87
INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO CURSO DE ENGENHARIA METALÚRGICA BIANCA MEDEIROS METODOLOGIA DE AVALIAÇÃO DE TECIDO NA FILTRAGEM DE MINÉRIO DE FERRO VITÓRIA 2012

Tcc Bianca Revisado Biblio

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Tcc Bianca Revisado Biblio

INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO CURSO DE ENGENHARIA METALÚRGICA

BIANCA MEDEIROS

METODOLOGIA DE AVALIAÇÃO DE TECIDO NA FILTRAGEM DE MINÉRIO DE

FERRO

VITÓRIA

2012

Page 2: Tcc Bianca Revisado Biblio

BIANCA MEDEIROS

METODOLOGIA DE AVALIAÇÃO DE TECIDO NA FILTRAGEM DE MINÉRIO DE FERRO

VITÓRIA 2012

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Coordenadoria de Cursos Superiores em Metalurgia do Instituto Federal do Espírito Santo como requisito parcial para obtenção do título de Graduação em Engenharia Metalúrgica. Orientador: Prof. Dr. João Batista Conti

Page 3: Tcc Bianca Revisado Biblio

M488m Medeiros, Bianca

Metodologia de avaliação de tecido na filtragem de minério de ferro / Bianca Medeiros. – 2012.

85 f. : il. ; 30 cm.

Orientador: João Batista Conti.

Monografia (graduação) – Instituto Federal do Espírito Santo, Coordenadoria de Cursos Superiores em Metalurgia, Curso de Engenharia Metalúrgica, 2012.

1. Minérios de ferro. 2. Filtros e filtração. 3. Fibras téxteis. 4.

Engenharia Metalúrgica. I. Conti, João Batista. II. Instituto Federal do Espírito Santo. III. Título.

CDD: 669.1

Page 4: Tcc Bianca Revisado Biblio

BIANCA MEDEIROS

METODOLOGIA DE AVALIAÇÃO DE TECIDO NA FILTRAGEM DE MINÉRIO DE FERRO

Aprovado em 8 de agosto de 2012.

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Coordenadoria de Cursos Superiores em Metalurgia do Instituto Federal do Espírito Santo como requisito parcial para obtenção do título de Graduação em Engenharia Metalúrgica.

Page 5: Tcc Bianca Revisado Biblio

DECLARAÇÃO DO AUTOR

Declaro, para fins de pesquisa acadêmica, didática e técnico-científica, que este

Trabalho de Conclusão de Curso pode ser parcialmente utilizado, desde que se faça

referência à fonte e ao autor.

Vitória, 8 de agosto de 2012.

Bianca Medeiros

Page 6: Tcc Bianca Revisado Biblio

À minha mãe Vera Lúcia Medeiros. Aos meus avós José e Geralda.

Page 7: Tcc Bianca Revisado Biblio

AGRADECIMENTOS

Agradeço a todos que, direta ou indiretamente, contribuíram para a execução do

presente trabalho e, em especial:

A Samarco Mineração S.A., por incentivar o desenvolvimento pessoal e profissional

de seus estagiários.

Ao professor Prof. Dr. João Batista Conti de Souza pela orientação e incentivo para

a realização deste trabalho.

Ao Dr. Henrique Dias Gatti Turrer, aos Engenheiros Thiago Marchezi Doellinger e

Adail Mendes Junior pelos constantes ensinamentos e valiosa orientação

profissional.

A toda equipe do Laboratório de Separação Sólido/Líquido pelo elevado

comprometimento e dedicação.

Page 8: Tcc Bianca Revisado Biblio

RESUMO

A filtragem da polpa de minério de ferro é uma importante etapa no processo de

pelotização. Na Samarco Mineração são utilizados filtros de discos verticais a vácuo,

sendo seu desempenho afetado pelo meio filtrante utilizado. Esse meio filtrante

consiste de tecidos com propriedades que podem variar amplamente em função das

características da operação e desempenho desejados. Essas propriedades não

possibilitam prever seu desempenho industrial. Assim, houve a necessidade de

desenvolver uma metodologia de avaliação de novos tecidos. A metodologia

consiste, resumidamente, em realizar testes iniciais com o tecido em escala

laboratorial. Caso o desempenho seja adequado, o mesmo segue para os testes

industriais qualitativos, em que verifica a formação e o desprendimento da torta, e

testes quantitativos, onde se avalia comportamento técnico do tecido e sua vida útil.

Portanto, com a aplicação da metodologia apresentada neste trabalho, foi possível

desenvolver um novo tecido, que, até então, é pouco utilizado na filtragem de

minério de ferro por discos verticais a vácuo. Esse tecido, com características muito

diferentes do tecido atual, apresentou maior vida útil, sem afetar a umidade,

espessura da torta e sólidos no filtrado.

Palavras-chave: Minérios de ferro. Filtros e filtração. Fibras téxteis.

Page 9: Tcc Bianca Revisado Biblio

ABSTRACT

Filtration the pulp of iron ore is an important stage in the pelletizing process. Vacuum

vertical disc filters are used at Samarco and their performances are affected by the

filtering media. This filtering media consists of clothes with properties which can vary

widely depending on the characteristics of the operation and desired performance.

These properties don’t make possible to predict its industrial performance. So there

was a need to develop a methodology for approving new clothes. The methodology

goals, in summary, to conduce initial tests with the cloth in laboratory scale. If the

performance is adequate, the cloth is recommended for the qualitative industrial

tests, which check the formation and detachment of the cake, and quantitative

industrial tests, which evaluates technical behavior of the fabric and useful life.

However, with this current methodology, it was possible to design a new cloth, which

was little used in iron ore filtration by vacuum vertical discs so far. This cloth, with

very different characteristics in comparison with the standard cloth, presented longer

lifetime without affecting the moisture and thickness of the cake, as well as the solids

in the filtrate.

Key words: Iron ore. Filters and filtering. Fiber textiles.

Page 10: Tcc Bianca Revisado Biblio

LISTAS DE FIGURAS

Figura 1 - Fluxo do processo de concentração 1. ..................................................... 17

Figura 2 - Perfil do terreno do mineroduto. ................................................................ 18

Figura 3 - Fluxograma representativo do processo de pelotização da Samarco. ...... 20

Figura 4 - Esquematização do espessador. .............................................................. 21

Figura 5 - Princípio de filtragem. ............................................................................... 22

Figura 6 – Filtragem com filtros contínuos a vácuo do tipo vertical. .......................... 23

Figura 7 - Componentes do filtro a vácuo.................................................................. 24

Figura 8 - (a) setores. (b) setores com sacos de filtros (tecidos). .............................. 24

Figura 9 - Esquema de funcionamento de um filtro de disco à vácuo. ...................... 25

Figura 10 - Representação das fases as quais a torta é submetida. ......................... 25

Figura 11 - Desenho representativo de um meio filtrante e uma torta. ...................... 26

Figura 12 - Influência da área superficial no coeficiente de permeabilidade ............. 27

Figura 13 - Curvas típicas de grau de eficiência da filtração de um fluido hidráulico

contendo óxido de ferro. ............................................................................................ 30

Figura 14 - Filtração de esforço de superficie. .......................................................... 32

Figura 15 - Filtração de esforço de profundidade. ..................................................... 32

Figura 16 - Filtração por profundidade. ..................................................................... 33

Figura 17 - Filtração por torta. ................................................................................... 33

Figura 18 - Desenho esquemático dos tipos de fios. ................................................. 38

Figura 19 - Tecido constituído por fibra curta. ........................................................... 41

Figura 20 - Tecido de monofilamento pelo processo Filterlink Madison. ................... 42

Figura 21 - Bloqueio dos fios da estrutura formada pelo processo Filterlink Madison.

.................................................................................................................................. 42

Figura 22 - Tipos de contextura. ................................................................................ 44

Figura 23 – a) estrutura do Nylon 6. b) estrutura do Nylon 6,6. ................................. 46

Figura 24 - Formas cristalinas da poliamida. ............................................................. 47

Figura 25 - Obtenção da poliamida 6 a partir do ácido ɛ-aminocaproico. .................. 47

Figura 26 - Obtenção da poliamida 6 a partir da caprolactama. ................................ 47

Page 11: Tcc Bianca Revisado Biblio

Figura 27 - Obtenção da poliamida 6.6. .................................................................... 48

Figura 28: Influência da mudança do parâmetro escala na distribuição Weibull. ...... 50

Figura 29 - O fluxograma esquematiza todo o processo. .......................................... 51

Figura 30 - a) Modelo do teste de folha adotado. b) Setor circular. ........................... 53

Figura 31 - Procedimento do teste de folha............................................................... 54

Figura 32 - Prensa de rolos piloto. ............................................................................ 55

Figura 33 - Setores montados em 1 tubo de filtrado. ................................................ 57

Figura 34 - Amostragem. ........................................................................................... 58

Figura 35: Comparação visual da espessura da torta. .............................................. 59

Figura 36 - Tipos de falhas referentes a tecidos. ...................................................... 59

Figura 37 - Fluxograma do controle de qualidade. .................................................... 63

Figura 38 – Tecido padrão. a) tecido limpo (frente e verso). b) tecido sujo (frente e

verso). ....................................................................................................................... 65

Figura 39 - Imagens do tecido de teste. a) tecido limpo (frente e verso). b) tecido

sujo (frente e verso)................................................................................................... 66

Figura 40 - Umidade e TUF com material de baixa área superficial. ......................... 67

Figura 41 - Umidade e TUF com material de alta área superficial. ........................... 67

Figura 42 - Concentração de sólidos no filtrado. ....................................................... 68

Figura 43 - Teste da diferença média dos resultados de TUF para área superficial de

1750 cm2/g. Gerado por meio do software estatístico Minitab 16. ............................ 68

Figura 44 - Teste da diferença média dos resultados de TUF para área superficial de

2525 cm2/g. Gerado por meio do software estatístico Minitab 16. ............................ 69

Figura 45 - Formação e desprendimento da torta do tecido de teste. ....................... 69

Figura 46 - Espessura da torta. ................................................................................. 69

Figura 47 - TUF e umidade do filtro em 1 tubo de filtrado. ........................................ 70

Figura 48 - Histórico da TUF do tecido de teste e padrão. ........................................ 71

Figura 49 - Teste da diferença média dos resultados de TUF gerado por meio do

software estatístico Minitab 16. ................................................................................. 72

Figura 50 - Resultados de acompanhamento da produção de superfície específica

do pellet feed na entrada da prensa. Gerado por meio do software estatístico Minitab

16. ............................................................................................................................. 72

Page 12: Tcc Bianca Revisado Biblio

Figura 51 - Histórico da umidade do tecido de teste e padrão. ................................. 73

Figura 52 - Teste da diferença média dos resultados de umidade gerado por meio do

software estatístico Minitab 16. ................................................................................. 73

Figura 53 - Correlação entre a umidade e produtividade em função do tipo de tecido

.................................................................................................................................. 74

Figura 54 - Histórico da quantidade de tecidos retirados no filtro durante o teste. .... 74

Figura 55 - Vida útil média, em horas de operação dos tecidos do filtro. .................. 75

Figura 56 – Fotos dos tecidos retirados por rasgo na lateral. .................................... 75

Figura 57 – Fotos dos tecidos retirados por furos na face......................................... 76

Figura 58 - Histórico dos resultados de TUF da amostragem para comparação do

filtro de teste e padrão. .............................................................................................. 77

Figura 59 - Analise da diferença das médias dos resultados de TUF das amostras

coletadas. Gerado por meio do software estatístico Minitab 16. ............................... 77

Figura 60 - Histórico dos resultados de umidade da amostragem para comparação

do filtro de teste e padrão. ......................................................................................... 78

Figura 61 - Análise da diferença das médias dos resultados de umidade das

amostras coletadas. Gerado por meio do software estatístico Minitab 16................. 78

Figura 62 - Troca de tecidos de teste no filtro A. A troca geral corresponde em trocar

100% dos tecidos do filtro. ........................................................................................ 79

Figura 63 - Média dos sólidos no filtrado para os filtros com tecido padrão e de teste.

.................................................................................................................................. 80

Figura 64 - Diferença das médias mensais de sólidos no filtrado. Gerado por meio do

software estatístico Minitab 16. ................................................................................. 80

Figura 65 - Análise do efeito do tecido no resultado mensal de sólidos no filtrado.

Gerado por meio do software estatístico Minitab 16. ................................................ 80

Figura 66 - Distribuições de probabilidade de falha dos tecidos de teste e padrão.

Gerado por meio do software estatístico Minitab 16. ................................................ 82

Page 13: Tcc Bianca Revisado Biblio

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Detalhamento das três categorias. ........................................................... 29

Tabela 2 - Características das fibras sintéticas mais comuns (AIR SLAID, 2011). ... 38

Tabela 3 - Efeito do tipo de fio no desempenho do tecido filtrante (melhor=1)

(PURCHAS et al, 2002). ............................................................................................ 39

Tabela 4 - Efeito dos diversos parâmetros do fio no desempenho do tecido filtrante.

(melhor=1) (PURCHAS et al, 2002). ......................................................................... 39

Tabela 5 - Efeito da contextura sobre a filtragem (PURCHAS et al, 2002). ............. 45

Tabela 6 - Especificação do tecido ............................................................................ 52

Tabela 7 - Faixa da área superficial. ......................................................................... 55

Tabela 8 - Verificação da condição de aceitação de lotes pelo método do desvio

padrão (adaptado de MIL-STD414). .......................................................................... 62

Tabela 9 - Características do tecido .......................................................................... 64

Tabela 10 - Caracterização da polpa. ....................................................................... 64

Tabela 11 - Ciclos de filtragem. ................................................................................. 64

Page 14: Tcc Bianca Revisado Biblio

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 14

2 OBJETIVOS ........................................................................................................... 15

2.1 OBJETIVO GERAL.............................................................................................. 15

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................... 15

3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................................. 16

3.1 PROCESSO DE PREPARAÇÃO DA MATÉRIA-PRIMA PARA ETAPA DE

PELOTIZAÇÃO ......................................................................................................... 16

3.1.1 Tratamento de minério de ferro da Samarco Mineração ............................. 16

3.1.2 Transporte da polpa de minério de ferro pelo mineroduto ......................... 17

3.1.3 Separação Sólido-líquido .............................................................................. 19

3.2 TEORIA DA FILTRAGEM .................................................................................... 25

3.3 MEIO FILTRANTE ............................................................................................... 28

3.3.1 Retenção eficiente verso tamanho da partícula .......................................... 30

3.3.2 Resistência do fluido ..................................................................................... 34

3.3.3 Tendência ao cegamento ............................................................................... 36

3.4 TECIDOS ............................................................................................................ 36

3.4.1 Fibra Têxtil ...................................................................................................... 37

3.4.2. Tipos e propriedades dos fios...................................................................... 38

3.4.3 Tipos de Tecidos ............................................................................................ 43

3.5 POLIAMIDA (NYLON) ......................................................................................... 45

3.6 VIDA ÚTIL (CONFIABILIDADE) .......................................................................... 48

3.6.1 Weibull ............................................................................................................. 48

4 METODOLOGIA .................................................................................................... 51

4.1 TESTES LABORATORIAIS ................................................................................. 52

4.2 TESTES INDUSTRIAIS ...................................................................................... 56

4.2.1 Testes em 1 tubo de filtrado (Qualitativo) .................................................... 56

4.2.2 Testes em meio filtro (Quantitativo) ............................................................. 57

4.2.3 Testes no filtro completo ............................................................................... 60

Page 15: Tcc Bianca Revisado Biblio

4.3 TESTE DE CONTROLE DE QUALIDADE .......................................................... 61

5 RESULTADOS E DISCUSSÕES ........................................................................... 63

5.1 TESTE EM LABORATÓRIO ................................................................................ 63

5.2 TESTE INDUSTRIAL QUALITATIVO .................................................................. 69

5.2.1 Um Tubo de filtrado ........................................................................................ 69

5.2.2 Meio filtro - Teste quantitativo....................................................................... 70

5.2.3 Filtro Completo ............................................................................................... 76

5.2.4 Sólidos no filtrado .......................................................................................... 79

5.2.5 Vida útil ........................................................................................................... 80

6 CONCLUSÃO ........................................................................................................ 83

REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 84

Page 16: Tcc Bianca Revisado Biblio

14

1 INTRODUÇÃO

A filtragem é um dos processos de separação sólido-líquido empregado em diversas

indústrias, sendo uma delas as usinas de processamento mineral. Nessa etapa

ocorre passagem de uma polpa através de um meio poroso, de tal forma que os

sólidos formarão um leito empacotado de partículas chamado torta. Essa torta

contém interstício no qual o líquido percola por ação da gravidade ou força motriz,

sendo esse líquido passante denominado de filtrado. Essa operação tem como

objetivo retirar a água de concentrados e rejeitos finais (alternativa à barragem) e

maximizar a recuperação de espécies dissolvidas em processos hidrometalúrgicos

(OLIVEIRA,2007).

Normalmente é uma etapa crítica do processamento dos minerais já que seu

desempenho pode afetar o custo de transporte, a recuperação de espécies

dissolvidas e a eficiência de operações subsequentes como a pelotização.

Um componente importante no processo de filtragem é o meio filtrante, sendo este

responsável pelo desempenho do processo de filtração. Como existe uma gama de

meios filtrantes, a escolha do meio é fundamental para a eficiência do processo, pois

dependem dele a turbidez, a concentração de sólidos no filtrado, a produtividade do

filtro, o teor de umidade residual da torta e o custo unitário da operação dessa

operação.

No processo de filtragem da Samarco Mineração SA são utilizados filtros de discos

verticais a vácuo, e nestes são colocados como meio filtrante os tecidos. Por muitos

anos tem sido usado um tecido multifilamento de poliamida de baixa gramatura.Com

esse tipo de tecido a vida útil é relativamente baixa, principalmente pela baixa

resistência desses tecidos.

Procurando otimizar o processo de filtragem houve a necessidade de desenvolver

um tecido mais resistente e com maior vida útil, o qual traria maior utilização da

filtragem e consequentemente maior produção. Para que fosse possível encontrar

esse meio filtrante, foi verificada a necessidade de criar previamente a metodologia

para desenvolvimento de tecido filtrante, que é objetivo da presente monografia.

Page 17: Tcc Bianca Revisado Biblio

15

2 OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GERAL

Desenvolver uma metodologia de avaliação de tecido para filtragem de minério de

ferro, a fim de tornar eficiente a escolha deste componente.

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

A fim de propor o uso de um novo tipo de tecido para a filtragem, foi desenvolvida

uma metodologia capaz de avaliar novos tecidos para substituição do atual. Sendo

importante atingir os seguintes objetivos específicos:

Verificar em laboratório os tecidos mais promissores industrialmente, através

de teste de folha, onde dados técnicos como umidade, produtividade e sólidos

no filtrado são avaliados;

Conduzir testes qualitativos na área verificando o dimensional do tecido, a

formação e o desprendimento da torta;

Realizar testes quantitativos que mostrem o tipo de falha predominante,

permitindo o cálculo da vida útil e do seu desempenho técnico industrial.

Page 18: Tcc Bianca Revisado Biblio

16

3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

3.1 PROCESSO DE PREPARAÇÃO DA MATÉRIA-PRIMA PARA ETAPA DE

PELOTIZAÇÃO

Este capítulo contém a revisão da bibliografia relacionada à produção do

concentrado de minério de ferro até o processo da filtragem. Inicialmente foi feita

uma abordagem sobre o processo de tratamento do minério de ferro, seguido das

etapas de transporte da polpa pelo mineroduto e da filtragem. Posteriormente foi

feita uma abordagem sobre as matérias prima, as propriedades e os tipos dos

tecidos utilizados na operação de filtragem.

3.1.1 Tratamento de minério de ferro da Samarco Mineração

O processo produtivo da Samarco Mineração é integrado. Inicia-se na mina com o

planejamento de lavra, segue pelas etapas de britagem, moagem, concentração,

transporte da polpa pelo mineroduto para a unidade de Ubu-ES, nessa unidade

existem as etapas de separação sólido-líquido, de produção de pelotas nos discos

de pelotização, do tratamento térmico no forno de endurecimento, e por fim, as

pelotas são estocadas e embarcadas aos clientes. Cada processo há o controle de

qualidade para verificação do produto que está sendo enviado aos clientes.

Na Figura 1 tem-se o processo de tratamento de minério da usina de concentração 1

da Samarco Mineração S.A. O minério lavrado passa pela britagem e peneiramento

a seco, depois segue para pré-moagem e para as estações de moagem. Na pré-

moagem ocorre a primeira adição de água no processo. Depois das estações de

moagem as espécies minerais encontram-se bem liberadas (tornam-se livres de uma

associação mineral) e no tamanho adequado para o processo de flotação. Porém

antes o produto é deslamado através de hidrociclones. Para uma operação eficaz

desses hidrociclones controla-se o pH da polpa com adição de hidróxido de sódio

(NaOH) para atingir uma boa dispersão de suas espécies constituintes.

É utilizado o processo de flotação para concentrar o teor de ferro no pellet feed

(minério de ferro). Na polpa a ser flotada adiciona-se o amido (depressor das

Page 19: Tcc Bianca Revisado Biblio

17

partículas de minerais de ferro) e amina (coletor das partículas de quartzo), e assim

obtém um concentrado dentro das especificações para os processos seguintes.

Na alimentação dos espessadores é adicionado floculante sintético para aumentar a

taxa de sedimentação das partículas. A polpa transferida para os tanques de

estocagem do mineroduto tem 70% de sólidos (CARVALHO, 2003).

Figura 1 - Fluxo do processo de concentração 1. Fonte: Acervo Samarco Mineração S.A.

3.1.2 Transporte da polpa de minério de ferro pelo mineroduto

A polpa proveniente da unidade de concentração, localizada em Germano - Minas

Gerais, é bombeada através dos minerodutos até a unidade de pelotização,

localizada em Ponta Ubu - Espírito Santo. Os minerodutos atravessam centenas de

propriedades em 24 municípios. Atualmente a Samarco Mineração S.A possui dois

minerodutos que ligam as unidades. Esse sistema de transporte de minério de ferro

é o maior do mundo, com 396 km de extensão. A Figura 2 mostra o perfil do terreno,

por onde passa a tubulação para o transporte de polpa, da cidade de Mariana/MG à

cidade de Anchieta/ES.

Page 20: Tcc Bianca Revisado Biblio

18

Figura 2 - Perfil do terreno do mineroduto. Fonte: Acervo Samarco Mineração S.A.

No transporte da polpa de minério de ferro pelo mineroduto alguns parâmetros

devem ser controlados, sendo um dos principais a reologia da polpa. A reologia é a

ciência que estuda a deformação de um fluido provocado pela aplicação de uma

tensão. Os parâmetros reológicos considerados de grande importância na operação

do mineroduto são: a viscosidade que consiste na resistência ao escoamento, e a

tensão de escoamento, que corresponde à força mínima necessária para iniciar-se o

movimento do fluido (Carvalho, 2003).

Com o intuito de monitorar e avaliar a possível formação de plug (obstrução da

secção transversal do mineroduto por sedimentação), para o caso de ocorrer uma

interrupção no bombeamento, são realizados diariamente os testes de sedimentação

(avaliam o estado de agregação do material por meio da velocidade de

sedimentação, altura do ponto de compressão e o percentual de sólidos no ponto de

compressão), de ângulo de repouso (avaliam o potencial de formação de plug por

meio da sedimentação e escoamento da polpa de minério de ferro) e teste de

penetração (avaliam o estado de compactação da polpa após 24 horas de

sedimentação).

Page 21: Tcc Bianca Revisado Biblio

19

A partir da operação da mina de Alegria 9, observou-se o aumento da ocorrência de

plug nos testes de ângulo de repouso realizados diariamente com o composto do

“batch” (quantidade de polpa de minério de ferro bombeada pelo mineroduto num

determinado período de tempo) ( Carvalho, 2003).

Souza e Sampaio (1998) realizaram estudos para identificar o reagente mais

apropriado para a redução do plug. Testaram reagentes como: a cal, o amido e

floculante sintético, puros e combinados entre eles. Concluíram que a adição de cal

e floculante sintético seria a melhor opção para minimizar a ocorrência de plugs,

uma vez que a dispersão da polpa causada por agitação é reduzida pela ação dos

cátions Ca2+, que agem acelerando o mecanismo de agregação resistindo às

turbulências geradas pela agitação da polpa.

Como o mineroduto é um diferencial competitivo e estratégico para a Samarco

continuar explorando minérios com baixo teor de ferro, o transporte de toda a sua

produção passou a ser feito utilizando a cal hidratada como um recurso

imprescindível para garantir a segurança e continuidade das operações de

bombeamento de polpa.

3.1.3 Separação Sólido-líquido

O objetivo das operações de separação sólido-líquido da Samarco Mineração S.A é

desaguar a polpa que foi transportada pelo mineroduto e adequar a umidade do

pellet feed para o processo subsequente, o pelotamento.

São utilizados floculantes sintéticos, que através dos mecanismos de agregação e

dispersão, aceleram o processo de separação sólido-líquido de espessamento.

A Figura 3 apresenta o fluxograma da Unidade de Pelotização de Ponta Ubu - ES e

a área selecionada é denominada de separação sólido-líquido, onde contêm as

operações unitárias de sedimentação e filtragem.

Page 22: Tcc Bianca Revisado Biblio

20

Figura 3 - Fluxograma representativo do processo de pelotização da Samarco. Fonte: Samarco Mineração S.A.

3.1.3.1 Espessamento

O espessamento é a operação de separação sólido-líquido, baseada na força

gravitacional, objetivando separar uma suspensão de maneira a obter-se um líquido

sobrenadante e uma polpa contendo uma concentração de sólido maior que a

original. Essa etapa é utilizada para:

Aumentar a densidade das polpas visando melhorar a eficiência de operações

subsequentes como, por exemplo, a filtragem;

Clarificar a água para estação de tratamento de efluentes industriais;

Recuperar a água de polpas de concentrados.

Se o objetivo da sedimentação é clarificar o líquido, o processo é chamado de

clarificação. Mas caso a operação visa à obtenção de uma polpa com uma

porcentagem de sólidos mais elevada, o processo é chamado espessamento

(SILVA, 2006).

Page 23: Tcc Bianca Revisado Biblio

21

Existem equipamentos de espessamento que realizam as etapas descritas

anteriormente em apenas um estágio de operação, conforme a Figura 4.

Figura 4 - Esquematização do espessador. Fonte: Acervo Samarco Mineração S.A.

Os espessadores podem ser utilizados para espessamento de suspensões com

menos de 1% até 50% obtendo como produtos polpa espessadas com 10 a 80% de

sólidos. Na Samarco Mineração S.A a polpa obtida tem 75% de sólidos.

Na etapa de separação sólido-líquido o espessamento tem maior preferência para

desaguamento de polpas devido ao seu custo relativamente baixo e sua facilidade

de operação. O espessador é um tanque onde ocorre a sedimentação das partículas

em suspensão. Sua operação pode ser feita tanto em bateladas semi-continuamente

ou continuamente. Para instalações de pequeno porte aplica-se a operação em

batelada. Porém instalações de grande capacidade utilizam os espessadores

contínuos. Nessa situação, o espessador é alimentado continuamente com uma taxa

relativamente baixa para promover o tempo necessário à sedimentação da fase

sólida e a limpeza da fase líquida (OLIVEIRA et. al, 2007).

Geralmente os espessadores são projetados como um tanque cilíndrico, com o

fundo cônico, provido de raspadores cuja função é empurrar os sólidos

sedimentados para o orifício de descarga da fase sólida, localizado no centro do

fundo do espessador. O fluxo principal é radial, sendo o overflow (líquido clarificado,

com pouca quantidade de partículas) descarregado por cima em uma calha

desenhada para esse objetivo.

3.1.3.2 Filtragem

Page 24: Tcc Bianca Revisado Biblio

22

A filtragem consiste num processo de separação sólido-líquido através de um meio

poroso que retém os sólidos permitindo a passagem do líquido. O meio filtrante,

onde o teor de sólidos fica retido, formará um leito empacotado de partículas,

chamado de torta. A torta contém interstício em que o líquido percola por ação da

gravidade ou força motriz (geralmente diferença de pressão entre os lados do

elemento filtrante), e o líquido passante é denominado de filtrado. A Figura 5

exemplifica a etapa de filtragem.

Essa etapa objetiva aumentar o teor de sólidos ou diminuir a umidade do material

para etapas futuras do processo.

Figura 5 - Princípio de filtragem. Fonte: Acervo Samarco Mineração S.A

A filtragem pode ser feita pela pressão hidrostática da suspensão sobre o meio

filtrante (filtragem por gravidade) ou através de uma força externa. Nesse caso as

alternativas são (OLIVEIRA et. al, 2007):

Filtragem a vácuo: é criada uma pressão negativa (sub-atmosférica) abaixo

do meio filtrante;

Filtragem sob pressão: uma pressão positiva é aplicada do lado da torta;

Filtragem centrifuga: utiliza a força centrifuga para forçar a passagem do

líquido;

Filtragem hiperbárica: combina-se vácuo e pressão;

Filtragem capilar: utilizam-se meios cerâmicos como porosos.

Na Samarco Mineração S.A, a operação de filtragem é realizada através de filtros

contínuos a vácuo (pressão sub-atmosférica) em disco tipo vertical como pode ser

observado na Figura 6.

Page 25: Tcc Bianca Revisado Biblio

23

Figura 6 - Filtragem com filtros contínuos a vácuo do tipo vertical.

A Figura 7 esquematiza os componentes dos filtros a vácuo. Esses filtros possuem

um eixo central giratório movido por um motor elétrico de velocidade variável. Ao

redor deste eixo são montadas tubulações interligadas com uma câmara onde é

produzido um vácuo (aproximadamente 600 mm Hg) por meio de bombas de vácuo.

Estes tubos de vácuo possuem encaixes onde são montados segmentos

especificamente desenhados (setores), de material polipropileno resistente à

abrasão. Os segmentos formam assim uma série de discos que giram juntamente

com o eixo central. Os setores montados nos tubos de vácuo ao redor do eixo

central são revestidos com tecido filtrante, Figura 8.

Page 26: Tcc Bianca Revisado Biblio

24

Bicos de Lavagem

Raspador

Setor + meio

filtrante

Tubo de filtrado

Eixo

Central

Figura 7 - Componentes do filtro a vácuo.

Figura 8 - (a) setores. (b) setores com sacos de filtros (tecidos).

Os filtros são montados em cima de bacias que contém a polpa e os setores são

mergulhados durante a rotação do eixo central, Figura 9. Durante o ciclo de uma

rotação formam-se as tortas que ficam retidas no tecido filtrante pela força de vácuo

aplicada quando os segmentos estão submersos na bacia. Ao emergir inicia-se o

ciclo de secagem quando a água é extraída da polpa, ainda por efeito de vácuo,

resultando em uma umidade residual do pellet feed (minério de ferro) produzido.

Pouco antes de um novo ciclo de submersão, cada segmento passa por uma zona

onde é cessado o vácuo e ocorre o desprendimento da torta através de um sopro de

ar comprimido, Figura 10. O pellet feed é então direcionado por meio de canaletas

até correias transportadoras que o levam para o processo subsequente.

Page 27: Tcc Bianca Revisado Biblio

25

Figura 9 - Esquema de funcionamento de um filtro de disco à vácuo.

Fonte: Acervo Samarco Mineração S.A.

Figura 10 - Representação das fases as quais a torta é submetida.

Fonte: Acervo Samarco Mineração S.A.

3.2 TEORIA DA FILTRAGEM

A teoria clássica da filtragem inicia-se a partir do fluxo de líquido que passa pela

torta não compressível, no qual é descrito pela relação empírica chamada de “Lei de

Darcy” que pode ser expressa em termos da razão entre o volume de filtrado e o

produto da área filtrante pelo tempo (SILVA, 2006), conforme equação expressa

abaixo.

∆V/A∆t = (k/ μ).(ΔP/L) (1)

Page 28: Tcc Bianca Revisado Biblio

26

Onde:

ΔV = fluxo do filtrado

L = espessura do meio filtrante + torta

ΔP = diferencial de pressão através da torta e do meio filtrante

k = coeficiente de filtração (permeabilidade do leito)

A = área filtrante

Δt = tempo de fluxo de filtrado

μ = viscosidade do filtrado

A equação mostra que a velocidade de filtragem é proporcional a permeabilidade do

leito (k) e ao diferencial de pressão (ΔP = vácuo). Porém é inversamente

proporcional a espessura da torta (L) no final da filtragem.

A Figura 11 representa o conjunto: meio filtrante e torta submetida a uma diferença

de pressão.

PP

LL

Torta

(meio filtrante)

Torta

(meio filtrante)

Figura 11 - Desenho representativo de um meio filtrante e uma torta. Fonte: Acervo Samarco Mineração S.A

Koseny estudou que a permeabilidade do leito (meio filtrante e torta), para

escoamento laminar e torta não compressível, pode ser expressa por uma equação

que relaciona a área superficial das partículas minerais e porosidade da torta

(SILVA, 2006), da seguinte forma:

k = (1/C). [ 3/s2(1- )2] (2)

Page 29: Tcc Bianca Revisado Biblio

27

Onde:

= índice de vazios no leito;

C = constante que é função da porosidade, forma das partículas, orientação das

partículas no leito e distribuição granulométrica;

s = área superficial das partículas;

k = coeficiente de filtração (permeabilidade do leito);

A constante “k” corresponde à permeabilidade do meio e, consequentemente, é

afetada pela área superficial das partículas. A Figura 12 mostra a influência da área

superficial no coeficiente de permeabilidade do meio. Nota-se que quanto maior a

área superficial, menor a permeabilidade do meio filtrante (ARAUJO, 2009).

Figura 12 - Influência da área superficial no coeficiente de permeabilidade Fonte: Acervo Samarco Mineração S.A.

Assim, agrupando as equações 1 e 2, teremos:

∆V/A∆t = (1/Cμs2). [ 3/ (1- )2].(ΔP/L) (3)

Como a definição de velocidade de filtragem é o volume de filtrado que atravessa a

tela por unidade de tempo, a teoria clássica demonstra que a velocidade de filtragem

Page 30: Tcc Bianca Revisado Biblio

28

é inversamente proporcional ao quadrado da área superficial das partículas, à

viscosidade do filtrado, entre outros parâmetros.

Também existem outros fatores que afetam a velocidade de filtragem como:

Ciclo de filtragem – ciclos curtos acarretam produção de tortas pouco

espessas, porém com umidade alta;

Aumento da temperatura da polpa favorece a filtragem, uma vez que diminui a

viscosidade do filtrado;

Teores mais altos de sólidos na polpa tende a favorecer, pois apresentam

menor quantidade de água;

Partículas de distribuição granulométrica grossa forma tortas de maior

espessura e consequentemente maiores interstícios, assim facilita a

passagem da fase liquida.

Quanto à resistência da torta, essa depende da sua permeabilidade, a qual em

última análise depende de sua porosidade, e dependente tanto da sua distribuição

granulométrica quanto do aspecto morfológico das partículas constituintes da fase

sólidas que se empacotam para a constituição da torta. Sendo assim, a resistência à

percolação do fluido pela torta dependerá da característica do processo e de seu

estado de agregação, pois este mostrará o modo de empacotamento das partículas

sólidas.

3.3 MEIO FILTRANTE

Segundo RUSHTON et., al (2000) e PURCHAS et. al (2002) o meio filtrante é

qualquer material que, nas condições de operação do filtro, é

permeável a um ou mais componentes de uma solução, ou suspensão, e

impermeável aos componentes restantes.

Para AMARANTE (2002) os meios filtrantes são responsáveis pela retenção do

sólido juntamente com a passagem do líquido. Esses meios devem satisfazer a duas

condições básicas: promover baixa concentração de sólidos no filtrado e mínima

resistência ao fluxo, permitindo a obtenção de baixas umidades finais com elevadas

taxas unitárias de filtragem. Além disso, não deve ter tendência ao bloqueio

progressivo para obter boas características de descarga, limpeza e boa resistência

mecânica, química e biológica.

Page 31: Tcc Bianca Revisado Biblio

29

Na escolha de um meio filtrante de sucesso é necessário combinar diversas

propriedades, que vão desde as suas características de filtração, sua resistência

química, resistência mecânica e sua molhabilidade.

Essas propriedades são divididas em 3 grandes áreas e na Tabela 1 é detalhada

cada grande área.

Características do meio filtrante com a máquina: restringem o uso do meio

filtrante para tipos específicos de filtro, tais como a sua rigidez;

Característica do meio filtrante com o tipo de aplicação: controlam a

compatibilidade do meio com o ambiente de processo, tais como sua

composição química e estabilidade térmica;

Característica do meio filtrante com o processo de filtragem: determinam a

capacidade do meio para realizar uma tarefa de filtragem específica, como a

sua eficiência na retenção de partículas de um tamanho definido, a resistência

ao fluxo.

Tabela 1 - Detalhamento das três categorias.

Características do meio

filtrante com a máquina

Característica do meio filtrante

com o tipo de aplicação

Característica do meio filtrante

com o processo de filtragem

Rigidez Estabilidade química Menor partícula retida

Força Estabilidade térmica Eficiência de retenção

Resistência à fluência Capacidade biologica Estrutura do meio filtrante

Estabilidade de arestas Estabilidade dinâmica Forma de partículas

Resistência à abrasão Características de absorção Mecanismos de filtração

Estabilidade à vibração Características de adsorção Resistência ao fluxo

Dimensões disponível Molhabilidade Porosidade do meio

Capacidade de ser fabricado Saúde e aspectos de segurança Permeabilidade

Função de vedação Características eletrostática Capacidade de retenção

Descartabilidade Tendência para cegamento

Adequação para reutilização Descarga características da torta

Custo

Na indústria mineral o elemento filtrante mais utilizado é o tecido, sua produção

ocorre a partir de fibras ou filamentos de materiais naturais ou sintéticos, no qual são

entrelaçados por um conjunto de fios de dispostos na direção transversal ou vertical

(urdume) e outro conjunto de fios de dispostos na direção longitudinal (trama),

formando ângulo de 90° (SILVA, 2006).

Page 32: Tcc Bianca Revisado Biblio

30

A eficiência do meio filtrante é afetada por diferentes características do material e do

meio. Nas seções a seguir serão discutidas as características do tecido que afeta o

processo.

3.3.1 Retenção eficiente verso tamanho da partícula

A Figura 13 mostra duas curvas típicas de grau de eficiência da filtração de um fluido

hidráulico contendo óxido de ferro: verifica-se como a eficiência da retenção de um

meio filtrante diminui à medida que o tamanho das partículas diminui. Os dois meios

filtrantes podem apresentar eficiência de 100%, e isso dependerá do tamanho das

partículas a serem filtradas (PURCHAS et. al, 2002).

Figura 13 - Curvas típicas de grau de eficiência da filtração de um fluido hidráulico contendo óxido de ferro. Fonte: PURCHAS et al, 2002.

É importante notar que qualquer curva de grau de eficiência é estritamente válida

somente para as condições de teste em que foi gerado. Esta restrição não se aplica

apenas a fatores como a natureza e a concentração das partículas sólidas, mas

também para as propriedades do líquido (por exemplo, a sua viscosidade, pH, etc.) e

a velocidade de filtração (ou seja, a taxa de fluxo por unidade de área). Os principais

parâmetros que afetam a eficiência de retenção, e, portanto, o desempenho de

filtração são: a estrutura do meio, a forma das partículas, e o mecanismo de

filtragem.

Page 33: Tcc Bianca Revisado Biblio

31

3.3.1.1 Estrutura do meio

Na definição de meio filtrante alguns aspectos ficam implícitos, dentre eles a

presença de uma massa de orifícios separados uns dos outros por algum tipo de

parede sólida, e que também está implícito que o meio tem uma espessura finita. A

partir desses fatores diversas variações são possiveis, que, individualmente ou em

combinação podem afetar significativamente as características de filtragem. São elas

o tamanho e a forma transversal de seus orificios, sua morfologia dentro da

espessura do meio (ou seja, se eles estão em linha reta ou não, e se eles variam de

tamanho e forma dentro do meio), o número de orificios por unidade de área, e as

uniformidades de cada um desses fatores. As características de um meio filtrante

dependem, na prática, em parte, das propriedades intrínsecas do material de que é

feito e das técnicas de fabricação (PURCHAS et. al, 2002).

3.3.1.2 Forma das partículas

Na prática o tamanho das partículas é considerado esférico, mas, em geral, as

partículas são mais propensas a ser qualquer formato que não seja esférica, que vão

desde placas e blocos deformados às agulhas.

3.3.1.3 Mecanismo de filtragem

Tipos de mecanismos básicos para que uma partícula fique retida no meio filtrante e

o fluido seja removido:

Esforço por superfície: se o tamanho da partícula é maior do que os poros do

meio filtrante, ela permanece lá até que seja removido. Caso as partículas sejam

menores em tamanho do que os poros, a mesma passará pelo meio, Figura 14. Este

é o principal mecanismo de operação para tecidos de malha de monofilamento

simples.

Page 34: Tcc Bianca Revisado Biblio

32

Figura 14 - Filtração de esforço de superficie.

Esforço por profundidade: Os meios são relativamente espessos em

comparação com os diâmetros dos poros e as partículas percorrem longos caminhos

até atingir poros de menor diâmentro e assim ficarem retidas, Figura 15. Esse

mecanismo é aplicado ao feltro.

Figura 15 - Filtração de esforço de profundidade.

Filtração por profundidade: Uma partícula pode também ser preso na

profundidade do meio, embora seja menor em diâmetro do que os poros naquele

ponto, Figura 16. Tal comportamento envolve mecanismos físicos complexos.

Primeiramente as partículas são colocadas em contato com a parede dos poros (ou

muito perto disso), por inércia ou forças hidráulicas, ou por movimento Browniano

(molecular). Tornam-se então aderidas à parede dos poros, ou por outra partícula

por meio de forças van der Waals (PURCHAS et. al, 2002 ; SUTHERLAN, 2008). A

magnitude e eficiência dessa força pode ser afetada por mudanças de concentração

de íons e espécies em uma solução aquosa, ou teor de umidade de um gás. Este

Page 35: Tcc Bianca Revisado Biblio

33

mecanismo é importante para a maioria dos meios filtrantes, mas especialmente

para o ar de filtros de alta eficiência (PURCHAS et. al, 2002 ; SUTHERLAN, 2008).

Figura 16 - Filtração por profundidade.

Filtração por torta: Uma espessa camada de partículas (torta) se acumula no

superfície do meio, e depois atua como meio filtrante para posterior filtração. A

filtração por torta pode ocorrer mesmo quando as partículas são menores que os

poros (até mesmo para cerca de um oitavo do diâmetro dos poros), especialmente

se a concentração de sólidos é relativamente alta (digamos superior a 2% em peso

em um líquido). Ocorre a formação de pontes de partículas através da entrada de

um poro, conforme a Figura 17 (PURCHAS et. al, 2002; SUTHERLAN, 2008).

Figura 17 - Filtração por torta.

Qualquer processo de filtração real envolverá uma combinação de dois ou mais dos

mecanismos acima. O mecanismo real ou combinação de mecanismos relativos é

dependente das características tanto do meio e da suspensão a ser filtrada. É

importante perceber que o fluido a ser tratado pode ter uma influência significativa.

Por exemplo, enquanto um meio filtrante de metal fino sinterizado irá remover

Page 36: Tcc Bianca Revisado Biblio

34

partículas tão pequenas da ordem de 0,4 µm de um gás em um curto intervalo de

tempo, o mesmo metal sinterizado, quando usado para filtrar líquido, não será

eficiente em menos que duas horas (PURCHAS, 2002). Diferenças no desempenho

também ocorrem entre líquidos aquosos e orgânicos, presumivelmente por causa de

suas diferentes propriedades elétricas, que influenciam na acumulação de cargas

estáticas. Também há diferença no mecanismo entre tecidos, ou seja, um tecido

novo, ou tecido recém-limpo, vai inicialmente permitir que algumas partículas

atravessem, seja usado para filtrar um gás ou uma líquido. A qualidade do filtrado,

então, melhora progressivamente, pois as características do tecido são alteradas por

algumas das partículas sólidas que incorporam entre e dentro dos fios individuais.

3.3.2 Resistência do fluido

A resistência ao fluxo de um meio filtrante depende do tamanho dos poros

individuais e do número de poros por unidade de área. Na prática, os poros

respondem por apenas uma parte relativamente pequena da superfície, a proporção

exata depende das propriedades do material a partir do qual o meio filtrante é feito e

do processo de fabricação adotado. Diferença muito grande na resistência ao fluxo

existem entre os diversos meios disponíveis.

A resistência ao fluxo é de grande importância em aplicações industriais, uma vez

que afeta o capital e o custo de funcionamento, sendo necessário um cuidado com a

seleção do meio filtrante de acordo com o objetivo.

A resistência real do fluxo de um fluido através do meio filtrante limpo é a

combinação da porosidade do material do meio (ou seja, a estrutura física dos poros

e do material de circundante) e a permeabilidade do meio para fluido apropriado (ou

seja, facilidade que o fluido atravessa o material).

3.3.2.1 Porosidade do meio

Para alguns tipos de meios filtrantes, é possível medir diretamente as áreas relativas

da superfície livre e a obstruída. Porém essa forma não mostra a resistência real

para fluxo, sendo um modo simples e conveniente de comparação.

Page 37: Tcc Bianca Revisado Biblio

35

A porosidade dos metais sinterizados, cerâmicas é largamente afetada pela as

variações na distribuição do tamanho, forma e tamanho das partículas utilizadas no

processo de fabricação.

Plásticos porosos feitos por pós de sinterização têm porosidades semelhantes

sinterização de pós metálicos e cerâmicos. Membranas poliméricas, que são feitas

por processos muito diferentes, têm porosidades muito elevados de cerca de 80%.

3.3.2.2 Permeabilidade

A permeabilidade de um meio filtrante, é uma medida de capacidade de filtração, é

determinada experimentalmente, geralmente observando-se a taxa do fluxo de um

fluido sob um diferencial de pressão definido. Antigamente havia uma imensa

variedade de expressões utilizada para a permeabilidade do meio filtrante, mas

agora são geralmente expressos em duas formas principais (PURCHAS et. al,

2002). A forma mais comum, apropriada para chapas, onde a espessura é

constante, caracteriza em termos de taxa de fluxo de um fluido especificado por

unidade de área. Outra forma, porém menos aplicada, caracteriza-se um meio por

seu coeficiente de permeabilidade.

Ar e água são os dois fluidos mais amplamente utilizados na avaliação de

permeabilidade, embora em alguns casos, os óleos sejam usados. As técnicas

empregadas, e, portanto, os dados gerados, variam a partir de uma taxa fixa de fluxo

e o diferencial pressão, Equação 4.

P/L = Qµ/AKp (4)

Onde:

A = área (m2);

Q = taxa volumétrica do fluxo (m3/s);

P = diferencial de pressão (Pa);

L = profundidade ou espessura do meio (m);

µ = viscosidade cinética (Ns/m2);

Kp = coeficiente de permeabilidade (Darcy);

Page 38: Tcc Bianca Revisado Biblio

36

Kp é freqüentemente relatada em unidades nomeadamente darcy, onde a

viscosidade é definida em centipoises, a pressão diferencial em atmosferas e os

demais parâmetros em centímetros e segundos, de modo que:

1 darcy = 1(cm3/cm2/s). 1 (centipoise/1(atmosfera/cm) (5)

Para indústria têxtil a forma mais comum para a expressão de permeabilidade

desconsidera a espessura do meio, de modo que a permeabilidade é empiricamente

quantificada pelo volume de ar por unidade de área por tempo, sob uma pressão

diferencial definida (OGULATA, 2006).

3.3.3 Tendência ao cegamento

A torta aderida ao meio filtrante deve ser desprendida ao final de cada ciclo de

filtragem, porém é importante que os sólidos residuais encontrados na estrutura do

tecido sejam removidos por um sistema de limpeza adequado. Quando há falha na

limpeza do tecido, pode causar um cegamento, isto é, o tecido perde o poder de

formação e desprendimento da torta devido à alta resistencia ao fluxo.

Para um tecido com menor probabilidade de cegar, é provável que o filtrado

apresente menor quantidade de sólidos (PURCHAS et. al, 2002; SUTHERLAN,

2008).

Segundo Orr (1977) esta análise aponta não ser correta, já que ignora a separação

de fluxo, com parte passando através dos fios (inter-fibra) e parte em torno deles

(inter-fio). Se a proporção anterior for alta, as partículas sólidas são mais propensas

a serem transportadas para o interior dos respectivos fios e depositadas firmemente,

consequentemente, resistindo na remoção via processos como a lavagem, e

aumentando a probabilidade de cegar.

Orr (1977) relata que, para tecidos de monofilamento, a resistência do tecido usado,

pode ser mais elevada do que aquele para um tecido limpo, dependendo da relação

entre o diâmetro da partícula, com as dimensões do poro e as fibras do tecido de

monofilamento estudados.

3.4 TECIDOS

Page 39: Tcc Bianca Revisado Biblio

37

3.4.1 Fibra Têxtil

Fibra têxtil é todo elemento de origem artificial ou natural, constituído de

macromoléculas lineares, que apresente alta proporção entre seu comprimento e

diâmetro e cujas características de flexibilidade, suavidade e conforto ao uso, tornem

tal elemento apto às aplicações têxteis. Isto é, todo e qualquer elemento encontrado

na natureza e/ou adaptado pelo homem que possa gerar fios (PURCHAS et al,

2002). O quadro 1 mostra a origem de fibras têxtil.

Origem Tipo Exemplo

Vegetal Algodão, linho, celulose

Animal Seda lã, pele, cabelo

Recurso

natural

Vidro, cerâmica, carbono,

metal, celulose

Sintética Polímeros termoplásticos

Natural

Artificial

Quadro 1 - Origem das Fibras.

Os materiais artificiais podem apresentar fibras de comprimento variado, ou

filamentos contínuos. As fibras artificiais e os filamentos são formados

principalmente por processo de extrusão a partir do estado fundido, de modo que

seus diâmetros existam em uma ampla gama, desde muito maiores do que os de

produtos naturais e também mais finos.

As fibras sintéticas mais aplicadas em tecidos técnicos são a poliéster, poliamida

(Nylon) e polipropileno.

Cada tipo de fibra apresenta características específicas, assim restringindo o uso em

determinado processo. A Tabela 2 mostra as características técnicas de cada uma.

Page 40: Tcc Bianca Revisado Biblio

38

Tabela 2 - Características das fibras sintéticas mais comuns (AIR SLAID, 2011).

Características Nylon Poliester Polipropileno

Resistência a temperatura 120ºC 150ºC 90ºC

Resistência a intempéries Regular Excelente Fraca

Resistncia a abrasão Boa Excelente Regular

Resistência química: ácidos Fraca Boa Excelente

Resistência química: alcális Excelente Regular Excelente

Resistência química: sais inorgânicos Fraca Boa Excelente

Resistência química: agentes oxidantess Fraca Regular Boa

3.4.2. Tipos e propriedades dos fios

Na produção de tecidos são utilizados 3 tipos básicos de fios, são eles: as fibras

curtas, como exemplo lã, algodão, fiadas em conjunto dando fios com um grande

números de pontas; os monofilamentos, que são constituídos por filamentos

contínuos de fibras sintéticas; os multifilamentos, que compreende um feixe de

filamentos contínuos idênticos que pode ou não ser torcido, Figura 18. Existem

diferenças entre esse tipos de fios, e isso implica diretamente nas caracteristicas da

filtragem de qualquer tecido a partir deles. Por exemplo, os fios de multifilamentos

oferecem capacidade de filtração não só entre os fios adjacentes, mas também

dentro do próprio fio.

Figura 18 - Desenho esquemático dos tipos de fios.

A Tabela 3 mostra o efeito do tipo de fio (monofilamento, multifilamento e fibra curta)

na característica de desempenho da filtração. A Tabela 4 mostra os efeitos na

filtração levando em conta três parâmetros do fio: diâmetro, grau de torção e

multiplicidade de filamentos (PURCHAS et al, 2002).

Page 41: Tcc Bianca Revisado Biblio

39

Tabela 3 - Efeito do tipo de fio no desempenho do tecido filtrante (melhor=1) (PURCHAS et al, 2002).

1 2 3

Máxima filtração Fibra Multifilamento Monofilamento

Mínima resistência ao

fluxoMonofilamento Multifilamento Fibra

Mínima umidade na torta Monofilamento Multifilamento Fibra

Fácil desprendimento da

tortaMonofilamento Multifilamento Fibra

Máxima vida do tecido Fibra Multifilamento Monofilamento

Mínima tendência ao

cegamentoMonofilamento Multifilamento Fibra

Ordem de preferênciaCaracterística

Tabela 4 - Efeito dos diversos parâmetros do fio no desempenho do tecido filtrante. (melhor=1) (PURCHAS et al, 2002).

1 2 3 1 2 3 1 2 3

Máxima filtração G M P B M A A M B

Mínima resistência ao

fluxoP M G A M B B M A

Mínima umidade na torta P M G A M B B M A

Fácil desprendimento da

tortaP M G A M B A M B

Máxima vida do tecido G M P M B A M A B

Mínima tendência ao

cegamentoP M G A M B B M A

Parâmetros da estrutura

Diâmetro do fio Torção/cm Fibras/fioCaracterística

(G=grande; M=médio; P=pequeno; B=baixo; A=alto).

3.4.2.1 Fibras curtas

Os primeiros fios a serem utilizados em tecidos de filtros eram fabricados a partir das

fibras curtas, estes eram produzidos a partir de fibras naturais. Mesmo com a criação

de fibras sintéticas, as fibras curtas foram as primeiras a serem empregadas na

filtragem industrial em larga escala.

Para a preparação desses fios, as fibras naturais devem ser limpas para a remoção

de corpos estranhos. As fibras naturais, após a limpeza, e a fibras artifícias após o

Page 42: Tcc Bianca Revisado Biblio

40

corte ao comprimeto adequado, devem ser alinhadas por meio de uma matriz de

pontos, que separa as fibras individuais, e coloca-as em paralelo, como uma fina

folha de espessura uniforme. Esta folha é, então, elaborada em conjunto para

produzir uma tira de espessura contínua e sem torção. Antes do alinhamento, as

fibras podem ser misturadas entre os diferentes lotes de material, geralmente, para

garantir a produção de fios uniformes.

Um processo adicional é aplicado ao alinhamento das fibras. Este processo

remove as fibras curtas, e produz uma tira de fibras longas, deixando-as em paralelo

e tornando mais suave e mais brilhante. Quando se aplica esse processo, o fio se

torna mais resistente, devido ao seu alinhamento. Essas tiras são então

processadas em máquinas de fiação, que as esticam e as torcem para o grau

necessário, tanto para manter as fibras em conjunto, quanto para dar a força

necessária para os fios. A direção de torção pode resultar tanto em S ou Z, com uma

inclinação crescente com o aperto da torção. Quanto maior o grau de torção mais

forte o fio, porém menor o fluxo pelo tecido (PURCHAS et al, 2002; RUSHTON et al,

1977).

A principal diferença entre fibras curtas e os demais fios é o defeito no tecido de

fibras curtas caracterizadas por uma superfície de pêlos devido as fibras quebradas

ou filamentos. Isto pode ser facilmente visualizado na Figura 19. Essa diferença gera

maior dificuldade na remoção de uma torta de filtro de um tecido feito fibras curtas

do que com tecidos feitos a partir de seda ou poliméricos multifalamentos. Os

processos de fiação usados para fazer fios de fibra curta são desenvolvidos a partir

a fiação de algodão (com fibras relativamente curtas, proximas de 40 ou 50 mm), ou

a fiação de lã (com fibras muito mais longas, cerca de 2 a 3 vezes o comprimento de

algodão, e muito mais crespo). Fibras sintéticas são cortadas a partir da filamentos

extrudados de polímero para atender qualquer desses dois sistemas (PURCHAS et

al, 2002).

Page 43: Tcc Bianca Revisado Biblio

41

Figura 19 - Tecido constituído por fibra curta. Fonte: PURCHAS et al, 2002.

3.4.2.2 Fios de monofilamentos

São constituídos por um filamento contínuo de polímeros fundidos extrudados

através de uma fieira, para obter o diâmetro e a forma transversal necessária ao

filamento. Depois de deixar a fieira, o filamento é passado por uma série de rolos,

que melhoram a alinhamento das moléculas do polímero, e também a resistência à

tração.

Apesar de apresentarem uma variedade de formas transversais, os tecidos de

monofilamento quase sempre empregam filamentos de seção transversal cilíndrica,

e diâmetros variando de 0,1 a 0,3 milímetros, mas ocasionalmente até 0,8 mm

(PURCHAS et al, 2002).

O método de fabricação Filterlink Madison foi desenvolvido inicialmente para

máquinas de fabricação de papel, porém foi interessante aplica-lá em tecidos de

monofilamento. Espirais pré-formados de monofilamentos, que seguem na direção

do urdume, são emaranhados e ligados entre si por uma série de monofilamentos

retos na direção da trama, Figura 20. As espirais puxam os filamentos em linha reta

durante um processo de aquecimento, que impõe uma forte proteção e bloqueia

efetivamente a estrutura, como é mostrado na Figura 21. (PURCHAS et al, 2002).

O acondicionamento apertado dos espirais resulta em uma excepcional estabilidade,

dando uma excelente resistência ao tecido para se curvar e distorcer. Os filamentos

tem diâmentros relativamente grandes estando na faixa de 0,6-0,9 milímetros.

Page 44: Tcc Bianca Revisado Biblio

42

Urdume

Trama

Figura 20 - Tecido de monofilamento pelo processo Filterlink Madison. Fonte: PURCHAS et al, 2002.

Figura 21 - Bloqueio dos fios da estrutura formada pelo processo Filterlink Madison. Fonte: PURCHAS et al, 2002.

3.4.2.3 Fios de multifilamentos

Sua fabricação inicial é similar aos fios de monofilamentos, exceto pela fieira ter uma

multiplicidade de orifícios mais finos, de modo a produzir simultaneamente, um

número correspondente de filamentos finos, de cerca de 0,03 mm de diâmetro.

Nesse momento não há preocupação com a força do filamento individual, pois o

feixe é imediatamente compactado, e depois é torcido para um pré-montante (que é

expressa em termos de voltas / cm). A torção não só fortalece os fios, tornando-os

mais rígidos, mas também ajuda a protegê-lo da abrasão, tanto durante a tecelagem

quanto para o uso posterior (PURCHAS et al, 2002).

O nível de torção também é importante no que diz respeito às características da

filtração do tecido final, pois determina a proporção do fluxo de líquido que passará

dentro dos fios, em comparação com o fluxo entre os fios adjacentes. Com um fio

muito bem torcido, pouco ou nenhum fluxo passará por ele. Além disso, se o nível de

Page 45: Tcc Bianca Revisado Biblio

43

torção dos fios for baixo, a quantidade de fluxo aumenta entre os fios e, as

partículas irão se incorporar dentro do fio, tornando a limpeza mais difícil, e

aumentando as chances ao cegamento.

3.4.3 Tipos de Tecidos

O tecido é produzido pelo entrelaçamento de um conjunto de fios de urdume e outro

conjunto de fios de trama, no qual formam ângulos de 90°. O urdume é um conjunto

de fios dispostos na direção transversal ou vertical e a trama consiste no conjunto de

fios dispostos na direção longitudinal. A essa etapa da produção dos tecidos é

chamada de tecelagem (SUTHERLAN, 2008).

Com a escolha da fibra e do tipo de fio inicia-se a produção do tecido através da

fabricação do urdume. Os fios são carregados um a um para serem enrolados no

cilindro (urdideira) proporcionalmente a largura em que se deseja obter. Desse

cilindro os fios são enrolados para um grande carretel que recebe o nome de urdume

e que será carregado na parte de trás do tear. O número de fios dispostos nesse

cilindro também será proporcional à abertura dos poros do tecido.

Após a formação do urdume são colocados fios transversais que irão entrelaçar e

fixar os fios do sentido logitudinal. Esse fio trabalha indo e voltando, percorrendo

toda a largura da peça. Essa etapa chama-se trama. Nessa etapa o que determina

tecer um tecido mais aberto ou mais fechado é o número de batidas que se coloca

na area pré-determinada (PURCHAS et al, 2002).

Ao relacionar o número de fios, o número de batidas e a maneira de entrelaçar, será

obtido desenhos de tecidos diferentes, conhecidos como contextura.

Na etapa de filtragem de uma indústria mineral as contexturas mais aplicadas são:

tela (plain), sarjas (twill) e cetim (satin).

Nos diagramas de Figura 22, as urdiduras são numeradas 1, 2, 3, etc, e as tramas

são identificadas com letras a, b, c, etc.

Page 46: Tcc Bianca Revisado Biblio

44

Figura 22 - Tipos de contextura. Fonte: PURCHAS et al, 2002.

Na contextura tipo tela, o fio de trama passa por baixo do fio urdume e depois por

cima, e assim sucessivamente. A contextura simples pode gerar tecidos mais

apertados e mais rígidos, consequentemente com maior eficiência de filtração

(SUTHERLAN, 2008).

Contextura tipo sarja é caracterizada por um forte padrão diagonal. Elas são

formadas pela passagem do fio de trama por mais de dois fios do urdume de cada

vez. O fio de trama passa por cima de dois fios do urdume e depois passa por baixo

de mais dois. A característica essencial de uma sarja é a sua regularidade, levando

à sua diagonal padrão. Em uma sarja, mais segmentos da trama podem ser

empacotados para o tecido por unidade de comprimento, gerando tecido mais

grosso. Comparando a uma contextura simples com os mesmos fios, tecidos de

sarja são mais flexíveis e, portanto, mais fáceis de se colocar no filtro.

Contextura tipo cetim tem maiores espaçamentos entre os pontos de

entrelaçamento. Cetim não tem a regularidade da contextura tipo sarja, e o resultado

é uma aparência irregular. A maioria dos tecidos de contextura cetim são feitos a

partir de fios levemente torcidos, aumentando assim os efeitos visuais. Tecidos com

essa contextura são mais flexíveis do que os outros dois tipos, isso porque há uma

maior facilidade dos fios movimentarem, reduzindo a probabilidade das partículas

ficarem presas na estrutura.

Page 47: Tcc Bianca Revisado Biblio

45

Na Tabela 5 é mostrado o efeito do tipo de contextura no desempenho da filtragem.

Tabela 5 - Efeito da contextura sobre a filtragem (PURCHAS et al, 2002).

Máxima filtraçãoMínima resistencia ao

escoamento

Umidade mínima da

torta

Facilidade de

descarga da tortaMáxima vida da tela

Mínima tendência a

cegar

Tela Cetim Cetim Cetim Sarja Cetim

Sarja Sarja Sarja Sarja Tela Sarja

Cetim Tela Tela Tela Cetim Tela

3.5 POLIAMIDA (NYLON)

Poliamidas (PAs) ou Nylon são polímeros no qual as unidades repetitivas

(monômero) possuem o grupo amida (-NH-COOH).

As poliamidas, que são semicristalinas, constituem uma classe de polímeros muito

atraentes para aplicações de engenharia devido à combinação de propriedades tais

como: boa resistência química e a abrasão, elevada resistência à tensão e a flexão,

estabilidade dimensional e fácil processamento. Entretanto, elas são sensíveis ao

entalhe, por apresentarem alta resistência à iniciação de trinca, isto é, são dúcteis

quando não entalhadas, mas fraturam de maneira frágil quando entalhadas. Além

disso, devido ao seu caráter hidrofílico algumas propriedades como estabilidade

dimensional, densidade, resistência mecânica variam de acordo com a umidade

(FACTORI , 2009).

Existem vários tipos de poliamidas, sendo as duas principais poliamidas comerciais:

a poli (hexametileno adipamida) - de nome comercial Nylon 66 (ou Nylon 6,6) - e a

policaprolactama, ou Nylon 6. Apresentam estrutura linear e conformação zigue-

zague com pontes de hidrogênio entre os grupos funcionais (KAUFFMAN et al,

1988).

Os números contidos nos nomes dos polímeros indicam quantos átomos de carbono

há em cada unidade repetitiva, conforme mostrado na Figura 23. Deve ser notado

que no Nylon 6,6 há dois tipos distintos de unidades repetitivas, cada uma com 6

átomos de carbono.

Page 48: Tcc Bianca Revisado Biblio

46

Figura 23 - a) estrutura do Nylon 6. b) estrutura do Nylon 6,6. Fonte: FACTORI , 2009.

Algumas propriedades do nylon estão associadas à existência de ligações de

hidrogênio, as quais determinam as interações existentes entre as várias cadeias

que estejam em um mesmo plano ou em planos diferentes. O número de átomos de

presentes na unidade de repetição determinam as diversas formas cristalinas

apresentadas pelas poliamidas. Sendo as formas cristalinas mais relevantes à forma

α, β e γ. A Figura 24 mostra a representação das formas α e γ. (SILVA, 2006).

Na forma α as ligações de hidrogênio estão em planos ou folhas perpendiculares às

lamelas. Como as ligações estão deslocadas umas em relação às outras, as

ligações de hidrogênio estão em planos inclinados em relação aos planos das

lamelas, formando um zigue-zague. A difração de raios-X mostra dois picos

correspondendo às distâncias interplanares de aproximadamente 4,4 Ǻ e 3,8 Ǻ. É

uma forma cristalina estável (SILVA, 2006).

A forma β é idêntica à α, exceto pelo fato de que o deslocamento da lamela acima é

oposto ao da lamela de baixo, resultando em um plano de ligações de hidrogênio,

aproximadamente perpendicular à direção da cadeia. Também é uma forma

cristalina estável (SILVA, 2006).

Na forma γ ou pseudo-hexagonal o espaçamento entre as cadeias é de

aproximadamente 4,1Ǻ e as ligações de hidrogênio são estabelecidas entre cadeias

de folhas diferentes, ao contrário do que ocorre na forma α (SILVA, 2006).

Page 49: Tcc Bianca Revisado Biblio

47

Figura 24 - Formas cristalinas da poliamida.

Fonte: FACTORI, 2009.

A primeira produção da poliamida 6 ocorreu a partir do aquecimento do ácido ɛ-

aminocaproico e a eliminação da água entre as moléculas de natureza idênticas,

Figura 25. Mais tarde foi descoberto que era possível obter o mesmo produto a partir

da abertura do anel e polimerização do monômero caprolactama, Figura 26.

Figura 25 - Obtenção da poliamida 6 a partir do ácido ɛ-aminocaproico.

Fonte: FACTORI, 2009.

Figura 26 - Obtenção da poliamida 6 a partir da caprolactama.

Fonte: FACTORI, 2009.

A poliamida 6.6 é preparada a partir da reação de dois tipos de monômeros. Ácido

adípico HOOC - (CH2)4 – COOH e o hexametilenodiamina (HMDA) H2N - (CH2)6 -

Page 50: Tcc Bianca Revisado Biblio

48

NH2, Figura 27. Ambos os produtos se obtém por sínteses de processos

petroquímicos, a partir de fenol ou de adiponitrila.

Os processos tradicionais caracterizam-se por serem descontínuos. A reação se

realiza em duas etapas, sendo a primeira de produção de Sal N por condensação de

ambos monômeros em forma equimolecular e a retirada de água no evaporador.

Depois o Sal N é enviado ao polimerizador que elimina a água formada pela

condensação das moléculas de Sal N, formando o polímero de poliamida 66.

Figura 27 - Obtenção da poliamida 6.6. Fonte: FACTORI, 2009.

3.6 VIDA ÚTIL (CONFIABILIDADE)

De acordo com Smith (1976) confiabilidade é medida da capacidade de um

componente do equipamento operar sem falha quando colocada em serviço. Em

outras palavras, a confiabilidade é a probabilidade de um produto ou serviço operar

adequadamente e sem falhas sob as condições de projeto, durante um tempo

especificado, a vida de projeto.

De acordo com Villemeur (1992), uma falha é o término de um componente executar

sua função requerida, ou seja, será considerada falha da peça ou equipamento

quando este não for mais capaz de executar suas funções.

3.6.1 Weibull

A distribuição de Weibull é uma das mais utilizadas nos cálculos de confiabilidade e

estimativa de tempo de vida, pois através de uma adequada escolha dos seus

parâmetros, diversos comportamentos de taxa de falha podem ser modelados,

Page 51: Tcc Bianca Revisado Biblio

49

inclusive o caso especial de taxa de falha constante (LEWIS, 1996). Segundo Lewis

(1996), ela pode ser formulada com dois ou três parâmetros, mas neste trabalho

apenas a função com dois parâmetros foi aplicada.

Dependendo dos valores dos parâmetros, a distribuição Weibull pode ser usada

para modelar uma variedade de comportamentos que envolva vida útil. Um aspecto

importante da distribuição Weibull é como os valores do parâmetro de forma (β) e de

escala (η) afetam a características da distribuição, como a forma da curva da função

de probabilidade, da confiabilidade e da taxa de falhas.

Uma distribuição é definida matematicamente por sua equação de função de

densidade de probabilidade (f.d.p.), equação 6.

f(T) = β/η(T/η)β-1 e -(T/η)β (6)

Onde:

T é o tempo;

β é o parâmetro de forma, conhecido também como inclinação da distribuição

Weibull;

η é o parâmetro de escala.

3.6.1.1 Parâmetro de Forma (β)

O parâmetro de forma, β, da distribuição Weibull é conhecido também como a

inclinação da distribuição Weibull. Isto, porque o valor de β é igual à inclinação da

linha em um gráfico de probabilidade. Os diferentes valores do parâmetro de forma

podem indicar efeitos no comportamento da distribuição. De fato, alguns valores do

parâmetro de forma farão com que as equações da distribuição reduzam-se a outras

distribuições. O parâmetro β é um número puro, isto é, adimensional.

Outra característica da distribuição onde o valor de β tem um efeito distinto é a taxa

de falha. Este é um dos aspectos mais importantes do efeito de β na distribuição

Weibull. Quando β<1 ocorre uma taxa de falha que diminui com tempo, conhecida

também como falha infantil ou prematura. As distribuições de Weibull com o β

Page 52: Tcc Bianca Revisado Biblio

50

próximo ou igual a 1 têm uma taxa de falha razoavelmente constante, indicando a

vida útil ou de falhas aleatórias. As distribuições de Weibull com o β>1 têm uma taxa

de falhas que aumenta com o tempo, conhecido também como falhas de desgaste.

3.6.1.2 Parâmetro de Escala (η)

Uma variação no parâmetro da escala, η, significa mudar a escala da abscissa,

Figura 28.

Se η é aumentado, enquanto β é mantida constante, a distribuição, ou seja, a

curva começa a se estender, esticar para direita e sua altura diminui, ao manter sua

forma e posição;

Se η é diminuído, enquanto β é mantida constante, a distribuição começa se

estreitar para esquerda (isto é para sua origem e aumenta sua altura);

η tem a mesma unidade que T, tal como horas, milhas, ciclos, atuações, etc.

Figura 28: Influência da mudança do parâmetro escala na distribuição Weibull.

Page 53: Tcc Bianca Revisado Biblio

51

4 METODOLOGIA

A metodologia usada para a avaliação de tecidos na filtragem foi conduzida nas

seguintes etapas:

Etapa 1: Contato inicial com fornecedor;

Etapa 2: Teste em laboratório;

Etapa 3: Teste industrial qualitativo;

Etapa 4: Teste industrial quantitativo.

A Figura 29 esquematiza as etapas.

Figura 29 - O fluxograma esquematiza todo o processo.

Primeiramente foi realizado o contato inicial com o fornecedor, no qual foi conduzido

através dos Suprimentos (área responsável pelo fornecimento de insumos e

componentes para a empresa). Esse contato consistia na exposição de nosso

processo produtivo, com ênfase na filtragem, nossos problemas relativos a tecidos

filtrantes, possíveis pontos de melhorias e necessidades. Além disso, informações

Page 54: Tcc Bianca Revisado Biblio

52

de consumo atual e expectativas futuras foram discutidas. Também foi realizada

uma visita na fábrica de tecelagem.

Foram enviadas duas amostras do tamanho de folha A4 do tecido para o laboratório

onde foram realizados os testes. Uma amostra foi reservada, caso fosse necessários

novos testes.

4.1 TESTES LABORATORIAIS

Nessa etapa o fornecedor do tecido passou as especificações do tecido a ser

testado, para analisar se o mesmo era, teoricamente, capaz de suportar o tipo de

material a qual seria submetido. A Tabela 6 contém os dados enviados pelo

fornecedor.

Tabela 6 - Especificação do tecido

Item

Material

Tipo de Fio: Urdume/Trama

Gramatura

Permeabilidade ao Ar

Resistência Mecânica

Primeiramente aplicou-se o teste de folha para avaliar o desempenho do tecido em

escala laboratorial, Figura 30.

Page 55: Tcc Bianca Revisado Biblio

53

(a) (b)

Figura 30 - a) Modelo do teste de folha adotado. b) Setor circular. Fonte: Acervo Samarco Mineração S.A.

O procedimento para o teste de folha:

O tecido filtrante foi colocado no aparato de teste, cortando-o e fixando suas

extremidades ao setor circular através de uma cola que permitia a vedação.

Em seguida, foi aberto o registro de água de alimentação da bomba de vácuo,

mantendo a pressão em 0,2 kgf/cm². Ligou-se a bomba de vácuo e regulou-se

a válvula de água para a pressão de 0,5Kgf/cm².

A polpa foi agitada com as mãos para manter a suspensão homogênea.

Mergulhou-se o setor com o tecido na polpa até que o suporte de controle de

altura de imersão do disco encostasse no fundo do recipiente padronizado.

Abriu-se a válvula de vácuo para a formação da torta e, simultaneamente,

começou a marcar o tempo, até o final do período padronizado para a

formação. Terminado o tempo de formação da torta, o setor foi retirado de

dentro da polpa, mantendo-o em uma altura fixa e suficiente para que o

filtrado escoasse para o reservatório de vácuo. Continuou-se o período de

secagem até o tempo pré-estabelecido.

Finalizado o ciclo a bomba de vácuo foi desligada e, simultaneamente, abriu-

se a válvula de escape para despressurizar o circuito. Depois a torta foi

retirada com o auxílio de uma espátula, para a remoção das rebarbas, a fim

de obter uma área de teste mais próxima possível da área do setor circular.

Com a obtenção da torta, está foi separada para avaliar a umidade e a

produtividade de cada tecido.

Page 56: Tcc Bianca Revisado Biblio

54

A Figura 31 esquematiza todo o procedimento. Esse método foi realizado para o

tecido de teste e padrão, tanto para área superficial baixa quanto para área

superficial alta. Para cada condição foram feitos duas réplicas, a fim de minimizar os

ruídos.

Figura 31 - Procedimento do teste de folha.

Segue-se os parâmetros padronizados para os ensaios:

Área de filtragem: 94 cm2;

Ciclo de Filtragem: 80 s, 100 s, 120 s;

Tempo de formação: 15 % do ciclo de filtragem;

Secagem de torta: 45 % do ciclo de filtragem;

Pressão de vácuo: 760 mmHg;

Pressão de água de alimentação da bomba de vácuo: 0,5 kgf / cm²;

Agitação manual.

Local de coleta das amostras:

Chegada do mineroduto em Ubu (após adição de cal em Germano);

Na realização deste teste manteve alguns parâmetros constantes como agitação,

temperatura, pH e densidade da polpa, porém outros sofreram variações propositais,

dentre eles a área superficial e o tempo de ciclo. A Tabela 7 mostra a faixa das

variações de área superficial.

Page 57: Tcc Bianca Revisado Biblio

55

Tabela 7 - Faixa da área superficial.

Baixa Alta

1600 – 1800 2000 - 2200

Faixa da área superficial (cm2/g)

O material utilizado na preparação da polpa foi o mesmo, porém parte dele ganhou-

se área superficial através da prensagem na prensa de rolos, Figura 32. Assim

produziu-se uma polpa com material de baixa área superficial e outra com alta área

superficial, em que possibilitou simular as diversas condições de minério que

abastecem a filtragem.

Figura 32 - Prensa de rolos piloto.

Foi necessário registrar com foto ambos os lados do tecido de teste e do tecido

padrão, para uma comparação visual da presença de partículas no tecido.

Foi determinada a umidade conforme a norma ISO 3087. A umidade obtida consistia

na massa de água retida na torta em relação à massa total da torta, conforme

mostra a equação 7.

%umidade=(ma / mt) X 100 (7)

Onde:

Page 58: Tcc Bianca Revisado Biblio

56

Ma = massa de água na torta.

Mt = massa da torta úmida.

A produtividade foi medida através da taxa unitária de filtragem - TUF (tms/h/m2) -

que significa a quantidade de material filtrado por área de filtro em 1 hora. Pode ser

calcula pela expressão:

TUF (tms/h/m2) = ms / (Af x t) (8)

Onde:

ms = massa torta seca produzida em 1 ciclo;

Af = área filtrante;

t = tempo de ciclo.

Se o tecido apresentasse resultados satisfatórios, isto é, umidade e produtividade

similares ao tecido padrão e os sólidos no filtrado abaixo da especificação, 50g/L, o

mesmo seguia-se para a próxima etapa, onde avaliaria o comportamento nos discos

industriais.

4.2 TESTES INDUSTRIAIS

4.2.1 Testes em 1 tubo de filtrado (Qualitativo)

Após a aprovação dos testes em laboratório, iniciou-se a realização de teste

industrial em 1 tubo de filtrado, ou seja, em seis setores, Figura 33.

Page 59: Tcc Bianca Revisado Biblio

57

Figura 33 - Setores montados em 1 tubo de filtrado.

Nessa fase, o fornecedor enviou uma quantidade suficiente de tecidos para testar

em 1 tubo de filtrado, e assim foi feito o dimensionamento do tecido para os setores

utilizados na indústria. A importância desta fase ocorreu em função da pequena

quantidade de tecido fornecido, pois caso o dimensionamento não atendesse a

especificação seria possível ajustá-lo sem perda de uma quantidade elevada de

tecidos.

O dimensionamento ocorreu disponibilizando-se o desenho técnico do setor com

suas dimensões para o fornecedor. Além disso, um setor foi enviado ao fornecedor

para usá-lo como molde para confecção das amostras, minimizando a probabilidade

de não encaixarem no setor.

No teste em um tubo de filtrado, normalmente não realiza-se amostragem devido a

baixa resistência dos tecidos testados. Porém caso o tecido apresente uma

resistência elevada realiza-se essas amostragens (que será explicado no próximo

tópico) para verificar a umidade e produtividade industrial do tecido em teste e

compará-lo com o tecido padrão.

Nessa etapa os objetivos principais foram avaliar o encaixe do tecido no setor, a

formação e o desprendimento da torta.

Caso o tecido apresentasse um desempenho visivelmente satisfatório nas duas

primeiras semanas o mesmo prosseguia para teste em maior escala.

4.2.2 Testes em meio filtro (Quantitativo)

Page 60: Tcc Bianca Revisado Biblio

58

Para testar os tecidos em meio filtro formalizou o processo de desenvolvimento, ou

seja, abriu SAT (solicitação de abertura de teste) no sistema SAP (software de

Gestão Empresarial).

Os tecidos de teste foram instalados em meio filtro e a outra metade instalou o tecido

padrão. Nessa etapa foi possível avaliar o consumo de tecidos, a umidade, a

produtividade e os sólidos no filtrado.

A Figura 34 mostra a atividade de amostragem. Esta atividade consistia em coletar 3

amostras para cada tipo de tecido em diferentes setores. A cada coleta do material

desprendido pelo setor, o mesmo era pesado para a obtenção da produtividade. Em

seguida, era recolhida uma amostra desse material para análise de umidade. Houve

necessidade de coletar em 3 setores diferentes para minimizar o efeito de possíveis

ruídos.

A umidade e produtividade foram determinadas através das amostragens das tortas

produzidas tanto pelo tecido de teste (tecido em desenvolvimento) quanto pelo

padrão (atual tecido utilizado na filtragem). Assim, como metade do filtro estava com

tecido de teste e a outra com tecido padrão foi possível comparar os resultados para

as mesmas condições de operação.

Figura 34 - Amostragem.

Também foram feitos acompanhamentos diários na área de filtragem para comparar

qualitativamente a espessura das tortas de ambos os tecidos (padrão e teste), a

Figura 35 mostra um exemplo. Durante o acompanhamento verificou-se os tipos de

falhas possíveis em um tecido (Figura 36) e o período em que ocorreram as falhas.

Page 61: Tcc Bianca Revisado Biblio

59

Figura 35: Comparação visual da espessura da torta.

Figura 36 - Tipos de falhas referentes a tecidos.

Como o desempenho técnico do tecido foi adequado, isto é, umidade, produtividade

foram similares ao padrão, avaliou a vida útil do tecido em teste, pois o preço do

tecido é fator determinante para a última etapa (filtro completo). No cálculo da vida

útil, para essa etapa de meio filtro, foi expresso através da equação 9 que resulta na

capacidade de horas de operação do tecido. Se a umidade, produtividade e sólidos

no filtrado forem similares ao tecido padrão, iniciava-se o teste no filtro completo.

PADRÃO TESTE

Page 62: Tcc Bianca Revisado Biblio

60

Vida Útil (horas) = (Ho X Qi) / Ft (9)

Onde:

Ho = horas de operação;

Qi = quantidade de tecidos iniciais;

Ft = troca de tecidos.

Se o tecido apresentasse um preço elevado, porém uma vida útil que compensasse

continuar com o desenvolvimento do tecido, seguia-se para o teste em escala maior,

teste no filtro completo. Assim negociava-se com o fornecedor para prosseguir a

compra de tecidos suficientes para testar em 3 filtros diferentes e com realização de

trocas cata-cata (de acordo com o surgimento de falhas) e trocas gerais (troca de

todo o filtro). Porém se a umidade fosse bastante superior ao padrão ou a

produtividade atingir valores a níveis baixos, o tecido já era reprovado.

4.2.3 Testes no filtro completo

Essa etapa se tornou necessária, quando o tecido foi aprovado do ponto de vista

técnico (produtividade e umidade), mas foi reprovado no econômico. Além disso,

essa fase permitiu fornecer dados suficientes de quantidade de falhas para

determinar a vida útil do tecido com um pequeno erro. Assim, o objetivo dessa fase

foi precisar melhor a vida útil do tecido, diminuindo o erro na estimativa de custo

viável do material. A execução de um teste por um período maior permitiu analisar o

efeito do tecido em outros componentes que tem uma taxa de desgaste pequena,

como setores e cabeçotes, e por isso não foram levados em consideração nas

análises anteriores.

O número de filtros utilizados foi função dos resultados da etapa em meio filtro e dos

riscos envolvidos em relação ao custo do investimento. Quanto maior o número de

filtros, maior o impacto no desempenho da filtragem. Quanto maior o número de

filtros e/ou tempo de teste, mais precisos seriam os resultados obtidos. Caso o

número de filtros fosse reduzido, para minimizar impacto no desempenho da

filtragem, o tempo de teste deveria ser maior.

Page 63: Tcc Bianca Revisado Biblio

61

Nessa etapa os tecidos de teste foram montados em um filtro, onde foi realizado um

acompanhamento diário para verificar e registrar o momento das falhas no tecido e

os tipos de falhas encontradas. E ainda, manteve-se a avaliação do desprendimento

e espessura da torta. Assim calculou-se a vida útil de forma mais precisa e

identificou-se o tipo mais comum de falha.

Os tecidos foram colocados em vários filtros, porém um após o outro, pois se o

primeiro apresentasse alguma anormalidade, a causa da mesma poderia ser

corrigida nos demais filtros.

Se a relação vida útil e preço fosse igual ou superior à relação do tecido atualmente

homologado e esse tecido mostrasse equivalência ou superioridade técnica, o tecido

de teste, portanto seria considerado aprovado.

4.3 TESTE DE CONTROLE DE QUALIDADE

Com a aprovação técnica e econômica do tecido, era importante garantir que

variações nas qualidades dos tecidos não ocorram, pois iriam impactar seu

desempenho e, consequentemente, o desempenho da filtragem. Assim verificou-se

a necessidade do controle de qualidade desse componente. O procedimento foi

dividido em duas partes: amostragem e teste gramatura.

A amostragem foi baseada na norma MIL-STD-414. A quantidade de unidades que

iriam compor a amostra dependeria do nível de inspeção e aceitação da qualidade

escolhidos, além da quantidade de unidades que havia na população amostral. Os

níveis de inspeção e aceitação de qualidade foram estabelecidos como sendo iguais

a, respectivamente, I e 2,5. O nível de inspeção I foi adotado quando fosse

necessária menor discriminação. A aceitação de qualidade 2,5 foi intermediária, pois

para o produto avaliado não havia necessidade de máxima qualidade. A quantidade

de material recebido variou de acordo com a estratégia de recebimento e consumo

de tecidos. Atualmente recebeu uma quantidade que resultou numa amostra

composta por 10 unidades.

O teste para determinação da gramatura foi baseado na norma NBR 10591.

Consistia, inicialmente, na marcação de uma área no tecido com caneta hidrográfica,

usando-se um molde de 30 x 30 cm. Em seguida usou-se uma tesoura para recortar

a região marcada e pesou-a em um balança de precisão Metler Toledo modelo PB

Page 64: Tcc Bianca Revisado Biblio

62

303. O valor da gramatura, em g/m², era a razão do peso e da área da amostra

ensaiada.

O calculo da distância (ZLI) entre a média (Xm) e o limite de especificação inferior (LI)

em unidades de desvio padrão () foi calculada conforme a equação 10.

ZLI = (Xm– LI) / σ (10)

De acordo com o tamanho da amostra e o nível de aceitação de qualidade,

determinou-se a constante k, segundo a Tabela 8. Se ZLI ≥ k, considerava-se o

tecido dentro de especificação.

Tabela 8 - Verificação da condição de aceitação de lotes pelo método do desvio padrão (adaptado de MIL-STD414).

0,065 0,1 0,25 0,4 0,65 1 1,5 2,5 4 6,5 10

k k k k k k k k k k k

3 1,12 0, 958 0, 765 0, 566

4 1,45 1,34 1,17 1,01 0, 814 0, 617

5 1,65 1,53 1,4 1,24 1,07 0, 874 0, 675

7 2 1,88 1,75 1,62 1,5 1,33 1,15 0, 955 0, 755

10 2,11 1,98 1,84 1,72 1,58 1,41 1,23 1,03 0, 828

15 2,53 2,42 2,2 2,06 1,91 1,79 1,65 1,47 1,3 1,09 0, 886

20 2,58 2,47 2,24 2,11 1,96 1,82 1,69 1,51 1,33 1,12 0, 917

25 2,61 2,5 2,26 2,14 1,98 1,85 1,72 1,53 1,35 1,14 0, 936

Tamanho

da amostra

Nível de qualidade aceitável (inspeção normal)

O procedimento descrito anteriormente foi implementado para monitorar a qualidade

do tecido recebido e garantir o uso de tecidos com qualidade inadequada. O

fluxograma, Figura 37, mostra o processo, desde o recebimento do lote até

execução dos testes.

Page 65: Tcc Bianca Revisado Biblio

63

Figura 37 - Fluxograma do controle de qualidade.

4.4 SOFTWARE ESTATÍSTICO

Foi adotado nas análises dos dados para todos os testes realizados o software

estatístico Minitab 16.

5 RESULTADOS E DISCUSSÕES

5.1 TESTE EM LABORATÓRIO

Na Tabela 9 têm-se as características do tecido padrão com um tecido testado. O

novo tecido apresenta contextura, gramatura, permeabilidade ao ar, tipo de fio e

resistência à tração diferente do padrão. Teoricamente algumas dessas

características conferem melhor desempenho na filtragem como melhor

desprendimento da torta, menor tendência ao cegamento, menor probabilidade ao

Page 66: Tcc Bianca Revisado Biblio

64

rasgo, e consequentemente maior vida útil. Entretanto as características da polpa

utilizada no processo de filtragem foi um fator decisivo no desempenho do tecido.

Tabela 9 - Características do tecido

Característica do tecido Padrão Teste

Tipo de fibra Poliamida Poliamida

Tipo de fio do urdume Fio tipo A Fio tipo B

Tipo de fio da trama Fio tipo A Fio tipo B

Gramatura (g/m²) Baixa Média

Permeabilidade ao ar de

200Pa (m³/m²/min)Alta Baixa

Resistência a tração

longitudinal (N)Baixa Alta

Resistência a tração

transversal (N)Baixa Alta

Foram preparadas duas amostras de polpa com sólidos apresentando áreas

superficiais específicas diferentes, porém o pH e densidade da duas polpas foram

iguais, conforme a Tabela 10. Foram utilizados três ciclos de filtração no teste de

folha, conforme pode ser visualizado na Tabela 11.

Tabela 10 - Caracterização da polpa.

Área Superficial 1

(cm²/g)1750

Área Superficial 2

(cm²/g)2025

Densidade (g/cm³) 2,05

pH 11,5

Caracterização da amostra

Tabela 11 - Ciclos de filtragem.

Ciclos

Formação 12 15 18

Secagem 36 45 54

Total 80 100 120

Tempo (s)

Page 67: Tcc Bianca Revisado Biblio

65

As imagens foram capturadas através da lupa, na Figura 38 verificou-se que o tecido

padrão apresentou partículas aderidas entre os filamentos do fio, esse fato foi

observado para as duas polpas utilizadas, e na Figura 39 observou-se que não

houve esse problema para o tecido em teste. De acordo com a teoria, o tecido em

teste apresenta menor eficiência na clarificação do filtrado do que tecido atual da

Samarco, entretanto o tecido em teste por não apresentar partículas retidas entre os

filamentos possui menor tendência ao cegamento e, consequentemente, pode

apresentar um ganho na vida útil do tecido.

Figura 38 – Tecido padrão. a) tecido limpo (frente e verso). b) tecido sujo (frente e verso).

a)

b)

Page 68: Tcc Bianca Revisado Biblio

66

Figura 39 - Imagens do tecido de teste. a) tecido limpo (frente e verso). b) tecido sujo (frente e verso).

Nos resultados da taxa unitária de filtragem (TUF) do teste de folha para uma polpa

com material de baixa área superficial e para diferentes ciclos, mostraram que o

tecido padrão apresentou um desempenho superior ao tecido de teste. Entretanto, a

umidade residual da torta para o tecido de teste foi inferior ao tecido padrão. Além

disso, foi observado que a umidade da torta reduzia com o aumento do tempo de

ciclo e esse comportamento foi verificado no tecido padrão e no tecido de teste,

Figura 40.

a)

b)

Page 69: Tcc Bianca Revisado Biblio

67

10,710,6 10,5 10,4 10,3 10,2

0,790,70

0,650,72 0,67 0,63

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

9,5

10,0

10,5

11,0

11,5

12,0

12,5

13,0

80 100 120 80 100 120

Padrão Teste

TU

F (tm

s/h

/m2)

Um

ida

de

(%

)

Tempo de cicloTecido

Área Superficial Baixa

Umidade (%)

TUF (tms/h/m2)

Figura 40 - Umidade e TUF com material de baixa área superficial.

O teste de folha realizado com material de área superficial alta resultou em valores

de TUF indesejados tanto para o tecido padrão quanto para o tecido de teste. Para

essa condição, o tecido de teste continuou com uma umidade inferior ao tecido

padrão para todos os tempos de ciclos adotados. Considerando o ciclo de filtragem

mais aplicado (100 s), o tecido de teste obteve uma redução de 0,7% de umidade,

Figura 41.

Em relação à TUF pode-se verificar que o tecido padrão teve melhor desempenho.

Entretanto, com a redução do tempo de ciclo do tecido em teste foi possível otimizar

a produtividade obtendo-se menores teores de umidade residual do pellet feed do

tecido padrão, conforme observar-se na Figura 41.

11,4 11,511,3

11,110,8

10,9

0,500,45 0,42 0,44 0,42 0,39

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

9,0

9,5

10,0

10,5

11,0

11,5

12,0

12,5

13,0

80 100 120 80 100 120

Padrão Teste

TU

F (tm

s/h

/m2)

Um

ida

de

(%

)

Tempo de cicloTecido

Área Superficial Alta

Umidade (%)

TUF (tms/h/m2)

Figura 41 - Umidade e TUF com material de alta área superficial.

Page 70: Tcc Bianca Revisado Biblio

68

Na Figura 42 verificou-se que a concentração de sólidos no filtrado dos dois tecidos

apresentou comportamento similar. O aumento da área superficial ocasionou um

aumento do percentual de sólidos no filtrado, conforme se esperava.

Área Superficial

TestePadrão

BaixaAltaBaixaAlta

25

20

15

10

5

0

Co

nce

ntr

ação

de

lid

os (

g/L

)16

22

11

21

Sólidos no filtrado - Laboratório

Figura 42 - Concentração de sólidos no filtrado.

Portanto, o tecido de teste mostrou que independentemente da área superficial que

se encontra o sólido da polpa, ele apresentará níveis de umidade e sólidos no filtra-

do menor do que o atual tecido. Entretanto, a diferença de TUF para o tecido de tes-

te não foi considerada significativa conforme análise estatística realizada com os

dados dos testes, Figura 43 e Figura 44. A análise estatística adotada foi o teste “t”,

pois ele é apropriado para comparar as médias de uma variável quantitativa entre

dois grupos independente.

Figura 43 - Teste da diferença média dos resultados de TUF para área superficial de 1750 cm2/g.

Gerado por meio do software estatístico Minitab 16.

Page 71: Tcc Bianca Revisado Biblio

69

Figura 44 - Teste da diferença média dos resultados de TUF para área superficial de 2525 cm2/g.

Gerado por meio do software estatístico Minitab 16.

5.2 TESTE INDUSTRIAL QUALITATIVO

5.2.1 Um Tubo de filtrado

O dimensionamento do tecido para os setores utilizados nos filtros da usina foi

adequado, encaixando com facilidade nos setores e assim agilizando a montagem

do tecido no setor.

Os tecidos colocados em 1 tubo de filtrado apresentaram boa formação e

desprendimento da torta, Figura 45. Além disso, a espessura da torta do tecido de

teste foi visualmente similar ao tecido padrão, Figura 46.

Figura 45 - Formação e desprendimento da torta do tecido de teste.

TESTEPADRÃO

Figura 46 - Espessura da torta.

Formação Desprendimento

Page 72: Tcc Bianca Revisado Biblio

70

Durante o teste em um tubo de filtrado nenhum tecido foi retirado. Esse é um forte

indicativo de que este tecido pode apresentar uma elevada vida útil, por isso

realizou-se as amostragens nesse tecido.

A partir dos dados de amostragem, verificou que os valores de umidade para o

tecido de teste foram sempre menores do que o tecido padrão e os resultados de

produtividade foram similares até aproximadamente o vigésimo dia de teste, Figura

47. A partir desse dia foi verificada uma redução de 0,20 tms/h/m2. As trocas

efetuadas nos setores com tecido padrão, certamente contribuíram para que a

produtividade desse tecido não reduzisse com o tempo.

Esses resultados são condizentes com os resultados obtidos em laboratório, onde o

tecido de teste resultou em menor umidade e sólidos no filtrado do que o padrão e

mesma produtividade.

10,7

10,3

10,5

10,0

10,9

10,0 10,3

10,3

10,1

10,2

10,1

10,1

9,9

9,8

9,6 1

0,1

8,5

9,4

9,9

9,3

9,0 9,1

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

8

9

10

11

12

13

14

15

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

TU

F (

tms

/h/m

2)

Um

ida

de

(%

)

Número de amostragens

Tubo de Filtrado

Padrão Teste Padrão Teste

Figura 47 - TUF e umidade do filtro em 1 tubo de filtrado.

5.2.2 Meio filtro - Teste quantitativo

5.2.2.1 Avaliação quantitativa da umidade do pellet feed e produtividade do tecido.

Page 73: Tcc Bianca Revisado Biblio

71

O período de amostragens para os tecidos de teste e padrão foi de 22 dias para

avaliação da produtividade e umidade. Nesse período o filtro operou 85% horas

calendário, ou seja, superior à média usual e, por isso, aceitável para um teste.

Os resultados de produtividade, Figura 48, mostraram que os dois tecidos possuem

desempenho muito semelhante, pois exibiram valores de TUF próximos e mesma

tendência. Através da análise estatística para as duas amostras de tecidos verificou

que não houve diferença significativa entre os tecidos, Figura 49. Aparentemente,

existe uma tendência de queda da produtividade. Contudo, analisando-se os

resultados de superfície específica do pellet feed produzido pela filtragem, Figura 50,

percebe-se que nos dias de maior produtividade, coincidentemente durante as

amostragens iniciais, estava sendo processado material com menor área superficial

específica, o que condiz com a Lei de Darcy.

2018161412108642

1,3

1,2

1,1

1,0

0,9

0,8

0,7

0,6

Número de amostragens

TU

F (

tms/h

/m2)

Padrão

Teste

Produtividade - meio filtro

Figura 48 - Histórico da TUF do tecido de teste e padrão.

Page 74: Tcc Bianca Revisado Biblio

72

Figura 49 - Teste da diferença média dos resultados de TUF gerado por meio do software estatístico Minitab 16.

22212019181716151413121110987654321

1800

1700

1600

1500

1400

1300

Período de teste

Áre

a S

up

erf

icia

l (c

m2/g

)

Área Superficial

Figura 50 - Resultados de acompanhamento da produção de superfície específica do pellet feed na entrada da prensa. Gerado por meio do software estatístico Minitab 16.

A Figura 51 mostrou que, aparentemente, o resultado de umidade do tecido de teste

foi menor do que o tecido padrão, principalmente até a décima terceira amostragem.

Contudo, com a análise estatística dos dados verificou que o resultado de umidade

dos dois tecidos não houve diferença significativa conforme mostra a Figura 52.

Page 75: Tcc Bianca Revisado Biblio

73

2018161412108642

11,0

10,5

10,0

9,5

9,0

Número de amostragens

Pe

rce

ntu

al d

e u

mid

ad

e (

%)

Padrão

Teste

Umidade - Meio filtro

Figura 51 - Histórico da umidade do tecido de teste e padrão.

Figura 52 - Teste da diferença média dos resultados de umidade gerado por meio do software estatístico Minitab 16.

Observou-se ainda, Figura 53, que o tecido de teste não apresentou uma correlação

da umidade em função da produtividade. Certamente outras variáveis como área

superficial específica do material, velocidade de rotação, pressão de vácuo, estado

de agregação, entre outros, têm um efeito tão grande, ou maior, do que a

produtividade na umidade. O tecido padrão, por sua vez, apresentou uma forte

tendência, indicando que apesar dessa não ser a única variável preditora, ela

certamente é significativa.

Page 76: Tcc Bianca Revisado Biblio

74

Figura 53 - Correlação entre a umidade e produtividade em função do tipo de tecido

5.2.2.2 Avaliação quantitativa da vida útil

Durante 33 dias de acompanhamento, foram retirados 90% dos tecidos de teste

montados no filtro.

Para determinação da vida útil dos tecidos foram consideradas as quantidades de

tecidos retirados até 21 dias após sua instalação no filtro. Nesse período foram

retirados 35% dos tecidos de teste e 138% dos tecidos padrão, Figura 54. O

rendimento operacional, nesse período, foi de 75 %. Foi determinado um aumento

na vida útil do tecido em 3,6 vezes com a utilização do tecido de teste, Figura 55.

Dias de teste

testepadrão

31282522191613107413128252219161310741

60

50

40

30

20

10

0

Pe

rce

ntu

al

de

te

cid

os t

roca

do

s (

%)

Troca de Tecido - Meio Filtro

Figura 54 - Histórico da quantidade de tecidos retirados no filtro durante o teste.

Page 77: Tcc Bianca Revisado Biblio

75

3,6 vezes

Figura 55 - Vida útil média, em horas de operação dos tecidos do filtro.

Observou que uma pequena quantidade dos tecidos de teste foi retirada intacta,

falhando por cegamento, e a maioria foi retirada pelo surgimento de rasgos na

lateral, Figura 56, ou presença de furos na face do tecido, Figura 57. Os rasgos na

lateral ocorreram predominantemente nos tecidos de teste com menor vida útil. Os

furos ocorrem em função de defeitos no setor que são originadas pelo uso. A

utilização de sub-tela poderá ser avaliada como alternativa para minimização do

atrito entre o tecido e essas regiões danificadas dos setores.

Figura 56 – Fotos dos tecidos retirados por rasgo na lateral.

Page 78: Tcc Bianca Revisado Biblio

76

Defeito no setorRasgo no tecido

Defeito no setorFuro no tecido

Figura 57 – Fotos dos tecidos retirados por furos na face.

5.2.3 Filtro Completo

5.2.3.1 Filtro A

Um dos filtros instalados para avaliação dos tecidos de teste foi filtro A. Foram

realizadas amostragens para verificar se a produtividade e umidade do tecido de

teste seriam semelhante ao tecido padrão. A queda de produtividade observada

entre a décima terceira até décima oitava amostragem, Figura 58, ocorreu para

ambos tecidos, no qual teve como principal causa à qualidade do material

alimentado no período, com área superfície específica acima do limite superior de

especificação.

Page 79: Tcc Bianca Revisado Biblio

77

454035302520151051

1,1

1,0

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

Número de amostragens

TU

F (

tms/h

/m2)

Padrão

Teste

Produtividade - Filtro Completo

Figura 58 - Histórico dos resultados de TUF da amostragem para comparação do filtro de teste e padrão.

Nesse período, através da análise estatística a produtividade média do tecido de

teste e padrão foi considerada semelhante, conforme Figura 59.

Figura 59 - Analise da diferença das médias dos resultados de TUF das amostras coletadas. Gerado por meio do software estatístico Minitab 16.

O filtro com tecido de teste apresentou menor umidade do que os filtros com tecido

padrão em vários momentos conforme a Figura 60, porém não houve diferença

estatística entre os resultados, Figura 61.

Page 80: Tcc Bianca Revisado Biblio

78

454035302520151051

11,5

11,0

10,5

10,0

9,5

Número de amostragens

Pe

rce

ntu

al d

e u

mid

ad

e

Padrão

Teste

Umidade - Filtro Completo

Figura 60 - Histórico dos resultados de umidade da amostragem para comparação do filtro de teste e padrão.

Figura 61 - Análise da diferença das médias dos resultados de umidade das amostras coletadas. Gerado por meio do software estatístico Minitab 16.

No filtro A o tecido testado foi trocado preventivamente 32 dias após início de

operação. Com isso, não foi observado o aumento do ritmo de troca de tecidos.

Nesse período somente 8,3% dos tecidos, saíram por rasgo, Figura 62. Esse

resultado confirmou as suspeitas anteriores do tempo ideal para realização da troca

geral preventiva desse tecido.

Page 81: Tcc Bianca Revisado Biblio

79

5351494745434139373533312927252321191715131197531

4

3

2

1

0

Dias de teste

Pe

rce

ntu

al d

e T

ecid

os T

rocad

os (

%)

Troca de tecidos - filtro completo

Troca Geral – troca de 100% dos tecidos

Troca Geral

Figura 62 - Troca de tecidos de teste no filtro A. A troca geral corresponde em trocar 100% dos tecidos do filtro.

5.2.4 Sólidos no filtrado

Os tecidos de teste foram colocados em 3 filtros diferentes para avaliação, assim

possibilitou obter os resultados de percentual de sólidos no filtrado para todos

tecidos de teste e comparar com o tecido padrão. O percentual de sólidos no filtrado

foi avaliado por comparação dos resultados coletados, determinados diariamente

nos dois balões dos filtros. A média, Figura 63, mostra que os filtros com tecido

padrão e os com tecido de teste apresentaram resultados dentro do limite de

especificação.

A análise da diferença das médias dos resultados mensais de sólidos no filtrado

mostrou que o tecido padrão e de teste não tiveram desempenho diferente, Figura

64. A Figura 65 indicou que o teor de sólidos no filtrado sofre influência de alguns

ruídos não considerados na análise, como por exemplo, qualidade do material,

número de tecidos consumido, etc., do que o próprio tipo de tecido.

Page 82: Tcc Bianca Revisado Biblio

80

testepadrão

50

40

30

20

10

0

Tecido

Co

nce

ntr

ação

de

lid

o (

g/L

)23

9

Concentração de Sólidos no Filtrado

Figura 63 - Média dos sólidos no filtrado para os filtros com tecido padrão e de teste.

Figura 64 - Diferença das médias mensais de sólidos no filtrado. Gerado por meio do software

estatístico Minitab 16.

Figura 65 - Análise do efeito do tecido no resultado mensal de sólidos no filtrado. Gerado por meio do software estatístico Minitab 16.

5.2.5 Vida útil

Page 83: Tcc Bianca Revisado Biblio

81

A vida útil dos tecidos foi determinada utilizando-se as informações de quantidade

trocada de tecidos e data de retirada. Para determinação da vida útil do padrão,

foram considerados todos os tecidos retirados por rasgo por um período de um mês

na usina, resultando um total de 3.701 tecidos padrão trocado. Para o tecido de teste

foram considerados os dados de troca em todos os filtros com tecido de teste.

Numa primeira análise, foi o consumo do tecido de teste foi de 5,5 vezes menor do

que o padrão, ou seja, 6,7 contra 1,2 unidades/filtro/dia para o tecido padrão e de

teste, respectivamente.

Contudo, essa avaliação não leva em consideração que o tecido padrão estava

sendo trocado preventivamente num curto intervalo de tempo e o de teste, na

maioria das vezes, só passava pela troca geral depois do tempo ideal para que a

troca preventiva fosse efetuada. Desse modo, foi necessária uma avaliação mais

adequada, que levasse essas informações em consideração. Logo, foram

determinadas as probabilidades de falha de cada tecido com base nas datas de

troca dos mesmos e o motivo: por falha (rasgo) ou por suspensão (troca preventiva).

Para o tecido de teste só foram considerados aqueles tecidos retirados antes de 30

dias de operação. Isso porque foram percebidos dois padrões distintos de falha no

filtro: rasgo na face do tecido nos dias iniciais de operação e rasgo na lateral do

tecido após 30 dias de operação. Essa estratificação por tipo de falha é uma

premissa para esse tipo de análise, já que o segundo tipo de falha só ocorre depois

de um período de operação muito maior do que o primeiro e após o cegamento dos

tecidos. A Figura 66 considera somente as informações de troca relativas ao

primeiro tipo de falha. Dessa forma, foram considerados 881 dados para cálculo da

vida útil do tecido de teste.

Os gráficos da Figura 66 mostram formas diferentes de representar a quantidade de

tecidos consumidos em decorrência dos dias de acompanhamentos do teste. Por

exemplo, o gráfico Survival Fuction mostra comportamento do percentual de tecidos

trocados ao longo dos dias, isto é, com aproximadamente 20 dias de operação, 50%

dos tecidos padrão colocados no filtro já haviam sido trocados. Ao contrário do

tecido de teste, que em 20 dias de avaliação só tinha sido trocado aproximadamente

10% dos tecidos instalados.

Com base nas distribuições de probabilidade de falha obtidas, foi possível

determinar a vida útil dos tecidos. Para isso, foi considerado que a troca geral

Page 84: Tcc Bianca Revisado Biblio

82

deveria ocorrer quando a probabilidade de falha, por rasgo, fosse superior a 10%.

Desse modo, foi determinado que o tempo ideal para troca geral devesse ser de 7

dias para o padrão e 24 dias para o de teste. Com isso, tem-se que a vida útil do

tecido de teste é 3 vezes maior do que a do padrão.

16012080400

0,03

0,02

0,01

0,00

TF (dias)

PD

F

1001010,1

90

50

10

1

0,01

TF (dias)

Pe

rce

nt

16012080400

100

50

0

TF (dias)

Pe

rce

nt

16012080400

0,4

0,2

0,0

TF (dias)

Ra

te

Padrão

Teste

Tecido

1,88750 23,2321 0,971 806 2895

2,24342 70,7217 0,964 161 720

Shape Scale C orr F C

Table of Statistics

Probability Density Function

Survival Function Hazard Function

Distribution Overview Plot for TF (dias)LSXY Estimates-Censoring Column in Suspensão

Weibull

Figura 66 - Distribuições de probabilidade de falha dos tecidos de teste e padrão. Gerado por meio do software estatístico Minitab 16.

A partir dos resultados gerados pelo estudo de caso, verificou-se que a metodologia

foi capaz de direcionar o desenvolvimento de tecidos de forma estruturada.

Page 85: Tcc Bianca Revisado Biblio

83

6 CONCLUSÃO

A partir dos resultados obtidos pelo estudo de caso, verificou-se que a metodologia

desenvolvida para avaliação de tecidos filtrantes atendeu, tecnicamente, em escala

laboratorial e em escala industrial. A metodologia foi capaz de avaliar fatores

fundamentais para o processo de filtragem como percentual de umidade,

produtividade, concentração de sólidos no filtrado, tipos de falhas predominantes e

vida útil do componente. Portanto capacitou à escolha do meio filtrante mais

promissor ao processo.

No estudo de caso analisado, observou-se que o tecido de teste resultou em

percentuais de umidade inferiores ao tecido padrão, sendo esse fato notado para

dados laboratoriais e industriais.

A produtividade de ambos tecidos não houve diferença estatística. Porém o tecido

de teste afetou positivamente a produção da usina, pois como sua vida útil foi

elevada, as paradas de trocas de tecidos foram inferiores aos filtros com tecido

padrão. Portanto, o tecido de teste proporcionou ganho de produção na usina.

O percentual de sólidos no filtrado em escala laboratorial e industrial de ambos

tecidos ficou abaixo da especificação. No entanto, em escala industrial o tecido

padrão apresentou uma menor variabilidade.

Page 86: Tcc Bianca Revisado Biblio

84

REFERÊNCIAS

AIR SLAID. Treinamento técnico de tecidos filtrantes. 2011. Procedimento

interno: apostila. AMARANTE, S. C. Filtragem de minérios de ferro: comparação entre métodos de filtragem de laboratório: testes de folha e de funil de Büchner. 2012. 137 f.

Dissertação (Mestrado em Engenharia Metalúrgica e de Minas) - Universidade Federal de Minas Gerais, Minas Gerais. ARAUJO JR, A. M. Estudo das variáveis de processo para otimização da filtragem. 2009. 80 f. Trabalho de conclusão de curso (Graduação em Engenharia Metalúrgica) - Centro Universitário de Vila Velha, Vila Velha. CALLISTER JR., W.D Ciência e engenharia de matérias: uma introdução. 5. ed.,

Rio de Janeiro: LTC, 2002. 589 p. CARVALHO, M.R. – Interferência de cátions Ca2+ nas etapas de deslamagem e flotação de minério de ferro. 2003. 67 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de

Minas) – UFOP, Departamento de Engenharia de Minas, Ouro Preto. FACTORI, I.M. Processamento e propriedades de compósitos de poliamida 6.6 reforçada com partículas de vidro reciclado. 2009. 64 f. Dissertação (Mestrado

em Engenharia de Materiais) - Universidade de São Paulo, Escola Politécnica, São Paulo. KAUFFMAN, G. B. Wallace Hume Carothers and nylon, the first completely synthetic fiber. Journal of Chemical Education, California, v. 65, p. 803-808, Sep. 1988. MILITARY STANDER. MIL-STD-414: Sampling procedures and tables for inspection by variables for percent defective. Washington, D.C, June, 1957. 116 p. OGULATA, R.T. Air permeability of woven fabrics. Journal of Textile and Apparel, Technology and Management, Adana; Turkey, v. 5, p 1-10, 2006. OLIVEIRA, Maria Lúcia M. de; LUZ, José Aurélio Medeiros da Luz. Curso de Espessamento e Filtragem. Belo Horizonte, 2007. 113 p.

PURCHAS, D.B.; SUTHERLAND, K. Handbook of filter media. 2nd ed. Oxford, UK:

Elsevier Science, 2002. ORR,C. Filtration: Principles and Practices. 2nd ed. rev. New York: Marcel Dekker, 1979. RUSHTON, A., WARD, A.S., HOLDICH, R.G. Solid-Liquid filtration and separation technology. 2nd ed. rev. Weinheim, Germany: Wiley-VCH Verlag GmbH, 2000.

Page 87: Tcc Bianca Revisado Biblio

85

SAMPAIO, Dilene Almeida. Estudo das propriedades do concentrado de minérios de ferro Samarco Mineração S.A. e sua influência no potencial de entupimento do mineroduto. 2002. 159 f. Dissertação (Mestrado em Tecnologia

Mineral) - Universidade Federal de Minas Gerais, Minas Gerais. SILVA, A. M. Caracterização do processo de degradação de uma fibra de poliamida utilizada como meio filtrante na indústria mineral. 2006. 112 f.

Dissertação (Mestrado em Engenharia de Materiais) - Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto. SMITH, C. O. Introduction to reliability in design. Tokyo: McGraw-Hill

Kogakusha,1976. SOUZA, C.C.; SAMPAIO, D.A.Testes preliminares com diferentes reagentes para minimizar a formação de plug no mineroduto. Anchieta,ES; Correspondência Interna, GGMD-11, Samarco Mineração S.A, 1998. SUTHERLAN, K. Filters and Filtration Handbook. 5th ed. Oxford: Elsevier Science, 2008. VILLEMEUR, A. Reliability, availability, maintainability and safety assessment.

Chippenham, Wilshire,UK: John Wiley & Sons, 1992.