[pt] O presente estudo foca o comportamento da redução da ferrita de zinco produzida em laboratório e a contida nos pós de aciaria elétrica (PAE) pelo CO puro e misturas COCO2, esta última tomada como exemplo de um caso real. Este trabalho se iniciou com a caracterização dos principais compostos presentes no PAE (óxido de ferro (III), óxido de zinco e ferrita de zinco) usando técnicas, metodologias e equipamentos para caracterizações térmica (ATD-ATG), estrutural (DRX), microscópica (MEV-MET analise de EDS), física (porosidade do briquete, massa especifica, tamanho médio e área superficial específica das partículas) e química. Constatou-se que as partículas dos materiais estudados são predominantemente de
geometria esférica e, em particular o estudo via MET da ferrita de zinco, revelou aglomerados micrométricos e homogêneos tipo clusters, formados por partículas arredondadas e constituídas por alguns monocristais com tamanhos da ordem de 100 nm. Com a finalidade de estudar a cinética de redução da
ferrita de zinco, foram realizados ensaios de redução por CO puro e misturas gasosas formadas por: 75 por cento CO-25 por cento CO2 e 50 por cento CO-50 por cento CO2 nas temperaturas de 1073, 1173, 1223, 1273 e 1373K. O tempo máximo de redução foi de 105 min. Os resultados obtidos permitiram propor uma
sequência cinética de redução, ao longo da qual os principais produtos de redução da ferrita de zinco foram caracterizados via MEV, visando estabelecer a fenomenologia/morfologia da redução. Conclui-se que a fenomenologia morfológica e cinética da redução da ferrita de zinco, embora complexa, é similar a da redução dos óxidos de ferro, dependendo das composições gasosas, temperatura e tempo de reação. O
estudo morfológico permitiu constatar que a redução da ferrita de zinco evidencia sua decomposição nos óxidos constituintes (ZnO e Fe2O3), na faixa de 1073 a 1273K e a redução sequencial do óxido de zinco e dos óxidos de ferro. Os típicos produtos sólidos da redução são: óxido de zinco (ZnO), wüstita (FeO), óxidos mistos do tipo (Zn, Fe)O e ferro metálico. O estudo cinético estabeleceu ainda que ocorre uma rápida redução do óxido de zinco, liberando zinco gasoso, evidenciando a seguinte sequência de redução:
primeiramente, o óxido de zinco se reduz, seguido dos óxidos de ferro. Isto ocorre significativamente nas
temperaturas entre 1223 e 1373K. Estabeleceu-se um modelo geral de redução da ferrita de zinco usando a metodologia de superfície resposta (RSM), que envolveu o planejamento estatístico fatorial 3(4) para
avaliar a influência dos fatores preestabelecidos sobre a (porcentagem) Redução (temperatura e tempo
de reação, composição gasosa, e massa da amostra). Os modelos cinéticos que melhor ajustaram os mecanismos de redução foram: o modelo de reação química de interface-simetria esférica, seguido pelo modelo exponencial de reação contínua, representados por: [1 - raiz cúbica de (1 -alfa)] = kt e −ln(1 -alfa) igual a kt , respectivamente. O modelo de reação química de interface - simetria esférica, representado por: [1 - raiz cúbica de (1 - alfa)] = kt foi o que melhor adequou-se à redução da ferrita de zinco sintética. Os parâmetros cinéticos obtidos foram: (a) 100 por cento CO: Ea de 55,60 kJ/mol e A igual a 8,833 mHz;
(b) 75 por cento CO-25 por cento CO2: Ea igual a 88,21 kJ/mol e A igual a 127,74 mHz; (c) 50 por cento CO-50 por cento CO2: Ea igual a 95,21 kJ/mol e A igual a 193,37 mHz; De maneira similar, no caso da redução da ferrita de zinco presente no PAE, o modelo que melhor representou o processo, também foi o modelo de reação química de interface - simetria esférica, representado por: [1 - raiz cúbica de (1 - alfa)] igual a kt , sendo, Ea (energia de ativação aparente) e A (constante pré-exponencial de Arrhenius), os
parâmetros cinéticos obtidos: (d) 100 por cento CO: Ea igual a 52,34 kJ/mol, e A igual a 4,98 mHz; (b) 75 por cento CO-25 por cento CO2: Ea igual a 66,70 kJ/mol e A igual a 76,06 mHz; (c) 50 por cento CO-50 por cento CO2: Ea igual a 86,28 kJ/mol e A igual a 289,59 mHz. A comparação entre as energias de ativação aparente, permitiu concluir que tanto a redução da ferrita de zinco sintética como a redução dos Pós de Aciaria Elétrica-PAE, tiveram como etapa controladora da reação global a redução dos óxidos de ferro, particularmente para a redução com 100 por cento CO. No caso da redução com misturas COCO2, isto não foi observado para a ferrita de zinco sintética, embora possa ser válida para os Pós de Aciaria Elétrica-PAE, considerando seu baixo teor de zinco. Assim, para o caso da redução da ferrita de zinco por misturas CO-CO2, propõe-se como etapa controladora a redução simultânea do óxido de zinco e dos óxidos de ferro. / [en] This work deals with the behavior of the synthetic zinc ferrite reduction as well as a case study for the same process using electric arc furnace dusts (EAFD). These processes were conducted under pure CO atmosphere and CO-CO2 gas mixtures. The research here reported onsets with the characterization
of the compounds present in EAFD - Iron (III) oxide, zinc oxide and zinc ferrite - using techniques, methodologies and equipments for thermal characterization (DTA-TGA), structural (XRD), microscopic
(SEM-TEM coupled to EDS), physical (briquette porosity, specific gravity, average size and particle specific surface) and chemical analysis. It was found that the studied materials particles showed predominantly spherical geometry and in particular, the TEM scans in the zinc ferrite, reveled cluster type micrometric and homogeneous agglomerates formed from single crystal round particles having the size of circa 100 nm.
Aiming at the study of the kinetics of the zinc ferrite reduction experiments were conducted using synthetic and EAFD materials submitted to pure CO gas and mixtures of it with CO2 in the following proportions: 75 per cent CO-25 per cent CO2 e 50 per cent CO-50 per cent CO2. The runs were conducted at the temperatures 1073, 1173, 1223, 1273 e 1373K and the maximum reaction time was 105 min. The obtained results permitted the proposal of a kinetic reduction reaction chain. In the course of the study, also, the main zinc ferrite reduction products were characterized by the SEM analysis. This analysis also permitted the observation of phenomenological and morphological correlations during the process. It was concluded that the morphological and kinetic zinc ferrite reduction, in spite being a complex process, it is similar to iron oxides reduction, meaning, dependent on the gaseous compositions, temperature and reaction times. The morphological prism permitted to propose that the zinc ferrite reduction denounces its instantaneous decomposition in their constituent oxides (ZnO and Fe2O3) when submitted to temperatures in the range of 1073 to 1273K and also the sequential reduction of zinc and iron oxides. The typical reduction products were zinc oxide (ZnO), wüstite (FeO) and mix oxides type (Zn, Fe) O and metallic iron. Again, the kinetic study established that a rapid reduction of the zinc oxide occurs, as compared to the
other present oxides, through the sequence: firstly the zinc oxide reduction takes place, and this is followed by the iron oxides reduction. The last processes occur significantly for temperatures in the range of
circa 1223 to 1373K. A general model of the zinc ferrite reduction by the gaseous mixture of CO-CO2 was
proposed using the response surface methodology (RSM) for the factorial analysis 3(4). This was done evaluating the effect of the following variables: temperature, reducing atmosphere composition, specimen mass and reaction time over the (percentage)Reduction. The kinetic models that presented the better adjustment for the reduction were the boundary chemical reaction model for spherical symmetry
(BCRM ss) with the equation [1 - cubic root (1 - alfa)] equal kt and the model of simple exponential continuous reaction obeying the relation: − ln(1 - alfa) equal kt . The kinetic parameters obtained (Ea, apparent activation energy, and A, Arrhenius preexponential frequency fator) were for the first model, that is synthetic zinc ferrite: (a) 100 per cent CO gas: Ea equal 55,60 kJ/mol & A equal 8,83 mHz; (b) 75 per cent CO-25 per cent CO2: Ea equal 88,21 kJ/mol and Aequal 127,74 mHz; (c) 50 per cent CO-50 per cent CO2: Ea equal 95,21 kJ/mol and A equal 193,37 mHz. And for the second material, zinc ferrite contained in the EAF dusts: (a) 100 per cent CO gas: Ea equal 52,34 kJ/mol and A equal 4,98 mHz; (b) 75 per cent CO-25 per cent CO2: Ea equal 66,70 kJ/mol and A equal 76,06 mHz; (c) 50 per cent CO-50 per cent CO2: Ea equal 86,28 kJ/mol and A equal 289,59 mHz. The comparison between the apparent activation energy
obtained from the best fitting kinetic models permitted to conclude that the zinc ferrite reduction as well as the electric arc furnace dusts reduction global reactions rates are controlled by iron oxides reduction,
this in particular for the case of the reduction with 100 per cent CO. As for the reduction with the
CO-CO2 gas mixtures, this was not observed for the synthetic zinc ferrite, although, for
the reduction of the electric arc furnace dust, this could be the case due to their low zinc
content. Considering these facts and the experimental results of this work, it is suggested
that the zinc ferrite reduction by CO-CO2 gas mixtures has the global reaction rate
controlled simultaneously by the reduction of both zinc and iron oxides.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:puc-rio.br/oai:MAXWELL.puc-rio.br:12488 |
| Date | 14 November 2008 |
| Creators | MERY CECILIA GOMEZ MARROQUIN |
| Contributors | JOSE CARLOS D ABREU |
| Publisher | MAXWELL |
| Source Sets | PUC Rio |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | TEXTO |
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