A redução carbotérmica do minério de ferro é a mais importante reação na fabricação do ferro, e tem sido obtida principalmente em Alto-Forno. Nos últimos anos, muitos processos novos foram propostos como alternativas e vários tipos de reatores foram testados. O processo mais promissor foi aquele em que a mistura minério de ferro e material carbonáceo eram aquecidos a altas temperaturas, promovendo a reação com formação do ferro metálico. Tornou-se claro que um dos principais obstáculos para a rápida reação é a transferência de calor da região externa para o centro da mistura. Por outro lado, muitos estudos têm mostrado que o aquecimento por microondas é muito efetivo em processos industriais, como secagem e sinterização de cerâmicos. No aquecimento por microondas, o material é aquecido a partir de seu interior, logo evita a obrigação de um aquecimento de fora para dentro do material. Neste trabalho, o aquecimento por microondas foi aplicado para a redução carbotérmica da hematita. Os resultados obtidos mostraram que é possível aquecer a mistura minério de ferro - carbono acima da temperatura de reação e que a taxa de reação é comparável à obtida por aquecimento convencional utilizando-se a mesma mistura. / The carbothermic reduction of iron ores is the most important reaction in ironmaking, and has been performed mainly in the Blast Furnace. In the last years, several new processes have been proposed as alternatives, and many types of reactors have been tested. The most promising processes are those in which a mixture of iron ore and carbonaceous material is heated at high temperatures, promoting the reaction with formation of metallic iron. It became clear that one of the main obstacles to a fast reaction is heat transfer from the surroundings to the core of the mixture. On the other hand, several studies have shown that microwave heating is very effective in some industrial processes, like drying and sintering of ceramics. In the microwave heating, the material is heated from the inside, thus avoiding the constraints of heat transfer from the surroundings to the inner part of the material. In this work, microwave heating has been applied to the carbothermic reduction of hematite. The obtained results have show that it is possible to heat iron-carbon mixture above the reduction temperature, and the reaction rates have been compared to those obtained employing conventional heating with the same mixtures .

Através de revisão bibliográfica e estudo experimental, o presente trabalho apresenta uma análise da influência de diversos parâmetros sobre a velocidade da reação entre minério de ferro e carbono, aglomerados na forma de pelotas auto-redutoras. Os parâmetros estudados foram: temperatura, tipo e quantidade de redutor, uso de adições, composição e vazão dos gases no recipiente de reação, tamanho da pelota. A técnica experimental consistiu em medi-se a velocidade de reação por análise termogravimétrica, complementada por análise do gás de saída e difração de Raios-X em pelotas parcialmente reduzidas. Verificou-se que o mecanismo controlador da velocidade de reação é determinado por um conjunto de parâmetros inter-relacionados, e que pode mudar o progresso de reação. A etapa química da reação é controlada pela gaseificação do carbono por CO2. Transporte de calor e difusão gasosa através dos poros da pelota exercem forte influência sobre a velocidade; os fatores que favorecem a influência de transporte de calor são: aumento de temperatura; aumento da reatividade do redutor; uso de catalisador; diminuição do diâmetro da pelota; início de reação; redução sob atmosfera CO/CO2 de composição próxima ao equilíbrio wustitaferro. A influência de difusão gasosa se faz sentir quando a reação é efetuada sob atmosfera de gás inerte, que penetra nos poros da pelota, diluindo a atmosfera CO/CO2 reinante no interior da mistura de partículas. Nessas condições, esta influência é maior quanto menor for a temperatura de reação, quanto menos reativo for o redutor, quanto menor for a pelota, e nos estágios finais de reação. Verificou-se ainda que parâmetros relacionados à composição das pelotas, bem como a temperatura do processo, tem grande influência sobre o comportamento dimensional dos aglomerados.Assim, pelotas com ganga básica (com carvão vegetal e adições básicas) tendem a inchar catastroficamente, ao passo que pelotas com ganga ácida (com coque ou carvão mineral como redutores) não apresentam este fenômeno. Microscopia eletrônica de varredura indicou a presença de ferro filamentar em pelotas que apresentaram inchamento catastrófico. Analisou-se ainda como a presença de matéria volátil no redutor afeta a cinética de reação e o comportamento dimensional das pelotas, e também sob que condições o ferro formado na redução catalisa a reação. / The factors that affect the rate of reaction between iron oxides and carbon were analysed by means of literature review and experimental investigation. The iron ore and the carbon were agglomerated in the form of self-reducing pellets. The investigated variables were: temperature, type and amount of redactor, presence of additives, gas composition and flow in the reactor vessel, and pellet\'s size. The experimental technique employed was thermogravimetric analysis, complemented by gas analysis and X-ray diffraction. It was shown that the rate control may change in the course of the reaction, and it depends on a number of interrelated varibles. The slowest reaction of the chemical step is the carbon gaseification by CO2. Heat transfer and gaseous diffusion through pellets pores play an important role in the rate; the factors that favours the heat transfer influence are: temperature increase, reducto\'s reactivity increase, the use of catalyst, pellet\'s size decrease, start up the reaction; reduction under CO/CO2 atmosphere near wustite-iron equilibrium. When the reaction is performed under inert gas atmosphere, gaseous diffusion through pellet\'s pores can dilute the CO/CO2 atmosphere prevailing in the pallet\'s core. Under these conditions, this effect is more pronounced for lower temperature, lower carbon reactivity, smaller pellets and at the end of the reaction. It was also found that variables related to pellet composition as well as process temperature greatly affect the pellet\'s dimensional behavior. In fact, pellets containing basic guangue (e.g.wood charcoal and/or basic additives) show catastrophic swelling; in contrast, pellets containing acid gangue (e.g. coke or coal) have good dimensional stability. Iron whiskers were observed with scanning electron microscope on pellets that swell catastrophically. The influence of reductor\'s volatile matter upon kinetics and dimensional behavior of pellets was also analysed as well as the catalysis of the reaction by the iron formed in the course of the reduction.

Pour les réacteurs de génération IV, les carbures mixtes (U,Pu)C, avec leur grande densité en atomes fissiles et leurs excellentes propriétés thermiques, sont potentiellement des combustibles à la fois économiques (coeurs plus compacts et plus efficaces) et sûrs (marge à la fusion élevée). Un bon simulant de l’(U,Pu)C pour des études R&D sur son comportement est l’UC, puisqu’ils possèdent des structures très similaires. La synthèse par carbothermie a été utilisée car elle est la plus étudiée et celle actuellement envisagée industriellement. Cependant, elle implique la manipulation de poudres : sous air, le carbure peut réagir très violemment à température ambiante, et sous atmosphère contrôlée il est susceptible d’absorber les impuretés. Une installation inertée sous Ar, BàGCARA, a donc été utilisée. Les améliorations du procédé de fabrication ont notamment portés sur l’atmosphère de frittage afin d’évaluer l’impact sur la pureté des échantillons (vis-à-vis des quantités d’oxygène). La méthode originale d’analyse par faisceau d’ions a permis de déterminer la composition de surface (profils d’oxygène en profondeur dans les premiers 1 μm et stoechiométrie moyenne). Elle a pour la première fois été mise en oeuvre pour l’analyse de l’oxygène dans les matériaux carbonés. Les analyses DRX ont montré le passage par un intermédiaire réactionnel lors de la carbothermie et une meilleure cristallisation des échantillons fabriqués dans BàGCARA. Ils possèdent aussi une meilleure microstructure, densité et aspect visuel que ceux fabriqués par le procédé de référence. Un frittage sous vide mène à un UC plus dense avec moins de secondes phases que les frittages sous Ar, Ar/H2 ou sous contrôle de PC. Cependant, il n’a pas été possible d’analyser les carbures sans passage sous air ce qui peut impacter leur paramètre de maille et mener à leur détérioration. Lorsque l’UC est initialement exempt d’oxygène, il s’oxyde plus vite et plus intensément, de manière hétérogène. Les contraintes mécaniques induites entre les grains mènent à la fracturation du matériau et à une corrosion fissurante, puis à la décohésion du matériau. Une étude des mécanismes d’oxydation serait intéressante afin de valider et de comprendre l’évolution du matériau lorsqu’il est en contact avec l’oxygène. Une étude des mécanismes mis en jeu pourrait être envisagée par couplage des techniques d’EBSD et d’analyse par faisceau d’ions afin de vérifier s’il existe un lien entre une oxydation préférentielle des grains et leur orientation cristallographique. / Mixed carbides (U, Pu)C, are good fuel candidate for IVth generation reactors because of their high fissile atoms density and excellent thermal properties for economical (more compact and efficient cores) and safety reasons (high melting margin). UC can be imagine as a surrogate material ror R&D studies on (U,Pu)C fuel behavior, because of their similar structures. The carbothermic reaction was used because it is the most studied and now consider for industrial process. However, it involves powders manipulation : in air, carbide can strongly react at room temperature and under controlled atmosphere it can absorb impurities. An inerted installation under Ar, BàGCARA, was therefore used. Process improvements were carried out, including the sintering atmosphere in order to evaluate the impact on the sample purity (about oxygen content). The original method by ion bearn analysis was used to determine the surface composition (oxygen in-depth profiles in the first microns and stoichiometry). This oxygen analysis was set for the first time in carbonaceous materials. XRD analysis showed the formation of an intermediate compound during the carbothermic reaction and a better crystallization of the samples fabricated in BàGCARA. They also have a better microstructure, density, and visual appearance if compared to former samples. Vacuum sintering leads to a denser UC with fewer second phases if compared to Ar, Ar/H2 or controlled PC atmospheres. However, it was not possible to analyze carbides without air contact which may impact their lattice parameter and lead to their deterioration. When the carbide is initially free of oxygen, it oxidizes faster, more intensely and heterogeneously. The mechanical stress induced between the grains lead to fracturing the material, to corrosion cracking and then a debonding of the material. A study of oxidation mechanisms would be interesting to validate and understand the evolution of the material in contact with oxygen. A study of the mechanisms involved could be considered by coupling EBSD technique and ion beam analysis to check whether there is a link between a preferential oxidation of the grains and their crystallographic orientation.

[pt] O sulfato de magnésio se caracteriza como um possível co-produto de alguns processos hidrometalúrgicos envolvendo concentrados minerais portadores desse metal quando submetidos à lixiviação envolvendo ácido sulfúrico. Dentro do contexto dos fluxogramas de processamento desses concentrados, uma etapa bastante comum é a neutralização da solução, usualmente levada a efeito por meio da solubilização de óxido de cálcio. Este, por sua vez, pode ser substituído por óxido de magnésio desde que determinadas propriedades, tais como superfície de contato e reatividade, estejam adequadas aos requisitos desta etapa. Desta forma, o processo de decomposição térmica do sulfato de magnésio, aparentemente, não se configura como uma possível rota de processamento visto que ocorre numa temperatura de aproximadamente 1100 graus Celsius, significativamente alta para a formação de um óxido de magnésio que atenda às condições necessárias para uma neutralização eficiente. O estudo termodinâmico realizado sugere que na presença de agentes redutores como o carbono, ocorre uma diminuição na temperatura, para aproximadamente 400 graus Celsius, a partir da qual a transformação do sulfato em óxido de magnésio é teoricamente viável. Assim sendo, os objetivos do trabalho de pesquisa estão associados com a avaliação do comportamento do sistema reacional constituído por MgSO4 quando na presença de carbono oriundo de carvão vegetal. O estudo contempla também a caracterização dos materiais obtidos a fim de verificar a obtenção do MgO e avaliar se as propriedades do material encontram-se adequadas para a sua utilização como agente regulador de pH tal como o CaO. Desta forma, além das técnicas de microscopia eletrônica de varredura e difração de Raios-X, também é prevista a quantificação da reatividade do produto em soluções ácidas. As análises realizadas com as variáveis, excesso de agente redutor, temperatura, vazão de arraste e homogeneidade da amostra, mostraram que a temperatura é a variável que mais influência a decomposição do MgSO4. Entre todos os ensaios analisados, os experimentos a 900 graus Celsius e com tempos de 25 e 30 minutos foram os que indicaram os melhores resultados experimentais de conversão, atingindo uma conversão próxima de 100 por cento. As análises de caracterização, em DR-X e MEV/EDS, indicaram que o MgO foi formado ao fim da reação. O teste de reatividade indicou que o MgO obtido pode ser utilizado como regulador de pH, atendendo a proposta do trabalho. / [en] Magnesium sulfate is characterized as a possible co-product of some Hydrometallurgical Processes involving mineral concentrates that has this metal when subjected to leaching involving sulfuric acid. In the context of the processes flowchart, a fairly common step is the neutralization of the solution that usually takes effect through the solubility of calcium oxide. This, in turn, can be substituted for magnesium oxide as long as these properties, such as contact surface and reactivity, are suitable for the requirements of this step. Thus, the thermal decomposition process of magnesium sulfate, apparently, it is not configured as a possible processing route because it occurs at a temperature of approximately 1100 Celsius degrees, significantly elevated for the formation of a magnesium oxide which satisfies the conditions necessary for a neutralization efficient. The thermodynamic study suggests that in the presence of reducing agents such as carbon, a decrease in the temperature occurs to approximately 400 Celsius degrees, where the conversion of sulfate to magnesium oxide is theoretically viable. Thus, the objectives of the research work are associated with an evaluation of the behavior of the reactive system constituted by MgSO4 when in the presence of carbon provided from the charcoal. The study also contemplates the characterization of the materials obtained in order to verify the attainment of MgO and to evaluate how the properties of the material are suitable for their use as a pH regulating agent such as CaO. Thus, in addition to the techniques of scanning electron microscopy and X-ray diffraction, it is also expected the quantification of the reactivity of the product in acidic solutions. The analyzes performed with the variables, excess of reducing agent, temperature, drag flow and homogeneity of the sample, showed that temperature is the variable that most influences the decomposition of MgSO4. Among all the analyzed tests, the experiments at 900 Celsius degrees and with 25 and 30 minute were that indicated the best experimental results of conversion, reaching a conversion close to 100 percent. The characterization analyzes, in DR-X and MEV/EDS, indicated that MgO was formed at the end of the reaction. The reactivity test indicated that the obtained MgO can be used as pH regulator, attending the work proposal.

Neste trabalho estuda-se o comportamento de redução para a obtenção da liga FeCrAC a partir da pelota auto-redutora feita de minério de cromita, coque de petróleo, ferro-silicio, cal hidratada, sílica e cimento portland ARI. As principais variáveis consideradas são: teor de redutor na composição da pelota, quantidade do redutor, temperatura e tempo. Inicialmente os materiais (cromita, ferro-silício, coque de petróleo, cal hidratada, sílica e cimento Portland ARI), foram caracterizados por: análise química e análise granulométrica. Após a caracterização os materiais (cromita, ferro-silício, coque de petróleo e cimento Portland ARI) foram aglomerados na forma de pelotas juntamente com cal hidratada e sílica para ajuste da basicidade quaternária da escória. A redução das pelotas foi feita num forno de indução que pode atingir temperaturas de até 1973K (1700oC). Todos os experimentos de redução foram realizados no aparato experimental utilizando-se cadinhos de grafite nas temperaturas de 1773K (1500oC), 1823K (1550oC) e 1873K (1600oC). Após os ensaios de redução os produtos obtidos (escória e metal) foram analisados por microscopia ótica, por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e análise por EDS. O efeito do aumento da temperatura na redução da cromita é significativo. Houve aumento na velocidade de redução de 4 a 6 vezes com o aumento de 1773K (1500oC) para 1873K (1600oC). Os resultados indicam um efeito marcante de pequenas adições de Fe-Si na velocidade de redução da cromita. Na temperatura de 1773K (1500oC) as adições até ~2% de Fe-Si são benéficas e para adições maiores praticamente não há vantagens técnicas e econômicas. Os tempos necessários para atingir a fração unitária de redução foram 12, 7,5 e 5 minutos para adições de Fe-Si de 0, ~1%, e ~2%, respectivamente; a temperatura de 1823K (1550oC). À temperatura de 1873K (1600oC) as adições de Fe-Si na pelota apresentam também efeitos significativos na velocidade de redução, porém adições de ~1%, e ~2% mostraram os mesmos resultados, indicando que o teor ótimo de adição de Fe- Si na pelota deve estar em torno de 1%. Verificou-se que a utilização de pelotas auto-redutoras contendo 26% em excesso, sobre o estequiométrico, de coque de petróleo aumentou o rendimento de recuperação de Cr de 96% para 98%. O rendimento e a eficiência do processo de auto-redução supera aos processos convencionais de produção de FeCrAC, obtendo-se altas recuperações de cromo na faixa de 96% até 98% para Cr. / The reduction behaviors, at high temperature, of the self-reducing pellets of chromites for production of high carbon ferro-chromium are studied in this work. The influences of the temperature, of the excess of reductant and the small addition of the Fe-Si were analyzed. The materials used (chromites, petroleum coke, Portland cement, hydrated lime and silica) were characterized chemically and by size distribution. The composite pellets (self-reducing) were produced aiming a quaternary basicity of 0.91. The reductant was calculated considering a stoichiometry of reduction and dissolution of 4wt%C in the final metallic phase. The reduction experiments were made in a special system, in argon atmosphere, heated by induction and at temperatures of 1773, 1823 and 1873K. The dried pellets were placed into a pre-heated graphite crucible and left there along up to no gas evolution was observed. The results of the reacted fraction with time were plotted and the obtained product (metallic and slag phases) after experiments were analyzed by optical and by electron micrograph. The chemical estimations were made by micro-analysis (EDS) The effect of increasing the temperature of reduction was sensitive, such that, the reduction rate increased 4 to 6 times with increase of temperature from 1773 to 1873. The small additions, up to 2% of Fe-Si, for substituting the equivalent fixed carbon of the petroleum coke showed to improve substantially the reduction rate, almost doubling it in comparison with pellets without any addition. The use of excess of 26%, over the stoichiometry, of the petroleum coke decreased around 50% of the chromium content in the slag, with relation to pellet without excess. The chromium recovery yield reached 98%. This result coupled with very high reduction rate of self-reducing pellets show the potential for self-reducing processes for ferro-chromium production.

Formation of hexagonal boron nitride (h-BN) by carbothermic reduction of B2O3 under nitrogen atmosphere at 1500oC was investigated. Reaction products were subjected to powder X-ray diffraction analysis, chemical analysis and were examined by SEM. B4C was found to exist in the reaction products of the experiments in which h-BN formation was not complete. One of the aims of this study was to investigate the role of B4C in the carbothermic production of h-BN. For this purpose, conversion reaction of B4C into h-BN was studied. B4C used in these experiments was produced in the same conditions that h-BN was formed, but under argon atmosphere. It was found that formation of h-BN from B4C&ndash / B2O3 mixtures was slower than activated C&ndash / B2O3 mixtures. It was concluded that B4C is not a necessary intermediate product in the carbothermic production of h-BN. Some additives are known to catalytically affect the h-BN formation. The second aim of this study was to examine the catalytic effect of some alkaline earth metal oxides and carbonates, some transition metal oxides and cupric nitrate. It was found that addition of 10wt% CaCO3 into the B2O3+C mixture was optimum for increasing the rate and yield of h-BN formation and decreasing the B4C amount in the products and that the reaction was complete in 2 hours. CaCO3 was observed to be effective in increasing the rate and grain size of the formed h-BN. Addition of cupric nitrate together with CaCO3 provided a further increase in the size of the h-BN grains.

Neste trabalho estuda-se o comportamento de redução para a obtenção da liga FeCrAC a partir da pelota auto-redutora feita de minério de cromita, coque de petróleo, ferro-silicio, cal hidratada, sílica e cimento portland ARI. As principais variáveis consideradas são: teor de redutor na composição da pelota, quantidade do redutor, temperatura e tempo. Inicialmente os materiais (cromita, ferro-silício, coque de petróleo, cal hidratada, sílica e cimento Portland ARI), foram caracterizados por: análise química e análise granulométrica. Após a caracterização os materiais (cromita, ferro-silício, coque de petróleo e cimento Portland ARI) foram aglomerados na forma de pelotas juntamente com cal hidratada e sílica para ajuste da basicidade quaternária da escória. A redução das pelotas foi feita num forno de indução que pode atingir temperaturas de até 1973K (1700oC). Todos os experimentos de redução foram realizados no aparato experimental utilizando-se cadinhos de grafite nas temperaturas de 1773K (1500oC), 1823K (1550oC) e 1873K (1600oC). Após os ensaios de redução os produtos obtidos (escória e metal) foram analisados por microscopia ótica, por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e análise por EDS. O efeito do aumento da temperatura na redução da cromita é significativo. Houve aumento na velocidade de redução de 4 a 6 vezes com o aumento de 1773K (1500oC) para 1873K (1600oC). Os resultados indicam um efeito marcante de pequenas adições de Fe-Si na velocidade de redução da cromita. Na temperatura de 1773K (1500oC) as adições até ~2% de Fe-Si são benéficas e para adições maiores praticamente não há vantagens técnicas e econômicas. Os tempos necessários para atingir a fração unitária de redução foram 12, 7,5 e 5 minutos para adições de Fe-Si de 0, ~1%, e ~2%, respectivamente; a temperatura de 1823K (1550oC). À temperatura de 1873K (1600oC) as adições de Fe-Si na pelota apresentam também efeitos significativos na velocidade de redução, porém adições de ~1%, e ~2% mostraram os mesmos resultados, indicando que o teor ótimo de adição de Fe- Si na pelota deve estar em torno de 1%. Verificou-se que a utilização de pelotas auto-redutoras contendo 26% em excesso, sobre o estequiométrico, de coque de petróleo aumentou o rendimento de recuperação de Cr de 96% para 98%. O rendimento e a eficiência do processo de auto-redução supera aos processos convencionais de produção de FeCrAC, obtendo-se altas recuperações de cromo na faixa de 96% até 98% para Cr. / The reduction behaviors, at high temperature, of the self-reducing pellets of chromites for production of high carbon ferro-chromium are studied in this work. The influences of the temperature, of the excess of reductant and the small addition of the Fe-Si were analyzed. The materials used (chromites, petroleum coke, Portland cement, hydrated lime and silica) were characterized chemically and by size distribution. The composite pellets (self-reducing) were produced aiming a quaternary basicity of 0.91. The reductant was calculated considering a stoichiometry of reduction and dissolution of 4wt%C in the final metallic phase. The reduction experiments were made in a special system, in argon atmosphere, heated by induction and at temperatures of 1773, 1823 and 1873K. The dried pellets were placed into a pre-heated graphite crucible and left there along up to no gas evolution was observed. The results of the reacted fraction with time were plotted and the obtained product (metallic and slag phases) after experiments were analyzed by optical and by electron micrograph. The chemical estimations were made by micro-analysis (EDS) The effect of increasing the temperature of reduction was sensitive, such that, the reduction rate increased 4 to 6 times with increase of temperature from 1773 to 1873. The small additions, up to 2% of Fe-Si, for substituting the equivalent fixed carbon of the petroleum coke showed to improve substantially the reduction rate, almost doubling it in comparison with pellets without any addition. The use of excess of 26%, over the stoichiometry, of the petroleum coke decreased around 50% of the chromium content in the slag, with relation to pellet without excess. The chromium recovery yield reached 98%. This result coupled with very high reduction rate of self-reducing pellets show the potential for self-reducing processes for ferro-chromium production.

This thesis outlines the work done on in-situ synthesis of Al2O3-ZrO2-SiCw ceramic composites and their property evaluation. The introductory chapter deals with the literature survey on ceramic matrix composites, properties desirable for structural applications and toughening mechanisms associated with these composites. The role of whisker toughening in ceramic matrix composites, the growth mechanisms involved in whisker growth and the conditions that favour or hamper the whisker growth are also discussed. The advantages and disadvantages of in-situ synthesis of composites as compared to physical mixing are also dealt with. The objective and scope of the work undertaken are outlined at the end. The second chapter describes the experimental techniques associated with carbothermal synthesis and characterisation of reaction products as well as properties of hot pressed bulk composites. The equipments used for this work are described here. The third chapter focuses on the results obtained by the carbothermal reduction of mixtures of kaolin, sillimanite and zircon taken in various proportions. The formation of the product phases with respect to variations in temperature, variations in composition and effect of catalyst is analysed with the help of XRD while their morphology is analysed using SEM. The conditions favouring the formation of tetragonal zirconia without the addition of stabilizers is also enumerated here. The fourth chapter deals with the compaction of these composite powders and the evaluation of some physical, thermal and mechanical properties. Density and porosity, coefficient of thermal expansion, modulus of rupture and fracture toughness of the composite specimens are evaluated and compared with binary and ternary composites made by other methods. Finally the thesis concludes by summarizing the work done and briefly projecting the areas for future work.

A finalidade deste trabalho é estudar a redução carbotérmica de minério hematítico com misturas e pelotas autorredutoras em um forno rotativo experimental. Trabalhou-se com duas temperaturas, a 1673 e 1773 K (1400 a 1500 °C), em fluxo de argônio de 1Nl/min, em um forno rotativo experimental aquecido por resistências, com uma rotação fixa de 5 rpm. Foram realizadas diversas experiências, alterando variáveis como a temperatura, composição e quantidade da escória, tipo de redutor, e tipo de conformação. Foi estudado o tempo de residência das pelotas e misturas autorredutoras dentro do forno e sua interrelação com a inclinação do mesmo. Mediu-se a resistência a compressão de diferentes composições de pelotas. Foi analisada a fração de redução atingida nas experiências com ajuda de um método indireto proposto neste trabalho, atingindo-se frações de redução acima de 98%. Especial atenção foi dada para os casos limites estudados, o primeiro com uma mistura autorredutora de 81% de minério hematítico de baixo teor, 19% de coque de petróleo,+10% cimento ARI, processada a 1773 K (1500 °C) com 33% de escória final, a qual, apesar da grande quantidade de escória, atingiu uma fração de redução de 98,7%; e o segundo, para uma mistura autorredutora de 43,5% de minério hematítico de baixo teor, 56,5% de pó de serragem, processada a 1773 K (1500 °C), a qual atingiu uma fração de redução de 99,2%, provando, com as ressalvas cabíveis, a factibilidade de reduzir diretamente com pó de serragem. Com base nas observações experimentais sugeriram-se modelos do processo de redução-fusão tanto das misturas como das pelotas autorredutoras no forno rotativo. Analisaram-se a composição da escória e a composição da fase metálica obtida. Para comparar o grau de coalescimento entre as amostras, foram levantadas as análises granulométricas de cada uma delas, comparando-se as porcentagens em massa dos nódulos de ferro-carbono com diâmetro superior a 7,93 mm. Atenção especial foi dada ao método de desagregação do produto; pela ausência de normas técnicas especificas para processos autorredutores, foi empregada uma adaptação do método de desagregação por tambor (ASTM E279-95), e validada por moagem manual. Estudou-se o efeito das variáveis: temperatura de processamento, temperatura liquidus da escória, da quantidade de escória de alta temperatura liquidus, da quantidade de voláteis do redutor, da quantidade do redutor, e da ausência de conformação. Entre os resultados destas experiências tem-se que a maior temperatura de processamento leva a maior grau de coalescimento. Na medida em que a escória do sistema não se liquefaz, o processo de coalescimento é prejudicado. Na medida em que a quantidade de escória com alta temperatura liquidus aumenta, o grau de coalescimento decresce. Ao se aumentar a quantidade do redutor acima do necessário para a correta redução, carburação e colaescimento, prejudica-se o processo de formação dos nódulos de ferro-carbono. Ao se comparar o grau de coalescimento obtido entre as misturas e as pelotas autorredutoras, temse que o desempenho das misturas autorredutoras é superior. Para aclarar o efeito da temperatura liquidus da escória no processo de carburação e coalescimento, foram realizadas experiências paralelas para estudar como a temperatura liquidus da escória e a ausência do FeO afetava o coalescimento. Ao estudar o transporte de carbono pelas escórias sem e com a presença de um óxido redutível, tem-se que o transporte do óxido de ferro na escória sem agitação é um fenômeno difusivo. / The purpose of this work is to study the carbothermal reduction of hematite ore as self-reducing mixtures or pellets in an experimental rotary kiln. Two different temperatures were employed, 1673 and 1773 K (1400-1500 ° C) in an experimental rotary kiln heated by resistors, with a fixed rotation of 5 rpm and under an argon flow of 1Nl/min. Several experiments were performed by changing variables such as temperature, composition and quantity of slag, type of carbonaceous material, and type of conformation. The residence time inside the furnace and its interrelation with the slope of the kiln containing self-reducing pellets or mixtures was studied. It was measured the compressive strength of pellets of different compositions. It has been analyzed the fractional reduction achieved in the experiments with the help of an indirect method proposed in this work, reaching fractional reduction above 98%. Special attention was given to some cases, the first one with a self-reducing mixture of 81% low grade ore, 19% petroleum coke, ARI +10%, processed to 1773 K (1500 ° C) with 33% final slag, which despite the large amount of slag reached a fractional reduction of 98.7%, and the second for a self-reducing mixture of 43.5% low-grade ore, 56.5% of sawdust processed to 1773 K (1500 ° C) which reached a fractional reduction of 99.2%, proving, with reasonable exceptions, the feasibility of reducing directly with sawdust. Based on experimental observations, process models of both the reduction-melting of self-reducing mixtures and pellets in the rotary kiln were proposed. The composition of slag and composition of the metallic phase obtained were analyzed. To compare the degree of coalescence between the samples, particle size analysis of each one was performed, comparing the percentages by weight of iron-carbon nuggets with a diameter greater than 7.93 mm. Regarding the method of disintegration of the product, due to the lack of technical standards for specific self-reducing processes, the drum method (ASTM E279-95) was adapted and validated by manual grinding. It was studied the effect of the following parameters: processing temperature, slag liquidus temperature, the amount of high liquidus temperature slag, amount of volatile matter of the reducing agent, the amount of reducing agent, and the absence of conformation. These experiments have shown that the higher the processing temperature, the greater the degree of coalescence, and also that as long as the slag does not melt, the coalescence process is impaired. As the amount of slag with high liquidus temperature increases, the degree of coalescence decreases. Increasing the amount of carbonaceous material above to that necessary to reduction and carburization undermines the process of formation of iron-carbon nuggets. When comparing the degree of coalescence obtained between the self-reducing mixtures and pellets, it has been shown that the performance of self-reducing mixtures is superior. To clarify the effect of the slag liquidus temperature in the carburization and coarsening process, experiments were conducted to study how the liquidus temperature of the slag and the absence of FeO affected the coarsening. By studying the transport of carbon in slags with and without the presence of a reducible oxide, it has been shown that the transport of iron oxide in the slag without agitation is a diffusive phenomenon.

A finalidade deste trabalho é estudar a redução carbotérmica de minério hematítico com misturas e pelotas autorredutoras em um forno rotativo experimental. Trabalhou-se com duas temperaturas, a 1673 e 1773 K (1400 a 1500 °C), em fluxo de argônio de 1Nl/min, em um forno rotativo experimental aquecido por resistências, com uma rotação fixa de 5 rpm. Foram realizadas diversas experiências, alterando variáveis como a temperatura, composição e quantidade da escória, tipo de redutor, e tipo de conformação. Foi estudado o tempo de residência das pelotas e misturas autorredutoras dentro do forno e sua interrelação com a inclinação do mesmo. Mediu-se a resistência a compressão de diferentes composições de pelotas. Foi analisada a fração de redução atingida nas experiências com ajuda de um método indireto proposto neste trabalho, atingindo-se frações de redução acima de 98%. Especial atenção foi dada para os casos limites estudados, o primeiro com uma mistura autorredutora de 81% de minério hematítico de baixo teor, 19% de coque de petróleo,+10% cimento ARI, processada a 1773 K (1500 °C) com 33% de escória final, a qual, apesar da grande quantidade de escória, atingiu uma fração de redução de 98,7%; e o segundo, para uma mistura autorredutora de 43,5% de minério hematítico de baixo teor, 56,5% de pó de serragem, processada a 1773 K (1500 °C), a qual atingiu uma fração de redução de 99,2%, provando, com as ressalvas cabíveis, a factibilidade de reduzir diretamente com pó de serragem. Com base nas observações experimentais sugeriram-se modelos do processo de redução-fusão tanto das misturas como das pelotas autorredutoras no forno rotativo. Analisaram-se a composição da escória e a composição da fase metálica obtida. Para comparar o grau de coalescimento entre as amostras, foram levantadas as análises granulométricas de cada uma delas, comparando-se as porcentagens em massa dos nódulos de ferro-carbono com diâmetro superior a 7,93 mm. Atenção especial foi dada ao método de desagregação do produto; pela ausência de normas técnicas especificas para processos autorredutores, foi empregada uma adaptação do método de desagregação por tambor (ASTM E279-95), e validada por moagem manual. Estudou-se o efeito das variáveis: temperatura de processamento, temperatura liquidus da escória, da quantidade de escória de alta temperatura liquidus, da quantidade de voláteis do redutor, da quantidade do redutor, e da ausência de conformação. Entre os resultados destas experiências tem-se que a maior temperatura de processamento leva a maior grau de coalescimento. Na medida em que a escória do sistema não se liquefaz, o processo de coalescimento é prejudicado. Na medida em que a quantidade de escória com alta temperatura liquidus aumenta, o grau de coalescimento decresce. Ao se aumentar a quantidade do redutor acima do necessário para a correta redução, carburação e colaescimento, prejudica-se o processo de formação dos nódulos de ferro-carbono. Ao se comparar o grau de coalescimento obtido entre as misturas e as pelotas autorredutoras, temse que o desempenho das misturas autorredutoras é superior. Para aclarar o efeito da temperatura liquidus da escória no processo de carburação e coalescimento, foram realizadas experiências paralelas para estudar como a temperatura liquidus da escória e a ausência do FeO afetava o coalescimento. Ao estudar o transporte de carbono pelas escórias sem e com a presença de um óxido redutível, tem-se que o transporte do óxido de ferro na escória sem agitação é um fenômeno difusivo. / The purpose of this work is to study the carbothermal reduction of hematite ore as self-reducing mixtures or pellets in an experimental rotary kiln. Two different temperatures were employed, 1673 and 1773 K (1400-1500 ° C) in an experimental rotary kiln heated by resistors, with a fixed rotation of 5 rpm and under an argon flow of 1Nl/min. Several experiments were performed by changing variables such as temperature, composition and quantity of slag, type of carbonaceous material, and type of conformation. The residence time inside the furnace and its interrelation with the slope of the kiln containing self-reducing pellets or mixtures was studied. It was measured the compressive strength of pellets of different compositions. It has been analyzed the fractional reduction achieved in the experiments with the help of an indirect method proposed in this work, reaching fractional reduction above 98%. Special attention was given to some cases, the first one with a self-reducing mixture of 81% low grade ore, 19% petroleum coke, ARI +10%, processed to 1773 K (1500 ° C) with 33% final slag, which despite the large amount of slag reached a fractional reduction of 98.7%, and the second for a self-reducing mixture of 43.5% low-grade ore, 56.5% of sawdust processed to 1773 K (1500 ° C) which reached a fractional reduction of 99.2%, proving, with reasonable exceptions, the feasibility of reducing directly with sawdust. Based on experimental observations, process models of both the reduction-melting of self-reducing mixtures and pellets in the rotary kiln were proposed. The composition of slag and composition of the metallic phase obtained were analyzed. To compare the degree of coalescence between the samples, particle size analysis of each one was performed, comparing the percentages by weight of iron-carbon nuggets with a diameter greater than 7.93 mm. Regarding the method of disintegration of the product, due to the lack of technical standards for specific self-reducing processes, the drum method (ASTM E279-95) was adapted and validated by manual grinding. It was studied the effect of the following parameters: processing temperature, slag liquidus temperature, the amount of high liquidus temperature slag, amount of volatile matter of the reducing agent, the amount of reducing agent, and the absence of conformation. These experiments have shown that the higher the processing temperature, the greater the degree of coalescence, and also that as long as the slag does not melt, the coalescence process is impaired. As the amount of slag with high liquidus temperature increases, the degree of coalescence decreases. Increasing the amount of carbonaceous material above to that necessary to reduction and carburization undermines the process of formation of iron-carbon nuggets. When comparing the degree of coalescence obtained between the self-reducing mixtures and pellets, it has been shown that the performance of self-reducing mixtures is superior. To clarify the effect of the slag liquidus temperature in the carburization and coarsening process, experiments were conducted to study how the liquidus temperature of the slag and the absence of FeO affected the coarsening. By studying the transport of carbon in slags with and without the presence of a reducible oxide, it has been shown that the transport of iron oxide in the slag without agitation is a diffusive phenomenon.