teoria de britagem e moagem

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Centro de Tecnologia Mineral Ministrio da Cincia e Tecnologia COMINUIOCaptulo 4 Hedda Vargas O. Figueira Enga. QuimicaSalvador Luiz M. de Almeida Engo . Metalurgista, DSc.Ado Benvindo da Luz Engo. de Minas, DSc.Rio de Janeiro Dezembro/2004CT2004-182-00 Comunicao Tcnica elaborada para a 4aEdio do Livro de Tratramento de Minrios Pg. 113 a 194Tratamento de Minrios 4a Edio CETEM 113TEORIA BSICAA operao de fragmentao, no campo de beneficiamento de minrios, agrupa um conjunto de tcnicas que tem por finalidade reduzir, por ao mecnica externa e algumas vezes interna, um slido, de determinado tamanho em fragmentos de tamanho menor. A fragmentao de um material heterogneo, que constitui geralmente uma rocha, visa liberar os minerais valiosos dos minerais de ganga, ou no caso de um mineral homogneo, reduzir at dimenso requerida pela utilizao. A operao de fragmentao compreende diversos estgios que se aplicam ao minrio, desde a mina, at sua adequao ao processo industrial subsequente. Na etapa de lavra, o desmonte do minrio ou rocha, com o auxlio de explosivo pode ser visto como um primeiro estgio de fragmentao, onde so produzidos blocos volumosos, mas de um tamanho que permite alimentar os equipamentos de britagem. A britagem a operao que fragmenta os blocos obtidos na lavra, mas como existe uma srie de tipos de equipamentos, esta operao deve ser repetida diversas vezes, mudando-se o equipamento, at se obter um material adequado alimentao da moagem. A moagem a operao de fragmentao fina obtendo-se nela um produto adequado concentrao ou a qualquer outro processo industrial (pelotizao, lixiviao, combusto etc). A importncia da operao de fragmentao pode ser percebida em toda a sua magnitude, se for destacado o fato que a maior parte da energia gasta no processamento de minrios absorvida pela fragmentao. Isso nos leva a supor que grande parte dos custos operacionais de uma usina de tratamento de minrios se deve fragmentao(1).Como um exemplo pode-se citar o caso da Erie Mining Co, em Minnesota (EUA), que processa os minrios de ferro taconticos. Esse minrio, devido fina disseminao deve ser reduzido a uma granulometria com 90% abaixo de 325 malhas. O consumo de energia na instalao encontra-se na Tabela 4.1. Tabela 4.1 - Distribuio do consumo de energia na Erie Mining Co. Operao kWh/tFragmentao 17,2Concentrao 1,5Eliminao de rejeito 1,2Abastecimento de gua 1,5Total 21,4 Cominuio 114Pode-se observar que, na unidade industrial citada, 80% da energia consumida pela fragmentao. Compreende-se, portanto, o interesse que existe no estudo da fragmentao j que qualquer melhoramento na operao acarreta uma importante economia no processo. Outro motivo que tem levado os pesquisadores a estudarem a fragmentao a busca de modelos matemticos, assim como a relao entre os parmetros desses modelos e as variveis operacionais. Esse modelamento do processo de fragmentao poder serutilizado em trabalhos de otimizao e de controle do processo e ainda ser de grandeutilidade no dimensionamento de unidades industriais. Princpios de Fragmentao A maioria dos minerais so materiais cristalinos, onde os tomos esto em arranjostridimensionais. A configurao dos tomos determinada pelo tamanho e tipos de ligaesfsicas e qumicas que os mantm unidos na rede cristalina dos minerais. Essas ligaes interatmicas so eficientes a pequena distncia, e podem ser quebradas se tensionadas por foras externas. Estas foras podem ser geradas por cargas de tenso ou de compresso (Figura 4.1). Um material ideal se rompe quando o limite de ruptura ultrapassado. Isto , quando se rompem todos as ligaes atmicas de um certo plano. Isso no ocorre facilmente com as rochas e os minerais pois eles so materiais heterogneos, anisotrpicos e contmfalhas, fraturas, tanto em escala micro como macroscpica(2). Compresso TensoFigura 4.1 - Deformao de um cristal sujeito a compresso e tenso. Tratamento de Minrios 4a Edio CETEM 115No campo da cincia dos materiais, as falhas microscpicas denominam-sedeslocamentos e em mecnica de rochas, "gretas de Griffith". A existncia dessas falhas nos materiais explica sua baixa resistncia mecnica. A teoria da fratura estuda a formao de gretas a partir de falhas e sua propagao no slido. Mesmo quando as rochas so sujeitas a foras uniformes, as presses internas no so igualmente distribudas, pois as rochas se constituem de uma variedade de minerais dispersos com gros de vrios tamanhos. A distribuio da fora depende, no s das propriedades mecnicas de cada mineral, mas principalmente da presena de gretas e falhas no corpo mineral que agem como stios de concentrao de foras (Figura 4.2). Figura 4.2 - Concentrao de esforos numa fenda. Quando a rocha est submetida a esforos, ativam-se as falhas existentes, o que significa que os esforos se concentram nas ligaes atmicas localizadas na ponta das falhas multiplicando a trao. Por exemplo a trao T aumenta para 2T onde "" " o comprimento da falha e "r" o raio do crculo em volta do ponto da falha. Entretanto h um valor crtico para o comprimento da aresta, em qualquer nvel particular de fora, no qual o aumento de tenso na extremidade da greta suficiente para romper as ligaes atmicas nesse ponto. Tal ruptura prolonga o comprimento da greta, assim aumentando a concentrao da tenso e causando a rpida propagao da greta, o que resultar numa fratura.r"Apesar das teorias de fragmentao assumirem que o material frgil, de fato oscristais podem estocar energia sem se quebrarem e liberar esta energia quando a ao da fora cessa. Essa propriedade conhecida como elasticidade. Quando ocorre fratura, parte da energia estocada transforma-se em energia livre de superfcie, que uma energia potencial dos tomos da nova superfcie formada. Devido a esse aumento de energia, as superfcies quando recm formadas so quimicamente mais ativas e portanto, mais adequadas ao dos reagentes de flotao, como tambm se oxidam mais facilmente. Cominuio 116Griffth mostrou que os materiais quebram pela propagao de gretas, quando isso energicamente possvel, isto , quando a energia devolvida ao cessar a fora aplicada menor que a energia da nova superfcie produzida. Materiais frgeis devolvem a energia aplicada principalmente pela propagao das gretas, enquanto materiais mais dteispodem devolver a energia aplicada, por um mecanismo de fluxo plstico, onde os tomos emolculas deslizam uns sobre outros e a energia consumida na deformao do slido. A propagao das gretas pode ser inibida por outras gretas ou por alcanar o limite do cristal. Rochas com gros finos, tais como taconitas, so geralmente mais resistentes que as degros grossos. A energia mecnica necessria fragmentao aplicada por meio dos seguintes mecanismos: esmagamento ou compresso, impacto e atrito. A abraso considerada por alguns autores como um quarto mecanismo de importncia em alguns casos especiais de moagem.Quando partculas irregulares so sujeitas quebra por compresso, os produtos seapresentam em duas faixas de tamanho: partculas grossas resultante da quebra induzida pela tenso, e partculas finas da quebra por compresso no local onde a carga aplicada (Figura 4.3).Figura 4.3 - Fratura por britagem. A quantidade de finos produzidos pode ser reduzida minimizando a rea de aplicao da carga e isto feito nos equipamentos de britagem usando superfcies corrugadas. A resistncia das rochas compresso muito maior que a resistncia trao quando, geralmente, a ruptura se produz ao longo dos planos de cisalhamento. Na quebra por impacto, com esforos aplicados rapidamente, a partcula sofre uma presso elevada e como resultado absorve mais energia do que a necessria para uma simples fratura e fragmenta-se principalmente por tenso, no havendo deformao. O produto apresenta-se como partculas de tamanho e forma semelhantes. Tratamento de Minrios 4a Edio CETEM 117A quebra por atrito produz muito material fino, o que geralmente indesejvel. Esse mecanismo acontece principalmente devido s interaes partcula-partcula e podem ocorrer at num britador se este alimentado rapidamente, o que provoca um contato maior entre as partculas aumentando assim a atrio. Numa fragmentao, sempre que os esforos so aplicados lentamente, a velocidade de deformao do material tambm lenta e se produz menos deformao plstica antes da ruptura e portanto menos gasto de energia. Entretanto, foi demonstrado que quando a velocidade de aplicao dos esforos muito grande, com impactos de altavelocidade, a energia requerida para a ruptura mnima. Pode-se concluir que, salvo em casos extremos de velocidade de aplicao dosesforos, o consumo de energia para se chegar ruptura de uma rocha aumenta com a velocidade de aplicao das foras. Leis da Fragmentao Os estudos relativos aos mecanismos de fragmentao de rochas, por mais teis que sejam, considerando a complexidade do problema de fragmentao, ainda no formularam uma teoria geral satisfatria, com aplicao prtica. Uma relao que permita calcular a energia necessria fragmentao de um material at um certo tamanho uma aspirao antiga de cientistas e tcnicos pois, sendo o gasto de energia na fragmentao, o que mais onera uma instalao industrial, de grande valia a sua determinao. Lei de Rittinger A mais antiga dessas relaes a estabelecida por P. Ritter Von Rittinger(3) segundo a qual "a rea da nova superfcie produzida por fragmentao diretamente propo