[pt] O desenvolvimento de novos processos de redução capazes de utilizar como matérias primas resíduos minero-metalúrgicos, ou baseados na aglomeração a frio de misturas auto-redutoras (Fastmet, ITmk3, Tecnored) tem mostrado ser uma alternativa aos processos convencionais, sendo o principal deles o alto forno. Neste contexto, torna-se importante uma análise aprofundada dos processos operando com aglomerados auto-redutores, tais como os que utilizam os reatores RHF e os fornos de cuba. O presente trabalho objetivou o desenvolvimento de um modelo matemático capaz de simular as condições da zona de redução sólida de um forno de cuba (região superior), que utiliza aglomerado auto-redutor como carga ferrosa. Este modelo permite considerar três fases (sólida e duas fases gasosas) interagindo simultaneamente, via a transferência de quantidade de movimento, energia e massa. Sua fenomenologia foi representada por equações de transporte, resolvidas com base no método de volumes finitos. A solução computacional foi feita através de código desenvolvido em linguagem de programação Fortran e a geração gráfica dos resultados realizada através do programa Tecplot. As fases consideradas no modelo desenvolvido foram: i) fase sólida: constituída por briquetes autoredutores e o combustível sólido (booster - fração adicionada juntamente com a carga de aglomerados) e, ii) fase gasosa: formada pelo chamado gás exterior, constituído por um conjunto de gases que reagem na parte externa dos aglomerados (principalmente pelo gás de baixo, oriundo da parte inferior do forno, e pelo sopro nas ventaneiras secundárias - V2) e pelo denominado gás interior, constituído pelo conjunto de gases gerados no interior do aglomerado auto-redutor, resultantes de uma série de reações previstas em sua fenomenologia. O modelo considera 25 reações dentre as quais estão as reações de redução, gaseificação do carvão e combustão do carvão, CO, voláteis, enxofre e do polissacarídeo, alem da formação do FeS. Foi possível estudar a influência da variação da vazão da V2, da temperatura e da vazão do gás de baixo, da taxa de alimentação do briquete e da perda de calor pelas paredes do forno. Os resultados, apresentados graficamente, foram: temperaturas do sólido, do gás exterior e do gás interior; as condições de redução na atmosfera gasosa (CO do gás exterior, CO do gás interior, CO2 do gás exterior, CO2 do gás interior); a distribuição dos óxidos de ferro préreduzidos e do Fe metálico e a distribuição do grau de redução. Além disso, parâmetros operacionais tais como produção, tempo de residência dos sólidos, volume das fases gasosas, assim como sua composição foram calculados pelo modelo. A partir dessas informações foi possível obter a metalização e, o volume, a temperatura e a composição media do gás de topo. Finalmente, eles demonstraram que a simulação computacional desenvolvida é uma poderosa ferramenta para análise dos parâmetros operacionais da auto-redução em forno de cuba, de custo relativamente baixo e capazes de otimizar o processo estudado. / [en] The development of new reduction processes capable to use as raw materials mining and metallurgical residues, or based in cold agglomeration of self reducing mixtures (Fastmet, ITmk3, Tecnored) is regarded nowadays as an alternative to conventional processes, being the principal of these the blast furnace. In this context it becomes vital to analyze the behavior of processes operating with self-reducing agglomerates, as those utilizing the RHF and shaft furnaces. The present work aims at the development of a mathematical model capable to simulate the solid state reduction zone conditions of a shaft furnace (upper zone) that utilizes self-reducing agglomerates as the iron source. This model is capable of treating three phases, interacting simultaneously and transferring momentum, energy and mass. The set of phenomenological transport equations are treated through the finite volume method. The computational solution is achieved by the means of a software code developed in Fortran programming language and further, the graphical generation of the results, carried through the Tecplot program. The considered phases for the model are firstly the solid phase consisting in self-reducing agglomerates and a solid fuel (booster - added together with the agglomerate). Secondly, the gaseous phase, formed by a external gas, which constitutes on a set of gases that react in the external part of the agglomerates (mainly made out by the low gas - mixture of gases coming from the bottom part of the furnace, blended with the gases blew in the secondary level of tuyeres - V2), and a internal gas, another gaseous phase, consisting on the set of gases generated inside the self-reducing agglomerate as the result of a series of foreseen reactions. The model takes into account 25 reactions, amongst which are the reduction reactions, gasification of the coal, the combustions of coal, CO, volatiles, sulfur and polysaccharide and considering also the FeS formation. The model permitted the study of the V2 temperature, low gas temperature, low gas flow, agglomerate feed rate and wall heat lost influence on the process. The results, here graphically presented, are: solid, external gas and internal gas temperatures; reduction conditions in the gaseous atmosphere (CO in external gas, CO in internal gas, CO2 in external gas, CO2 of the internal gas); profile of pre-reduced iron oxides and Fe metallic and; distribution profile of the reduction degree. Moreover, operational parameters such as production, the residence time of solids, the volume of the gas phase, as well as its composition had been calculated by the model. From this information it was possible to compute the metallization, the volume, the temperature and the composition of the top gas. Those results confirmed that the computational simulation is a powerful tool for the shaft furnace operational parameters analysis.

[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).