Capítulo II Beneficiamento de Minérios · Metalurgia extrativa dos metais ferrosos Processos...

18/04/2018

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18/04/2018 15:50 Operações de beneficiamento de minérios

Tecnologia Metalúrgica

Prof. Dr. Jorge Teófilo de Barros Lopes

Universidade Federal do Pará

Instituto de Tecnologia

Campus de Belém

Curso de Engenharia Mecânica


Capítulo II

Universidade Federal do Pará

Instituto de Tecnologia

Beneficiamento de

Minérios

Campus de Belém

Curso de Engenharia Mecânica

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18/04/2018 15:50 TECNOLOGIA METALÚRGICA

2.1 Generalidades - Metalurgia

➢Alguns processos metalúrgicos já existiam há muito

tempo, de forma rudimentar e sem base científica –

sem preocupação de melhoria e eficiência dos

processos utilizados.

➢ Somente a partir do século XVIII – após a revolução

científica ocorrida no século anterior e a industrial –

a metalurgia torna-se uma ciência.

➢Os processos metalúrgicos passam, então, a ser

estudados e explicados, proporcionando a melhoria

contínua das práticas utilizadas até aquela época.


➢ Surge, então, um novo ramo da metalurgia –

denominada metalurgia física - que tem como

objetivo o estudo das características físicas dos

materiais metálicos.

➢ Importante ramo da metalurgia que ganha grandes

proporções – metalurgia extrativa – tem como

foco de trabalho a obtenção de metais a partir de

sucata ou minérios,

➢Atualmente, cerca de 40% de todo o aço produzido

no mundo é obtido a partir da fusão da sucata.


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➢Mais recentemente, o desenvolvimento de uma

técnica de fabricação de pecas através da utilização

de pós metálicos deu origem ao surgimento de uma

nova área de estudo na metalurgia: a metalurgia do

pó.

➢A metalurgia do pó - tecnologia desenvolvida na

década de 1970 para atender, principalmente, ao

setor de informática - permite a fabricação de peças

de alta precisão e complexidade, sem a necessidade

de fundir o material metálico – utiliza calor e

pressão.



➢METALURGIA: ramo da Engenharia dos

Materiais que estuda os fenômenos físico-

químicos associados com o beneficiamento e o

processamento dos materiais metálicos, bem como

os aspectos fundamentais envolvidos nos

diferentes ciclos de processamento destes

materiais.

➢A metalurgia pode ser dividida em três grandes

ramos: metalurgia extrativa, metalurgia física e

metalurgia de transformação.


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1. Metalurgia extrativa: trata da obtenção de metais a

partir das fontes naturais e também pela sucata.

2. Metalurgia física: estuda os fundamentos dos

fenômenos metalúrgicos – relaciona a estrutura

interna dos metais com suas propriedades.

3. Metalurgia de transformação: dá forma aos metais

por meios de processos de conformação mecânica

ou metalúrgicos, tais como: laminação,

forjamento, extrusão, estampagem, torneamento,

fresamento, soldagem e fundição, metalurgia do

pó, dentre outros.



➢Metalurgia extrativa – composta dos seguintes

processos:

• Processos pré-extrativos: preparação do minério

beneficiado para os processos de extração dos

materiais metálicos.

• Processos extrativos: obtenção de materiais

metálicos (elementares) a partir dos seus

respectivos minérios beneficiados.

• Processos de refino: purificação dos metais e

obtenção de ligas com composições definidas.


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Extração e beneficiamento de minérios

Processos Pré-Extrativos

• Processos que embora envolvam reações químicas, não

isolam o metal de interesse do minério beneficiado.

Objetivo: aumento e otimização da concentração do

composto metálico no minério.



Minério preparado

Processos Extrativos

• Baseados no princípio da maior ou menor tendência do

composto metálico se deixar reduzir ao metal por meio

de reações químicas.

Objetivo: extração de um metal M, a partir do seu

minério primário, constituído por um composto MX.


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Metal extraído

Processos de Refino

Objetivo: obtenção de metais e/ou ligas com grau de

pureza comercial a partir dos metais brutos obtidos

através de processos extrativos.

Exemplo: fabricação dos aços.



➢Metalurgia extrativa – envolve dois grandes grupos

de processos:

Metalurgia extrativa

dos metais ferrosos

Processos

siderúrgicos

Metalurgia extrativa

dos metais não

ferrosos

Al, Cu, Mg, Ni, Ti, Cr,

Zn, Mn, Sn, Pb, Nb,

W, V, Mo, Ag, Au etc.


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➢ Exemplo de aplicação de processos de extração e

refino: processos siderúrgicos

•O processo siderúrgico ocorre em duas etapas

1. Extração: redução dos minérios de Fe em alto

forno, obtendo-se como produto o ferro gusa,

com aproximadamente 90% de ferro contido;

2. Refino: fabricação do aço em conversores,

obtendo-se como produto aços comerciais, que

são ligas Fe-C com até de 2,11% em peso de

carbono.



➢Metalurgia física

Transformações de

fases

Alterações na estrutura

dos metais e ligas

Relações

Estruturas versus Propriedades

Desempenho e aplicações dos

materiais metálicos


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Transformações de fases

• Como ocorrem as transformações de fases sob o ponto de

vista termodinâmico (equilíbrio/estabilidade)?

• Quais as fases em equilíbrio sob determinadas condições

(temperatura, pressão e composição química)?

Previsões por meio dos

diagramas de equilíbrio




Diagrama Fe-Fe3C

(ASKELAND &

PHULÉ, 2003).

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Diagrama Cu-Al (METALS HANDBOOB, ASM INTERNATIONAL, 1992).



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➢ Metalurgia de transformação: estuda os processos

mecânicos e metalúrgicos de fabricação.

➢ Processos mecânicos de fabricação

• Utilizam tensões (energia mecânica) para as

transformações de forma necessárias à obtenção de

um determinado produto.

• São classificados em função da magnitude das

tensões utilizadas (σT - Tensão de trabalho do

metal/liga; σe - Tensão de escoamento do metal/liga;

σr - Tensão de ruptura do metal/liga).



➢ Classificação dos processos mecânicos de fabricação

σT > σr

Conformação por

usinagem

- Torneamento

- Fresamento

- Plainamento

- Retificação

- Outros

σe < σT <σrConformação por

deformação

plástica

- Laminação

- Forjamento

- Extrusão

- Embutimento

- Trefilação

- Outros.


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➢ Processos metalúrgicos de fabricação

•Utilizam calor (energia térmica) para as

transformações de estado físico e de forma

necessárias à obtenção de um determinado produto.

• São classificados em função da temperatura de

trabalho relativamente à temperatura de fusão do

metal/liga (TT – Temperatura de trabalho do

metal/liga; Tf – Temperatura de fusão do

metal/liga).



➢ Classificação dos processos metalúrgicos de

fabricação

TT > Tf

- Fundição

- Lingotamento

- Soldagem

TT < Tf

- Sinterização

- Metalurgia do pó


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➢ Metalurgia extrativa - são aplicados processos

em matérias primas e insumos, transformando-os

em produtos, subprodutos e rejeitos

PROCESSOS

Matérias primas

+

Insumos

Produtos

Subprodutos

Rejeitos



➢ Matérias primas e insumos

• Minérios que contém os metais de interesse

• Resíduos diversos, sucatas e outros materiais

• Combustíveis e redutores

• Fluxantes e fundentes

• Gases reagentes e protetores

• Refratários

• Eletrodos

• Água (refrigeração, resfriamento, trocador de calor etc.)

• Energia elétrica


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➢ Mineral

• Designação dada à toda substância natural

presente na crosta terrestre.

• Rochas são agregados naturais formados por um

ou mais minerais.

• Assim, pode-se dizer, por exemplo, que na

natureza o elemento químico alumínio é

encontrado em substâncias compostas chamados

de minerais que por sua vez estão presentes nas

rochas.

2.1 Generalidades - Minérios


➢ Minérios

• Designa os minerais dos quais podem ser

extraídos com lucro alguma substância de

interesse.

• Nos minérios, o metal pode ocorrer de forma pura

ou combinada com outras substâncias.

• O lugar onde ocorre grande concentração de

minério é denominado jazida, caso contrário,

recebe o nome de depósito mineral.


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➢ Na indústria mineral, os minérios são geralmente

classificados em três grandes classes (Da Luz, 1995):

metálicos, não metálicos e energéticos:

• MINERAIS METÁLICOS

a. Minerais de metais ferrosos: são aqueles que têm uso

intensivo na siderurgia e formam ligas importantes

com: Fe, Mn, Cr e Ni.

b. Minerais de metais não ferrosos: Cu, Al, Zn, Pb, Sn

etc.

c. Minerais de metais preciosos: Au, Ag, Pt, Os, Ir e Pd.

d. Minerais de metais raros: Nb, Es, In, Ge, Ga etc.



• MINERAIS NÃO METÁLICOS

a. Minerais estruturais ou para construção –

materiais de alvenaria, rochas ornamentais,

materiais para cimento, agregados e

revestimento (granito, gnaisse, quartzitos,

mármore, cascalho, areia, argilas, calcário etc.

b. Minerais cerâmicos e refratários: argila,

feldspato, caulim, quartzo, magnesita, cromita,

grafita, cianita, dolomita etc.

c. Minerais isolantes: amianto, vermiculita etc.


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d. Minerais fundentes: fluorita, calcário, criolita

etc.

e. Materiais abrasivos: diamante, granada, sílica,

coríndon etc.

f. Materiais de carga: talco, gesso, barita, caulim

etc.

g. Gemas ou pedras preciosas: diamante,

esmeralda, safira, turmalina, topázio, águas

marinhas etc.

h. Águas minerais e subterrâneas.



• MINERAIS ENERGÉTICOS

a. Radioativos: urânio e tório.

b. Combustíveis fósseis: petróleo, turfa, linhito,

carvão, antracito, que não sendo minerais no

sentido técnico (não são cristalinos nem de

composição inorgânicos) são extraídos por

mineração e estudados pela geologia.


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➢ Em geral, do ponto de vista químico, um depósito

mineral pode conter três tipos de minérios:

1. Minério de valor primário, contendo compostos

do metal que se deseja extrair;

2. Minério de valor secundário, contendo metais

considerados como subprodutos;

3. Minério sem valor comercial algum,

denominado de ganga do depósito mineral.



➢ Os minérios primários podem ser classificados em

função do tipo de composto metálico que o

caracteriza, dentro de cinco grandes grupos:

• nativos;

• óxidos;

• sulfetos;

• carbonatos, sulfatos e silicatos;

• arsenetos e cloretos.


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✓ Nativos – Minérios constituídos de metais na forma

pura – minerais sob forma não combinada.

• Exemplos: ouro (Brasil, África do Sul), platina

(Rússia), mercúrio (Península Ibérica), cobre

(África Central) e ferro (Groenlândia) etc.

✓ De modo geral, a grande maioria dos metais ocorre

em forma de compostos metálicos, principalmente

óxidos e sulfetos.

• Exemplos: minérios de ferro - hematita (Fe2O3), a

magnetita (Fe3O4), a siderita (FeCO3) e a pirita

(FeS2).



➢ Classificação geral dos minérios (com exemplos):


Primários

Nativos - Au, Ag, Pt

Oxidados - Al, Fe, Sn, Cr, Mn, Nb

Sulfetados - Cu, Ni, Pb, Zn, Cd, Bi, Fe

Carbonatados, sulfatados e silicatados: Ca, Mg, Ni

Arsenetos e cloretos - Co, Ag

Secundários Subprodutos - magnetita titanífera.

Sem valor comercial

Ganga

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Metais normalmente

extraídos de minérios

à base de óxidos.

Metal Minério Composto

Alumínio Bauxita Al2O3.H2O

Berílio Beril BeO.Al2O3.H20

Cromo Cromita Cr2O3.FeO

Estanho Cassiterita SnO2

Ferro Hematita (vermelha) Fe2O3

Limonita (marrom) Fe2O3.H2O

Magnetita (negra) Fe3O4

Manganês Pirolusita MnO2

Nióbio Pirocloro Nb2O5

Nióbio e tântalo Tantalita Nb2O5.Ta2O5

Silício Sílica/Quartzo SiO2

Titânio Rutilo TiO2

Limenita TiO2.FeO

Tungstênio Volfranita WO3.FeO

Xelita WO3.CaO

Urânio Pichiblenda U3O8

Zircônio Badelita ZrO2

Zirconita ZrO2.SiO2



Metais normalmente


à base de sulfetos.


Antimônio Estibinita Sb2S3

Bismuto Bismutita Bi2S3

Cádmio Greenoquita CdS

Cobre Calcocita Cu2S

Calcopirita CuS.FeS

Chumbo Galena PbS

Mercúrio Cinabar HgS

Molibdênio Molibdenita MoS2

Níquel Pirrotita NiS.FeS

Prata Argenita Ag2S

Vanádio Patronita V2S5

Zinco Esfarelita ZnS


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Metais normalmente


à base de outros sais.


Magnésio Magnesita MgCO3

Dolomita MgCO3.CaCO3

Níquel Garnierita NiSO3.MgSiO3.H2O

Cobalto Esmaltita CoAs2

Cobaltita CoAs2.AsS

Prata Cerargita AgCl



Minérios em geral


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2.1 Generalidades - Metais

➢ Classificação geral dos metais:

Ferrosos Fe e suas ligas

Não ferrosos

Pesados - Cu, Ni, Pb, Zn e Sn

Leves - Al, Mg, Be, Li, Ba, Ca, Sr, K, Na, Rb e Cs

Nobres - Au, Ag, Pt, Os, Ir, Rb, Rh e Pd

Secundários - As, Sb, Bi, Cd, Hg e Co

Raros -

• Refratários: W, Mo, Ta, Nb, Ti, Zr e V

• Dispersos: Ge, In, Ga, Tl, Hf e Re

• Radioativos: Ra, Ac, Th, Pa, U, elem. 93 – 102

• Terras raras: Y, La, Ce, Nd, Pr, Sm, Gd, Dy, Eretc.


➢ Salvo poucas exceções, um bem mineral não pode

ser utilizado tal como é obtido na mineração.

➢ É necessários que o minério passe por um

tratamento que se estende a sua extração da jazida

mineral até a redução e refino do metal,

permitindo, dessa forma, a sua utilização na

fabricação de produtos.

➢ Esse tratamento e é constituído de uma série de

processos e/ou operações sequenciais.

2.2 Operações de Beneficiamento de Minérios

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➢ O tratamento referido, não obstante ser

essencialmente técnico em suas aplicações, não

pode desprezar o conceito econômico.

➢ Deve-se sempre ter em mente que os custos

decorrentes do tratamento de um determinado bem

mineral não devem ser maiores do que o aumento

do valor do produto beneficiado, salvo em situações

especiais, como no caso de guerra, por exemplo.

➢ Como toda atividade industrial, a extração de

minérios está voltado para o lucro.



➢ Ademais, há um conceito social que não pode ser

dissociado do lado técnico do processo, que é o

princípio da conservação dos recursos minerais, pois

estes são bens não renováveis.

➢ As reservas dos bens minerais conhecidos são,

evidentemente limitadas, porque o todo, a Terra, é

limitada.

➢ Assim, não se deve permitir o aproveitamento

predatório desses bens, pois o maior lucro obtido, em

menor prazo possível, dificilmente estará subordinado

aos interesses sociais, não obstante atualmente existirem

leis que controlam os abusos.


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➢ Equipamentos de escavação e carregamento de minérios

Evolução dos equipamentos de escavação e carregamento

observando-se a tendência de aumento do porte




Operação de carregamento e transporte na Mina de Fort Knox, Alaska


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Adoção de equipamentos de grande porte pela Companhia Vale do

Rio Doce nas operações de ferro em Carajás.




Caminhões Fora de Estrada ou Basculantes


http://br.viarural.com/construcao/escavadeiras-pas/caterpillar/caminhoes-fora-de-estrada.htm

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➢ Após a mineração, o minério primário bruto apresenta

morfologia e concentração inadequadas aos processos

finais de redução e refino.

➢ É necessário uma série de operações no minério

extraído das minas (minério bruto) para que o mesmo

apresente morfologia e concentração que permitirão

eficiência tanto no transporte até a usina como

também nos processos de redução e refino.

➢ Ao conjunto dessas operações denomina-se

beneficiamento do minério.



➢ Objetivo do beneficiamento do minério bruto

• Concentrar o composto metálico e apresentar uma

morfologia que permita uma alta eficiência

industrial e econômica do processo de extração.

• Para tal, submete-se o minério bruto à operações

sequenciais de beneficiamento preliminar, tais

como: separação da ganga e do minério secundário,

concentração do minério primário e obtenção de

uma morfologia que permita seu fácil manuseio e

maximize a eficiência do processo de redução.


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➢ As operações preliminares de beneficiamento de

minérios podem ser divididas em três etapas:

a) Fragmentação do minério bruto, também

conhecida como cominuição;

b) Classificação do minério fragmentado;

c) Concentração do minério classificado.



a) OPERAÇÕES DE FRAGMENTAÇÃO

• A maior parte da energia gasta no processamento de um

material é absorvida nas operações de fragmentação;

portanto, grande parte do custo de operação de uma

usina de tratamento de minérios se deve à fragmentação.

• Por esse motivo, existe grande interesse no estudo da

fragmentação, pois qualquer melhoramento nesta

operação conduz a uma importante economia no

processo.

• As operações de fragmentação iniciam no minério

removido da jazida, normalmente utilizando explosivos.


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- A explosão produz blocos volumosos e amorfos

(Figura), inconvenientes ao seu processamento, mas

de um tamanho que permite alimentar as máquinas

para as operações subsequentes.

- No campo de beneficiamento, a operação de

fragmentação agrupa um conjunto de técnicas que

têm por finalidade reduzir por ação mecânica um

sólido de determinado tamanho em partículas

menores e com dimensões adequadas ao seu

manuseio.




Caminhões transportando blocos de minérios extraídos da mina

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- Objetivo básico: reduzir paulatinamente o tamanho

médio dos blocos iniciais do minério extraído da

jazida mineral, sem ainda separar significativamente

a ganga ou concentrar o minério primário.

- Realizada nas seguintes etapas sequenciais:

• britagem,

• trituração,

• moagem,

• pulverização.




- Parâmetros de interesse da fragmentação: índice de

redução dimensional médio e potência necessária para o

aumento da área do minério ao ser fragmentado.


Operação de fragmentação

Dimensões médias dosfragmentos (cm)

Potência específica(Kwh/ton)Entrada saída

Britagem 150-50 30-10 0,2-0,5

Trituração 30-10 5-1 0,5-2

Moagem 5-1 0,5-0,2 2-10

Pulverização 0,5-0,2 < 0,005 > 100

Parâmetros característicos das operações de

fragmentação do minério bruto

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✓ BRITAGEM - Equipamentos utilizados

▪ Britadores de mandíbulas:

• Utilizados para efetuar a britagem em blocos de

elevadas dimensões/dureza e com grandes variações de

tamanho na alimentação.

• Compõe-se basicamente de uma mandíbula fixa e uma

móvel ligada ao excêntrico, que fornece o movimento

de aproximação e afastamento entre elas.

• Desta maneira, os blocos de minério alimentados na

boca do britador vão descendo entre as mandíbulas

enquanto recebem a compressão responsável pela

fragmentação.




• Desenho ilustrativo de um britador de mandíbulas


* Esquema de um

britador de mandíbulas.

(1) Mandíbula fixa.

(2) Mandíbula Móvel.

(3) Eixo fixo.

(4) Eixo Móvel.

(5) Braços móveis.

(6) Eixo excêntrico.

(7) Mola de retorno.

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• A especificação desses equipamentos é dada pelas

dimensões de abertura da alimentação (boca).

Exemplo: Britador com 1000 x 1200 mm, apresenta

boca com 1000 mm de largura por 1200 mm de

comprimento.

• A granulometria do produto é estabelecida pelo

ajuste do “set” ou saída de material, sendo então

definida pela razão de redução que deve estar em torno

de 5:1.





Imagem real de um britador de mandíbulas

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▪ Britadores giratórios:

• Utilizados quando existe uma grande quantidade de

material a ser fragmentado.

• Mais operacional, pois pode ser carregado por

qualquer lado, além de permitir uma pequena

armazenagem no seu topo – baixo custo operacional.

• Consta de movimento de aproximação e

distanciamento do cone central em relação à carcaça

invertida. Este movimento circular (85 a 150 rpm) faz

com que toda a área da carcaça seja utilizada na

britagem, fornecendo grande capacidade de operação.





(1) Cabeça giratória.

(2) Concavidade fixa.

(3) Eixo de giro.

(4) Mancal excêntrico.

(5) Engrenagens de

transmissão.

Desenho ilustrativo de um britador giratório

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Desenho ilustrativo de

um britador giratório




Desenho

ilustrativo de

um britador

giratório

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Imagens reais de um britador giratório




▪ Britadores de impacto:

• Nestes equipamentos, a fragmentação é feita por

impacto ao invés de compressão.

• Por meio do movimento das barras (500 a 3000 rpm),

parte da energia cinética é transferida para o material,

projetando-o sobre as placas fixas de impacto onde

ocorre a fragmentação.

• Elevado custo de manutenção e grande desgaste; uso

não aconselhável para rochas abrasivas e de materiais

com valor da sílica equivalente maior que 15%.

• Alta razão de redução e alta percentagem de finos.

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Desenho ilustrativo de um britador de impacto




Desenho ilustrativo de um britador de impacto

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Imagem real de vários britadores de impacto




▪ Britadores de rolo dentado:

• Consiste basicamente de um rolo dentado móvel e uma

carcaça fixa (Figura).

• O movimento giratório do rolo provoca a compressão

e cisalhamento do material entre os dentes e a placa

fixada à câmera.

• Emprego limitado devido ao grande desgaste dos

dentes, por ser sensível à abrasão.

• Sua aplicação é aconselhável para rochas de fácil

fragmentação e para britagens móveis (pequenas

dimensões). Produz os menores finos.

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Desenho ilustrativo de um britador de rolo dentado




Imagem real parcial

de um britador de

rolo dentado

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✓ TRITURAÇÃO - Equipamentos utilizados

▪ A trituração tem como objetivo na maioria dos

casos a redução granulométrica do material para a

próxima etapa da fragmentação, que é a

moagem.

▪ Os equipamentos normalmente utilizados são:

trituradores cônicos e trituradores de rolos.

▪ Entretanto, outros equipamentos com os mesmos

princípios de alguns britadores, mas com

dimensões menores, também são utilizados.




▪ Trituradores cônicos:

• Possuem o mesmo princípio de operação do britador

giratório, mas com algumas diferenças

• O manto e o cônico apresentam longas superfícies

paralelas, para garantir um tempo longo de retenção

das partículas nessa região.

• No britador giratório a descarga se dá pela ação da

gravidade; no triturador cônico a descarga é

condicionada ao movimento do cone, e a abertura de

saída é controlada por meio de um abaixamento ou

elevação do cone.

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Esquema de um triturador cônico.

(1) Cone móvel de trituração.

(2) Concavidade fixa de trituração.

(3) Eixo móvel.

(4) Funil de alimentação.

(5) Munhão deslizante

Desenho ilustrativo de um triturador cônico




Desenho ilustrativo

de um triturador

cônico

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Desenho

ilustrativo de

um triturador

cônico




▪ Trituradores de rolos:

• Consta de dois rolos de aço girando à mesma

velocidade, em sentidos contrários, com uma distância

definida entre eles.

• São destinados a materiais friáveis (de fácil

fragmentação).

• A alimentação é feita lançando-se os blocos de minério

entre os rolos, cujo movimento faz com que o material

seja forçado a passar pela distância fixada previamente

por parafusos de ajuste, promovendo a sua

fragmentação.

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(1) Rolo triturador

(2) Rolo triturador

(3) Funil de alimentação

(4) Funil de descarga

(5) Carcaça externa.


Desenho esquemático de um triturador de rolos




Desenho esquemático de um triturador de rolos

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Imagem real de um triturador de rolos



✓ MOAGEM e PULVERIZAÇÃO - Equipamentos

▪A moagem/pulverização é o último estágio do

processo de fragmentação.

▪Neste estágio as partículas são reduzidas, pela

combinação de impacto, compressão, abrasão e atrito,

a um tamanho adequado à liberação do mineral que se

vai tratar ou concentrar nas operações subsequentes.

▪É a área da fragmentação que requer maiores

investimentos, maior gasto de energia e é considerada

uma operação chave para o sucesso de um tratamento.

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▪Uma operação inadequada pode resultar num produto

grosseiro com grau de liberação baixo para uma

separação econômica, pois a recuperação consequente

será baixa e a razão de enriquecimento deve ser

terminada no estágio da concentração.

▪Ou, se exagerada, pode reduzir o tamanho das partículas

desnecessariamente, o que acarretará maior consumo de

energia e, muitas vezes, perdas no processo, devido ao

material ultrafino.

▪Os equipamento mais empregados: moinho de bolas,

moinho de martelos e moinho vibratório.




▪ Moinhos de martelos:

• Consiste de um eixo girando em alta rotação, no

qual ficam presos, de forma articulada, vários blocos

ou martelos.

• O equipamento é alimentado pela parte superior e as

partículas sofrem o impacto dos martelos e são

projetadas contra a superfície interna da câmara,

fragmentando-se, para depois serem forçadas a

passar por tela inferior que vai bitolar o tamanho da

descarga.

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Desenhos esquemáticos de um moinhos de martelos




Desenhos

esquemáticos

de um moinhos

de martelos

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▪ Moinhos de martelos:

•Esses equipamentos têm pouca aplicação na

concentração de minérios, pois sendo as gangas

geralmente silicosas, desaconselha-se o seu uso

devido ao grande desgaste da superfície interna,

da tela e dos martelos.

•Mas são bastante empregados no caso de

minérios menos abrasivos.




▪ Moinhos de bolas:

• Moinho de bolas: atrito do minério contra esferas

de ferro fundido com dimensões controladas.

• É alimentado com uma polpa do minério moído e

misturado com água.

• A ação das bolas contra as partículas do minério

na polpa provoca a sua pulverização, atritando-as

por meio de um movimento de rotação do corpo

cilíndrico do moinho.

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• São constituídos de uma carcaça cilíndrica de ferro,

revestida internamente com placas de aço ou borracha,

que gira sobre mancais e contém no interior uma carga

sólida de bolas de ferro ou aço (Figura).

• Os corpos moedores/pulverizadores são elevados pelo

movimento da carcaça até um certo ponto de onde

caem, seguindo uma trajetória parabólica, sobre as

outras bolas que estão na parte inferior do cilindro e

sobre o minério que ocupa os interstícios das bolas.




(1) Alimentador

(2) Descarga

(3) Engrenagem

(4) Esferas de

ferro fundido

Desenho esquemático de um moinho de bolas

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Desenho esquemático de um moinho de bolas





• As bolas acompanham o movimento da carcaça e

impelidas pela força centrífuga percorrem uma

trajetória circular (Figura).

• Enquanto a força centrífuga for maior que a força da

gravidade, as bolas permanecem nesta trajetória.

• No momento que o componente da força da gravidade

que se opõe à força centrífuga for maior que esta, as

bolas abandonam a trajetória circular e passam a seguir

uma trajetória parabólica (Figura).

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Ponto em que

as 2 forças se

igualam

Desenho esquemático do movimento das bolas no interior

da carcaça do moinho




▪ Cálculo da velocidade de rotação crítica do cilindro:

▪ Forças agindo sobre uma bola no moinho:

- Força centrífuga: 𝐹𝐶 =𝑚𝑣2

𝑅

- Força gravitacional:

- Vel. linear do cilindro:

- n = nº de rotações.

𝐹 = 𝑃 = 𝑚𝑔

𝑣 = 2𝜋𝑅𝑛

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• O início da queda da bola ocorrerá quando as duas

forças se igualarem, ou seja:

𝐹𝐶 = 𝑃𝑐𝑜𝑠 ∝∴𝑚𝑣2

𝑅= mg ∙ cosα ∴

∴𝑚 2𝜋𝑅𝑛 2

𝑅= 𝑚𝑔 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝛼 ∴

∴ 𝑛 =𝑔 ∙ 𝑐𝑜𝑠 ∝∙ 𝑅

2𝜋





• Aumentando-se a velocidade do moinho haverá um

momento em que a bola ficará presa à carcaça pela

ação da força centrífuga durante a volta completa do

cilindro (α = 0, cos α =1) – a bola não realiza trabalho

e a moagem não ocorrerá – VELOCIDADE CRÍTICA

DO MOINHO.

𝑛𝐶 =𝑔/𝑅

2𝜋

𝑃𝑎𝑟𝑎 𝑅 𝑒𝑚𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠: 𝑛𝐶 =42,3

2𝑅(𝑒𝑚 𝑟𝑝𝑚)

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▪ Movimento das bolas de um moinho em operação:

a) Rotação – as bolas giram em torno delas mesmos

e produzem fragmentação por compressão com

efeito relativamente pequeno.

b) Translação – movimento circular de

acompanhamento da carcaça do moinho até uma

certa altura – não promove fragmentação e é

responsável pelo gasto excessivo de energia no

processo.



✓ MOAGEM e PULVERIZAÇÃO - Equipamentos:

▪ Movimento das bolas de um moinho em operação:

c) Deslizamento – movimento contrário ao do moinho

– as várias camadas de bolas deslizam umas sobre as

outras e a superfície interna do moinho dando

origem à fragmentação por atrito – efeito acentuado

quando a velocidade do moinho é baixa.

d) Queda – movimento resultante das bolas pela força

da gravidade e que dá origem à fragmentação por

impacto – efeito aumenta com a velocidade de

rotação do moinho.

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▪ Fatores de influência na eficácia de um moinho de bola:

a) Velocidade de rotação: para velocidades baixas as bolas

não se deslocam com o cilindro (atrito leve) (Figura A);

para velocidades altas as bolas ficam presas na parede

do cilindro e não haverá impacto (Figura C). A

velocidade ótima será a velocidade crítica (B), mas na

prática se usa 75% da velocidade crítica.




▪ Fatores de influência na eficácia de um moinho de bola:

b) Fator de enchimento (volume ocupado pelas bolas em

relação ao volume do moinho).

- Carga do moinho: a carga óptima é de 50%, da qual

cerca de 30% é de bolas e 20% de produto.

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▪ Regimes de operação do moinho: Os dois fatores descritos

anteriormente (velocidade de rotação e fator de enchimento),

além de outros fatores, determinam os dois regimes de

operação do moinho.

a) Regime em catarata – a alta velocidade do moinho

carrega as bolas até uma posição bem elevada e elas

caem sobre as outras e sobre a polpa causando

fragmentação por impacto – deve-se usar bolas maiores

para aumentar ainda mais a energia do meio moedor e

baixo fator de enchimento (menos bolas) – regime

adequado para a fragmentação de material mais

grosseiro e para evitar a produção de excesso de finos.




a) Regime em catarata

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b) Regime em cascata: a velocidade baixa do

moinho e o alto fator de enchimento fazem com

que as bolas ao alcançarem uma certa altura

rolem sobre as outras não havendo quase

impacto e a moagem se dá por abrasão e atrito –

deve-se usar bolas de diâmetros menores - este

regime é adequado para a fragmentação de

material mais fino fornecendo um produto de

granulação bem refinada - PULVERIZAÇÃO.




b) Regime em cascata:

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- Movimento com os dois regimes:


✓ Moagem autógena

▪ Significado de autógeno: o que faz por si próprio

(autos = próprio, genos produção).

▪ A moagem autógena é assim chamada por tratar-se

de fragmentação de um material ou de um minério,

por pedaços deste mesmo material.

▪ Moinho autógeno: Nesse equipamento, as

operações de trituração, moagem e pulverização

podem ser condensadas em uma única operação,

para minérios de dureza baixa, em geral à base de

sulfetos.


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▪ Princípio de funcionamento similar ao de moinho de

bolas, mas o atrito é provocado entre os pedaços de

minério de diferentes dimensões, dispensando o uso de

esferas e o uso de água para a formação da polpa

(operação a seco).

▪ Variações do processo:

a) Moagem autógena completa (Full autogenous

grinding – FAG);

b) Moagem semiautógena (Semi autogenous grinding

– SAG);

c) Moagem autógena parcial.




▪ Na FAG, o minério, que vem da mina sem nenhuma, ou

com pouca britagem, é totalmente alimentado no moinho

autógeno, e no classificador que trabalha acoplado ao

moinho, o material é retirado na granulometria desejada.

▪ Na SAG, pode-se incluir as moagens autógenas em que

são empregados métodos auxiliares, tais como o uso de

algumas bolas de aço para facilitar a fragmentação de

uma fração mais resistente à moagem e com tendência a

manter-se muito tempo no moinho, ou retomar várias

vezes no classificador como carga circulante.

▪ Na moagem autógena parcial, só o moinho de bolas é

substituído por um moinho autógeno.


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(1) Minério

(2) Ar

(3) Descarga

(4) Motor

(5) Engrenagem

(6) Rolos de apoio ao tambor

Desenho esquemático de um moinho autógeno




Imagem real de um moinho autógeno

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b) OPERAÇÕES DE CLASSIFICAÇÃO

- O minério bruto, fragmentado até a pulverização,

apresenta uma distribuição estatística de tamanho ou

diâmetro médio dos fragmentos, a qual deve ser

separada segundo os tamanhos ótimos (classificada)

para a posterior concentração do composto metálico.

- Este objetivo pode ser atingido por meio de dois tipos

de operação:

• Peneiramento do minério fragmentado;

• Sedimentação dos fragmentos em meio fluido.




✓ PENEIRAMENTO

▪Pode ser definido como a separação mecânica dos

fragmentos de acordo com o seu tamanho, por meio de

peneiras reticulares feitas com fios metálicos (aço).

▪Em geral, a operação é feita por meio de movimentos

de vibração ou rotação aplicados em conjuntos

superpostos de peneiras.

▪As operações de peneiramento se limitam à separação

de fragmentos de tamanhos relativamente grandes, até

10-1mm. Tamanhos menores só podem ser eficientemente

separados por meio de sedimentação.

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✓ PENEIRAMENTO

▪As retículas das peneiras são geralmente padronizadas.

▪A padronização mais utilizada é a American Tyler

Screen Scale.

▪Nessa padronização, quando se passa de uma peneira

para a imediatamente superior, a área da abertura é

multiplicada por dois e, portanto, o lado da malha é

multiplicado por um fator de 21/2 (1,41).

▪A retícula é designada pelo número de aberturas por

comprimento em polegadas (meshes/inch), abreviado por

mesh number.



✓ PENEIRAMENTO

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✓ PENEIRAMENTO



✓ PENEIRAMENTO

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✓ PENEIRAMENTO - Equipamentos

Desenhos esquemáticos de peneiras vibratória




Desenhos

esquemáticos

de peneiras

vibratórias

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Imagem

real de uma

peneira

vibratória




Imagens de peneiras vibratórias

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✓ SEDIMENTAÇÃO

▪Pode ser definida como a separação dos fragmentos

segundo seu tamanho, através da diferença de velocidade

com que os fragmentos decantam em um meio fluido,

geralmente a água.

▪Essa velocidade de queda, ou de sedimentação no fluido,

é dada pela Lei de Stokes, admitindo-se fluxo laminar.

v = velocidade de queda; d = diâmetro médio do fragmento; s =

densidade do fragmento; = densidade do fluido; = viscosidade

do fluido; g = aceleração da gravidade.

v = d2 (s - ) g / 18



✓ SEDIMENTAÇÃO

▪No caso de regimes turbulentos, a velocidade de queda

pode ser calculada aproximadamente pela Lei de

Rettinger e Newton:

v = {3d (s - ) g /}1/2

▪Minério fragmentado com dois compostos (primário e

secundário) com densidades diferentes, haverá dois

diâmetros médios para os quais a velocidade de queda

será a mesma (taxa de decantação livre):

𝑑1

𝑑2=

𝜌2−𝜌

𝜌1−𝜌

Τ1 2Laminar

𝑑1

𝑑2=

𝜌2−𝜌

𝜌1−𝜌Turbulento

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✓ SEDIMENTAÇÃO

▪ Exemplo: Mistura mineral composta de quartzo.

(ρ1=2,65) e galena (ρ2=7,5)

- Decantação livre e fluidos puros (água: ρ = 1)

𝑑1

𝑑2= 1,985 Laminar

𝑑1

𝑑2= 3,94 Turbulento

- Decantação interferente (polpa: ρ = 1,5)𝑑1

𝑑2= 2,28 Laminar

𝑑1

𝑑2= 5,22 Turbulento



✓ SEDIMENTAÇÃO

▪ O objetivo básico da classificação por decantação é o

de separar fragmentos de acordo com seu tamanho e

não de acordo com sua densidade.

▪ Isso requer taxas de decantação próximas da unidade,

as quais são mais fáceis de obter sob fluxo laminar e

ainda mais em decantação livre.

▪ Portanto, a classificação será tanto mais eficiente

quanto menor os fragmentos de minério e na medida

que se evite a presença da polpa.

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✓ SEDIMENTAÇÃO

Tipo

básico de

classifica

dor por

sediment

ação



✓ SEDIMENTAÇÃO

(1) Alimentação da polpa.

(2) Sedimentação de fragmentos

grandes.

(3) Sedimentação de partículas

pequenas.

(4) Descarga com partículas

muito pequenas.

(5) Corrente ascendente de

água.

Desenho esquemático de um classificador por sedimentação

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c) OPERAÇÕES DE CONCENTRAÇÃO

• Objetivo das operações: tomar o minério classificado

e dele separar os diferentes produtos (compostos)

baseando-se em suas diferenças de propriedades

físicas.

• Dessa separação deve resultar uma “concentração”

do principal composto do minério primário, isto é,

deve resultar um produto, denominado de

“concentrado”, no qual predomina quantitativamente

o principal composto do minério.

• Este objetivo pode ser alcançado através dos

seguintes tipos de operações:



c) OPERAÇÕES DE CONCENTRAÇÃO

▪ FLOTAÇÃO – separação utilizando a tensão superficial dos

mesmos;

▪ SEPARAÇÃO GRAVITACIONAL – separação utilizando

diferenças de densidade;

▪ SEPARAÇÃO MAGNÉTICA – separação utilizando

diferenças nas propriedades magnéticas;

▪ SEPARAÇÃO ELETROSTÁTICA - separação utilizando

diferenças na condutividade elétrica.

▪ ESPESSAMENTO E FILTRAGEM – separação utilizando

a capacidade de formar suspensão em água;

▪ LIMPEZA GASOSA – separação utilizando a capacidade

de formar suspensão no ar.

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✓ FLOTAÇÃO

• A separação (ou concentração) por flotação baseia-se na

maior ou menor habilidade que a superfície do produto

apresenta em deixar-se molhar pela água.

• Essa capacidade, denominada de molhabilidade, é

determinada pelo jogo quantitativo das energias de

superfícies (ou tensões superficiais).

- S/L = tensão superficial entre o sólido e a água.

- S/A = tensão superficial entre o sólido e o ar.

- L/A = tensão superficial entre a água e o ar.



✓ FLOTAÇÃO

• Sólido hidrofóbico - apresenta baixa molhabilidade

pela água, ou seja:

S/L S/A, L/A

• Sólido hidrofílico quando apresenta alta

molhabilidade pela água, ou seja:

S/A S/L, L/A

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✓ FLOTAÇÃO

• A separação das partículas minerais presentes em

uma polpa é feita pela adesão de bolhas de ar

(fase gasosa) sobre a superfície das partículas

hidrofóbicas, que são arrastadas para a superfície

das células de flotação.

• As partículas hidrofílicas permanecem em

suspensão e, posteriormente, essas hidrofílicas

serão removidas na polpa como rejeito.



✓ FLOTAÇÃO

* Esquema de uma célula de

flotação.

(1) Alimentação da polpa e

dos aditivos.

(2) Distribuidor de bolhas de

ar.

(3) Ar comprimido.

(4) Fragmentos não flotantes

maiores.

(5) Fragmentos não flotantes

menores.

(6) Descarga.

(7) Camada flotada.

1

2

3

4

5

6

7

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✓ FLOTAÇÃO

• A flotação é uma operação de largo uso,

principalmente para sulfetos, e seu rendimento é

relativamente alto, na faixa de 70 a 98%, a um custo

relativamente baixo.

• Uma das suas grandes vantagens reside no fato de

apresentar alto rendimento para partículas

pulverizadas de pequenas dimensões (mícron).

• Flotação seletiva para minérios complexos com a

utilização de diversos aditivos.



✓ FLOTAÇÃO

Esquema

simplificado

de um

fluxograma

de flotação

seletiva

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✓ FLOTAÇÃO

• A flotação está entrelaçada com a concentração baseada

no comportamento físico químico das superfícies das

partículas minerais presentes numa suspensão aquosa.



✓ SEPARAÇÃO GRAVITACIONAL

• A separação gravitacional baseia-se na diferença de

densidade dos minérios e compostos metálicos.

• É usada particularmente na concentração de minérios

muito ou pouco densos e dentro de uma ampla gama

de dimensões dos fragmentos.

• Tanto a eficiência como a capacidade da operação

decrescem rapidamente, à medida que a dimensão

média do fragmento se situa abaixo de 0,1 mm, a qual

apresenta um grande arrasto fluido devido a sua

inércia.

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✓ SEPARAÇÃO GRAVITACIONAL

• Normalmente utilizada para polpas densas e de modo a utilizar as

altas taxas de decantação.

• É estabelecida uma polpa com densidade média situada entre as

densidades dos minérios que queremos separar ou concentrar.

• Um exemplo típico é o da separação de sílica (densidade = 2,65) e

de sulfetos (densidade = 3,5 a 4,5). A sílica flutuará e o sulfeto

decantará numa polpa com densidade elevada, na ordem de 3.

• É uma operação largamente utilizada para minérios à base de

sulfetos e de custo suficientemente baixo para ser utilizada

inclusive para minérios de ferro, particularmente a magnetita

(Fe2O4).



✓ SEPARAÇÃO MAGNÉTICA

• Baseia-se na diferença de propriedades magnéticas dos

componentes minerais.

• Alguns minérios como a magnetita (Fe2O4) e a pirrotita

(NiS.FeS), são materiais ferromagnéticos e, portanto,

fortemente atraídos por um imã magnético.

• Outros minérios, como a ilmenita (TiO2. FeO) e a hematita

(Fe2O3), são materiais paramagnéticos e, portanto, fracamente

atraídos por um imã magnético.

• O quartzo (SiO2) e a calcita (CuS), são materiais não

magnéticos, ou mesmo diamagnéticos, sendo fracamente

repelidos por um imã.

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• A operação de separação magnética é largamente

utilizada na concentração de minérios magnéticos, em

particular da magnetita.

• Pode ser utilizada a seco na separação de grandes

fragmentos, na ampla faixa de 100 a 5 mm, e com

polpas na separação de partículas de menor tamanho.

• Custo relativamente baixo, permitindo a exploração de

magnetitas consideradas pobres (30% Fe),

concentrando-a até 70% de ferro.




Tipo de separador magnético. (1) Alimentação. (2) Fragmentos não magnéticos.

(3) Fragmentos magnéticos. (4) Baterias de imãs eletromagnéticos. (5) Imã forte.

(6) Imã fraco.

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Diagrama esquemático de um separador magnético de correias cruzadas.




Diagrama esquemático de um separador magnético de rolo induzido

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✓ SEPARAÇÃO ELETROSTÁTICA

• Os compostos minerais apresentam uma grande variação

quanto a sua condutividade elétrica.

• Se diversas partículas sólidas de diferentes compostos

forem carregadas eletricamente e colocadas em contato

com um condutor aterrado, a carga elétrica deixará, mais

rapidamente, as partículas de maior condutividade.

• Enquanto a carga permanecer na partícula, ela se manterá

atraída pelo condutor aterrado.

• Assim, os compostos de menor condutividade

permanecerão mais tempos atraídos e agregados pelo

condutor.




• Esse comportamento é utilizado na separação

eletrostática de minérios com diferentes condutividades

elétricas.

• Um bom exemplo é a separação da ilmenita (Ti.O2.H2O)

e do rutilo (TiO2), os quais se apresentam geralmente

misturados com sílica comum (SiO2).

• O processo só é eficiente para fragmentos com

dimensões pequenas, abaixo de 0,1 mm, e deve ser feita

à seco, já que a umidade pode alterar o comportamento

eletrostático

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Diagrama esquemático do separador eletrodinâmico ou de alta tensão.




Esquema de separador eletrostático: (1) Esteira de alimentação. (2)

Eletrodos de alta tensão. (3) Tambor metálico ligado a terra. (4) Fragmentos

de alta condutividade. (5) Fragmentos de baixa condutividade.

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Separação Eletrostática é um processo de concentração baseada na

condutividade elétrica apresentada pelos minerais.



✓ ESPESSAMENTO E FILTRAGEM

•Nas operações que utilizam polpa úmida, como,

por exemplo, a flotação, torna-se necessário a

posterior separação dos fragmentos sólidos

concentrados em suspensão na água.

• Isso poder ser conseguido através das operações

de filtragem ao final da qual o teor de umidade do

minério concentrado deverá estar abaixo de 5%.

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• Para que a filtragem possa apresentar alta eficiência,

torna-se necessário precedê-la de uma operação

preliminar denominada espessamento da polpa a ser

filtrada, ou seja, retirar preliminarmente certa quantidade

de água, de modo a deixá-la com pelo menos 50% de

polpa.

• O espessamento é conseguido simplesmente por

decantação cumulativa das partículas em suspensão, isto

é, decantação regida pela Lei de Stokes.

• O espessamento visa uma concentração efetiva de

sólidos.




Mostra separação baseada na velocidade de sedimentação das partículas

imersas num meio fluido

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• Para acelerar e aumentar a eficiência do espessamento, são

utilizados aditivos denominados de floculizantes, cuja

função é a de aglomerar as partículas em suspensão

formando flocos (colônias de partículas) que decantam

mais rapidamente.

• Cal e aminas são utilizados com sucesso como

floculizantes, na proporção aproximada de 100 g/ton de

polpa.

• O espessamento é utilizado geralmente em tanques de

fundo cônico. Os flocos sedimentam e são lentamente

varridos por pás mecânicas (uma volta a cada 5 ou 10 min.)




Tanque de espessamento de polpas. (1) Alimentação. (2) Eixo suspenso.

(3) Descarga de água limpa. (4) Tanque. (5) Pás rotativas. (6) Placas de

anodo. (7) Descarga da polpa espessa.

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• A polpa espessada pode ser então filtrada. A filtragem

consiste essencialmente em forçar a passagem da polpa

espessada através de um tecido, geralmente feltro, cuja

textura permite a passagem da água e não das partículas

do minério.

• Podemos forçar a passagem por meio de pressão (ar

comprimido) ou vácuo, sendo este último o método mais

recomendado por permitir uma operação contínua do

processo.




Tanque para filtragem de polpas: (1) Alimentação. (2) Munhões.

(3) Circuito de vácuo. (4) Fundo falso. (5) Água pura.

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Equipamentos de filtragem após a operação.



✓ LIMPEZA GASOSA

• Em diversos processos de metalurgia extrativa, obtemos

resíduos sólidos e líquidos que se mantêm em suspensão

no ar.

• Estes resíduos podem ser impurezas poluentes do ar ou

mesmo produtos de valor que devem ser separados e

concentrados. Essa separação de partículas em suspensão

é normalmente feita por “limpeza gasosa” tais como:

- Sedimentação em câmara;

- Separação em ciclones;

- Separação em precipitadores eletrostáticos.

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✓ LIMPEZA GASOSA

Correlação entre o tipo e o tamanho das partículas e o tipo de limpeza



✓ LIMPEZA GASOSA

• A sedimentação em câmara consiste, essencialmente, na

decantação das partículas em uma câmara de retenção no

circuito de tiragem do ar.

• O ciclone é um dispositivo cilíndrico no qual injetamos o

ar tangencialmente, provocando sua centrifugação contra

as paredes internas. Com isso, provoca-se uma

sedimentação forçada no sentido radial, com uma

aceleração radial da ordem de 100 vezes a aceleração da

gravidade. As partículas decantam radialmente segundo a

Lei de Stokes e são recolhidas continuamente.

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✓ LIMPEZA GASOSA

Ciclone para limpeza gasosa.:

(1) Entrada do ar.

(2) Descarga de ar limpo.

(3) Válvula de descarga das

partículas separadas.



✓ LIMPEZA GASOSA

• Precipitador eletrostático, dispositivo custoso, mas de

alta eficiência.

• Consiste em um cilindro vertical com um cabo na linha

central do cilindro.

• É aplicada uma tensão, na faixa de 50.000 a 70.000 volts,

onde o cabo fica ligado ao polo negativo.

• O ar passa pelo cilindro e ioniza-se, ficando as partículas

em suspensão carregadas negativamente que se deslocam

para a parede do cilindro e posteriormente são removidas

continuamente.

Capítulo II Beneficiamento de Minérios · Metalurgia extrativa dos metais ferrosos Processos...

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