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Ingeniero Civil de Minas / El proceso de conversión de mata a cobre blíster es una etapa tradicional e indispensable del proceso productivo de cobre metálico a partir de concentrados sulfurados, sin embargo, sus costos asociados por concepto de energía son crecientes y las normas medioambientales resultan ser cada vez más estrictas respecto a las emisiones de gases fugitivos e impurezas, esto ha motivado el desarrollo de procesos continuos y de menor costo. Es dentro de este marco, que el grupo de pirometalurgia de la Universidad de Chile, en conjunto con ENAMI y el AMTC (Advanced Mining Technology Center), ha investigado y desarrollado un nuevo proceso de conversión continua basado en la oxidación de mata de cobre con un flujo de aire o aire enriquecido con oxígeno en contracorriente en un reactor de lecho empacado con una capacidad de 80 [g/min]. En el espíritu de este proyecto, es que en el presente estudio se modeló de forma computacional la fluidodinámica, termodinámica y cinética del azufre presente en el sistema de conversión continua de cobre en lecho empacado, en lo que comúnmente se conoce como modelo CTFD. Esto, con el fin de obtener parámetros de operación que sean aplicables a la actual planta piloto ubicada en la fundición Hernán Videla Lira de ENAMI, y posteriormente a escala industrial cuando el sistema entre en operación. De este modo, se realizaron simulaciones tanto de sectores del lecho empacado, como de reactores a escala laboratorio e industrial, en dos y en tres dimensiones, y tanto en estado estacionario como transiente. En base a éstas, es que se encontró una región de operación con buenos resultados que viene guiada por parámetros de operación como son la velocidad inicial (u_i), fuertemente ligada al número de Reynolds del sistema (Re), la porosidad del lecho (P) y la altura de éste. Región que se resume en las siguientes ecuaciones para 4 alturas distintas de lecho (25, 47, 100 y 195 [cm]): P_25=12.33∙ln(u_i)+79.2 P_25=21.39∙ln(Re)-141 P_47=27.65∙ln(u_i)+159.9 P_47=13.95∙ln(Re)-70.4 P_100=54.85∙ln(u_i)+233.3 P_100=61.13∙ln(Re)-457.2 P_195=14.43∙ln(u_i)+84.2 P_195=16.35∙ln(Re)-99.5 Además, en base a los resultados, se encontró que la desulfuración de cobre está fuertemente dominada por la convección en todos sus procesos y que para ser llevada a cabo con buenos resultados el flujo que atraviesa el empaquetamiento debe ser de carácter laminar, independiente que este se componga de dos fluidos inmiscibles en contracorriente. Sin embargo, pese a los resultados encontrados, éstos necesitan ser validados en estudios futuros, lo cual mejoraría el modelo, dándole más realismo y complejidad al mismo, transformando la simulación en una fuerte herramienta a tener en cuenta a la hora de llevar a cabo la operación. Pese a lo anterior, se destaca que en base a estos estudios y otros cercanos realizados, existe una concreta y promisoria utilización de la nueva tecnología de conversión continua en reactor de lecho empacado como reemplazo de aquellas tradicionales, la cual solo debe ser optimizada y mejorada en ciertos aspectos. Debido a esto, es que el presente trabajo pretende ser un buen referente que contribuya a la consagración de esta tecnología por sobre las existentes.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Metalurgia Extractiva. Ingeniero Civil de Minas / Los minerales arcillosos tales como la caolinita y montmorillonita, son silicatos de aluminio/magnesio hidratados, que generalmente están presentes en la ganga asociada a yacimientos sulfurados de cobre. Durante el procesamiento de minerales son arrastrados hacia el concentrado debido a su bajo tamaño y estructura planar. Posteriormente, forman parte de la escoria fundida en la operación unitaria de fusión, donde generan cambios importantes en las propiedades reológicas de la escoria. Un cambio en la viscosidad tiene implicancia directa sobre el atrapamiento mecánico de cobre en la escoria y en el desgaste de la mampostería refractaria del reactor de fusión. Con respecto a esta última, existe un sinfín de estudios relacionados a los mecanismos de corrosión, sin embargo, el efecto de la composición de la escoria sobre el desgaste del ladrillo refractario es un tema aún en desarrollo. En el presente estudio, el desgaste de ladrillo refractario en contacto con escorias fayalíticas con presencia de otras especies menores provenientes de ganga de minerales arcillosos, fue investigado. Se utilizaron escorias sintéticas tipo fayalita dopadas con 0, 2, 5 y 8% de caolinita y montmorillonita por separado. La escoria dopada fue finalmente cargada en un crisol fabricado a partir de material refractario y fundida en un horno eléctrico, en condiciones de equilibrio termodinámico acorde a aquel industrial, 1250 y 1300°C, presión parcial de oxígeno igual a 〖10〗^(-8) atm. Al cabo de 8 horas, se enfrió el crisol súbitamente por medio de queching y se caracterizó mediante microscopía óptica, XRD, XRF y EDS-SEM. De acuerdo a los resultados obtenidos, fue posible establecer que un aumento en la temperatura del sistema promueve la infiltración de la escoria libre de minerales arcillosos cercano a un 80%. Trabajando a 1300°C, la escoria dopada con caolinita infiltra cerca de un 20% más que aquella dopada con montmorillonita. Esta última en cambio, resulta ser un promotor de la disolución superficial del ladrillo refractario, mientras que la presencia de caolinita en escorias fayalitica retrasa, hasta en un 9.5%, la disolución del refractario a 1300°C. A una menor temperatura, ocurre el efecto contrario y la disolución aumenta a causa de la presencia de caolinita en un 15%, con 2% de dopaje. Por otro lado, la presencia de caolinita y/o montmorillonita, entregan al fundido óxidos que disminuyen la zona líquida de escoria. Mayor contenido de magnetita se registró en aquellas escorias dopadas con montomorillonita pues presentaron mayor contenido final de óxidos disueltos en su estructura. El estudio representa una primera aproximación al desarrollo de un modelo geometalúrgico predictivo del desgaste de ladrillos refractarios, durante la fusión de concentrados sulfurados de cobre con presencia de ganga arcillosa rica en caolinita y montmorillonita a escala laboratorio.

Las escorias de fundición constituyen uno de los principales desechos sólidos en las plantas de la industria del cobre, lo cual aumenta día a día. En Chile por cada tonelada de cobre producido se generan alrededor 2,2 ton de escoria, y a nivel nacional se producen aproximadamente 4,5 millones de toneladas por año de escoria, existiendo a la fecha una acumulación de decenas de millones de toneladas. Esta escoria se acumula en canchas colindantes a cada planta industrial, constituyéndose escoriales catalogados como pasivos ambientales, los cuales son potencialmente contaminantes si no son bien manejados. Esto genera la necesidad de poder encontrar usos alternativos a las escoria, de modo de reutilizar y dar un valor agregado a lo que se genera como subproducto de las fundiciones de cobre. Se trabajó con una muestra de escoria procedente de un horno de limpieza cuyo análisis principal indicó que contiene: 46,1% Fe, 27,3 %Si, entre otros elementos. El hierro está presente como 14,31% Fe3O4 (magnetita), 27,3% SiO2 (sílice), entre otros. El gran contenido de hierro observado en la muestra de escoria analizada y su potencial recuperación motiva el tema de este trabajo, fijándose como objetivo principal la producción de compuestos de hierro a través de la lixiviación-cristalización ácida de sulfato de hierro y lixiviación-precipitación alcalina de oxi-hidróxido de hierro. Para ello se llevó a cabo el diseño conceptual de ambos procesos industriales y la determinación de los principales parámetros a través de la realización de pruebas metalúrgicas a escala de laboratorio y temperatura ambiente. Los principales resultados de este estudio fueron los siguientes: Primero se realizó la etapa de lixiviación de la escoria en una mini-columna utilizando una solución acuosa de ácido sulfúrico, en dos condiciones 0,1 y 1 M, por un período de 9 días, para posteriormente sintetizar cada compuesto de hierro definido. El consumo de ácido en la etapa de lixiviación fue de 5,4kg/ton y 11 kg/ton de escoria, para las condiciones lixiviantes de 0,1 y 1 M de H2SO4. El hierro se disolvió principalmente como sulfato ferroso. A través de la cristalización se produjo 1,68 kg Fe/m3 de solución tratada. El sólido sintetizado correspondió a una mezcla de sulfatos de hierro, constituyendo un producto grado técnico con pureza estimada en 81%. El análisis de este producto fue 21,1% Fe, 17,37% S, 1,13% Si, entre otros elementos menores. La humedad de este producto fue 10%. Los compuestos principales identificados mediante DRX en este producto fueron distintos tipos de sulfatos hidratados, principalmente melanterita (FeSO4·7H2O) y szomohokita (FeSO4·H2O). La precipitación de compuestos de Fe produjo 0,92 kg Fe/m3 de solución tratada. El sólido sintetizado correspondió a una mezcla de oxi-hidróxidos de hierro, constituyendo un producto grado técnico. Mediante análisis químico se obtuvo que el producto tenía 19,4% Fe, 3,7% S, 5% Si, entre otros elementos menores. La humedad de este producto fue 93%. El sólido final correspondió a una mezcla de varios compuestos, donde el principal identificado mediante DRX fue la natrojarosita (NaFe3(SO4)2(OH)6). A través de un diseño conceptual de plantas a nivel industrial para la producción de cada uno de los compuestos finales se obtuvo que, para producir 1 t/d de sulfatos de hierro se requieren 600 m3/día de PLS, y trabajar un cristalizador de 45 m3. Por otro lado para producir 1 t/d de hidróxidos de hierro al día es necesario tratar 1200 m3/día de PLS, y trabajar con precipitadores de 68 m3. Ambos procesos estudiados resultaron ser técnicamente factibles, y se recomienda realizar estudios a mayor escala para evaluar su factibilidad.

Esta investigación, se enfoca en la viabilidad de la utilización de la escoria granulada de alto horno (EGAH) sin molienda, considerada como desecho siderúrgico, para producir hormigones autocompactantes sostenibles (EcoHAC), con sustituciones del 10 al 60% del árido fino de cantera por EGAH. Ecológicamente el beneficio es triple; por un lado, dar salida a un residuo industrial evitando su acumulación en vertedero. Por otro, la reducción de explotaciones de cantera para la extracción del árido natural y, finalmente, las mejoras técnicas conseguidas en los hormigones autocompactantes (HAC) fabricados con la EGAH como árido fino, ya sean de las propiedades mecánicas o de durabilidad. Permitiendo obtener estructuras más estables con el paso de los años y, por lo tanto, prolongando su vida útil, redundando en una mayor sostenibilidad de los EcoHAC fabricados, al disminuir el balance medioambiental de CO2 equivalente, reduciendo las emisiones de CO2eq. correspondientes a la fabricación de los EcoHAC y aumentando la vida útil de las estructuras fabricadas con estos tipos de hormigón. Por otro lado, los EcoHAC se fabricaran con un bajo contenido de clínker (aproximadamente 250kg/m3), con la aplicación de materiales de relleno secundarios como escorias granuladas de alto horno molidas, finos calizos y cenizas volantes, reduciendo nuevamente las emisiones de CO2 a la atmosfera. Así mismo, se analizan y dan especificaciones técnicas relativas a las propiedades mecánicas, diferidas y reológicas de los EcoHAC con EGAH, con un estudio de la microestructura y porosidad de las 7 dosificaciones planteadas. Se profundizara en el estudio de los HAC en estado fresco, destacando los fenómenos de la segregación y acabado superficial estos. Se trabajara para desarrollar una metodología de trabajo para cuantificar de forma sencilla ambos fenómenos en probetas de laboratorio, con el fin de estudiarlos y relacionarlos con los parámetros reológicos de los HAC. En general son pocas o casi nulas las referencias existentes, relacionadas con el uso o estudio de dichas escorias como árido en hormigones autocompactantes (HAC), por ello, cabe recalcar la importancia de la presente investigación. / Benito Saorín, FJ. (2014). Propiedades mecánicas y retracción de hormigones autocompactantes fabricados con escorias siderúrgicas de alto horno [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/43072 / TESIS

O uso de escoria de aciaria, principal subproduto das industrias siderúrgicas do processo de conversão do ferro gusa em aço, como matéria-prima na produção de cimento Portland a partir de substituições de parte da escoria de alto forno, apresenta benefícios econômicos e ecológicos, visto que um resíduo industrial tornar-se-á matéria-prima na fabricação do cimento, reduzindo custo de energia, material e depósitos para estocagem de resíduos. Para tal estudo, a escória de aciaria foi submetida a refusão e a diferentes taxas resfriamento, com o objetivo de formar escorias com diferentes graus de cristalinidade. Após resfriamento foram conformados corpos de prova com adição ao cimento Portland de 0; 1,8; 3,6 e 5,4% em peso de escoria de aciaria. Foram determinados tempo de início e final pega, resistência a compressão após 3, 7, 28 e 91 dias da conformação dos corpos de prova, expansibilidade a quente e a frio. Os resultados confirmam que a escória de aciaria apresenta potencial para ser utilizada na indústria cimenteira. A verificação da influência da adição das escorias dará suporte para a Companhia Siderúrgica Nacional (CSN) decidir quanto a viabilidade da mudança do processo atual de resfriamento e quanto a destinação do resíduo. / The use of steel slag, the main byproduct of the steel industries of the process of converting pig iron into steel as raw material for the production of Portland cement by replacing part of blast furnace slag, offering economic and ecological benefits, as that an industrial - waste becomes the raw material in cement production, reducing energy costs, equipment and tanks for storage of waste. For this study, steel slag was subjected to remelting and cooled at different rates, with the goal of forming slag with different degrees of crystallinity. After cooling, specimens with addition to Portland cement of 0, 1,8; 3,6 and 5,4% steel slag were conformed. Were determined the start time and end handle, compressive strength after 3, 7, 28 and 91 days of conformation, hot and cold expandability. The results confirm that the steel slag has the potential to be used in the cement industry. The verification of the influence of the addition of slag will support the National Steel Company (CSN) on the feasibility of changing the current cooling process and the allocation of the new waste.

O uso de escoria de aciaria, principal subproduto das industrias siderúrgicas do processo de conversão do ferro gusa em aço, como matéria-prima na produção de cimento Portland a partir de substituições de parte da escoria de alto forno, apresenta benefícios econômicos e ecológicos, visto que um resíduo industrial tornar-se-á matéria-prima na fabricação do cimento, reduzindo custo de energia, material e depósitos para estocagem de resíduos. Para tal estudo, a escória de aciaria foi submetida a refusão e a diferentes taxas resfriamento, com o objetivo de formar escorias com diferentes graus de cristalinidade. Após resfriamento foram conformados corpos de prova com adição ao cimento Portland de 0; 1,8; 3,6 e 5,4% em peso de escoria de aciaria. Foram determinados tempo de início e final pega, resistência a compressão após 3, 7, 28 e 91 dias da conformação dos corpos de prova, expansibilidade a quente e a frio. Os resultados confirmam que a escória de aciaria apresenta potencial para ser utilizada na indústria cimenteira. A verificação da influência da adição das escorias dará suporte para a Companhia Siderúrgica Nacional (CSN) decidir quanto a viabilidade da mudança do processo atual de resfriamento e quanto a destinação do resíduo. / The use of steel slag, the main byproduct of the steel industries of the process of converting pig iron into steel as raw material for the production of Portland cement by replacing part of blast furnace slag, offering economic and ecological benefits, as that an industrial - waste becomes the raw material in cement production, reducing energy costs, equipment and tanks for storage of waste. For this study, steel slag was subjected to remelting and cooled at different rates, with the goal of forming slag with different degrees of crystallinity. After cooling, specimens with addition to Portland cement of 0, 1,8; 3,6 and 5,4% steel slag were conformed. Were determined the start time and end handle, compressive strength after 3, 7, 28 and 91 days of conformation, hot and cold expandability. The results confirm that the steel slag has the potential to be used in the cement industry. The verification of the influence of the addition of slag will support the National Steel Company (CSN) on the feasibility of changing the current cooling process and the allocation of the new waste.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Metalurgia Extractiva. Ingeniero Civil de Minas / Los minerales de arcilla, usualmente asociados a la ganga presente en depósitos sulfurados de cobre, son arrastrados al concentrado durante la flotación, y posteriormente a la escoria durante la operación unitaria de fusión en el proceso pirometalúrgico para la producción de cobre metálico. Una de las variables de transporte de mayor relevancia es la viscosidad, y en el caso de las escorias tiene implicancia directa tanto en el atrapamiento mecánico de cobre como en el desgaste de ladrillos refractarios, producto del contacto con la fase de mata y con la mampostería del reactor, respectivamente. Se han realizado estudios empíricos que buscan clarificar el efecto de la concentración de distintos óxidos sobre la viscosidad de las escorias y también se han desarrollado modelos de comportamiento teórico. Sin embargo, a la fecha no existe un modelo predictivo de viscosidad de escorias fundidas basado en el tipo y concentración de minerales arcillosos contenidos en los concentrados de cobre alimentados al proceso pirometalúrgico del cobre. En el presente estudio, 200 g de una mezcla de escoria fayalítica sintética dopada con 2, 5 u 8% en peso de caolinita o montmorillonita fue cargada en un crisol de alta alúmina y fundida a temperaturas de 1.275, 1.300, 1.325 y 1.350 °C en un horno eléctrico bajo atmosfera controlada de CO/CO2/N2 ajustando a una presión parcial de oxígeno de 10-8 atmósferas por un tiempo de 8 horas. Se realizaron pruebas de reometría manteniendo las condiciones antes señaladas, con el objetivo de determinar el efecto de la concentración de los minerales arcillosos sobre la viscosidad y el esfuerzo de corte de la fase fundida. Adicionalmente, se realizaron pruebas de equilibrio bajo las mismas condiciones experimentales antes descritas pero para las dos temperaturas más bajas a modo de caracterizar mediante microscopía óptica, XRD y XRF, previa calibración con ICP-MS los cambios composicionales de la fase fundida dada la adición de arcillas. Finalmente, los resultados experimentales pueden ser correlacionados cualitativamente con el atrapamiento mecánico de cobre y el desgaste del ladrillo refractario del reactor de fusión utilizado. Comparados con un concentrado no arcilloso, se esperaría que la fusión de aquellos concentrados ricos en caolinita o montmorillonita: i. Promuevan el atrapamiento mecánico de cobre durante la formación de escorias fayalíticas producto de un aumento en la cantidad de magnetita en la fase oxidada. ii. Promuevan el desgaste de la mampostería refractaria dada la desintegración de los granos de periclasa que conforman el ladrillo formando spineles ricos en silicatos y alúmina. El desarrollo de esta tesis se enmarca en el desarrollo del proyecto INNOVA CSIRO CHILE 10CEII-9007, el cual proveyó como herramienta de caracterización híper-espectral el Hylogger-3.

[EN] In the nineteenth century, in the Atacama Region, Chile, dozens of nearby smelters to mining sites were established. The copper slags generated have remained in landfills abandoned for at least 100 years without any use of these so far in the area of construction. The scientific literature reports few studies about on the use of copper slag of old landfills as a cementitious material. In this research plan the cementitious properties of the copper slag were studied and the possibility of its use as an alternative material to the Chilean construction industry is proposed. Seven different copper slags were studied, 4 of them coming from the abandoned dumps in Atacama region in the nineteenth century and, for comparison, 3 other current smelting copper slags. Pastes Hydrated lime and cement pastes containing copper slags, mortars with replacement of Portland cement by slags, and alkali activated copper slag mortars were made. Different techniques for copper slag characterization and reactivity were used: XRF, XRD, TGA, LDA, FTIR, FESEM, PIM, reactivity in aqueous suspensions by the conductimetric method and environmental aspects of availability were based on NEN 7371 standard. The results indicated that all the copper slags have pozzolanic reactivity with different reactivity degrees and they can be used as alternative material for Portland cement based binder and for alkali activated cement. In the compressive strength in mortars with Portland cement substitutions by 25% of copper slag an average compressive strength of 58 MPa at 28 days curing time was obtained. In alkali activated slag mortars the best results were achieved at curing temperature of 65ºC and 7 days curing time with compressive strength in the range 44-63 MPa. The obtained results suggest that nineteenth century copper slags have cementitious properties to be utilized as a new material in civil construction. / [ES] En el siglo XIX, en la Región de Atacama, Chile, se establecieron decenas de fundiciones cercanas a los yacimientos mineros. Estas fundiciones generaron escorias de cobre, las cuales han permanecido en los vertederos como depósitos abandonados por al menos 100 años, sin que exista hasta ahora, un uso de éstas en el área de la construcción. La literatura científica reporta pocos estudios sobre el uso de escorias de cobre de vertederos antiguos como un material cementante. Este plan de investigación, consistió en estudiar las propiedades cementantes de las escorias de cobre y proponer a la industria de la construcción chilena la posibilidad de su uso como un material alternativo. Se estudiaron 7 diferentes escorias de cobre, 4 de ellas del siglo XIX procedentes de vertederos abandonados en la Región de Atacama y, con el propósito de establecer comparaciones, otras 3 escorias de cobre de fundiciones actuales. Se fabricaron pastas de cal hidratada y cemento, morteros con sustitución de cemento Pórtland por escoria, y morteros con escoria activada alcalinamente. Diferentes técnicas de ensayo se utilizaron en la caracterización y determinación de la reactividad puzolánica de las escorias de cobre: FRX, DRX, ATG, ADL, FTIR, FESEM, PIM, reactividad en suspensiones acuosas por el método conductimétrico y aspectos medioambientales utilizando el ensayo de disponibilidad basado en la norma NEN 7371. Los resultados indican que todas las escorias de cobre poseen reactividad puzolánica en diversos grados y pueden ser utilizadas como materiales alternativos en mezclas de cemento Pórtland y en cementos de activación alcalina. En la resistencia a la compresión en morteros con sustituciones de cemento Pórtland por un 25% de escoria de cobre, se obtuvo como promedio una resistencia a compresión de 58 MPa a los 28 días de curado. En morteros de escoria activada alcalinamente, los mejores resultados se consiguieron a temperaturas de curado de 65ºC a la edad de 7 días, alcanzando resistencias a compresión en el intervalo de 44-63 MPa. Los resultados obtenidos sugieren que las escorias del siglo XIX poseen propiedades cementantes para ser utilizadas como un nuevo material en la construcción civil. / [CAT] Al segle XIX, a la Regió d'Atacama, Xile, es van establir desenes de foneries properes als jaciments miners. En aquestes foneries es van generar escòries de coure, les quals han romàs en els abocadors com dipòsits abandonats per almenys 100 anys, sense haver-hi tingut cap ús al dia d'avui, dins l'àrea de la construcció. La literatura científica reporta pocs estudis sobre l'ús d'escòries de coure d'abocadors antics com un material cimentant. Aquesta investigació du a terme un pla que va consistir a estudiar les propietats cimentants de les escòries de coure i proposar a la indústria de la construcció xilena la possibilitat del seu ús com un material alternatiu. S'han estudiat set diferents escòries de coure, 4 d'elles del segle XIX procedents d'abocadors abandonats a la Regió d'Atacama, i, amb el propòsit d'establir comparacions, 3 escòries de coure de foneries actuals. Es van fabricar pastes amb calç hidratada i ciment portland, morters de ciment Pòrtland amb substitució parcialper escòria, i morters d'escòria activada alcalinament. Amb la finalitat de caracteritzar i determinar la reactivitat putzolànica de les escòries de coure es va emprar una combinació de diferents tècniques d'assaig: FRX, DRX, ATG, ADL, FTIR, FESEM, PIM, reactivitat en suspensions aquoses pel mètode conductimètric i aspectes mediambientals utilitzant l'assaig de disponibilitat basat en la norma NEN 7371. Els resultats indiquen que totes les escòries de coure posseeixen reactivitat putzolànica en diversos graus i que poden ser utilitzades en ciments portland i en ciments d¿activació alcalina. Quant a la resistència a compressió als morters amb substitucions de ciment Pòrtland per un 25% d'escòria de coure, es va obtenir com a mitjana 58 MPa als 28 dies de guarit. Respecte als morters d'escòria activada alcalinament, els millors resultats es van aconseguir a temperatures de guarit de 65ºC i a la edat de 7 dies, aconseguint resistències a compressió entre els 44 i 63 MPa. Els resultats obtinguts suggereixen que les escòries del segle XIX posseeixen propietats cimentants per a ser utilitzades com un nou material en la construcció civil. / Nazer Varela, AS. (2016). Caracterización y determinación de las propiedades cementantes de escorias de cobre del siglo XIX de la Región de Atacama, Chile para su uso en construcción [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/67691 / TESIS

[pt] Um modelo de descarburação e formação de escórias foi desenvolvido e aplicado ao processo de fabricação de aço em forno elétrico a arco de 120 ton de capacidade, com carga de ferro gusa e de sucata ferrosa. O carregamento de carbono foi significativamente variado para testar a consistência do modelo, considerando a cinética de oxidação do carbono, oxidação do fósforo e de redução do óxido de ferro. Gusa e coque foram empregados como fontes mais relevantes de carbono, resultando na entrada de 15 a 35 kg carbono/ton. As taxas de fusão do gusa e da sucata governam a disponibilidade dos elementos mais relevantes tais como carbono, fósforo e silício em solução, portanto, afetam as taxas de descarburação e de formação de escórias. A principal fonte de fósforo na carga ferrosa é o gusa. Desta forma, a evolução do teor de fósforo na fase metal mostrou-se importante para as estimativas das taxas de fusão do gusa, uma vez que o fósforo pode ser empregado como traçador adicional ao carbono. Modelos cinéticos envolvendo as reações do fósforo e silício operam simultaneamente com os modelos cinéticos referentes às reações do carbono e do ferro. Integrações numéricas associadas a um algoritmo de gradientes reduzidos generalizado foi empregado para o sistema não linear com restrições, de forma a determinar a maioria dos parâmetros cinéticos do modelo. A taxa de fusão global da carga de sucata foi maior do que a taxa de fusão aparente do gusa. Supõe-se que, o gusa apesar de ter relações geométricas desfavoráveis à transferência de calor em relação à sucata, poderia fundir mais rapidamente influenciado pelo seu baixo ponto de fusão. Entretanto, devido à formação de camada solidificada a partir da massa líquida na qual é imerso, é provável que mesmo fundido posteriormente, ocorra um processo de encapsulamento temporário, conferindo-lhe uma taxa aparente de fusão mais baixa. A constante cinética da reação de descarburação quando o teor de carbono é inferior ao carbono crítico de 0.19 por cento em massa e pelo menos 60 por cento da carga ferrosa estão fundidas, foi estimada em 0.74 min-1, taxas comparáveis às obtidas em aciaria a oxigênio. A principal fonte de oxigênio para oxidação do ferro é disponibilizada por lanças supersônicas. Estima-se que 20 por cento do oxigênio injetado via lanças sejam consumidos para a formação de óxido de ferro. Entretanto, cerca de 31 por cento e 26 por cento do oxigênio oriundo de injetores de póscombustão podem contribuir na formação de óxido de ferro ou são captados pelo sistema de exaustão de gases, respectivamente. Os resultados indicam que em torno de 15-30 por cento do carbono injetado podem não reagir no forno, sendo removidos com a escória. Adicionalmente ao estado de não-equilíbrio no sistema Fe-C-O observado, a dispersão nas estimativas de carbono solúvel na fase metal também pode ter sido influenciada pela intensidade de penetração da injeção de coque. O algoritmo proposto se constitui num promissor simulador de práticas que visam otimizar o rendimento metálico do ferro, a partir da dependência da cinética de redução do óxido de ferro com sua atividade química na escória. / [en] A decarburization and slag formation model was developed and applied to a steelmaking process based on scrap and pig iron mixes melted in a conventional AC electric arc furnace (EAF) with 120 ton capacity. The amount of carbon input was varied significantly in order to evaluate the model consistency regarding mainly the kinetics of carbon oxidation, phosphorus oxidation and iron oxide formation and reduction. Pig iron and coke were used as sources of carbon, resulting in variation of total carbon input in the range of 15 to 35 kg carbon/ton. The pig iron and scrap melting rates determine the availability of the most relevant elements such as carbon, phosphorus and silicon in solution in Fe-C melts, and therefore, affecting the decarburization as well the slag formation rates. The pig iron is the main source of phosphorus in the ferrous charge. Hence, the evolution of the phosphorus content in the metal phase is important to predict the pig iron melting rate, since phosphorus can be used as a tracer element in addition to carbon. Kinetic models regarding phosphorus and silicon were applied simultaneously to kinetic models of carbon and iron reactions. A numerical integration method supported a generalized reduced gradient algorithm for non-linear and constrained system (GRG) was applied to determine most of the kinetic model parameters. The scrap melting rates were found to be higher than pig iron apparent melting rates. This is expected that, even though the heat transfer issues related to significant differences in the area to volume ratio compared to scrap, pig iron may melt faster influenced by its low melting point. However, a solidified shell maybe created from the hot heel where pig iron is immersed, even when further melting occur, Fe-rich carbon melts could be encapsulated temporarily and present lower apparent melting rate. The decarburization rate parameter, when at least 60 percent of the charge is melted, was estimated as 0.74 min-1, when carbon content is lower than the critical carbon 0.19 percent wt, which is similar to the rate range observed in oxygen steelmaking facilities. Around 31 percent and 26 percent of the oxygen input through post combustion injectors were addressed to iron oxidation and to the off-gas system, respectively. The main source of oxygen taking part of iron oxidation is available from supersonic lances. Approximately 20 percent of the oxygen input through lancing are consumed to form iron oxide. The results also indicate about 15-30 percent of the injected carbon may not react and leave EAF during slagoff. In addition to the observed non-equilibrium state in Fe-C-O system, the dispersive behavior of the prediction of soluble carbon content in the metal phase could also be influenced by the intensity of penetration coke. The model framework is a promising tool to work preliminarily in what-if process scenario builder as a static model for iron yield optimization, regarding the kinetics of iron oxide reduction reaction and the proposed dependence on its chemical activity in the slag phase.