Segundo Viana Jr (1980), Wills e Napier-Munn (2006), Lawver e Hopstock (1974), o desenvolvimento dos separadores magnéticos de alta intensidade foi um dos fatos mais importantes do ponto de vista técnico-econômico na história da separação de minerais. Tais equipamentos abriram a possibilidade de beneficiar massas significativas de minério fracamente magnéticas; destacando o uso para minério de ferro, com alta recuperação mesmo na fração ultrafina abaixo de 75µm (VIANA JR, 1980).
Talvez a máquina de separação magnética mais conhecida seja o separador tipo Jones, cujo princípio construtivo e de funcionamento é utilizado em vários outros tipos de separadores a úmido nos dias atuais (WILLS E NAPIER-MUNN, 2006). Seus elementos básicos são:
(i) uma bobina eletromagnética que atua como fonte de campo magnético; (ii) um anel circular ou disco carrossel que gira num plano horizontal entre os
pólos criados pelas bobinas e contém elementos para evitar a dispersão do fluxo magnético (as matrizes magnéticas) gerando a não-homogeneidade das linhas de campo, e consequentemente o gradiente magnético (que é grande diferencial de tal aparelho);
(iii) dispositivos para alimentação de polpa e água de lavagem em vários pontos: mais comumente no ponto em que o material está exposto ao campo (comumente chamada de água de médio, é utilizada na limpeza dos não magnéticos) e no ponto em que o rotor sai da atuação do campo (água usada para descarregar o magnético, ou concentrado, limpando a fenda da matriz (gap) onde o mesmo foi coletado quando exposto ao campo);
(iv) dispositivos coletores situados em plano abaixo do plano de alimentação para os produtos não magnéticos, médios e magnéticos (VIANA JR, 1980). As partículas magnéticas são retidas pela matriz enquanto as não magnéticas são arrastadas através do volume magnetizado para os chutes de coleta e descarga. Quando o rotor atinge áreas fora do fluxo magnético ocorre uma lavagem com água de concentrado; descarregando no chute o material antes aderido às fendas das matrizes.
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A figura 24 ilustra o esquema construtivo do separador tipo Jones em corte perfil (a) e em planta (b).
Figura 24 - Esquema construtivo do separador tipo Jones em corte perfil (a) e em planta (b) Adaptado de WILLS E NAPIER-MUNN (2006) e VIANA JR (1980)
A figura 25 mostra a perspectiva esquemática de um equipamento tipo Jones com dois rotores e a figura 26, um separador Jones:
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Figura 25 - Vista em perspectiva de um separador tipo Jones com dois rotores Fonte: Catálogo MBE.
Abaixo, foto ilustrativa de um separador magnético tipo Jones modelo DP317 da pioneira no Brasil: HUMBOLDT, hoje MBE Coal & Minerals Technology GMBH.
Figura 26 - Separador Jones modelo DP317 da MBE Coal & Minerals Technology GMBH Fonte: Catálogo MBE.
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Os vários separadores contínuos existentes usam basicamente os mesmos elementos construtivos e princípios de operação. Na maioria das vezes, a diferença entre eles é baseada no número de pólos e no tipo de matriz ferromagnética usada (VIANA JR, 1980). A aplicação de um campo magnético relativamente uniforme numa estrutura ferromagnética (matriz) constituída de barras trapezoidais, ranhuras, ou esfera gera gradientes de campo. Tais separadores conhecidos como de pólo induzido recebem o nome de separadores de alta intensidade.
A seguir, três ilustrações referentes à matriz ferromagnética do separador tipo Jones: planta (figura 27), arranjo em perspectiva (figura 28) e fotografia (figura 29).
Figura 27 - Esquema matriz ferromagnética do separador Jones em planta Adaptado de WILLS E NAPIER-MUNN (2006) e VIANA JR (1980)
Figura 28 - Matriz ferromagnética do separador Jones em perspectiva Fonte: VIANA JR (1980)
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Figura 29 - Fotografia matriz Jones Fonte: Catálogo MBE.
Há ainda o HGMS: separador para o qual foi desenvolvido um tipo especial de matriz, permitindo produzir gradientes de campo muito mais elevados que os obtidos nos separadores de alta intensidade (VIANA JR, 1980; WILLS E NAPIER-MUNN, 2006; SVOBODA, 1987, 2004).
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3.3.4.1. Parâmetros de processo da separação magnética de alta intensidade
A separação magnética do WHIMS possui parâmetros de projeto que devem ser considerados numa análise da eficácia da separação e estágio (limpeza, desbaste) como a granulometria da alimentação e a largura do entreferro (ou fenda) da matriz ferromagnética. Miller (1993) demonstra no gráfico abaixo a recuperação e eficiência de separação de partículas menores que 100 µm na separação magnética de minério de ferro hematítico. Percebe-se que, em vários modelos de equipamentos de alta intensidade a úmido, há queda de seletividade para a granulometria menor que 20 µm.
Gráfico 2 - Recuperação e eficiência de separação de partículas menores que 100 µm Fonte: MILLER (1993)
O número de estágios utilizados no processo de separação é determinado em projeto de acordo com as características do minério e com os produtos que se deseja gerar. Na maioria dos casos de aplicação de separação magnética observa-se o uso em etapa de desbaste (rougher) e limpeza (cleaner). Há várias opções quanto ao destino do fluxo magnético: retornar à alimentação; alimentar estágio de esgotamento (scavenger) ou limpeza (cleaner); ou simplesmente ser incorporado ao fluxo do concentrado ou do rejeito. Todas essas opções devem ser consideradas durante a elaboração do projeto levando-se em consideração as características do minério, a qualidade dos produtos e a recuperação metalúrgica que se deseja obter.
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A velocidade do rotor é diretamente proporcional ao maior ou menor tempo de exposição do minério ao campo magnético, influenciando no teor de concentrado, que é inversamente proporcional à recuperação do elemento útil. Velocidades muito elevadas podem ainda provocar maior desgaste das matrizes. A melhor velocidade é geralmente determinada através de ensaios piloto e pode variar de 3 a 5,5 rpm. Tal valor varia de acordo com as necessidades de cada planta. Na prática, não se usa a variação de velocidade de rotor como variável operacional. A ela se relaciona a taxa de ocupação que por sua vez influencia tanto a capacidade quanto a eficiência da separação. É sempre conveniente pesquisar a velocidade ótima para cada aplicação.
A diluição da polpa da alimentação, geralmente medida em percentual de sólidos em massa da alimentação, é a variável que possibilita uma resposta no menor tempo possível em termos de operação. No sentido econômico, o objetivo é obter do processo a maior capacidade possível. Portanto, a perseguição dessa rentabilidade num bom projeto leva a dimensionar a maior taxa possível com alimentação mais espessa na qual se obtém o concentrado comercial.
De acordo com Viana Jr (1980), fisicamente a alimentação se limita a cerca de 60 % de sólidos em massa. A partir de tal parâmetro a produção de concentrados com altos teores é conseguida ao aumentar a probabilidade do material não magnético ser arrastado para o rejeito. Para isso, deve-se diminuir a relação sólido/líquido e admitir arraste adicional de material magnético para o rejeito. O aumento da diluição em busca de melhores concentrados pode, por outro lado, reduzir a recuperação metalúrgica, reduzir a capacidade e, consequentemente, a rentabilidade. Deve-se, pois, estudar o comportamento do material que se quer beneficiar frente a diferentes diluições.
Especificamente para os separadores via úmida de alta intensidade, foi desenvolvida a seguinte equação para a previsão da capacidade de tratamento de minérios de ferro médios do Quadrilátero Ferrífero (Luz, 2010). Tal equação, com todas as unidades no SI, fornece o valor da vazão mássica de alimentação em função do diâmetro nominal do carrossel do separador e da abertura dos vãos (gap) na matriz ferromagnética (para a condição matemática de o diâmetro ser inferior a 4 m):
𝑄𝑎 = 380 𝑥 (4 − 𝑑𝑑 ) 0,48
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Onde Qa é a vazão mássica de alimentação de material com dois carrosseis
[kg/s]; a é a abertura efetiva das placas ranhuradas (gap) [m]; e d é o diâmetro do carrossel [m].
Entendendo o WHIMS como uma máquina que opera a uma determinada taxa volumétrica, pode-se ainda aumentar a quantidade de sólidos; o que significa aumentar sua capacidade. Nesse caso o arraste de partículas não magnéticas para o rejeito será parcialmente impedido levando à obtenção de concentrados de pior qualidade. A intensidade do campo magnético impacta diretamente a eficiência de separação do equipamento, contudo pode ser ajustada alterando-se a corrente elétrica aplicada às bobinas. Tal ajuste (que afeta a qualidade) é um diferencial de tais equipamentos no que tange ao controle de processo, pois quanto maior a corrente maior o campo magnético e sua consequente recuperação da fase magnética.
Svoboda (1994) estudou o efeito da intensidade do campo magnético na recuperação de ferro e manganês (gráfico 3 abaixo). A recuperação de partículas fracamente magnéticas pode ser melhorada com intensidade alta de campos magnéticos grandes. Mas se forem excessivamente elevados, os campos reduzem a seletividade do processo e podem afetar a recuperação metalúrgica, além de ocasionar perda de rentabilidade pelo maior custo operacional com energia sem aumento da taxa de produção de concentrados.
‘
Gráfico 3 - Recuperação de Mn e Fe a partir de minério de Mn (-75µm) em separador de alto gradiente Fonte: SVOBODA (1994)
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O aumento da diluição e a redução do campo (e vice versa) produzem na prática o mesmo efeito: permitindo maior arraste para os não magnéticos, produzindo rejeitos ricos em magnéticos e concentrados mais puros, conduzindo a recuperação metalúrgica menor. Com relação à água de lavagem de concentrado na zona neutra ou sem presença de campo, deve-se buscar a menor pressão com o menor volume de água a partir do qual se consegue remover todo o produto magnético das fendas das matrizes.
Aponte-se que a baixa pressão na água de lavagem diminui a recuperação em massa e pode provocar entupimento das matrizes. A água de lavagem de médio deve ser ajustada de acordo com o teor que se quer obter no concentrado e consequente recuperação. Logo, maiores pressões levarão a concentrados mais puros, porém com maior perda de elemento mineral de interesse para o rejeito.
O sentido do impacto da variação dos parâmetros na prática operacional é resumidamente apresentado na tabela 3 abaixo. Nela, pode ser observada a influência das variáveis operacionais da separação magnética no teor de SiO2 no concentrado e na
recuperação mássica:
Tabela 3 - Influência das variáveis operacionais da separação magnética no teor de SiO2
% SiO2no Concentrado Recuperação Mássica
- -
Pressão de água de médio Pressão de água de concentrado
Variável
Fenda entre placas % Sólidos na alimentação Taxa de alimentação
Intensidade do Campo Magnético Velocidade de rotação
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3.3.5. Separadores magnéticos de alto gradiente de anel vertical e de pulsação