1) O documento discute fundamentos da concentração gravítica, incluindo o movimento de partículas em fluidos e critérios de concentração. 2) A concentração gravítica separa minerais com diferentes densidades usando a força da gravidade ou forças centrífugas em um meio fluido como água ou ar. 3) Os principais mecanismos envolvidos são a aceleração diferencial e a sedimentação retardada, que dependem da densidade e tamanho das partículas.
3. SUMÁRIO
UNIDADE I
FUNDAMENTOS GERAIS DA CONCENTRAÇÃO GRAVÍTICA.................................................................................................5
CAPÍTULO 1
MOVIMENTO DAS PARTÍCULAS EM UM FLUIDO.............................................................................................................. 6
CAPÍTULO 2
INTRODUÇÃO À CONCENTRAÇÃO GRAVÍTICA................................................................................................................. 9
CAPÍTULO 3
CRITÉRIO DE CONCENTRAÇÃO............................................................................................................................................. 15
REFERÊNCIAS................................................................................................................................................19
5. 5
UNIDADE I
FUNDAMENTOS GERAIS
DA CONCENTRAÇÃO
GRAVÍTICA
Nesta primeira parte da apostila, você será apresentado aos conceitos introdutórios para
entender a concentração gravítica.
O capítulo 1 aborda o movimento de uma partícula no fluido e os princípios que regem
as forças nesse movimento, bem como os parâmetros utilizados para caracterizar esse
movimento conhecido como número de Reynolds e coeficiente de arraste.
O capítulo 2 explica o conceito de concentração de minérios, quais são as premissas
básicas para que aconteça a concentração e a classificação dos métodos de concentração.
Esse mesmo capítulo apresenta o conceito de concentração gravítica, seus princípios
básicos e os mecanismos que envolvem esse processo.
O capítulo 3 apresenta o critério de concentração para o processo gravítico, que indica
a facilidade de atingir a separação entre os minerais.
Objetivos da unidade
» Compreender o movimento de uma partícula no fluido.
» Entender o conceito de concentração.
» Conhecer os tipos de processos utilizados na concentração.
» Estudar a concentração gravítica.
» Interpretar e avaliar os critérios de concentração.
No Brasil, a concentração de minérios de ferro normalmente é realizada pelo uso de
concentração gravítica, magnética e flotação de forma individual ou combinada.
Fonte: <https://exame.abril.com.br/negocios/new-steel-investe-us700-mi-em-beneficiamento-de-minerio-a-seco/>.
6. 6
CAPÍTULO 1
MOVIMENTO DAS PARTÍCULAS EM UM FLUIDO
É imprescindível entender o movimento das partículas em um fluido, as quais estão
presentes em quase todos os métodos de concentração. Logo, os princípios comuns que
regem as forças que atuam nas partículas em movimento num fluido são utilizados, de
modo geral, nas operações de concentração de minério.
A diferença de velocidade de sedimentação a que as partículas estão sujeitas quando
em um meio fluido é que dirige essa concentração.
O conjunto das diversas forças que atuam em diferentes sentidos é que provoca o
movimento de uma partícula num fluido.
Costa (2002, p. 3) esclarece que
a força de resistência oferecida pelo fluido à partícula em movimento
depende principalmente: da velocidade da partícula, da sua forma, da
quantidade de turbulência no seio do fluido e da interação com outras
partículas adjacentes ou com as paredes do equipamento que as contém.
Conforme a partícula imerge, a sua velocidade eleva e continuará aumentando até que
forças acelerativas e resistivas se igualem.
Ao atingir essa condição, a velocidade da partícula, então, será mantida de forma constante
ao longo do resto da sua queda, isso se o equilíbrio entre as forças não sofrer alteração.
Essa velocidade constante que a partícula assume é conhecida como a velocidade terminal
de queda ou de sedimentação.
O movimento de uma partícula em um fluido pode ser caracterizado pelo número de
Reynolds da partícula e o coeficiente de arraste.
Número de Reynolds
O número de Reynolds é um número adimensional e representa a razão de transferência:
de momento por mecanismo turbulento e momento por mecanismo viscoso.
Re =
ρfVD
μ Eq.1
Em que:
Re: número de Reynolds;
7. 7
FUNDAMENTOS GERAIS DA CONCENTRAÇÃO GRAVÍTICA | UNIDADE I
ρf
: densidade do fluido;
V: velocidade do fluido;
D: diâmetro do duto;
µ = viscosidade do fluido.
Esse número foi proposto inicialmente para caracterizar os tipos de regime de fluxo em
dutos, no entanto, de maneira semelhante, pode caracterizar qualquer sistema de fluxo
utilizando características corretas:
» tamanho;
» viscosidade;
» densidade;
» velocidade.
Os valores de Re
serão particulares de cada sistema de fluxo, conseguindo caracterizar,
então, a mudança das condições laminares para turbulentas.
Para determinado sistema de fluxo específico de queda livre de uma partícula num
fluido, o número de Reynolds será:
Rep =
ρfVpdp
μ
Eq.2
Em que:
Rep
: número de Reynolds da partícula;
vp
: velocidade terminal de queda da partícula;
dp:
diâmetro da partícula.
Os regimes de fluxo caracterizado pelo número e Reynolds são laminar, transição e
turbulento. As limitações para a caracterização desses regimes tipos de regime são
» regime laminar: Lei de Stokes, pode ser verificada para Rep
< 0,2.
» regime turbulento: Lei de Newton, é observada para Rep
> 500.
» regime intermediário: faixa de valores de 0,2 a 2 < Rep
< 500.
8. 8
UNIDADE I | FUNDAMENTOS GERAIS DA CONCENTRAÇÃO GRAVÍTICA
Coeficiente de Arraste
O movimento de uma partícula em um fluido provoca uma força oposta conhecida como
força de resistência ao movimento ou força de arraste.
A força de arraste é resultado da combinação de um arraste que ocorre pela camada
limite e o arraste causado pela forma da partícula na direção do escoamento do fluido.
Portanto, o mecanismo de transferência de quantidade de movimento ou energia do
fluido para a partícula exibe um componente viscoso e outro turbulento.
O resultado da divisão dessa quantidade de movimento total transferida somente pelo
componente turbulento resulta em um número adimensional conhecido como fator de
atrito ou coeficiente de arraste:
Cd =
2Fd
(ρfVe
2A)
Eq.3
Em que:
Cd
= coeficiente de arraste;
Fd
= força de resistência ou arraste;
ve
= velocidade na direção do escoamento
A = área da seção transversal da partícula.
Normalmente são utilizados diagramas Cd
em função do número de Reynolds.
9. 9
CAPÍTULO 2
INTRODUÇÃO À CONCENTRAÇÃO GRAVÍTICA
A concentração é o processo que visa separar partículas minerais de acordo com a sua
espécie sem modificar consideravelmente a natureza mineralógica. Segundo Arenare
(2008), uma concentração é realizada com êxito se as seguintes premissas forem satisfeitas:
» Liberabilidade: os minerais valiosos e os minerais de ganga precisam estar
completamente liberados.
» Diferenciabilidade: é preciso que exista distinção de propriedades, naturais ou
induzidas, das espécies que se pretendem separar. Das diversas propriedades que
diferenciam as espécies, é possível citar: densidade, suscetibilidade magnética,
condutividade elétrica e propriedades interfaciais.
» Separabilidade dinâmica: é necessário que exista uma manipulação de forças
atuantes no equipamento de forma que consiga realizar a separação do concentrado
e do rejeito. A concentração é sempre realizada em meio fluido.
Tomáz (2016) ressalta que, para existir a separação dos minerais, é preciso que haja uma
diferença física ou físico-química entre o mineral valioso e a ganga. Classifica, ainda, os
processos de concentração conforme a propriedade diferenciadora:
» Separação/concentração gravimétrica: esse método é fundamentado na
diferença de densidade dos minerais, usando um meio fluido que pode ser água
ou ar para realizar a separação; geralmente os equipamentos comuns são jigues,
mesas vibratórias, espirais e outros.
» Separação magnética: baseada na suscetibilidade magnética, os equipamentos
mais utilizados são tambores, correias, carrosséis e filtros.
» Flotação: processo predominante no beneficiamento da maioria dos minérios pela
sua flexibilidade e seletividade e está alicerçado no comportamento físico-químico
das superfícies das partículas na suspensão aquosa. Normalmente são utilizados
equipamentos mecânicos e pneumáticos para realizar a separação.
» Seleção Manual: é o mais antigo procedimento de concentração e é realizado
por meio do exame visual e da retirada manual dos minerais valiosos dos demais,
ou somente os minerais contaminantes são removidos para que seja possível se
livrar o minério original das impurezas.
» Eletrostática: consiste na concentração de minérios por meio das diferenças de
condutibilidade elétrica e de suscetibilidade que os minerais têm em conseguir
cargas elétricas superficiais.
10. 10
UNIDADE I | FUNDAMENTOS GERAIS DA CONCENTRAÇÃO GRAVÍTICA
Costa (2002) explica que a concentração gravítica é a tradução do termo em inglês
gravity concetration. Esse procedimento ainda pode ser denominado como densitário
ou gravimétrico, sendo esta última denominação inadequada, pois não é responsável
por determinar a aceleração da gravidade.
A concentração gravítica consiste em um processo, em que partículas com diversas
densidades, tamanhos e formas são segregadas por meio da força da gravidade ou forças
centrífugas (LUZ et al., 2010).
Chaves (2015) e Valy (2017) explanam que, na concentração gravítica, as partículas
com densidades diversas são separadas com o auxílio da força da gravidade ou outras
forças, tais como a resistência ao movimento de um fluido viscoso, como a água ou o ar.
Para que ocorra uma separação efetiva, é extremamente importante que as densidades
de minério e ganga sejam diferentes. O movimento realizado pelas partículas depende
da massa específica e do seu tamanho, assim partículas maiores serão mais afetadas do
que as com menor dimensão.
A concentração gravítica possui os seguintes princípios elementares:
1) Partículas sólidas agem sob a influência de gravidade, superando
resistências do fluido no qual estão submetidas, ou resistem à impulsão
desse meio, em proporção do seu peso imerso (peso aparente). Uma vez
que o peso imerso é proporcional ao volume e a densidade das partículas
tem-se especificamente que:
a) Partículas de mesma massa específica, mas com diferentes tamanhos,
caem a uma dada taxa, a qual aumenta à medida que o diâmetro da
partícula aumenta.
b) Partículas de mesmo tamanho, mas com diferentes massas específicas
caem a uma dada taxa, a qual cresce com o aumento da massa específica.
c) As partículas lamelares caem mais devagar e partículas isométricas
mais rapidamente, quando todos outros parâmetros forem iguais.
2) A resistência do meio ao movimento da partícula aumenta com o
aumento efetivo da sua viscosidade e da densidade.
3) A densidade efetiva do meio é dependente tanto de seu grau de
dispersão, quanto da distribuição de tamanho das partículas. (VALY,
2017, p. 39)
Portanto, para que ocorra a separação efetiva, é preciso utilizar um fluido dotado de
uma densidade intermediária entre o mineral e a ganga.
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FUNDAMENTOS GERAIS DA CONCENTRAÇÃO GRAVÍTICA | UNIDADE I
É um processo mineral antigo, e ainda hoje seus mecanismos não são completamente
entendidos. Não existe apenas um único mecanismo que esclareça o comportamento
da concentração gravítica. Existem alguns mecanismos envolvidos no processo de
concentração gravítica. Dentre eles, os elementares, de acordo com Costa (2002) e Luz
et al. (2010), são:
Aceleração Diferencial
Em grande parte dos concentradores gravíticos, uma determinada partícula experimenta
a interferência das paredes do concentrador ou mesmo de outras partículas.
Por isso, seu movimento é realizado em pequenos tempos e distâncias, antes que
sejam desviadas ou impedidas por superfície ou partícula. Logo, essas partículas estão
submetidas a seguidas acelerações e desacelerações, e, em alguns casos, esses períodos
podem implicar uma proporção substancial do período de movimento realizado por
essas partículas.
A relevância disso é avaliada pela equação de movimento de uma partícula sedimentada
presente em um fluido viscoso como densidade ρ:
ma = m
dv
dt
= mg − m′
g − R
Eq.4
Em que:
M: massa do mineral;
a: aceleração;
R: resistência do fluido ao movimento da partícula;
g: aceleração da gravidade;
m’: massa do fluido deslocado.
Quando v = 0, acorre a aceleração e inicial, e, assim, a resistência R, que varia de acordo
com v, é desconsiderada. Se a partícula e o fluido deslocado tiverem o mesmo volume,
então:
dv
dt
= (1 −
ρ
∆
) g
Eq.5
Em que: Δ é a densidade da partícula.
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UNIDADE I | FUNDAMENTOS GERAIS DA CONCENTRAÇÃO GRAVÍTICA
A aceleração inicial dos minerais não depende do tamanho, mas sim das densidades
do sólido e do fluido ou polpa. Caso a duração da queda seja suficientemente curta
e frequente, a distância em que as partículas percorrem será mais influenciada pela
aceleração diferencial inicial e pela densidade, e não tanto pela velocidade terminal e
pelo tamanho.
Sedimentação Retardada
Esse mecanismo é citado como o mais comum componente da concentração gravítica.
Quando uma partícula se encontra em queda livre em um fluido, há uma aceleração
provocada pela ação da força gravitacional até determinado tempo, elevando sua
velocidade a um valor máximo, e, então, a velocidade terminal segue constante.
A razão de sedimentação livre, portanto, é a relação de tamanho em que duas partículas
esféricas de minerais com densidades diferentes apresentarão a mesma velocidade
terminal.
Rs =
d1
d2
= (
ρ2 − ρf
ρ1 − ρf
)
m
Eq.6
Em que:
Rf
= razão de sedimentação livre;
d1
= diâmetro da partícula mineral 1;
d2
= diâmetro da partícula mineral 2;
ρ1
= densidade da partícula mineral 1;
ρ2
= densidade da partícula mineral 2;
ρf
= densidade do fluido;
m = expoente varia de 0,5 a 1. O valor de 0,5 para partículas pequenas (< 0,1 mm)
– Lei de Stokes e 1 para partículas grossas (>2mm) – Lei de Newton.
Consolidação Intersticial
Essa ocorrência acontece em casos em que as partículas com tamanhos e densidades
diferentes não percorrem distâncias iguais e, portanto, vai atingir o estado de repouso
em momentos diferentes.
Dessa forma, as partículas que são mais grossas irão se sedimentar com mais rapidez,
formando um sítio em que as partículas finas irão sedimentar.
13. 13
FUNDAMENTOS GERAIS DA CONCENTRAÇÃO GRAVÍTICA | UNIDADE I
A consolidação intersticial, então, acontece por causa dessa formação de interstícios
entre as partículas grossas dos minerais, possibilitando que haja uma liberdade de
movimento entre as partículas finas nos sítios vazios formados.
Um exemplo do tamanho máximo da partícula que pode ocupar os interstícios é
apresentado abaixo por quatro esferas que possuem o mesmo diâmetro de
.
Figura 1. Arranjo correto para que ocorra uma consolidação Intersticial.
de
Fonte: Costa (2002).
É possível ilustrar o final do impulso em um jigue. Quando o leito começa a se compactar,
as partículas pequenas podem descer por entre os interstícios agindo por influência da
gravidade e do fluxo de água descendente, este proveniente da sucção que começa.
Velocidade Diferencial em Escoamento Laminar
A concentração de minerais em escoamento laminar se baseia em fazer com que uma
película de água possa fluir, contendo partículas minerais, por uma superfície e lisa e
inclinada em relação a horizontal, em condições de fluxo laminar (Re
< 500).
É importante manter uma proporção entre a espessura da película de água
e o tamanho das partículas, ou melhor, a espessura da película não deve
ser superior a dez vezes o diâmetro da partícula.
A estratificação das partículas é realizada de acordo com alguns fatores:
» pressão influenciada pela película líquida sobre a partícula;
» velocidade diferencial do fluido com diversas profundidades da partícula;
» atrito da superfície onde acontece o escoamento.
A estratificação das partículas sobre a superfície onde acontece o escoamento laminar
é provocada pela velocidade diferencial das camadas líquidas.
Assim, ao serem transportadas em uma lâmina de água, as partículas se organizam em
uma sequência, de cima para baixo, em um plano inclinado: primeiro as finas e mais
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UNIDADE I | FUNDAMENTOS GERAIS DA CONCENTRAÇÃO GRAVÍTICA
densas se sedimentam; depois grossas e mais densas e densas finas; e, por fim, as grossas
e menos densas.
O formato em que as partículas possuem influenciam este arranjo. As partículas achatadas
são dispostas acima das partículas esféricas. Isso ocorre de forma inversa da sedimentação
retardada. As espirais, mesas vibratórias e vanners são fundamentadas nesse mecanismo.
Ação de Forças de Cisalhamento
Quando uma suspensão de partículas está sujeita a um cisalhamento contínuo, há
uma propensão ao desenvolvimento de pressões por meio do plano de cisalhamento e
ortogonal a esse plano, podendo ocorrer a separação das partículas como consequência.
O esforço de cisalhamento pode acontecer como resultado natural de uma polpa fluindo
sobre uma superfície inclinada, ou ser gerado por um movimento da superfície sob a
polpa, ou mesmo uma união dos dois.
O efeito resultante desses esforços que agem na partícula é diretamente proporcional ao
quadrado do diâmetro e decresce com o aumento da densidade. Dessa forma, as forças
geram uma estratificação vertical: em cima ficam as partículas grossas e menos densas,
logo após as partículas finas menos densas e as grossas mais densas, e, por fim, as finas
densas perto da superfície do plano.
Figura 2. Efeitos do mecanismo de concentração gravítica.
Aceleração diferencial
Sedimentação retardada
Consolidação intersticial
Velocidade diferencial em escoamento laminar
Ação das forças cisalhantes
Início fim
T=0 T= curto
T=muito
curto
T= 0
Leve
pesado
Fonte: LUZ et al. (2010).
15. 15
CAPÍTULO 3
CRITÉRIO DE CONCENTRAÇÃO
O critério de concentração (CC) proporciona uma ideia da facilidade de alcançar uma
separação entre minerais por meio dos processos gravíticos, sem levar em consideração
a forma das partículas minerais.
Esse critério é utilizado em uma primeira aproximação e é sugerido baseado na experiência
obtida na industrial e usado na separação de dois minerais em água.
CC =
(ρa − 1)
(ρb − 1)
Eq.7
Em que:
ρa
= densidade do mineral mais denso;
ρb
= densidade do mineral menos denso; e considerando a densidade da água igual
a 1,0.
Arenare (2008) explica de forma prática que, se tomar a hematita que tem a densidade
de 5,25 e a gibbsita com densidade igual a 2,4 e a densidade da água com o valor igual,
tem-se:
Cc = (5,25 – 1) / (2,4 – 1) = 3,0 Eq.8
Assim, de forma geral, se o resultado é superior a 2,5, seja ele positivo ou negativo, é
possível realizar a separação. Conforme o valor do coeficiente é reduzido, a eficiência
de separação também é reduzida.
No entanto, a dificuldade de atingir a separação aumenta quanto menor for o tamanho
das espécies, até com critérios pertos de 2,5.
A figura abaixo apresenta o limite em que a concentração se torna possível de acordo
com o tamanho.
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UNIDADE I | FUNDAMENTOS GERAIS DA CONCENTRAÇÃO GRAVÍTICA
Figura 3. Restrição de uso para os métodos de concentração gravítica.
0
1
2
3
4
0,010
0,1 1 10
Tamanho da partícula (mm)
Concentração
gravítica
Concentração Hidráulica normalmente impossível
Fonte: Arenare (2008).
No caso da separação da gibbsita (d=2,40) e da hematita (d=5,26), o critério de
concentração tem um valor de 3,04, que, avaliando a figura acima, assegura a separação
por meio de métodos gravíticos.
Se avaliar, no entanto, esse critério para a separação da gibbisita e da caulinita d= (2,65),
o valor será de 1,17, estando abaixo do limite de separação.
A separação desses dois minerais pode acontecer por meio de uma espiral concentradora
das seguintes formas:
» associação da caulinita em partículas mistas com hematita, possibilitando o despejo
no rejeito denso;
» separação de acordo com a forma lamelar da caulinita, porque esse formato lamelar
faria com que a caulinita se encaminhasse para a região de maior velocidade da
espiral, juntamente com o produto mais leve.
A tabela abaixo está apresentando a relação entre o critério de concentração e a facilidade
de realizar uma separação gravítica.
Tabela 1. Significado do critério de concentração.
CC Significado
> 2,5 Separação eficiente até 74µm
2,5 - 1,75 Separação eficiente até 147µm
1,75 - 1,50 Separação possível até 1,4 mm, porém difícil
1,50 - 1,20 Separação possível até 6 mm, porém difícil
Fonte: Luz et al. (2010).
17. 17
FUNDAMENTOS GERAIS DA CONCENTRAÇÃO GRAVÍTICA | UNIDADE I
O critério de concentração precisa ser multiplicado por um fator de razão de forma
(FRF) quando quiser incorporar o efeito das formas das partículas que serão separadas.
O FRF é resultado da divisão entre os fatores de sedimentação (Fs) dos minerais leves
e pesados.
Por sua vez, o fator sedimentação para um mineral é a razão entre as velocidades terminais
(v) de duas partículas de um mesmo mineral e de tamanhos iguais e com diferentes
formas, ou seja, a primeira partícula é a que se quer mensurar o fator de sedimentação,
e a segunda uma esfera.
Portanto, rescrevendo o critério de concentração:
CC =
(ρa − 1)
(ρb − 1)
𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹
Eq.9
FRF =
FSa
FSb
Eq.10
FSa =
V𝑎𝑎
Va (esf.)
e
FSb =
Vb
Vb (esf.) Eq.11
O critério de concentração pode ser considerado muito útil se as formas das partículas
forem ponderadas. Caso isso não aconteça, pode haver prejuízos à eficiência do processo,
podendo ser confirmadas na prática.
No entanto, a granulometria de alimentação é um fator que deve ser levado em
consideração. A concentração gravimétrica tem um intervalo de tamanho amplo do
que qualquer outro processo.
O tamanho máximo da partícula é alcançado de acordo com a capacidade mecânica de
manuseio do equipamento, e o limite inferior é da ordem de 5µm, isso é ocasionado pelas
pequenas massas e quantidade de movimento da partícula e das forças intermoleculares
que aumentam (VALY, 2017).
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UNIDADE I | FUNDAMENTOS GERAIS DA CONCENTRAÇÃO GRAVÍTICA
Figura 4. Diferentes métodos de concentração gravítica pela granulometria.
Mesa pneumática
Jigue pneumático
Jigue centrífugo
Jigue Baum/Batac
Jigue Diafragma
MGS
Falcon
Espira conc.
Separador duplex
Bartles-Monzley
Mesa concentradora
Calha estrangulada
Calha simples
cones
Knelson
Ciclone autógeno
Cilindros de MD
Ciclones de MD
Separador floatex
Separador stripa
2µm 10µm 100µm 1mm 10mm 50mm
Densidade
Película
da
água
Estratif
seco
Tamanho da partícula
Fonte: Barcelos (2010).
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REFERÊNCIAS
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métodos de concentração gravítica. 2008. Dissertação (Mestrado Engenharia Metalúrgica e de
Minas) – Universidade Federal De Minas Gerais, Belo Horizonte, 2008.
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CHAVES, Fábio Almeida. Seleção de sistemas de transportes industriais para um projeto
de mineração em superfície: mineroduto, caminhões fora de estrada e transportadores de correia.
Dissertação (mestrado em Engenharia Mecânica) – Universidade Santa Cecília, SANTOS/SP, 2015.
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2002. Dissertação (Mestrado em Engenharia) – Universidade de São Paulo, São Paulo, 2002
GOMES, Ana Cláudia Franca. Estudo De Aproveitamento De Rejeito De Mineração. Dissertação
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