TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO - RODRIGO ANTÔNIO LOPES DA SILVA

•

IFMG

Rodrigo Lopes

19/11/2021

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INSTITUTO FEDERAL DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE MINAS GERAIS
Campus Ouro Branco
Curso de Bacharelado em Engenharia Metalúrgica

Trabalho de Conclusão de Curso

"Revisão do modelo de cominuição de carvão e coque de
petróleo da usina Gerdau – Ouro Branco"

Autor: Rodrigo Antônio Lopes da Silva
Orientador: Prof. Dr. Guilherme Liziero Ruggio da Silva

Março/21

INSTITUTO FEDERAL DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE MINAS GERAIS
Campus Ouro Branco
Curso de Bacharelado em Engenharia Metalúrgica

Rodrigo Antônio Lopes da Silva

REVISÃO DO MODELO DE COMINUIÇÃO DE CARVÃO E COQUE DE PETRÓLEO DA
USINA GERDAU – OURO BRANCO

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao
Curso de Bacharelado em Engenharia Metalúrgica

Área de concentração: Metalurgia Extrativa
Orientador: Prof. Dr. Guilherme Liziero Ruggio da Silva

Ouro Branco
IFMG
2021

Dedico este trabalho de conclusão de curso
à minha mãe, Elizabeth Cristina da Silva e ao
meu pai, Roberto Lopes da Silva, que são as
razões máximas para que eu estivesse
alcançando este patamar em minha vida.

AGRADECIMENTOS:

Em primeiro lugar, o meu maior agradecimento vai a Deus, por ter me abençoado
com saúde e determinação para vencer os diversos obstáculos encontrados pelo
caminho e por proporcionar uma trajetória repleta de conhecimento e crescimento.

Aos meus pais que sempre investiram na minha educação e no cuidado entregue
para que eu pudesse alcançar este objetivo.

Aos meus irmãos e irmãs que sempre se dispuseram a me fortalecer.

Aos meus amigos que sempre estiveram ao meu lado, pela amizade
incondicional e pelo apoio demonstrado ao longo de todo o período de tempo em que
me dediquei a este trabalho e a este curso.

Aos professores Carlos Roberto Ferreira do Instituto Federal de Educação
Ciência e Tecnologia de Minas Gerais e João Rocha do Instituto Politécnico de
Bragança que despertaram em mim a natureza pesquisadora e impulsionaram minha
caminhada acadêmica.

Ao meu professor e orientador, no qual tomo como exemplo de jornada, não
apenas acadêmica, mas, também, profissional, Guilherme Liziero Ruggio da Silva, que
passou a ocupar um lugar de destaque na minha trajetória, que atuou como meu Norte
durante todo este trabalho, ensinando da melhor maneira possível e mostrando o
caminho que deveria ser seguido.

À Gerdau – Usina Ouro Branco, através da pessoa do coordenador do seu pátio
de carvão Henrique Rodrigues Fernandes, e de toda a equipe operacional que
proporcionou todas as ferramentas e dados necessários para a realização deste
trabalho.

E, finalmente, ao Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia de Minas
Gerais – Campus Ouro Branco, por entregar uma educação e equipe de extrema
qualidade e por ser uma instituição com um alto nível de responsabilidade para com
seus discentes.

Sumário

1. INTRODUÇÃO ................................................................................................ 13
2. OBJETIVOS .................................................................................................... 16
2.1 Objetivo geral ................................................................................................ 16
2.2 Objetivos específicos ................................................................................. 16
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .......................................................................... 14
3.1. Carvão mineral ............................................................................. 17
3.1.1. Formação e classificação .............................................. 17
3.1.2. Logística ....................................................................... 19
3.1.3. Caracterização .............................................................. 22
3.1.4. Análise química do carvão mineral ................................ 22
3.1.5. Caracterização das propriedades metalúrgicas ............. 28
3.1.6. Petrografia dos carvões ................................................ 31
3.2. Cominuição de carvões ............................................................... 40
3.2.1. Leis de fragmentação .................................................... 41
3.2.2. Índice de moabilidade ................................................... 43
3.2.3. Funcionamento do britador de martelos ........................ 45
3.2.4. Modelo de britagem ................................................... 47
3.3. Coque ............................................................................................ 48
3.3.1. Processo de coqueificação ........................................... 48
3.3.2. Testes de fragmentação................................................ 51
4. METODOLOGIA.............................................................................................. 53
4.1. Localização ................................................................................... 53
4.2. Britadores ..................................................................................... 53
4.3. Fluxograma geral do trabalho ..................................................... 56
4.4. Carvões utilizados ........................................................................ 56
4.5. Caracterização petrográfica/reológica ........................................ 57
4.6. Criação do modelo de britagem .................................................. 57
4.7. Cronograma .................................................................................. 59
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................ 60

Lista de figuras:

Figura 1.1 Distribuição da produção mundial de aço...............................................13
Figura 1.2 Efeito do nível granulométrico sobre DI..................................................14
Figura 1.3 Características do carvão e parâmetros operacionais influenciadores na
resistência do coque...............................................................................15
Figura 3.1 Composição Química da Madeira e dos Combustíveis Fósseis Sólidos.18
Figura 3.2 Forma representativa dos tipos de carvão mineral.................................19
Figura 3.3 Recebimento e preparação do carvão utilizado em usinas integradas a
coque......................................................................................................21
Figura 3.4 Regiões internas de um alto forno..........................................................27
Figura 3.5 Teste de Fluidez – Plastometria..............................................................29
Figura 3.6 Teste de Dilatometria..............................................................................31
Figura 3.7 Origem dos macerais de carvão.............................................................36
Figura 3.8 Micrografias de macerais comuns em carvões.......................................36
Figura 3.9 Classificação dos macerais quanto à plasticidade.................................37
Figura 3.10 Microscópio ótico de luz refletida............................................................38
Figura 3.11 Reflectograma de um carvão não coqueificável.....................................39
Figura 3.12 Relação entre o tamanho médio do carvão e sua resistência................40
Figura 3.13 Efeito de superfinos sobre a fração de vazios........................................41
Figura 3.14 Máquina de Hardgrove...........................................................................43
Figura 3.15 Índice de moabilidade em função do rank..............................................44Figura 3.16 Distribuição de Inertes por faixas granulométricas.................................44
Figura 3.17 Britador de martelos................................................................................46

Figura 3.18 Britador de martelos utilizado na Gerdau – Usina Ouro Branco.............46
Figura 3.19 Comparação entre valores experimentais e calculados da porcentagem
de material passante...............................................................................48
Figura 3.20 Desenho esquemático de uma planta de coqueria................................50
Figura 4.1 Vista aérea do pátio de processamento de carvão mineral da usina
Gerdau – Ouro Branco...........................................................................53
Figura 4.2 Esquema simplificado do conjunto de martelos e placas.......................55
Figura 4.3 Visão geral do britador de martelos utilizado no processamento de carvão
mineral....................................................................................................55
Figura 4.4 Fluxograma geral do trabalho.................................................................56

Lista de tabelas:

Tabela 3.1 Faixa percentual dos principais componentes da cinza..........................26
Tabela 3.2 Avaliação do poder aglutinante...............................................................30
Tabela 3.3 Classificação de carvões/grau de dilatação............................................31
Tabela 3.4 Características dos constituintes do carvão...........................................33
Tabela 3.5 Propriedades gerais dos litotipos de carvão..........................................34
Tabela 3.6 Sistema de classificação de carvão Stopes-Heerlen.............................35
Tabela 3.7 Classificação de carvão conforme seu HGI...........................................45
Tabela 4.1 Identificação dos carvões......................................................................56
Tabela 4.2 Valores da referência do modelo...........................................................58
Tabela 4.3 Cronograma...........................................................................................58

Lista de siglas:

ASTM - American Society for Testing and Materials
CBI - Composition Balance Index
CPRM - Companhia de Pesquisa de Recursos Minerais
DI - Drum Index
HGI - Hardgrove Grindability Index
NBR - Norma Técnica Brasileira
SINDIFER - Sindicato das Indústrias de Ferro no Estado de Minas Gerais
WI - Work Index

Resumo
O coque é um produto de suma importância em usinas integradas. Tem a sua
produção a partir de misturas de carvões minerais processadas a fim de se atingir
padrões operacionais para coqueificação e garantir a qualidade necessária ao processo
de produção de ferro gusa. Como dito, a matéria prima do coque metalúrgico é o carvão
mineral, porém, por ser um recurso natural não-renovável, somado ao fato de que o
carvão utilizado na siderurgia seja, basicamente, importado, tem-se investido na busca
de novas tecnologias e em otimizações ao processo visando um melhor aproveitamento
deste insumo gerando, por consequência, economia e eficiência.
Um dos fatores impactantes no processo de produção de coque, é a
granulometria da mistura de carvões geratriz do mesmo. Este trabalho visa a otimização
e padronização do processo de britagem dos carvões minerais da empresa Gerdau –
Usina Ouro Branco. Serão utilizados tratamentos estatísticos a fim de relacionarmos a
constante de moagem de cada carvão com parâmetros operacionais dos britadores de
martelo utilizados no processo de cominuição, visando uma faixa de granulometria
controlada abaixo de 2,80 mm e acima de 0,15 mm.

Palavras chave: Coque. Carvão. Granulometria. Otimização

Abstract
Coke is a product of great importance in integrated mills. It is produced from
mixtures of mineral coals processed in order to reach operational standards for coking
and to guarantee the necessary quality to the hot metal production process. As said, the
raw material of metallurgical coke is coal, however, because it is a non-renewable natural
resource, added to the fact that the coal used in the steel industry is imported, there has
been investment in the search for new technologies and process optimization aiming at
a better use of this input generating, consequently, economy and efficiency.
One of the impacting factors in the coke production process is the granulometry
of the coal mix that generates it. This work aims the optimization and standardization of
the crushing process of the mineral coals of the Gerdau - Usina Ouro Branco. Statistical
treatments will be used in order to relate the constant of milling of each coal with
operational parameters of the hammer crushers used in the comminution process,
aiming a controlled granulometry range below 2.80 mm and above 0.15 mm.

Key words: Coke. Coal. Granulometry. Optimization

1. INTRODUÇÃO

Como mostrado na Figura 1.1, em termos mundiais, o Brasil aparece em 9° lugar
no ranking de produção mundial de aço com 1,74% do total (WORLDSTEEL
ASSOCIATION, 2020).

Figura 1.1 - Distribuição da produção mundial de aço. Imagem do autor

Nas usinas integradas temos, como principal combustível do processo de
redução nos altos fornos, o coque metalúrgico. Cerca de 77,5% de todo o ferro gusa
produzido em território nacional são provenientes destas usinas (SINDIFER, 2020),
portanto, devido a esta importância, se faz necessária uma redução do custo de sua
produção, já que o carvão mineral utilizado como sua matéria prima, além de ser um
recurso natural não renovável, é de origem importada, fazendo com que sua parcela de
custo na produção do ferro gusa seja elevado.

Considerando o cenário atual, se faz necessária a otimização no processamento
deste carvão e um dos principais parâmetros que devem ser controlados é a distribuição
granulométrica do mesmo, caracterização esta, que se torna bastante criteriosa. De
acordo com Silva (2012) dentre estes fatores podemos destacar a diferença de dureza
dos carvões; a porcentagem do material recebido abaixo de 2,83 mm e o desgaste dos
equipamentos utilizados no processo de britagem.

O Drum Index 150-15 (tratado, a partir daqui, apenas como DI) é a resistência
mecânica a frio do coque que, segundo Ulhôa, 1991, tem, como fator crucial, a
distribuição granulométrica da mistura de carvões que gera o coque em questão, fato
apresentado na Figura 02.

Figura 1.2 - Efeito do nível granulométrico sobre DI (SILVA, 2012)
O processo de cominuição do carvão mineral faz com que partículas grandes
sejam reduzidas até a faixa abaixo de 2,83 mm, porém, como as partículas menores
também passam pelo mesmo processo, ocorre a geração excessiva do que é chamado
de material superfino, ou seja, aquele que está abaixo de 0,15 mm, fazendo com que a
densidade de carga caia, gerando perda da sua resistência a frio.
Em 1991 um estudo dirigido por W.H. van Niekerk da University of Pretoria, África
do Sul, intitulado Blast furnace coke: A coal blending model foi realizado a fim de
determinar se, além das propriedades intrínsecas ao carvão, parâmetros operacionais
também teriam impacto na qualidade do coque. Como um dos resultados, apresentados
na Figura 1.3, foi reconhecido que a distribuição granulométrica é uma das variáveis
explicativas da resistência mecânica do coque.

Figura 1.3 – Características do carvão e parâmetros operacionais influenciadores na
resistência do coque. (NIEKERK, W. H., 1991)

Segundo SILVA (2012) a composição da mistura e determinação do coque
teórico obedeceà lei de aditividade que é aplicada para todos os seus principais
componentes, o que ressalta a importância de se ter um controle operacional e
característico de cada um dos componentes individuais da mistura de carvão geratriz
do coque metalúrgico.

2. OBJETIVOS

2.1. Objetivo geral

Este trabalho tem, como objetivo principal, a formulação de um padrão de
cominuição para os carvões envolvidos na mistura geratriz do coque produzido na
empresa Gerdau – Usina Ouro Branco.
2.2. Objetivos específicos

 Caracterizar a petrografia e reologia dos carvões objeto do presente trabalho;
 Calcular a constante de cominuição individual do material e, através deste
cálculo, criar uma separação em grupos de similaridades;
 Parametrizar o processo com o intuito de se desenvolver um padrão de
cominuição de carvões;

3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

3.1. Carvão mineral

Antes de se desenvolver ou otimizar qualquer processo, é preciso conhecer a
fundo o material com o qual se está lidando, bem como suas características intrínsecas,
sua origem, onde se encontra, enfim, é preciso traçar o seu perfil.

3.1.1. Formação e classificação

O carvão mineral é uma rocha sedimentar que, segundo MEYERS (1982) é um
agregado de substâncias heterogêneas compostas por materiais orgânicos e
inorgânicos. É um combustível fóssil, de cor escura ou marrom, resultado de séculos de
sedimentação. De acordo com FALLAVENA (2013) A sua parcela orgânica advém,
principalmente, de restos vegetais e animais acometidos de vários graus de
decomposição, enquanto que seus constituintes inorgânicos são compostos por cristais,
grãos e agregados de vários minerais, além da matéria fluida como, por exemplo,
umidade.

O material orgânico soterrado passa, então, por um processo de compactação
em altas pressão e temperatura e decomposição com a ausência de oxigênio, que,
segundo SILVA (2011), é capturado, juntamente com bases nitrogenadas e fósforo, por
diversas bactérias e microrganismos através do ataque à celulose e lignina da madeira.
Tem-se, através disso, o processo de carbonização do sedimento, fazendo com que ele
se torne um material de grande importância para a produção de ferro gusa.

A formação do carvão mineral corresponde a estágios especificados com base
no teor de carbono correspondente, porém, a decomposição da matéria nem sempre
origina a turfa. SILVA (2011) indica quatro hipóteses para a transformação da matéria
vegetal:

 Desintegração total da matéria orgânica, por ataque microbiano e ação do
oxigênio, que é na realidade um processo de combustão lento e tendo como
gases produzidos o CO2, H2O, NH3 e CH4, sem a formação de sedimentos;
18

 Humificação, em que a ação do oxigênio é menor, com menor formação de
gases que são, ainda, o CO2, H2O, NH3 e CH4, e tendo a formação de sedimentos
chamados húmus que formam camadas do solo pela alta rotatividade da matéria
orgânica que morre;
 Formação de turfa, com ação ainda menor do oxigênio, formação dos mesmos
gases citados em quantidades ainda menores, com maior quantidade de resíduo
sólido, a turfa, pois a matéria orgânica é rapidamente coberta, e
 Putrefação, em que o ambiente e as condições químicas são diferentes, pois
acontece em bolsões de água estagnada com baixa presença de oxigênio. Os
gases formados em pequena quantidade são o CH4, NH3, H2S e H2 (as bactérias
que atuam nesse ambiente são as anaeróbias) e o resíduo sólido é chamado de
sapropel. O sapropel é um sedimento constituído, essencialmente, de matéria
orgânica que não sofreu decomposição total. Ele origina a rocha sedimentar
sapropélito, que é uma rocha formadora de petróleo.

De acordo com a Companhia de Pesquisa de Recursos Minerais (CPRM), do
ponto de vista químico, os carvões caracterizam-se pelo alto teor de carbono,
normalmente 55% a 95%. De acordo com esse teor, têm-se, classificados em ordem
crescente de teor de carbono a seguinte classificação: turfa, linhito, hulha (ou carvão
betuminoso) e antracito. Em se tratando de pureza, teríamos, além do antracito, a
grafita, porém ela não é combustível.

A Figura 3.1 abaixo evidencia a proporção de carbono e outros constituintes
desde a madeira, até o grafite.

Figura 3.1 - Composição Química da Madeira e dos Combustíveis Fósseis Sólidos.
(SILVA, 2011)

Pode-se notar o crescimento do teor de carbono partindo da madeira até o
antracito (considerando-se, apenas, a faixa de combustíveis). Isso se deve ás
características da decomposição sofrida pelo material, características estas que
incluem, principalmente, pressão, temperatura e tempo de decomposição. O processo
de enriquecimento de carbono e, consequentemente, a redução de oxigênio e nitrogênio
é chamado de carbonificação.

Através da Figura 3.2, podemos ver os tipos de carvão, segundo SILVA (2011)
evidenciando os quatro estágios de sua carbonificação.

Figura 3.2 - Forma representativa dos tipos de carvão mineral. (SILVA, 2011)

Chamamos de carvão coqueificável aquele que é comumente utilizado nas
usinas integradas a coque. A classe utilizada é o betuminoso, que, ao ser aquecido,
forma uma massa sólida rica em carbono (caso isso não ocorra, é denominado carvão
não coqueificável).

3.1.2. Logística

O uso de um determinado carvão depende, primeiramente, da sua qualidade e
se suas características atendem, em um primeiro momento, o objetivo do uso. Partindo
20

daí se faz necessária a importação do carvão mineral utilizado em território brasileiro,
visto que, o carvão minerado nas reservas nacionais não atende aos requisitos para o
seu uso, devido ao baixo poder calorífico e o alto teor de cinzas, porém, isto não quer
dizer que o carvão brasileiro não tem sua utilidade. O carvão nacional é utilizado em
larga escala em usinas termoelétricas, cimenteiras, na produção de celulose, nas
indústrias de cerâmica, alimentícias e de secagem de grãos.

Já no recebimento destes carvões, se faz necessário alguns testes e
amostragens para verificar a qualidade do material recebido, se não há contaminações
advindas do processo de transporte, granulometria média no recebimento, entre outras
análises que englobam o que é chamado de petrografia do carvão.

Os carvões recebidos são armazenados em pilhas individuais no pátio, com a
finalidade de evitar a mistura de características já que elas são essenciais na construção
da mistura geratriz do coque, que se baseia no impacto proporcional de cada um dos
carvões. A mistura de carvões no pátio pode gerar um desequilíbrio de constituintes da
mistura, já que cada carvão tem seu próprio teor de voláteis, carbono fixo, granulometria
média de recebimento, resistência mecânica, resistência à cominuição entre outros.

Estes carvões são armazenados e preparados para o seu processamento que,
de acordo com SILVA (2011) pode ser feito de maneiras distintas de acordo com os
padrões da empresa; em alguns lugares ocorre a cominuição individual de cada
componente da mistura, em outros há a britagem de grupos semelhantes de carvões e
há, ainda, empresas que cominuem a mistura já dosada.

Este processo de preparação da mistura pode ser dividido, a grosso modo, em
área de preparação primária e secundária (SILVA, 2011). Neste trabalho será baseado
na britagem individual de carvões da mistura, que consiste em:

 Recebimento de carvões via correia transportadora ou malhas ferroviárias. Este
setor também é responsável pela amostragem do carvão recebido para análise
laboratorial para verificação de inconformidades;
 Estocagem individual dos carvões nos pátios, evitando a contaminação entre
eles;
21

 Recuperação do carvão que passará pelo processo de britagem, baseada namistura geratriz;
 Cominuição do carvão até a faixa granulométrica ideal para coqueificação. Esta
etapa segue o padrão determinado pela empresa, podendo ser utilizado
britadores de impacto e/ou de martelos;
 Armazenamento do carvão processado em silos de dosagem individuais. O
processo de dosagem destes silos garante a proporcionalidade dos carvões
escolhidos para compor a mistura. Esta é a etapa de blending, ou seja, ocorre a
sobreposição de camadas heterogêneas do carvão sobre a correia
transportadora que as leva até a preparação secundária;
A preparação secundária consiste no mixing da mistura heterogênea recebida
da preparação primária, ou seja, ela passa por um processo de homogeneização
mecânica e levada, posteriormente, através de correias transportadoras, para os silos
presentes na coqueria, onde ela será dosada e enfornada para a produção de coque. A
Figura 3.3 sintetiza o processo como um todo.

Figura 3.3 - Recebimento e preparação do carvão utilizado em usinas integradas a
coque. (SILVA, 2011)

3.1.3 Caracterização

Como mencionado anteriormente, o carvão mineral é o resultado do depósito de
sedimentos ao longo de séculos, submetidas a condições específicas de pressão e
temperatura e que passaram pelo processo de carbonificação, porém, o resultado dessa
sedimentação é um material extremamente heterogêneo, já que a diferença entre as
camadas sedimentadas chega a ser de centenas de anos entre elas, além do fato de
que o ambiente muda de um local para outro. Basta comparar, a grosso modo, o tipo de
terreno e condições climáticas tropicais do Brasil com as vegetações de baixas
temperaturas presentes na Sibéria, por exemplo, e aí já podemos constatar que os
sedimentos encontrados em um, será, naturalmente, diferente dos encontrados em
outro.

Partindo deste fato, é importante caracterizar os carvões, já que sedimentações
diferentes geram carvões diferentes. Estas características impactam diretamente na
escolha do carvão a ser utilizado e, posteriormente, no processamento deste material.
Um exemplo simples e didático que podemos usar pode ser dito sobre a dureza
característica dos carvões e a operação de cominuição pela qual ele passará,
intuitivamente podemos constatar que carvões mais duros precisarão de mais energia
para serem britados em relação a carvões mais macios. Além da caracterização física,
é preciso ressaltar, também, a importância da caracterização química, visto que seus
componentes influenciarão na composição do coque, além de serem transferidos para
o ferro gusa no processo de redução do minério de ferro. Um exemplo é o teor de fósforo
presente no carvão que, ao ser transferido para o ferro gusa, irá interferir na fragilidade
do produto final.

3.1.4 Análise química do carvão mineral

Por não apresentar uma composição uniforme, SILVA (2011) nos diz que a
caracterização do carvão pode ser realizada através de dois tipos de análises, a
imediata e a elementar. De acordo com SOUZA (2016) para assegurar que a carga de
coque seja estável e com qualidade, o controle de propriedades químicas como
umidade, carbono fixo, cinzas, enxofre, fósforo e álcalis, é essencial.

Umidade

O carvão é um material que possui um elevado número de fissuras, trincas e
poros. Isso faz com que ocorra acúmulo de água nestes pontos específicos advindos do
processo de sedimentação que o formou. Outra fonte de umidade está no transporte e
armazenamento, visto que, o transporte feito é, comumente, através de vias ferroviárias
em vagões, muitas das vezes, aberto. Já o armazenamento contribui para o aumento
de umidade pelo fato da estocagem ser feita em pátios a céu aberto, estando sujeita a
ação da chuva. Algumas empresas fazem o uso da aplicação de polímero nas pilhas de
carvão a fim de impermeabiliza-las.

A presença de umidade no carvão interfere no processamento do mesmo,
voltando ao tratamento dado a ele nos pátios, o excesso de umidade dificulta o a
logística que o envolve. O carvão molhado propicia sua aderência das paredes dos
vagões e das calhas que o transportam, gerando entraves no processo. Outro problema
de um alto teor de umidade está no processo de cominuição e coqueificação. No
processo de cominuição, há uma dificuldade maior na britagem do carvão, já que,
segundo SILVA (2012), a presença de umidade aumenta o caráter plástico/elástico do
material, ou seja, a sua estrutura precisa de mais energia para ser rompida. Quanto ao
processo de coqueificação, uma mistura geratriz com alto teor de umidade, gera perda
calorífica no processo de coqueificação, já que, parte do calor envolvido será necessário
para remover a água presente na mistura, além de produzir um efeito chamado de
crepitação, que é quando a umidade interna do material sofre uma elevação de
temperatura a ponto de pressionar e romper as paredes que o envolvem. Este efeito
gera a produção de superfinos do carvão, diminuindo, assim, a sua densidade de carga.
Portanto, se faz necessária uma análise de umidade no recebimento do carvão, durante
o seu processamento e nos momentos que antecedem o seu efornamento.

De acordo com SILVA (2011), a norma utilizada para a análise de umidade é a
NBR 8293, que leva em consideração:

 A água agregada à superfície externa do carvão, decorrentes do manuseio ou
de agentes externos, denominada umidade superficial;
 A água que fica retida nos poros, fissuras, capilares e trincas, chamada de
umidade residual ou inerente;
24

 A umidade total, que é a soma das duas umidades anteriormente citadas; e
 Umidade higroscópica (ou de análise), que é a água absorvida pelo carvão
durante sua manipulação para análise;

Carbono fixo e matéria volátil

O teor de carbono fixo é o principal parâmetro de qualificação do carvão a ser
utilizado na produção de coque metalúrgico. O carbono é uma das matérias primas
essenciais para a produção do ferro gusa que vem a ser convertido em aço
posteriormente. A quantidade de carbono fixo pode ser definida como o total de carbono
no carvão, desconsiderando aquele que está presente na matéria volátil, como
hidrocarbonetos por exemplo. O carbono fixo é medido através da porcentagem restante
retirando-se todos os outros teores, fato explicitado na equação 3.1 (SILVA, 2011)

%𝐶𝐹 = 100 − (%𝑈𝑚𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 + %𝐶𝑖𝑛𝑧𝑎𝑠 + %𝑀𝑎𝑡é𝑟𝑖𝑎 𝑉𝑜𝑙á𝑡𝑖𝑙) (3.1)

No qual CF é a quantidade de carbono fixo.

É importante salientar que os conceitos de carbono fixo e carbono total são
diferentes. Enquanto que, como citado anteriormente, o carbono fixo exclui a quantidade
presente na matéria volátil, o carbono total é um somatório global de todo o carbono do
material, presentes na parcela volátil ou não.

Os elementos voláteis presentes no carvão são advindos de reações químicas
que envolvem carbono, hidrogênio e outros gases. Apesar da parcela mais importante
do carvão seja a quantidade de carbono do material, o teor de voláteis tem a sua função
dentro da siderurgia. Os voláteis presentes possuem um alto poder calorífico, desde que
respeitem uma faixa controlada. SILVA (2011) diz que acima de 20% de voláteis, o
poder calorífico retrocede, devido a alguns voláteis serem compostos por nitrogênio e
oxigênio não combustível.

O poder calorífico dos voláteis pode ser aproveitado da seguinte forma (SILVA,
2011):
25

 Gás de coqueria: usado como combustível em outros setores de uma usina
integrada;
 Alcatrão: depois de passar por um processo de refino, podem ser retirados a
naftalina, óleo creosoto, óleo desinfetante, antraceno, piches e alcatrão para
pavimentação;
 Óleos leves dos quais se retiram a tolueno, xileno e benzeno;
 Amônia que é tratada e purificada;

Teor de cinzas

As cinzas são os resíduos presentes no carvão que não tem característicacombustível e que são remanescentes da queima da matéria orgânica. Estas cinzas são
provenientes do crescimento de vegetação presentes antes ou depois da sedimentação
formadora do carvão, rica, principalmente, em SiO2, Al2O3 e Fe2O3, além de outros
elementos residuais em menor proporção como, por exemplo, MgO e CaO.

A determinação de cinzas é importante devido ao seu impacto no processo
siderúrgico, um deles é a redução do poder calorífico do carvão, visto que, quanto maior
o teor de cinzas, menor é este poder, fazendo-se necessária a implementação de
tecnologias e alternativas visando a diminuição deste teor ao longo do seu
processamento. Logo, pode-se concluir que, as cinzas interferem no poder calorífico e,
por este motivo, o custo de seu manuseio aumenta devido a implementação de ações
a fim de mitigar este efeito. Esta perda calorífica, de acordo com SILVA (2011), ocorre
devido a redução dos níveis de troca térmica dos sistemas de água/vapor.

Outro problema ocasionado pela geração de cinzas está presente na
manutenção do alto forno, visto que parte das cinzas se depositam nas paredes do
reator, enquanto que outra parcela pode ser depositada nos tubos de trocas de calor
onde são carreadas pela fumaça produzida.

Podemos determinar o teor de cinzas de um carvão, aquecendo-o de maneira
controlada até a temperatura de 800°C e medir a parcela não combustível.

A Tabela 3.1 nos traz a composição típica das cinzas presentes no carvão.

Tabela 3.1 – Faixa percentual dos principais componentes da cinza. (SILVA, 2011)
PRINCIPAIS COMPONENTES DA CINZA (%)
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2+K20 SO3
40-60 15-35 5-25 1-15 0,5-8 1-4 1-4

Os constituintes da cinza são responsáveis por grandes interferências negativas
no setor metalúrgico, tanto em parâmetros operacionais do forno, quanto na qualidade
do ferro gusa produzido. SILVA (2011) diz que para cada elevação de 1% no teor de
cinzas é preciso uma compensação de 10 Kg de coque necessário para a produção de
1 tonelada de gusa.

Enxofre

Apesar de encontrarmos um certo percentual de enxofre nas cinzas do carvão,
há outras fontes presentes na formação do carvão. A pirita é um dissulfeto de ferro
(FeS2) que está presente no processo de sedimentação formador do carvão mineral, a
quebra deste composto gera a absorção do enxofre presente nele, este é a sulfuração
pirítica do carvão e é de origem inorgânica. Como é conhecido, a formação do carvão é
composta por uma parte orgânica e inorgânica, e a parcela orgânica contem enxofre em
sua composição, presente em restos vegetais e animais que vão se decompondo com
o tempo.

A retenção do enxofre no coque não é total, mas depende das quantidades
relativas de enxofre orgânico e inorgânico além da qualidade do carvão coqueificado, já
que algumas classes de carvão possuem mais ou menos matéria volátil, teores de cinza
variados, matéria mineral, entre outros. Segundo SILVA (2011), a taxa média de
dessulfuração durante a coqueificação é de 40%, sendo o enxofre liberado na forma de
H2S e outros compostos de enxofre para o gás bruto.

Fósforo

A presença de altos teores de fósforo é indesejável, pois pode gerar problema
de segregação. O fósforo não é eliminado no alto forno e se transforma em fósforo
elementar que posteriormente é absorvido pelo ferro, sua presença é indesejável pois
fragiliza o metal. Proveniente da parcela orgânica, dentre todos os constituintes, é o que
27

aparece em menor quantidade. A equação 3.2 (SILVA, 2011) calcula o fósforo do coque
a partir do teor contido no carvão e do rendimento coque/carvão em percentual.

𝑃𝑐𝑜𝑞𝑢𝑒 =
100∗𝑃𝑚𝑖𝑠𝑡𝑢𝑟𝑎
𝑃𝑐𝑜𝑞𝑢𝑒/𝑐𝑎𝑟𝑣ã𝑜
(3.2)

Álcalis

Álcalis são compostos que, quando dissolvidos, liberam uma hidroxila. Se fazem
presentes nas cinzas do carvão, ou seja, não possuem caráter combustível e não
volatilizam. Os álcalis comumente encontrados no coque são K, KCN, K2SiO3, K2CO3,
Na e Na2O. Para entender o impacto da presença de álcalis no coque, é preciso
conhecer as zonas no interior do alto forno, representadas na Figura 3.4.

Figura 3.4 – Regiões internas de um alto forno.

Como podemos ver, a carga do alto forno é intercalada entre uma porção de
carga metálica e coque. A concentração maior de coque, chamada de Homem Morto,
se encontra na região inferior do reator onde temos a zona de combustão. É sabido que
a temperatura interna de um alto forno é crescente a partir do topo até a zona de
combustão. A temperatura de vaporização dos álcalis é intermediária entre os dois
extremos, fazendo com que ele vaporize na zona de combustão e condense à medida
em que são carreados em direção ao topo passando pela zona granular. Esta alteração
do estado físico no interior do forno faz com que os álcalis venham a aderir na parede
do forno provocando o chamado cascão e a degradação do refratário.

De acordo com SILVA (2011), os álcalis promovem a degradação do coque,
principalmente no que diz respeito à resistência do coque após a reação com CO2, logo,
se a degradação é acelerada, o coke rate (quantidade de coque utilizado para a
produção de uma tonelada de gusa) aumenta, pois é necessária uma compensação do
coque degradado. Esta degradação ocorre devido à projeção de álcalis na superfície do
coque, catalisando sua reação de CO2. O teor médio de álcalis no coque gira em torno
de 0,25%.

3.1.5 Caracterização das propriedades metalúrgicas

Além das características químicas, é preciso salientar o comportamento
metalúrgico dos carvões envolvidos no processo de coqueificação. Para mensurar tais
comportamentos, são realizados e testes em plantas piloto que simulam o processo,
possibilitando a sua catalogação.

Fluidez

Pode ser definida como a capacidade de fluidização do carvão, ou seja, a
capacidade de amolecimento do material baseada na sua plasticidade em um
determinado momento do processo de coqueificação.

O teste de fluidez é realizado utilizando um equipamento chamado
Plastômetro Gieseler , o qual avalia as mudanças de fluidez de um carvão enquanto
aquecido. A análise consiste em submeter ao aquecimento uma amostra compactada
de 5g e <35 mesh de carvão juntamente com uma haste em forma de hélice a qual é
29

submetida a um torque constante e que permitisse girar, somente conforme o carvão é
amolecido. A amostra utilizada no teste é, aquecida a uma taxa de 3°C/min entre 300°C
e 500°C. Ao atingir uma temperatura entra 350°C e 420°C o agitador passa, então, a
girar lentamente e para antes de atingir 500°C. O teste retorna a fluidez máxima (em
ddpm), temperatura de fluidez máxima, temperatura de ressolidificação e de
amolecimento. A Figura 3.9 esquematiza o equipamento utilizado e a curva resultante
deste ensaio.

Figura 3.5 - Teste de Fluidez – Plastometria (REQUENA, 2012)

Por indicar a capacidade máxima de fluidificação da massa de carvão, a fluidez
é fortemente impactada pelo teor de voláteis do carvão. De acordo com SILVA (2011),
este ensaio é utilizado para medir a capacidade de coqueificação dos carvões e é
aplicada para prever suas propriedades físicas, de acordo com a Tabela 3.5 a seguir.

Tabela 3.2: Avaliação do poder aglutinante (SILVA, 2011)
Log ddpm Poder aglutinante
> 4 Excelente
< 4 > 2 Ótimo
< 2 > 1 Bom
< 1 Fraco

Analisar a fase plástica do material é de suma importância devido ao fato de,
nesta etapa, a parcela reativa do carvão envolver a parcela inerte durante a
coqueificação.

Dilatação

Devido às altas temperaturas que envolvem o processo de coqueificação, é
natural que um aumento de volume acompanhe o gradiente de temperatura na sua fase
plástica, logo, assim como a fluidez, a sua dilatação é um parâmetro importante para se
medir a capacidade coqueificante domaterial. Para fazer esta medição, é utilizado um
aparelho chamado Audibert-Arnu. O teste envolve a compressão de uma amostra de
carvão (<0,15 mm) em uma forma cilíndrica (6,5 mm de diâmetro e 60 mm de
comprimento) em um tubo de metal com um diâmetro de 8 mm. Um peso de 150 g é
aplicado à amostra por um pistão. O comportamento do carvão é analisado a uma taxa
de aquecimento de cerca de 300°C e 500°C a 3 ° C / min. A mudança no comprimento
da amostra é registrada graficamente. A Figura 3.6 esquematiza o aparelho utilizado e
seus resultados.

Figura 3.6 - Teste de Dilatometria (REQUENA, 2012)

O objetivo principal deste teste está em determinar o seu poder coqueificante
em função de sua dilatação, segundo SILVA (2011) pode-se classificar o carvão de
acordo com a Tabela 3.3 abaixo.

Tabela 3.3 - Classificação de carvões/grau de dilatação. (SILVA, 2011)
Classe Contração/Expansão Poder coqueificante
0 Sem contração e dilatação Não coqueificante
1 Só contração Pouco coqueificante
2 -0% (dilatação negativa) Pequeno poder
3 0 até 50% Médio poder
4 50 até 140% Bom poder
5 150% Excelente poder

3.1.6. Petrografia dos carvões

A petrografia de carvão é essencial para se determinar a classificação, de acordo
com seu grau de carbonização. Consiste na descrição sistemática de suas
características estruturais, mineralógicas e químicas.
32

Macerais

Segundo MEYERS (1982), macerais são constituintes microscópicos de carvões
análogos aos minerais de rochas. Eles são identificados e classificados com base em
sua morfologia, material de origem, cor ou nível de reflectância e natureza da formação.

Os macerais funcionam como pequenos blocos dentro do carvão, ou seja, cada
um deles possui seu próprio comportamento mecânico e suas próprias propriedades de
coqueificação. A Tabela 3.4 classifica os macerais presentes no carvão:

Tabela 3.4 - Características dos constituintes do carvão (SILVA, 2012)
Químicas Mecânicas À moagem Secabilidade Densidade Coqueificação
VITRÊNIO Cinzas: 0,5
a 10%;

Análise de
uma
vitrinita:
C: 85%
H: 5,4%
O: 7,6%
N: 1,3%
S: 1,0%

Sólido
viscoso-
elástico. Boas
propriedades
mecânicas
atenuadas por
diáclasses.
Resistência 2
vezes superior
à do fusênio.

Concentra-se
nas frações
intermediárias.
Fácil 1,30 Funde e incha.
Responsável
pela ligação do
coque.
CLARÊNIO Cinzas: 0,5
a 2,0%

Resistência 3
vezes superior
à do fusênio

Concentra-se
nas frações
grossas.
Fácil 1,30 Funde e incha.
Desprende
muita matéria
volátil.
DURÊNIO Cinzas: 1 a
5%

Exitinita
C: 80,1%
H: 10,8%
O: 7,4%
N: 1,2%
S: 0,5%

Muito duro e
resistente.
Resistência 10
vezes superior
à do fusênio.
Concentra-se
nas frações
grossas.
Difícil 1,25 a 1,45 Inerte à
coqueificação.
Desprende
muita matéria
volátil.
FUSÊNIO Cinzas: 5 a
10% ou +

Fusinita
C: 88%
H: 3,5%
O: 7,2%
N: 0,7%
S: 0,6%

Frágil e mole Concentra-se
nas frações
finas.
Difícil 1,40 a 1,60 Totalmente
inerte

É importante analisar o comportamento microscópico da cominuição de carvões,
e, para isso, é essencial o conhecimento das propriedades mecânicas dos diversos
constituintes do carvão. Todavia, quando é analisado com mais rigor, verifica-se que
sua estrutura é bastante complexa e heterogênea, tendo sido transformado sob efeito
de pressões geológicas no curso de milhares de anos. Durante a coqueificação, verifica-
se que alguns destes constituintes petrográficos sofrem um processo de verdadeira
fusão ou passagem por fase plástica, enquanto outros são praticamente insensíveis ao
processo.
Pode-se distinguir macroscopicamente nos carvões, quatro componentes
petrográficos, chamados litotipos: o Fusênio, o Vitrênio, o Clarênio e o Durênio, que,
além de apresentarem fusibilidades diferentes, possuem graus diferentes de dureza,
conforme Tabela 3.5.
Tabela 3.5 – Propriedades gerais dos litotipos de carvão (SILVA, 2012)
Litotipo Densidade (g/cm³) Matéria
Volátil
(%)
Carbono
Fixo
(%)
Poder
Calorífico
(Btu/lb)
Dureza
Relativa
Vitrênio 1,3 35,1 64,9 14438 2
Clarênio 1,3 40,3 59,7 14600 5
Durênio 1,25 a 1,45 53,8 46,2 15371 7,5
Fusênio
Macio: 1,35 a 1,4
Duro: >1,6
9,5 90,5 15632 1

 Fusênio - Com resistência mecânica praticamente nula, é exatamente o carvão
vegetal fóssil, de aspecto pulverulento e, às vezes, fibroso, ocorrendo em lentes
ou cunhas facilmente destacáveis. Ele pode ser quebrado sob baixas pressões.
São constituídos essencialmente de carbono e não sofrem alterações
substanciais sendo, por isto, chamados de Inertes, sendo infusíveis.

 Vitrênio - Este é um componente bastante fusível que atua como material ligante
e envolve os constituintes inertes durante a coqueificação. Devido à grande
presença de vitrinita, conclui - se que o vitrênio é altamente fusível e
coqueificante por excelência.

 Clarênio – Material essencialmente estratificado, apresentando fraturas bem
definidas e superfície lisa. Possui uma resistência mecânica intermediária à do
vitrênio e do durênio. No microscópio mostra a presença de todos os grupos de
macerais, sendo, portanto, de fusibilidade variável.
 Durênio – material duro de estrutura granular perceptível a olho nu, cuja fratura
nunca é lisa tendo formação escamosa. No microscópio verifica-se que é
composto principalmente de Inertinita.
A Tabela 3.6 traz um resumo acerca dos macerais e seus grupos por litotipo
segundo SILVA (2012), apresentado em Heerlen (Holanda), em 1951.

Tabela 3.6 – Sistema de classificação de carvão Stopes-Heerlen
Litotipo Grupo de maceral Maceral
VITRÊNIO Vitrinita

Colinita e Telinita
CLARÊNIO Vitrinita dominante

Exitinita

Inertinita menos
proeminente

Colinita e Telinita

Esporinita, Cutinita,
Alginita e Resinita

Fusinita, Micrinita,
Esclerotinita e
Semifusinita

DURÊNIO Inertinita dominante

Vitrinita

Exitinita menos
proeminente

Fusinita, Micrinita,
Esclerotinita e
Semifusinita

Colinita e Telinita

Esporinita, Cutinita,
Alginita e Resinita

FUSÊNIO Inertinita Fusinita

Já a Figura 3.7 apresenta a origem de alguns macerais comumente encontrados
nos carvões, subdivididos em Vitrinita, Exinita e Inertinita.

Figura 3.7 - Origem dos macerais de carvão (SILVA, 2012).

Através da análise micrográfica dos macerais, mostrada na Figura 3.8, é possível
destacar o aspecto intermediário da Semifusinita, entre a Fusinita e a Vitrinita.

Figura 3.8 - Micrografias de macerais comuns em carvões (SILVA, 2012).

Quanto à fusibilidade e a capacidade de comportamento plástico durante a
coqueificação, os macerais são divididos nos dois grupos evidenciados na Figura 3.9,
sendo o grupo dos reativos composto pelos macerais que fluidificam quando aquecidos
e aglomeram os constituintes inertes, adquirindo função ligante para a formação do
coque e o grupo dos inertes constituído pelos materiais infusíveis, logo, não
experimentando plasticidade ou fluidez.

Figura 3.9 - Classificação dos macerais quanto à plasticidade (SILVA, 2012).

Assim como evidenciado na Figura 3.6 acima, temos como macerais reativos a
Vitrinita, Esporinita, Cutinita e Resinita e, como inertes, a Esclerotinita, Micrinita,
Macrinita, Fusinita e Inertodetrinita. Importante salientarmos a natureza reativa/inerte da
Semifusinita, já que ela pode ser dividida em um terço como reativo e dois terços como
inerte.

Análise de reflectância

Outra análise que que fornece informações sobre a constituição elementar do
carvão entre outras propriedades é a análise de reflectância.Segundo SOUZA (2016) a
metodologia desta análise é dividida em três partes:
 É realizada a identificação dos macerais microscópicos através da quantificação
em % de volume, utilizando a técnica de contagem de um número estatístico de
pontos sobre superfícies polidas do carvão;
 Os macerais são agrupados baseados no rank em: reativos, agentes de ligação
que contribuem para a fluidez do carvão; semi inertes e inertes, que sofrem fusão
e permanecem, praticamente, inalterados durante a carbonização e atuam como
agentes de enchimento;
 A reflectância dos macerais é realizada e o cálculo da resistência dos materiais
baseado no rank dos materiais reativos;
38

Para a análise de reflectância é comumente utilizada técnicas de microscopia de
luz refletida, nas quais a reflexão de um feixe de luz incidente em uma amostra de carvão
polido é medida. De acordo com a Equação 3.3, comparando o valor medido (GV) da
vitrinita com um valor de referência como padrão (Gpad), a reflectância da vitrinita (Rv)
pode ser obtida. Multiplicando o quociente entre esses dois valores pela reflectância real
do padrão (Rpad) obtém-se a reflectância absoluta da vitrinita.

𝑅𝑣 =
𝐺𝑣
𝐺𝑝𝑎𝑑
𝑅𝑝𝑎𝑑 (3.3)

Depois de realizada esta medida, compara-se com um padrão que reflete
totalmente a luz incidente, ou seja, uma amostra com 100% de reflectância. A figura
3.10 mostra o equipamento utilizado para a medida da reflectância.

Figura 3.10 - Microscópio ótico de luz refletida (SILVA, 2011)

Em carvões coqueificáveis, obtém-se valores de reflectância de vitrinitas entre 0
e 2% divididas em 19 faixas caracterizadas entre V1 e V19 no qual cada faixa
corresponde a um intervalo de 0,1% de reflectância:

 V1 – 0,1 a 0,19%
39

 V2 – 0,2 a 0,29%
 V3 – 0,3 a 0,39%
 V4 – 0,4 a 0,49%
...
 V10 – 1,0 a 1,09%
 V11 – 1,10 a 1,19%
 V12 – 1,20 a 1,29%
...
 V18 – 1,80 a 1,89%
 V19 – 1,90 a 1,99%

No processo de análise de reflectância são medidos o poder reflector de 100
pontos ao longo de uma amostra devidamente preparada e, a partir dela, construído um
histograma dos valores obtidos, chamado reflectograma. A Figura 3.11 (SILVA, 2011)
ilustra um reflectograma para um carvão não coqueificável cuja reflectância média é de
0,98%.

Figura 3.11 - Reflectograma de um carvão não coqueificável (SILVA, 2011)
40

Como os histogramas de um carvão puro obedecem uma distribuição gaussiana,
o reflectograma é importante para diferenciar carvões individuais de misturas, já que
estas possuem dois ou mais picos. É uma importante ferramenta para identificar
possíveis contaminações em pilhas de carvão na estocagem ou no seu transporte e
recebimento.

3.2 – Cominuição de carvões

Após se obter a classificação dos carvões, sejam elas químicas, petrográficas
ou metalúrgicas, parte-se para o processamento do material. Esta etapa de preparação
do carvão consiste na cominuição do mesmo para se alcançar uma granulometria
correta para passar pelo processo de coqueificação, ou seja, o carvão bruto recebido
passa por um ou mais britadores que tem a finalidade de se alcançar este objetivo.

Uma pulverização originará:
 Uma melhor distribuição do maceral coqueificante e consequentemente do seu
efeito;
 Uma redução no tamanho dos inertes orgânicos e inorgânicos permitindo suas
incorporações na estrutura do coque e eliminando áreas fracas responsáveis por
fraturas e fissuras no coque;
O trabalho Effects of Coal Inertinite Size on Coke Strenght de Kubota e Nomura
do Process Technology Center (Nippon Steel Corp.) de 2008 que a resistência mecânica
a frio do carvão está diretamente ligada ao nível de pulverização do mesmo, fato
mostrado na Figura 3.12.

Figura 3.12 - Relação entre o tamanho médio do carvão e sua resistência (KUBOTA
et al., 2007)
41

Se um carvão é britado pelo método convencional (brutal – modelo atual da
Gerdau – Usina Ouro Branco), os componentes fusíveis (mais macios) geralmente ficam
concentrados na faixa granulométrica inferior, enquanto os componentes infusíveis
(mais duros) tendem a se concentrar nas faixas granulométricas superiores. Este
comportamento acarreta em uma distribuição irregular dos componentes do carvão e,
consequentemente, num coque de qualidade inferior. Esta britagem brutal nos leva a
uma trituração excessiva, ou até à degradação dos carvões, acarretando na diminuição
da densidade de carga nos fornos de coqueria, uma vez que ao gerar excesso de
superfinos (<0,15mm) obtém-se menores densidades de carga. Individualmente, cada
faixa de granulometria possui uma densidade a granel (de carga) específica. Quanto
menor a granulometria, a densidade diminui, em função do aumento da fração de vazios
no material. A Figura 3.13 esquematiza a discussão.

Figura 3.13 - Efeito de superfinos sobre a fração de vazios

3.2.1 Leis de fragmentação

Ainda não foi formulada uma teoria geral de fragmentação satisfatória devido à
complexidade do processo. Segundo SILVA (2012), obter uma relação entre grau de
fragmentação e energia empregada é uma aspiração antiga entre os cientistas e
técnicos devido aos custos energéticos empregados.

Lei de Bond

Bond (1961) postulou uma lei empírica, comumente chamada de “3ª Lei da
Fragmentação”, que aponta que “A energia consumida para reduzir o tamanho de um
material é inversamente proporcional à raiz quadrada do tamanho”. É importante
notarmos que tamanho pode ser definido como a abertura de peneira na qual é possível
passar 80% do material analisado. Então, através da Lei de Bond, temos equação 3.4
a seguir:

𝐸 = 𝐸0 [
1
√𝑃
−
1
√𝐹
] (3.4)

Onde,

P = Tamanho do produto
F = Tamanho da alimentação
Eₒ = Constante

Foi proposto por Bond o uso do chamado Work Index (WI) ou Índice de Trabalho,
que, nada mais é que a quantidade de trabalho necessária para reduzir uma tonelada
curta (907 Kg) do material considerado, de um tamanho, teoricamente, infinito (F = ∞)
até que atinja uma granulometria 80% passante na malha de 100 mm., Portanto:

𝑊𝐼 = 𝐸0 [
1
√100
−
1
√∞
] (3.5)

𝑊𝐼 =
𝐸0
√𝑃
(3.6)

𝐸0 = 10𝑊𝐼 (3.7)

Ao substituirmos na expressão da lei o valor de E, temos:

𝐸 = 10𝑊𝐼 [
1
√𝑃
−
1
√𝐹
] (3.8)

3.2.2 Índice de moabilidade

Devido à natureza heterogênea formadora do carvão mineral, é natural que não
exista um comportamento padrão para sua cominuição, ou seja, o esforço empregado
para fragmentar uma amostra de carvão varia de acordo com a sua composição. A
britabilidade de uma amostra de carvão mineral é determinada pelo Hardgrove
Grindability Index ou, apenas, HGI que avalia a cominuição do carvão a uma
granulometria determinada baseada em especificações necessárias para seu uso como
combustível.

O HGI é medido através do ensaio Hardgrove, desenvolvido em 1932 e
normatizado pela ASTM em 1935. Desde 1951 a norma ASTM D 409-51 está em vigor.

Este teste é realizado em máquina dedicada, conforme mostrado na Figura 3.14.
Consiste em uma canaleta na qual 8 bolas com um diâmetro de 1 polegada são roladas.
É colocado um anel acima deles para fazê-los rolar enquanto transmitem uma carga
constante de 64±1/2 libras. O dispositivo possui um contador de rotações e para,
automaticamente, após 60. A faixa de amostras de 50 g deve estar entre -16 + 30# (-
1,2 + 0,6 mm). Ela é alimentada à máquina submetida às 60 rotações e, em seguida,
peneirada em 200# (0,074 mm). O resultado é dado através da Equação 3.9 a seguir:

𝐻𝐺𝐼 = 13 + 6,93 ∗ 𝑃𝑒𝑠𝑜𝑑𝑜 − 200# (3.9)

Figura 3.14 - Máquina de Hardgrove (SILVA, 2012)
44

A cominuibilidade dos carvões varia com o rank, conforme mostra a Figura
3.15, extraída de SILVA (2012).

Figura 3.15 - Índice de moabilidade em função do rank (SILVA, 2012)

Através dos dados mostrados, pode-se concluir que a dureza acompanha o
teor de voláteis dos carvões metalúrgicos.
Já que a granulometria é um parâmetro essencial para o processo de
coqueificação do carvão mineral, é importante salientar a relação desta com a
distribuição de inertes. A Figura 3.16 reproduzida de SILVA (2012), apresenta como os
inertes se distribuem de acordo com os materiais retidos em cada malha da série Tyler.

Figura 3.16 - Distribuição de Inertes por faixas granulométricas (SILVA, 2012).
45

A concentração de inertes na faixa superior do carvão é notória, o que indica que
o material possui maior dureza e resistência ao esmagamento do que a parte reativa,
que é mais macia e possui efeito antagônico sobre os gases inertes.
Existe uma relação entre o WI e o HGI, como afirmado por SILVA (2012),
explicitado na Equação 3.10:

𝑊𝐼 =
435
𝐻𝐺𝐼0,91
(3.10)

A partir desta afirmação, pode-se concluir que o HGI é um parâmetro importante
para se determinar a rotina de operações do (s) britador (es) envolvidos no
processamento do carvão.

A Tabela 3.7 a seguir mostra a classificação do carvão conforme seu HGI.

Tabela 3.7 – Classificação de carvão conforme seu HGI (Silva, 2011)
HGI Grau de dureza
< 37 Muito duro
38 – 57 Duro
58 – 77 Médio
78 – 98 Macio
99 – 118 Muito macio

3.2.2 Funcionamento do britador de martelos

De acordo com Chaves (2003) cominuição é o conjunto de operações de
redução de tamanhos de partículas minerais executado de maneira controlada e de
modo a cumprir um objetivo pré-determinado. O tipo de britador comumente utilizado
para a cominuição de carvão mineral é o de martelos. O material alimentado no britador
é rapidamente reduzido de tamanho pela ação contínua dos impactos nos martelos, que
são pivotados livremente, em pinos, ao longo da circunferência do rotor e quando, em
operação normal de britagem, tendem a tomar a posição radial, devido à força
centrífuga, conforme ilustram as Figuras 3.17 e 3.18 a seguir:
46

Figura 3.17 - Britador de martelos

Figura 3.18 - Britador de martelos utilizado na Gerdau – Usina Ouro Branco

Por causa da alta velocidade e um grande número de martelos o material é
reduzido pela rápida sucessão de impactos e, em seguida, lançado contra as placas de
moagem do britador, o que aumenta consideravelmente a eficiência de britagem.
Devido à reversibilidade do rotor tem-se 2 (duas) vantagens principais:
 Os martelos podem ser usados continuamente por toda a sua vida útil, não
sendo necessária sua inversão periódica;
 A vida das placas de impacto torna-se “dupla”, pois ambas são usadas
alternadamente.
47

As faces de moagem dos martelos são feitas de aço fundido de cromo-
molibdênio com dureza de 500HB, o que caracteriza uma grande resistência e
durabilidade. Podem ser reduzidos por atrito até 40% de seu tamanho original. A
substituição dos martelos está condicionada aos limites de regulagem das placas de
moagem e às faixas de granulometria desejadas.

3.2.4 Modelo de britagem

Por ser uma etapa crítica no processamento do carvão mineral, se faz necessário
o desenvolvimento e aplicação de um modelo matemático de britagem.
Um modelo proposto e discutido por Umucu (2014), em seu trabalho intitulado A
New Model for Comminution Behavior of Different Coals in an Impact Crusher, propõe
um modelo de britagem no qual, ao relacionar a porcentagem de passagem de material
pós processamento (tn), o índice Bond de moagem (Gbg) e o tamanho médio de
partículas na alimentação (X) pôde-se descrever empiricamente a seguinte equação:
𝑡𝑛 = (18.80 ∗ 𝑛
0,730 ∗ 𝑋) + (0,87 ∗ 𝐺𝑏𝑔 + 1,84)𝑟
2 = 0,9. (3.11)
Ainda, de acordo com Umucu (2014), os valores experimentais e os resultados
calculados obtidos pela Equação (3.11) foram comparados na Figura 3.19.
48

Figura 3.19 – Comparação entre valores experimentais e calculados da porcentagem
de material passante. (UMUCU, 2014)
Portanto, pode-se concluir que a equação 3.11 geralmente satisfaz os valores
experimentais em uma ampla gama de tamanhos de alimentação e é útil,
especialmente, ao avaliar a proporção do tamanho de partícula na operação real por
uma alta regressão
Este é apenas um dos diversos estudos realizados com o intuito de se
parametrizar o processo de cominuição.

3.3. Coque

3.3.1 Processo de coqueificação

O processo de coqueificação é o fenômeno térmico que, na ausência de O2, visa
transformar o carvão mineral, em coque para a sua carga no alto forno. Normalmente
um ciclo do carregamento até a carbonização completa nas baterias de coque a 1100°C
leva cerca de 18 a 20h.
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Os dois tipos principais de coqueificação usam os fornos em colmeia ou os
fornos de recuperação. O primeiro é um método mais antigo e primitivo. No forno de
recuperação química, a carga de carvão, cuidadosamente misturada, é aquecida em
ambos os lados para que o calor seja distribuído para a parte central, o que resulta em
uma produção de pedaços de coque menores e mais compactos do que os blocos de
coque obtidos em um forno de colmeia. Não há combustão no interior do forno: o calor
é suprido por canais laterais. Após a extração dos subprodutos, cerca de 40% do gás
do forno retorna à coqueria e queima para aquecer uma série de bateria de retortas.
Parte do gás é usado localmente como gás combustível.

A coqueificação, usualmente, não é aplicada a carvões individuais, mas, a uma
mistura de carvões devidamente dosada e preparada segundo os parâmetros de coque
desejados, de acordo com Silva, A. M. B. (2016) isso se dá pois devido à exaustão de
carvão de médio teor de voláteis tornou-se necessário misturar diferentes tipos de
carvões tal que as propriedades somadas atendam aos requisitos da produção de
coque.

A Figura 3.19 mostra um desenho esquemático de uma planta de coqueria.

Figura 3.20 - Desenho esquemático de uma planta de coqueria.

Assim que o carvão é carregado e introduzido na coqueria, imediatamente
começará a sofrer um processo de várias transformações químicas, que envolve quebra
de moléculas, onde as principais etapas são definidas através das temperaturas:

 Entre 100°C a 120°C – Liberação da umidade presente no carvão, sem sua
alteração física;
 Entre 350ºC a 550ºC – Ocorre a desvolatização primária com a liberação de
hidrocarbonetos pesados e alcatrão. É o primeiro estágio da coqueificação
propriamente dita;
 Entre 450ºC a 600ºC – Ocorrem dois fenômenos: A fluidez devido ao
rompimento das pontes de oxigênio presentes em sua estrutura química,
tornando-o fluido, pastoso. O inchamento devido à pressão dos gases
difundindo-se nos micros poros do carvão. A velocidade de liberação destes
gases através da massa fluida é que determina a intensidade do inchamento;
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 Entre 680ºC a 700ºC – Ocorre a ressolidificação formando o semicoque, que
uma vez realizado sem formação de fissura, garante uma grande parte da
qualidade do produto, uma elevada resistência mecânica;
 Acima de 850ºC – Última fase do processo dentro da coqueria que é a
desvolatização secundária, com eliminação, sobretudo do hidrogênio;

3.3.2 Testes de fragmentação

Além carburar o gusa, outra grande função do coque é a de sustentação da carga
metálica no interior do alto forno, logo, todas as características, já citadas, que envolvem
a mistura geratriz do coque, impactam diretamente nesta resistência necessáriapara
executar esta função estrutural. Outro detalhe importante, envolve a permeabilidade do
leito no interior do alto forno pois, já que a circulação de gases é necessária para que
ocorra a redução da carga metálica, é preciso que haja espaços vazios entre o material,
logo, a geração de material fino provocada pela degradação (seja no carregamento ou
na sua própria fragilidade estrutural) diminui a permeabilidade necessária para a
circulação de gases. Para tal controle, de acordo com Silva, A. M. B. (2016) são
realizados dois testes de fragmentação no coque gerado:

Shatter Test

É um teste fundamental para avaliar a resistência mecânica a frio do coque, no
qual, uma determinada massa (granulometria acima de 50 mm) é carregada em um
recipiente em formato de caixa, com um fundo falso. Após quatro quedas sucessivas do
coque, é feito um peneiramento. Logo após este processo, mede-se o percentual retido
na peneira de 50 mm. Quanto maior o valor deste percentual, maior a resistência do
coque.

Fragmentação por tamboreamento

A premissa deste teste se assemelha ao Shatter Test no que diz respeito aos
resultados, que também são obtidos relacionando a massa de entrada da amostra com
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o percentual retido em uma determinada malha. De acordo com Silva, A. M. B. (2016),
neste tipo de teste a resistência do coque é definida como sendo a habilidade do
material em resistir à fragmentação quando solicitado mecanicamente (impacto e/ou
abrasão) em um tambor rotativo. Este teste é indicado pois tem como retorno a
resistência de materiais heterogêneos, característica esta que é bem forte na natureza
do coque.

4. METODOLOGIA
4.1 Localização
Este trabalho será realizado no pátio de processamento de carvão mineral
atrelado ao sistema de cominuição pertencente à empresa Gerdau – Usina Ouro
Branco, situada na cidade de Ouro Branco/MG, onde o autor é colaborador. A empresa
conta com um pátio de recebimento com uma área aproximada de 160 mil m². A Figura
4.1 mostra uma visão aérea do pátio, com a localização da casa de britagem (onde será
o foco principal do trabalho), silos de armazenagem, balanças de dosagem e o
misturador que antecedem as rotas de alimentação das duas coquerias presentes na
usina.

Figura 4.1 - Vista aérea do pátio de processamento de carvão mineral da usina Gerdau
– Ouro Branco.
4.2 Britadores
O sistema de britagem conta com 03 britadores de martelo, com capacidade
média de 350 t/h e rotação máxima de 720 rpm (porém, a rotação máxima de operação
é menor por questões de segurança).
A estrutura é composta por:
 Carcaça Feita de construção soldada forte com entrada simetricamente disposta
consistindo de chapas de aço de alta qualidade comprovada. As peças sujeitas
a desgaste são protegidas por placas de desgaste substituíveis. A parte superior
da caixa é projetada em várias partes e pode ser articulada para facilitar os
trabalhos de manutenção e inspeção;
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 Suportes de parede de moagem dispostos de forma ajustável no compartimento,
com bordas de moagem intercambiáveis de fundição de aço resistente ao
desgaste, a parede de moagem giratória disposta na parte superior do
compartimento e variavelmente disposta em sua posição para o rotor por meio
de um sistema de ajuste para alterar o grau de grão fino conforme necessário;
 Ajuste feito por meio de fusos de rosca. Rodas de corrente conectadas por uma
corrente são montadas nas porcas de ajuste. Após afrouxar as contra porcas, a
folga entre a parede de moagem e o raio de esmagamento do rotor pode ser
ajustada;
 Rotor Composto por eixo forjado em uma só peça ou em rotor de disco conforme
o tamanho da máquina, disposto em robustos rolamentos auto compensadores
de rolos que funcionam em caixas especiais com anéis de labirinto livres de
poeira;
 Braços do batedor forjados, incluindo parafusos do rotor de material especial
endurecido de superfície, as cabeças do batedor resistentes ao desgaste com
parafusos de cabeça e dispositivos de segurança especiais.
 Dispositivo de abertura hidráulica para abertura das partes laterais da carcaça.
Equipado com cilindros hidráulicos suficientes, incluindo dispositivo antirruptura;

As Figuras 4.2 e 4.3 mostram, respectivamente, um esquema simplificado do
conjunto de martelos e placas e uma visão geral do britador utilizado.
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Figura 4.2 - Esquema simplificado do conjunto de martelos e placas.

Figura 4.3 - Visão geral do britador de martelos utilizado no processamento de carvão
mineral.
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4.3 Fluxograma geral do trabalho
A Figura 4.4 mostra o fluxograma geral do trabalho, evidenciando o caminho feito
até a conclusão.

Figura 4.4 - Fluxograma geral do trabalho

4.4 – Carvões utilizados
Serão utilizados seis carvões que constituem a mistura geratriz de coque
utilizado na usina. A Tabela 4.1 mostra quais são e suas características.

Tabela 4.1 – Identificação dos carvões
Identificação Matéria volátil
(%)
Teor de cinzas
(%)
Teor de enxofre
(%)
AV1 31,16 7,02 1,16
AV2 30,79 8,35 0,96
AV3 32,21 6,95 0,99
CVP 12,05 0,51 0,80
BV1 20,01 9,67 0,81
BV2 21,94 9,44 0,61
MV1 17,87 9,09 0,63
MV2 25,54 8,48 0,84

Sendo os carvões identificados a partir de seus teores de voláteis da seguinte
maneira:
 AV – Alto teor de voláteis;
 BV – Baixo teor de voláteis;
 MV – Médio teor de voláteis;
 CVP – Coque Verde de Petróleo;

4.5 Caracterização petrográfica/reológica
Será realizada uma análise de petrografia e reflectância dos carvões envolvidos
na mistura, pois, como já citado anteriormente, são variáveis importantes para se
determinar um padrão de processamento, já que, seus macerais impactam diretamente
na resistência a cominuição. Para tal, a Gerdau dispõe de um laboratório de análise de
matérias primas equipado e capaz de produzir estes resultados de maneira detalhada e
precisa.

4.6 Criação do modelo de britagem.
Com base revisão bibliográfica pesquisada, incluindo artigos nacionais e
internacionais aliado ao conhecimento da operação do pátio de carvão, este trabalho
visa a criação de um modelo de britagem para carvões individuais componentes da
mistura. O modelo se baseia na composição físico - metalúrgica de cada carvão.
 Parâmetros Físicos: HGI, WI, %<2,83mm e %<0,15mm no Recebimento;
 Parâmetros Metalúrgicos: Reologia, representada pela fluidez; Petrografia,
mensurada através de rank, %Inertes e CBI (Composition Balance Índex), este
último mede a proporção real de Reativo/Inerte comparada com a ótima (ideal);
O modelo consiste em mensurar uma constante de britagem que represente a
necessidade de cominuição de cada material. Para nivelar os impactos de cada variável
explicativa, uma vez que as ordens de grandeza são muito diferentes, foi necessário
normalizar as variáveis em torno do valor 1. Para isso utilizou-se um valor de referência
de cada uma delas, de acordo com a Tabela 4.2. Desta forma foram criados os
parâmetros Fluidez*, Inertes*, HGI*, %<2,83mm* e %<0,15mm*.

Tabela 4.2 – Valores da referência do modelo
Parâmetro Valor de referência
Fluidez 2,5
Inertes 30
HGI 75
%<2,83mm 60
%<0,15mm 10

Logo, a fluidez, por exemplo, a ser utilizada no modelo, é dada por:
𝐿𝑜𝑔(𝑑𝑑𝑝𝑚)∗ =
𝐿𝑜𝑔(𝑑𝑑𝑝𝑚)
2,5
(4.1)
A constante de britagem (k), é dada segundo a equação 4.2 a seguir:

𝑘 =
𝐹𝑙𝑢𝑖𝑑𝑒𝑧∗∗𝑊𝐼∗∗𝐼𝑛𝑒𝑟𝑡𝑒𝑠∗∗𝐶𝐵𝐼
𝑅𝑒𝑓𝑙𝑒𝑐.∗%<2,83𝑚𝑚∗∗<0,15𝑚𝑚∗∗𝐻𝐺𝐼∗
(4.2)

É interessante notar que quanto maior o parâmetro k, maior a necessidade de
cominuição do material, já que:
 Quanto maior a fluidez do material, indica maior volatilidade, e, portanto,
menores HGI’s;
 Quantomaior o teor de inertes, maior o parâmetro k;
 Quanto menor o %<2,83mm no recebimento, maior a necessidade de britagem,
e, portanto, maior a constante k;
 Quanto maior o % de superfinos no carvão recebido, menor a necessidade de
Britagem, portanto, menor o valor de k;

Com base nos valores de k obtidos, será feita uma categorização de carvões em
grupos baseados em suas similaridades e serão feitos testes alterando os valores de
entrada e observando a resposta obtida na saída, como o parâmetro de britagem se
baseia nas características dos carvões com o objetivo de se medir a qualidade da
cominuição, pode-se definir as variáveis como:
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Variáveis de entrada:
 Rotação do britador;
 Fluxo de abastecimento;
 %<2,83mm no recebimento;
 HGI;
 Abertura entre os martelos e a placa do britador;
Variáveis de resposta:
 %<2,83mm;
 %<0,15mm;

4.7 Cronograma
A Tabela 4.3 mostra o cronograma a ser seguido no desenvolvimento deste
trabalho.
Tabela 4.3 – Cronograma
Etapa Data de desenvolvimento
Caracterização Abril/2021
Cálculo da constante k Abril/2021
Parametrização Abril/2021
Aplicação e testes Maio-Junho/2021
Discussão e conclusão Julho/2021
Defesa deste TCC Agosto/2021

5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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Engineering. [S. l.: s. n.], 1961.
MEYERS, Robert A. (ed.). Coal Structure. New York: Academic Press, Inc, 1982.

NIEKERK, W. H. van; DIPENAAR, R. J. Blast furnace coke: A coal blending
model. Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy, Londres,
ano 1991, v. 91, n. 2, p. 53-61, 26 fev. 2021.

CHAVES, Arthur Pinto. Teoria e prática do tratamento de minérios: Britagem,
peneiramento e moagem. 2. ed. São Paulo/SP: Signus Editora, 2003. v. 3.
KUBOTA, Yukihiro; NOMURA, Seiji; ARIMA, Takashi; KATO, Kenji. Effects of Coal
Inertinite Size on Coke Strength. Tetsuto Hagané, Japan, ano 2006, v. 92, n. 12, p. 833-
840, 30 nov. 2007.

SILVA, Guilherme Liziero Ruggio da. Otimização da mistura de carvões na produção
de coque metalúrgico. 2011. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Materiais) -
REDEMAT, Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto/MG,
2011.

SILVA, Guilherme Liziero Ruggio da. Processo de cominuição de carvões da
Gerdau. 2011. Manual técnico interno - Gerdau, Ouro Branco/MG, 2012.

UMUCU, Y. A New Model for Comminution Behavior of Different Coals in an Impact
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Bolívar, 2012. Disponível em: <http://es.slideshare.net/alejandrorequena/ensayos-
parala-caracterizacin-del-carbn>, Acesso em: 11/03/2021

FALLAVENA, Vera L. V. Caracterização detalhada de material de referência certificado
de carvão brasileiro. Quim. Nova, São Paulo/SP, ano 2013, v. 36, n. 6, p. 1-8, 12 mar.
2013.

CPMR (Rio de Janeiro/RJ). Carvão mineral. In: Carvão mineral. Rio de Janeiro/RJ:
Pércio de Moraes Branco, 18 ago. 2014. Disponível em:
http://www.cprm.gov.br/publique/CPRM-Divulga/Carvao-Mineral-2558.html. Acesso
em: 25 fev. 2021.

SILVA, Antônio Marlon Barros. Estudo da degradação mecânica de pequenas
quantidades de coque em testes de tamboreamento. 2016. Dissertação (Mestrado
em Engenharia de Materiais) - REDEMAT, Escola de Minas, Universidade Federal de
Ouro Preto, [S. l.], 2016.
SOUZA, Renata Dias e Silva. "Caracterização de coque metalúrgico produzido com
adição de pneu inservíveis nas misturas de carvão mineral. Orientador: Dr. Eng.
Paulo Santos Assis. 2016. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Materiais) -
REDEMAT, Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto/MG,
2016.

SINDIFER - SINDICATO DA INDÚSTRIA DO FERRO NO ESTADO DE MINAS GERAIS
(Belo Horizonte/MG). Produção de ferro-gusa em Minas Gerais e no Brasil. Anuário
estatístico: Ano base: 2019, Belo Horizonte/MG, ed. 2, 2020.

WORLD STEEL ASSOCIATION (Bélgica). Total production of crude steel: World total
2019. In: Total production of crude steel: World total 2019. 2. ed. [S. l.], 2020.
Disponível em: https://www.worldsteel.org/steel-by-topic/statistics/steel-data-
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