REDEMAT
R
EDET
EMÁTICA EME
NGENHARIA DEM
ATERIAISUFOP – UEMG
Dissertação de Mestrado em Engenharia de
Materiais
"Caracterização tecnológica de uma mistura de sinter
feed
e pellet feed para uso em processo HPS”
Autora: Alinne Júlia de Araújo Souza Lima
Orientador: Prof. Dr. Gilberto Álvares da Silva
Co-orientador: Prof. Dr. Cláudio Batista Vieira
REDEMAT
R
EDET
EMÁTICA EME
NGENHARIA DEM
ATERIAISUFOP – UEMG
Alinne Júlia de Araújo Souza Lima
"Caracterização tecnológica de uma mistura de sinter feed e pellet
feed
para uso em processo HPS"
Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais da REDEMAT, como parte integrante dos requisitos para a obtenção do título de Mestre em Engenharia de Materiais.
Área de concentração: Processos de Fabricação
Orientador: Prof. Dr. Gilberto Álvares da Silva
Co-orientador: Prof. Dr. Cláudio Batista Vieira
AGRADECIMENTOS
Agradeço inicialmente e de maneira mais intensa a Deus por me permitir concluir esse trabalho e por me fazer superar minhas limitações.
Ao meu marido, Ermani Lima, por todo apoio, companheirismo e incentivo durante todo período de aulas e execução desse trabalho – foi essencial para concretização dessa etapa. Aos meus filhos, Álvaro, que nasceu durante o período de aulas na REDEMAT, e Estêvão que participou ativamente da elaboração da dissertação ainda dentro da barriga da mamãe. Vocês dois têm transformado minha vida para melhor.
À minha família, pais, irmãos e sobrinhos pelo grande suporte. Nunca me esquecerei dos momentos que ficaram com o Álvaro para que eu pudesse estudar.
Ao meu orientador e co-orientador, Gilberto Álvares e Cláudio Batista pela disponibilidade, compartilhamento de conhecimento e experiências, além dos valiosos direcionamentos.
À REDEMAT pela infraestrutura e pelo curso de excelente qualidade na formação profissional de mestres em Engenharia de Materiais.
Ao colega de trabalho e amigo Efrem Ribeiro pela grande participação na execução dos testes desse estudo, colaboração e trabalho em equipe.
À equipe da planta piloto de sinterização pelo excelente trabalho executado na preparação e realização dos ensaios que foram necessários para esse estudo.
Aos demais colegas da ArcelorMittal Mina do Andrade e Monlevade pelo incentivo, apoio e colaboração para a realização desse trabalho.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Mapa do Quadrilátero Ferrífero, com as jazidas de minérios de ferro. O esboço na parte superior à esquerda mostra os detalhes dos domínios de alta e baixa deformação que
afetaram as rochas do QF (Modificado ROSIÈRE et al., 1993b e citado por Takehara) ... 9
Figura 2: Minérios de ferro e suas aplicações nos processos siderúrgicos ... 12
Figura 3: Distribuição granulométrica ideal para minérios (curva de Astier), segundo Carneiro et al., citado por Honorato ... 14
Figura 4: Descrição geral dos tipos e características intrínsecas de partículas do sinter feed de minério de ferro brasileiros e da estrutura ideal do microaglomerado produção na etapa de aglomeração a frio ... 15
Figura 5: Distribuição granulometria típica para diferentes matérias-primas de minério-de-ferro ... 16
Figura 6: Análise de fases do sínter para diferentes tamanhos do sinter feed ... 17
Figura 7: Efeito do tamanho médio do sinter feed na produtividade e no tempo de sinterização ... 18
Figura 8: Efeito do tamanho médio do sinter feed no tamboramento e RDI do sínter ... 18
Figura 9: Esquema da região afetada por trinca no bolo de sínter ... 21
Figura 10: Absorção de água de diferentes minérios de ferro fino ... 23
Figura 11: Correlação entre índice de granulação e absorção de água numa umidade ótima de granulação ... 23
Figura 12: Assimilação do minério de ferro durante a sinterização ... 25
Figura 13: Macroestrutura dos sínteres após assimilação da fração aderente. (Aumento de 50x) ... 25
Figura 14: Resistência mecânica dos sínteres após assimilação da fração aderente do minério ... 26
Figura 15: Macroestrutura de uma seção cortada depois do teste de penetração de líquido ... 27
Figura 16: Comprimento da penetração do líquido nos minérios ... 28
Figura 17: Relação entre comprimento de penetração líquida e propriedades da fração aderente dos minérios ... 28
Figura 18: Relação entre a composição química dos minérios e o comprimento de penetração de líquidos ... 29
Figura 20: Influência de concentrado de minério itabirítico na produtividade da sinterização
... 30
Figura 21: Qualidade dos minérios concentrados e efeito do aumento de seu consumo na sinterização ... 31
Figura 22: Efeito do aumento do concentrado mais fino (Con AA) na sinterização ... 32
Figura 23: Efeito do processo de granulação separada na sinterização ... 33
Figura 24: a) processo descontínuo de sinterização Greenwalt; b) processo contínuo de sinterização Dwight Lloyd (ArcelorMittal Monlevade) ... 34
Figura 25: Dosagem de sinter feed ... 36
Figura 26: Consumo de matérias-primas na sinterização por tonelada de sínter produzido .... 37
Figura 27: Diagrama esquemático do mecanismo de granulação ... 39
Figura 28: Esquema de uma quase-partícula ... 39
Figura 29: Característica típica de um misturador ... 40
Figura 30: Umidade e coesão de micro pelotas ... 42
Figura 31: Discos de Pelotização da Sinterização HPS da ArcelorMittal Monlevade ... 43
Figura 32: Processo HPS ... 43
Figura 33: Estrutura da quase-partícula com revestimento de coque ... 44
Figura 34: Distribuição granulométrica da mistura, da pelota verde, quase-partícula e produto ... 45
Figura 35: Correlação entre tamboramento, índice de redutibilidade e consumo de combustíveis ... 46
Figura 36: Tendência de operação HPS e qualidade do sínter ... 47
Figura 37: a) sínter convencional; b) sínter HPS ... 48
Figura 38: Correlação entre produtividade e consumo de cal ... 49
Figura 39: Esquema de troca de calor no leito de sinterização, segundo Muniz et al., citado por Honorato ... 51
Figura 40: Perfil de temperatura ideal na sinterização ... 55
Figura 41: Desenho esquemático das reações durante o processo de sinterização ... 57
Figura 42: Diferentes estruturas de sínter em função da temperatura máxima alcançada no leito ... 60
Figura 43: Microestrutura ideal do sínter de minério de ferro (modificada de Ishikawa et al., 1982 e citado por Vieira, 2003) ... 61
Figura 44: Fluxograma indicando ensaios realizados nesse estudo ... 62
Figura 46: Figura esquemática da imersão da amostra na água ... 66
Figura 47: Desenho esquemático dos corpos de prova do ensaio de assimilação ... 67
Figura 48: Detalhes do dilatômetro com haste horizontal adaptado para os testes de assimilação ... 67
Figura 49: Condição experimental para o teste de penetração de líquido ... 68
Figura 50: Determinação do comprimento de penetração ... 69
Figura 51: Rota industrial x piloto de sinterização HPS ... 70
Figura 52: Planta piloto HPS utilizada para os testes ... 71
Figura 53: Local de amostragem das quase-partículas para análise de GI ... 73
Figura 54: a) sinter feed hematítico (SFH), Mistura 1; b) pellet feed concentrado (PFC) ... 77
Figura 55: Análise granulométrica dos minérios utilizados nos testes, em mm ... 78
Figura 56: Fotomicrografia da amostra de sinter feed hematítico. (A) Magnetita parcialmente martitizada (Mg) – 0,09mm; Hematita Granular (HmG); Hematita Lamelar (HmL); Quartzo anguloso liberado (Qzo). Luz Refletida, polarizadores //. Objetiva de 20x e Ocular de 10x. (B) Martita (Mrt) – 0,12mm; Quartzo (Qzo) anguloso, liberado e fraturado. Luz Refletida, polarizadores //. Objetiva de 20x e Ocular de 10x. ... 82
Figura 57: Fotomicrografia da amostra de sinter feed hematítico. (A) Cristal fraturado de Hematita Lamelar (HmL) – 0,20mm; Hematita Granular (HmG); Quartzo (Qzo) com inclusão de Hematita. Luz Refletida, polarizadores //. Objetiva de 20x e Ocular de 10x. (B) Martita (Mrt) – 0,08mm; Hematita Granular (0,065mm); Hematita Lamelar (0,09mm). Luz Refletida, polarizadores //. Objetiva de 20x e Ocular de 10x. ... 82
Figura 58: Fotomicrografia da amostra de sinter feed hematítico. (A) Destaque para um Grão Misto (GM) de Hematita-Quartzo de 0,15mm. Luz Refletida, polarizadores //. Objetiva de 20x e Ocular de 10x. (B) Detalhe da imagem A mostrando que, no Grão Misto Hematita-Quartzo, a Hematita é Lamelar e possui inclusões arredondadas de quartzo. Luz Refletida, polarizadores //. Objetiva de 20x e Ocular de 10x. ... 82
Figura 59: Fotomicrografias da amostra de pellet feed concentrado. Legenda: 1 = Hematita Lamelar Monocristalina com diminutas inclusões; 2 = Goethita; 3 = Martita; 4 = Quartzo liberado; 5 = Hematita Granular Monocristalina; 6 = Partícula mista Quartzo/Hematita. A) Ocular de 10X e Objetiva de 20X. Luz Refletida e Polarizadores Paralelos. B) Ocular de 10X e Objetiva de 10X. Luz Refletida e Polarizadores Paralelos. ... 83 Figura 60: Fotomicrografias da amostra de pellet feed concentrado. Legenda: 1 = Hematita Lamelar Monocristalina com diminuta inclusão; 2 = Martita; 3 = Quartzo liberado; 4 = Quartzo com diminuta inclusão de hematita; 5 = Hematita Granular Monocristalina.C) Ocular de 10X e
Objetiva de 10X. Luz Refletida e Polarizadores Paralelos; D) Ocular de 10X e Objetiva de 10X. Luz Refletida e Polarizadores Paralelos ... 83 Figura 61: Índices CME para amostras de sinter feed hematítico e de pellet feed concentrado ... 85 Figura 62: Resistência mecânica de sínter após ensaio de assimilação ... 86 Figura 63: Sínter fabricado no teste assimilação, fração aderente, com o sinter feed hematítico. a) mosaico; b) mosaico com as fases mineralógicas; c) região em destaque na Figura 63a, ressaltando poros irregulares. ... 87 Figura 64: Sínter após assimilação, fração nucleante (2,0 mm~2,8 mm), do sinter feed hematítico. a) mosaico; b) mosaico com as fases mineralógicas; c) região qualquer do sínter mostrando a matriz de escória. ... 88 Figura 65: Sínter fabricado no teste assimilação, fração aderente, com o pellet feed concentrado. a) mosaico; b) mosaico com fases mineralógicas; c) região em destaque na Figura 65a, ressaltando presença de hematita e esfericidade dos poros. ... 88 Figura 66: Fases minerais presentes nos sínteres oriundos do teste de assimilação das frações aderente (<0,5 mm) e nucleante (2 mm a 2,8 mm) do sinter feed hematítico e do pellet feed concentrado (<0,5 mm). ... 89 Figura 67: Resultados do teste de penetração de fase líquida ... 90 Figura 68: Macroestrutura do sinter feed hematítico após teste de penetração (aumento 50x) 90 Figura 69: Microestrutura do sinter feed hematítico (região 1) após o teste de penetração (aumento 500x). ... 91 Figura 70: Macroestrutura do minério pellet feed concentrado após teste de penetração (aumento 50x). ... 91 Figura 71: Microestrutura do pellet feed concentrado após o teste de penetração (aumento 500x). ... 92 Figura 72: Granulometria das misturas e das quase-partículas nas frações >1mm (a) e >3mm (b) ... 92 Figura 73: Índice de granulação das misturas nas frações >1mm (a) e >3mm (b) ... 93 Figura 74: Tamanho médio das misturas e das quase-partículas com e sem o consumo de concentrado ... 93 Figura 75: Impacto do consumo de pellet feed concentrado na produtividade de sinterização 94 Figura 76: Qualidade do sínter produzido nos quatro ensaios realizados ... 97 Figura 77: Umidade ótima das quase-partículas nos testes pilotos ... 98 Figura 78: Consumo de combustível sólido nos testes pilotos ... 99
Figura 79: Mineralogia de amostras de sínter produzido com a Mistura 1 (fase referência) ... 99
Figura 80: Mineralogia de amostras de sínter produzido com a Mistura 3 (mix 70%SFH/30%PFC) ... 100
Figura 81: Mineralogia de amostras de sínter produzido com a Mistura 4 (mix 60%SFH/40%PFC) ... 100
Figura 82: Fases minerais presentes no sínter produzido com a Mistura 1... 101
Figura 83: Fases minerais presentes no sínter produzido com a Mistura 3... 101
Figura 84: Fases minerais presentes no sínter produzido com a Mistura 4... 102
Figura 85: Média das fases minerais presentes nos sínteres piloto ... 102
Figura 86: Fases minerais presentes nos sínteres piloto (H - hematita; M - magnetita; CF - calcioferrita; S - silicato). ... 103
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Características dos minérios de ferro brasileiros ... 13
Tabela 2: Principais atributos que deverão constituir a identidade estrutural de finos de minério de ferro para uso em sinterização ... 20
Tabela 3: Resultados operacionais do Alto-Forno 5 de Fukuyama antes e após o consumo de sínter HPS ... 48
Tabela 4: Valores aproximados de fases mineralógicas e qualidade do sínter versus temperatura máxima do leito de sinterização ... 59
Tabela 5: Análises das matérias-primas ... 64
Tabela 6: Parâmetros de qualidade do sínter ... 70
Tabela 7: Parâmetros utilizados para os testes pilotos ... 72
Tabela 8: Ensaios realizados para avaliação do impacto do consumo de pellet feed na sinterização ... 74
Tabela 9: Análise química das matérias-primas utilizadas nos testes em escala piloto ... 76
Tabela 10: Granulometria das matérias-primas utilizadas nos testes em escala piloto ... 76
Tabela 11: Análise química do sinter feed referência e dos blends com concentrado ... 77
Tabela 12: Análise granulométrica do sinter feed referência e dos blends com concentrado.. 78
Tabela 13: Análise granuloquímica do sinter feed hematítico da Mistura 1 (fase referência) . 79 Tabela 14: Análise granuloquímica do sinter feed hematítico da Mistura 2 (70SFH/30PFC) 79 Tabela 15: Análise granuloquímica do sinter feed hematítico da Mistura 3 (70SFH/30PFC) 79 Tabela 16: Análise granuloquímica do sinter feed hematítico da Mistura 4 (60SFH/40PFC) 79 Tabela 17: Análise granuloquímica do pellet feed concentrado ... 80
Tabela 18: Análise mineralógica do SFH e do PFC (%peso) ... 81
Tabela 19: Grau de liberação do quartzo e hematita das amostras ... 84
Tabela 20: Tamanho de grãos das amostras de minério ... 84
Tabela 21: Porosidade do sinter feed hematítico ... 85
Tabela 22: Porosidade do pellet feed concentrado ... 85
Tabela 23: Relação nucleante/aderente e fração intermediária dos minérios consumidos nos testes ... 95
Tabela 24: Qualidade química dos sínteres produzidos ... 98
Tabela 25: Resumo dos principais resultados obtidos para as diferentes misturas de sinter feed hematítico e pellet feed concentrado ... 103
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
AF Alto-forno
BIF Banded iron formation
CME Centrifugal moisture equivalent CW Combined water
FRAF Finos de retorno de Alto-Forno GLP Gás liquefeito de petróleo
HIMS High intensity magnetic separator HPS Hybrid pelletized sinter
IG Índice de granulação MG Minas Gerais MH Minério hematíticos MI Minérios itabiríticos MP Matéria-prima MPR Matéria-prima reciclada
NSSMC Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation PF Pellet feed
PFC Pellet feed concentrado PPC Perda por calcinação QF Quadrilátero ferrífero RDI Reduction degradation index Ret.I Retorno Interno
RGH Rougher
RI Reducibility index ROM Run of mine SCV Cleaner Scavenger SF Sinter feed
SFCA Silico-ferrite-calcium-alumina SFH Sinter feed hematítico SI Shatter index
TI Tumble index
SUMÁRIO RESUMO... ... 1 ABSTRACT ...3 1 INTRODUÇÃO ... 5 2 OBJETIVOS ... 7 2.1 Objetivo Geral ... 7 2.2 Objetivos Específicos ... 7 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 9
3.1 Minério de Ferro para Sinterização ... 9
3.1.1 Caracterização de minério de ferro para sinterização ... 12
3.1.1.1 Qualidade granulométrica do sinter feed ... 13
3.1.1.2 Qualidade química do sinter feed ... 18
3.1.1.3 Qualidade estrutural do sinter feed ... 20
3.1.1.4 Qualidade em termos de absorção de água do sinter feed ... 22
3.1.1.5 Característica a alta temperatura do sinter feed ... 24
3.1.2 Consumo de minério concentrado em sinterização ... 29
3.2 Processo de Sinterização ... 33
3.2.1 Conceitos ... 33
3.2.2 Preparação e dosagem de matérias-primas ... 35
3.2.2.1 Fundentes ... 36 3.2.2.2 Combustíveis ... 36 3.2.2.3 Adições ... 37 3.2.2.4 Finos de retorno ... 37 3.2.3 Aglomeração a frio ... 38 3.2.3.1 Processo HPS ... 42 3.2.4 Agente aglomerante ... 48
3.2.5 Aglomeração a quente ... 50
3.2.6 Adequação granulométrica do sínter ... 57
3.2.7 Qualidade do sínter ... 57
4 MATERIAIS E MÉTODOS ... 62
4.1 Amostras de Concentrado de Itabirito ... 62
4.2 Amostras de minério de ferro hematítico e demais matérias-primas ... 63
4.3 Caracterização das Matérias-Primas para Sinterização ... 64
4.3.1 Análise química e análise de umidade ... 64
4.3.2 Análise granulométrica ... 64
4.3.3 Análise mineralógica e estrutural do minério ... 65
4.3.4 Análise de water holding do minério ... 66
4.3.5 Análise de assimilação do minério... 67
4.3.6 Análise de penetração de fase líquida do minério ... 68
4.3.7 Análise imediata dos combustíveis ... 69
4.4 Ensaios de sinterização em planta piloto HPS ... 69
4.5 Granulometria e Cálculo de GI das Quase-Partículas ... 72
4.6 Ensaios de sinterização executados ... 73
4.7 Caracterização do sínter produto ... 74
4.7.1 Análise química ... 74
4.7.2 Análise física ... 74
4.7.3 Análise metalúrgica ... 75
4.7.4 Análise mineralógica ... 75
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 76
5.1 Resultados de qualidade das matérias-primas ... 76
5.1.1 Análises químicas e granulométricas das matérias-primas ... 76
5.1.2 Características Estruturais dos Minérios de Ferro ... 80
5.1.4 Teste de Assimilação ... 86
5.1.5 Teste de Penetração Líquida ... 89
5.2 Impacto do consumo de pellet feed concentrado na sinterização ... 92
6 – CONCLUSÕES ... 104
1 RESUMO
O Quadrilátero Ferrífero (QF) encontra-se inserido na porção sudoeste do Cráton São Francisco e apresenta importantes reservas de minério de ferro no estado de Minas Gerais. A relação MH/MI (minérios hematíticos/minérios itabiríticos) no ROM, ao longo das últimas décadas, tem-se mostrado cada vez menor. Ademais, o sinter feed produzido tem se tornado ao longo dos últimos anos cada vez mais fino quando comparado com a situação de décadas passadas. Assim, tem-se observado um considerável aumento das frações -0,15mm e diminuição daquelas +1,0mm no minério. Essa mudança das características granulométricas do sinter feed tem forte impacto negativo na permeabilidade do leito de sinterização, e consequentemente contribui para diminuição da produtividade dos processos convencionais de sinterização. O processo não convencional HPS (Hybrid Pelletized Sinter), de tecnologia japonesa, tem sido utilizado como alternativa para afinamento do sinter feed. No entanto ainda não é conhecido o efeito do afinamento do sinter feed com introdução de concentrados de itabirito na mistura de minérios nesse processo. Nesse contexto, o principal objetivo desse trabalho é fazer uma caracterização tecnológica de misturas de pellet feed, concentrado obtido a partir de concentração magnética de um minério itabirítico, e sinter feed hematítico para uso em processo HPS. Inicialmente, foi feita caracterização do sinter feed hematítico e do pellet feed. Essa caracterização foi feita em termos de granulometria, química, granuloquímica, mineralogia, water holding e análise de propriedades em altas temperaturas (assimilação e penetração de líquidos). Posteriormente, foi realizada a avaliação da eficiência do fenômeno de formação de quase-partículas (micropelotização), de misturas a sinterizar empregando sinter feed e pellet feed em planta piloto HPS por meio da avaliação das medidas dos índices de granulação dessas misturas. Em seguida feita avaliação em planta piloto HPS do desempenho de quatro misturas a sinterizar empregando o sinter feed e o pellet feed em diferentes proporções (sendo a Mistura 1 para apenas sinter feed hematítico, Mistura 2 para 70% sinter feed hematítico e 30% pellet feed concentrado com granulometria mais grosseira, Mistura 3 para 70% sinter feed hematítico e 30% pellet feed concentrado com mesma granulometria da Mistura 1, e, por fim, a Mistura 4 para 60% de sinter feed hematítico e 40% de pellet feed concentrado com afinamento do minério, com elevação em 10% na fração <0,150mm em relação à Mistura 1). Após as queimas na planta piloto, os sínteres produzidos foram caracterizados em termos de análise química, granulométrica, física, metalúrgica e mineralógica. O teor de SiO2 da amostra de pellet feed
2 e, como esperado, a granulometria do primeiro se apresentou consideravelmente mais fina (72% de fração <0,150mm) em relação ao segundo (38% de fração <0,150mm). Sobre a mineralogia, a amostra do pellet feed concentrado apresentou maior quantidade de partículas de hematita lamelar em relação do sinter feed hematítico, além de menor grau de liberação. Pelo teste de
water holding foi observado que a fração aderente do sinter feed hematítico possui uma
capacidade um pouco maior de absorver água em relação à mesma fração do pellet feed concentrado. Quanto aos resultados dos testes a altas temperaturas (teste de assimilação e penetração de líquidos), conclui-se que o concentrado de itabirito, que possui menor teor de minerais de ganga favorece o processo de aglomeração a quente, aumentando o rendimento de sinterização e a resistência física do sínter, com formação de uma estrutura com poros mais bem distribuídos e esféricos. Pelos testes em planta piloto, foi possível observar que para a Mistura 2, contendo o sinter feed hematítico e o pellet feed, com elevada relação de partículas nucleante/aderente (1,15) não foi identificada perda de produtividade em relação a fase referência, sem pellet feed concentrado (Mistura 1) - pelo contrário, a produtividade se mostrou superior em relação à fase referência. Quando houve participação de pellet feed em 30% na mistura, sem, contudo, haver alteração da curva granulométrica (Mistura 3 em relação à Mistura 1), a produtividade se mostrou no mesmo nível em relação à fase referência indicando que o consumo de concentrado não interfere negativamente na produtividade da sinterização, quando a granulometria do blend de minério não é alterada. Por outro lado, quando ocorreu uma redução na relação de partículas grossas sobre as partículas finas (como foi o caso da Mistura 4 em relação à Mistura 1), a produtividade tendeu a ser reduzida, de modo que a elevação em 10% na fração <0,150mm resultou em perda de produtividade de aproximadamente 8%. Com relação à qualidade dos sínteres pilotos, pelos ensaios metalúrgicos (RI e RDI), o sínter de melhor resultado foi aquele com maior quantidade de concentrado e com menor relação nucleante/aderente (Mistura 4), que apresentou menor velocidade de sinterização e menor teor de contaminantes.
3 ABSTRACT
The Quadrilátero Ferrífeto (QF) is located in the southwest portion of the São Francisco Craton and has important iron ore reserves in the state of Minas Gerais. The ratio MH / MI (hematitic ore / itabiritic ores) in ROM over the last decades has been decreasing. Moreover, the sinter feed iron ore produced has become increasingly finer over the last few years compared to the situation of past decades. Thus, a considerable increase of -0.15mm fractions and a decrease of + 1.0mm in the ore has been observed. This change in sinter feed particle size characteristics has a strong negative impact on the sintering bed permeability, and consequently contributes to decreased productivity of conventional sintering processes. The unconventional HPS (Hybrid Pelletized Sinter) process, from Japanese technology, has been used as an alternative for sinter feed trend of reducing size distribution, however the effect of finer sinter feed with the introduction of itabirite concentrates into the ore mixture is not yet known in this process. In this context, the main objective of this work is to make a technological characterization of pellet feed mixtures, concentrate obtained from magnetic concentration of an itabirite ore, and hematitic sinter feed for use in HPS process. Initially, hematitic sinter feed and pellet feed were characterized. This characterization was made in terms of granulometry, chemistry, granulochemistry, mineralogy, water holding and properties analysis at high temperatures (liquid assimilation and liquid penetration). Subsequently, the efficiency of the quasi-particle formation (micropellotization) phenomenon of sintering mixtures was evaluated using sinter feed and pellet feed in a HPS pilot plant by evaluating the measurements of the granulation indices of these mixtures. The HPS pilot plant was then used to evaluate the performance of four sinter mixtures using sinter feed and pellet feed in different ratios (Mix 1 for hematitic sinter feed only, Mix 2 for 70% hematitic sinter feed and 30% pellet feed concentrate with coarser grain size, Mix 3 for 70% hematitic sinter feed and 30% pellet feed concentrate with same grain size as Mix 1, and finally Mix 4 for 60% hematitic sinter feed and 40% pellet feed concentrate with ore smaller grain size, with a 10% increase in the fraction <0.150mm compared to Mixture 1). After produced in the pilot plant, the sinter were characterized in terms of chemical, particle size, physical, metallurgical and mineralogical analysis. The SiO2 content
of the concentrated pellet feed sample was lower than the hematitic sinter feed (4.05% and 5.80%, respectively) and, as expected, the granulometry of the former was considerably finer (72% fraction <0.150mm) compared to the second (38% fraction <0.150mm). Concerning mineralogy, the concentrated pellet feed sample presented a larger amount of lamellar hematite
4 particles than the hematitic sinter feed, as well as a lower mineral liberation. The water holding test showed that the adherent fraction of the hematitic sinter feed has a slightly higher capacity to absorb water compared to the same fraction of the concentrated pellet feed. Regarding the results of the tests at high temperatures (liquid assimilation and liquid penetration test), it can be concluded that the itabirite concentrate, which has lower contaminant content, favors the hot agglomeration process, increasing the sintering yield and physical resistance of the sinter, forming a structure with better distributed and spherical pores. From the pilot plant tests, it was observed that for Mix 2, containing the hematitic sinter feed and the pellet feed, with a high nucleating / adherent particle ratio (1,15), presented no productivity loss in relation to the reference phase, without concentrated pellet feed (Mix 1) - on the contrary, the productivity was higher than the reference phase. When there was a 30% pellet feed participation in the mixture, without, however, changing the particle size curve (Mix 3 in relation to Mix 1), the productivity was at the same level in relation to the reference phase indicating that the consumption of concentrate does not interfere negatively on the sintering productivity when the grain size of the ore blend is not changed. On the other hand, when there was a reduction in the ratio of coarse particles to fine particles (as it was the case with Mix 4 relative to Mix 1), productivity tended to be reduced, so that the 10% increase in fraction < 0.150mm resulted in a productivity loss of approximately 8%. Regarding the quality of the pilot sinter, by the metallurgical tests (RI and RDI), the sinter with the best result was the one with the highest amount of concentrate and the lowest nucleant / adherent ratio (Mixture 4), which presented lower sintering speed and lower content. of contaminants.
5 1 INTRODUÇÃO
O Quadrilátero Ferrífero (QF) encontra-se inserido na porção sudoeste do Cráton São Francisco e apresenta importantes reservas de minério de ferro no estado de Minas Gerais. Os minérios de ferro explorados no QF podem ser classificados em dois grupos principais: itabiríticos de baixo teor de ferro e hematíticos de alto teor de ferro [1]. Esses dois tipos, na maioria dos casos, compõem o Run of Mine (ROM), minério lavrado, geralmente direcionado para o primeiro estágio de cominuição das usinas de beneficiamento mineral localizadas em Minas Gerais.
A relação MH/MI (minérios hematíticos/minérios itabiríticos) nos ROM’s, ao longo das últimas décadas, vem-se tornando cada vez menor. Ademais, o sinter feed produzido nessas usinas tem se tornado ao longo dos últimos anos cada vez mais fino quando comparado com a situação de décadas passadas. Assim, tem-se observado um considerável aumento das frações -0,15mm e diminuição daquelas +1,0mm do sinter feed. Essa mudança das características granulométricas do sinter feed tem impacto negativo na permeabilidade do leito de sinterização, e consequentemente contribui para diminuição da produtividade dos processos convencionais de sinterização. Em função disso, foram implantadas modernas e inovadoras unidades industriais de sinterização não convencionais denominadas de HPS (Hybrid Pelletized Sinter), empregando tecnologia japonesa, em duas siderúrgicas integradas do Brasil, localizadas nas cidades de Ouro Branco e João Monlevade.
HARANO [2], em 2014, abordando sobre as principais tendências para os tipos de minérios de ferro do Quadrilátero Ferrífero/MG destacou sobre a futura exaustão de minérios hematíticos e a necessidade de novos projetos de mineração para operações de lavra e de beneficamento de minérios itabiríticos para obtenção de concentrados de minérios ferro de granulometria muito fina, isto é, concentrados com alto teor de ferro na fração pellet feed.
Minérios concentrados na fração de pellet feed, possuem as vantagens de terem elevado teor de ferro, menor teor de contaminantes químicos e relativamente baixo custo. No entanto, a elevada quantidade de pellet feed na mistura a sinterizar pode comprometer significativamente o fenômeno de granulação das partículas na etapa de aglomeração a frio prejudicando a permeabilidade do leito de sinterização e piorando a produtividade da planta de sínter. Em função disso, concentrados de minério de ferro na fração pellet feed tem sido pouco utilizados nas misturas de minérios na usinas industriais de sinterização em Minas Gerais.
6 Entretanto, alguns estudos têm sido feitos com o objetivo de avaliar o impacto do consumo de
pellet feed na sinterização. NYEMBWE et al. [3] avaliaram a permeabilidade da mistura sem pellet feed e acrescentando pellet feed nas proporções de 10%, 20%, 30% e 40%. À medida que
a quantidade de pellet feed na mistura se elevou foi observada uma redução considerável na permeabilidade do leito, reforçando que grande quantidade de partículas finas tem influência adversa no processo de sinterização.
HONORATO [4], observou em seu estudo que elevações na participação de concentrado a partir de itabiritos, em contraposição à participação de minério hematítico natural, conduzem a uma perda de produtividade, mesmo mantendo-se constante a granulometria dos minérios de ferro.
Em seu estudo em escala piloto, HSIEH [5] concluiu que concentrados com partículas mais grosseiras (tamanho médio de 0,3 e 0,08mm) prejudicaram a produtividade da sinterização, ao passo que concentrados com partículas mais finas (tamanho médio em torno de 0,025mm) não alteraram a produtividade significativamente.
Diante da realidade atual, existente em muitas minerações do QF, de elevada disponibilidade de minério de ferro na fração pellet feed, seja produto natural ou concentrado, estudos técnicos sobre sua utilização em unidades industriais convencionais de sinterização e em plantas HPS se tornam cada vez mais relevantes para as siderúrgicas integradas de Minas Gerais.
7 2 OBJETIVOS
2.1 Objetivo Geral
Caracterizar tecnologicamente misturas de pellet feed, concentrado obtido a partir da concentração magnética de um minério itabirítico, e sinter feed hematítico para uso em processo industrial HPS (Hybrid Pelletized Sinter).
2.2 Objetivos Específicos
• Realizar caracterização granulométrica, química, granuloquímica, mineralógica e estrutural, assim como avaliar o índice derivativo do ensaio de water holding capacity, de um pellet
feed concentrado (PFC) obtido a partir da concentração magnética de um minério itabirítico
e de um sinter feed hematítico (SFH) proveniente de uma mina da borda leste do Quadrilátero Ferrífero/MG;
• Realizar caracterização química e granulométrica dos componentes a serem empregados juntos à mistura de minérios de ferro (antracito, coque breeze, calcário calcítico, calcário dolomítico, cal, minério de manganês, fino de retorno de alto-forno e matéria-prima reciclada) para compor a mistura total a sinterizar;
• Avaliar as propriedades em altas temperaturas do sinter feed hematítico (SFH) e do pellet
feed (PFC) por meio dos ensaios experimentais de assimilação e penetração em fase líquida,
realizados em escala de bancada;
• Avaliar a eficiência do fenômeno de formação de quase-partículas (micropelotização), de misturas a sinterizar empregando sinter feed (SFH) e pellet feed (PFC) em planta piloto HPS por meio da avaliação dos índices de granulação (IG) dessas misturas;
• Avaliar o desempenho em pot grate de quatro misturas a sinterizar empregando sinter feed (SFH) e pellet feed (PFC) visando produzir sínter HPS;
8 • Realizar caracterização química, física (granulometria e tamboramento), mineralógica e
9 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 Minério de Ferro para Sinterização
As principais formações ferríferas do mundo foram depositadas durante o fim do período Arqueano até o Paleoproterozóico e subordinadamente no Neoproterozóico. Depósitos dessas diferentes idades estão representados nos distritos de Carajás, Quadrilátero Ferrífero e Urucúm no Brasil [1].
O Quadrilátero Ferrífero (QF) encontra-se inserido numa região de 8.000km2 na porção
sudoeste do Cráton São Francisco [2], conforme apresentado na Figura 1. O Quadrilátero Ferrífero pode ser dividido geologicamente em: embasamento, formado por rochas granito-gnáissico e greenstone belts Rio das Velhas, de idade Arqueana; rochas do Supergrupo Minas, que contêm as Formações Ferríferas Bandadas paleoproterozóicas; e unidades supracrustais do Meso e Neoproterozóico [3].
Figura 1: Mapa do Quadrilátero Ferrífero, com as jazidas de minérios de ferro. O esboço na parte superior à esquerda mostra os detalhes dos domínios de alta e baixa deformação que afetaram as rochas do QF (Modificado
10 O minério de ferro explorado no QF pode ser dividido em dois grupos principais: minério itabirítico e minério de ferro de alto teor. Esses minérios são classificados de acordo com a sua mineralogia e textura, que foram geradas durante os eventos de deformação e metamorfismo que afetaram a região. As denominações dos minérios de ferro explorados comercialmente podem ser de vários tipos: hematitas, itabiritos, blue dust e canga [3].
O itabirito é definido pela alternância de bandas, constituídas de óxidos de ferro e minerais transparentes, de espessura milimétrica a centimétrica, com teor primário de ferro variando entre 20% e 55% de Fe total. O itabirito pode ser friável, pulverulento ou compacto, dependendo da atuação de processos supergênicos. Os itabiritos compactos ou chapinha são minérios de itabirito rico, laminado e ligeiramente alterado por intemperismo (muito utilizado nas usinas siderúrgicas a carvão vegetal) [3].
Os corpos de alto teor são mais homogêneos, constituídos basicamente de hematita e ricos em Fe (> 64%), encontrados em proporções variáveis na forma de lentes dentro das camadas de itabirito, gerados por enriquecimento supergênico e intempérico. Pode ser encontrado com as seguintes características físicas e texturais: (i) minérios compactos que se apresentam maciços, bandados a laminados, foliados (xistosos), lineados (corpos de orientação linear) e brechados; (ii) minério pulverulento que se apresenta foliado/lineado e granular (grosseiro, médio e fino); e (iii) blue-dust, sem estrutura interna [3].
Canga – é um minério secundário, constituído de brecha de hematita cimentada por limonita, originado por processo de lixiviação e intemperismo sofrido pelos corpos de minério. Apesar de seu teor de Fe mais baixo e teor de fósforo elevado, tem sido utilizado pelas usinas a carvão vegetal devido a sua porosidade, que torna sua redução mais fácil [3].
Os depósitos de minério de ferro podem ser classificados, geologicamente, em cinco categorias principais: (I) sedimentares acamadados; (ii) formados por soluções hidrotermais; (iii) relacionados a atividades vulcânicas; (iv) relacionados a processos de metamorfismo e/ou deformação, e (v) resultantes de alteração e acúmulo em superfície. Dentre estes depósitos, os sedimentares acamadados são os mais importantes, por serem os geradores dos grandes depósitos de formações ferríferas bandadas - BIF’s (Banded Iron Formation), formados principalmente, durante o período Pré-cambriano [3].
11 O tipo de minério de ferro ofertado no mercado foi variando ao longo do século XIX, devido à exaustão dos minérios de melhores qualidades, fazendo com que os processos metalúrgicos se adaptassem ao tipo de minério disponível [3].
A dificuldade de produzir somente minério tipo granulado (lump ore) e de alto teor (ideais para uso direto nos altos-fornos) foi fator fundamental, por motivos estratégicos e econômicos, para o processamento de minério de granulometria mais fina e a concentração de minério de teores mais baixos, antes de serem introduzidos nos altos-fornos [3].
A inversão da relação hematita/itabirito é uma tendência natural das reservas ou jazidas no Quadrilátero Ferrífero. Com a evolução da lavra e com o aumento da participação de itabiritos na matriz de minérios, que são alimentados nas usinas de beneficiamento (run-of-mine), tornam-se cada vez mais importantes investimentos na concentração do minério sinter feed [4].
Para uso em altos-fornos, o processamento do minério é feito por meio de aglomeração dos minérios finos, fazendo com que estes tenham uma granulometria aceitável para consumo no reator. Os minérios finos que, anteriormente, eram considerados rejeitos, passaram a tornar-se rentáveis após serem aglomerados. Os minérios podem ser aglomerados por processos de sinterização ou pelotização [3].
O processo de aglomeração permitiu a expansão da vida útil de quase todas as jazidas de minério de ferro, com aproveitamento de minérios de granulometria mais fina (antes considerada não apropriada para os altos-fornos) e de teores mais baixos [3].
O desenvolvimento da tecnologia do tratamento do minério está associado ao aumento da produção por meio das técnicas de britagem, lavagem, separação magnética e peneiramento, aumentando o teor de ferro do minério e colocando numa granulometria mais adequada ao processo de aglomeração [3].
O minério extraído das minas passa por diversas etapas até atingir o produto final, sendo, inicialmente, classificado e beneficiado na própria mineração, seguindo processos de aglomeração até os altos-fornos na usina siderúrgica. Cada processo siderúrgico utilizado necessita de diferentes especificações do minério, conforme indicado na Figura 2.
12 Figura 2: Minérios de ferro e suas aplicações nos processos siderúrgicos [5]
Segundo HARANO [6], a tendência para os minérios de ferro no Quadrilátero Ferrífero para os próximos anos são:
i. Exaustão de minério hematíticos;
ii. Escassez cada vez crescente de hematita granulada para altos-fornos; iii. Escassez crescente de hematita fina para o processo de sinterização;
iv. Novos projetos de mineração de minério de ferro são essencialmente lavra de itabiritos e consequentemente concentração para obtenção de minérios ricos em ferro, porém muito finos adequados para o processo de pelotização;
v. Haverá muitos minérios concentrados adequados para a produção de pelotas, porém o
sinter feed será mais fino e com mais minerais de ganga, tais como SiO2 e Al2O3.
3.1.1 Caracterização de minério de ferro para sinterização
Nas plantas de sinterização, tanto do tipo convencional quanto do tipo HPS, é dada muita ênfase ao minério de ferro por se tratar do maior constituinte percentual na mistura a ser sinterizada. Um minério de ferro com boa qualidade química e adequada distribuição granulométrica reflete diretamente no processo.
13 Diferentes tipos de sinter feed apresentam diferentes reatividades, impactando em importantes variáveis operacionais da sinterização, tais como: produtividade, consumo de combustível sólido, comportamento metalúrgico e resistência mecânica do produto [7].
Portanto, somente informações de granulometria e composição química não são suficientes para justificar o desempenho do processo de sinterização. Segundo VIEIRA et al. [8], as características estruturais têm sido negligenciadas no controle de processo de sinterização. Por isso, torna-se de extrema importância uma caracterização mais minuciosa do sinter feed, em termos estruturais do minério e capacidade de aglomeração a frio e a quente para otimização de produtividade, qualidade e custo do sínter.
De acordo com COELHO [9], as principais características dos minérios de ferro brasileiros e de seus produtos são (Tabela 1):
Tabela 1: Características dos minérios de ferro brasileiros [9]
3.1.1.1 Qualidade granulométrica do sinter feed
A distribuição granulométrica dos minérios afeta, de forma acentuada, as etapas de aglomeração a frio e a quente do processo de sinterização. Por isso, torna-se importante controlar as porcentagens das partículas supergrossas, nucleantes, aderentes, intermediárias e superfinas da mistura à sinterização [8]. Hematíticos martíticos Quadrilátero Ferrífero-MG Hematíticos especularíticos Quadrilátero Ferrífero-MG Hematíticos microcristalinos Carajás(N4E)-PA e Corumbá-MS Hidratados Quadrilátero Ferrífero-MG
Cor cor cinza azulada cor cinza azulada cor marrom ou vermelha cor marrom ou vermelha
Brilho brilho submetálico a metálico
(fosco) brilho metálico intenso -
-Densidade densidade picnométrica >5
(granulados e concentrados) densidade pinométrica >5,0 (granulados e concentrados) densidade picnométrica +5,0 (granulados e concentrados) densidade picnométrica <5,0 (granulados e concentrados) hematita microcristalina (primária) predominante hematita martítica predominante
hematita martítica (pode não conter)
goethita (pode não conter)
goethita subordinada hematita especularítica
subordinada relictos de magnetita Morfologia
morfologia granular para cristais (grãos) e ovóides para
partículas
morfologia tabular (lamelar)
para cristais (grãos) e partículas -
-Química % menor de PPC, P, Al2O3 % menor de PPC, P, Al2O3
%maior de PPC, P, Al2O3 (pode
haver exceção) %maior de PPC, P, Al2O3
Porosidade % pequeno de poros %pequeno de poros %grande de poros %grande de poros
hematita predominante hematita especularítica
predominante Fase predominante
14 A permeabilidade do leito de aglomeração controla a produtividade da sinterização, assim como a microestrutura e outras propriedades do sínter produzido, além de controlar a velocidade da frente de chama e a passagem de ar pelo leito, que dita o perfil de temperatura através da camada. A permeabilidade do leito de sinterização depende de muitos fatores e o tamanho das quase-partículas é um dos mais importantes. Na mistura a sinterizar, comparada às outras matérias-primas, a proporção de minério de ferro é a maior e sua distribuição granulométrica é a mais importante [10].
As usinas que possuem o processo convencional utilizam como base minérios que estejam próximos à curva de Astier (Figura 3), que estabelece limites de tamanho para as partículas [11]:
• Nenhuma partícula acima de 9,5mm;
• Máximo de 5% com tamanho superior a 6,35mm; • 45% a 60% entre 1,0mm a 6,35mm;
• 10% a 25% abaixo de 0,105mm
Figura 3: Distribuição granulométrica ideal para minérios (curva de Astier), segundo Carneiro et al., citado por Honorato [12]
15 As frações granulométricas >6,35mm das matérias-primas, principalmente do minério de Fe, exercem uma influência negativa na resistência mecânica do sínter, pois possuem baixa área superficial, o que contribui para fragilização das ligações existentes no sínter, que normalmente são feitas por envolvimento da escória. Assim sendo, resultam em uma mistura de baixa sinterabilidade [13].
Na Figura 4 é apresentada a descrição geral dos tipos e das características intrínsecas de partículas do sinter feed de minério de ferro e da estrutura ideal do microaglomerado, produzido na etapa de aglomeração a frio, de acordo com ISHIKAWA et al.[14].
Para um determinado minério, a produtividade da máquina de sínter aumentará com o aumento das frações grossas (entre 1,0 e 6,3 mm) ou eliminação das frações finas. Com a mesma mediana, o efeito é mais importante com a diminuição das frações finas. A granulometria age sobre a fração de vazio do leito e sobre o tamanho das quase-partículas[11].
Figura 4: Descrição geral dos tipos e características intrínsecas de partículas do sinter feed de minério de ferro brasileiros e da estrutura ideal do microaglomerado produção na etapa de aglomeração a frio[14]
16 A realidade atual das sinterizações está em lidar com a perda da qualidade e afinamento da matéria-prima com consequente perda da produtividade e na qualidade do sínter.
O sinter feed tradicionalmente possui uma maior fração entre 0,7mm e 6,0mm, uma fração menor entre 0,2mm e 0,7mm e um conteúdo de ultrafino (<0,150mm) limitado a 15%. Há uma tendência do aumento do conteúdo de sílica no sinter feed. Para ter acesso a minérios mais ricos faz-se necessário o beneficiamento que, consequentemente, aumenta a fração de ultrafinos [6]. A Figura 5 ilustra curvas granulométricas típicas de minério de ferro, sendo a curva A ideal para sinterização (Astier), mas encontra-se em “extinção”. A curva B é de minérios com maior disponibilidade, mas possui excesso de finos e falta de partículas nucleantes. A curva C representa pellet feed, consumido em pelotizações [6].
Figura 5: Distribuição granulometria típica para diferentes matérias-primas de minério-de-ferro [6]
A tendência do minério sinter feed, em termos de granulometria, é uma movimentação da curva A para B [6]. Além de impacto em produtividade, a granulometria do sinter feed influencia fortemente nas propriedades do sínter. Fração maior de partículas menores forma uma quantidade de líquido excessiva, deteriorando a permeabilidade do leito, ao passo que a maior fração de partículas muito grossas não participam da fase líquida e resulta em perda de
17 resistência e piores características do sínter. Para se alcançar boas propriedades do sínter e produtividade é necessário otimizar a distribuição granulométrica do sinter feed. UMADEVI et al. [10] estudaram a influência de diferentes tamanhos de minério de ferro (tamanho médio de 1,22mm a 3,95mm) nas propriedades e produtividade de sínter.
A Figura 6 apresenta as diferentes fases do sínter produzido a partir de diferentes granulometrias do sinter feed. O sínter produzido a partir de um sinter feed com tamanho médio de 2,59mm apresentou maior quantidade de cálcio-ferrita ao passo que o sínter a partir de um sinter feed com granulometria mais grosseira e fina apresentaram menor quantidade de cálcio-ferrita, magnetita e silicato e mais hematita e poros. Sínteres produzidos com minério de tamanho médio menor apresentaram estrutura mais fundida em algumas regiões e a cálcio-ferrita não foi uniformemente distribuída com as outras fases. A fase silicato não reagiu com a hematita quando o minério apresentou tamanho médio maior [10].
Figura 6: Análise de fases do sínter para diferentes tamanhos do sinter feed [10]
A Figura 7 mostra o efeito do tamanho médio do minério de ferro na produtividade e no tempo de sinterização. A produtividade aumentou com o aumento do tamanho das partículas do sinter
feed em função de melhoria da eficiência de granulação da mistura com esse minério. A
18 Figura 7: Efeito do tamanho médio do sinter feed na produtividade e no tempo de sinterização [10]
UMADEVI [10] também identificou a influência da granulometria do sinter feed na qualidade do sínter em termos de tamboramento e de RDI (índice de degradação sob redução), conforme indicado na Figura 8:
Figura 8: Efeito do tamanho médio do sinter feed no tamboramento e RDI do sínter [10]
O sínter com tamanho médio do minério em 2,59mm mostrou melhor resistência e RDI devido à presença de estruturas minerais mais uniformemente distribuídas [10].
3.1.1.2 Qualidade química do sinter feed
A composição química da mistura de minérios de ferro para o processo de sinterização é estabelecida em função das especificações da composição química do sínter para uso nos
altos-19 fornos. Ademais existem outras exigências quanto aos teores de certos constituintes que prejudicam a qualidade metalúrgica e/ou mecânica do sínter e dos produtos subsequentes, tais como o ferro gusa e aço [8].
De um modo geral, tem-se o controle dos teores de Fe, SiO2, Al2O3, P, Mn, K2O, Na2O e PPC
dos minérios da mistura, cujos limites de especificação variam para cada empresa. Nos processos siderúrgicos, objetiva-se o emprego de finos de minérios com altos teores de ferro e baixos teores de ganga e de impurezas [8].
As limitações de natureza química para os minérios de ferro, no caso brasileiro, em que há abundância de minérios ricos, com reduzidos teores de enxofre, titânio e álcalis, resumem-se aos teores de alumina, sílica e fósforo [12].
O fator mais importante na caracterização química de um minério é a homogeneidade de sua composição, pois sua constância é primordial para o controle efetivo da qualidade do sínter [3]. Os limites de controle para o teor de SiO2 são estabelecidos a partir do volume de escória
previsto para o sínter. Procura-se, também, evitar a utilização de minérios onde a sílica esteja concentrada nas frações mais grossas (+ 1mm), uma vez que, neste caso, nem todo o teor de SiO2 participará das reações de sinterização, diminuindo o volume "real" de escória e
fragilizando o sínter [12].
A principal restrição do teor de Al2O3 na mistura de minérios está associada à sua distribuição
nas diversas faixas granulométricas. Resultados industriais mostram que a concentração de Al2O3 nas frações mais finas dos minérios (-150#) exerce forte influência negativa no índice de
degradação sob redução (RDI) do sínter. A elevação do RDI, quando da introdução de Al2O3 a
partir das frações mais finas dos minérios, pode ser explicada pela sua participação mais intensa nas reações de sinterização, dissolvendo-se na rede da hematita secundária e tensionando a sua estrutura. O teor de Al2O3 presente nas frações mais grossas praticamente não participa das
reações de sinterização. Fato semelhante ocorre com a dissolução do titânio na rede da hematita. O teor de TiO2 também apresenta o comportamento semelhante a Al2O3 quanto à degradação
sob redução [12].
Quanto aos elementos minoritários presentes nos minérios de ferro brasileiros, a principal restrição é o fósforo, cuja eliminação por meio da escória do alto-forno é praticamente desprezível e limita, sobremaneira, a produção de aços mais nobres [12].
20
3.1.1.3 Qualidade estrutural do sinter feed
Diversos estudos na literatura têm discutido a importância e a relação existente entre as características microestruturais dos finos de minérios e a eficiência das etapas de aglomeração a frio e a quente no processo de sinterização e na qualidade final do sínter [8]. VIEIRA et al. [8] citam os principais parâmetros de controle de qualidade estrutural do minério e seu impacto na sinterização conforme apresentado na Tabela 02.
Tabela 2: Principais atributos que deverão constituir a identidade estrutural de finos de minério de ferro para uso em sinterização [8]
Segundo VIEIRA et al. [8] esses atributos apresentados na Tabela 2 devem ser avaliados juntamente com as características químicas do minério. O desconhecimento desses atributos, assim como os da mistura a sinterizar, dificulta substancialmente a otimização dos fatores produtividade, qualidade e custo, que constituem o alicerce da sobrevivência desse processo de aglomeração.
Para COELHO [9], em termos geosiderúgicos, propriedades como mineralogia, morfologia dos cristais e das partículas, textura, microestrutura, tamanho médio de cristal e porosidade são, na verdade, fundamentais e ditam as qualidades físicas e metalúrgicas dos materiais a aglomerar. Além da granulometria e da química, a mineralogia e a microestrutura devem fazer parte do “menu” de tecnologia, pois o seu conhecimento pode se traduzir em ganhos de produtividade.
21 Esses ganhos de produtividade ocorrem tanto pela diminuição ou eliminação de desperdícios quanto pelo aumento de produção [9].
Minérios hematíticos tendem a melhorar a resistência mecânica do sínter, enquanto que a presença de martita e goethita tendem a reduzir essa resistência. A goethita, por se tratar de um mineral hidratado, gera poros ao passar pela desidratação e, com isso, o líquido penetra na partícula, sendo assimilado quase que por completo, o que resulta em falta de líquido para ligar outras partículas, podendo reduzir a resistência do sínter [15].
A martita, que pode ser encontrada porosa, contribui para a absorção de líquido, evitando também que outras partículas sejam aglomeradas reduzindo a resistência do sínter [15].
Sobre minério hidratado, HONORATO [12] diz que devido às suas boas características aglomerantes e alta fusibilidade, seu consumo permite, quando em proporções adequadas, otimizar a produtividade de misturas de minérios hematíticos, reduzir o consumo específico de combustíveis e, em alguns casos, aumentar a redutibilidade do sínter. Sua proporção máxima varia de mistura para mistura, devendo-se também considerar as limitações de fósforo dos processos subsequentes. Sua utilização em proporções muito elevadas pode ocasionar perdas de produção, associadas à grande contração do bolo, acompanhadas de formação de trincas de grande tamanho. Estas trincas favorecem a passagem preferencial de ar, reduzindo a velocidade da frente de combustão e diminuindo o rendimento do produto pela elevação da formação de sínter frágil (soft sinter), Figura 9 [12].
22 Em seu estudo, COELHO [9] analisou as características mineralógicas e microestruturais de seis frações granulométricas do sinter feed: partículas super-grossas (+6,35mm), partículas nucleantes tipo B (-6,35mm +3,00mm), partículas nucleantes tipo A (-3,0mm +1,0mm), partículas intermediárias (-1,00mm +0,3mm), partículas aderentes (-0,3mm +0,106mm) e partículas superfinas (-0,106mm). Os experimentos em escala piloto mostraram, em uma regressão múltipla, que o rendimento de sinterização é uma função linear da mineralogia e que, para as amostras analisadas, hematita martítica na fração granulométrica intermediária e o quartzo na aderente têm influência positiva e forte nos resultados de rendimento. Esse resultado foi confirmado diante do conceito de que o quartzo na fração aderente aumenta o rendimento na sinterização porque contribui para elevar a porcentagem de escória real, que funciona como cimento e aglomera as partículas mais grossas (nucleantes) [9].
Minérios hematíticos especularíticos quando sinterizados sozinhos, isto é, sem participação de outros tipos de minério, ou quando aqueles estão em proporção muito alta na mistura, podem apresentar rendimento diferenciado dos minérios hematíticos martíticos hidrotermais, justamente por causa da microestrutura lamelar dos primeiros, em comparação com a granular dos segundos e, também, devido às diferenças na morfologia das hematitas. A especular é francamente tabular (lamelar), enquanto a martítica hidrotermal é granular [9].
3.1.1.4 Qualidade em termos de absorção de água do sinter feed
Durante o processo de granulação da mistura a ser sinterizada, partículas aderentes revestem a superfície das partículas nucleantes com umidade. Portanto, a umidade das quase-partículas é absorvida principalmente pelas partículas nucleantes e preenchidas no espaço entre as partículas aderentes. Assim, a capacidade de retenção de água do fino de minério de ferro tem uma influência significativa na granulação da mistura [16].
O comportamento de molhabilidade da água na superfície do fino de minério de ferro afeta a força de capilaridade entre as partículas do minério, que influencia no crescimento das quase-partículas [16].
Sabendo do importante efeito da absorção de água no processo de granulação, SHENGLI et al. [16] caracterizaram amostras de minério australiano limonítico e brasileiro hematítico, além de uma amostra de concentrado de hematita em termos de absorção de água, conforme Figura 10:
23 Figura 10: Absorção de água de diferentes minérios de ferro fino [16]
A Figura 10 apresenta resultados de absorção de água para diferentes minérios. Em geral, os três minérios australianos (AU-1, AU-2 e AU-3) apresentaram maior absorção de água do que os minérios hematíticos brasileiros (BR-1 e BR-2) e do concentrado (HC). De acordo com SHENGLI [16], a forma dos finos de minério afeta o teor de vazios entre as partículas de minério de ferro, e a quantidade de vazios e a porosidade desses finos tem uma importante função durante o processo de absorção de água [16].
Figura 11: Correlação entre índice de granulação e absorção de água numa umidade ótima de granulação [16]
A Figura 11 mostra a correlação entre o índice de granulação e a absorção de água de diferentes minérios de ferro a uma umidade ótima de granulação. O crescimento das quase-partículas
24 aumenta com o aumento da absorção de água dos diferentes minérios. Maior absorção de água tem uma correlação positiva com a força de capilaridade entre os finos de minério de ferro, que pode contribuir para sua adesão na superfície das partículas nucleantes para então formar as quase-partículas [16].
3.1.1.5 Característica a alta temperatura do sinter feed
Segundo SILVA [15], o conhecimento das propriedades intrínsecas dos minérios de ferro torna-se fundamental para avaliar sua influência no comportamento da carga metálica, tanto na sinterização quanto no alto-forno. Nesse contexto, foram desenvolvidos pela Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation (NSSMC) ensaios para avaliação do comportamento do minério de ferro na sinterização em altas temperaturas – ensaios de assimilação e penetração em fase líquida.
O ensaio de assimilação é utilizado para avaliar a mudança na forma, a estrutura dos poros, a microestrutura e a resistência física do sínter produzido a partir do minério com calcário. Minérios de maior porosidade assimilam maior quantidade de líquido ao passo que minério de menor porosidade assimilam pouco, formando maior quantidade de Silico-Ferrite of Calcium
and Aluminum que, por sua vez, servem de ponte para as outras partículas, estrutura ideal para
uma boa redutibilidade do sínter [15]. Além dessa conclusão, SILVA [15] afirma que minérios com alto teor de ferro oriundo de hematita tendem a formar líquidos com alta fluidez e assimilar pouco desses, elevando sua percolação, consequentemente, obtendo maior resistência mecânica do sínter. Por outro lado, aqueles com baixo teor de ferro, porosos, com goethita e martita tendem a formar líquido de baixa fluidez, assimilar muito líquido, restringindo a sua percolação, consequentemente, obtendo menor resistência mecânica do sínter [15].
Segundo DEBRICANT et al. [17] a taxa de assimilação depende da área interfacial sólido-líquido, temperatura e composição química do líquido primário.
Como pode ser visto na Figura 12, partículas de limonita são mais facilmente assimiladas do que partículas nucleantes de hematita, mas têm um efeito adverso na fluidez do líquido. A taxa de assimilação aumenta com a elevação da porosidade que, por sua vez, aumenta com o teor de água combinada [18].
25 Figura 12: Assimilação do minério de ferro durante a sinterização [18]
SILVA et al. [19] estudaram seis tipos de minérios para avaliação no teste de assimilação com diferentes qualidade química, granulométrica e mineralógica. Analisando a Figura 13, nota-se em suas macroestruturas que os minérios se comportaram de maneira diferente, sendo que A, C e E apresentaram partículas porosas e isoladas enquanto que B, D e F partículas aglomeradas. Ademais, a assimilação dos minérios A, C e E foi maior que B, D e F devido a maior porosidade dos minérios, menor fluidez e menor quantidade de líquido disponível, configurando partículas isoladas. Por sua vez, aqueles com maior porosidade assimilaram maior quantidade de líquido, resultando em menor quantidade de líquido para aglomerar outras partículas [19].
26 As partículas porosas de sínter observadas em A, C e E (Figura 13) são oriundas da goethita que, por se tratar de um mineral hidratado, gera poros ao passar pela desidratação. Assim, o líquido penetra na partícula, sendo assimilado quase que por completo. Em relação aos sínteres (Figura 13) oriundos dos minérios B, D e F, nota-se que as partículas de minérios, que foram pouco assimiladas, formaram silico-ferrite of calcium and aluminum (SFCA), servindo de ponte entre as demais partículas, estrutura considerada ideal para uma boa redutibilidade do sínter [19].
Em resumo, a partir da Figura 13, é possível inferir que: A, C e E apresentaram formatos similares e estrutura com poros irregulares; D apresentou uma estrutura um pouco mais compacta que aqueles citados anteriormente e com poros irregulares a esféricos; B apresentou uma estrutura compacta com poucos poros esféricos; e F apresentou formato achatado com poucos poros esféricos [19].
O formato dos poros nestes corpos de prova (Figura 13) pode ser uma evidência da fluidez do líquido, sendo que os minérios (B e F) com menor teor de ganga tenderam a formar líquidos de maior fluidez e, com isso, poros esféricos. Por outro lado, minérios com maior teor de ganga (A, C e E) tenderam a formar líquidos de menor fluidez, formando poros irregulares. O minério D que apresentou poros irregulares e esféricos apresentou um líquido de fluidez intermediária [19].
Na Figura 14 é mostrada a resistência mecânica dos sínteres após assimilação da fração aderente. A maior resistência mecânica foi obtida pelo minério B e a menor pelo minério E. As resistências medidas para os minérios B, D e F foram superiores, devido a maior capacidade de formação de líquido com alta fluidez por esses minérios [19].
27 O ensaio de penetração de fase líquida tem como objetivo determinar a capacidade de percolação do líquido durante a reação do minério com a cálcio-ferrita. O teste não quantifica o volume de líquido que penetra efetivamente na camada e sim o comprimento da sua penetração [15].
No processo de sinterização, a qualidade e a quantidade do líquido influenciam em grande parte o rendimento e a resistência do sínter produto devido ao curto tempo de reação. Observando a camada aderente de uma quase partícula, OKAZAKI et al. [20] observaram que algumas partículas de CaO estavam distribuídas próxima ao núcleo de minério, enquanto algumas partículas estavam próximas do coque breeze e do retorno interno. Consequentemente, foi suposto que o processo de fusão na sinterização ocorra da seguinte maneira: 1) O líquido inicialmente se forma localmente na camada aderente como um resultado da reação entre minério e fontes de CaO; 2) O líquido assimila com minerais de ganga e minério, resultando num aumento da quantidade de líquido. O rápido espalhamento do líquido inicial formado através da camada de aderentes da quase-partícula parece ser essencial para alcance da fase ligante sólida na microestrutura do sínter, porque as reações de sinterização ocorrem em poucos minutos. Para demonstrar o comportamento de espalhamento do líquido, foram feitos testes de sinterização usando amostras contendo uma pastilha de minério e uma pastilha da fonte do líquido inicial para mostrar o comprimento de penetração do líquido. A Figura 15 ilustra o resultado do ensaio.
28 SILVA [15] concluiu que minérios com menor teor de ganga tenderam a formar líquidos de maior fluidez e, com isso, poros esféricos. Por outro lado, minérios com maior teor de ganga tenderam a formar líquidos de menor fluidez, formando poros irregulares. A Figura 16 mostra a variação do comprimento da penetração do líquido nos diferentes minérios de ferro testados por SILVA [15].
Figura 16: Comprimento da penetração do líquido nos minérios [15]
SILVA [15] reforça, em seu estudo, o que OKAZI et al. [20] afirmam sobre o fato de minérios com maior comprimento de penetração favorecerem a resistência física do sínter. Na Figura 17 são mostradas as principais relações que explicam o comprimento de penetração de fase líquida, na qual nota-se relação direta para o ferro total e a hematita, e relação indireta para o PPC, a alumina, a sílica, a martita e a goethita [15].
29 Os principais fatores que influenciam a penetração são: 1) morfologia na superfície do minério, sendo que superfície mais lisa tende a apresentar maior penetração; 2) composição química do minério – SiO2 e Al2O3 inibem a penetração (Figura 18) [20];
Figura 18: Relação entre a composição química dos minérios e o comprimento de penetração de líquidos [20]
3.1.2 Consumo de minério concentrado em sinterização
Minérios concentrados possuem as vantagens de terem elevado teor de Fe, menos impurezas prejudiciais e relativamente baixo custo. No entanto, a elevada quantidade de fração fina e o pior comportamento de granulação do concentrado podem comprometer a permeabilidade do leito de sinterização e, consequentemente, piorar a produtividade da planta – o que torna o concentrado pouco utilizado no processo de sinterização até então.
NYEMBWE et al. [21] afirmam que grande quantidade de partículas ultrafinas tem influência adversa no processo de sinterização. Os concentrados obstruem drasticamente a passagem da frente da chama através do leito de sinterização, resultando em uma menor permeabilidade do leito de sinterização e menor produtividade da máquina. A Figura 19 mostra os resultados de permeabilidade obtidos para diferentes níveis de consumo de concentrado e teor de umidade.
