[pt] O presente trabalho apresenta uma análise da influência da temperatura, composição gasosa, vazão e pressão sobre a cinética da redução de dois tipos de pelotas de minério de ferro para redução direta, de baixo conteúdo de sílica, na faixa de temperatura de 500 a 900°C. Os valores adotados para cada parâmetro operacional procuraram reproduzir as condições reais da zona de redução de um processo industrial de redução direta, utilizando o forno de cuba, onde existe um perfil térmico longitudinal, além de gradientes de pressão e potencial redutor. A metodologia experimental envolveu um modelo estatístico fatorial de múltiplos níveis, ou seja, 3 níveis para a temperatura e 2 níveis para o poder redutor, a pressão e a vazão, com o intuito de avaliar os efeitos destas variáveis no processo de redução. A partir dos dados experimentais foi proposto um modelo semiempírico baseado no princípio da superposição e reação exponencial, que mostrou uma correlação de 99,2% para a pelota A e 98,5% para a pelota B. O coeficiente de saturação da redução (B), o parâmetro da escala temporal (t) e o tempo correspondente ao grau de reação global máximo (tG.R.máx), obtidos pelo modelo, foram plotados em função da temperatura, todos apresentando um erro global inferior a 10%. Mediante este formalismo se pode também prever que, na faixa de 500°C até 900°C, o coeficiente B e t se mostraram dependentes da temperatura e do potencial redutor da mistura gasosa. Verificou-se ainda a dependência de tG.R.máx com a pressão total. O estudo em questão é parte de um programa de doutorado em andamento e que envolve a PUC-RJ e a Samarco Mineração S/A. / [en] An analysis of the influence of the temperature, flow, pressure and gas composition on the kinetic of reduction for two types of lo w silica hematite pellets for direct reduction, over the temperature range 500°C to 900°C is presented. The values adopted for each variable tried to reproduce the real parameters of the reduction zone of the shaft furnaces where exists gradients of reducing potential, gradients of pressure and longitudinal thermal profile. The experimental methodology involved a factorial statistical model of multiple level, i.e. 3 levels for the temperature and 2 levels for the reducing potential, pressure and flow, with the aim to evaluate the effects of the variables on the reduction process. One semi-empiric model was developed from the experimental data. It was based on the superposition principle and exponential reaction. The model showed a correlation of 99.2% for the pellet A and 98.5% for the pellet B. The reduction saturation coefficient (B), time scale factor (t) and the time of the maximum reaction grade (tG.R.máx), all obtained through the model, were plotted versus temperature and they had presented an inferior global error to 10%. The coefficient B and t had depended of the temperature and reducing potential and allowed the prediction of its behavior over the temperature range 500°C to 900°C. Also, the analysis showed the tG.R.máx is dependent of total pressure. The investigation in question is part of a doctorate in progress at Catholic University in Rio de Janeiro/Brazil, counting on professionals from the academic area and experts from the iron ore agglomeration industry.

[pt] O presente trabalho apresenta uma análise do fenômeno de carburização na zona de redução de um forno de cuba tipo Midrex. É realizada uma análise dos principias trabalhos existentes na literatura, é apresentado o aparato experimental, a caracterização das amostras e os resultados obtidos. Os experimentos foram efetuados com o auxilio da ferramenta estatística denominada planejamento fatorial. O tempo dos experimentos foi variado, simulando a operação industrial, com a finalidade de obter o equacionamento cinético. A função obtida foi não linear, envolvendo uma função transcendental, a qual melhor se ajustou aos pontos experimentais. A partir destes resultados foi efetuado uma análise termodinâmica das reações de carburização mais provaveis da zona de redução e determinados os parâmetros cinéticos da carburização. Estes ultimos foram: fator temporal, Tau de 1,32 h, tempo de incubação de 0,30 h, para 500 ºC, e 0,80 h para 900 ºC; fator de carbono de saturação A para 500 ºC com vazão de 60 NL/min foi de 2,70 %, com 90 NL/min de 3,46%; para 900 ºC com 60 NL/min foi 0,10 % e para 90 NL/min de 0,16%. Finalmente, os calculos das velocidades iniciais do processo de carburização foram de 2,3 %C.h-1, para 500 ºC e 0,10 %C.h-1 a 900ºC, para uma fração carburante de 0,37. Os resultados mostraram que o conteúdo de carbono no ferro esponja, obtido nesta zona para as condições reais do processo, alcançou uma média de 0,043 %C, fato de relevante importância para os processos de redução direta em forno de cuba. / [en] In this work an analysis of the carburation phenomena in the reduction zone of the type Midrex Furnace is presented. A revue of the principal papers found on the subject`s literature is followed by the description of the laboratory apparatus, sample characterization, and finally, the obtained experimental results are presented. The experimental planning and screening for this work was defined by a factorial analysis. Further the residence times for all experiments were defined to simulate the actual furnace industrial operation. Also, the experiments aimed at the determination of the parameters belonging to mathematical transcendental formulae designed to simulate the furnace`s charge behavior. Based upon the results, a thermodynamical analysis was conducted obeying the operational conditions inside the furnace, this to determine all the viable carburation reactions. The analysis was followed by kinetic evaluations that produced the data for the carburation process exponential formula parameters determination, namely exponential time factor = 1,32 h; incubation time, 0,30 h at 500 oC and 0,80 h at 900 oC and carbon saturation factor A, ranging from 2,7 % for a gas flow rate of 60 NLmin-1, 3,6 % for a gas flow rate of 90 NLmin-1 to 500 oC and 0,10 % for a gas flow rate of 60 NLmin-1, 0,16 for a flow rate of 90 NLmin-1 to 900 oC. Besides, the initial carburation rates were determined for atmospheres having carburating ratios of 0,37, and they measured 2,3 %C.h-1 for 500 ºC and 0,10 %C.h-1 for 900 ºC. Wrapping up the results this work showed that an average of 0,043 %C in the DRI is to be expected in the reducing zone for the actual industrial conditions.

[pt] Nos últimos anos, esforços vêm sendo empreendidos no sentido de aumentar o conteúdo de carbono no ferro-esponja, com o intuito de utilizá-lo como fonte energética e como agente redutor dos óxidos residuais na operação dos fornos elétricos a arco - FEA. O presente trabalho, fruto de um projeto cooperativo da Samarco Mineração SA com o Grupo de Siderurgia da PUC-Rio, apresenta os resultados de experimentos realizados, nos laboratórios de ambas as Instituições simulando as condições operacionais de um forno Midrex. Para a simulação o reator foi dividido em três zonas: Redução, Transição e Resfriamento. Para cada uma delas foi concebido um conjunto de experimentos, estatisticamente planejados, de forma a permitir a mensuração cinética da carburização. Os experimentos envolvendo a redução e a carburização das pelotas de minério de ferro utilizaram similaridades fluidodinâmicas das escalas. Adicionalmente, um método para análise química dos teores de carbono grafítico e livre foi empregado com sucesso. Em seguida foram realizados os testes de carburização das zonas de transição e resfriamento e levantadas as curvas e equações cinéticas. Na zona de transição o agente carburizante foi o gás metano sendo a sua injeção feita nas temperaturas de 300, 600, 700 e 850 graus Celsius . O modelo cinético utilizado foi uma equação linear de fluxo mássico. O valor da energia de ativação aparente encontrada para a carburização do DRI na zona de transição foi de 12,31 kJ/mol indicando um controle cinético difusional. A carburização do DRI para esta região situou-se na faixa de 0.1 por cento C (300 graus Celsius ) a 3 por cento C (850 graus Celsius ) , para um tempo de residência típico de 0,7 horas. Na zona de resfriamento o principal agente carburizante depende da temperatura: acima de 400 graus Celsius , foi o gás metano, enquanto nas temperaturas abaixo de 500oC foi o gás CO. Nesta zona a carburização do DRI, nas temperaturas de 250 a 600 graus Celsius , foi suposta ser uma reação de primeira ordem em relação ao carbono. O resultado obtido para a energia de ativação aparente na zona de resfriamento foi 5,31 kJ/mol, consistente com um mecanismo controlado por difusão. Considerando os resultados experimentais obtidos, a carburização final do DRI nesta zona, tomando-se um tempo médio de residência de (2,15h) esteve na faixa de 2,0 por cento C ( periferia / 600 graus Celsius ) a 3,0por cento C ( centro / 250 graus Celsius ). / [en] In later years efforts are being made aiming at the increase in the carbon content in the DRI, this to enable it to act as energy source and reducing agent for the residual oxides in the operation of the electric arc furnaces – EAFs. The present work, product of a cooperative project between the Samarco Mining Co. and the Iron and Steelmaking Group from the University PUC-Rio, presents the obtained results for the experiments on DRI carburization, made at the laboratories of both institutions, under simulated conditions occurring in MIDREX reactors. To mimic the reactor operation, it was divided in three zones, quoting: Reduction, Transition and Cooling. For each of these zones a set of experiments were conceived and statistically planned to permit the carburization kinetic determination. It must be also added that fluidynamic scale similarity were respected in those same experiments. Further, a special chemical method was successfully employed to access the graphitic and free carbon DRI contents for the carburization tests performed for the Transition and Cooling zones. Based on the obtained results, sets of curves for carburization versus time were composed and kinetic equations, for various temperatures and gaseous atmospheres, were proposed. For the Transition zone the carburizing agent was the methane gas, being its injection made under the temperatures of 300, 600, 700 e 850oC. The kinetic model utilized for the carburization in this zone was that of a mass flux linear equation. From this formalism, an apparent activation energy of 12.3 kJ/mol was calculated indicating a difusional control. The total DRI carburization in this zone ranged from 0.1 per cent C (300oC) to 3 per cent C (850oC) for a typical residence time of 0.7 hours. In the Cooling Zone there was a temperature dependency ruling the carburizing agent role, above 400oC the gas methane is the main carburizing gas, but below 500oC the CO act as such. In this zone, the DRI carburization was fitted with a kinetic equation of the first order with respect to carbon. The obtained result for the apparent activation energy for this equation rated 5.31 kJ/mol, consistent with a difusional mechanism. Considering the experimental results for a residence time of 2.15 hours, the final carburization for the DRI in the Cooling Zone ranged from 2.0 per centC ( furnace peripheral conditions / 600oC ) to 3.0 per cent C ( core conditions / 250oC ).

Bei der Herstellung von direkt reduziertem Eisen im Midrex-Direktreduktionsprozess fallen zahlreiche eisenhaltige, feinkörnige Hüttenreststoffe an. Um eine Deponierung der Reststoffe zu vermeiden wurden zwei verschiedene Varianten zur Aufbereitung dieser Reststoffe durch Brikettierung anhand von Laborversuchen erprobt und hinsichtlich ihrer resultierenden Eigenschaften bewertet. Variante I umfasst die Brikettierung der Reststoffe zum erneuten Einsatz als Ausgangsmaterial im Midrex-Direktreduktionsprozess. Variante II untersucht die Einbindung der Reststoffe bei der ohnehin stattfindenen Heißbrikettierung der reduzierten Pellets zu heiß brikettiertem Eisen (HBI). Die vorliegende Arbeit zeigt für beide Varianten, dass mit geeigneten Mischungszusammensetzungen und Brikettierbedingungen Briketts mit ausreichenden mechanischen, thermischen und metallurgischen Eigenschaften hergestellt werden können. Die zugrunde liegenden Bindemechanismen werden anhand von optischer Mikroskopie, Vickershärtebestimmungen und REM/EDX-Untersuchungen qualitativ beurteilt.:1 Einleitung 2 Stand der Technik 2.1 Direktreduktion, Midrex-Prozess und Reststoffproblematik 2.2 Agglomeration von eisenhaltigen Reststoffen und Feinerzen 2.2.1 Brikettierung von Hüttenreststoffen aus dem Midrex-Prozess 2.2.2 Brikettierung von Reststoffen aus dem Hochofen 2.2.3 Aufbauagglomeration von Feinerzen 2.2.4 Sintern von Feinerzen 2.2.5 Auswahl einer geeigneten Agglomerationsmethode 2.2.6 Anforderungen an die Briketts für den Einsatz im Midrex-Prozess 2.2.7 Anforderungen an HBI-Briketts 2.3 Zielstellung 3 Anwendungsbezogene Grundlagen 3.1 Bindemechanismen 3.2 Pressverdichtung 3.3 Bindemittel 3.3.1 Vorbemerkungen 3.3.2 Bentonit 3.3.3 Stärke und Cellulose 3.3.4 Sulfitablaugen 3.3.5 Zement 3.3.6 Löschkalk 4 Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung 4.1 Charakterisierung des Einsatzmaterials und der Bindemittel 4.1.1 Hüttenreststoffe 4.1.2 Eisenerzpellets 4.1.3 DRI-Pellets 4.1.4 Bindemittel 4.2 Brikettierung mit Bindemittel 4.2.1 Statistische Versuchsplanung 4.2.2 Mischen 4.2.3 Vorwärmen 4.2.4 Brikettieren 4.2.5 Aushärten und Lagerung 4.2.6 Mechanische und metallurgische Beurteilung der Briketts 4.3 Heißbrikettierung 4.3.1 Mischen 4.3.2 Aufheizen 4.3.3 Brikettieren 4.3.4 Beurteilung der Briketteigenschaften 4.4 Betrachtung der Bindemechanismen 5 Ergebnisse und Diskussion 5.1 Brikettierung der Reststoffmischung mit Bindemitteln (Variante I a) 5.1.1 Mechanische Eigenschaften der Briketts 5.1.2 Metallurgische Eigenschaften der Briketts 5.1.3 Chemische Eigenschaften der Reststoffbriketts mit Bindemittel 5.1.4 Zusammenfassung Brikettierung mit Bindemitteln 5.2 Heißbrikettierung der Reststoffmischung (Variante I b) 5.2.1 Einfluss der Mischungszusammensetzung 5.2.2 Einfluss der Pressbedingungen 5.2.3 Mikroskopische Betrachtung 5.2.4 Zusammenfassung Heißbrikettierung der Reststoffmischung 5.3 Gemeinsame Brikettierung der Reststoffmischung mit DRI-Pellets (Variante II) 5.3.1 Einfluss der Reststoffmischung auf die HBI Qualität 5.3.2 Einfluss der Pressbedingungen (Vorwärmtemperatur, Pressdruck) 5.3.3 Mikroskopische Betrachtung 5.3.4 Zusammenfassung Brikettierung Reststoffmischung mit DRI-Pellets 5.4 Beurteilung der Methoden zur Klärung der Bindemechanismen 5.5 Vergleichende Beurteilung der verschiedenen Verwertungsvarianten 6 Zusammenfassung und Ausblick 7 Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungs- und Symbolverzeichnis Anhang

A method of producing steel that is not used in Sweden today is direct reduction using natural gas, a method which could has enormous potential in the future of steelmaking. Historically, steelmaking prioritized productivity and profitability. However, other aspects such as safety, sustainability, and environmentally friendliness have become increasingly important to Swedish steelmakers. This study evaluates the usage of natural gas to  directly reduce iron ore into the porous form known as iron sponge, then finally processing that sponge into crude steel. The technology available today is assessed through a literature review, then two calculative data-based model: using DRI sponge in a traditional integrated steelmaking line or replacing steel scrap with it in an electric arc furnace. While this technology is used in many regions where natural gas is plentiful, it has not yet been used in Sweden. Now, when the Swedish natural gas network is expanding and the vehicular transportation of liquid natural gas is becoming more and more viable, it is a prime situation to evaluate direct reduction in Sweden. While models require assumptions and estimations, they suggest that DRI will absolutely be a viable option in the years to come. Integrated plant operators can reduce their immense carbon emissions for a reasonable price, while DRI sponge melting in an electrical arc furnace can either help steelmakers escape the volatile scrap market or be used to replace the blast furnace as a whole in the future. / En metod för att producera stål som inte används i Sverige idag är direkt reduktion med hjälp av naturgas, en metod som har en enorm potential i framtida ståltillverkning. Historiskt har ståltillverkningen prioriterat produktivitet och vinst, men säkerhet, hållbarhet, och miljövänlighet har blivit områden mer och mer viktiga för svenska ståltillverkare. Den här studien utvärderar användningen av naturgas för att direkt reducera järnmalm till den porösa formen känd som järnsvamp, och sen bearbeta den till primärt stål. Teknologin som flnns idag utvärderas genom en litteraturstudie, vars data beräknas till två scenariomodeller: användningen av järnsvamp i ett traditionellt integrerat stålverk eller genom att ersätta stålskrot med järnsvamp i ljusbågsungen. Den här teknologin används redan idag i regioner där naturgas är lättillgängligt, men har hittills inte använts i Sverige. Men nu när Sveriges naturgasnät byggs ut och fordonstransporterad flytande naturgas blir mer och mer kostnadseffektiv så är det lämpligt att utvärdera direkt reduktion i Sverige. Modellerna kräver antaganden och uppskattningar, men de pekar på att direkt reducering av järnmalm kommer att vara en genomförbar metod för ståltillverkning i en nära framtid. Integrerade masugnslinjer kan minska sina enorma koldioxidutsläpp till ett rimligt pris, och järnsvampssmältning i ljusbågsugn kan hjälpa ståltillverkare att undanfly den instabila stålskrotsmarknaden eller användas för att helt ersätta masugnsproduktion i framtiden.