Tese de mestrado. Engenharia de Segurança e Higiene Ocupacionais. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto, Faculdade de Ciências e Tecnologias. Universidade Fernando Pessoa. 2009

Etapas de cominuição representam uma grande parcela do capital e custo operacional em uma usina de processamento mineral. Em 1983, Cohen estimou que os processos de cominuição podem ser responsáveis por 30% a 50% do consumo energético da usina representando tipicamente 50% dos custos operacionais de uma mineração. Sendo assim, sua otimização está diretamente relacionada com a redução destes custos de operação. Entre os equipamentos de britagem, o moinho de martelos é aquele dedicado às operações que visam a alta taxa de redução com geração controlada de finos. Este britador é recomendado para minérios friáveis e pouco abrasivos, apresentando alta capacidade produtiva. O presente trabalho tem por objetivo propor e validar um modelo matemático para modelagem e simulação de moinho de martelos, visando a simulação do circuito da britagem industrial de beneficiamento de minério de ouro do Córrego do Sítio I, localizada em Santa Bárbara - MG. As simulações visaram identificar gargalos operacionais e estabelecer cenários que permitam otimizar o circuito estudado. A amostragem foi executada conforme o plano traçado. As amostras obtidas foram utilizadas tanto para a caracterização do minério quanto para a calibração do modelo do Caso Base da operação da usina. As simulações indicaram acréscimos significativos de vazão de alimentação na usina, a partir do aumento da velocidade de rotação do moinho de martelos, com uma tendência de geração maior de finos no processo. Para simulação do aumento de velocidade de rotação dos martelos foi criado um modelo com base na energia de quebra das partículas, associada aos incrementos correspondentes na energia cinética dos martelos. A fim de validar o modelo proposto, foram planejados ensaios específicos em moinho de martelos de laboratório, e executados com o mesmo minério alimentado na usina industrial selecionada. Os ensaios consistiram em variações de velocidade de rotação dos martelos, de forma a corresponder às simulações anteriormente realizadas do equipamento industrial. O modelo criado foi validado com base em campanha experimental específica. / Comminution represents a large portion of the capital and operating cost of a mineral processing plant. In 1983, Cohen estimated that comminution processes could account for 30% to 50% of the power consumption of the mill, and typically represents 50% of the operating costs of a mine. Therefore, its optimization is directly related to reduction of these operating costs. Among the crushing equipment, the hammer mill is one which is dedicated to operations that aim for high reduction ratio with controlled generation of fines. This crusher is recommended for friable and low abrasive ores presenting a high productive capacity. This study aims to develop a stepwise approach that allows the use of the classical crusher model (Whiten-Andersen) in modeling and simulation of circuits containing a hammer mill, simulating the resulting product according to variation of rotation speed within the equipment. The existing model for crushers developed by Whiten-Andersen considers the Perfect Mixing Model, which represents crushing through equations related to selection and breakage functions, that provide an equilibrium condition. The present work aims at the validation of a mathematical model of hammer mill, aiming at a simulation of the circuit of the industrial crushing of gold ore of Córrego do Sítio I, located in Santa Bárbara - MG. The simulations aimed at identifying operational bottlenecks and establishing scenarios that allow optimizing the studied circuit. Sampling was performed according to the drawn plan. The samples obtained were used both for the characterization of the ore and for the calibration of the Base Case model of the plant operation. The simulations indicated significant increases in feed flow at the plant, due to the increase in the speed of rotation of the hammer mill, with a trend of higher generation of fines in the process. To simulate the increase of rotational velocity of the hammers, a model was created based on the energy of breaking of the particles, associated to the corresponding increments in the kinetic energy of the hammers. In order to validate the proposed model, specific tests were planned in laboratory hammer mill, and executed with the same ore fed in the selected industrial plant. The tests consisted of variations in the speed of rotation of the hammers, in order to correspond to the previous simulations of the industrial equipment. The model created was validated based on specific experimental campaign.

A cominuição de amostras geológicas envolve etapas para reduzir seus grãos garantindo sua representatividade, com o auxílio de vários equipamentos de moagem de amostras. São duas as contaminações que podem ser causadas durante o uso desses equipamentos. A primeira é a contaminação primária, pelo contato face a face entre a amostra e os componentes do sistema de moagem, e a segunda é a contaminação cruzada, derivada do material de outras amostras, previamente tratadas, que esteja depositado na superfície dos equipamentos de moagem. São limitadas as informações encontradas na literatura acerca das contaminações primárias, a maioria dos autores presumindo que a mesma seja maior na etapa final dos processos de tratamento. Ainda assim, se faz necessário um estudo sistemático sobre as possibilidades de contaminação primária, durante as diversas etapas de tratamento das amostras. Para esta pesquisa foram utilizadas amostras de quartzo puro, coletado na Fazenda Batatal, em Diamantina, Minas Gerais, com o exame da contaminação primária causada pelo uso dos equipamentos de fragmentação (britador de mandíbulas primário de aço manganês, britador de mandíbulas secundário de carbeto de tungstênio e prensa hidráulica com acessórios de fragmentação em aço) e, a seguir, os de pulverização (moinho de anéis de ágata, carbeto de tungstênio e aço-Cr). O quartzo, um dos materiais mais puros encontrados na natureza, é o que apresenta dureza suficientemente alta para promover intensos processos de interação e contaminação mais extrema. Posteriormente, avaliou-se a possibilidade da contaminação cruzada em quartzo causada pelo tratamento prévio de amostras de basalto (o RS132, da Formação Serra Geral, Rio Grande do Sul) e de granito (o ITU-06.04A, da intrusão Salto, Salto, São Paulo), utilizadas como padrões nos laboratórios do Instituto de Geociências da Universidade de São Paulo, IGc-USP, com composições determinadas por fluorescência de raios X (FRX), no Laboratório de FRX do IGc-USP. As determinações químicas em soluções convenientemente preparadas de amostras de quartzo, utilizadas nas etapas de contaminação primária e cruzada, foram realizadas por espectrometria óptica com plasma indutivo acoplado (ICP-OES) e espectrometria de massa com plasma indutivo acoplado (ICP-MS) no Laboratório de Química e ICP-OES/MS do IGc-USP. Para estudos da contaminação primária foram geradas alíquotas Q1A, Q1B, Q1C, Q2A, Q2B, Q2C, Q3A, Q3B e Q3C (1 identifica tratamento por britador primário de ferro fundido, 2 o britador secundário de CW, 3 a prensa de aço-carbono; e A, B e C identificam os moinhos de anéis na moagem final: ágata, CW e aço-cromo). Nos estudos da contaminação cruzada foram geradas quatro alíquotas, Q4A-Gcc e Q4B-Gcc (quartzo pulverizado, respectivamente, em moinho de anéis de ágata e de CW, após pulverização do granito), e Q4A-Bcc e Q4B-Bcc (quartzo pulverizado nos mesmos moinhos, após tratamento do basalto). A única contaminação registrada foi causada pelos equipamentos durante cominuição primária do quartzo. A ambientação dos moinhos realizada após a moagem de granito ou basalto foi efetuada mediante limpeza rotineira, seguida de moagem com areia quartzosa (a seguir descartada), procedimento efetivo para evitar contaminação cruzada, por remover o material (basáltico ou granítico) aderido às superfícies dos equipamentos. O britador primário de aço manganês colabora com contaminações por Fe e Mn e elementos Cr, Mo, Cu, Sc e Nb, em teores menores. O britador de mandíbulas secundário de CW contaminou com W, provavelmente também com C (determinado por programa Total-Quant), e com algo de Al. A prensa em aço carbono contamina em níveis de 50 ppm de Fe, e teores menores de Cr e Mn. Moinhos pulverizadores de aço temperado contaminaram principalmente com Fe e Cr e, em teores menores, com Mn, W, Ni, Zn, Mo, e V. Cu e Sc aparecem também em níveis extremamente baixos nas amostras tratadas, e podem ser adicionados por estes moinhos. O moinho de anéis de CW contaminou com W (1000 ppm) e Co (70 ppm), aparecendo ainda C com teores apreciáveis; também contamina com Ta e Nb (em torno de 2 e 0,6 ppm, respectivamente). As determinações de vários elementos-traço no quartzo pulverizado em moinho de anéis de ágata ficaram muito próximas, ou abaixo, do limite de detecção das técnicas utilizadas, não se documentando nenhuma contaminação por efeito da utilização deste equipamento. / The grinding of geologic samples is performed to reduce grain size of the constituting minerals and to preserve a representative sample of the original material, with the help of several grinding and milling equipments. The primary and a secondary or crossed contamination are the possible effects that can be produced during these processes. The first is caused by the interaction between the components of the grinding equipments and the sample, the second derives from contamination by other geologic materials previously ground in those equipments. The information found in the previous literature on the subject is relatively limited, most authors assuming that the main contamination may be produced during the final stages of comminution, the one leading to the generation of fine powders. Thus, there is a need to conduct a systematic survey about extent and possibility of primary contaminations. The materials used are samples of pure quartz crystals from the Fazenda Batatal, city of Diamantina, Minas Gerais state, with research initially centered on the examination of primary contamination caused by the fragmentation equipment (manganese steel primary crusher, W carbide secondary crusher, hydraulic press with steel anvil) and then grinding to fine powder (ring grinders equipped with agate, W carbide or chrome-steel rings). Quartz, one of the purest substances found in nature, is a hard mineral that interacts vigorously with the grinding equipment, therefore causing more extreme contamination. A second round was performed testing crossed contamination in quartz caused by previous grinding of basalt (RS 132, Serra Geral Formation, Rio Grande do Sul state) and granite (ITU-06.04A, from the Salto intrusion, city of Salto, São Paulo state), used as standards at the chemistry laboratories of the Instituto de Geociências, Universidade de São Paulo (IGc-USP), with their compositions determined by XRF at Igc-USP. The other chemical determinations, performed on samples of quartz solutions, for checking primary as well as crossed contamination, were performed on ICP-OES and ICPMS equipments, at the Chemistry and ICP-OES/MS Laboratory of Igc-USP. For the testing of primary contamination, the quartz aliquots Q1A, Q1B, Q1C, Q2A, Q2B, Q2C, Q3A, Q3B, and Q3C were prepared (1, 2 and 3 identify, respectively, primary jaw crusher with iron jaws, the secondary crusher with W carbide jaws and the hydraulic press with carbon steel anvil; A, B and C stand for the three used ring grinders, respectively equipped with agate, W carbide and chrome steel rings). Crossed contamination was tested with the aliquots Q4A-Gcc and Q4B-Gcc (quartz samples powdered, respectively, in the agate ring grinder and the CW ring grinder, after grinding of granite), and Q4A-Bcc and Q4B-Bcc (the same procedures as before, now with previous grinding of basalt). The only contamination registered in this study was caused during primary crushing and grinding of the quartz samples. Cleansing of equipment performed after grinding of basalt or granite using conventional cleaning techniques followed by grinding of quartzose sand (later discarded), is a procedure that erases the previous (basaltic or granitic) material from the used equipment; no significant crossed contamination was registered. The primary manganese steel crusher adds principally Fe and Mn to quartz, and elements as Cr, Mo, Cu, Sc and Nb, in lesser amounts. The secondary W carbide jaw crusher contaminates with W, probably also with C (determined with the TotalQuant program), and also with some Al. The carbon steel press contributes with contamination of about 50 ppm Fe, and lesser amounts of Cr and Mn. Powdering mills with tempered steel add mainly Fe and Cr and, to lesser extents, also Mn, W, Ni, Zn, Mo, and V to the quartz; Cu and Sc are present as possible contaminants in very low levels. The W carbide ring mill contaminates quartz with W (around 1000 ppm) and Co (around 70 ppm), adding significant levels of C. This mill contributes also with Ta and Nb additions (2 and 0.6 ppm, respectively). The determination of trace elements in quartz powdered with the agate ring mills does not register significant increases in the analyzed amounts, with levels that remain close to, or below, the respective detection limits, thus possibly precluding any contamination with the use of these mills.

O cenário positivo pelo qual a construção civil atravessou nas últimas duas décadas trouxe incontáveis benefícios ao país, porém alguns aspectos relevantes devem ser avaliados neste panorama de crescimento, principalmente os relacionados aos impactos ambientais ocasionados pelo setor. Uma destas preocupações é a quantidade de resíduos sólidos produzidos e sua respectiva disposição final. O equipamento, objeto deste estudo, propõe que os resíduos produzidos sejam processados, transformados novamente em materiais, e reutilizados dentro do próprio processo construtivo, sem que haja necessidade de transportá-los às áreas de processamento e disposição. Para tanto, foram analisadas amostras de material Classe A, inertes, passiveis de serem reincorporados ao processo construtivo, substituindo o agregado (pedra britada) em determinadas situações. Foram avaliadas ainda as condições conceituais, materiais e mecânicas do equipamento britador, para melhor aproveitamento dos materiais que serão produzidos e reincorporados ao ciclo construtivo da Construção Civil. Os estudos resultaram no projeto de uma máquina britadora de resíduos, de pequeno porte, porém capaz de transformar resíduos sólidos Classe A, em materiais passiveis de serem reutilizados em forma de agregados, sem que haja necessidade de retirá-los da obra para processamento. / The positive scenario which construction has gone through in the last two decades in Brazil brought countless benefits to the country, however, some important aspects must be evaluated in this growth panorama, especially those related to environmental impacts caused by the activity. One of these concerns is the solid waste amount production and its respective final disposal. The device, object of this study, proposes that the produced waste is processed, transformed back into materials and reused in the construction process itself, discarding transportation to processing sites and deposition. For this purpose, inert Class A waste samples were analyzed under certain situations aiming to be able to reincorporation in the construction process, replacing the aggregate (crushed stone). The crusher equipments conceptual, material and mechanical conditions were also evaluated to achieve better results on the use and reincorporation of the processed materials in the construction cycle. The studies resulted in the design of a crusher waste machine, small, but able to turn Class A solid waste, insusceptible materials to be reused in the form of aggregates, with no need to remove them from workplace for processing.

A cominuição de amostras geológicas envolve etapas para reduzir seus grãos garantindo sua representatividade, com o auxílio de vários equipamentos de moagem de amostras. São duas as contaminações que podem ser causadas durante o uso desses equipamentos. A primeira é a contaminação primária, pelo contato face a face entre a amostra e os componentes do sistema de moagem, e a segunda é a contaminação cruzada, derivada do material de outras amostras, previamente tratadas, que esteja depositado na superfície dos equipamentos de moagem. São limitadas as informações encontradas na literatura acerca das contaminações primárias, a maioria dos autores presumindo que a mesma seja maior na etapa final dos processos de tratamento. Ainda assim, se faz necessário um estudo sistemático sobre as possibilidades de contaminação primária, durante as diversas etapas de tratamento das amostras. Para esta pesquisa foram utilizadas amostras de quartzo puro, coletado na Fazenda Batatal, em Diamantina, Minas Gerais, com o exame da contaminação primária causada pelo uso dos equipamentos de fragmentação (britador de mandíbulas primário de aço manganês, britador de mandíbulas secundário de carbeto de tungstênio e prensa hidráulica com acessórios de fragmentação em aço) e, a seguir, os de pulverização (moinho de anéis de ágata, carbeto de tungstênio e aço-Cr). O quartzo, um dos materiais mais puros encontrados na natureza, é o que apresenta dureza suficientemente alta para promover intensos processos de interação e contaminação mais extrema. Posteriormente, avaliou-se a possibilidade da contaminação cruzada em quartzo causada pelo tratamento prévio de amostras de basalto (o RS132, da Formação Serra Geral, Rio Grande do Sul) e de granito (o ITU-06.04A, da intrusão Salto, Salto, São Paulo), utilizadas como padrões nos laboratórios do Instituto de Geociências da Universidade de São Paulo, IGc-USP, com composições determinadas por fluorescência de raios X (FRX), no Laboratório de FRX do IGc-USP. As determinações químicas em soluções convenientemente preparadas de amostras de quartzo, utilizadas nas etapas de contaminação primária e cruzada, foram realizadas por espectrometria óptica com plasma indutivo acoplado (ICP-OES) e espectrometria de massa com plasma indutivo acoplado (ICP-MS) no Laboratório de Química e ICP-OES/MS do IGc-USP. Para estudos da contaminação primária foram geradas alíquotas Q1A, Q1B, Q1C, Q2A, Q2B, Q2C, Q3A, Q3B e Q3C (1 identifica tratamento por britador primário de ferro fundido, 2 o britador secundário de CW, 3 a prensa de aço-carbono; e A, B e C identificam os moinhos de anéis na moagem final: ágata, CW e aço-cromo). Nos estudos da contaminação cruzada foram geradas quatro alíquotas, Q4A-Gcc e Q4B-Gcc (quartzo pulverizado, respectivamente, em moinho de anéis de ágata e de CW, após pulverização do granito), e Q4A-Bcc e Q4B-Bcc (quartzo pulverizado nos mesmos moinhos, após tratamento do basalto). A única contaminação registrada foi causada pelos equipamentos durante cominuição primária do quartzo. A ambientação dos moinhos realizada após a moagem de granito ou basalto foi efetuada mediante limpeza rotineira, seguida de moagem com areia quartzosa (a seguir descartada), procedimento efetivo para evitar contaminação cruzada, por remover o material (basáltico ou granítico) aderido às superfícies dos equipamentos. O britador primário de aço manganês colabora com contaminações por Fe e Mn e elementos Cr, Mo, Cu, Sc e Nb, em teores menores. O britador de mandíbulas secundário de CW contaminou com W, provavelmente também com C (determinado por programa Total-Quant), e com algo de Al. A prensa em aço carbono contamina em níveis de 50 ppm de Fe, e teores menores de Cr e Mn. Moinhos pulverizadores de aço temperado contaminaram principalmente com Fe e Cr e, em teores menores, com Mn, W, Ni, Zn, Mo, e V. Cu e Sc aparecem também em níveis extremamente baixos nas amostras tratadas, e podem ser adicionados por estes moinhos. O moinho de anéis de CW contaminou com W (1000 ppm) e Co (70 ppm), aparecendo ainda C com teores apreciáveis; também contamina com Ta e Nb (em torno de 2 e 0,6 ppm, respectivamente). As determinações de vários elementos-traço no quartzo pulverizado em moinho de anéis de ágata ficaram muito próximas, ou abaixo, do limite de detecção das técnicas utilizadas, não se documentando nenhuma contaminação por efeito da utilização deste equipamento. / The grinding of geologic samples is performed to reduce grain size of the constituting minerals and to preserve a representative sample of the original material, with the help of several grinding and milling equipments. The primary and a secondary or crossed contamination are the possible effects that can be produced during these processes. The first is caused by the interaction between the components of the grinding equipments and the sample, the second derives from contamination by other geologic materials previously ground in those equipments. The information found in the previous literature on the subject is relatively limited, most authors assuming that the main contamination may be produced during the final stages of comminution, the one leading to the generation of fine powders. Thus, there is a need to conduct a systematic survey about extent and possibility of primary contaminations. The materials used are samples of pure quartz crystals from the Fazenda Batatal, city of Diamantina, Minas Gerais state, with research initially centered on the examination of primary contamination caused by the fragmentation equipment (manganese steel primary crusher, W carbide secondary crusher, hydraulic press with steel anvil) and then grinding to fine powder (ring grinders equipped with agate, W carbide or chrome-steel rings). Quartz, one of the purest substances found in nature, is a hard mineral that interacts vigorously with the grinding equipment, therefore causing more extreme contamination. A second round was performed testing crossed contamination in quartz caused by previous grinding of basalt (RS 132, Serra Geral Formation, Rio Grande do Sul state) and granite (ITU-06.04A, from the Salto intrusion, city of Salto, São Paulo state), used as standards at the chemistry laboratories of the Instituto de Geociências, Universidade de São Paulo (IGc-USP), with their compositions determined by XRF at Igc-USP. The other chemical determinations, performed on samples of quartz solutions, for checking primary as well as crossed contamination, were performed on ICP-OES and ICPMS equipments, at the Chemistry and ICP-OES/MS Laboratory of Igc-USP. For the testing of primary contamination, the quartz aliquots Q1A, Q1B, Q1C, Q2A, Q2B, Q2C, Q3A, Q3B, and Q3C were prepared (1, 2 and 3 identify, respectively, primary jaw crusher with iron jaws, the secondary crusher with W carbide jaws and the hydraulic press with carbon steel anvil; A, B and C stand for the three used ring grinders, respectively equipped with agate, W carbide and chrome steel rings). Crossed contamination was tested with the aliquots Q4A-Gcc and Q4B-Gcc (quartz samples powdered, respectively, in the agate ring grinder and the CW ring grinder, after grinding of granite), and Q4A-Bcc and Q4B-Bcc (the same procedures as before, now with previous grinding of basalt). The only contamination registered in this study was caused during primary crushing and grinding of the quartz samples. Cleansing of equipment performed after grinding of basalt or granite using conventional cleaning techniques followed by grinding of quartzose sand (later discarded), is a procedure that erases the previous (basaltic or granitic) material from the used equipment; no significant crossed contamination was registered. The primary manganese steel crusher adds principally Fe and Mn to quartz, and elements as Cr, Mo, Cu, Sc and Nb, in lesser amounts. The secondary W carbide jaw crusher contaminates with W, probably also with C (determined with the TotalQuant program), and also with some Al. The carbon steel press contributes with contamination of about 50 ppm Fe, and lesser amounts of Cr and Mn. Powdering mills with tempered steel add mainly Fe and Cr and, to lesser extents, also Mn, W, Ni, Zn, Mo, and V to the quartz; Cu and Sc are present as possible contaminants in very low levels. The W carbide ring mill contaminates quartz with W (around 1000 ppm) and Co (around 70 ppm), adding significant levels of C. This mill contributes also with Ta and Nb additions (2 and 0.6 ppm, respectively). The determination of trace elements in quartz powdered with the agate ring mills does not register significant increases in the analyzed amounts, with levels that remain close to, or below, the respective detection limits, thus possibly precluding any contamination with the use of these mills.

O cenário positivo pelo qual a construção civil atravessou nas últimas duas décadas trouxe incontáveis benefícios ao país, porém alguns aspectos relevantes devem ser avaliados neste panorama de crescimento, principalmente os relacionados aos impactos ambientais ocasionados pelo setor. Uma destas preocupações é a quantidade de resíduos sólidos produzidos e sua respectiva disposição final. O equipamento, objeto deste estudo, propõe que os resíduos produzidos sejam processados, transformados novamente em materiais, e reutilizados dentro do próprio processo construtivo, sem que haja necessidade de transportá-los às áreas de processamento e disposição. Para tanto, foram analisadas amostras de material Classe A, inertes, passiveis de serem reincorporados ao processo construtivo, substituindo o agregado (pedra britada) em determinadas situações. Foram avaliadas ainda as condições conceituais, materiais e mecânicas do equipamento britador, para melhor aproveitamento dos materiais que serão produzidos e reincorporados ao ciclo construtivo da Construção Civil. Os estudos resultaram no projeto de uma máquina britadora de resíduos, de pequeno porte, porém capaz de transformar resíduos sólidos Classe A, em materiais passiveis de serem reutilizados em forma de agregados, sem que haja necessidade de retirá-los da obra para processamento. / The positive scenario which construction has gone through in the last two decades in Brazil brought countless benefits to the country, however, some important aspects must be evaluated in this growth panorama, especially those related to environmental impacts caused by the activity. One of these concerns is the solid waste amount production and its respective final disposal. The device, object of this study, proposes that the produced waste is processed, transformed back into materials and reused in the construction process itself, discarding transportation to processing sites and deposition. For this purpose, inert Class A waste samples were analyzed under certain situations aiming to be able to reincorporation in the construction process, replacing the aggregate (crushed stone). The crusher equipments conceptual, material and mechanical conditions were also evaluated to achieve better results on the use and reincorporation of the processed materials in the construction cycle. The studies resulted in the design of a crusher waste machine, small, but able to turn Class A solid waste, insusceptible materials to be reused in the form of aggregates, with no need to remove them from workplace for processing.