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Moagem em Moinho de Bolas: Estudo da Influencia do Tamanho das Bolas e da Densidade de Suspensão no Processo

de Moagem André Abreu, Estevão Ribeiro, João Carvalho

Laboratórios de Materiais I

Escola Superior de Tecnologia e Gestão Instituto Politécnico Viana do Castelo

2012/2013

Resumo: A moagem descontínua num moinho de bolas, tem por objetivo reduzir as partículas das

matérias-primas por ação das bolas, sendo um processo habitualmente utilizado na preparação de pastas

cerâmicas. O choque e o atrito provocado pelas bolas sobre o material a moer, faz com que este reduza o

seu tamanho de partícula.

O fator importante abordado neste trabalho é a importância do tamanho das bolas na moagem,

procurando identificar as principais diferenças utilizando três diâmetros de bolas diferentes para a

moagem do feldspato com um tamanho de grão inferior a 4 mm, avaliando o seu comportamento, bem

como o tempo de moagem. Por último, efetuou-se ainda uma análise a moagem com bolas pequenas, mas

com diferentes densidades da composição, procurando assim identificar a influência da densidade no

processo de moagem.

Palavras-Chave: moinho de bolas, moinho, moagem, feldspato, agente suspensor, tamanho de bolas,

densidade

1. Introdução

O processo de moagem tem como principal objetivo a

diminuição do tamanho da matéria-prima a moer, aumentar a

superfície específica a fim de melhorar a velocidade de reação

de uma matéria-prima, misturar de um modo mais homogéneo

vários materiais e permitir a obtenção de um pó com as

características ideais para a sua devida utilização. [1,2]

De um modo geral, o rendimento da moagem é

influenciado pelas características da própria matéria-prima a

ser moída, nomeadamente a:

Dimensão e forma inicial das partículas;

Dureza do material (resistência à compressão, ao

choque e à abrasão);

Estrutura homogénea ou heterogénea,

Humidade ou higroscopicidade,

Sensibilidade à variação da temperatura,

Tendência à aglomeração. [1]

O moinho de bolas é um equipamento utilizado na

moagem de material bastante usual na indústria cerâmica,

principalmente para a moagem de pasta, ou os seus

componentes duros. [1]

Existem dois tipos de moagem, a moagem a seco e a

moagem a húmido, existindo assim também dois tipos de

moinho, os de moagem contínua ou moagem descontínua. O

processo de moagem mais comum na indústria cerâmica é a

moagem descontínua a húmido.

A moagem num moinho contínuo, onde cada secção

possui um tipo de bolas e, por sua vez, os grãos vão passando

de secção, consoante a sua moagem assim o permita. Assim

sendo, o tamanho de bolas estará sempre adequado com o

tamanho de grãos e por sua vez obter-se-á uma moagem muito

mais eficiente relativamente aos moinhos descontínuos. [3]

No moinho de bolas, as bolas moem o material por

fricção. Para isso são utilizados vários tipos de tamanhos de

bola, de forma a maximizar o rendimento deste processo. As

bolas maiores atuam principalmente sobre os grãos maiores

para que haja rutura do material, enquanto as de tamanho

menor irão atuar sobre as partículas menores reduzindo ainda

mais o tamanho das partículas. [4]

Em geral na moagem, são utilizadas três diâmetros de

bolas diferentes. São utilizados diferentes tipos de bolas,

consoante o material a ser moído, podendo variar entre o aço,

alumina e porcelana.

2. Procedimento Experimental

Para avaliar a influência do tamanho de bolas durante a

moagem do material por via húmida, foram realizados 5

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moagens, 2 delas com densidades de preparado diferente e com

diferentes tamanhos de bolas, mas com as mesmas condições

num moinho de bolas Alsing, com uma velocidade de 88 rpm

(rotações por minuto) ou seja 4,75 km/h.

Figura 1 - Representação de um moinho de bolas descontínuo [1]

Para avaliar a influência do tamanho de bolas na moagem,

realizaram-se curvas de moagem onde se utilizaram os

diferentes diâmetros de bolas (Tabela 1).

Tabela 1 – Tamanhos das bolas utilizadas nos ensaios de moagem

Intervalos de tamanhos Média de

Tamanhos

Pequenas [18,36;20,85] mm 19,42 mm

Médias [23,48;27,00] mm 24,88 mm

Grandes [39,08;40,37] mm 39,24 mm

Realizaram-se dois ensaios com as bolas pequenas, onde

se estudou a influência da densidade na moagem, sendo que,

um ensaio foi realizado com uma densidade de 1.69 g/cm3 e

outro ensaio com uma densidade de 1.79 g/cm3. Os restantes

ensaios foram todos realizados com uma densidade de 1.69

g/cm3.

Realizou-se uma moagem onde foram utilizados os três

tamanhos de bolas, 25% de bolas pequenas, 50% de bolas

médias, e 25% de bolas grandes, para se proceder uma

comparação com os resultados das moagens onde só foram

utilizados um tamanho de bolas.

2.1. Preparação da Suspensão a colocar no Moinho

Os moinhos utilizados no procedimento experimental

foram carregados seguindo as seguintes condições [4]:

As bolas utilizadas ocupariam 50% do volume

aparente do moinho (Figura 2), ou seja, 30% do volume do

moinho será ocupado por bolas, isto devido aos espaços

vazios presentes entre as bolas (Equação 1).

Equação 1 – Calculo do volume de bolas a adicionar

Figura 2 – Representação do volume aparente de bolas [5]

A quantidade de matéria-prima a moer, representa

25% do volume útil do moinho, de modo a que preencha os

espaços vazios entre as bolas e mais uma “folga” (Equação

2).

Equação 2 – Calculo do volume de material a moer

A quantidade de água a adicionar corresponde a 50%

do peso de material a moer, permitindo desta forma as

movimentações dentro do moinho (Equação 3).

Equação 3 – Calculo do volume de bolas a adicionar

É adicionado a mistura agente suspensor, que tem

como função evitar a cimentação das partículas do material

a moer no fundo do moinho. O agente suspensor utilizado

nas quatro moagens foi o caulino campados. Este

representa 5% do material a moer (Equação 4).

Equação 4 – Calculo do volume de agente suspensor

As curvas de moagem realizadas, apresentam toda uma

densidade de 1,69 g/cm3, à exceção de uma que apresenta uma

densidade de 1,79 g/cm3, efetuada para avaliar a variável

densidade na moagem.

3. Discussão de resultados

3.1. Analise Granulométrica

A análise granulométrica consiste numa serie de peneiros

formados em torre, colocando no topo o peneiro com abertura

de malha maior e no fundo com abertura de malha menor. [6]

Para determinar o resíduo ao peneiro de 71µm, às zero

horas de moagem foi efetuada uma análise granulométrica da

matéria-prima a moer, neste caso o feldspato. Pela análise do

Gráfico 1, verifica-se que o resíduo ao peneiro às zero horas de

moagem é de 99,95%, isto confirma-se através da soma das

percentagens de resíduo acima de do peneiro de 71 µm.

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Gráfico 1 – Resíduo ao peneiro

3.2. Resultados Variando o Diâmetro das Bolas

A influência das bolas tem grande significado na moagem

da matéria-prima, pelo que, as bolas pequenas têm capacidade

para “esmagar ” os grãos mais pequenos da matéria-prima,

sentindo mais dificuldade em moer os grãos maiores. Já as

bolas de maiores diâmetros terão mais dificuldade na moagem

de grãos mais pequenos. No que trata à moagem de grãos

maiores estas são as mais eficazes, sendo menos eficazes nos

grãos mais pequenos. Na indústria são utilizadas os três tipos

de bolas para a moagem das matérias-primas, para que a

eficiência de moagem seja a melhor possível.

Este experimento foi realizado com interrupções de

moagem e, para os resultados serem o mais conclusivos

possíveis, as recolhas de amostras e horas de moagem

deveriam ser continuas e sem interrupções para evitar

cimentação da matéria moída no fundo do moinho, o que

dificulta a moagem no que se reflete num maior número de

horas de moagem, pois, com a paragem do moinho as

partículas mais finas começam a aglomerar no fundo do

moinho por força da gravidade, sendo mais difícil

homogeneizar a suspensão novamente. Na indústria a moagem

é feita sem interrupções, logo, é mais um fator para uma

moagem mais eficiente no que se reflete numa diminuição no

número de horas de moagem.

Através da análise do Gráfico 2, é possível verificar que as

bolas mais pequenas são as mais eficientes na moagem,

atingindo um resíduo ao peneiro de 5% mais rápido que as

outras bolas. Esta ocorrência, deve-se ao facto de o feldspato a

ser moído já ter uma granulometria inferior a 4 mm, o que fez

com que as bolas pequenas apresentassem melhor eficiência na

moagem desta matéria-prima. As bolas pequenas comparadas

com as outras bolas utilizadas na moagem, apresentavam um

maior número de pontos de contacto com o grão (Figura 3)

provocando assim uma melhor moagem. O facto dos grãos de

feldspato serem de tamanho inferior a 4mm, proporcionou uma

melhor moagem por parte das bolas pequenas mas, se a

granulometria dos grãos de feldspato fosse superior, a

eficiência de moagem das bolas pequenas seria menos eficiente

e a capacidade de moagem também menor.

Figura 3- Pontos de contacto das bolas pequenas

Observando os resultados experimentais obtidos, é

conclusivo que o uso das bolas grandes para a moagem do

feldspato são ineficazes, devido ao facto de as bolas grandes

terem maior poder de moagem em granulometrias maiores. As

bolas grandes têm um diâmetro compreendido entre 39,08 mm

e 40,37 mm, sendo dez vezes maiores que a matéria-prima a

moer que tinha uma granulometria inferior a 4mm, e como

atras foi referido estas atuam melhor sobre os grãos maiores.

Os pontos de contacto entre as bolas grandes e os grãos de

feldspato são menores, criando assim mais espaços vazios

entre as bolas (Figura 4).

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Figura 4 – Pontos de contacto das bolas grandes

Observa-se que até às duas horas de moagem, as bolas

médias tem uma moagem mais eficiente que as bolas pequenas,

pois essa facilidade deve-se provavelmente ao facto da

facilidade das bolas médias promoverem o esmagamento mais

facilmente dos grãos maiores. No decorrer da moagem,

observa-se que as bolas pequenas mostram-se mais eficientes

que as bolas médias, pois as bolas mais pequenas tiveram mais

dificuldade na moagem dos grãos de maiores dimensões,

enquanto que as bolas médias foram capazes de moer esses

mesmos grãos mais rapidamente. As bolas médias têm menos

pontos de contacto (Figura 5) do que as bolas pequenas,

justificando assim, a sua menor eficiência na moagem do

feldspato.

Figura 5 – Pontos de contacto das bolas médias

Foi realizada uma curva de moagem com mistura de

bolas, para comparação com as restantes curvas, pois o

esperado é que esta mistura de bolas fosse a mais eficiente de

todas, uma vez que, na indústria é utilizada uma mistura de

bolas para a moagem das matérias-primas a ser moídas.

Visualizando os resultados do Gráfico 2, é possível

afirmar que para estas condições de moagem, a mistura dos

três diâmetros de bolas não é tão eficaz como o esperado. Até à

oitava hora de moagem, o comportamento da mistura de bolas

mostrava-se em muito idêntico ao comportamento das bolas

médias, depois disso, a moagem tornou-se eficiente reduzindo

assim a sua capacidade de moagem.

O facto de a mistura de bolas se mostrar menos

ineficiente de que as bolas pequenas e médias, deve-se ao facto

já referido anteriormente, de o feldspato ter sido peneirado,

removendo os grãos de maiores dimensões, fazendo com que

as bolas de maior diâmetro presentes na mistura se mostrassem

ineficazes na moagem, como se pode verificar também no

Gráfico 2. A curva de moagem das bolas de maiores dimensões

foi a curva menos eficiente. Como existe uma mistura de bolas,

os pontos de contacto irão ser relativamente inferiores aos

pontos de contacto das bolas pequenas mas, superiores aos das

bolas grandes (Figura 6).

Figura 6 – Pontos de contacto da mistura de bolas [4]

Na indústria de moagem de matérias-primas é utilizada a

mistura de bolas numa percentagem de bolas de 25% de bolas

pequenas, 50% médias e 25% de bolas grandes, pois ao

contrário do ensaio realizado, na indústria a matéria-prima não

é processada com uma granulometria tão baixa quanto a

estudada neste experimento, logo, existe feldspato de tamanho

muito superior a 4mm.

Conclui-se assim que as bolas pequenas, em comparação

com os restantes diâmetros de bolas utilizados na moagem do

feldspato, são mais eficientes, pois atingem um resíduo ao

peneiro de 5% em menor tempo que as restantes bolas.

O ideal para a moagem de grãos com tamanho inferior a 4

mm, seria uma moagem utilizando só as bolas pequenas

(18,36-20,85 mm) e as bolas médias (23,48-27,00 mm),

aumentando assim o rendimento da moagem.

5 ESTG-IPVC 2012

Gráfico 2 – Curvas de moagem com diferentes diâmetros de bolas

3.3. Resultados Variando o Densidade da Suspensão

Adicionalmente efetuou-se um estudo de como a

densidade influenciava a moagem do material, onde se

verificou que com o aumento de densidade de apenas 0,1

g/cm3. Para o estudo desta variável utilizaram-se as bolas

pequenas por proporcionarem uma melhor moagem para as

condições onde estas iriam atuar.

Em experiencias conduzidas em laboratório, na moagem

por via húmida a densidade da suspensão pode influenciar

significativamente o processo de moagem do material. [7,8]

Através Gráfico 3, verifica-se que a eficiência de moagem

é influenciada pela densidade da suspensão, quanto maior for a

densidade, menor é a eficiência de moagem. Isto deve-se ao

facto, de quanto mais densa for a suspensão, mais viscosa esta

é, dificultando o trabalho das bolas em moerem o material,

aumentando assim a dificuldade em movimentar-se dentro do

moinho.

Utilizando uma linha de tendência linear (Equação 5) para

o cálculo de tempo mínimo esperado de moagem que seria

necessário para que a moagem chegasse a um resíduo ao

peneiro de 5%, o resultado seria de cerca de 56 horas.

Equação 5 – Equação da reta tendência aplicada e respetivo coeficiente de correlação

Com a diferença de densidades, há que reparar que por

cada cm3, existem mais 0,10 g de material solido a moer, o que

ira levar a que o processo de moagem demore mais tempo a ser

concluído.

Gráfico 3 – Curvas de moagem com suspensões de diferentes densidades

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Conclusão

A influência do diâmetro das bolas num moinho de bolas é

um fator importante para a moagem. Diferentes tamanhos de

bolas tendem a ter uns comportamentos de moagem diferentes,

resultando numa maior ou menor eficiência de moagem.

Nas condições de moagem a que as bolas estiveram

sujeitas, as bolas que mostram melhor eficiência de moagem

são as bolas de diâmetro pequeno (18,36 - 20,85 mm), pois a

moagem é mais rápida do que as restantes.

Pode-se afirmar que a utilização das bolas grandes (39,08 -

40,37 mm) ou mesmo a mistura de bolas, não é muito eficaz

para efetuarem a moagem do feldspato com granulometria

inferior a 4 mm. Tanto as bolas grandes como as bolas médias

irão ter menos pontos de contacto, o que ira dificultar a

moagem do material de granulometria pequena.

As bolas médias (23,48 - 27,00 mm) apresentam um

comportamento intermedio, sendo mais eficaz que a moagem

por meio de bolas grandes e mistura de bolas, mas menos

eficaz que a moagem utilizando bolas pequenas.

Para moer os grãos de feldspato com granulometria

inferior a 4 mm, o mais eficiente tipo de moagem seria a

mistura de bolas pequenas e bolas médias, visto que estas

foram a que tiveram maior eficiência de moagem. As bolas

médias teriam a função de moer os grãos de maiores

dimensões, enquanto as bolas pequenas teriam a função de

reduzir ainda mais o tamanho das partículas de matéria solida.

Em termos da variável densidade, pode-se concluir que

quanto maior a densidade de uma suspensão menor vai ser a

eficácia da moagem, levando a que esta demore mais tempo.

Quanto maior a densidade da suspensão, maior será a

viscosidade, e por consequência maior será a dificuldade para

as bolas se movimentarem dentro do moinho.

4. Referencias

[1] - Ribeiro, M. J. P. M.; Abrantes, J. C. C. “Moagem em

moinho de Bolas: Estudo de algumas Variáveis e Otimização

Energética do Processo”. Revista Cerâmica Industrial, São

Paulo, v. 6, n. 2, p. 7-11, mar./abr., 2001

[2] - Nandi, V.S.; Montedo, O.R.K.; “Otimização do

Processo de Moagem de Engobes Cerâmicos para produção de

Revestimento”. Revista Cerâmica Industrial, São Paulo, v. 14,

n. 4, p. 24-28, jul./ago., 2009

[3] - Sacmi - Società Anonima Cooperativa Meccanici

Imola; “Continuous drum mills”, Ímola (Itália) – 2008

(Catalogo Comercial)

[4] - Menegon Bristot, Vilmar; “Máquinas e Equipamentos

para Cerâmica”; 1ª Edição – 1996. Editora e Livraria Luana

Ltda. Criciúma – SC

[5] - Bosa, Aline; Ferro, André Silvestri; Wanderlind,

Augusto; Pasini, Djeisa; Patrício, Marcelo Casagrande; Tassi,

Reginaldo; Modesto, Cláudio de Oliveira; Noni Jr., Agenor

De; Cargnin, Maykon; “ Influência do Resíduo in natura das

Matérias-primas, Carga de Bolas e Resíduo Final no Tempo de

Moagem via Úmida em Moinho de Bolas” Revista Cerâmica

Industrial, São Paulo, v. 6, n. 12, p. 31-36, nov./dez., 2007.

[6] - Alberto, Maitê Santos; Cabral, Natália São Martinho;

Stelzer, Alessandra; Garcia, Isabella Santos; “Moagem e

Análise Granulométrica de uma Amostra de Areia”

Departamento de Engenharia Química, Centro Universitário da

FEI, 2011

[7] - C. Tangsathitkulchai; Austin, L.G: “Powder Technol.”

42 – 1989

[8] - C. Tangsathitkulchai; Austin, L.G: “Powder Technol.”

59 – 1989