PÓLO UNIVERSITÁRIO DE VOLTA REDONDA

ESCOLA DE ENGENHARIA INDUSTRIAL METALÚRGICA DE VOLTA REDONDA

TRABALHO DE

CONCLUSÃO DE

CURSO

SINTERIZAÇÃO DE MINÉRIO DE FERRO EM ESCALA DE BANCADA

ALUNO: Glauco Silva de Assis Machado ORIENTADOR: Prof. Fernando Tadeu

Pereira de Medeiros.

Volta Redonda

2015

i

UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE PÓLO UNIVERSITÁRIO DE VOLTA REDONDA

ESCOLA DE ENGENHARIA INDUSTRIAL METALÚRGICA DE VOLTA REDONDA CURSO DE GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA METALÚRGICA

Glauco Silva de Assis Machado

SINTERIZAÇÃO DE MINÉRIO DE FERRO EM ESCALA DE BANCADA

Projeto final apresentado ao Curso de Engenharia Metalúrgica da Universidade Federal Fluminense, como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Metalúrgico.

ORIENTADOR: Prof. Fernando Tadeu Pereira de Medeiros .

Volta Redonda 2015

ii

UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE PÓLO UNIVERSITÁRIO DE VOLTA REDONDA

ESCOLA DE ENGENHARIA INDUSTRIAL METALÚRGICA DE VOLTA REDONDA CURSO DE GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA METALÚRGICA

Glauco Silva de Assis Machado

SINTERIZAÇÃO DE MINÉRIO DE FERRO EM ESCALA DE BANCADA

Projeto apresentado ao Curso de Engenharia Metalúrgica da Universidade Federal Fluminense, como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Metalúrgico.

Aprovado em 15 de julho de 2015.

____________________________________________ Prof. D.Sc. Fernando Tadeu Pereira de Medeiros. (Orientador)

UFF – Universidade Federal Fluminense - VMT

____________________________________________ Prof.ª D.SC. Tatiana Caneda Salazar Ribeiro

UFF – Universidade Federal Fluminense

____________________________________________ Prof.ª D.SC. Ésoly Madeleine Bento dos Santos

UFF – Universidade Federal Fluminense

Volta Redonda 2015

iii

Ninguém disse que seria fácil.

Coldplay

iv

DEDICATÓRIA

Dedico esse trabalho à minha família.

v

AGRADECIMENTOS

Agradeço à minha mãe Marilene por me apoiar até nos momentos mais difíceis.

Ao meu pai Selassie por nunca deixar de acreditar em meu potencial.

À minha irmã Rebeca por ser a pessoa que me considera “o inteligente”.

À minha namorada Tamara pelo companheirismo inabalável.

Aos meus amigos, Walmir, Leonardo, Thiago Assis, Thiago Teixeira, Matheus,

Douglas e Paulo Anízio, por terem feito a dura missão um tanto quanto divertida.

Ao meu orientador Tadeu, pelos conhecimentos.

Agradeço a todos que me ajudaram de alguma forma a chegar a esse ponto.

vi

RESUMO

Este trabalho tem como base analisar o processo de sinterização de finos de minério

de ferro, realizando um estudo primário da sinterização em escala de bancada, a partir

de amostras de sínter feed obtidos juntas a CSN. Em linhas gerais esse trabalho

desenvolveu todo o processo de sinterização no LME na EEIMVR-UFF tendo obtido

sucesso na produção de sínter utilizando essa escala de produção.

Palavras-chave: sinterização, minério de ferro.

vii

ABSTRACT

This work is based on analyzing the fine sintering process of iron ore, performing a

primary study of sintering bench scale, from sinter feed samples obtained together

CSN. In generally speak this work developed throughout the sintering process in LME

in EEIMVR-UFF having succeeded in the production of sinter using this production

scale.

Key-words: Sintering, Iron Ore.

viii

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 1

2 MOTIVAÇÃO ....................................................................................................... 3

3 OBJETIVOS ......................................................................................................... 1

3.1 Objetivos Gerais ............................................................................................... 1 3.2 Objetivos Específicos ....................................................................................... 1

4 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................ 2

4.1 Sínter ................................................................................................................ 2 4.2 Processo de sinterização .................................................................................. 3 4.3 Parâmetros de sinterização .............................................................................. 5

4.3.1 Controle da umidade .............................................................................. 5 4.3.2 Granulação ............................................................................................ 6 4.3.3 Controle granulométrico ......................................................................... 6 4.3.4 Características de produtos sinterizados ............................................... 7

4.4 Reações na Sinterização .................................................................................. 9 4.5 Mineralogia do sínter ...................................................................................... 11

5 MATERIAL E MÉTODOS .................................................................................. 13

5.1 Material ........................................................................................................... 13 5.2 Métodos .......................................................................................................... 13

5.2.1 Obtenção da mistura a sinterizar ......................................................... 13 5.2.2 Metodologias em Escala de Bancada .................................................. 14

5.2.2.1 Peneiramento dos constituintes ....................................................... 14 5.2.2.2 Pesagem dos materiais ....................................................................... 15

5.2.2.3 Determinação da umidade ............................................................... 16 5.2.2.4 Mistura e granulação ........................................................................ 17 5.2.2.5 Carregamento da mistura ................................................................. 20 5.2.2.6 Sinterização ...................................................................................... 21 5.2.2.7 Resfriamento .................................................................................... 22 5.2.2.8 Preparação metalográfica ................................................................ 22

6 RESULTADOS E DISCUSSÃO ......................................................................... 23

6.1 Analise dos Aspectos Visuais ......................................................................... 23 6.2 Análise microestrutural ................................................................................... 25 6.3 Método comparativo ....................................................................................... 27

7 CONCLUSÕES .................................................................................................. 29

8 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ................................................ 30

9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................. 31

ix

x

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Esquema da máquina de sinterização (PUC Processos de Metalurgia) ..... 4

Figura 2 - Microestrutura ideal de sínter (ISHIKAWA) ................................................. 8

Figura 3 - Fluxograma da produção de Sínter (DAWSON) ....................................... 10

Figura 4 - Conjunto de peneiras da Série Tyler ........................................................ 15

Figura 5 - Balança Gehaka Série BK 3000 .............................................................. 16

Figura 6 - Moinho de bolas ........................................................................................ 19

Figura 7 - Mistura umedecida .................................................................................... 19

Figura 8 - Mini-retorta com sínter feed em seu fundo ................................................ 20

Figura 9 - Carregamento da mistura na mini-retorta ................................................. 21

Figura 10- Mufla adaptada para sinterização ............................................................ 21

Figura 11- Amostra de sínter para análise microscópica .......................................... 23

Figura 12 - Aparência do produto obtido ................................................................... 24

Figura 13 - Sínter industrial ....................................................................................... 25

Figura 14 - Micrografia ampliação 500 vezes ............................................................ 26

Figura 15 - Microestrutura ampliação 1000 vezes ..................................................... 26

Figura 16 - Microestrutura ampliação 100 vezes ....................................................... 27

Figura 17 - Amostra ampliação 100X ........................................................................ 28

xi

LISTA DE TABELA

Tabela 1 Classificação das partículas (VIEIRA) .......................................................... 7

Tabela 2 - Fatores influentes na formação de ferrita de cálcio (DAWSON) .............. 11

Tabela 3 Balanço de massa ...................................................................................... 13

Tabela 4 Cálculo da água a adicionar ....................................................................... 17

xii

LISTA DE GRÁFICOS

Gráfico 1 Curva de aquecimento da mufla 1 ............................................................. 22

xiii

LISTA DE ABREVIATURAS, SÍMBOLOS E SIGLAS

LMF Laboratório de metalurgia extrativa.

EEIMVR Escola de Engenharia Industrial Metalúrgica de Volta Redonda.

Basicidade Relação entre a quantidade de sílica (SiO2) e o óxido de cálcio (CaO).

Esta relação também é referenciada como basicidade binária.

RDI Índice de degradação sob redução. Quanto menor este índice melhor o

desempenho do sínter ou minério de ferro no alto-forno.

SFCA “Silicoferrites of calcium and aluminium”. Ferrita de cálcio contendo

alguma sílica e alumina.

1

1 INTRODUÇÃO

O minério de ferro produzido no Brasil em 2014 atingiu 400 milhões de

toneladas, segundo o Instituto Brasileiro de Mineração - IBRAM. Sendo que a

produção de finos e granulados foi de 399,4 milhões de toneladas em 2014, e a de

pelotas, 58,9 milhões de toneladas.

Do ponto de vista metalúrgico, o minério de ferro é dividido em três categorias,

de acordo com a granulometria: granulado (lump ore), finos para sínter (sinter feed) e

finos para pelotas (pellet feed). O minério granulado está na faixa de granulometria

entre 50 e 6,3 milímetros; os finos para sínter, entre 6,3 e 0,15 milímetros; e os finos

para pelotas, inferior a 0,15 milímetros.

O processo de sinterização visa aglomerar finos de materiais tendo como

produto o sínter. Se faz necessário aglomerar partículas finas de minério de ferro

devido a incapacidade do alto-forno em lidar com matérias de baixa granulometria.

Uma quantidade elevada de material fino nesse tipo de reator reduz de forma

significativa a permeabilidade do ar dentro do mesmo e também as velocidades de

reações na produção do ferro gusa.

A gama de produtos com qualidades diferentes que podem ser obtidos pela

sinterização a torna muito atrativa em comparação com outros processos de

aglomeração. Isso ocorre pois, variações na matriz de sínter feed e também em

quantidades e qualidade dos aditivos, combustíveis, fundentes e combustíveis da

massa a ser sinterizada.

Quando se compara partículas de sínter feed com as partículas do produto

sinterizado (sínter), menor granulometria, homogeneidade, redutibilidade e resistência

mecânica são encontradas no sínter feed. O material sinterizado é mais poroso do os

matérias finos, o que garante melhor percolação pelos gases no alto forno, isso faz

com que altos-fornos mundo a fora possuam mais 65% de sínter em massa na

composição da carga a processar.

A utilização da escala de bancada para realizar estudos sobre o sínter é uma

alternativa econômica frentes as outras alternativas como mini pot test e sinter pot

test, pois a escala de bancada pode ser realizada com mistura de componentes com

2

massa menor que 1 quilograma, contra 10 e 30 quilogramas de mini pot test e sinter

pot respectivamente.

3

2 MOTIVAÇÃO

A motivação do presente trabalho é colocar em prática os conhecimentos

adquiridos no curso de graduação em Engenharia Metalúrgica e principalmente na

área de preparação de insumos para redução de minérios de ferro.

1

3 OBJETIVOS

3.1 Objetivos Gerais

Este trabalho buscou realizar uma simulação da produção de sínter em uma

escala pequena (escala de bancada), que possibilite diminuir custos e abre caminho

para novas pesquisas dessa matéria prima de grande importância para a produção de

aço.

3.2 Objetivos Específicos

Delinear as discrepância entre o sínter produzido em banca e o sínter típico

industrial, e o que pode aproxima-los em nível microestrutural.

2

4 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

4.1 Sínter

Produto obtido pela aglomeração, sob alta temperatura, de pequenas

partículas de minério de ferro (sinter feed) misturada ao coque e fundentes (dolomita

e ou calcário). Sua qualidade interfere fortemente na produtividade de aço no alto-

forno, quando o percentual de carga prepara aumenta, em detrimento da carga de

minério granulados, aumenta-se também a produtividade do alto-forno.

Várias fases fazem presente no sínter, podemos destacar magnetitas

primárias e secundárias (Fe3O4), as hematitas primárias e secundárias (Fe2O3) e as

ferritas de cálcio (CaO + óxido de ferro). Magnetitas e hematitas estão em maior

proporção em uma matriz livre de escória vítrea. Também pode se citar ferritas,

hematita e cálcio ferritas aciculares ou colunares e outras combinações similares.

A grande gama de sínteres oferecidos no mercado se dá pela grande

variedade de minérios que apresentam propriedades distintas, atreladas as variações

físicas e químicas.

As propriedades do sínter feed que compõe a mistura são determinantes para

o processo de sinterização. Cada tipo de sínter feed apresenta diferente

sinterabilidade e reatividade modificando variável da sinterização importantes como:

produtividade, comportamento metalúrgico, consumo de combustível, e resistência

mecânica do produto.

As reações que regem o processo de sinterização são complexas e

numerosas junto ao fato das mesmas serem dependentes entre si, faz com que a

dificuldade para obter um sínter com alta qualidade seja realmente elevada. A grande

diversidade dos minérios também aumenta a complexidade das reações e também

seu entendimento do processo.

Fundentes, impurezas formam a escória do processo que por sua vez é

essencial para a coesão das partículas. Além da formação de escória a adição de

3

fundentes é importante no ajuste de qualidade do sínter e no controle da cadeia de

produção de aço.

Com uso difundido nas sinterizações, a cal é um importante fundente. Este

fundente além de ser essencial para a operação do alto-forno, pois aumenta a

capacidade de aglomeração das partículas, permite a manutenção da boa

permeabilidade do leito de sinterização e consequentemente de uma boa

produtividade do processo. Outros tipos de fundentes adicionados à sinterização são

os fundentes a base de MgO e a base de sílica.

Fundentes a base de CaO e fundentes a base de MgO, ambos são

adicionados como carbonatos (calcário – CaCO3 ou dolomita – CaCO3.MgCO3) e

consomem energia, pois sofrem decomposição na máquina de sínter. A diferença é

que as fusões contendo cal ocorrem em temperaturas mais baixas do que as

realizadas na presença de MgO. Já que a presença de MgO leva a formação de uma

estrutura mais estável denominada espnélio (MgO.Al2O3 com FeO).

Adições são os elementos ou compostos incialmente não presentes na carga

ou mesmo rejeitos de todas as unidades da usina adicionados à mistura de

sinterização. Da mesma forma como os fundentes as adições são adicionadas no

processo com objeto de realizar controle e ajuste químico do sínter produzido.

4.2 Processo de sinterização

O processo se inicia quando se define as proporções entre as matérias primas

que serão transportadas para serem misturados em duas etapas, homogeneização e

granulação. A primeira etapa utiliza-se um tambor rotativo buscando obter uma

mistura onde todos os seus constituintes estão distribuídos de forma homogênea. Na

segunda etapa a mistura já homogeneizada parte para se transformar em grânulos

através da adição de água, que gera uma maior coesão e esta dura até o aquecimento

da mistura, onde a água evapora.

Após a formação dos grânulos o material é transportado por uma esteira e ao

atravessar um forno de ignição se inicia o processo de sinterização com a combustão

do coque presente na presença de ar. Logo após o início, o calor do topo da mistura

de sinterização desce percorrendo toda a mistura.

4

Figura 1 - Esquema da máquina de sinterização (PUC Processos de Metalurgia)

A maior parte do calor presente na zona de combustão é absorvido pela

secagem, calcinação e aquecimento das camadas inferiores do leito. Quando a zona

de combustão atingir o fundo do leito da mistura de sinterização o processo finaliza-

se, esquema na figura 1. O produto sínter é então obtido e grosseiramente quebrado.

Após o resfriamento o sínter é peneirado. Apenas os produtos com granulometria

maior que 5mm são considerados válidos (BALL, D.F et al, 1973).

A alguns anos a tecnologia de sinterização, visando a otimizar produtividade

e baixo consumo de energia no processo, tem como meta a produção de sínters

constituídos por uma parte fundida e outra não fundida. Oposto aos sínters produzidos

no passado, chamados de sínters homogêneos, onde se tinha praticamente todo

material fundido, tem-se explorado a produção de sínters heterogêneos, onde a parte

não fundida aumentou significativamente, atingindo patamares de 30% a 40%, ou

mais, da área da seção do aglomerado (Nogueira, 1987). Com isso busca-se

conservar a parte central dos micro aglomerados no momento em que se realiza o

processo térmico, direcionando a fusão para as partículas aderente tentando ter o

menor aporte térmico.

5

4.3 Parâmetros de sinterização

A fim de se obter produtos que venham a atender as necessidades presentes

nos no processo de produção de aço, o sínter deve ser preparado de forma a gerar

um produto poroso com boa resistência e capaz de interagir com os outros

constituintes da carga do alto-forno.

É possível atingir um alto nível de desempenho quando há controle de todos

os seus elementos. Nisso se destaca a importância do controle dos teores de Fetotal,

SiO2, Al2O3, P, Mn, K2O e Na2O do minério de ferro a ser usado.

4.3.1 Controle da umidade

A umidade desempenha um papel importante na formação dos grânulos,

aglomerado os constituintes, que também pode ser interpretada também como a

capacidade dos minérios em armazenar água entre suas partículas. A umidade pode

ser favorável ou desfavorável a granulação. A composição de cada mistura é que

determina o nível ideal de umidade a ser utilizada, dependo de suas características

químicas e físicas.

No processo de umidificação, a umidade é crescente; a um nível baixo de

umidade a granulação das misturas é favorecida pela aderência de partículas finas às

nucleantes. Sendo então a homogeneidade, a distribuição granulométrica e a

esfericidade dos grânulos verdes beneficiadas pela adição de umidade à mistura

(VENKATARAMANA, R. et al, 1998).

O aumento da umidade da mistura eleva a sua porosidade, mas esta

tendência se inverte com o aumento excessivo de umidade. Já quando o nível de

umidade na mistura atinge níveis elevados há a redução da formação de espaços

vazios no leito e o aumento da formação de deformações dos grânulos resultando na

redução da porosidade do leito (VENKATARAMANA, R. et al,1998). Estes prejuízos à

permeabilidade da sinterização são agravados com a presença de maior quantidade

de material fino na mistura. Assim atingir a umidade ótima favorece a otimização dos

6

grânulos e consequentemente a boa permeabilidade do leito sendo estes parâmetros

de vital importância para o bom desempenho da sinterização.

4.3.2 Granulação

O principal mecanismo do processo de granulação é dado pela aderência de

partículas finas em partículas maiores (LITSTER, J.D. E. WATERS, A.G, 1988). As

forças de ligação são principalmente forças capilares, devido à presença de água na

camada de finos. A adição de água durante a granulação é essencial, pois induz a

adesão do material fino às partículas nucleantes (LITSTER, J.D. E. WATERS, 1990).

4.3.3 Controle granulométrico

As distribuições granulométricas dos minérios afetam de forma acentuada as

etapas de aglomeração a frio e a quente do processo de sinterização. Por isso, torna-

se importante controlar as porcentagens das partículas supergrossas, nucleantes,

aderentes, intermediárias e superfinas da mistura a sinterizar. Na tabela 1 estão

classificadas as partículas conforme sua granulometria.

Os fundentes devem ser empregados como partículas aderentes, para que,

após a queima da mistura, venha compor a parte fundida do sínter com características

mais homogêneas possíveis.

7

Tabela 1 - Classificação das partículas (VIEIRA)

4.3.4 Características de produtos sinterizados

Várias fases minerais estão presentes no sínter como hematita, magnetita,

ferrita de cálcio, e silicatos de cálcio com variação na composição química e

morfologia. A ferrita de cálcio normalmente contém alguma sílica e alumina que

também é conhecida como SFCA (“silicoferrites of calcium and aluminium”).

Basicamente o sínter pode se apresentar de duas maneiras em sua forma

final, a forma homogênea e forma heterogênea. Uma das diferencias é o aspecto

visual, sendo como os nomes já dizem homogêneo e heterogêneo. Sendo que o

primeiro obtido com temperaturas mais altas do que 1300°C, enquanto a heterogênea

(figura 2) é gerada com temperaturas próximas, porém abaixo de 1300°C, com

partículas do sínter feed parcialmente fundida.

8

Figura 2 - Microestrutura ideal de sínter (ISHIKAWA)

A heterogeneidade no sínter é formada por hematita porosa junto de ferrita de

cálcio acicular em seu contorno, tem sido ligada a boa qualidades como: boa

resistência física, alto desempenho quanto a redução e fusão a altas temperaturas,

RDI aceitável, por ter excelente redução consome menor quantidade de coque.

A temperatura em cada parte do leito de sinterização é consequência de um

conjunto de mudanças e reações químicas e físicas, como evaporação, calcinação e

fusão parcial. A transferência de calor dos gases, consumo de combustível e das

reações exotérmicas e/ou endotérmicas controlam o calor contido em cada ponto. Já

o teor de FeO está ligado a temperatura máxima, mas este deve ser controlado pois

interfere diretamente nas propriedades do sínter.

O calor fornecido ao processo interfere na redutibilidade, quanto menor o calor

melhor a redutibilidade. A perda de resistência mecânica aumenta abaixo de

determinada faixa de calor, ou seja, menor temperatura na frente de sinterização

acarreta em menor resistência mecânica. O efeito da temperatura de sinterização na

composição mineral revelou que tanto a ferrita de cálcio quanto a hematita primária

decresce com o aumento da temperatura acima de 1250°C. Nesta condição, a

morfologia da ferrita de cálcio muda de acicular para colunar (DAWSON, 1993 b).

9

4.4 Reações na Sinterização

As seguintes reações ocorrem na formação de sínter de minério de ferro:

Reações em estado sólido: sólido-sólido e sólido-gás;

Fusão dos produtos das reações em estado sólido para formar o líquido primário;

Dissolução dos sólidos na porção fundida para formar o líquido secundário;

Recristalização das fases minerais a partir dos líquidos formados.

As Equações de 1 a 14 representam as reações na sinterização. a) Secagem: até 300°C. Vaporização da água livre.

H2O (l) → H2O (v) (1)

b) Desidratação: 400 a 500°C. Vaporização da água combinada Ca (OH)2 → CaO + H2O (v) (2)

c) Redução superficial do minério de ferro

3Fe2O3+ CO → 2Fe3O4 + CO2 (3) Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2 (4)

d) Decomposição de carbonatos: 750 a 1150°C

CaCO3→ CaO + CO2 (5) e) Formação de silicatos: 600 a 1300°C

Al2O3 + SiO2 → Al2O3.SiO2 (6) 2CaO + SiO2 → 2CaO.SiO2 (7)

Fe2O3 + SiO2 + CO → 2FeO.SiO2 + CO2 (8) 2 CaO.SiO2 + 2 FeO.SiO2 → 2(CaO.FeO.SiO2) (9)

f) Formação de Cálcio-ferritas: 600 a 1300°C

CaO + Fe2O3 → CaO.Fe2O3 (10) CaO + 2Fe2O3 → CaO.2Fe2O3 (11)

g) Combustão do Coque: 1300°C

C + O2 → CO2 (12) C + 1/2O2 → CO (13)

h) Formação da magnetita:

3FeO + 1/2O2 → Fe3O4 (14)

10

Com o decorrer do processo de sinterização, o primeiro líquido a ocorrer deve

ser composto de ferrita de cálcio, em um primeiro momento na forma de ferrita de

monocálcio a uma temperatura de 1192°C. A temperatura na frente de sinterização é

crescente fazendo com que este líquido dilui componentes da hematita e ganga

gerando ferritas de cálcio complexas (SFCA, Ca(FeAl)6O10 – Ca5Si2(FeAl)18O36).

Admitindo que a temperatura não exceda 1275°C ferritas de cálcio acicular serão

produzidas, o processo pode ser representado pelo fluxograma da figura 3.

Figura 3 - Fluxograma da produção de Sínter (DAWSON)

Ao longo do resfriamento há a possibilidade de que a hematita e a magnetita

sejam reincorporadas, por meio de reações com os silicatos em estado líquido,

formando SFCA. Este acontecimento é beneficiado pela taxa de resfriamento lenta e

11

resulta na formação de maiores quantidades de cristais de SFCA. A magnetita é

preservada em meio redutor, entretanto em meio oxidante a magnetita forma SFCA.

Um resfriamento mais prolongado aumenta a ocorrências deste fenômeno,

enquanto o resfriamento rápido tende a formar silicato de cálcio. A viscosidade

controla a formação de SFCA, quanto menor a viscosidade menor será a formação de

SFCA. Considera-se o líquido como um silicato fundido com a rede de silicato e com

outros componentes presentes atuando ou como formadores de rede ou

modificadores desta. Enquanto Al2O3, que propicia a formação de SFCA, desempenha

o papel de formador de rede, MgO a coíbe, atua como modificador de rede. Já a

relação alumina/sílica e o aumento da basicidade favorecem a formação de ferrita de

cálcio. Para uma basicidade acima de 1,8 a ferrita de cálcio e silicato de dicálcio são

formados. Na tabela 2 se encontra um resumo do comportamento desses elementos

em relação a formação de ferrita de cálcio.

Tabela 2 - Fatores influentes na formação de ferrita de cálcio (DAWSON)

4.5 Mineralogia do sínter

A basicidade, está diretamente liga a distribuição das fases na estrutura do

sínter. A presença de FeO e SiO2 assim como a basicidade do sínter, são

responsáveis por abaixar o ponto de fusão do sínter. A hematita também exerce sua

influência nas propriedades do sínter, podendo ser relacionada a degradação sob

redução com fração de hematita. Na transformação de redução hematita-magnetita a

estrutura cristalina dos óxidos sofre com uma tensão interna dos óxidos de ferro que

por consequência produz degradação na estrutura interna do sínter. Por natureza

12

hematita primárias e secundárias fazem parte da estrutura cristalina do sínter. A

degradação maior é gerada pela presença pelas hematitas secundárias, que são

formadas no veio do sínter durante o resfriamento enquanto há oxigênio do ar. O teor

de FeO na mistura assim como as hematitas modificam de forma direta a degradação

por redução dos produtos sinterizados. A presença de FeO pura e simplesmente não

afirma propicia a redução da degradação, pois em presença de SiO2 o FeO poderá

formar estruturas denominadas fayalitas (2FeO.SiO2), estruturas muito estáveis e

difíceis de serem reduzidas. Já a presença de MgO leva a formação de espinélio

(MgO.Al2O3 com FeO) que são estruturas relativamente fáceis de serem reduzidas.

13

5 MATERIAL E MÉTODOS

5.1 Material

O material desse trabalho é a mistura base do sínter (sínter feed, combustível

sólido, fundente e fino de retorno). O sínter feed foi obtido junto a CSN, assim como o

fino de sínter, o coque (moinha de coque) e o calcário, utilizado com fundente. A

mistura a ser sinterizada foi definida através da realização de cálculos de balanço de

massa do processo de sinterização.

5.2 Métodos

5.2.1 Obtenção da mistura a sinterizar

Para obtenção da composição da mistura de sinterização faz-se uso de um

cálculo de balanço de massa onde foram consideradas as principais reações químicas

do processo, baseado em práticas operacionais atuais de usinas siderúrgicas. Os

percentuais mais importantes dentro do processo de sinterização são: percentual de

ferro (Fe), sílica (SiO2), calcário (CaO), presentes no sínter feed, na moinha de coque,

no calcário e nos finos de sínter.

Tabela 3 - Balanço de massa

Materiais kg/kgmx Fe SiO2 CaO PPC

Sinter Feed 0,504 0,61 0,06 0,00 0,00 Moinha de Coque 0,059 0,01 0,07 0,01 0,85 Calcário 0,137 0,01 0,02 0,50 0,40 Finos de Sínter 0,300 0,55 0,06 0,10 0,00

Sinter Final 0,895 0,53 0,06 0,11 0,12

A tabela 3 mostra a composição química de cada elemento, e também o

resultado da proporção entre cada elemento da mistura, o seu balanço de massa. O

valor de PPC (perda por calcinação), computa a perda gerada pela calcinação do

carbonato que nesse experimento foi calcário (CaO).

14

5.2.2 Metodologias em Escala de Bancada

O procedimento realizado na sinterização em escala de bancada deste

trabalho seguiu as principais etapas realizadas para a sinterização industrial, as

etapas para sinterização em bancada são:

Peneiramento dos constituintes:

Pesagem dos materiais;

Determinação da umidade de saturação

Mistura e granulação a frio em tambor rotatório;

Carregamento da mistura no pote;

Sinterização;

Resfriamento;

5.2.2.1 Peneiramento dos constituintes

As matérias, sinter feed, finos de coque e moinha de coque, além de estarem

em quantidades corretas em massa também precisam também estar em

granulometria correta por isso fez-se uso de peneiras Tyler (figura 4).

15

Figura 4 - Conjunto de peneiras da Série Tyler

Como já discutido, a granulometria tem papel importante na formação do

sinter, sendo assim cada constituinte deve peneirado para separar por granulometria

de interesse. Para o sínter feed utilizou-se dois grupos, um grupo com partículas entre

3 e 6 milímetros que são as consideradas nucleantes, e outro grupo com partículas

de 0,5 a 1 milímetro, ambas presente no momento de formar mistura a sinterizar. O

fino de sínter deve ter granulometria entre 1 e 3 milímetros, a moinha de coque

também com granulometria entre 1 e 3 milímetros.

5.2.2.2 Pesagem dos materiais

A pesagem dos materiais utilizados na mistura que irão gerar o sínter, foram

realizadas cada um separadamente. Toda medição realizada com uma balança semi-

analítica Série BK 3000 que tem capacidade de capacidade 3100 gramas e divisão:

0,01 gramas fabricada pela Gehaka (figura 5).

16

Figura 5 - Balança Gehaka Série BK 3000

5.2.2.3 Determinação da umidade

A umidade foi determina colocando parte da mistura em um filtro de papel,

após isso se adiciona água com um borrifador até uma quantidade em que água

atravesse toda mistura formando a primeira gota a sair do filtro de papel, assim terá

se atingindo a limite de absorção de água pela mistura.

Determinar o valor em volume da água utilizada para chegar o limite de

absorção seria realmente difícil, por isso a utilização da massa de água foi escolhida

por ser mais fácil de obter, bastando saber quanto uma borrifada representava em

média em massa. Após medições ficaram determinado que uma borrifada

correspondesse aproximadamente 0,7 gramas. Com 30 borrifadas chegou-se ao limite

de absorção de mistura de teste que tinha 164 gramas. O valor de 30 borrifadas nos

dá 21 gramas de agua para a saturação da mistura.

17

Na tabela 2 é mostrado como a massa de mistura utilizada e a quantidade de

água absorvida na mistura.

Tabela 4 Cálculo da água a adicionar

Mistura de teste Mistura a pelotizar

Mistura de sínter (g) 164,0 731,0

Massa média de água uma borrifada (g) 0,7 0,7

Número de borrifadas 30,0 80,2

Massa total de água borrifada (g) 21,0 56,2

Usou-se proporção entre massas de sínter e da água borrifada da mistura de

teste pra determinar o quanto de água será necessária para obter uma mistura pronta

pra pelotizar. A massa de água a ser borrifada é dada por:

. Massa total de água a ser borrifada

=(( massa média de água uma borrifada na massa de teste x massa da mistura a pelotizar)x 0,6)

(massa da mistura de teste)

A constante 0,6 se deve ao fato de que uma umidade ótima para a pelotização

é de 60% do valor de saturação de umidade da mistura. Por formula semelhante pode

se obter o dado prático de quantas borrifadas são necessárias para obter umidade

ideal para a pelotização. Já o número de borrifadas é dado por:

Número de borrifadas

=((número de borrifada na massa de teste x massa da mistura a pelotizar) x 0,6)

(massa da mistura teste)

O número de borrifadas será utilizado quando for misturar no pelotizador.

5.2.2.4 Mistura e granulação

18

Depois de se realizar os processos de determinação das massas através do

balanço massa, pesagem e determinação da umidade ótima, os materiais já estão

prontos para a próxima etapa que é a mistura e granulação. Esta etapa visa obter uma

mistura homogênea com formação de grânulos. O primeiro passo foi colocar todos os

elementos em um tubo de PVC vedado em um dos lados e outro com apenas uma

tampa parcial, formando um tambor ideal para a mistura.

Este PVC é colocado sobre um moinho de bolas (figura 6), que irá gerar

rotação fazendo PVC rotacionar. Com todos os elementos ainda secos dentro do tubo

de PVC, ligou-se o moinho de bolas, com a rotação os elementos que compõem a

mistura de sínter se comportam com as partículas finas ao fundo, grossas a cima mas

não gerando qualquer aglomeração.

Por isso se fez necessária a adição de água para geração de grânulos,

necessário para melhor queima e formação de sínter de qualidade. A adição de água

respeita as formulas já vistas.

A água foi sendo adicionada aos poucos para que toda mistura vai absorvendo

e formando grânulos com a rotação do tambor permanece constante a 17 rpm

(velocidade nominal do equipamento), até que toda água necessária seja adicionada

a mistura que está sendo combinada. Com isso o processo de mistura e granulação

tem fim (figura 7), a mistura pronta para ser carregada assim ocorrer a sinterização

em mufla elétrica.

19

Figura 7 - Mistura umedecida

Figura 6 - Moinho de bolas

20

5.2.2.5 Carregamento da mistura

Foi utilizado como recipiente um pequeno recipiente de aço de forma cilíndrica

que simula uma mini-retorta com raio de 2,5 centímetros e altura 8 centímetros (figura

8), com o objetivo de receber as mistura. A distribuição foi de forma com houvesse

uma camada de sínter feed ao fundo, mistura pelotizada ao centro com outra fina

cama de coque acima. Tudo isso permitindo com que um tubo pudesse estar

centralizado no recipiente para realizar a extração e gases que emanam durante a

queima (figura 9).

Figura 8 - Mini-retorta com sínter feed em seu fundo

21

Figura 9 - Carregamento da mistura na mini-retorta

5.2.2.6 Sinterização

Para a sinterização foi necessária adaptação com um tubo de aço fino afim

conectar o recipiente com a mistura a um aspirador (figura 10).

Figura 10- Mufla adaptada para sinterização

22

Após mistura pronta, fechou-se a mufla, ligando-a e programando-a para que

atinja sua temperatura nominal de 1350° C. Inicialmente não se realizou aspiração,

pois ainda não se faz necessário por não haver reação do carbono formando CO e

CO2. Por volta de 600°C essas reações começam a ocorrer, quando se ligou o

aspirador, para retirada dos gases e acelerar a queima do coque.

Assim permanece quando atingimos a temperatura máxima, conforme a curva

de aquecimento da mufla (gráfico 1). Depois de atingida a temperatura máxima,

permaneceu-se nela por 10 minutos.

Gráfico 1 Curva de aquecimento da mufla 1

5.2.2.7 Resfriamento

O resfriamento aconteceu no próprio forno, a fim de evitar choques bruscos

no de temperatura no sínter criado.

5.2.2.8 Preparação metalográfica

Preparou-se o material obtido com os seguintes passos:

Cortou-se para chegar a um tamanho de amostra de fácil embutimento;

Embutiu-se a frio amostra em resina;

Lixamento da amostra com resina já seca em lixas de 38, 220 e 2250 grãos;

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Tem

oer

atu

ra (

°C)

Tempo (min)

Temperatura (°C) x Tempo (min)

23

Polimento com alumina de 1 micron.

Dessa forma chegou-se ao produto da figura 11.

Figura 11- Amostra de sínter para análise microscópica

6 RESULTADOS E DISCUSSÃO

6.1 Analise dos Aspectos Visuais

Assim que a amostra é retirada do forno, a mais simples e direta analise que

pode ser realizada sem dúvidas é a inspeção visual do suposto sínter. O material

obtido (figura 12) é de forma muito semelhante a de um sínter industrial (figura 13),

apresentando porém uma maior porosidade, fruto de um incidente ocorrido durante o

experimento. Durante o aquecimento parte do material contido na mini-retorta em

alguém momento foi succionado junto aos gases produzidos pela combustão do

24

coque, jogando parte dos finos tanto no aspirador quanto na parte externa da mini-

retorta. Fato que muito provavelmente ocorreu na faixa de temperatura entre 1000°C

a 1100°C, pois durante o experimento na faixa de a mufla expeliu muita fumaça, o que

pode se supor ser os finos sendo queimados.

Figura 12 - Aparência do produto obtido

25

Figura 13 - Sínter industrial

As imagnes nos auxiliam a ter uma ideia da semelhança entre os compostos,

mas ainda não é uma boa análise o suficiente.

6.2 Análise microestrutural

Uma análise da microestrutura se fez necessária para uma investigação mais

aprofundada das microestruturas presente no material obtido. Lembrando que são

duas possíveis formas de sínteres, o homogêneo e o heterogêneo, cada um com sua

característica microestrutural. Enquanto o sínter heterogêneo apresentar hematita

porosa junto de ferrita de cálcio acicular em seu contorno, o sínter homogêneo tem

uma estrutura totalmente fundida.

A microestrutura que pôde ser encontra no produto do processo é dado pelas

figuras 14 e 15 para ampliações de 500 e 1000 vezes respectivamente:

26

Figura 14 - Micrografia ampliação 500 vezes

Figura 15 - Microestrutura ampliação 1000 vezes

As micrografias revelam uma microestrutura similar a um aço (sem ataque),

mais uma vez a perda de partículas finas pode ter sua participação no desvio do que

27

era esperado, partículas essas essenciais para formação de sínter heterogêneo como

já foi visto no capítulo anterior. Logo essas microestruturas são razoáveis dentro de

tudo que ocorreu durante o processo.

6.3 Método comparativo

Para se chegar a um resultado (o quão próximo a microestrutura do produto

está de um sínter industrial) consistente utilizou-se do método comparativo de

microestruturas, que por semelhança identifica a microestrutura que foi obtida como

resultado do processo. Comparando a micrografia (figura 16) do produto do processo

tem-se um indicativo que o produto obtido não se aproximou de forma esperada de

uma microestrutura típica de sínter industrial (figura 17).

Figura 16 - Microestrutura ampliação 100 vezes

28

Figura 17 - Amostra ampliação 100X

Essa analise pode ser boa, mas não conclusiva sobre o método e o modo

sobre como o experimento foi realizado e o material final obtido. Pois olhando as

micrografias confrontamos com diferenças que não chegam a ser gritantes, porem

consideráveis. Um fato ocorrido durante o experimento faz-se pensar sobre essa

diferença nas microestruturas. Por falha no aspirador já na temperatura de 1300°C

pode ter de alguma forma mudado a estrutura final do produto, já que o sínter não

possuía mais a circulação necessária de oxigênio.

29

7 CONCLUSÕES

O trabalho baseou-se em realizar todas as etapas necessárias para a

produção de sínter em bancada, que são também muito semelhantes àquelas

utilizadas para o sinter industrial. O método em bancada se mostrou ser eficiente até

o passo de pelotização, faltando ajustes ainda a adaptação da mufla para realizar tal

atividade, contudo as microestruturas obtidas levam a crer que o método pode cumprir

o objetivo de sinterizar. Lembrando apenas que o objetivo de se testar a possibilidade

de sinterizar foi realizada. Com esse trabalho fica aberta a possibilidade de se tentar

outras alternavas de misturas e métodos.

30

8 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

Por se tratar de uma estudo primário, muito há o que se evoluir, em vários

aspectos, podendo ser citado, preparação das adaptações necessárias para a

realização do processo de sinterização em bancada. O processo precisa ser realizado

com um controle maior das especificações dos constituintes da mistura para uma

análise mais precisa para que ser validado como meio de comparação e pesquisa

para desenvolvimento de novas composições de misturas e métodos de preparo de

misturas. Novos teste como os de compressão e impacto, poderiam trazer novos

dados.

31

9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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