Por Luanne Phâmella da Silva Henriques e Moreira1 e José Margarida da Silva2
A dissertação “Análise do Controle de Módulo Químico em uma Mina de Calcário para Fabricação de Cimento”, apresentada em 2023 ao Programa de Pós- Graduação em Engenharia Mineral da Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP), como parte integrante dos requisitos para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Mineral, consistiu em analisar o controle dos parâmetros de construção das pilhas de minério, discutindo o atual sistema de homogeneização de uma mineração de calcário destinado ao abastecimento de uma fábrica de cimento de médio porte. Por meio da comparação com cenários de variabilidades considerados ideais, o trabalho buscou demonstrar a importância dos sistemas de homogeneização por pilhas.
Durante a fabricação de cimento o controle dos teores de substâncias, como CaO (óxido de cálcio ou cal), Fe2O3 (óxido de ferro), Al2O3 (óxido de alumínio) e SiO2 (dióxido de silício ou sílica), deve ser realizado desde as frentes de lavra até a estocagem do minério, buscando um blend que atenda às demandas do processo. As pilhas de pré–homogeneização são utilizadas para reduzir os impactos nas variações da composição química do minério. Nelas, a forma como o material é disposto em camadas durante o empilhamento viabiliza sua blendagem e/ou homogeneização durante a etapa de retomada para alimentação da fábrica de cimento. As flutuações de teores são consideradas frequentes, uma vez que as jazidas não se dispõem de forma homogênea.
Estudo de caso
A análise foi realizada em uma mina de calcário pertencente a um grupo cimenteiro, localizada na região do Campo das Vertentes, no Sul de Minas Gerais, com produção de 1,7 Mtpa. A jazida é composta por calcário de baixo teor (64 a 75% de CaCO3 – carbonato de cálcio), médio teor (75 a 89% de CaCO3), e alto teor (acima de 90% de CaCO3). A mina iniciou sua operação em 1976 e possui reservas de 169 Mt, com relação estéril/minério de 0,21 t/t. O desenvolvimento da cava foi definido por meio de simulações, considerando os módulos e teores interessantes à produção de cimento, e tem dimensões aproximadas de 500 m x 600 m, com pit final de 131 m. A Figura 1, gerada por meio do software Micromine, simula a cava da mina como imagem tridimensional da situação atual.
Figura 1 (no alto da página)- Modelo de blocos da mina em estudo- Fonte: Moreira, 2023
O mapa de teores das frentes de lavra é constantemente atualizado por meio de análises químicas do pó dos furos realizados pelas perfuratrizes nas frentes de lavra. Essas análises permitem conhecer a composição do material lavrado que alimentará a planta para permitindo verificar sua conformidade às especificações necessárias.
Na mina, o principal parâmetro de controle realizado pelo equipamento de análise elementar é o FSC (Fator de Saturação da Cal), que é a relação entre a quantidade de CaO presente e a quantidade máxima teórica possível de combinar-se com os demais elementos (Fe2O3, SiO2, Al2O3). A fim de garantir a proporção dos diferentes componentes químicos, é comum a utilização de relações que orientam a confecção da farinha e definem suas características e comportamento durante a fase de clinquerização (o clínquer é a matéria-prima fundamental para a produção de cimento, sendo cominuído e misturado com gesso e outros materiais para formar o cimento final).
Controle e empilhamento
A mina fica a cerca de 1,6 km de sua unidade fabril, o que garante a logística do material lavrado até o pátio de estocagem/homogeneização. A extração do minério acontece em bancadas por operações unitárias de perfuração, desmonte por explosivos, carregamento e transporte até o britador, próximo da mina.
O controle de qualidade do minério tem início na etapa de planejamento de lavra. Para a execução do desmonte de rochas é realizada uma programação baseada no mapa de teores de frentes de calcário, a começar do levantamento das possíveis frentes para detonação, definição da bancada a ser utilizada e perfuração hidráulica, por meio de equipamento com capacidade média de perfuração de 24 m/h. Em média são executados 200 furos mensais, gerando aproximadamente 150 mil t de material desmontado.
Durante a perfuração, são coletadas amostras de pó, cuja análise irá constatar a quantidade aproximada dos componentes presentes em cada bancada. As amostras passam por preparação e análises químicas elementares dos minerais de interesse, como CaO, Fe2O3, Al2O3 e SiO2. Os ensaios são executados pelo laboratório de controle da qualidade por meio de Fluorescência por Raios X (FRX).
Após a britagem, o minério com granulometria abaixo de 5” é transportado para o pátio de pré-homogeneização e empilhado, enquanto o minério acima de 5” retorna ao britador. A média diária de calcário britado pela UTM (Unidade de Tratamento de Minério) varia entre 6 e 7 mil t.
Posteriormente, o material segue para a fábrica por meio de um transportador de correias de longa distância, que possui um analisador online (Sodern CNA) de teores e módulos acoplado. O equipamento produz leituras a cada dois minutos desde que exista um fluxo mássico igual ou superior a 400 t/h. A análise de alta frequência do volume da matéria-prima, associada a uma balança de alta precisão, não só possibilita inferir os módulos de interesse para o controle do processo, como o FSC, MA (Módulo de Alumina), MS (Módulo de Sílica) e o desvio padrão para FSC, como oferece uma alimentação estável e precisa aos processos subsequentes, promovendo sua eficiência e estabilidade.
O controle de alta frequência dispensa a necessidade de equipamentos de amostragem caros e pessoal de laboratório. Os limites de controle, utilizados no processo de confecção das pilhas de calcário básico da mina estudada, são representados na Tabela 1.
A disposição do calcário é feita em duas pilhas, uma em construção e uma para retomada, pelo método Chevron (pré- homogeneização), em pátios de estocagem abertos. O grau de homogeneização é avaliado pela razão entre o desvio padrão de um determinado parâmetro na entrada e na saída da pilha de homogeneização. As pilhas são formadas por uma stacker de lança fixa, com inclinação aproximada de 25º, cerca de 70 m de comprimento, capacidade de armazenamento entre 25 e 30 mil t, largura de 12 m e 10 m de altura. O retomador é bidirecional, tipo ancinho. O tempo médio de formação de uma pilha é de aproximadamente 3,5 dias, enquanto a retomada dura em torno de 4 dias.
Resultados
No período avaliado, foram confeccionadas 24 pilhas de calcário básico com diferentes massas e diferentes tamanhos, devido à alta demanda de produção de cimento pela fábrica, fazendo com que o calcário tenha baixo tempo de residência no pátio de pré-homogeneização, justificando assim a formação de pilhas com massas menores que as desejáveis, no caso 25 mil t.
Os módulos dos desvios–padrão do FSC se apresentaram com valores distintos devido às pilhas serem formadas por diferentes frentes de lavra. De acordo com os parâmetros de qualidade utilizados para a produção de cimento, os módulos de FSC devem estar entre 95 e 105, pois valores discrepantes desses tendem alterar o processo, acarretando desequilíbrios de qualidade e viabilidade econômica. Para facilitar a visualização dos dados levantados foi realizada a divisão das pilhas estudadas em 2 grupos: o 1º contendo pilhas com massas variando entre 6 e 12 mil t e o 2º contendo pilhas com massas variando entre 13 mil e 17 mil t.
Para cada grupo, foi gerado um gráfico relacionando a massa das pilhas (t) e o desvio–padrão do FSC, que demonstram que pilhas com massas menores apresentam valores de desvio–padrão de FSC mais altos, em virtude da maior variabilidade nos valores de FSC. Em contrapartida, pilhas com massas maiores apresentam menores desvios e consequentemente menor variabilidade de FSC. Pode–se observar também, que algumas pilhas com grandes massas apresentaram desvios superiores quando comparadas às de massas menores, o que pode estar relacionado à forma de blendagem nas frentes de lavra e de disposição do material na moega do britador.
A eficiência da mistura pode ser melhorada aumentando-se o volume do estoque ou a velocidade de empilhamento (ou seja, empilhando mais camadas). Altos valores de FSC provocam maior quantidade de CaO livre, queima difícil da farinha, maior consumo de combustível, aumento da expansibilidade do cimento pela maior chance de conter CaO livre no clínquer e podem aumentar a quantidade de C3S (silicato tricálcito ou alita), que tende a proporcionar uma maior resistência ao cimento produzido, com menor quantidade de C2S (silicato dicálcico), por consequência. Em contrapartida, baixos valores de FSC tendem a proporcionar queima mais fácil da farinha, baixo consumo de combustível e menor quantidade de C3S produzido, o que afeta a resistência do cimento.
Conclusões
A homogeneização é importante para garantir que o minério com parâmetros químicos, físicos e granulométricos diferentes possa ser utilizado em conformidade com os padrões de qualidade do processo o qual está ligado. O sistema tende a garantir e ampliar o aproveitamento da reserva mineral e a reduzir substancialmente a variabilidade do minério. O controle de qualidade na preparação das matérias primas é uma etapa de grande influência na qualidade final do cimento e em seus custos de produção.
Na mina em estudo, pilhas com massas maiores, atreladas a uma blendagem eficiente do minério das frentes de lavra, proporcionam bons efeitos de homogeneização que, consequentemente, podem gerar ganhos operacionais expressivos. Conclui-se, ainda, que o uso do analisador online de teores é uma estratégia importante no processo de formação das pilhas, devido à grande facilidade de interface mina, beneficiamento e amostragem, sendo uma tecnologia de extrema aplicabilidade quando se trata de amostragens em tempo real. A amostragem nas diversas etapas de transformação do minério em produto é, portanto, uma atividade crucial ao acesso e avaliação da variabilidade de cada etapa. Trabalhar com valores dentro das faixas aceitáveis e adotar medidas de atenuação dessas variações deve ser uma prática comum em busca de melhores resultados.
Referências
Moreira, Luanne Phâmella da Silva Henriques. 2023. Análise do Controle de Módulo Químico em uma Mina de Calcário para Fabricação de Cimento. Dissertação. Mestrado. Programa de Pós- Graduação em Engenharia Mineral da Universidade Federal de Ouro Preto
