CAPÍTULO 4: PARTE EXPERIMENTAL
4.4. Ensaios Tecnológicos
De posse dos resultados anteriores foi verificada a possibilidade de remoção dos elementos deletérios As, Cd, Hg, Pb e Zn por rotas pirometalúrgicas, visando a obtenção de produtos com menores teores destes elementos para melhor aplicação na fabricação de ferro-ligas de manganês, evitando, assim, transtornos operacionais e de âmbito ambiental.
4.4.1 Ensaios para remoção dos elementos As, Cd, Hg, Pb e Zn das amostras de minérios de manganês
Certamente existem situações onde fenômenos científicos são tão bem conhecidos que usualmente para se chegar a resultados é utilizado modelos matemáticos, que podem ser desenvolvidos diretamente pela aplicação de princípios estabelecidos. Os modelos cujo fenômeno segue diretamente um mecanismo já conhecido são chamados modelos
mecanísticos.
Entretanto, muitos problemas na ciência e engenharia requerem observação do sistema em questão e experimentação para se saber o porquê e como este sistema trabalha. Modelos obtidos desta maneira são os chamados modelos empíricos. A situação em estudo se enquadra neste modelo, uma vez que, não se tem muitos conhecimentos e técnicas estabelecidas para remoção dos elementos em estudo de minérios de manganês.
4.4.2 Ensaios de remoção dos elementos em estudo ao ar
Foram realizados ensaios laboratoriais isotérmicos a 600, 800, 900 e 1000ºC, visando a remoção de As, Cd, Hg, Pb e Zn em um forno mufla da marca Elektro, com dimensão de 600x600mm, como pode ser visto na Figura 4.4. Eram colocados 200g de cada uma das 10 tipologias de minérios de manganês em peças de refratário e, introduzidas no forno. Inicialmente, foram realizados os ensaios a 1000ºC, com tempo de duração de 24, 12 horas e 1 hora. Após avaliação desses primeiros ensaios, foram realizados outros ensaios com duração de 1 hora e sob as temperaturas 600, 800 e 900ºC.
Os perfis de temperaturas utilizados durante as etapas dos ensaios de remoção dos elementos contaminantes em estudo, em atmosfera não-controlada, foram estabelecidos através da programação do controlador de temperaturas e podem ser vistos na Tabela IV.3.
78 Não foi utilizada uma mistura oxidante controlada, mas, como os ensaios foram realizados em atmosfera ambiente, é possível considerá-la oxidante. Ao final dos ensaios, o forno era desligado e após o arrefecimento até a temperatura ambiente, a massa restante em cada cadinho era pesada, homogeneizada, quarteada e parte da mesma pulverizada e determinada a concentração dos elementos As, Cd, Hg, Pb e Zn presentes nas amostras através do ICP-MS. Os elementos majoritários também foram quantificados, mas por ICP-AES. Com os resultados obtidos na análise química da massa tratada foram efetuados o balanço de massa e metalúrgico do ensaio.
Tabela IV.3 – Estratégia de aquecimento utilizado durante os ensaios para remoção dos elementos deletérios dos minérios de manganês em atmosfera ambiente.
Segmento Tipo de Segmento Estado
1 Rampa de 60 minutos até atingir a metade da
temperatura do ensaio Aquecimento
2 Rampa de 60 minutos até atingir a temperatura
do ensaio Aquecimento
3 Rampa com tempo e temperatura estabelecida
para o ensaio Reação
4 Desliga o equipamento Fim do Ensaio
4.4.2 Ensaios de remoção dos elementos em estudo em atmosfera redutora
Os testes no forno de redução para remoção dos elementos As, Cd, Hg, Pb e Zn foram realizados a 900ºC com duração de 1 hora. O idealizado, inicialmente, seria ensaios a temperatura de 1000oC, mas, devido limitações do equipamento, a máxima temperatura estabelecida para os ensaios foi de 900oC. Foi utilizada uma mistura com os gases redutores CO e H2 na proporção apresentada na Figura 4.3, que mostra o fluxograma esquemático dos ensaios. A mistura de gás utilizada, nos ensaios de remoção dos elementos contaminantes em estudo, foi adaptada da norma ISO 11258 que é utilizada para ensaios de redutibilidade direta de minérios de ferro e ensaios realizados por Jokien (2005) para minérios de manganês. A faixa granulométrica utilizada foi de 6,3 a 1,18mm, a fração grossa de sinter feed. Não foi utilizada toda a faixa de sinter feed por limitações operacionais do equipamento. Passado o tempo de redução, o fluxo de gás redutor foi interrompido e apenas gás inerte (N2) entrou em
79 contato com a amostra até o final do ensaio, como pode-ser visto na Tabela IV.4, que mostra a programação do sistema de controle de temperatura e vazão dos gases. Após o arrefecimento até a temperatura ambiente, a massa restante na retorta foi homogeneizada, quarteada e parte da mesma foi pulverizada e determinada a concentração dos elementos As, Cd, Hg, Pb e Zn presentes nas amostras através do ICP-MS. Os elementos majoritários também foram quantificados, mas por ICP-AES. Com os resultados obtidos na análise química da massa tratada foram efetuados o balanço de massa e metalúrgico de cada ensaio.
Figura 4.3- Fluxograma dos ensaios em atmosfera redutora para remoção dos elementos As, Cd, Hg, Pb e Zn de amostras de minérios de manganês.
Conforme mostrado nas Figuras 4.4, o forno elétrico para redução, ou forno de redutibilidade é composto de uma retorta em carcaça revestido por refratários, onde são fixadas as resistências elétricas. As amostras de minérios de manganês a serem reduzidas foram dispostas dentro da retorta cilíndrica, sobre uma placa perfurada que permite a passagem dos gases redutores. A retorta é do tipo simples e a entrada de gás é feita por um tubo fixado
Amostra (6,3 a 1,18mm).
Massa utilizada para cada ensaio 200g
900°C, 60 minutos Mistura: 6%H2, 56%CO e
38%CO2 Vazão: 5,0 L/min.
Pesagem e Análise Química para determinação de As, Cd, Hg, Pb e
80 externamente ao tubo principal da retorta e soldado na tampa inferior. Dessa forma, o calor gerado pela resistência elétrica é transmitido à camisa que por sua vez, aquece o gás redutor. O gás redutor penetra pela parte inferior da retorta e atravessa a amostra, completando o aquecimento até as temperaturas estabelecidas pelo controlador. Os gases resultantes da redução são descartados por uma tubulação fixada na tampa superior da retorta.
Figura 4.4- Desenho esquemático do ensaio de remoção de elementos deletérios no forno de redutibilidade. Adaptado de Jokien, 2005.
Gás de saída Hretorta 817mm FLU MIS Forno N2 H2,CO e N2
81 Este forno de redução apresenta flexibilidade para simulação de diferentes condições de operação por meio de ajustes nas condições termo-redutoras do ensaio, a partir de alterações no programa de controle do perfil térmico e da composição do gás.
Os perfis de temperaturas utilizados durante as etapas dos ensaios de redução foram adaptados das normas ISO 7215, ISO 4695 e ISO 11258 para ensaios de Redutibilidade – RI para minérios de ferro, conforme definido na Tabela IV.4, foram estabelecidos através da programação do controlador de temperaturas.
Tabela IV.4 – Estratégia de aquecimento utilizada durante os ensaios dos elementos As, Cd, Hg, Pb e Zn dos minérios de manganês em atmosfera redutora.
Segmento Tipo de Segmento Estado Eventos
1 Rampa de 45min. até
atingir 900ºC Aquecimento
Abre válvula de N2 Baixa Vazão N2= 2,5 L/min. Controle termopar forno
2 Patamar de 15min. em
900ºC Estabilização
Abre válvula de N2 Baixa Vazão N2= 2,5 L/min. Controle termopar forno
3 Patamar de 15 min. em
900ºC Estabilização
Abre válvula de N2 Alta Vazão N2= 5,0 L/min. Controle termopar retorta
4 Patamar de 60min. em
900ºC Reação
Fecha válvula de N2 Abre válvula da Mistura Vazão Mistura= 5,0L/min. Controle termopar retorta
5 Rampa de 120 min. até
100oC Resfriamento
Desliga Aquecimento Fecha a válvula da Mistura
Abre válvula de N2 Baixa Vazão N2= 5,0 L/min. Controle termopar retorta
7 Fim do programa Fim do
82 Esses ensaios não são padronizados como outros ensaios metalúrgicos “convencionais” que seguem, por exemplo, as normas ISO, ABNT ou JIS, apesar disso, pode-se identificar elementos comuns a todos os diferentes métodos ou ensaios de avaliação de propriedades em altas temperaturas, como a composição e vazão do gás, temperatura do ensaio, taxa de aquecimento, arranjo da amostra (tipo de amostra, massa da amostra e altura do leito).
O fluxograma apresentado na Figura 4.5 mostra o procedimento adotado para realização dos ensaios objetivando a remoção dos elementos, de interesse neste estudo, presentes nas tipologias de minérios de manganês.
83 10 amostras de
Tipologias de Minérios de Manganês
Ensaios de Remoção de Metais Pesados Faixa Granulométrica:Sinter feed Ao ar 1000ºC 24,12 e 1h Amostra para identificação de As, Cd, Pb, Hg e Zn e elementos majoritários Ao ar 900ºC, 800ºC e 600ºC, 1h Amostra para identificação de As, Cd, Pb, Hg e Zn e elementos majoritários Atmosfera redutora: 6%H2, 56%CO e 38%CO2 900ºC 1h Amostra para identificação de As, Cd, Pb, Hg e Zn e elementos majoritários Caracterização Física, Mineralógica e Química Ensaios de
Classificação como Resíduos Norma Brasileira Norma Européia
Figura 4.5 – Fluxograma esquemático da caracterização e ensaios de remoção dos elementos As, Cd, Pb, Hg e Zn de tipologias de minérios de manganês das Minas da VALE/Manganês.
84