Engenharia de Processos - Apuntes Siderurgia MIN238 2010 I Aglomeração

Disciplina: MIN238 – 11 ENGENHARIA DE PROCESSOS

Prof. Miguel G. P. Sánchez - I - Semestre de 2009

Universidade Federal de Ouro PretoEscola de Minas

Departamento de Minas

CAPÍTULO I

INTRODUÇÃO À SIDERURGIA

Universidade Federal de Ouro PretoEscola de Minas

Departamento de Minas

Definição

Siderurgia é a parte da tecnologia metalúrgica que engloba os processos de obtenção de produtos à base de ferro, na forma de graneis (ferro-esponja), lingotes (gusa), laminados planos, tubulares e perfilados (aços comuns e especiais) com características de qualidade requeridos pelo mercado consumidor: Industria automobilística, eletro-domésticos, construção em geral, química, mecânica, petroquímica e fundições, entre outros.

Introdução à Siderurgia

Siderurgia – Matéria Prima – Minério de Ferro1. MAGNETITA: Fe3O4 Cor cinza escura a preta. Contém até 72,4% de Fe. Rochas ígneas, sedimentares e metamórficas.

2. HEMATITA: Fe2O3 Cor cinza brilhante e vermelho marrom. Contém até 69,5% de Fe.Constituinte da maioria dos minérios de ferro no Brasil, é de origem metamórfico.

3. LIMONITA: Fe2O3 . nH2O Cor amarela a marrom, contém entre 52,3% até 60,3% de Fe. É um óxido hidratado com misturas variadas de goetita (αHFe2) e lepidocrocita (ßFe2O3OH2).

4. SIDERITA: FeCO3

Cor clara a cinza esverdeado. Carbonato de ferro, com 48,3% de Fe.

PIRITA: FeS2 (Marcassita)Logo da ustulação na produção de ácido sulfúrico, transforma-se em óxido com até 45,0% de Fe.

ILMENITA : FeTiO3 Até 36,8% de Fe.

Siderurgia – Matéria Prima – Minério de Ferro

Outras substancias típicas nas jazidas:Carbonatos, Sílica, Alumina, Argila, Enxofre, Fósforo, Manganês e Magnésio

BIF: rocha sedimentar ou metassedimentar química ou vulcanoquímica estratificada, 50% de Fe, camadas ritmicamente alternadas de óxidos, carbonatos ou silicatos de ferro.

Itabirito: formação ferrífera bandada (BIF) metamorfisada, 30 a 55% de Fe, níveis de hematita (±magnetita) e silicatos.Itabirito duro (ID): compacto, 43,7% FeItabirito brando (IB): bandado – friável, 54,1% Fe

Siderurgia – Matéria Prima – Minério de Ferro

Hematita Semibranda (HSB): minero bandado, hematita – martita, 66,7% Fe.

Hematita Branda (HB): hematita cinzento-escuro, 66,3% Fe.

Hematita Dura (HD): minério compacto, constituído por especularita, com ou sem óxidos ferríferos, sem quartzo, 66,2% Fe.

Hematita Semidura (HSD): minério bandado, especularita+martita – goethita+limonita, 65,9% Fe.

Canga de minério: trata-se do material limonítico (óxidos hidratados de ferro), com argila e pobre em fragmentos detríticos, entre 56,8% e 64,1% Fe, conforma comumente o capeamento das jazidas.

Siderurgia – Fonte de ferro

Operações mecânicas

LavraBritagemMoagemPeneiramento (classificação pelo tamanho) Homogeneização

Classificação gravimétricaFlotaçãoLavagemCalcinaçãoConcentração magnética

Classificação e concentração

Aglomeração

BriquetagemNodulizaçãoSinterizaçãoPelotização

Principais operações de beneficiamento empregadas na mineração de ferro.

Objetivo: Redução de Tamanho

Tipos Primária : 1200 mm 300

mm Secundária : 300 mm 50

mm Terciária : 50 mm 6,35 mm

Equipamentos Britadores Giratórios Britadores de Mandíbulas

BRITAGEMBRITAGEM

BRITADOR DEMANDÍBULAS

Objetivo: Separação por Tamanho

Equipamentos Peneiras Vibratórias Classificadores Hidrociclones

CLASSIFICAÇÃOCLASSIFICAÇÃO

HIDROCICLONE

PENEIRAVIBRATÓRIA

Objetivo: Separação de Minerais

Tipos Gravimétrica

Jigues: - 6,35 a 1,0 mm Espirais: - 1,0 mm a 0,15

mm Magnética

Separadores Magnéticos: - 1,0 mm ou - 0,15 mm

Físico/Química Células de Flotação:

Mecânicas ou Coluna: - 0,15 mm

Necessidade de Moagem

CONCENTRAÇÃOCONCENTRAÇÃO

CÉLULA DEFLOTAÇÃO

MOINHO


Bitolado: Padronização granulométrica das matérias primas em tamanhos adequados para uso posterior (homogeneização, transporte, estocagem, metalização, fundição ou comercialização).

BITOLADOS

Lavra

Finos < 10 mmMédios, de 10 a 25 mmGrossos, de 25 a 100 mmBruto (lump, ROM), < 1200 mm

Minério granulado entre 10 a 50 mmMinério de 0,07 a 9 mm Sinter de 6 a 40 mmMinério < 0,04 mm Pellets de 10 a 25 mm

Minério no alto-forno

GranuladosSiderurgia Siderurgia

Pellet Feed

Sinter Feed

Pelotização

Britagem

Classificação

Concentração


BITOLADOS

Siderurgia – Fonte de ferro – Sínter


Na mineração de Ferro: 55% finos < 10 mm.Operação de alto-forno: requere de minério médio mínimo entre 10 e 30mm.Sinterização: recebe os materiais entre 0,1 e 10 mm,

Sinterização = Reconstituir por aglomeração a partir de materiais finos a pedaços grandes de minério, adequados ao carregamento e operação do alto-forno.

Consiste na semi-fusão redutora-oxidante (1200 – 1400°C) de misturas de matérias primas dosadas + umidade controlada + combustível.

CALOR

Fundentes,Adições

Água,CoqueM

atér

ias

prim

as

(fin

os)

Mis

tura

me

nto

Sinterização

Tra

tam

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Me

cân

ico

SÍNTERSÍNTER

Fumaça

Finos

Massa Porosas

Aspiração do ar (exaustão)


Forno de ignição

Alimentador

Chaminé

Exaustor Caixa deDespoeiramento

Tambor de mistura

A B C D E F

Silos de armazenagem

INSUMOSA:Finos de retornoB:Finos de minérioC:CoqueD:CalcárioE:Pó de alto fornoF:?

Fragmentação do bolo de sinter

Peneiramento a quente

Sinter

Peneiramento a frioFinos de retorno

Resfriador rotativo

Siderurgia – Fonte de ferro – Sínter – Sinterização

Grelhas móveis

Ignição

Carga

Grelha falsa Sínter


Alimentação: 27% < 5 mm, 73% 5 < < 10 mm.Grelha falsa: briquetes entre 20 e 25 mm ; 7% da carga.Coque: < 1,6 mm ; 8 a 12% na carga; distribuição / evitar elevada t°CUmidade da mistura: 6 a 12%; equilíbrio: aglomerante – porosidade da camada – permeabilidade.Calcário: < 3,0 mm ; aglomerante – reduz formação de silicatos de ferroIgnição: inicio entre 800 - 1000°C (20 – 30 s) ; manter um frente de igniçãoAltura da Camada: > H eficiência térmica ; < H maximização permeabilidade.Velocidade da esteira (v) = V (H / L) ; V: sinterização ; H: altura camada ; L: comprimento da máquina.Densidade de Carga: > ρ < permeabilidade

--- Produto ---retorno por peneiramento: (< 5 mm) em média 35% ;Material à redução: 66% entre 5 < < 50 mm ; com < 4% < 5 mm

Fonte: Tetti U. 2004



Mecanismo da Sinterização: - Físico: transferência de calor da parte superior à inferior- Químico: combustão do combustível (coque) gerando reações químicas que evoluem em função da reatividade dos materiais, quantidade de combustível, umidade e composição química da mistura.

Zona Úmida: t < 100 °C

Zona de Secagem: t entre 100 e 500°C

Zona de Reação: t > 900°C 1200°C

Zona de Resfriamento: t < 900°C

t passa rapidamente de 100 e 500°C 1200°C


Na zona úmida:

CaO + H2O Ca (OH)2 + Calor

Na zona de Secagem:

H2O l (H2O) g – Calor

Ca (OH)2 CaO + H2O – Calor

Na zona de Reação:

2C + O2 2CO + Calor

C + O2 CaO2 + Calor

CaCO3 CaO + CO2 – Calor

binárias

2CaO . Fe2 O3

CaO. Fe2 O3

CaO . 2Fe2O3

Ternárias

CaO . FeO . Fe2 O3

3CaO. FeO . 7Fe2 O3

4CaO . FeO . 4Fe2O3

CaO. 3FeO . Fe2 O3

Siderurgia – Fonte de ferro – Pellets

PELOTIZAÇÃO

ACIARIA

REDUÇÃO

PELOTAS

ALTO FORNO

REDUÇÃO DIRETA FERRO ESPONJA

FERRO GUSA

FORNOS ELÉTRICOS

CONVERSORES A OXIGÊNIO

AÇO

Siderurgia – Fonte de ferro – Pellets I – PREPARAÇÃO DE MATÉRIAS PRIMAS

Minério de ferro: Finos e/ou concentrados ( 100%< 0,15 mm ; )Moagem (Moinho de bola): 80 a 95% < 0,044 mm ; superfície especifica 1450 cm2 / g.Classificador - hidrocicloneConcentração - espessadorFiltração - filtro de vários discos : reduze a umidade < 8%Adição de aglomerante e aditivos: (2 – 3%) cal hidratada, bentonita, dolomita, etc.

II – FORMAÇÃO DAS PELOTAS CRUAS (Pelotamento)

Rolamento: Tambores, DiscosDiscos ou Cones rotativos(Aderência capilar da água + ação rotativa pelota)Peneiramento em rolos: 85 – 95% retido + 10,0 mm e – 16,0 mm

III– PROCESSAMENTO TÉRMICO

Forno: Verticais (Cuva), Rotativos (Grate-Kiln) ou Grelhas móveis Grelhas móveis (Lurgi-Dravo ou Dwight-Lloyd)

Siderurgia – Fonte de ferro – Pellets

Siderurgia – Fonte de ferro – Pellets – Pelotamento

Disco pelotizador

Rotação: 15 rpmInclinação: 45º


Disco pelotizador

Disco pelotizador (rolamento)



Fatores que influenciam nos mecanismos de união:

Teor de umidade.Características físicas das partículas.Tipo e quantidade de aglomerante. Equipo utilizado.Estrutura dos porosCaracterísticas químicas da matéria prima.E outros

Película de água + aglomerante

Partícula

Siderurgia – Fonte de ferro – Pelotas (Pellets)

Fe2O3Fe2O3 – Fe2O3

Pontes1200°C

CaO CaO . SiO2 ; 2CaO . SiO2 ; CaO . Fe2O3

Complexos

Pelotas Matéria prima para Reatores SiderúrgicosResistência física para o transporteBaixos teores de impurezas (fósforos, enxofre, álcalis, etc.)Alta redutibilidadeBaixo inchamento

Siderurgia – Fonte de Redutor Sólido

LinhitoAntracito

Betuminoso (Hulha)Betuminoso (Hulha)

Sub-betuminoso

TurfaCoque Metalúrgico

Coque Petróleo

Carvão VegetalSiderurgia – Fonte de Redutor Sólido


O carvão compõe-se, principalmente de matéria orgânica de origem vegetal, que se alterou por decomposição, resultado da compressão e aquecimento durante longos períodos de tempo submersos na crusta terrestre. Além da matéria orgânica, contem constituintes minerais (da mesma planta) e de outros componentes inorgânicos arrastados durante sua formação.

Para expressar a composição do carvão, usam-se dois tipos de análise: análise elementar (elementos químicos mais importantes) e análise industrial (mais comum),

Elementar % Industrial %

Umidade 9,61 Umidade 9,61

Cinzas (corrigidas) 9,19 Cinzas 9,37

Carbono 66,6 Carbono fixo 50,34

Hidrogênio livre 3,25 Materiais voláteis 30,68

Enxofre 0,49

Nitrogênio 1,42

H2O combinada 9,44


1 kilocalorie [15° C] = 3.9673727 Btu1 kilogram = 2.2046226 pound

kilocalorie/kilogram * (3.9673727 / 2.2046226) = Btu/libra

kilocalorie/kilogram * 1.79957 = Btu/libra


Qualidade, ou grau de carbonização do carvão:

(proporção combustível)

A qualidade combustível de um carvão define-se como a relação entre a sua percentagem de carbono fixo e a de materiais voláteis.

Qualidade ou grau de carbonização

Proporção combustível

Antracite 10 a 60

Semiantracite 6 a 10

Semibetuminoso 3 a 7

Betuminoso 0,5 a 3

Combustíveis de qualidade menor aos betuminosos, como são sub-betuminosos e lenhitos, podem estar dentro do intervalo dos betuminosos, mas, sua qualidade é caracterizado pelos teores elevados de água e oxigênio.


Poder calorífico do carvão: (potencia calorífica)

O poder calorífico superior (P.C.) de um carvão pode determinar-se por medida calorimétrica direta e expressar-se geralmente em BTU / libra ou Kcal / Kg.

Logo o P.C. inferior obtém subtraindo do P.C. superior , o calor de vaporização a 25 ºC da água.

P.C. inferior = P.C. superior – 8,94 x H x 1050

P.C. =(BTU/libra)

H = (fração ponderal do hidrogênio total, incluindo o livre e da água (umidade e combinada)


Poder calorífico do carvão: (Dulonng)

Uma aproximação aceitável do poder calorífico (P.C.) de um carvão pode obter-se considerando cada um dos constituintes combustíveis, carbono, hidrogênio livre e enxofre, no seu estado elementar.

P.C. superior = (14490 x C) + (61000 x Hα) + (5550 x S)

P.C. superior = poder calorífico , em BTU/libra

C, Hα, S = frações em peso de carbono, hidrogênio livre e enxofre, respectivamente.

Elemento Poder calorífico, em BTU/lb

Carbono 14490

Hidrogênio (total) 61000

Hidrogênio (livre) 51610

Enxofre (FeS2): considerando que os elementos se queimam ou transformam em SO2 e Fe2O3

5550


Poder calorífico do carvão: (Uehling)

Relação entre a potência calorífica do carvão por libra de carbono total e a sua qualidade.

Qualidade P.C. Teor de hidrogênio disponível

Coque 14490 0,0

Antracite 16100 0,029

Semibetuminoso

17400 0,049

Betuminoso 17900 0,054

Sub-betuminoso 17600 0,045

Lenhito 17100 0,037


Um carvão forneceu as seguintes análises:

1- Determine a qualidade ou grau de carbonização deste carvão.

2- O poder calorífico superior pela fórmula de Dulong.

3- O poder calorífico superior pela formula de Ueling.

4- O teor de hidrogenio disponível pelo método de Ueling.

Elementar % Industrial %

Umidade 2,97 Umidade 2,97

Cinzas (não corrigidas) 2,94

Carbono 84,39 Carbono fixo 56,34

Hidrogênio disponível

4,81 Materiais voláteis 37,75

Enxofre 1,02

Nitrogênio 2,00

H2O combinada 7,78


Linhito

Antracito

Betuminoso (Hulha)Betuminoso (Hulha)

Sub-betuminoso

Turfa

92 - 96

82 - 92

Carbono%

73 - 82

65 - 73

55 - 65

Umidade%

< 3

5 - 10

15 - 30

20 - 40

> 70

Cinzas%

2 - 3

3,5 - 9,1

4 – 6,5

6 - 7,5

8 - 15

Poder calórico (MJ/Kg)

23 -33

24 - 35

20 - 21

10 - 20

9 - 14

Coque Metalúrgico < 5 < 9 29,29

Coque Gás 22,59

Coque Petróleo 10 0,2 35,5988

Coque Lenha (pouco comum) 31,82

Carvão Vegetal 31,40

Car

vão

Min

eral

Siderurgia – Coque Siderúrgico

10 – 20 mm

3 – 0,5 mm

Siderurgia – Coque Siderúrgico

O coque é formado pela “destilação”, em fornos de coqueificação com atmosfera e temperatura controladas, de uma mistura de carvões mineraismistura de carvões minerais que devem possuir propriedades físico-químicas tais que o coque produzido seja capaz de atender a requisitos de qualidade.

Propriedades Físico–Químicas do Carvão Mineral

Carbono fixo ; umidade ; cinzas ; enxofre ; fluidez ; refletância ; dilatação

Coqueificação(média 1200ºC)

Propriedades Físico–Químicas do Coque

Carbono fixo entre 78 e 90%Carbono fixo entre 78 e 90%Baixa umidadeAlta resistência mecânica à compressãoElevada porosidadeFacilidade de queimaAlto ponto de fusão Elevado poder caloríficoElevado poder caloríficoReatividade com COReatividade com CO22

Baixos teores de S, P e cinzas

Gás e Subprodutos

Siderurgia – Coque Siderúrgico - Coqueificação

Vista geral de uma bateria de fornos para coqueificação (Koppers Company).

Seqüência de operações em um dos fornos de coqueificação

Siderurgia – Coque Siderúrgico – Coqueificação

Principais Produtos Obtidos pela Destilação do Carvão Mineral

Carvão

Gás Impuro

Alcatrão

Amônia

Enxofre

Óleos Leves

Gás Combustível

Coque

100ºC : evaporação da umidade

350 - 420ºC : derramamento das substancias betuminosas e transformando ao carvão numa massa plástica

600ºC : carvão se aglomera numa massa dura

> 600ºC : coque

1000 Kg CM 750 Kg coque + 300 m3 gases

(britagem 50 – 100 mm no AF)

>85% CVoláteis <2%

S <1%> 29 MJ/Kg

Siderurgia – Fonte de fundentes

Os Fluxantes mais empregados são o calcário (CaCO3) e a dolomita (CaCO3 .

MgCO3) . Também são utilizados a cal (CaO) e a magnésia (MgO)

Aquecimento a temperaturas superiores a 900ºC

Calcário (CaCO3) CaO + CO2

Dolomita (CaCO3 . MgCO3) MgO + CaO + CO2

O tempo de aquecimento depende do tamanho da matéria prima

25 mm 1,5 h

125 mm 8,0 h

A relação entre os óxidos ácidos (SiO2) contida na ganga do minério de ferro e os óxidos básicos (CaO e MgO) influi na viscosidade da escória e no poder dessulfurante.

Bibliografia consultada

Houghen O. A. Watson K. M. Ragatz R. A. 1972. Princípios dos Processos Químicos. I Parte – Balaços materiais e energéticos. Versão portuguesa. Editora Lopes Da Silva. Porto. 591 p.

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