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.

Nos últimos anos, novas tecnologias têm sido desenvolvidas para a redução da emissão de gás carbônico, um dos principais causadores do efeito estufa. Na indústria de ferro e aço, grande emissora de gás carbônico, tecnologias para uso mais eficiente de carvão fóssil tem sido desenvolvidas. Uma dessas tecnologias é o produto chamado de CCB (Carbon Composite Iron Ore Hot Briquette), um composto de minério de ferro e carbono briquetado a quente que usa a plasticidade térmica do carvão fóssil como aglomerante para aumento da resistência mecânica do aglomerado. Esse produto tem como vantagens a alta velocidade de reação e alta resistência mecânica a altas temperaturas, diferentemente das pelotas autorredutores que usam aglomerantes inorgânicos. Os objetivos deste trabalho foram: (a) propor um método para a fabricação de aglomerados autorredutores de minério de ferro e carvão fóssil via briquetagem a frio seguida de tratamento térmico; (b) identificar a principais variáveis de processo de fabricação; e (c) estudar o comportamento cinético durante a redução dos briquetes produzidos. Para fabricar os briquetes foram utilizados dois métodos de briquetagem, um em matriz cilíndrica de compressão uniaxial, e outro em prensa de rolos. Foram identificadas as principais variáveis de processo na fabricação dos briquetes: temperatura de tratamento térmico; tamanho de partícula dos componentes da mistura; características do carvão fóssil; pressão de compressão na conformação dos briquetes; proporção dos componentes; e taxa de aquecimento do tratamento térmico. A qualidade dos briquetes foi mensurada por sua resistência à compressão. Foi observado que a obtenção de um briquete autorredutor comparável com os CCBs, deve levar em conta as seguintes condições de fabricação: (a) tamanho de partícula do carvão fóssil entre 0,105 e 0,053 mm (150 e 270 mesh); (b) quantidade de carvão fóssil na mistura entre 25 e 30% em peso; e (c) temperatura de tratamento térmico de 500°C. Além disso, quanto maior a taxa de aquecimento do tratamento térmico, maior a resistência à compressão dos briquetes. A cinética de redução dos briquetes autorredutores tratados termicamente é bastante sensível à temperatura (E = 369 kJ/mol), principalmente quando comparada a pelotas autorredutoras de minério de ferro e carvão vegetal (E 200 kJ/mol). / In recent years, new technologies have been developed to reduce carbon dioxide emissions, one of the main causes of the greenhouse effect. Innovative energy saving technologies have been developed to improve the efficiency of coal usage, especially in the iron making industry, which emits large amounts of carbon dioxide. One of these technologies is a product known as CCB (Carbon Composite Iron Ore Hot Briquette), a self-reducing carbon composite iron ore that uses the thermal plasticity of coking coals as a binder to enhance the mechanical strength of the agglomerate. This product has advantages such as high reaction rate and high mechanical strength at high temperatures when compared against self-reducing pellets that uses inorganic binders. The objectives of this study are: (a) to propose a method for manufacturing composite briquettes of iron ore and coal hardened by heat treatment; (b) to identify the main process variables of the fabrication; and (c) to study the agglomerate reduction kinetics. Two methods of briquetting have been employed, one using a cylindrical die and the other using a laboratory roller press. The main process variables for manufacturing the briquettes have been identified: the heat treatment temperature; the particle size of the components; the coal characteristics; the briquetting pressure; the proportion of the components; and the heating rate. Compressive strength tests have been performed. It was observed that obtaining a self-reducing briquette as strong as the CCB should consider the following fabrication conditions: (a) coal particle size between 0,105 and 0,053 mm (150 and 270 mesh); (b) coal amount in the mixture between 25 and 30 wt%; and (c) heat treatment temperature of 500°C. Also, higher heating rates showed higher briquette compressive strengths. The self-reducing briquettes reduction kinetics are very sensitive to temperature (E = 369 kJ/mol), especially when compared against self-reducing pellets of iron ore and charcoal (E 200 kJ/mol).

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.

[pt] O presente trabalho, apresenta uma análise do impacto das variáveis, temperatura, tipo de atmosfera e composição dos materiais ferrosos e carbonosos, sobre a cinética da auto- redução, em dois tipos de briquetes auto-redutores, na faixa de temperatura de 1000 à 1300 graus Celsius. É apresentado um breve histórico da ciência de redução dos óxidos de ferro, além das características relevantes dos principais processos de auto-redução e uma análise dos principais trabalhos correlatos disponíveis na literatura, procurando evidenciar os aspectos termodinâmicos e cinéticos destes estudos. São discutidos detalhes do aparato disponível, o procedimento experimental, a caracterização das amostras, e os resultados obtidos. A partir da análise dos resultados, foi determinando a energia de ativação aparente (E0) igual à 177,10 kJ/mol e o fator de freqüência pré-exponencial da equação de Arrehnius (Constante da taxa 0) igual à 0,97x10-3 s-1. Foi observado que aumentos na temperatura de teste, diminuição na vazão de N2 e uso de atmosfera de CO, melhoraram significativamente a cinética de redução dos briquetes auto- redutores, aumentando os graus de conversão obtidos. Os resultados confirmaram que a reação de Boudouard se apresenta como a etapa controladora do processo até 1200 graus Celsius C, quando o controle passa a ser misto, sofrendo também a influência da reação química de redução dos óxidos de ferro. A importância destes resultados e observações experimentais para o desenvolvimento e projeto dos processos emergentes de auto-redução são destacados. / [en] The present work, analyzes the impact of the key variables, temperature, reduction atmosphere and composition of the ferrous and carbonaceous materials, on the kinetics of self- reducing briquettes, for two types of samples, over the temperature range 1000 - 1300 Celsius Degree. A brief history of the ironmaking science is presented, covering the most relevant features of the main self-reduction processes and a survey of the main published researches on the same subject relating to thermodynamic and kinetic aspects. The experimental procedure, details of the apparatus used, the experimental parameters, characterization of the samples and the results are described. Based on the results obtained, the kinetic parameters were evaluated determining the apparent activation energy (E0) as 177,10 kJ/mol and the pre-exponential frequency factor of the Arrehnius equation (ê0) as 0,97x10-3 s-1. It is observed that, increasing the temperature, decreasing the inert gas flow (N2) and using CO atmosphere, improves significantly the kinetics of reduction of self-reducing briquettes, raising the rate of iron oxide reduction. The results confirm that the Boudouard reaction is the rate limiting step of the overall reaction, up to 1200 Celsius Degree, when a mixed control starts, where the influence of the iron oxides reduction shall be also considered. The significance of this experimental results and observations to the design and the development of an innovative self-reduction smelting process are highlighted.

[pt] O pó de aciaria (fração Fina-F e fração Grossa-G) gerado no sistema de despoeiramento à seco dos gases de exaustão do conversor LD, e o pó de alto forno-AF recuperado pelo sistema de tratamento de gases do setor de redução (coletor de gases), têm papel relevante entre os materiais secundários gerados nos vários elos da cadeia produtiva de uma siderúrgica integrada, seja pelas quantidades produzidas, seja por suas composições. Por serem portadores principalmente de unidades de ferro e carbono e algumas vezes zinco, esses resíduos são sempre alvo de iniciativas tecnológicas que objetivem recuperá-los ou reciclá-los. Além disso, os materiais particulados gerados pelo sistema de despoeiramento a seco, diferentemente dos à úmido, ainda carecem de estudos aprofundados para suas reciclagens. Embora antiga, a briquetagem atualmente vem se tornando uma tecnologia cada vez mais importante entre os processos de aglomeração. Assim, nesta Tese foi estudado, numa primeira etapa, a viabilidade de fabricação dos chamados briquetes F-G simples, constituídos apenas pelos pós Finos e Grossos, nas proporções percentuais de 50-50 e 70-30, respectivamente, e o exame teórico e experimental de seus usos como carga ferrosa nos processos de redução e como materiais alternativos às sucatas e pelotas, quando adicionados ao aço líquido do conversor LD para o controle de sua temperatura. Na fabricação dos briquetes F-G simples, também buscou-se testar os aglomerantes cimento ARI e melaço de cana de açúcar, isoladamente ou quando misturados, atendendo às relações água/cimento de 0,5 e água/melaço de 0,7. O processo experimental de cura a frio dos aglomerados se estendeu até 28 dias. A resistência à compressão obtida em prensa hidráulica instrumentada foi o principal parâmetro para avaliar a qualidade mecânica dos briquetes. A metodologia experimental envolveu a técnica do planejamento fatorial, 2(k), níveis (mínimo e máximo), com três variáveis (resíduos, aglomerantes e água). Nos resultados verificou-se que a resistência à compressão dos briquetes F-G simples, usando o binômio cimento-melaço sempre apresentou valores mais elevados do que os briquetes quando aglutinados com as duas substancias isoladamente. Além disso, dentre os aglomerados produzidos os de teores mais elevados de fração Grossa (briquetes 50-50), apresentaram maior resistência mecânica que os briquetes tipo 70-30. Em relação aos efeitos de resfriamento que provocam quando adicionados ao aço liquido, os balanços térmicos mostraram que os briquetes do tipo 70-30 apresentariam melhores índices no controle da temperatura do banho de aço, que os do tipo 50-50. A fim de verificar como se comportariam os briquetes F-G anteriores, quando se adicionava o pó de coletor de AF nas suas constituições como fonte supridora de carbono e apenas o cimento ARI como aglutinante, foram produzidos os denominados briquetes autorredutores, também dos tipos F-G, 50-50 e 70-30. Além da viabilidade de fabricação desses aglomerados, foram determinadas suas qualidades mecânicas e levantadas suas metalizações em ensaios de redução nas temperaturas de 1100 graus Celsius e 1150 graus Celsius. O estudo cinético da autorredução foi realizado avaliando-se o grau de conversão a ferro metálico e examinada a fenomenologia de sua evolução. Os resultados evidenciaram que o grau de conversão metálica cresceu com o aumento da temperatura e com a quantidade da fonte de carbono, que a metalização apresentou uma morfologia final do tipo shell layer e que o modelo cinético testado, tipo reação continua, apresentou uma correlação acima de 99 por cento. Além disso, os balanços de energia mostraram que o efeito de resfriamento imposto ao aço liquido pelos briquetes F-G autorredutores, sempre se mostrou superior aos dos briquetes F-G simples. Adicionalmente, afim de melhor interpretar os resultados obtidos foram realizados testes adicionais, como o de reatividade do coque metalúrgico, via a norma ASTM D5341-99 e por aná / [en] The steel dusts (fine-F and coarse-G fractions) generated in the dry dedusting equipment of the LD converter exhaust system, and in the blast furnace-AF dust collector, play a relevant role among secondary materials generated in the various steps of the integrated steelmaking chain, either by the quantities produced and their compositions. Because they mainly contain iron and carbon units and sometimes zinc in their compositions, actually these wastes are being the target of several technological initiatives, aiming to recover or recycle them. Moreover, the particulate materials generated by the LD dry dedusting system, unlike those collected in the wet system of the same LD processes, still lack in-depth studies for recycling. Nowadays briquetting is increasing in importance among agglomeration processes, mainly due to its feature in treat particulate materials with a wide range of size. This thesis studied, in a first stage, the feasibility of manufacturing the so-called simple F-G briquettes, in the proportions of 50-50 and 70-30, respectively, as well as their theoretically and experimentally possibilities to be charged as a ferrous burden in reduction processes and as an alternative material to the scrap and pellets, when used to control the liquid steel temperature in LD converters. In the manufacture of the simple F-G briquettes, was also tested the binders ARI cement and sugarcane molasses, alone or when mixed, taking into account the water / cement ratio of 0,5 and the water / molasses ratio of 0,7. For the briquettes studied in this research, all cure operations lasted for up to 28 days and the compressive strength parameter obtained to evaluate the mechanical quality of the briquettes. The experimental methodology involved the technique of factorial planning, 2(k) levels (minimum and maximum), with three variables (residues, agglomerates and water). The results showed that the compressive strengths of the simple F-G briquettes, when using the cement-molasses mixture, always achieved higher values than that for briquettes using the cement or molasses separately. Moreover, the higher content of coarser fraction (briquettes 50-50) always leads to higher mechanical resistance than the finer one (70-30). On the other hand, the energy balances showed that the simple F-G briquettes 70-30, have presented the better cooling indexes for the liquid steel temperature control than the 50-50 briquettes. Regarding the second part of the thesis, two types of F-G self-reducing briquettes were also produced, containing stoichiometric and 10 percent excess of BF-collector dusts. After curing, they were tested on compression and reduced in temperatures of 1100 Celsius degrees and 1150 Celsius degrees. The kinetic study of the self-reducing briquettes was carried out evaluating the metallic iron conversion and the metallic iron phenomenology and morphology formation. The results showed: a) that the iron conversion increased as higher the temperature and amount of carbon; b) that the iron metallization presented a shell-layer type morphology and, c) that the continuous-reaction type kinetic model, adjusted very well the experimental reduction results, with a correlation factor above 99 percent. Additionally, in order to better understand the experiment results, the metallurgical coke reactivity was obtained using the ASTM D5341-99 test and the Differential Thermogravimetric analyzes (DTG), as well as confirmed the hydrated water amount in the passivated F and G dusts, also using the DTG methodology. Finally, considering the manufacturing feasibility of the both, simple and self-reducing F-G briquettes, the following could be also marked: I) The use of both briquettes type for liquid steel temperature control in LD converters, as effective alternative materials to scraps and pellets, considering the following comparative cooling indexes: a) 2,1 and 2,4 times the scrap, for the self-reducing briquettes 50-50 and 70-30, respectively, both with 10 percent excess; b) 1,7 and 1,9 times the scrap, for the simple briquettes, 50-50 and 70

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.

Nos últimos anos, novas tecnologias têm sido desenvolvidas para a redução da emissão de gás carbônico, um dos principais causadores do efeito estufa. Na indústria de ferro e aço, grande emissora de gás carbônico, tecnologias para uso mais eficiente de carvão fóssil tem sido desenvolvidas. Uma dessas tecnologias é o produto chamado de CCB (Carbon Composite Iron Ore Hot Briquette), um composto de minério de ferro e carbono briquetado a quente que usa a plasticidade térmica do carvão fóssil como aglomerante para aumento da resistência mecânica do aglomerado. Esse produto tem como vantagens a alta velocidade de reação e alta resistência mecânica a altas temperaturas, diferentemente das pelotas autorredutores que usam aglomerantes inorgânicos. Os objetivos deste trabalho foram: (a) propor um método para a fabricação de aglomerados autorredutores de minério de ferro e carvão fóssil via briquetagem a frio seguida de tratamento térmico; (b) identificar a principais variáveis de processo de fabricação; e (c) estudar o comportamento cinético durante a redução dos briquetes produzidos. Para fabricar os briquetes foram utilizados dois métodos de briquetagem, um em matriz cilíndrica de compressão uniaxial, e outro em prensa de rolos. Foram identificadas as principais variáveis de processo na fabricação dos briquetes: temperatura de tratamento térmico; tamanho de partícula dos componentes da mistura; características do carvão fóssil; pressão de compressão na conformação dos briquetes; proporção dos componentes; e taxa de aquecimento do tratamento térmico. A qualidade dos briquetes foi mensurada por sua resistência à compressão. Foi observado que a obtenção de um briquete autorredutor comparável com os CCBs, deve levar em conta as seguintes condições de fabricação: (a) tamanho de partícula do carvão fóssil entre 0,105 e 0,053 mm (150 e 270 mesh); (b) quantidade de carvão fóssil na mistura entre 25 e 30% em peso; e (c) temperatura de tratamento térmico de 500°C. Além disso, quanto maior a taxa de aquecimento do tratamento térmico, maior a resistência à compressão dos briquetes. A cinética de redução dos briquetes autorredutores tratados termicamente é bastante sensível à temperatura (E = 369 kJ/mol), principalmente quando comparada a pelotas autorredutoras de minério de ferro e carvão vegetal (E 200 kJ/mol). / In recent years, new technologies have been developed to reduce carbon dioxide emissions, one of the main causes of the greenhouse effect. Innovative energy saving technologies have been developed to improve the efficiency of coal usage, especially in the iron making industry, which emits large amounts of carbon dioxide. One of these technologies is a product known as CCB (Carbon Composite Iron Ore Hot Briquette), a self-reducing carbon composite iron ore that uses the thermal plasticity of coking coals as a binder to enhance the mechanical strength of the agglomerate. This product has advantages such as high reaction rate and high mechanical strength at high temperatures when compared against self-reducing pellets that uses inorganic binders. The objectives of this study are: (a) to propose a method for manufacturing composite briquettes of iron ore and coal hardened by heat treatment; (b) to identify the main process variables of the fabrication; and (c) to study the agglomerate reduction kinetics. Two methods of briquetting have been employed, one using a cylindrical die and the other using a laboratory roller press. The main process variables for manufacturing the briquettes have been identified: the heat treatment temperature; the particle size of the components; the coal characteristics; the briquetting pressure; the proportion of the components; and the heating rate. Compressive strength tests have been performed. It was observed that obtaining a self-reducing briquette as strong as the CCB should consider the following fabrication conditions: (a) coal particle size between 0,105 and 0,053 mm (150 and 270 mesh); (b) coal amount in the mixture between 25 and 30 wt%; and (c) heat treatment temperature of 500°C. Also, higher heating rates showed higher briquette compressive strengths. The self-reducing briquettes reduction kinetics are very sensitive to temperature (E = 369 kJ/mol), especially when compared against self-reducing pellets of iron ore and charcoal (E 200 kJ/mol).

Durante a produção do aço a partir da fusão de sucatas em fornos elétricos a arco é gerado entre 10 e 20 kg de resíduos por cada tonelada de aço fundido constituídos por fumos e poeiras contendo óxidos principalmente de ferro, zinco, cálcio e chumbo, tornando-os altamente perigosos e tóxicos. Na procura de uma solução para mitigar problemas de descarte desses resíduos, propõe-se a aglomeração da poeira de aciaria elétrica (PAE) na forma de pelotas auto-redutoras. Essas últimas, são tratadas termicamente pelo processo Waelz o qual consiste em um forno rotativo, alimentado pelas pelotas, e que recupera o zinco por meio de reações metalúrgicas de redução e oxidação. No presente trabalho avaliou-se o comportamento cinético e mecânico bem como as mudanças microestruturais, através do planejamento fatorial fracionário de experimentos tipo 3III(4-2), variando aglomerante, redutor, temperatura e basicidade binária. As técnicas empregadas para caracterização foram: MEV, EDS, DRX, FRX, DTA-TG, análise C-N-H e análise granulométrica a laser. A PAE estudada apresenta 37, 50 % de ferro na forma de hematita e 19, 40 % de zinco na forma de zincita. A maior parte das partículas apresentaram uma morfologia esférica com tamanho aproximado de 1 ?m. Através do método de tempo reduzido foram testados os modelos: (i) modelo de reação química de interface-simetria esférica, (ii) modelo exponencial de reação contínua e (ii) modelo do núcleo não reagido; resultando em um comportamento cinético com a combinação dos dois primeiros modelos. Entre 800 e 950 °C, foi detectada a formação de agulhas de óxido de zinco com impurezas de cloretos e chumbo. Os estudos do comportamento mecânico, após os tratamentos térmicos, apontaram para todas as temperaturas, um melhor comportamento no caso das pelotas aglomeradas com xarope de glicose e Ca(OH)2. / Steel production from scrap melting in electric arc furnaces, generates about 10 to 20 kg of waste per metric ton of molten steel, which are composed by fumes and dust containing mainly oxides of iron, zinc, calcium and lead. Thus, these residues are highly dangerous and toxic. To find ecofriendly solutions and mitigate problems of the solid waste, it was proposed to agglomerate electric steel dust (PAE) in the form of self-reducing pellets. The latter are thermally treated by the Waelz process, which consists of a rotary kiln fed by the pellets, recovering the zinc by means of reduction and oxidation metallurgical reactions. In this study, kinetic and mechanical behavior, as well as microstructural changes, were evaluated by fractional factorial design of type 3III experiments (4-2), varying: binder, reducer, temperature and binary basicity. Chemical and microstructural characterization were performed using: Scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS), X-ray diffraction XRD, X-ray fluorescence spectrometry (FRX), differential thermal analysis/thermogravimetric (DTA/TG), elemental analysis C-N-H and laser granulometric analysis. The PAE studied presented 37. 50 % of iron in the form of hematite and 19. 40 % of zinc in the form of zincite. Most of the particles showed a spherical morphology of ~1 ?m in size. Using the time-reduced method, the following models were tested: (i) spherical interface-symmetry reaction model; (ii) exponential continuous reaction model; and (ii) unreacted core model. The results obtained showed a kinetic behavior with the combination of the first two models. At 800 and 950 °C the formation of zinc oxide needles was observed, in which was detected chloride and lead impurities. Mechanical behavior studies after the heat treatments showed that the pellets agglomerated with glucose syrup and Ca(OH)2 presented the best behavior at all temperatures.

Durante a produção do aço a partir da fusão de sucatas em fornos elétricos a arco é gerado entre 10 e 20 kg de resíduos por cada tonelada de aço fundido constituídos por fumos e poeiras contendo óxidos principalmente de ferro, zinco, cálcio e chumbo, tornando-os altamente perigosos e tóxicos. Na procura de uma solução para mitigar problemas de descarte desses resíduos, propõe-se a aglomeração da poeira de aciaria elétrica (PAE) na forma de pelotas auto-redutoras. Essas últimas, são tratadas termicamente pelo processo Waelz o qual consiste em um forno rotativo, alimentado pelas pelotas, e que recupera o zinco por meio de reações metalúrgicas de redução e oxidação. No presente trabalho avaliou-se o comportamento cinético e mecânico bem como as mudanças microestruturais, através do planejamento fatorial fracionário de experimentos tipo 3III(4-2), variando aglomerante, redutor, temperatura e basicidade binária. As técnicas empregadas para caracterização foram: MEV, EDS, DRX, FRX, DTA-TG, análise C-N-H e análise granulométrica a laser. A PAE estudada apresenta 37, 50 % de ferro na forma de hematita e 19, 40 % de zinco na forma de zincita. A maior parte das partículas apresentaram uma morfologia esférica com tamanho aproximado de 1 ?m. Através do método de tempo reduzido foram testados os modelos: (i) modelo de reação química de interface-simetria esférica, (ii) modelo exponencial de reação contínua e (ii) modelo do núcleo não reagido; resultando em um comportamento cinético com a combinação dos dois primeiros modelos. Entre 800 e 950 °C, foi detectada a formação de agulhas de óxido de zinco com impurezas de cloretos e chumbo. Os estudos do comportamento mecânico, após os tratamentos térmicos, apontaram para todas as temperaturas, um melhor comportamento no caso das pelotas aglomeradas com xarope de glicose e Ca(OH)2. / Steel production from scrap melting in electric arc furnaces, generates about 10 to 20 kg of waste per metric ton of molten steel, which are composed by fumes and dust containing mainly oxides of iron, zinc, calcium and lead. Thus, these residues are highly dangerous and toxic. To find ecofriendly solutions and mitigate problems of the solid waste, it was proposed to agglomerate electric steel dust (PAE) in the form of self-reducing pellets. The latter are thermally treated by the Waelz process, which consists of a rotary kiln fed by the pellets, recovering the zinc by means of reduction and oxidation metallurgical reactions. In this study, kinetic and mechanical behavior, as well as microstructural changes, were evaluated by fractional factorial design of type 3III experiments (4-2), varying: binder, reducer, temperature and binary basicity. Chemical and microstructural characterization were performed using: Scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS), X-ray diffraction XRD, X-ray fluorescence spectrometry (FRX), differential thermal analysis/thermogravimetric (DTA/TG), elemental analysis C-N-H and laser granulometric analysis. The PAE studied presented 37. 50 % of iron in the form of hematite and 19. 40 % of zinc in the form of zincite. Most of the particles showed a spherical morphology of ~1 ?m in size. Using the time-reduced method, the following models were tested: (i) spherical interface-symmetry reaction model; (ii) exponential continuous reaction model; and (ii) unreacted core model. The results obtained showed a kinetic behavior with the combination of the first two models. At 800 and 950 °C the formation of zinc oxide needles was observed, in which was detected chloride and lead impurities. Mechanical behavior studies after the heat treatments showed that the pellets agglomerated with glucose syrup and Ca(OH)2 presented the best behavior at all temperatures.