PMI INTRODUÇÃO À ENGENHARIA APLICADA À INDÚSTRIA MINERAL. Beneficiamento mineral: Aplicações e conceitos básicos PMI - EPUSP

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1 PMI 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

2 APRESENTAÇÃO DO CURSO Contato do Professor: Mauricio Guimarães Bergerman; Correio eletrônico: 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.

3 Para maiores informações... Sugestões para pesquisa bibliográfica/aquisição de livros (além da biblioteca da USP): Periódicos: Associações: link onemine Sites de programas de pós graduação no Brasil e no mundo:

4 Para maiores informações... 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 - Encontro Nacional de Tratamento de Minérios e Metalurgia Extrativa Congresso da ABM Semana de Estudos Mínero-Metalúrgicos

5 Para maiores informações... Sugestões para pesquisa bibliográfica/aquisição de livros: Entidades governamentais: Sebos: Outros:

6 Sugestões de bibliografia: CHAVES, A. P. (Org.). Teoria e prática do tratamento de minérios: v. 1 a 6 LUZ, A. B.; SAMPAIO, J.A.; FRANÇA, C.A. Tratamento de Minérios. CETEM/MCT, Disponível em: < SAMPAIO, C.H; TAVARES, L.M.M. Beneficiamento Gravimétrico. Porto Alegre: Editora da UFRGS, GUPTA, A.; YAN, D.; Mineral processing design and operation: an introduction. Elsevier, p. Disponível em: < KELLY, E. G.; SPOTTISWOOD, O.J. Introduction to mineral processing p. Mineral Processing Technology Barry Wills e Tim Nappier-Munn SME Mineral processing handbook Manual de britagem Metso

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17 Consumo de bens minerais fonte: USGS, 2002 apud SCLIAR, 2004

18 Gasto de energia

19 O Grande Papel de uma nova Engenharia: Pensar, projetar e executar com novos critérios... fonte: Nakao, 2011

20 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

21 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 Reúso fonte: Nakao, 2011

22 Competência= (Conhecimentos + Habilidades) Atitudes Competência = (Conhecimentos + Habilidades) Atitudes + + valor+ emoção fonte: Nakao, 2011

23 ETAPAS DA MINERAÇÃO

24 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

25 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!

26 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...

27 Porque separar partículas sólidas?

28 Porque separar? Sossego Sequeirinho

29 Porque separar? Salobo

30 Porque separar?

31 Exemplos de fluxogramas níquel sulfetado Vídeo Mirabela 31

32 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

33 Exemplos de fluxogramas minério de ferro produção de aço = redução do minério em alto forno + refino 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 SiO 2 baixo, não ter contaminantes (P, S)

34 Exemplos de fluxogramas minério de ferro

36 Exemplos de fluxogramas minério de ferro processos de beneficiamento de minérios: densitários hematita, d = 5,2, quartzo, d = 2,7 espirais concentradoras

37 Exemplos de fluxogramas minério de ferro Separador Jones (WHIMS)

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43 Exemplos de fluxogramas minério de ferro processos de aglomeração de finos: - sinterização, - pelotização, - briquetagem

44 Exemplos de fluxogramas minério de ferro Pelotização

45 Exemplos de fluxogramas minério de ferro Briquetagem

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47 PLANTA D PLANTA A PLANTA B

48 PLANTA C

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50 Exemplos de fluxogramas carvão 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 U 3 O 8 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

51 Exemplos de fluxogramas carvão Fonte: BP (2008) Mundo Fonte: EIA (2007) 51

52 Exemplos de fluxogramas carvão 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

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55 Concentração Exemplos de fluxogramas cobre Hidrometalurgia Minério oxidado Solo Mina Britagem Aglomeração Lixiviação em pilhas PLS 1-10 g/l Cu Minério primário Separação Sólido- Líquido Extração por solventes Eletrólito g/l Cu Eletrólise Mina Britagem Concentrado 30% Cu Forno de fusão Lixiviação de concentrado H2SO4 or S elem. Tratamento do rejeito Au, Ag Catodo de cobre Moagem matte 45-60% Cu Fusão e trefilação Fabricação e uso Flotação Conversor Eletrorrefino Vergalhão Produtos de cobre Secagem blister 98,5% Cu Refino do anodo Pirometalurgia anodo 99,7% Cu Fabricação

56 Exemplos de fluxogramas cobre Minério sulfetado 56

57 Mas e eu com isso??? 57

62 Será que é possível usar os conceitos de beneficiamento de minérios para resolver esses problemas??? 62

63 Processamento de lixo doméstico 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%: alumínio Fonte: ambiente brasil /watch?v=vqxqoqa1x cm fonte: Hoberg,

64 Reciclagem de carros fonte: Hoberg, =ipgpwwbb9g0

65 Reciclagem de pneus 65 =29TFF07Ubkw

66 Reciclagem de lixo eletrônico fonte: Hoberg, varrki7gc&feature=related

67 Reciclagem de baterias fonte: Hoberg,

68 Tratamento de esgotos 68

69 Descontaminação de solos fonte: Hoberg,

70 Reciclagem de resíduos de construção civil 70

71 Noções básicas Ler Capítulo 1 do livro: Teoria e prática do Tratamento de Minérios: Bombeamento de polpas e classificação. Volume edição. Autores: Arthur Pinto Chaves e colaboradores

72 Noções básicas Ler Capítulo 1 do livro: Tratamento de Minérios edição. Autores: Adão Benvindo da Luz, João Alves Sampaio e Silvia Cristina A. França

73 Teor: Massa de um elemento ou substância pura, referido a massa total em consideração, sempre considerandose o peso seco. Teor de um elemento: gramas de ouro por tonelada de minério; Teor de uma substância ou mineral: % de caulinita (Al 2 Si 2 O 5 (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;

74 Teor: 100% de massa 100% de calcopirita 34,43% de cobre 100% de massa 30% de calcopirita 10.33% de cobre

75 Teor Exercício: 1) Qual o teor máximo de ferro de uma hematita? Dados: Hematita: Fe 2 O 3 Pesos atômicos: Fe: 56, O: 16

76 Densidade: Densidade real: massa das partículas pelo seu volume Densidade aparente: considera o volume de vazios

77 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.

78 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.

79 Porcentagem de sólidos Pode ser determinada também pela densidade de polpa (Dp), Densidade dos sólidos (Drs) e densidade do líquido (Drs):

80 Massa de sólidos Pode ser determinado a partir da densidade de polpa (Dp), volume de polpa (V) e porcentagem de sólidos (%sol):

81 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/m 3. 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?

82 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?

83 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.

84 Área específica Exercício: 10) Qual a área específica de um cubo com uma massa específica de 2,9 t/m 3 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?

85 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.

86 Distribuição granulométrica

87 Distribuição granulométrica Medida de tamanho em laboratório: Classificação por peneiras: mm*; Difração laser: 0, mm*; Microscopia ótica: 0,2 50 mm*; Microscopia eletrônica: 0, mm*; Elutriação (cyclosizer): 5 45 mm*; Sedimentação (gravidade): 1 40 mm*; Sedimentação (centrifuga): 0,05 5 mm*. * Tamanhos aproximados.

88 Distribuição granulométrica Correção entre métodos (usar com cautela, varia conforme o material):

89 Métodos de determinação de tamanho de partículas Escolha do método:

90 Métodos de determinação de tamanho de partículas Diferenças entre métodos:

93 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.

94 Métodos de determinação: 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.

95 Métodos de determinação: peneiramento Séries padronizadas de peneiras: German standard; DIN 4188; ASTM E11; American Tyler; French standard; British BS 1796.

96 Métodos de determinação: peneiramento Séries padronizadas de peneiras (obs.: mesh=linhas por pol):

97 Métodos de determinação: peneiramento Séries padronizadas de peneiras:

98 Métodos de determinação: peneiramento Séries padronizadas de peneiras:

99 Métodos de determinação: peneiramento Peneiradores de laboratório: Agitador de peneiras Agitador de peneiras quadradas

100 Métodos de determinação: peneiramento Peneiradores de laboratório: Peneirador suspenso vibratório Rotap

101 Métodos de determinação: 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.

102 Métodos de determinação: 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.

103 Métodos de determinação: peneiramento Representação de resultados: Tabelas: Frequência (%) de diâmetros por intervalo de tamanho;

104 Métodos de determinação: peneiramento Representação de resultados: Curvas de distribuição de frequências com histograma: Escala linear;

105 Métodos de determinação: peneiramento Representação de resultados: Curvas acumuladas de distribuição de frequências: Linear / Logarítmica (Gaudin-Schuhmann);

106 Métodos de determinação: peneiramento Representação de resultados: Curvas acumuladas de distribuição de frequências: Probabilidade (Gauss) / Rossin-Rammler.

107 Métodos de determinação: peneiramento Representação de resultados: Comparação entre escalas de frequência acumulada:

108 Métodos de determinação: peneiramento Representação de resultados:

111 Métodos de determinação: peneiramento Normas: AS (1980) Distribuição do tamanho de partículas por peneiramento a seco (para pedreiras); AS 3881 (1991): granulometria de carvão; ISO (1988): peneiramento com telas de malha e metal; BS 1796 (1976): análise granulométrica.

112 Distribuição granulométrica Exercício: 15) Dada a distribuição granulométrica de alimentação e produto de um circuito de moagem, informar o F 80 e P 80 do moinho.

113 Passante acumulado (%) Distribuição granulométrica Exercício: Alimentação moagem ,00 0,01 0,10 1,00 10,00 100, ,00 Malha (mm)

114 Passante acumulado (%) Distribuição granulométrica Exercício: Overflow dos ciclones (produto moagem) ,00 0,01 0,10 1,00 10,00 Malha (mm)

115 Distribuição granulométrica 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 P 98, P 80 e P 50 dos três fluxos desta peneira? Qual a vazão em massa do undersize? Malha 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, ,9 Undersize (%) ,1 33,9 28,2 10,7

116 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.

117 Balanço de massas, metalúrgico e de água: Representação gráfica:

118 Balanço de massas, metalúrgico e de água: Representação gráfica:

119 Balanço de massas, metalúrgico e de água 119 Recuperação do mineral de interesse: Fonte: University (2005) flotado (silica) deprimido (bauxita)

120 Balanço de massas, metalúrgico e de água: Recuperação em massa: Recuperação em metalúrgica: Dedução...

121 Balanço de massas, metalúrgico e 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.

122 Balanço de massas, metalúrgico e de água: Distribuição: Process Minério/ROM: Ore: 10 grams g de ouro of gold em 1 in ton de minério 1 tonne of ore Concentrate: Concentrado: 8 g de of Au ouro in em g of g de concentrado concentrate Tailing: Rejeito: 2 g of de Au ouro inem ~1 tonne of tailing aproximadamente 1 ton de rejeito Distribuição/partição/recuperação do ouro para o concentrado. = 80% Distribuição do ouro para o rejeito = 20%

123 Balanço de massas, metalúrgico e 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

124 Balanço de massas, metalúrgico e 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%

125 Balanço de massas, metalúrgico e de água: Exercício - 20) Dispomos das seguintes informações sobre uma dada operação unitária: Vazão de sólidos (t/h) % sólidos % Fe Vazão de polpa (t/h) Alimentação Concentrado Rejeito 50 Vazão de água (m3/h) Complete a tabela.

126 Indicadores de desempenho 40 t/h sólidos 10 umidade b.s. 50 % Fe operação unitária 25 t/h sólidos 7 umidade b.s. 64 % Fe? t/h sólidos umidade b.s. % Fe

127 Indicadores de desempenho outra condição: 40 t/h sólidos 10 umidade b.s. 50 % Fe operação unitária usina de beneficiamento t/h sólidos 7 umidade b.s % Fe 15 17? t/h sólidos umidade b.s ,4 26,7 % Fe Qual das duas condições é mais interessante?

128 Indicadores de desempenho Como avaliar o desempenho desta operação em termos de resultados?

129 Indicadores de desempenho Existem três indicadores básicos: 1 ENRIQUECIMENTO teor do concentrado E = teor da alimentação primeiro caso: 64 E = = 1,28 50 segundo caso: 66 E = = 1,32 50

130 Indicadores de desempenho Existem três indicadores básicos: 2 RECUPERAÇÃO (de massa) massa do concentrado x 100 R = massa da alimentação primeiro caso: 25 E = = 0, ou 62,5% segundo caso: 23 E = = 0, ou 57,5%

131 Indicadores de desempenho Existem três indicadores básicos: 3 RECUPERAÇÃO METALÚRGICA massa do elemento de interesse no concentrado x 100 RM = 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%

132 Indicadores de desempenho Que significam eles? 1 ENRIQUECIMENTO Quantas vezes o teor do elemento de interesse aumentou no concentrado. No primeiro caso: 64 E = = 1,28 vezes 50

133 Indicadores de desempenho 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% 40

134 Indicadores de desempenho 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

135 Indicadores de desempenho 40 t/h sólidos 10 umidade b.s. 50 % Fe usina de beneficiamento operação unitária 25 t/h sólidos 7 umidade b.s. 64 % Fe 15? t/h sólidos 15 umidade b.s. 26,7 % Fe No exemplo: t alimentação t rejeito 50 26,7 Rec = = = 0,625 t concentrado t rejeito 64 26,7

136 Indicadores de desempenho Existem outros avaliadores de desempenho? Sim. SCHULTZ, N.F. Separation efficiency, Transactions SME, AIME, v. 247 (mar 1970), p Descreve 37 indicadores e propõe o seu.

137 REFERÊNCIAS: CHAVES, A.P. Teoria e prática do tratamento de minérios. São Paulo: Signus Editora, 4 edição, vol. 1. HOBERG, H. Applications of mineral processing in waste treatment and scrap recycling. In: INTERNATIONAL MINERAL PROCESSING CONGRESS, 18 th, 1993, Sydney. Proceedings. Sydney: IMPC, 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, 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, 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, Imagens google images e do autor.