A estrutura de um moinho de moagem autógeno/semiautógeno (moinho AG/SAG) é composta principalmente por uma rampa de alimentação, o corpo do moinho, o sistema de descarga, o sistema de rolamentos e lubrificação e o sistema de acionamento e controle. A seção do corpo do moinho é subdividida em extremidade de alimentação, corpo cilíndrico, placas de grelha, elevadores de polpa e extremidade de descarga. O sistema de acionamento e controle inclui o motor principal, o acoplamento, a embreagem dinâmica, o dispositivo de acionamento de baixa velocidade, os controles elétricos, etc. O sistema de rolamentos e lubrificação também inclui dispositivos de elevação, entre outros. A Figura 3-1 mostra o diagrama estrutural de um moinho AG/SAG acionado mecanicamente.

Figura 3-1 – Diagrama estrutural do moinho AG/SAG acionado mecanicamente

Calha de alimentação

Para moinhos AG/SAG de grande e médio porte, a extremidade de alimentação geralmente adota uma estrutura de calha do tipo carrinho (conforme mostrado na Figura 3-2), com revestimentos resistentes ao desgaste embutidos em seu interior. Devido ao grande tamanho do material alimentado nos moinhos AG/SAG, a rampa de alimentação deve ter inclinação e altura consideráveis para garantir uma alimentação suave. Se o material de fundo do ciclone for devolvido, pode ser necessário adicionar uma caixa de rochas para reduzir seu impacto. Para moinhos de grande porte, a rampa do carrinho de alimentação passa diretamente pelo eixo oco na extremidade de alimentação para o interior do moinho, de modo que o eixo oco não sofre desgaste e não requer revestimentos. Para moinhos de pequeno e médio porte ou moinhos AG/SAG, o eixo oco ainda precisa de revestimentos, e o material deve passar por uma seção do eixo oco antes de entrar no interior do moinho.

Figura 3-2 – Estrutura 3D do carrinho de alimentação para o Moinho AG/SAG

Eixo oco na extremidade de alimentação

Durante a partida e a parada do moinho, o eixo oco (conforme mostrado na Figura 3-3) requer óleo lubrificante de alta pressão para elevar o munhão e formar uma película de óleo, evitando assim o atrito a seco nas superfícies deslizantes. Durante a operação normal, é fornecido óleo de baixa pressão, e o movimento rotacional do munhão gera uma película hidrodinâmica de óleo. No mancal do eixo oco, geralmente é instalado um mancal de empuxo para limitar o movimento axial do moinho. Em moinhos de grande porte, também é instalada uma célula de carga no mancal do eixo oco para medir e monitorar o peso do material dentro do moinho, o que é um parâmetro crítico para a segurança do moinho e o controle automático. Tubos serpentinos de água de resfriamento estão embutidos no revestimento do mancal; a água de resfriamento pode ser introduzida quando necessário para reduzir a temperatura da almofada do mancal.

Cada mancal principal é equipado com um sensor de temperatura para monitoramento dinâmico da temperatura da almofada do mancal. Quando a temperatura excede um valor predefinido, um alarme automático é acionado e o moinho é desligado. Vedações anulares são instaladas em ambas as extremidades dos mancais principais, e a graxa é injetada por meio dos tubos de óleo lubrificante para evitar vazamentos de óleo e a entrada de poeira.

Concha

O corpo do moinho AG/SAG é composto pela cabeça de alimentação, pelo corpo cilíndrico, pela cabeça de descarga e pela boca de descarga em forma de sino. Ele pode ter construção integral ou dividida, e o eixo oco é geralmente fundido. Moinhos pequenos geralmente adotam o tipo integral, enquanto, à medida que o tamanho do moinho aumenta, o número de peças componentes também aumenta. As peças críticas são submetidas a ensaios ultrassônicos após a usinagem de desbaste e a inspeção por partículas magnéticas nas superfícies após o acabamento. A superfície do munhão do eixo oco é polida após a usinagem. Todas as conexões entre as cabeças e o corpo são feitas com parafusos de alta resistência. É necessária alta precisão de usinagem para garantir conexões confiáveis e a concentricidade dos dois munhões após a montagem final. Quando se adota o tipo dividido, são utilizadas conexões flangeadas com posicionamento por encaixe. A parede interna do invólucro do moinho é revestida com revestimentos de borracha, conforme mostrado na Figura 3-4.

Figura 3-4 – Carcaça do moinho AG/SAG

Revestimentos

Todas as áreas dentro do moinho que entram em contato direto com o minério ou a polpa são equipadas com revestimentos (conforme mostrado na Figura 3-5). Esses revestimentos são as superfícies de desgaste renováveis do moinho e constituem um dos principais componentes dos custos de produção (representando cerca de um terço do custo operacional de um moinho AG/SAG). As principais funções dos revestimentos são as seguintes:

(1) Proteger o invólucro do moinho contra danos causados por impactos severos, abrasão e/ou corrosão química provocada pelo material contido no moinho, além de proporcionar uma superfície resistente ao desgaste que possa ser substituída.

(2) Transferir a energia do corpo giratório do moinho para os meios de moagem e o minério no interior do moinho, fazendo com que se movimentem e, assim, realizar a função de moagem.

A taxa de desgaste dos revestimentos é um dos principais parâmetros de desempenho. A espessura do revestimento deve ser monitorada continuamente para evitar o desgaste do corpo do moinho. Além disso, o desempenho do revestimento tem um impacto significativo na produtividade do moinho, na disponibilidade do equipamento, na vida útil do revestimento, na eficiência energética e nos custos de produção. Se a taxa de desgaste do revestimento for muito alta, isso aumentará consideravelmente os custos com o material do revestimento e levará a paradas não programadas para a substituição do revestimento, reduzindo a disponibilidade do equipamento e a produtividade média. Para moinhos semiautógenos que utilizam esferas de aço como meios de moagem, um projeto incorreto do revestimento pode fazer com que as esferas de aço impactem diretamente os revestimentos, resultando em quebra do revestimento e/ou fratura das esferas, o que aumenta substancialmente os custos de produção e o tempo de inatividade para manutenção.

Figura 3-5 – Revestimentos do moinho AG/SAG
(a) Desenho do conjunto de revestimentos; (b) Revestimentos da extremidade de alimentação; (c) Revestimentos do corpo; (d) Placas da grelha; (e) Elevadores de celulose

3.1.4.1 Revestimentos internos da carcaça
Os revestimentos do tambor são a interface que transfere energia para o material dentro do moinho e desempenham um papel decisivo na eficiência da moagem do material. A geometria dos revestimentos do casco controla o movimento do material dentro do moinho, o que, por sua vez, leva a diferentes mecanismos de moagem, eficiências de moagem e características de granulometria do produto. Na prática industrial, não só a geometria dos novos revestimentos, mas também as mudanças na geometria e seus efeitos ao longo do processo de desgaste devem ser considerados. Portanto, o projeto dos revestimentos do casco (incluindo os elevadores neles instalados) é crucial para aumentar a produtividade por unidade de tempo do moinho. Vale ressaltar que a geometria dos revestimentos do casco varia de acordo com as propriedades do minério, a finura de moagem exigida e outros fatores.

3.1.4.2 Placas de grelha
Em princípio e funcionamento, as placas de grelha são semelhantes a equipamentos de classificação, como peneiras, permitindo a passagem de materiais menores do que as aberturas da grelha. A força motriz para a passagem do material pelas placas de grelha é a diferença de pressão entre as placas. As principais funções das placas de grelha incluem:

(1) Retenção de material grosso (e meios de moagem, no caso dos moinhos SAG) dentro do moinho AG/SAG. Nos moinhos AG, o próprio minério grosso atua como meio de moagem. Ao mesmo tempo, se os pedaços de minério forem muito grandes, eles podem exceder o tamanho máximo de alimentação permitido pelo britador de seixos, tornando impossível processá-los de forma eficaz ou afetando o desempenho geral da britagem. Nos moinhos SAG, as placas de grelha limitam a perda de meios de moagem, impedindo que as esferas de aço sejam descarregadas.

(2) As placas da grelha também servem para limitar a descarga de material (incluindo pedaços de minério de tamanho médio e pequeno). Para moinhos AG/SAG que exigem moagem fina, isso ajuda a manter um alto nível de carga no moinho, aprimora o mecanismo de moagem por atrito e, assim, leva a uma moagem mais fina.

No entanto, se a resistência das placas da grelha ao fluxo da pasta for muito alta, a pasta se acumulará dentro do moinho até atingir um nível crítico. Até esse nível crítico, isso ajuda a melhorar a eficiência de moagem das partículas finas, especialmente na moagem AG, onde pode aumentar a finura do produto. Mas o acúmulo excessivo cria uma poça de polpa dentro do moinho AG/SAG, o que reduz a eficiência de moagem. Isso ocorre porque os meios de moagem precisam primeiro passar pela camada de polpa antes de impactar o minério, perdendo energia cinética. Às vezes, mesmo que não haja camada de polpa acima do minério, uma espessa camada de polpa na superfície do minério reduz de forma semelhante a força de cominuição por impacto dos meios de moagem.

Se houver um tanque de lama dentro do moinho, os moinhos de grande porte costumam utilizar placas de grelha com elevadores curvos para aumentar sua capacidade de processamento. Às vezes, a fim de aproveitar ao máximo a trituração por seixos, as placas de grelha são projetadas com grandes áreas abertas para aumentar a velocidade com que os seixos passam pelas grelhas.

Os principais parâmetros de projeto das placas de grelha incluem a área aberta, o tamanho e a forma das aberturas, a posição das aberturas e a altura dos elevadores nas grelhas. Se os elevadores de polpa a jusante tiverem capacidade suficiente, é possível atingir a taxa de descarga de polpa esperada por meio da otimização das placas de grelha.

Elevadores de polpa
Os elevadores de polpa atuam como uma bomba para descarregar a pasta que passou pelas placas da grelha. As barras radiais dos elevadores de polpa se assemelham aos raios de uma roda, mas possuem uma placa inferior resistente ao desgaste que protege o cone de descarga do moinho (atuando como um revestimento). Quando o moinho gira, a pasta em cada compartimento do elevador de polpa é elevada; quando o compartimento ultrapassa a posição horizontal, a pasta flui em direção à abertura central de descarga e é, por fim, descarregada do moinho através do bocal.

Para acelerar e melhorar a eficiência da descarga da pasta, os elevadores de pasta podem ser fabricados em uma configuração curva. No entanto, o moinho está limitado à rotação unidirecional, o que pode afetar a vida útil de outros revestimentos em moinhos de grande porte e aumentar os custos com revestimentos.

Existem dois parâmetros fundamentais para avaliar o desempenho dos elevadores de polpa: refluxo e arrastamento. O refluxo refere-se à polpa nos compartimentos do elevador de polpa que retorna, através das placas de grelha, para a câmara de moagem do moinho. Isso pode agravar a formação de uma poça de polpa na câmara de moagem e acelerar o desgaste das aberturas das placas de grelha. Arrasto significa que, durante uma revolução do moinho, a pasta nos compartimentos do elevador de polpa não pode ser completamente esvaziada. Quando o compartimento do elevador de polpa gira para baixo a partir da posição horizontal, a pasta restante no interior não se move mais em direção à abertura de descarga central, mas começa a se deslocar em direção à periferia do moinho. Como a pasta se move mais rapidamente do que o minério grosso, o que fica para trás são principalmente seixos. No entanto, ao se deslocar em direção à periferia, a pasta normalmente bate no fundo do compartimento do elevador de polpa, causando desgaste acelerado.

No caso dos elevadores de polpa, é preciso levar em conta o número de compartimentos. Se esse número for muito baixo, cada compartimento fica grande, o que aumenta o refluxo e exige mais tempo para esvaziar cada um deles, aumentando a probabilidade de arrastamento. Se o número for excessivo, as paredes dos compartimentos ocupam espaço demais, reduzindo a capacidade total dos elevadores de polpa, e cada compartimento fica menor, aumentando a chance de pedaços grandes de minério ou esferas de aço ficarem presos, o que reduz ainda mais a capacidade de descarga.

Fim da descarga

O eixo oco na extremidade de descarga dos moinhos AG/SAG convencionais é praticamente idêntico ao da extremidade de alimentação, mas sem rolamentos axiais e células de carga. A Figura 3-6 mostra uma vista da extremidade de descarga em direção ao moinho. Em algumas regiões, especialmente na África (África do Sul), existem projetos especiais para a extremidade de descarga, conforme mostrado na Figura 3-7. A extremidade de descarga do moinho possui apenas grades semelhantes a placas de grade. Assim que o material passa por elas, é descarregado diretamente, sem a necessidade de elevadores de polpa, de modo que a descarga do material ocorre sem restrições.

Figura 3-6 – Extremidade de descarga de um moinho AG/SAG convencional

Figura 3-7 – Extremidade de descarga sem eixo oco (geralmente também sem elevadores de polpa)

Peneira de tambor

Para simplificar o circuito de moagem, os moinhos de pequeno e médio porte são geralmente equipados com uma peneira trommel na extremidade de descarga (conforme mostrado na Figura 3-8), que é utilizada para classificar o material descarregado do moinho, eliminando assim a necessidade de uma peneira vibratória externa. É praticamente igual à peneira trommel de descarga de um moinho de bolas, mas as aberturas da peneira precisam ser alteradas de acordo com os requisitos do processo. Além disso, a peneira trommel de um moinho AG/SAG não possui uma espiral reversa em seu interior. No caso de moinhos de grande porte, a capacidade de classificação da peneira trommel é limitada ou, em geral, está longe de ser suficiente para alcançar uma classificação eficaz; portanto, a maioria dos moinhos de grande porte não é equipada com uma peneira trommel.

Figura 3-8 – Peneira de tambor na extremidade de descarga do moinho AG/SAG

Sistema de lubrificação

A parte de alta pressão do sistema de lubrificação fornece óleo sob alta pressão para o levantamento do eixo oco, enquanto a parte de baixa pressão fornece lubrificação e resfriamento aos rolamentos do eixo oco e aos rolamentos axiais do moinho. O acumulador contém gás nitrogênio sob alta pressão. Caso o sistema de lubrificação falhe e o moinho entre em modo de desligamento de emergência, ele não para completamente de imediato; nesse momento, o nitrogênio de alta pressão força o óleo lubrificante, por um curto período, para as áreas que ainda precisam ser lubrificadas, evitando assim danos ao moinho. Sua vista 3D é mostrada na Figura 3-9.

Sistema de transmissão

Com o aumento da escala dos moinhos AG/SAG, surgiram duas mudanças e exigências notáveis para os moinhos fornecidos pela indústria de maquinário e elétrica:

(1) À medida que o diâmetro do moinho aumenta, a potência de cada motor também aumenta.
(2) A demanda por motores de velocidade variável aumenta. Isso se deve à necessidade de melhorar a adaptabilidade da operação de moagem às variações nas propriedades do minério, o que pode aumentar efetivamente a produtividade ou ajustar a finura da moagem em tempo hábil para melhorar a recuperação.

O sistema de acionamento de um moinho AG/SAG é geralmente projetado levando em consideração os seguintes fatores-chave:

(1) Corrente de partida ou carga.
(2) Limite máximo de potência.
(3) Se é necessária velocidade variável.
(4) Carga de trabalho e dificuldade da manutenção.
(6) Custos de operação e manutenção da produção.

As configurações de acionamento para moinhos AG e SAG são, em primeiro lugar, divididas em acionamentos com engrenagens e acionamentos sem engrenagens. Os acionamentos com engrenagens são, por sua vez, divididos em acionamentos com motor síncrono e acionamentos com motor assíncrono (de indução). Dependendo do nível de potência, os acionamentos com motor síncrono e assíncrono podem ser de acionamento único ou duplo. Portanto, as configurações de acionamento comumente utilizadas incluem cinco tipos: acionamento único com motor síncrono, acionamento único com motor assíncrono, acionamento duplo com motor síncrono, acionamento duplo com motor assíncrono e acionamento sem engrenagens com motor anular. Os sistemas de acionamento de moinhos comumente utilizados são mostrados na Figura 3-10.

Figura 3-10 – Sistemas de acionamento de fresadoras comumente utilizados (12)

Transmissão por engrenagens transmite potência ao moinho por meio de um conjunto de pinhão e coroa dentada. No caso de moinhos de acionamento único, de acordo com o layout, eles são divididos em configurações à esquerda e à direita (quando vistos da extremidade de alimentação, na direção do fluxo do material; se o motor principal estiver no lado esquerdo do invólucro, a configuração é à esquerda, e se estiver no lado direito, é à direita). Dependendo dos requisitos do layout do processo, a unidade de acionamento pode ser posicionada tanto na extremidade de alimentação quanto na extremidade de descarga. Para acionamentos por engrenagens, métodos de partida suave são normalmente adotados para reduzir o torque e a corrente de partida, permitindo a partida em etapas do motor principal e do invólucro do moinho, diminuindo a potência instalada e reduzindo a corrente de partida em várias vezes em comparação com a partida direta. Os métodos de partida suave comumente utilizados incluem embreagens pneumáticas e acionadores de resistência líquida; com o desenvolvimento da indústria eletrônica, os acionamentos de velocidade variável (VSDs) também são ocasionalmente utilizados.

Acionamento sem engrenagens trata-se de um arranjo especial de motor. Todo o moinho funciona como um motor, com o invólucro do moinho atuando como rotor e o motor anular como estator, de forma semelhante a um motor convencional. Ele possui, por natureza, capacidade de velocidade variável.

Devido às limitações de resistência mecânica, a potência máxima de um acionamento único com redutor é de 8,5 a 11,5 MW, enquanto um acionamento duplo com redutor pode atingir até 15 a 17 MW. Já os motores anulares sem engrenagens são normalmente utilizados para potências superiores a 10 MW, e a potência máxima atual de um motor anular sem engrenagens é de 28 MW.

Motor elétrico

3.2.1.1 Motor assíncrono (de indução)

A estrutura básica de um motor assíncrono trifásico é mostrada na Figura 3-11. Ela consiste principalmente em duas partes fundamentais: o estator e o rotor.

(1) Estator. O estator é a parte fixa do motor, utilizada para gerar um campo magnético rotativo. O núcleo do estator é construído com chapas laminadas de aço ao silício, com várias ranhuras na circunferência interna para acomodar os enrolamentos do estator. É composto principalmente pelo núcleo do estator, pelos enrolamentos do estator e pela estrutura.

(2) Rotor. O rotor é a parte rotativa do motor, composta pelo núcleo do rotor, pelos enrolamentos do rotor e pelo eixo. O núcleo do rotor também é feito de chapas laminadas de aço ao silício, com várias ranhuras na circunferência externa para acomodar os enrolamentos do rotor. Sua função é gerar torque de rotação sob a ação do campo magnético rotativo. Dependendo da construção, os rotores são classificados como rotores de gaiola de esquilo e rotores enrolados (com anel coletor), sendo que a diferença reside no próprio rotor.

Figura 3-11 – Estrutura de um motor assíncrono

As vantagens dos motores assíncronos residem em sua estrutura simples, desempenho estável, fácil manutenção, baixo custo e processo de fabricação mais simples, razão pela qual são os motores mais utilizados na indústria.

A motor assíncrono trifásico de gaiola de esquilo (conforme mostrado na Figura 3-12) refere-se a um motor cujo estator possui enrolamentos trifásicos distribuídos e cujo rotor é constituído por barras condutoras do tipo gaiola de esquilo. Como as barras condutoras se assemelham a uma gaiola de esquilo, ele é chamado de motor assíncrono de gaiola de esquilo. O rotor de um motor de gaiola de esquilo é feito de barras metálicas, de cobre ou alumínio. O alumínio é relativamente barato e amplamente utilizado em aplicações menos exigentes, mas o cobre possui melhor condutividade mecânica e elétrica do que o alumínio; por isso, a grande maioria dos rotores é feita de cobre. Quando a energia CA trifásica é aplicada aos enrolamentos do estator, gera-se um campo magnético rotativo. As barras condutoras fechadas no rotor induzem força eletromotriz e corrente à medida que cortam as linhas de campo magnético do estator. Os condutores que transportam corrente no campo magnético são submetidos a forças de Lorentz, que fazem o rotor girar. Depois que o processo de fabricação resolveu o problema das barras quebradas, a confiabilidade dos motores de gaiola de esquilo superou em muito a dos motores de rotor enrolado. Sua desvantagem é que o torque obtido pelo rotor metálico ao cortar as linhas magnéticas no campo rotativo do estator é relativamente pequeno, e a corrente de partida é elevada; por isso, eles geralmente não são adequados para cargas que exigem alto torque de partida. Embora o aumento do comprimento do núcleo possa proporcionar mais torque, a melhoria é muito limitada. Os motores de rotor enrolado, por outro lado, energizam os enrolamentos do rotor por meio de anéis coletores durante a partida, criando um campo magnético no rotor que se move em relação ao campo do estator em rotação, obtendo assim maior torque. Além disso, um acionador de resistência líquida é conectado em série para reduzir a corrente de partida, e sua resistência é controlada por um dispositivo de controle eletrônico para variar de acordo com o processo de partida. Como os motores de gaiola de esquilo possuem estrutura simples, baixo custo e controle relativamente simples, eles são amplamente utilizados.

acionador resistente a líquidos utiliza uma solução aquosa especialmente formulada como resistor, com placas de eletrodo inseridas em um tanque de resistência de alta tensão especialmente projetado e conectadas ao circuito do estator do motor. Durante a partida, ao controlar o valor da resistência do líquido e o tempo de partida, o motor consegue uma partida gradual suave e sem impactos.

rotor enrolado (conforme mostrado na Figura 3-13) possui enrolamentos semelhantes aos do estator, com as três fases conectadas em configuração em estrela e os três terminais ligados a três anéis coletores de cobre montados no eixo, que, por sua vez, são conectados ao circuito externo por meio de um conjunto de escovas. Como o motor assíncrono de rotor enrolado incorpora anéis coletores, acionadores de resistência líquida etc., sua estrutura é mais complexa do que a do motor de gaiola de esquilo, mas oferece maior torque de partida. O motor de rotor enrolado pode ajustar o torque de partida adicionando resistores externos, o que reduz a corrente de partida e aumenta o torque de partida, resultando em melhores características de partida. Portanto, ele é adequado para cargas de alta inércia, como moinhos.

Os motores assíncronos absorvem potência reativa da rede elétrica porque seus enrolamentos do estator, por serem elementos indutivos, não realizam trabalho ativo, mas estabelecem um campo magnético rotativo quando energizados. Isso causa um impacto significativo na rede. Quando uma carga indutiva de alta potência é conectada à rede, a tensão da rede cai. Portanto, o uso de motores assíncronos está sujeito a limitações em termos de fornecimento de energia, o que é um fator que muitas instalações devem levar em consideração. Se for necessário utilizar motores assíncronos para cargas de alta potência, eles devem ser equipados com dispositivos de compensação de potência reativa. Em contrapartida, os motores síncronos podem fornecer potência reativa à rede por meio de seus sistemas de excitação; quanto maior a potência, mais evidentes se tornam as vantagens dos motores síncronos, o que levou à sua ampla aplicação.