Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 1, N° 1, 1981

Selegáo de Testes para Avaliagao de Aglomerados de Minério de Ferro para Alto-Forno

Taymour EIKasabgy e José Carlos D'Abreu

Departamento de Ciencia dos Materiais e Metalurgia da PUC/RJ., Brasil

A relac-So enlre as propiedades de degradagáo dos aglomerados de minério de (erro(orno ó analisada. E discutida a importancia de um projeto adequado de testes e su¡de redugá

Selection oí Testing Rflethod for the Evaluation of Iron Ore Agglomerates of Blast FurnaceAnalysis of the relationship of ifie degradation properties; of the ¡ron ore agglomerates; and their performanceinside Ifie blast furnace is given. The ¡mportance of designing test methods and tests relation to the actual reduc-tion conditions ín the blast furnace zones are discussed.

1. INTRODUCAO

O alto custo da energía, paralelamente com o desen-volvimento de altos fornos cada vez maiores, ondegrandes quaníidades de gusa sao produzidos, fez essesequipamentos mais exigentes quanío as especificacoesda carga. Varios testes industriáis foraní entao proje-tados com o objetivo de inelhor definir as qualídadesdos aglomerados de minério de ferro. [1-6] Os paráme-tros a considerar sao: temperaturas, mistura gasosa re-dutora e carregamento mecánico durante a reducáo.Portanto, considerando os muilos paramefros em jogo,nao é possível, através de um único ensaío padrao, de-terminar o comportamento dos aglomerados, bern co-mo fornecer resultados representativos de todos os es-tágios de reducao no interior do alto-forno.

No presente trabalho, busca'se considerar as mu-dancas físicas e químicas que sofrem os aglomeradosde minério de ferro, ñas diferentes zonas do alto-forno,na definicáo e escolha de lestes industriáis, representa-tivos desses fenómenos. O principal objetivo é enten-der a vcrdadeira relacao entre os testes industriáis dis-poníveis e a operacáo real do alío-forno, para entaose concluir pelos tipos de testes mais representativos.

2. ZONAS DO ALTO FORNO

O processo de reducao e fusáo de aglomerados deminério de ferro em alto forno se desenvolve segundocinco zonas, como ilustrado na fig. 1, conforme é pos-sível comprovar através das técnicas de "congelamen-

1. Trabalho apresentado no seminario das Comissdes Téc-nicas COWIN e COMAP da ABM, na ciclade de Vitoria,ES, BRASIL, outubro de 1980.

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to" e sondagem, aplicadas em varios altos fornos. Oestado dos malcriáis da carga e algumas das principáiscaracterísticas dessas regioes se encontram lisiadas natabela 1.

TABELA 1

Estado de carga e reacoes químicas principáis ñas_ zonas do Alto-Forno

i|i.i,r.:;J;.Je de por solucao. ion -;n.aulíquidos de escoria primaria

reducá" o direta, reacao¡.u ;i¿.da pür solucao.Gcracáo de S¡0, vápor<

A principal alteracáo físico-química que ocorre ñasduas primeiras zonas, o» sqa, ñas regioes "seca" e de

dos aglomerados de minério de ferro, com consequentedegradacao. Por outro lado, a resistencia do coque émais importante na zona de "gotcjamcnto" (homemmorto) e na de "combustao". Nessas duas regioes a es-tabilidade do coque metalúrgico é o parámetro á sermedido (eslc assunto está fora do escopo desse 1ra-balho).

3. ESTRATEGIA PARA A SELECÁO DOS TES-TES TENDO EM VISTA AS ZONAS DO ALTOFORNO

Na tabela 2, as varias alteracoes que levam a degra-dacao dos aglomerados de minério de ferro estao resu"midas. Ela também incluí: os intervalos de temperatu-ra, o poder redutor das misturas gasosas e os meca-nismos mais prováveis que explícam porque os aglo-merados perderá sua resistencia durante a reducao no

A estrategia de escoma dos testes deve ser compatí-vel com as informacóes contídas na tabela 2. É eviden-te que titn teste ideal dcve envolver urna situac.ao emque a amostra seja reduzida sob condicóes programa-das, isto é, na qual a temperatura, o poder redutor e astensóes de compressáo sejam cresceníes, segundo ascondicóes representativas do alto forno. Além de umteste dessa natureza ser complicado e de custo e íem-po elevados, ele dcveria considerar o fato de que astasas de reducao e aquecimento da carga nao sao asmesmas ao longo de urna secao horizontal do fomo.Essas consideracóes o torna industr¡alíñenle imprati-cável.

A alternativa prática é, eníáo, a de se usar diferenlestécnicas, cada urna das quais é projetada para testar asaglomeracocs de rainério de ferro sob urna certa con-

di^áo por eles experimentada numa certa zona espe-cífica do alto forno. Portanto. sob o ponto de vistaoperacíonal, a aceitabilidade de um certo tipo de aglo-merado cíe minério de ferro para alto forno nao podeser baseada num único teste.

4. TESTES INDUSTRIÁIS

Embora exista urna grande variedade de testes, pro-curar-se-á grupá-los e relacioná-los as condicóes e me-canismos apresentados na tabela 2. Os ensaios realiza-dos a temperatura ambiente nao seráo detalbados, poisnao representan! as condicóes reais de reducao no altoforno. Uní exemplo bem representativo é o caso daspelotas auto-fundentes com dolomita; o MgO, emboraconduza a aglomerados de menor resistencia quandotestados á temperatura ambiente, [71 promovcn me-morias ñas propriedades e maiores resistencias a de-gradacao, se testados ero elevadas temperaturas. [8]

Os produtores titilizam a resistencia á compressáocomo forma de verificar as condicóes de queíma, sendoas pelotas submetidas, individualmente, á cargas decompressáo. Também usam o teste em tambor, quandoo transporte e o manuseio sao fatores importantes. En-tretanto, sob a ponto de vista dos operadores dos altosfornos, esscs testes nao sao de maior interesse.

4.1 Testes RepreSeca

s das Condicóes na Zon:

I. Testes em Baixa Temperatura

Antes da metalizacao, ao longo da zona seca, as pe-lotas de minério de ferro podem se desintegrar, pelofato das ligacóes de hematita se romperem quando oco-rrer a reducao de hematita para magnetita. Os testesde degradacáo á baixa temperatura sao projetados paradetectar esse fenómeno, utilizando misturas gasosasfracas, em torno de CO/COj = 1 e temperaturas dereducao usualmente em torno de 500°C.

Segundo Kortmann e Burghardt [3] esses tesles po-dem ser apresentados em dois grupos, conforme mos-trado na tabela 3: os ensaios dinámicos, que empregama rotacao como fonte de tensóes mecánicas e condicóesisotérmicas de reducao, e os estáticos que nao usamqualqucr carregamento durante a reducao, realizandoo tamboramenlo das pelotas reduzidas na temperaturaambiente. A correlacao entre os testes dinámicos e aoperacáo no alto-forno, na regiáo de metalizacao dazona seca, é mais representativo do que a obtida aira"vés dos testes estáticos, urna vez que nao existe muitosentido em medir a resistencia á reducao na íempera-

II. TESTE DE INCHAMENTO

A maneira mais simples de medir a resistencia dpelotas em alta temperatura é deteide inchamento* api reducao isotérmica em 900 ou

> índice de inchariipós rcdugSo (Vu)

; medido por: (V()e aníes da reducao

Revista latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 1, N? 1, 1981

T A B E I. A 2

Mudanzas físico-químicas que podem levar á dcgradacáo dos aglomerados de minério de ferro

G r a n u l a r Amolecimen

alto

faina de tempe- 400 - 500ratura O

CO:CO, = 1:1 CO:CO; variando+ de 7:3 até apenas

N3 CO

f usáo

medio baixo cometo de amo- amolccimento fusáo

900 - 1000 1100 - 1200 1200 - 1500 1200 - 1450 maior que 1450

te Co sementé CO sementé CO sementé CO

N; N. Ni

Principal mudan- (a) Transformacao (a) Comeeo de (a) Mudanga de — Formacáo de escoria líquida primaria entre:cá física que H -»• M metalizacáo estrutura cris- (a) A fase ganga; (b) Wustita;pode ocasionar (b) precipitado (b) Tipo de eres- talina da fa- (c) Impurezas, tais como K, Na, S, etc.

Método de Teste

T A B E L A 3

Testes industriáis de degradacáo a baixa temperatura

Testes dinámicos (*)

StudiengesellschaftB1SRA LTB Othfresen R. F.

Inglaterra da Alemanha (

amostra apósredugao

CO:CO, = 1 CO:CO¡ = 1.5 CO:CO,CO + COz = 40%

1 CO:CO; = 13:7CO + CCS = 40%

N; = 60%

química do Fe total, F6+1, Fe+!

1. grau de redugáo

peso -f 3,15 mm;

em peso 4- 6,3 rnm

em peso — 0,5 mm

m peso — 3 m

em peso +

(*) Os testes din ia, muito aproximados do Linder Test.

1000°C. O desenvolvimento dos testes de inchamentosurgiram após Ríst tet proposto sua teoría sobre o altoforno,[91 sendo a temperatura de redu^áo escolladapara representar a zona de reserva térmica e química.Entretanto, a medida que uovos conhecimentos forarnsendo obtidos e as varias zonas do alto forno bem es-tabelecidas, os testes de inchamento perderam sua im-portáncia para ensaios mais sofisticados.

III. TESTES DE REDU^ÁO SOB CARGA

Um dos testes mais importantes, usados para exami-nar a resistencia de reducao sob cargas dinámicas, foí

projetado por Linder era 1958. [1] O comportamentodas pelotas é determinado reduzindo urna amostra deaglomerado e coque num forno tubular giratorio, usan-do urna programacáo na qual a mistura gasosa tsm suarelacao CO/CO; aumentada gradativamente com otempo, o mesmo ocorrendo com a temperatura, quechega até 1000"C. A resistencia a reducao é medidapelo peso de finos das fracóes menores que 3rnm ouImrn. Na figura 2 tem-se um diagrama esquemático doteste Linder. Receiüemeote algumas modificares fo-ram mtroduzídas, surgindo um novo teste denominadoJumbo-Linder, utilizado em muitos locáis, incluindo oBrasil. A diferenca básica está no diámetro do cilindro,

LatinAmcrican Journal o¡ Meiallurgy and Materials, Vol. I, No. 1, 1981

4 - SUPOI

5 - AMOS

13 - SAÍDA DE

maior nesse último. Urna das razoes para isso, é queo teste Linder pode nao fornecer suficientes informa-cees sobre as propriedades das pelotas,[10] devido aque durante a reducáo os finos tendern formar agrega-dos ñas paredes do cilindro.

Também existem testes estáticos para resistencia áaltas temperaturas, desenvolvidos na Europa (IRSID)e no Japáo, onde os aglomerados sao inicialmente re-duzidos, as vezes em misturas gasosas programadas, emtemperaturas de cerca de 1000°C. Segue-se o tambe-ramente ou a compressao na temperatura ambiente.Também aqui, a principal desvantagem destes ensaiosé que a resistencia mecánica é medida na temperaturaambiente.

4.2 Testes para Medir o Comportamiento no Amolé'cimento e na Fusao

De acordó com a tabela 2, o amo!ecimento é defini-do como o escoamento plástico dos aglomerados deminério de ferro devido a forrnacáo de urna escoria lí-quida primaria durante a reducáo em altas tempera-turas. Entretanto, na literatura se considerava amole-cimento qualquer escoamento plástico que ocasione ocolapso das pontes de ligasáo e o afastamento dos graosdos aglomerados.

Existem duas categorías principáis de testes. Na pri-meira, os aglomerados sao preíiminarmente reduzidos

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á diferentes graus de reducáo; posteriormente, saoaquecidos numa atmosfera de N2, onde a degradacáoé determinada medindo-se a expansáo e a contracao.Os resultados desses testes sao apresentados em gráfi-cos constituidos por duas curvas: urna representa atemperatura de inicio de amolecimento, após 3% decontracao, e a outra, a temperatura de amolecimentopara 25% de contracao, ambas relacionadas com ograu de reducáo. No Japao um teste análogo foi desen-volvido,^] mas a fusao é observada pela coleta de go-tas de escoria fundida, para cada 50°C de aumento natemperatura. A figura 3 mostra o esquema do equipa-

mento. Embora o teste de fusao seja de grande utili-dade e bastante representativo das condicóes no alto-forno e tenha sido usado por pesquisadores para estu-dar as variacoes na cornposicao da escoria durante a re-ducao [i i] ele é complicado exigindo um grande dis-pendio de esforcos para ser corretamente executado.

Existem diversos ensaios que medenv o amoiecimen-to determinando a perda de pressáo no escoamento dogas redutor e a dilatacao do Jeito de aglomerado. A ta-bela 4 indica alguns deles, e a figura 4 ilustra o equi-pamento pipetado pela LKAB, da Suécia, para o testede reducao sob carga. [2]

T Á R E L A 4

Testes de degradacáo sob carga a altas temperaturas, os qoais usam queda depressáo e contracóes como um meio de medir a resistencia a altas temperaturas

dos aglomerados de miliario de ferro.

Métodode teste

Apare Ihagem

Condicóesdereducáo

Ofhfresen, R. F.da Alemanha

Termobalanca

1050°C (isotérmico)40% CO60% N;

ON Load Tesl, Japao

Tubo de reagáo Al¡0i,Cadinho de Grafiie

200 -*• 600 (!h, s/carga)600 -» 1200°C (3.3 h,

1200 -»• 1400°C30% CO,70% NÍ

Metallurgical Test Centerlnlea, Suécia

Cadinho de Grafite

Pré-aquecLmento com N:até 1000°C. 1000 -*• 1350°Ccom CO/N! 30:70 com200°C/h, sob carga

S-ENTHAQA DE H*S

3UEOA DÉ PBÍSSÍSo

•RMINtCAO OA HEDUCÁO SOB CARG1

U Journal of Metallurgy and Material!, Val. 1, No. 1, 1?81

5. COMENTARIOS E CONCLUSÜES

Os principáis pontos que resumirían! os fatóres aconsiderar na selacáo dos testes para a avaliar as pos-sibilidades de uso dos aglomerados de minério de fer-ro no alto forno sao;

(a) embora algumas Empresas Siderúrgicas usem co-mumente o teste em tambor, á temperatura am-biente, para testar a carga, nao se deve aceitar es-ses resultados como indicativos de algum compor-tamento das pelotas ou do sinter no alto forno.Eles sao úteis para medir a resistencia ao manu-seio e ao transporte, quando os aglomerados saornovimentados entre grandes distancias;

(b) geralmente, alguns operadores de alto forno eprodutores de pelotas, consideran! que os testesindustriáis de degradacao a baixa temperatura(Tab. 3) sao indicados apenas para pelotas de aliapureza, com quantídade de ganga relativamentebaixa, de uso nos processos de reducáo direta.Nao seriam, eni consequencia, de inlcrcsse parao alto forno. As alteracoes físico-químicas que sepasam na parte superior da zona seca (Tab. 2),sugerem a necessidade da atencao as propriedadesdos aglomerados. A resistencia a reducáo é muitosensível as velocidades de aquecimento e redu9áo.Um teste que use temperatura mais alta e poderredutor mais forte, como os projetados para me-dir as propriedades dos aglomerados no estagiode completa metalizacáo, de dar resultados insa-tisfatórios se nao executado após o teste de degra-dacáo á baixa temperatura;

a melhor maneira de avaliar os aglomerados deminério de ferro é realizar 3 tipos de testes emserie, cada um correspondente aos seguintes gru"pos(c.l) testes a baixa temperatura;(c.2) testes de reducáo sob carga;(c.3) testes de amolecimento e fusáo;Neste trabalho os grupos ácima foram discutidose resumidos ñas tabelas 3 e 4 e alguns ilustradosñas figuras 2-4,

BIBLIOGRAFÍA

1 Linder, R., I.I.S.I., !98 (1958 p. 233.2 Bjorkvall, B., e Thaning, G., Scand. ]. of Metal, 1 (1972)

p. 57-58, p. 79-101, p. 157-158, e p, 293-294, (1973)p. 68-70 c p. 118-Í20.

3 Kortmann, H. A., e Buíghardt, O. P., anais "2nd IntSymp. on Agglomeralion AIME", 1 (1977) p. 219.

4 Ono, K., Yamaguchi, K., Shigemí, A., Nishida, N., e Ka-bara, K., Tetsu-to-Hagane 65 (1979) N? 5 p. 505.

5 Kreíbich, K., tese de doutorado na Universidade da ddadede Auchcn, Alemanha (1979).

6 Takahashi Y.. Takahashi R.. Yagi. J. e Omori, Y., snais"Blast Furnacc Confesence", IRSIR ARLES, France Jul-ho 1980.

7 Neto, P.P.S., Muniz, L.F., and Rodrigues, }. C. naia AB.M2 (1980) p. 27.

8 Ilmoni, P. A. and Byorkvall, B,, anais "2nd Int. Symp.on Agglomeration AIMF," 2 (1977) p. 784.

9 Risl. A. an Mcysson., N.. IRSID rcpor! Re 93, maio 1965.(Ü Hasslcr. B.. CIM Conf. Quehcc Cily 1973.11 Narita, K., Markawa, M., Kitamura, M. e Kanayama, H.,

Tetsu-lo-Hagane 65 (1979) N? 3, p. 368.