PMI3101 - INTRODUÇÃO À ENGENHARIA APLICADA À … · 2015-05-04 · Teoria e prática do...

PMI3101 - INTRODUÇÃO À

ENGENHARIA APLICADA À INDÚSTRIA

MINERAL

Beneficiamento mineral: Aplicações e

conceitos básicos

São Paulo – 13 de Abril de 2015

Professor Mauricio Guimarães Bergerman

PMI - EPUSP

APRESENTAÇÃO DO CURSO

Contato do Professor:

Mauricio Guimarães Bergerman;

Correio eletrônico: mbergerman@usp.br

Objetivos:

Fornecer conceitos básicos sobre as operações unitárias de beneficiamento

mineral e sobre balanços de massas, água e metalúrgico.

Prova: semana de 18 a 22 de maio

Questionários visitas (0,5 ponto na média final): 04 de maio

Listas de exercícios (50% da nota deste módulo): dia da prova

Obs.: Os questionários e a lista de exercícios devem ser feitos a mão.

Monitoria – Barbara – quinta-feira, das 12h30 às 13h30.

Para maiores informações...

Sugestões para pesquisa bibliográfica/aquisição de

livros (além da biblioteca da USP):

Periódicos:

http://www.periodicos.capes.gov.br

http://www.engineeringvillage.com

Associações:

http://www.abmbrasil.com.br/

http://www.cim.org

http://www.smenet.org/ link onemine

http://www.ausimm.com.au/

Sites de programas de pós graduação no Brasil e no mundo:

http://www.teses.usp.br/

https://circle.ubc.ca/

Sugestões para pesquisa bibliográfica/aquisição de

livros (além da biblioteca da USP):

Revistas:

Brasil Mineral

In the Mine

Minerios & Minerales

Mineração & Sustentabilidade

Areia e Brita

Eventos:

Congresso brasileiro de mineração - http://www.exposibram.org.br/

Encontro Nacional de Tratamento de Minérios e Metalurgia

Extrativa – www.entmme.org

Congresso da ABM – www.abmbrasil.com.br

Semana de Estudos Mínero-Metalúrgicos

Sugestões para pesquisa bibliográfica/aquisição de livros:

Entidades governamentais:

www.cetem.gov.br

www.cprm.gov.br

www.dnpm.gov.br

Sebos:

www.estantevirtual.com.br

Outros:

http://geologiausp.igc.usp.br/geologiausp/index.htm

www.infomine.com

www.noticiasdeminerãcao.com

www.mining.com

www.sejaumengenheirodeminas.weebly.com

www.academia.edu

www.mendeley.com

Sugestões de bibliografia:

CHAVES, A. P. (Org.). Teoria e prática do tratamento de minérios: v. 1 a

LUZ, A. B.; SAMPAIO, J.A.; FRANÇA, C.A. Tratamento de Minérios.

CETEM/MCT, 2010. Disponível em:

<http://www.cetem.gov.br/biblioteca/publicacoes/livros>.

SAMPAIO, C.H; TAVARES, L.M.M. Beneficiamento Gravimétrico. Porto

Alegre: Editora da UFRGS, 2005.

GUPTA, A.; YAN, D.; Mineral processing design and operation: an

introduction. Elsevier, 2006. 693 p. Disponível em:

<http://www.sciencedirect.com/science/book/9780444516367>

KELLY, E. G.; SPOTTISWOOD, O.J. Introduction to mineral processing.

1982. 491 p.

Mineral Processing Technology – Barry Wills e Tim Nappier-Munn

SME Mineral processing handbook

Manual de britagem Metso

Consumo de bens minerais

fonte: USGS, 2002 apud SCLIAR, 2004

Gasto de energia

O Grande Papel de uma nova Engenharia:

Pensar, projetar e executar com novos critérios...

fonte: Nakao, 2011

Qual é o desafio?

• mudar padrões de projeto, produção, uso e descarte

• compatibilizar uso e proteção do recurso natural

• buscar qualidade de vida com qualidade ambiental

fonte: Nakao, 2011

O que se busca hoje?

• Abordagem preventiva

• Tecnologia mais limpa

• Responsabilidade socioambiental

– Conformidade legal

– Conformidade normativa (voluntária)

– Ecoeficiência

• Redução de consumo de recursos naturais

(matéria e energia)

• Redução de lançamento de poluentes

• Reciclagem e Reúsofonte: Nakao, 2011

Competência=

(Conhecimentos + Habilidades) Atitudes

Competência =

(Conhecimentos + Habilidades)Atitudes +

+ valor+ emoção fonte: Nakao, 2011

ETAPAS DA MINERAÇÃO

ETAPAS DE PROCESSAMENTO ENVOLVENDO

SÓLIDOS PARTICULADOS

Preparação:

Cominuição e classificação;

Concentração:

Métodos densitários;

Flotação;

Separação magnética e eletrostática;

Outros: separação óptica (ore sorting).

Desaguamento:

Espessamento, filtragem e secagem.

Transporte

CONCENTRAÇÃO: Propriedades

relevantes

Concentração densitária:

Densidade relativa.

Flotação:

Físico-química de superfície.

Separação magnética:

Susceptibilidade magnetica.

Separação eletrostática:

Condutibilidade elétrica / temperatura.

Ore sorting:

Diversas propriedades das partículas: brilho, cor, radiação,

magnetismo, química, etc.

Todos: granulometria!

Aplicações:

Concentração de minérios;

Separação de rejeitos industriais;

Tratamento de água;

Separação de resíduos domésticos;

Separação de resíduos de construção civil;

Descontaminação de solos;

Reciclagem de pneus;

Reciclagem de baterias;

Etc...

Porque separar partículas sólidas?

Porque separar?

Sequeirinho

Sossego

Porque separar?

Salobo

Porque separar?

Vídeo Mirabela

Exemplos de fluxogramas – níquel

sulfetado

Exemplos de fluxogramas – minério

de ferro

aço = liga de ferro e carbono

propriedades:

• forjável a quente e a frio

• tratável termicamente

• magnético

• processo barato de produção: alto forno e refino

• tem suas propriedades alteradas por elementos de liga

minérios abundantes, jazidas superficiais e de grande volume:

• produção barata

• abundância de oferta

• concentração fácil = concentrados de alto teor

o minério de ferro para

redução em alto-forno

precisa ser:

• grosso (ou aglomerado),

• isento de finos,

• ter teor de Fe elevado,

• ter teor de SiO2 baixo,

• não ter contaminantes (P, S)

produção de aço = redução do minério em alto forno +

refino

de ferro

processos de beneficiamento de minérios:

densitários – hematita, d = 5,2, quartzo, d = 2,7

espirais concentradoras

de ferro

Separador

Jones (WHIMS)

de ferro

processos de aglomeração

de finos:

- sinterização,

- pelotização,

- briquetagem

de ferro

Pelotização

de ferro

Briquetagem

PLANTA B

PLANTA A

PLANTA D

PLANTA C

No Brasil não temos a cultura do uso do carvão !

balanço energético brasileiro

energia %

petróleo 42,0 gás natural 8,8 carvão vapor 1,2

carvão metalúrgico 0,1 U3O8 0,7

total de não renováveis 52,7

hidráulica 14,5 lenha 14,2 bagaço de cana 15,5

outras 3,2

total de renováveis 47,3

Exemplos de fluxogramas – carvão

Fonte: BP (2008)

Fonte: EIA (2007)

Em termos mundiais:

4,7 bilhões de t/ano.

E este número está crescendo !

É a mais importante de todas as commodities minerais !

Polônia, China, EUA, Austrália

Colômbia, Venezuela

França, Alemanha, Bélgica, Holanda, UK

EletróliseMinério

primário

Minério

oxidado

Britagem

Moagem

Flotação

Secagem

Mina BritagemAglome-

ração

Lixiviação

em pilhas

Concentrado

30% Cu

de fusão

45-60% Cu

blister

98,5% Cu

Conversor

Refino

do anodo

Eletrorrefino

99,7% Cu

Eletrólito

40-60 g/l Cu

Extração

por solventes

1-10 g/l Cu

Separação

Sólido-

Líquido

Fusão e

trefilação

Vergalhão

Fabricação

Produtos

de cobre

Au, Ag

Lixiviação de

concentradoTratamento

do rejeito

Pirometalurgia

Hidrometalurgia

Concentração

Fabricação

H2SO4 orS elem.

Catodo

de cobre

Exemplos de fluxogramas – cobre

Minério sulfetado

Mas e eu com isso???

Será que é possível usar os

conceitos de beneficiamento de

minérios para resolver esses

problemas???

Processamento de lixo doméstico

http://www.youtube.com

/watch?v=VqXQOqa1X

Perfil do lixo produzido nas grandes

cidades brasileiras:

1. 39%: papel e papelão

2. 16%: metais ferrosos

3. 15%: vidro

4. 8%: rejeito

5. 7%: plástico filme

6. 2%: embalagens longa vida

7. 1%: alumínioFonte: ambiente brasil

fonte: Hoberg, 1993

Reciclagem de carros

http://www.youtube.com/watch?v

=ipgpwwBB9G0fonte: Hoberg, 1993

Reciclagem de pneus

http://www.youtube.com/watch?v

=29TFF07Ubkw

Reciclagem de lixo eletrônico

http://www.youtube.com/watch?v=w5

varrki7gc&feature=relatedfonte: Hoberg, 1993

Reciclagem de baterias

fonte: Hoberg, 1993

Tratamento de esgotos

http://www.youtube.com/watch

?v=UteJqfmnxZU

Descontaminação de solos

fonte: Hoberg, 1993

Reciclagem de resíduos de

construção civil

http://vimeo.com/11091114

Noções básicas

Ler Capítulo 1 do livro:

Teoria e prática do Tratamento de Minérios:

Bombeamento de polpas e classificação. Volume 1.

2012. 4 edição. Autores: Arthur Pinto Chaves e

colaboradores

Noções básicas

Ler Capítulo 1 do livro:

Tratamento de Minérios. 2010. 5 edição. Autores:

Adão Benvindo da Luz, João Alves Sampaio e Silvia

Cristina A. França

http://www.cetem.gov.br/biblioteca/publicacoes/livros

Massa de um elemento ou substância pura, referido a

massa total em consideração, sempre considerando-

se o peso seco.

Teor de um elemento: gramas de ouro por tonelada de minério;

Teor de uma substância ou mineral: % de caulinita (Al2Si2O5(OH)4) em uma

argila;

Teor de parte constituinte de um mineral: % de P2O5 em um fosfato;

Teor de um conjunto de minerais, substâncias ou elementos: % de terras

raras em um mineral;

100% de massa

100% de calcopirita

34,43% de cobre

100% de massa

30% de calcopirita

10.33% de cobre

Exercício:

1) Qual o teor máximo de ferro de uma hematita?

Dados:

Hematita: Fe2O3

Pesos atômicos: Fe: 56, O: 16

Densidade:

Densidade real: massa das partículas pelo seu

volume

Densidade aparente: considera o volume de vazios

Umidade:

Quantidade de água presente no sólido dividida

pela massa de sólidos (seca). Chama de umidade

base seca, que é a referência em tratamento de

minérios.

Porcentagem de sólidos:

É a massa de sólidos (seca) dividida pela massa de

polpa (massa de sólidos mais massa de água). Em

tratamento de minérios, o padrão é a porcentagem

de sólidos em peso, salvo menção em contrário.

Porcentagem de sólidos

Pode ser determinada também pela densidade de

polpa (Dp), Densidade dos sólidos (Drs) e densidade

do líquido (Drs):

Massa de sólidos

Pode ser determinado a partir da densidade de

polpa (Dp), volume de polpa (V) e porcentagem de

sólidos (%sol):

Densidade, Umidade, % solidos

Exercício:

5) Em 100 g de uma polpa a 10% de sólidos em massa, quantos

g de sólidos existem? E de água?

8) Qual a porcentagem de sólidos em volume (v/v) de uma

polpa a 10% de sólidos? A densidade do sólido é 3,0 t/m3.

9) Quanta água eu preciso adicionar a uma polpa a 60% de

sólidos em massa para leva-la a 35%? A vazão considerada é

de 300 t/h de sólidos.

10) Qual a umidade base úmida de um material com 10% de

umidade base seca?

Densidade, Umidade, % solidos

Exercício:

11) Uma amostra de minério pesou 14,4 kg. Após a secagem,

este peso passou para 13,6 kg. Qual a umidade do minério?

Qual a sua porcentagem de sólidos?

12) A amostra do exercício anterior foi colocada em um

recipiente no qual já havia 10 l de água. O volume do recipiente

subiu para 14,9 l. Previamente havia sido medido o volume de

material seco, que se verificou ser de 9,2 l. Pergunta-se: quais as

densidades real e aparente do material seco?

Área específica

Quociente da área de uma partícula pelo sua massa

(ou volume);

Pode ser medida pela adsorção de gases,

permeametria blaine, permeametria fischer, BET....

Na indústria de minério de ferro e cimenteira, é

usada principalmente o método blaine, funcionando

na prática como uma medida de granulometria.

Área específica

Exercício:

10) Qual a área específica de um cubo com uma massa

específica de 2,9 t/m3 e 1 m de lado.

Se este cubo for dividido em 8 partes iguais, qual será

a nova área específica total dos 8 cubos? Se estes 8

cubos forem divididos novamente em 8 partes iguais,

qual será a área específica total dos 64 cubos?

Distribuição granulométrica

A medida de tamanho por ser feita de duas

maneiras:

Medidas reais de uma ou mais de suas dimensões;

Representação por uma esfera de tamanho

equivalente.

Medida de tamanho em laboratório:

Classificação por peneiras: 5 – 100.000 mm*;

Difração laser: 0,1 – 2.000 mm*;

Microscopia ótica: 0,2 – 50 mm*;

Microscopia eletrônica: 0,005 – 100 mm*;

Elutriação (cyclosizer): 5 – 45 mm*;

Sedimentação (gravidade): 1 – 40 mm*;

Sedimentação (centrifuga): 0,05 – 5 mm*.

* Tamanhos aproximados.

Correção entre métodos (usar com cautela, varia

conforme o material):

Métodos de determinação de

tamanho de partículas

Escolha do método:

Diferenças entre métodos:

Métodos de determinação:

peneiramento

Função de 2 dimensões:

Máxima largura;

Máxima espessura.

Diâmetro nominal:

Obtido por comparação com um padrão (malha);

Definido pela menor dimensão da abertura da malha pela qual passa

a partícula;

“malha” significa o número de aberturas contidas por polegada

quadrada.

peneiramento

Peneiras de laboratório: Circulares: 20,3 cm (8”), 15,2 cm (6”) ou 7,6 cm (3”);

Circulares ou quadradas de 50 cm de diâmetro.

peneiramento

Séries padronizadas de peneiras:

German standard;

DIN 4188;

ASTM E11;

American Tyler;

French standard;

British BS 1796.

peneiramento

Séries padronizadas de peneiras (obs.: mesh=linhas por pol):

peneiramento

Peneiradores de laboratório:

Agitador de peneirasAgitador de peneiras quadradas

peneiramento

Peneiradores de laboratório:

Peneirador suspenso vibratórioRotap

peneiramento

Escolha das malhas de peneiramento: Em geral, as séries de peneiramento tem peneiras a cada raiz

quarta de 2 (1,189) ou raiz décima de dez (1,259).

É suficiente uma razão raiz de 2 (1,414) entre uma malha e

outra;

Ao redor da malha de interesse, pode-se usar a raiz quarta de 2

entre as malhas.

peneiramento

Representação de resultados: Tabelas:

Frequência (%) de diâmetros por intervalo de tamanho;

Histogramas;

Curvas de distribuição de frequências:

Escala linear;

Escala logarítmica;

Curvas acumuladas de distribuição de frequências:

Linear;

Logarítmica (Gaudin-Schuhmann);

Probabilidade (Gauss);

Rossin-Rammler.

peneiramento

Representação de resultados: Tabelas:

Frequência (%) de diâmetros por intervalo de tamanho;

peneiramento

Representação de resultados: Curvas de distribuição de frequências com histograma:

Escala linear;

peneiramento

Representação de resultados: Curvas acumuladas de distribuição de frequências:

Linear / Logarítmica (Gaudin-Schuhmann);

peneiramento

Representação de resultados: Curvas acumuladas de distribuição de frequências:

Probabilidade (Gauss) / Rossin-Rammler.

peneiramento

Representação de resultados: Comparação entre escalas de frequência acumulada:

peneiramento

Representação de resultados:

peneiramento

Normas:

AS 1411.11 (1980) Distribuição do tamanho

de partículas por peneiramento a seco (para

pedreiras);

AS 3881 (1991): granulometria de carvão;

ISO 2591-1 (1988): peneiramento com telas

de malha e metal;

BS 1796 (1976): análise granulométrica.

Exercício:

15) Dada a distribuição granulométrica de

alimentação e produto de um circuito de

moagem, informar o F80 e P80 do moinho.

Exercício:

0,00 0,01 0,10 1,00 10,00 100,00 1000,00

Passan

Malha (mm)

Alimentação moagem

Exercício:

0,00 0,01 0,10 1,00 10,00

Passan

Malha (mm)

Overflow dos ciclones (produto moagem)

Exercício:

16) Em uma operação de peneiramento, 250 t/h de minério são

alimentadas em peneira com tela de 2”, resultando em 161,5 t/h de

oversize, segundo as distribuições granulométricas apresentadas abaixo.

Qual o P98, P80 e P50 dos três fluxos desta peneira? Qual a vazão em

massa do undersize?

Malha 8” 4” 2” 1” ½” ¼” -1/4”

Alimentação (%) 0 22,0 33,0 18,0 12,0 10,0 5,0

Oversize (%) 0 34,1 51,1 13,0 0 0 1,9

Undersize (%) 0 0 0 27,1 33,9 28,2 10,7

Balanço de massas, metalúrgico e

de água:

É o conceito mais importante do Tratamento de

minérios e a principal ferramenta do engenheiro

tratamentista. Baseia-se na Lei de Lavoisier: todas as

massas que entram em uma operação unitária tem

que sair nos seus produtos.

de água:

Representação gráfica:

de água:

Representação gráfica:

Balanço de massas, metalúrgico e de

Recuperação do mineral de interesse:

flotado (silica) deprimido (bauxita)

Fonte: University (2005)

de água:

Recuperação em massa:

Recuperação em metalúrgica:

Dedução...

de água:

Distribuição/partição: é a massa total do elemento de

interesse em determinado fluxo divido pela massa total do

elemento de interessa na alimentação.

É representado pela % de material de interesse em um

referido produto;

O conceito de distribuição/partição é semelhante ao de

recuperação, ou seja, a massa de metal recuperado em um

determinado produto. Deve-se atentar que o conceito

recuperação em massa e metalúrgica normalmente se refere

a massa de mineral ou do elemento útil que se reportou ao

concentrado.

de água:

Distribuição:

Process

10 grams of gold in

1 tonne of ore

Tailing:

2 g of Au in

~1 tonne of tailingConcentrate:

8 g of Au in 300 g of

concentrate

Distribuição/partição/recuperação do ouro para o concentrado. = 80%

Distribuição do ouro para o rejeito = 20%

Minério/ROM:

10 g de ouro em 1

ton de minérioConcentrado:

8 g de ouro em 300 g

de concentrado

Rejeito:

2 g de ouro em

aproximadamente 1

ton de rejeito

de água:

Distribuição: De forma similar a recuperação, a

distribuição é calculada pela ponderação da massa

e teor do fluxo em questão pela massa e teor da

alimentação:

Tp = Teor do produto (%)

Ta = Teor de alimentação (%)

Mp = Massa de produto (g ou kg ou ton) ou % massa

Ma = Massa de alimentação (g ou kg ou ton) ou % massa

de água:

Exercício

19) Dados os teores de alimentação, concentrado e rejeito de

uma usina de beneficiamento de minério de ferro, calcular a

recuperação em massa e metalúrgica desta usina.

Dados:

Teor de alimentação: 48%

Teor de concentrado: 64%

Teor de rejeito: 30%

de água:

Exercício

- 20) Dispomos das seguintes informações sobre uma

dada operação unitária:

Complete a tabela.

Vazão de

sólidos (t/h)

% sólidos % Fe Vazão de

polpa (t/h)

Vazão de

água (m3/h)

Alimentação 40 48 48

Concentrado 25 64

Rejeito 50

Indicadores de desempenho

40 t/h sólidos

10 umidade b.s.

50 % Fe

25 t/h sólidos

7 umidade b.s.

64 % Fe

? t/h sólidos

umidade b.s.

operação unitária

outra condição:

40 t/h sólidos

10 umidade b.s.

50 % Fe

25 t/h sólidos

7 umidade b.s.

64 % Fe

? t/h sólidos

umidade b.s.

usina de beneficiamento

Qual das duas condições é mais interessante?

Como avaliar o desempenho desta operação em

termos de resultados ?

1 – ENRIQUECIMENTO

teor do concentradoE = -------------------------------

teor da alimentação

primeiro caso:

64 E = ------ = 1,28

Existem três indicadores básicos:

segundo caso:

66 E = ------ = 1,32

2 – RECUPERAÇÃO (de massa)

massa do concentrado x 100R = ----------------------------------

massa da alimentação

primeiro caso:

25 E = ------ = 0,625

ou 62,5%

segundo caso:

23 E = ------ = 0,575

ou 57,5%

3 – RECUPERAÇÃO METALÚRGICA

massa do elemento de

interesse no concentrado x 100RM = -------------------------------------

massa do elemento de interesse na alimentação

primeiro caso:

25 x 0,64 RM = -------------=0,80

40 x 0,5

ou 80,0%

segundo caso:

23 x 0,66 RM = -------------=0,76

40 x 0,5

ou 76,0%

Que significam eles ?

1 – ENRIQUECIMENTO

Quantas vezes o teor do elemento de interesse

aumentou no concentrado.

No primeiro caso:

64 E = ------ = 1,28 vezes

Que significam eles:

2 – RECUPERAÇÃO (de massa)

Quanto da massa inicial (alimentação) foi para o

concentrado.

No primeiro caso:

25 E = ------ = 0,625 ou 62,5%

Que significam eles:

3 – RECUPERAÇÃO METALÚRGICA

quanto da massa do elemento de interesse, contida na

alimentação, passou para o concentrado

No primeiro caso:

25 x 0,64 RM = --------------- = 0,80 ou 80,0%

40 x 0,5

40 t/h sólidos

10 umidade b.s.

50 % Fe

25 t/h sólidos

7 umidade b.s.

64 % Fe

? t/h sólidos

umidade b.s.

15No exemplo:

talimentação – trejeito 50 – 26,7Rec = ------------------------- = ------------- = 0,625

tconcentrado – trejeito 64 – 26,7

usina de beneficiamento

Existem outros

avaliadores de desempenho?

SCHULTZ, N.F. Separation efficiency, Transactions

SME, AIME, v. 247 (mar 1970), p. 81-87

Descreve 37 indicadores

e propõe o seu.

REFERÊNCIAS:

CHAVES, A.P. Teoria e prática do tratamento de minérios. São Paulo: Signus Editora,

4 edição, 2012. vol. 1.

HOBERG, H. Applications of mineral processing in waste treatment and scrap

recycling. In: INTERNATIONAL MINERAL PROCESSING CONGRESS, 18th, 1993,

Sydney. Proceedings. Sydney: IMPC, 1993. p..

KAHN, H. Caracterização tecnológica de matérias primas minerais. Apostila do

Curso de Extensão de Caracterização tecnológica de matérias primas minerais. São

Paulo: Universidade de São Paulo, 2006.

NAKAO, O. Estratégias de educação, preparação e formação docente para o

ensino da engenharia. Palestra sobre ensino de engenharia. Poços de Caldas:

Universidade Federal de Alfenas, 2011.

NAPIER-MUNN, T.; WILLS, B.A. Wills’s mineral processing technology: an introduction

to the practical aspects of ore treatment and mineral recovery. 6th ed. Oxford:

Elsevier, 2006.

Imagens google images e do autor.

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