Redução do teor de zinco no rejeito a partir do uso de ciclones e peneiras de alta frequência em série na classificação da moagem

Resumo

A unidade Vazante, propriedade da Nexa Resources, lavra e beneficia minério de zinco (willemita). A partir de dez/2011 a classificação do produto da moagem, que era realizada através de ciclones, passou a ser feita através de peneiras de alta frequência. A substituição dos ciclones pelas peneiras trouxe diversos benefícios, entre eles a maior eficiência de classificação, redução da carga circulante da moagem e como consequência, aumento de capacidade do circuito. No entanto, em função da partição de água, a operação das PAFs gerou uma baixo percentual de sólidos no produto, prejudicando a performance da flotação. Em função disso, teve início um trabalho de otimização visando adequar o percentual de sólido do produto da moagem sem impactos negativos no circuito, como perda de capacidade ou de qualidade. A investigação da melhor solução foi realizada através do software JKSimMet, que realizou simulações combinando os equipamentos ciclone e peneira em série na moagem W. A partir da simulação foi realizado teste industrial com resultado positivo. Além da adequação do percentual de sólido do produto da moagem para o valor ideal, houve aumento da capacidade do circuito e redução de 0,3% no teor de zinco do rejeito da flotação. A solução foi padronizada e continua em operação mantendo ótimos resultados.

Introdução

Situada no município de Vazante, noroeste do estado de Minas Gerais, a unidade de Vazante, propriedade da Nexa Resources, lavra e beneficia minério de zinco (willemita, Zn2(SiO4)) desde 1969. A usina de concentração consiste em quatro etapas de britagem, seguida por moagem em moinho de bolas, concentração por flotação e posterior espessamento e filtragem do concentrado. Para atingir a capacidade atual foram realizadas ao longo dos anos diversas otimizações e modernizações na usina de cominuição e concentração, destacando-se investimentos na britagem, aumento da velocidade de rotação do moinho, alteração de revestimento e tamanho de bolas de reposição, mudança do equipamento de separação de tamanho e automação do circuito.
Até dez/2011 o circuito de moagem operou fechado com ciclones GMax de 15 polegadas, sendo que dos quatro ciclones disponíveis, três permaneciam em operação com vortex e apex, respectivamente com diâmetros de 140 mm (5,25”) e 95 mm (3,75”). A partir dessa data o conjunto de 6 StackSizers, com 5 decks cada, e malha de 100#, substituiu os ciclones na classificação do produto do moinho.

Nas Figura 1 a 3 abaixo podem ser observados o circuito de moagem W os equipamentos citados.

Figura 1 – Moagem W
Figura 2 – Ciclones 15”
Figura 3 – Peneiras de alta frequência (PAFs)

Em ambas as configurações, a especificação do produto da moagem permaneceu a mesma: máximo de 12% retido acumulado em 100# e perceptual de sólidos mínimo na polpa igual a 30%.

As peneiras de alta frequência proporcionam maior eficiência de classificação, resultando em um menor by pass de finos, e como consequência, na redução da carga circulante. Com isso, o circuito de moagem ganhou capacidade. Além disso, a utilização das peneiras proporcionou um produto final do circuito com menor percentual de grossos (retido acumulado em 65#), o que é benéfico para a flotação.

No entanto, para garantir a maior eficiência de classificação, as peneiras de alta frequência requerem que a alimentação de polpa ocorra em percentual de sólido baixo, na faixa de 45 a 50%.

Como consequência da maior partição de água para o underflow, o produto da moagem passou a apresentar percentual de sólido extremamente baixo, na média de 21% a 27%, comprometendo o desempenho da etapa de flotação.

A partir disso, iniciou-se uma investigação da possibilidade de combinar os dois equipamentos em série visando melhorar a performance da flotação a partir da adequação do percentual de sólido na alimentação, sem que isso represente perda de capacidade do circuito de moagem ou prejuízo de qualidade.

Revisão bibliográfica

O equipamento de classificação possui um papel extremamente relevante na eficiência do circuito de moagem. O classificador influencia na capacidade do circuito, carga circulante e na curva granulométrica do produto.

A aplicação de ciclones na mineração teve início em 1948. Atualmente, esses são os equipamentos mais empregados no fechamento de circuitos industriais de moagem. Ao apresentar elevada capacidade para a área ocupada, baixo custo operacional e grande facilidade de manutenção e alteração de parâmetros operacionais, o ciclone é um equipamento consagrado.

Seu princípio de funcionamento considera que, após a alimentação do equipamento sob pressão, as partículas de maior peso contidas na polpa são empurradas para as paredes do equipamento e afundam em direção ao apex. Nesse movimento, as partículas mais leves são deslocadas em direção ao vortex, sendo também arrastadas pelo fluxo ascendente de água. No entanto, parte da fração leve é arrastada juntamente com a porção pesada e compõem o underflow. Essa fração é conhecida como by-pass de finos, e representa a ineficiência de classificação do equipamento.

Dessa forma, existe associada a cada tamanho de partícula, uma probabilidade de que ela se direcione ao underflow ou ao overflow.

O peso da partícula pode ser influenciado também pela densidade, e não apenas pelo tamanho. Esse fato resulta em um efeito de concentração densitária em operações onde existe grande diferença de densidade entre o minério o e a ganga e em uma maior ineficiência de classificação. Exatamente por seu princípio de funcionamento, o ciclone apresenta eficiência máxima de aproximadamente 70%, gerando elevada carga circulante no circuito. Nesse equipamento, a partição de água é maior para o overflow.

Já as peneiras de alta frequência apresentam princípio de funcionamento diverso. A classificação ocorre a partir da apresentação da partícula à um gabarito fixo (tela) onde existem duas alternativas possíveis, apresentar tamanho adequado a passagem através da tela em direção ao underflow ou ficar retida e ser direcionada ao overflow. Em função da restrição as partículas ser física, a curva granulometria resultante da classificação nesse equipamento tende a ser mais estreita. O by pass de finos e de grossos é reduzido e em consequência, a eficiência de classificação é maior, atingindo patamares de 84%. No entanto, como nesse equipamento a partição de água é maior para o undeflow, o percentual de sólidos do produto do circuito pode ficar abaixo do especificado para a etapa subsequente. Outra desvantagem é a baixa capacidade por unidade instalada, o que resulta na necessidade de grande área para instalação dos equipamentos.

Na prática, o controle operacional de um circuito de moagem é realizado principalmente através de parâmetros do equipamento classificador. No ciclone as principais variáveis são diâmetros de apex e vortex, pressão e percentual de sólidos na alimentação. As peneiras de alta frequência apresentam a abertura da tela e o percentual de sólidos como principais parâmetros, sendo que a vazão de polpa da alimentação também tem papel significativo pois influencia no tempo de residência nas peneiras.

Materiais e Métodos

Para avaliar a possibilidade de combinar os equipamentos optou-se por realizar simulações no software JKSimMet.

O JKSimMet realiza simulações de cenários através da calibração de modelos matemáticos de processo. Os procedimentos de calibração foram executados a partir dos dados do minério (peso específico, Wi, função quebra e seleção) e informações históricas das variáveis de processo e operação do circuito obtidas através do sistema PIMS, que é um
servidor de coleta e armazenamento de dados. Além disso, foram consideradas informações referentes as dimensões dos equipamentos.

Foram realizadas amostragens da usina na configuração de operação com ciclone e com peneiras de alta frequência, de modo que o software pudesse ter os dois equipamentos devidamente calibrados.

A partir dos resultados da simulação passou-se ao planejamento e realização do teste industrial com o objetivo de observar os efeitos da alteração do circuito nas variáveis taxa de alimentação, granulometria, densidade de alimentação da flotação e teor de rejeito. Os resultados históricos das variáveis observadas são armazenados através do sistema PIMS, e foram comparados com as valores obtidos durante o período de teste industrial. O tratamento estatístico das informações obtidas foi desenvolvido no Minitab17.

Resultados

Na Figura 4 abaixo, pode-se observar o resultado da simulação realizada combinando o peneiramento de alta frequência em série com a classificação em ciclones.

Figura 4 – Simulação do circuito de moagem W com classificação em série

A configuração em série visava principalmente adequar o percentual de sólidos na alimentação da flotação. Esse objetivo foi alcançado ao gerar underflow das PAFs com percentual igual a 35%.

A carga circulante prevista em 337% é superior a praticada com operação das PAF e inferior a alcançada quando a classificação é realizada pelos ciclones, portanto, não representa uma limitação ao circuito. O P80 do produto foi mantido, assim como a taxa de alimentação nova do circuito.

Diante do resultado positivo previsto através da simulação, a configuração estudada passou a operar em escala industrial a partir do dia 16/07/2018. Para facilitar a análise, serão apresentados resultados alcançados industrialmente durante o ano de 2018 em três configurações diferentes de classificação. A tabela 1 abaixo apresenta o período e a respectiva configuração em operação.

Tabela 1 – Períodos e condições de operação

Período Equipamento classificador
01/01 a 08/03 PAF
08/03 a 14/04 CIC
14/04 a 13/05 PAF
13/05 a 15/07 CIC
15/07 a 31/11 CIC + PAF

Os ciclones operaram com a configuração de diâmetro de vortex e apex conforme a simulação realizada, enquanto que as PAF´s permaneceram com telas de 149 μm.

Na Figura 5 abaixo podem ser observados os resultados de taxa de alimentação da moagem (t/h) durante o período em operação

Figura 5 – Evolução da taxa de alimentação (t/h)

Observa-se que a condição da classificação com ciclones e peneiras de alta frequência em série não só alcançou, como superou, a taxa de alimentação prevista pela simulação.

O percentual de sólido no produto do circuito de moagem, principal alvo desse trabalho, aumentou conforme o esperado (Figura 6).

Figura

Figura 6 – Sólidos na polpa (%) – Alimentação da flotação

A condição de operação com peneiras de alta frequência proporciona média de 21 a 27% de sólidos na alimentação da flotação, enquanto a operação com ciclones apresenta potencial de elevar o % de sólido a valores próximos a 45%. A elevação do percentual de sólido a esses patamares implica no ajuste através de adição de água (diluição da polpa), o que permite adequar ao valor ótimo considerando a alimentação combinada da flotação (alimentação nova + carga circulante), mas representa a inserção de um novo controle para a operação. Além disso, essa configuração é alcançada forçando-se uma maior ineficiência dos ciclones e acarreta o aumento da carga circulante, fato indesejável para o circuito (Figura 7). Já a configuração em série (CIC + PAFs) proporciona o ajuste ideal de percentual de sólido: após a estabilização da configuração de teste foi possível alcançar média próxima de 30%, valor com melhor desempenho comprovado em testes de bancada.

O comportamento da carga circulante do circuito manteve a tendência prevista pela simulação durante o teste da configuração ciclones e peneiras, Figura 7. O valor alcançado está adequado.

Figura 7 – Evolução da carga circulante da moagem W

O efeito do equipamento classificador na granulometria pode ser visto na Figura 8 abaixo, onde observa-se uma elevação do percentual acumulado retido em 100#.

Figura 8 – Granulometria – Retido acumulado na malha 100#

No entanto, a tendência de aumento do percentual retido em 100# no produto da moagem não refletiu no teor de zinco do rejeito (Figura 9) conforme seria esperado.

O rejeito apresenta tendência inversa ao percentual retido na malha 100# na alimentação, e encontra-se atualmente no menor valor já praticado. Esse fato desencadeou uma análise mais minuciosa que identificou que o aumento do percentual retido acumulado em 100# estava relacionado igualmente ao aumento da fração retida em 65# e em 100#, como pode ser observado na Figura 10 abaixo.

Figura 10 – Evolução da fração retida nas malhas de 65 e 100#

A princípio, esse aumento é considerado extremamente prejudicial ao desempenho da flotação e deveria representar um aumento do teor de zinco no rejeito. No entanto, ao observar os resultados granuloquímicos do rejeito verifica-se que o teor de zinco nas frações grosseiras é influenciado pelo equipamento classificador, Figura 11 abaixo.

Figura 11 – Granuloquímica da fração grosseira do rejeito

Observa-se que quando da operação com peneiras de alta frequência, o zinco contido nas frações grosseiras (retido acumulado em 100#) do rejeito é o dobro do valor encontrado na operação com ciclone, e que durante a operação com ciclones e peneiras em série encontra-se um valor intermediário. Esse fato pode ser explicado pela elevada densidade do minério de willemita (3,1 t/m3) e seu comportamento durante a classificação no ciclone. Como a willemita é mais densa, ela possui uma tendência maior a se encaminhar para o underflow e passar por nova redução de tamanho no moinho. Dessa forma, a fração grosseira que se encaminha para o overflow do ciclone não possui teor significativo de zinco, sendo rejeitada na flotação.

Conclusão

Quando comparados, ciclones e peneiras possuem vantagens e desvantagens na aplicação como equipamento classificador de um circuito de moagem. Ao serem combinados em série é possível mitigar os efeitos negativos de cada tecnologia e potencializar seus benefícios.
A classificação com ciclone e peneiras permitiu adequar o percentual de sólido do produto da moagem W para o valor ideal de 30%, principal objetivo desse trabalho. Com isso o desempenho da flotação de zinco foi otimizado, reduzindo o teor de mineral útil no rejeito em 0,3%. Além disso houve um ganho incremental a capacidade do circuito.
No produto da moagem, observou-se maior percentual retido acumulado na fração de 100#, no entanto, devido ao efeito densitário do ciclone essa fração não é rica em zinco e não representa aumento no teor útil do rejeito da flotação.
Diante dos ganhos obtidos, o circuito em série foi padronizado e passou a representar a condição normal de operação da moagem W na unidade de Vazante.

Breve currículo dos autores:

Flávia Vargas: Formada em engenharia de Minas pela Unipac, com mestrado em tratamento de Minérios em andamento na Politécnica da USP atua na Unidade Vazantes da Nexa Resources há 6 anos, onde ocupa atualmente o carga de engenheiro de processos sênior.

Thiago Nunan: Engenheiro químico pela UFMG, com pós graduação em gestão de projetos pela fundação Dom Cabral e título de mestre em tratamento de minérios pela Politécnica da UPS, Thiago atuou como engenheiro de processos na SEI Consultoria e Projetos de out de 2008 a dez/2011. Na AngloGold Ashanti atuou por 5 anos e 11 meses passando de engenheiro de processo a coordenador de processo e em seguida a engenheiro especialista. Há um ano atua como gerente de Processos na Nexa Resources, Unidade de Vazante.

Maximiliano Rezende Ferreira: Formado em engenharia química na USP, com diploma de mestre em Tratamento de Minérios pela UFMG e MBA em Gestão Empresarial pela FGV, possui mais de 18 anos de atuação na área de beneficiamento. Atuou em grandes empresas como Votorantim Metais, Yamana Gold, Kinross, Gerdau, Anglo American e Mineração Taboca S.A. Atualmente atual como gerente de beneficiamento na Nexa Resources, Unidade de Vazante.

Wellington Gomes: Engenheiro de minas formado na Politécnica da USP, com título de mestrado e doutorado obtido na mesma instituição. Atua como engenheiro de processo na MinPro Consultoria realizando simulações para otimização de processo em diversas grandes empresa no Brasil e América Latina.

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