INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA
METALÚRGICA E DE MATERIAIS
SELMA DE SOUZA WENDLING
ESTUDO COMPARATIVO DA QUALIDADE DE PELOTAS QUEIMADAS PELOS PROCESSOS GRELHA MÓVEL E GRELHA MÓVEL / FORNO ROTATIVO
VITÓRIA 2013
SELMA DE SOUZA WENDLING
ESTUDO COMPARATIVO DA QUALIDADE DE PELOTAS QUEIMADAS PELOS PROCESSOS GRELHA MÓVEL E GRELHA MÓVEL / FORNO ROTATIVO
VITÓRIA 2013
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica e de Materiais do Instituto Federal do Espírito Santo, como requisito necessário à obtenção do Título de Mestre em Engenharia Metalúrgica e de Materiais.
Orientador: Prof. Dr. Ramiro da C. do Nascimento Júnior
(Biblioteca Nilo Peçanha do Instituto Federal do Espírito Santo)
W471e Wendling, Selma de Souza.
Estudo comparativo da qualidade de pelotas queimds pelos processos grelha móvel e grelha móvel/forno rotativo / Selma de Souza Wendling. – 2013.
90f. : il. ; 30 cm
Orientador: Ramiro da Conceição do Nascimento Júnior.
Dissertação (mestrado) – Instituto Federal do Espírito Santo, Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica e de Materiais.
1. Engenharia metalúrgica.2. Minérios de ferro. 3. Fornos rotativos. I. Nascimento Júnior, Ramiro da Conceição. II. Instituto Federal do Espírito Santo. III. Título.
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica e de Materiais do Instituto Federal do Espírito Santo, como requisito necessário à obtenção do Título de Mestre em Engenharia Metalúrgica e de Materiais.
AGRADECIMENTOS
Agradeço a todos que participaram deste trabalho em todos os momentos de sua duração. De forma especial, agradeço à:
Meus colegas do PROPEMM, em especial ao Jayme Alves De Souza Júnior e ao Walter Luiz Corrêa Júnior por me auxiliarem nas aulas e exercícios de Termodinâmica Metalúrgica e ao Sayd Farage David, que me auxiliou nas aulas de Processos de Redução de Minério de Ferro. Aos três, obrigada pelo apoio quando eu mais precisei.
Aos servidores Arlindo José Merçon, pelos pequenos favores do dia-a-dia, e Adeilton Castão Pereira, que me apoiou numa causa, mas, que de tão complicada, mesmo com o gentil apoio, não foi à frente.
Ao Professor Doutor Ramiro da Conceição do Nascimento Júnior, por acreditar na minha capacidade, mesmo havendo receio no primeiro momento, por ser a metalurgia uma área muito distinta da minha área de formação acadêmica.
Ao maestro Célio Paula da Costa, a quem eu tive o prazer de conhecer após ingressar no IFES, e que me acolheu na Orquestra Pop & Jazz como integrante do quinteto vocal, havendo com isso, a necessidade de voltar a estudar música, após décadas de afastamento. Todo esse envolvimento trouxe mais ritmo, disciplina, prazer no trabalho em grupo e muita música para a minha vida. Agradeço a todo o grupo que fez parte da temporada 2012.
À minha mãe, Marta Nanci de Souza Wendling, pelo apoio e estrutura para que eu pudesse concluir meu curso com tranquilidade e meu pai, Floriano Wendling, que participou ativamente, inclusive como coautor de artigos científicos publicados e revisor deste trabalho. Obrigada por me apoiar e me ajudar a abrir novos caminhos na vida.
E principalmente ao meu marido, Lenilson Gripe Soares, que, sempre ao meu lado, manteve a calma e a transmitiu a mim, exceto nos períodos de TPM, nos quais eu
sou capaz de irritar até um monge. Mas ele se manteve firme. E é por esses dias tão turbulentos que peço desculpas e tenho absoluta certeza do amor dele por mim e do meu por ele.
RESUMO
O objetivo desta pesquisa foi estudar a qualidade de pelotas de minério de ferro provenientes de dois processos distintos de queima, promovendo um comparativo entre elas. Atualmente, a grande maioria das pelotizadoras utiliza o processo de queima via grelha móvel pela sua maior capacidade produtiva, mas há grupos que defendem o processo grelha móvel / forno rotativo alegando melhor qualidade. Foi escolhido um tipo de pelota alto forno com basicidade binária igual a 1,0. Selecionou-se a matéria-prima e executaram-se ensaios preliminares, tais como, análises química e física, para que pudesse ser definida a concentração dos aditivos necessários a uma mistura tipicamente destinada a pelotização associada a um minério escolhido. As propriedades físicas das pelotas verdes e secas foram determinadas. Tais pelotas foram submetidas aos processos de queima via grelha móvel e grelha móvel / forno rotativo e finalmente foram submetidas à análise química, testes físicos e ensaios metalúrgicos. As propriedades metalúrgicas determinadas através de ensaios metalúrgicos foram redutibilidade (RI), desintegração sob redução (RDI) e inchamento (SWI), demonstrando não haver diferença significativa na qualidade metalúrgica entre as pelotas produzidas nos dois processos quando se considera os procedimentos metalúrgicos mencionados. Entretanto, a comparação dos resultados físicos (tamboramento e compressão), mostra superioridade de qualidade das pelotas queimadas no processo grelha móvel / forno rotativo.
ABSTRACT
The objetive of this research was to study the quality of iron ore pellets from two different firing process, promoting a comparison between them. Currently the great majority of pellet producers utilize the travelling grate process for its higher production capacity, but there are groups who advocate the grate kiln process claimming a better quality. A blast furnace type pellet with binary basicity 1,0 was chosen. The raw materials were selected and preliminary tests were executed, such as chemical and physical analysis, so it could be defined the concentration of the additives needed for a mix tipically intended for pelletizing, associated with a chosen mineral. The physical properties of the green and dried pellets were determined. These pellets were subjected to the firing processes via travelling grate and grate kiln and finally were subjected to chemical analysis, physical testing and metallurgical testing. The metallurgical properties determined by metallurgical tests were reducibility (RI), disintegration under reducing conditions (RDI) and swelling (SWI), showing no significant difference in quality between the metallurgical pellets produced in the two cases when considering the metallurgical procedures mentioned. However, the comparison of physical results (tumble and cold compression strength), shows a superiority quality of pellets fired in the grate kiln process.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Comparativo entre a queda da carga de ferro e o aumento do percentual de escória nos materiais utilizados em altos-fornos...
Figura 2 - Fluxograma básico do processo de pelotização...
Figura 3 - Formação das pelotas cruas em um disco pelotizador...
Figura 4 - Etapas da formação da pelota crua...
Figura 5 - Micrografia à partir de MEV evidenciando a formação de pescoço entre duas partículas...
Figura 6 - Estágios da sinterização no estado sólido...
Figura 7 - Esquema representativo da recirculação do ar no forno grelha móvel...
Figura 8 - Representação do corte transversal da camada de pelotas na grelha móvel...
Figura 9 - Perfil térmico típico da queima de pelotas no processo grelha móvel...
Figura 10 - Esquema representativo da recirculação do ar no grelha móvel / forno rotativo...
Figura 11 - Perfil térmico típico da queima de pelotas no processo grelha móvel / forno rotativo...
Figura 12 - Moinho de bolas...
Figura 13 – Misturador...
Figura 14 – Disco pelotizador... 17 19 21 22 33 36 41 45 24 25 29 29 32 44
Figura 15 - PotGrate e Forno rotativo...
Figura 16 - Desenho esquemático das composições do PotGrate e a localização dos termopares...
Figura 17 - Basculamento após pré queima...
Figura 18 - Resfriador...
Figura 19 - Perfil térmico do ensaio GM EX – 01...
Figura 20 - Perfil térmico do ensaio GM EX – 02...
Figura 21 - Perfil térmico do ensaio GK EX – 01...
Figura 22 - Perfil térmico do ensaio GK EX – 02...
Figura 23 - Permeabilímetro de Blaine...
Figura 24 - Estufa...
Figura 25 - Prensa até 30 kg...
Figura 26 - Teste de quedas...
Figura 27 - Régua...
Figura 28 - Prensa digital...
Figura 29 - Tambor de abrasão...
Figura 30 - Ensaio de granulometria...
Figura 31 - Densidade a granel... 60 61 47 48 49 51 51 52 52 54 55 55 56 57 58 59 46
Figura 32 - Operação do forno de redutibilidade...
Figura 33 - Pelotas após ensaio SWI...
Figura 34 - Recipiente e procedimento para testes de redutibilidade e RDI...
Figura 35 - Pelotas após ensaio de RI...
Figura 36 - Curva típica do percentual de redução...
Figura 37 - Pelotas após ensaio de RDI...
Figura 38 - Inserção da amostra no moinho para etapa de degradação...
Figura 39 – Gráfico de qualidade física da pelota úmida e seca...
Figura 40 – Balança...
Figura 41 – Retorta...
Figura 42 – Gráfico fornecido em tempo real... 63 64 65 66 67 67 68 71 86 87 88
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Características das pelotas cruas e sua influência nas pelotas queimadas...
Tabela 2 – Tabela comparativa entre processos...
Tabela 3 – Etapas e subetapas do trabalho...
Tabela 4 - Análise química da matéria-prima e dos aditivos da mistura...
Tabela 5 - Características físicas dos materiais...
Tabela 6 - Valores de referência para definição da umidade da pelota...
Tabela 7 - Cálculo da mistura de acordo com o balanço de massa...
Tabela 8 - Condições efetivas de queima no processo grelha móvel...
Tabela 9 - Condições efetivas de queima no processo grelha móvel / forno rotativo...
Tabela 10 - Densidade real com base no teor de Fetotal...
Tabela 11 - Resultados comparativos entre tambores de teste...
Tabela 12 - Ensaios de qualidade física e metalúrgica...
Tabela 13 - Equipamentos e procedimentos...
Tabela 14 - Qualidade física da pelota úmida e seca...
Tabela 15 - Análise química da pelota queimada... 28 38 39 40 42 42 43 50 50 57 60 69 69 70 71
Tabela 16 - Qualidade física da pelota queimada...
Tabela 17 - Granulometria da pelota queimada...
Tabela 18 - Qualidade metalúrgica da pelota queimada...
Tabela 19 - Repetibilidade para ensaios de RDI – 2 (ISO 4696 – 2)...
Tabela 20 – Tabela comparativa entre processos e ensaios de qualidades física e metalúrgica...
Tabela 21 – Ordem de armazenamento de dados do forno de redutibilidade no Windows... 73 73 74 75 75 88
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO... 2 OBJETIVO... 2.1 OBJETIVO GERAL... 2.2 OBJETIVO ESPECÍFICO... 3 REVISÃO TEÓRICA... 3.1 PELOTIZAÇÃO DO MINÉRIO DE FERRO... 3.2 CONFECÇÃO DAS PELOTAS CRUAS... 3.3 QUEIMA DE PELOTAS (ETAPA DE ENDURECIMENTO) ... 3.3.1 Mecanismo de endurecimento das pelotas... 3.3.2 Grelha móvel (straight grate ou travelling grate) ... 3.3.2.1 Secagem... 3.3.2.2 Pré queima... 3.3.2.3 Queima... 3.3.2.4 Pós-queima e resfriamento... 3.3.3 Grelha móvel / forno rotativo (grate kiln)... 3.3.3.1 Secagem e pré queima... 3.3.3.2 Queima... 3.3.3.3 Resfriamento... 3.3.4 Comparativo entre processos... 4 MATERIAIS E MÉTODOS... 4.1 CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS, FÍSICAS E METALÚRGICAS... 4.2 EQUIPAMENTOS E PROCEDIMENTOS... 4.2.1 Preparação do material... 4.2.2 Nomenclatura das amostras e experimentos... 4.2.3 Testes de pelotamento... 4.2.4 Equipamentos de queima... 4.2.4.1 Grelha móvel... 4.2.4.2 Forno rotativo (kiln)... 4.2.5 Controle de qualidade na pré queima... 4.2.6 Condições de queima... 4.2.7 Métodos dos testes de qualidade física... 4.2.7.1 Determinação da superfície específica (índice de blaine)...
15 16 16 16 17 17 20 23 24 27 30 31 31 32 32 33 34 36 37 39 40 41 41 43 43 46 46 47 48 50 53 53
4.2.7.2 Secagem... 4.2.7.3 Compressão das pelotas úmidas e secas... 4.2.7.4 Teste de quedas... 4.2.7.5 Porosidade das pelotas úmidas, secas e queimadas... 4.2.7.6 Resistência à compressão de pelotas queimadas... 4.2.7.7 Tamboramento... 4.2.7.8 Granulometria de pelotas úmidas, secas e queimadas... 4.2.7.9 Densidade a granel (bulk density) ... 4.2.8 Métodos dos testes de qualidade metalúrgica... 4.2.8.1 Forno de redutibilidade... 4.2.8.2 Inchamento (SWI)... 4.2.8.3 Redutibilidade (RI) ... 4.2.8.4 Degradação sob redução (RDI) ... 5. RESULTADOS E DISCUSSÃO... 5.1 TESTES DE QUALIDADE FÍSICA DE PELOTAS ÚMIDAS E SECAS... 5.2 ANÁLISE QUÍMICA DA PELOTA QUEIMADA... 5.3 TESTES DE QUALIDADE FÍSICA DA PELOTA QUEIMADA... 5.4 TESTES DE QUALIDADE METALÚRGICA DA PELOTA QUEIMADA... 6 CONCLUSÃO... 7 SUGESTÃO PARA TRABALHOS FUTUROS... REFERÊNCIAS... ANEXO A... 54 55 56 56 58 59 60 61 61 62 63 65 67 70 70 71 72 74 77 78 79 84
1 INTRODUÇÃO
Um processo de pelotização tem por finalidade aglomerar, economicamente, ultrafinos na forma de pelotas. Tal processo consiste basicamente na preparação da mistura a ser pelotizada geralmente em discos e tambores pelotizadores. Formadas as pelotas verdes, estas estarão prontas para serem conduzidas à sequência do seu processo de fabricação (PENA, 1982).
Na pelotização de minério de ferro as pelotas verdes são conduzidas aos reatores de queima, nos quais é gerado um produto de alta resistência física que possa ser utilizado em processos pirometalúrgicos de interesse, por exemplo, em altos fornos ou em reatores de redução direta (PENA, 1982).
Uma preocupação significativa é a exploração progressiva e seletiva das jazidas minerais, o que tem causado a exaustão de minérios hematíticos com boas características químicas e físicas (SILVA, 2013), o que aumenta a utilização do processo de pelotização, viabilizando a utilização desses tipos de minérios, pobres e também finos de minério, nos altos fornos ou em fornos de redução direta (FILHO, 2010).
O processo de pelotização tem a função de proporcionar às pelotas uma resistência física satisfatória para que possam resistir às operações de manuseio e às pressões e choques físicos e fenômenos físico-químicos sofridos nos processos logístico e metalúrgico (VIEIRA, 2009).
Trata-se de um processo multifacetado que envolve altas turbulências gasosas e temperaturas do fluxo de ar e a complexa geometria dos equipamentos (LARSSON, 2009).
Com o objetivo de gerar informações importantes à indústria pelotizadora, este trabalho além da fabricação das pelotas, analisou a qualidade dos aglomerados obtidos via dois processos: Grelha Móvel e Grelha Móvel / Forno Rotativo.
2 OBJETIVO
2.1 OJETIVO GERAL
O objetivo deste trabalho é analisar os resultados de qualidade das pelotas produzidas e queimadas, referenciando dois diferentes processos, o grelha móvel e o grelha móvel / forno rotativo.
2.2 OBJETIVO ESPECÍFICO
O presente estudo pretende:
• Analisar física e quimicamente o pellet feed e os aditivos adquiridos; • Realizar ensaios de pelotamento;
• Realizar ensaios de qualidade das pelotas cruas e secas;
• Realizar ensaios de queima das pelotas em grelha móvel e em grelha móvel / forno rotativo;
• Caracterizar física e metalurgicamente as pelotas queimadas nos dois processos;
3 REVISÃO TEÓRICA
3.1 PELOTIZAÇÃO DO MINÉRIO DE FERRO
As pelotas de minério de ferro são atualmente, ao lado do sínter e do minério granulado, as principais matérias-primas que compõem a carga dos altos-fornos. Porém, com a exaustão dos minérios de ferro hematíticos granulados de alto teor, prevê-se um aumento significativo da produção e consumo de pelotas que é o produto de uma tecnologia que viabiliza a utilização de minérios finos oriundos da lavra de minérios pobres ou de baixo teor (WAGNER, 2009).
Estudos recentes mostram que reservas de hematita estão sendo exauridas no quadrilátero ferrífero, podendo se extinguir quase que completamente nos próximos dez anos, reduzindo assim a produção do minério granulado (SILVA, 2013). O processo de queda da produção de minério granulado surge em paralelo ao aumento do nível de impurezas presentes neste tipo de matéria-prima. Ou seja, quanto mais aumenta o nível de impurezas (principalmente SiO2), maior será a necessidade de beneficiar o minério, promovendo britagem, moagem e filtragem, com consequente utilização do material em produção de pelotas para altos-fornos (Figuras 1). O aumento da carga de ferro através da utilização de pelotas possibilita a neutralização da sílica presente no material (HARANO, 2013).
Figura 1 – Comparativo entre a queda da carga de ferro e o aumento do percentual de escória nos materiais utilizados em altos-fornos
O consequente aumento do consumo de minério fino leva ao avanço nos estudos de desenvolvimento de tecnologias para beneficiamento e aglomeração (SILVA, 2013).
O processo de pelotização é o método mais comum para se proceder a aglomeração, pois:
o transporte do sínter é muito complicado, por ser um material extremamente frágil e que gera finos em excesso;
a briquetagem possui baixa capacidade;
a nodulização produz aglomerados de baixa redutibilidade;
as pelotas combinam alta capacidade produtiva, fácil transporte, baixo custo e boa redutibilidade final, com eficiência. (KAWATRA, 2013)
No Brasil, em 2010, a produção de minério de ferro foi estimada em 370 milhões de toneladas (16% do total mundial), que colocava o país na segunda posição em produção e na primeira como exportador global (FONSECA; PEREIRA, 2012).
Finos são comumente utilizados na forma de aglomerados em áreas tais como a metalúrgica (para ferro e aço), química, farmacêutica, agrícola, alimentícia, entre outras, de forma a concentrar características específicas do produto aglomerado (MISHRA; THORNTON, 2001).
Na área metalúrgica, os finos de minério com cerca de 60% de ferro e granulometria menor que 0,15mm (MEYER, 1980) são preparados para serem aglomerados para, posteriormente, serem queimados e darem origem a pelotas de resistência suficiente para suportar, principalmente, a carga mecânica no alto-forno (MISHRA; THORNTON, 2001), como mostra o fluxograma, detalhado na Figura 2.
Essencialmente, o processo de pelotização é composto por duas etapas: fabricação das pelotas verdes e o processo térmico para endurecimento das mesmas (MAJUMDER; NATEKAR; RUNKANA, 2009).
O processo de endurecimento das pelotas é feito em fornos de calcinação, que devem atingir 1340°C durante a queima. Para tal procedimento, existem no mundo alguns tipos de fornos e processos utilizados, como: fornos de cuba, muito utilizados na China, e que por sua limitação produtiva e alto custo, tendem a cair em desuso; processo grelha móvel / forno rotativo, bastante utilizados na China (CAMPOS; FONSECA, 2010) e Estados Unidos (KAWATRA, 2013) e o processo grelha móvel largamente utilizado nos Estados Unidos e Brasil (CAMPOS; FONSECA, 2010).
Figura 2 – Fluxograma básico do processo de pelotização
Quanto à utilização das tecnologias, o processo grelha móvel corresponde a cerca de 2/3 da produção total de pelotas produzidas em todo o mundo, sendo que os fornos de cuba produzem, em média, 31 Mt/ano (7%), o processo grelha móvel / forno rotativo, 136 Mt/ano (31%) e o processo grelha móvel, 272 Mt/ano (61%). Outras tecnologias ainda utilizadas, embora retrógradas, correspondem a 4,4 Mt/ano (1%) (CAMPOS; FONSECA, 2010).
O tipo de processo utilizado também está relacionado ao tipo de minério disponível, ou seja:
- fornos de cuba utilizam: 80% de magnetita
10% de magnetita / hematita 10% de hematita
- processos grelha móvel / forno rotativo utilizam: 60% de magnetita
30% de magnetita / hematita
5% de hematita
5% de minérios hidratados - processos grelha móvel utilizam: 38% de magnetita
20% de magnetita / hematita 30% de hematita
12% de minérios hidratados
Tais dados mostram extrema flexibilidade do processo grelha móvel quanto ao tipo de minério adequado ao seu funcionamento, podendo ser uma das razões pela qual ele é único processo utilizado pela indústria brasileira (CAMPOS; FONSECA, 2010).
3.2 CONFECÇÃO DAS PELOTAS CRUAS
A formação das pelotas cruas se inicia a partir da escolha da matéria prima nas frentes de lavra, onde o controle de qualidade já é verificado, desde a composição mineralógica do minério, que ajudará a garantir as características necessárias para as etapas posteriores exigidas durante a pelotização. Esse processo é iniciado com a fragmentação do minério de ferro, e é composto por britagem e posterior moagem (MAJUMDER; NATEKAR; RUNKANA, 2009) da matéria prima, que se dá até que seja conseguido o grau de finura adequado de um pellet feed ou para a liberação da sílica, que é separada por flotação (e.g. itabiritos) (MEYER, 1980).
Posteriormente se inicia a etapa de adensamento e filtração e, finalmente, a etapa de mistura, quando os finos recebem adição de insumos essenciais para que as pelotas produzidas adquiram características físicas, químicas e metalúrgicas
necessárias à sua utilização nos processos subsequentes (MAJUMDER; NATEKAR; RUNKANA, 2009).
A umidade adequada do pellet feed é essencial porque preenche os vazios intersticiais entre as partículas sólidas, formando um sistema capilar com múltiplas ramificações (MAJUMDER; NATEKAR; RUNKANA, 2009). Os movimentos entre as partículas favorecem a adesão entre as mesmas, através do aparecimento de diversos pontos de contato entre os grãos e as superfícies, favorecendo a formação de capilares (MAJUMDER; NATEKAR; RUNKANA, 2009).
O processo de pelotamento baseia-se no princípio da geração continua de núcleos que crescem até o tamanho desejado, sendo que a coesão das micropartículas, durante a formação dos aglomerados, é obtida pelos efeitos mecânicos de rolamento no disco pelotizador (Figura 3), efeitos de cargas elétricas, tensão superficial da água, forças capilares, uso de aglomerantes.
Figura 3 - Formação das pelotas cruas em um disco pelotizador
As várias fases que ocorrem na formação do aglomerado são mostradas na Figura 4 (MAJUMDER; NATEKAR; RUNKANA, 2009).
Figura 4 - Etapas da formação da pelota crua
A mistura produzida para fabricação de pelotas de minério de ferro é composta por pellet feed, carvão, calcário ou dolomita, aglomerante e água de umidade (MAJUMDER; NATEKAR; RUNKANA, 2009). A formação das pelotas cruas também é influenciada por outros fatores, como a granulometria do pellet feed e dos aditivos, a superfície específica, a umidade, o tipo de minério, o aglomerante utilizado (VIEIRA, 2009).
Os principais aditivos utilizados são: carvões (minerais ou vegetais), calcários e aglomerantes, insumos estes que adicionados ao minério de ferro, em proporções adequadas, e posteriormente misturados, obtêm uma perfeita homogeneização. O material gerado será alimentado nos discos pelotizadores (FONSECA 2003).
As funções de cada um dos aditivos no interior dos aglomerados são:
CARVÕES: adicionados, principalmente, para introdução de energia térmica no processo de endurecimento da pelota. A perfeita distribuição de calor no interior do aglomerado promove consequente aumento de qualidade física e de produtividade (FONSECA, 2003).
CALCÁRIOS: favorecem o aumento da resistência física da pelota, evitando degradação durante a etapa de secagem. São responsáveis pela introdução de CaO e MgO. O CaO é importante no processo de sinterização, pois, favorece a formação de compostos que fortalecem as ligações entre os grãos de minério através da geração de uma ganga ácida a baixas temperaturas. O MgO atua através da
A - Partículas sólidas cobertas por um filme de água
B - Início da formação das pontes líquidas C - Formação do aglomerado
D, E, F - Fases da densificação do aglomerado.
formação de gangas com ponto de fusão mais elevados, melhorando as propriedades das pelotas durante a redução (FONSECA, 2003).
AGLOMERANTES: o mais utilizado, de origem inorgânica, é a bentonita. Trata-se de uma argila natural muito rica em montmorilonita e excelente promotora de resistência e controle de umidade da pelota crua. Já os de origem orgânica podem ser a carboximetilcelulose ou CMC, que em solução aquosa forma uma mistura com alta viscosidade, pela sua grande capacidade de imobilização da água (VIEIRA, 2009).
3.3 QUEIMA DE PELOTAS (ETAPA DE ENDURECIMENTO)
O processo térmico é a última fase da pelotização que visa promover o endurecimento das pelotas cruas por meio de um tratamento térmico adequado, e pode ser subdividida em: secagem, pré queima, queima, homogeneização térmica, resfriamento e peneiramento das pelotas (BHATIA, 2006).
Dentre os processos utilizados para queima de pelotas no mundo, pode-se citar, além dos fornos de cuba, menos utilizados atualmente, o de grelha móvel (Traveling Grate) e o de grelha móvel / forno rotativo (Grate Kiln) (BHATIA, 2006).
O processo grelha móvel é, na atualidade, mais amplamente utilizado pela sua maior flexibilidade e capacidade produtiva, comparativamente ao grelha móvel / forno rotativo (BHATIA, 2006).
Entretanto, alguns pesquisadores afirmam serem de melhor qualidade as pelotas resultantes do processo grelha móvel / forno rotativo, pela sua melhor homogeneização térmica (FENG; XIE; CHEN, 2012).
A etapa de endurecimento de pelotas ocorre pela necessidade de transportá-las, manuseá-las, estocá-las, carregá-las e descarregá-las de navios. Para isso, é preciso que os aglomerados possuam resistência física suficiente para que, durante o processo, não se rompam, trinquem ou se quebrem. Consiste em um tratamento térmico cuidadoso e controlado que tem por finalidade promover resistência física às
pelotas e é realizado em fornos de pelotização, também denominados fornos de endurecimento (FONSECA, 2004).
3.3.1 Mecanismo de endurecimento das pelotas
A sinterização das partículas ocorre através dos movimentos atômicos que agem eliminando a energia superficial. Tal energia é inversamente proporcional ao diâmetro das partículas, ou seja, quanto menor o tamanho da partícula, maior será sua energia superficial. Isto significa que partículas menores de minério de ferro possuem elevada energia superficial e quando submetidas a altas temperaturas, a sinterização ocorre mais rápido do que em partículas maiores (VIEIRA, 2009).
O mecanismo de endurecimento ocorre durante a queima e é a etapa na qual acontece a remoção de água das pelotas (VIEIRA, 2009) através da evaporação que propicia a união das micropartículas minerais que formam a estrutura interna dos aglomerados. A união das partículas e o crescimento dos grãos se intensificam após a temperatura de 1200°C. A partir dos 1300°C ocorre a formação considerável de pontes cristalinas (MEYER, 1980), conectando os grãos do material via formação de “pescoços“ (Figuras 5 e 6), que crescem nos pontos de contato. A formação desses “pescoços” provoca mudanças importantes nas propriedades internas do material (FONSECA, 2004). Enfim, acima de 1300°C, ocorre a recristalização, amplamente favorecida pela presença de partículas extremamente finas (MEYER, 1980).
Figura 5 - Micrografia a partir de MEV evidenciando a formação de pescoço entre duas partículas
O carvão, presente na mistura, é de fundamental importância durante a queima, pois, possibilita que as pelotas permaneçam inflamadas durante grande parte da etapa de queima, favorecendo a ocorrência das reações até o interior das mesmas (MAJUMDER; NATEKAR; RUNKANA, 2009) tornando a temperatura no leito mais homogênea. A queima do carvão depende do tipo de carvão utilizado, ou seja, carvões com propriedades diferentes possuem períodos de queima diferentes, mais longos ou mais curtos. Tal característica influencia diretamente na temperatura durante o processo, já que enquanto o carvão queima a temperatura estará mais elevada (CASAGRANDE, 2008).
As principais reações estão descritas a seguir:
Combustão do carvão (500-800°C): C(s) + ½ O2(g) → CO(g) C(s) + O2(g) → CO2(g) (1) (2) (a) ponto de contato
(b) estágio inicial
(c) estágio intermediário e (d) estágio final
Figura 6 - Estágios da sinterização no estado sólido
Fonte Fonseca, 2004.
(VIEIRA, 2009) (VIEIRA, 2009)
Decomposição de carbonatos (550-800°C):
Reações de escorificação (900-1400°C): Ferritos, Silicatos e Fayalitas
Recristalização e crescimento de grãos de hematita (≈ 1100°C): A intensidade da união dos grãos depende da temperatura alcançada, do tempo de permanência e da superfície específica da matéria-prima (VIEIRA, 2009).
A ocorrência das reações 1 (queima parcial do carvão) e 2 (queima completa do carvão) pode promover transformações na estrutura cristalina da pelota. A predominância da reação 1 pode acarretar na piora da qualidade da pelota queimada, pois favorecerá a formação de magnetita primária. Já a predominância da reação 2 favorecerá a maior transformação da magnetita residual em hematita, passando de cúbica de face centrada (magnetita) para hexagonal compacta (hematita), tornando a pelota mais densa e de melhor qualidade (UMADEVI, 2008).
O objetivo principal da fase de endurecimento é melhorar a qualidade, ou seja, as propriedades físicas dos aglomerados, tais como a compressão e o tamboramento, já que, quanto melhor a qualidade da pelota verde e o grau de sinterização dos
CaO + Fe2O3 → CaO.Fe2O3
MgO + Fe2O3 → MgO.Fe2O3
2MgO + SiO2 → 2MgO.SiO2
2CaO + SiO2 → 2CaO.SiO2
3SiO2 + 2Fe3O4 + 2CO → 3(2FeO.SiO2) + 2CO2 CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g)
MgCO3(s) → MgO(s) + CO2(g)
(5) (6) (7) (8) (9) (3) (4) (DECTEROV, 2004) (JAK, 1999)
(BARIN; KNACKE; KUBASCHEWSKI, 1977)
(SAXENA, 1993)
(BERMAN, 1985) (VIEIRA, 2009) (VIEIRA, 2009)
aglomerados, melhores serão suas características finais (Tabela 1) (FONSECA, 2004).
O endurecimento através de tratamento térmico utiliza um dos três tipos de fornos convencionais: forno de eixo vertical, o processo grelha móvel (também denominado travelling grate ou straight-grate) e o processo grelha móvel/forno rotativo (também chamado de grate-kiln) (BARATI, 2008).
3.3.2 Grelha móvel (straight grate ou travelling grate)
O processo grelha móvel consiste em um tratamento térmico que é realizado em fornos de pelotização de grelha reta (FONSECA, 2004) e tem por finalidade promover resistência física às pelotas e melhorar suas características metalúrgicas.
As pelotas são levadas pela grelha e submetidas à passagem de fluxo de gases quentes, ascendente ou descendente, de acordo com a etapa do processo e as zonas pelas quais a grelha avança (MAJUMDER; NATEKAR; RUNKANA, 2009).
De acordo com a movimentação do ar, o processo pode ser dividido em seis zonas: secagem ascendente (SA), secagem descendente (SD), pré-queima (PrQ), queima (Q), pós-queima (PoQ), resfriamento (R) (MAJUMDER; NATEKAR; RUNKANA, 2009).
Segundo BHATIA, o processo grelha móvel é mais eficiente, pois, promove menor geração de finos, consome menor quantidade de combustíveis durante a queima, e o refratário interno da panela de queima possui maior vida útil, por permanecer estático.
Tabela 1 – Características das pelotas cruas e sua influência nas pelotas queimadas
O esquema típico de reaproveitamento de temperatura evidencia o sentido do fluxo de gases na Figura 7.
Figura 7 - Esquema representativo da recirculação do ar no forno grelha móvel
Uma camada de pelotas queimadas, denominada camada de fundo, é carregada sobre as grelhas e outra camada de pelotas queimadas é carregada nas laterais dos carros de grelha (Figura 8) simultâneamente com as pelotas cruas para proteção do equipamento contra superaquecimento (BARATI, 2008). As pelotas queimadas nas laterais da grelha atuam como um meio neutro de absorção de calor, protegendo as pelotas cruas das altas temperaturas geradas durante a queima e promovendo a melhor distribuição do fluxo de gases.
Figura 8 – Representação do corte transversal da camada de pelotas na grelha móvel
Fonte: Mafra & Dutra, 2008 – adaptado. Fonte: Klein, 2002.
3.3.2.1 Secagem
Na primeira fase, quando se inicia a secagem, há um fluxo de ar quente ascendente, que tem por função principal secar as pelotas do fundo da camada para evitar a deformação das pelotas ainda verdes, devido ao peso exercido pelas camadas superiores.
Após isso, a fase de secagem continua, agora com o fluxo de ar quente descendente, e é formada pelos gases provenientes da zona de queima.
Nesta fase, é importante o controle rigoroso da transferência de calor e da remoção de água para evitar o rompimento e quebra precoce dos aglomerados (BARATI, 2008).
As principais reações que ocorrem nesta fase são: a evaporação da umidade contida nas pelotas e a dissociação térmica da Goethita que se transforma em hematita (300ºC), ambas endotérmicas.
Vaporização da umidade / condensação (60 a 200°C) – Ocorre em SA
Decomposição da Goethita (200 a 500°C) – Ocorre em SD
H2O (l) ↔H2O (v) (FONSECA, 2004)
(10)
(11) 2FeOOH (s) → Fe2O3 (s) + H2O (v) (FONSECA, 2004)
(STULL, 1985)
3.3.2.2 Pré queima
Na fase de pré-queima a temperatura das pelotas alcança cerca de 1200°C e o fluxo de gases permanece descendente.
Ao final desta fase, os aglomerados estarão completamente secos e prontos para o início da queima (BARATI, 2008), e são notados os primeiros sinais da formação de elementos de liga da pelota. Nessa fase, próximo aos 1000ºC ocorre a dissociação térmica dos carbonatos fornecendo elementos fundentes ao meio (CaO) que auxiliam a dissolussão das particulas minerais e o crescimento de grãos.
3.3.2.3 Queima
A queima é a fase na qual a temperatura pode estar entre 1300 e 1340°C e quando começarão a ocorrer reações internas, tais como rescristalização e crescimento de grãos.
As ligações estabelecidas entre as partículas durante esta fase sofrem influência direta da temperatura e principalmente do tempo de permanência da carga em temperatura máxima (FONSECA, 2004), sendo exigida intensa energia no processo (MAJUMDER; NATEKAR; RUNKANA, 2009).
A fase de endurecimento é responsável pelo aumento de resistência das pelotas, devido às reações que acontecem em seu interior (BARATI, 2008), citadas anteriormente.
Nesta fase também há aproveitamento e recirculação do fluxo de gases, que partem da queima e retornam para a fase de secagem após estarem misturados ao ar (BARATI, 2008).
A fonte de energia no processo grelha móvel é proveniente da queima de gás ou óleo combustível, e o fornecedor de energia no interior dos aglomerados é o carvão, que é incorporado à mistura do minério de ferro (UMADEVI, 2008).
3.3.2.4 Pós-queima e resfriamento
Após a conclusão da fase de queima, inicia-se a fase de pós-queima quando as pelotas passam por um processo de homogeneização do calor e depois disso passam pelo resfriamento, quando as mesmas recebem um fluxo de ar, em temperatura ambiente, impulsionado em sentido ascendente que atravessa o leito de pelotas (VIEIRA, 2009).
O perfil térmico típico dos fornos tipo grelha móvel é mostrado na Figura 9.
Figura 9 - Perfil térmico típico da queima de pelotas no processo grelha móvel
3.3.3 Grelha móvel / forno rotativo (grate kiln)
A primeira planta de queima através do processo grelha móvel / forno rotativo foi instalada no ano de 1960. A partir daí, aproximadamente 50 plantas utilizam tal processo de queima (METSO, 2012).
Neste processo, as velocidades da grelha, do rotativo e do resfriador podem ser controladas independentemente pelo operador, o que facilita quanto às mudanças utilizadas na mistura a ser pelotizada, de acordo com cada tipo de minério (METSO, 2012).
3.3.3.1 Secagem e pré queima
O processo combinando grelha móvel / forno rotativo consiste, em suas etapas iniciais, num processo extremamente semelhante ao grelha móvel, pois, utiliza essencialmente a mesma estrutura física, diferenciando apenas o procedimento. É composto por três etapas: grelha móvel, forno rotativo e resfriador, sendo que as etapas iniciais, que ocorrem na grelha móvel, consistem em secagem, com fluxo de gases descendente, e pré-queima, já que a queima acontece somente no interior do forno rotativo (WENDLING, 2010).
Na grelha móvel, a temperatura pode variar desde a temperatura ambiente até cerca de 1250oC, quando os aglomerados são carregados, automaticamente, no forno rotativo (WENDLING, 2010)
A Figura 10 evidencia o sentido do fluxo de gases e a sequência de reaproveitamento térmico através da recirculação do ar.
Figura 10 - Esquema representativo da recirculação do ar no grelha móvel / forno rotativo
3.3.3.2 Queima
Em se tratando de materiais a granel, os fornos rotativos, também denominados reatores químicos, são amplamente utilizados em indústrias das mais variadas naturezas, como a química, cimentícia e metalúrgica e também, em diversos processos como tratamento de resíduos, secagem e incineração (SPECHT, 2010) e tem como estrutura principal um tubo cilíndrico, inclinado à cerca de 5%, revestido internamente por refratário (LIU; SPECHT, 2010)
A inclinação do tubo é responsável pelo transporte do material através do mesmo (LIU; SPECHT, 2010), pois, a rotação do cilindro ocorre em torno de seu próprio eixo (CHEN, 2009). O material é introduzido neste tubo, onde é calcinado, através da queima via gases combustíveis (LIU; SPECHT, 2010).
O forno rotativo gira, em média, a 1,2 RPM e as pelotas podem ser aquecidas até cerca de 1340oC (WENDLING, 2010).
A fase de queima ou endurecimento no grelha móvel / forno rotativo ocorre no interior do forno rotativo e a qualidade das pelotas produzidas é, certamente, maior do que as pelotas do grelha móvel. A razão desta melhor qualidade é o constante movimento das pelotas, distribuindo a mesma temperatura, com a mesma eficiência, para toda a carga, sendo que, aumento de qualidade significa: menor quantidade de finos, melhor redutibilidade e maior homogeneidade dos valores de compressão (METSO, 2012).
OJA afirma ser muito maior a eficiência do processo grelha móvel / forno rotativo quando utilizado aglomerante orgânico na mistura a ser pelotizada. Tal afirmação não trata somente dos dados referentes à compressão, mas ao processo em geral, englobando todo o procedimento.
No processo grelha móvel / forno rotativo a transferência de calor acontece de duas formas em sequência: Primeiramente, na fase grelha móvel, o calor se propaga por condução e por convecção, sendo que por condução pode ocorrer no interior dos sólidos, por contato entre suas partículas e através do fluido intersticial; ou por
convecção através do movimento dos gases quentes (CHAUDHURI; MUZZIO; TOMASSONE, 2006). Na fase de queima, no forno rotativo, a transferência de calor ocorre, preferencialmente, por radiação entre a chama e a superfície das partículas, em seguida por condução entre a parede do rotativo e as pelotas e, por último, por convecção a partir do ar secundário, que é reaproveitado do processo (DAVIS, 1998).
A taxa de transferência de calor pode ser afetada pela profundidade da camada de pelotas, pois, quanto maior a profundidade do leito, menor será a penetração de calor na mesma. Isto pode ocorrer também, devido à diminuição da área de contato com a parede interna do reator (SPECHT, 2010).
O tempo de residência dos aglomerados em contato direto com a temperatura de queima é um dos fatores de maior importância no processo (CHEN, 2009) e uma chama de qualidade, estável e constante, é fator primordial para uma combustão segura e eficiente (LARSSON, 2009).
Segundo BHATIA, o processo grelha móvel / forno rotativo não possui vantagens, por ocorrer em mais de uma unidade de queima, promover maior consumo de combustível, gerar maior quantidade de finos e pela menor vida útil do refratário. Entretanto, OJA é categórico em afirmar o contrário, inclusive quanto aos custos de implantação, durabilidade dos equipamentos e ao consumo de combustível e energia elétrica, que, segundo METSO, é de 20 kwh/ton para o grelha móvel / forno rotativo, contra 30 kwh/ton do grelha móvel.
Todos afirmam a melhor qualidade física das pelotas do grelha móvel / forno rotativo, mas citam que sua produtividade é limitada. Porém, METSO, em 2012, diz estar desenvolvendo um grelha móvel / forno rotativo com capacidade igual à do processo grelha móvel, ou seja, 7 Mton/ano.
Assim, este comparativo de qualidade se faz extremamente importante para que se obtenham informações acerca da qualidade dos materiais produzidos nos dois processos e para que se tenha certeza sobre qual seria o melhor processo.
3.3.3.3 Resfriamento
No resfriador, ocorre a etapa de arrefecimento onde as pelotas recebem um fluxo ascendente de ar, para baixar a temperatura de cerca de 1100ºC até bem próximo da temperatura ambiente (WENDLING, 2010).
O processo grelha móvel / forno rotativo é tido pelos metalurgistas como o melhor em otimização da transferência de calor e principalmente pela rotação e maior exposição dos aglomerados ao calor da chama (MEYER, 1980).
Um perfil térmico típico do processo grelha móvel / forno rotativo é mostrado na Figura 11 e nos permite visualizar a curva térmica da camada de pelotas durante a secagem e pré-queima, que ocorrem na grelha móvel durante os primeiros doze minutos, o controle da pressão interna na camada de pelotas (DP) e a temperatura da atmosfera do forno rotativo, quando ocorre a queima propriamente dita (WENDLING, 2010).
Figura 11 - Perfil térmico típico da queima de pelotas no processo grelha móvel/forno rotativo
3.3.4 Comparativo entre processos
A diferença crucial entre os dois processos citados acima é o sistema de transferência de calor durante a queima do material (WENDLING, 2010).
No grelha móvel / forno rotativo, a transferência de calor ocorre com maior uniformidade, pois, todas as pelotas tem acesso ao calor irradiado de forma similar (WENDLING, 2010). Já no grelha móvel, a transferência ocorre com a formação de um gradiente de temperatura que se estende desde a camada superior até a camada inferior de pelotas, diferenciando a quantidade de calor que chega a cada pelota (UMADEVI, 2008).
A utilização da camada de fundo também é uma diferença importante entre os dois processos, pois, no grelha móvel a camada é utilizada, entretanto, no grelha móvel / forno rotativo, não. Assim, no último processo, todas as pelotas inseridas no forno são destinadas à produção (WENDLING, 2010).
A oxidação total das pelotas ocorre à temperatura de endurecimento (cerca de 1340°C), nos dois processos. Porém, o grelha móvel – forno rotativo é capaz de produzir pelotas mais fortes, mantendo o grau de redutibilidade. Tal recurso é uma exclusividade do processo grelha móvel – forno rotativo (METSO, 2012).
Entretanto, não existem somente diferenças entre os dois processos. Há também semelhanças importantes. Ambos foram totalmente projetados e, consequentemente, concebidos para recuperar, com a maior eficiência possível, a energia térmica produzida e emitida pelo leito de pelotas (DAVIS, 1998).
OJA disponibiliza uma tabela comparativa dos dois processos (Tabela 2), entretanto, se equipararmos a importância de cada item os processos se mantém idênticos.
Tabela 2 – Tabela comparativa entre processos GRELHA MÓVEL ÍTEM AVALIADO GRELHA MÓVEL/ FORNO ROTATIVO CAPEX Annual Tonnage Btu/LT
Cold Start Time
Power kwh/LT Bentonite Rate Organic Binder Footprint Solid fuels Refractory Issues - Fluxed Pellets - - Labor - Maintenance Materials
Before Tumble Fines
Product Quality
% Availability
4 MATERIAIS E MÉTODOS
Neste capítulo apresentam-se os equipamentos utilizados e a metodologia adotada durante o desenvolvimento deste trabalho comparativo entre processos de queima de pelotas de minério de ferro.
Para um bom desenvolvimento deste trabalho, procedeu-se um estágio nas instalações da Radieng Consultoria Ltda, antes e durante o período de ensaios de pelotamento e queima. Tais ensaios foram realizados no mesmo laboratório, localizado no município de Serra - ES, o qual, gentilmente, cedeu suas instalações e pessoal para a perfeita execução deste trabalho.
Para os ensaios metalúrgicos, procedeu-se um treinamento no laboratório de redutibilidade da Arcelor Mittal Tubarão, em forno semelhante ao utilizado neste trabalho.
A Tabela 3 expõe todas as etapas do trabalho e os capítulos subsequentes detalham cada uma delas.
Tabela 3 – Etapas e subetapas do trabalho
4.1 CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS, FÍSICAS E METALÚRGICAS
Todos os procedimentos utilizados para caracterizar a qualidade das pelotas seguiram as normas de testes internacionais. Foram eles:
análises químicas via úmida e instrumental; testes físicos e
ensaios metalúrgicos,.
Nas análises químicas, são analisados os percentuais dos principais elementos químicos conforme mostrado na Tabela 4.
Tabela 4 - Análise química da matéria-prima e dos aditivos da mistura
MATERIAIS Fetotal FeO SiO2 Al2O3 CaO MgO P TiO2 PPC
Pellet Feed 67,0 0,45 1,78 0,71 0,01 0,04 0,03 0,025 1,4
Bentonita 3,45 57,8 15,5 1,0 1,95 8,5
Calcário 3,64 49,44 3,42 42
Carvão 4,8 6,4 5,01 0,56 0,2 82
Fonte: Elab. pelo autor, 2013.
Nos testes físicos avalia-se a granulometria e a resistência física das pelotas cruas, secas e queimadas, para que possam resistir ao manuseio no transporte e em operações de empilhamento e recuperação.
Nos ensaios metalúrgicos procura-se simular em laboratório qual é o comportamento esperado das pelotas nos processos de alto forno e de redução direta.
Para a realização destes testes e ensaios, são seguidas as normas internacionais da ISO adotadas pelas indústrias mineradoras e siderúrgicas.
4.2 EQUIPAMENTOS E PROCEDIMENTOS
4.2.1 Preparação do material
A matéria prima (minério de ferro) utilizado nos ensaios é um itabirito hematítico proveniente do Quadrilátero Ferrífero (Minas Gerais).
O minério foi recebido na forma de um concentrado com granulometria - 0,15 mm. Ele foi moído em moinho de bolas (Figura 12), até um índice de blaine (ensaio que será explicado mais adiante) de 1900 cm2/g (Tabela 5), a uma taxa de carregamento média de 50 kg/h, sendo que tal taxa é definida dividindo-se a massa de uma quantidade do material moído retirada do moinho pelo tempo gasto para retirá-la. As medidas do índice de blaine foram feitas a cada 30 minutos até a estabilização em 1900 cm2/g. A moagem de todo o pellet feed até o índice de blaine indicado foi conseguida ajustando-se a rotação do moinho.
Quanto aos aditivos, com exceção da bentonita, que já é recebida pronta para o uso, todos foram moídos, separadamente, utilizando-se o mesmo procedimento, até alcançarem as especificações indicadas na Tabela 5.
Figura 12 – Moinho de bolas
Fonte: Autor, 2013.
Tabela 5 – Características físicas dos materiais
Fonte: Elab. pelo autor, 2013.
Em seguida, uma amostra do pellet feed foi coletada para envio ao laboratório de análise química, através da qual, obtiveram-se todas as características necessárias para se proceder à mistura.
Concluída a moagem dos materiais, foram realizados testes para determinar a melhor umidade para o pelotamento, sendo quatro testes para cada valor de umidade determinado, totalizando doze testes. Tais testes foram realizados em pneu, utilizando-se 5,2 kg de pellet feed em cada teste. Para cada condição de umidade foram realizados quatro testes, a partir dos quais se determinou a qualidade da pelota crua. O critério adotado para a escolha da umidade de operação foi, principalmente, o número de quedas, adotando-se de 4 a 5 como quantidade mínima, pois, tanto a compressão úmida quanto a seca deram bons resultados para qualquer das umidades testadas. Os resultados obtidos estão expostos na Tabela 6
Tabela 6 – Valores de referência para definição da umidade da pelota Umidade P. Feed (%) Umidade da pelota (%) Quedas Compressão úmida (daN/pelota) Compressão seca (daN/pelota) 8,5 Média desvio 7,21 2,6 2,428 5,77 padrão 0,05 0,1 106 359 9 Média desvio 7,9 3,2 2,508 6,24 padrão 0,24 0,1 22 209 9,5 Média desvio 8,38 4,5 2,862 8,055 padrão 0,08 0,1 69 142
Fonte: Elab. pelo autor, 2013.
Faixas Granulométricas MATERIAIS +149µ (%) +74µ (%) +44µ (%) - 44µ (%) Índice de Blaine (cm2/g) Pellet Feed - 0,45 10,55 89 1900 Bentonita - 8,5 2,5 89 5000 Calcário (calcítico) 5,4 16,8 14,8 63 5500 Carvão (antracito) 12,80 15,9 12,3 59 5600
A umidade da pelota é definida de acordo com a umidade residual do pellet feed, que é determinada, e a água de correção é acrescentada, concluindo-se este processo.
4.2.2 Nomenclatura das amostras e experimentos
O nome das amostras se deu por uma codificação de siglas representando primeiramente o nome do processo de fabricação da pelota e depois o número do experimento de queima conforme explicado abaixo:
Tipo de processo: Grate Kiln: código GK Tipo de processo Grelha Móvel: código GM
Experimento: código EX seguido do número do experimento
Exemplo: Experimento 01 de pelota do processo Grate Kiln – GK EX 01.
4.2.3 Testes de pelotamento
A mistura foi preparada de acordo com a análise química da matéria-prima exposta na Tabela 7.
Tabela 7 – Cálculo da mistura de acordo com o balanço de massa
Fonte: Elab. pelo autor, 2013.
Na preparação do material para a mistura, introduziu-se o pellet feed no misturador (Figura 13) e colocou-se para girar por tempo indeterminado de modo a homogeneizar o material.
BALANÇO DE MASSA PARA PELOTAS ALTO FORNO COM CaO / SiO2 = 1,00
MATERIAIS
(Base seca) %Adição Fetotal FeO SiO2 Al2O3 CaO MgO P TiO2 PPC CaO/SiO2
Pellet Feed 93,70 67,00 0,52 1,78 0,71 0,01 0,04 0,030 0,025 1,40 Bentonita 0,50 3,45 57,80 15,50 1,00 1,95 8,50
Calcario 4,43 3,64 49,44 3,42 42,00
Carvão 1,30 4,80 6,40 5,01 0,56 0,20 82,00
Feito o cálculo da água de correção e com o misturador em funcionamento, adicionou-se a água. Acrescentaram-se os aditivos em seguida e continuou-se a mistura por mais 5 minutos. Basculhou-se o equipamento para retirada da mistura que alimentou o desagregador. Introduziu-se a mistura desagregada no silo de alimentação do disco e deu-se inicio ao teste de pelotamento.
Figura 13 - Misturador
Fonte: Autor, 2013.
A quantidade mínima de mistura necessária para se proceder a um teste de pelotamento em disco piloto de 1 metro de diâmetro (Figura 14) e queima em pot grate é de 100 Kg.
Com o início da rotação do disco, que está inclinado a 45° e gira a 16 rpm, ligou-se a correia de alimentação, que recebeu a mistura do silo de abastecimento, e a transportou até o disco.
Figura 14 - Disco pelotizador
Fonte: Autor, 2013.
À medida que o disco girava, adicionou-se uma pequena quantidade restante da água de correção, e iniciou-se a formação de micro pelotas.
As condições definidas para a inclinação e rotação do disco favorecem a produção de pelotas em quantidade suficiente para a execução do teste na granulometria desejada. As pelotas foram passadas nas peneiras e a amostra a ser queimada foi composta de 50% para cada uma das faixas principais (+ 9,5 mm – 12,5 mm).
4.2.4 Equipamentos de queima
Utilizou-se o forno PotGrate, indicado na Figura 15, para simulação do processo grelha móvel e da etapa grelha móvel no processo grelha móvel / forno rotativo.
Figura 15 - PotGrate e Forno rotativo
Fonte: Autor, 2013. 4.2.4.1 Grelha móvel
O PotGrate é composto por: câmara de combustão, dutos de condução dos gases quentes, panela de queima com 30 cm de diâmetro útil, dutos de saída de gases do forno, termopares e chaminé (Figura 16). Todos os dutos são de aço e internamente protegidos por refratários para garantir a eficiência da queima. A panela do PotGrate possui 50 cm de altura e a altura do leito necessária para a simulação do processo grelha móvel é de 40 a 50 cm.
Para simulação dos fluxos direcionais de gás do processo, o equipamento dispõe de válvulas refratárias que trabalham a altíssimas temperaturas e que, quando atuam, mudam o fluxo de gás para a direção ascendente / descendente conforme a fase do processo solicite.
Figura 16 – Desenho esquemático das composições do PotGrate e a localização dos termopares
Fonte: Elab. pelo autor, 2013.
Com relação ao controle da variação da pressão (∆P) dentro do Potgrate utilizou-se uma mangueira graduada, com água e colorante em seu interior. À medida que a pressão variava, o líquido interno se movimentava e os valores eram registrados.
4.2.4.2 Forno rotativo (Kiln)
Na simulação do processo grelha móvel / forno rotativo, em escala piloto, utilizou-se o forno PotGrate, detalhado acima, e o forno rotativo, indicados na Figura 15.
Nesta simulação é necessária uma camada de pelotas de 18 a 20 cm dentro da panela.
Após a secagem e pré queima abriu-se o Potgrate, suspendeu-se a panela, que foi então basculhada (Figura 17), despejando-se as pelotas pré-queimadas na cuba que é utilizada para transferência de pelotas da pré queima para o forno rotativo.
Figura 17 - Basculamento após pré queima
Fonte: Autor, 2013.
4.2.5 Controle de qualidade na pré queima
Logo após o término da pré queima, coletou-se amostras de pelotas pré queimadas da camada superior da panela, deixando-se no fundo da panela um pouco de pelotas sendo, ambas, amostras para testes de compressão.
Terminada a queima no forno rotativo retirou-se o restante das pelotas de pré queima do fundo da panela para a realização de testes.
Terminado o resfriamento das pelotas queimadas elas são basculhadas para um recipiente metálico, onde são pesadas. Após a pesagem, a amostra é quarteada para a retirada de outras amostras para:
Analise química e teste de tamboramento. Testes de compressão e porosidade. Testes metalúrgicos
Do restante das pelotas fez-se, primeiramente, o ensaio granulométrico e depois, em toda a amostra, fizeram-se as seguintes medidas:
Porcentagem conjunta de pelotas com trincas de resiliência e pedaços de pelotas.
Porcentagem de pelotas com trincas térmicas.
Após a retirada dos finos em toda a amostra ela é novamente pesada de onde se obtém o peso liquido de pelotas.
Feita a transferência, fechou-se o forno rotativo e deu-se inicio à queima durante o tempo e temperatura pré-determinados. Terminada a queima, as pelotas foram retiradas do forno e transferidas para o resfriador (Figura 18), usando-se um recipiente metálico, e do resfriador elas são retiradas frias para os testes finais de qualidade física e metalúrgica.
Esclarecendo que a transferência entre fornos deve ser imediata. As pelotas utilizadas para os testes citados acima, são deixadas na panela para que esfriem e possam ser manipuladas.
Figura 18 - Resfriador
Fonte: Autor, 2013.
4.2.6 Condições de queima
As condições operacionais reais de ocorrência de cada ensaio de queima deste trabalho, ou seja, temperaturas, pressão e duração de cada etapa, estão expressas nas Tabelas 8 e 9.
Tabela 8 – Condições efetivas de queima no processo grelha móvel
Fonte: Elab. pelo autor, 2013.
Tabela 9 – Condições efetivas de queima no processo grelha móvel / forno rotativo
Fonte: Elab. pelo autor, 2013.
CONDIÇÕES DO PROCESSO GRELHA MÓVEL
Fases do processo Minutos Temp. Coifa (°C) mmH2O mbar
Secagem Ascendente 3,1 330 510 50
Secagem Descendente 4,2 330 -612 -60
Pré Queima 7,6 até a queima -612 -60
Queima 5,8 1300 a 1335 -571 -56
Pós Queima 2,9 1150 -551 -54
Resfriamento 12,3 602 59
Total 36
CONDIÇÕES DO PROCESSO G. MÓVEL / F. ROTATIVO
Secagem e Pré queima - Grelha Móvel Minutos
Secagem Descendente 1 3,9
Secagem Descendente 2 3,2
Pré aquecimento 1 3,9
Pré aquecimento 2 5,0
Total 16
Queima - Forno Rotativo
Aquecimento 6
Queima 8
Resfriamento Interno até ~1100ºC 6
Total 20
Resfriamento no resfriador até 100ºC 15
Como se trabalhou muito próximo das condições industriais (Figuras 19, 20, 21 e 22), foi possível obter, em escala piloto, pelotas queimadas com grau de sinterização extremamente similar aos industriais.
Figura 19 – Perfil térmico do Teste 01 – Amostra Grelha Móvel (GM)
Fonte: Elab. pelo autor, 2013.
Figura 20 – Perfil térmico do Teste 02 – Amostra Grelha Móvel (GM)
Fonte: Elab. pelo autor, 2013.
-800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Δ P m m H2O Te m per atu ra ºC Minutos
Teste 1 Processo GM pelota alto forno CaO/SiO2 = 1,00
Temp Coifa Temp Camada Superior PANELA
Temp Camada Inferior PANELA Temp. Caixa de Vento ΔP da Camada (mm H2O) -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 5 10 15 20 25 30 35 40 ΔP m m H 2O Tem pe ra tura ºC Minutos
Teste 2 Processo GM pelotas de alto forno CaO/SiO2 = 1,00
Temp Coifa Temp Camada Superior PANELA
Temp Camada Inferior PANELA Temp. Caixa de Vento ΔP da Camada (mm H2O)
Figura 21 – Perfil térmico do Teste 01 – Amostra Grelha Móvel / Forno Rotativo (GK)
Fonte: Elab. pelo autor, 2013.
Figura 22 – Perfil térmico do Teste 02 – Amostra Grelha Móvel / Forno Rotativo (GK)
Fonte: Elab. pelo autor, 2013. 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Tem pe ra tu ra ºC Minutos
Temp Coifa Temp. Pelota na Grelha ºC
Temp. Caixa de Vento Temp. Atmosfera do Rotativo ºC
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Te m per atu ra ºC Minutos
Temp Coifa Temp. pelotas na grelha
Temp. Caixa de Vento Temp. Atmosfera do Rotativo ºC Teste 1 Processo GK pelota alto forno CaO/SiO2 = 1,00
4.2.7 Métodos dos testes de qualidade física
4.2.7.1 Determinação da superfície específica (índice de blaine)
O índice de Blaine foi medido no Permeabilímetro de Blaine (Figura 23), equipamento que mede a permeabilidade ao ar de amostras de materiais particulados finos, através da NBR NM 76.
A preparação do equipamento e da amostra para o ensaio foi feita da seguinte forma:
Retirou-se a amostra do moinho;
Desagregou-se numa peneira de 100 mesh ; Homogeneizou-se;
Pesou-se a quantidade definida para o material, que neste caso foi de 4,60g (resultado da multiplicação entre o volume do recipiente, a porosidade estimada e o peso específico do minério);
Inseriu-se no cone de aço inox do permeabilímetro, nesta mesma ordem: filtro de papel, amostra e novo filtro de papel;
Compactou-se a amostra no cone; Inseriu-se o cone no equipamento
Iniciou-se o ensaio no equipamento, que puxa o ar para que este passe através do material em um dado tempo.
Como o Índice de Blaine é uma medida de superfície específica, é expresso em cm²/g e está exposto, para cada material, na Tabela 5 (pág 38).
Figura 23 – Permeabilímetro de Blaine
Fonte: Autor, 2013. 4.2.7.2 Secagem
O ensaio de secagem é feito para que pudesse ser medido o percentual de umidade do minério e da pelota crua. Fez-se tal cálculo subtraindo-se o valor da massa seca da massa úmida e dividindo-se o resultado pelo valor da massa úmida, e calculando-se calculando-seu percentual.
Submeteu-se uma amostra do minério e outra das pelotas cruas, após confecção das mesmas, à secagem em estufa Carbografite, modelo EOCJ 001 (Figura 24).
Fez-se o ensaio, inicialmente, pesando-se as amostras e logo em seguida incluindo-as na estufa à temperatura de 130°C por 60 minutos, em recipiente metálico. Depois, procedeu-se a pesagem final.
Figura 24 - Estufa
Fonte: Autor, 2013.
4.2.7.3 Compressão das pelotas úmidas e secas
Determinou-se a compressão das pelotas úmidas e secas comprimindo-se 10 pelotas, individualmente e escolhidas aleatoriamente, num equipamento de medida da compressão (Figura 25) que comporta cargas de até 30 kg. Com os valores obtidos, calcularam-se as médias e os desvios padrão.
Figura 25 – Prensa até 30 kg
Fonte: Autor, 2013.
1 : 10
4.2.7.4 Teste de quedas
Este teste mede, via simulação, a resistência a tensões mecânicas causadas por quedas das pelotas em pontos de transferência de correias transportadoras quando a pelota é levada desde o disco até a entrada do forno, ainda crua.
Fez-se o teste medindo-se a quantidade de quedas de uma altura padrão (45 cm) (Figura26) que uma pelota deve suportar sem se partir e sem se deformar significativamente da forma esférica.
Figura 26 – Teste de quedas
Fonte: Autor, 2013.
4.2.7.5 Porosidade das pelotas úmidas, secas e queimadas
Este ensaio mede a quantidade de poros internos à pelota crua, seca e queimada, ou seja, o percentual de vazios internos.
Procedeu-se o ensaio utilizando-se uma régua (Figura 27), na qual se inseriram 18 pelotas e se fez a medição do comprimento atingido. Três medidas foram feitas e a média simples foi tirada calculando-se o diâmetro médio das pelotas e, a partir daí, o volume.
O valor da densidade real foi obtido de acordo com o teor de Fetotal contido na amostra, segundo a Tabela 10.
Tabela 10 – Densidade real com base no teor de Fetotal
Com os valores em mãos, procedeu-se o cálculo da porosidade segundo a Equação 10, sendo:
Dapar = Densidade Aparente Dreal = Densidade Real
Figura 27 – Régua
Fonte: Autor, 2013.
DENSIDADE REAL
Teor de Casas decimais
Fetotal (%) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 58 4,61 4,62 4,62 4,63 4,63 4,64 4,64 4,65 4,65 4,66 59 4,66 4,67 4,67 4,68 4,68 4,69 4,69 4,70 4,70 4,71 60 4,71 4,72 4,72 4,73 4,73 4,74 4,74 4,75 4,75 4,76 61 4,76 4,77 4,77 4,78 4,78 4,79 4,79 4,80 4,80 4,81 62 4,81 4,82 4,82 4,83 4,83 4,84 4,84 4,85 4,85 4,86 63 4,86 4,87 4,87 4,88 4,88 4,89 4,89 4,90 4,90 4,91 64 4,92 4,92 4,93 4,93 4,94 4,95 4,95 4,96 4,96 4,97 65 4,97 4,98 4,98 4,99 4,99 5,00 5,01 5,01 5,02 5,03 66 5,03 5,04 5,04 5,05 5,05 5,06 5,06 5,07 5,07 5,08 67 5,09 5,09 5,10 5,10 5,11 5,12 5,12 5,13 5,13 5,14 68 5,14 5,15 5,15 5,16 5,16 5,17 5,17 5,18 5,18 5,19 69 5,20 5,20 5,21 5,21 5,22 5,22 5,23 5,23 5,24 5,25
%Porosidade = 1- (Daparente / Dreal) x 100 (12) Fonte: Taggart, 1954.
4.2.7.6 Resistência à compressão de pelotas queimadas
Trata-se de um ensaio que mede a capacidade que a pelota tem de suportar uma dada força física.
Fez-se a medida da compressão de pelotas queimadas de acordo com a norma ISO 4700. O procedimento consiste em submeter uma dada quantidade de pelotas (tipicamente de 50 a 250 pelotas) a um esforço de compressão entre dois pratos de aço medindo-se a tensão média de ruptura.
A prensa (Figura 28) possui um registrador eletrônico digital que indica o crescimento da carga exercida sobre a pelota e que registra o valor máximo da carga aplicada quando a pelota se rompe.
Seu resultado é expresso em média e desvio padrão.
Figura 28– Prensa digital
Fonte: Autor, 2013.
A força de compressão aumenta com:
a diminuição da porosidade e;
a diminuição da granulometria dos finos. 1 : 8
Ou seja, independente da razão pela qual a compressão aumenta, isto é importante para a qualidade física das pelotas. Entretanto, tal característica pode ser prejudicial para o processo de redução devido à diminuição da porosidade (KAWATRA, 2013).
4.2.7.7 Tamboramento
A medida do tamboramento foi feita utilizando-se um tambor adaptado para testes piloto (Figura 29), pois, a amostra exigida em testes industriais é muito grande. Assim, não haveria material suficiente para a realização dos demais ensaios.
Com a utilização do tambor acima citado, consome-se apenas 1,5 Kg de pelotas, não comprometendo a quantidade de material disponível para os demais testes de avaliação da qualidade.
Figura 29 - Tambor de abrasão
Fonte: Autor, 2013.
A utilização de tal equipamento foi satisfatória, pois, forneceu resultados absolutamente confiáveis, não promovendo perda alguma da qualidade dos ensaios.
A Tabela 11 mostra os resultados da calibração feita no tambor utilizado neste trabalho, comparando-o com o tambor exigido pela norma ISO, expondo claramente os excelentes resultados alcançados pelo tambor adaptado.
