[pt] A metalurgia é a ciência que estuda os diversos meios para a transformação dos metais em materiais úteis à sociedade. A metalurgia do ferro representa a maior fatia da aplicação dos metais. Por ser tão representativa é chamada de Siderurgia. Dentre as diversas rotas para a transformação do ferro em aço, as usinas semi-integradas apresentam um forte apelo ecológico, pois utilizam a sucata, oriunda da reciclagem de ferro, e o ferro gusa como matérias-primas para a fusão no Forno Elétrico a Arco. Naturalmente, em todo processo industrial há a geração de resíduos e, neste caso, o principal é a escória, composta de óxidos formados e adicionados ao longo da fusão. Seus principais constituintes são: CaO, SiO2, FeO, MnO, MgO, Al2O3 e P2O5. No entanto, ainda há a presença de Ferro Metálico, um fato indesejável, pois atua negativamente no rendimento metálico e, consequentemente, aumenta o custo do aço. Toda escória gerada é beneficiada com o intuito de recuperar a parte metálica. Este material beneficiado retorna para as usinas como sucata metálica, contendo teores definidos de ferro metálico. O teor de ferro presente na sucata recuperada é avaliado pelas empresas processadoras de escória de maneira indireta por um ensaio de densidade específica. Havia dúvidas se a sucata recuperada da escória do forno apresentava teores de ferro que justificasse seu emprego como matéria-prima ferrosa. Assim sendo, foi proposta uma rota de processamento capaz de mensurar o teor de ferro presente e permitir a comparação com os teores obtidos com o ensaio de densidade. Os resultados mostram que i) é possível calcular o impacto no rendimento, ii) que as sucatas recuperadas apresentam valores inferiores ao esperado, iii) que a equação de densidade superestima o teor de ferro e iv) que modificações propostas nos coeficientes da equação vigente melhoram seu grau de assertividade. Estes resultados foram comprovados em 3 plantas siderúrgicas. / [en] Metallurgy is the science that studies the various processes for the transformation of metals into society useful materials. The iron metallurgy represents the largest body of the metals application, hence it is called Steel industry. Among the various routes for the transformation of iron into steel, semiintegrated plants have a strong ecological appeal due to their extensive use of scrap, derived from the recycling of iron, and pig iron as raw materials for the Electric Arc Furnace. Of course, industrial processes generate waste. The major waste of the Electric Arc Furnace is the slag, a mixture of oxides produced during the process, containing CaO, SiO2, FeO, MnO, MgO, Al2O3 e P2O5. However, there is also the presence of metallic iron, a fact undesirable, because it acts negatively on the metallic yield and therefore increases the cost of steel. All slag generated is processed in order to recover the metallic iron. The slag beneficiation returns to the mills a material containing defined levels of iron. The content of recovered iron is assessed by slag processing companies indirectly by a specific gravity test. There have been doubts whether the recovered scrap iron content justify its use as raw ferrous materials. Therefore, it is proposed a processing route capable of measuring the amount of iron present in the recovered scrap. The measured iron content is also compared with the levels obtained from the test density. The results show that i) it is possible to calculate the impact on iron yield, ii) the recovered iron content is lower than expected, iii) the density equation overestimates the amount of iron and iv) a correction is proposed to improve the assertiveness of the density equation. Three steel plants confirmed the results from this research.

[pt] Esta tese apresenta os principais fenômenos eletromecânicos, que ocorrem durante a operação do forno a arco, com ênfase especial nos fenômenos elétricos e magnéticos envolvidos. Apresenta também uma simulação computacional, que tem por objetivo verificar que a utilização de um reator série limitador de corrente no circuito de alimentação do forno, visando estabilizar o arco, não reduz significativamente a potência operacional do mesmo à 60Hz. A tese apresenta ainda os resultados de uma simulação analógica, que permite verificar que a impedância do reator série limitador, vista pelo circuito do forno, é pequena à 60 Hz e relativamente elevada em outras freqüências. Desta forma, tem-se um efetivo amortecimento das flutuações de corrente e tensão, causadas pela operação do forno, sem restringir a potência operacional do mesmo. / [en] This thesis presents the main electromechanical phenomena, occuring during the operating of an arc furnace, focusing the electric and magnetic ones. It also presents a digital simulation aiming to verify that the utilization of a series limiting current reactor included into the furnace feeding circuit, for arc stabilization purposes, does not reduce its operational capacity at 60 Hz. It is also presented the results of an analogic simulation, which shows that the reactor impedance seen by the furnace circuit is small at 60 Hz and relatively large at other frequencies. Hence, an effective damping of the current and voltage variations, caused by the furnace operation, can be achieved.

[pt] Na presente tese, a equação de energia é resolvida para uma tira de aço bi-dimensional que se move com velocidade constante através de um forno contínuo e é submetida a várias condições diferentes de radiação de convecção. As equações de discretização foram obtidas utilizando a técnica de diferenças finitas com enfoque em volume de controle. O conjunto destas equações indicou os sete parâmetros adimensionais do problema. Por se tratar de uma equação elíptica, a solução foi inicialmente encaminhada para a determinação dos comprimentos de tira antes e após o forno, além dos quais desapareceria o efeito da condução de calor axial no interior da tira. Os resultados mostraram a possibilidade de substituição da condição de contorno após o forno, passando-se então a considerar uma seção transversal da tira situada próxima à saída do forno. A nova condição de contorno foi estabelecida por um balanço de fluxos de calor por condução, convecção e emissão radiativa na referida seção da tira. A partir da análise de influência de cada parâmetro adimensional sobre a distribuição e temperatura da tira, foram selecionados como mais importantes o número de Peclet relativo à taxa de produção do forno, o parâmetro de radiação incidente relativo ao consumo de combustível e parâmetro geométrico que exprime a razão entre as dimensões da tira. Uma análise da eficiência na transferência de calor foi então realizada, avaliando os citados parâmetros diante dos requisitos de obtenção de uma determinada temperatura média da tira e de uma elevada homogeneidade de temperatura em sua reação transversal localizada próxima à saída do forno. Ao promover-se a divisão do forno em três zonas e a adoção de diferentes fluxos de radiação incidente, foi possível simular situações operacionais típicas que ocorrem nos fornos de reaquecimento de placas de uma usina siderúrgica e efetuar comparações com dados disponíveis em literatura. / [en] In the present thesis the energy equation is solved for the temperature distribution in a two dimensional steel strip, which moves with Constant velocity through a furnace and is submited to several different radiation and convection fluxes. Steady state conditions are supposed to exist, if the reference frame is attached to the furnace walls. Thus, one more term arises in the energy equation to take into account the strip movement. The non-linearity of the problem is restricted to the radiation boundary conditions. The discretized algebraic equations are set up, utilizing a finite difference, scheme with the control volume approach. The complete set of equations has shown that there are seven non-dimensional parameters to be specified. Due to the elliptic nature of the equation, it was stabilished that at some distance before and after the furnace, the axial heat conduction in the strip would vanish. A first attempt was done in order to find these distances. The results have shown that the boundary condition after the furnace, the axial heat conduction in the strip would vanish. A first attempt was done in order to find these distances. The results have shown that the boundary condition after the furnace could be substituted, taking a section of the strip closer to the furnace outlet and simply stating the heat flux balance in terms of conduction, convection and radiant emission, considering that this is an end of the strip. Examining the resultant temperature profiles and the heat exchanged by the strip, the influence of each non-dimensional parameter was investigated. Three of them are believed to be the more important: the péciét number related to the furnace rate of production, the incident radiation parameter related to the rate of fuel consumption and the geometrical aspect ratio of the strip. A thermal abalysis of the furnace was then carried out, in order to achieve prescribed data on averade temperature of the strip at the furnace outlet, degree od temperature homogenelty in the strip and heat transfer efficiency. To make a more realistic simulation of the furnace, it was also subdivided into three cones of different incident radiation fluxes and then typical operational situations could be reproduced, as they usually occur in slab reheating furnaces. These simulations were compared with data available in the literature, showing a reasonable qualitative accordance with them.

[pt] Muitos fornos de reaquecimento de placas de aço de indústrias siderúrgicas são dotados de modelos de simulação desenvolvidos para aumentar o seu desempenho na operação. Com este objetivo, foi desenvolvido um modelo de simulação térmica de um forno para aquecimento de uma tira metálica movendo-se continuamente. Neste forno, idealizado como um espaço fechado (enclosure), são alocadas chamas com temperatura, área e posição previamente definidas. Estas chamas fornecem energia por radiação térmica para aquecimento das superfícies das paredes refratárias e da tira metálica, e por convecção para o gás interno ao forno. Este gás troca calor por convecção com as paredes e a tira. As paredes refratárias são consideradas adiabáticas e foram subdivididas em zonas isotérmicas. A tira metálica foi subdividida em elementos de volumes de controle também isotérmicos. Casa elemento da tira, troca calor por condução e transporte de entalpia através das fronteiras internas, devido ao seu movimento. Um modelo computacional foi desenvolvido para obter o campo de temperaturas do forno (superfícies da tira, paredes refratárias e gás). O modelo também determina a potência fornecida ao forno para uma dada configuração operacional e a distribuição da temperatura interna da tira. / [en] Many reheating furnaces are provided with simulation models to enhance their performance in operation. With this objective it was developed a thermal simulation model for the heating of a continuosly moving strip within a furnace. The furnace is idealized as a enclosure having distributed along ti, flames having temperature, area and position previously defined. The flames provide heating energy by thermal radiation to the wall and strip surfaces, and by convection to the inner gas. This gas exchange heat by convection, with the strip and walls. The refractory walls are assumed to be adiabatic and were subdivided into isotermal zones. The strip was subdivided into control volume elements that are considered with constant temperature. Each strip elements exchange heat by conduction and entalpy transport through internal boundaries, due to its movement. A computational model was developed in order to obtain the field of temperature in the furnace (strip surfaces, refractory walls and gas). In addition, the model determines the power to supply energy for a given operational condition of the furnace and internal temperature distribuition in the strip.

[pt] Um modelo de descarburação e formação de escórias foi desenvolvido e aplicado ao processo de fabricação de aço em forno elétrico a arco de 120 ton de capacidade, com carga de ferro gusa e de sucata ferrosa. O carregamento de carbono foi significativamente variado para testar a consistência do modelo, considerando a cinética de oxidação do carbono, oxidação do fósforo e de redução do óxido de ferro. Gusa e coque foram empregados como fontes mais relevantes de carbono, resultando na entrada de 15 a 35 kg carbono/ton. As taxas de fusão do gusa e da sucata governam a disponibilidade dos elementos mais relevantes tais como carbono, fósforo e silício em solução, portanto, afetam as taxas de descarburação e de formação de escórias. A principal fonte de fósforo na carga ferrosa é o gusa. Desta forma, a evolução do teor de fósforo na fase metal mostrou-se importante para as estimativas das taxas de fusão do gusa, uma vez que o fósforo pode ser empregado como traçador adicional ao carbono. Modelos cinéticos envolvendo as reações do fósforo e silício operam simultaneamente com os modelos cinéticos referentes às reações do carbono e do ferro. Integrações numéricas associadas a um algoritmo de gradientes reduzidos generalizado foi empregado para o sistema não linear com restrições, de forma a determinar a maioria dos parâmetros cinéticos do modelo. A taxa de fusão global da carga de sucata foi maior do que a taxa de fusão aparente do gusa. Supõe-se que, o gusa apesar de ter relações geométricas desfavoráveis à transferência de calor em relação à sucata, poderia fundir mais rapidamente influenciado pelo seu baixo ponto de fusão. Entretanto, devido à formação de camada solidificada a partir da massa líquida na qual é imerso, é provável que mesmo fundido posteriormente, ocorra um processo de encapsulamento temporário, conferindo-lhe uma taxa aparente de fusão mais baixa. A constante cinética da reação de descarburação quando o teor de carbono é inferior ao carbono crítico de 0.19 por cento em massa e pelo menos 60 por cento da carga ferrosa estão fundidas, foi estimada em 0.74 min-1, taxas comparáveis às obtidas em aciaria a oxigênio. A principal fonte de oxigênio para oxidação do ferro é disponibilizada por lanças supersônicas. Estima-se que 20 por cento do oxigênio injetado via lanças sejam consumidos para a formação de óxido de ferro. Entretanto, cerca de 31 por cento e 26 por cento do oxigênio oriundo de injetores de póscombustão podem contribuir na formação de óxido de ferro ou são captados pelo sistema de exaustão de gases, respectivamente. Os resultados indicam que em torno de 15-30 por cento do carbono injetado podem não reagir no forno, sendo removidos com a escória. Adicionalmente ao estado de não-equilíbrio no sistema Fe-C-O observado, a dispersão nas estimativas de carbono solúvel na fase metal também pode ter sido influenciada pela intensidade de penetração da injeção de coque. O algoritmo proposto se constitui num promissor simulador de práticas que visam otimizar o rendimento metálico do ferro, a partir da dependência da cinética de redução do óxido de ferro com sua atividade química na escória. / [en] A decarburization and slag formation model was developed and applied to a steelmaking process based on scrap and pig iron mixes melted in a conventional AC electric arc furnace (EAF) with 120 ton capacity. The amount of carbon input was varied significantly in order to evaluate the model consistency regarding mainly the kinetics of carbon oxidation, phosphorus oxidation and iron oxide formation and reduction. Pig iron and coke were used as sources of carbon, resulting in variation of total carbon input in the range of 15 to 35 kg carbon/ton. The pig iron and scrap melting rates determine the availability of the most relevant elements such as carbon, phosphorus and silicon in solution in Fe-C melts, and therefore, affecting the decarburization as well the slag formation rates. The pig iron is the main source of phosphorus in the ferrous charge. Hence, the evolution of the phosphorus content in the metal phase is important to predict the pig iron melting rate, since phosphorus can be used as a tracer element in addition to carbon. Kinetic models regarding phosphorus and silicon were applied simultaneously to kinetic models of carbon and iron reactions. A numerical integration method supported a generalized reduced gradient algorithm for non-linear and constrained system (GRG) was applied to determine most of the kinetic model parameters. The scrap melting rates were found to be higher than pig iron apparent melting rates. This is expected that, even though the heat transfer issues related to significant differences in the area to volume ratio compared to scrap, pig iron may melt faster influenced by its low melting point. However, a solidified shell maybe created from the hot heel where pig iron is immersed, even when further melting occur, Fe-rich carbon melts could be encapsulated temporarily and present lower apparent melting rate. The decarburization rate parameter, when at least 60 percent of the charge is melted, was estimated as 0.74 min-1, when carbon content is lower than the critical carbon 0.19 percent wt, which is similar to the rate range observed in oxygen steelmaking facilities. Around 31 percent and 26 percent of the oxygen input through post combustion injectors were addressed to iron oxidation and to the off-gas system, respectively. The main source of oxygen taking part of iron oxidation is available from supersonic lances. Approximately 20 percent of the oxygen input through lancing are consumed to form iron oxide. The results also indicate about 15-30 percent of the injected carbon may not react and leave EAF during slagoff. In addition to the observed non-equilibrium state in Fe-C-O system, the dispersive behavior of the prediction of soluble carbon content in the metal phase could also be influenced by the intensity of penetration coke. The model framework is a promising tool to work preliminarily in what-if process scenario builder as a static model for iron yield optimization, regarding the kinetics of iron oxide reduction reaction and the proposed dependence on its chemical activity in the slag phase.

[pt] É bem conhecido o alto peso que o coque representa no custo final do ferro-gusa, além do que, as suas propriedades estão intimamente ligadas à performance dos altos-fornos. Portanto, buscar uma qualidade do coque compatível com as necessidades do alto-forno e com o menor custo possível, se transforma em uma tarefa difícil senão se dispuser de ferramentas que permitam uma correta seleção de carvões e testes prévios em fornos pilotos. Dentre as propriedades utilizadas pelos altofornistas para qualificar o coque, se destacam a CSR - resistência mecânica após reação com CO2, e a CRI - índice de reatividade, por serem, respectivamente, uma medida direta da reação de Boudouard - solution loss, e da associação desta com a resistência do coque. Com isso se torna possível prever o consumo desta matéria prima nos altos fornos e, devido a sua grande influência nos custos da operação, mensurar seu impacto na economicidade do processo. A unidade de coqueificação do processo heat recovery da ThyssenKrupp Companhia Siderúrgica do Atlântico - TKCSA, possuindo uma concepção diferente do tradicional by product coking process, utiliza um forno piloto próprio, especificamente projetado pela empresa, com o qual se procura simular as condições operacionais das unidades de coqueificação. Entretanto, essa unidade de coqueificação ainda carecia de um estudo experimental especifico capaz de permitir uma análise comparativa confiável entre o coque produzido e o das baterias industriais. O objetivo principal desta dissertação foi desenvolver um modelo de previsão da CSR -resistência mecânica do coque após reação com CO2, e do CRI através da coqueificação de misturas de carvões, obtidas por diferentes metodologias, em no forno escala piloto e sua comparação estatística com os dados obtidos em escala industrial na ThyssenKrupp Companhia Siderúrgica do Atlântico - TKCSA. O modelo de previsão para o CSR quando obtido através de escala piloto se mostrou bastante aderente aos dados obtidos em escala industrial. Portanto, os procedimentos utilizados e este modelo desenvolvido mostraram-se adequados, e podendo assim ser usados como ferramenta para auxiliar na seleção e compra de carvões. / [en] It is well known that coke has a major importance on the final cost of the Hot Metal and besides this fact its properties are closely connected with the performance of blast furnaces. Therefore, seeking a type of coke compatible with the blast furnace technical requirements and at the lowest possible price may become a hard challenge if neither a prediction tool is available to accomplish a correct selection of coals nor previous test were made on coke test facility. Among the properties used by the Blast Furnace specialists to qualify the coke, it can be highlighted CRI - Coke Reaction Index and CSR - Coke Strength after Reaction with CO2, because they represent a direct measure of the Boudouard reaction – solution loss, and its association with the coke strength, respectively. Based on them it is possible to predict the consumption of this raw material in the Blast Furnaces and, due to its high influence on the operational costs, measure its impact on the overall process economy. The Coke Plant unit at thyssenkrupp Companhia Siderurgica do Atlantico - TKCSA follows the coking process known as heat recovery and its concepts differ from the traditional one, by product. This unit uses its own coke test facility, specifically designed by the company s experts to simulate the operational conditions at the coke plant industrial furnaces. However, the coke test facility still required further specific experimental study capable of making a reliable comparison analysis between the cokes produced in it with the one from the industrial coke batteries. The main goal of this dissertation is to develop model to predict the CRI - Coke Reaction Index and CSR - Coke Strength after Reaction with CO2, through the coking process of coal blends, generated by different methodologies, charged on the coke test facility statistically compared with the ones from the industrial Coke plant at thyssenkrupp Companhia Siderúrgica do Atlântico - TKCSA. The prediction of CSR represented when generated through the coke test facility showed good adherence with the values obtained with the industrial scale. Therefore, the current procedures used on the developed model has proved to be adequate and may be used as a predicting tool to help the purchase of coals.

[pt] As jazidas mundiais de minérios de ferro tendem ao empobrecimento dos teores de ferro, aumento das gangas (sílica, alumina, fósforo, etc.) e maiores ocorrências de minérios hidratados. Esta mudança vem gerando um esforço no sentido de aprimorar as técnicas de extração e beneficiamento. O fósforo é um contaminante que em certos teores provoca a fragilização dos aços, sendo, portanto, restritivo ao aproveitamento de importantes jazidas minerais, principalmente as ricas em minérios de origens intempéricas ou supergênicas. Vários trabalhos foram e estão sendo conduzidos visando desenvolver tecnologias capazes de reduzir o teor de P durante o processo de beneficiamento. Porém, até o momento não têm mostrado viabilidade econômica, face à escala de produção e a efeitos danosos ao ambiente. No caso da Samarco, os minérios foram gerados principalmente por processos de enriquecimento supergênico, nos quais é comum a presença de considerável goethita, que é apontada como principal mineral portador do fósforo. O objetivo deste trabalho foi, de forma original, a formulação de uma pelota para redução direta de forma que o fósforo se encontrasse fluxado em fases escorificadas. Essas fases, produzidas através de um adequado ciclo térmico de endurecimento e com composição química otimizada, resultaria em pelotas onde este elemento se mantivesse estável, tanto na produção do DRI quanto na fusão e refino oxidante deste no FEA. Para tanto foram realizados, além de uma ampla revisão bibliográfica, concebido um procedimento analítico original para quantificação apenas do fósforo liberado; planejado experimentos para: a avaliação cinética da migração deste fósforo em pellet feed, nas pelotas e no DRI quando submetido a diferentes aportes térmicos e auto-fluxagens; analise da influência das variáveis do processo de endurecimento sobre a liberação do fósforo e sua escorificação; e comprovação da estabilidade das fases escorificadas durante a redução, em escala de laboratório, e durante a fusão e refino conduzido em um FEA semi-industrial. Os resultados obtidos mostraram ser viável a produção de pelotas para redução direta com o fósforo auto-fluxado em fases estáveis. / [en] Actually the iron ore deposits in the world have the tendency to decrease the iron content, increasing the gangue (silica, alumina, phosphorus, etc.) and to further occurrence of hydrated ores. This change demands improvements in concentration processing techniques for feasible mining operations. The phosphorus is a contaminant that, in some contents, causes the embrittlement of steels, been, wherefore, a limitative to the use of important ore deposits, mostly regarding the weathered iron ores or supergene origins. Several studies were and have been conducted aiming to develop technologies capable of decreasing the P content during the beneficiation process. However, until now, the economic viability of such studies has not been feasible, considering the production scale and the harmful effects to the environment. In Samarco’s case, the mine geological formation is mostly supergene, which is responsible for the presence of the goethite ores, pointed as the main phosphorus carrier. The main point of this work was, with an innovating approach, formulate a new type of pellet addressed to direct reduction processes in a manner that the P could be fluxed into the slag phases. These phases, produced through an adequate thermal cycle of induration and with an optimized chemical composition, resulted in pellets with stable slags containing, as well as in the produced DRI and in the melted bath generated during the primary refining performed in the EAF. For this purpose, it was done, further to a wide bibliographic review, an original analytical procedure to quantify the released phosphorus and a series of planned experiments, such as: the kinetic evaluation of the phosphorus migration from the mineral phases of the pellet feed when subjected to different thermal treatments; analysis of the induration process variables which could affect the phosphorus release and its fluxing into the slag ; Finally, the stability of the fluxing phases during the reduction in a laboratory scale and the melting and refining process in a semi-industrial EAF, were performed. The obtained results showed the feasibility of this new approach produce DR pellets with self-fluxed phosphorus trapped in stable phases.