Matéria-prima para fabricação de ferro-ligas de manganês

menor adição de fósforo, carbono, alumina e nitrogênio no aço quando comparada a mistura de FeMnAC e FeSi com 75% de Si (FeSi75) (Olsen, 2006).

Devido a essas características, o ferro-manganês e o ferro-sílico-manganês são matérias-primas essenciais à produção de praticamente todos os tipos de aços, sendo adicionados em torno de 7 e 10 kg de liga por tonelada de aço (Liu, 1993; Liu et al, 1995; Riss e Khodorovski,1967; Tangstad, 2005).

3.9.1.1 Matéria-prima para fabricação de ferro-ligas de manganês

As principais matérias-primas para produção de ferro-ligas de manganês são os minérios de manganês, fontes deste elemento; os fundentes, sendo os mais utilizados o calcário, cal virgem, quartzo ou dolomita e como agentes redutores coque ou carvão vegetal (Olsen et. al, 2007).

Os redutores são os responsáveis pela redução do ferro, do manganês e do silício dos minérios. Os principais redutores são: o coque metalúrgico, coque de petróleo, moinha de carvão e carvão vegetal. Os agentes redutores merecem uma atenção especial. Devem ser guardados em galpões cobertos onde não haja grande variação da umidade (Olsen et. al, 2007).

Os redutores são avaliados por sua umidade, teor de carbono fixo, voláteis e cinzas, fatores que são muito influentes em todo o processo. O agente redutor deve possuir alta porcentagem de carbono fixo, baixo conteúdo em cinzas e possuir alta reatividade (Olsen et. al, 2007).

Os fundentes são utilizados para abaixar o ponto de fusão das ligas, reduzindo o consumo energético, e são os principais formadores da escória dos fornos elétricos. Quando encontrada a baixo custo, a dolomita é preferível, devido o menor consumo de energia e à geração de uma escória com maior fluidez (Silveira et al., 1980).

Para uma satisfatória operação e eficiente produção das ligas de manganês, os concentrados de minérios de manganês devem ser de alta qualidade tanto sob o ponto de vista químico quanto físico. A composição química dos concentrados de minério de manganês ou mistura de minério, irá, em larga extensão, determinar a qualidade da liga de manganês, o volume de escória, a composição da escória e a subseqüente utilização (Silveira et al., 1980).

31 Quando o manganês se apresenta como dióxido, a redução para os estados de oxidação mais baixos, até atingir o monóxido, é exotérmica, reduzindo assim a energia elétrica requerida por tonelada de liga. Minérios com teores de manganês elevados resultam numa relação metal/escória menor, por isto, acarretam na redução do consumo de energia. E a melhor utilização da energia elétrica e do coque é fundamental na redução dos custos do processo (Silveira et al., 1980). A Tabela III.7 mostra os principais minerais de manganês considerados comercialmente.

Na seleção dos minérios, leva-se em conta os teores dos principais elementos, associados à tendência de formação de finos, características elétricas em elevadas temperaturas e preço (Silveira et al., 1980).

A mistura de minérios é usualmente desejável, e mesmo necessária, se a razão entre os teores de manganês e ferro requeridos, para a produção de uma qualidade específica de liga, não pode ser obtida com um só tipo de minério, ou se alguma outra propriedade da carga precisa ser melhorada (Tangstad, 2005).

Outra propriedade importante nos minérios de manganês é a umidade. Minérios com baixa de umidade, como é característico dos minérios carbonatados, viabilizam a sua utilização, mesmo que apresentem teores inferiores de manganês (Tangstad, 2005).

Segundo Silveira et al. (1980), para fabricação de FeMnAC, os minérios ou misturas de minérios devem conter relação manganês/ferro de 6 a 7, a utilização de minérios com elevada relação Mn/Fe viabilizará a maior flexibilidade na blendagem da carga do forno. Deve haver sílica suficiente para formar a escória com óxido de manganês e outras bases e, também, alumina suficiente para assegurar uma eficiente produção de sílico-manganês a partir da escória.

A relação Mn/P, no minério, resultará no teor de P no produto final e como os clientes exigem baixos valores de P na liga, o teor de P nos minérios deve ser controlado na carga, desta forma, o minério deve apresentar baixo teor desse elemento. Arsênio e outras impurezas devem ser baixos o suficiente para que os limites específicados da liga não sejam excedidos. Durante o processo de fabricação de ferro-ligas todo o conteúdo dos elementos Fe e P tenderá à fase metálica, pois a energia necessária para redução desses elementos é inferior a energia

32 necessária para redução do Mn. Por outro lado, os elementos Mn e Si se distribuírão entre a fase metálica (liga) e a escória (Tangstag et.al. 2005).

Tabela III.7 - Principais minerais de manganês comercialmente importantes para produção de ferro-ligas de manganês (Olsen, 2006).

Mineral Fórmula Química Mn contido

Pirolusita MnO2 63,2

Braunita 3(Mn,Fe)2O3MnSiO₃ 48,91 – 56,13 Braunita II 7(Mn,Fe)₂O₃CaSiO₃ 52-62,3

Manganita MnOOH 62,5

Psilomelana (K,Ba)(Mn²⁺Mn⁴⁺⁾8O16(OH)4 48,6 – 49,61

Criptomelana (K,Ba)Mn8O16xH2O 55,8 – 56,81 Holandita (Ba,K) Mn₈O16xH₂O 42,5 Todorokita (Ca,Na,K) (Mn²⁺Mn⁴⁺)6O12xH2O 49,4 – 52,21

Hausmannita (Mn,Fe)₃O₄ 64,82

Jacobsita Fe2MnO4 23,8

Bixbyita (Mn,Fe)₂O₃ 55,63

Rodocrosita MnCO3 47,6

Outra limitação nos minérios está ligada ao teor de alumina (Al2O3). Este composto tem seu teor limitado. Isso se deve a grande influência, que o composto, exerce nas propriedades de fusão e escoamento da escória. Minérios com alta alumina podem gerar elevados volumes de escória, muitas vezes prejudiciais ao rendimento de manganês e à produtividade do processo, além de elevar o consumo específico de energia. Limitação semelhante existe para o teor de SiO2 (Tangstad, 1996).

Minérios de manganês estão disponíveis em várias fontes, geralmente, formados por óxidos e hidróxidos, também são utilizados minérios formandos por carbonatos e silicatos, estes últimos, em menor escala. Na fabricação da liga FeSiMn, a escória resultante do processo de

33 fabricação de liga FeMn, também, é utilizada como fonte de manganês. E com diversos conteúdos de Mn, Fe, SiO2, Al2O3, CaO, P e outras impurezas (Silveira et al., 1980).

Quanto à produção de FeSiMn, o minério de manganês pode ser silicoso, porque o conteúdo de sílica reduz o consumo de quartzo ou quartzito necessário para introdução de silício na liga. Também é possível, a utilização de Si metálico o que minimiza o consumo de energia e, conseqüentemente, melhora as condições de produção do forno. Para produção dessa liga a sílica deve estar presente na forma de partículas livres e não combinada com manganês. Já para produção de Ferro-Manganês Médio/Baixo Carbono (FeMn MC/BC), é necessário um minério de alto teor de manganês, com alta relação manganês/ferro e baixo conteúdo de sílica quando se quer evitar excessiva formação de escória e alto consumo de fundentes (Silveira et

al., 1980).

Na produção de qualquer uma das ligas de manganês citadas acima, em um forno elétrico de redução, os álcalis são eliminados sem maiores problemas, se não estiverem em grandes quantidades, devido à inexistência de nitrogênio. Quando eliminados via escória, os óxidos alcalinos desempenham um papel de base forte na escória, podendo inclusive contribuir para torná-la mais fluida.

Mas a ocorrência de valores elevados de elementos como o potássio podem contribuir para o aumento do desenvolvimento da reação de Boudouard, o que levará ao aumento do consumo de energia e de carbono. Comportamento similar pode ocorrer devido a quantidades excessiva de óxido de zinco. Segundo Olsen (2006), o ZnO é reduzido a Zn(g), estes vapores de zinco condensam nas partes de menor temperatura da carga formando pontes ou bancos que tornam o fluxo de materiais não-uniforme. Ocasionalmente, a área pode ser sobreaquecida e a ponte desmorona levando a matéria-prima não reagida diretamente para uma zona de super-aquecimento (Olsen et al., 2006).

Durante o transporte das matérias-primas, a intensa interação entre as porções gera uma grande quantidade de finos. Esses finos são prejudiciais ao processo, uma vez que, diminuem de forma irregular a permeabilidade da carga nos fornos, gerando uma circulação desigual de gases, formando, muitas vezes, crostas que aumentam a resistividade elétrica e ocasionam explosões internas (Tangstag et.al. 2005).

34 O processo adequado de preparação se dá com a britagem e posterior peneiramento. O limite superior se dá no sentido a controlar a boa penetração dos eletrodos na carga e conseqüente controle da resistividade elétrica. O limite inferior se dá no sentido de evitar os finos, que diminuem a permeabilidade da carga (Tangstag et.al. 2005).

Olsen et al. (2006), classifica os minérios de manganês em finos (<6mm) e granulado (<75mm). De forma geral, o mercado segue estas especificações, mas, com pequenas variações de mina para mina.

Segundo Olsen et al. (2006), a distribuição granulométrica dos minérios de manganês para uso metalúrgico, são as seguintes:

 Granulado: 97% <75mm, 6% <6,35mm

 Sinter-feed: 0,15 a 6,35mm

Quanto à presença de elementos deletérios em minérios de manganês, o maior problema gerado ocorre no momento da eliminação desses na escória ou na forma de gases de saída. Esses resíduos, efluentes ou gases contaminados com elementos deletérios podem causar graves problemas ambientais e problemas operacionais. Muitas vezes os teores estão acima dos limites exigidos pelas legislações ambientais, que variam de acordo com o país, onde as usinas estão instaladas, necessitando de tratamento e descarte especial.

Grandes quantidades de elementos químicos poluidores saem de processos de fabricação de ligas de manganês na forma de pó e são recuperados em unidades de limpeza de gases. Geralmente, os pós gerados na fabricação de ferro-ligas e aços são dispostos em aterros adequados à classe de resíduos, porém, muitas vezes é necessário um tratamento prévio para torná-los menos tóxicos e adequados ao descarte, segundo legislações ambientais. Vem emergindo um grande número de tratamentos para pós gerados em fornos de fabricação de ferro-ligas, visando criar várias oportunidades para seu aproveitamento. Muitos desses processos desenvolvidos para o tratamento dos pós da fabricação de ferro-ligas não atendem às expectativas em termos tecnológicos, econômicos e ambientais (Zunkel, 1997).

As características e propriedades das matérias-primas desempenham um papel importante sobre o processo, nos aspectos relacionados com sua estabilidade operacional, custo e qualidade do produto.