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s e t / o u t2014 | VoLuMe 70 | ReVista aBM – MetaLuRGia, MateRiais & MiNeRaÇÃo
caderno técnico 0417
417caderno técnicoTOMOGRAFIA NA PELOTIZAÇÃO
DE MINÉRIO DE FERRO Evolução da estrutura interna de pelotas em diferentes
estágios de produção registrada por meio de tomografia computadorizada de raios X
Diogo Cesar Borges [email protected]
Dafne Pereira da [email protected]
Sandra Lucia de [email protected]
João Batista Ferreira [email protected]
Luciana Wasnievski da Silva de Luca Ramos
Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de
São Paulo - IPT
ABSTRACT X-Ray Computed Tomography technique was employed to characterize the inner structures from iron ore pellets during
their production process. The present paper analyzes the selection of suitable machine parameters and the handling of the resultant
3D point clouds data. Changes in pellets inner structure along the production stages are also presented and briefly discussed.
A Tomografia Computadorizada por raios X (TCX) foi utilizada pela primei-ra vez na década de 1970 para realizar diagnósticos radiológicos, abrindo no-vas possibilidades de pesquisa para o campo da engenharia biomédica. Ofere-cendo imagens transversais nunca antes vistas do corpo humano, a TCX se tor-nou um componente essencial em clí-nicas e práticas médicas, em um grande número de diagnósticos e tratamentos.
Avanços da tecnologia a tornaram ade-quada para outras aplicações, fora do cam-po da medicina. Quando empregada como ferramenta de inspeção, descontinuidades, rachaduras e vazios podem ser detectados, sem destruir a estrutura da amostra.
Recentemente, a TCX tem sido em-pregada como técnica de metrologia in-dustrial para o exame de geometrias in-ternas e externas de peças de uma forma não destrutiva[1]. Muitos trabalhos fo-ram publicados recentemente reportan-do os princípios relevantes da TCX para a Metrologia Dimensional, relacionados ao cálculo de incerteza, à rastreabilida-de[2-3] e a potenciais aplicações[4].
Em geral, em um equipamento de TCX, a amostra é rotacionada dentro do campo de radiação de uma fonte de raios X, como mostrado na figura 1. A distribuição da radiação remanescente, após atravessar o objeto em estudo, é determinada por um detector e digitalmente armazenada como uma projeção. As projeções obtidas durante a completa rotação da amostra alimentam um algoritmo matemático que constrói um modelo volumétrico virtual 3D, também chamado de nuvem de pon-tos, que contém informações da estrutura interna e externa da amostra.
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Pelotas de minério de ferro estão en-tre as principais matérias-primas utili-zadas em siderurgia. Além de aumentar a produtividade dos altos fornos e de ser a principal matéria-prima para redução direta, as pelotas apresentam proprieda-des físico-químicas e metalúrgicas em conformidade com os processos indus-triais das usinas siderúrgicas integradas e com as plantas de redução direta.
O processo de pelotização foi introdu-zido no Brasil por meio de um convênio da Vale (na época Companhia Vale do Rio Doce) com o Instituto de Pesqui-sas Tecnológicas do Estado de São Pau-lo - IPT, na antiga Secção de Matérias--primas Siderúrgicas, atual Centro de Tecnologia em Metalurgia e Materiais. É essencialmente baseado na formação de pelotas “verdes” pelo rolamento dos finos do minério ou concentrado, previamen-te misturados com os aditivos (calcário, carvão) e o aglomerante. Após secagem as “pelotas secas” são sinterizadas, sendo então chamadas de “pelotas queimadas”.
A avaliação das propriedades das pelo-tas é extremamente importante, visto que pelotas de minério de ferro de alta qua-lidade e alto teor aumentam significati-vamente a produção do alto-forno. Parâ-metros que caracterizem as propriedades das pelotas têm sido objetos de intensivos
estudos desde o princípio da pelotização. A porosidade, por exemplo, exerce gran-de influência na qualidade física e meta-lúrgica da pelota, afetando diretamente a resistência à compressão e redutibilidade nos fornos de redução e, consequente-mente, na eficiência dos reatores.
Neste contexto, a avaliação de estruturas internas de forma não-destrutiva, possível por meio de ferramentas como a TCX, vem trazer avanços significativos nesta área.
A TCX é a seguir apresentada como fer-ramenta para o estudo da estrutura inter-na de um conjunto de dez pelotas de mi-nério de ferro, produzidas com diferentes agentes aglomerantes. As pelotas foram tomografadas em três estágios do proces-so de produção (verde, seca e queimada), totalizando trinta tomografias. Informa-ções como porosidade relativa e distribui-ção de densidade em cada um dos estágios de produção foram obtidas em função da seleção de parâmetros de medição da máquina de TCX e do tratamento dado às nuvens de ponto 3D resultantes.
MÉTODO E ANáLIsE DA TOMOGRAFIA
A seleção adequada de parâmetros na TCX impacta diretamente no tempo ne-cessário de varredura e, especialmente, na qualidade dos resultados. Tais parâ-metros são descritos na tabela 1.
Neste trabalho, para a melhor obser-vação dos poros internos das pelotas e para que uma melhor qualidade de ima-gem fosse alcançada, alta resolução foi
Figura 1 | Princípio geral de operação de um equipamento de TCX com detector plano e fonte tipo cone
Tabela 1 | Descrição dos parâmetros de configuração de uma máquina de TCXAmpliação / Janela de medição: Define a posição relativa na qual a amostra é posicionada com o objetivo de alcançar uma determinada ampliação. Quanto maior a ampliação, menor é a janela de medição e também menor é o nível de potência tolerado para que se obtenham imagens de alta qualidade, devido a limitações do ponto focal da fonte de raios X. Por diminuir a janela de medição, uma tomografia de alta resolução tende a aumentar o tempo total de varredura, de acordo com o tamanho da amostra.
Corrente aplicada: Define a população de fótons produzida pela fonte de raios X. Maiores níveis de corrente podem aumentar o número de fótons passando através da amostra e chegando ao detector. Entretanto, demandam também mais potência, o que pode afetar a qualidade das imagens, devido a limitações do ponto focal da fonte de raios X.
Tensão aplicada: Define a energia dos fótons produzidos pela fonte de raios X. Maiores níveis de tensão são necessários para varrer amostras de alta densidade e podem também aumentar o número de fótons passando através da amostra. Entretanto, podem levar a um maior consumo de potência, o que pode afetar a qualidade das imagens, devido a limitações do ponto focal da fonte de raios X.
Tempo de exposição: Define o tempo em que o painel detector captura fótons para compor uma projeção. Maiores tempos de exposição podem diminuir a demanda de potência, mas aumentam o tempo total de varredura.
Passo angular: Define o número de posições em que a máquina irá capturar uma projeção, durante a rotação da amostra. Um maior número de passos melhora a qualidade dos resultados, mas aumenta o tempo total de varredura.
Média de imagens: Define o número de imagens que o algoritmo matemático deve considerar em cada posição para compor uma projeção. Um maior número de imagens pode melhorar a qualidade dos resultados, entretanto aumentará também o tempo total de varredura.
Filtros: Sendo os raios X produzidos pela máquina definidos como uma onda eletromagnética polienergética, o posicionamento de uma placa de metal, ou outro material, à frente da fonte de raios X pode filtrar fótons de baixa energia, antes que estes atinjam a amostra. O uso de filtros pode controlar a população de fótons de baixa ener-gia, que podem causar distorção nas imagens, permitindo o uso de mais potência, sem saturar o painel detector.
Tabela 1 | Descrição dos parâmetros de configuração de uma máquina de TCX
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necessária, limitando o uso de potência. Adicionalmente, sendo as diferenças de densidade interna de cada pelota tam-bém objeto de interesse, o conjunto de parâmetros deveria garantir que a dife-rença entre o pixel mais escuro e o mais claro, em cada projeção, fosse a maior possível, oferecendo um intervalo maior de informações relacionadas à variação de densidade das pelotas. Desse modo, a configuração a ser definida deveria atender simultaneamente aos requisitos de qualidade de imagem, de alta resolu-ção e contraste de pixel.
DETERMINAÇÃO DE uM sETuP COMuM
Usualmente, uma TCX requer um conjunto de parâmetros a ser determi-nado para cada amostra, pois estes de-pendem das características físicas da amostra e do resultado desejado.
Testes preliminares com diferentes pelotas mostraram que, independente-mente do aglomerante usado ou do es-tágio de produção avaliado, seria pos-sível a determinação de um conjunto de parâmetros único para todas as pe-lotas. Desta forma, determinou-se um setup comum para as trinta tomogra-fias realizadas, apresentado na tabela 2, minimizando o tempo total de aná-lise. Considerando a máquina de TCX empregada nesse estudo e o conjunto de parâmetros descrito, o tamanho do voxel - definido como o tamanho do menor elemento distinguível de uma
tomografia, quando representada na forma de imagem - tem seu valor conti-do no intervalo de 5 µm a 10 µm.
Configurações de visualização da nuvem de pontos resultante
Programas de computador especiali-zados permitem a observação de uma curva de densidade, definida pelos va-lores de densidade contra o tamanho da população daquela densidade em parti-cular, a partir de uma nuvem de pontos.
Desta curva, é possível atribuir a cada grupo de densidade uma cor de visualização e uma função de trans-ferência de opacidade. Assim, se uma
configuração adequada é aplicada, o objeto pode ser observado com suas densidades ocultadas ou enfatizadas, conforme a necessidade de análise, oferecendo uma compreensão única da amostra.
A figura 2 oferece um exemplo de cur-va de densidade de uma TCX, de uma pelota de minério de ferro, onde o pro-grama de computador VGStudio MAX 2.1 foi utilizado. A opacidade referente à região que se sabe ser o ar tende a zero e as cores são selecionadas de modo a exi-birem a distribuição de densidade dentro da pelota. A figura 3 mostra uma ima-gem obtida a partir dessa configuração.
Figura 2 | Curva de densidade, com cores atribuídas e uma função de transferência de opacidade definida para ocultar a presença do ar
Tabela 2 | setup de parâmetros comum, determinado para otimizar o tempo total das 30 tomografias realizadas
Janela de medição 16 mm
Corrente aplicada 84 µA
Tensão aplicada 190 kV
Tempo de exposição 2 s
Passo angular 0,225o
Média de imagens 2 imagens
Filtro 1 mm de estanho
Figura 3 | Captura da tela do programa de computador, mostrando a renderização resultante a partir da curva, cores e função de transferência de opacidade, descritas na figura 2
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Densidade das estruturas internasA tabela 4 apresenta imagens de cor-
tes transversais das nuvens de pontos 3D, correspondentes a cada pelota analisada nos estágios verde, seca e queimada, onde é possível observar variações de densida-de, distribuição e tamanho de poros.
A variação de cores observada nas ima-gens da tabela 4 é relacionada à densida-de particular de cada uma das regiões. As cores indicam a densidade em ordem ascendente, partindo do azul (menores
ANáLIsE DE REsuLTADOs
Estrutura interna das pelotas ao longo do processo de produção
A figura 4 apresenta imagens da pelota “13 A” em seus três estágios de produção. Cada cor representa uma faixa de densi-dade, tornando possível observar sua va-riação ao longo dos estágios. É também possível notar mudanças da porosidade da estrutura, observando as regiões em preto dentro da pelota, em cada imagem.
Porosidade relativaPor meio do uso do programa de com-
putador VGStudio MAX 2.1, em cada uma das nuvens de pontos resultantes das to-mografias, a região da curva de densidade referente à pelota foi isolada. O algoritmo de cálculo de porosidade foi então aplica-do a essa região isolada, sendo a linha de “background” posicionada na área da cur-va representando a menor densidade e a linha “material” para a área representando a maior densidade. A linha “iso-surface” foi posicionada no ponto médio do intervalo. Para cada nuvem de ponto, a porosidade foi calculada três vezes, sendo o maior desvio padrão encontrado inferior a 2 %.
A tabela 3 e a figura 5 apresentam os valores médios de porosidade relativa, em cada um dos estágios de produção. Esses
valores devem ser tratados de forma qua-litativa, pois a comparação desses resulta-dos com os de porosímetros tradicional-mente utilizados para essa análise ainda não foi concluída. É esperada uma dife-rença de resultados, devido a limitações de resolução da máquina de TCX empregada nesse estudo, onde poros menores que 5 µm não podem ser propriamente detec-tados, e poros que possuem comunicação com a superfície externa da pelota podem não ser considerados no cálculo.
Tabela 3 | Valores médios de porosidade relativa das pelotas em cada um dos estágios de produção
POROsIDADE (%)
Pelota Verde seca Queimada
01 A 17,06 11,49 21,06
02 A 6,79 7,17 18,85
03 A 8,37 7,20 13,47
04 A 8,10 9,41 20,37
05 A 8,05 9,83 27,47
06 A 10,45 13,03 14,57
07 A 7,74 8,79 17,20
08 A 8,41 9,41 19,83
12 A 8,99 10,79 28,65
13 A 8,38 9,84 34,65
Figura 4 | Observando as imagens I, II e III, é possível perceber diferenças na densidade e na distribuição da porosidade, seguindo o comportamento de trincas e poros ao longo do processo de produção da pelota “13 A”
Figura 5 | Valores médios de porosidade relativa das pelotas em cada um dos estágios de produção
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Tabela 4 | Imagens das trinta TCX realizadas, organizadas por pelota e estágio de produção
REFERÊNCIAS[1] Weckenmann, A., Krämer, P., “Application of
computed tomography in manufacturing me-trology”, Technisches Messen, 76 (2009), 7-8.
[2] Kruth, J.P., Bartscher, M., Carmignato, S., Schmitt, R. De Chiffre, L., Weckenmann, A., “Computed tomography for dimensional metro-logy”, CIRP Annals - Manufacturing Technolo-gy, Volume 60, No. 2, Pages 821-842, 2011.
[3] Schmitt, R., Niggemann, C., “Uncertainty in measurement for x-ray-computed tomogra-phy using calibrated work pieces”, Measure-ment Science and Technology, Vol. 21, 2010.
[4] Salvo L., Cloetens P., Maire E., Zabler S., Blandin J.J., Buffiere J.Y., Ludwig W., Boller E., Bellet D., Josserond C., “X-ray micro--tomography an attractive characterisation technique in materials science”, Nuclear Ins-truments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 200 (2003) 273–286.
de forma integral as variações de poro-sidade e densidade das pelotas, por se tratarem de um conjunto reduzido de imagens transversais, selecionados para exemplificar as possibilidades de análi-se. Para uma avaliação completa, uma análise das nuvens de pontos 3D em sua totalidade deve ser realizada, buscando observar variações de densidade e po-rosidade em direções transversais não contempladas pelas imagens da tabela 4.
CONsIDERAÇõEs FINAIsA TCX foi empregada para obtenção
de imagens das estruturas internas de um conjunto de pelotas de minério de ferro, oferecendo informações qualitativas a respeito da porosidade e da distribuição de densidade de cada pelota. Os próxi-mos passos incluem a comparação dos valores de porosidade com aqueles obti-dos por porosímetros tradicionalmente utilizados para esse tipo de análise, ajuste de métodos e validação com maior amos-tragem. No IPT, o estudo do uso de agen-tes coloidais em pelotização de minério de ferro com o emprego da TCX como ferramenta de análise, é inédito. Este tra-balho está em andamento e foi financia-do pela FAPESP – Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo. n
densidades), para o verde, depois o ama-relo, e então para o vermelho (maiores densidades), como indicado na figura 4.
Pode-se notar que, em geral, as pelo-tas apresentam um aumento do número de regiões de maior densidade, identifi-cadas pela cor vermelha, ao atingirem o estado de pelota queimada. Além disso,
é possível verificar uma distribuição não uniforme dessas regiões de maior densidade entre as pelotas analisadas, como pode ser notado, por exemplo, ao se comparar as distribuições das pelotas “02 A” e “13 A”.
É importante notar que as imagens observadas na tabela 4 não descrevem
