[pt] As pelotas de minério de ferro têm suas propriedades fortemente dependentes da natureza das fases escorificadas que se formam durante o processo de queima. Neste trabalho são apresentados os resultados de uma das pesquisas que compõem o projeto cooperativo entre a Samarco e o Grupo de Siderurgia do DEMa / PUC-Rio, envolvendo a possibilidade de utilização de minérios de ferro portadores de fósforo (pellet feed), na produção de pelotas para redução direta. Com este objetivo foram geradas amostras de escórias sintéticas de mesma composição que as das pelotas RD comerciais, as quais foram submetidas a condições experimentais análogas as do processo industrial. Inicialmente a ciclos térmicos em forno tipo pot-grate e, posteriormente, em escala laboratorial, usando forno de mufla, seguido de etapas de resfriamento em velocidades distintas. Foi possível então constatar que velocidades mais altas de resfriamento, aplicadas na etapa final dos ciclos térmicos, produziam escórias sintéticas sensivelmente amorfas, o que levou a conclusão que as fases escorificadas das pelotas RD também se apresentariam como estruturas não cristalinas. Finalmente, por meio de teste especificamente desenvolvido para a análise seletiva de fósforo em fases oxídicas, conseguiu-se obter uma maior eficiencia na mensuração deste elemento quando dissolvido em escórias amorfas, o que viabilizou a medida das quantidades de fósforo que efetivamente migraram para as mesmas, quando se submetiam as amostras de pellet feed a diferentes temperaturas, variados tempos de residencia e distintas basicidades. Por fim, foi possivel concluir ser o incremento de basicidade do pellet feed um fator de significativa melhoria para o transporte e a dissolução do fósforo pelas escórias, em particular quando submetidos a temperaturas superiores a 900 graus Celsius. / [en] Iron ore pellets have their properties strongly dependent on the nature of the phases present in the slags formed during pelletization. In this work are presented the first results of a research program involving the utilization of phosphorous bearing iron ores in the production of DR pellets (Direct Reduction pellets). Aiming at this, synthetic slags, produced with same composition of the gangue of a commercial DR pellet, were submitted to operational conditions similar to those of the industrial pelletizing process, but performed in a pot-grate reactor and in a laboratory furnace. The obtained slags samples were cooled at different rates, permitting to observe that at high cooling rates the slags obtained were amorphous, suggesting the occurrence of a similar amorphous structure for the slags present in the DR pellets. Finally, tests developed for a selective analysis of phosphorous in oxide phases, showed better efficiency when applied to amorphous slags than in crystalline ones. Further, the behavior of the phosphor dissolution in the obtained slags during the heating of pellet feed samples was evaluated. In this phase different temperatures, resident times and basicities were tested using a laboratory furnace. The results indicated improvements in the phosphor dissolution with the basicity increase when temperatures above 900 Celsius degrees were applied.

[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] 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 ).

[pt] Pelo presente trabalho, buscou-se desenvolver uma ferramenta capaz de analisar e otimizar o uso de pelotas de minério de ferro em processos tradicionais de redução direta do tipo forno cuba. A criação de um modelo termoquímico do processo MIDREX foi proposta e elaborada dentro da PUC-Rio, levando-se também em conta alguns aspectos cinéticos relativos à redução dos minérios e à carburização do ferro-esponja, bem como alguns parâmetros operacionais. Este modelo foi subseqüentemente adaptado para interagir com um segundo modelo termoquímico de forno elétrico a arco da RS Consultants, representando assim a cadeia de fabricação de aço líquido primário pela rota redução direta - forno elétrico a arco. Para o gerenciamento computacional do processo de otimização e interação com os dois modelos acima citados, desenvolveu-se, adicionalmente, um terceiro modelo, o qual foi designado neste trabalho como modelo GESTOR. Um máximo uso de ferro-esponja ― e de pelotas, conseqüentemente ― é objetivado sempre que possível, sob determinadas condições operacionais pré-estabelecidas. A avaliação econômica destes processos foi embasada em conceitos de valor de uso. Alguns resultados são apresentados neste trabalho, para demonstrar a efetividade e o poder de análise da ferramenta e espera-se que os profissionais da Samarco possam fazer uso deste instrumento de trabalho, dando o devido suporte à tomada de decisão à comercialização e ao desenvolvimento de produtos existentes ou novos. / [en] The study at issue searched for developing an innovative tool able to effectively analyze and optimize the industrial usage of iron ore pellets undergoing traditional gas-based direct reduction processes. The creation of a thermochemical model for MIDREX process was proposed and carried out by PUC-Rio, taking into account relevant characteristics related to DRI carburization and reduction kinetics, as well as some important operating parameters. Subsequently, this model was adapted in order to interact with a second thermo-chemical model owned by RS Consultants and able to represent an electric arc furnace operation. In this sense, it has been possible to represent thereby the iron and steelmaking route based on direct reduction and electric arc furnace. For the computational management of the optimization methodology and interaction involving the two models above-mentioned, a third model was developed and referred to as GESTOR model. It was built to maximize the DRI usage ¯ and pellets utilization, consequently ¯ respecting certain operating conditions previously established. Economic assessments shall be made premised upon value in use concepts. Some results are shown in this study, based on a hypothetical scenario, aiming at proving the effectiveness of this tool. Its adoption by Samarco´s experts is expected as an important supportive methodology to help them to make decisions properly concerning both marketing strategies and product development activities.

[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).

[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.