INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA DE REAÇÃO E DA REATIVIDADE DO

Os testes realizados neste trabalho indicaram que a gaseificação do carbono dos coques pelo gás CO2 é crescente com o aumento da temperatura e com o aumento

da reatividade dos coques, conforme mostrado na Tabela 9, onde ∆g indica a perda de massa de carbono (Mi - Mf, sendo massa inicial - final) e GC% indica o percentual de gaseificação do coque após a realização dos testes nas temperaturas de 900 ºC, 1.000 ºC e 1.100ºC.

O parâmetro ∆GC1 apresentado na Tabela 9 indica o quanto o coque A1 gaseificou em relação ao coque B1, ou seja, o quanto o coque de maior reatividade gaseificou em relação ao de menor reatividade. De forma similar o parâmetro ∆GC2 indica o quanto o coque A2 gaseificou em relação ao coque B2 (ver cálculo no ANEXO B).

TABELA 9 - Resultado dos testes de gaseificação dos coques. 900ºC 1.000ºC 1.100ºC A1 44,1 3,10 20,90 69,97 A2 48,2 3,20 21,10 80,60 B1 28,6 2,30 16,70 45,40 B2 23,3 2,10 13,10 44,50 A1 44,1 2,31 15,58 52,15 A2 48,2 2,41 15,92 60,82 B1 28,6 1,74 12,60 34,27 B2 23,3 1,58 9,88 33,58 34,8% 25,1% 54,1% 52,4% 61,1% 81,1% ∆ g GC %

Grau de Gaseificação do Coque - GC (%) Faixa granulométrica do coque: 5 a 6 mm

Tipo de coque CRI do Coque (%) Redução ∆ g e GC % Temperatura do teste ∆ GC1 (Coque A1 em relação ao B1) ∆ GC₂ (Coque A2 em relação ao B2) Fonte: Autor, 2014.

O gráfico da figura 44-a, construído com os dados da Tabela 9, mostra a percentagem de gaseificação do carbono dos coques em relação à massa inicial de carbono contido nos coques antes do início dos testes, indicando que o coque A2, mais reativo, apresenta maior grau de gaseificação de carbono para todas as faixas de temperaturas estudadas.

Nos ensaios realizados a 900ºC, quando comparados os resultados de gaseificação dos coques de maiores reatividades (A1 e A2), por apresentarem CRI mais próximos em grandeza, nota-se resultados similares de graus de gaseificação. Esta fato também é evidenciado nos resultados de gaseificação dos coques de baixas reatividades (B1 e B2) nesta faixa de temperatura.

Nos ensaios a 1.100ºC parece haver uma maior cinética de gaseificação do carbono do coque, apresentando um aumento significativo do grau de gaseificação para todos os coques, com maior efeito nos coques de reatividades CRI acima de 44%.

FIGURA 44 - Influência da temperatura de reação e da reatividade na gaseificação dos coques.

Fonte: Autor, 2014; Kohei et al., 2011.

A análise do gráfico da figura 44 indica que a influência da reatividade na gaseificação do carbono dos coques se mostra mais intensa para temperaturas superiores a 1.000°C, onde a gaseificação dos coques A1 e A2, mais reativos, se mostrou significativamente maior em relação à gaseificação dos coques B1 e B2, menos reativos, e que para baixas temperaturas a reatividade exerce pouca influência no grau de gaseificação do carbono, onde todos os coques apresentaram graus de gaseificação próximos em grandeza. Este fenômeno foi observado e relatado nos estudos de Kohei (2011), conforme mostrado na figura 44b, que demonstrou que a taxa de gaseificação do coque é aumentada significativamente com a elevação do CRI do coque.

Nota-se também que quando comparamos os resultados de gaseificação dos coques B1 e B2, por possuírem reatividades muito próximas, o efeito da gaseificação com a elevação da temperatura não foi tão acentuado. Este mesmo fato ocorre quando comparamos entre si os coque A1 e A2 até a temperatura de reação de 1.000ºC, porém acima desta temperatura o coque de maior reatividade A2 gaseificou bem mais em relação ao coque A1.

b) a)

A figura 45 evidencia uma similaridade nos resultados de tendência da elevação do grau de gaseificação dos coques com o aumento da temperatura e com a elevação do CRI dos mesmos, para os testes com pelota e com o sinter como cargas ferríferas de redução.

FIGURA 45 - Influência da temperatura e da reatividade na gaseificação dos coques, nos testes com pelota (a) e com sinter (b).

Fonte: Autor, 2014.

Os resultados obtidos de grau de gaseificação dos coques de altas reatividades (A1 e A2) até a faixa de temperatura de 1.000ºC ficaram próximos conforme analisado na figura 45, porém a 1.100ºC o coque A2 apresenta uma elevação no grau de gaseificação em relação do coque A1.

5.2 INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA DE REAÇÃO E DA REATIVIDADE DO COQUE NO GRAU DE REDUÇÃO DA PELOTA.

Na primeira etapa de testes, realizados com a pelota e os redutores A1 e B1, os resultados indicaram que o grau de redução da pelota é crescente com o aumento da temperatura e com o aumento da reatividade do coque (ver Tabela 10), conforme mostrado por Kohei (2011), onde ∆g indica a perda de massa da pelota (Mi - Mf) e GR% indica o grau de redução da pelota após a realização dos testes nas temperaturas de 900, 1.000 e 1.100ºC.

TABELA 10 – Resultados do teste de redução da pelota. 900ºC 1.000ºC 1.100ºC B1 28,6 ∆ g 1,70 3,60 8,10 A1 44,1 ∆ g 2,40 4,70 10,80 B1 28,6 GR % 1,21 2,56 5,75 A1 44,1 GR % 1,70 3,34 7,67 41,2% 30,6% 33,3% CRI do Coque (%)

Grau de Redução da Pelota - GR (%)

Pelota X Coque tipo:

Unidade de redução da Pelota

Temperatura do teste

∆ GR1 pelota (Coque A1 em relação ao B1)

Faixa granulométrica da pelota: 10 a 12,5 mm

Fonte: Autor, 2014.

O gráfico da figura 46, construído com as informações da Tabela 10 mostra o grau de redução da pelota em relação à sua massa inicial de oxigênio antes do início dos testes, indicando que o coque A1, mais reativo, possibilitou maior grau de redução da pelota em relação ao coque B1, menos reativo, para todas as faixas de temperaturas estudadas.

FIGURA 46 – Influência da temperatura e da reatividade (CRI) do coque, no grau de redução da pelota (a) resultados de fração de reação de pelotas magnéticas x tempo (b).

Fonte: Autor, 2014; Seaton e Foster, 1983.

A elevação gradativa da redutibilidade da pelota com o aumento da temperatura foi observada para ambos os coques A1 e B1, conforme demonstrado por Seaton e Foster (1983) onde nota-se que a cinética de redução da pelota é aumentada com a elevação da temperatura de teste e que o resultado final após 60 minutos é a obtenção de maior redução da pelota para maior temperatura de teste (1.200ºC).

Para os testes nas temperaturas superiores a 1.000ºC parece haver uma maior cinética de redução da pelota, apresentando um aumento significativo no grau de redução da pelota para ambos os coques.

O gráfico da figura 47 foi construído a partir dos resultados descritos nas Tabelas 9 e 10 referente aos testes com a pelota e apresenta uma comparação entre a variação

∆GC1, que é a diferença entre o grau de gaseificação dos coques A1 e B1, e a

variação ∆GR1, que é a diferença entre o grau de redução da pelota nos testes com

o coque mais reativo A1 e o menos reativo B1.

FIGURA 47 – Diferença entre os graus de gaseificação dos coques A1 e B1 (∆GC1) X Diferença entre

os graus de redução da pelota para os testes com os coques A1 e B1 (∆GR1).

Analisando a figura 43 nota-se que ∆GC1 é em torno de 54% para temperatura de

1.100ºC, ou seja, o coque A1 gaseificou 54% mais que o coque B1, e nos testes a 1.000 e 1.100ºC a variação ∆GR1 apresentou praticamente a mesma ordem de

grandeza na faixa de 30~33% mostrando que não houve um aumento significativo na redução da pelota mediante a intensificação da gaseificação do coque A1, o que parece sugerir que a 1.100ºC pode estar ocorrendo o início de um efeito da difusão do gás CO nos poros da pelota, que está dificultando o processo de redução.

5.3 INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA DE REAÇÃO E DA REATIVIDADE DO COQUE NO CONSUMO DE CARBONO NO PROCESSO GLOBAL DE REDUÇÃO DA PELOTA.

Os testes realizados neste trabalho indicaram que o consumo de carbono no processo de redução da pelota é crescente com o aumento da temperatura para ambos os coques de reatividade variada, conforme mostrado na Tabela 11, onde o consumo de combustível é calculado pela massa em gramas de carbono gaseificado sobre a massa em gramas de oxigênio extraído da pelota (gC/gExt O2) após a

realização dos testes, no processo global de redução da pelota.

TABELA 11 – Consumo de combustível (gC/g Ext O2) no processo global de redução da pelota.

Fonte: Autor, 2014.

O gráfico da figura 48 construído com os dados da Tabela 11 indica que o consumo de carbono no processo de redução da pelota apresenta tendência crescente para ambos os coques, porém com intensidades diferentes.

FIGURA 48 – Influência da temperatura e da reatividade (CRI) do coque, no consumo de carbono para a redução da pelota.

Fonte: Autor, 2014.

Os testes realizados a 900°C e 1.000ºC mostram uma diferença percentual (∆%) entre o consumo de carbono no processo global de redução da pelota mínima para ambos os coques. Por outro lado, na temperatura acima de 1.100ºC houve um aumento do consumo de carbono, em torno de 15,6%, no processo global de redução para o coque A1, mais reativo, em relação ao coque B1 menos reativo, evidenciando uma perda na eficiência de redução nesta temperatura.

Os gráficos das figuras 49 (a) e 49 (b) mostram o grau de gaseificação e o grau de redução da pelota para ambos os coques. Sugere-se que o grau de redução da pelota está diretamente relacionado com o grau de gaseificação do carbono do coque, indicando que com a elevação da temperatura há uma maior gaseificação do carbono do coque, com maior disponibilização de gás CO, e conseqüentemente maior potencial redutor para redução da pelota. Isto foi mostrado por Baldwin (1995) em seus estudos, que evidenciou que a cinética das reações de redução do óxido de ferro são favorecidas pela elevação do gás CO em detrimento ao CO2 a medida que

FIGURA 49 – Graus de gaseificação e graus de redução da pelota: (a) Coque B1 (b) Coque A1.

Fonte: Autor, 2014.

A análise dos gráficos das figuras 49(a) e 49(b) indica também que para a temperatura de 900°C a diferença entre o grau de gaseificação do carbono do coque e o grau de redução da pelota é mínimo, para ambos os coques, e que para temperaturas superiores a 1.000ºC essa diferença é bem mais acentuada nos resultado dos testes com o coque A1 do que com o B1. Este fato parece indicar que para temperaturas até 1.100ºC a reação de gaseificação de Boudouard foi

a)

900ºC 1.000ºC 1.100ºC B2 23,3 3,10 9,10 30,00 A2 48,2 4,95 14,72 40,34 B2 23,3 2,57 7,54 24,85 A2 48,2 4,10 12,19 33,42 59,5% 61,8% 34,5% Unidade de redução do Sinter Temperatura do teste

∆ GR2 sinter (Coque A2 em relação ao B2)

∆ g

GR %

Faixa granulométrica do sinter: 8 a 12,5 mm Sinter X

Coque tipo:

CRI do Coque (%)

Grau de Redução do Sinter - GR (%)

fomentada pela elevação da temperatura e conseqüentemente, o grau de redução de óxido de ferro também se elevou, com a maior disponibilização de gás CO devido a elevação da temperatura de testes, fato evidenciado por Baldwin (1995) em seus estudos. Nota-se também que embora o coque mais reativo A1 tenha gaseificado mais a 1.100°C, o grau de redução da pelota não acompanhou essa evolução em mesma intensidade, o que parece mostrar que parte do gás CO gerado não está sendo aproveitado no processo de redução da pelota e evidencia uma perda na eficiência do gás redutor gerado no processo por Bourdoard.

5.4 INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA DE REAÇÃO E DA REATIVIDADE DO COQUE NO GRAU DE REDUÇÃO DO SINTER.

Na segunda etapa de ensaios, realizados com sinter e os coques A2 e B2, os resultados mostraram que, assim como nos resultados dos ensaios com a pelota, o grau de redução do sinter é crescente com o aumento da temperatura e com o aumento da reatividade do coque (Tabela 12), conforme mostrado por Kohei (2011).

TABELA 12 – Resultados dos testes de redução do sinter.

Fonte: Autor, 2014.

Foi realizada análise química do sinter após o término de cada ensaio e os resultados são apresentados na Tabela 13. Os resultados de cálculo de redução do sinter via análise química da amostra, mostram dados de redução muito próximos aos dados obtidos na Tabela 12, validando o método aplicado neste trabalho.

TABELA 13 – Resultados de análise química da amostra de sinter após ensaio de redução.

Fonte: Autor, 2014.

O gráfico da figura 50 evidencia o aumento da redução da amostra de sinter através da elevação do %FeO das amostras de sinter após ensaios propostos. Nota-se que o %FeO do sinter antes do ensaio (S_INICIAL) foi de 6,23%, chegando a 49,1% para o ensaio a 1.100ºC com o coque A2. Este aumento do percentual de wustita no sinter evidencia a redução da Magnetita e Hematita.

FIGURA 50 – %FeO das amostras de sinter após ensaios

Fonte: Autor, 2014.

O gráfico da figura 51, construído com as informações da Tabela 12 mostra o grau de redução do sinter em relação à massa inicial de oxigênio contida no sinter antes do início dos testes, indicando que o coque A2, mais reativo, possibilitou maior grau

de redução do sinter em relação ao coque B2, menos reativo, para todas as faixas de temperaturas estudadas.

FIGURA 51– Influência da temperatura e da reatividade (CRI) do coque, no grau de redução do sinter.

Fonte: Autor, 2014.

A elevação gradativa da redutibilidade do sinter com o aumento da temperatura é mostrado na figura 51, para os coques A2 e B2. Assim como avaliado na análise dos resultados dos ensaios com a pelota, os testes feitos por Seaton e Foster (1983) na figura 46 embora realizados com pelotas servem como base para demonstração da evolução da taxa de redução com a elevação da temperatura de reação. Para os testes nas temperaturas superiores a 1.000ºC parece haver uma maior cinética de redução do sinter, pois para um mesmo intervalo de tempo de redução realizado para todas as faixas de temperaturas, a 1.000ºC houve um aumento significativo no grau de redução do sinter para ambos os coques, tendência também observado no resultado dos testes com a pelota, porém em intensidades diferentes.

O gráfico da figura 52 foi construído a partir dos resultados descritos na Tabela 9 e 13 referente aos testes com o sinter e apresenta uma comparação entre a variação

∆GC2, que é a diferença entre o grau de gaseificação dos coques A2 e B2, e a

variação ∆GR2, que representa a diferença do grau de redução do sinter nos testes

FIGURA 52– Diferença entre os graus de gaseificação dos coques A2 e B2 (∆GC2) X Diferença entre

os graus de redução do sinter para os testes com os coques A2 e B2 (∆GR2)

Fonte: Autor, 2014.

Analisando o gráfico da figura 52 observa-se que a gaseificação do coque A2 em relação ao coque B2 foi maior para todas as faixas de temperaturas estudadas. Comparando os resultados dos testes a 1.000ºC e a 1.100ºC, nota-se que houve uma elevação no ∆GC2 de 61,1 para 81,1% e o ∆GR2 caiu significativamente de 61,8

para 34,5%, o que nos mostra que embora a tendência de uma maior gaseificação do coque A2 em relação ao B2 manteve-se crescente em todas as faixas de temperatura, houve redução no delta ∆GR2 a 1.100ºC, o que evidencia que, apesar

do coque A2 disponibilizar mais gás redutor CO para promover a redução do sinter em relação ao coque B2, não houve um aumento significativo na redução do sinter mediante a intensificação da gaseificação do coque A2, o que parece sugerir que a 1.100ºC pode estar ocorrendo o mesmo efeito observado no teste com as pelotas nesta temperatura, ou seja, o início de um efeito da difusão do gás CO nos poros do sinter retardando o processo de redução. Este fato não ocorreu quando comparamos os resultados dos testes nas faixas de temperatura de 900ºC e 1.000ºC, onde nota-se que houve uma elevação no ∆GC2 de 52,4 para 61,1% e o ∆GR2 acompanhou esta tendência evoluindo de 59,5% para 61,8%, mostrando que a

elevação da gaseificação dos coques A2 e B2 com a elevação da temperatura, disponibilizou um maior volume de gás redutor que foi utilizado gradativamente

conforme apresentado na evolução do grau de redução do sinter. Isto mostra que a eficiência de redução do processo aumenta com a reatividade do coque para temperaturas até 1.000ºC onde a reação de Boudouard é favorecida cineticamente e que para temperaturas acima de 1.100ºC quanto maior a eficiência de gaseificação menor é a eficiência do processo de redução, onde sugere-se que possa estar ocorrendo dificuldades de redução por problemas ligados à difusão.

Ao analisarmos as figuras 47 e 52, notas-se que a variação do grau de gaseificação

∆GC1 (do coque A1 para o coque B1, teste com pelota) é sempre menor que o ∆GC2

(do coque A2 para o coque B2, teste com sinter) para todas as faixas de temperaturas, ou seja, ∆GC2 > ∆GC1. Isso ocorreu pelo efeito do maior diferença

entre as reatividades dos coques "CRI' s" utilizados nos testes com pelota e com o sinter. O coque de menor reatividade do teste com o sinter "B2" tinha CRI de 23,3% enquanto que no teste com pelota o coque "B1" de menor reatividade tinha CRI de 28,6%. O coque de maior reatividade do teste com o sinter "A2" tinha CRI de 48,2% enquanto que no teste com pelota o coque "A1" de maior reatividade tinha CRI de 44,1%. Quando analisamos o ∆GC1 estamos comparando gaseificação de coques

de 15,8 pontos percentuais de diferença em reatividade (CRI coque A1: 44,1%/ coque B1: 28,3%) e quando analisamos o ∆GC2 estamos comparando gaseificação

de coques de 24,9 pontos percentuais de diferença em reatividade (CRI coque A2: 48,2%/ coque B1: 23,3%). Essa diferença pode explicar também o maior resultado de 81,1% de ∆GC2 a 1.100ºC nos testes com o sinter.

5.5 INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA DE REAÇÃO E DA REATIVIDADE DO COQUE NO CONSUMO DE CARBONO NO PROCESSO GLOBAL DE REDUÇÃO DO SINTER.

Os testes realizados com o sinter indicaram que o consumo de carbono no processo de redução é crescente com o aumento da temperatura para ambos os coques de reatividade variada, conforme mostrado na Tabela 14, onde o consumo de combustível é calculado pela massa em gramas de carbono gaseificado sobre a massa em gramas de oxigênio extraído do sinter (gC/ gExt O2) após a realização

Tipo de Coque 900ºC 1000ºC 1.100ºC

B2 0,68 1,44 1,48

A2 0,65 1,43 1,998

∆ % (Coque A2 em relação a B2) -4,5 -0,43 34,7

∆ (g C/t fe) A2 X B2 -0,03 -0,01 0,51

Teste com sinter: faixa granulométrica de 8 a 12,5 mm Consumo de combustível (gC/g Ext O2)

TABELA 14 – Consumo de combustível (gC/g Ext O2) no processo global de redução do sinter.

Fonte: Autor, 2014.

O gráfico da figura 53 construído com os dados da Tabela 14 indica que o consumo de carbono no processo de redução do sinter apresenta tendência crescente para ambos os coques, porém com intensidades diferentes.

FIGURA 53 – Influência da temperatura e da reatividade (CRI) do coque, no consumo de carbono para a redução do sinter.

Fonte: Autor, 2014.

Assim como os resultados apresentados nos ensaios com a pelota, os testes com o sinter realizados a 900°C e 1.000ºC mostram uma diferença percentual (∆%) entre o consumo de carbono no processo de redução do sinter mínimo para ambos os coques. Por outro lado, acima de 1.100ºC houve um aumento do consumo de carbono, em torno de 34,7%, no processo global de redução para o coque A2, mais reativo, em relação ao coque B2 menos reativo, evidenciando uma perda na

eficiência de redução nesta temperatura. Os gráficos das fig. 54 (a) e (b) mostram os graus de gaseificação dos coques B2 e A2 e os graus de redução do sinter.

FIGURA 54 – Graus de gaseificação e graus de redução do sinter: (a) Coque B2 (b) Coque A2.

Fonte: Autor, 2014.

Assim como analisado nos resultados dos ensaios com a pelota, sugere-se que o grau de redução do sinter está diretamente relacionado com o grau de gaseificação

a)

do carbono do coque, indicando que com a elevação da temperatura há uma maior gaseificação do carbono do coque pela reação de Boudouard (ver figura 25 da página 55) e maior disponibilização de gás redutor CO, e conseqüentemente maior potencial redutor para redução do sinter, fato este evidenciado por Baldwin (1995) em seus estudos.

A análise dos gráficos das figuras 54(a) e 54(b) indica que para a temperatura de 900°C a diferença entre o grau de gaseificação do carbono do coque e o grau de redução do sinter é mínimo, para ambos os coques, e que para temperaturas superiores a 1.000ºC essa diferença é bem mais acentuada nos resultado dos testes com o coque A2 do que com o B2. Este fato parece indicar que para temperaturas até 1.100ºC a reação de gaseificação de Boudouard foi fomentada pelo aumento da temperatura do ensaio, pois a mesma é endotérmica, e conseqüentemente o processo global de redução, com isso o coque de maior reatividade durante os testes gaseificou mais disponibilizando mais monóxido de carbono para a reação de redução do óxido de ferro. Por outro lado, percebe-se que nos testes em temperaturas acima de 1.000ºC o grau de redução do sinter não acompanhou a evolução do grau de gaseificação do coque. Desta forma, podemos sugerir que pode haver um problema de difusão nos poros do sinter que dificulta o processo de redução do mesmo.

Conforme apresentado nos estudos de Nakano et al. (2005) coques de alta reatividade promove a melhora da eficiência da utilização do gás redutor para baixas temperaturas de reação, porém para elevadas temperaturas o coque de alta reatividade tende a apresentar piora da eficiência de utilização do gás. Este fato parece explicar os resultados dos testes realizados a 1.100ºC tanto para o sinter como para a pelota, onde o consumo de carbono do coque A1 foi superior em 15,6% ao coque B1 e o consumo de carbono do coque A2 foi superior em 34,7% ao coque B2, no processo global de redução (ver Tabelas 11 e 14), onde os coques de maiores reatividades A1 e A2 disponibilizaram maior quantidade de gás CO, porém houve um excesso de gás CO que não foi utilizado na redução da carga ferrífera indicando perda de eficiência no processo de redução. Tal fenomenologia poderia explicar o porquê coques de baixas reatividades seriam mais apropriados para

temperaturas mais elevadas de zona de reserva térmica do Alto-forno, conforme mostrado por Nakano et al. (2005). Isto parece estar de acordo com a prática operacional de Usinas Siderúrgicas que utilizam coque como combustível nos Altos- fornos, como é o caso da ArcelorMittal Tubarão, que utiliza coques com índice de reatividade "CRI" médio de 25 a 29% objetivando índices de resistência do coque após reação "CSR"> 65%. Sabe-se que a reatividade dos coques "CRI" e a sua resistência após a reação "CSR" caminham em sentidos opostos, portanto coques com elevada reatividade possuem menores valores de resistência após a reação,