INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO
MESTRADO EM ENGENHARIA METALÚRGICA E DE MATERIAIS
JOÃO JOSÉ DOS SANTOS CARVALHO
INFLUÊNCIA DA REATIVIDADE DO COQUE SIDERÚRGICO SOBRE O PROCESSO DE REDUÇÃO DA PELOTA E DO SINTER DESTINADOS AOS
ALTOS-FORNOS
VITÓRIA 2014
INFLUÊNCIA DA REATIVIDADE DO COQUE SIDERÚRGICO SOBRE O PROCESSO DE REDUÇÃO DA PELOTA E DO SINTER DESTINADOS AOS
ALTOS-FORNOS
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica e de Materiais do Instituto Federal do Espírito Santo como requisito parcial para a obtenção do Título de Mestre em Engenharia Metalúrgica e de Materiais.
Orientador: Prof. Dr. Ramiro da Conceição do Nascimento Júnior
VITÓRIA 2014
(Biblioteca Nilo Peçanha do Instituto Federal do Espírito Santo) C331i Carvalho, João José dos Santos.
Influência da reatividade do coque siderúrgico sobre o processo de redução da pelota e do sinter destinados aos altos-fornos / João José dos Santos Carvalho. – 2014.
112 f. : 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. Ferro – Metalurgia. 2. Sinterização. 3. Minérios de ferro. 4. Altos-fornos. I. Nascimento Júnior, Ramiro da Conceição do. II. Instituto Federal do Espírito Santo. III. Título.
Declaro para fins de pesquisa acadêmica, didática e técnico-científica, que este Trabalho de Conclusão de Curso pode ser parcialmente utilizado, desde que se faça referência à fonte e ao autor.
Vitória, 22 de Agosto de 2014.
Dedico a Deus por tudo o que tem me proporcionado. A minha esposa Taty e a meu filho Davi, razões da minha vida.
Aos meus pais João e Nativa, que me deram a vida. Aos meus irmãos, familiares e amigos.
Agradeço a Deus por ter me concedido toda a força e me guiar neste caminho me sustentando e concedendo sabedoria para seguir em frente nesta jornada.
À ArcelorMittal Tubarão por ter concedido a oportunidade de desenvolver este trabalho, me ausentando das atividades de rotina e ter disponibilizado os materiais, estrutura e instalações.
Ao especialista de processo de Altos-fornos da ArcelorMittal Tubarão Sr. Leonardo Perdigão que me orientou e me apoiou no início deste projeto, concedendo-me base teórica e prática, o que foi fundamental para o início deste projeto.
Ao professor Dr. Ramiro Conceição Nascimento, por ter sido meu orientador e conselheiro neste projeto.
Em especial à minha família, minha esposa Tatiana e a meu filho Davi, que por vezes apesar de ter perdido momentos especiais ao lado deles, me deram todo o apoio e suporte para que pudesse prosseguir e conquistar mais essa etapa na minha vida acadêmica. Muito obrigado. Amo vocês de coração.
Enfim, agradeço a todos os meus familiares, amigos, professores, os quais de maneiras distintas contribuíram para o desenvolvimento deste trabalho.
INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA METALÚRGICA E DE MATERIAIS
RESUMO
Através de ensaios de redução de sinter e pelotas de minério de ferro com diferentes redutores carbonáceos sólidos, estudou-se a influência da reatividade destes redutores sólidos no grau de redução da carga ferrífera, bem como o consumo específico de carbono durante o processo de redução. Os ensaios foram realizados no laboratório da sinterização da usina da ArcelorMittal Tubarão, localizada na cidade de Serra – ES. Foi utilizado um reator estático vertical aquecido eletricamente e uma balança analítica. Foram utilizados coques de reatividades variadas, produzidos industrialmente nas Coquerias da ArcelorMittal Tubarão e Suncoke, ambas localizadas no complexo industrial da ArcelorMittal Tubarão, na cidade de Serra – ES. Foram utilizadas pelotas de minério de ferro oriundas da Companhia Vale do Rio Doce - CVRD, produzidas industrialmente nas usinas de pelotização da Vale, localizadas na cidade de Vitória – ES. O sinter utilizado foi produzido industrialmente na Sinterização da ArcelorMittal Tubarão. Foram traçadas curvas de gaseificação dos redutores sólidos, dos graus de redução da pelota e sinter, e do consumo específico de carbono durante o processo de redução para diferentes temperaturas e tipos de redutores sólidos. Constatou-se experimentalmente que a gaseificação do carbono do coque pelo gás CO2 e o grau de redução do sinter e da
pelota é crescente com o aumento da temperatura e com o aumento da reatividade do coque.
INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA METALÚRGICA E DE MATERIAIS
ABSTRACT
Through tests of pellet and sinter reduction with different solid carbonaceous reducers, were studied the influence of the solid reducers reactivity on reduction degree of pellet and sinter as well as the carbon specific consumption during the reduction process. For the tests were used a static vertical reactor heated electrically and an analytical balance. Were used cokes of different reactivities, industrially produced in Coke Plant of ArcelorMittal Tubarão and Suncoke, both located in the industrial complex of the ArcelorMittal Tubarão, in the city of Serra-ES. Were used iron ore pellets originating of Company Vale do Rio Doce - CVRD, produced industrially in the pelletizing plant of CVRD, located in the city of Vitória - ES. The sinter was produced industrially in Sinter Plant of ArcelorMittal Tubarão. Were drawn curves of gasification of solid reducers, degrees of pellet and sinter reduction and carbon specific consumption during the reduction process for different temperatures and reducing solid types. It was noted experimentally that the carbon gasification of Coke by CO2 gas and metallic charge reduction increases with increasing
temperature and increasing the reactivity of Coke.
FIGURA 1- Processo de descida de carga e fusão da carga em contracorrente com
os gases no Alto-forno. ... 16
FIGURA 2 - a) Estrutura e componentes do corpo do Alto-forno; b) Principais equipamentos e indicadores para controle do processo. ... 18
FIGURA 3 - Divisão esquemática do Alto-forno em zonas de reação. ... 19
FIGURA 4 - (a) Detalhe da zona de combustão e (b) vista superior do Dead Man mostrando o "raceway"... 22
FIGURA 5 - Perfil de temperaturas idealizado do Alto-forno e principais reações químicas. ... 25
FIGURA 6 – Zonas de redução do Alto-forno... 26
FIGURA 7 - Principais matérias-primas utilizadas como carga ferrífera para Alto-forno. ... 29
FIGURA 8 - Faixa granulométrica dos principais produtos da mineração. ... 32
FIGURA 9 - Quantidade de oxigênio removido nas diversas etapas de redução do óxido de ferro. ... 35
FIGURA 10 - Perfil da perda de carga no interior do Alto-forno. ... 37
FIGURA 11 - Parâmetros usuais de qualidade química, física e metalúrgica do Coque de Alto-forno. ... 39
FIGURA 12 - Tambor giratório e peneira utilizados para teste de DI do coque... 42
FIGURA 13 - Forno elétrico para determinação do CRI do coque. ... 43
FIGURA 14 - Tambor giratório e peneira utilizados para teste do CRI do coque. ... 44
FIGURA 15 – Correlação entre os índices CRI x CSR do coque. ... 45
FIGURA 16 – Influência da reatividade (CRI) do coque na temperatura inicial de gaseificação do carbono pela reação de Boudouard. ... 47
FIGURA 17 – Diagrama de RIST e Eficiência de Redução. ... 47
FIGURA 18 – Curvas de redução do sinter e do mix de sinter/small coke vs Temperatura. ... 49
FIGURA 19 - Microestrutura do sinter reduzido por 120 minutos na temperatura de 1.523 k (a) sem small coke, (b) com small coke. ... 49
FIGURA 20 - Diagrama esquemático do mecanismo de redução através da (a) difusão no estado sólido, (b) difusão gasosa e reação química. ... 50
FIGURA 21 – Resultado do Modelo Matemático de Simulação utilizando a diagnose de RIST. ... 51
FIGURA 22 - Composição de equilíbrio do gás para redução dos óxidos de ferro. .. 52
FIGURA 23 – Influência da reatividade do coque (CRI) na redução da temperatura de redução da wustita a ferro metálico. ... 53
FIGURA 24 – Efeito da reatividade CRI do coque na utilização do gás e redução da temperatura da zona de reserva térmica do Alto-forno. ... 54
FIGURA 25 – Equilíbrio de Boudouard, segundo Bodsworth [6]. ... 55
FIGURA 26 – Influência da temperatura e do CRI do coque na cinética de gaseificação... 59
FIGURA 27 – Influência da superfície especifica do coque em sua reatividade (a) e em sua taxa de gaseificação (b). ... 61
FIGURA 28 – Porosidade de Redutores Sólidos por MEV. ... 62
FIGURA 29 – Adição de catalisadores (a) pós adição; (b) pré adição. ... 63
FIGURA 34 – Diagrama de Curvas de Equilíbrio dos sistemas (Fe-C-O) e (Fe-C-H) com superposição da curva de Boudouard. ... 66 FIGURA 35 – Etapas do processo global de redução de óxidos de ferro pelo CO. .. 68 FIGURA 36 – Influência do redutor e temperatura no grau de redução da pelota. ... 72 FIGURA 37 – Influência da temperatura na redução de pelota. ... 72 FIGURA 38 – Influência da relação redutor/ minério na fração de reação. ... 73 FIGURA 39 – Cinética de redução de mistura de finos de hematita em função da granulometria do redutor. ... 73 FIGURA 40 – Forno de Redução do Laboratório da Sinterização da ArcelorMittal Tubarão (a) e desenho esquemático dos componentes do forno de redução (b). ... 74 FIGURA 41 – Tela do Controle Automático do Forno Piloto de Redução. ... 75 FIGURA 42 – Esquema do ensaio de gaseificação do coque e redução da pelota. . 78 FIGURA 43 – Esquema de aquecimento do teste. ... 80 FIGURA 44 - Influência da temperatura de reação e da reatividade na gaseificação dos coques. ... 87 FIGURA 45 - Influência da temperatura e da reatividade na gaseificação dos coques, nos testes com pelota (a) e com sinter (b). ... 88 FIGURA 46 – Influência da temperatura e da reatividade (CRI) do coque, no grau de redução da pelota (a) resultados de fração de reação de pelotas magnéticas x tempo (b). ... 89 FIGURA 47 – Diferença entre os graus de gaseificação dos coques A1 e B1 (∆GC1)
X Diferença entre os graus de redução da pelota para os testes com os coques A1 e B1 (∆GR1). ... 90 FIGURA 48 – Influência da temperatura e da reatividade (CRI) do coque, no
consumo de carbono para a redução da pelota. ... 92 FIGURA 49 – Graus de gaseificação e graus de redução da pelota: (a) Coque B1 (b) Coque A1. ... 93 FIGURA 50– %FeO das amostras de sinter após ensaios ... 95 FIGURA 51– Influência da temperatura e da reatividade (CRI) do coque, no grau de
redução do sinter. ... 96 FIGURA 52– Diferença entre os graus de gaseificação dos coques A2 e B2 (∆GC2) X Diferença entre os graus de redução do sinter para os testes com os coques A2 e B2 (∆GR2) ... 97 FIGURA 53– Influência da temperatura e da reatividade (CRI) do coque, no consumo de carbono para a redução do sinter. ... 99 FIGURA 54 – Graus de gaseificação e graus de redução do sinter: (a) Coque B2 (b) Coque A2... 100
TABELA 1 - Requisitos de qualidade da carga ferrífera nas diversas regiões do Alto-
forno. ... 31
TABELA 2 – Porosimetria ao mercúrio. ... 61
TABELA 3 – Caracterização de Carvões por Nomura et al. ... 63
TABELA 4 – Mecanismo controlador do processo de redução. ... 69
TABELA 5 – Análise química e propriedades físicas e metalúrgicas da pelota... 76
TABELA 6 – Análise química e propriedades físicas e metalúrgicas do sinter... 76
TABELA 7 – Propriedades dos Coques AMT e SOL. ... 77
TABELA 8 – Distribuição dos Testes. ... 79
TABELA 9 - Resultado dos testes de gaseificação dos coques. ... 86
TABELA 10 – Resultados do teste de redução da pelota. ... 89
TABELA 11 – Consumo de combustível (gC/g Ext O2) no processo global de redução da pelota. ... 91
TABELA 12 – Resultados dos testes de redução do sinter. ... 94
TABELA 13 – Resultados de análise química da amostra de sinter após ensaio de redução. ... 95
TABELA 14 – Consumo de combustível (gC/g Ext O2) no processo global de redução do sinter. ... 99
2 OBJETIVO ... 15 2.1 OBJETIVO GERAL ... 15 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 15 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 16 3.1 O ALTO-FORNO ... 16 3.2 DIVISÃO DO ALTO-FORNO ... 17
3.2.1 Estrutura física do Alto-forno ... 17
3.2.2 Regiões internas do Alto-forno ... 19
3.2.2.1 Zona granular ... 20
3.2.2.2 Zona coesiva ... 21
3.2.2.3 Zona de gotejamento ... 22
3.2.2.4 Zona de combustão ... 22
3.2.2.5 Cadinho ... 23
3.2.3 Principais reações do processo ... 23
3.2.3.1 Formação dos gases redutores ... 23
3.2.3.2 Reações de redução dos óxidos de ferro ... 24
3.3 MATÉRIA-PRIMA PARA ALTO-FORNO ... 28
3.3.1 Carga ferrífera ... 28
3.3.1.1 Especificação e caracterização do minério de ferro para Alto-forno ... 28
3.3.1.2 Resistência dos minérios ... 31
3.3.1.3 Especificação granulométrica dos minérios... 32
3.3.1.4 Crepitação dos minérios ... 33
3.3.1.5 Suscetibilidade à desintegração (RDI) dos minérios ... 33
3.3.1.6 Redutibilidade dos minérios... 34
3.3.1.6.1 Testes de redutibilidade dos minérios ... 36
3.3.1.7 Inchamento ... 36
3.3.1.8 Amolecimento e fusão dos minérios ... 36
3.3.1.9 Composição química da carga ... 38
3.3.2 O combustível coque ... 39
3.3.2.1 Especificação e caracterização do coque para Alto-forno ... 40
3.3.2.2.3 Teste de resistência do coque após reação - CSR ... 44
3.4 CONTROLE DA TEMPERATURA DA ZONA DE RESERVA TÉRMICA .... 46
3.5 REATIVIDADE DE REDUTORES SÓLIDOS - REAÇÃO DE BOUDOUARD ... 54
3.5.1 Gaseificação do carbono por gás CO2 ... 55
3.6 PROCESSO DE REDUÇÃO ... 65
3.6.1 Etapa controladora do processo de redução do minério ... 69
4 MATERIAIS E MÉTODOS ... 74
4.1 MATERIAIS ... 75
4.1.1 Caracterização das pelotas de minério de ferro ... 76
4.1.2 Caracterização do sinter ... 76
4.1.3 Redutores sólidos ... 77
4.1.4 Gás padrão ... 78
4.2 MÉTODOS ... 78
4.2.1 Preparação das amostras ... 79
4.2.2 Curvas de aquecimento e resfriamento... 80
4.3 CÁLCULOS ... 81
4.3.1 Grau de gaseificação do carbono ... 81
4.3.2 Grau de redução da amostra ferrífera ... 82
4.3.3 Consumo de carbono no processo global de redução ... 84
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 85
5.1 INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA DE REAÇÃO E DA REATIVIDADE DO COQUE NA GASEIFICAÇÃO DO CARBONO DO COQUE. ... 85
5.2 INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA DE REAÇÃO E DA REATIVIDADE DO COQUE NO GRAU DE REDUÇÃO DA PELOTA. ... 88
5.3 INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA DE REAÇÃO E DA REATIVIDADE DO COQUE NO CONSUMO DE CARBONO NO PROCESSO GLOBAL DE REDUÇÃO DA PELOTA. ... 91
5.4 INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA DE REAÇÃO E DA REATIVIDADE DO COQUE NO GRAU DE REDUÇÃO DO SINTER. ... 94
5.5 INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA DE REAÇÃO E DA REATIVIDADE DO COQUE NO CONSUMO DE CARBONO NO PROCESSO GLOBAL DE REDUÇÃO DO SINTER. ... 98
ANEXO A - Metodologia para determinação da Redutibilidade “RI” do
sinter. ... 110
1 INTRODUÇÃO
O carbono é o elemento de maior utilização nos processos de redução de minério de ferro para produção de agregados metálicos e ferro gusa. Este carbono pode estar na forma sólida como o carvão vegetal, coque metalúrgico, antracito, carvão para injeção e outros, e também pode ser utilizado na forma gasosa em gases de elevado poder calorífico.
Durante o processo de redução, o carbono utilizado como combustível e agente redutor da carga ferrífera é transformado em gás CO e CO2 após combustão,
remoção do oxigênio dos minérios e reação de gaseificação do carbono. Estas reações são responsáveis pela produtividade do reator metalúrgico, bem como pelo consumo de combustível no processo de redução da carga ferrífera.
Objetivando conhecer o comportamento da reatividade de redutores sólidos no processo de redução da carga ferrífera (sinter e pelota de minério de ferro), esse estudo pode auxiliar no entendimento das condições operacionais e de processo dos Altos-fornos quando da variação da qualidade metalúrgica dos redutores sólidos, bem como possibilitar a elevação de produtividade de reatores metalúrgicos e a redução de consumo de combustível no processo de redução, com influências positivas na competitividade das empresas e ao meio ambiente pela menor emissão específica de gás CO2.
2 OBJETIVO
2.1 OBJETIVO GERAL
O objetivo geral deste trabalho é avaliar a influência da reatividade de diferentes tipos de coques no grau de redução do sinter e pelota de minério de ferro, e no consumo de combustível durante o processo de redução.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Os objetivos específicos são:
(a) Avaliar a influência da temperatura na reação de Boudouard de gaseificação dos coques;
(b) Avaliar a influência da temperatura no grau de redução do sinter e das pelotas de minério de ferro;
(c) Avaliar a influência da reatividade dos coques na reação de Boudouard de gaseificação dos coques;
(d) Avaliar a influência da reatividade dos coques no processo de redução do sinter e de pelotas de minério de ferro;
(e) Avaliar a influência da reatividade dos coques no consumo especifico de carbono durante o processo de redução.
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 O ALTO-FORNO
O Alto-forno é um reator metalúrgico vertical de contra corrente, onde gases quentes e de elevado potencial redutor ascendem, realizando troca térmica e química com a carga ferrífera que desce, conforme apresentado na figura 1. A função essencial do Alto-forno é a remoção do oxigênio contido nos óxidos de minério de ferro através de reações químicas entre os óxidos de minério de ferro e carbono em forma de gás e coque/carvão vegetal, resultando em gases CO, CO2, ferro metálico e escória.
FIGURA 1- Processo de descida de carga e fusão da carga em contracorrente com os gases no Alto-forno.
Fonte: Geerdes et al., 2009.
O ferro primário, isto é, o ferro gusa produzido é separado da escória ou ganga contida nos minério de ferro e cinzas do coque e/ou carvão vegetal. Esta separação é realizada após a fusão da carga ferrífera, através da diferença de densidade,
causando a separação em camadas onde a escória composta de elementos não metálicos indesejáveis sobrenada na superfície do metal líquido (ARAÚJO, 1997).
A redução dos óxidos de minério de ferro é praticamente completada antes da fusão da carga, então a mínima temperatura de operação do Alto-forno é determinada pela temperatura de fusão da escória e do ferro gusa. O ferro puro possui temperatura de fusão de 1.537°C, já o ferro gusa produzido em processo de Alto-forno possui elevado teor de carbono e outros elementos tais como manganês, silício, fósforo e enxofre, e a presença destes elementos em solução reduz a temperatura de fusão do ferro para próximo de 1.200°C.
A escória final composta basicamente de SiO2, CaO, Al2O3 e MgO, tem sua
temperatura de final de fusão próxima de 1.400°C. Portanto, a temperatura de fusão da escória é a mínima temperatura possível de trabalho para o processo em questão. Em geral a temperatura de trabalho é superior a mínima temperatura possível, devido a necessidade de segurança operacional para que metal e escória alcancem seus respectivos pontos de fusão e que estes estejam fluidas para serem escoadas de dentro do Alto-forno a uma temperatura aproximada de 1.500 °C.
3.2 DIVISÃO DO ALTO-FORNO
3.2.1 Estrutura física do Alto-forno
As principais regiões que formam a estrutura física deste reator são as seguintes: cadinho, rampa, ventre, cuba, goela e topo. A figura 2 apresenta as principais componentes estruturais do corpo do Alto-forno, bem como alguns equipamentos e indicadores essenciais ao controle do processo e funcionamento do reator.
FIGURA 2 - a) Estrutura e componentes do corpo do Alto-forno; b) Principais equipamentos e indicadores para controle do processo.
a) b)
A
Fonte: Wallace et al, 1999a.
Fonte: Lu, 1990; Nogueira, 2003.
O Cadinho é a parte inferior de um Alto-forno, que possui formato cilíndrico e tem em sua parte superior as ventaneiras e no fundo, acumula metal e escória líquidos e dispostos os furos de gusa e escória. A Rampa é a região de gaseificação do carbono, para gerar o gás redutor, onde há elevadas temperaturas em razão da zona de combustão. Possui formato tronco-cônica invertido.
O Ventre tem formato cilíndrico e consiste na região de expansão e distribuição do gás, que compreende a região que conecta a Rampa à Cuba Inferior. A Cuba tem formato tronco-cônica e compreende a maior porção do Alto-forno, onde ocorrem as principais reações de redução. A Goela ou garganta é a região com formato cilíndrico acima da cuba, onde a carga é carregada. O Topo é a parte superior do Alto-forno onde se localizam os equipamentos de carregamento (tremonhas, cones ou calha rotativa) e por onde ocorre a saída dos gases de topo (up-takes).
3.2.2 Regiões internas do Alto-forno
O Alto-forno ainda pode ser dividido em regiões como mostra a figura 3, segundo LU (1190) e POVEROMO (1995). Em cada uma destas regiões ocorrem reações físico químicas e condições termoredutoras distintas que agem de maneira diferenciada sobre os materiais carregados. Para o bom desempenho do reator, são exigidas dos constituintes da carga ferrífera e do coque propriedades específicas e adequadas às solicitações impostas, o que será mostrado mais especificamente nas seções 3.3.1 e 3.3.2.
FIGURA 3 - Divisão esquemática do Alto-forno em zonas de reação.
Fonte: Lu, 1990; Nogueira, 2003.
Durante o tempo em que permanecem dentro do Alto-forno, os componentes da carga ferrífera passam através dessas regiões cada qual com uma temperatura específica variando desde a temperatura no topo do Alto-forno (zona granular), em torno de 140ºC até altas temperaturas na zona de combustão da ordem de 1.900 a 2.200°C. Um perfil típico de temperatura do Alto-forno também apresenta uma região intermediária na qual a temperatura é praticamente constante. Esta região
situa-se entre as duas mencionadas anteriormente e apresenta temperatura em torno de 1.000°C para o caso de coque utilizado como redutor. A seguir, discute-se brevemente sobre os principais fenômenos físico químicos envolvendo a carga ferrífera nas diferentes regiões do Alto-forno.
3.2.2.1 Zona granular
A zona granular é a região superior do forno na qual a carga ferrífera encontra-se sólida, ou seja, livre de escória ou metal líquido. É constituída por camadas alternadas de carga ferrífera e coque, que constituem o leito sólido do reator. O contato do gás redutor, produzido nas regiões inferiores, com os óxidos de ferro promove a sua redução, indireta ou diretamente. Por se tratar de um reator que trabalha com fluxos de carga ferrífera e gases em contra corrente, o fator permeabilidade é bastante importante para a melhor eficiência do processo e todas as ações que levem a geração de finos no interior do reator devem ser minimizadas. Além da degradação mecânica a que a carga ferrífera é submetida, alguns fenômenos físico químicos também ocorrem nesta região do Alto-forno promovendo a degradação granulométrica deste material.
O comportamento da carga ferrífera na zona granular foi objetivo de numerosos estudos ao longo dos últimos anos dentre eles o estudo de CARDOSO, M.B. (1981) na área de crepitação de minério de ferro e o trabalho de PIMENTA, H.P. (1992) na linha de investigação da degradação sob redução do minério de ferro no Alto-forno. Outros aspectos importantes em relação a qualidade da carga ferrífera nesta região são a ocorrência colagem e inchamento especialmente quando se trata de pelotas. Em resumo, na zona granular a carga ferrífera é submetida a esforços mecânicos (abrasão e impacto), crepitação e degradação durante a etapa de redução hematita/magnetita provocando a geração de finos trazendo como conseqüência a diminuição da permeabilidade no Alto-forno.
A eficiência de redução da carga ferrífera pelos gases ascendentes é outro fator de extrema importância para o bom desempenho do reator, uma vez que está
diretamente relacionada ao consumo de combustível e a produtividade. Neste contexto, a redutibilidade, que é a capacidade da carga ferrífera em ceder oxigênio ao gás redutor, é a propriedade de maior interesse. Por representar a superfície disponível de contato entre a partícula e o gás, a porosidade intrínseca da carga ferrífera torna-se um aspecto importante neste caso. Materiais com maiores porosidades apresentam, de maneira geral, maior nível de redutibilidade. Todos estes fenômenos são hoje bastante conhecidos sendo continuamente monitorados a partir de ensaios padronizados. No entanto, estes ensaios possuem limitação quanto à simulação das reais condições a que a carga ferrífera é submetida durante sua permanência completa no interior do Alto-forno.
3.2.2.2 Zona coesiva
Segundo HIGUCHI, M. (1975), a zona coesiva é responsável por grande parte da perda de carga no interior do Alto-forno, ou seja, é a região de menor permeabilidade, como será apresentado na seção 3.3.1.8 figura 10, que representa esquematicamente a perda de carga nas principais regiões do Alto-forno.
Delimitada no topo pelo início de amolecimento dos constituintes da carga ferrífera e na base pela fusão de ferro e escória, a zona coesiva é constituída por camadas alternadas de carga ferrífera impermeável, por estar no estado de amolecimento e fusão, e camadas permeáveis de coque, que funcionam como janelas, permitindo que o gás ascendente atravesse esta região. A maior parte do oxigênio remanescente, combinado com o ferro da carga ferrífera, é removida pelo carbono do coque/carvão nesta região por reação de redução direta. Os fenômenos envolvidos nesta etapa do processo vêm sendo estudados a mais de três décadas e, apesar de todos os avanços conseguidos, ainda está longe o domínio do conhecimento sobre o tema, principalmente em função da dificuldade de simulação das condições internas do Alto-forno.
3.2.2.3 Zona de gotejamento
Situada imediatamente abaixo da zona coesiva, a zona de gotejamento é constituída por um empilhamento de coque parcialmente reagido através do qual percolam o metal e a escória líquidos, em contracorrente com os gases ascendentes. Pode ser dividida em duas sub-regiões: a zona de coque ativo, que alimenta a zona de combustão, e a zona de coque inativo ou estagnante (homem morto). Nesta etapa, o metal líquido absorve enxofre, silício e outras impurezas do coque, e completa-se a redução dos óxidos de ferro.
3.2.2.4 Zona de combustão
As temperaturas mais elevadas se encontram imediatamente em frente as ventaneiras, região esta chamada de “zona de combustão” ou “raceway” mostrada com destaque para os tipos de partículas de coque presentes na figura 4, assim como pode ser observado na foto do topo do Alto-forno 3 da ArcelorMittal Tubarão que apresenta o Dead Man e o aspecto do raceway após término do Blowdown ocorrido em Dez/2011.
.
FIGURA 4 - (a) Detalhe da zona de combustão e (b) vista superior do Dead Man mostrando o "raceway".
Fonte: Hur, 1994; Autor, 2011.
A zona de combustão contém profundidade entre 1,5 a 2,5 m e consiste em uma região parcialmente vazia devido à elevada energia cinética exercida pelo sopro de ar quente das ventaneiras.
3.2.2.5 Cadinho
Esta região localiza-se na base do reator onde ficam armazenados a escória e o ferro gusa produzidos na forma líquida, até que sejam removidos através dos furos de gusa. A coluna de coque inativa, também chamada de homem morto, fica suspensa no metal líquido, em função da diferença de densidades entre o coque e o metal. A figura 4.b mostra em detalhe a visão superior do homem morto no cadinho do Alto-forno 3 da ArcelorMittal Tubarão, em foto retirada pelo topo deste Alto-forno após o processo de Blowdown1.
3.2.3 Principais reações do processo
No processo de Alto-forno para obtenção de ferro primário, onde o gás redutor é formado para se reduzir a carga ferrífera, diversas transformações e reações ocorrem no interior do reator, dentre as quais se destacam as reações de formação dos gases redutores e as reações de redução dos óxidos de ferro da carga ferrífera.
3.2.3.1 Formação dos gases redutores
As primeiras reações se processam no momento em que o ar pré-aquecido é soprado pelas ventaneiras e entra em contato reagindo com o coque na Zona de Combustão, o "Raceway".
_____________________ 1
Blowdown - O Blowdown consiste no principal processo de desligamento do Alto-forno por meio do abaixamento de carga e redução do Volume de Sopro até que o nível de carga alcance a altura das Ventaneiras, propiciando um forno livre de cascão e o mais vazio possível (apenas coque do Homem Morto e material líquido remanescente no cadinho), para ser, posteriormente, submetidos às atividades de inspeção, reparos ou reformas (BURGO, 1999).
Este processo gera calor, gás e eleva a temperatura da zona de combustão a aproximadamente 2.200 ºC. C(s) + O2(g) → CO2(g) ∆ o H= -394,00 kJ/kmol (3.1) 2C(s) + O2(g) → 2CO(g) ∆ o H= -221,11 kJ/kmol (3.2)
Percebe-se que a reação 3.1 é mais exotérmica, portanto, desfavorecida pelo aumento da temperatura. Sendo assim, o CO2 é mais instável sob elevadas
temperaturas na região (em torno de 1.400 a 1.600ºC) e, por estar em constante contato com o coque em excesso, tende a reagir com o carbono do coque, gerando mais gás redutor (CO). Deste modo, após a combustão temos excesso de carbono e elevadas temperaturas, ocorrendo condições termodinâmicas para a regeneração do CO2 em CO, através da reação de Boudouard, reação esta altamente endotérmica.
CO2(g) + C(s)→ 2CO(g) ∆
o
H = +172,00 kJ/kmol (3.3)
A umidade do ar soprado contribui para a geração de gases redutores (CO e H2)
através da reação com o carbono do coque.
C(s) + H2O(v)→ CO(g) + H2(g) ∆
o
H= +126,23 kJ/kmol (3.4)
Esta reação por ser endotérmica consome energia do processo, porém aumenta o poder de redução da carga ferrífera ao disponibilizar o gás redutor H2 (reduz a
densidade do gás contribuindo para o aumento da permeabilidade) (RIZZO, 2009).
3.2.3.2 Reações de redução dos óxidos de ferro
BIWAS (1981) e LU, W.K (1990) descrevem as principais reações de redução dos óxidos de ferro que acontecem nas regiões do Alto-forno conforme figura 5.
FIGURA 5 - Perfil de temperaturas idealizado do Alto-forno e principais reações químicas.
Fonte: Biswas, 1981.
A redução da carga ferrífera no Alto-forno ocorre por meio de dois mecanismos, a redução direta e a indireta. A figura 6 mostra esquematicamente as regiões onde ocorrem estas zonas de redução, assim como o perfil térmico e o grau de oxidação dos minérios à medida que a carga ferrífera desce no interior do reator. Os gases redutores formados na zona de combustão CO e H2, além do N2 do sopro ascendem
através do reator em contra corrente com a carga que desce, e grande parte do calor sensível destes gases é transferido para a carga ocorrendo a secagem, redução, amolecimento e fusão da carga, como mostrado no perfil térmico apresentado na figura 6 que cai à medida que caminhamos da base ao topo do reator evidenciando a troca térmica entre o gás e a carga, assim como o nível de oxidação dos minérios que reduz a medida que a carga desce pelo reator, evidenciando as reações de redução com o aproveitamento dos gases redutores CO e H2.
FIGURA 6 – Zonas de redução do Alto-forno.
Fonte: ArcelorMittal University, 2010.
A zona de redução indireta é constituída da parte superior da zona granular, onde a carga é aquecida de 200ºC até aproximadamente 950 ºC, e aquela outra denominada de zona de reserva térmica (ZRT) na qual os gases e a carga alcançam o equilíbrio térmico. A temperatura da ZRT depende da reatividade do combustível: no caso de um Alto-forno a coque, a ZRT se situa entre 900 a 1.000ºC, por outro lado, no caso de um Alto-forno a carvão vegetal, a ZRT se situa por volta de 800ºC. Qualquer aumento de temperatura que ocorra nesta região, devido à reação de redução dos minérios, consome-se calor através da reação de dissolução de carbono, de modo que nesta região a temperatura se mantém constante.
As etapas de redução dos óxidos de ferro, de Fe2O3 até o início da formação de FeO,
ocorrem nessa região via principalmente pelo CO e, em menor parte, via o H2, que
foram gerados nas regiões inferiores do reator.
Para que ocorra a reação de redução do óxido de ferro é necessário que os agentes redutores CO e H2 tenham mais afinidade com o oxigênio que o óxido a ser reduzido.
A redução pelos gases redutores pode ser expressa pelas seguintes reações: (a) Redução pelo gás CO:
3Fe2O3(S) + CO(g) → 2Fe3O4(S) + CO2(g) (3.5)
Fe3O4(S) + CO(g) → 3FeO(S) + CO2(g) (3.6)
2FeO(S) + 2CO(g) → 2 Fe(S) + 2CO2(g) (3.7)
Reação Global (via CO): Fe2O3(S) + 3CO(g)→ 2 Fe(S) + 3CO2(g) (3.8)
(b) Redução pelo gás H2:
3Fe2O3(S) + H2(g) → 2Fe3O4(S) + H2O(v) (3.9)
Fe3O4(S) + H2(g) → 3FeO(S) + H2O(v) (3.10)
Fe2O3(S) + 3H2(g)→ 2Fe(S) + 3H2O(v) (3.11)
Reação Global (via H2): Fe2O3(S) + 3H2(g) → 2Fe(S) + 3H2O(v) (3.12)
Na zona de redução direta, ocorre praticamente a redução do FeO, via CO, mas concomitantemente com a reação de Boudouard, ou seja, via duas reações gás-sólido paralelas e acopladas, quer dizer, o produto de uma e o reagente da outra. Deve ser mencionado que embora ocorra a redução sólido-sólido, isto é, entre o FeO e carbono (do coque), todavia, tal reação possui uma velocidade muito menor do que aquelas, gás-sólido, mencionadas anteriormente, ou seja, praticamente, a terceira etapa de redução, FeO-Fe, ocorre via reações gás-sólido. Tal complexo processo pode ser descrito da seguinte forma:
FeO(S) + CO(g)→ Fe(S) + CO2(g) (3.13)
CO2(g) + C(s)→ 2CO(g) (3.14)
Reação Global: FeO(S) + C(s)→ Fe(S) + CO(g) (3.15)
C(s) + H2O(v)→ CO(g) + H2(g) (3.17)
Reação Global: FeO(S) + C(s)→ Fe(S) + CO(g) (3.18)
As reações globais (3.15) e (3.18) mostram que há um consumo do redutor sólido, mas, na realidade, o coque está sendo consumido via as reações (3.14) e (3.17), que são extremamente endotérmicas. Conseqüentemente o processo global de redução direta é também endotérmico. Operacionalmente, deseja-se que todo óxido de ferro seja reduzido a Fe metálico antes de entrar nas regiões 4 e 5 mostrado na figura 3 na seção 3.2.2
3.3 MATÉRIA-PRIMA PARA ALTO-FORNO
As matérias-primas usuais para Altos-fornos são: minério de ferro, combustível, coque, carvão vegetal e injeções de gás natural e carvão mineral, fundentes e adições. Neste trabalho iremos tratar apenas da caracterização da carga ferrífera e do combustível sólido coque para Altos-fornos.
3.3.1 Carga ferrífera
3.3.1.1 Especificação e caracterização do minério de ferro para Alto-forno
A redução dos óxidos de ferro contidos nos minérios pode ser efetuada, basicamente, através de três processos: Alto-forno, forno elétrico de redução e redução direta. O produto metálico dos dois primeiros processos é o gusa líquido que é constituído de ferro (~ 94%), carbono (~ 5%) e o restante são os elementos silício, manganês, fósforo e enxofre, cujas porcentagens dependem das matérias-primas utilizadas. A ganga do minério (SiO2, Al2O3), fundentes (CaO, MgO) e as
cinzas do carvão ou coque formam outro produto obtido nestes processos, a escória. Já no processo de redução direta o produto metálico obtido é sólido (ferro esponja) e
ainda contêm compostos que formam a ganga do minério. Este produto constitui o gusa sólido ou a sucata na produção do aço.
No fornecimento de minério de ferro para a indústria siderúrgica, os mineradores têm que atender a uma série de especificações referentes à qualidade química, granulométrica e, em alguns casos, também metalúrgica das matérias-primas. O comportamento de um Alto-forno, ou seja, a maneira como ele realiza a sua função, é determinado por muitos fatores os quais incluem as propriedades da carga ferrífera e do coque utilizados, as características de sopro e de injeção de combustíveis entre outros.
Observa-se que um Alto-forno pode ser alimentado com três tipos de minérios de ferro (ver figura 7): um natural - o minério granulado, e dois obtidos em processos de aglomeração de minérios finos: o sinter e a pelota.
FIGURA 7 - Principais matérias-primas utilizadas como carga ferrífera para Alto-forno.
Fonte: Autor, 2014.
O sinter é o mais consumido nos Altos-fornos e é produzido nas usinas de sinterização das próprias siderúrgicas, a partir da queima da mistura de vários finos de minérios (sinter-feed), aditivos e finos de combustível (carvão ou coque) objetivando a aglomeração das partículas e a formação de um bolo de sinter na Máquina de Sinter, que após a secagem, britagem e peneiramento, proporcionam um material maior (15 a 25 mm), poroso, com alta redutibilidade, boa resistência e baixa umidade. No Alto-forno, permite maior permeabilidade da carga e formação de escória (ajuda na redução do teor de enxofre do gusa). Suas propriedades podem
Sinter
variar de acordo com a mistura e aditivos, dentre eles, carepa, pó de Alto-forno, Lama de Aciaria, finos de coque, dolomita, calcário, etc. (BISWAS, 1981; POVEROMO, 1999).
O minério granulado é uma fonte natural (rica em ferro), sendo extraído diretamente das diversas minas. Como se apresenta com vários tamanhos diferentes, após o peneiramento (classificação) do minério na mina, o granulado obtido acima de 6 mm pode ser diretamente consumido no Alto-forno enquanto a fração fina (menor que 6 mm) segue para aglomeração (produção de Sinter ou Pelota). Por ser de ocorrência natural, o Granulado, normalmente, apresenta maior umidade, maior degradação (facilidade de fragmentação), menor redutibilidade (dificuldade de remoção do oxigênio via redução), sendo geralmente menos oneroso que outras cargas (BISWAS, 1981; GEERDES et al, 2009).
A pelota é formada pela aglomeração de minério de ferro ultrafino (pellet feed – menor que 0,15mm) que não pôde ser destinada para a sinterização. A Pelotização ocorre de forma similar à Sinterização, porém, equipamentos e processos específicos (como o Disco de Pelotamento) permitem a obtenção do minério aglomerado com uma forma esférica de menor granulometria (pelota). As pelotas, obtidas pelo rolamento e crescimento dos grãos, são endurecidas pela queima em um forno de aquecimento específico, o que permite a formação de um minério muito resistente, com baixo teor de impurezas, baixa umidade e baixo coeficiente de atrito (rola mais na correia e no Alto-forno), porém, normalmente mais caro que os outros componentes (BISWAS, 1981; POVEROMO, 1999). Neste trabalho foram utilizadas pelotas produzidas industrialmente nas usinas de pelotização da CVRD, localizadas na cidade de Vitória – ES. O Sinter utilizado foi produzido industrialmente na Sinterização da ArcelorMittal Tubarão.
Para serem alimentados no Alto-forno, os minérios ou carga ferrífera (sinter, pelota e granulado) devem possuir uma série de qualidades: químicas, granulométricas e metalúrgicas que são ditadas pelas metas operacionais (produtividade e consumo de combustível) e de qualidade do ferro-gusa e escória a serem produzidos. As
especificações de qualidade do gusa, por sua vez, são ditadas pela Aciaria. A Tabela 1 apresenta a qualidade exigida para os minérios em determinadas regiões de um Alto-forno.
TABELA 1 - Requisitos de qualidade da carga ferrífera nas diversas regiões do Alto-forno.
Fonte: Castro, 2006.
3.3.1.2 Resistência dos minérios
A avaliação de resistência dos minérios antecede a entrada do minério no Alto-forno, pois o granulado, pelota e sinter têm que possuir resistência suficiente para resistir aos esforços de transporte e manuseio até o Alto-forno, bem como dentro do mesmo. A resistência de pelotas é avaliada pelos ensaios de compressão ISO 4700 e tamboramento ISO 3271, e este último gera dois índices, sendo um de
tamboramento (%>6,30mm) e outro de abrasão (%<0,50mm). A pelota para exportação apresenta compressão maior que 280 daN e índice de abrasão menor que 5%. A resistência de granulado é avaliada apenas por tamboramento, sendo que o de exportação apresenta índice de tamboramento maior que 80%. No caso do sinter, parte das usinas avalia por tamboramento e parte pelo ensaio de queda (shatter) JIS M8711. As demais especificações de qualidade dizem respeito ao desempenho do minério dentro do Alto-forno. Conforme citado nas seções anteriores, uma das exigências para a carga de um Alto-forno é que ela forme um leito permeável a passagem dos gases, e daí surge a exigência para a distribuição granulométrica do minério e coque.
3.3.1.3 Especificação granulométrica dos minérios
O Alto-forno tem que ser alimentado com minério preponderantemente na faixa de 5 a 50 mm para que os gases possam fluir pelo leito formado. Abaixo de 5 mm, o material fino bloquearia ou dificultaria a passagem dos gases através da carga. Acima de 50 mm, as reações com os gases seriam prejudicadas. A figura 8 mostra a faixa granulométrica dos principais produtos da mineração utilizados nos reatores de redução.
FIGURA 8 - Faixa granulométrica dos principais produtos da mineração.
3.3.1.4 Crepitação dos minérios
Ao ser carregado no Alto-forno, o minério sofre choque térmico ao primeiro contato com os gases quentes. Esse choque pode levar ao estilhaçamento do minério, no fenômeno conhecido como crepitação. Sinter e pelotas não crepitam. Porém alguns tipos de minérios granulados resistem menos e crepitam acentuadamente. Como há geração de finos nesse fenômeno, que podem prejudicar o escoamento dos gases, não se pode alimentar o Alto-forno com altas percentagens de granulados de elevada crepitação.
A avaliação da crepitação dos minérios granulados tem sido feita principalmente utilizando-se os ensaios COISRMJ (Committee for Overseas Iron & Steelmaking Raw Materials of Japan) e ISO 8371. Em ambos a amostra é submetida a choque térmico introduzindo-a no forno pré-aquecido a 700ºC. Após 30 min a amostra é removida para resfriamento brusco ao ar ambiente e peneirada para verificar percentagem de finos gerada abaixo de 5 mm (COISRMJ) ou 6,3 mm (ISO 8371). São considerados de boa resistência ao choque térmico os granulados cujo índice de crepitação não ultrapassa 5% quando medido pelo ensaio COISRMJ, ou não ultrapassa 3% no ensaio ISO 8371. Todavia, devido a crescente escassez de granulados, há um esforço generalizado na indústria siderúrgica para viabilizar uso de granulados com índices de crepitação maiores (MACHADO, 2013).
3.3.1.5 Suscetibilidade à desintegração (RDI) dos minérios
Continuando a descida no Alto-forno, a carga vai elevando sua temperatura até que começam as reações de redução do minério (Fe2O3 -> Fe3O4 ->FeO -> Fe). A
primeira reação de redução começa por volta de 400ºC, quando a hematita (Fe2O3)
inicia sua transformação em magnetita (Fe3O4). Como a hematita e magnetita
possuem estruturas cristalinas diferentes, nessa transformação há aumento de volume do minério e enfraquecimento de sua estrutura que pode se desintegrar em maior ou menor grau, gerando uma quantidade de finos maior que a produzida
devido à crepitação. Esse fenômeno é conhecido como desintegração sob (ou devido à) redução.
Na fabricação do sinter e da pelota há necessidade de se atuar na matéria-prima e nos parâmetros do processo de forma a atenuar sua suscetibilidade a essa desintegração. Já no caso do granulado, o que pode ser feito é alimentar o Alto-forno com granulados de menor suscetibilidade a desintegração. Daí surge a exigência de mais uma especificação de qualidade a que os minérios devem atender, usualmente conhecida como especificação de RDI (Reduction Disintegration Index) ou LTD (Low-temperature disintegration) do minério.
A avaliação do RDI tem sido feita principalmente utilizando-se dois tipos de ensaios, ambos estáticos, o ISO 4696-1 e ISO 4696-2. O ensaio ISO 4696-2 é o mais utilizado pelas usinas siderúrgicas do Brasil e Ásia; seu índice RDI é expresso pela quantidade de material fino (%<3,15 mm) gerado no tamboramento da amostra reduzida a 550ºC. Os granulados são considerados de desintegração satisfatória quando apresentam RDI inferiores a 20% e pelotas RDI menor que 14%. Todavia, tem sido muito pouco freqüente especificação de RDI para granulados. No caso do sinter, o valor máximo aceito para o RDI tem variado muito em função da prática operacional da usina. Na ArcelorMittal Tubarão o limite máximo controlado de RDI do sinter é 32%.
No ensaio LTD a redução é feita a 500ºC simultaneamente com o tamboramento da amostra. Após peneiramento, determina-se a percentagem de material retido em 6,30 mm, bem como a passante em 3,15 mm e 0,50 mm. As pelotas de LTD satisfatório apresentam %>6,3 mm superior a 80% (MACHADO, 2013).
3.3.1.6 Redutibilidade dos minérios
Focando novamente a carga ferrífera, as reações de redução vão se acelerando a medida que o minério desce no Alto-forno e aumenta sua temperatura. Idealmente o
minério deve atingir a chamada "zona de reserva térmica (ZRT) já todo reduzido a FeO (wustita), que é o limite termodinâmico nas condições reinantes na região, e isto depende da redutibilidade do minério.
As reações de redução que ocorrem até o minério chegar a ZRT são ditas indiretas, pois se processam sem consumo de coque ("de graça"), à custa do CO oriundo das reações que ocorrem em temperaturas mais elevadas na parte mais baixa do Alto-forno. Por outro lado, as reações de redução de Fe2O3 -> Fe3O4 -> FeO são
termodinamicamente bem mais favoráveis do que a redução final FeO -> Fe. Conforme ilustrado na figura 9, a quantidade de oxigênio por átomo de ferro a ser removida na reação FeO -> Fe é bem maior que nas anteriores, e as ligações Fe-O a serem quebradas mais fortes.
FIGURA 9 - Quantidade de oxigênio removido nas diversas etapas de redução do óxido de ferro.
Fonte: Machado, 2013.
Ocorre, no entanto, que o tempo disponível para essa reação FeO -> Fe, antes de começar o amolecimento do minério, é relativamente curto. De tudo isto, surge à necessidade de controlar mais uma importante qualidade do minério, que é sua redutibilidade. Assim, minério de alta redutibilidade pode ser reduzido a ferro mais rapidamente que o de baixa redutibilidade. Em outras palavras, quanto mais redutível o minério maior será a probabilidade deste, uma vez alcançado a ZRT, apresentar um maior %FeO no início da zona de amolecimento do Alto-forno (MACHADO, 2013).
3.3.1.6.1 Testes de redutibilidade dos minérios
A avaliação da redutibilidade dos minérios tem sido feita utilizando-se principalmente dois tipos de ensaios: o ISO 7215, mais utilizado pela siderurgia brasileira e asiática, e o ISO 4695, mais empregado na Europa. O ensaio ISO 7215 é similar aos procedimentos da norma JIS M 8713. Neste ensaio a redução da amostra do minério é feita a 900ºC, durante 3 horas. O grau de redução final obtido expressa o índice de redutibilidade do minério (ensaio similar à norma JIS M 8713 - ver Anexo A). No ensaio ISO 4695 a redução é feita a 950ºC e determina-se a velocidade de redução no instante em que se atinge 40% da redução do minério (redução total da magnetita a wustita).
3.3.1.7 Inchamento
No caso de pelotas há mais um aspecto que deve ser avaliado durante sua redução, que é sua suscetibilidade ao inchamento. As pelotas incham ao serem reduzidas, mas há certos tipos que incham catastroficamente. São utilizados dois tipos de ensaios para avaliar a suscetibilidade da pelota ao inchamento: um reduzindo a amostra sem colocação de carga sobre ela; e outro submetendo a amostra à pressão mecânica enquanto é reduzida (MACHADO, 2013). Os ensaios de inchamento livre são mais usados na siderurgia asiática, podendo ser realizados segundo as normas ISO 4698 ou JIS M8715. Mede-se o volume das pelotas antes e depois da redução e calcula-se sua variação percentual. Pelotas devem apresentar inchamento menor que 16%. O ensaio de inchamento sob carga mecânica é mais usado na Europa, mas particularmente na Alemanha, segundo a norma ISO 7992. Determina-se a perda de carga máxima ocorrida no ensaio (ou seja, inchamento medido por meio de seu efeito na permeabilidade do leito).
3.3.1.8 Amolecimento e fusão dos minérios
Voltando a descida da carga no Alto-forno, depois de passar pela ZRT o minério reduzido vai elevando sua temperatura a medida que desce até atingir sua
temperatura de amolecimento e, mais tarde, a de fusão. Uma distribuição de carga comum utilizada em Altos-fornos é a do tipo "V invertido", onde o fluxo de gás é mais intenso no centro em relação a periferia em função do carregamento de coque concentrado no centro do Alto-forno, visando garantir a renovação do coque do cadinho "homem morto" e uma boa permeabilidade do gusa e escória nesta região. Este perfil de zona coesiva faz com que a temperatura da região central fique maior em relação à periférica e o amolecimento do minério ocorra nas regiões próximas ao centro e depois (mais abaixo) nas paredes. Uma vez amolecido, o minério se torna mais“plástico”e assim dificulta a passagem dos gases. Essa é a região do
Alto-forno em que há maior dificuldade para escoamento dos gases ou de maior perda de carga, conforme mostrado na figura 10.
FIGURA 10 - Perfil da perda de carga no interior do Alto-forno.
Fonte: Higuchi, 1975.
Em função da perda de carga, o ideal é que o diferencial entre a temperatura de início de amolecimento e a de início de fusão seja o menor possível. Isto é prejudicado quando o minério apresenta baixa redutibilidade, pois teor significativo de FeO (por redução incompleta do minério) aumenta a espessura da zona de amolecimento. Por outro lado, no caso de sinter e pelota há possibilidade de se
interferir seu comportamento, em especial produzindo-os com basicidade e teor de MgO específicos, seja para favorecer o retardamento do início do amolecimento (e aumentar o tempo para redução completa do minério), seja para diminuir a espessura da zona de amolecimento.
Não há ensaio normatizado pela ISO ou por outro organismo de normalização para avaliar comportamento de minérios quanto ao amolecimento. Os ensaios existentes são particulares de cada usina (usados para estudos) e os resultados variam conforme o procedimento utilizado (MACHADO, 2013).
3.3.1.9 Composição química da carga
O volume e composição química da escória e gusa dependem diretamente da composição química da carga (sinter, pelota, granulado, adições e cinzas do coque). Assim, a carga deve apresentar composição tal que propicie a produção de escória com as seguintes características:
• fluidez adequada para gotejar sem problemas através do leito de coque, para favorecer as reações gusa/escória que ocorrem no cadinho e para ser escoada para fora do cadinho;
• composição química (CaO/SiO2, %Al2O3 e %MgO) e volume adequados para
remover os elementos deletérios do ferro-gusa, especialmente enxofre (dessulfuração) e álcalis;
• volume mais baixo para reduzir o consumo de combustível, o custo de descarte (em especial quando não comercializada como subproduto para a indústria cimenteira) e para favorecer a operação dos Altos-fornos que injetam alto volume de carvão pelas ventaneiras; e a produção de ferro-gusa com teores de Si, Mn, Ti e elementos deletérios dentro das especificações acordadas com a Aciaria.
Desta forma, tendo a siderúrgica adquirido pelota e granulado da indústria mineradora e estabelecido sua percentagem na carga do Alto-forno, cabe a sua usina de Sinterização produzir o sinter com a composição química, volume e comportamento metalúrgico compatíveis com as necessidades do Alto-forno.
3.3.2 O combustível coque
O processo do Alto-forno requer utilização de combustível de duas fontes:
• Coque ou carvão vegetal alimentados na carga sólida;
• Injeções como gás natural, carvão mineral ou vegetal e outros.
O coque metalúrgico é o principal combustível para operação dos Altos-fornos, sendo produzido por meio do aquecimento de uma mistura de carvões minerais sob ausência de ar (destilação), ocorrendo a liberação da matéria volátil dos carvões e a formação de um resíduo sólido, carbonoso, infusível, poroso, conhecido como coque (GEERDES et al, 2009). Dentre as várias propriedades do coque, para exemplificar, algumas estão citadas na figura 11.
FIGURA 11 - Parâmetros usuais de qualidade química, física e metalúrgica do Coque de Alto-forno.
Neste trabalho iremos focar no combustível coque, utilizado para os testes propostos na Tabela 8 da seção 4.2, e a seguir iremos abordar a especificação e caracterização do coque para um Alto-forno.
3.3.2.1 Especificação e caracterização do coque para Alto-forno
As características e propriedades do coque afetam diretamente o comportamento do coque no Alto-forno, e conseqüentemente, a permeabilidade e estabilidade deste reator, vinculados à amplitude de entrada/geração de finos de coque. Por isso, faz-se necessário um bom controle da qualidade do coque (principalmente Resistência a Frio e após a Reação) de modo, que este exerça adequadamente as suas funções essenciais à operação do Alto-forno, sendo elas:
a) Combustível: fornecendo calor pela queima do O2 do sopro quente;
b) Redutor: o carbono do coque pode reagir diretamente com a carga ferrífera, reduzindo-a a ferro metálico. A combustão do coque, aliada a outras reações, gera o gás redutor CO também promovendo a redução dos óxidos da carga; c) Permeabilizador: por ter tamanho médio maior e ocupar o maior espaço no
interior do Alto-forno, gera maiores espaços vazios e propicia um meio permeável para a ascensão dos gases a serem distribuídos pela carga e o gotejamento da carga fundida por entre os interstícios do coque (janelas de coque);
d) Agente estrutural da carga: por manter-se sólido e resistente sob altas temperaturas, onde sofre ação da fase líquida, devendo ter resistência suficiente para suportar as ações químicas e térmicas. Permite a sustentação da carga sólida pelas camadas de coque e o Homem Morto;
e) Carburante: permite a incorporação de carbono do coque ao metal líquido, formando o ferro-gusa (3,5 a 5% carbono dissolvido no gusa) (ARAÚJO, 1997; BISWAS, 1981).
O coque deve ser controlado ainda nos seguintes aspectos:
• Químico:
Teor de cinza que afeta o consumo de combustível (coke rate); Teor de S que afeta a qualidade do gusa para a Aciaria;
Teor do P que afeta a qualidade do gusa para a Aciaria;
• Físico: tamanho médio em torno de 50 mm após o peneiramento no Alto-forno: resistência, teste de tambor DI > 83% (AMT DI > 85%);
• Metalúrgico:
- reatividade (CRI): avalia a reação do coque com o CO2, na região superior
do Alto-forno que se for elevada, formará CO em excesso prejudicando o rendimento gasoso e baixando a temperatura da zona de reserva térmica; - resistência após reação (CSR) que avalia a resistência do coque nas regiões inferiores. Valores mais elevados garantem que o coque atinja as ventaneiras e as regiões inferiores, sem redução drástica na granulometria, garantindo a permeabilidade e facilitando o esgotamento do cadinho.
As injeções, hoje muito usuais, pelo seu custo inferior ao do coque, se dão na forma de carvão mineral ou vegetal e onde disponível, gás natural. Devem possuir baixos teores de S, P, álcalis e Zn e ainda um bom índice de moagem.
3.3.2.2 Ensaios para caracterização do combustível coque
Alguns testes são realizados visando caracterizar as propriedades do combustível coque, sendo estes o teste de resistência à abrasão do coque (DI15 150), teste de reatividade do coque (CRI) e o teste de resistência do coque após reação (CSR). Para tal fim, coleta-se uma amostra de coque, variando em torno de 100 kg, e submete-se a mesma a uma série de peneiras, variando de 10 mm a 15 mm para validação da distribuição granulométrica. A seguir toma-se uma fração de cada quantidade retida que servirão para as seguintes determinações:
• 12kg para avaliação de umidade, composição química, enfatizando os teores de S, cinza, matéria volátil;
• 11kg para teste de abrasão em tambor JIS K2151;
• 10% do material retido para testes de reatividade (CRI) e resistência após reação (CSR1).
Os resultados nortearão os operadores, na condução de marcha do Alto-forno, para tanto devem obedecer a uma rotina de realização, cada 4h, 8h, 24h, de acordo com as necessidades de cada Alto-forno (SARMENTO, 2006).
3.3.2.2.1 Teste de resistência à abrasão do coque - DI15 150
O teste de resistência à abrasão DI15150 segue a norma JIS K2151 e é realizado num tambor de 1,5m de diâmetro por 1,5 de largura, girando a uma velocidade 15 rpm, até totalizar 150 voltas. Em seguida o material processado é peneirado nas malhas 50mm, 25mm e 15mm e o resultado é dado pelo % >15 mm, retido nas três peneiras, ou seja: DI15150 cujos valores devem ser > 85%. A figura 12 apresenta o tambor giratório e a peneira utilizados para o teste do DI.
FIGURA 12 - Tambor giratório e peneira utilizados para teste de DI do coque.
Fonte: Autor, 2014.
_____________________ 1
CSR - Coke Strenght after Reaction, indicador da resistência do coque após o teste de reatividade. DI15 150 - Drum Index, indicador de resistência à abrasão do coque.
3.3.2.2.2 Teste de reatividade do coque – CRI
No teste para determinação da reatividade do coque (CRI1), uma amostra de 200g de coque e granulometria entre 18 mm e 21 mm é separada e após procedimento de secagem é colocada num cilindro de reação e introduzida num forno elétrico vertical. O gás CO2é introduzido no forno e a reação ocorre a uma temperatura de 1.100°C,
durante aproximadamente 2h. A figura 13 apresenta o forno elétrico utilizado para determinação do CRI do coque.
FIGURA 13 - Forno elétrico para determinação do CRI do coque.
Fonte: Autor, 2014.
O índice de reatividade do coque é dado em percentual de carbono gaseificado durante o teste conforme mostrado na equação 3.19.
(%) x100 Mi
Mr Mi
CRI = − (3.19)
Onde: CRI: Índice de reatividade do coque (%) Mi: massa inicial da amostra (g)
Mr: massa reagida da amostra (g) _____________________
1
O índice de reatividade do coque é então a taxa ou a velocidade na qual o carbono do coque reage com um gás oxidante CO2, podendo ser avaliado pela perda de
peso sofrida por uma amostra de coque submetida a um fluxo de CO2. A reação com
o CO2 na parte mais alta do Alto-forno é fortemente dependente do tipo de coque e
consome aproximadamente 25 a 30% do coque enfornado, além de influir decisivamente na performance do Alto-Forno. Normalmente os valores obtidos para CRI1 são < 29%.
3.3.2.2.3 Teste de resistência do coque após reação - CSR
O teste de resistência do coque após reação segue-se após a realização do teste de reatividade, onde a amostra é colocada em um tambor tipo "I" que gira a 30 rpm durante 600 voltas no período de 30 minutos. A figura 14 apresenta o tambor e a peneira utilizada para no teste.
FIGURA 14 - Tambor giratório e peneira utilizados para teste do CRI do coque.
Fonte: Autor, 2014.
O equipamento utilizado no ensaio de CSR é acionado por um motor-redutor de velocidade fixa, de forma a se obter 20 rpm e dispõe de um contador de giros que desliga o equipamento quando se atinge 600 giros durante 30 minutos.
O índice CSR é dado pelo peso de material degradado retido em malhas de 9 mm, conforme mostrado na equação 3.20.
(%) x100 Mr Mrm
CSR = (3.20)
Onde: CSR: resistência do coque após reação (%) Mr: massa reagida da amostra (g)
Mrm: massa retida na malha de 9,0 mm (g)
As especificações dos índices CRI e CSR para o coque estão ligadas à minimização da reação endotérmica entre o coque e o CO2 na região da cuba do Alto-forno e à
necessidade de assegurar alta resistência, menor degradação e, portanto, alta permeabilidade na região da rampa do Alto-forno. A figura 15 mostra a correlação existente entre os índices CRI x CSR do coque (dados fornecidos pela AMT).
FIGURA 15 – Correlação entre os índices CRI x CSR do coque.
0 5 10 15 20 25 60 62 64 66 68 70 72 74 76 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 CSR (%) CRI (%) % C S R y = -0,630x + 65,32 R² = 0,599 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 60 62 64 66 68 70 72 74 % C R I Janeiro 2014 % CSR Fonte: Autor, 2014.
Sabe-se que os índices CRI e CSR caminham em sentidos opostos, conforme mostrado na figura 15. Dessa forma coques com elevada reatividade possuem
menores valores de resistência após a reação, isto porque reagem em menores temperaturas e em regiões mais elevadas de um Alto-forno favorecendo a perda de massa de carbono pela reação de Bourdouard tendo como conseqüência a diminuição do tamanho médio do coque com prejuízos para a permeabilidade da carga, principalmente nas regiões de elevadas temperaturas (zona coesiva), além disso o coque de baixo CSR quando alcança a região das ventaneiras degradam por abrasão a medida que reage e gira no raceway, o que provoca uma maior geração de finos de coque e menor tamanho médio, deteriorando a permeabilidade do gás. Normalmente as siderúrgicas buscam como valor a referência CSR's > 65% (SARMENTO, 2006).
3.4 CONTROLE DA TEMPERATURA DA ZONA DE RESERVA TÉRMICA
O consumo de redutor (carvão vegetal e/ou coque) constitui grande parte dos custos de produção do ferro gusa em Altos-fornos. A operação destes reatores com baixo consumo de redutor e altas taxas de injeção de carvão pulverizado pelas ventaneiras requer especificações rígidas quanto à qualidade química, física e metalúrgica dos redutores sólidos, devido às exigências de boa permeabilidade, ataque contra alkalis e carburação do metal.
A discussão sobre a elevação da reatividade do redutor sólido para redução da temperatura da zona de reserva térmica (ZRT) do Alto-forno, visando redução do consumo de combustíveis, vem sendo vastamente estudada. Sunahara Kohei (2011) em seus estudos demonstrou através da figura 16 que a elevação do CRI do coque reduz a temperatura de início de reação de gaseificação de Boudouard, para todas as composições gasosas estudadas.
A temperatura da zona de reserva térmica do Alto-forno é aproximadamente igual à temperatura de início da reação de gaseificação do carbono pela reação de Boudouard, que é uma reação extremamente endotérmica.
FIGURA 16 – Influência da reatividade (CRI) do coque na temperatura inicial de gaseificação do carbono pela reação de Boudouard.
Fonte: Kohei et al., 2011.
O fenômeno pode ser extraído do diagrama de Rist, mostrado na figura 17, onde Naito (2006) em seus estudos indicou uma redução do consumo de combustíveis durante o processo de redução da carga ferrífera para produção de ferro gusa.
FIGURA 17 – Diagrama de RIST e Eficiência de Redução.
Neste trabalho Naito (2006) mostrou que a eficiência da reação de redução pode ter ganhos através da melhora das propriedades metalúrgicas (redutibilidade) da carga ferrífera, através do uso de small coke misturado na camada de sinter, melhorando sua redutibilidade, e através de ajustes na distribuição de carga, mostrado através da alteração do ponto A para o ponto B na figura 17, ainda a 1.000ºC.
Naito (2006) também indicou um ganho ainda mais significativo através da alteração do ponto B para o C, através da redução da temperatura da ZRT para aproximadamente 700 ºC, através do uso de redutor de elevada reatividade e/ou uso de compósitos aglomerados auto-redutores. Neste caso, se a temperatura de início da reação de Boudouard é reduzida, a concentração de equilíbrio da reação de redução FeO-Fe é movida para uma área de maior utilização do gás CO, resultando em uma maior eficiência do CO e conseqüentemente menor consumo de combustível no Alto-forno.
Mousa (2011) realizou testes para medir o efeito do uso de small coque na redutibilidade do sinter, através de um modelamento para realizar a distribuição de carga e equipamentos (reator para redução isotérmica e não-isotérmica) visando simular algumas condições operacionais de um Alto-forno (diferentes temperaturas, combinações das camadas de small coke/ sinter e composições de gases). Utilizou um analisador de gás para determinar o balanço de CO/CO2 e o grau de redução de
sinter.
Após os processos de redução, foram feitas as medições do total de eliminação de O2 das cargas e do "total carbon solution loss" (Reação de Boudouard). A figura 18
mostra o aumento constante grau de redução do sinter com o mix de small coke, enquanto nos testes somente com o sinter mostram um limite de redução em 1.373k, e após essa temperatura há uma queda na redutibilidade.
