Pedra Sul Mineração Ltda, localizada no município de Matias Barbosa
- MG. Após a britagcm os diferentes materiais são classificados com o auxílio do classificador pneumático Sturtevant, a fim
de remover o material menor que 0,075 mm. Dessa maneira, o produto é adequado à especificação granulométrica prevista
na nornm NBR 7211. Os resultados indicam que o classificador Sturtevant é capaz de gerar produtos que atendem a NBR
7211, com rendimentos de até 80%. Observou-se que o desempenho do classificador é apenas modestamente influenciado
pela taxa de alimentação, mas depende sobremaneira da posição dos elementos de rejeição do aparelho (palhetas). Uma
influência limitada, mas relevante, da forma da partícula na separação também foi observada. Por fim, a variável que
apresenta a influência mais dramática no dcscpcnho do classificador é a umidade da alimentação, cuja elevação acima de
0,5% resulta cm forte deterioração da separação.
Pala1•ras-chave: areia artificial , classificador pneumático
Área temática: Cominuição
241
INTRODUÇÃO
A demanda por areia, associada às crescentes restrições à sua exploração nos grandes centros urbanos, tem
resultado no di stanciamento de lavras de produção de areia dos grandes centros brasileiros de consumo. Por exemplo,
estima-se que em tomo de 90% da areia consumida na Região Metropolitana de São Paulo, sej a proveniente de o utros
municípios, sendo suprida por arcais localizados a distâncias de até I 00 km da capital (Valvcnlc, 2003). As ma iores
distâncias de tra nsporte c o maior custo final do produto em grandes centros urbanos, como Rio de Janeiro c São Paulo, têm
criado oportunidades para a indústria de agregado no Brasil no sentido de buscar materiais alternativos à areia natural tais
como a produção das chamadas "areias artificiais" a partir de rcjcitos ou/c britas de pedreiras. Na Região Metropolitana do
Rio de Janeiro esse movimento já está sendo observado, sendo prevista a entrada cm operação de uma usina de produção de
areia de brita (areia art ificial) a cada ano, a parti r de 2003 (Mello c Calacs, 2003) .
Na produção de areia artificial, pelo fato do processamento utilizar normalmente britadores de impacto de eixo
vertical (VSI), essa areia apresenta elevada proporção de partículas menores que 0,075 mm (tipicamente entre I O c 25 %). A
fim de atender à especificação granulométrica imposta pela NBR 7211, toma-se necessário classifica-la de modo que a
fração de partículas menores que 0,075 mm seja limitada a um máximo de 5 %.
O presente trabalho analisa a aplicação do classificador pneumático Sturtcvant na classificação de finos gerados cm
uma usina piloto de britagem, que emprega o britador de impacto VSI, c finos produzidos na usina de britagem da Pedra Sul
Mineração Ltda. Embora existam diversas alternativas para a classificação de materiais nesse intervalo de tamanhos de
partícula, optou-se pelo uso do classificador pneumático Sturtevant, tendo cm vista a indisponibilidade de área no terreno da
mincradora para a construção de uma bacia de decantação. Esse trabalho se insere cm um projeto de pesquisa realizado cm
cooperação entre o CETEM, a COPPE!UFRJ c quatro empresas produtoras de agregado, no qual ainda serão comparadas
outras alternativas de classificação a seco e a úmido c finos gerados por outras mincradoras.
DESENVOLVIMENTO
As amostras de areia artificial (sem classificação) são constituídas pelo produto da peneira de abertura de 3 mm
produzido cm um britador VSI em uma usina piloto (detalhes do circuito podem ser encontrados cm outra publicação -
Almeida ct ai. , 2004). O outro produto analisado, denominado "pó-de-pedra", é resultante do processo de britagem cm
britadores giratórios e cônicos na usina industri al da Pedra Sul Mineração Ltda (Matias Barbosa, MG), com corte cm 4,8
mm.
Um diagrama esquemático do classificador Sturtevant, operado cm escala piloto, é apresentado na Fig. O I. O
equipamento apresenta capacidade nominal de 200 kg/h. O rotor (que possui diâmetro de 253 mm) é equipado com 12
elementos de rejeição (palhetas) e opera a uma frcqüência de 250 rpm. A sua alimentação é realizada com o auxílio de um
alimentador vibratório, que permite a manutenção da alimentação dentro de um intervalo de ±5% do valor estabelecido.
Nos ensaios foi analisada a influência da taxa de alimentação, da posição das palhetas, tipo c umidade do material
da alimentação. Taxas de alimentação de 44 a 200 kg/h c posições de palhetas de 30 o a 135° foram utilizadas nos ensaios.
Teores de umidade da alimentação foram variados de O até 4,9%. O controle da umidade foi realizado pela adição de água a
lotes de I O kg de amostra, seguindo de homogeneização cm um misturador cm V pelo período de 20 minutos.
Imediatamente após a mistura, a alimentação era levada ao alimentador vibratório c processada.
242
Figura 01 - Diagrama esquemático do classificador Sturtcvant
Após a realização dos ensaios os produtos foram pesados, a fim de estabelecer o balanço de massas. Amostras dos
produtos grosso c fino de cada ensaio foram analisadas por pcnciramento pelo método híbrido (úmido/seco), usando uma
série de peneiras de 12,5 até 0,03 7 mm que segue uma progressão geométrica com razão igual a .fi . Essas informações,
após os devidos ajustes usando o método de multiplicadores de Lagrange (King, 2001), foram utilizadas no cálculo das
curvas de partição {Tromp) dos ensaios.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Influência do ângulo das palhetas e da taxa de alimentação
A fim de determinar a condição ótima de operação do separador é necessário avaliar o rendimento do processo. O
rendimento foi considerado como sendo a quantidade de fração grossa gerada cm relação à carga total alimentada ao
equipamento. A Tabela 1 demonstra que a posição das palhetas influencia significativamente o desempenho do
classifica dor. À medida que é elevado o ângulo das palhetas o processo de separação se toma menos eficiente, permitindo
que uma maior quantidade de finos (- 0,075 mm) contaminem o produto grosso (Tabela 2), o que resulta no aumento do
rendimento.
Tabela I - Síntese dos resultados dos ensaios de classificação
Material alimentado ao Posição Taxa de alimentação nominal
44 t/h 83 t/h 183 t/h class ificador palhetas
Rend . Imperfeição Finos* Rcnd . Imperfeição Finos* Rend. Imperfeição Finos*
Produto bri tador VSI 30 0,83 0,247 1,6 0,79 0,307 1,8 0,78 0,378 1,6
135 0,96 - 19,0 0,96 - 18,9 0,97 - 19,3 Produto dos britadores 90 0,94 0,789 15,7 0,94 0,837 16,5 0,94 0,869 15,7
cónicos 45 0,77 0,268 4,0 0,80 0,256 4,2 0,80 0,291 5,6
30 0,72 0,378 3,0 0,74 0,358 3,9 0,75 0,310 4,8
* % de particulas menores que 0,075 mm no produto grosso do classificador.
243
Tabela 2- Dados da separação relativos aos ensaios no Sturtcvant
Material alimentado Ângulo das Taxa de alimentação 'Yo -0,075 mm d50
ao classificador palhetas (graus) medida (kg/h) no produto (mm) Curto Circuito(%)
Produto do britador 30 43 I ,59 0,111 7
VSI 30 107 1,8 1 0,109 4
30 202 1,57 0,107 6
30 52 3,02 0,115 4
30 110 3,87 0,115 6
30 264 4,82 0,089 lO
Produto dos 45 46 4,01 0,088 6
britadores cónicos 45 78 4,24 0,083 li
45 199 5,63 0,074 15
90 37 15 ,71 0,0 19* **
90 102 16,50 0,018* **
90 214 I 5,69 0,017* **
* Informação obtida por extrapolação **Dado não disponível
As curvas de partição de massas, apresentadas na Fig. 02, também demonstram a influência significativa do ângulo
das paletas no desempenho do separador. Elas mostram que a contaminação de grossos no produto fino é limitada c que a
influência da posição das palhetas está associada essencialmente à variação da granulomctria de corte c da imperfeição, com
efeito aparentemente limitado no curto-circuito.
Os ensaios tanto com o pó-de-pedra quanto o produto do britador VSI (Fig. 03) demonstram que a taxa de
alimentação exerce uma influência relativamente limitada na capacidade de separação do equipamento. Para uma mesma
posição de palhetas (seja ela 30°, 45°, 90° ou 135°), a quantidade de finos menor que 0,075 mm que reporta ao produto
grosso aumenta apenas modestamente com o aumento da taxa de alimentação. Isso mostra que o equipamento é
relativamente robusto à flutuações na taxa de alimentação.
A condição ótima de operação representa aquela na qual a proporção de material - 0,075 mm é tolerada pela NBR
7211 (a qual estabelece em 5% o limite para o teor de finos - partículas não deletérias ou contaminantes), enquanto o
rendimento e a taxa de alimentação são máximos. Nesse caso, a operação a 83 kg/h com palhetas posicioadas a 45° c 183
kg/h a 30° representam os valores ótimos, resultando em rendimentos de 80 e 75%, respectivamente.
Influência da umidade na classificação
As curvas de partição para os ensaios com úmidade controlada são apresentadas na Fig. 04, na qual observa-se o
efeito deletério da umidade na classificação pneumática. O aumento da umidade resultou em elevação significativa do fluxo
de curto circuito c da imperfeição (Tabela 3) c redução do tamanho de corte. Esses efeitos, aliados às crescentes perdas de
material grosso no produto fino, resultaram em um desempenho inaceitável (com relação à NBR721 1), mesmo com
umidades tão baixas quanto 0,8%. Uma vez que é responsável pela aglomeração das partículas, a umidade impede que a
alimentação seja adequadamente dispersa no rotor, o que é responsável pelo elevado curto-circuito no processo (Kolacz,
2002; Klumpar, 1992).
244
o 80 cn cn e 7o Cl
B60 :l
"O e 50 a. ~ 40 o 'r1 30 o 0.20 e a. 10
o 0,01 0,10
Tamanho representativo (rTrn)
· · 'X· · 45 graus/46 kg/h
--;;;-- 45 graus/78 kg/h
45 graus/199 kg/h
· · + · 90 graus/37 kg/h
--90 graus/1 02 kg/h
90 graus/214 kg/h
135 graus/57 kg/h
-a- 135 graus/99 kg/h
135 graus/229 kg/h
1,00
Figura 02 - Curvas de partição medidas dos ensaios de classificação de pó-de-pedra para diferentes inclinações dos elementos de rejeição c taxas de alimentação
100
90 ---+--52 kg/h -~ ~ 80 - - o - -11 o kg/h o 1/)
70 1/) ---tr-- 264 kg/h o .... Cl 60 o +' ::I 50 "O o ....
40 c. o Cll 30 o
ICI) c> 20 .... o c.
10 o .... a..
o 0,01 0,10 1,00
Tamanho representativo (mm)
Figura 03- Curvas de partição para ensaios com palhetas nas posições de 30° para o produto do britador VSI para diferentes taxas de alimentação.
Tabela 3- Influência da umidade no desempenho do classificador Sturtevant, com ângulo das palhetas fixo cm 30°
c taxa de alimentação controlada cm 240 kg/h ±10%, na separação de pó-de-pedra
Umidade(%) '% -0,075 mm no produto d50 (mm) Curto Circuito(%)
o 4,8 0,089 10
0,8 8,4 0,081 13
1,2 14,8 0,067 29
1,6 18,3 Não disponível 68
2,3 21,2 Não disponível 82
4,9 20,9 Não disponível 100
245
100
90 o · O &. ... _ .. 0 --. ' --· ;;t. 80 -·--- o b. \ ;+:~ _if
o !:; ' / ~ 1/)
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I
' •C11 - o -- 2,3% (.)o
o 20 ~4.9% a. .__-==-.a:' I e 10 D.. - .. _seco
o 0,01 0,10 1,00
Tamanho representativo (mm)
Figura 04- Curva de partição para os ensaios com úmidadc controlada com o pó-de-pedra (palhetas posicionadas a
30° c taxa de alimentação de 240 kg/h)
Comparação dos produtos classificados à norma da ABNT
As Figuras 5 e 6 comparam as análises granulométricas obtidas cm testes selccionados com o produto do circuito
de britagcm com o britador VSI c o pó-de-pedra, respectivamente, aos limites impostos pela NBR 7211. Em ambos os casos
observa-se um certa tendência das curvas se aproximarem ao limite máximo da ABNT, sendo que, para as taxas de
alimentação nominais em tomo de 44 kg/h, esse limite é ultrapassado. Essa não-confom1idadc à norma é melhor contornada
pelo controle das variáveis operacionais do britador VSI, conforme é discutido cm outro trabalho (Almeida et ai. , 2004). No
caso da extremidade inferior das distribuições granulométrica, observa-se que, tanto no caso do produto do circuito do
britador VSI quanto no pó-de-pedra, a proporção encontra-se dentro da proporção tolerável (5%), sendo apenas ultrapassada
no caso do ensaio com o pó-de-pedra à elevada taxa de alimentação.
100 -:7"" 1:ii l!l :Jii
-~ · 43 kg/h 80 ~
107 kg/h
~ 60 r
- {!:. ---- 202 kg/h
o --Limites ABNT 'O
"' -e- Material Inicial 'S E :o (J
"' 2 40 c
"' "' "' "' D..
20
o ....... 0,0 0,1 1,0 10,0
Tamanho representativo (mm)
Figura 05 - Distribuições granulométricas do produto grosso obtido nos ensaios com o produto do circuito com o britador
VSI, com as palhetas do classificador posicionadas a 30°, comparadas à especidificação de areia da ABNT (NBR 7211)
246
é o "tl ..!!! :::l
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· ·O · 110 kg/h
--6- 264 kg/h
-Limites ABNT
-<>-Material Inicial
O, 1 1 ,O Tamanho representativo (mm)
10,0
Figura 06: Passante acumulado referente ao ensaio com pó-de-pedra (produto do britador cônico) c palhetas em
30" comparado aos limites máximo e mínimo da ABNT e ao material inicial.
Por fim, é importante destacar que existe alguma controvérsia sobre a real necessidade da remoção de finos da
areJa produzida a partir do processo de britagem (areia artificial). Ahn (2000) demonstra que é possível prescindir da
classificação do produto da britagcm da areia artificial, tendo cm vista que os finos (partículas menores que 0,075 mm) que
compõem a areia têm um importante papel no preenchimento de vazios deixados pelas partículas grossas. Isso confere
maior resistência mecânica ao concreto c argamassa, sem que seja necessário um aumento significativo da adição de água, o
que é de fundamental importância na obtenção de concretos com alta resistência . O fato desse material, denominado MFA
pelo autor (Manujàctured fine aggregate), ser capaz de atender às especificações de qualidade de argamassas e concretos,
está forçando uma re-avaliação das normas internacionais de areia, originalmente propostas para areias naturais, nas quais
os finos tipicamente correspondiam a materiais argilosos e deletérios. No Brasil, um grupo de trabalho (Sbrighi Neto, 2003)
encontra-se atualmentc revisando a NBR 7211 da ABNT, com perspectiva de flexibilização com relação à proporção de
finos no caso da areia manufaturada.
CONCLUSÕES
O ângulo de inclinação das palhetas exerceu uma influência significativa na separação, apresentando resultados
satisfatórios apenas para ângulos inferiores a 45°. A taxa de alimentação do classificador pneumático não apresentou uma
influência significativa nas características produto grosso para angulos baixos das palhetas (30° e 45°), apresentando uma
pequena variação no tamanho de corte do equipamento. A operação ótima do equipamento, dentro da especificação do
produto que atende a NBR 7211, corresponde ao uso da taxa de alimentação máxima (202 kg/h), com ângulo de palhetas de
247
30" cm rcl<:lção à direção de rotação do di sco. Isso resultou cm um rendimento de aproximadamente 75% c uma proporção
inferior a 5% de partículas - 0,075 mm.
A umidade exerce uma influência muito substancial na separação, uma vez que é responsável pela agregação das
partículas finas, que passam a reportar ao produto grosso. Isso é claramente observado pelas curvas de Tromp, nas quais o
tamanho de corte diminui c o fluxo de cw1o-circuito de grossos aumenta significativamente com a umidade, particularmente
acima de 0,5%.
A aderência da curva de distribuição granulométrica à banda especificada pela ABNT, entretanto, não depende
apenas do desempenho do classificador pneumático. Desvios na porção média c grossa da curva de distribuição
granulométrica foram eventualmente detectados, sendo que ações corretivas devam ser realização dentro do próprio circuito
de britagcm, pelo ajuste da abertura da peneira do produto, da taxa de alimentação do circuito, carga circulante, etc. Esse
tipo de ação permitirá obter uma uma curva de distribuição granulométrica que maximize a resistência c durabilidade do
concreto c argamassa, mantendo a trabalhabilidade dentro de limites aceitáveis para utilização no canteiro de obras.
Embora exista controvérsia quanto à real necessidade da remoção dos finos - conforme demonstram estudos de
Ahn (2000), entre outros - o classificador pneumático se mostra uma alternativa tecnicamente viável à produção de areia
artificial que atende as especificações atuais da ABNT, quando o processamento a úmido não é uma alternativa possível.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à FINEP pelo auxílio financeiro para a realização desse projeto, através do Fundo Sctorial
Mineral (CT-MINERAL) e ao CNPq pela concessão das bolsas aos pesquisadores envolvidos. Os autores também
agradecem ao Eng. Bernardo Piquct pelas importantes discussões durante a elaboração do trabalho.
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248
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