Beneficiamento de Minério de Ferro: Processos e Técnicas Principais

Processos para Beneficiamento de Minérios de Ferro

O ferro é elemento abundante na crosta terrestre, com média de 2% a 3% em rochas sedimentares e 8,5% em basaltos e gabros. Por estar presente em muitas áreas, tem valor relativamente baixo; assim, um depósito deve ter alta porcentagem de metal para ser considerado grau minério. Tipicamente, um depósito deve conter pelo menos 25% de ferro para ser economicamente recuperável.

Mais de 300 minerais contêm ferro, mas cinco são as fontes primárias: magnetita (Fe₃O₄), hematita (Fe₂O₃), goethita (Fe₂O₃·H₂O), siderita (FeCO₃) e pirita (FeS₂). A mineração requer perfuração, desmonte, britagem, peneiramento e homogeneização.

Britagem e peneiramento são parte integrante das instalações de produção. Britagem geralmente envolve britador primário e secundários em circuito fechado com peneiras vibratórias. Seleção de equipamentos determinada pela friabilidade do minério. Operações de peneiramento em minérios de alto teor são secas, exceto quando a fração fina pode ser melhorada por deslamagem.

Categorias de Minérios de Ferro

Minérios de ferro normalmente se enquadram em três categorias:

1. Minérios de embarque direto (direct shipping) ou de alto teor: contêm ferro suficiente para serem carregados diretamente no alto-forno; requerem apenas britagem, peneiramento e homogeneização.
2. Minérios mercantes de baixo teor associados: ocorrem ao redor dos minérios de alto teor, podendo ser minerados concomitantemente; requerem melhoria menor por lavagem para elevar o teor de ferro.
3. Minérios de baixo teor: requerem britagem extensiva, moagem e concentração para produzir concentrado aceitável.

Os minérios nestas três categorias têm requisitos de processamento bastante diferentes. Para obter produto uniforme, minérios de diferentes teores, composições e tamanhos são geralmente homogeneizados.

Definição de Beneficiamento

O termo beneficiamento abrange todos os métodos usados para processar o minério e melhorar suas características químicas, físicas e metalúrgicas, tornando-o uma alimentação mais desejável para o alto-forno. Tais métodos incluem: britagem e moagem, lavagem, filtração, classificação, dimensionamento, concentração gravítica, separação magnética, flotação e aglomeração. As operações de beneficiamento resultam em dois produtos: concentrado e rejeito (tailing), que é descartado.

Britagem e Moagem

O beneficiamento inicia com britagem e moagem, junto com classificação úmida ou seca dos minérios extraídos, em preparação para atividades de aumento do teor de ferro. É um processo multiestágio, podendo usar alimentação seca ou úmida. Dependendo da dureza do minério, dois, três ou às vezes quatro estágios de britagem são usados para reduzir o ROM (run-of-mine) ao tamanho de alimentação requerido.

• Britagem primária e secundária: normalmente por britadores giratórios ou cônicos. Britadores de mandíbulas raramente têm capacidade ou durabilidade para serem primários, exceto se o minério for excepcionalmente macio.
• Britagem terciária: topo de 25 mm, usualmente por britadores de cabeça curta em circuito fechado com peneiras.
• Tipicamente, britagem primária, secundária e peneiramento ocorrem no local da mina.

Investimento de capital e custos operacionais de britagem e moagem são substanciais; a economia determina o uso desses equipamentos e o grau de cominuição. Outros fatores: valor de concentração do minério, mineralogia, dureza e teor de umidade.

Moagem Fina

Após britagem inicial, a moagem fina reduz partículas à consistência de pó fino (325 mesh, 0,44 mícrons). A escolha do circuito de moagem baseia-se na densidade e dureza do minério. Embora moagem com moinhos de barras ou bolas seja comum, algumas instalações usam sistemas autógenos ou semi-autógenos.

• Moagem autógena: usa pedaços grosseiros do próprio minério como meio moedor. Adequada para minérios fracamente cementados contendo algum material duro. Vantagem: menos intensiva em capital e mão de obra.
• Moagem semi-autógena: usa bolas/barras metálicas para suplementar a ação dos pedaços de minério. Elimina necessidade de circuito de britagem secundária. Desgaste de barras e bolas (principal custo de manutenção de moinhos tradicionais) é eliminado.
• Moínhos de barras: projetados para moer alimentação normalmente <35 mm até <3 mesh. Moinhos rotativos com relação comprimento/diâmetro de 1,5 a 2,0. Meio moedor: barras de aço até 100 mm. Moagem úmida com 68–80% de sólidos. Tamanho do produto controlado por taxa de alimentação, carga de barras, velocidade, densidade e viscosidade da polpa.
• Moínhos de bolas: principal meio de moagem fina. Semelhantes aos de barras, mas relação comprimento/diâmetro até 1,5. Meio moedor: esferas de aço. Eficiência afetada pela eficiência de classificação e parâmetros operacionais (velocidade, carga de meio, densidade e viscosidade da polpa).
• Moínhos de seixos: usados para moagem fina. Semelhantes aos de bolas, mas carregados com seixos de 25–100 mm em vez de esferas de aço. Vantagem: não requer meio moedor de aço e desgaste de revestimento é reduzido. Desvantagem: alto consumo de energia.

Entre cada unidade de moagem, hidrociclones classificam partículas grossas e finas. Grossas retornam ao moinho para redução adicional. Minério moído na forma de polpa é bombeado à próxima etapa. Se destinado à flotação, reagentes químicos são normalmente adicionados à polpa nesta etapa.

Flotação

A flotação é eficaz para concentração de minérios finos (<100 mesh). Baseia-se no fato de que certos reagentes adicionados a suspensões aquosas de minério finamente moído causam seletivamente afinidade por ar nos minerais de óxido de ferro ou na ganga. Minerais com essa afinidade aderem a bolhas de ar e são removidos como produto de espuma.

Fatores importantes para sucesso: uniformidade do tamanho de partícula, reagentes compatíveis com o minério, condições de água que não interfiram na adesão dos reagentes ao minério ou bolhas.

Quatro Tipos de Reagentes Químicos

• Coletores/aminas: induzem afinidade preferencial por ar; causam adesão entre partículas sólidas e bolhas na célula de flotação.
• Espumantes: causam formação estável de bolhas/espuma; reduzem tensão superficial, permitindo coleta do material valioso por escumação no topo da célula.
• Antiespumantes: reagem com superfícies das partículas para manter materiais fora da espuma; caem ao fundo como rejeitos.
• Outras substâncias (modificadores, dispersantes, depressores): controle de pH, melhor dispersão ou floculação.

Fatores importantes no condicionamento: mistura e dispersão completa dos reagentes na polpa, contato repetido entre reagentes e partículas de minério, tempo para desenvolvimento dos contatos e reações desejadas. Reagentes podem ser adicionados em formas sólida, líquido imiscível, emulsão ou solução aquosa. Concentração é rigidamente controlada; excesso retarda a reação e reduz eficiência.

Células de Flotação Modernas

Tendência atual: células maiores e mais eficientes energeticamente. Polpa contendo minério moído, reagentes e água alimenta as células. Tipicamente 10–14 células em série: roughers (separação grosseira de minerais metálicos da ganga), scavengers (recuperam valores remanescentes). Polpa move-se dos roughers para scavengers à medida que valores são removidos. Concentrados da espuma nas células de roughing e scavenging vão para células de limpeza (cleaning) para produzir concentrado final.

Tipos de Coletores

• Aniónicos: ionizam em solução; espécie ativa (adere à superfície mineral carregada positivamente) é negativamente carregada. Principal aplicação: flutuar minerais ferríferos da ganga. Coletores comuns: ácidos graxos ou sulfonatos de petróleo. Óleo combustível adicionado junto para promover recuperação de partículas de óxido de ferro <10 mícrons.
• Catiônicos: espécie iônica ativa é positivamente carregada. Usados para flutuar ganga do minério bruto finamente moído e remover pequenas quantidades de ganga de alguns concentrados. Coletores: aminas alifáticas primárias ou diaminas, beta-amina, éter-aminas, geralmente na forma acetato.

Rejeitos da Flotação

Resíduos coletados no vertedouro de overflow dos rejeitos. Dependendo do teor da espuma, reciclada para recuperação adicional ou descartada como rejeito final. Rejeitos contêm ganga remanescente, minerais de ferro não recuperados, reagentes e água de processo. Geralmente seguem para espessador antes de irem à barragem de rejeitos. Sólidos da polpa: 30–60%. Após espessamento, bombeados à barragem; sólidos reciclados para beneficiamento adicional, água clarificada retorna à britagem/moagem. Na barragem, sólidos sedimentam e líquido é reciclado ao moinho. Reagentes químicos aderem às partículas de rejeito e permanecem na barragem.

Espessamento/Filtração

Espessadores removem a maior parte do líquido de concentrados e rejeitos em polpa. Emprega-se em duas fases: (i) concentrados espessados para reduzir umidade e recuperar água; (ii) rejeitos em polpa espessados para recuperar água. Instalações geralmente usam vários espessadores simultaneamente.

Operações de ferro tipicamente usam espessadores contínuos com mecanismo de rastelo. Várias variações de rastelos são usadas. Quando concentrados são espessados, subfluxo (concentrado) é coletado e tratado em filtro a vácuo de disco cerâmico, que remove a maior parte da água restante. Líquido removido pode conter reagentes de flotação e/ou produtos minerais dissolvidos/suspensos; geralmente reciclado a tanque de espera para reuso no moinho. Sólidos resultantes são coletados como concentrado final para aglomeração. Rejeitos espessados descarregados na barragem.

Concentração Gravítica

Amplamente usada no beneficiamento de minérios de hematita. Tecnologia suspende e transporta ganga mais leve do mineral valioso mais pesado. Baseia-se principalmente nas diferenças de gravidade específica dos materiais e tamanho das partículas. Valores podem ser removidos junto com a ganga (rejeitos) apesar das diferenças de densidade se os tamanhos variarem. Por isso, tamanhos devem ser mantidos uniformes com classificadores (peneiras, hidrociclones). Três métodos históricos: (i) lavagem, (ii) jigging, (iii) separadores de meio denso. Espirais e cones Reichert são outros dois métodos.

Resíduos: rejeitos de ganga (partículas grossas e finas) e água de processo. Bombeados como polpa à barragem. Sólidos: 30–60%. Após separação em barragem, água pode ser reciclada ou descartada.

Lavagem (Washing)

Processo mais simples de concentração. Aproveita alta gravidade específica e tamanho comparativamente grosso dos minerais ferríferos para separá-los da ganga siliciosa mais fina e leve (predominantemente quartzo e minerais de argila). Minério preparado por britagem em 1–2 estágios até <50 mm. Alimentado a lavadores de toras (log washers). Agitação intensa por pás (semelhante a pug mill moderno) combinada com água em contracorrente cominui e remove sílica fina, deixando produto residual grosso rico em ferro. Overflow do lavador frequentemente retratado em classificadores de rastelo ou espirais para recuperar ferro fino adicional. Algumas plantas usam classificadores espirais em 1–2 estágios sem lavador de toras em minérios com pouca argila pegajosa. Classificadores de sedimentação dificultada também usados para recuperar ferro fino.

Jigging

Forma mais complexa que lavagem simples; usada em minérios mais duros que requerem britagem para quebrar camadas ricas em ganga. Jigs para beneficiamento de ferro são basicamente peneiras horizontais com leito de minério de 150–250 mm. Minério alimentado em uma extremidade e estratificado por ação pulsante de água (bomba oscilante ou movimento físico da peneira). À medida que o minério avança no deck, pulsação permite partículas leves subirem ao topo do leito, enquanto partículas pesadas ricas em ferro se segregam na base. Dois produtos separados no final: leves sobre vertedouro de descarga, concentrado de ferro sob o fundo. Jigs funcionam melhor em partículas de 1 mm a 25 mm.

Separação por Meio Denso (Heavy Media Separation)

Desenvolvida nos anos 1950 como alternativa mais eficaz ao jigging para upgradamento de minérios. Opera no princípio pia-flutua. Suspensão de ferrossilício fino (<200 mesh) em água cria meio fluido com gravidade específica ~3,0. Partículas ricas em sílica (GE ~2,6) flutuam; partículas de minério de ferro mais densas (GE >4,0) afundam. Meio convencional para minério grosso: ferrossilício 15% Si, 85% Fe. Suspensões com 64–85% de ferrossilício moído têm GE 2,2–3,6.

• Vasos de separação para minério grosso (+9 mm): classificadores espirais, de rastelo ou tambores rotativos.
• Minério <9 mm e >3 mm: ciclopiros de meio denso, onde altas forças gravitacionais aceleram sedimentação de partículas pesadas. Magnetita finamente moída usada no meio para ciclopiros (em vez de ferrossilício). Dinâmica do ciclone cria densidade e fluidez necessárias apesar da GE menor da magnetita. Custo da magnetita é muito menor.
• Meio (ferrossilício e magnetita) lavado dos produtos pia/flutua em peneiras finas com calhas de lavagem e sprays; recuperado da água de lavagem com separadores magnéticos e reciclado.

Espirais (Spirals)

Desenvolvidas inicialmente para areias de praia; usadas em concentração de ferro para tratar minérios de <6 mesh (3,36 mm) a 100 mesh (0,149 mm). Eficiência abaixo de 100 mesh cai rapidamente; ineficazes em materiais mais finos. Operadas com densidade de polpa de 25–30% de sólidos.

Amplamente usadas para recuperação suplementar de ferro fino de minérios mercantes e dispositivo primário para hematita especular do Labrador Trough e minérios similares liberados por moagem não mais fina que 20 mesh.

Princípio de operação: concentradores espirais são dispositivos de separação por filme fluido. Operação contínua: fluxo laminar gravitacional em superfície inclinada. Mecanismo envolve fluxo primário (polpa fluindo pelo canal sob gravidade) e fluxo secundário (radial através do canal). Camadas superiores de fluido com partículas de maior densidade movem-se para fora do centro; camadas inferiores de concentrado de maior densidade movem-se para o centro. Espirais requerem adição de água em vários pontos para auxiliar lavagem (transportar ganga leve do minério denso). Quantidade e distribuição de água ajustáveis. Controle pontual minimiza água total direcionando-a eficientemente no fluxo no ângulo mais efetivo.

Concentrador espiral: calha de fundo curvo, enrolada em eixo vertical em forma de hélice. Alimentado no topo com polpa de minério e ganga; ganga menos densa, mais facilmente suspensa, atinge maior velocidade tangencial que minerais de ferro e migra para borda externa. Água de lavagem adicionada na borda interna ajuda remover ganga. Após algumas voltas, banda de mineral de ferro forma-se na borda interna, ganga forma bandas na externa. Portas espaçadas na borda interna coletam e removem minerais de ferro. Ganga permanece na espiral e descarrega no fundo.

Cone Reichert

Vantagens principais: capacidade e habilidade de recuperar minerais pesados finos eficientemente até ~325 mesh, mais fino que espirais. Um único cone tem capacidade até 100 t/h; eficaz para recuperar finos de hematita especular.

É concentrador de filme fluido. Partículas mais densas concentram-se no fundo de filme fluido de polpa com ~60% de sólidos em peso. Mecanismo: combinação de sedimentação dificultada de partículas densas e percolação intersticial de partículas finas. Elemento de separação: cone inclinado de 1,9 m de diâmetro. Polpa distribuída uniformemente na periferia. À medida que flui por gravidade ao centro, finos e pesados concentram-se no fundo e são removidos por fenda anular próxima ao ápice. Rejeito flui sobre a fenda e coletado no ápice/centro. Como eficiência é relativamente baixa, processo repetido várias vezes em arranjo empilhado de cones para aumentar recuperação. Concentrado de mais alto teor produzido no cone primário.

Separação Magnética

Normalmente usada para separar minério magnético natural (magnetita) de materiais menos magnéticos ou não magnéticos. Durante a separação, percentual substancial de unidades de ferro é perdido nos rejeitos, pois a hematita é apenas fracamente magnética.

Pode ser conduzida em ambiente seco ou úmido. Sistemas úmidos são mais comuns. Categorizada como baixa ou alta intensidade.

• Baixa intensidade (LIMS): campos de 1.000–3.000 gauss. Usada em minério de magnetita; barata e eficaz. Captura apenas material altamente magnético (magnetita).
• Alta intensidade: campos até 20.000 gauss. Usada para separar minerais de ferro fracamente magnéticos (hematita) de ganga não magnética ou menos magnética.

Outros fatores na escolha do separador: tamanho de partícula e teor de sólidos da polpa de alimentação.

Tecnologias de Separação Magnética

• Separação magnética úmida e seca de baixa intensidade (LIMS)
• Separação magnética de alto gradiente (HGMS)
• Separação magnética úmida de alta intensidade (WHIMS)
• Separadores de rolo para minérios fracamente magnéticos
• Separação magnética por rolo de indução (IRMS) para concentrar minérios secos

Outros mecanismos: polias magnéticas, separadores de rolo induzido, separadores de correia cruzada, separadores de anel.

Estágios Típicos

1. Cobbing: partículas maiores (9 mm); rejeita ~40% da alimentação como rejeito. Separação seca de baixa intensidade às vezes usada aqui.
2. Limpeza/Roughing: partículas ~48 mesh (0,32 mm); remove 10–15% da alimentação como rejeito.
3. Acabamento (Finishing): partículas <100 mesh (0,149 mm); remove 5% remanescentes de ganga. Devido à alta concentração da alimentação neste estágio.

Cada estágio emprega vários tambores em série para aumentar eficiência. Estágios sucessivos trabalham em partículas mais finas devido à remoção de sobredimensionados nos estágios anteriores.

Processos Úmidos de Baixa Intensidade

Envolvem transportadores e separadores de tambor rotativo com ímãs permanentes; primariamente em partículas ≤9 mm. Minério alimentado por transportador; partículas de magnetita atraídas e retidas nas laterais do tambor até saírem do campo magnético e transferidas ao receptor de concentrado. Ganga não magnética ou menos magnética segue para barragem de rejeitos. Às vezes vários tambores em série para maximizar recuperação.

Separadores Úmidos de Alta Intensidade

Produzem altos gradientes de campo magnético usando matriz de peças de ferro moldadas que atuam como sítios de coleta para partículas paramagnéticas. Formas: esferas, hastes, placas ranhuradas, metal expandido, fibras.

Resíduos primários: rejeitos de ganga (partículas grossas e finas) e polpa de água residual (separação úmida). Resíduos particulados de separação seca também podem ser polpeados. Após separação em espessador ou lagoa de decantação, sólidos vão à barragem; líquido pode ser reciclado ao moinho ou descartado se critérios de qualidade atendidos.

WHIMS (Wet High Intensity Magnetic Separation)

Desenvolvida para recuperar unidades de ferro não magnéticas. Aplicável em ampla faixa de tamanho: 10 mesh (2 mm) a 500 mesh, dependendo da matriz. Aplicações: recuperação de ferro de finos de minério natural, upgradamento de concentrados de espirais, recuperação de hematita de rejeitos. Em WHIMS, eletroímãs produzem campo de altíssima intensidade aplicado a matriz de esferas de aço, placas ranhuradas espaçadas, lã de aço ou metal expandido. Matriz contida em anel rotativo entre ímãs de alta intensidade. Polpa de minério introduzida onde matriz está no campo. Altos gradientes ao redor da matriz retêm hematita enquanto ganga é lavada. Concentrado de hematita liberado e descarregado quando matriz sai do campo.

Figura 1 mostra diagrama esquemático de uma espiral e um WHIMS.

Figura 1 – Diagrama esquemático de uma espiral e um WHIMS