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.

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 .

A mathematical model to simulate the reaction kinetics of dust–carbon composite agglomerates in an RHF was developed. Major chemical, thermal and physical phenomena taking place during RHF treatment were formulated and the corresponding equations were solved to yield the trend of solid composition, temperature and gas composition of the agglomerates. The model calculation results indicate that the pellet reduction is accelerated by the reducing gas from high–volatile reductants if the gas is released after the pellet temperature is sufficiently high for reduction. The reduction of zinc oxide can also be represented using the model by implementing its small particle size caused by the inherent vaporization/re–oxidization process that zinc comes through in a melter. It was demonstrated that the proposed model can be used as an engineering tool to determine the optimum operating conditions for the RHF process to promote recycling a wide range of waste materials.

A mathematical model to simulate the reaction kinetics of dust–carbon composite agglomerates in an RHF was developed. Major chemical, thermal and physical phenomena taking place during RHF treatment were formulated and the corresponding equations were solved to yield the trend of solid composition, temperature and gas composition of the agglomerates. The model calculation results indicate that the pellet reduction is accelerated by the reducing gas from high–volatile reductants if the gas is released after the pellet temperature is sufficiently high for reduction. The reduction of zinc oxide can also be represented using the model by implementing its small particle size caused by the inherent vaporization/re–oxidization process that zinc comes through in a melter. It was demonstrated that the proposed model can be used as an engineering tool to determine the optimum operating conditions for the RHF process to promote recycling a wide range of waste materials.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:38:44Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:03:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 06008.pdf: 6005614 bytes, checksum: 5159bd3fe200e19625451d226c3d83a2 (MD5) / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

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Com a proposta de selecionar a melhor conformação de um forno para redução carbotérmica com micro-ondas, dois tipos de cavidades com formatos paralepipédico e hexagonal foram projetadas e construídas. Os dois com uma característica em comum, o pleno controle da potência fornecida e da medida da energia de micro-ondas efetivamente aplicada à carga em processo de redução podendo assim realizar balanços de energia e determinação de taxa de reação com altos níveis de confiança. Eles permitem, sobretudo, a medida simultânea de temperatura e de massa do material sob redução, e a fácil reprodutibilidade das condições de ensaio. Os fornos paralepipédico e hexagonal operam com geradores de micro-ondas de 2,45 GHz e potência ajustável até 6 kW. Durante os ensaios as amostras foram mantidas sob atmosfera de argônio. Nos testes operacionais dos fornos procedeu-se à redução carbotérmica de minério de ferro de Carajás, utilizando carvão mineral Chipanga como redutor através de pelotas auto redutoras. Obtiveram-se curvas cinéticas de redução de minério de ferro, temperatura e de consumo de energia durante o processo. Os dados colhidos com estes fornos permitiram realizar análises estatísticas da eficiência de cada tipo de forno através da taxa de reação obtida além da energia de micro-ondas efetivamente consumida na redução do minério. Ainda, foi construído um forno cilíndrico, portanto extrapolando o formato hexagonal, com potência de 15 kW, com o objetivo de averiguar como o conjunto pelotas/cavidade se comporta em condições mais drásticas. / This work deals with two different types of microwave cavities to be used in carbothermic reduction that were designed and built in order to select a better furnace conformation. Parallepipedic and hexagonal shapes were used for this purpose. Both of them share some common characteristics: full control of the power supplied to the furnace, and measurement of the effective microwave power applied to the load under reduction process. These characteristics help to achieve energy balance and reaction rate with high confidence levels. Simultaneous measurements of mass and temperature versus time are also easily done and helps reproduction of each test condition. The parallelepiped and hexagonal ovens are excited by 2.45 GHz microwave generators with adjustable power up to 6 kW. Argon gas atmosphere was used when processing the samples. Operational tests of the carbothermic reduction of iron ore from Carajás were done by the use of self-reducing pellets of Chipanga coal. Temperature and other data collected during the processes allowed calculation of their kinetic curves and energy consumption. The efficiency of each kind of furnace was obtained from statistical analysis of the data using reaction rate as well as the microwave energy consumption. Finally, going further from the hexagonal shape, a cylindrical furnace was built in order to verify the behavior of the pellets/cavity groups in heavier conditions with applied power up to 15 kW.

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.

[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.