A Moagem: Uma Etapa Essencial e de Alto Custo
A moagem é uma das etapas mais importantes do beneficiamento mineral, responsável por reduzir o tamanho das partículas, adequar a granulometria para a etapa seguinte e, em alguns processos, aumentar a área superficial do material. Quando o objetivo vai além da simples redução de tamanho, buscando modificar ou produzir materiais em escala micro e nanométrica, utiliza-se a moagem mecânica de alta energia, na qual sucessivos impactos entre partículas, esferas e paredes do moinho provocam deformação, fragmentação e, em alguns casos, soldagem a frio.
Apesar de sua importância, a moagem é a etapa de maior consumo energético da indústria mineral, podendo representar até 40% dos custos totais de um empreendimento, da extração ao produto final. Isso ocorre porque nem toda a energia fornecida ao moinho é convertida em trabalho útil de fragmentação, uma parcela expressiva é dissipada apenas na movimentação da carcaça e do meio moedor, reflexo direto da baixa eficiência energética, característica dos moinhos de bolas, equipamento mais utilizado na moagem convencional.
Os Desafios da Operação e Otimização de Moinhos
Por trás desse custo elevado existe um conjunto de fatores que tornam o moinho um equipamento difícil de otimizar. O consumo de energia é influenciado por diversas variáveis que não atuam de forma isolada, a alteração de um único parâmetro pode modificar simultaneamente a dinâmica da carga, o padrão de impacto entre os corpos moedores e, consequentemente, a eficiência global do processo.
Um dos principais desafios é o comportamento interno da carga, que depende das interações entre partículas e entre partículas e equipamento, tornando sua dinâmica difícil de prever. Essa complexidade se agrava pela dificuldade de medir internamente o que ocorre no equipamento, informações como velocidade, forças e distribuição do movimento das partículas são difíceis de obter experimentalmente, o que torna a operação ainda dependente de métodos empíricos e limita a análise adequada dos processos locais de quebra das partículas. Soma-se a isso o fato de que a carga não se movimenta sempre da mesma forma, o regime de movimento muda conforme as condições de operação, e cada regime afeta de maneira diferente a quebra das partículas e o consumo de potência.
Como consequência desses fatores, a moagem apresenta problemas operacionais recorrentes, como comportamento cíclico e instável, carga errática, qualidade irregular do produto, alta taxa de recirculação e paradas não planejadas.
Simulação com DEM: Maior Confiabilidade e Menor Desperdício na Moagem
Na Samt, são utilizadas ferramentas de simulação por Elementos Discretos (DEM) no desenvolvimento de projetos de moinhos e na otimização de suas condições de operação, com foco em eficiência energética e desempenho. Essas soluções permitem avaliar o comportamento da carga por meio de simulações do movimento de partículas e corpos moedores, além de viabilizar a otimização de parâmetros como velocidade de rotação, configuração de lifters e distribuição de bolas, reduzindo significativamente a necessidade de testes físicos e intervenções diretas no equipamento.
Na simulação de moinhos, é possível realizar diversos tipos de análise. A análise do movimento da carga permite avaliar o padrão de impacto e o consumo de potência. Já a análise multiescala é aplicada para relacionar o comportamento global da carga às interações microscópicas responsáveis pela fragmentação, considerando a energia dos impactos individuais. Além disso, a simulação também é utilizada na análise de desgaste, permitindo estimar como o revestimento e os lifters se deterioram ao longo do tempo em função das condições operacionais.
Enxergando a Dinâmica Dentro do Moinho
O DEM é uma ferramenta utilizada para simular o comportamento de partículas em diversos processos, representando o material como um conjunto de partículas discretas, geralmente esféricas. A cada passo da simulação, são calculadas as forças normais, tangenciais e de contato entre partícula-partícula e partícula-parede, considerando parâmetros como rigidez, amortecimento e coeficiente de atrito. Essas forças determinam a posição, a velocidade e a aceleração de cada partícula, permitindo representar o comportamento dinâmico do fluxo granular dentro do moinho.
Aplicado à moagem, o DEM permite simular o movimento de toda a carga, considerando as trajetórias individuais das partículas e suas colisões com o revestimento. A partir da geometria interna do equipamento, é possível avaliar diferentes condições de projeto e operação, como velocidade de rotação, projetos de lifters, configurações internas e distribuição de tamanho das bolas, auxiliando na definição do tamanho, formato e material dos levantadores.
Uma abordagem utilizada é o modelo multiescala, que combina duas visões complementares, a macroescala, que mostra onde e como a carga se movimenta, e a microescala, que revela o que ocorre entre as partículas em regiões específicas do moinho. Essa combinação permite relacionar o comportamento global da carga às interações microscópicas responsáveis pela moagem, investigando a potência dissipada, a energia das colisões e as regiões que mais contribuem para a fragmentação.
Em conjunto, essas informações transformam o comportamento das partículas em dados quantitativos de engenharia, permitindo avaliar configurações existentes e comparar alternativas de projeto antes mesmo da fabricação ou modificação física do equipamento.
Caso Prático: Otimização de Moinho SAG com Simulação DEM
Em um estudo conduzido por Mishra (2003), documentado no artigo “A review of computer simulation of tumbling mills by the discrete element method”, um moinho SAG de 5,89 × 7,6 m, operando a 10,4 rpm com 40 lifters do tipo top-hat e ângulo de face de 11°, tinha como desafio baixo aproveitamento da potência disponível, o equipamento operava abaixo da capacidade do motor de acionamento, devido ao acúmulo de material entre os lifters, que comprometia a movimentação adequada da carga.
Para isso, foi utilizada a simulação em DEM, permitindo visualizar o comportamento da carga dentro do moinho e testar diferentes configurações de lifters e velocidade de rotação de forma rápida e sem necessidade de intervenção física no equipamento.
Como resultado, ao aumentar o ângulo de face dos lifters de 11° para 20° e a velocidade de rotação de 10,4 para 12,5 rpm, houve um aumento de potência disponível, além de um perfil de movimentação de carga mais adequado, eliminando o acúmulo de material observado na configuração original.
Figura 1 – Comparação entre a potência prevista e a potência medida experimentalmente para moinhos de bolas de diferentes diâmetros. Fonte: Mishra (2003).
Figura 2 – Movimento da carga em um moinho SAG de 5,89 × 7,6 m equipado com 40 lifters do tipo top-hat: (a) configuração original, com ângulo de face de 11° e velocidade de 10,4 rpm; (b) configuração otimizada, com ângulo de face de 20° e velocidade de 12,5 rpm. Fonte: Mishra (2003, p. 100).
