21365_4 Este Para a Primeira Parte de Pelotização

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3 Pelotas de Minrio de Ferro

As pelotas so aglomerados de finos de minrio de ferro pellet feed

gerados na lavra. Junto com o snter e o minrio granulado, as pelotas so as

principais cargas de alimentao dos fornos de reduo para a obteno do ferro

primrio.

As usinas de pelotizao produzem diversos tipos de pelotas de minrio de

ferro, as quais devem atender s diferentes especificaes exigidas pelos clientes.

Muitos fatores podem favorecer a degradao das pelotas, tais como a longa

distncia entre as usinas e as movimentaes entre os ptios de estocagem para o

carregamento e descarregamento dos navios. Por isso, a qualidade da pelota

produzida deve ser superior da pelota embarcada (Silva, 2010).

Dependendo da composio qumica, das propriedades fsicas e das

caractersticas metalrgicas, as pelotas podem ser de dois tipos:

Pelotas de alto-forno, utilizadas na produo do ferro gusa;

Pelotas de reduo direta, utilizadas na produo do ferro esponja.

As pelotas de minrio de ferro que alimentam os reatores de reduo direta

tm composio diferente das que alimentam os altos-fornos, principalmente o

teor de slica (SiO2). As pelotas de alto-forno apresentam propriedades bsicas

isto , maior basicidade binria, que dada pela relao CaO/SiO2, e as pelotas de

reduo direta apresentam propriedades cidas (menor basicidade binria). A

Tabela 1 mostra a composio tpica das pelotas de alto-forno e de forno de

reduo direta produzidas pela Vale.

DBDPUC-Rio - Certificao Digital N 1021520/CA

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Tabela 1 Composio qumica de pelotas da Vale (Tubaro)

Substncia

Pelota de Reduo

Direta

(Tubaro)

Pelota de Alto-Forno

(Tubaro)

Fe 67,80% 65,70% SiO2 1,25% 2,45% Al2O3 0,55% 0,65% CaO 0,65% 2,64% P 0,028% 0,030%

Fonte: . Acesso em: 15 set. 2011)

Em geral, os dois tipos de pelotas devem apresentar as seguintes

propriedades:

Distribuio uniforme de tamanho (na faixa de 10 a 15 mm de dimetro)

para que os gases possam fluir em contra-corrente com o leito formado,

pois materiais muito finos podem prejudicar a permeabilidade,

impedindo a passagem dos gases e, consequentemente, gerando

caminhos preferenciais dentro do forno.

Grande concentrao de ferro (maior que 63%);

Composio mineralgica uniforme (hematita ou magnetita);

Porosidade na faixa de 22 a 30%;

Baixa sensibilidade abraso;

Resistncia mecnica adequada;

Baixa susceptibilidade ao inchamento;

Manuteno das caractersticas mecnicas mesmo em atmosferas

fortemente redutoras.

Tendo em vista sua importncia no processo siderrgico, a caracterizao

microestrutural das pelotas pode contribuir para a compreenso do seu

comportamento nos processos de reduo (Wagner et al., 2009), possibilitando a

melhoria da qualidade do material e, consequentemente, da eficincia do processo.

Para isso, torna-se necessrio o estudo de sua composio mineralgica, do seu

processo de formao e o entendimento das etapas de preparao a fim de adequ-

las s caractersticas necessrias para a exportao e fornos de reduo.


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3.1. Processo de Pelotizao

A pelotizao um processo de aglomerao com o objetivo de agregar a

parcela de finos de minrio (tamanho inferior a 0,15 mm) em esferas com

granulometria e qualidade adequadas as pelotas para sua utilizao direta no

processo siderrgico.

Para que sejam produzidas pelotas uniformes e de boa qualidade,

necessrio levar em considerao a grande variedade de propriedades dos

minrios, tais como a sua mineralogia, tamanho e forma das partculas, hbito

cristalino e composio qumica. Embora, atualmente, as diferentes propriedades

dos minrios possam ser compensadas, os parmetros do processo de pelotizao

devem ser variados e selecionados de acordo com o tipo de minrio envolvido.

Neste captulo, sero discutidas as caractersticas finais que as pelotas

devem apresentar; o preparo do minrio e das demais matrias-primas requeridas

para o processo de pelotizao; os equipamentos utilizados para a formao das

pelotas cruas; e, por fim, os processos finais para a obteno das propriedades

essenciais para o seu manuseio e transporte e para o seu bom comportamento

durante a reduo.

O processo de pelotizao pode ser entendido atravs do fluxograma da

Figura 5.

Figura 5 Fluxograma do Processo de Pelotizao (Costa, 2008)


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Como em qualquer processo de produo, a qualidade do produto final

depende do sucesso em cada uma das etapas. Por exemplo, no possvel obter

pelotas com boa resistncia na etapa de endurecimento se elas tiverem sido mal

formadas nas etapas anteriores.

3.1.1. Preparao das Matrias-Primas

Conforme as funes desempenhadas no processo de pelotizao e na

composio qumica do produto final, as matrias-primas utilizadas podem ser

divididas em dois grupos:

materiais ferrferos, representando a matriz da pelota; e

materiais livres de ferro, tais como aglomerantes e aditivos. Os

aglomerantes e aditivos exercem as funes de facilitar a fabricao das

pelotas (aglomerantes), de fornecer boa qualidade fsica e mecnica

(aglomerantes e aditivos) e a de modificar as propriedades metalrgicas

das pelotas (aditivos) (Meyer, 1980).

O processo de formao de pelotas inicia-se na preparao de sua matria-

prima principal, o pellet feed. A parcela fina do minrio de ferro, gerada nas

etapas de britagem e de classificao, processada visando o aumento do teor de

ferro atravs de flotao e separao magntica, por exemplo (ver Figura 1). O

objetivo reduzir componentes indesejveis, como a slica e a alumina (Borim,

2000). Este concentrado modo e filtrado, onde se obtm pouco mais de 80% do

pellet feed com granulometria abaixo de 45 m, pois quanto maior a superfcie

especfica do material, mais a aglomerao facilitada. Alm disso, o material

filtrado deve conter um teor de gua de aproximadamente 9%, que o

considerado adequado para o preparo posterior (Silva, 2010).

A partir da, o pellet feed est pronto para seguir no processo de

pelotamento, cujas etapas consistem na mistura de aditivos e aglomerantes (ainda

na etapa de preparao das matrias-primas), formao de pelotas cruas (tambm

denominadas pelotas verdes) e endurecimento das pelotas.

Os aglomerantes servem para melhorar a formao das pelotas,

proporcionando plasticidade ao material e tambm maior rigidez mecnica. Ao

longo do tempo, uma grande quantidade de substncias orgnicas foi testada para


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este fim. Porm, atualmente, apenas a bentonita (mistura de argilas), a cal

hidratada (Ca(OH)2), o calcrio (rochas sedimentares com mais de 30% de

carbonato de clcio) e a dolomita (mineral de carbonato de clcio e magnsio -

CaMg(CO3)2) so usados no processo de pelotizao. Alguns desses

aglomerantes, como a dolomita, a cal hidratada e o calcrio, podem ser usados

simultaneamente como aditivos.

Os aditivos so usados para modificar a composio qumica das pelotas,

servindo especialmente para corrigir a basicidade. Tambm podem ser

adicionados finos de coque ou antracito, com a finalidade de reduzir o consumo

de combustvel requerido para que ocorra a combusto interna da pelota.

Como uma alternativa de reduo no custo de produo, pode-se adicionar

alguns desses aglomerantes e/ou aditivos na etapa de moagem do concentrado de

minrio de ferro, possibilitando a utilizao desses compostos com maior

granulometria (Borim, 2000).

Alm destes insumos citados, adicionada gua ao processo, para atuar

como agente de ligao entre as partculas. Isso ser mais bem discutido no

captulo a seguir.

3.1.2. Formao das Pelotas Cruas

As pelotas formadas nesta etapa devem apresentar resistncia mnima para

manuseio local (Mouro et al., 2007).

Por ser uma etapa crtica, muitos estudos vem sendo feitos acerca deste

assunto. necessrio conhecer as teorias e os mecanismos de aglomerao de

finos para compreender o processo de formao de pelotas cruas.

Os fatores mais importantes na formao e nas propriedades das pelotas

cruas so:

Foras fsicas, tais como as foras de Van der Waals, magnticas ou

eletrostticas;

Fatores dependentes das partculas, tais como rea superficial, forma,

estrutura cristalina e distribuio granulomtrica;

Foras capilares e tenses superficiais geradas pela adio de gua ao

processo.


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As variveis de processo que influenciam diretamente nestes fatores so:

quantidade de gua adicionada; tamanho e forma das partculas; e as foras

executadas pelo tipo de equipamento utilizado.

O processo de aglomerao na formao da pelota pode ser visualizado na

Figura 6. Quando uma partcula umedecida, um filme fino de gua formado na

sua superfcie (Figura 6-a). Ao entrar em contato com outra partcula mida,

ocorre uma ligao entre estes filmes. As partculas inicialmente unidas por esta

ligao so o ncleo, no qual ocorrer todo o crescimento da pelota (Figura 6-b).

Os ncleos formados vo sendo rotacionados e mais partculas vo sendo aderidas

a eles (Figura 6-c e Figura 6-d), gerando bolas (Srb & Ruzickov, 1988). Em

outras palavras, o processo realizado similar ao de uma bola de neve rolando

numa ladeira ngreme, o que resulta num corpo redondo.

No entanto, uma grande quantidade de ar ainda fica presente no interior da

pelota, o que prejudicaria sua resistncia mecnica. Todavia, medida que as

partculas vo se chocando entre si e com as paredes do equipamento, o ar recluso

vai sendo expelido e as foras de ligao vo sendo intensificadas (Figura 6-e).

Esse processo ocorre at as foras de ligao estarem desenvolvidas e as pelotas

prontas para seguir nas etapas posteriores (Figura 6-f).

As partculas se mantm aglomeradas atravs da fora de capilaridade

causada pela tenso superficial. A tenso superficial gerada pela coeso entre as

molculas do lquido e pela adeso entre o lquido e a superfcie do material.

Figura 6 Mecanismo de formao da pelota

Como no h garantia de as partculas serem umedecidas uniformemente, o

processo de iniciao dos ncleos pode ocorrer de diferentes formas. A formao

do ncleo depende do grau de umidade das partculas que, por sua vez, depende

da gota de lquido atingir uma partcula. O excesso de gua ou a forma desigual

(a) (b) (c) (d) (e) (f)


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das partculas serem umedecidas tendem a gerar pequenos grupos, fazendo com

que as pelotas cresam de forma irregular e maiores do que deveriam ser (Figura

7) (Srb & Ruzickov, 1988).

Figura 7 Crescimento das pelotas: (a) arredondada; e (b) irregular (Srb & Ruzickov,

1988)

A operao de formao de pelotas cruas um processo contnuo e pode ser

feito por dois tipos de equipamentos: disco de pelotizao e tambor rotativo.

Os discos de pelotizao so atualmente os equipamentos mais utilizados.

As principais funes que podem variar no disco so:

Velocidade de rotao;

ngulo de inclinao.

O mecanismo de formao da pelota crua, do crescimento e da descarga do

produto num disco pelotizador se encontra na Figura 8.

Figura 8 Princpio de funcionamento do disco de pelotizao: (a) Vista lateral do disco

de pelotamento e a formao de diferentes camadas. (b) Vista frontal do disco de

pelotamento e a movimentao das pelotas cruas em vrias etapas de crescimento.

(Matos, 2007)

(a) (b)


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O tambor rotativo consiste num cilindro com movimentos rotativos aberto

em ambas as extremidades (Figura 9). As principais variveis de processo so:

ngulo de inclinao do eixo horizontal;

Nmero de voltas por unidade de tempo.

Figura 9 Princpio de funcionamento dos tambores rotativos (Srb & Ruzickov, 1988)

3.1.3. Endurecimento das Pelotas Cruas

Em virtude da resistncia mecnica requerida para que as pelotas possam

suportar o transporte e os esforos durante os processos metalrgicos, as pelotas

cruas ou verdes precisam passar por um processo de endurecimento. O processo

de endurecimento consiste num tratamento trmico em uma atmosfera controlada,

que pode ser dividido nas seguintes etapas:

Secagem;

Pr-queima;

Queima;

Ps-queima;

Resfriamento.

Na secagem, ocorre a evaporao de toda a umidade existente nas pelotas. A

gua pode estar contida nas pelotas de diversas formas:

Nos interstcios entre as partculas;

Dentro de poros dos gros de minrio, caso este seja poroso;

Quimicamente combinada, como em goethita e limonitas;

Incorporada dentro dos aglomerantes como a bentonita;

Como hidrato nos aglomerantes que tendem para a formao de

hidratos, como, por exemplo, Ca(OH)2 ou Mg(OH)2;


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Presente em sais adicionais.

Somente uma parte desta gua evapora a 100C. Outros compostos que

contm gua, como sais e hidratos, s perdem sua gua em altas temperaturas.

Para evitar que ocorram rachaduras ou fragmentaes nas pelotas, a

velocidade de secagem deve ser ajustada para diferentes combinaes (Meyer,

1980). Nesta etapa, as pelotas devem resistir s tenses internas que surgem em

funo da evaporao de gua contida nos poros.

A secagem ocorre em 2 estgios: inicialmente a secagem ascendente e, em

seguida, a secagem descendente. Esses estgios diferem na velocidade com que

ocorre o processo de secagem.

A secagem engloba a converso da umidade em gs, a retirada do vapor

formado na superfcie da pelota e a descarga destes gases em ambientes prprios

(Srb & Ruzickov, 1988).

Aps a secagem feita a pr-queima (ou pr-aquecimento), na qual ocorre

um crescimento do perfil de temperatura das pelotas (a temperatura elevada de

300-350C para 1250-1340C). Nesta etapa, acontece a decomposio de hidratos,

carbonatos e sulfatos, a queima do enxofre de compostos sulfurados e a converso

de xidos de ferro, tais como a magnetita e a limonita, em hematita o estado

mais oxidado (Meyer, 1980 apud Borim, 2000).

A queima das pelotas, em geral, ocorre numa temperatura de

aproximadamente 1300C que permanece constante durante cerca de 10 min.

Porm, esta temperatura e perodo de permanncia podem variar de acordo com o

tipo de minrio. nesta etapa que as pelotas adquirem as caractersticas

fundamentais para o transporte e para o processamento metalrgico. A resistncia

mecnica adquirida est diretamente relacionada ao tamanho dos cristais obtidos

nesta etapa, que, por sua vez, dependem da temperatura e do tempo aos quais as

pelotas so submetidas.

A qualidade das pelotas queimadas pode ser avaliada atravs dos seguintes

fatores:

Mudana da estrutura cristalina devido oxidao da magnetita para a

hematita ou ao crescimento dos cristais de hematita (Meyer, 1980);


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Formao de uma escria vitrificada entre as partculas de minrio

devido fuso de componentes, tais como slica, alumina, calcrio, cal e

dolomita (Nunes, 2004).

A temperatura de queima, portanto, deve estar abaixo da temperatura de

fuso, mas dentro da faixa de temperatura de reatividade dos componentes da

ganga e dos aditivos, para que as primeiras pontes cristalinas comecem a ser

formadas. Temperaturas maiores do que esta resultariam em um maior

crescimento e arredondamento dos cristais, porm, dependendo das condies,

poderia ocasionar a dissociao da hematita em magnetita e oxignio, diminuindo

a resistncia das pelotas.

A ps-queima consiste numa etapa de curta durao, em que a temperatura

vai sendo reduzida e o calor vai sendo transferido ao longo do leito, de forma que

todas as pelotas fiquem com a mesma temperatura.

O resfriamento a ltima etapa do ciclo trmico das pelotas e, caso seja

feito de forma muito rpida, pode gerar trincas na estrutura, degradando a

qualidade das pelotas (Borim, 2000). Alm disso, nesta etapa, recupera-se o calor

absorvido pelas pelotas durante o tratamento trmico. O calor recuperado e

reutilizado nas etapas de secagem, pr-queima e queima (Silva, 2010).

O endurecimento das pelotas cruas pode ser feito em trs tipos de fornos, a

saber:

Forno Vertical (Shaft Furnace);

Forno Rotativo (Rotary Kiln);

Forno de Grelha Mvel (Travelling Grate).

A escolha do tipo de tecnologia feita em funo de diversos fatores, desde

a capacidade da usina de pelotizao at as caractersticas do minrio de ferro

utilizado (Mendes, 2009).

O grfico da Figura 10 apresenta a capacidade dos fornos para a pelotizao

utilizados em alguns pases. O forno mais utilizado para o processamento trmico

das pelotas o de grelha mvel (Figura 11), configurando cerca de 60% de toda a

produo mundial de pelotas.


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Figura 10 Tipos e capacidade de fornos utilizados para a pelotizao em alguns pases

(VALE, 2010)

Figura 11 Forno de Grelha Mvel (VALE, 2010)

O perfil de temperatura tpico de um forno de grelha mvel pode ser

observado na Figura 12.


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Figura 12 Perfil trmico de um forno tipo Grelha Mvel (Costa, 2008)

3.2. Grau de Maturao

A consolidao das pelotas se d na etapa de queima e causada pela

recristalizao e crescimento dos cristais associado s reaes de sinterizao.

Quando os aglomerados so expostos a altas temperaturas, prximas ao

ponto de fuso, os tomos difundem de uma partcula para outra para formar as

primeiras pontes cristalinas. Isto acontece porque a energia da superfcie maior

do que a da partcula, fazendo com que a difuso da partcula para a ponte seja

maior e aumente seu tamanho (Julien, 2007 apud Costa, 2008). A Figura 13

mostra um desenho esquemtico do fenmeno de sinterizao.

Figura 13 Desenho esquemtico do fenmeno de sinterizao (Julien, 2007 apud

Costa, 2008)

Tendendo para um equilbrio termodinmico, as partculas muito finas, que

possuem maior energia de interface, se aglomeram em partculas grandes, fazendo

com que a energia livre diminua. Com um tempo de reao suficiente e

temperatura adequada no processo, as partculas vo se aproximando da forma

esfrica.


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Uma parcela obtida pela agregao de vrias partculas adquire a mesma

orientao cristalogrfica, consistindo, assim, de um nico cristal, embora com

superfcie irregular e englobando muitos poros.

No entanto, em temperaturas acima de 1350C, em determinadas condies,

a hematita se dissocia em magnetita e oxignio, o que resulta numa diminuio da

resistncia das pelotas.

A presena de aditivos contribui para acelerar o crescimento dos cristais em

temperaturas menores. Alm disso, SiO2 na forma de reativos se combina com os

gros de minrio, formando pontes de silicato entre eles (Meyer, 1980).

A Figura 14 apresenta as micrografias, obtidas por microscopia tica, de

uma pelota crua, antes do processo de queima, e de uma pelota queimada. A

matriz, inicialmente constituda por muitas partculas dispersas, torna-se uma rede

slida contnua rodeada por poros.


42

(a)

(b)

Figura 14 (a) Micrografia de uma pelota crua; (b) Micrografia de uma pelota queimada

(sinterizada)


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Na presente dissertao, a evoluo da microestrutura das pelotas dividida

em quatro classes denominadas Graus de Maturao, a saber: A, B, C e D. A

seguir sero descritas as caractersticas de cada classe.

Grau A:

As partculas hematticas ainda so bastante angulosas e a coeso entre as

partculas baixa, pois somente as mais finas comeam a ser modificadas pelo

processo de coalescncia (Figura 15). Essas caractersticas configuram uma pelota

de baixa resistncia fsica.

Figura 15 Imagem tpica de uma pelota com grau de maturao A.

Grau B:

o incio do estgio de assimilao das partculas e o estgio inicial do

ajuste morfolgico, porm a coeso entre as partculas ainda baixa. A coeso se

d, principalmente, pelo ajuste de interfaces entre as partculas de hematita mais

prximas. Nesta classe, nota-se o aparecimento de ferrito de clcio e aparecimento

de poros, causado pela desintegrao do calcrio e do carvo. A resistncia ainda

no suficiente para que a pelota siga no processo metalrgico.

A Figura 16 uma micrografia tpica de uma pelota de grau de maturao

B.


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Figura 16 Imagem tpica de uma pelota com grau de maturao B.

Grau C:

O ajuste morfolgico intenso e a estrutura torna-se mais compacta,

propiciada pelo maior ajuste entre as partculas de hematita (eliminao das

arestas) e pela assimilao dos demais xidos (silicatos) devido liquefao do

ferrito de clcio.

Pode-se observar na Figura 17 as partculas arredondadas e as pontes de

escria lquida existentes entre os gros, caractersticas de uma pelota com grau de

maturao C.

Com esta microestrutura, a pelota possui a resistncia adequada para ser

transportada e alimentar os fornos de reduo. Pode-se considerar que as

condies de processo que acarretam este tipo de microestrutura so as ideais.


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Figura 17 Imagem tpica de uma pelota com grau de maturao C.

Grau D:

O ajuste morfolgico praticamente completo (Figura 18). As partculas

apresentam formas irregulares, compostas por pequenos poros, os quais foram

envoltos pela coalescncia das partculas. Pode-se encontrar nesta microestrutura

alguma magnetita que no se reoxidou durante o resfriamento. Apesar da estrutura

relativamente mais compacta, as pelotas desta classe comeam a perder

resistncia.


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Figura 18 Imagem tpica de uma pelota com grau de maturao D.


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