ABRASIVIDADE DE POLPAS: DETERMINAÇÃO DO ÍNDICE DE ABRASIVIDADE (SAR) E DO NÚMERO DE MILLER Adilson Rodrigues da Costa Eng. Metalurgista, D. Sc. arcosta@spectrum-engenharia.com Skype: adilson.costa70 Introdução Em um país de grande extensão territorial, como o Brasil, é comum encontrar Empresas que atuam no setor mínero-metalúrgico e que possuem suas unidades de mineração distantes dos centros de produção ou consumo do minério. A solução encontrada para o escoamento do minério extraído por estas unidades recorre ao transporte de polpas substituindo o transporte por malha rodoviária e/ou ferroviária, consideravelmente mais dispendioso e com implicações ambientais evidentes comprometendo a auto-sustentabilidade do processo. Um fato importante na extração e transporte de minério de ferro é a relativa escassez de minério granulado, de alto teor de ferro, se comparado à grande demanda de minério de granulometria fina e baixo teor de ferro. Há algum tempo os denominados finos de minério têm se tornado economicamente viáveis para as Empresas e a pelotização surgiu de modo a adequar essas partículas para a alimentação de unidades de redução, como os altos-fornos. Para isso, esse minério de granulometria fina, que não era utilizado no passado é, atualmente, bombeado sob a forma de polpa através de minerodutos. Não se pode fugir do tema Desgaste Abrasivo quando se trata de bombeamento de misturas sólido-líquido em circuitos fechados. Por esse motivo, as Empresas adotam rigorosos sistemas de controle operacionais de modo a monitorar e estender a vida útil da tubulação. Na fase de projeto os materiais para as tubulações devem ser selecionados com o auxílio de ensaios tecnológicos padronizados e realizados em laboratórios especializados. O desgaste é um fenômeno que ocorre na superfície dos componentes estruturais (tubos, peças de máquinas, como rotores de bombas, enxertos, revestimentos,...) em conseqüência, na maioria dos casos, das condições de serviço. É caracterizado como uma forma de dano superficial. Abrasão é um mecanismo de desgaste no qual partículas duras deslizam ou são forçadas contra uma superfície, causando remoção de material segundo uma variedade de mecanismos amplamente estudados pelos tribologistas.
Tendo em vista que o desgaste abrasivo é considerado o mais severo e o mais comumente encontrado na indústria desenvolveu-se o teste de Abrasividade de Polpas (ASTM-G75) com a finalidade de estimar a agressividade de polpas abrasivas nas operações industriais. Conceituando Desgaste O desgaste é definido pelo comitê científico da O.E.C.D. como perda progressiva de matéria da superfície de uma peça em conseqüência do movimento relativo de outro corpo sobre a mesma. (Rowe, 1966). Como se trata de um fenômeno complexo julgou-se conveniente subdividi-lo em categorias, sendo as mais importantes: Abrasão, Adesão, Erosão, Corrosão e Fadiga de Contato. De todas as diferentes categorias o desgaste abrasivo, que é apresentado em detalhes nesse artigo, é considerado o mais importante, por ser o mais destrutivo e também por ser o mais encontrado na prática, sendo responsável por mais de 50% dos casos de falha por desgaste, e está presente em variados campos da engenharia: extração e processamento mineral, fabricação de peças e componentes, desgaste de máquinas, dentre outros. O desgaste abrasivo é causado pela interação mecânica de saliências contra as superfícies de trabalho, provocando perda de massa por corte ou arrancamento. É também definido, segundo a O.E.C.D., como perda de matéria devido ao movimento relativo de duas superfícies e decorrente da ação de: 1- Asperidades duras em uma das superfícies, ou 2- Partículas abrasivas livres entre as duas superfícies, ou 3- Partículas abrasivas engastadas em uma das superfícies. Gates (2001) sugeriu que a abrasão seja classificada em regimes: moderado, severo e extremo, dependendo das características das partículas abrasivas (tamanho, angulosidade, restrição ao movimento), e dos níveis de tensão aplicados. Os Diferentes Processos Abrasivos De Mello (1989) ressalta que devido às diferenças importantes nos diversos tipos de abrasão é difícil propor uma classificação precisa. Tal imprecisão é devida ao fato de que, para alguns autores, a classificação baseia-se no aspecto da superfície após abrasão. Para outros autores, a mesma baseia-se na natureza dos materiais envolvidos, enquanto outros pesquisadores a vinculam ao modo de trabalho e ao desempenho dos materiais durante a operação.
Avery, em artigo publicado em 1961, propõe uma classificação baseada na configuração mecânica do tribosistema, dividindo a classificação dos processos abrasivos em duas categorias: - Abrasão a dois corpos - Abrasão a três corpos A abrasão a dois corpos ocorre quando partículas abrasivas fixas movimentamse em relação à superfície em estudo. A abrasão a três corpos se dá quando há interposição de partículas abrasivas livres entre as duas superfícies em movimento relativo. Tipos de Abrasão Se adotarmos a classificação de Neale (1995), existem vários tipos de degradação superficial que se enquadram na categoria desgaste abrasivo, sendo eles: abrasão por impacto, por moagem (ou alta pressão) e abrasão por riscamento (ou baixa pressão). O escopo deste artigo relaciona-se à abrasão por riscamento (ou baixa pressão), que é o tipo de abrasão na qual a superfície desgastada é riscada pelas partículas abrasivas, promovendo a remoção de material da superfície. A abrasão por riscamento ocorre na superfície de componentes de equipamentos que, direta ou indiretamente, interagem com materiais abrasivos (areias, minérios, polpas,...). Fatores que aceleram o desgaste por Abrasão Para uma seleção do material adequado a ser utilizado em um ambiente sujeito a desgaste, Neale (1995) sugere que alguns fatores devem ser considerados, sendo eles: - Tamanho da partícula (grossa, média e fina); - Formato da partícula (angulares e arredondadas); - Dureza da partícula; - Dureza do material base; - Velocidade e frequência do contato entre a partícula abrasiva e o material base; - Tamanho e orientação do grão da estrutura do material base; - Ângulo de incidência da partícula do material base; - Temperatura ambiente ou temperatura da partícula em contato com o material base; Além desses fatores, no caso específico de polpas (minérios, rejeitos,...) devese levar também em conta o ph, a viscosidade e concentração. Abrasividade de Polpas Equipamentos submetidos a fluxos contínuos de misturas sólido-líquidos, principalmente tubulações e bombas, desgastam por ação do movimento das partículas suspensas levando a falhas que comprometem o desempenho geral. O controle do funcionamento dos equipamentos requer a quantificação das taxas
de desgaste de modo a permitir o planejamento adequado dos cronogramas de manutenção garantindo operação contínua e segura. Ensaios de Abrasividade de Polpas O ensaio que permite determinar um índice denominado Número de Miller tem sido usado desde 1967, aproximadamente, e foi desenvolvido originalmente para avaliar a abrasividade de uma polpa em um teste de bombeamento em circuito fechado. Desde então, ele tem sido amplamente utilizado para medir a abrasividade relativa de muitas suspensões. Em 2001 foi adotado pela ASTM que estabeleceu a norma G75 Standard Test Method for Determination of Slurry Abrasivity (Miller Number) and Slurry Abrasion Response of Materials (SAR Number). Conceitualmente, Número de Miller é uma medida de abrasividade de polpa relacionada com a taxa de perda de massa de um bloco de metal padrão. O número é calculado a partir da curva de perda de massa acumulada, em função do tempo, obtida com a realização de vários ensaios sucessivos e cumulativos. O Número SAR é uma medida da resposta à abrasão relativa de qualquer material em qualquer polpa, onde se relacionam taxa de perda de massa de uma amostra, a partir da curva de perda de massa acumulada com o tempo obtida segundo o mesmo procedimento para determinação do Número de Miller. A evolução do desgaste é registrada acumulando-se a perda de massa em intervalos regulares durante o ensaio. O teste foi originalmente projetado para ser realizado durante um período de 16 horas, com as medidas de perda de massa feitas em intervalos de 4 horas. A norma foi revisada em 1989 e o tempo do teste foi reduzido para 6 horas com medidas de perda de massa a cada duas horas. O teste de determinação do Número de Miller (MN) foi projetado para utilizar corpos de prova metálicos da liga Ferro-27%Cromo. A escolha do material se deu com base na liga utilizada nas tubulações da época. A escala adotada para o Número de Miller estabelece o valor mínimo igual a 1 para uma mistura não abrasiva composta de 50% de enxofre em água (dureza Mohs=1); o limite superior, 1000, para uma mistura muito abrasiva de Córindon (220 mesh, 50% em peso em água, dureza Mohs=9). Números de Miller maiores que 50 indicam que a polpa é abrasiva requerendo, portanto, cuidados adequados no projeto de equipamentos e tubulações. O ensaio que nos leva a determinar o Índice SAR é mais abrangente que o ensaio visando o Número de Miller, pois ao invés de adotar um material padrão a ser desgastado permite avaliar a resposta de vários materiais candidatos ao projeto em discussão. Constitui-se, portanto, em um teste recomendado para a seleção adequada de materiais. Números
SAR superiores a 80 indicam que a polpa é abrasiva. Embora seja difícil adotar o valor do número SAR de forma absoluta em um determinado projeto, ele é muito útil na comparação da abrasividade relativa de diferentes polpas. Os Números de Miller e SAR Estes índices são obtidos a partir da inclinação da curva de perda de massa acumulada com o tempo no ponto correspondente a duas horas. Isso significa dizer que os números Miller e SAR são obtidos a partir da derivada da curva de Perda de Massa Acumulada das amostras com o tempo no ponto correspondente a duas horas. Para reduzir a dispersão dos resultados das medidas de perda de massa são ensaiados, simultaneamente, três ou mais amostras idênticas do material de interesse. O padrão geral das curvas obedece à equação: onde t é o tempo. y = A.t B (1) Os valores de A e B são obtidos a partir do traçado da curva que melhor se ajusta aos resultados experimentais plotados. O valor da derivada da equação (1) no ponto correspondente ao tempo de 2 horas, equação 2, permite calcular o Número de Miller (NM): A.B.2 (B 1) (2) multiplicando-se a equação (2) por um fator de escala igual a 18,18. Esse fator torna o número relativo à polpa de enxofre e água (onde MN=1); e relativo à polpa de coríndon e água (onde MN=1000). NM = 18,18 x A.B.2 (B 1) (3)
O método de análise é similar para o Número SAR, no entanto, a taxa de desgaste no ponto correspondente a duas horas é multiplicada pelo fator de escala 18,18 e também pela razão entre a densidade da amostra metálica padrão utilizada para a determinação do Número de Miller (Ferro-27%Cromo) e a da amostra de interesse. Assim: Número SAR = 18,18 x (ρferro-27%cromo /ρamostra metálica utilizada no teste) x AB2 (B-1) (4) Onde ρ é a densidade da amostra de interesse no ensaio realizado. A densidade da amostra Fe-27% Cr é igual a 7,58g/cm 3. Apresentamos a seguir uma curva típica mostrando a evolução da perda de massa das amostras em um ensaio de abrasividade. A partir da curva, podemos calcular os Números de Miller e SAR. Os parâmetros A e b foram obtidos utilizando-se um software adequado para a determinação da curva de melhor ajuste aos pontos experimentais. y = A.t B ; A = 16,999971 e b = 0,95903 y = 16,99971. t 0,95903 A derivada no ponto correspondente ao tempo 2h será, portanto: (0,95903-1) y (2) = 16,99971. 0,95903. 2
y (2) = 15,8468 Donde, Número de MILLER = 15,8468. 18,18 = 288,09 Índice SAR = 288,09. (7,58/7,80) = 279,96 Os números obtidos nos permitem afirmar que a abrasividade da polpa em questão requer atenção por parte dos projetistas dos equipamentos responsáveis pelo transporte deste material face à abrasividade representada pelos índices calculados. Equipamento típico para a realização de ensaios de abrasividade para determinação dos Números de Miller e SAR
Sugestões para leitura complementar 1. ALTERA, Francisco de Assis. Desgaste abrasivo de níquel e de liga binária níquel-cobalto eletrodepositados em substrato de cobre. 2009. 85 f. Dissertação (Mestrado) REDEMAT, Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto MG. 2. AVERY, H.S.; WEAR; 4, 1961, p. 427-449 3. BAYER, Raymond George. Mechanical Wear Fundamentals and Testing. 2ª Ed. New York: Marcel Dekker, 2004. 4. DE MELLO, José Daniel Biasoli. Abordagem Global do Estudo do Processo Abrasivo Parte 1: Considerações Sobre os Métodos Abrasométricos. In: I Seminário sobre Materiais Resistentes ao Desgaste, 1989. 251 f. São Paulo: Associação Brasileira de Metais, 1989. p. 29-45. 5. DUIGNAN, M.R., 2002. RPP-WTP Slurry Wear Evaluation: Slurry Abrasivity. Westinghouse Savannah River Company Document No. WSRC-TR- 2002-00062. [also under No. SRT-RPP-2002-00022] - January, 2002. 6. GATES, J.D., Two-body and three-body abrasion: a critical discussion, Wear, v. 214, p. 264-281, 2001. 7. NEALE, M.J. O Manual de Tribology. 2ª Edição. Ed. Butterworth Heinemann P.D18.1, 1995. 8. ROWE, G.; Friction Wear and Lubrification-Terms and Definitions O.E.C.D., Paris, 1966. 1 Tribology: Friction and wear of Engineering Materials I. M. Hutchings. ISBN 0-340-56184-x 1992 2 Modern Surface Technology. F.-W. Bach, A. Laarmann, T. Wenz (Editors). Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, Germany. 2006 3 Friction Science and Technology: from concepts to applications. Peter J. Blau CRC Press Taylor & Francis Group. 2009 Categoria: Dissertações defendidas na REDEMAT Desgaste por abrasão de poliuretano utilizado na indústria mínero-metalúrgica. Autor: Dennis Coelho Cruz. Orientador: Prof. Dr. Adilson Rodrigues da Costa. 23 de Março de 2007
Desgaste abrasivo de níquel e de liga binária níquel-cobalto eletrodepositados em substrato de cobre. 2009. 85 f. Dissertação (Mestrado) REDEMAT, ALTERA, Francisco de Assis. Contribuição aos estudos dos mecanismos de interação das partículas abrasivas com as microestruturas de Ferros Fundidos em processo de desgaste. Autor: Luciano Alves Novelli Orientador: Prof. Dr. Adilson Rodrigues da Costa Data: dezembro de 2004 Influência da Texturização por Laser Nd:YAG, no comportamento Tribológico de Recobrimento de Cromo Eletro Depositado em Aço Carbono Autor: Juliano Avelar Araújo Orientador: Prof. Dr. Adilson Rodrigues da Costa Avaliação do Desempenho de Rotores e Enxertos de Ferro Fundido Branco Utilizados nas Bombas de Polpa da Pré-Moagem da SAMARCO Mineração S.A. Autor: Ricardo Mattioli Silva Orientador: Prof. Dr. Adilson Rodrigues da Costa Observação do Fenômeno da Cavitação e do Desgaste de Rotores de Latão de Bombas Centrífugas em Instalação Experimental Mestrando: Alexandre Dias Linhares Prof. D.Sc. Adilson Rodrigues da Costa (Presidente) - Orientador 2. AVERY, H.S.; WEAR; 4, 1961, p. 427-449 3. BAYER, Raymond George. Mechanical Wear Fundamentals and Testing. 2ª Ed. New York: Marcel Dekker, 2004. 4. DE MELLO, José Daniel Biasoli. Abordagem Global do Estudo do Processo Abrasivo Parte 1: Considerações Sobre os Métodos Abrasométricos. In: I Seminário sobre Materiais Resistentes ao Desgaste, 1989. 251 f. São Paulo: Associação Brasileira de Metais, 1989. p. 29-45. 5. DUIGNAN, M.R., 2002. RPP-WTP Slurry Wear Evaluation: Slurry Abrasivity. Westinghouse Savannah River Company Document No. WSRC-TR-2002-00062. [also under No. SRT-RPP-2002-00022] - January, 2002. 6. GATES, J.D., Two-body and three-body abrasion: a critical discussion, Wear, v. 214, p. 264-281, 2001. 7. NEALE, M.J. O Manual de Tribology. 2ª Edição. Ed. Butterworth Heinemann P.D18.1, 1995. 8. ROWE, G.; Friction Wear and Lubrification-Terms and Definitions O.E.C.D., Paris, 1966.