A dissertation submitted to the Faculty of Engineenug, University of the Witwatersrand, in fulfilment. of the requirements for the degree of Master of Science in Engineering, / A multi variable control strategy for a grinding circuit at East Driefontein has been implemented by others and has enabled it to operate under stable conditions. The next development needed was to find conditions under which tne efficiency of the circuit was the greatest. Optimum set points exist for the multi variable controller to keep the circuit at its most efficient state. This project was done to determine these set points, and how it affected the operation of the circuit. The strategy involved the collection of process data, the development of mathematical models and the determination of these optimum set points by simulation, This option reduced interference with routine production operations, which is often a prohibiting factor during any development work on an existing process. The optimum set points were successfully determined, and were compared with previous findings and current plant practice. / AC2017

Orientador: Eduardo Carlos Bianchi / Coorientador: Luiz Eduardo de Angelo Sanchez / Banca: Hamilton José de Mello / Banca: Alessandro Roger Rodrigues / Resumo: A aplicação de ferro fundido nodular perlítico na indústria vem se destacando devido a sua elevada resistência mecânica e possibilidade de fácil manufatura, uma vez que sua alta fluidez permite fundir peças com dimensões próximas à final. Entretanto, em componentes que exigem elevada precisão dimensional, como eixos virabrequins, pistões e bielas, por exemplo, é indispensável a utilização do processo de retificação. A indústria desenvolveu diversos tipos de grãos abrasivos de óxido de alumínio para essa aplicação. Todavia, o desenvolvimento de novos grãos abrasivos visa readequar o seguimento, de modo a aplicar no mercado uma nova classe de grãos abrasivos de nitreto de boro cúbico (CBN), suprindo uma lacuna existente no desenvolvimento industrial. Desta forma, foram desenvolvidos diversos tipos de grãos abrasivos de CBN com diferentes níveis de friabilidade, visando assim um melhor desempenho de acordo com determinado processo. Embora a retificação de ferro fundido nodular perlítico seja ampla na indústria, são escassos os estudos pertinentes ao assunto, sendo exíguo sua aplicação quando relacionado a friabilidade de grãos abrasivos. Portanto, vislumbrou-se o estudo do tema a partir da iniciativa da indústria, fabricante de rebolos de CBN, para o entendimento dos fenômenos relacionados ao processo, catalogando o funcionamento dos rebolos e estabelecendo relações em prol do seu desempenho durante o processo de retificação. Deste modo, a rugosidade média aritmética, desvios de... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The application of pearlitic ductile cast iron in the industrial sector has been outstanding due to its high mechanical resistance and possibility of easy manufacture, since its high fluidity allows melting pieces with dimensions close to the end. However, for components requiring high dimensional precision, such as crankshafts, pistons and connecting rods, for example, it is essential to use the grinding process. The industry has developed various types of aluminum oxide abrasive grains for this application. Thereby, the development of new abrasive grains aims at re-adjusting the follow-up, so that a new class of cubic boron nitride (CBN) abrasive grains is available on the market, supplying a gap in industrial development. Thus, different types of CBN abrasive grains with different levels of friability were developed, aiming at a better performance according to a certain process. Although the grinding of pearlitic ductile cast iron is ample in the industry, the pertinent studies are rare, and its application is scarce when related to the friability of abrasive grains. Therefore, the study of the theme was glimpsed from the initiative of the industry, manufacturer of CBN grinding wheels, to understand the phenomena related to the process, cataloging the grinding of the grinding wheels and establishing relationships in favor of its performance during the grinding process. In this way, the average surface roughness, roundness deviation, diametrical wear wheel, G-ratio, electri... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

A Avaliação do Ciclo de Vida (ACV) se destaca como uma ferramenta de grande relevância na identificação dos impactos ambientais potenciais de um processo ou produto. Apesar disso, a ACV apresenta grandes limitações na avaliação de processos de manufatura discreta, devido à falta ou à incerteza nos dados adquiridos na fase de Inventário de Ciclo de Vida (ICV). O objetivo do presente trabalho foi propor e implementar um modelo dinâmico de execução da fase de ICV para uma unidade de processamento de manufatura discreta (ou processo unitário discreto de manufatura), com o intuito de reduzir as limitações referentes à falta e à incerteza dos dados de ICV. O modelo proposto baseou-se na metodologia Unit Process Life Cycle Inventory (UPLCI) e usou um sistema de monitoramento em tempo real compatível com o protocolo de comunicação MTConnect®. A implementação do modelo proposto foi feita em uma unidade de processamento de retificação cilíndrica externa, na qual os fluxos de energia elétrica, ar comprimido e emissão de ruído sonoro foram monitorados em tempo real. Além disso, seis modos de operação de corte foram definidos e testados. Três destes modos usaram rebolo de Al2O3 e trabalharam com taxas específicas de remoção (Q\'w) iguais a 10, 50 e 100 mm/mm3.min. Outros três modos de operação usaram rebolo de cBN e tiveram valores de Q\'w iguais a 50, 100 e 150 mm/mm3.min. Cada modo de operação de corte foi testado duas vezes, totalizando 12 testes. Cada teste consistia na remoção de 3000 mm3 de material de peças cilíndricas feitas com a liga de níquel e cromo, o Inconel 751. A partir dos dados encontrados na fase de ICV, um estudo de ACV com abordagem gate-to-gate foi realizado para a avaliação do desempenho ambiental dos seis modos de operação de corte. Além disso, itens de desempenho de produção (como tempo de processo, relação G, rugosidade e circularidade) também foram avaliados para os seis modos de operação de corte. Os dados obtidos na fase de ICV mostraram que os modos de operação com o rebolo de cBN apresentaram valores de potência até 30% superiores aos modos de operação com rebolo de Al2O3 com as mesmas taxas específicas de remoção (Q\'w). A avaliação de desempenho de produção mostrou grande superioridade do rebolo de cBN, que atingiu o menor de tempo de processo (com Q\'w = 150 mm/mm3.min), valores de relação G até 40 vezes superiores aos encontrados para o rebolo de Al2O3, além de maior estabilidade e resultados melhores nos quesitos de rugosidade e circularidade. Na avaliação de desempenho ambiental, o modo de operação com rebolo de cBN e Q\'w = 150 mm/mm3.min apresentou os melhores resultados em todos os indicadores de impactos ambientais avaliados. A partir da aplicação do modelo proposto pelo presente trabalho, foi possível criar um banco de dados de ICV organizado e em tempo real, fundamental para a realização das avaliações de desempenho ambiental e de produção. Além disso, foi possível determinar que o modo de operação com rebolo de cBN e Q\'w = 150 mm/mm3.min apresentou a melhor relação entre desempenho de produção e desempenho ambiental dentre os seis modos testados. / Life Cycle Assessment (LCA) is one of the most prominent tools to identify the potential environmental impacts of a process or product. The LCA, however, has great limitations on the assessment of discrete manufacturing processes, due the lack or the uncertainty of the data acquired during its Life Cycle Inventory phase (LCI). The objective of this work was to propose and to implement a dynamic model to perform the LCI phase for a discrete manufacturing unit process, in order to minimize the limitations associated with the lack and uncertainty of the LCI data. The proposed model was based on the Unit Process Life Cycle Inventory (UPLCI) methodology and used a real time MTConnect® compliant monitoring system. The implementation of the proposed model was executed on an external cylindrical grinding unit process, which had its energy, compressed air and noise emission flows monitored in a real time basis. Besides that, six cutting operational modes were defined and tested. Three of the cutting modes used a corundum grinding wheel and worked with specific removal rates Q\'w equals to 10, 50 and 100 mm/mm3.min. The other three modes used a cBN grinding wheel and worked with Q\'w equals to 50, 100 and 150 mm/mm3.min. Each cutting mode was tested twice, resulting in 12 tests. Each test consisted on the volume of removed material of 3000 mm3 from nickel-chrome alloy, the Inconel 751, cylindrical workpieces. From the LCI results, a LCA study was performed, using a gate-to-gate approach, to evaluate the environmental performance of the six cutting modes. Production performance items (process time, G-ratio, roughness and roundness) were also evaluated for the six cutting modes. The LCI data showed that the cBN wheel cutting modes presented power values 30% higher that the corundum wheel cutting modes with the same Q\'w specifications. The production performance evaluation showed the superiority of the cBN grinding wheel, which achieved the lowest process time (with Q\'w = 150 mm/mm3.min), presented G-ratio values 40 times higher than the corundum wheel cutting modes and higher stability and best results for roughness and roundness. On the environmental performance evaluation, the cutting mode using cBN grinding wheel and Q\'w = 150 mm/mm3.min presented the best results for all the potential environmental impacts indicators. From the application of the model proposed by this work, it was possible the creation of an organized and real time LCI database, used to perform both environmental and production performance evaluations. Besides, it was possible to decide that the cBN wheel cutting mode with Q\'w = 150 mm/mm3.min presented the best tradeoff between environmental and production performances among the six tested cutting modes.

Este trabalho analisou, comparativamente, os aspectos operacionais entre as configurações de circuito fechado de moagem em moinhos de bolas, quais sejam, os circuitos direto e inverso. Foram realizadas amostragens no circuito industrial de prémoagem e moagem primária do Concentrador I de Germano, da Samarco Mineração, ora operando sob a configuração inversa, ora sob a configuração direta. Os históricos de dados industriais entre os circuitos dos Concentradores I e II de Germano foram também comparados, para complementação desta análise. Por fim, foram realizados ensaios de moagem em escala de laboratório, simulando ambas as condições. As comparações entre diferentes índices de desempenho selecionou o consumo de energia por tonelada de material gerado abaixo da malha de controle como o mais adequado para avaliar o desempenho dos circuitos. A comparação entre os históricos dos dados industriais dos Concentradores I (operando sob circuito inverso) e do Concentrador II (operando sob circuito direto) mostrou um histórico consistente em que o circuito do Concentrador II apresenta menor consumo energético por tonelada de material gerado abaixo da malha de controle do circuito. Estes resultados foram diferentes daqueles obtidos a partir das amostragens realizadas no circuito industrial da Samarco, os quais indicaram melhor desempenho do circuito inverso. A diferença foi atribuída à etapa de classificação, cujo desempenho determina a alteração ou até mesmo anula os benefícios, conforme demonstram os resultados de simulação posteriores. / This work compared the performance associated to both direct and reverse ball mill closed circuit configurations. Survey campaigns were carried out in both Samarco Mineração industrial plants ie. Concentrator I and Concentrator II. The former includes reverse configured ball mill closed grinding circuit, while the latter is equipped with ball mills under a direct closed configuration. The study comprised laboratory jar tests as well as comparisons between historical data obtained for both industrial plants. The energy consumption per ton of generated product was selected as the most adequate parameter to access the circuit performance. Comparisons based on historical data indicated that the Concentrator II, configured in a direct mode, showed a better performance than Concentrator I. Such a conclusion contrasts with the results obtained from the survey campaign which indicated a better performance for the reverse configuration. Such a difference was associated to the performance of the classification, carried out in cyclones, as demonstrated by simulations conducted on the basis of previously calibrated models.

O uso do processo de retificação está em crescimento na indústria de processamento de metais e junto com este crescimento há um aumento no consumo de fluidos de corte que são utilizados para minimizar o calor gerado neste processo. Estes atuam através da lubrificação da peça e ferramenta e também pelo seu poder de refrigeração. Embora os fluidos possuam a capacidade de melhorar o processo de retificação, em contrapartida, eles geram alguns problemas, tais como agressão ao ambiente através do seu descarte e causam danos à saúde do operador. Devido à necessidade crescente de adequação aos requisitos atuais de segurança do operador e ao meio ambiente, novas combinações de tipos de rebolos e fluidos de corte estão sendo procuradas. Os rebolos de CBN permitem que uma maior quantidade de calor seja removida da região de corte através da própria ferramenta superabrasiva. Quando combinados com óleos integrais, os mais agressivos ao ambiente, os rebolos de CBN mostraram resultados muito satisfatórios. O mesmo não ocorre com os fluidos à base de água. Dessa forma fica clara a necessidade de desenvolvimento tecnológico de novas possibilidades de fluidos com alta lubricidade e característica biodegradável. Fundamentado nesta necessidade, este projeto de doutoramento foi proposto, o qual tem como objetivo avaliar as influências que os diferentes tipos de fluidos existentes no mercado exercem em rebolos de CBN, através de análises químicas e físicas e também o desenvolvimento de um fluido de corte alternativo. Tal fluido deve ser formulado a base de óleo vegetal, possuir característica de lubrificação e não agredir o meio ambiente. Para avaliar se realmente os grãos de CBN reagem com a água presente nos fluidos solúveis foram realizados testes de retificação com uma menor quantidade de água (aproximadamente 50 litros) e também em um reator químico onde foi simulada condição ideal onde a reação química entre o CBN e a água é mais propicia a acontecer. Para comparação do desempenho dos diferentes fluidos foram realizados testes em retifica cilíndrica CNC de alta velocidade com rebolos de CBN. A nova formulação foi caracterizada com análises químicas e físicas, tais como viscosidade, pH, resistência à corrosão e biodegradabilidade. O desempenho mecânico do novo fluido foi avaliado através de testes de retificação plana e comparado com outros fluidos existentes no mercado. Os parâmetros de saída usados para comparação do desempenho mecânico foram rugosidade da peça e desgaste do rebolo de CBN. Os resultados obtidos permitiram concluir que os grãos de CBN não reagem com a água nas condições de retificação estudadas, o que indica que se pode usar fluido de corte solúvel na retificação com rebolos de CBN. O fluido de corte desenvolvido neste trabalho, quando usado na concentração 21% forneceu resultados semelhantes aos melhores fluidos e ao mesmo tempo preenche os requisitos ambientais. / The application of the grinding process is growing in the metal working industry and with this growth there is an increase in the amount of cutting fluid used to minimize the heat generated in this process. These fluids act by lubricating the wheel-workpiece interface and by conducting heat away and cooling the grinding area. Although the fluids possess the ability to improve the grinding process, on the other hand, they generate some problems; such as damage to the environment when disposed and to the operator\'s health during their use. Due to the growing need to adapt current safety standards regarding operators and environment, new combinations of wheel types and cutting fluids are being sought. As a result, the grinding process is being optimized by adopting grinding strategies that lead to a decrease in the energy expend during the cutting process, and its rapid dissipation out of the grinding zone. These procedures include the use of CBN wheels, which allow a larger amount of heat to be removed from cutting area through the tool. Therefore it is clear the necessity of a technological development of new cutting fluids with high lubrication ability and biodegradable characteristics. Based on this necessity this PhD project was proposed, wich aims to evaluate the influence of different types of cutting fluids available in the market on the CBN wheel, by chemical and physical analyses. Also the development of alternative cutting fluid based vegetable oil, which have lubricant ability and is not aggressive to the environment. In order to evaluate if the CBN grains react with the water in soluble fluids, grinding tests were carried out using a low amount of water (approximately 50 liters) and also reaction was simulated in a chemical reactor under ideal conditions. CNC cylindrical grinding tests were performed to compare the different cutting fluids. Chemical and physical analyses, such as viscosity, pH, rust inhibitor and biodegradability characterized the new formulation. The mechanical performance of the new cutting fluid was evaluated through conventional surface grinder and compared with other grinding fluids existent in the market. The parameters used to compare the mechanical performance were the workpiece roughness and the CBN wheel wear. Based on these experimental results, the following conclusions can be drawn: The CBN grains don\'t react with water under the evaluated grinding conditions, which indicates that soluble cutting fluid can be used in CBN grinding process. The proposed cutting fluid, when used in concentration of 21% gave results similar to the best commercial fluids and at the same time it accomplishes environment requirements. The soluble fluid based on sulfonate castor oil is easily biodegradable and is not aggressive to the environment.

O desgaste de corpos moedores constitui um custo importante na indústria mineral, que depende da operação de cominuição para promover a liberação das espécies minerais e produzir concentrados. Embora se conheça alguns dos mecanismos individuais que afetam o desgaste, a interação entre eles num sistema tão complexo quanto um moinho ainda precisa ser melhor entendido. Este trabalho avaliou o efeito da corrosão no desgaste de bolas de aço e de ferro fundido branco de alto cromo durante a moagem de minério de ferro, através de ensaios eletroquímicos e de desgaste em moinho de laboratório. Foi feita uma alteração no modo tradicional de realização do ensaio de polarização potenciodinâmica, utilizando polpa de minério de ferro a 70% de sólidos (em peso) como eletrólito. As curvas de polarização obtidas foram compatíveis com os resultados de desgaste, de modo que as curvas correspondentes aos metais na condição mais ativa estavam associadas às menores taxas de desgaste nos ensaios de moagem em laboratório, demonstrando que os ensaios de polarização realizados podem ser utilizados como indicativo do comportamento do metal na moagem de minério de ferro. Sobretudo, os testes demonstraram que o desgaste das bolas de aço é devido, principalmente, à abrasão, já que uma pequena diferença, de apenas 8%, foi observada nas taxas de desgaste nas condições avaliadas (polpa no pH 5 e pH 8). Por outro lado, as bolas de ferro fundido branco de alto cromo, que são mais caras, são mais propensas a resistir ao desgaste em polpa ácida, em que a taxa de desgaste foi 40% menor que a determinada em pH 8. / The wear out of grinding media represents a major cost in the mineral industry, which strongly depends on the mineral liberation to achieve the production of concentrates. Although some of the individual mechanisms that affect wear are already known, the interaction between them in such a complex system as an ore mill still needs further investigation. This work analyzed the effect of corrosion on the wear of balls made of steel and high chromium cast iron, while grinding iron ore, by means of electrochemical tests and wear tests conducted in a laboratory mill. A modification of the traditional potenciodynamic polarization test is proposed, using iron ore slurry at 70% w/w as an electrolyte. The results of the polarization curves were compatible with those from the wear tests, as the curves corresponding to the condition in which the metal showed the more active behavior were associated to the lower wear rates in the wear tests, suggesting that the modified polarization tests can be used as an indicative of the metal alloy behavior while grinding iron ore. Moreover, it demonstrated that the wear of steel balls is mainly due to abrasion, as a slight difference of 8% in their wear rates was observed in both conditions investigated (pH 5 and pH 8). On the other hand, the high chromium cast iron balls, which are more expensive, were more likely to resist wear in slurry at pH 5, achieving a wear rate 40% lower than in pH 8.

O objetivo deste trabalho é estudar as interações dinâmicas entre um rebolo de CBN vitrificado e a peças de baixa rigidez estrutural na retificação de alta velocidade utilizando materiais difíceis de retificar (DTG). Este problema é característico da retificação de válvulas de motores à combustão interna. O banco de testes utilizado foi uma retificadora cilíndrica de altas velocidades de corte junto com um sistema de vibração composto por excitador eletrodinâmico e amplificador. A máquina foi equipada com sensores de emissão acústica, aceleração, potência e proximidade. Além disso, foram utilizados dois sistemas para a aquisição dos sinais, sendo um computador para a aquisição da emissão acústica, rotação do rebolo e potência consumida e o outro para a aquisição dos sinais de aceleração e geração do sinal para o excitador eletrodinâmico. Experimentos foram realizados no intuito de observar a influência das vibrações no desgaste do rebolo. A influência da força tangencial por grão abrasivo foi investigada como uma importante variável de controle na determinação da relação G. As medições dos sinais de emissão acústica, potência e vibração ajudaram na identificação da relação entre as interações dinâmicas (produzidas pela excitação forçada aleatória) e o desgaste da ferramenta. O fenômeno do chatter regenerativo (vibração auto-excitada) foi observado utilizando o método do mapa acústico. Os resultados indicam que existe um valor limite de velocidade de vibração acima do qual ocorre uma mudança do mecanismo predominante de desgaste do rebolo. Outro importante fenômeno observado é a mudança de característica do rebolo quando ocorre excitação forçada no processo, fazendo com que o rebolo atue como uma ferramenta de maior grão abrasivo. / The aim of this work is to study the wheel/workpiece dynamic interactions in high speed grinding using vitrified CBN wheel and low stiffness workpieces made of difficult-to-grind (DTG) materials. This problem is typical in the grinding of engine valve heads. The test bench used is a high speed grinding machine with an excitation system composed of an electrodynamic exciter (shaker) and an amplifier. The machine was equipped with acoustic emission, acceleration, power and proximity sensors. Two different systems were used to perform the acquisition of these signals, with one computer being utilized to acquire the acoustic emission, power and rotary signals and another in charge of acquiring the acceleration signal as well as generating the excitation signal to the shaker. Experiments were carried out to observe the influence of vibrations in the wheel wear. The influence of tangential force per abrasive grain was investigated as an important control variable for the determination of G ratio. The measurements of acoustic emission, power and vibration signals helped in identifying the correlation between the dynamic interactions (produced by forced random excitation) and the wheel wear. The wheel regenerative chatter phenomenon was observed by using the wheel mapping technique. The results indicate the existence of a vibration velocity limit value above which there is a change in the major wear mechanism of the wheel. Another important observed phenomenon, when the process is dynamically excited, is the modification of the chip formation mechanism which makes the wheel to work as a rougher toll.

O circuito de moagem de Carajás foi originalmente projetado para moagem de sinter feed, obtendose como produto final pellet feed. O processo consiste em etapas de moagem e deslamagem para que se atinjam as especificações de granulometria e área específica. No processo, como um todo, há geração significativa de finos, que são então descartados, acarretando em perdas de material que poderia ser incorporado como produto. O melhor entendimento das características dos vários tipos de minérios, bem como a previsão do desempenho do circuito de moagem em função de tais características permite estabelecer cenários para promover aumentos na recuperação em massa e na produtividade do circuito. O presente trabalho tem por base a caracterização tecnológica dos principais tipos de minério de Carajás e o desenvolvimento de um método para previsão de desempenho do circuito de moagem, em função de tais características. Para o desenvolvimento do método foram realizados ensaios de moagem em bancada e amostragens no circuito industrial. Os resultados dos ensaios de moagem em bancada serviram para definição das condições operacionais em que o ensaio em bancada melhor representou o circuito industrial, denominado ensaio padrão. Os dados obtidos nas amostragens e na caracterização tecnológica serviram de base para a calibração dos modelos matemáticos dos equipamentos de processo. O modelo calibrado constituiu num excelente recurso para previsão de desempenho. O desempenho do circuito de moagem foi avaliado no que se refere à granulometria e área específica dos produtos obtidos. Ainda foram conduzidas simulações pelo ensaio padrão e pelo modelo calibrado integrado do circuito de moagem, que apontam potenciais dos minérios cujo comportamento na moagem era até então desconhecido. Os dois produtos aqui desenvolvidos são, portanto, de aplicação imediata como recursos para previsão de desempenho e melhoria operacional. / Originally designed for sinter feed grinding, the Carajas grinding circuit includes two ball mills in parallel lines in a closed configuration with cyclones. The ground product is further deslimed in hydrocyclone for achieving the final specifications regarding size distribution and surface area. In this process, there is a significant amount of high grade material, not recovered due to overgrind. Ore characterization was here selected for predicting the grinding circuit performance, which in turn was the basis for optimization. The aim of this work is the characterization of the main Carajas ore types as well as the development of a method that includes these characteristics for predicting the grinding circuit performance. Laboratory grinding tests and samplings in the industrial circuit were carried out to predict the grinding circuit performance. The grinding test results were used to set operational conditions in which the laboratory better represented the industrial circuit. Results from industrial sampling and characterization were the basis for fitting the mathematical models. The fitted model was an excellent resource for the prediction of the grinding circuit performance as well as for the grinding test. To assess the grinding performance, products size distribution and surface area were evaluated. Moreover, simulations of the grinding circuit indicated the potential of some ore types. The derived methods were validated as tools for predicting the grinding circuit performance and for operational optimization.

A simulação computacional de processos de beneficiamento mineral encontra- se totalmente consolidada como recurso confiável para as etapas de projeto e otimização de circuitos industriais. Programas computacionais de simulação e a representação matemática da operação de sistemas reais tem auxiliado profissionais da área de Tratamento de Minérios no projeto de novas instalações e na otimização do desempenho de circuitos industriais já implantados, permitindo a redução ou até a suspensão dos onerosos testes em escala piloto ou industrial. Este trabalho, após revisão da literatura sobre o assunto, descreve em detalhe a aplicação de conceitos de modelagem matemática utilizando o simulador JKSimMet aos equipamentos do circuito industrial de moagem e classificação de minério fosfático da Vale Fertilizantes em Araxá, MG. Com base em dados obtidos em amostragem do circuito de moagem, foram executados procedimentos de balanço de massas e ajuste de modelos individuais representativos das condições de operação dos equipamentos de processo envolvidos. Os ajustes envolveram modelos de moinhos de barras, moinho de bolas e ciclones. Os modelos individuais foram posteriormente integrados de forma a constituir plataformas robustas para simulações de processo (moagem primária e secundária). Tais simulações visaram à melhoria dos índices de desempenho do circuito de moagem da Vale Fertilizantes e a produção de um concentrado mais fino, dentro das especificações do chamado FCA Concentrado Apatítico Fino. Os resultados relacionados no trabalho indicaram potencial de melhoras significativas, quer seja em aspectos como incrementos de capacidade ou obtenção de produto mais fino por meio da moagem. As simulações permitiram também investigar ganhos potenciais com o aumento da eficiência de classificação e detectar a existência de gargalos no circuito. As conclusões do trabalho indicam os benefícios do emprego dos recursos de modelagem e simulação tanto no diagnóstico dos circuitos industriais como na investigação de alternativas de melhorias. / Computer simulation of mineral processing operations is fully consolidated as a reliable means for the project and performance improvement stages of industrial circuits. Computer programs for simulation and a mathematical representation of the operation of real system has helped mineral processing professionals to project new plants and to optimize the performance of industrial circuits already installed, allowing, therefore, a substantial reduction or suppression in the expensive testing in pilot and industrial scale. This work, based on a review of the literature on the subject, describes in detail the application of the concepts of mathematical modeling to using the JKSimMet to equipments for the industrial circuits of grinding and classification of phosphate ore of Vale Fertilizers, a company located in Araxá, MG. After one complete survey of the grinding circuit mass balance proceedings were performed and individual models representing the conditions of operation of the process equipment involved were adjusted. The above mentioned adjustment involved rod mills, ball mills and cyclones models. Such individuals models were integrated afterwards in order to make a solid platform for process simulations aiming the improvement of the performance figures of the grinding circuit of Vale Fertilizers and the production of the one concentrated thinner within the specifications of the call FCA Phosphate apatite Fine. The results presented in this work indicate a potential for potential improvements, whether in aspects such as capacity increase or improvement in energy utilization. The simulations also allowed the investigation of potential gains with the increase in the efficiency to classify and detect bottlenecks in the circuits. The conclusion broght to by the work clearly shows the benefits of employing modeling resources in the detailed diagnosis of the operation of industrial circuits as well as in the search for alternatives for performance improvement.

Grinding is a complex material removal process with a large number of parameters influencing each other. In the process, the grinding wheel surface contacts the workpiece at high speed and under high pressure. The complexity of the process lies in the multiple microscopic interaction modes in the wheel-workpiece contact zone, including cutting, plowing, sliding, chip/workpiece friction, chip/bond friction, and bond/workpiece friction. Any subtle changes of the microscopic modes could result in a dramatic variation in the process. To capture the minute microscopic changes in the process and acquire better understanding of the mechanism, a physics-based model is necessary to quantify the microscopic interactions, through which the process output can be correlated with the input parameters. In the dissertation, the grinding process is regarded as an integration of all microscopic interactions, and a methodology is established for the physics based modeling. To determine the engagement condition for all micro-modes quantitatively, a virtual grinding wheel model is developed based on wheel fabrication procedure analysis and a kinematics simulation is conducted according to the operational parameters of the grinding process. A Finite Element Analysis (FEA) is carried out to study the single grain cutting under different conditions to characterize and quantify the grain-workpiece interface. Given the engagement condition on each individual grain with the workpiece from the physics-based simulation, the force, chip generation, and material plastic flow can be determined through the simulation results. Therefore, the microscopic output on each discrete point in the wheel-workpiece contact zone can be derived, and the grinding process technical output is the integrated product of all microscopic interaction output. From the perspective of process prediction and optimization, the simulation can provide the output value including the tangential force and surface texture. In terms of the microscopic analysis for mechanism study, the simulation is able to estimate the number of cutting and plowing grains, cutting and plowing force, probability of loading occurrence, which can be used as evidence for process diagnosis and improvement. A series of experiments are carried out to verify the simulation results. The simulation results are consistent with the experimental results in terms of the tangential force and surface roughness Ra for dry grinding of hardened D2 steel. The methodology enables the description of the 'inside story' in grinding processes from a microscopic point of view, which also helps explain and predict the time dependent behavior in grinding. Furthermore, the process model can be used for grinding force (or power) estimation for multiple-stage grinding cycles which includes rough, semi-finish, finish, and spark out. Therefore, the grinding process design can be carried out proactively while eliminating 'trial and error'. In addition, the grinding wheel model itself can be used to guide the recipe development and optimization of grinding wheels. While the single grain micro-cutting model can be used to study the mechanism of single grit cutting under various complex conditions, it can also be used to derive the optimal parameters for specific grains or process conditions.