Projeto premiado com o 16 Prêmio de Excelência da Indústria Minero-metalúrgica Brasileira 13 de maio de Hotel Ouro Minas - Belo Horizonte (MG)

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1 Projeto premiado com o 16 Prêmio de Excelência da Indústria Minero-metalúrgica Brasileira 13 de maio de Hotel Ouro Minas - Belo Horizonte (MG) o Tel. (11) premiodeexcelencia@revistaminerios.com.br / eventos@revistaminerios.com.br

2 Análise comparativa das frotas de transporte pesado (eletro-diesel X mecânicos) Estudo de caso: Mina Casa de Pedra (CSN) Walter Schmidt Felsch Junior 1 Adilson Curi 2 Edmo da Cunha Rodovalho 3 Bruno Prado Meireles 4 1 Engenheiro de Minas, CSN, Companhia Siderúrgica Nacional; Mestrando em Engenharia Mineral, PPGEM UFOP 2 Prof. UFOP, Univ. Fed. Ouro Preto, Prog. Pós- Grad. Dept. Eng. Mineral 3 Prof. UNIFAL, Univ. Fed. Alfenas 4 Gerente de Planejamento de Mina, CSN, Companhia Siderúrgica Nacional 1 Introdução O transporte por caminhões é amplamente utilizado na mineração. Segundo Rodrigues (2006), é reconhecido que a de caminhões e equipamentos de carga é um dos itens mais importantes no custo da de mina como um todo, sendo o óleo diesel o insumo com maior participação. Se tratando de mineração a céu aberto, as atividades se iniciam com a preparação da área a ser lavrada para perfuração e desmonte. Após estas etapas, o equipamento de carga é deslocado para a frente de lavra desmontada e é iniciado o processo de e transporte. Os caminhões carregados transportam o material até pontos determinados de descarga: britadores, estoques de minério e pilhas de estéril. Em seguida são alocados para nova frente de lavra disponível, onde repetirão as mesmas operações. Em resumo, o ciclo de um caminhão é composto pelas seguintes etapas: Deslocamento vazio,, deslocamento cheio e. Para Baloo (2008), a seleção do perfil dos equipamentos de transporte se baseia nos seguintes critérios: Equipamentos de carga compatíveis com o tipo de minério e estéril a serem lavrados; Disponibilidade de capital e prazos de entrega; Taxa de produtividade realizada; Geometria e perfil de transporte da cava. Os caminhões utilizam quantias significativas de óleo diesel que é uma fonte de energia essencial para a indústria de mineração. De acordo com Thompson & Visser (1996), os procedimentos operacionais influenciam nos custos de manutenção e utilização de energia dos equipamentos. A velocidade dos caminhões, especialmente nas curvas, frenagens bruscas e características das superfícies das estradas, pode afetar o consumo de combustível e também custos com desgaste e substituição de pneus (Chester & Harrison, 1987). Se tratando de minerações à céu aberto, muitos parâmetros podem afetar a eficiência dos equipamentos de transporte, sendo alguns deles: (Australian Gov., 2010): Planejamento e layout de mina; Velocidade, carga média e tempo de ciclo dos equipamentos; Tipo de pneu utilizado e resistência ao rolamento; Idade e tipos de manutenção dos equipamentos; Condição das praças de e ; Tempo ocioso e horas improdutivas; Padrões de mudança de parâmetros de funcionamento do motor e transmissão.

3 A compreensão da eficiência energética de um caminhão não deve ser limitada à análise de parâmetros específicos do equipamento. As empresas de mineração podem encontrar maiores benefícios expandindo a análise de dados, incluindo outros fatores que afetam o consumo energético utilizado em toda a frota, entre eles: o sistema de tração dos equipamentos, gradiente de elevação das estradas e o perfil de transporte. 2 Estudo de Caso A mineração "Casa de Pedra", pertence ao grupo CSN (Companhia Siderúrgica Nacional), está localizada na cidade de Congonhas, estado de Minas Gerais. A extração de minério de ferro é realizada desde 1913, sendo a mina de ferro mais antiga em no país. O método de lavra é o open pit mining (bancadas a céu aberto), com remoção do material estéril; perfuração, desmonte, carga e transporte do minério. A lavra é realizada de forma descendente, em níveis horizontais, em bancadas de 13m de altura e bermas de 8m de largura. Os ângulos de talude variam entre 36 e 45, conforme a litologia e os parâmetros geotécnicos pertinentes. O minério extraído possui três destinos: estoques de ROM (Run Of Mine), pilhas de minério de oportunidade (área de empilhamento de itabiritos com baixo teor de ferro que podem ser processados mediante aumento da capacidade de processamento deste tipo de material por parte da planta de beneficiamento) e britagem primária. Na mineração são utilizados dois britadores primários, sendo um britador cônico e outro de mandíbulas. O estéril removido é destinado para a o depósito controlado de estéril. Também são realizadas operações de serviços auxiliares (dump) que são materiais utilizados para manutenção, revestimento de acessos e formações de leiras. Casa de Pedra é uma mina que utiliza o sistema convencional de transporte de minério e estéril através de caminhões. Contudo, os caminhões fora de estrada desta mineração possuem várias alternativas de perfis de transporte, o que influencia diretamente o seu desempenho. A mina é composta por quatro regiões de lavra: Corpo Principal e Oeste (lavra em cava); Corpo Norte e Serra do Mascate (lavra em encosta), conforme figura 1. O corpo Principal e o corpo Oeste possuem um perfil de transporte onde os caminhões necessitam trafegar carregados em perfil ascendente e vazios no perfil descendente, pois suas frentes de lavra em situam-se em cotas mais baixas e as cavas já estão em um estágio de desenvolvimento avançado. Já no corpo Norte e Serra do Mascate, é observado que as cotas das frentes de lavra são superiores às cotas das pilhas de estéril, estoques e britagem primária; logo, os caminhões trafegam (predominantemente) carregados no perfil descendente e vazios no perfil ascendente.

4 Figura 1 - Perfil topográfico da mina Casa de Pedra, identificando as cavas operacionais A figura 2 representa a superfície topográfica de mina, onde estão ilustradas as linhas que representam todos os perfis de transporte utilizados atualmente na mineração. A cor vermelha indica um perfil de transporte ascendente, a cor verde indica perfil de transporte descendente e a cor azul indica que os locais onde o acesso é plano e não possui inclinação. Figura 2 - Superfície topográfica destacando os perfis de transporte Foi desenvolvida uma metodologia analítica para investigar o uso de energia nas operações de transporte. Esse método usa as características da rota aliado aos sistemas de tração dos caminhões (mecânico ou diesel-elétrico) para realizar análises comparativas do uso da energia dos caminhões.

5 3 Objetivo Considerando as várias alternativas para transporte na mina, o objetivo principal foi comparar o desempenho dos caminhões nas duas rotas principais utilizadas na mina, que representam cerca de 68% das viagens realizadas pelos caminhões. Os parâmetros utilizados foram: consumo de óleo diesel, produtividade efetiva e tempos de ciclo operacionais. Estes indicadores serão comparados nos seguintes perfis de : transporte de material na ascendente com deslocamento vazio na descendente e transporte de material na descendente com deslocamento vazio na ascendente. 4 Metodologia Na mineração, são utilizados dois tipos de frotas de equipamentos de transporte: - Frota com sistema de tração mecânico (20 equipamentos); Frota com sistema de tração diesel-elétrico (13 equipamentos). Basicamente, as rotas de transporte são definidas como: - Transporte de material para uma cota inferior com deslocamento vazio na ascendente. - Transporte de material para uma cota superior com deslocamento vazio na descendente. Neste estudo, vários testes foram realizados para verificar a tendência de cada uma das frotas de transporte nas rotas disponíveis. Através destes testes, foi possível identificar as diferenças, as vantagens e desvantagens de cada frota de transporte nos perfis de transporte analisados. 4.1 Primeira Fase do Teste: Transporte de material para uma cota inferior Neste caso específico (CSN, 2012) o equipamento usado para foi uma escavadeira Komatsu PC5500 (EX44), localizada no Corpo Norte da Mina, com elevação de 1445 metros. O destino do material escavado foi o britador, que tem uma cota de 1210 metros. A distância média do trajeto foi calculada em 5,5 quilômetros. A Figura 3 ilustra a rota de transporte de minério originado da frente de lavra onde está situada a EX44 até o no britador. EX44 Britador Figura 3 - Contorno característico de rota do transporte de material para um nível inferior.

6 4.2 Segunda fase do teste: Transporte para um nível superior No caso específico (CSN, 2012) o equipamento usado para foi uma escavadeira Komatsu PC5500 (EX44) localizada no banco com elevação de 1220 metros. O destino foi o depósito controlado de estéril que possui cota de 1365 metros. Estimou-se o deslocamento médio dos caminhões em 4,0 quilômetros. A Figura 4 ilustra o transporte de material estéril da frente de lavra onde está situada a EX42 até o no depósito controlado de estéril. Pilha de estéril EX42 Figura 4 - Contorno característico de rota do transporte de material para um nível superior 5 Resultados As tabelas 1 e 2 mostram os tempos médios de ciclo e velocidade média dos equipamentos, coletados durante a primeira fase do teste. Na tabela 3, são apresentados os resultados do consumo médio de óleo diesel (l/h), consumo específico de óleo diesel (l/t) e produtividade efetiva (t/h) dos caminhões. Equipamento Tabela 1 - considerando os ciclos da frota mecânica Frota Mecânica Tempo de manobra Velocidade Média (km/h) TB 403 0,70 1,69 2,29 1,09 1,23 7,51 17,56 TB 418 0,80 1,33 2,44 0,85 1,34 9,62 18,48 Total 0,75 1,51 2,37 0,97 1,29 17,13 18,02

7 Tabela 2 - considerando os ciclos da frota diesel-elétrica Frota Diesel - elétrica Equipamento manobra Velocidade Média (km/h) TB 502 1,65 1,62 2,21 1,21 1,31 9,13 18,37 TB 510 0,73 0,52 1,98 0,98 1,26 8,41 18,92 Total 1,19 1,07 2,10 1,10 1,29 17,54 18,65 Tabela 3 - Consumo médio de óleo diesel (l/h), consumo específico de óleo diesel (l/t) e produtividade (t/h) dos caminhões considerando a primeira fase do teste Origem Desempenho dos caminhões - Fase 1 Destino Produção (t) Consumo de diesel (l) Produtividade (t/h) Consumo médio de diesel (l/h) Consumo específico de diesel (l/t) TB , ,8 401,86 147,24 0,3664 EX 44 Britador TB , ,9 375,26 152,07 0,4052 Total Frota Mecânica 388,56 149,66 0,3858 TB , ,4 363,09 155,03 0,4270 EX 44 Britador TB , ,2 381,21 155,79 0,4087 Total Frota Diesel-Elétrica 372,15 155,41 0,4178 As tabelas 4 e 5 mostram os tempos médios de ciclo e velocidade média dos equipamentos, coletados durante a segunda fase do teste. Na tabela 6, são apresentados os resultados do consumo médio de óleo diesel (l/h), consumo específico de óleo diesel (l/t) e produtividade efetiva (t/h) dos caminhões. Tabela 4 considerando os ciclos da frota mecânica Frota Mecânica Equipamento manobra Velocidade Média (km/h) TB 403 0,82 1,34 2,63 1,17 1,26 7,25 15,12 TB 418 0,48 1,71 2,82 0,94 1,21 7,47 16,39 Total 0,65 1,53 2,73 1,06 1,24 14,72 15,76

8 Tabela 5 - considerando os ciclos da frota diesel-elétrica Frota Diesel - elétrica Equipamento manobra Velocidade Média (km/h) TB 502 0,09 0,62 2,36 1,26 1,39 6,91 18,42 TB 510 0,25 0,61 2,52 1,21 1,28 7,12 17,72 Total 0,17 0,62 2,44 1,24 1,34 14,03 18,07 Tabela 6 Consumo médio de óleo diesel (l/h), consumo específico de óleo diesel (l/t) e produtividade (t/h) dos caminhões na segunda fase do teste Origem Destino Performance dos caminhões - Fase 2 Produção (t) Tempo de Consumo de diesel (l) Produtividade (t/h) Consumo médio de diesel (l/h) Consumo específico de diesel (l/t) TB 403 Pilha , ,7 317,10 173,20 0,5462 TB 418 EX 42 de estéril , ,9 339,09 186,06 0,5487 Total Frota Mecânica 328,10 179,63 0,5475 TB 502 Pilha , ,7 394,93 168,41 0,4264 TB 510 EX 42 de estéril , ,6 324,58 177,19 0,5459 Total Frota Dieselelétrica 359,76 172,80 0, Implantação em escala operacional Para expandir os resultados do teste a todos os equipamentos, foi fundamental envolver o despacho eletrônico, pois através do sistema foi possível tornar a alocação por perfil uma tarefa sistemática. A tarefa do técnico de sala de controle foi inserir algumas configurações no sistema de despacho que priorizavam os ciclos das frotas de transporte nos fluxos ótimos de acordo com os resultados dos testes. Todos os técnicos passaram por um treinamento específico para este trabalho. Vários fatores podem interferir na aplicação da metodologia, sendo os mais importantes: Disponibilidade física dos equipamentos (carga e transporte); Disponibilidade de nos estoques, pilhas e britadores; Prioridades de movimentação (alimentação da britagem, recomposição de estoques e remoção de estéril). Porém, é importante ressaltar que nenhuma restrição foi cadastrada no sistema de despacho, ou seja, ainda não existe relação entre este trabalho e a alocação dinâmica dos caminhões pelo sistema. Esta medida foi necessária para garantir que a implantação do trabalho não representasse uma interferência negativa na ferramenta de despacho eletrônico.

9 As figuras 5 e 6 ilustram a redução no consumo de óleo diesel nas duas frotas analisadas, comparando os meses de Setembro a Dezembro de 2011 com os meses de Janeiro a Abril de 2012: 0,390 0,380 0,370 0,360 0,350 Consumo específico de diesel (l/t) - frota mecânica 0,340 set/11 out/11 nov/11 dez/11 jan/12 fev/12 mar/12 abr/12 Frota mecânica Meta (redução de 3%) Média 2011 Média 2012 Figura 5 Acompanhamento do consumo específico de óleo diesel (l/t) para a frota mecânica 0,420 0,410 0,400 0,390 0,380 0,370 Consumo específico de diesel (l/t) - frota diesel-elétrica 0,360 set/11 out/11 nov/11 dez/11 jan/12 fev/12 mar/12 abr/12 Frota diesel-elétrica Meta (redução de 5%) Média 2011 Média 2012 Figura 5 Acompanhamento do consumo específico de óleo diesel (l/t) para a frota diesel-elétrica Podemos verificar uma redução de 5,9% no consumo de óleo diesel para os equipamentos da frota mecânica e 6,4% para os equipamentos da frota diesel elétrica. 7 Conclusão Vários fatores podem influenciar a intensidade energética mensurada, e mais especificamente, o desempenho dos equipamentos de transporte, através dos diferentes perfis operacionais verificados: Dureza da rocha e fragmentação; Densidade do material a ser escavado e transportado; Carga desmontada por explosivos ou corte de material utilizando tratores de esteira; Seleção de frota, incluindo o tamanho dos equipamentos em uso na mina. Como exemplo, um menor número de equipamentos maiores pode resultar em maior produtividade e eficiência energética; Planejamento de mina integrado com a eficiência energética, incluindo otimização da inclinação dos acessos e pontos de ;

10 Medidas de eficiência energética que incluem um conjunto de melhorias, como o treinamento dos operadores em melhores praticas na dos equipamentos, automação de plantas de iluminação e minimização do tempo ocioso do operador. De acordo com os testes específicos realizadas na mina (primeira fase e segunda fase) pode-se concluir: A frota que utiliza sistema de tração mecânico é mais produtiva e consome menos combustível transportando material para uma cota inferior, ou seja, se deslocando carregado em perfil descendente. A frota que utiliza sistema de tração diesel-elétrico é mais econômica e produtiva transportando material para uma cota superior, ou seja, se deslocando carregado em perfil ascendente. As conclusões finais dos testes são representadas nas figuras 7 e 8. Figura 7 Comparativo de produtividade efetiva de transporte (Primeira e Segunda fase). Figura 8 Comparativo de consumo de óleo diesel (Primeira e Segunda fase). Além de redução de consumo de combustível e aumento da produtividade efetiva de transporte, deve ser enfatizado o ganho ambiental. Nos três meses de testes foram salvos litros de combustível. O óleo diesel é um RNNR (recurso natural não renovável) e a redução de seu consumo está alinhada às políticas ambientais, pois promove a melhoria contínua (através da melhora do desempenho ambiental dos processos de lavra).

11 Os próximos estudos acerca do tema são: Avaliar o comportamento do consumo específico de diesel frente ao tempo de dos equipamentos; Realizar avaliações permanentes da relação entre os diferentes perfis de transporte e o consumo específico das frotas. Agradecimentos Agradecimento especial para a CSN (Companhia Siderúrgica Nacional) e UFOP (Universidade Federal de Ouro Preto) pelo suporte prestado. Referências Bibliográficas Australian Government Department of Resources, Energy and Tourism, Analyses of Diesel for mine haul and transport operations. A case study. Australia, BALOO, D.T Equipment selection at Tenke Fungurume Mining, Proceedings of Seventeenth International Symposium on Mine Planning and Equipment Selection, Beijing, China, pg , Ed. Univ. Laval/Int.Journal of Mining, Rec. Env. CSN, PowerView (Modular Mining) Relatório Técnico. "Relatórios técnicos de tempos de ciclo e consumo de combustível na Mina Casa de Pedra (Período: Setembro de 2011 a Abril de 2012)". CSN. Cia Siderúrgica Nacional. Congonhas/MG. Brasil. CHESTER, A. & HARRISON, R Vehicle operating costs evidence from developing countries. Highway design and maintenance standards series, Transportation Department, World Bank, Washington, D.C., USA. RODRIGUES, L. R Análise comparativa de metodologias utilizadas no despacho de caminhões em minas a céu aberto. Dissertação de mestrado, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, Brasil. THOMPSON, R.J., & VISSER, A.T "Maintenance scheduling and management of surface mine haul roads". Haul roads research project, Stage III contract report for AMCOAL, University of Pretoria, South Africa.