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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) gam@imbil.com.br Eng. Fabiano Cândido (IMBIL) fca@imbil.com.br
Prof. Dr. Eugênio José Zoqui (UNICAMP) zoqui@fem.unicamp.br
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.
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.
Peça molhada Rotor
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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 de fluxo e pressões Fonte: acervo Imbil.
Figura 4: Modelo matemático 3D do rotor 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.
8 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 que tivesse essencialmente carbonetos, martensita, 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.
Figura 10: Forno de tratamento térmico Fonte: acervo Imbil.
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.
10 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.
11 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 infra-estrutura.
