"Ouvindo" os moinhos trabalharem

O controle do moinho semiautógeno (SAG) é complexo e depende de diversas variáveis dinâmicas do processo. Uma boa estratégia operacional garante que o moinho opere o mais próximo possível do ponto ótimo, resultando em benefícios significativos à operação, em função do aumento da eficiência energética da moagem e do melhor aproveitamento dos revestimentos. Mineradoras no Brasil e no mundo tem continuadamente melhorado as estratégias de controle, e uma de suas iniciativas consta em instalar o SmartEarTM, sistema de monitoramento acústico do moinho SAG, desenvolvido pela Metso. Os dados obtidos desse sistema foram utilizados para otimizar o desempenho do moinho ao minimizar o período no qual ele apresenta comportamento muito silencioso ou muito ruidoso. O limite inferior indica que a carga do moinho está elevada para uma quebra eficiente ou que a velocidade de rotação está baixa e os corpos moedores não estão atingindo o pé da carga. Por outro lado, quando a emissão sonora está elevada, pode ser uma indicação de que o corpo moedor é lançado acima do pé da carga, o que compromete a eficiência da moagem e o desempenho das placas altas e baixas do revestimento em razão do desgaste elevado. Ao manter a operação na faixa de emissão sonora ótima, uma moagem mais eficiente é atingida.  Análises dos dados industriais indicam uma redução ao redor de 11% no consumo de energia.

Este artigo abordará a instalação do SmartEarTM e os benefícios obtidos a partir do controle do moinho SAG com o uso do monitoramento acústico.

Introdução

O sistema de monitoramento acústico SmartEarTM, desenvolvido pela Metso, através do setor de Tecnologia de Processo e Inovação (Process Technology and Innovation - PTI), é utilizado por operações com o objetivo de auxiliar no controle do moinho SAG e de prevenir danos ao seu revestimento. Este artigo aborda a concepção e o motivo do uso dessa tecnologia e do contador de impactos, que é uma das principais variáveis de saída. A eficácia do sistema para indicar a eficiência na etapa de moagem foi determinada pela a análise de dados de processo em conjunto com os de ruído emitido pelo moinho.

Desenvolvimento do contador de impactos

O monitoramento acústico de moinhos é geralmente utilizado para dois propósitos distintos. O primeiro é para o controle da alimentação de acordo com a característica da emissão sonora do moinho (Tornton et al, 2005). O segundo é para detectar excessivos impactos de corpos metálicos, sejam eles a carga moedora ou até mesmo pedaços de levantadores soltos, sobre os revestimentos (Powell, 2001). Sob esta condição um alarme é emitido para que as devidas decisões sejam tomadas.

O SmartEarTM utiliza componentes industriais de alta qualidade para capturar e analisar a emissão acústica de moinhos SAG. O programa filtra e analisa os sinais para mensurar o nível sonoro, com o objetivo de auxiliar no controle das diversas variáveis operacionais do moinho, entre elas a pressão dos mancais (ou peso), velocidade e alimentação. Outros artigos publicados detalham o SmartEarTM (La Rosa et al, 2008; Metso, 2004). Apesar deste sistema ter sido inicialmente utilizado como uma ferramenta para proteção dos revestimentos, a Metso PTI tem focado em estender seu uso para auxiliar no controle do nível da carga. Consequentemente, foram desenvolvidos um modelo matemático do moinho em regime (Morrell, 1996a, 1996b; Valery, 1997; Valery e Morrell, 1997) para prever a carga total e um algoritmo para melhorar a detecção e a medição de impactos nos revestimentos (conhecido como contador de impactos).

O algoritmo foi desenvolvido a partir de análises de amostras sonoras (frequências) isoladas de impacto de metal-metal. O contador de impactos tem como função buscar tais frequências típicas no ruído emitido pelo moinho e contar os eventos dentro de um determinado período.

Ensaios iniciais, realizados durante a fase de desenvolvimento, confirmaram o comportamento previsto do contador de impactos: aumento da contagem com a redução do nível da carga e, consequentemente, exposição dos revestimentos. Após a validação, o sistema foi refinado para reduzir à três os parâmetros de calibração: (1) filtro de frequência – para indicar a faixa de impacto metal-metal, (2) limite limiar – para classificar um sinal sonoro como impacto e (3) período – duração de um evento metal-metal para não contá-lo repetidas vezes.

A filosofia de controle para o uso do contador de impactos é simples e direta. Se for observado baixa contagem, as bolas atingem uma região que não é próxima ao pé da carga, portanto não utilizando a energia de modo eficiente. Se a contagem é significativamente alta, então as bolas estão sendo arremessadas diretamente nos revestimentos e não no pé da carga (Poweell, 2001). A Figura 1 é uma representação gráfica destes dois cenários (“a” e “c”, respectivamente) e do caso ótimo (“b”).

Figura 1 – Diferentes cenários da operação do moinho

Um ponto de discussão no monitoramento acústico de moinhos SAG é distinguir impactos rocha-metal, os quais aumentam a eficiência da moagem, e metal-metal. Em geral, a maioria dos impactos rocha-metal apresentam um sinal com menor magnitude e frequência fundamental menos consistente em relação ao impacto metal-metal. Em todos os sistemas, podem ocorrer impactos rocha-metal que serão classificados como metal-metal, porém com o desenvolvimento do contador de impactos, a Metso PTI otimizou esta medição.

Instalação do sistema Smartear

As operações ao redor do mundo instalam o SmartEarTM para proteger os revestimentos e usar as variáveis de saída (impactos por minuto – IPM e intensidade sonora) para auxiliar no controle do moinho (por exemplo, a taxa de alimentação e a velocidade de rotação).

A Figura 2 apresenta uma instalação típica do sistema, o qual consiste de:

• Dois microfones a prova d´água instalados um de cada lado do moinho
• Um painel de campo com o condicionador do sinal, fonte de tensão e sistema de transmissão (WI-FI, fibra óptica ou cabo coaxial).
• Na sala de controle, o receptor converte o sinal enviado em elétrico antes de se comunicar com a placa de áudio do servidor SmartEarTM
• Após o tratamento do sinal pelo programa, os resultados são enviados para a rede de controle e disponibilizado no PIMS ou CLP.

Figura 2 – Instalação simplificada do SmartEarTM

A calibração do sistema é realizada pela comparação do nível sonoro total medido por um decibelímetro portátil, o qual é posicionado ao lado do microfone do SmartEarTM. Desta forma, os três parâmetros de calibração apresentado anteriormente ((1) filtro de frequência, (2) limite limiar e (3) período) são ajustados para cada operação. A Figura 3 apresenta a interface do programa.

Uma estratégia operacional é manter a potência do moinho e a contagem de impactos constantes. Ou seja, se a potência consumida cair, a alimentação deve ser aumentada e a velocidade pode ser (ou não) reduzida. Na situação contrária (potência aumentar), a alimentação deve ser reduzida e a velocidade pode ser (ou não) aumentada. Semelhantemente, se a contagem de impactos por minuto está baixa, a alimentação deve ser reduzida e a velocidade pode ser (ou não) aumentada. Por outro lado, se a contagem estiver elevada, a alimentação deve ser aumentada e a velocidade pode ser (ou não) reduzida. A Figura 4 ilustra as condições previamentes descritas. A contagem de IPM auxilia à operação na tomada de decisão prévia, uma vez que esta variável é mais sensível, relativamente à variação da potência ou do peso/volume da carga do moinho.

Figura 3 – Interface do SmartEarTM

Figura 4 – Estratégia operacional baseada no IPM

Resultados e discussões

Para validar a eficiência do SmartEarTM, foram coletados e analisados dados de dois clientes (Site A e Site B), por um período de um ano, a cada uma hora. Para o tratamento dos dados foram utilizadas tabelas dinâmicas do Microsoft Excel. Em particular, a relação entre a eficiência da moagem (indicada pela potência específica do processo em kWh/t) e a contagem de impactos por minuto foi analisada.

A partir desta relação, identificou-se uma faixa ótima operação, a qual é particular de cada site, conforme apresentada na Figura 5. Foram escolhidas estas duas operações pois apresentam condições operacionais distintas. A potência específica do Site A variou entre 5,5 e 6,25 kWh/t, enquanto a do Site variou entre 2,75 e 3,25 kWh/t. A faixa de contagem de impactos por minuto no Site A foi entre 0 a 150 e no Site B este parâmetro variou entre 200 e 450.

Figura 5 – Relação entre potência específica e IPM

A análise indica que, com uma contagem de impactos moderada (específica para cada operação), é possível atingir uma eficiência de moagem maior em comparação com níveis baixos/elevados de IPM. Este resultado é consistente com a literatura que indica que a moagem é mais eficiente quando a carga moedora atinge o pé da carga do que em relação à arremessada fora desta região.

Com o propósito de controle, é insuficiente apenas saber que a operação de moagem não está eficiente o quanto poderia estar. Através da medição da quantidade de impactos é possível determinar a eficiência de moagem e indicar condições operacionais indesejadas, como apresentado na Figura 6, para o Site A, e Figura 7 para o Site B.

A Figura 6 mostra um exemplo de resposta do contador de impactos no Site A para um aumento da carga do moinho SAG e consequentemente da potência consumida a partir das 3 horas. A quantidade de impactos foi diminuindo gradativamente até que o operador reduziu a taxa de alimentação e os impactos voltaram a aumentar. Sob estas condições (aumento da carga e o aumento da potência consumida) a potência específica aumentou e os impactos diminuíram.

Figura 6 – Evolução dos IPM e da potência específica do Site A

Para o Site B (Figura 7), o período analisado contemplou aproximadamente seis meses. Desta forma, foram destacados três períodos (I, II e III) com comportamentos distintos da operação. No período I, a estratégia operacional em função do IPM estava adequada, pois foi observado nível médio de impactos e redução da potência específica. Comportamento ineficiente é observado no período II, onde foram registrados níveis baixos de impactos e aumento da potência específica.

A partir de junho (período III), o aumento da velocidade de rotação do moinho influenciou significativamente a medição do sistema SmarEar™. A resposta do sistema a esta nova estratégia operacional foi a elevação ao nível máximo de IPM em todo o período, chegando a atingir a saturação do sistema.

Uma das consequências de operar o moinho fora das condições ideais é a ineficiência energética do processo de cominuição (elevação da potência específica), além do desgaste acentuado, e até quebra, dos elevadores/revestimentos.

Figura 7 – Evolução dos IPM e da potência específica do Site B

Os dados de velocidade de rotação (Figura 8), de alimentação (Figura 9) e de potência (Figura 10) também são apresentados em função das faixas de IPM.

Para o site A, a relação entre a velocidade de rotação e IPM foi observada conforme a literatura (quanto maior a velocidade de rotação, maior o número de impactos) apenas para contagens acima de 75 IPM. Abaixo deste valor, as Figura 9 e Figura 10, apresentam que a alimentação estava relativamente baixa para um consumo de potência elevado, em consequência das velocidades elevadas. Esta condição indica que o moinho estava com uma carga elevada (baixos IPM) e a operação adotou medidas para reduzí-la. Entretanto, para o Site B, foi observado um salto no número de IPM quando o moinho operou entre 9 e 9,25 rpm.

Figura 8 – Relação entre velocidade de rotação e IPM

A relação entre a alimentação e os IPMs apresenta geralmente uma alimentação mais elevada para uma menor potência consumida quando os impactos estão nas faixas intermediárias, o que representa uma melhoria na eficiência de moagem.

De acordo com a literatura, a potência diminui com o aumento do número de IPM. Para o Site A, esta relação foi observada. Entretanto, para o Site B foi observado um aumento da potência com o aumento do número de IPM. Este resultado sofreu grande influência da mudança da estratégia operacional, na qual a velocidade de rotação do moinho foi elevada, como apresentado na Figura 8.

Figura 9 – Relação entre alimentação e IPM

Figura 10 – Relação entre potência e IPM

A Tabela 1 resume o comportamento das variáveis apresentadas em função da contagem de IPM, sendo que, para níveis médios de impacto, a máxima eficiência energética foi é atingida.

Conclusões

O sistema SmartEarTM, e mais especificamente, o contador de impactos, vem sendo utilizado não só para identificar impactos metal-metal que são as causas das quebras de revestimentos, mas também para atingir uma maior eficiência energética na etapa de moagem em função do controle do número de IPM.

O Site A, ao operar o moinho SAG na faixa entre 75 e 125 IPM, reduziu seu consumo específico de potência em 0,62 kWh/t em relação a faixa de operação entre 0 e 25 IPM. Considerando a produção média no período de 900 t/h, a economia de energia foi de 558 kWh, que representa 10% da potência média consumida no mesmo período (5,3 MW). Ao aplicar a mesma abordagem para o Site B (faixa ideal de IPM entre 250 e 350, produção média de 5110 e consumo de potência médio de 16,3 MW), a redução da potência específica foi de 0,21 kWh/t, que representa 1 MW ou 6% da potência média consumida.

Referências

LA ROSA, D., Cantarutti, A., Wortley, M. and Ozkocak, T. 2008. The use of acoustics to improve load estimation in the Cannington AG mill, in Proceedings MetPlant 2008, pp. 105-116 (The Australasian Institute of Mining and Metallurgy: Melbourne)

Metso. 2014. SmartEarTM system [online]. Disponível em: http://www.metso.com/miningandconstruction/mct_service.nsf/WebWID/WTB-111031-22576-FA6CD?openDocument. Visitado em 2 de abril de 2014.

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M.S. Powell, Liner selection – a key issue for large SAG mills. Proceedings International autogenous and semiautogenous grinding technology 2001, Sep. 30 - Oct. 3, 2001, Ed. Barratt et al, Published CIM, vol.III, pp. 307-322

THORNTON, A. J., PETHYBRIDGE, T., RIVETT, T. and DUNN, R. 2005.SAG mill control at Northparkes Mines (not so hard after all). MIPAC report.

VALERY Jnr, W. 1997. A model for dynamic and steady-state simulation of autogenous and semiautogenous mills. PhD Thesis. JKMRC, University of Queensland, Brisbane.

VALERY Jnr, W. and Morrell, S. 1997. A dynamic and steady-state model of autogenous and semiautogenous mills, presented to International Conference Comminuition ´98, Brisbane, 16-18 Fev.

(*) Rodrigo Hayashida, formado em engenharia de minas pela USP (Poli), é gerente de Tecnologia de Processo e Inovação.