Introdução

O método dos elementos discretos (DEM) é uma ferramenta amplamente utilizada para simular o comportamento de materiais graneis dos mais diversos formatos e tamanhos, em equipamentos como silos, moegas e chutes de transferência. Nesse sentido, o DEM possibilita que a operação do ativo seja representada de forma numérica, após correlacionar o modelo e os dados do ativo em análise. Assim, torna-se possível a identificação de padrões de fluxo e parâmetros físicos que seriam de difícil obtenção durante o funcionamento. Ademais, o método também viabiliza o estudo de modificações na geometria e nos parâmetros de operação, sem a necessidade de parada do equipamento ou uso de protótipos físicos.

Case

Nesse contexto, a pedido de um cliente, a Kot Engenharia utilizou o método para realizar a análise de fluxo em um leito de resfriamento de pelotas de minério de ferro. Primordialmente, o estudo teve como objetivo identificar possíveis causas para o resfriamento insuficiente de um segmento de material ao longo do resfriador. Conforme ilustrado, a Figura 1 apresenta o equipamento, assim como seus principais componentes, relacionados ao fluxo de material.

Figura 1: Geometria utilizada na análise e seus principais componentes. Fonte: Acervo Kot.

Posteriormente, a partir de relatos da equipe de operação e de imagens obtidas em campo, observou-se que na saída do leito de resfriamento uma parcela do material não estava sendo resfriada corretamente. Por conseguinte, foi possível notar que o material em alta temperatura se encontrava próximo à parede externa do leito de forma recorrente, conforme Figura 2.

Figura 2: Identificação da região de resfriamento insuficiente. Fonte: Acervo Kot.

Nesse sentido, em relação ao material utilizado no modelo, uma vez que não é possível realizar a coleta e manuseio das pelotas na condição de operação, o modelo DEM foi calibrado utilizando os dados do material em temperatura ambiente. A Figura 3 apresenta uma das vistas comparando a trajetória das pelotas na saída do forno com a trajetória de material no modelo DEM.

Figura 3: Comparação das trajetórias das pelotas. Fonte: Acervo Kot.

Diante desse cenário, a partir da avaliação do processo e do equipamento, foram elaboradas duas hipóteses para a faixa de material que não estava sendo resfriado conforme esperado. Nesse sentido, as duas possibilidades consideradas são:

• • Irregularidades na altura do leito de material;

• • Porosidades não uniformes do leito de pelotas.

O modelo DEM executado para avaliação da formação do leito de pelotas, que pode ser visualizado no Vídeo 1, apresenta a etapa de enchimento e início da operação do resfriador.

Vídeo 1: Enchimento do leito. Fonte: Acervo Kot.

Em seguida, esse modelo teve como objetivo identificar a altura da cama de material ao longo da largura do leito. Assim, a partir dos resultados da análise DEM foi possível identificar a uniformidade na altura, conforme Figura 4.

Figura 4: Altura do leito de pelotas no resfriador. Fonte: Acervo Kot.

Todavia, após descartar a possibilidade de variações na altura da cama, a hipótese seguinte tratou de avaliar a não uniformidade da porosidade do leito de pelotas. Conforme relatos do cliente, e dados de amostragem do material granel após o resfriador, os problemas de resfriamento foram relacionados ao aumento da fração de partículas de menor granulometria.

De fato, a possibilidade de segregação por tamanho de partículas na saída do forno é conhecida, resultando em trajetórias predominantemente diferentes para cada tamanho de pelota e, consequentemente, causando a formação de um leito não uniforme. Caso ocorra uma maior presença de finos em uma região especifica do resfriador, o fluxo de ar nesta seção seria prejudicado e, com isso, a capacidade de troca de calor das pelotas neste segmento também seria reduzida. Dessa maneira, foi implementado no modelo DEM uma maior variabilidade de partículas, seguindo a proporção de distribuição granulométrica informada pelo cliente. A Figura 5 apresenta a análise de fluxo no modelo em função do diâmetro das partículas.

Figura 5: Análise de fluxo. Fonte: Acervo Kot.

Como resultado, o modelo com maior variabilidade granulométrica indicou que as partículas de menor diâmetro possuem tendência de queda no lado externo do leito de resfriamento, coincidindo com a região de pior resfriamento do material. Portanto, a composição do leito foi avaliada, sendo apresentado no Vídeo 2 o número de partículas em cada segmento radial do leito. Nesse sentido, esse parâmetro está relacionado à porosidade do leito, uma vez que uma região com maior número de partículas implica em maior preenchimento do volume desta seção e, consequentemente, em uma menor fração de espaços vazios.

Vídeo 2: Contagem de partículas. Fonte: Acervo Kot.

Conclusão

Em síntese, a análise do leito de pelotas realizada por meio de um modelo DEM indicou que a seção com maior número de partículas e consequentemente com maior porosidade, coincide com a região de pior resfriamento, destacando este fator como causa dos problemas relatados pelo cliente. A partir da identificação da origem do problema, utilizando ferramentas de cálculo computacional, a Kot conseguiu apoiar seu cliente, obtendo as informações necessárias para o desenvolvimento e aplicação de soluções mais direcionadas, otimizando o uso de recursos e possibilitando melhorias significativas em seu processo.

A equipe da Kot possui profissionais qualificados à sua disposição para avaliar e realizar as mais diversas análises de engenharia consultiva. Consulte nossa equipe para mais informações!

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FAQ

1. O que é o Método dos Elementos Discretos (DEM) e como ele é aplicado no manuseio de granéis?

O Método dos Elementos Discretos (DEM) é uma ferramenta de simulação numérico-computacional que modela o comportamento e a trajetória individual de partículas granulares de diferentes tamanhos, formas e propriedades físicas. Na indústria de mineração e siderurgia, o DEM é amplamente utilizado para analisar o fluxo de materiais em equipamentos como silos, moegas, chutes de transferência e leitos de resfriamento. Sua grande vantagem é permitir a visualização de fenômenos internos, como empacotamento, segregação e desgaste de revestimentos, sem a necessidade de paradas de fábrica ou construção de protótipos físicos caros.

2. Qual era a falha operacional observada no leito de resfriamento de pelotas de minério?

A equipe de operação identificou que uma faixa específica de material, localizada continuamente próxima à parede externa da saída do leito de resfriamento, apresentava temperaturas significativamente superiores ao esperado. Esse resfriamento insuficiente gerava riscos de danos aos sistemas de manuseio jusante (como correias transportadoras) e comprometia a homogeneidade da qualidade das pelotas de minério de ferro produzidas.

3. Quais hipóteses foram investigadas para explicar a falta de resfriamento do material?

A engenharia estruturou duas hipóteses principais para investigar a origem da anomalia térmica:

• Irregularidade na altura da cama de material: A possibilidade de haver um acúmulo desproporcional de pelotas em um dos lados do leito, o que exigiria maior passagem de ar naquela região;

• Não uniformidade na porosidade do leito: A presença de maior quantidade de partículas de menor diâmetro (finos) acumuladas em um setor do leito, preenchendo os espaços vazios e impedindo a passagem do ar.

 

4. Como a simulação computacional descartou a variação de altura e confirmou o problema na porosidade?

A primeira simulação no software DEM analisou a etapa de enchimento e a geometria da cama de pelotas no resfriador, demonstrando que a altura do leito mantinha-se uniforme em toda a largura do equipamento. Em seguida, ao implementar a distribuição granulométrica real informada pela usina, a simulação revelou que as pelotas de menor diâmetro tinham uma trajetória de queda inclinada para o lado externo do leito. O acúmulo de finos nessa faixa elevou o número de partículas por volume, reduzindo os espaços vazios (porosidade) e estrangulando o fluxo de ar de resfriamento que deveria atravessar o leito.

 

5. Como é feita a calibração de um modelo DEM quando o material opera em altas temperaturas?

Em operações onde o manuseio e a coleta direta do material sob temperaturas extremas (como na saída imediata do forno) são inviáveis por razões de segurança, o modelo DEM é inicialmente calibrado a partir dos dados do material em temperatura ambiente. Parâmetros como coeficiente de atrito, restituição e distribuição granulométrica são ajustados com base em ensaios de laboratório e imagens de campo da trajetória das pelotas na saída do forno, garantindo que o comportamento numérico reflita com máxima fidelidade o fluxo real na planta industrial.

 

6. Quais são os benefícios práticos do diagnóstico por DEM para a gestão de ativos industriais?

A aplicação do DEM elimina o processo de “tentativa e erro” na resolução de problemas operacionais complexos. Ao identificar exatamente a causa raiz da falha (neste caso, a segregação granulométrica na alimentação do leito), a empresa ganha assertividade para implementar modificações focadas, como ajustes na calha de descarga do forno ou peneiramento de finos, otimizando o investimento de capital (CAPEX/OPEX) e aumentando a confiabilidade da planta.