Fundentes

Os fundentes têm como função básica escorificar as impurezas introduzidas na carga, pelos minérios e pelo combustível sólido, formando uma matriz de escória capaz de promover a coesão dos grãos dos minérios, de modo a proporcionar ao sínter uma resistência adequada à sua utilização no alto-forno. Os principais fundentes usados na sinterização são: cal virgem, calcário calcítico, dolomítico, serpentinito, dunito e, mais recentemente, a magnesita.

Dentre os fundentes citados acima, a cal virgem é comumente consumida com a função também de aglomerante. Aglomerantes precisam ser adicionados à mistura a ser aglomerada, com os objetivos de aumentar a viscosidade da fase líquida dentro dos capilares, manter a quase- partícula coesa e auxiliar durante a queima na formação de “pontes cerâmicas” ou na formação de cálcio-ferritas, ou ainda na escorificação em pontos discretos, contribuindo para a resistência do sínter após a queima [11]. Mais a seguir será dada ênfase ao aglomerante em função de sua importância no processo de Sinterização.

3.2.2.2 Combustíveis

Combustível é um material que se queima sob condições próprias, em contato com o ar, gerando calor. Na sinterização, usualmente, dois combustíveis são usados com finalidades distintas: combustível gasoso ou líquido, que é queimado no forno de ignição; e combustível sólido, parte integrante do leito de sinterização, que tem por finalidade queimar-se em presença de ar, fornecendo o calor necessário ao processo.

37 O coque é o combustível mais usado em sinterização. Primeiramente porque possui todas as características físicas e químicas desejadas; em segundo lugar, porque, com seu uso, são aproveitados os finos de coque fora da especificação granulométrica para os altos-fornos [12]. A distribuição granulométrica do combustível é de extrema importância para o processo de sinterização. Em geral, a melhor otimização e eficiência do processo é obtida quando o combustível se encontra entre 0,3mm e 3,0mm – partículas finas queimam muito rapidamente enquanto que partículas grossas queimam de maneira mais lenta e podem alargar a frente de chama ocasionando uma perda de produtividade.

3.2.2.3 Adições

As adições, quando usadas, servem para corrigir alguma característica da mistura ou com vistas ao reaproveitamento de resíduos gerados na operação da usina. As adições que são mais comumente consumidas são resíduos industriais gerados ao logo do processo produtivo do aço e minério de Mn, para atendimento ao %Mn no gusa especificado pela Aciaria.

3.2.2.4 Finos de retorno

Os finos de retorno podem ser provenientes do próprio peneiramento da sinterização (normalmente, fração <5mm) ou do peneiramento do alto-forno para classificação do material a ser consumido no processo (na Figura 26, denominado FRAF). Esse material, em geral, possui granulometria de nucleante no processo de aglomeração a frio.

A Figura 26 resume, de uma maneira geral, a proporção das matérias-primas tipicamente consumidas num processo de sinterização.

38 Algumas empresas possuem um pátio destinado a uma blendagem preliminar do material a ser consumido na sinterização. Nesse caso, parte das matérias-primas são homogeizadas para então serem direcionadas à área de dosagem. Esse método é um grande contribuinte para a redução de variabilidade do processo e da qualidade do sínter.

Na área de dosagem, as matérias-primas (previamente blendadas ou não) são controladamente adicionadas a transportadores de correias para o processo subsequente de homogeneização em tambores misturadores.

3.2.3 Aglomeração a frio

O processo de aglomeração a frio é de grande importância para a sinterização de minérios de ferro, uma vez que a boa permeabilidade do leito de sinterização determina, em grande parte, a velocidade a que o processo progride e, portanto, a produtividade da planta.

O mecanismo de granulação de sinter feed difere do previsto para pelotização devido a mais vasta distribuição granulométrica, característica deste produto, comparado com o pellet feed. O principal mecanismo do processo de granulação é dado pela aderência de partículas finas em partículas maiores.

LISTER et al. [24] propõem o seguinte mecanismo de aglomeração: quando a água é adicionada ao tambor misturador, as partículas finas imediatamente se unem e formam uma camada nas partículas intermediárias e nas nucleantes. Algumas partículas intermediárias também aderem às partículas maiores nucleantes. Seguindo esse primeiro estágio, o crescimento continua ocorrendo quando as partículas intermediárias alteram de função nucleante para aderente. O segundo estágio de aglomeração é lento quando um número de colisões se faz necessário antes de as partículas intermediárias serem de maneira efetiva incorporada na camada. Finalmente, um equilíbrio é alcançado onde há um balanço entre as colisões que retiraram partículas da camada e aquelas que adicionaram partículas a ela. Nesse ponto, a distribuição granulométrica máxima é alcançada, Figura 27 [24].

39 Figura 27: Diagrama esquemático do mecanismo de granulação [24]

O efeito da quantidade de partículas intermediárias num minério no processo de granulação varia de empresa para empresa em função de condições operacionais, mas de um modo geral, seu impacto é negativo no processo de aglomeração a frio.

Uma quase-partícula é composta por um núcleo de hematita, que durante a sinterização permanece sem fusão, cercado por grãos de minério mais finos com ganga de sílica, e na presença de alta basicidade (CaO/SiO2). Partículas >0,7mm atuam como núcleos enquanto

partículas <0,2mm atuam como aderentes (Figura 28). As partículas intermediárias são difíceis de granular e não têm uma função definida. A quantidade de partículas nesse intervalo (0,2mm a 0,7mm) precisa ser mínima, uma vez que afeta a permeabilidade da mistura de duas formas: (a) como núcleo essas partículas reduzem o tamanho das quase-partículas e, assim, resultam em menor permeabilidade do leito e; (b) como finos aderentes são fracamente aderidas e facilmente separadas das partículas secas. Quando o teor de água adicionado à mistura de minério durante a granulação é aumentado, as partículas intermediárias aderem aos núcleos mais grossos, mas se desprendem durante a secagem[18].

40 A granulação é então obtida pela rotação de tambores (Figura 29). O rolamento das partículas no tambor aumenta seu tamanho de duas maneiras: a) ligação entre partículas e b) atração pela criação de pontes líquidas entre as partículas [18].

Figura 29: Característica típica de um misturador [12]

As forças de ligação podem ser variadas alterando a sequência de formação da mistura a ser sinterizada de modo a favorecer a ação de agregação ao núcleo fornecido por um componente dado (por exemplo, os finos de retorno). Essas forças de ligação também podem variar modificando a sequência de formação de mistura de sinterização incluindo um processo seletivo de granulação ou pré-aglomeração[18]. Forças do último tipo (pontes líquidas) são originadas pela presença de água adicionada à mistura, e seu efeito pode ser aumentado pelo uso de aditivos. Em ambos os casos (interligação e pontes) a ligação das partículas granuladas não é grande, é suficiente para garantir que a mistura granulada possa ser transportada e alimentada em camadas na máquina de sínter sem colapsar. A distribuição do tamanho de uma mistura granulada quando é alimentada na grelha de sinterização varia de cerca de 1,0mm a 10 mm[18]. Durante a sinterização, a camada aderida ao núcleo é submetida à formação de ferritos devido à reação sólido-líquido entre a hematita e uma massa fundida de CaO-Fe2O3 que contém

pequenas quantidades de SiO2 e Al2O3. A estrutura ótima para uma boa redutibilidade do sínter

é considerada aquela constituída por um núcleo de hematita cercado por ferrito acicular. Esta estrutura pode ser conseguida com granulação adequada da mistura de minério e realizando sinterização a uma temperatura abaixo de 1300°C, de modo que o núcleo da quase-partícula não funda[25].

Os três fatores que controlam a camada de finos aderidos ao núcleo são: estrutura do núcleo (área superficial, porosidade), o teor de umidade e quantidade de finos presente. Partículas de formas irregulares, como finos de retorno, coque, goethita, são bons núcleos enquanto partículas lisas com superfícies regulares, como calcário e hematitas densas, não são[25].

41 Segundo STARLING [7], a eficiência do processo de granulação está diretamente relacionada tanto aos parâmetros de processo quanto às propriedades físicas, químicas e mineralógicas dos componentes da mistura de sinterização. Quantidade de material no misturador, o tempo de residência e a velocidade de rotação do tambor são parâmetros de processos a serem controlados para a obtenção de boa eficiência de granulação. Densidade, porosidade, formato e tamanho médio de partículas, distribuição granulométrica das partículas, umidade ótima, dentre outras, são propriedades da mistura que afetam a granulação.

O teor ótimo de umidade na mistura é um parâmetro muito importante no processo de sinterização e deve ser alcançado a fim de se obter estabilidade operacional e elevada produtividade. Muitas plantas têm instalado analisadores online de infravermelho para monitorar a umidade das quase-partículas, o que permite uma adição de água automatizada no misturador (e disco, no caso de HPS), para manter a umidade requerida para o processo. A umidade da mistura é o principal fator que determina a eficiência da etapa de granulação. A adição de água à mistura provoca reações favoráveis ou não à granulação [7].

Cada mistura de sinterização apresenta sua umidade ótima em que a eficiência máxima de granulação é alcançada. Características físicas e químicas das misturas de sinterização determinam a quantidade de água a ser adicionada à mistura para se atingir a umidade ótima desta e a consequente eficiência máxima de granulação.

A umidade ótima favorece a formação das quase-partículas e, consequentemente, a boa permeabilidade do leito, sendo estes parâmetros de vital importância para o bom desempenho da sinterização. A umidade ótima é impactada tanto por propriedades físicas dos componentes das misturas quanto pelas reações químicas, que ocorrem ao se adicionar água na mistura [7]. A água normalmente empregada no processo de micro pelotização pode ser encontrada em 4 estados do sistema água-partículas (Figura 30), dependendo do seu volume [12]:

• Estado Pendular - quando a água está presente apenas nos pontos de contato das partículas, formando uma ponte líquida. A tensão superficial mantém as partículas unidas; • Estado Funicular - quando, além das pontes líquidas, alguns poros são totalmente

preenchidos por água, havendo ainda a presença de ar em alguns poros;

• Estado Capilar - quando todos os poros são ocupados pela água, porém a superfície não é coberta por uma película de água;

42 • Excesso de água - quando o excesso de água provoca o aparecimento da gota d'água, com

partículas no seu interior e também na superfície.

Figura 30: Umidade e coesão de micro pelotas [26]

Assim, existe um teor de umidade crítico, comumente chamado de umidade ótima, no qual se obtém uma melhor eficiência de micro pelotização. O teor de umidade ótimo é aquele no qual um menisco de água é formado em toda superfície dos poros existentes (Figura 30).

3.2.3.1 Processo HPS

Até 1988, existiam dois processos clássicos de aglomeração do minério de ferro: processo de sinterização e processo de pelotização. Embora estes processos tenham atingidos ótimos níveis de operação e qualidade do produto, ao longo do tempo, eles podem apresentar limites tecnológicos no que diz respeito a granulometria e composição química das matérias-primas, produtividade da instalação, rendimentos, dentre outros.

Como forma de reduzir a sílica do sinter feed, a empresa NKK (atualmente JFE) passou a estudar a adição de pellet feed natural, com baixo teor de sílica e baixo custo, ao sinter feed implantando uma etapa a mais de aglomeração em discos pelotizadores no processo convencional de sinterização. Surgia, assim, o processo de aglomeração a frio denominado HPS (Hybrid Pelletized Sinter) [11], cujas ilustrações encontram-se nas Figuras 31 e 32.

43 Figura 31: Discos de Pelotização da Sinterização HPS da ArcelorMittal Monlevade

No ano de 1988, a primeira planta de HPS entrou em operação na usina de Fukuyama da NKK Co, Japão. Em 2002, esse processo foi instalado na ArcelorMittal Monlevade (Figura 31) e, em 2005, foi a vez da Gerdau, em Ouro Branco. Até o momento, apenas essas três empresas no mundo possuem o processo de sinterização HPS em seu fluxo de produção, com o objetivo de absorver um sinter feed na mistura com alto percentual de fração fina (<0,150mm) mantendo um elevado nível de produtividade da instalação.

44 Para desenvolvimento do processo HPS, em 1993, NIWA et al. [27] estabeleceram as seguintes considerações: 1) o processo de sinterização com alguma modificação pode ser utilizado; 2) levando em consideração a tendência futura para minério de ferro, grande quantidade de finos pode ser utilizada, cujo consumo seria limitado num processo convencional de sinterização; 3) a partir do ponto de vista global de meio ambiente, produtos contendo um teor de sílica inferior a 5% poderiam ser usados de maneira estável e eficiente para reduzir o volume de escória do alto-forno; 4) o consumo de combustíveis fósseis a ser usado durante o processo de sinterização pode ser reduzido, assim, menos dióxido de carbono será gerado. O consumo de combustível no alto-forno pode também ser reduzido pelas melhorias adicionais (principalmente redutibilidade) na qualidade do sínter carregado no reator [27].

O processo HPS caracteriza-se pela produção da quase-partícula que é constituída por três camadas de cobertura (Figura 33), sendo o minério mais grosso no centro, o minério mais fino e o fundente (calcário, cal e serpentinito) na segunda camada e o combustível sólido (coque/antracito) na camada de cobertura[11].

Figura 33: Estrutura da quase-partícula com revestimento de coque[11]

BORGES et al. [28]. apontam as vantagens da introdução do HPS na Usina de Monlevade[28]: i. Possibilidade do uso de 100% de minério próprio da Mina do Andrade;

ii. Eliminação de compra de minério externo;

iii. Redução do uso de pelotas na carga metálica do alto-forno;

iv. Redução no custo de produção do sinter feed devido ao aumento da demanda; v. Redução do consumo de combustíveis na sinterização;

vi. Aumento da produtividade da sinterização; vii. Melhoria na qualidade química do sínter.

45 BORGES et al. [28] relatam ainda a grande dificuldade de se implantar a etapa de recobrimento do combustível (coke coating) nas quase-partículas devido, sobretudo, às características das matérias-primas utilizadas no processo em Monlevade e à granulometria do combustível. KUMASAKA et al. [29], assim como BORGES et al. [28], também citam as principais vantagens do processo HPS sob o ponto de vista da, na época, NKK:

i. O processo HPS permite usar uma grande quantidade de pellet feed, cuja quantidade de minerais de ganga é relativamente menor, granulando em discos pelotizadores. As quase-partículas possuem um núcleo de minério de ferro que é revestido por coque breeze na mistura, que é queimado na máquina de sínter;

ii. HPS melhora a redutibilidade (RI) e o índice de degradação sob redução (RDI) devido à formação de fases minerais adequadas e estruturas porosas [29].

No processo HPS, finos de minério têm de ser tão granulados quanto possível para a manutenção da permeabilidade do leito durante a sinterização, porque a permeabilidade afeta a produtividade. Portanto, é importante avaliar as características de granulação dos finos de minério [29].

O processo HPS permite, mesmo com um minério de granulometria mais fina, produzir quase- partículas com uma granulometria mais grossa, em relação ao processo convencional e ainda melhorar a granulometria do sínter produto, Figura 34.

46 A partir de testes realizados em Fukuyama, KUMASAKA et al. [29] analisaram dados entre o consumo de combustíveis e tamboramento e redutibilidade do sínter, e afirmaram que é óbvio que o processo HPS pode manter um certo nível de resistência com baixo consumo de coque, e isso pode melhorar a redutibilidade, conforme indicado na Figura 35.

Como forma de manter uma operação estável no processo HPS, as seguintes recomendações devem ser observadas, de acordo com NIWA et al. [27]:

i. deve ser mantida uma operação de granulação estável, considerando que a matéria- prima apresenta uma distribuição granulométrica bem ampla;

ii. um refinado controle de umidade na granulação é necessário para a obtenção das quase- partículas porque cada matéria-prima tem seu ponto ótimo de umidade;

iii. o tamanho desejável do combustível deve ser abaixo de 1,0mm devido ao fato do combustível grosso levar a uma adesão ruim na etapa de recobrimento e, consequentemente, a uma segregação na etapa de carregamento da máquina de sínter.

47 A planta HPS em Fukuyama iniciou operação em Novembro de 1988. A Figura 36 mostra os principais resultados operacionais na época. Apesar de ter havido alguns problemas operacionais no início, a maioria deles foi eliminada com a melhoria do equipamento [27]. Durante o período de teste de 5 meses, até Abril de 1989, a quantidade de finos das matérias- primas, incluindo o pellet feed, foram gradualmente sendo elevadas de 20% para 40% e, finalmente a 60%. Em Março de 1989, o teste de operação com 60% de finos, que foi a meta final de quantidade de finos na mistura, foi feito. Nesse momento, partículas <0,125mm na mistura alcançaram 50%. Enquanto isso, o teor de SiO2 foi reduzido para 4,7%, o índice de

redutibilidade foi elevado para 70%-75% e RDI reduzido para 35%-40%. O consumo de coque foi significativamente reduzido de 43kg/t para 37kg/t [27], Figura 36.

Figura 36: Tendência de operação HPS e qualidade do sínter [27]

Ficou claro que no processo HPS grande quantidade de finos de minério, contendo baixo teor de minerais de ganga, pode ser usada em comparação com o processo de sinterização convencional e, ainda, a qualidade do sínter produto é superior ao sínter convencional [27].

48 Segundo NIWA et al. [27] o sínter HPS é mais poroso que o sínter convencional (Figura 37), e os cristais de cálcio-ferritas observados no HPS são extremamente finos (<0,010mm) e bem formados, enquanto no sínter convencional a forma prismática predomina com tamanho da ordem de 0,050mm.

Figura 37: a) sínter convencional; b) sínter HPS [27]

NIWA et al. [27] ainda registraram os bons resultados do alto-forno 5 de Fukuyama após começo do consumo do sínter produzido pelo processo HPS. Em comparação com os resultados antes do consumo do sínter HPS, o volume de escória e o coke rate foram reduzidos em aproximadamente 20kg/t e 12kg/t, respectivamente (Tabela 3).

Tabela 3: Resultados operacionais do Alto-Forno 5 de Fukuyama antes e após o consumo de sínter HPS [27]

3.2.4 Agente aglomerante

Segundo HONORATO [12], adição de agentes aglomerantes na mistura a sinterizar visa acelerar a união das partículas no misturador, ao mesmo tempo em que aumenta a capacidade de retenção do aglomerado e evita a desintegração dos grânulos no ato de compactação e secagem do material na esteira. A quantidade de partículas aderidas é diretamente proporcional

49 ao percentual usado do agente aglomerante. De todos os materiais que incrementam a micro pelotização, o que melhor se comporta em termos de índice de granulação é a cal fina.

Segundo SANTOS [31], a adição de cal (<0,2mm), em substituição ao calcário, para manter a basicidade binária, resulta em ganho de produtividade (Figura 38):

Figura 38: Correlação entre produtividade e consumo de cal [31]

STARLING [7] reforça dizendo que a adição de fundentes à mistura de sinterização, em alguns casos, pode ser uma solução para incrementar a qualidade de granulação da mistura, devido às suas características aglomerantes. Uma prática comum é a adição de cal à mistura de sinterização, dado o aumento de finos. A maior quantidade de finos na mistura reduz seu índice de granulação, reduzindo a permeabilidade do leito e a produtividade do processo de sinterização. A adição cal à mistura aumenta a aglomeração das partículas finas melhorando a granulação da mistura.

A cal melhora a ligação dos finos durante a micropelotização. As micropelotas também ganham resistência mecânica: menor formação de trincas e menor redução de volume. Na frente de chama, a primeira fração fundida é mais básica, uma vez que a cal ultrafina é transferida totalmente para a fração fundida [31].

Com o consumo da cal, os óxidos de ferro são atacados de forma mais eficiente; um maior volume de compostos contendo CaO são formados, por exemplo SiO2.CaO e CaO.óxidos de Fe

(ferritos); os gases gerados contém menor teor de CO2, devido à menor ocorrência de liberação

dos carbonatos do calcário; a resistência à passagem dos gases é, portanto, menor na zona de mistura. Esses fatores resultam em uma menor frente de chama, com um número maior de compostos de CaO e melhor permeabilidade. Esse último é o fator mais importante [31].

50 Os benefícios secundários do uso da cal referem-se a aspectos energéticos: menor consumo de energia pelo exaustor; pequena redução no consumo de coque; significativo ganho de resistência mecânica do sínter [31].

Em termos econômicos, a adição da cal é um método caro de controle da produtividade, uma vez que os efeitos positivos relativos aos ganhos de energia não compensam a diferença de preço entre a cal e o calcário [31].

Uma das principais características da cal que potencializa seu poder aglomerante é a