i SUMÁRIO LISTA DE SÍMBOLOS LISTA DE ABREVIATIRAS E SIGLAS LISTA DE FIGURAS LISTA DE TABELAS RESUMO ABSTRACT iii v vi ix x xi 1 INTRODUÇÃO... 1 2 OBJETIVOS... 2 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA... 3 3.1 Considerações Preliminares... 3 3.1.1 Movimento de Partículas num Fluido... 3 3.1.2 Número de Reynolds... 4 3.1.3 Coeficiente de Arraste... 5 3.1.4 Fatores que Influenciam no Movimento da Partícula num Fluido... 7 3.1.5 Resistência Oferecida pelo Fluido... 8 3.2 Concentração Densitária... 15 3.2.1 Mecanismos que Atuam na Concentração Densitária... 17 3.2.1.1 Aceleração Diferencial... 18 3.2.1.2 Sedimentação Retardada... 18 3.2.1.3 Consolidação Intersticial... 21 3.2.1.4 Velocidade Diferencial em Escoamento Laminar... 22 3.2.1.5 Ação de Forças Cisalhantes... 23 3.2.1.6 Teoria da Energia Potencial... 25 3.2.2 Principais Concentradores Centrífugos... 26 3.2.2.1 Jigue Centrífugo Kelsey... 28 3.2.2.2 Concentrador Centrífugo Knelson... 30 3.2.2.3 Concentrador Falcon... 32 3.2.2.4 Multy Gravity Separator (MGS)... 34 4 MINERAÇÃO SERRA DA FORTALEZA... 36 4.1 Descrição do Empreendimento Mineiro... 36 4.2 Geologia... 36 4.3 Mineralogia... 37 4.4 Processo de Concentração... 38
ii 4.4.1 Cominuição... 38 4.4.2 Circuito de Flotação... 39 5 MATERIAIS E MÉTODOS... 40 5.1 Materiais... 40 5.2 Método... 40 5.2.1 Amostragem do Rejeito do Circuito de Flotação da MSF... 41 5.2.2 Preparação das Amostras para os Ensaios em Laboratório... 41 5.2.3 Caracterização Tecnológica do Material... 42 5.2.4 Execução dos Ensaios de Concentração no Jigue Centrifugo Kelsey... 45 5.2.5 Caracterização dos Produtos Obtidos... 48 6 RESULTADOS OBTIDOS E DISCUSSÃO... 49 6.1 Caracterização Tecnológica do Rejeito... 49 6.1.1 Análise Granulométrica... 49 6.1.2 Separação Magnética... 50 6.1.3 Separação em Meio Denso... 51 6.1.4 Análise Química... 51 6.1.5 Análise dos Resultados da Difração de Raios-X... 56 6.1.6 Análise dos Resultados da Microscopia Óptica... 56 6.2 Ensaios no Jigue Centrífugo Kelsey... 63 6.2.1 Análises por Faixa Granulométrica... 63 6.2.2 Análises Globais... 79 6.2.3 Influência das Variáveis de Operação no Desempenho do Processo... 81 7 CONCLUSÕES... 86 8 ANEXOS... 88 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 96
iii LISTA DE SÍMBOLOS Re Número de Reynolds ρ f D Densidade do fluido Diâmetro do duto µ Viscosidade do fluido v Velocidade do fluido Re p Número de Reynolds da partícula v p d p s S ψ C d F d v e A F dv/dt F x F b F d M a x g ρ p v ps R f Velocidade terminal de queda da partícula Diâmetro da partícula Área superficial da esfera que possui volume igual ao da partícula Área superficial da partícula Esfericidade Coeficiente de arraste Força de resistência ou arraste Velocidade na direção do escoamento Área da seção transversal da partícula Força resultante que age na partícula de massa M Aceleração resultante Força externa Força de empuxo Força de arraste Massa da partícula Aceleração produzida pela força externa Aceleração da gravidade Densidade da partícula Velocidade terminal ou velocidade máxima Razão de sedimentação d 1 Diâmetro da partícula mineral 1
iv d 2 Diâmetro da partícula mineral 2 ρ 2 Densidade da partícula mineral 2 ρ 1 Densidade da partícula mineral 1 R h ρ pl ρ a ρ b d e F B K 1 r p F g G 1 G 2 h Razão de sedimentação retardada Densidade da polpa Densidade do mineral mais denso Densidade do mineral menos denso Diâmetro da esfera Força de Bagnold Constante de proporcionalidade Raio da partícula Força da gravidade Peso de partículas leves Peso de partículas pesadas Altura total do leito h 1 Altura total do leito de partículas de peso G 1 h 2 Altura total do leito de partículas de peso G 2 E 1 E 2 E Energia potencial da mistura homogênea Energia potencial do sistema estratificado Variação de energia entre dois estados # Malha escala Tyler
v LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS CC - Critério de Concentração EPUSP - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo FRF - Fator de Razão de Forma LCT - Laboratório de Caracterização Tecnológica LTM -Laboratório de Tratamento de Minérios e Resíduos Industriais MGS - Mozley Multy-Gravity Separator MSF - Mineração Serra da Fortaleza p. p. - Pontos Percentuais PMI - Departamento de Engenharia de Minas e Petróleo Rec. - Recuperação
vi LISTA DE FIGURAS Figura 3.1 Coeficiente de Arraste versus Número de Reynolds para partículas de diferentes esfericidades... 6 Figura 3.2 Forças que atuam em uma partícula em movimento através de um fluido... 9 Figura 3.3 C d Re 2 p e C d / Re p versus Reynolds da partícula ( Re p )... 14 Figura 3.4 Arranjo adequado para que haja Consolidação Intersticial... 21 Figura 3.5 (A): Mistura binária homogênea; (B): Mistura binária estratificada... 25 Figura 3.6 Foto do jigue centrífugo Kelsey... 29 Figura 3.7 Diagrama esquemático do jigue centrífugo Kelsey... 30 Figura 3.8 Seção transversal de um concentrador Knelson... 31 Figura 3.9 Esquema de concentração do concentrador Falcon... 33 Figura 3.10 Diagrama esquemático e princípio de funcionamento do MGS... 35 Figura 3.11 Esquema de instalação e operação do MGS em laboratório.. 35 Figura 4.1 Fluxograma da usina de tratamento de minério de níquel da MSF... 39 Figura 5.1 Jigue centrífugo Kelsey modelo J200... 40 Figura 5.2 Fluxograma das etapas de preparação das amostras de rejeito da MSF... 42 Figura 5.3 - Fluxograma de caracterização tecnológica da amostra de rejeito da MSF... 43 Figura 5.4 Desenho esquemático do circuito de concentração utilizado... 48 Figura 6.1 Curva granulométrica da amostra cabeça... 50 Figura 6.2 Distribuição em peso e dos elementos/compostos de interesse na amostra cabeça... 53 Figura 6.3 Distribuição em peso e dos elementos/compostos de interesse nos produtos magnético, flutuado e afundado... 54
vii Figura 6.4 Partícula mista mostrando a associação dos minerais calcopirita e pirrotita com magnetita e silicatos (- 210 + 150 µm)... 57 Figura 6.5 Partículas de magnetita e partícula mista mostrando a associação dos minerais sulfetados calcopirita e pirrotita com magnetita e silicatos (- 150 +105 µm)... 58 Figura 6.6 Partícula de magnetita e partícula mista de pirrotita com inclusões de silicatos (- 105 + 75 µm)... 59 Figura 6.7 Partículas de magnetita e pirrotita juntamente com partícula mista de pirrotita com inclusão de pentlandita (- 45 + 38 µm)... 60 Figura 6.8 Partícula de magnetita e partícula mista de pirrotita com pentlandita (- 38 + 20 µm)... 61 Figura 6.9 Partículas de magnetita e pirrotita juntamente com partícula mista de pirrotita com pentlandita (-20 µm)... 62 Figura 6.10 Representação gráfica da recuperação e do teor de Ni em função da malha granulométrica para os ensaios de 1 a 6... 71 Figura 6.11 Representação gráfica da recuperação e do teor de Ni em função da malha granulométrica para os ensaios de 7 a 12... 72 Figura 6.12 Representação gráfica da recuperação e do teor de Cu em função da malha granulométrica para os ensaios de 1 a 6... 73 Figura 6.13 Representação gráfica da recuperação e do teor de Cu em função da malha granulométrica para os ensaios de 7 a 12... 74 Figura 6.14 Representação gráfica da recuperação e do teor de S em função da malha granulométrica para os ensaios de 1 a 6... 75 Figura 6.15 Representação gráfica da recuperação e do teor de S em função da malha granulométrica para os ensaios de 7 a 12... 76 Figura 6.16 Representação gráfica da recuperação e do teor de MgO em função da malha granulométrica para os ensaios de 1 a 6... 77 Figura 6.17 Representação gráfica da recuperação e do teor de MgO em função da malha granulométrica para os ensaios de 7 a 12... 78 Figura 6.18 Diagrama para interpretação dos resultados de recuperação de Ni... 81
viii Figura 6.19 Diagrama para interpretação dos resultados de recuperação de Cu... 83 Figura 6.20 Diagrama para interpretação dos resultados de recuperação de S... 84 Figura 6.21 Diagrama para interpretação dos resultados de recuperação de MgO... 85
ix LISTA DE TABELAS Tabela 3.1 Significado do critério de concentração (CC)... 21 Tabela 4.1 Principais minerais constituintes da jazida da MSF... 38 Tabela 5.1 Variáveis estudadas com seus respectivos níveis... 46 Tabela 5.2 Seqüência e valores das variáveis empregadas em cada ensaio... 47 Tabela 6.1 Distribuição granulométrica da amostra cabeça... 49 Tabela 6.2 Resultados da separação magnética... 50 Tabela 6.3 Resultados da separação em meio denso... 51 Tabela 6.4 Teores dosados e distribuição dos elementos/compostos de interesse na amostra cabeça... 52 Tabela 6.5 - Teores calculados e distribuição dos elementos/compostos de interesse na amostra cabeça... 52 Tabela 6.6 Teores e distribuições globais nos produtos das separações minerais... 54 Tabela 6.7 Teores e distribuição nos produtos magnético, flutuado e afundado por malha granulométrica... 55 Tabela 6.8 Distribuição granulométrica da alimentação, concentrado e rejeito dos ensaios com jigue Kelsey... 64 Tabela 6.9 Teores dos elementos/compostos de interesse por malha e ensaio... 66 Tabela 6.10 Recuperação metalúrgica e enriquecimento por malha e ensaio... 67 Tabela 6.11 Distribuição dos elementos/compostos de interesse por malha... 68 Tabela 6.12 Teores globais dos elementos/compostos de interesse por ensaio... 79 Tabela 6.13 Recuperação em massa, metalúrgica e enriquecimento por ensaio... 80
x RESUMO Os objetivos principais deste trabalho foram planejar, executar e analisar os resultados de uma campanha de ensaios de concentração de minerais em um jigue centrífugo. O programa de ensaios permitiu a análise da influência de variáveis operacionais do equipamento no desempenho metalúrgico do processo de concentração. As investigações tiveram por meta estabelecer o desempenho metalúrgico por faixas granulométricas discretas tanto em termos de recuperações como de enriquecimentos. Para tanto foi selecionado o rejeito de uma operação de concentração de minerais sulfetados polimetálicos. O método de trabalho consistiu na caracterização tecnológica do rejeito e execução dos ensaios de concentração no jigue centrífugo Kelsey variando três parâmetros principais: velocidade de rotação, freqüência e amplitude de pulsação. Os resultados dos ensaios foram analisados em termos de recuperações e enriquecimentos dos elementos de interesse, como níquel, cobre e enxofre, além de óxido de magnésio, principal contaminante dos concentrados. O desempenho da campanha de ensaios indicou valores significativos de recuperação e enriquecimento dos elementos de interesse, bem como redução importante de óxido de magnésio nos concentrados obtidos.
xi ABSTRACT The present work describes an experimental program designed to assess the metallurgical performance of a centrifugal jig. The variations in the main operating conditions were analysed in terms of both metallurgical recovery and grades by size fraction in concentrates. The tailings of a sulphide mineral concentration plant were sampled, prepared and submited to technical characterization as a preparation for the testing campaign. A Kelsey centrifugal jig was used in the testing program which included variation in rotating speed, frequency and stroke of pulse. The results were analysed in terms of recovery and concentration of nickel, copper and sulphur, as well as magnesium oxide which was the main contaminant. The general performance of the tests indicated high values in recovery of the selected elements, as well as significant reductions of contaminant in the concentrates.