[pt] O presente trabalho, aborda o estudo fenomenológico da metalização de briquetes auto-redutores durante a reação de redução na faixa de temperatura de 1000 à 1350 graus Celsius, variando o tipo de atmosfera gasosa e o tempo de redução. Com base nos resultados obtidos, uma descrição das morfologias do ferro presentes na faixa de temperatura estudada são apresentadas. Para tanto foram utilizados: estereoscópios, microscópios óticos e eletrônico. As principais morfologias da fase metálica reduzida foram: a presença de glóbulos de ferro no interior do aglomerado e uma camada contínua de ferro metálico na superfície, entre 1200 - 1350 graus Celsius, sugerindo uma carbonetação mais intensa no interior, com a conseqüente fusão da fase metálica. Crescimento de whiskers de ferro, também foram observados nas temperaturas mais baixas (1000 - 1100 graus Celsius). Na revisão bibliográfica foram feitos comentários sobre as tecnologias atuais e emergentes de produção de ferro primário e aço, e evidenciada a importância do estudo morfológico no esclarecimento do complexo mecanismo da cinética de redução de misturas de minério de ferro e carbono. Uma abordagem termodinâmica e cinética destes estudos também foi apresentada. / [en] This work describes the morphological study of the metallization process of self-reducing briquettes containing fines of iron ore and coal. The reduction of briquettes was effected in a temperature range of 1.000 to 1.350 Degrees Celsius varying reduction process duration and the gas atmosphere with nitrogen, carbon monoxide and carbon dioxide. The different phases of the morphology of the metallic iron were measured by the use of stereoscopic devices as well as optical and scanning electron microscopes. The main morphology occurred in a temperature range of 1.200 to 1.350 Degrees Celsius generating iron globules in the center of the briquettes and a continuous metallic layer on the surface. The presence of a dendritic structure and the high carbon content of the iron globules indicate that the highest intensity of carburization occurred in the core regions of the briquettes followed by the melting phase of the iron. The whisker growth of iron was observed in the lower temperature range of 1.000 to 1.100 Degrees Celsius. The bibliographic section makes references to the actual status and new developments in the research of processes based on composite iron ore agglomerates. It is common understanding that the iron morphology plays a key role in the kinetic mechanisms of reducing iron oxide and carbon mixtures.

[pt] O pó de aciaria (fração Fina-F e fração Grossa-G) gerado no sistema de despoeiramento à seco dos gases de exaustão do conversor LD, e o pó de alto forno-AF recuperado pelo sistema de tratamento de gases do setor de redução (coletor de gases), têm papel relevante entre os materiais secundários gerados nos vários elos da cadeia produtiva de uma siderúrgica integrada, seja pelas quantidades produzidas, seja por suas composições. Por serem portadores principalmente de unidades de ferro e carbono e algumas vezes zinco, esses resíduos são sempre alvo de iniciativas tecnológicas que objetivem recuperá-los ou reciclá-los. Além disso, os materiais particulados gerados pelo sistema de despoeiramento a seco, diferentemente dos à úmido, ainda carecem de estudos aprofundados para suas reciclagens. Embora antiga, a briquetagem atualmente vem se tornando uma tecnologia cada vez mais importante entre os processos de aglomeração. Assim, nesta Tese foi estudado, numa primeira etapa, a viabilidade de fabricação dos chamados briquetes F-G simples, constituídos apenas pelos pós Finos e Grossos, nas proporções percentuais de 50-50 e 70-30, respectivamente, e o exame teórico e experimental de seus usos como carga ferrosa nos processos de redução e como materiais alternativos às sucatas e pelotas, quando adicionados ao aço líquido do conversor LD para o controle de sua temperatura. Na fabricação dos briquetes F-G simples, também buscou-se testar os aglomerantes cimento ARI e melaço de cana de açúcar, isoladamente ou quando misturados, atendendo às relações água/cimento de 0,5 e água/melaço de 0,7. O processo experimental de cura a frio dos aglomerados se estendeu até 28 dias. A resistência à compressão obtida em prensa hidráulica instrumentada foi o principal parâmetro para avaliar a qualidade mecânica dos briquetes. A metodologia experimental envolveu a técnica do planejamento fatorial, 2(k), níveis (mínimo e máximo), com três variáveis (resíduos, aglomerantes e água). Nos resultados verificou-se que a resistência à compressão dos briquetes F-G simples, usando o binômio cimento-melaço sempre apresentou valores mais elevados do que os briquetes quando aglutinados com as duas substancias isoladamente. Além disso, dentre os aglomerados produzidos os de teores mais elevados de fração Grossa (briquetes 50-50), apresentaram maior resistência mecânica que os briquetes tipo 70-30. Em relação aos efeitos de resfriamento que provocam quando adicionados ao aço liquido, os balanços térmicos mostraram que os briquetes do tipo 70-30 apresentariam melhores índices no controle da temperatura do banho de aço, que os do tipo 50-50. A fim de verificar como se comportariam os briquetes F-G anteriores, quando se adicionava o pó de coletor de AF nas suas constituições como fonte supridora de carbono e apenas o cimento ARI como aglutinante, foram produzidos os denominados briquetes autorredutores, também dos tipos F-G, 50-50 e 70-30. Além da viabilidade de fabricação desses aglomerados, foram determinadas suas qualidades mecânicas e levantadas suas metalizações em ensaios de redução nas temperaturas de 1100 graus Celsius e 1150 graus Celsius. O estudo cinético da autorredução foi realizado avaliando-se o grau de conversão a ferro metálico e examinada a fenomenologia de sua evolução. Os resultados evidenciaram que o grau de conversão metálica cresceu com o aumento da temperatura e com a quantidade da fonte de carbono, que a metalização apresentou uma morfologia final do tipo shell layer e que o modelo cinético testado, tipo reação continua, apresentou uma correlação acima de 99 por cento. Além disso, os balanços de energia mostraram que o efeito de resfriamento imposto ao aço liquido pelos briquetes F-G autorredutores, sempre se mostrou superior aos dos briquetes F-G simples. Adicionalmente, afim de melhor interpretar os resultados obtidos foram realizados testes adicionais, como o de reatividade do coque metalúrgico, via a norma ASTM D5341-99 e por aná / [en] The steel dusts (fine-F and coarse-G fractions) generated in the dry dedusting equipment of the LD converter exhaust system, and in the blast furnace-AF dust collector, play a relevant role among secondary materials generated in the various steps of the integrated steelmaking chain, either by the quantities produced and their compositions. Because they mainly contain iron and carbon units and sometimes zinc in their compositions, actually these wastes are being the target of several technological initiatives, aiming to recover or recycle them. Moreover, the particulate materials generated by the LD dry dedusting system, unlike those collected in the wet system of the same LD processes, still lack in-depth studies for recycling. Nowadays briquetting is increasing in importance among agglomeration processes, mainly due to its feature in treat particulate materials with a wide range of size. This thesis studied, in a first stage, the feasibility of manufacturing the so-called simple F-G briquettes, in the proportions of 50-50 and 70-30, respectively, as well as their theoretically and experimentally possibilities to be charged as a ferrous burden in reduction processes and as an alternative material to the scrap and pellets, when used to control the liquid steel temperature in LD converters. In the manufacture of the simple F-G briquettes, was also tested the binders ARI cement and sugarcane molasses, alone or when mixed, taking into account the water / cement ratio of 0,5 and the water / molasses ratio of 0,7. For the briquettes studied in this research, all cure operations lasted for up to 28 days and the compressive strength parameter obtained to evaluate the mechanical quality of the briquettes. The experimental methodology involved the technique of factorial planning, 2(k) levels (minimum and maximum), with three variables (residues, agglomerates and water). The results showed that the compressive strengths of the simple F-G briquettes, when using the cement-molasses mixture, always achieved higher values than that for briquettes using the cement or molasses separately. Moreover, the higher content of coarser fraction (briquettes 50-50) always leads to higher mechanical resistance than the finer one (70-30). On the other hand, the energy balances showed that the simple F-G briquettes 70-30, have presented the better cooling indexes for the liquid steel temperature control than the 50-50 briquettes. Regarding the second part of the thesis, two types of F-G self-reducing briquettes were also produced, containing stoichiometric and 10 percent excess of BF-collector dusts. After curing, they were tested on compression and reduced in temperatures of 1100 Celsius degrees and 1150 Celsius degrees. The kinetic study of the self-reducing briquettes was carried out evaluating the metallic iron conversion and the metallic iron phenomenology and morphology formation. The results showed: a) that the iron conversion increased as higher the temperature and amount of carbon; b) that the iron metallization presented a shell-layer type morphology and, c) that the continuous-reaction type kinetic model, adjusted very well the experimental reduction results, with a correlation factor above 99 percent. Additionally, in order to better understand the experiment results, the metallurgical coke reactivity was obtained using the ASTM D5341-99 test and the Differential Thermogravimetric analyzes (DTG), as well as confirmed the hydrated water amount in the passivated F and G dusts, also using the DTG methodology. Finally, considering the manufacturing feasibility of the both, simple and self-reducing F-G briquettes, the following could be also marked: I) The use of both briquettes type for liquid steel temperature control in LD converters, as effective alternative materials to scraps and pellets, considering the following comparative cooling indexes: a) 2,1 and 2,4 times the scrap, for the self-reducing briquettes 50-50 and 70-30, respectively, both with 10 percent excess; b) 1,7 and 1,9 times the scrap, for the simple briquettes, 50-50 and 70

[pt] A produção e o uso de DRI (Direct Reduction Iron) são cada vez maiores hoje em dia nos países desenvolvidos, essencialmente pela redução do preço do gás natural e do sucesso da tecnologia de extração de gás de xisto. Além disso, o menor teor de elementos contaminantes em DRI do que nas sucatas de aço, levou-o a ser considerado uma boa alternativa como carga metálica para o Forno Elétrico a Arco (FEA) e o processo no conversor LD /BOF. Os custos operacionais e os problemas ambientais, são atualmente dois fatores tecnológicos importantes a serem considerados na otimização da produção de DRI, afetando à produtividade, sustentabilidade e competitividade do processo industrial. O teor de carbono do DRI, por exemplo, tem se tornado cada vez mais importante, devido à sua capacidade de gerar energia química nas aciarias, complementando o uso de energia elétrica nos FEA e os inputs energéticos no LD. Este trabalho foi uma das partes do programa de cooperação entre a Companhia de Mineração Samarco e o Grupo de Siderurgia da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro / PUC-Rio, que tratou especificamente do modelo cinético para a metalização e carburização simultâneas em fornos RD tipo cuba. No âmbito deste objetivo o reator foi dividido em três zonas: Redução, Transição e Resfriamento. Foram também consideradas mais três camadas concêntricas: periférica, media e central. Com base nos resultados obtidos em experiências que abrangeram diferentes tipos de pelotas, empregando misturas gasosas semelhantes às presentes nos processos industriais e obedecendo às suas correspondentes semelhanças fluidodinâmicas, foi desenvolvido um software, denominado METCARB, que incluiu na sua elaboração todas as equações e modelos cinéticos desenvolvidos experimentalmente nas três zonas do reator RD. A parte experimental foi, portanto, uma das partes principais do presente trabalho, conjuntamente com a concepção do modelo computacional e suas validações industriais. Com o METCARB, as previsões acerca da metalização e carburização simultâneas, em qualquer região interna do forno, se tornou possível, utilizando como entradas as dimensões do forno, medidas de temperaturas, composições dos gases, etc. Os resultados de metalização e carburização, também em formato gráfico, são gerados pelo sistema computacional, bem como as curvas cronométricas e tabelas de resultados. Estudos sobre dois casos reais foram realizados, a fim de validarem a ferramenta computacional desenvolvida. Constatou-se que a carburização do ferro metálico sempre ocorre simultaneamente com a redução dos óxidos de ferro e que, dependendo da temperatura e composição dos gases, pode ocorrer precipitação de finos de carbono. As simulações realizadas com o modelo METCARB mostraram que na periferia da ZR é gerado um DRI mais metalizado que na região do centro. Fenômeno contrário foi, entretanto, verificado com a carburização; Nas condições experimentais empregadas neste trabalho, os valores médios obtidos para a carburização e a metalização, no final da ZR, variam entre 0,4 - 0,7 por cento C, e 92 por cento - 97 por cento, respectivamente; Constatou-se não ocorrer progresso do grau de redução nas zonas de Transição (ZT) e de Arrefecimento (ZA), ou seja, mantiveram-se ao longo dessas zonas os valores de metalização obtidos no fundo da ZR; A influência do vapor de água no processo da carburização no caso estudado (0 - 4.25 por cento H2O) leva menor porcentagem de carburização (2,7 por cento C – 2,35). / [en] The production and the use of DRI (Direct Reduction Iron) are increasing today in developed countries, mainly by reducing the price of natural gas and the success of shale gas extraction technology. In addition, the lower level of contaminants in DRI than in metal scraps, led it to be considered a good alternative as metallic charge for the Electric Arc Furnace (EAF) and the process in LD / BOF converter. This work was one part of the cooperation program between Samarco Mining Company and Steel Group of the Pontifical Catholic University of Rio de Janeiro / PUC-Rio, which specifically dealt with the kinetic model for the metallization and carburization simultaneous in RD shaft furnaces. Under this purpose the reactor was divided into three zones: Reduction, Transition and Cooling. There were also three concentric regions considered: peripheral, media and center. Based on the results from experiments covering different types of pellets, using gas mixtures similar to those present in the industrial processes and obeying their corresponding fluid dynamic similarities, it developed a software called METCARB, which included in its preparation all kinetic equations and models developed experimentally in the three reactor zones of RD. The experimental part was therefore a major part of this work, together with the design of computational model and its industrial validations. With METCARB predictions about the simultaneous metallization and carburization in any internal region of the furnaces, it became possible, using as inputs the dimensions of the furnace, temperature measurements, compositions of gases, etc. The results of metallization and carburization also in graphic format are generated by the computer system, and the chronometric curves and results tables. Studies on two real cases were performed in order to validate the developed computational tool. It was found that the carburization always occurs simultaneously with the reduction of iron oxides and, depending on the temperature and composition of the gases; precipitation of fine carbon may occur. The simulations with METCARB model showed that the periphery of the ZR generated more DRI metallized than the center area. A contrary phenomenon has been verified with the carburization; With the experimental conditions used in this study, averages values obtained for the metallization and carburization in the final ZR vary between 0.4 - 0.7 percent C and 92 percent - 97 percent, respectively; It was not found that the progress of reduction degree occurred in the transition (ZT) and cooling (ZA) regions, in other words, it remained along these zones of the metallization values obtained at the bottom of ZR; The influence of water vapor in the carburization process in the case studies (0 - 4.25 percent H 2 O) takes a smaller percentage of carburization (2.7 percent C - 2.35).