Grau de liberação mineral: o que é, como calcular e medir

O que você vai aprender neste guia

Liberação é a separação física de um mineral útil da ganga que o acompanha, e o grau de liberação é a fração desse mineral que fica em partículas livres depois da cominuição. Este guia explica as partículas livres, mistas e inclusas, como o grau de liberação é calculado e medido, por que o tamanho de grão define a moagem e como esses dados orientam o projeto do circuito. Ele foi escrito para engenheiros de processo, metalurgistas de usina e compradores que precisam saber até que ponto moer o minério antes de escolher entre os tipos de moinho para mineração.

Partículas livres, mistas e inclusas

Um minério é uma mistura heterogênea de grãos minerais. Hematita, magnetita, calcopirita ou ouro aparecem na rocha como grãos de certo tamanho, cercados por quartzo, feldspato, carbonato ou outra ganga. A britagem e a moagem quebram a rocha em partículas, e cada partícula se enquadra em um de quatro grupos.

• Mineral útil liberado (livre): a partícula contém só o mineral de interesse e pode ir para o concentrado com teor pleno.
• Ganga liberada: a partícula não contém o mineral de interesse e pode ser descartada no rejeito.
• Partícula mista (binária): contém as duas fases, com o contato exposto na superfície. Dilui o concentrado ou se perde no rejeito, conforme sua composição e o processo de separação.
• Grão incluso (inclusão): um grão pequeno do mineral útil fica totalmente envolvido pela ganga. Nenhum processo que atue na superfície o alcança, e ele se perde se a partícula não for remoída.

Partículas com três ou mais minerais são chamadas ternárias ou complexas. A mesma lógica vale para cada mineral, separadamente.

O modo como a rocha se quebra também pesa. A fratura é aleatória quando as trincas cortam os grãos sem seguir seus contornos, e não aleatória quando seguem os contornos de grão ou de fase. A fratura não aleatória inclui a liberação por destacamento, em que o mineral se solta limpo pelo contorno, e a fratura preferencial, em que uma fase mais frágil se quebra antes das outras. Um minério com contornos de grão fracos se libera em granulometria mais grossa e com menos energia. É por isso que o mesmo minério dá resultados de liberação diferentes na britagem e na moagem.

Como se calcula o grau de liberação

A definição clássica é uma contagem: o número de partículas livres de um mineral dividido pelo número total de partículas que contêm esse mineral, livres ou mistas. A mineralogia automatizada atual costuma informar a liberação em base mássica (ou de área), com a fórmula da figura acima. As duas formas aparecem nos relatórios, então vale confirmar qual o laboratório usou antes de comparar dados de granulometria e liberação de fontes diferentes.

As duas definições dão números diferentes para a mesma amostra. O exemplo usa valores ilustrativos para 100 g de um mineral útil em uma amostra moída.

Cálculo ilustrativo, não são dados medidos.

A contagem dá um valor maior porque as partículas livres costumam ser mais finas que as mistas que carregam o restante do mineral. Para balanços metalúrgicos, a base mássica é mais útil, já que teor e recuperação são grandezas de massa.

Dois outros pontos influenciam a leitura de um valor de liberação:

• O limite de “livre” é uma convenção. Alguns laboratórios consideram liberada a partícula com 95% ou mais do mineral em área; outros usam 90%. Os relatórios também costumam trazer o espectro de liberação completo: a massa do mineral em cada classe de composição, por exemplo 0–10%, 10–20% e assim por diante até 100%.
• A liberação depende do tamanho. Um único valor para a amostra inteira esconde que as frações grossas quase sempre estão menos liberadas que as finas. Dados de liberação por faixa granulométrica, com cada fração de peneira analisada separadamente, são muito mais úteis no projeto do processo.

Esses dados por faixa são a ponte entre a mineralogia e a flotação e os outros métodos de concentração.

Por que o tamanho de grão define a moagem

O tamanho dos grãos minerais na rocha, junto com o modo como ela se quebra, define quão fino o produto precisa ficar. Como regra prática, a liberação só fica alta quando as partículas se aproximam do tamanho de grão do mineral útil. Por isso o estudo de textura vem antes do dimensionamento do moinho de bolas.

Os itabiritos do Quadrilátero Ferrífero mostram bem essa diferença. Em ensaios com QEMSCAN, o quartzo de um itabirito friável ficou suficientemente liberado com P95 de 0,210 mm, enquanto um itabirito compacto precisou de P95 de 0,045 mm. O compacto, com cristais menores, menor porosidade e textura mais complexa, exigiu uma moagem quase cinco vezes mais fina. Para a flotação catiônica reversa, que remove o quartzo do concentrado de ferro, essa diferença muda o tamanho do moinho e o consumo de energia da usina.

Outros minérios seguem a mesma lógica. Em um pegmatito de estanho e tântalo da Espanha, os grãos de columbita-tantalita eram quase todos menores que 250 µm. Nas frações de 1 a 4 mm, as partículas eram mistas, e só cerca de metade das partículas de tantalita/columbita estava livre nas frações abaixo de 125 µm.

A figura mostra o compromisso geral. Quanto mais fina a moagem, mais a liberação sobe, até se estabilizar. A recuperação acompanha a liberação no início, mas cai quando as partículas ficam finas demais: as lamas flotam devagar, recobrem as partículas maiores e consomem reagentes. É por isso que as usinas de minério de ferro fazem deslamagem antes da flotação. A energia de moagem cresce com força na mesma faixa. A moagem ideal fica na janela em que a liberação adicional ainda paga a energia extra e as perdas em lamas ainda não começaram. Essa janela é definida por ensaios com o minério real; as curvas da figura mostram apenas uma tendência.

A sobremoagem é a forma mais comum de perder valor no lado fino dessa janela. Partículas já liberadas continuam no moinho e são moídas de novo. A classificação em circuito fechado e o tipo de descarga do moinho influenciam o quanto isso acontece; para a descarga, veja moinho de bolas com grade vs transbordamento.

Como a liberação é medida

A liberação é medida em seções polidas de amostras moídas e classificadas, em geral uma seção por fração granulométrica. A tabela compara os principais métodos.

Fonte: compilado a partir das referências no final.

Todos os métodos baseados em seções têm o mesmo viés. Um corte 2D de uma partícula mista pode não atingir a segunda fase, e a partícula parece livre. Assim, a liberação 2D superestima a liberação real em 3D, e a recuperação da usina fica sempre abaixo da curva teórica teor-recuperação calculada com dados 2D. O viés é maior em minérios pouco liberados. Na comparação entre microscopia óptica e MLA em quatro amostras de minério de ferro brasileiro, os métodos concordaram dentro de cerca de 2% nas amostras bem liberadas, mas diferiram cerca de 6% na menos liberada.

Um estudo de liberação para um projeto novo costuma incluir dados por faixa para a moagem prevista e para pelo menos uma moagem mais grossa e outra mais fina, para que se conheça a forma da curva. Essa curva define a remoagem e o tamanho de corte dos classificadores.

Que liberação cada processo de concentração exige

Nem todo processo exige o mesmo grau de liberação, porque cada um atua sobre uma propriedade diferente da partícula. Na flotação o que conta é a superfície; na separação gravítica e na magnética conta a partícula inteira.

Na flotação industrial de sulfetos de cobre, a velocidade de flotação e a recuperação máxima de cada classe de tamanho aumentaram com a liberação e diminuíram com o tamanho da partícula. Nas faixas estudadas, a liberação pesou mais que o tamanho.

A liberação é necessária, mas não suficiente. Nos mesmos minérios de ferro brasileiros, três amostras tinham quase a mesma liberação de quartzo (90,4–91,2%), e mesmo assim a recuperação metalúrgica na flotação variou de 43,7% a 89,6%. Variedades minerais, porosidade, recobrimentos e lamas também contam, por isso os dados de liberação devem sempre ser lidos junto com ensaios de concentração. Para minérios de ouro com concentração gravítica e lixiviação, veja o guia sobre garimpo de ouro.

Dos dados de liberação ao projeto do circuito de moagem

Os dados de liberação respondem “quão fino”; o circuito de moagem responde “como e a que custo”. Várias decisões de projeto saem direto da curva de liberação.

• Definir a moagem primária pela curva, não pelo hábito. O P80 deve ficar onde moer mais fino ainda traz ganho claro de recuperação. Engrossar a moagem para ganhar vazão reduz a liberação: em Olympic Dam, na Austrália, a moagem primária foi engrossada aos poucos para aumentar a vazão, e a liberação dos sulfetos e a recuperação na flotação caíram.
• Remoer só a parte que precisa. Quando o mineral útil tem grão fino, uma moagem primária grossa seguida de remoagem do concentrado rougher concentra a energia na pequena massa que precisa dela. Olympic Dam, por exemplo, foi projetada para moagem primária com 80% passante em 75 µm e remoagem do concentrado rougher para P80 de 30 µm.
• Classificar em circuito fechado para limitar a sobremoagem. Hidrociclones ou outros classificadores retiram rápido do circuito as partículas finas já liberadas, antes que virem lama.
• Prever a variabilidade do minério. Zonas diferentes da mesma jazida podem exigir moagens muito diferentes, como mostram os itabiritos compacto e friável. Ensaios de liberação em cada tipo de minério dão a faixa que o moinho precisa cobrir.

O moinho de bolas é a máquina usual nas etapas de moagem primária e remoagem desses circuitos. O Moinho de Bolas MQ mói por impacto e por deslizamento e rolamento dos corpos moedores, que sobem junto ao revestimento e depois caem. Ele é oferecido nas versões a seco e a úmido, com carcaças de Ф900×1800 mm (18,5 kW) a Ф3600×4000 mm (800 kW), além de um modelo longo de Ф3000×11000 mm com 1250 kW. Carcaça, motor e carga de bolas devem ser escolhidos a partir da vazão e do P80 definidos no estudo de liberação. O projeto de granulometria das bolas de aço também precisa combinar com o tamanho do produto. Para alimentar uma flotação, o guia de seleção de moinho de bolas para circuitos de flotação de ouro mostra como esses números se juntam em um circuito; os modelos e dados completos estão na página do Moinho de Bolas MQ.

Perguntas frequentes

Qual a diferença entre liberação e malha de liberação?

Liberação indica quanto do mineral está em partículas livres. A malha (ou tamanho) de liberação é o tamanho de partícula em que o minério atinge um grau de liberação aceitável, por exemplo um P80 em micrômetros. É o ponto de partida para definir a moagem do circuito de cominuição.

É preciso 100% de liberação para um bom concentrado?

Não. As usinas raramente moem até a liberação total, porque a energia e as perdas em lamas sobem rápido demais. A flotação recupera partículas mistas com grão exposto, e a lixiviação só precisa que a solução alcance o mineral. A meta econômica costuma ficar bem abaixo da liberação total.

Moer mais fino sempre melhora a recuperação?

Não. Abaixo de certo tamanho, a recuperação cai porque as partículas finas flotam devagar, recobrem outras e consomem mais reagente. Moer mais fino também aumenta o consumo de energia e de bolas. A melhor moagem é encontrada por ensaios.

Quantas partículas devem ser analisadas para um resultado confiável?

Na contagem óptica, cerca de 500 partículas por amostra é um mínimo usual. Os sistemas automatizados de MEV analisam milhares de partículas por seção, o que melhora a estatística, principalmente em minérios de baixo teor.

A britagem sozinha pode liberar um mineral?

Só em minérios de grão grosso ou que se quebram pelos contornos de grão. Alguns pegmatitos, por exemplo, permitem descartar parte da ganga após britagem e peneiramento. A maioria dos minérios metálicos precisa de moagem para chegar a uma liberação útil; veja os tipos de moinho para mineração.

Qual moinho de bolas atende uma moagem definida pela liberação?

Para alimentar uma flotação a úmido, o usual é um moinho de bolas em circuito fechado com classificadores. A visão geral da família está na página de moinho de bolas, e a potência, a espessura do revestimento e a carga de bolas de cada carcaça estão na página do Moinho de Bolas MQ.

Referências e fontes

Os trabalhos abaixo cobrem as definições, as medições e os resultados usados neste guia. Para uma introdução aos termos de tamanho, veja termos de granulometria.

1. Rodrigues, R. S. e Brandão, P. R. G. (2022). MLA and optical microscopy as complementary techniques to the iron ore geometallurgical studies. REM – International Engineering Journal 75(1)
2. Ferreira, R. F. e Lima, R. M. F. (2014). Mineral liberation evolution after different degrees of comminution on itabirites. ABM Proceedings, 15º Seminário de Mineração
3. Ueda, T., Oki, T. e Koyanaka, S. (2017). Comparison of seven texture analysis indices for their applicability to stereological correction of mineral liberation assessment in binary particle systems. Minerals 7(11), 222
4. Guldris Leon, L., Hogmalm, K. J. e Bengtsson, M. (2020). Understanding mineral liberation during crushing using grade-by-size analysis: a case study of the Penouta Sn-Ta mineralization, Spain. Minerals 10(2), 164
5. The effect of primary grind size on flotation recovery and the theoretical grade-recovery curve at Olympic Dam. Mill Operators Conference 2024, AusIMM
6. Vallejos Aravena, P. E. (2016). Caracterización del proceso de flotación industrial a partir de relaciones tamaño-liberación. Universidad Técnica Federico Santa María

Leitura relacionada: o que é flotação.