Orientador: Cesar Costapinto Santana / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Campinas / Made available in DSpace on 2018-07-14T07:07:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Coelho_GersonLuizVieira_M.pdf: 2086820 bytes, checksum: 1905ecd606990ea367593047e519a54f (MD5) Previous issue date: 1982 / Resumo: Foram realizados neste trabalho estudos experimentais no escoamento de suspensões de finos de minério de ferro (Hematita) a várias concentrações e temperaturas, nos regimes laminar e turbulento. Para a obtenção dos dados experimentais no regime laminar foi utilizado um reômetro capilar de tubos descartáveis sendo determinado o comportamento reológico das suspensões de minério de ferro na faixa de concentração de 25%, a 75%, em peso e nas temperaturas de 20, 30 e 40°C. Na interpretação dos resultados experimentais foram associadas às suspensões os modelos reológicos de fluidos de Bingham e de fluido do tipo "Power Law", visando a caracterização das suspensões para a previsão das perdas por atrito no escoamento laminar e turbulento. Os dados experimentais no escoamento turbulento foram obtidos em urna instalação piloto com tubos de 2,71cm e 5,22cm de diâmetros, para suspensões com concentrações de 40%, 50% e 65% em peso. A partir das várias correlações existentes na literatura o fator de atrito no escoamento turbulento foi calculado e comparado com valores experimentais visando analisar a validade e adequação das mesmas, objetivando o cálculo de potência de bombeamento. / Abstract: Experimental studies on the laminar and turbulent tube flow of iron ore suspensions were carried out. A special rheometer operating with disposable tubes was utilised in determining the rheological parameters of the suspensions. The concentrations, by weight, ranged from 25% to 75% and the temperatures used were 20, 30 and 40 °C. The behavior or the suspensions were fitted by the rheological models of Bingham and Power Law, for the calculation of friction losses for either laminar and turbulent tube flow. Experimental data in the turbulent tube flow were carried out in pilot plant with tubes of 2,71 and 5,22cm inner diameter and concentrations by weight of 40%, 50% and 65%. Friction factors in the turbulent region was calculated with experimental ones obtained in this work in order to check the correlations recomended and also to calculate pumping power in slurries pipelines. / Mestrado / Mestre em Engenharia Química

[pt] A tendência mundial de aumento da quantidade de finos (sinter feed e pellet feed) nas lavras de minério de ferro tem elevado a importância dos processos de aglomeração, em especial a pelotização, que tem por característica produzir pelotas de excelente qualidade química e alta resistência mecânica, além de ser um processo menos poluente que a sinterização. Atualmente, as jazidas de minério de ferro em lavra no Brasil, exploram minérios predominantemente hematíticos (hematita e/ou itabirito). Apesar do país não possuir tradição na exploração de minérios magnetíticos, existem ocorrências destes que vêm despertando crescente interesse, sendo, contudo, necessário à adequação das etapas do beneficiamento mineral e dos parâmetros operacionais da pelotização. O presente trabalho, fruto de uma interação da empresa Metal Data S/A e o Grupo de Siderurgia do DEMa/PUC-Rio, trata do estudo da pelotização de um minério de ferro magnetítico, proveniente de uma jazida brasileira em fase de pesquisa mineral, com o objetivo de analisar sua viabilidade exploratória para produção de pelotas a serem utilizadas como matéria prima na indústria siderúrgica. Os procedimentos experimentais foram divididos em três etapas: tratamento do minério, pelotização e redução, buscando assim, definir uma rota de tratamento do minério e, posteriormente, a caracterização química, mecânica e metalúrgica das pelotas produzidas. Foram estudados três tipos de misturas para a pelotização, envolvendo oito diferentes concentrados. Os resultados indicaram que o minério magnetítico é passível de concentração e capaz de produzir um pellet feed de qualidade, utilizando rota de beneficiamento com operações unitárias típicas. Este material mostrou potencial para a formação de pelotas cruas em discos de laboratório e, após as operações de queima, produziu pelotas que apresentaram granulometria entre 9,5 e 16,0 mm, resistência à compressão de 126 a 339 kg/pelota, índice de tamboramento de 67,7 a 94,9 %, porosidades de 23,8 a 40,74%, grau de metalização de 30 a 75%, entre outras. / [en] The global increasing trend of producing iron ore fines (sinter feed and pellet feed) has also increased the importance of the agglomeration processes, in particular the pelletizing, which has as main characteristic to produce high quality pellets with excellent mechanical resistance, besides being a less polluting process than the sintering. Currently, Brazilian mines exploit mainly hematite deposits (hematite and / or itabirite ores). Although the country has no tradition in exploiting magnetite minerals, there is a growing interest trend in magnetite occurrences, although it might be necessary to adequate mineral processing and pelletizing operating parameters when using such ore. This work is a result of an interaction between the company Metal Data S/A and the Siderurgy Group of the DEMa/PUC-Rio and describes the pelletizing process using magnetite iron ore from a Brazilian deposit in exploration stage, in order to evaluate its suitability for exploratory pellet production to be used as feedstock in the steel industry. The experimental procedures were divided into three steps - ore processing, pelletizing and reduction, aiming to define the ore treatment route and chemical, mechanical and metallurgical characteristics of the produced pellets. Three types of mixtures for pelletizing were analysed, involving eight different concentrates. The results indicated that the magnetite ore is likely to concentrate and capable of producing a pellet feed with adequate quality, using a processing route with typical unit operations. It was observed that this materal has a potential for the formation of green pellets in the laboratory pelletizing disc and, after burning operations, produced pellets that had particle size between 9.5 and 16.0 mm, compression strength from 126 to 339 kg / pellet, tumble index from 67.7 to 94.9%, porosity from 23.8 to 40.74%, degree of metallization from 30 to 75%, among others.

[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 minério de ferro é um material policristalino oriundo de processos naturais complexos. Os minerais mais comuns que o compõem (hematita, magnetita, goethita, etc.) podem ser identificados no microscópio ótico de luz refletida, através de suas refletâncias distintas. A importância do estudo das hematitas, especificamente, surge porque os maiores depósitos de minério de ferro, no Brasil, são praticamente todos do tipo hematítico, com altos teores de ferro. A hematita é um mineral fortemente anisotrópico que apresenta pleocroísmo de reflexão. Isto faz com que o brilho na imagem mude com diferentes orientações dos cristais. Assim, quando se utiliza luz polarizada, o contraste entre os cristais aumenta o suficiente para diferenciá-los. Tradicionalmente, as hematitas são classificadas em tipos texturais identificados como hematita microcristalina (Mc), martita (Ma), e partículas policristalinas compactas (Co) formadas, por sua vez, de cristais dos tipos: granular (Gr), lamelar (La), lobular (Lo). Em trabalhos anteriores foi desenvolvida uma rotina de classificação automática para os diferentes tipos de hematitas. Esta rotina utiliza como entrada duas imagens de uma mesma região, a primeira em campo claro (CC) e a segunda polarizada circularmente (CPOL). Neste trabalho foram implementadas modificações nas etapas de aquisição das imagens CPOL e no processamento de ruído, visando melhorar as etapas de classificação. Assim, a imagem CPOL, que apresenta problemas característicos de iluminação, passou a ser capturada utilizando o recurso de sub-quadros (subframe), o que elimina a necessidade de correção de fundo, melhorando a qualidade dos mosaicos de imagens capturados. Em seguida, explorou-se recurso de saturação digital da câmera, de forma a melhorar, substancialmente, o contraste entre os cristais de hematita. Finalmente, testou-se o impacto do uso de um novo filtro de redução de ruído – Non-Local Means (MNL) – sobre a segmentação de cristais. Os resultados mostraram uma melhora substancial na identificação dos tipos texturais de hematita com relação aos métodos anteriores e também superiores à tradicional identificação visual por operador treinado. / [en] Iron ore is a polycrystalline material originated from complex natural processes. Its main composing minerals (hematite, magnetite, goethite, etc.) can be identified with the reflected light optical microscope through their distinctive reflectances. The relevance of studying hematite, specifically, originates from the fact that the largest Brazilian iron deposits are mostly of the hematitic type, with high iron content. Hematite is a strongly anisotropic mineral that presents reflectance pleocroism. Thus, different crystal orientations produce different brightness and, when using polarized light, the contrast between crystals is strong enough to allow their discrimination. Traditionally, hematites are classified in textural types identified as microcrystalline (Mc), martite (Ma) and compact polycristalline (Co), composed of granula (Gr), lamellar (La) and lobular (Lo) crystals. An automatic classification routine for hematite types was developed in previous works. This routine takes as input two images of the same region, one in Bright Field and the second in Circular Polarization (CPOL). In this work, modifications in the CPOL image acquisition and in noise filtering were implemented, in order to improve the classification step. Thus, the CPOL images, which present a characteristic background problem, were acquired employing the subframe method, what eliminates the need for background correction, improving the quality of image mosaics. Then, the digital saturation of the camera was optimized to improve substantially the contrast between hematite types. Finally, the impact of a new noise reduction filter – the Non-Local Means Filter – on crystal segmentation was evaluated. The results showed a substantial improvement in the identification of hematite textural types as compared to the previous method, and also superior to the traditional visual identification by an operator.

Orientador: Celso Pinto Ferraz / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Geociencias / Made available in DSpace on 2018-08-03T16:53:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Fonte_LuisClaudiodeOliveirada_M.pdf: 3097523 bytes, checksum: b2ac47a43638429f569fe32b60332090 (MD5) Previous issue date: 2003 / Resumo: o uso do ferro e o aço como material estrutural e industrial é indispensável para a sociedade moderna. Seus substitutos para aplicações específicas, como outros metais, plásticos e cerâmicas, não afetarão seu consumo crescente se a economia mundial crescer e distribuir seu produto. Nos últimos anos a estrutura da indústria mundial de ferro e aço entrou em uma nova etapa de seu desenvolvimento. A indústria brasileira de ferro e aço, também, mudou no mesmo sentido e está muito bem posicionada. Nossas grandes reservas de minério de ferro de alta qualidade e a elevada produtividade de nossa indústria siderúrgica, depois do processo de privatização, são condições excepcionais. Esta dissertação avalia a situação da indústria do ferro e do aço no mundo e no Brasil e examina as oportunidades do Brasil vir a ocupar um papel ainda maior como um importante ator nesta indústria. Seu propósito é realçar o potencial estratégico que esta indústria pode ter para o desenvolvimento nacional caso a ação governamental estimule e facilite um aumento eficiente da capacidade de mineração de ferro e de fabricação de aço / Abstrct: The use ofthe iron and the steel as structural and industrial material is indispensable for the modem society. 115 substitutes for specific applications, as other metais, plastics and ceramics, won't affect its growing consumption if the world economy grows and distribute its product. In recent years the structure of the world industry of iron and steel entered in a new stage of development. The Brazilian industry of iron and steel also changed in the same way and are very well positioned. Our large reserves of high quality iron ore and the high productivity of our steel industry, after the privatization process, are exceptional conditions. This dissertation appraises the situation of iron and steel industry in the world and in Brazil and examines the opportunities ofBrazil increases its role as a global player in this industry. Its purpose is to highlight the strategic potential that this industry could have for the national development if the govemment action facilitate and stimulate the industry's research and development efforts and the efficient increase ofiron mining and steel making capacity / Mestrado / Administração e Politica de Recursos Minerais / Mestre em Geociências

[pt] As pelotas de minério de ferro são uma das principais matérias-primas, juntamente com o minério granulado e o sínter, do processo de fabricação do aço. São produzidas pelo processo de pelotização, aproveitando a parcela ultrafina do minério, que antes era considerada rejeito do processo de beneficiamento. A porosidade gerada no processo de fabricação das pelotas é uma importante característica do material, pois permite o fluxo interno de gases, aumentando a sua redutibilidade e consequentemente a eficiência do processo. Por outro lado, a porosidade afeta a resistência física das pelotas, que precisam suportar todos os esforços sofridos durante as operações de manuseio, transporte e dos processos metalúrgicos. Dessa forma, a quantidade, tamanho, forma e a distribuição espacial dos poros são características importantes no controle de qualidade das pelotas, que são produzidas em grande escala e vem ganhando cada vez mais importância nas usinas siderúrgicas. Tradicionalmente, as técnicas analíticas mais utilizadas na caracterização da porosidade desses materiais são porosimetria por intrusão de mercúrio (PIM) e microscopia ótica (MO). A PIM só permite avaliar poros que estão conectados à superfície, além de utilizar o mercúrio que é um material volátil e tóxico, que oferece riscos ao meio ambiente e à saúde humana. A MO é limitada ao espaço bidimensional, podendo trazer informações pouco representativas. Ambas as técnicas são destrutivas, podendo degradar o material no processo de preparação e também impossibilitando análises posteriores numa mesma amostra. O presente trabalho propõe desenvolver uma metodologia de caracterização tridimensional de porosidade em pelotas de minério de ferro, envolvendo a técnica de microtomografia de raios X (MicroCT) e análise de imagens, a fim de estudar separadamente os diferentes tipos de poros (abertos e fechados), e comparar com as técnicas clássicas citadas anteriormente. Foram utilizadas 25 amostras cedidas pela Vale, analisadas Augusto, Karen Soares; Paciornik, Sidnei. Microtomografia Computadorizada de Raios X Aplicada à Caracterização de Porosidade em Pelotas de Minério de Ferro. Rio de Janeiro, 2016. 156p. Tese de Doutorado – Departamento de Engenharia Química e de Materiais, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. primeiramente por MicroCT e posteriormente por PIM ou MO. Para tentativas de otimização, foram testados alguns parâmetros de análise em MicroCT, tais como o uso de lentes, diferentes configurações geométricas dos dispositivos que compõem o equipamento e número de projeções, que afetam diretamente a resolução e o tempo de análise. Comparou-se os resultados obtidos em MicroCT com os obtidos por PIM e MO, em amostras equivalentes, observando-se valores menores de porosidade para a técnica de MicroCT, devido à pior resolução do sistema. Porém, a metodologia apresentada foi capaz de quantificar a porosidade aberta e fechada separadamente, descrever a distribuição espacial, além de medir tamanho e forma, dos poros. / [en] Iron ore pellets are one of the major iron-bearing raw materials, along with lump ore and sinter, for the steelmaking processes. Pellets are produced from ultrafine fractions of iron ores, which were previously considered as tailings of mineral beneficiation. The porosity generated during the pelletizing process is an important characteristic of the material because it allows internal gas flow, increasing its reducibility and consequently the process efficiency. On the other hand, the porosity affects the physical strength of the pellets, which must withstand all loads during handling operations, transportation and metallurgical processes. Thus, the amount, size, shape and spatial distribution of pores are important features for the pellet quality control. Traditionally, most analytical techniques used to characterize the porosity of pellets are mercury intrusion porosimetry (MIP) and optical microscopy (OM). Nevertheless, MIP allows evaluating only pores connected to the surface, in addition mercury is volatile and toxic, offering risks to the environment and human health. OM, in turn, is limited to two-dimensional space and can reveal unrepresentative information. Both techniques are destructive and consequently prevent further analysis of the same sample. The present work proposes the development of a methodology for the tridimensional characterization of the porosity in iron ore pellets through X-ray microtomography (MicroCT) and image analysis in order to separately determine the different types of pores (open and closed). 25 samples provided by the Vale mining company were first analyzed by MicroCT and then by MIP or OM. For optimization purposes, some operating parameters of MicroCT were tested, such as the use of lenses, different geometric configurations, and the number of projections, which directly affect the obtained image resolution and the analysis time. Comparing the results obtained in MicroCT with the results obtained by MIP and OM in equivalent samples, smaller porosity measurements were observed for MicroCT, due to the poorer resolution of the system. However, this methodology has been able to separately quantify the open and closed porosity, to describe the spatial distribution of pores, and to measure their size and shape.

[pt] O presente trabalho visou avaliar o processo de eletroflotação de partículas finas e ultrafinas de minério de ferro com o uso de um biossurfactante extraído da bactéria Rhodococcus Opacus. Foram realizados estudos de caracterização de um minério de ferro (análise granulométrica, difração de raios - X e fluorescência de raios - X). Através das medições de espectroscopia no infravermelho foi possível identificar uma provável interação do biossurfactante com a hematita, o espectro após a interação mostrou grupos funcionais característicos do biossurfactante (NH, CH2, C=O, COO-e PO2-). As medidas de potencial zeta mostraramuma possível interação eletrostática entre a hematita e o biossurfactante, a reversão de carga mudou do pH 5,3 para 3,5 após a interação. As medidas de ângulo de contato sugeremque após a interação, a hematita pode ter se tornado mais hidrofóbica, alterando o ângulo de contato de 40 graus para 60 graus. As medidas de tensão superficial foram realizadas para determinar as propriedades físico-químicas do biossurfactante. De acordo com os resultados, o biossurfactante apresentou características tensoativas, reduzindo a tensão superficial de 71 mN/m para 40 mN/m em 25 mg/L de biossurfactante.Finalmente, foram realizados testes de eletroflotação com duas frações granulométricas de minério de ferro (-38+20micrometro e -20 micrometro) para avaliar o pH (3-11), a concentração do biossurfactante (50-800 mg/L), a densidade de corrente (5,28-16mA/cm2) e a agitação da solução (300-700 rpm). Segundo os resultados obtidos, o aumento do pH prejudicou a recuperação metalúrgica e o teor de ferro. Os melhores resultados ocorreram em pH 3, esse comportamento pode ser atribuído a interações eletrostáticas que ocorrem nessa faixa de pH. O aumento da concentração do biossurfactante favoreceu a recuperação metalúrgica e o teor de ferro, este comportamento se manteve até 300 mg/L, acima deste valor ocorreu um declínio provocado provavelmente pela formação de micelas. O aumento da densidade de corrente também favoreceu a recuperação metalúrgica e o teor de ferro. Para a amostra com faixa granulométrica de -38+20 micrometro a recuperação metalúrgica máxima foi em torno de 83 porcento e teor de ferro de 59 porcento, e a amostra com granulometria inferior a 20 μmapresentou uma recuperação metalúrgica e teor de Fe máxima de aproximadamente de 98 porcento e 64 porcento respectivamente. Dessa forma, os resultados obtidos mostram um potencial uso da técnica de eletroflotação na recuperação de partículas finas e ultrafinas de minério de ferro, utilizando o biossurfactante extraído da bactéria Rhodococcus opacus. / [en] This work aimed to evaluate the electroflotation process of fine and ultrafine iron ore particles using biosurfactant extracted from Rhodococcus Opacus bacteria. Characterization studies of iron ore were carried out (particle size analysis, X-ray diffraction and X-ray fluorescence). Through infrared spectroscopy measurements it was possible to identify a possible interaction of the biosurfactant with the mineral, the hematite spectrum after the interaction showed characteristic functional groups of the biosurfactant (NH, CH2, C=O, COO-e PO2-).The measurements of zeta potential suggest a possible electrostatic interaction between the hematite and the biosurfactant, by shifting the isoelectric point from 5.3 to 3.5.Contact angle measurements suggest that after interaction, hematite may have become more hydrophobic, changing the contact angle from 40 degrees to 60 degrees.Surface tension measurements were performed to determine the physico-chemical properties of the biosurfactant. According to the results, the biosurfactant showed tensioactive characteristics, reducing the surface tension from 71 mN/m to 40 mN/m in 25 mg/L of biosurfactant, the formation of micelles occurred from 300mg/L of biosurfactant. Finally, electroflotation tests were performed with two size fractions of iron ore (-38+20 micrometre and -20 micrometre) to evaluate the pH (3-11), biosurfactant concentration (50-800 mg/L), current density (5.28-16mA/cm2) and solution agitation (300-700 rpm). According to the results obtained, the increase in the pH impaired the metallurgical recovery and iron grade. The best results occurred at pH 3, this behavior can be attributed to electrostatic interactions that occur in this pH range. The increase of the biosurfactant concentration favored metallurgical recovery and the iron grade, this behavior remained up to 300 mg/L, above this value occurred a decline probably caused by the formation of micelles. The increase in current density also favored metallurgical recovery and iron content. For the sample with particle size range from -38+20 micrometre the maximum metallurgical recovery was around 76 percent and 59 percent iron grade and the sample with particle size from -20 micrometre the maximum metallurgical recovery and grade of Fe were around 90 percent and 64 percent, respectively. The results obtained show a potential use of the electroflotation technique in the recovery of fine and ultrafine iron ore particles, using the biosurfactant extracted from the Rhodococcus opacus bacterium.

[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] As pelotas de minério de ferro são produzidas a partir de um processo de aglomeração de finos de minério denominado pelotização, e possuem granulometria adequada para utilização em fornos siderúrgicos. Nesta dissertação dois fenômenos associados às superfícies das pelotas foram estudados: a formação de trincas e a presença de recobrimento (coating). Durante a pelotização, as pelotas são submetidas a diversos esforços compressivos e mudanças bruscas de temperatura. Desta forma, são geradas trincas em sua superfície, que são prejudiciais à resistência e ao desempenho nos fornos de redução. Já durante o processo de redução pode ocorrer a formação de pontes de ferro entre as pelotas, que se aglomeram formando clusters que comprometem o fluxo de gases no interior dos fornos. Este problema pode ser minimizado recobrindo as pelotas com uma mistura a base de óxidos de magnésio, o coating, que inibe a formação das pontes. Tendo em vista a importância de caracterizar trincas e coating na superfície das pelotas, a presente dissertação desenvolveu metodologias de aquisição, processamento e análise digital de imagens adquiridas com um estereoscópio. Foram desenvolvidos porta-amostras ajustáveis que permitiram a aquisição de imagens 2D de pelotas aproximadamente esféricas de diferentes tamanhos, cobrindo a maior parte da superfície e evitando a sobreposição de regiões de análise. A rotina de análise de trincas comparou dois métodos de segmentação e forneceu atributos como espessura média, fração de área e comprimento. A rotina de análise de coating utilizou segmentação por limiarização e mediu a fração de área ocupada em cada pelota. O uso dos porta-amostras foi fundamental para o sucesso do procedimento de aquisição. As rotinas de análise de trincas ou de coating se mostraram robustas para diferentes amostras. / [en] Iron ore pellets are produced from an ore fines agglomeration process called pelletizing, and are suitable for use in steel furnaces. In this dissertation two phenomena associated with the pellet surfaces were studied: crack formation and the presence of coating. During pelletizing, the pellets undergo various compressive forces and sudden changes in temperature. In this way, cracks are generated on its surface, which are detrimental to strength and performance in reduction furnaces. Already during the reduction process the formation of iron bridges can occur between the pellets, which clump forming clusters that compromise the flow of gases inside the furnaces. This problem can be minimized by coating the pellets with a magnesium oxide coating, which inhibits the formation of bridges. Given the importance of characterizing cracks and coating on the surface of the pellets, this dissertation developed methodologies for acquisition, processing and digital analysis of images acquired with a stereoscope. Adjustable sample holders were developed which allowed the acquisition of 2D images of approximately spherical pellets of different sizes, covering most of the surface and avoiding overlapping analysis regions. The crack analysis routine compared two segmentation methods and provided attributes such as mean thickness, area fraction and length. The coating analysis routine used threshold segmentation and measured the fraction of area occupied in each pellet. The use of the sample holders was fundamental to the success of the acquisition procedure. Crack analysis or coating routines were robust for different samples.

[pt] Frequentemente enfrenta-se grandes desafios na recuperação de amostras intactas de rejeitos com matrizes mais arenosas para a realização de ensaios laboratoriais. Essas dificuldades muitas vezes limitam a caracterização desses materiais ao uso de amostras reconstituídas, cuja capacidade de reproduzir o comportamento in-situ dos rejeitos está inerentemente ligada à capacidade do método de preparação da amostra de reproduzir a matriz do material. Vários estudos demostraram que o comportamento de rejeitos arenosos sob pequenas e grandes deformações são afetados pelos métodos empregados para preparação das amostras e o presente estudo busca entender de que forma a microestrutura pode interferir em tais variações. Buscando aprofundar nesta temática, a pesquisa objetivou realizar ensaios de caracterização física, química, mineralógica e microestrutural de uma amostra de rejeito de minério de ferro filtrado, predominantemente arenoso, testando três técnicas de reconstituição de amostra: Compactação com soquete (Moist tamping, MT), Pluviação úmida (Water pluviation, WP) e Deposição de lama (Slurry deposition, SD), avaliando a alteração na resposta da microestrutura do material frente às diferentes técnicas de moldagem. Foram realizados ensaios de análise de microtomografia computadorizada de raios X do material preparado com distintos índices de vazios, sendo: 0,70, 0,75 e 0,80. Ao final de cada preparação, as amostras foram submetidas ao congelamento instantâneo com o uso de nitrogênio líquido. De posse dos resultados, observou-se variações significativas entre os métodos de preparação de amostras do estudo, no que tange à disposição das partículas no meio, espaços vazios (porosidade) e influência da saturação do corpo de prova. Os resultados obtidos dos ensaios de microtomografia computadorizada indicaram arranjo desorientado e macroporoso entre as técnicas de reconstituição de amostras, observando-se similaridade microestrutural entre as técnicas MT e WP, tanto por constatação visual quanto por avaliação dos atributos microestruturais. A técnica de MT tende a formar grumos durante o processo de compactação com soquete, formando uma estrutura tida como favo de mel, podendo simular bem o empilhamento de rejeitos compactados. Já a técnica WP, devido ao seu processo de sedimentação natural, também tende a formar espaços vazios devido ao arranjo das partículas, sendo mais susceptível a sofrer segregação. Apesar disso, a técnica WP também pode ser aplicável para depósitos hidráulicos devido ao processo de sedimentação natural sem esforço de compactação. Já a técnica SD produz uma matriz de rejeito específica, influenciada pelo processo de homogeneização. Essa uniformidade das amostras observada na técnica SD pode representar bem depósitos hidráulicos, a depender das condições de lançamento de rejeito. Ademais, a pesquisa buscou avaliar a microestrutura de um rejeito de minério de ferro através da matriz gerada por cada técnica de reconstituição de amostras, identificando os aspectos que podem influenciar no arranjo e distribuição dos grãos no meio e macroporosidade. O congelamento instantâneo pode preservar as características das amostras, porém cada técnica possui suas limitações e individualidades as quais foram abordadas neste trabalho, e devem ser utilizadas com cautela para definição da técnica a ser adotada em função da condição do rejeito in-situ para fins de comparação. / [en] Great challenges are often faced in recovering intact samples from tailings with sandier matrices for carrying out laboratory tests. These difficulties often limit the characterization of these materials to the use of reconstituted samples, whose ability to reproduce the in-situ behavior of the tailings is inherently linked to the ability of the sample preparation method to reproduce the material matrix. Several studies have demonstrated that the behavior of sandy tailings under lows and highs deformations are affected by the methods used to prepare the samples and the present study seeks to understand how the microstructure can interfere with such variations. Seeking to delve deeper into this topic, the research aimed to carry out physical, chemical, mineralogical and microstructural characterization tests of a sample of filtered iron ore waste, predominantly sandy, testing three sample reconstitution techniques: Moist tamping (MT), Water pluviation (WP) and Slurry deposition (SD), evaluating the change in the response of the material s microstructure to different molding techniques. X-ray computed microtomography analysis tests were carried out on the prepared material with different void indices, being: 0.70, 0.75 and 0.80. At the end of each preparation, the samples were subjected to instant freezing using liquid nitrogen. With the results in hand, significant variations were observed between the study sample preparation methods, regarding the arrangement of particles in the medium, empty spaces (porosity) and the influence of the saturation of the specimen. The results obtained from microcomputed tomography tests indicated a disoriented and macroporous arrangement between the sample reconstitution techniques, observing microstructural similarity between the MT and WP techniques, both by visual observation and by evaluation of microstructural attributes. The MT technique tends to form lumps during the socket compaction process, forming a structure known as a honeycomb, which can well simulate the stacking of compacted waste. The WP technique, due to its natural sedimentation process, also tends to form voids due to the arrangement of the particles, being more susceptible to segregation. Despite this, the WP technique can also be applicable for hydraulic deposits due to the natural sedimentation process without compaction effort. The SD technique produces a specific waste matrix, influenced by the homogenization process. This uniformity of the samples observed in the SD technique may well represent hydraulic deposits, depending on the waste disposal conditions. Finally, the research sought to evaluate the microstructure of an iron ore tailings through the matrix generated by each sample reconstitution technique, identifying aspects that can influence the arrangement and distribution of grains in the environment and macroporosity. Instant freezing can preserve the characteristics of the samples; however each technique has its limitations and individualities, which were addressed in this work, and must be used with caution to define the technique to be adopted depending on the condition of the in-situ waste for the purpose of comparison.