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B ENEFIAMENTO DE
MINÉRIOS DE O URO
Antonio Eduardo Clark Peres - UFMG
Arthur Pinto Chaves - USP
Fernando Antonio Freitas Lins - CETEM/MCT
Maurício Leonardo Torem - PUC-Rio
1. INTRODUÇÃO
O beneficiamento de minérios de ouro apresenta algumas peculiaridades que o distinguem de outros métodos de tratamento. A espécie submetida ao processo de beneficiamento é uma entidade química em sua forma elementar metálica, caracterizada por elevadas densidade e maleabilidade. O valor de mercado do produto é consideravelmente superior ao da grande maioria dos bens minerais.
Em linhas gerais, as rotas de processamento podem se restringir a uma mera adequação granulométrica do minério às etapas hidrometalúrgicas subseqüentes ou envolver, além da preparação, estágios de concentração. Nesse último caso as propriedades diferenciadoras exploradas são a diferença de densidade e de hidrofobicidade (natural ou induzida) entre o ouro e os minerais a ele associados mais intimamente e os minerais de ganga. As operações de preparação devem preservar as partículas de ouro livre e o beneficiamento como um todo deve priorizar a recuperação do ouro contido, ficando o teor de ouro no concentrado e a rejeição de impurezas como objetivos secundários.
As etapas de preparação estão presentes tanto em circuitos em que ocorre concentração prévia dos minérios quanto naqueles em que o minério é submetido diretamente à extração hidrometalúrgica.
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- PREPARAÇÃO
A preparação abrange britagem, peneiramento, moagem e classificação.
BRITAGEM
A britagem primária pode ser realizada tanto em britadores de mandíbulas de dois eixos quanto em britadores de impacto (Chaves e Peres, 1999).
Nos britadores de mandíbulas ( Figura 1 ) os elementos mecânicos ativos são uma placa metálica móvel (mandíbula móvel), que se move em movimento recessivo (aproxima-se e afasta-se) de uma placa metálica fixa (mandíbula fixa). A distância entre as duas mandíbulas na extremidade superior do britador é designada como "gape". O fragmento de rocha ou minério a ser britado é introduzido no espaço entre as duas mandíbulas e, durante o movimento de aproximação, é esmagado. Os fragmentos resultantes escoam para baixo, durante o movimento de afastamento, cada qual se deslocando até uma posição em que fique contido pelas mandíbulas e seja novamente esmagado na aproximação seguinte da mandíbula móvel. A mandíbula móvel movimenta-se em torno de um eixo cêntrico. O movimento é gerado por um outro eixo, excêntrico, que aciona uma biela. Esta biela está ligada a duas placas rígidas de metal, chamadas "abanadeiras". A abanadeira da direita tem sua extremidade à direita fixa. A extremidade da esquerda sobe e desce com o movimento da biela, percorrendo um arco de círculo e empurrando a ponta inferior da biela para a frente e depois retornando com ela. A abanadeira da esquerda tem um movimento mais complexo: sua ponta direita sobe e desce e vai para a frente e retorna, transmitindo esses movimentos para a mandíbula, à qual está presa pela sua extremidade esquerda. Como a mandíbula móvel está presa pelo eixo cêntrico, o movimento que ela tem liberdade para fazer é percorrer um arco de círculo, aproximando e afastando a sua extremidade inferior da mandíbula fixa (abrindo e fechando). Todo o conjunto mandíbula móvel - abanadeira esquerda
- biela - abanadeira direita é mantido solidário e rígido por uma outra peça, o tirante, que é aparafusado à carcaça do britador. A abanadeira direita apoia-se num calço, de tamanho variável, cujo efeito é aumentar ou diminuir a distância entre as extremidades inferiores das mandíbulas - a "abertura" do britador. Nota-se na Figura 1 a presença de um volante (na realidade são 2, mas o outro está no plano anterior ao corte). Estes volantes têm a função principal de armazenar energia cinética durante a operação do britador, que é intermitente, o equipamento passando períodos operando em vazio, isto é, sem receber alimentação. Nestes períodos, o volante gira e acumula energia cinética, que será dispendida no momento em que o britador for alimentado e tiver que quebrar as partículas entre as mandíbulas. Desta forma o motor do equipamento é aliviado. A outra função de um dos volantes é trabalhar como uma grande polia, acionada por correias em V, a partir do motor. Isto é vantajoso, porque vale como um dispositivo de segurança: em caso de travamento do britador (por exemplo por causa de um fragmento grande demais para ser britado), as correias patinam ou acabam por se romperem, protegendo o motor.
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Nas britagens secundária e terciária são empregados britadores cônicos (Chaves e Peres, 1999). Essas máquinas pertencem à família dos britadores giratórios. Em comparação com os britadores giratórios propriamente ditos, apresentam altura do cone reduzida em relação ao diâmetro da base e o manto fecha-se no topo, permitindo melhor aproveitamento do volume da câmara. Os fabricantes fornecem equipamentos com diferentes desenhos de câmara para grossos, médios e finos, de modo que a distribuição granulométrica do produto passante na abertura na posição fechada varia, respectivamente, entre 60%, 68% e 75%. Os aparelhos usados na britagem secundária são designados como britador cônico ou cônico "standard"; os empregados na britagem terciária são mais curtos e de câmara mais fechada, sendo chamados de "short head" ( Figura 3 ).
Figura 2 - Britador de impacto
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PENEIRAMENTO
Nos circuitos de britagem de minérios de ouro no Brasil são empregadas peneiras vibratórias convencionais, constituídas por um chassi robusto, apoiado em molas, um mecanismo acionador do movimento vibratório e um, dois ou três suportes para as telas ("decks") (Chaves e Peres, 1999). No peneiramento de partículas grosseiras é necessário revestir as paredes internas do chassi com placas de material resistente à abrasão. Quando se peneiram populações contendo tamanhos variados numa malha de abertura pequena é muito conveniente a colocação de um "deck" de alívio ou proteção, com uma tela grossa e forte, que recebe o impacto e o esforço mecânico das partículas maiores. Ao final os "oversizes" das duas frações são reunidos gerando um produto único. As peneiras vibratórias inclinadas têm inclinações variando entre 15º e 35º e transportam o material do leito a uma velocidade de 18 a 36m/min, dependendo da inclinação. As peneiras horizontais transportam o material à velocidade de 12m/min. As peneiras vibratórias inclinadas têm um movimento vibratório circular ou elíptico, que faz com que as partículas sejam lançadas para cima e para a frente, de modo que possam se apresentar à tela várias vezes, sempre sobre aberturas sucessivas. Este movimento vibratório causa a estratificação do conjunto de partículas sobre a tela, de modo que as maiores fiquem por cima e as menores por baixo.
Figura 3 - Britadores cônico "standard" e "short head"
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1,5 a > d > a - também se encaminham para o "oversize" mas, em suas tentativas de
passar, podem acabar presas em alguma abertura, reduzindo a capacidade de peiramento;
o problema pode ser minimizado mediante regulagem da amplitude e da freqüência;
a > d > 0,5 a - essas partículas só atravessam a tela quando caem sobre a malha numa
posição conveniente, exigindo um número elevado de tentativas para passar; constituem a
chamada faixa crítica de peneiramento;
d < 0,5 a - atravessam a abertura da malha com facilidade;
d << 0,5 a - deveriam ter comportamento semelhante ao da classe anterior, mas devido à
umidade podem recobrir a superfície das partículas maiores; uma solução para o problema
seria o peneiramento a úmido.
Figura 5 - Comportamento individual das partículas
MOAGEM
Os moinhos empregados em cominuição de minérios de ouro no Brasil são moinhos de
bolas (Chaves e Peres, 1999), enquadrados na categoria de moinhos de carga cadente
( Figura 6 ). São constituídos de um corpo cilíndrico que gira em torno do seu eixo. A
carcaça é feita de chapa calandrada e soldada, com espessura entre 1/100 e 1/75 do
diâmetro do moinho, fechada nas duas extremidades por peças de aço fundido chamadas
tampas, cabeças ou espelhos ("heads"). São sempre revestidos internamente por material
resistente ao desgaste, metálico ou de borracha. Fazem parte das tampas dois pescoços,
ou munhões, que sustentam todo o moinho (carcaça, revestimento, tampas, corpos moedores,
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Figura 6 - Moinho de carga cadente
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parte da água sai pelo "vortex finder", devido à sua maior secção. No interior do ciclone toda a água gira no mesmo sentido, mas parte dela tem uma componente vertical de velocidade descendente e se dirige para o "apex" (vórtice descendente) e a outra tem um sentido ascendente e se dirige para o "vortex finder" (vórtice ascendente). As principais características desse escoamento são: a velocidade angular varia diretamente com a pressão de alimentação; a velocidade linear varia diretamente com a velocidade angular para um dado diâmetro de ciclone (em ciclones de diâmetro grande é possível obter elevadas velocidades lineares com pequenas velocidades angulares, pequenas pressões; ciclones de pequeno diâmetro exigem pressões elevadas para a obtenção de velocidades lineares adequadas); para uma mesma pressão, ciclones de diâmetros crescentes apresentarão velocidades lineares crescentes; o movimento da massa fluida acarreta o aparecimento de uma pressão negativa que provoca sucção de ar para dentro do ciclone, através do "apex" (esse ar mistura-se ao vórtice ascendente e sai pelo "overflow").
Figura 7 - Ciclone típico
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Considerando-se a presença de partículas sólidas, o movimento circular gera uma força centrífuga que impele as partículas em direção às paredes do ciclone. As partículas ficam sujeitas à velocidade centrífuga que tende a arrastá-las em direção às paredes do ciclone e à velocidade vertical imposta pelo movimento da água dentro do ciclone: no sentido descendente nas regiões próximas à periferia, onde a massa de polpa está sendo descarregada pelo "underflow", e no sentido ascendente nas regiões centrais, onde a polpa está sendo descarregada pelo "overflow". As partículas mais grosseiras têm massa maior e por isso afundam mais depressa no campo centrífugo, ocupando o volume do ciclone próximo às paredes. As partículas finas também tendem a ser projetadas em direção às paredes, mas como o espaço já está ocupado pelas partículas grosseiras são empurradas para o centro do ciclone. Partículas extremamente finas se incorporam ao meio líquido e se dividem entre "underflow" e "overflow" de acordo com a partição de água entre esses fluxos
3. CONCENTRAÇÃO GRAVÍTICA
O método mais adequado para o processamento de um minério de ouro é determinado por muitos fatores como a mineralogia dos minerais portadores de ouro e dos minerais de ganga, o tipo de padrão de liberação dos minerais portadores de ouro e o tamanho da partícula de ouro, entre outros (Lins, 2000).
Tipicamente, as partículas livres de ouro de tamanho maiores que 200 um podem ser recuperadas eficientemente por métodos gravíticos. Quando o ouro está associado a sulfetos, o processamento usual inclui a cominuição do minério e subseqüente liberação, seguida de uma etapa de flotação antes da cianetação. Com os minérios de natureza refratária, é comum o emprego de ustulação ou lixiviação à pressão ou bacteriana previamente à cianetação (Lins, 2000). A concentração de minérios de ouro no Brasil é praticada por métodos gravíticos e por flotação.
Os aparelhos mais empregados na separação gravítica de minérios de ouro são os jigues, as mesas vibratórias (ou oscilatórias) e os concentradores centrífugos. Na década de 80 surgiram grandes novidades no campo da concentração gravítica com o lançamento no mercado dos concentradores Knelson e Falcon e de aparelhos fabricados pela empresa Bartles-Mosley, frutos da genialidade de Richard Mosley. Infelizmente uma pendência entre Bartles e Mosley pôs fim à sociedade entre eles. Os direitos de fabricação dos equipamentos ficaram com Bartles, porém não houve continuidade da produção sem a genialidade de Mosley. Este criou uma nova empresa, mas foi obrigado a desenvolver novos equipamentos, como o Multy Gravity Separator(MGS), aparelho caro e de difícil operação. O falecimento de Richard Mosley, em junho de 1995, pôs fim a essa era. Na década de 90 surgiu na Austrália o jigue centrífugo, que tem mostrado resultados promissores. Neste trabalho, vamos nos ater à descrição dos jigues convencionais, das mesas vibratórias e dos concentradores centrífugos Knelson e Falcon.
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JIGUES E MESAS
a) Jigue O processo de jigagem é provavelmente o método gravítico de concentração mais complexo, por causa de suas contínuas variações hidrodinâmicas. Nesse processo, a separação dos minerais de densidades diferentes é realizada em um leito dilatado por uma corrente pulsante de água, produzindo a estratificação dos minerais ( Figura 8 ) (Lins, 1998).
Existem duas abordagens para a teoria de jigagem, a clássica, hidrodinâmica - a qual iremos nos ater aqui - e a teoria do centro de gravidade. O conceito clássico considera o movimento das partículas, cuja descrição típica foi feita por Gaudin, que sugeriu que três mecanismos estão envolvidos: sedimentação retardada, aceleração diferencial e consolidação intersticial.
Grande parte da estratificação supostamente ocorre durante o período em que o leito está aberto, dilatado, e resulta da sedimentação retardada, acentuada pela aceleração diferencial. Estes mecanismos colocam os grãos finos/leves em cima e os grossos/pesados no fundo do leito. A consolidação intersticial, durante a sucção, põe as partículas finas/pesadas no fundo e as grossas/leves no topo do leito. Os efeitos de impulsão e sucção, se ajustados adequadamente, devem resultar em uma estratificação quase perfeita, segundo a densidade dos minerais (Lins, 1998).
Os jigues são classificados de acordo com a maneira pela qual se efetua a dilatação do leito. Nos jigues de tela móvel, já obsoletos, a caixa do jigue move-se em tanque estacionário de água (ex.: jigue Hancock). Os jigues de tela (ou crivo) fixa, nos quais é a água que é submetida ao movimento, são subclassificadas segundo o mecanismo de impulsão da água. Nesses, a tela, na maioria dos casos, é aberta, quer dizer, o concentrado passa através da mesma.
Figura 8 - Esquema simplificado de um jigue.
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O jigue de diafragma tipo Denver é o representante mais conhecido dessa subclasse. O impulso da água é causado pelo movimento recíproco de um êmbolo com borda selada por uma membrana flexível que permite o movimento vertical sem que haja passagem da água pelos flancos do mesmo. Este movimento se faz em um compartimento adjacente à câmara de trabalho do jigue e resulta da ação de um eixo excêntrico. No jigue Denver original há uma válvula rotativa comandada pelo excêntrico que só dá passagem à entrada de água na câmara durante o movimento de ascensão do diafragma, ou seja, atenua o período de sucção do leito, melhorando as condições para que haja a sedimentação retardada das partículas através de um leito menos compactado. No entanto, em casos de minérios com finos valiosos, a recuperação dependerá de um período de sucção (consolidação intersticial) acentuado. As chances de se obter um concentrado mais impuro, no entanto, aumentam, uma vez que as partículas finas e leves passam a ter maior oportunidade de um movimento descendente intersticial (Lins, 1998).
O jigue tipo Denver é geralmente utilizado no Brasil na jigagem terciária de minérios aluvionares auríferos e de cassiterita ou na etapa de apuração, que seria a etapa final de concentração. Os jigues tipo Denver fabricados no Brasil não possuem válvula rotativa para admissão de água, sendo portanto mais apropriados à recuperação dos finos pesados.
Nos jigues tipo Yuba o difragma se movimenta na parede da câmara. No jigue Pan-Ameri- can o difragma se situa diretamente embaixo da câmara, movimentando-se verticalmente. Esses jigues são bastante empregados na concentração primária e secundária de aluviões no Brasil e na América do Norte, em instalações fixas ou móveis, ou em dragas. Na África do Sul o jigue Yuba é empregado em algumas instalações no circuito de moagem, para recuperar a pirita já liberada e partículas de ouro; os concentrados dos jigues contêm de 20 a 40 % da pirita do minério, com teor de 38 % deste mineral e 25 a 35 % do ouro livre (Lins, 1998).
Pode-se citar ainda o jigue que tem a secção de trabalho trapezoidal, ao invés de retangular como é comum nos jigues mencionados anteriormente. O jigue trapezoidal é utilizado freqüentemente na concentração secundária de aluviões auríferos e de cassiterita. Há alguns anos foi desenvolvido o jigue circular (IHC) que consiste no arranjo de vários jigues trapezoidais, formando um círculo, com a alimentação distribuída centralmente. Como o fluxo tem a sua componente horizontal de velocidade diminuída, estes jigues são particularmente apropriados para a recuperação de minerais finos pesados, como a cassiterita e o ouro de aluviões; apresentam ainda a vantagem de consumir menos água e ocupar menor espaço que os jigues retangulares, para uma mesma capacidade (Lins, 1998).
Na ex-União Soviética a participação dos placers na produção de ouro era muito significativa, sendo os jigues bastante utilizados nas dragas, comumente tratando o rejeito das calhas.
A abertura da tela do jigue deve ser entre duas e três vezes o tamanho máximo das partículas do minério. Como dimensão média das partículas da camada de fundo (ragging), natural ou
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A mesa oscilatória é empregada há várias décadas, sendo um equipamento disseminado por todo o mundo para a concentração gravítica de minérios e carvão. É considerada de modo geral o equipamento mais eficiente para o tratamento de materiais com granulometria fina. Sua limitação é a baixa capacidade de processamento (< 2 t/h), fazendo com que seu uso, particularmente com minérios de aluviões, se restrinja às etapas de limpeza. É um equipamento muito usado na limpeza de concentrado primário ou secundário de minérios de ouro livre e minérios aluvionares.
Quando tratando minérios de granulometria muito fina, a mesa oscilatória opera com menor capacidade (< 500 kg/h), sendo comum a colocação, após uma série de 6 a 10 riffles, de ripas de altura um pouco maior e mais larga para criar melhores condições de sedimentação; é a chamada mesa de lamas.
CONCENTRADORES CENTRÍFUGOS
A operação dos concentradores centrífugos se baseia no princípio de se aumentar o efeito gravitacional visando uma maior eficiência na recuperação de partículas finas. Surgiram no Canadá substituindo equipamentos rudimentares como as calhas ("sluice boxes"). Merecem destaque no presente os concentradores centrífugos Knelson (Knelson e Jones,
- e Falcon (Falcon Concentrators Inc., 1998) ambos canadenses. Concentrador Knelson
Figura 9 - Mesa oscilatória.
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Ainda na década de 80 a Knelson solucionou o problema de se aumentar a força centrífuga sem perda de fluidização do leito concentrador, fator que estende a utilização do equipamento a faixas granulométricas mais finas. O concentrador Knelson modelo padrão é uma centrífuga que desenvolve 60 g, operando em batelada. A descarga de concentrado dura de 10 a 15 minutos, sendo realizada mediante a abertura de um orifício de drenagem, através do qual o concentrado é impulsionado por um jato de água, seguindo por uma tubulação até uma sala ou container de segurança. O modelo CD - Descarga Central - ("centre discharge") se assemelha ao concentrador padrão, mas inovações mecânicas reduziram o tempo de descarga automática a 2 minutos. O concentrador de descarga central Knelson é ilustrado na Figura 10. Um concentrador de descarga variável, operado continuamente, foi projetado para indústrias de metais de base e de carvão.
Figura 10 - Concentrador Knelson de descarga central de 30"
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Figura 12 - Circuito típico incluindo concentrador Falcon
4. FLOTAÇÃO
INTRODUÇÃO À FLOTAÇÃO
A flotação é um método de separação entre partículas sólidas que explora diferenças superficiais baseadas no fato das mesmas poderem apresentar caráter polar (hidrofilicidade) ou apolar (hidrofobicidade). Segundo o princípio de afinidade entre espécies ambas polares ou ambas apolares, em uma máquina de flotação as entidades hidrofílicas seguem o fluxo de água e as hidrofóbicas aderem às bolhas de ar. Superfícies de ouro puras e limpas são naturalmente hidrofílicas. Entretanto, menos de uma monocamada de contaminante carbonáceo, depositado a partir do ar ou da solução, é suficiente para tornar a superfície hidrofóbica. O resultado prático é que o ouro pode ser considerado um dos melhores exemplos de hidrofobicidade natural entre os sistemas de extração industrial (Marsden e House, 1992). Na maioria dos casos as partículas de ouro encontram-se na natureza intimamente associadas a alguns minerais, especialmente da família dos sulfetos, tais como arsenopirita, pirita, pirrotita e calcopirita. Este é o caso das empresas brasileiras que praticam flotação de ouro, que pode ser tratada como flotação de sulfetos, como veremos adiante.
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Qualquer operação de concentração de minerais requer três condições básicas: liberabilidade, diferenciabilidade e separabilidade dinâmica. A liberabilidade é conseguida nas operações de fragmentação da etapa de preparação. O caráter hidrofóbico das partículas de ouro em sua condição natural foi discutido anteriormente. As partículas dos sulfetos a ele associadas, apesar de não serem tão hidrofílicas quanto aquelas dos oxi-minerais, requerem a adsorção de um coletor para serem coletadas pela fase ar. Para que a ação do coletor seja mais efetiva a presença de um ativador é geralmente necessária. Uma espuma estável é obtida pela ação de um espumante que tem também a função de facilitar a cinética de interação partícula - bolha. Por separabilidade dinâmica entende-se a disponibilidade de um equipamento ou máquina de flotação. Os reagentes e máquinas empregados na flotação de ouro no Brasil serão discutidos a seguir.
REAGENTES
Os coletores empregados na flotação de sulfetos contendo ouro associado pertencem à família dos tio-compostos ou compostos sulfidrílicos. Os grupos polares dos tio-compostos contêm pelo menos um átomo de enxofre não ligado a oxigênio. São usualmente derivados de um "composto de origem" oxigenado, através da substituição de um ou mais átomos de oxigênio por enxofre. Partindo-se de compostos de origem da química inorgânica a transição para tio-composto requer a substituição de um ou mais hidrogênios por radicais de hidrocarboneto. Os tio-compostos são normalmente comercializados sob a forma de sais de sódio ou potássio.
As principais propriedades dos tio-compostos são: (i) baixa ou nenhuma atividade na inter- face líquido/ar (caracterizando ação exclusivamente coletora, ausência de ação espumante); (ii) alta atividade química em relação a ácidos, agentes oxidantes e íons metálicos; e (iii) diminuição da solubilidade com o aumento da cadeia hidrocarbônica.
A importância das reações de oxidação de tio-compostos leva a uma forma de apresentação dos mesmos que abrange a seqüência: composto de origem, tio-derivativo, produto de oxidação, conforme a Tabela 2.
A estrutura dos compostos de origem é apresentada na própria tabela. Os tio-derivativos e produtos de oxidação são ilustrados a seguir.
