Sinterização em escala de bancada de finos de minério de ferro com alto teor de goethita

Apresentação da Dissertação de Mestrado UFOP 1

Mestranda: Mônica Suede S. Silva

SINTERIZAÇÃO EM ESCALA DE BANCADA DE MINÉRIO DE FERRO GOETHÍTICO CALCINADO

Orientadoras: Prof(a). Dr(a). Rosa M. F. Lima Prof(a). Dr(a). Margarida M. F. Lima

26/Maio/2014

Universidade Federal de Ouro Preto

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mineral

INTRODUÇÃO

OBJETIVOS

MATERIAIS E MÉTODOS

RESULTADOS

CONCLUSÕES

Minério de ferro

SF Natural

SF Calcinado

Sínter

RELEVÂNCIA & JUSTIFICATIVA

INTRODUÇÃO INDÚSTRIA minerometalúrgica diante de minérios de baixo teor:

processamento com inconvenientes operacionais

• alta percentagem de ultrafinos (<0,010mm):o baixa seletividade na flotação;

qualidade final do sínter é afetada:

• estabilidade operacional do alto-forno.

OBJETIVOS PRINCIPAL: estudar a influência da calcinação prévia do sinter

feed goethítico no desempenho de sinterização em escala de

bancada;

ESPECIFICAMENTE: caracterizar minério de ferro goethítico e

seus produtos, analisando os efeitos da calcinação prévia e de

tipos distintos de partículas.

INTRODUÇÃO

OBJETIVOS



RESULTADOS

CONCLUSÕES

Minério de ferro

SF Natural

SF Calcinado

Sínter


RELEVÂNCIA realça importância de estudos de caracterização tecnológica de

novas tipologias de minérios de ferro:

apoio aos aprimoramentos em rotas tradicionais de processo ou

ao desenvolvimento de alternativas tecnológicas.

JUSTIFICATIVA crescimento sustentável da indústria mineral:

promover o maior aproveitamento das reservas de minério de

baixo teor e maiores níveis de impurezas (SiO2, Al2O3, P, etc.);

manutenção de altos índices de sinterização e de qualidade final

do sínter na indústria siderúrgica.

INTRODUÇÃO

OBJETIVOS



RESULTADOS

CONCLUSÕES

Minério de ferro

SF Natural

SF Calcinado

Sínter



MATERIAIS

IDENTIFICAÇÃO:

Amostra de minério de ferro goethítico;

Amostras naturais de sinter feed;

Amostras calcinadas de sinter feed;

Amostra de CaO (grau analítico);

Amostra de carvão ativado (grau analítico);

Amostras de sínter.

INTRODUÇÃO

OBJETIVOS


RESULTADOS

CONCLUSÕES

Minério de ferro

SF Natural

SF Calcinado

Sínter



MATERIAIS: preparação

Figura 1 - Fluxograma de preparação da amostra de minério de ferro goethítico

para a obtenção de subamostras para ensaios de caracterização.

INTRODUÇÃO

OBJETIVOS


RESULTADOS

CONCLUSÕES

Minério de ferro

SF Natural

SF Calcinado

Sínter



Figura 1.1 – Constituição das amostras naturais de sinter feed.

AMOSTRA GERADORA DO SINTER FEED

-3,36mm+1,182mm

70%

G1

55%

G2

1,182mm -0,209mm

15%

-0,209mm

55%

G3

70%

G4

Corte granulométrico

INTRODUÇÃO

OBJETIVOS


RESULTADOS

CONCLUSÕES

Minério de ferro

SF Natural

SF Calcinado

Sínter




Figura 2 - Fluxograma de manuseio das amostras naturais de sinter feed e

obtenção das amostras calcinadas de sinter feed e de sínteres.

INTRODUÇÃO

OBJETIVOS


RESULTADOS

CONCLUSÕES

Minério de ferro

SF Natural

SF Calcinado

Sínter



QuímicaMédia recalculada


MÉTODOS CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA:

via úmida: Fe(t), FeO e PPC;

ICP e FRX: CaO, SiO2, Al2O3, P, Mn, MgO;

CARACTERIZAÇÃO FÍSICA:

distribuição granulométrica:

• peneiramento combinado: -3,36mm +0,037mm;o -0,037mm, difração a laser;

densidade aparente: picnometria a gás (He);

superfície específica e porosidade: adsorção gasosa (N2)

INTRODUÇÃO

OBJETIVOS


RESULTADOS

CONCLUSÕES

Minério de ferro

SF Natural

SF Calcinado

Sínter


ANÁLISE TÉRMICA:

Amostra de minério de ferro: todas as faixas granulométricas:• taxa de aquecimento: 10ºC/min;• temperatura máxima: 1000ºC;• isoterma: 40 minutos;

Amostra natural de sinter feed: todas as faixas granulométricas:• taxa de aquecimento: 10ºC/min;• temperatura máxima: 700ºC;• isoterma: 35 minutos.


MÉTODOS CARACTERIZAÇÕES MINERALÓGICA E MICROESTRUTURAL:

difração de raios X: método do pó total, varredura 2 de 2º até 70º;

microscopia ótica: luz refletida com nicóis paralelos:

• descrição qualitativa;

• descrição quantitativa - contagem de pontos;

microscopia eletrônica de varredura:

• descrição qualitativa;

• composição química de fases - EDS.

INTRODUÇÃO

OBJETIVOS


RESULTADOS

CONCLUSÕES

Minério de ferro

SF Natural

SF Calcinado

Sínter


ENSAIOS DE CALCINAÇÃO:

amostra natural de sinter feed (20g) na navícula de cerâmica;

carregamento no forno mufla:

• aquecimento até 700°C, seguindo-se isoterma por 35 minutos;

resfriamento ao ar até temperatura ambiente:

• perda de peso - comparação entre os pesos final e inicial do conjunto

(navícula + sinter feed).


MÉTODOS

INTRODUÇÃO

OBJETIVOS


RESULTADOS

CONCLUSÕES

Minério de ferro

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SF Calcinado

Sínter


ENSAIOS DE SINTERIZAÇÃO:

mistura: 80% de sinter feed calcinado+ 19,35% de CaO + 0,65% C

• adição de água à mistura (100g) – comportamentos distintos;

• formação do leito de sinterização;

carregamento no forno mufla:

• 5°C/min de 23ºC até 700ºC durante 20 minutos:

• 10°C/min de 700ºC até 1200ºC durante 20 minutos;

• 10°C/min de 1200ºC até 1280ºC durante 2 minutos;

resfriamento: interior do forno mufla em ar atmosférico até 23ºC.

PROPRIEDADES MECÂNICAS DO SÍNTER

uso de técnica de indentação – microdureza (HV) Vickers - recalculada:o valor determinado de cada fase mineral;o participação volumétrica da fase na constituição total;

HV =

TI = ........ MICROTUMBLER


RESULTADOS CARACTERÍSTICAS FÍSICAS:

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RESULTADOS

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Sínter


d50 = 0,836mm: atende às especificações da sinterização; densidade aparente média de 4,63g/cm3;área superficial específica média de 10,1m2/g; diâmetro de poro igual a 38Å – material mesoporoso;tamanho característico de microporo (largura de fenda): 32Å.

Figura 3 – Isotermas de adsorção-dessorção da faixa granulométrica +3,36mm da amostra de minério de ferro goethítico.



Figura 4 – Curvas de distribuição de tamanhos da faixa granulométrica +3,36mm

da amostra de minério de ferro goethítico: (a) poros; (b) microporos.

pico máximo de volume de poros: diâmetro de 34Å;

pico máximo de volume de microporos: diâmetro de 20Å.INTRODUÇÃO

OBJETIVOS


RESULTADOS

CONCLUSÕES

Minério de ferro

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SF Calcinado

Sínter


(a) (b)


RESULTADOS

CARACTERÍSTICAS TÉRMICAS:

curva TGA: desidroxilação em 320ºC (pico endotérmico na curva DTG);

perda média recalculada de 5,95%;

níveis altos de perda de peso: faixas nucleante e intermediária;

níveis abaixo da média: faixas -1,67mm +1,182mm; abaixo de 0,15mm.

Figura 5 – Perdas de peso das faixas granulométricas da amostra de minério de

ferro goethítico.

INTRODUÇÃO

OBJETIVOS


RESULTADOS

CONCLUSÕES

Minério de ferro

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SF Calcinado

Sínter



RESULTADOS CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS:

pontos relevantes:• Fe(T): -0,150mm faixas mais ricas: média recalculada de 63,97%

siderurgia: mínimo: 62,6% - máximo: 64,9%;

• SiO2 abaixo de 2%: média recalculada de 1,46% siderurgia: mínimo: 6,0% - máximo: 6,7%;

• P: média recalculada de 0,17% siderurgia: mínimo: 0,025% - máximo: 0,051%;

• PPC: média recalculada de 6,1% siderurgia: mínimo: 0,4% - máximo: 2,1%;

• maiores distribuições dos elementos e/ou compostos químicoso faixas granulométricas com maiores percentuais de

partículas: -3,36mm +1,67mm; -1,18mm+0,84mm; -0,037mm;

• análise comparativa: dentro dos parâmetros de qualidadeo exceção para %P e PPC: .

INTRODUÇÃO

OBJETIVOS


RESULTADOS

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RESULTADOS CARACTERÍSTICAS MINERALÓGICAS E MICROESTRUTURAIS:

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RESULTADOS

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Minério de ferro

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Sínter

goethita e hematita: fases majoritárias:

• FeOOH e Fe2O3 presentes em todas as faixas granulométricas;

quartzo e magnetita: fases minoritárias:

• SiO2 – ocorrência nas faixas granulométricas:

o -2,362mm +1,67mm;

o -0,296mm +0,148mm;

o -0,037mm;

• Fe3O4 – ocorrência nas faixas granulométricas:

o +3,36mm;

o -0,590mm +0,148mm;

caulinita, gibbsita e talco: fases traços

• ocorrência em faixas granulométricas finas (-0,105mm).



RESULTADOS DESCRIÇÃO QUALITATIVA: MICROSCOPIA ÓTICA

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OBJETIVOS


RESULTADOS

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Minério de ferro

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Partículas: arredondadas a subarredondadas; liberadas e subangulosas (-0,037mm); superfícies externas com alta rugosidade.

Cristais: contatos interdigitados e irregulares - subeuédricos; associação mineral entre goethita e martita;Poros: irregulares com tamanhos variados.

Fases minerais: PRINCIPAIS goethita – terrosa, massiva, botrioidal: 48,8%; hematita – granular, lamelar e martítica (ou martita): 50,1%;

Fases minerais: ACESSÓRIAS quartzo – cristais individualizados/isolados.


RESULTADOS

INTRODUÇÃO

OBJETIVOS


RESULTADOS

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Minério de ferro

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SF Calcinado

Sínter


Figura 6 – Fotomicrografia de uma partícula da faixa granulométrica -1,67mm +1,182mm da amostra de minério de ferro goethítico.

DESCRIÇÃO QUALITATIVA: MICROSCOPIA ÓTICA


RESULTADOS: MEV/EDS

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OBJETIVOS


RESULTADOS

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Minério de ferro

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SF Calcinado

Sínter


Figura 7 – (a) e (b) Fotomicrografias de partícula da faixa granulométrica -2,36mm +1,67mm da amostra de minério de ferro goethítico.

(a) (b)

Tabela 1 – Compostos químicos presentes nos tipos de goethita indicados pelos pontos 1, 2, 3 e 4.


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RESULTADOS

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Minério de ferro

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Sínter


RESULTADOS: MEV/EDS

Figura 8 – Fotomicrografia de partícula da faixa granulométrica -2,36mm +1,67mm da amostra de minério de ferro goethítico com presença apenas de martita.

Tabela 2 – Compostos químicos presentes na martita indicada pelos pontos 1, 2 e 3.


RESULTADOS

CARACTERÍSTICAS TÉRMICAS: perda de peso média 5,98%

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS:

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densidade aparente: máximo valor de 4,65g/cm3 (amostra G4); área superficial específica: máximo valor de 12,5m2/g (amostra G3); resultados similares aos da amostra de minério de ferro:

• distribuição de tamanhos de poros e de microporos:o máximo volume de poros em 45Å;o máximo volume de microporos em 20Å.

CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS:

maiores proporções de partículas aderentes (-0,209mm)• percentuais de Fe(T)(64,5%), Al2O3 (0,76%) e MgO (0,043%);• percentuais de SiO2(1,33%), P (0,16%), Mn (0,062%) e PPC (5,6%).

CARACTERÍSTICAS MINERALÓGICAS: goethita e hematita

pontos relevantes: perdas de peso • entre 5% e 6%, aproximadamente;• na mufla as perdas de peso foram menores do que no TGA:

o atmosfera e presença de partículas em estado tal qual;• perda de peso se reduz com uso de partículas aderentes.

ENSAIOS DE CALCINAÇÃO: Forno mufla x TGA Q50



INTRODUÇÃO

OBJETIVOS


RESULTADOS

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EM GERAL: impactadas pela desidroxilação da goethita a 321ºC:• densidade aparente alta e em torno de 4,9g/cm3;• área superficial específica máxima de 17,9m2/g (condição G1);o aumento de 3x o volume específico de poros;o redução de 10% do diâmetro de poros;

COMPARAÇÃO às amostras naturais de sinter feed: • níveis diferenciados de densificaçãoo efeito da mineralogia - % goethita;

SIMILARIDADE com os resultados das amostras naturais:

• isotermas tipo II com H3: poros em fendas;• curvas distribuição de tamanhos: poros e microporoso máximo volume de poros em 45Å;o máximo volume de microporos em 20Å.

CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS: pontos relevantes em comparação aos sinter feeds naturais:

• elevações do teor de Fe(T) em até 6%: máximo de 67,7%; • níveis de SiO2, mantiveram-se os mesmos;• teores de Al2O3, Mn, MgO e de TiO2 elevaram-se;• teor de P na condição G3 foi elevado em 6%.



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partículas exibiram

• porosidade acentuada com poros irregulares - realce da rugosidade;

• trincas - severidade alta em partículas com goethita botrioidal.

Figura 11– Fotomicrografias de partículas das amostras calcinadas de sinter feed : (a) G3 – trincamento alto; (b) G4 – poros coalescidos da martita.

(a) (b)



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pontos relevantes: efeitos da mineralogia e da sinterização • reduções de densidade e de área superficial – amostra STG4; • isotermas tipo II com histerese H3: estreitamento entre as isotermas.

Figura 12 – Evolução das larguras de fendas das amostras estudadas.


RESULTADOS CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS:

INTRODUÇÃO

OBJETIVOS


RESULTADOS

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maiores níveis de Fe(T) das amostras STG3 e STG4 – média de 60%; siderurgia: mínimo: 56,2% - máximo: 57,0%;

menores níveis de SiO2 das amostras STG3 e STG4 – média de 1,3%; siderurgia: mínimo: 5,6% - máximo: 5,8%;

menores níveis de P das amostras STG3 e STG4 – média de 0,16%; siderurgia: mínimo: 0,050% - máximo: 0,064%.

CARACTERÍSTICAS MINERALÓGICAS E MICROESTRUTURAIS:

Tabela 3 – Composição mineralógica das amostras de sínter via DRX.


RESULTADOS

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(a) STG1 (b) STG2

DESCRIÇÃO QUALITATIVA: MICROSCOPIA ÓTICA

Figura 13 – (a), (b), (c) e (d) Fotomicrografias das amostras de sínter.

(c) STG3 (d) STG4



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OBJETIVOS


RESULTADOS

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pontos relevantes:• elevada porosidade: poros variados em formas e tamanhos;• cristais subeuédricos dispersos na matriz de ferritos de cálcio:

o hematita secundária e silicatos de cálcio: decomposição dos ferritos de cálcio, pois pO2 acima do seu valor ótimo.

DESCRIÇÃO QUANTITATIVA: MICROSCOPIA ÓTICA

Tabela 4 – Composição mineralógica das amostras de sínter.

• da amostra STG1 para a amostra STG4o enriquecimento em hematita;o redução da parte fundida (ferritos mais silicatos):

55% para 20% • partículas intermediárias atuam diferentemente.


INTRODUÇÃO

OBJETIVOS


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RESULTADOS: MEV/EDS

Figura 14 – Fotomicrografia da amostra de sínter STG1.

Tabela 5 – Elementos químicos presentes no ferrito de cálcio e silicatos de cálcio indicados pelos pontos 1, 2, 3 e 4.


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RESULTADOS

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RESULTADOS: MEV/EDS

Figura 15 – Fotomicrografia da amostra de sínter STG2.

Tabela 6 – Elementos químicos presentes no constituinte eutético, hematita e silicato de cálcio indicados pelos pontos 1, 2 e 3.


RESULTADOS PROPRIEDADES MECÂNICAS:

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Tabela 7 – Valores de microdureza e de microtumbler das amostras de sínter.

pontos relevantes:• hematita tem maior resistência mecânica que os ferritos de cálcio;

• amostra STG3 com maior valor de microdureza;• nenhuma relação direta entre a composição da mistura e a resistência

mecânica do sínter - partículas intermediárias;• esperava-se pela menor resistência mecânica da amostra STG3

o hematita com maior microdureza – menor resistência à propagação de trincas do sínter

estudos posteriores - avaliação por ensaios padronizados.


CONCLUSÕES

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RESULTADOS

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amostra de minério de ferro goethítico limite de uso na sinterização devido aos níveis altos de P e de PPC:

• alta reatividade demandará cautela em seu uso: facilidade de granulação – dosagem de água; aumento da dinâmica das reações de sinterização;

presença de goethita e hematita assegura altos teores de Fe(T):• contudo, SiO2, Al2O3, mais baixos;

amostras naturais de sinter feed com características similares às da amostra de minério;

amostras calcinadas de sinter feed tiveram elevações de teores de Fe(T), de Al2O3, de Mn, de MgO e TiO2; elevações de densidade aparente – desidroxilação da goethita; áreas superficiais específicas maiores; hematita e martita com porosidade acentuada;

amostras de sínter exibiram teores altos de Fe(T) e de P, baixos de SiO2, Al2O3, Mn, MgO; densidade aparente e área superficial específica na presença mais

intensa de partículas nucleantes foram favorecidas:• efeito da calcinação da goethita associado com os fenômenos de

sinterização;


CONCLUSÕES

INTRODUÇÃO

OBJETIVOS


RESULTADOS

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Minério de ferro

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SF Calcinado

Sínter


amostras de sínter exibiram composição mineralógica: ferritos de cálcio, hematita, silicatos de cálcio

e pouca magnetita• P localizado nos silicatos de cálcio;

maior porosidade na presença de 55% de partículas aderentes:• hematita e ferritos de cálcio com mais altos valores de

microdureza: maior valor de resistência mecânica/microtumbler (98%).

CONSIDERANDO-SE: maior oferta e utilização de minérios marginais: reduções de desempenho dos processos atuais; quedas de qualidade do produto final.

• PRÁTICA da blendagem para superar a dificuldade de se reunir num único minério todas as qualidades desejadas;

DESTE MODO: características ótimas não existem de uma forma absoluta. Então, o minério de ferro com alto teor de goethita pode ser útil numa análise:

de elevação do teor de ferro total do sínter; aumento de densificação do bolo de sínter – rendimento do processo; aumento da redutibilidade do sínter.

Muito obrigada a todos!


Presentations & Public Speaking

Sinterização em escala de bancada de finos de minério de ferro com alto teor de goethita