Etapa controladora do processo de redução do minério

A maioria dos autores considera a reação de gaseificação do carbono como sendo a etapa controladora do processo global de redução, mas para temperatura até 1.200ºC. Conceição (1994), em sua tese de doutorado, pesquisou que diversos autores mostraram que a cinética da reação de Boudouard é a etapa controladora do processo global de redução conforme Tabela 4.

Fruehan (1977) afirmou que embora seja aceito que a gaseificação do carbono seja a etapa controladora do processo global de redução, esta fase é variável de acordo com o tipo de redutor utilizado, dependendo de sua maior ou menor reatividade. Este autor determinou a temperatura média de 1.100ºC como sendo o limite para o controle por gaseificação do carbono.

TABELA 4 – Mecanismo controlador do processo de redução.

Autor Energia de Ativação

(kj/mol) Observações

Mecanismo Controlador

Baldwin ---- --- Reação de Boudouard

Choah e Tiwari 78,2 --- Reação de FeO por CO Rao 301,3 --- Reação de Boudouard Fruehan 293 a 335 Tanto para o Fe2O3,

FeO como para FeO e Fe Reação de Boudouard Seaton et al 125,6 238,6 Temperatura > 1000°C Temperatura < 1000°C Reação de Boudouard e/ou transporte de calor

Srinivasn et al 474,4

---

Reação de Boudouard no início e redução de FeO

por CO no fim da reação Abrahan et al

230 140 305 296

Etapa FeO - Fe, sem compactação, Etapa FeO - Fe, com compactação, Etapa Fe2O3, - Fe, sem compactação,

Etapa Fe2O3 - Fe, com compactação

Reação de Boudouard

Ajersoh 182,0

647,1

Etapa Fe2O3 - FeO Etapa FeO - Fe

Reação química,difusão Rao

---- ---

Reação de Boudouard e fluxo de gás para fora

da pelota Turkdogan

--- ---

Reação de Boudouard e fluxo de gás entre o exterior e interior da pelota

Os estudos desenvolvidos por Baldwin (1995), sobre redução de minério de ferro com o redutor sólido coque metalúrgico, mostram que o processo de redução ocorre principalmente pelas reações no estado gasoso entre sólido e gás, sendo as reações de redução no estado sólido entre sólido - sólido desprezível. Os estudos mostraram também que a velocidade das reações de redução aumentou com o aumento da temperatura, podendo ser atribuída pela aceleração da reação de Boudouard de gaseificação do carbono pelo CO2 gerando 2CO. A disponibilização

de maior quantidade de CO em detrimento ao CO2 favorece a cinética das reações

de redução do óxido de ferro.

Mookher (1986) efetuou estudos cinéticos sobre a redução de finos de óxido de ferro por finos de carvão mineral, e concluiu que a reação de redução pelo gás CO e a reação de Boudouard são simultâneas. A reação de Boudouard é que governa a etapa química, todavia a difusão das espécies gasosas no interior da amostra exerce também papel importante durante a etapa de redução. Portanto, a cinética global de redução está subordinada a um controle misto, ou seja, constituído pela velocidade da reação de Boudouard e pela velocidade de difusão de produtos e reagentes gasosos. Verifica-se então que a redução de minério de ferro por redutor carbonáceo sólido pode ser estabelecida pelo equilíbrio entre o carbono sólido e a mistura gasosa CO/ CO2 e pelo equilíbrio dos óxidos de ferro.

Nas fases finais de redução pode ocorrer uma diminuição da velocidade de reação, provavelmente devido à diminuição da área superficial da wustita e do redutor sólido, além do decréscimo do fluxo de calor na medida em que se aproxima do equilíbrio térmico na pelota, sinter ou minério. A cinética da redução de minério de ferro desempenha papel importante na produtividade dos reatores de redução. Os principais fatores que afetam a cinética de redução estão listados abaixo:

(a) Temperatura de redução; (b) Pressão do sistema; (c) Tempo de redução;

(d) Vazão, velocidade e composição dos gases redutores; (e) Granulometria das partículas;

(f) Presença de agente catalisador; (g) Reatividade do redutor sólido;

(h) Natureza química e física do minério; (i) Relação Minério / redutor.

Bastante estudada e difundida na literatura, sabe-se que o aumento da temperatura de redução favorece fortemente a cinética global de redução. Este comportamento, de acordo com Mourão (1988), é um indicativo de que a etapa química desempenha um papel importante e fundamental no processo global de redução. Portanto, a velocidade de reação de Boudouard talvez seja o principal fator em todo o processo.

Os estudos de Fruehan (1977) indicaram que a reação de Boudouard foi a etapa controladora do processo global de redução em extensa faixa de temperatura inferiores e igual a 1.100°C, embora seja aceito que a gaseificação do carbono é a etapa controladora da reação de redução, de acordo com o tipo de redutor utilizado, dependendo de sua maior ou menor reatividade. Por outro lado, em temperaturas superiores a 1.100°C a referida reação vai se tornando gradativamente secundária, isto é, o processo de redução vai assumindo um controle de caráter misto entre a redução do “FeO” pelo gás CO e a reação de Boudouard. Este mesmo fato pode ser observado por Baliarsingh e Mishra (2008) que através de seus estudos demonstraram que para temperatura inferior a 1.000°C, o carvão vegetal, mais reativo, proporcionou melhor grau de redução da pelota, e para temperatura de 1.000°C o grau de redução de pelotas de minério de ferro apresentam o mesmo comportamento, acreditando que para temperaturas acima de 1000ºC, a reatividade do redutor através da reação de Boudouard não exerce o controle individual, sendo então o controle misto com a etapa de difusão, conforme mostrado na figura 36.

Comparação do percentual de redução do carvão mineral e carvão vegetal a 900ºC

Comparação do percentual de redução do carvão mineral e carvão vegetal a 1.000ºC FIGURA 36 – Influência do redutor e temperatura no grau de redução da pelota.

Fonte: Baliarsingh e Mishra, 2008.

Seaton e Foster (1983) apresenta o efeito da temperatura na cinética de redução de pelotas de minério de ferro hematítico e magnetítico (figura 37), mostrando que a velocidade de redução das pelotas aumentou com a elevação da temperatura.

FIGURA 37 – Influência da temperatura na redução de pelota.

Fonte: Seaton e Foster, 1983.

Ajersch (1987) em sua investigação sobre a cinética de redução de briquetes auto- redutores analisou o efeito da relação C / Fe2O3 e construiu a figura 38, onde para

valores superiores a 3,0 a quantidade de redutor deixa de ter importância, pois o óxido será totalmente reduzido antes que o carbono seja totalmente gaseificado ou oxidado pelo CO2. Rao (1971) em sua investigação sobre a cinética de redução de

misturas de finos de hematita e carbono amorfo analisou o efeito da granulometria do redutor sobre a velocidade global do processo. Os resultados obtidos por Rao (1971) são apresentados na figura 39 e mostram um aumento da cinética de redução com a diminuição da granulometria do redutor.

FIGURA 38 – Influência da relação redutor/ minério na fração de reação.

Fonte: Ajersch, 1987.

FIGURA 39 – Cinética de redução de mistura de finos de hematita em função da granulometria do redutor. Fonte: Rao, 1971. Tempo, segundos F R A Ç Ã O D E R E A Ç Ã O , f