483M

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA

Controle de um Processo de Pelotizao: Realimentao por Imagem

Aluno: Jos Eduardo Fernandes Nunes Orientador: Prof. Walmir Matos Caminhas

i

AGRADECIMENTOS

A determinao nos guia na jornada inabalvel de realizar algo novo em nossas vidas, mesmo que com grandes dificuldades, mas sempre rica em experincia.

Se hoje posso me orgulhar de um sonho realizado, porque pude contar com o apoio de pessoas que sempre estiveram ao meu lado, minha esposa, Dalgisa e meus filhos, Caio, Victor e Bruna.

Aos professores Walmir Matos Caminhas e Benjamim Rodrigues de Menezes, os meus sinceros agradecimentos pelo apoio, estmulo e disponibilidade que tiveram na orientao deste trabalho. Vocs so merecedores de minha admirao pela competncia tcnica e tica profissional que demonstraram durante os trabalhos desta dissertao.

Aos colegas de trabalho, engenheiros, tcnicos, operadores, impossvel citar nominalmente todos que colaboraram, meu grande obrigado.

Aos meus irmos, meus agradecimentos pelo estimulo que recebi.

Em especial gostaria de agradecer aos colaboradores Leandro Carsio, Renato Maia, Clio Oliveira Filho e Marcos Vinicius L. Pereira, que me deram todo apoio e dedicaram seus valorosos esforos, acreditando na idia desta dissertao.

minha esposa Dalgisa Motta, minha me Elce Fernandes, e a meu pai Jos Geraldo Rabello Nunes, em memria, dedico este sonho.

ii

Resumo

Pelotas so bolas produzidas de concentrados de minrios de ferro de diferentes composies qumicas e mineralgicas, com propriedades especficas e de grande aplicao na siderurgia.

As instalaes industriais de pelotamento no mundo no possuem o

controle automtico do processo, sendo a experincia do operador responsvel pela qualidade da pelota formada.

Esta dissertao descreve a aplicao de controle nebuloso em uma

instalao industrial de pelotizao de minrio de ferro, com realimentao atravs de sistema de anlise de imagens. O objetivo foi desenvolver um modelo para detectar padres de qualidade de dimenso de pelota, no processo, e a partir da identificao deste padro, efetuar o controle da rotao do tambor de formao de pelotas. O modelo desenvolvido visou otimizar o rendimento da formao de pelotas, melhorando a eficincia da produo e garantindo a qualidade.

Esta dissertao est composta da descrio do processo, do equipamento de formao de pelotas e da planta industrial onde aplicado o controle. So descritos os conceitos e estudos realizados no trabalho de definio da estratgia do processamento digital de imagens e da validao dos resultados das anlises feitas.

Na modelagem matemtica do processo de formao de pelotas, utilizado o mtodo de identificao por resposta ao degrau para determinao do tempo de resposta do tambor.

O projeto do sistema nebuloso de controle considerou os resultados de testes com o grau de interao entre as variveis que influenciam a formao de pelotas.

Os resultados obtidos com a implementao do controle so apresentados e discutidos.

iii

Abstract

Pellets are bolls produced with iron ore concentrates of different chemical and mineralogical, with specific properties and great application on steel manufactures. The palletizing plants around world do not have an automatic process control, being the visual operator experience responsible for the pellet quality.

This thesis describes the practical application of a Nebulous control system to an industrial iron ore palletizing plant, with feedback by a digital image process. It is composed with the process and the equipment description and the information about the area where the control is applied.

The objective was to develop a model to detect quality pellet size standard on the process, and with the identification of the standard, execute the pellet drum rotation control. The model developed aimed to improve the pellet formation yield, making better the production with quality.

This thesis is composed of the process, pellet equipment and industrial

plant description. The concepts and studies made on the work for definition of the strategy of the digital process image and the validation of the results are shown.

On the mathematical modeling of the pellets formation process is utilized the method of identification through the step response to determine the response of time of the drum.

The fuzzy control system design considered the tests results to define the interactions between the variables that causes changes on the pellets formation.

The results obtained with the application of the control system is shown and discussed.

iv

NDICE

Captulo 1

Introduo .......................................................................................... 1

1.1 O Processo de Pelotizao ......................................................1

1.1.1 Desenvolvimento Histrico .....................................................1

1.2 Produo de Pelotas de Minrio de Ferro ..........................................3

1.2.1 Definio de Pelotas ..............................................................4

1.2.2 Formao da Pelota ..............................................................6

1.3 Motivao para o Desenvolvimento do Trabalho .................................6

1.4 Objetivos .....................................................................................9

1.5 Metodologia ..................................................................................9

Captulo 2

2.1 O Processo de Pelotizao ............................................................ 10

2.1.1 Britagem e Concentrao .................................................... 10

2.1.2 Planta de Mistura ............................................................... 11

2.1.3 Planta de Pelotamento ........................................................ 12

2.1.4 Planta de Endurecimento de Pelotas ..................................... 15

2.2 Mecanismo da Formao de Pelotas .............................................. 16

2.3 Fatores que Influenciam a Formao de Pelotas .............................. 20

2.3.1 Propriedades Granulomtricas dos Minrios ........................... 21

2.3.2 Influncia da Adio de gua na Formao de Pelotas ............. 21

2.3.3 Influncia de Aditivos na Formao de Pelotas ....................... 22

2.4 Equipamentos de Formao de Pelotas .......................................... 22

2.4.1 Tambor de Formao de Pelotas .......................................... 23

2.4.1.1 Componentes do Tambor de Formao de Pelotas .................. 24

2.5 Caracterizao do tambor de formao de pelotas e definio da

estratgia de controle .......................................................................... 26

v

2.5.1 Consideraes Sobre Modelos Matemticos ........................... 26

2.6 Estratgia de Controle ................................................................ 27

2.6.1 Variveis no Controladas do Processo de Formao de Pelotas 28

2.6.2 Caractersticas Fsicas do Tambor de Pelotamento ................. 28

2.6.3 A Peneira de Classificao de Pelotas .................................. 29

2.6.4 Variveis Manipuladas do Processo de Formao de Pelotas .... 29

2.6.5 Controle Atual do Tambor de Formao de Pelotas ................. 29

2.7 Caracterizao da formao de pelotas .......................................... 31

2.7.1 Efeito da Injeo de gua no Tamanho da Pelota Formada ...... 31

2.7.1.1 Metodologia ...................................................... 31

2.7.1.2 Resultados de Testes no Processo de Formao de Pelotas ..... 32

2.7.2 Efeito da Variao da Rotao do Tambor no Processo de

Formao de Pelotas .......................................................... 32

2.7.2.1 Metodologia ...................................................................... 34

2.7.2.2 Resultados de Testes com a Rotao do Tambor .................... 35

2.7.3 Concluso sobre os testes ................................................... 36

2.7.4 Efeito da Variao da Rotao do Tambor na Produtividade na

Formao de Pelotas .......................................................... 37

2.7.5 Caracterizao do Tempo de Resposta da Granulometria ......... 38

2.7.6 Validao do Modelo Matemtico ................................ ......... 40

2.8 Concluso sobre a validao do modelo matemtico ....................... 42

Captulo 3

3.1 Estratgia do processamento de imagens e classificao de pelotas 43

3.1.1 Objetivo da Estratgia de Anlise de Imagens ............... ...... 44

3.1.2 Aquisio das Imagens ...................................................... 44

3.1.3 Tratamento das Imagens ....................................................45

3.1.4 Filtragem Inicial ................................................................. 46

3.1.5 Obteno das Imagens Binrias ........................................... 49

vi

3.1.5.1 Deteco de Bordas ........................................................... 49

3.1.5.2 Binarizao por Limiar Simples ................................... ........ 52

3.2 Classificao das Pelotas ............................................................. 53

3.2.1 Medida do Objeto Padro e da Relao Milmetros/Pixel ........ 56

3.3 Concluso sobre o processamento de imagens ........................... 56

3.4 Validao dos Dados de Medies dos Dimetros das Pelotas ........ 57

3.5 Concluso sobre os resultados do programa de anlise de imagens 64

Captulo 4

4.1 Projeto do sistema de controle ..................................................... 65

4.1.2 Controle da Granulometria ................................................. 68

4.1.2.1 Definio das Regras Bsicas .............................................. 68

4.1.2.2 Concluso sobre aplicao do controlador nebuloso ................ 70

4.2 Implementao prtica do sistema de controle ............................... 70

4.2.1 Descrio do Hardware Utilizado no Controle ......................... 71

4.2.1.1 Transdutor de Sinal ........................................................... 71

4.2.1.2 Mdulo 1771-IFE Conversor Analgico/Digital ........................ 71

4.2.1.3 Arquitetura do Sistema de Aquisio de Imagens ................... 73

4.2.1.3.1 Cmera de Vdeo ............................................................... 74

4.2.1.3.2 Placa de Captura de Vdeo .................................................. 74

4.2.1.3.3 Computador ...................................................................... 75

Captulo 5

5.1 Anlise dos resultados obtidos ...................................................... 77

5.2 Resultados Obtidos ..................................................................... 78

vii

5.2.1 Medies das Pelotas em Tempo Real ................................... 78

5.2.2 Sistema de Controle .......................................................... 82

5.3 Concluso Final ........................................................................... 85

viii

LISTA DE TABELAS

Tabela 3.1 Grupos de classificao de pelotas ................................... 43

Tabela 4.1 Dados de testes de fotografias de pelotas selecionadas .. .... 58

Tabela 4.2 Resultados das fotografias do processo, primeiro teste ....... 60

Tabela 4.3 Resultados no normalizados e normalizados do laboratrio

(excludas as pelotas dos grupos 1,2 e 5), primeiro teste.................... 61

Tabela 4.4 Comparao de resultados .......................................... 61 Tabela 4.5 Comparao de resultados de teste e laboratrio ............ 62 Tabela 4.6 Resultados das fotografias do processo, segundo teste ....... 63

Tabela 4.7 Resultados no normalizados e normalizados do laboratrio,

segundo teste ................................................................................. 63

Tabela 7.1 Caractersticas tcnicas do conversor de sinais ................ 71

Tabela 7.2 Caractersticas tcnicas do mdulo 1771-IFE .................... 72

Tabela 8.1 Resultados do programa de anlise de granulometria ........... 79

ix

NDICE DE FIGURAS

Figura 1.1 Foto de pelotas formadas ............................................ 4

Figura 1.2 Grfico com histrico do processo apresentando o rendimento (%)

da formao de pelotas, em todas as faixas ............................................ 7

Figura 1.3. Os dados referentes linha A de pelotamento, co m a alimentao

nova, DW-GTA, e a alimentao total, BW-TB02A ..................................... 8

Figura 2.1 Fluxograma da produo de concentrado ............................. 10

Figura 2.2 Planta de mistura dos aditivos e aglomerantes ao concentrado. 11

Figura 2.3 - Planta de pelotamento ........................................................ 12

Figura 2.4 Linha de pelotamento ......................................................... 13

Figura 2.5 Dados de processo mostrando quantidade de material maior que

16,0 mm e finos ................................................................................. 14

Figura 2.6 Visualizao do forno de endurecimento de pelotas ................ 16

Figura 2.7 - Partculas secas de minrio em contato com a gua ................ 17

Figura 2.8 - Ligaes formadas devido s tenses superficiais do lquido ..... 17

Figura 2.9 - Aglomeraes iniciadas ....................................................... 18

Figura 2.10 - Aglomerao no formada ................................................. 18

Figura 2.11 - Aglomerao mais densa ................................................... 19

Figura 2.12 Foras atuantes na formao da pelota ............................... 19

Figura 2.13 Estgio final da formao da pelota .................................... 20

Figura 2.14 Foto de um tambor de formao de pelotas ......................... 24

Figura 2.15 Dados de um tambor de formao de pelotas ...................... 25

Figura 2.16 Diagrama do sistema alimentao do tambor de formao de

pelotas ............................................................................................... 30

Figura 2.17 Efeito da injeo de gua na granulometria da pelota ........... 32

Figura 2.18 Efeito da baixa rotao no tambor de formao de pelotas .... 33

Figura 2.19 - Efeito da alta rotao no tambor de formao de pelotas ....... 33

Figura 2.20 - Efeito da adequada rotao no tambor de formao de pelotas 34

x

Figura 2.21 Aumento do percentual de pelotas formadas, na faixa de 9,5 a

12,5 mm, em relao ao aumento da rotao de tambor de formao de

pelotas ............................................................................................... 36

Figura 2.22 Efeito da rotao na quantidade do recirculado ..................... 37

Figura 2.23 Curva de resposta do tambor ............................................. 39

Figura 2.24 Curva de resposta ao degrau da equao de simulao, com

tempo de resposta, , de 75 segundos .................................................... 41 Figura 3.1 Imagem do transportador de pelotas .................................... 45

Figura 3.2 Aplicao do operador T de mdia em um pixel ..................... 46

Figura 3.3 Imagem em nveis de cinza ................................................. 47

Figura 3.4 Imagem em nveis de cinza aps filtragem por mdia

(1 iterao) ....................................................................................... 48


(3 iteraes) ....................................................................................... 48

Figura 3.6 Deteco de Bordas com o mtodo de Prewitt ........................ 49

Figura 3.7 Filtro passa-faixa (faixa de nvel de cinza entre 10 e 90), sem

filtragem por mdia ............................................................................. 50

Figura 3.8 Filtro passa-faixa (faixa de nvel de cinza entre 10 e 114) sem

filtragem por mdia ............................................................................. 51

Figura 3.9 Filtro passa-faixa (faixa de nvel de cinza entre 10 e 114) com

filtragem por mdia (2 iteraes) ........................................................... 51

Figura 3.10 Imagem binarizada sem filtragem, limiar de binarizao de valor

114 ................................................................................................... 52

Figura 3.11 Imagem binarizada com filtragem (2 iteraes), limiar de

binarizao de valor 114 ...................................................................... 52

Figura 3.12 Metodologia de classificao das pelotas ............................. 53

Figura 3.13 Visualizao da metodologia para classificao das pelotas .... 54

Figura 3.14 - Fotografia de pelotas classificadas na faixa de 9,5 a 12,5 mm 57

Figura 3.15 Objeto padro para obteno da relao pixel/mm, calibrao 59

Figura 3.16 Grfico dos resultados das fotografias do primeiro teste ....... 62

Figura 3.17 Grfico dos resultados das fotografias do segundo teste ........ 64

Figura 4.1 - Diagramas dos controladores propostos ................................ 66

xi

Figura 4.2 Diagrama do processo e instrumentao de controle .............. 67

Figura 4.3 Sistema nebuloso para controle da granulometria .................. 68

Figura 4.4 Funes de pertinncia do erro do controlador nebuloso da

granulometria ..................................................................................... 69

Figura 4.5 Funes de pertinncia da ao do CF da granulometria ......... 70

Figura 4.6 Sistema de aquisio de imagens ....................................... 73

Figura 5.1 Sistema de aquisio de imagens sobre o transportador GB-01 79

Figura 5.2 Leito de pelotas no transportador GB-01 .............................. 80

Figura 5.3 Sistema de aquisio e anlise de imagens ........................... 80

Figura 5.4 Imagem adquirida no transportador GB-01 ......................... 81

Figura 5.5 Grfico dos resultados das medies de pelotas em tempo

Real ................................................................................................. 82

Figura 5.6 Sistema de controle de velocidade do tambor de formao de

pelotas .............................................................................................. 83

Figura 5.7 Grfico dos dados de processo de formao de pelotas .......... 84

Figura 5.8 Grfico dos dados de processo das linhas de formao de

pelotas .............................................................................................. 85


1

CAPTULO 1

INTRODUO

1.1 O PROCESSO DE PELOTIZAO

1.1.1 Desenvolvimento histrico

As aglomeraes de minrio de ferro tais como pelotas, blocos, ou

sinter, no so os produtos finais. As aglomeraes so formadas por finos de

minrio que no podem ser utilizados nos fornos ou nas plantas de reduo

direta, devido aos efeitos de reduo da permeabilidade dos fornos, causando

distrbios na operao dos mesmos.

At a dcada de cinqenta, os finos de minrio formavam grandes pilhas

nas minas, sem uso econmico, e, em vrios pases industrializados, testes de

aglomerao eram realizados, embora com diferentes intensidades, pois pases

com importantes reservas de minrio de ferro tinham menor interesse. Em

pases com pequenas reservas a situao era diferente. Estes apresentavam

desenvolvimento contnuo no processo de sinterizao, no apenas com o fino

do minrio, mas tambm com produtos secundrios do prprio minrio bruto,

e finos, gerados dos processos de moagem, e da lama dos processos de

limpeza (Meyer, 1980).

Pases como Sucia e Alemanha foram impulsionados a dar especial

ateno ao processo de sinterizao e por conseqncia ao problema da

concentrao de finos. Na Sucia os finos passaram a no ser adicionados ao

sinter, mas passaram a ser formados em bolas. Com a adio de gua e depois

endurecidas. Com uso de pasta ou via processo trmico, com patente de 1912

em nome de Swede A. G. Andersson. Em 1913 a patente sobre o processo de

formao de pelotas de finos de minrio foi dada a C. A. Brackelsberg na

Alemanha (Meyer, 1980).


2

Resultados de testes de Brackelsberg mostraram que as pelotas eram

mais rapidamente reduzidas que os granulados de minrio ou sinter. Em 1926

a Krupp construiu uma planta piloto de capacidade de 120 toneladas por dia, a

Rheinhausen Stell Plant, que funcionou at 1937. A partir desta data houve

uma paralisao no processo de pelotizao.

Em 1943, intensivo desenvolvimento sobre o processo de pelotizao foi

iniciado com orientao da Universidade de Minnesota com o objetivo de

manter o suprimento de minrio de ferro proveniente da mina de Lake

Superior, especialmente de Mesabi Range, nos Estados Unidos.

Em 1946 na Sucia foi fundado o Jernkontoret, o Instituto de Ferro e

Ao da Sucia, em Estocolmo para aplicar finos, o que propiciou o surgimento

de vrias pequenas plantas industriais e foi o impulso decisivo para futuros

desenvolvimentos no processo de reduo direta.

Como resultado de intensiva cooperao entre grandes companhias de

minerao americanas, a Reserve Mining Co., a Erie Mining Co. e a

Universidade de Minnesota, em 1955, foram inauguradas duas grandes plantas

industriais de pelotizao com capacidade anual de 12 milhes de toneladas.

Neste tempo, nem os Estados Unidos e nem a Sucia estavam

interessados em outros processos de pelotizao que no os processos

utilizando concentrados de minrio de ferro, mas nova situao estava

surgindo no mundo, com o melhoramento de vrias etapas do processo de

sinter, desenvolvendo nova variante para formar a base de novo processo de

pelotizao com minrio de ferro e misturas. Este novo processo teve incio no

final da Primeira Grande Guerra, com importncia de acordo com a viabilidade

das reservas existentes em vrios pases.

O processo de sinterizao foi modificado de forma que somente os finos

de minrio eram transformados em bolas de 3 a 6 mm de dimetro,


3

misturados com coque de carvo. A COMINCO em Trail, Canad, e Cleverland

Cliffs Iron Co. operaram plantas industrias deste tipo por muitos anos. F.

Cappel e H.B. Wendeborn descrevem os desenvolvimentos dos processos de

sinterizao (F. Cappel, 1973) e (H.B. Wendeborn , 1978).

Em vrios pases, a partir de 1948 at 1980, o processo de sinterizao

foi desenvolvido para se adaptar variao do suprimento de minrios de

granulometria diferentes. Como resultado foi aplicado o processo de

pelotizao, para no somente com uso de concentrados, mas tambm outros

minrios finos (Meyer, 1980).

1.2 PRODUO DE PELOTAS DE MINRIO DE FERRO

Atualmente a pelotizao de minrio de ferro um processo importante

na fabricao do ao. As pelotas constituem uma das matrias primas bsicas

dos alto-fornos. Dados de 2001 indicam que em torno de 280 milhes de

toneladas so produzidas anualmente, sendo que o Brasil contribui com

aproximadamente 38 milhes de toneladas (Borim, 2000).

Existe uma tendncia mundial de aumento do consumo de pelotas

devido a fatores tais como reduo da oferta de minrio de ferro granulado de

alto teor, maior produtividade dos alto-fornos com pelotas e o aumento da

produo de ferro primrio por reduo direta.

Uma sntese das melhorias implementadas no processo de minrio de

ferro, em uma instalao industrial pode ser encontrada em Heep H. (Heep,

1999).

Na ultima dcada, as exigncias de qualidade e baixo custo imposto aos

produtores de pelotas tm aumentado, exigindo esquemas de controle e


4

automao, visando reduo de custos de produo, melhoria de rendimentos

e garantia de qualidade do processo.

1.2.1 Definio de Pelotas

Pelotas, pellets, figura 1.1, so bolas produzidas de concentrados e

minrios de ferro de diferentes composies qumicas e mineralgicas, com

propriedades tais como: distribuio uniforme de tamanho (na faixa de 9 a 15

mm de dimetro), grande concentrao de ferro (maior que 63%), alta

porosidade (de 25 a 30 %), praticamente sem perdas ao fogo, com

uniformidade mineralgica, com alta e uniforme caracterstica mecnica e

baixa tendncia abraso.

Figura 1.1 Foto de pelotas formadas

Para obter estas propriedades com grande variedade de minrios,

adequados mtodos de produo so utilizados. Trs estgios de processo so

envolvidos para produzir as pelotas:


5

preparao do minrio natural; formao das pelotas verdes ou pelotas no endurecidas; endurecimento das pelotas.

O sucesso na produo de pelotas depende do sucesso em cada uma das

etapas citadas. Um erro na etapa precedente no completamente corrigido

nas etapas posteriores. Mesmo na etapa de endurecimento, uma boa qualidade

no obtida com pelotas de formao ruim.

O objetivo da formao de pelotas t-las com o tamanho dentro da

faixa desejada e com caractersticas mecnicas que permitam o transporte

seguro do equipamento de formao at o equipamento de endurecimento.

Os fatores decisivos para a formao e propriedades de pelotas verdes

so:

foras fsicas tais como as de Van der Waals, magnticas ou eletrostticas;

rea superficial tais como tamanho das partculas, distribuio das mesmas, forma e estrutura cristalina;

foras capilares e tenses de superfcie com a adio de aderentes como gua.

Alguns destes fatores, principalmente os dependentes de minrio natural, no so variveis, entretanto influenciam a formao da pelota.

Os fatores variveis so:

quantidade de gua adicionada; granulometria e forma das partculas; equipamento utilizado e as foras conjugadas aos movimentos

deste equipamento.


6

1.2.2 Formao de Pelotas

Alm da parte slida, a parte lquida requerida para a formao das

pelotas. As foras de interface tm um efeito coercivo nas partculas slidas,

no lquido e no ar. Estas foras consistem na tenso de superfcie da

substncia usada na mistura, usualmente gua, e das foras capilares

desenvolvidas nas ligaes dos lquidos que encobrem cada partcula. Sob

estas condies uma certa fora elstica ocorre. As foras resultantes da

tenso de superfcie formam uma superfcie cncava no lquido, onde foras de

compresso tornam-se ativas.

Para a formao das pelotas h duas possibilidades:

as partculas slidas so agregadas no misturador. As partculas so unidas de acordo com a posio mais favorvel, uma em relao s

outras, e so compactadas pelo movimento do misturador;

no segundo caso, a formao de pelotas obtida rolando a mistura minrio/gua em tambores ou discos. A superfcie lquida tem

movimento livre o que possibilita a formao de ligaes capilares entre

partculas.

1.3 MOTIVAO PARA O DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO

O tambor de pelotamento apresenta vrias possibilidades para se obter

um timo controle da eficincia. Como todo o processo de pelotamento

influenciado pelas condies naturais do minrio e estas podem variar em

funo da mineralogia e da homogeneizao, o desafio de controle do processo

consiste na definio de uma estratgia adequada que proporcione operao

otimizada, estvel e eficiente, em atendimento s especificaes da qualidade.


7

O processo hoje adotado apresenta variaes no rendimento da

formao de pelotas da faixa de 9,5 mm a 12,5 mm e de 12,5 mm a 16 mm,

de forma complementar, com valores que variam de 55 % a 75 %, para a

faixa de 9,3 a 12,5 mm, e de 40 % a 20 % para a faixa acima de 12,5 mm,

conforme mostra o grfico da figura 1.2.

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

90,0

ndice de testes no intervalo de tempo

MAIS16MAIS125MAIS95MAIS63MENOS63

Figura 1.2 Grfico com histrico do processo apresentando o rendimento (%) da formao de pelotas, em todas as faixas

Esta evidncia de variao de resultados mostra que possvel o

desenvolvimento de um controle que eleve o percentual de pelotas da faixa de

9,3 mm a 12,5 mm para 70 %, aumentando o rendimento do tambor e

conseqentemente a produo horria, reduzindo o consumo de energia na

queima e melhorando a qualidade da pelota queimada, devido ao melhor fluxo

dos gases.

Os dados de processo do balano de massa dos tambores de

pelotamento foram armazenados em arquivos e analisados conforme


8

apresentado no grfico da figura 1.3. Os dados referem-se balana dosadora

de alimentao nova, DW-GT-A, referente linha A de pelotamento, e a

balana integradora da alimentao total do tambor, BW-TB-02-A.

Figura 1.3. Os dados referentes linha A de pelotamento, co m a alimentao

nova, DW-GTA, e a alimentao total, BW-TB02A

Os dados mostram que a quantidade de material da massa circulante

varia de 2 a 3 para 1, em relao alimentao nova, o que demonstra um

desajuste nos parmetros de operao do tambor, ocasionando uma variao

na quantidade de pelotas bem formadas e conseqentemente na produtividade

do equipamento.

Balano de Massa do Tambor GT-A

0

100

200

300

400

500

600

700

Indice de amostras do processo

t/h

DW-GTA BW-TB02A


9

1.4 OBJETIVOS

Esta dissertao tem por objetivo desenvolver um sistema de controle

da granulometria, atravs de realimentao por imagem digital, de um tambor

formao de pelotas abrangendo:

a qualidade do produto formado atravs do controle da granulometria via processamento digital de imagens e

a produtividade do equipamento.

1.5 METODOLOGIA

As etapas deste trabalho consistiram das seguintes etapas:

investigao detalhada do processo. investigao das grandezas que influenciam a formao das

pelotas.

levantamento de dados e modelagem matemtica das grandezas do tambor, que influenciam a formao das pelotas.

implementao do sistema de controle da qualidade do tambor de formao de pelotas com realimentao por anlise de imagens.

comprovao prtica dos resultados pelo balano de massa do sistema de pelotamento.

comprovao prtica dos resultados pela anlise das dimenses das pelotas formadas e pelo balano de massa do sistema de

pelotamento.


10

CAPTULO 2

2.1 O PROCESSO DE PELOTIZAO

2.1.1 Britagem e Concentrao

O minrio de ferro geralmente lavrado a cu aberto, ocorrendo

principalmente, na forma de hematita - Fe2 O3 e de magnetita - Fe3 O4. Em

funo de diversos fatores econmicos, tcnicos e metalrgicos, deve-se

realizar um tratamento apropriado do minrio de ferro para sua utilizao em

alto-forno e planta de reduo direta.

Com um processo bsico de britagem e classificao, as fraes de 0,1 a

6,3 mm e 6,3 a 30 mm j esto prontas para comercializao, na forma de

sinterfeed, matria prima para o processo de sinterizao e bitolados, lump

ore, para aplicao nos autofornos.

Figura 2.1 Fluxograma da Produo de concentrado


11

A figura 2.1 apresenta um fluxograma que representa o processo de

beneficiamento do minrio de ferro at a obteno da matria-prima para a

produo de pelotas.

2.1.2 Planta de Mistura

Na CVRD MINERAO S.A., antiga Ferteco, a frao fina resultante do

processo de britagem e classificao,figura 2.1, tratada para aumento do

teor de ferro, com reduo de slica, SiO2, e alumina, Al2O3, utilizando-se de

separadores magnticos. Em seguida o concentrado, com granulometria de

85% menor que 45 m, modo e filtrado. Este produto a matria prima

para o processo de pelotamento.

Figura 2.2 Planta de mistura dos aditivos e aglomerantes ao concentrado.


12

Ao concentrado de minrio de ferro so adicionados aglomerantes e

aditivos, tais como bentonita, dolomita, cal e calcrio. Os aglomerantes so

utilizados para a formao das pelotas e os aditivos para a correo das

propriedades qumicas das mesmas. Nesta fase do processo so adicionados

os combustveis slidos como coque de petrleo e antracito, para reduzir o

consumo de combustvel requerido para combusto interna da pelota. A figura

2.2 representa de forma esquemtica o processo de mistura dos aditivos e

aglomerantes ao concentrado.

2.1.3 Planta de Pelotamento

Figura 2.3 - Planta de pelotamento


13

A figura 2.3 mostra de forma esquemtica a planta de pelotamento, da

CVRD MINERAO S.A., antiga Ferteco, com as seis linhas existentes de

tambores de formao de pelotas.

BU-GT Silo de concentrado

DW-GT Balana dosadora

TB-01 Transportador de correia

TB-02 Transportador com balana



GT Tambor

RS-GT Peneira de rolos

TB-05 Transportador de finos

RB-01 Transportador de aglomerados

GB-01 Transportador de produtos

GB-02 Transportador de correia

RB-02 Transportador de correia

Mistura rea de mistura de concentrado

Figura 2.4 Linha de pelotamento

Em uma linha de pelotamento, figura 2.4, o material pronto para a

formao de pelotas armazenado no silo BU-GT.

As pelotas formadas no tambor passam pela peneira RS-GT, com o

objetivo de seleo, e aquelas que so menores que 9,3 mm, caem no


14

transportador TB-05, as pelotas na faixa granulomtrica de 9,3 a 16,0 mm

caem no transportador GB-01 e os aglomerados maiores que 16,0 mm caem

no transportador RB-01.

Todo o material do transportador GB-01 levado para a etapa final de

peneiramento e endurecimento no forno.

O material do transportador RB-01, maior que 16,0 mm, esmagado e

retorna para os misturadores. O grfico da figura 2.5 mostra que esta

quantidade menor que 10 t/h, para cada uma das seis linhas, e no far

parte de nosso estudo.

As pelotas menores que 9,3 mm retornam para o transportador TB-02

onde se juntam com o material novo, extrado do silo pela balana dosadora,

DW-GT, e formam a alimentao do tambor.

O controle da alimentao do tambor, GT, de at 550 t/h e formado

pela soma das pelotas menores que 9,3 mm, provenientes do retorno, atravs

do transportador TB-05, e pelo material novo, dosado pela balana DW-GT.

Figura 2.5 Dados de processo mostrando quantidade de material maior que

16,0 mm e finos

t/h t/h Pelotas >16 mm

-150 -100

-50 0

50 100 150 200 250

t/h

W_RB03 W_RB06 > 16 mm

ndice de testes no intervalo de tempo


15

A figura 2.5 mostra o grfico com os dados do resultado do processo

onde a balana integradora BW-RB-06 pesa todos os finos, provenientes de

quebras e atritos no transportador que alimenta a entrada do forno de queima.

Estes finos so adicionados s pelotas maiores que 16,0 mm provenientes dos

transportadores RB-01 de cada linha de pelotamento e so pesados pela

balana integradora BW-RB-03. Este material retorna aos misturadores.

2.1.4 Planta de Endurecimento das Pelotas

De maneira geral, as pelotas devem possuir uma resistncia mecnica

que permita o seu transporte e os esforos que ocorrem durante os processos

metalrgicos. O aumento da resistncia mecnica pode ser obtido por

tratamento trmico em uma atmosfera controlada. O endurecimento das

pelotas em escala industrial feito em dois estgios: secagem das pelotas,

seguida de aquecimento e queima, a uma temperatura de 1250 C. Nesta

temperatura, ocorre a fuso de alguns componentes, tais como slica, alumina

e calcrio, cal, dolomita, formando uma escria vitrificada entre as partculas

de minrio de ferro e, por conseqncia, aumentando a resistncia

compresso das pelotas.

Na CVRD Minerao S.A., antiga Ferteco, utiliza-se o forno de grelha

mvel, que pode ser visto de forma esquemtica na figura 2.6. As pelotas

alimentam uma grelha mvel que percorre as diversas zonas que compem o

forno. Gases quentes impulsionados por ventiladores atravessam a camada de

pelotas, em um perfil crescente de temperatura, secando, aquecendo e

queimando as pelotas em uma temperatura de 1300 C. Finalmente, na ltima

etapa do processo, as pelotas so novamente resfriadas por ar ambiente

forado que est, em contrapartida, sendo pr-aquecido para a combusto nos

queimadores. Ao final deste processo, as pelotas queimadas devem ter

resistncia fora de compresso da ordem de 300 kgf (Borim, 2000).


16

Figura 2.6 Visualizao do forno de endurecimento de pelotas

2.2 Mecanismo da Formao de Pelotas

O material para pelotamento consiste, na maioria dos casos, de material

mido proveniente da planta de filtragem.

Quando partculas secas de minrio tm contato com a gua, as mesmas

ficam cobertas com uma fina pelcula de gua, figura 2.7 e quando duas

partculas se tocam, devido s tenses superficiais do liquido, ligaes so

formadas como ilustrado na figura 2.8.


17

Figura 2.7 - Partculas secas de minrio em contato com a gua

Figura 2.8 - Ligaes formadas devido s tenses superficiais do lquido

Como resultado do movimento rotativo dos tambores e da combinao

de vrias partculas, as primeiras aglomeraes so formadas, figura 2.9, com

a combinao de ligaes de gua e intervalos de ar.


18

Figura 2.9 - Aglomeraes iniciadas

Com a adio de gua no processo, mais e mais gua se junta

aglomerao, reduzindo os espaos de ar no interior da mesma e tornando-a

mais densa, figura 2.10 e 2.11. Neste estgio as foras capilares esto

essencialmente ativas. O efeito das foras capilares claramente apresentado

por Ilmoni e Tigerschild (Ilmoni e Tigerschild, 1973).

Figura 2.10 - Aglomerao no formada


19

Figura 2.11 - Aglomerao mais densa

Figura 2.12 Foras atuantes na formao da pelota

Nas superfcies lquidas e cncavas formam-se nos poros exteriores e

foras capilares de suco mantm as partculas juntas como mostrado na

figura 2.12, acima.


20

O estgio final atingido quando todas as partculas do aglomerado

esto totalmente cobertas de gua, figura 2.13.

Figura 2.13 Estgio final da formao da pelota

Alm destes efeitos, o movimento de rolagem das partculas e o

movimento de agregao de uma em relao a outras importante. Com mais

detalhes Sastry e Fuerstenau explicam o mtodo de formao das pelotas

(Sastry e Fuerstenau, 1973).

2.3 Fatores que Influenciam a Formao de Pelotas

A menor granulometria do minrio e as propriedades da superfcie alm

da quantidade de gua so os principais fatores da formao de pelotas. Para

muitos tipos de minrios, a adio de aglomerantes necessria para

assegurar a formao.

Nestes casos, trs fatores so importantes:

propriedades granulomtricas;


21

contedo da mistura; eficincia dos aglomerantes.

2.3.1 Propriedades Granulomtricas dos Minrios

As propriedades granulomtricas das partculas de minrio como forma,

tamanho, rea superficial, rugosidade, porosidade e capacidade de absoro de

gua so importantes para a formao das pelotas.

Um outro fator importante a superfcie especfica de rea das

partculas, que d informaes sobre a poro de finos na faixa menor que 5

m e tambm sobre a rugosidade e porosidade da superfcie das partculas. A superfcie especfica definida pela razo da superfcie pelo peso ou volume

em cm2/g ou cm2/cm3 (Meyer, 1980).

Alguns minrios extrados so to finos que no necessitam de nenhum

beneficiamento, outros necessitam de serem modos, pois devido ao resultado

de inmeros testes e de dados de plantas industriais, sabido que a alta

quantidade de partculas finas fator decisivo para alcanar timo efeito das

foras capilares de adeso (Meyer, 1980).

2.3.2 Influncia da Adio de gua na Formao de Pelotas

Durante a formao da pelota, o efeito da adio de gua muito

importante, pois a influncia da granulometria somente efetiva com a devida

quantidade de gua contida na mistura, porm uma mistura tima no

claramente definida.

A quantidade de gua adicionada afeta duas das propriedades da pelota

alem de compresso, que maior quanto menor for a quantidade de gua


22

adicionada, e a resistncia a quedas, que maior quanto maior for a

quantidade de gua adicionada.

2.3.3 Influncia de Aditivos na Formao de Pelotas

Os aditivos so utilizados para aprimorar a formao das pelotas e,

tambm melhorar a qualidade das pelotas queimadas ou endurecidas. A

quantidade de aditivos limitada a este propsito e independente da

estrutura qumica do minrio beneficiado.

Um dos aditivos mais utilizados, a bentonita, envolve as partculas de

minrio e quando combina com a gua forma um gel com alta capacidade de

unio. Assim, a influncia das propriedades granulomtricas dos minrios, em

combinao com gua, na formao das pelotas quase sempre insuficiente

desde que poucos minrios podem formar pelotas sem a adio de aditivos

aglomerantes.

A mistura de aditivos melhora as seguintes propriedades na formao

das pelotas:

melhora a formao das pelotas devido fora de coeso; causa aumento da resistncia a quedas; melhora das qualidades de reduo da pelota queimada ou endurecida.

2.4 EQUIPAMENTO DE FORMAO DE PELOTAS

A preparao do minrio, a formao da pelota e o endurecimento da

mesma so fatores decisivos para a produo com as caractersticas requeridas

para o manuseio e a reduo no alto forno. Com o objetivo de se obter pelotas

de tamanho uniforme e de qualidade, o equipamento utilizado no pelotamento


23

deve ser flexvel o suficiente para compensar as variaes das propriedades

relacionadas com o minrio bruto.

2.4.1 Tambor de Formao de Pelotas

Nestes equipamentos, figura 2.14, todas as condies para a obteno

de uma pelota de qualidade devem ser atingidas, ou seja, todos os

movimentos e todas as foras de compresso devem interagir de forma

harmoniosa. Para tanto, o equipamento deve possibilitar uma boa condio de

mistura, permitindo uma distribuio uniforme de aditivos, minrio e gua. Os

movimentos devem ser contnuos e uniformes, permitindo que toda a massa

de minrio seja movimentada e conseqentemente promovendo o movimento

de todas as partculas, possibilitando o maior nmero de contatos possveis de

forma a criar grande nmero de ligaes capilares. O movimento deve

produzir, tambm, uma pequena presso de forma a reduzir as cavidades

entre partculas e, por fim, devem produzir movimentos de forma que os

aglomerados rolem livremente, permitindo assim que os mesmos formem

bolas.


24

Figura 2.14 Foto de um tambor de formao de pelotas

2.4.1.1 Componentes do Tambor de Formao de Pelotas

O tambor, figura 1.15, consiste de um cilindro de movimento rotativo,

ligeiramente inclinado e aberto em ambas extremidades. Dentro do tambor,

existe um rolo raspador rotativo, de posio fixa, em paralelo ao tambor, cuja

funo limitar a altura da camada interna de material.

De forma a promover uma operao correta, as seguintes funes do

tambor devem ser variveis:

ngulo de inclinao do eixo horizontal (fixo neste estudo); Nmero de voltas por unidade de tempo.


25

Figura 2.15 Dados de um tambor de formao de pelotas

O minrio preparado descarregado na parte superior do tambor e gua

borrifada no interior do mesmo, de forma a possibilitar melhor formao das

pelotas. O minrio rola em aspirais em direo sada. De acordo com o

comprimento, a inclinao, a velocidade angular e do grau de alimentao,

pelotas de determinado tamanho so produzidas. As pelotas descarregadas

pelo tambor so peneiradas e aquelas de dimenses desejadas so separadas.

As parcelas de pelotas, acima do limite desejado e abaixo do mesmo, so

misturadas ao minrio de alimentao do tambor. Assim, sempre existir

material residente no sistema de recirculao, ou seja, pelotas no formadas, e

a quantidade deste material tm a proporo percentual que varia de 100% a

400% da quantidade de material novo que alimenta o tambor (Meyer, 1980).


26

2.5 CARACTERIZAO DO TAMBOR DE FORMAO DE PELOTAS E DEFINIO DA ESTRATGIA DE CONTROLE

2.5.1 Consideraes Sobre Modelos Matemticos

Um modelo uma representao abstrata ou concreta, grfica ou

matemtica de observaes feitas na aplicao real de acordo com um certo

padro.

Os modelos matemticos descrevem relaes entre variveis em termos

de equaes e so ferramentas poderosas no projeto, anlise e otimizao de

sistemas de controle de processos industriais. Na realidade, eles formam a

base da engenharia (Aguirre, 2000).

Dois pontos devem ser considerados no modelo matemtico de um

sistema. O primeiro que o modelo desenvolvido apenas uma representao

aproximada, deste modo no h um modelo nico, geral, do sistema, mas um

conjunto de modelos. O segundo que o modelo uma aproximao de

algumas caractersticas do sistema. Assim, ao final da definio do modelo, se

o teste for considerado inadequado, deve-se avaliar a pertinncia das

consideraes feitas.

No modelo, duas consideraes so comumente feitas, a primeira que

o sistema comporta-se de forma linear e isto normalmente verificado em

uma faixa estreita de operao. A segunda a considerao de invarincia no

tempo, ou seja, os parmetros no variam no tempo. Entretanto o que ocorre

na realidade que os parmetros do sistema variam com o tempo de acordo

com a dinmica do sistema, mas a dinmica no altera significativamente no

perodo de tempo em que feita a modelagem.

Na otimizao de parmetros do modelo h dois mtodos que podem ser

utilizados, o mtodo determinstico, que no d nenhum tratamento especial

ao rudo presente nos dados, ou seja, considera a relao sinal/rudo muito


27

alta e o mtodo estocstico que utiliza recursos estatsticos para levar em

considerao o rudo e assim reduzir seus efeitos sobre o modelo.

Os modelos matemticos de sistemas reais podem ser obtidos com base

nos princpios da fsica do processo, denominado de modelagem caixa branca,

que demanda tempo e conhecimento dos fenmenos envolvidos, ou em dados

de entrada e sada obtidos diretamente do processo, denominado modelagem

caixa preta ou emprica (Aguirre, 2001).

A complexidade do processo de formao de pelotas e a faixa de

resultados considerados dentro do padro tornam praticamente impossvel a

obteno de modelos do tipo com base nos princpios da fsica do processo. Por

isto optou-se pelo trabalho de obteno do modelo atravs de testes na planta

industrial, com dados obtidos diretamente do processo.

2.6 ESTRATGIA DE CONTROLE

O objetivo de um sistema de controle de um processo industrial

proporcionar:

qualidade adequada ao produto, com baixa disperso; maximizar produtividade do equipamento.

Estes dois itens definem que o tambor de formao de pelotas deve

possuir pelo menos dois tipos de controles, um para atender a qualidade do

produto, ou seja, a granulometria da pelota formada dentro da faixa requerida

e de forma uniforme, e outro para atender a melhor produtividade, ou seja,

otimizar a operacionabilidade do equipamento.


28

2.6.1 Variveis no Controladas do Processo de Formao de

Pelotas

As variveis no controladas do processo de formao de pelotas

constituem-se de tudo que compe o equipamento, mas so imutveis aps os

ajustes preliminares de instalao. Estas variveis so o prprio tambor de

formao de pelotas e a peneira de seleo de produtos.

2.6.2 Caractersticas Fsicas do Tambor de Pelotamento

O tambor de pelotamento possui caractersticas fsicas, ngulo da

inclinao, , dimetro, e comprimento, l, que influenciam o processo de formao de pelotas. Entretanto so caractersticas fixas e esto relacionadas

principalmente com o tempo de reteno do material dentro do tambor. Este

tempo tem relao direta com o tamanho das pelotas e quantidade de material

do recirculado. Outros fatores que afetam a formao de pelotas e

conseqentemente a quantidade de material recirculado, ou seja, material

retido no circuito do tambor, so as caractersticas fsicas e qumicas do

minrio e a peneira de seleo das pelotas formadas.

Empiricamente a relao entre comprimento e dimetro do tambor varia

de 2 a 3 e quanto maior o comprimento do tambor, maior ser a quantidade

de pelotas formadas para uma dada quantidade de material alimentado e

menor ser a quantidade do material recirculado, ou seja, o concentrado novo

e o material das faixas de 6,3 mm a 9,5 mm e menor que 6,3 mm.


29

2.6.3 A Peneira de Classificao de Pelotas

A peneira de classificao das pelotas formadas define a faixa de

produtos prontos, pelotas prontas, as que ainda esto fora das especificaes

do tamanho desejado e os aglomerados maiores que 16 mm. No presente

estudo no abrangeremos os detalhes das variaes na peneira, considerando-

a de abertura fixa e com desgaste irrelevante nos perodos de testes.

2.6.4 Variveis Manipuladas do Processo de Formao de Pelotas

No tambor de formao de pelotas as variveis controladas do processo,

ou seja, variveis que podem ser manipuladas de forma a melhorar a

qualidade e a produtividade so:

gua inserida; rotao do tambor; quantidade de minrio da alimentao.

Outros parmetros tais como as caractersticas do minrio que est

sendo processado, as caractersticas fsico/qumicas, a superfcie especifica, a

granulometria, as caractersticas qumicas e umidade afetam o processo, mas

no esto no objetivo de controle desta dissertao. Obviamente durante os

testes sero vistos os efeitos que causam no processo e sero considerados

dentro do sistema de controle proposto.

2.6.5 Controle Atual do Tambor de Formao de Pelotas

O diagrama operacional do tambor de formao de pelotas entendido

atravs do diagrama da figura 2.16.


30

Figura 2.16 Diagrama do sistema alimentao do tambor de formao

de pelotas

Atualmente no h um controle completo do sistema de alimentao do

tambor de formao de pelotas. A descrio do que existe apresentada a

seguir.

No diagrama acima, a balana BW-TB-02, ou simplesmente BW-TB,

mede a alimentao total do tambor de formao de pelotas, que composta

do minrio que passa pela balana dosadora DW-GT, alimentao nova, e do

recirculado, ou seja, minrio que j passou pelo tambor e no atingiu tamanho

suficiente para ser classificado como pelota. Esta balana, BW-TB-02, tem um

limite de carga mxima em 550 toneladas por hora e quando a soma de DW-

GT e do recirculado ultrapassa este limite, a referncia da dosadora DW-GT

reduzida automaticamente. Quando a soma das quantidades citadas fica

abaixo do limite, a referncia da dosadora DW-GT livre para controle do

operador. O objetivo desta estratgia de controle proteger o equipamento

contra sobrecargas.

Como concluso, o controle atual limita a produtividade do equipamento,

mas fornece o dado de que a oscilao gerada por este processo, no limite de

550 t/h, tem a durao do tempo de resposta de um ciclo da resposta do

tambor de formao de pelotas a um estimulo da variao da alimentao.


31

No controle da granulometria, atualmente existem apenas testes de laboratrios para confirmao e caracterizao do processo. Todo

controle das pelotas formadas feito pelo operador de rea com ao apenas na injeo de gua e na variao da alimentao do tambor de formao de pelotas. Esta atuao possui um objetivo que melhorar

a formao de pelotas e permitir apenas uma ao que reduzir a produtividade para controlar a granulometria.

2.7 CARACTERIZAO DA FORMAO DE PELOTAS

2.7.1 Efeito da Injeo de gua no Tamanho da Pelota Formada

2.7.1.1 Metodologia

Para caracterizao do efeito da injeo de gua no tamanho da pelota

formada, vrios testes foram feitos, obedecendo o seguinte procedimento:

mantida a alimentao do tambor constante e estvel; medida a umidade do concentrado antes na dosadora DW-GT, ou

seja, antes do material entrar no tambor;

feita a injeo de gua de forma controlada, com valores de 0,2 m3/h, 0,4 m3/h, 0,6 m3/h e 0,8 m3/h;

observado o tempo de estabilizao do processo; medida a umidade da pelota formada para caracterizar a variao da

umidade adquirida;

medida quantidade de pelotas formadas nas faixas normais do processo, para cada condio de injeo de gua.


32

2.7.1.2 Resultados de Testes no Processo de Formao de Pelotas

A quantidade de pelotas formadas, obtida com as medies do item seis

do procedimento, mostra que o percentual de pelotas formadas na faixa de 9,5

mm a 12,5 mm aumenta com o aumento da umidade adquirida pelo material

processado. O grfico da figura 2.17 mostra este resultado, em trs testes, I,II

e III, feitos.

Figura 2.17 Efeito da injeo de gua na granulometria da pelota

2.7.2 Efeito da Variao da Rotao do Tambor no Processo de

Formao de Pelotas

Uma velocidade de rotao angular especfica do tambor necessria

para a formao da pelota, figura 2.18, pois uma velocidade muito lenta,

figura 2.19, ou muito rpida, figura 2.20, deve ser evitada. Se o tambor

movimenta lentamente, o minrio no rola sobre si mesmo, mas simplesmente

escorrega, no formando pelotas.

Granulometria (9,5 - 12,5mm) x injeo de gua

767778798081828384

0,2m/h 0,4m/h 0,6m/h

%

II III

I


33

Figura 2.18 Efeito da baixa rotao no tambor de formao de pelotas.

Se o tambor movimenta de forma muito rpida, a fora centrfuga

gerada eleva a massa de minrio at o ngulo limite permitido pela gravidade

e neste ponto ocorrer a queda da massa, no permitindo a formao de

pelotas.

Figura 2.19 - Efeito da alta rotao no tambor de formao de pelotas


34

Quando o tambor movimenta a uma velocidade tal que a fora

centrfuga superada pela fora de frico, o material elevado at certo

ngulo e ento rola sobre si mesmo, formando as pelotas por aglomerao.

Figura 2.20 - Efeito da adequada rotao no tambor de formao de pelotas

A pelota, antes de ser completamente formada, necessrio que role

por uma certa distncia dentro do tambor, o que definido pelo ngulo da

inclinao do mesmo.

2.7.2.1 Metodologia

A caracterizao do efeito da variao da rotao do tambor no processo

de formao de pelotas teve como objetivo mostrar os resultados que se

obtm tanto na distribuio granulomtrica da pelota formada como na

produtividade do tambor, ou seja, na reduo do material recirculado. Para tal,

vrios testes foram feitos, obedecendo ao seguinte procedimento:

a alimentao do tambor j mantida estvel e constante;


35

obtido, via histrico do processo, a quantidade de material recirculado;

feita a variao da rotao do tambor de formao de pelotas, com referncia de 9 rpm, 10 rpm, 11 rpm e 12 rpm;

o tempo de estabilizao do processo para cada referncia adotado foi observado;

anlise da quantidade de pelotas formadas nas faixas do processo foi medida.

2.7.2.2 Resultados de Testes com a Rotao do Tambor

Quando o tambor de formao de pelotas gira com maior velocidade, o

tempo de reteno da massa circulante menor, se comparado com o tempo

de reteno quando o tambor acionado com menor velocidade de giro. Assim

as pelotas formadas passam pela peneira de classificao em intervalo de

tempo menor, no possuindo tempo de aumentar de tamanho com a

agregao de maior quantidade de material. Se estiverem na faixa de tamanho

de 9,5 a 12,5 mm de dimetro, sero classificadas como produtos. Como no

h tempo de maior agregao, as pelotas formadas possuem tamanho dentro

da faixa, mas com tamanho menor, ou seja, dimetro mais prximo a 9,5 mm

que 12,5 mm.

Os trs grficos, I, II e III na figura 2.21 mostram o gradativo aumento

do percentual de pelotas formadas na faixa de 9,5 a 12,2 mm de dimetro,

com o aumento da rotao do tambor de 9 rpm a 12 rpm.


36

Figura 2.21 Aumento do percentual de pelotas formadas, na faixa de 9,5 a

12,5 mm, em relao ao aumento da rotao de tambor de formao de

pelotas.

2.7.3 Concluso sobre os testes

Com o aumento da gua inserida, a variao do percentual de pelotas

formadas, na faixa de 9,5 mm a 12,5 mm, foi de aumento, com valor de

aproximadamente 1 %, conforme mostrado no grfico acima. Esta variao,

entretanto, bem menor que o efeito causado pela variao da rotao do

tambor, conforme ser visto a seguir e no ser considerada como prioritria

no processo de melhoria de granulometria. Este parmetro de controle de

injeo de gua deve ser utilizado para melhorar a produtividade do

equipamento.

A quantidade de pelotas formadas, obtida com as medies do quinto

item do procedimento, mostrou que o percentual na faixa de 9,5 mm a 12,5

I % granulometria ( 9,5 - 12,5 mm) x rotao

do tambor

55

60

65

70

75

9 rpm 10 rpm 11 rpm 12 rpm

%

I II III


37

mm aumenta entre 5 e 7 %, com o aumento da rotao aplicada ao tambor de

formao de pelotas. O grfico acima mostra este resultado.

Este efeito bem maior que aquele causado pela variao da injeo de

gua no tambor, conforme foi visto anteriormente e ser considerado como

prioritrio no processo de melhoria de granulometria.

2.7.4 Efeito da Variao da Rotao do Tambor na Produtividade

na Formao de Pelotas

O aumento da rotao do tambor de formao de pelotas tem efeito

direto na distribuio do tamanho das pelotas, mas no causa melhoria na

produtividade do equipamento, conforme descrito a seguir. O grfico da figura

2.22mostra a variao da rotao de 12 rpm para 9 rpm, e retorno a 12 rpm,

com alimentao nova constante de 200 t/h. Nota-se que a variao da

quantidade do recirculado, mostrando que no h reduo, a no ser o prprio

aumento da produtividade em funo da produo de pelotas menores.

Efeito da rpm no recirculado

0

50

100

150

200

250

300

t/h

BW-GTF Recirculado rotaondice de amostras

Figura 2.22 Efeito da rotao na quantidade do recirculado


38

2.7.5 Caracterizao do Tempo de Resposta da Granulometria

Em plantas industriais bastante difcil se obter uma condio ideal de

estabilidade das variveis de controle. Vrios testes foram necessrios para

caracterizar a resposta ao estmulo aplicado rotao do tambor de formao

de pelotas.

Um aspecto importante na obteno da curva de resposta do sistema

em anlise o emprego de tcnica adequada para a aquisio dos dados de

processo. O intervalo de amostragem deve ser criteriosamente definido. Para a

anlise em questo partiu-se dos dados da curva de resposta ao degrau na

alimentao do tambor.

Pode-se dizer que, sob certas condies de amostragem, um sinal

contnuo no tempo pode ser completamente reconstitudo a partir de seus

valores amostrados com intervalos fixos de tempo. A freqncia de

amostragem, conforme a teoria de Nyquist (Oppenheim, 1997), deve ser maior

que duas vezes a maior freqncia contida no sinal amostrado. Outro aspecto

importante relativo freqncia de amostragem a possibilidade de

ocorrncia do fenmeno de aliasing (Lee, 1997), onde se o intervalo de

aquisio de dados no atender ao especificado pelo teorema da amostragem,

o espectro de freqncias do sinal recuperado no ser igual ao do sinal

original.

Ao inversor que aciona o tambor de formao de pelotas foi aplicado um

degrau de 4 rpm, fazendo com que o mesmo sasse de 9 rpm e passasse a

operar com 12 rpm.

A partir do instante em que foi aplicado o degrau, e em intervalos de 42

segundos, amostras das pelotas formadas foram obtidas no transportador GB-

01, e levadas para serem analisadas, por meio de peneiras, do laboratrio de

anlise granulomtrica.


39

Os dados foram levantados e o grfico da figura 2.23 mostra a curva de

resposta da formao de pelotas, percentual na faixa de 9,5 a 12,5 mm de

dimetro, com constante de tempo, , de 75 segundos.

Figura 2.23 Curva de resposta do tambor

A funo de transferncia uma expresso algbrica no domnio de

Laplace (Ogata,1997), da relao dinmica existente entre a entrada e a sada

de um processo. Se a funo de transferncia escrita de uma forma padro,

ento as propriedades dinmicas do processo a que se refere podem ser

facilmente identificadas.

Um modelo emprico representado por uma funo de transferncia

simples, com ou sem tempo morto, e com poucos parmetros para serem

determinados a partir de dados experimentais.


40

No presente estudo, optou-se pela representao do modelo matemtico

da granulometria do tambor de formao de pelotas, por funo de

transferncia de primeira ordem. Trata-se de uma aproximao razoavelmente

precisa para fins de controle. As equaes abaixo so formas padronizadas de

representao de processos de primeira ordem.

A equao de transferncia do sistema primeira ordem :

1)( += s

ksG (5.1)

Sendo que K o ganho esttico, e a constante de tempo. E a transformada de Laplace para este sistema, com um sinal de entrada de um degrau unitrio

:

1

1)( += sk

ssY (5.2)

No domnio do tempo:

)1()( /tekty = (5.3)

O valor de obtido do registro da resposta ao degrau onde o tempo para y(t) sair do valor inicial e atingir 63,2% da variao total devida ao

degrau aplicado.

)0()]0()([623,0 yyy += (5.4)


41

2.7.6 Validao do Modelo Matemtico

Uma das tcnicas mais usuais de validao de modelos matemticos

consiste na comparao da resposta transitria do modelo em relao obtida

na planta industrial, para uma mesma excitao de entrada, no caso, um

degrau.

Para a simulao da resposta ao degrau do modelo matemtico, foi

utilizada a funo degrau do programa MATLAB (Cavallo,1996). Esta funo faz

a simulao de sistemas lineares invariantes no tempo, apresentando a

resposta do sistema em uma srie temporal, para um degrau aplicado

entrada.

A ttulo de ilustrao, apresentada abaixo a figura 2.24 com a

comparao da resposta do modelo em relao ao sistema real.

Figura 2.24 Curva de resposta ao degrau da equao de simulao,

com tempo de resposta, , de 75 segundos


42

2.8 Concluso sobre a validao do modelo matemtico

Neste captulo foi visto que a resposta da granulometria do tambor de

formao de pelotas tem uma funo de transferncia de primeira ordem e que

a constante de tempo de 72 segundos. Desta forma a amostragem da

granulometria pode ser feita a cada 3 segundos, pois no ser contrario

teoria de Niquist.


43

CAPTULO 3

3.1 ESTRATGIA DO PROCESSSAMENTO DE IMAGENS E

CLASSIFICAO DE PELOTAS

Atualmente os tambores das seis linhas de pelotamento operam em

malha aberta. A operao baseada essencialmente na quantidade de

material do recirculado. O acompanhamento da qualidade das pelotas feito

atravs de testes de granulometria das mesmas. Esses testes so realizados

em laboratrio, de duas em duas horas, por meio de amostras representativas,

para o conjunto dos seis tambores de pelotamento. O teste classifica as

pelotas em cinco grupos, indicando o percentual para cada um deles, conforme

mostrado na tabela abaixo,

Tabela 3.1 Grupos de classificao de pelotas

Dimetro menor do que 6.3 mm (grupo 1) finos agregados

Dimetro entre 6.3 e 9.4 mm (grupo 2) sementes de pelotas

Dimetro entre 9.4 e 12.4 mm (grupo 3) pelotas de produto 70%

Dimetro entre 12.4 e 16 mm (grupo 4) pelotas de forramento 24%

Dimetro maior do que 16 mm (grupo 4) aglomeraes

A situao ideal corresponde a ter 70% da produo dentro do grupo 3

e 24% dentro do grupo 4 e 6% nos grupos restantes. Essa distribuio garante

um bom processo de queima das pelotas e o correto perfil granulomtrico

(Borim, 2000).


44

3.1.1 Objetivo da Estratgia de Anlise de Imagens

O objetivo definir uma estratgia baseada em processamento digital

de imagens para classificar as pelotas formadas. O resultado do

processamento utilizado na implementao do sistema de controle de cada

tambor de formao de pelotas, agindo como referncia de velocidade de

rotao.

A estratgia definida considera como universo apenas as pelotas dos

grupos 3 e 4, informando o percentual desse universo, representado por cada

grupo, e, em conjunto, o tamanho mdio, tambm para cada um dos grupos.

O sistema de controle desta tese, com objetivo primordial de manter a

granulometria da pelota formada dentro das faixas de valores, atende a

qualidade do processo de formao de pelotas, ou seja, os grupos 3 e 4, que

correspondem a estas faixas. Os percentuais das outras faixas so

monitorados pelo balano de massa de todo o sistema do pelotamento, como a

balana BW-RB06 que mede a quantidade de produto nas faixas menores que

9,5 mm ou finos agregados e BW-RB03 que mede a quantidade de produto na

faixa acima de 16,0 mm.

Variaes de processo, como grande quantidade de finos agregados, ou

grande quantidade de aglomerados, informadas por balanas, devero fazer

parte de um estudo futuro.

3.1.2 Aquisio das Imagens

Para o desenvolvimento do programa, a aquisio das imagens foi

realizada por meio de uma cmera fotogrfica digital, gerando arquivos de

formato JPG de 24 bits (formato RGB) e resoluo de 2272 x 1704 pixels. O

procedimento de aquisio foi sempre realizado utilizando apenas o prprio

flash da mquina, com o objetivo de obter variaes no procedimento e


45

analisa-los. A figura 3.1 apresenta um exemplo de uma imagem de um leito de

pelotas, obtida no transportador GB-01, transportador de pelotas formadas.

Figura 3.1 Imagem do transportador de pelotas

3.1.3 Tratamento das Imagens

A imagem para a classificao de pelotas utiliza nveis de cinza, com oito

bits por pixel. Como a cmera utilizada gerou arquivos RGB, foi necessria

uma converso para Bitmap, em ambiente MATLAB (ref. 8), onde toda a

estratgia de tratamento das imagens foi modelada. Esta converso foi feita

atravs de um comando disponvel no pacote de processamento de imagens.

3.1.4 Filtragem Inicial

A literatura deste estudo tem definidas as funes de processamento de

imagens no domnio espacial da seguinte maneira:


46

G(x,y) = T [p(x,y)] (3.1)

Nesta notao, T um operador que atua sobre cada pixel p, da

imagem original, gerando uma imagem modificada G (Gerald,1994).

Com o objetivo de diminuir efeitos de rudo, forando pontos com

intensidades distintas a assemelharem a seus vizinhos, foi feita utilizao de

um operador T equivalente a um filtro por mdia. Esse operador consiste em

substituir o nvel de cinza de cada pixel pela mdia de seu prprio nvel de

cinza e dos nveis de cinza nas vizinhanas de quatro e diagonal (N4(p) e

ND(p), respectivamente, ou seja, uma vizinhana de 8.

A figura 3.2 apresenta exemplo de resultado da aplicao do operador T

de mdia para um pixel.

Figura 3.2 Aplicao do operador T de mdia em um pixel

O algoritmo definido para realizao dessa operao permite que a

filtragem seja realizada recursivamente, recebendo como parmetro o nmero

de filtragens sucessivas a serem realizadas.


47

As figuras 3.3, 3.4 e 3.5 apresentam uma imagem em nveis de cinza,

uma imagem filtrada com uma iterao e uma imagem filtrada com trs

iteraes, respectivamente. Para uma melhor visualizao do efeito da

filtragem, as figuras sero apresentadas em zoom.

Figura 3.3 Imagem em nveis de cinza


(1 iterao)


48


(3 iteraes)

As pelotas so bastante midas, uma vez que h acrscimo de gua em

seu processo de formao, como visto no captulo 1. Essa umidade faz com

que haja uma reflexibilidade nas pelotas, originando pontos de brilho intenso

na imagem que pode ser visualizado por meio da figura 3.3.

3.1.5 Obteno das Imagens Binrias

Para a obteno das imagens binrias, visando reduzir o tempo de

processamento das imagens, duas metodologias foram inicialmente propostas:

deteco de bordas; binarizao por limiar simples.


49

3.1.5.1 Deteco de Bordas

Inicialmente, foram experimentadas as rotinas de deteco de bordas

disponveis no pacote de processamento de imagens do MATLAB (Site ref. 8),

utilizando os mtodos de Sobel, de Prewitt, de Roberts, de Zero-Cross, de

Canny e o mtodo Laplaciano, todos sem filtragem por mdia, e com filtragem

por mdia (2 iteraes), mas nenhum resultado foi satisfatrio, conforme

mostra a figura 3.6, abaixo.

Figura 3.6 Deteco de Bordas com o mtodo de Prewitt

Diante disso foi adotada outra metodologia para deteco de bordas,

considerando que as bordas das pelotas possuem nveis de cinza dentro de um

intervalo bastante particular. Foi implementada uma rotina para deteco de

bordas que se resume a um filtro passa-faixa (Davies, 1986), com limiar

definido: os pixels que possuem nvel de cinza pertencente faixa assumida

como representativa das bordas recebem o valor correspondente cor branca,

e os demais pixels recebem o valor correspondente cor preta.

Desta maneira, a imagem resultante apresentou as bordas das pelotas

em cor branca, dentro de um fundo preto, ou seja, uma imagem binria. As

figuras abaixo apresentam os resultados da aplicao do filtro passa-faixa para

deteco de bordas na imagem em nveis de cinza.


50

Figura 3.7 Filtro passa-faixa (faixa de nvel de cinza entre 10 e 90), sem

filtragem por mdia.

Figura 3.8 Filtro passa-faixa (faixa de nvel de cinza entre 10 e 114) sem

filtragem por mdia.


51

Figura 3.9 Filtro passa-faixa (faixa de nvel de cinza entre 10 e 114) com

filtragem por mdia (2 iteraes)

A observao das figuras 3.7, 3.8 e 3.9 mostra que o filtro passa-faixas

para deteco de bordas apresentou um desempenho bastante satisfatrio em

relao figura 3.6.

3.1.5.2 Binarizao por Limiar Simples

O procedimento de binarizao por limiar simples (Cavallo, 1996) ou

seja, um valor limite para definir imagem branca e imagem preta, foi aplicado

e as figuras 3.10 e 3.11 apresentam os resultados da binarizao utilizando-se

um limiar de 114 sem e com filtragem, respectivamente.


52

Figura 3.10 Imagem binarizada sem filtragem, limiar de binarizao de valor

114.

Figura 3.11 Imagem binarizada com filtragem (2 iteraes), limiar de

binarizao de valor 114.

A observao das figuras 3.10 e 3.11 mostra o papel da filtragem por

mdia: a imagem binarizada com filtragem prvia, figura 3.11, possui menos

pontos brancos em regies pretas, tal como menos pontos pretos em regies

brancas.


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3.2 Classificao das Pelotas

A metodologia de classificao das pelotas baseada na propriedade

geomtrica de que em uma circunferncia, um segmento de reta que cruza

perpendicularmente o ponto mdio de uma corda qualquer, o dimetro. Essa

propriedade pode ser visualizada na figura 3.12.

Figura 3.12 Metodologia de classificao das pelotas.

Foi elaborada a seguinte metodologia para classificao das pelotas: na

imagem j tratada com filtro por mdia, binarizada e corrigida, feita uma

varredura em colunas espaadas, atravs da relao pixel/mm, de 16,1mm,

pois a maior pelota tem 16,0 mm, permitindo a identificao de cordas nas

pelotas e a determinao dos dimetros. O espaamento de 16,1 mm entre

colunas evita que uma mesma pelota seja medida duas vezes, pois o maior

tamanho de pelotas do processo.

A figura 3.13 apresenta uma visualizao da metodologia para

classificao das pelotas. Em vermelho esto indicadas as colunas varridas e,

em azul, os dimetros obtidos para cada pelota, a partir dos pontos mdios

das cordas identificadas.


54

Figura 3.13 Visualizao da metodologia para classificao das pelotas

A identificao das cordas e dos dimetros segue a seguinte lgica:

a mudana da cor preta para a cor branca indica que se entrou em uma pelota;

a mudana da cor branca para a cor preta indica que se saiu de uma pelota.

Sendo assim, para cada coluna selecionada, varre-se a linha, fazendo o

seguinte:

ao entrar numa pelota, armazena-se a posio do pixel da linha, que representa o incio da corda;

ao sair de uma pelota, armazena-se a posio do pixel da linha, que representa o fim da corda.


55

Feito isso, as linhas de incio e fim das cordas so identificadas na

coluna varrida. De posse desses dados, para cada corda, determina-se a linha

correspondente ao ponto mdio da corda da seguinte maneira:

2fim) linha incio (linha mdio ponto Linha += (3.2)

Tem, ento, para a coluna varrida, as linhas que correspondem aos

pontos mdios de todas as cordas (pelotas) identificadas. Ento, para cada

uma dessas linhas, feito o seguinte:

partindo da coluna varrida, percorrida a linha, seguindo para a direita, at o final da pelota (mudana da cor branca para a cor preta),

armazenando-se o nmero de colunas percorridas;

em seguida, partindo novamente da coluna varrida, percorrida a linha, seguindo para a esquerda, at o final da pelota (mudana da cor branca

para a cor preta), armazenando-se, novamente, o nmero de colunas

percorridas.

A soma dos nmeros de colunas percorridas para a esquerda e para a

direita corresponde ao dimetro da pelota, em pixels. Atravs de um fator de

converso (milmetros por pixel), cuja determinao obtida com o padro

conhecido, obtido o dimetro, em milmetros.

Findada a varredura para todas as colunas selecionadas, tm-se

armazenados os dimetros de todas as pelotas identificadas como

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