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.

A indústria siderúrgica do Estado do Rio Grande do Sul é do tipo semi-integrada e produz aço a partir de sucata, utilizando fornos a arco elétrico. Em suas atividades gera vários tipos de resíduos, dentre estes as carepas, cujo componente principal são óxidos de ferro. Este material não encontra utilização e geralmente tem destinação final em aterros de resíduos industriais ou co-processamento em fábricas de cimento. A produção e o processamento do carvão vegetal no estado do Rio Grande do Sul também geram como principal resíduo uma fração de baixa granulometria constituída de finos de carvão vegetal que praticamente não tem utilização e é descartada no meio ambiente. O objetivo do presente trabalho é buscar uma solução para a reciclagem de carepas geradas em usinas semi-integradas dentro do próprio processo produtivo. A solução proposta foi o desenvolvimento de um briquete autorredutor elaborado com carepa de aciaria e finos de carvão vegetal, com possibilidade de utilização na carga do forno elétrico à arco. Carepas e finos de carvão vegetal foram coletados e caracterizados. Briquetes autorredutores foram feitos com estes materiais e submetidos a ensaios de redução nas temperaturas de 1100, 1200 e 1260°C. O comportamento dos briquetes em altas temperaturas foi qualitativamente avaliado. Cálculos matemáticos e simulação computacional foram utilizados numa estimativa do consumo energético destes briquetes. O desempenho dos briquetes e os resultados obtidos permitem concluir pela potencialidade de utilização destes briquetes autorredutores como parte da carga de fornos elétricos a arco. / The steelmaking industry in Rio Grande do Sul State is semi-integrated and produces steel from scrap metal using electric arc furnaces. In its activities generates several wastes, among them mill scale, which main component are iron oxides. This material does not have use and generally have final destination in industrial landfills or co-processing in cement plants. The production and processing of charcoal in Rio Grande do Sul State also generate as main waste a fraction of low granulometry, consisting of charcoal fines what practically have no use and is disposal in the environment. The objective of the present work is to look for a solution to mill scale recycling, generated in semi-integrated steelmaking plants, inside its own productive process. The proposed solution was the development of self-reducing briquette produced with mill scale and charcoal fines, with possibilities of use in charge of electric arc furnace. Mill scale and charcoal fines were collected and characterized. Self-reducing briquettes were made from these materials and subjected to tests of reduction at temperatures of 1100, 1200 and 1260°C. The behaviour of briquettes in high temperatures was qualitatively evaluated. Mathematical calculation and computational simulation were used in a estimative of the energetic consumption of these briquettes. The performance of briquettes and the obtained results allow to conclude the potential use of these self-reducing briquettes as a part of charge in electric arc furnaces.

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.

A indústria siderúrgica do Estado do Rio Grande do Sul é do tipo semi-integrada e produz aço a partir de sucata, utilizando fornos a arco elétrico. Em suas atividades gera vários tipos de resíduos, dentre estes as carepas, cujo componente principal são óxidos de ferro. Este material não encontra utilização e geralmente tem destinação final em aterros de resíduos industriais ou co-processamento em fábricas de cimento. A produção e o processamento do carvão vegetal no estado do Rio Grande do Sul também geram como principal resíduo uma fração de baixa granulometria constituída de finos de carvão vegetal que praticamente não tem utilização e é descartada no meio ambiente. O objetivo do presente trabalho é buscar uma solução para a reciclagem de carepas geradas em usinas semi-integradas dentro do próprio processo produtivo. A solução proposta foi o desenvolvimento de um briquete autorredutor elaborado com carepa de aciaria e finos de carvão vegetal, com possibilidade de utilização na carga do forno elétrico à arco. Carepas e finos de carvão vegetal foram coletados e caracterizados. Briquetes autorredutores foram feitos com estes materiais e submetidos a ensaios de redução nas temperaturas de 1100, 1200 e 1260°C. O comportamento dos briquetes em altas temperaturas foi qualitativamente avaliado. Cálculos matemáticos e simulação computacional foram utilizados numa estimativa do consumo energético destes briquetes. O desempenho dos briquetes e os resultados obtidos permitem concluir pela potencialidade de utilização destes briquetes autorredutores como parte da carga de fornos elétricos a arco. / The steelmaking industry in Rio Grande do Sul State is semi-integrated and produces steel from scrap metal using electric arc furnaces. In its activities generates several wastes, among them mill scale, which main component are iron oxides. This material does not have use and generally have final destination in industrial landfills or co-processing in cement plants. The production and processing of charcoal in Rio Grande do Sul State also generate as main waste a fraction of low granulometry, consisting of charcoal fines what practically have no use and is disposal in the environment. The objective of the present work is to look for a solution to mill scale recycling, generated in semi-integrated steelmaking plants, inside its own productive process. The proposed solution was the development of self-reducing briquette produced with mill scale and charcoal fines, with possibilities of use in charge of electric arc furnace. Mill scale and charcoal fines were collected and characterized. Self-reducing briquettes were made from these materials and subjected to tests of reduction at temperatures of 1100, 1200 and 1260°C. The behaviour of briquettes in high temperatures was qualitatively evaluated. Mathematical calculation and computational simulation were used in a estimative of the energetic consumption of these briquettes. The performance of briquettes and the obtained results allow to conclude the potential use of these self-reducing briquettes as a part of charge in electric arc furnaces.

A carepa é um resíduo da produção de aço gerado principalmente nas etapas de lingotamento e laminação. O objetivo do presente trabalho foi a produção do coagulante cloreto férrico a partir da carepa oriunda da indústria siderúrgica. Em termos experimentais, foram realizados ensaios de solubilização da carepa avaliando-se o efeito da concentração de ácido clorídrico, tempo de reação e temperatura. Ainda, avaliou-se a oxidação do Fe2+, presente no liquor, para Fe3+ por dois métodos distintos, sendo adição de peróxido de hidrogênio e injeção de ozônio. A solução de cloreto férrico produzido a partir da carepa foi caracterizada e aplicada no tratamento de esgoto doméstico sanitário de uma instituição universitária. Como resultado, a melhor condição para a dissolução da carepa foi com o uso de uma solução de HCl 90%, tempo de reação de 2 horas a uma temperatura de 80oC. Nesta condição, a eficiência de dissolução da carepa foi de 90%. A completa oxidação do Fe2+ dissolvido no liquor para Fe3+ foi possível tanto com a adição de H2O2 como com O3. Contudo, o processo de ozonização apresenta vantagens, pois estequiometricamente é mais eficiente e não dilui a solução rica em cloreto férrico. A análise físico-química do coagulante produzido com a digestão da carepa com HCl 90% e oxidada com ozônio, após evaporação, atendeu ao critério de concentração de Fe de no mínimo 12% em volume. A aplicação do reagente no tratamento de um esgoto doméstico sanitário mostrou que é eficiente na remoção de sólidos suspensos e fósforo. Por fim o estudo mostrou que é possível produzir um coagulante a partir da carepa gerada na indústria siderúrgica. A prática sugerida neste trabalho pode reduzir a quantidade de resíduos deslocados para aterros industriais pela indústria siderúrgica. / Mill scale is a residue of steel production generated mainly in casting and lamination phases. The objective of this work was the production of the ferric chloride coagulant from the mill scale which comes from the steel industry. In experimental terms, trials of mill scale solubility were carried out in order to evaluate the effect of hydrochloric acid concentration, reaction time and temperature. After that, the oxidation of Fe2 +, present in the liquor, to Fe3 + was evaluated by two distinct methods, addition of hydrogen peroxide and ozone injection. The ferric chloride solution produced from mill scale was characterized and applied in the sewage treatment of a university campus. As a result, a good condition for the dissolution of mill scale was with the use of 90% HCl solution, reaction time of 2 hours, at a temperature of 80ºC. In this condition, the efficiency of mill scale dissolution was of 90%. The complete oxidation of Fe2+ dissolved in the liquor for Fe3+ was possible both with the addition of H2O2 as well as with O3. However, the ozonation process has advantages because it is stoichiometrically more efficient and does not dilute the solution rich in ferric chloride. Physico-chemical analysis of the coagulant produced with the dissolution of mill scale with 90% HCl and oxidized with ozone, after evaporation, answered to the criterion of Fe concentration of, at least, 12% in volume. The use of the reagent in the treatment of a sewer showed that it is effective in removing suspended solids and phosphorus. Finally, it is possible to produce a coagulant from mill scale produced in the steel industry. The practice suggested in this work can reduce the amount of waste sent to industrial landfills by the steel industry.

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.

A indústria siderúrgica do Estado do Rio Grande do Sul é do tipo semi-integrada e produz aço a partir de sucata, utilizando fornos a arco elétrico. Em suas atividades gera vários tipos de resíduos, dentre estes as carepas, cujo componente principal são óxidos de ferro. Este material não encontra utilização e geralmente tem destinação final em aterros de resíduos industriais ou co-processamento em fábricas de cimento. A produção e o processamento do carvão vegetal no estado do Rio Grande do Sul também geram como principal resíduo uma fração de baixa granulometria constituída de finos de carvão vegetal que praticamente não tem utilização e é descartada no meio ambiente. O objetivo do presente trabalho é buscar uma solução para a reciclagem de carepas geradas em usinas semi-integradas dentro do próprio processo produtivo. A solução proposta foi o desenvolvimento de um briquete autorredutor elaborado com carepa de aciaria e finos de carvão vegetal, com possibilidade de utilização na carga do forno elétrico à arco. Carepas e finos de carvão vegetal foram coletados e caracterizados. Briquetes autorredutores foram feitos com estes materiais e submetidos a ensaios de redução nas temperaturas de 1100, 1200 e 1260°C. O comportamento dos briquetes em altas temperaturas foi qualitativamente avaliado. Cálculos matemáticos e simulação computacional foram utilizados numa estimativa do consumo energético destes briquetes. O desempenho dos briquetes e os resultados obtidos permitem concluir pela potencialidade de utilização destes briquetes autorredutores como parte da carga de fornos elétricos a arco. / The steelmaking industry in Rio Grande do Sul State is semi-integrated and produces steel from scrap metal using electric arc furnaces. In its activities generates several wastes, among them mill scale, which main component are iron oxides. This material does not have use and generally have final destination in industrial landfills or co-processing in cement plants. The production and processing of charcoal in Rio Grande do Sul State also generate as main waste a fraction of low granulometry, consisting of charcoal fines what practically have no use and is disposal in the environment. The objective of the present work is to look for a solution to mill scale recycling, generated in semi-integrated steelmaking plants, inside its own productive process. The proposed solution was the development of self-reducing briquette produced with mill scale and charcoal fines, with possibilities of use in charge of electric arc furnace. Mill scale and charcoal fines were collected and characterized. Self-reducing briquettes were made from these materials and subjected to tests of reduction at temperatures of 1100, 1200 and 1260°C. The behaviour of briquettes in high temperatures was qualitatively evaluated. Mathematical calculation and computational simulation were used in a estimative of the energetic consumption of these briquettes. The performance of briquettes and the obtained results allow to conclude the potential use of these self-reducing briquettes as a part of charge in electric arc furnaces.

A carepa é um resíduo da produção de aço gerado principalmente nas etapas de lingotamento e laminação. O objetivo do presente trabalho foi a produção do coagulante cloreto férrico a partir da carepa oriunda da indústria siderúrgica. Em termos experimentais, foram realizados ensaios de solubilização da carepa avaliando-se o efeito da concentração de ácido clorídrico, tempo de reação e temperatura. Ainda, avaliou-se a oxidação do Fe2+, presente no liquor, para Fe3+ por dois métodos distintos, sendo adição de peróxido de hidrogênio e injeção de ozônio. A solução de cloreto férrico produzido a partir da carepa foi caracterizada e aplicada no tratamento de esgoto doméstico sanitário de uma instituição universitária. Como resultado, a melhor condição para a dissolução da carepa foi com o uso de uma solução de HCl 90%, tempo de reação de 2 horas a uma temperatura de 80oC. Nesta condição, a eficiência de dissolução da carepa foi de 90%. A completa oxidação do Fe2+ dissolvido no liquor para Fe3+ foi possível tanto com a adição de H2O2 como com O3. Contudo, o processo de ozonização apresenta vantagens, pois estequiometricamente é mais eficiente e não dilui a solução rica em cloreto férrico. A análise físico-química do coagulante produzido com a digestão da carepa com HCl 90% e oxidada com ozônio, após evaporação, atendeu ao critério de concentração de Fe de no mínimo 12% em volume. A aplicação do reagente no tratamento de um esgoto doméstico sanitário mostrou que é eficiente na remoção de sólidos suspensos e fósforo. Por fim o estudo mostrou que é possível produzir um coagulante a partir da carepa gerada na indústria siderúrgica. A prática sugerida neste trabalho pode reduzir a quantidade de resíduos deslocados para aterros industriais pela indústria siderúrgica. / Mill scale is a residue of steel production generated mainly in casting and lamination phases. The objective of this work was the production of the ferric chloride coagulant from the mill scale which comes from the steel industry. In experimental terms, trials of mill scale solubility were carried out in order to evaluate the effect of hydrochloric acid concentration, reaction time and temperature. After that, the oxidation of Fe2 +, present in the liquor, to Fe3 + was evaluated by two distinct methods, addition of hydrogen peroxide and ozone injection. The ferric chloride solution produced from mill scale was characterized and applied in the sewage treatment of a university campus. As a result, a good condition for the dissolution of mill scale was with the use of 90% HCl solution, reaction time of 2 hours, at a temperature of 80ºC. In this condition, the efficiency of mill scale dissolution was of 90%. The complete oxidation of Fe2+ dissolved in the liquor for Fe3+ was possible both with the addition of H2O2 as well as with O3. However, the ozonation process has advantages because it is stoichiometrically more efficient and does not dilute the solution rich in ferric chloride. Physico-chemical analysis of the coagulant produced with the dissolution of mill scale with 90% HCl and oxidized with ozone, after evaporation, answered to the criterion of Fe concentration of, at least, 12% in volume. The use of the reagent in the treatment of a sewer showed that it is effective in removing suspended solids and phosphorus. Finally, it is possible to produce a coagulant from mill scale produced in the steel industry. The practice suggested in this work can reduce the amount of waste sent to industrial landfills by the steel industry.

A carepa é um resíduo da produção de aço gerado principalmente nas etapas de lingotamento e laminação. O objetivo do presente trabalho foi a produção do coagulante cloreto férrico a partir da carepa oriunda da indústria siderúrgica. Em termos experimentais, foram realizados ensaios de solubilização da carepa avaliando-se o efeito da concentração de ácido clorídrico, tempo de reação e temperatura. Ainda, avaliou-se a oxidação do Fe2+, presente no liquor, para Fe3+ por dois métodos distintos, sendo adição de peróxido de hidrogênio e injeção de ozônio. A solução de cloreto férrico produzido a partir da carepa foi caracterizada e aplicada no tratamento de esgoto doméstico sanitário de uma instituição universitária. Como resultado, a melhor condição para a dissolução da carepa foi com o uso de uma solução de HCl 90%, tempo de reação de 2 horas a uma temperatura de 80oC. Nesta condição, a eficiência de dissolução da carepa foi de 90%. A completa oxidação do Fe2+ dissolvido no liquor para Fe3+ foi possível tanto com a adição de H2O2 como com O3. Contudo, o processo de ozonização apresenta vantagens, pois estequiometricamente é mais eficiente e não dilui a solução rica em cloreto férrico. A análise físico-química do coagulante produzido com a digestão da carepa com HCl 90% e oxidada com ozônio, após evaporação, atendeu ao critério de concentração de Fe de no mínimo 12% em volume. A aplicação do reagente no tratamento de um esgoto doméstico sanitário mostrou que é eficiente na remoção de sólidos suspensos e fósforo. Por fim o estudo mostrou que é possível produzir um coagulante a partir da carepa gerada na indústria siderúrgica. A prática sugerida neste trabalho pode reduzir a quantidade de resíduos deslocados para aterros industriais pela indústria siderúrgica. / Mill scale is a residue of steel production generated mainly in casting and lamination phases. The objective of this work was the production of the ferric chloride coagulant from the mill scale which comes from the steel industry. In experimental terms, trials of mill scale solubility were carried out in order to evaluate the effect of hydrochloric acid concentration, reaction time and temperature. After that, the oxidation of Fe2 +, present in the liquor, to Fe3 + was evaluated by two distinct methods, addition of hydrogen peroxide and ozone injection. The ferric chloride solution produced from mill scale was characterized and applied in the sewage treatment of a university campus. As a result, a good condition for the dissolution of mill scale was with the use of 90% HCl solution, reaction time of 2 hours, at a temperature of 80ºC. In this condition, the efficiency of mill scale dissolution was of 90%. The complete oxidation of Fe2+ dissolved in the liquor for Fe3+ was possible both with the addition of H2O2 as well as with O3. However, the ozonation process has advantages because it is stoichiometrically more efficient and does not dilute the solution rich in ferric chloride. Physico-chemical analysis of the coagulant produced with the dissolution of mill scale with 90% HCl and oxidized with ozone, after evaporation, answered to the criterion of Fe concentration of, at least, 12% in volume. The use of the reagent in the treatment of a sewer showed that it is effective in removing suspended solids and phosphorus. Finally, it is possible to produce a coagulant from mill scale produced in the steel industry. The practice suggested in this work can reduce the amount of waste sent to industrial landfills by the steel industry.

Reducing energy consumption in pulp and paper refining requires a deep understanding of all the processes involved. This dissertation investigates fundamental mechanics of the low consistency mechanical refining process. Three studies investigate forces applied to wood fibers with the focus on how force profiles during bar passing events change with process variables such as fiber length and refiner load. In the first study a high resolution rotary encoder and a piezo ceramic force sensor are implemented in a 16-inch laboratory-scale low consistency refiner to explore the effect of plate gaps on bar-force profiles. The rotary encoder data is used to locate the rotor bars relative to the stator bar in which the sensor is located. Force profiles for bar passing events are registered to the position of rotor bars relative to the stator bar in which the sensor is located and mean force profiles are produced. These mean force profiles have potential to shed light on the fundamental mechanisms of mechanical refining. For large gaps, there is a late peak in the force profiles that occurs toward the end of the bar passing event. For gaps that are less than the critical gap, below which fiber cutting occurs, there is an early peak in the force profiles that occurs at the start of the bar passing event. It is hypothesized that the early peak represents the corner force and, therefore, that corner force is causal in the onset of fiber cutting. In the second study a set of piezo ceramic force sensors is implemented in a 52-inch mill-scale low consistency refiner to explore the effect of varying operating conditions on bar force profiles. Force profiles for individual bar passing events are identified based on key features in the time domain force data based on the knowledge acquired from the previous study in the pilot-scale refiner. The individual bar force profiles are classified as single peak events which feature one peak corresponding to the fiber compression force and as dual peak events corresponding to fiber compression force and the corner force. It is shown that dual peak events which are considered to represent the corner force, are present throughout the whole range of refining and increase with increased refining energy. After applying the dual peak analysis to the data from the previous study this behaviour was also found in the pilot-scale refiner data. Furthermore, it is found that different radial positions on the stator plate are subjected to different force profiles. This is thought to be due to the difference in tangential speed and a change in the fiber and floc material properties at different radial positions. In the third study the effect of refiner plate wear on bar force sensor measurements is explored by applying the dual peak analysis to long term data acquired from the mill-scale refiner. Bar passing events are analysed based on the dual peak ratio and the timing of the early peak in the dual peak events. Force measurements are evaluated over the full run time of a set of refiner plates. When comparing force profiles with refiner plate wear measurements and discharge fiber analysis, it is found that the decrease in the prevalence of the corner force correlates with the wear of the leading edge of the refiner bars, or bar rounding, for the run time of the refiner plate. This is accompanied by a decrease in plate performance which is represented by a decrease in fiber length and freeness reduction for the same refiner load. / Graduate