Desenvolvimento de rotor Imbil para o processo Jigagem visando o
aumento da vida útil e melhoria na eficiência de bombeamento
Eng. Gustavo Massaro (IMBIL/UNICAMP) [email protected]
Eng. Fabiano Cândido (IMBIL) [email protected]
Prof. Dr. Eugênio José Zoqui (UNICAMP) [email protected]
Resumo
Esse texto apresenta um caso de sucesso no desenvolvimento de um rotor para bombeamento
de polpa no processo de jigagem de uma mina de minério de ferro. São discutidas todas as
fases do processo de desenvolvimento do novo rotor. Os dados coletados durante o
acompanhamento de vida são exibidos e os ganhos efetivos são demonstrados.
Palavras chaves: bombeamento de polpa, bomba, rotor, jigagem, mineração, vida útil,
eficiência.
1. Introdução
Na operação de bombeamento de polpa em minas, as peças “molhadas” da bomba são as que
sofrem o maior desgaste em função da alta abrasão durante o processo de bombeamento.
Pode-se entender como peça molhada, toda peça que tenha contato com o fluído a ser
bombeado. No caso das bombas específicas para a mineração, caracterizam-se peças
molhadas, o rotor, a voluta, a placa dianteira e a placa traseira. Normalmente o rotor é a peça
sujeita ao maior desgaste, porque gira em operação, e consequentemente possui a menor vida
útil dentre todos os componentes da bomba. Essa situação exige que periodicamente a bomba
seja desmontada para a substituição das peças desgastadas para que se mantenha as condições
mínimas do bombeamento, ou seja, para que a vazão e a pressão de saída da bomba atendam
o abastecimento do processo seguinte.
Os setores de siderurgia, metalurgia e mineração vem crescendo, as empresas de mineração
estão entre as maiores empresas do Brasil. O desenvolvimento de novas tecnologias para
aplicação no processo produtivo é importante para que se tenha a redução dos investimentos
para aumento da capacidade produtiva e principalmente para a redução do custo operacional
da mina.
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Segundo os indicadores publicados pela revista ISTO É Dinheiro, (edição agosto/11), os
setores de siderurgia, metalurgia e mineração juntos cresceram em 2010 46,9% da receita
líquida, ficando em segundo lugar no ranking geral, perdendo apenas para a construção
imobiliária com crescimento de 61,5% no mesmo período.
Peça molhada
Rotor
Figura 1: Bomba centrífuga com destaque para o rotor - Fonte: acervo Imbil.
2. Metodologia
Este texto busca demonstrar um caso de sucesso no desenvolvimento de um rotor Imbil para o
processo Jigagem com o aumento da vida útil e melhoria na eficiência de bombeamento. É
proposto apresentar dados experimentais coletados em campo.
O caso discutido teve início a partir de uma reunião, onde a empresa mineradora solicitou a
empresa fabricante, o desenvolvimento de um rotor que tivesse uma maior vida útil para que
os intervalos de intervenção no equipamento fossem aumentados, reduzindo o número de
paradas programadas, reduzindo a perda de produção e o custo com a substituição de peças. O
rotor de um outro fabricante homologado, foi a referência para a comparação dos resultados.
Segundo o responsável pela manutenção de bombas de polpa da mina, esse processo
escolhido “Jigagem” é o mais critico dentre todos os processos do beneficiamento do minério
de ferro e é onde se tem as menores vidas em rotores. Os ganhos efetivos serão demonstrados.
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Figura 2: Bomba centrífuga com rotor Imbil aplicado - Fonte: acervo Imbil.
3. Contexto da empresa desenvolvedora em foco - Imbil
A Imbil, empresa desenvolvedora, está instalada em Itapira no interior de São Paulo e é a
maior fabricante de bombas de capital nacional.
Está no mercado há mais de 28 anos e opera com uma Rede de Distribuidores no Brasil e em
toda a América Latina, além de Parceiros Comerciais nos EUA e Europa. Atua nos segmentos
de Açúcar e Álcool, Químico e Petroquímico, Papel e Celulose, Irrigação, Ar Condicionado,
Saneamento Básico, Têxtil, Combate a Incêndio, Alimentação de Caldeiras, Mineração e
Indústrias em geral. Dispõe de oito fábricas, responsáveis pela fabricação das peças fundidas,
pela usinagem, pela montagem e pelos testes.
4. Contexto da empresa mineradora em foco
A empresa de mineração em foco é a Vale S/A, a segunda maior empresa do Brasil
considerando a receita líquida, e teve um crescimento de 71,61% em 2010.
A mina escolhida para a realização desse desenvolvimento foi a mina de Cauê, localizada na
cidade de Itabira no estado de Minas Gerais, onde a Imbil tem instalada e operando uma loja
in company para o atendimento imediato das necessidades da operação e com toda a
responsabilidade pela manutenção dos estoques.
5. Etapas do desenvolvimento
O projeto de melhoria com foco no aumento da vida útil e no aumento da eficiência de
bombeamento foi conduzido com o envolvimento das engenharias: desenvolvimento, produto,
fundição e processo de usinagem. Por se tratar de um desenvolvimento onde o produto final
seria um rotor que proporcionasse um melhor fluxo no bombeamento e que tivesse uma
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dureza alta e uma microestrutura resistente ao destacamento do material, foi necessário passar
dos limites de fabricação até então aplicados no processo convencional de produção. A
engenharia de desenvolvimento definiu o perfil hidráulico que foi modelado em 3D pela
engenharia de produto, a engenharia de fundição fez a validação do projeto do fundido
visando a garantia da qualidade da peça fundida. Em paralelo a esse trabalho a engenharia de
processo de usinagem buscou o desenvolvimento de novas técnicas de usinagem para
conseguir processar a nova peça onde a intenção primária era de se atingir uma dureza acima
de 680 HB. Seguindo um cronograma de atividades, a primeira peça fundida foi
disponibilizada para a usinagem, sendo possível praticar a usinagem com uma dureza final
acima de 720 HB, excedendo assim às expectativas iniciais. A peça seguiu para o laboratório
de ensaios Imbil para validação da hidráulica e então foi disponibilizada para operação
acompanhada na mina. Os resultados são discutidos a partir do tópico 6 desse artigo.
O detalhamento da interação de cada engenharia nesse processo de desenvolvimento é
descrito abaixo.
5.1 Desenvolvimento hidráulico
O estudo do comportamento hidráulico proporcionou a revisão do perfil hidráulico do rotor.
Com auxílio do software ANSYS foi possível criar novas hidráulicas e comparar com a
existente e assim selecionar a melhor delas. As comparações foram realizadas com base nas
curvas geradas pelo software de simulação, com baixo custo e grande rapidez (sem a
necessidade de se construir vários protótipos). Houve melhoria na eficiência de
bombeamento, a curva de vazão x amt ficou mais estável (sem oscilações) e também foi
possível redistribuir a massa do rotor sem aumentar o seu peso final.
Figura 3: Resultados de simulação – linhas
Figura 4: Modelo matemático 3D do rotor
de fluxo e pressões Fonte: acervo Imbil.
Fonte: acervo Imbil.
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Figura 5: Resultado da simulação do rotor - curva vazão x amt - Fonte: acervo Imbil.
Figura 6: Resultado da simulação do rotor - curva vazão x rendimento - Fonte: acervo Imbil.
5.2 Desenvolvimento da composição química
O desafio dessa etapa foi potencializar os elementos que contribuem para a formação da
cementita e para a formação dos carbonetos. E minimizar a ação dos elementos que
contribuem para a destituição da cementita. Os elementos com poder perlitizante também
tiverem atenção especial, pois prejudicam na obtenção da microestrutura ideal.
Houve a variação da composição química, com seis elementos sendo alterados. Inúmeras
receitas foram criadas e testadas, até se atingir uma microestrutura pós-tratamento térmico
que atendesse a dureza mínima estabelecida como premissa.
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5.3 Desenvolvimento do sistema de alimentação e enchimento
A validação do sistema de alimentação e enchimento da árvore fundida através da
simulação reduz o tempo de desenvolvimento por sinalizar os possíveis problemas para que
possam ser corrigidos em tempo de projeto. A peça base do estudo passou por essa
validação e houve a necessidade de se adequar o projeto de alimentação e enchimento por
três vezes, para garantir a isenção de descontinuidades internas na peça, pois na ocorrência
das mesmas pode-se reduzir a vida útil da peça em funcionamento. Todo o sistema de
alimentação e enchimento foi redimensionado em função da mudança ocorrida no projeto
hidráulico da peça e também por se trabalhar com uma nova composição química com um
maior carbono equivalente.
Figura 7: Resultado de simulação de solidificação para verificação de
descontinuidades internas Fonte: acervo Imbil.
O estudo da solidificação demonstrado na figura 7, mostra que todas as possibilidades de
descontinuidades internas (ilustrados na cor roxa) estão contidas nos massalotes e canais de
ataque e distribuição, regiões que serão posteriormente cortadas e que não fazem parte da
peça. As palhetas que recebem as maiores solicitações durante o bombeamento estão isentas
de descontinuidades.
Além da simulação de solidificação, também se observou a simulação de enchimento, que é
de extrema importância para a boa qualidade do fundido.
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Figura 8: Rotor protótipo cortado - Fonte: acervo Imbil.
Figura 9: Partes do rotor protótipo - Fonte: acervo Imbil.
Após a fabricação da peça protótipo a mesma passou por ensaios destrutivos, um dos
ensaios foi para a validação da isenção de descontinuidades internas, conforme demonstrado
nas figuras 8 e 9.
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5.4 Desenvolvimento do tratamento térmico
Com o grande número de composições químicas
sendo testadas, foi necessário também realizar um
grande número de tratamentos térmicos. Essa etapa
contou com o apoio do diagrama de fases emitido
pelo software Thermocalc, onde se estabeleceu uma
faixa
de
temperatura
para
a
realização
dos
experimentos. Três temperaturas de patamar foram
testadas, mantendo a mesma composição química, a
validação da temperatura ideal se deu pela dureza
final obtida e pela microestrutura final. Nessa fase
também se utilizou a técnica de microdureza para
melhor
entendimento
dos
constituintes
da
microestrutura.
A expectativa era de se atingir uma microestrutura
Figura 10: Forno de tratamento
que tivesse essencialmente carbonetos, martensita,
térmico Fonte: acervo Imbil.
bainita, austenita, e em casos excepcionais menores
quantidades de grafite ou perlita. A expectativa inicial
foi atingida com uma excelente presença de
martensita e carbonetos na microestrutura.
5.5 Desenvolvimento da usinagem
Após os testes iniciais de usinagem, ficou evidente que o sucesso para esse processamento
dependeria de máquinas com alta rigidez, pois a falta dela proporcionava vibração excessiva
e causava a quebra da ferramenta de corte.
Com a utilização de máquinas adequadas, com alta rigidez e alta potência disponível, vários
tipos de insertos (consumíveis) foram testados. Durante esse processo foi possível
estabelecer o mapeamento de usinagem com todas as condições de usinagem ideais.
Estabeleceu-se folhas de fabricação com as velocidades de corte, avanços, profundidades de
corte e tipos de insertos para cada operação de usinagem.
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Figura 11: Detalhe da usinagem do cubo do rotor - Fonte: acervo Imbil.
6. Dados de vida útil do rotor do outro fornecedor
Os dados de operação foram coletados através do supervisório da mina, considerou-se o
tempo real de equipamento operando, em número de horas. O tempo de operação foi apurado
pela tabela de início e final de funcionamento diária do equipamento.
Data de início: 20/07/2011 - Condição: Parada da planta / Novo rotor instalado.
Data de término: 16/08/2011 - Condição: Parada do setor / Equipamento com perda
significativa de rendimento, não atendendo a vazão de entrada do processo sucessor.
Número de dias corridos: 23 - Número de dias trabalhados (24 horas): 15,6
7. Dados de vida útil do rotor Imbil
Os dados de operação foram coletados através do supervisório da mina, considerou-se o
tempo real de equipamento operando, em número de horas. O tempo de operação foi apurado
pela tabela de início e final de funcionamento diária do equipamento.
Data de início: 18/08/2011 - Condição: Parada da planta / Novo rotor instalado.
Data de término: 25/10/2011 - Condição: Parada do setor / Equipamento ainda em
estado de funcionamento, porém optou-se pela troca em função da parada.
Número de dias corridos: 69 - Número de dias trabalhados (24 horas): 29,4
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8. Comparativo de vida útil
Na figura 12, abaixo, é demonstrado os dias corridos no eixo X e o número de horas
trabalhadas acumuladas no eixo Y. O rotor do outro fabricante ficou em operação o total de
23 dias e um total de 376 horas de operação. O rotor desenvolvido pela Imbil ficou em
operação o total de 69 dias e um total de 705 horas de operação.
Para que se tenha como comparar na mesma base o número de dias corridos, calculou-se o
fator de utilização da bomba com o rotor do outro fabricante, valor de 0,68, ou seja, a bomba
operou em média 68% do tempo num dia de 24 horas. O fator de utilização da bomba com o
rotor Imbil, valor de 0,47, ou seja, a bomba operou em média 47% do tempo num dia de 24
horas. Assim, o fator médio foi de 0,53, recalculando o número de dias corridos, tem-se: 29,3
dias corridos com o rotor do outro fabricante e 55,5 dias corridos com o rotor Imbil.
A vida do rotor Imbil foi 187,5% da vida do rotor do outro fabricante.
Figura 12: Acompanhamento de vida dos rotores - Fonte: elaborado pelo autor.
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9. Resumo dos ganhos efetivos
Figura 13: Gráfico com o resumo dos ganhos efetivos - Fonte: elaborado pelo autor.
10. Considerações Finais
Pode-se concluir que o desenvolvimento do novo rotor foi um grande sucesso, pois
houve aumento da eficiência do bombeamento em 6 pontos percentuais, houve aumento
nos intervalos de manutenção (saiu de 12,2 paradas anuais para 6,5 paradas anuais) e
conseqüente aumento da disponibilidade do equipamento para a operação, houve aumento da
vida útil em 87% e houve redução no custo operacional anual de 47% (pela troca de
rotores).
Para uma mina com mais de 50 bombas de polpa em operação, a redução de custo
operacional pode ultrapassar meio milhão de reais por ano (considerando o custo do rotor e da
mão de obra para substituição), caso esse aumento de rendimento do rotor for atingido
também nas demais fases do beneficiamento do minério de ferro. Além da redução do custo
operacional atingida no processo de bombeamento, o aumento da disponibilidade do
equipamento e o aumento da eficiência de bombeamento podem ser alternativas para o
crescimento da produção sem a necessidade de grandes investimentos em ampliações e infraestrutura.
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