O carvão responde pela maior parte da produção da eletricidade em vários países, e é o combustível mais queimado em caldeiras de usinas termelétricas no mundo, sendo assim uma das principais fontes de gases de efeito estufa. A biomassa de madeira é um combustível renovável, e o dióxido de carbono tem um ciclo curto nos processos de oxidação das biomassas. Este estudo teve como principais objetivos comparar a combustão de dois carvões minerais (um brasileiro e outro colombiano) e um carvão vegetal em um forno tubular de queda livre, comumente chamado de forno DTF (Drop Tube Furnace). Um DTF consiste em um reator cilíndrico vertical, com aquecimento homogêneo, onde a combustão de partículas de um combustível sólido ocorre em condições semelhantes às que ocorrem em caldeiras de leito pulverizado. Recentemente foi construído no Laboratório de Combustão do Departamento de Engenharia Mecânica da UFRGS um forno DTF com 1,340 m de altura útil e que opera até 1200°C. A combustão foi avaliada a 1100°C em termos de burnout, análise de temperatura e espécies químicas ao longo do comprimento do reator. Dos resultados obtidos, o carvão colombiano mostrou-se mais reativo por ter sido consumido mais rapidamente, alcançando burnouts mais elevados do que o carvão brasileiro e o carvão vegetal. O carvão vegetal e o carvão brasileiro obtiveram burnouts semelhantes ao longo do comprimento do forno. O carvão vegetal liberou mais CO que os carvões minerais no início da combustão. A emissão de NO foi mais alta na combustão do carvão colombiano e do carvão vegetal porque estes concentram mais nitrogênio em sua estrutura. As emissões de SO2 também foram proporcionais ao teor de enxofre nos carvões, de maneira que o carvão brasileiro apresentou as maiores concentrações, seguido pelo carvão colombiano e por último, o carvão vegetal. O ar comprimido afeta de forma regular a temperatura no forno, sendo maior a diferença de temperatura entre o perfil com ar comprimido e o perfil sem ar comprimido próximo ao ponto de injeção, o queimador. O perfil sem ar comprimido demostra que o aquecimento do DTF não é homogêneo. A combustão do carvão aumenta significativamente a temperatura no forno, chegando próximo ao perfil de temperatura sem a injeção de ar comprimido. Este trabalho incluiu ainda um estudo prévio do dosador de partículas, considerando diferentes tipos de carvão e carvão vegetal. / Coal is the main fuel in thermoelectric generation in many countries in the world, in spite of its well known being one of the main sources of greenhouse gases. On the other hand, wood biomass is a renewable energy source, associated to a short life cycle of the carbon dioxide produced in its oxidation processes. This study aimed at comparing the reactivity, in combustion atmosphere, of two coals, a Colombian one and a Brazilian one, as well as of a charcoal, by means of a drop tube furnace (DTF). A DTF consists in a vertical cylindrical reactor, capable of mantaining a homogeneously heated section along which combustion of solid fuel particles take place in similar heating rate and temperature conditions as those that are found in the operation of industrial-scale pulverized coal boilers. A DTF was built in the Combustion Laboratory of the Mechanical Engineering Department at Federal University of Rio Grande do Sul. The reactor measures 1340 mm in testing height and can be heated to provide inner temperatures up to 1200ºC. Combustion of samples of the selected fuels was evaluated in terms of the evolution of burnout, gas temperature and composition of the gas and of the char collected in a set of positions along the DTF axys. As main results, it was observed that the reactivity of the Colombian coal is higher than that of the other fuels all along the DTF height. Similar results for burnout were found for the Brazilian coal and the charcoal. Emissions were also investigated. It was observed that combustion of the charcoal releases more CO in the initial portion of the particles displacement inside the reactor. Emission of NO was found to be higher in the combustion of the Colombian coal as well as in the combustion of the charcoal, accomopanying the higher nitrogen content in the composition of the two fuels. Emissions of SO2 were also proportional to sulphur content in the fuels, so that the higher amounts of this species were found in the combustion of the Brazilian coal, followed by the Colombian coal and the charcoal. Temperature measurements were made with a probe specifically designed for that purpose. It was verified that the DTF provides a satisfactory testing length as long as combustion takes place. Discussion of the results includes the calibration of the dosing apparatus.

O setor siderúrgico, assim como os demais setores da indústria, vem buscando alternativas para a redução dos custos de produção e aumento de produtividade. Em aciarias elétricas, os principais custos de produção do aço podem ser divididos, de forma simplificada, entre o custo dos insumos e o custo das matérias primas. Os refratários estão entre os cinco maiores custos na produção do aço em usinas semi-integradas. Entretanto, o conhecimento detalhado da microestrutura e do comportamento desses materiais ainda é bastante restrito aos seus fabricantes. Tendo em vista a importância dos refratários na produção do aço, este trabalho teve como objetivo gerar conhecimento acerca de sua microestrutura e comportamento em operação, com foco na diminuição do consumo e maximização dos lucros da empresa. Para tal, com o intuito de conhecer detalhadamente sua microestrutura e prever seu desempenho, foram realizadas análises de caracterização em laboratório e testes que simularam as condições de operação. Após os testes laboratoriais, os materiais selecionados foram testados em operação em forno elétrico a arco, buscando encontrar o melhor conjunto de materiais sob o ponto de vista de estabilidade do processo e custo de refratários. O cenário que apresentou melhores resultados em relação à performance e ao consumo específico foi a configuração A, onde foram utilizados os tijolos A, massa de soleira X, massa de reparo K e canal EBT P. Além disso, a substituição do tijolo C pelo tijolo A gerou uma redução de custo de 40%, e o conhecimento gerado com a caracterização do canal EBT proporcionou uma redução de 29,9% no preço desse item. / The steel industry, like other sectors of the industry, is seeking alternatives to reduce production costs and increase productivity. In electric steelworks, the main steel production costs can be divided, in a simplified way, between the cost of inputs and the cost of raw materials. Refractories are among the five largest costs in steel production in semi-integrated mills (mini-mills). However, detailed knowledge of the microstructure and behavior of these materials is still quite restricted to their manufacturers. Given the importance of the refractories in the production of steel, this study aimed to generate knowledge about their microstructure and behavior in operation, focusing on the reduction of consumption and maximization of profits. For that, in order to know in detail the microstructure and predict its performance, characterization analyzes and tests simulating the operating conditions were performed in the laboratory. After laboratory tests, the selected materials have been tested in operation in electric arc furnace, seeking to find the best set of materials from the point of view of stability of the process, and cost of refractories. The scenario that best results presented, in terms of performance and the specific consumption, was Configuration A, where bricks A, ramming mix X, repair mix K and EBT P were used. Moreover, the replacement of Brick B by brick A, generated a cost reduction of 40%, and the information gathered with the characterization of EBT, reduced the price of that item by 29.9%.

In blast furnace ironmaking one major challenge is to control and measure the alkalis circulating and accumulating in the blast furnace (BF). Alkali enter the BF with the primary raw material and will form a cycle where it is first reduced to metal at the lower parts forming gas. Alkali then follows the gas flow up where it oxidizes and solidies as the oxide form has a higher melting and volatilization temperature. Condensation then occurs on burden material and in their pores and by that it is following the burden downwards. The circular nature of the reactions leads to a build-up of alkali in the form of potassium in the BF that is hard to control or measure. Condensation of alkali compounds can also occur on the BF walls functioning like a glue to which particles attach, forming scaffolds that can rapidly increase and disturb the burden descent. The increased alkali catalyzes gasication of coke with CO2 that increasescoke consumption and leads to disintegration of coke. A common method today to control alkali is by varying the basicity in the BF. As lower basicity increases the amount alkali removed through slag while at the same time reducing the amount of sulfur that can be removed with the slag. This project was divided into two parts. The first part was a continuation of a previous study performed at Swerea MEFOS. Where to control the effect of alkali on coke gasication a method was tested using coke ash modication to inhibit the catalyzing properties of alkali bound on coke. The method has previously shown that alkalis are bound in the desired form but the added amount was not sufficient for inhibition of all picked-up alkalis. In this study, additional trials with higher additions of kaolin was performed. 2 wt% kaolin was added to the coal blend for producing coke that was then added to LKAB's experimental blast furnace (EBF) as basket samples in the end of a campaign. The excavated samples were analyzed using XRF, XRD, SEM-EDS and TGA to find if the alkali was bound in aluminum silicates in the coke ash, if the addition was sufficient for binding all alkalis and if the catalytic effect in coke gasication had been achieved. The second part was a novel approach with a statistical process analysis using SIMCA to connect top gas composition of SSAB Oxelösund's BF No. 4 to alkali content using process data. The approach investigated the correlation between NH3(g) and HCN(g) in the top gas to alkali content. Expanding on the possibility to measure alkali content quickly for the operators using top gas measurements. Top gas composition was measured using a mass spectrometer (MS) and where complimented with process and tap data provided by SSAB. Data was analyzed using the multivariate analysis tool SIMCA 15 to find possible correlations. Results from the first part showed that the alkali that was found was present as alkali aluminum silicates independent of kaolin addition after the EBF. As temperature along gas composition was the main factors behind alkali uptake in coke. Main differences in alkali uptake and development of coke properties in the BF was linked to the temperature and gas composition profile during tests campaigns compared. Results from TGA showed that the reaction rate of coke with CO2 increases with increasing K2O and that start of reaction was lower with increasing alkali. The results from the second approach did not find a correlation between HCN(g) and K2O in slag. Positive correlation could be seen between HCN(g) and increased SiO2 in slag and that H2O(g) would affect HCN(g) negatively.

Le creuset est une structure majoritairement composée de matériaux réfractaires destinés à supporter de fortes sollicitations thermomécaniques, dues au contact direct de ses parois internes avec la fonte à 1500°C. L’objectif de cette thèse est de développer un modèle thermomécanique de creuset capable de localiser les zones sensibles de la structure et d’estimer les contraintes. Des blocs de carbone, des structures maçonnées (briques avec mortier) et un pisé carboné sont les principaux constituants du creuset. Afin d’identifier leur comportement, des essais de caractérisation ont été développés pour des températures atteignant les 1500°C. Un modèle de type Cam-Clay modifié est proposé pour modéliser le comportement compactant du pisé. L’influence de la température et des fortes pressions est prise en compte. Une bonne corrélation est obtenue entre les résultats expérimentaux et numériques. Les structures maçonnées, en contact direct avec la fonte, sont fortement sollicitées, ce qui peut conduire à l’ouverture des joints de mortier. La modélisation proposée pour ces structures est basée sur une approche micro-macro où les briques et le mortier sont remplacés par un matériau homogène équivalent, et ce pour différents états d’ouverture de joints. La non-linéarité du comportement est reproduite grâce à un critère d’ouverture en contrainte, qui permet le passage d’un état à un autre. Les propriétés homogénéisées sont obtenues par homogénéisation périodique en s’appuyant sur une approche énergétique. La modélisation d’un essai de la littérature permet la validation du modèle. La modélisation finale du creuset est confrontée aux résultats de l’instrumentation d’un creuset. Une bonne concordance entre ces résultats est obtenue. / The blast furnace hearth is mainly composed of refractory materials to support strong thermo-mechanical loads. Indeed, there is a direct contact between its internal walls and the molten pig iron at 1500°C. The objective of this thesis is to develop a thermo-mechanical model able to locate the sensitive areas and to estimate the stress fields. Carbon blocks, masonries (bricks and mortars) and a carbon ramming mix are the main constituents of the hearth. In order to identify their behaviours, characterization tests have been developed for temperatures up to 1500°C. A modified Cam-Clay model is proposed in order to reproduce the hardening behaviour of the ramming mix. The influences of temperature and pressure are taken into account. Experimental and numerical results are in good agreement. Masonries, submitted to high temperature gradients are highly stressed, which can lead to the opening of the mortar joints. The proposed masonry modelling is based on a micro-macro approach where bricks and mortars are replaced by an equivalent homogenous material for different joint states. The non-linearity of the behaviour is reproduced thanks to a stress criterion, allowing the transition from one state to another. Homogenized properties are obtained by periodic homogenization with an energetic approach. The modeling of a shear test available in the literature allows the validation of this model. The final modelling of a hearth is compared with in-situ instrumentation results. A good agreement is reached between these results.

Resíduos gerados em diversas indústrias têm sido aproveitados na produção de materiais buscando reduzir o impacto ambiental. No campo das fibras, materiais alternativos vem sendo produzidos em maior quantidade e ganhando destaque na fabricação de compósitos mais adequados ambientalmente. Entre estes produtos está a fibra de escória de alto-forno, microfibra cuja matéria-prima é originária da produção do ferro-gusa, que apresenta vantagens em seu processo produtivo citando-se custo reduzido e ganho ambiental ao proporcionar a ampliação da aplicabilidade de um subproduto gerado em elevada quantidade, tem despertado o interesse no seu uso como reforço de matrizes cimentícias. Neste sentido, a presente pesquisa visa avaliar se, além do beneficio ambiental proporcionado pela utilização da fibra de escória em substituição a outras fibras convencionais, a aplicação deste produto pode proporcionar também benefícios técnicos ao incrementar o desempenho de matrizes cimentícias. Para tanto o programa experimental foi dividido em quatro etapas, sendo a etapa inicial de caracterização dos materiais empregados e da fibra de escória por meio de ensaios de Fluorescência de Raios X, Difração de Raios X e Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV). A segunda etapa foi proposta buscando avaliar a afinidade existente entre fibra e matriz cimentícia através do ensaio de Le Chatelier. Destinou-se a terceira parte do programa experimental ao preparo dos corpos-de-prova utilizados nos ensaios e a última para avaliação dos compósitos com relação à: Trabalhabilidade; Resistência à Tração na Flexão; Resistência à Compressão; Módulo de Elasticidade Dinâmico; Retração Restringida e Resistência ao Impacto. Os resultados não confirmaram a hipótese levantada, indicando que o desempenho da adição da fibra de escória em matrizes cimentícias foi insatisfatório, sendo constatada falha na distribuição da fibra através da produção de compósitos heterogêneos, com presença de aglomeração da fibra e incorporação de ar. Mesmo com o problema na dispersão da fibra, considerou-se com potencial promissor o resultado obtido no ensaio de retração restringida, onde foi possível verificar a atuação da microfibra de escória na distribuição das tensões permitindo o retardamento da fissuração nos anéis de argamassa reforçada. Estudos adicionais buscando melhorar a dispersão da fibra também não obtiveram bons resultados. Acredita-se que para fins de reforço em matrizes cimentícias a presença de resina adicionada à fibra de escória no seu processo de fabricação compromete a dispersão do material e, consequentemente, seu uso neste tipo de reforço. / Waste generated in various industries have been utilized in the production of materials seeking to reduce the environmental impact. In the field of fibers, alternative materials have been produced in greater quantity and gaining prominence in the manufacture of composites more environmentally appropriate. Among these products is of blast furnace slag fiber, microfiber whose raw material is sourced from the production of pig iron, which has advantages in its production process by citing the cost savings and environmental gains by providing expansion of the applicability of a byproduct generated in large amounts, has stimulated interest in its use as reinforcement in cementitious matrices. In this sense, this research aims to assess whether, in addition to environmental benefits provided by the use of slag fiber as a substitute for other conventional fibers, application of this product may also offer technical benefits to increase the performance of cementitious matrices. For both the experimental program was divided into four phases, the initial step of characterization of materials used and the slag fiber by tests of X-ray Fluorescence, X-ray diffraction and scanning electron microscopy (SEM). The second step was proposed by assessing the affinity between fiber and cement matrix by testing of Le Chatelier. Allocated to third part of the experimental program to prepare the bodies of the test piece used in the tests and the final assessment for the composites with respect to: Workability; Tensile strength in bending, compressive strength, dynamic modulus of elasticity; Restrained and Retraction Impact Resistance. The results did not confirm the hypothesis, indicating that the performance of slag addition of fiber in cementitious matrices was unsatisfactory, and found fault in the distribution of fiber through the production of composite heterogeneous with the presence of fiber clustering and incorporation of air. Even with the problem in dispersion of fiber, it was considered a promising potential with test result of restrained shrinkage, where it was possible to verify the performance of micro stress distribution in the slag allowing delayed cracking in mortar reinforced rings. Additional studies seeking to improve the dispersion of the fiber also did not obtain good results. It is believed that for purposes of reinforcement in cementitious matrices the presence of resin added to the slag fiber in its manufacturing process compromises the dispersal of the material and hence its use in this type of reinforcement.

O estudo de parâmetros cinéticos para a queima de carvão se dá através de utilização de equipamentos laboratoriais como o forno de queda livre (DTF). O presente trabalho trata do desenvolvimento e análise de um modelo numérico unidimensional de um DTF. A modelagem é realizada a partir de dados da literatura, e as equações discretizadas que caracterizam os fenômenos do escoamento, da transferência de calor e da combustão do carvão foram programadas na linguagem FORTRAN 90. Os resultados são comparados com um modelo de referência e com dados experimentais, e apresentaram boa concordância. Um estudo de sensibilidade é realizado para entender o comportamento da queima de carvão frente a mudanças de alguns parâmetros de operação do DTF. A análise de sensibilidade mostrou a versatilidade do modelo e, consequentemente, do experimento. A partir da variação da concentração de O2, da temperatura de operação e das vazões de entrada pode-se obter uma gama de resultados. O uso do modelo aqui apresentado concomitante com resultados experimentais resulta em um estudo aprofundado dos parâmetros cinéticos de combustão de carvão. / The study of kinetic parameters for coal combustion occurs through use of laboratory equipment such as drop tube furnace (DTF). The present work shows the development and analysis of a one-dimensional numerical model of a DTF. The modeling is developed from literature works, and the discrete equations that characterize the flow, heat transfer and coal combustion are programmed in FORTRAN 90 language. The results are compared with a reference model and experimental data, and showed good agreement. A sensitivity study is performed to understand the behavior of coal combustion due to changes of some working parameters of the DTF. The sensitivity analysis showed the versatility of the model and thereby the experiment. From the variation of the O2 concentration, operating temperature and input flow rates a range of results can be obtained. Using the model presented here together with experimental results leads to a detailed study of the kinetic parameters of coal combustion.

O pó de aciaria elétrica é um importante subproduto da indústria siderúrgica devido ao seu alto teor de zinco. Assim, tecnologias vêm sendo desenvolvidas visando seu aproveitamento, sendo o forno Waelz a mais difundida delas atualmente. No entanto, sua operação, por contar com um forno rotativo de grandes dimensões que abriga uma infinidade de fenômenos físico-químicos, apresenta difícil previsibilidade ab initio. Por essa razão, este trabalho faz uso de uma ferramenta avançada da termodinâmica computacional, destinada à modelagem de processos, chamada SimuSage, a fim de modelar o seu comportamento. Para a criação do modelo utilizou-se também uma base de dados termodinâmicos advinda do software FactSage e a plataforma de desenvolvimento Lazarus. Com base em dados e resultados operacionais da literatura, foi possível realizar simulações nos modos adiabático e isotérmico, comparando os resultados com os da prática industrial. Constatou-se uma grande capacidade do modelo de reproduzir os resultados da literatura, mesmo quando não há muita informação para aferição dos parâmetros, gerando boa concordância com a composição química relatada dos produtos Óxido Waelz e Escória Waelz. / The electric arc furnace dust is an important by-product of the steel industry due to its high content of zinc. Thus, technologies have been developed aiming for its use, and the Waelz Kiln is the most widespread of them today. However, counting on a very large rotary kiln that houses an infinity of physico-chemical phenomena, its operation is difficult to predict ab initio. For this reason, in order to model its behaviour this work uses an advanced tool of computational thermodynamics designed to process modelling, called SimuSage. To create the model, a thermodynamic database, provided by the FactSage software, as well as a development platform, Lazarus IDE, were also used. Based on operational data and results from de literature, it was possible to perform simulations on both adiabatic and isothermal modes comparing its results with the industrial practice. A great capability of the model to reproduce results from the literature was found, even when there is not much information for the parameters calibration, generating good agreement regarding the reported chemical composition for the products, Waelz Oxide and Waelz Slag.

A presente tese teve como objetivo fornecer subsídios teóricos e experimentais com vistas à reciclagem da carepa gerada em usinas mini-mills através de briquetes autorredutores para uso em FEA. Para atingir os objetivos vislumbrados, o trabalho foi estruturado em quatro principais tópicos: estudo de caracterização e de redutibilidade da carepa, escolha e caracterização do redutor para uso nos briquetes, elaboração e caracterização da mistura e ensaios de laboratório para avaliação do desempenho dos briquetes autorredutores. Os estudos de caracterização da carepa indicaram que este resíduo é constituído principalmente de wustita e se apresenta estratificada em três camadas: camada externa fina e porosa composta de hematita e magnetita, camada intermediária de wustita densa e camada interna de wustita porosa. A cinética de redução da carepa foi investigada em termobalança no intervalo de temperatura entre 830 e 1200°C com CO puro e mistura 90%CO-10%CO2. A energia de ativação aparente encontrada nesses ensaios variou de 71 a 80 kJ/mol e as observações microscópicas demonstraram que a redução da carepa segue um modelo topoquímico. A escolha do agente redutor para compor o briquete se deu através de ensaios de gaseificação ao CO2 e de autorredução em termobalança com três tipos de material carbonoso. A partir desses ensaios observou-se a seguinte ordem decrescente de reatividade e respectivas energias aparentes de ativação: Carvão Vegetal (Ea = 237 kJ/mol), Carvão Mineral (Ea = 214 kJ/mol) e Coque de Petróleo (Ea = 335 kJ/mol). Em virtude da maior reatividade do Carvão Vegetal frente aos demais, este redutor foi escolhido para uso nos briquetes. A mistura utilizada na confecção dos briquetes autorredutores teve como constituintes principais a carepa, os finos de carvão vegetal e aglomerantes (melaço e cal). Ensaios de caracterização em termobalança com atmosfera oxidante e aquecimento rápido indicaram uma perda de massa de cerca de 40%, referente às etapas de secagem, desvolatilização e autorredução da mistura. Nesses ensaios, observou-se elevadas taxas de perda de massa da mistura e uma notável complexidade dos fenômenos envolvidos, com reações simultâneas de combustão, autorredução e de oxidação do ferro, prevalecendo uma ou outra, dependendo da temperatura e da fração reagida de amostra. Através de procedimentos que buscaram reduzir a complexidade dos fenômenos envolvidos nas condições oxidantes, foi possível estimar que a energia de ativação aparente de autorredução está entre 62 e 69 kJ/mol. Os briquetes produzidos em escala industrial foram submetidos a ensaios isotérmicos e não-isotérmicos de alta temperatura. Tais ensaios buscaram determinar os gradientes térmicos no interior do briquete, a energia de ativação aparente e o desempenho cinético do aglomerado em condições de temperatura que se aproximam da prática industrial. A partir das constatações concernentes às taxas das reações químicas individuais (redução e gaseificação), às medidas do perfil de temperatura no interior dos aglomerados, à energia de ativação estimada para o briquete (93 kJ/mol) e ao modelo de redução encontrado nos ensaios de alta temperatura, acredita-se que tanto a cinética de redução da carepa como a transferência de calor sejam obstáculos limitantes da cinética global dos briquetes em estudo. Finalmente, os resultados de metalização obtidos nos testes de alta temperatura dão indícios da possibilidade de uso destes briquetes em FEA. / This dissertation aimed to provide theoretical and experimental basis for recycling of mill scale generated in mini-mill plants through the use of self-reducing briquettes in EAF. To reach these goals, the work was structured around four main topics: characterization and reducibility study of scale, choice and characterization of the reductant to use in briquettes, elaboration and characterization of the mixture and laboratory tests to performance evaluation of self-reducing briquettes. The characterization studies of mill scale have indicated that this waste is composed mainly of wustite and is stratified into three layers with different morphologies: fine porous external layer composed of hematite and magnetite, intermediate layer of dense wustite and inner layer of porous wustite. The kinetics of scale reduction was investigated in thermobalance in a temperature range from 830 to 1200°C with pure CO and a mixture of 90% CO and 10% CO2. The apparent activation energy obtained in these tests ranged from 71 to 80 kJ/mol and the microscopic observations showed that the mill scale reduction corresponds to a topochemical model. The choice of the reductant for composing the briquette was made through tests of gasification with CO2 and of self-reduction in thermobalance with three different carbonaceous materials. From the results, it was observed the following decreasing reactivity order and the related apparent activation energy: Charcoal (Ea = 237 kJ/mol), Mineral Coal (Ea = 214 kJ/mol) and Petroleum Coke (Ea = 335 kJ/mol). Due to the higher reactivity of Charcoal in relation to the others, this reducer was chosen to be used in the briquettes. The main constituents of the mixture used in the manufacture of self-reducing briquettes were scale, charcoal and binders (melasse and lime). The characterization tests in thermobalance with oxidizing athmosfere and rapid heating indicated a mass loss of about 40%, referring to the stages of drying, devolatilization and self-reduction of the mixture. During these tests, it were observed high rates of mixture loss mass and a remarkable complexity of the phenomena, with simultaneous combustion, self-reduction and iron oxidation reactions, where their importance changes according to temperature and fractional reaction of the sample. Through the procedures that aimed to reduce the complexity of the related phenomena in oxidant conditions, it was possible to estimate that the self-reduction apparent activation energy ranges between 62 to 69 kJ/mol. The briquettes produced in the industrial plant were submitted to isothermal and nonisothermal tests of high temperatures. Such tests aimed to determine the thermal gradients into the briquette, the apparent activation energy and kinetic performance of the agglomerate in temperature conditions similar to the ones used in industrial practice. Based on the findings concerning the individual rates of chemical reactions (reduction and gasification), the measures of the temperature profile inside the briquettes, the activation energy estimated (93 kJ/mol) and the reduction model found in high-temperature tests, it is assumed that both the kinetics of mill scale reduction and heat transfer limit the overall kinetic rates of these briquettes. Finally, the results of metallization obtained in the tests conducted at high temperatures indicate the possibility of using these briquettes into the EAF.

O setor siderúrgico, assim como os demais setores da indústria, vem buscando alternativas para a redução dos custos de produção e aumento de produtividade. Em aciarias elétricas, os principais custos de produção do aço podem ser divididos, de forma simplificada, entre o custo dos insumos e o custo das matérias primas. Os refratários estão entre os cinco maiores custos na produção do aço em usinas semi-integradas. Entretanto, o conhecimento detalhado da microestrutura e do comportamento desses materiais ainda é bastante restrito aos seus fabricantes. Tendo em vista a importância dos refratários na produção do aço, este trabalho teve como objetivo gerar conhecimento acerca de sua microestrutura e comportamento em operação, com foco na diminuição do consumo e maximização dos lucros da empresa. Para tal, com o intuito de conhecer detalhadamente sua microestrutura e prever seu desempenho, foram realizadas análises de caracterização em laboratório e testes que simularam as condições de operação. Após os testes laboratoriais, os materiais selecionados foram testados em operação em forno elétrico a arco, buscando encontrar o melhor conjunto de materiais sob o ponto de vista de estabilidade do processo e custo de refratários. O cenário que apresentou melhores resultados em relação à performance e ao consumo específico foi a configuração A, onde foram utilizados os tijolos A, massa de soleira X, massa de reparo K e canal EBT P. Além disso, a substituição do tijolo C pelo tijolo A gerou uma redução de custo de 40%, e o conhecimento gerado com a caracterização do canal EBT proporcionou uma redução de 29,9% no preço desse item. / The steel industry, like other sectors of the industry, is seeking alternatives to reduce production costs and increase productivity. In electric steelworks, the main steel production costs can be divided, in a simplified way, between the cost of inputs and the cost of raw materials. Refractories are among the five largest costs in steel production in semi-integrated mills (mini-mills). However, detailed knowledge of the microstructure and behavior of these materials is still quite restricted to their manufacturers. Given the importance of the refractories in the production of steel, this study aimed to generate knowledge about their microstructure and behavior in operation, focusing on the reduction of consumption and maximization of profits. For that, in order to know in detail the microstructure and predict its performance, characterization analyzes and tests simulating the operating conditions were performed in the laboratory. After laboratory tests, the selected materials have been tested in operation in electric arc furnace, seeking to find the best set of materials from the point of view of stability of the process, and cost of refractories. The scenario that best results presented, in terms of performance and the specific consumption, was Configuration A, where bricks A, ramming mix X, repair mix K and EBT P were used. Moreover, the replacement of Brick B by brick A, generated a cost reduction of 40%, and the information gathered with the characterization of EBT, reduced the price of that item by 29.9%.

O Pó de Aciaria Elétrica (PAE) é um resíduo sólido originado na fabricação de aços em Fornos Elétricos a Arco (FEA), classificado como resíduo perigoso pela ABNT NBR 10004- 2004. Isto porque ele contém metais nocivos ao meio ambiente (como chumbo e cádmio), embora seja constituído, em sua maior parte, pelos elementos ferro, zinco e oxigênio. Devido aos custos onerosos para disposição e por tratar-se de resíduo perigoso, a indústria procura pela possibilidade de retorno ao processo produtivo do aço. Uma das alternativas é a reintrodução na aciaria elétrica através de aglomerados autorredutores como parte da carga do FEA. Neste trabalho, são produzidas misturas autorredutoras contendo PAE e coque de petróleo, apresentando as correspondentes caracterizações químicas e físicas. Através de ensaios termogravimétricos é feita uma avaliação do comportamento destas misturas, mostrando a possibilidade do emprego desta técnica na aferição prática do teor ótimo de coque, em aglomerados. Além disto, foram produzidas pelotas autorredutoras através do uso de um disco laboratorial, sendo as pelotas submetidas a testes físicos e mecânicos, com uso de aglomerantes e também testes de autorredução em fornos mufla e em aparato experimental. Como resultados destes experimentos pode-se concluir que o cimento Portland ARI e a combinação de cal hidratada com cinza de casca de arroz possuem melhor resistência a compressão frente aos outros ligantes utilizados. O grau de metalização obtido para a maior parte das amostras não passou de 35%. A remoção de zinco foi de aproximadamente 85%, para temperatura de 1100 ºC, com 45 minutos e com 10% de coque de petróleo. Isto indica a possibilidade de enriquecimento da nova poeira gerada em zinco. Fato este que agrega valor para tratamento do resíduo em outros processos externos. / The Electric Arc Furnace Dust (EAFD) is a solid waste generated by electric steelmaking, in Electric Arc Furnaces (EAF), being considered a hazardous waste by the Environmental Protection Agency. That is because of its harmful metals, although it is composed, in majority, by elements iron, zinc and oxygen. Due to high costs involved for its disposal and because it is a hazardous waste, industry seek for the possibility of returning the EAFD back to the steelmaking process. One of the alternatives is by reintroduction via electric meltshop through self-reducing agglomerates as part of the furnace burden. In this work, self-reducing mixtures of EAFD and petroleum coke were produced, showing as result corresponding chemical and physical characterizations. Using thermogravimetric tests, an evaluation of the mixtures behavior was carried out, demonstrating the possibility of using this technique in a practical measurement of optimal content of coke, in agglomerates. Furthermore, selfreducing pellets were pelletized using a laboratorial disc, with these agglomerates being tested in physical and mechanical strength essays, with different binders employed and also selfreduction tests in vertical electric furnace and experimental apparatus. As part of the results it could be concluded cement and the combination between hydrated lime and rice husk ash achieved the best results, in compressive strength, comparing to other binders. The metallization degree for almost all samples achieved a maximum of 35%. Zinc removal, for temperatures around 1100 ºC, in an experiment of 45 minutes and using 10% of petroleum coke, was approximately 85%. It indicates the dust to be enriched with zinc. This fact adds value to the waste for treatment in other processes.