Por Alex Jankovic e Walter Valery*
Acrescente demanda da indústria mineral por desenvolvimento sustentável e o início da tributação sobre a quantidade de carbono emitido têm motivado a busca por circuitos de cominuição energeticamente mais eficientes. Porém, na busca por melhorias na eficiência energética, o papel da classificação tem sido desconsiderado. A classificação ineficiente e as grandes cargas circulantes reduzem a capacidade do circuito e resultam em sobre moagem e em maior consumo específico de energia.
É bem compreendido que a classificação aumenta a capacidade do moinho; por isso, circuitos com moinho de bolas fechados com baterias de ciclones tornaram-se o padrão na indústria. Entretanto, devido às limitações na eficiência de classificação dos ciclones, a carga circulante considerada ótima está limitada a aproximadamente 250%. Uma simples relação que quantifica o efeito da eficiência da classificação e a carga circulante sobre a capacidade do circuito de moagem é apresentada neste artigo. A possibilidade de melhora na produtividade de circuitos de moinhos de bolas através de melhorias na eficiência da classificação é discutida, considerando as atuais limitações práticas dos equipamentos. Ferramentas de simulação foram utilizadas para avaliar os circuitos com ciclones e com peneiras de alta frequência, visando identificar oportunidades de melhorarias na eficiência energética. Essa investigação também identificou os potenciais benefícios para a recuperação na flotação, devido à redução da sobre moagem.
Introdução
Ao longo dos anos, os circuitos de moagem com moinho de bolas fechados com ciclones se tornaram um padrão da indústria e, atualmente, são considerados o ‘carro chefe’ do processo de cominuição; grande parte (até 80%) de toda a energia utilizada para a redução do tamanho do minério é consumida nos moinhos de bolas. É bem compreendido que tanto a eficiência na etapa de classificação quanto a carga circulante têm grande influência sobre a eficiência da moagem em circuitos fechados (isto é, sobre sua capacidade de produzir o produto final desejado). Porém, o efeito de cada componente individualmente é difícil de quantificar na prática, pois estes dois parâmetros são inter-relacionados. Apesar da capacidade do moinho tender a aumentar com o aumento da carga circulante, foi estabelecido que a carga circulante ‘ótima’ é de 250% (Bond, 1962), devido às limitações da eficiência da classificação dos ciclones.
Em um relatório publicado em 1925, Edward W Davis da ‘Minnesota School of Mines’ demonstrou, pela primeira vez, a relação fundamental entre a taxa de alimentação e a carga circulante em um circuito fechado de moagem. De acordo com este trabalho, a capacidade de moagem de um determinado moinho é dobrada pela inclusão de um classificador que feche o circuito a uma carga circulante de 200%. Ao aumentar a carga circulante para 500%, ficou demonstrado que o fator de capacidade se eleva para 2,3.
Pesquisas sobre o efeito da eficiência da classificação na capacidade de um circuito de moagem também foram realizadas por Allenius e Heinonen (Allenius, 1968; Heinonen, 1973). A Figura 1 resume os resultados dos testes realizados nestes estudos e demonstra que a eficiência da classificação tem efeito crítico sobre a capacidade do circuito.
Figura 1 – Efeito da carga circulante e da eficiência da classificação na capacidade do circuito de moagem
O efeito da carga circulante e da eficiência da classificação foi investigado por Morrell (2008), que realizou estes em moinho de bolas com as dimensões padronizadas por Bond, variando a carga circulante e a eficiência da classificação. Foi relatado um aumento de 8% na eficiência de moagem quando a carga circulante foi aumentada de 150% para 400%. Para as finalidades deste artigo, é mais importante citar que a geração de produto final por revolução do moinho (gpr) aumentou 17% (isto é, a capacidade do moinho de produzir o produto final aumentou 17%). Aumentando-se o ‘by-pass’ do produto do moinho em relação à alimentação do moinho (o que simula uma menor eficiência da classificação), a eficiência da moagem caiu em até 9% e a capacidade caiu em até 15%. Isto confirma as conclusões obtidas nas pesquisas anteriores que indicaram que o aumento na capacidade do circuito, conseguido através de um aumento na carga circulante, pode ser reduzido, de maneira significativa, pela ineficiência na classificação.
Na abordagem das características de desempenho funcional na moagem de bolas (McIvor, 1988; McIvor, 1989 – 2008; McIvor, 2009; McIvor, 2011), os efeitos da carga circulante e da eficiência da classificação são quantificados com base nas amostragens de circuitos industriais e nos testes laboratoriais. O trabalho de McIvor confirmou que benefícios significativos poderiam ser alcançados em escala piloto com a melhora do desempenho da classificação e com o aumentando a carga circulante. Entretanto, ele também apontou várias limitações práticas que impedem a replicação plena, em escala industrial, de todos os benefícios observados sob condições laboratoriais.
1. MAusIMM, General Manager Technology and Innovation, Metso Process Technology and Innovation, Unit 1, 8 – 10 Chapman Place, Eagle Farm Qld 4009. Email: alex.jankovic@metso.com
2. FAusIMM, Senior Vice President – Global, Metso Process Technology and Innovation, Unit 1, 8 – 10 Chapman Place, Eagle Farm Qld 4009. Email: walter.valery@metso.com
Capacidade relativado moinho de bola
Para um fluxograma de circuito fechado de moinho de bolas, conforme representado na Figura 2, uma relação simplificada (Equação 1) de capacidade relativa a diferentes cargas circulantes e eficiências de classificação foi desenvolvida teoricamente (Magdalinovic, 1991) e validada utilizando informações já publicadas (Jankovic e Valery, 2012).,
Figura 2 – Fluxograma do circuito fechado de moagem
Equação 1 – Relação entre a capacidade relativa do circuito de moagem em difrerentes condicoes de carga
circulante e eficiêcnia da classifica&cce
dil;ão
Onde:
KQ = capacidade relativa do circuito de moagem (fração)
Q1, Q2 = capacidade do circuito de moagem sob diferente carga circulante e eficiência da classificação
C = carga circulante (fração)
E = eficiência da classificação (fração)
Há também uma relação direta entre a eficiência da classificação e a carga circulante (Hukki, 1965), conforme demonstrada na Equação 2.
Equação 2 – Relação entre a capacidade relativa do circuito de moagem em difrerentes condicoes de carga circulante e eficiêcnia da classificação
Onde:
‘b’ e ‘d’ são, respectivamente, as porcentagem de sólidas do produto mais grosso e do mais fino do classificador
C é a carga circulante
Esta relação indica que a eficiência da classificação diminui com o aumento da carga circulante quando a porcentagem de sólidos no produto grosseiro (b), permanece a mesma. Isto foi validado utilizando um grande número de dados provenientes de circuitos industriais (Hukki, 1965; Jankovic e Valery, 2012).
As duas equações anteriores foram utilizadas para realizar uma avaliação inicial de diferentes opções em circuitos fechados de moinhos de bolas. Essa indicou que existe potencial de aumentar a capacidade de um circuito de moinho de bolas através da melhoria da eficiência da classificação. Foi estimado que a capacidade do circuito pode ser aumentada entre 15 e 25% com o uso de peneiras finas substituindo completamente os ciclones ou operando com dois estágios de ciclonagem (Jankovic e Valery, 2012).
Efeitos consequentes
Além de economizar energia, operar um circuito de moinhos de bolas com maior eficiência de classificação pode resultar em benefícios adicionais nos processamentos seguintes devido às mudanças na distribuição granulométrica do produto. Classificação mais precisa e carga circulante maior reduzem a porcentagem de finos no produto final do circuito (Hukki e Allenius, 1968; Morrell, 2008). Estes autores também concluíram que, para fins práticos, as cargas circulantes acima de 400% não proporcionam vantagem que compensem.
Ao reduzir a da quantidade de finos, há potencial de melhora na recuperação por flotação. É bem compreendido que a recuperação por flotação diminui conforme o aumento na porcentaem de finos; partículas finas têm baixa frequência de colisão e flotam lentamente (Miettinen, Ralston e Fornasiero, 2010). Portanto, a redução da porcentagem de finos na alimentação da flotação poderia reduzir as perdas de flotação relacionados à presença de finos. Isso reforça a importância de se reduzir a sobre moagem que resulta do desempenho ineficiente da classificação. Luckie e Klimpel (1986) documentaram muitas relações entre a classificação e os processos sequentes. A sobre moagem é também um problema significativo para o beneficiamemnto de magnetita, pois altas quantidades de material com dimensões <10 µm reduzem a capacidade de filtragem do concentrado.
Com o intuito de avaliar o potencial do aumento da eficiência do classificador para melhorar a distribuição granulométrica do produto de circuito de moagem, testes de laboratório, conduzidos segundo Bond, foram realizados a diferentes eficiências de classificação e cargas circulantes. A Figura 3 mostra as distribuições granulométricas de produtos obtidos com uma peneira de abertura de 150 µm. Um minério PbZn foi usado para estes de testes
Os resultados podem ser discutidos em termos da porcentagem de finos (material passante em 38 µm). Pode-se observar na Figura 3 que a maior quantidade de material passante em 38 µm (que equivale a 35% passante nessa malha) foi obtida a partir de um teste com 250% de carga circulante e 50% de eficiência na classificação; uma faixa de operação normal nas operações modernas (Jankovic e Valery, 2012). Para mesma carga circulante de 250%, aumentando-se a eficiência de classificação para 100% diminuiu-se a quantidade de material passante em 38 µm para 22%.
Isto indica que está ocorrendo, na prática, uma sobre moagem significativa devido à baixa eficiência da classificação.
Figura 3 – Efeitos da eficiência da classificação (E) e da carga circulante (C) na distribuição granulométrica do produto
A uma carga circulante menor, de 100% e a uma eficiência de classificação de 75%, a quantidade de material passante em 38 µm fica em torno de 24%; apenas dois por cento a mais do que para uma classificação ideal a 250% de carga circulante. Esta condição de operação pode ser alcançada através do uso de peneiras ao invés de ciclones e poderia levar a uma redução significativa da sobre moagem e, consequentemente, em maior recuperação na flotação.
É interessante notar que a distribuição granulométrica obtida no teste com 600% de carga circulante e 50% de eficiência de classificação foi quase a mesma que a distribuição obtida no teste com baixa carga circulante (100%) e eficiência de classificação de 75%. A baixa porcentagem de finos resultante do teste com 600% de carga circulante é conseguida devido a um tempo de residência no moinho significativamente menor . Embora isto sugira que altas cargas circulantes podem ser utilizadas para diminuir a sobre moagem, deve-se enfatizar que, na prática, as eficiências de classificação se situam tipicamente na faixa de 20 a 40%, para cargas circulantes superiores a 400%. Portanto, é de se esperar uma sobre moagem maior comparado com os resultados deste teste, que registrou uma eficiência de classificação de 50%.
Uma alta porcentagem de finos foi registrada no teste com uma carga circulante de 50% e classificação ideal. Isto confirma a importância do controle do tempo de residência no moinho para se evitar a sobre moagem.
Baseado nos resultados apresentados acima, pode-se concluir que a aplicação de peneiramento para o controle de finos em circuitos fechados de moinhos de bolas pode, além de proporcionar uma redução significativa de consumo de energia na cominuição, também reduzir a sobre moagem e, potencialmente, levar a uma melhor recuperação na flotação.
Um benefício adicional do peneiramento em relação ao uso de ci
clones é que as peneiras
oferecem ‘verdadeira’ classificação, baseada unicamente em tamanho de partícula; a separação com o uso de ciclones é afetada pela densidade das partículas, além de seu tamanho.
Para os minérios em que o mineral útil é muito mais denso do que os minerais de ganga, o efeito desta densidade, na classificação por ciclones, pode aumentar a sobre moagem ao classificar de maneira errada os minerais úteis finos e densos.
Limitações práticas
Desde meados da década de 1950, os ciclones começaram a tomar o lugar dos classificadores mecânicos e, desde então, se tornaram o classificador predominante utilizado em circuitos fechados de moagem. São baratos, fáceis de usar, flexíveis e confiáveis. No entanto, o seu advento como meio de classificar a polpa na saída de um moinho foi identificado explicitamente como um obstáculo ao progresso no campo da moagem por um autor (de Kok,1975) e implicitamente por muitos outros (por exemplo, Dahlstrom e Kam, 1988; Dahlstrom e Kam 1992; Luckie e Klimpel, 1986; Heiskanen, 1979; Heiskanen, 1980).
Os ciclones facilmente permitiram o uso de moinhos maiores com as consequentes altas taxas de alimentação maiores do que as que os classificadores mecânicos conseguiam atingir com uma boa relação custo/benefício. Porém, esta mudança sacrificou a eficiência da classificação; os ciclones são menos eficientes do que os classificadores mecânicos.
Se os ciclones não tivessem surgido, a indústria teria sido obrigada a encontrar alternativas melhores para a separação granulométrica do que a atingida com apenas a classificação hidráulica (de Kok, 1975). A classificação por ciclone, mesmo quando ajustada e mantida corretamente, não consegue realizar uma separação precisa nos níveis de diluição que são práticos em plantas industriais. Em termos práticos, um ciclone pode produzir um overflow limpo ou um underflow moderadamente limpo – mas não os dois simultaneamente.
Aumentar a densidade da polpa de alimentação de um ciclone, o tamanho do corte aumenta (Jankovic, Valery e Clarke, 2006), mas diminui a eficiência de classificação. A Figura 4 ilustra os dados de eficiência da classificação provenientes de operações onde os ciclones são utilizados com diferentes finalidades – desde desaguamento à operação em circuito fechado de moagem e, portanto, operam em diferentes faixas granulométricas e densidades de alimentação. Conforme demonstrado na Figura 4, quando tratando alimentação diluída (<20% de sólidos), os ciclones são muito eficientes e produzem um produto bastante fino (-10 µm). Por outro lado, quando se faz necessária uma separação de material grosseiro (-300 µm), é necessário uma alta densidade de polpa (>50% de sólidos) e os ciclones, nesse caso, podem ser muito ineficientes.
Figura 4 – Efeito da densidade da polpa na eficiência de classificação dos hidrociclones
Os modernos circuitos de moinhos de bolas tipicamente almejam um produto P80 na faixa de 100 a 200 µm. Para atingir essa especificação de produto, os ciclones operam com porcentagem de sólido típicas de alimentação de 55-65% em massa, resultando em baixas eficiências de classificação, variando de 50 a 30% (Jankovic e Valery, 2012). A margem para melhoria através de uma otimização na geometria do ciclone, controle, etc. é limitada. Acredita-se que o potencial máximo (isto é, aplicando desde uma prática muito ruim à melhor) para aumentar a aparente eficiência de utilização de energia através da melhoria do desempenho do ciclone é de aproximadamente sete por cento (Morrell, 2008). Note que a operação de ciclones é bem compreendida, e os ciclones são, tipicamente, operados razoavelmente bem.
O uso de múltiplos estágios de classificação foi amplamente investigado como uma alternativa para melhorar o desempenho da classificação. Defende-se que a classificação em dois estágios oferece muitas vantagens em relação à classificação em estágio único (Heiskanen, 1979; Heiskanen 1980). Entre estas vantagens estão: maior exatidão de separação, menor consumo de energia, distribuição granulométrica mais estreita do produto fino e melhor desempenho nos processos de concentração.
Kelsall, Stewart e Restarick (1974) investigaram uma configuração com um cilindro e ciclone de duplo estágio em escala piloto, e também instalaram uma unidade protótipo em escala industrial em Broken Hill, Austrália. Apesar de satisfatório em escala piloto, o desempenho em escala industrial foi limitado. Como não se encontra qualquer outra referência à unidade de Broken Hill na literatura, assumi-se que tenha fracassado; apesar de Restarick ter persistido no conceito cilindro-ciclone por vários anos (Restarick, 1989; Restarick, 1991). Um conceito semelhante foi aplicado pela Weir Minerals para a classificação de rejeitos; a tecnologia ReCyclone, com injeção de água, conseguiu produzir um underflow com 15% ou menos de material passante em75 µm (Castro, Lopez e Switzer, 2009).
Luckie e Klimpel (1986) examinaram quatro casos de classificação de duplo estágio e reportaram uma melhora significativa na eficiência de classificação em cada um destes casos. Entretanto, as conclusões a que chegaram se basearam em resultados oriundos de simulações apenas, e não incluíam dados obtidos efetivamente em plantas ou ensaios. A simulação de circuitos de ciclones de múltiplos estágios é razoavelmente simples, mas, na prática, a operação dos ciclones de múltiplos estágios pode não ser tão simples e direta. As bombas ou tanques adicionais podem ocasionar instabilidade de operação, e a adição intermediária de água têm que ser cuidadosamente monitorada e controlada. O fato é que a classificação de duplo estágio, com a utilização de ciclones e outros dispositivos hidráulicos, ainda, até esta data, não foi amplamente aceita pela indústria devido às limitações na sua aplicação prática.
Em anos recentes, o desenvolvimento de peneiras de alta freqüência tem superado muitos dos problemas anteriormente encontrados no peneiramento contínuo de finos, tais como entupimento e baixa capacidade. Algumas das primeiras aplicações com carvão e polpas de minerais foram descritas por Kirk (1984) e Rogers e Brame (1985). Seus resultados mostram que o peneiramento de finos pode proporcionar uma classificaçã
;o precisa de al
gumas polpas, com pouco bypass de finos. Os mais recentes desenvolvimentos na tecnologia de peneiramento finos são discutidos por Barkhuysen (2009), e ele descreve melhoras de desempenho da classificação em vários locais, com cargas circulantes reduzidas e melhores produtividades.
Wheeler e Packer (2011) apresentam alguns dados da Compañia Minera Condestable no Peru, comparando o desempenho de ciclones e de peneiras de alta frequência. Neste caso, a aplicação da peneira de alta frequência reduziu a carga circulante de 204 para 96% e aumentou a eficiência da classificação de 62 para 85%. Como resultado, a produção também aumentou de maneira significativa (aproximadamente 20%). Porém, na maioria destes exemplos, a diferença entre a densidade dos minerais úteis e da ganga era grande, e os maiores benefícios foram conseguidos através da eliminação do ‘efeito da densidade’ na classificação. Portanto, apesar de demonstrarem a natureza interligada da carga circulante e da eficiência de classificação, e seu impacto sobre a capacidade do circuito, estes dados, em sua maioria, não se ajustam diretamente na discussão deste artigo.
Peneira de alta frequência versus ciclones
Uma análise dos benefícios econômicos a serem obtidos pela substituição de ciclones por peneiras de alta frequência foi realizada em uma pequena operação de ouro (1,5 milhões de toneladas por ano). A base para a comparação é um circuito SABC (Semi-Autogenous-Ball Mill-Crusher) com moinho de bolas em circuito fechado com ciclones. O circuito alternativo utiliza peneiras de alta frequência ao invés de ciclones. A capacidade do circuito de moagem avaliado é de 187,5 t/h e o circuito deve entregar um produto final com um P80 de 75 µm.
Dados da Compañia Minera Condestable (Wheeler e Packer, 2011) foram utilizados para estimar o número de peneiras necessárias e o custo financeiro associado ao investimento. Foi estimado que seriam necessárias seis peneiras Stack Sizer para alcançar uma eficiência de classificação de 80-90%, com painéis de telas de 0,12-0,15 mm para assegurar o tamanho de produto exigido (P80 de 75 µm).
O custo financeiro estimado para a aquisição e instalação de peneiras foi de US$ 2,5 milhões comparado com US$ 0,35 milhão para ciclones. A análise também considerou os maiores custos operacionais relativos à manutenção das peneiras e peças de reposição (painéis), que foram estimados em US$ 0,235 milhão por ano. A economia de energia proporcionada pela substituição dos ciclones por peneiras num circuito fechado de moinho de bolas foi estimada se situar na faixa de 10 e 25% (Jankovic e Valery, 2012).
Baseado nas condições e premissas descritas acima foi realizada uma comparação de alto nível do valor presente líquido (VPL) em relação aos custos do circuito de cominuição para avaliar as diferenças chaves entre o circuito com ciclones e com peneiras de alta frequência. Os resultados da programação para dez anos, utilizando um taxa de desconto de oito por cento para as duas opções, encontram-se resumidos na Figura 5. Esta análise indica o preço de energia e as economias de energia necessárias, num circuito com moinho de bolas, para justificar os custos adicionais associados ao uso de peneiras de alta frequência no circuito em questão. Pode-se concluir o seguinte:
• Com um custo de energia de aproximadamente US$160/MWh ou superior, as peneiras de alta frequência se justificam se a economia de energia conseguida for de 15% ou mais no circuito de moinho de bolas. Considerando que 15% se situa na faixa mais baixa de economia de energia estimada, a adoção de peneiras de alta frequência será, provavelmente, justificável para uma operação com estas condições na Austrália, por exemplo, onde os custos de energia são, tipicamente, em torno de US$150/MWh
• Em países onde a energia elétrica é barata, tais como nos países nórdicos onde o custo de energia se situa em torno dos US$ 70/MWh, seria difícil justificar, neste momento, a aplicação de peneiras de alta frequência.
Figura 5 – Sensibilidade do VPL a economia de energia e a preço de energia
O imposto sobre a emissão de carbono não foi incluído nesta análise e poderá acrescentar em torno de 10% ao custo de energia elétrica (McNab et al, 2009). Isto aumentaria a vantagem proporcionada pela peneira de alta frequência.
Esta análise baseou-se em um circuito com capacidade relativamente pequena (1,5 milhões de toneladas por ano) e minério de dureza muito alta. As conclusões somente são relevantes para condições semelhantes. Por exemplo, para casos em que o minério fosse muito mais macio, o custo da energia teria um efeito significativamente menor sobre o VPL e, portanto, seria mais difícil justificar a peneira de alta frequência. Para os circuitos com maior capacidade, o aumento do custo financeiro para o peneiramento de finos, comparado com ciclones, seria muito mais alto do que para os circuitos pequenos, e a aplicação de peneiras de alta frequência talvez somente seja justificável para preços de eletricidade mais altos do que são tipicamente praticados neste momento. Mesmo assim, recomenda-se que seja considerado o peneiramento de finos em qualquer circuito novo de cominuição, ou em expansões destes circuitos, nos países com altos preços de eletricidade, como na Austrália.
Conclusão
O papel da classificação no desempenho de circuitos de moagem parece ter sido esquecido ou ignorado nos atuais esforços para reduzir o consumo de energia no processo de moagem. A eficiência energética de circuitos de moinhos de bolas e a qualidade do seu produto final podem ser melhoradas de maneira significativa através do aumento da eficiência da classificação. Estima-se que o potencial prático de reduzir o consumo de energia através do melhoramento da eficiência da classificação poderia ser da ordem de 15 a 25%. Além disso, a recuperação por flotação deve melhorar devido à redução da sobre moagem.
O potencial de aumentar a eficiência da classificação através da otimização dos ciclones é razoavelmente limitado, com a melhora máxima (considerando desde um desempenho muito fraco até as melhores práticas) estimada em sete por cento. A classificação em duplo estágio com hidrociclones foi proposto no passado para melhorar a eficiência de classificação, mas não foi, até agora, aceita amplamente pela indústria devido às limitações práticas
relacionadas ao
controle e instabilidade de operação.
A aplicação da tecnologia de peneiramento de finos em circuitos de moinhos de bolas está, atualmente, limitada a aplicações específicas, mas possui grande potencial para uma aplicação mais ampla. As peneiras de alta frequência podem alcançar eficiências de classificação mais altas e cargas circulantes menores, resultando em aumento da capacidade do circuito e menor consumo específico de energia. Em países como a Austrália, onde o preço da eletricidade é alto, e previsto a aumentar, o peneiramento de finos deve ser considerado para qualquer circuito novo de cominuição, ou expansão de circuito, e deve ser avaliado durante os estudos de engenharia.
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*Alex Jankovic, general manager Technology and Innovation; e Walter Valery, senior vice president – global, ambos da Metso Process Technology and Innovation.
