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AGLOMERAÇÃO, DESAGUAMENTO E TRATAMENTO UNIDADE II PROCESSOS DE AGLOMERAÇÃO Elaboração Cristiane Oliveira de Carvalho Produção Equipe Técnica de Avaliação, Revisão Linguística e Editoração SUMÁRIO UNIDADE II PROCESSOS DE AGLOMERAÇÃO ...................................................................................................................................................5 CAPÍTULO 1 FORMAÇÃO DE SÍNTER ............................................................................................................................................................. 6 CAPÍTULO 2 BRIQUETAGEM ............................................................................................................................................................................ 10 CAPÍTULO 3 TIPOS DE BRIQUETAGEM ........................................................................................................................................................ 15 REFERÊNCIAS ...............................................................................................................................................18 4 5 UNIDADE IIPROCESSOS DE AGLOMERAÇÃO A Unidade 2 segue falando sobre a tecnologia da aglomeração. O Capítulo 1 esclarece um pouco mais sobre a sinterização, ressaltando os estágios que a antecedem, os tipos de sinterização e como o processo ocorre na máquina de sinterização. O Capítulo 2 expõe o processo de briquetagem, citando os principais equipamentos, conhecidos como briquetadeiras, e compreendendo um pouco sobre o funcionamento. O terceiro capítulo explica os tipos basilares de briquetagem: com aglomerante, sem aglomerante e a quente. Objetivos da Unidade » Aprender a técnica de sinterização. » Entender o funcionamento de uma máquina de sinterização. » Compreender o processo de briquetagem. » Identificar os principais equipamentos de briquetagem. » Conhecer os tipos basilares de briquetagem. Alguns testes laboratoriais podem ser realizados para caracterizar os briquetes, e um deles é o Teste de Resistência ao Impacto. Esse ensaio é importante para definir a resistência do briquete a quedas sucessivas, reproduzindo as que acontecem no decorrer do manuseio e do transporte. Nesses testes, os briquetes são submetidos a determinada altura, e é avaliado o seu comportamento depois do impacto. A figura abaixo mostra briquetes obtidos a partir dos finos de calcário (vistas superiores e inferiores) antes e após o teste de queda. Fonte: Barros (2016). 6 CAPÍTULO 1 FORMAÇÃO DE SÍNTER O minério de ferro é muito usado no processo de sinterização com o intuito de aproveitar os finos provenientes dos diversos estágios do seu processamento (PEREIRA, 2013). Nas indústrias metalúrgicas, o sínter de minério de ferro é o aglomerado mais empregado (TELLES, 2015). Pereira (2013), em seu estudo, apresenta uma nova proposta para a reutilização de rejeitos de minério do manganês de Morro da Mina, visando ao aumento da recuperação desse minério, reduzindo os danos ambientais produzidos por finos e utilizando esses rejeitos para produzir o sínter a ser aplicado nas siderúrgicas. Então, é possível entender que, além do minério de ferro, outros minérios também podem passar pela sinterização. No entanto, como cada minério possui suas particularidades, torna-se impossível apresentar neste material a sinterização para diversos minérios. Então, será abordada a produção do sínter de ferro, que, como explanado anteriormente, é o mais utilizado e serve como base para os demais minérios. Para obter o sínter de ferro, são utilizados basicamente (PEREIRA, 2013; TELLES, 2015): » finos de minério (sínter feed: partículas que variam de 0,15 a 6,3 mm); » combustível (estado sólido – finos de carvão vegetal ou coque, líquido – gás de alto forno, ou gasoso – óleo); » fundentes (calcário, dolomita); » outras adições (resíduos de usina – pós, lama e outros). Figura 10. Esquema da mistura que antecedente a sinterização. Carepa de laminação e lingotamento, pós metálicos do alto forno de aciaria, finos de cal da calcinação, fins de coque etc. Minério de ferro Moinha de coque Fundentes Resíduo industrial água Misturador Tratamento mecânico Finos (< 5mm) Sínter ( 5 a 50 mm) Fonte: Ribeiro (2010). 7 PROCESSOS DE AGLOMERAÇÃO | UNIDADE II Telles (2015) e Viera (2017) explicam como acontece todo o trabalho que antecede a sinterização. Primeiramente, os materiais passam por uma mistura em um estágio conhecido como microaglomeração a frio ou micropelotização. Os materiais são misturados de forma a conseguir um aglomerado proveniente da aderência das partículas mais finas que estão na mistura sobre as aquelas que são mais grossas. Essas micropelotas são transportadas na esteira ou câmara de sinterização, que é constituída por um fundo no formato de grelhas e possibilita que o ar circule por um sistema de exaustão. A sinterização começa a partir do momento em que o combustível inicia a reação e finaliza quando a frente térmica segue por todo o leito. É importante ressaltar que a sinterização é um processo de reciclagem, pois reutiliza diferentes resíduos da usina de beneficiamento de minério. É uma operação que pode ser realizada em bateladas (normalmente quando utilizados equipamentos em laboratórios, para escala piloto, empresas de pequeno e médio porte e materiais não ferrosos) ou contínuo (realizado por meio de uma esteira carregada continuamente pela mistura que será submetida à sinterização) (CARDOSO, 2016; PEREIRA, 2013; TELLES, 2015). O processo de sinterização que acontece em bateladas é conhecido como Greenwaalt. Esse método foi bastante aplicado no passado, é caracterizado pelo baixo investimento e produz sínter com baixa qualidade. Já a sinterização contínua é realizada em usinas de grande porte, processo Dwinght- Lloyd. Nesse processo, a carga desloca-se por meio da esteira, tornando-o contínuo e mais produtivo quando comparado com o Greenwaalt, além da necessidade de grandes investimentos. Segundo Telles (2015), as usinas integradas no Brasil geram o sínter por meio do processo Dwight-Lloyd, usando o coque como combustível. Ainda explica que o sínter é aproximadamente 75% da fonte do ferro nos altos-fornos, além do uso de pelotas e minério granulado. Figura 11. Processo de sinterização. Gás de coqueria ou gás misto Máquina de sinterização Sínter Caldeira Alto Forno Aciaria Peneiramento Filtros de retorno Resfriador Caldeira Exaustor Chaminé Alimentação Forno de ignição Fonte: Ribeiro (2010). 8 UNIDADE II | PROCESSOS DE AGLOMERAÇÃO Pereira (2013) resume o processo de sinterização Dwinght-Lloyd: a mistura que passará pelo processo de sinterização forma um leito e será carregada pela esteira de forma horizontal, atravessando o forno de ignição para iniciar a queima que é realizada pela reação entre o ar que permeia a mistura e o combustível existente no leito. Esse material sinterizado queima verticalmente à medida que o leito se movimenta horizontalmente, deslocando-se em direção à extremidade onde será descarregado. Após a produção do sínter pela máquina, este é então quebrado em um britador arrefecido e posteriormente passa pela classificação por peneiramento. Essa classificação tem como propósito separar o sínter para estocagem e o sínter de retorno, que possui uma granulometria menor do que a requerida na estocagem. Os estágios da sinterização do processo Dwinght-Lloyd são descritos em zonas apresentados nas Figuras 12 e 13 (CARDOSO, 2016; PEREIRA, 2013; TELES, 2015): » zona úmida – começam as reações de hidratação da cal e condensação de água ao alcançar a temperatura de 100°C, formando a base do leito de mistura a sinterizar; » zona de secagem – acontece especialmente a vaporização da umidade da mistura e, em seguida, a desidratação dos hidróxidos de cálcio. Essa região fica compreendida entre 100 e 500°C; » zona de reação – abrangetoda a área térmica no aquecimento superior a 500°C, quando começa a queima do combustível, atravessando o ponto de temperatura máxima, que fica entre 1200°C e 1400°C, reduzindo até 900°C, temperatura em que começa o arrefecimento do sínter. Nessa zona, as principais reações são: combustão do combustível, que é exotérmica, a decomposição dos carbonatos, que é endotérmica, reações nas fases sólida e líquida, redução e reoxidação dos óxidos de ferro; » zona de resfriamento – ocorre o arrefecimento do sínter, aparecendo os primeiros cristais que, de acordo com o seu crescimento, concederão ao sínter resistência ao impacto e à abrasão. Esse estágio começa com temperaturas inferiores a 900°C, quando a reação é finalizada. 9 PROCESSOS DE AGLOMERAÇÃO | UNIDADE II Figura 12. Corte longitudinal do leito da máquina no processo Dwinght-Lloyd. Zona de resfriamento Zona de Reação Zona de secagem Zona úmida Fonte: adaptado de Chaves, 2009 apud Cardoso (2016). Figura 13. Corte longitudinal do leito da máquina no processo Dwinght-Lloyd. Sínter Mistura Zona de resfriamento Zona de reação Zona de secagem Zona de úmida Zona de sinterização Sínter Ignição, coque, oxidação, reações na fase sólida, calcinação Desidratação e secagem Reação da mistura hidratada Observações 200 600 1000 0 1400 Temperatura Frente a combustão Altura (cm) 40 0 10 30 20 Fonte: Cardoso (2016). 10 CAPÍTULO 2 BRIQUETAGEM A crescente atenção voltada para as questões ambientais, consequentemente o aumento de leis mais severas, combinada com a necessidade econômica de usufruir dos resíduos e das partículas finas geradas no beneficiamento de minérios, fez com que os processos de briquetagem voltassem aos holofotes como uma opção relevante para agregar valor econômico a esses “rejeitos”. Atualmente, a briquetagem possibilita o reaproveitamento de rejeitos industriais como fonte de energia, isto é, matéria-prima. Entre esses materiais que são considerados rejeitos industriais, constam: finos de carvão vegetal, turfa, plásticos, lixo biológico, limalhas metálicas e outros. Narita (2015) e Luz et al. (20100) definem a briquetagem como uma técnica de compactação de pós que provoca a densificação destes, produzindo um produto com elevada densidade aparente e tamanho, forma e propriedades uniformes com o uso ou não de aglomerantes. Esse processo de aglomeração é realizado com aglutinante quando o material não possui resistência à compressão e ao impacto depois das suas compactações. As pressões usualmente são baixas para impedir uma nova fragmentação das partículas. No entanto, quando a briquetagem é realizada sem aglutinante, seu êxito está atrelado à forma como foi realizada a cominuição ou a deformação plástica das partículas no instante da sua geração. Existem algumas vantagens do método de briquetagem sobre a pelotização, sendo uma das principais a resistência mecânica do produto. A possibilidade de controlar o tamanho e as formas dos briquetes também é outro benefício sobre as pelotas. Os formatos dos briquetes são alcançados de acordo com o formato dos moldes ou das matrizes, utilizando ou não aglomerantes (piche, alcatrão, melaço, bentonita, cimento e outros), levando em consideração se as partículas da carga que sofreram a briquetagem conseguem aderir umas às outras ou não, ou quando é necessária uma elevada resistência mecânica ao briquete verde. Um dos principais parâmetros para a produção de briquetes é a umidade da mistura. O acréscimo da água somente não é efetuado quando a substância aglomerante é uma solução aquosa ou um fluido. 11 PROCESSOS DE AGLOMERAÇÃO | UNIDADE II Os produtos da briquetagem submetidos a processo de endurecimento à temperatura ambiente possuem baixa resistência mecânica se expostos à temperatura elevada. Sua aplicabilidade então fica limitada aos processos em que são usadas pressões baixas. Já aqueles briquetes que foram expostos a temperaturas superiores à ambiente, as impurezas presentes no minério e no integrante principal são as culpadas pela ligação que ocorre entre as partículas e podem ser realizadas por meio dos processos em que ocorre a fusão incipiente do integrante principal, difusão e recristalização do integrante principal, escorificação ou reação química e endurecimento ou cristalização do integrante principal (LUZ et al., 2010). Na aglomeração de partículas finas que acontecem em prensas, as forças de atração molecular de Van der Walls exibem elevada influência na ligação das partículas. No entanto, apenas são consideradas efetivas se a distância entre as partículas for menor pelo uso de uma força externa elevada. Essa pressão externa aplicada ao material que sofrerá a briquetagem pode ser de três formas (Luz et al., 2010): » prensas de rolos; » extrusão contínua (máquinas tipo maromba); » prensas hidráulicas (moldes preenchidos de modo intermitente). Segundo Narita (2015), existem basicamente duas: briquetadeiras extrusoras e as briquetadeiras por presas de rolos. Nas briquetadeiras extrusoras, a carga passa por um processo de compactação, e, ao saírem da matriz, os briquetes são cortados de acordo com a dimensão desejada. A figura abaixo mostra o processo sendo realizado. Figura 14. Briquetagem em extrusora. Fonte: Narita (2015). No caso da briquetadeira de rolos ou presa de rolos, a carga é alimentada continuamente por gravidade ou por uma rosca sem fim, passando entre os rolos paralelos com cavidades ou moldes por toda a sua superfície, com dimensões e formatos apropriados, unidos entre 12 UNIDADE II | PROCESSOS DE AGLOMERAÇÃO si, girando em sentidos opostos, mas com a mesma velocidade de rotação, ocorrendo a compactação. Figura 15. Briquetadeira de rolos. Fonte: Narita (2015) e Buzin (2009). As pressões mais elevadas alcançadas na prensa de rolos constituem uma vantagem sobre a briquetagem por extrusão. Assim, materiais que precisam de grandes pressões para que sejam aglomerados demandam o processo de briquetagem pela prensa de rolos. No entanto, a briquetagem na prensa de rolos não é adequada para materiais que são pegajosos, porque esses materiais possuem uma maior aderência aos moldes, prejudicando a extração destes, sendo mais indicado o primeiro tipo de briquetadeira. Esse tipo de briquetadeira é mais aplicado e então será um pouco mais esmiuçado. O processo na prensa de rolos acontece em quatro estágios. Preparação – etapa que visa definir as características de compactação do material a passar pela briquetagem e o tipo de equipamento para auxiliar na adesão das partículas finas. Definir as propriedades do material auxilia no valor máximo de pressão utilizada e na taxa de compactação suportada pelo material. Conhecer o coeficiente de atrito do material também auxilia na antecipação do comportamento deste, no instante da saída dos rolos e se poderá acontecer de a superfície dos brinquetes ser prejudicada ou não ao cair. Outro aspecto importante a ser avaliado na preparação é o quanto de aglutinante ou de ligante será preciso na produção dos briquetes, e, para que estes tenham uma boa resistência mecânica, é preciso conhecer a qualidade do material briquetado, do aglutinante aplicado, da superfície específica do material e do teor de partículas finas ou grossas. 13 PROCESSOS DE AGLOMERAÇÃO | UNIDADE II É importante ressaltar que, se a quantidade de partículas finas for menor, o uso da quantidade de aglutinantes para produzir um briquete de boa qualidade também será menor. Outro relevante fator para a preparação é o teor de umidade que o material deve ter antes de acrescentar o aglutinante. A correta umidade varia conforme o material e a natureza do aglutinante aplicado, e ainda influencia no valor de pressão empregado. É imprescindível prestar atenção no controle do processo para que se possa estabilizar e otimizar a umidade nos briquetes. Mistura – essa fase é uma das mais relevantes do processo. Énecessário que o aglutinante seja uniformemente distribuído em toda a superfície do material que experimentará a briquetagem. O equipamento de mistura (misturador) deve ser corretamente dimensionado para que o tempo de residência da mistura no interior do equipamento não seja superior ao necessário. E, se houver a necessidade de tratamento térmico da mistura, é possível utilizar vapores saturados ou superaquecidos no próprio equipamento. Há situações em que os materiais possuem pequena densidade aparente, e é preciso que realize a remoção de grandes volumes de ar presentes na unidade de compactação antes de realizar a alimentação do material. Assim, é aconselhável que se utilizem alimentadores por meio de vácuo, realizando a retirada do ar que se faz presente no alimentador. Compactação – a pressão que se aplica sobre o material cresce paulatinamente na extensão do rolo, desde o ponto em que se inicia a atuação da força de compressão sobre o material, alcançando o seu valor máximo no ponto em que a distância entre os rolos é menor, reduzindo de modo brusco até que o aglomerado formado seja liberado e saia. O formato da cavidade dos equipamentos e dos briquetes é de acordo com a suscetibilidade do material a compactação. Aqueles materiais que possuem dificuldade de compactação precisam utilizar formas arqueadas, removendo o plano de divisão dos briquetes e possibilitando que a pressão seja aplicada de maneira mais uniforme. Em casos em que é preciso realizar a aglomeração de um produto com dimensões menores que 8mm, geralmente é executada uma compactação inicial; posteriormente é realizada uma fragmentação seguida de classificação granulométrica, realizando a recuperação da parcela que tenha o tamanho requerido. Essa primeira compactação pode ser efetivada por meio da briquetagem convencional ou na compactação de partículas no formato de barras ou folhas, e estas podem ser lisas ou onduladas. 14 UNIDADE II | PROCESSOS DE AGLOMERAÇÃO Existem materiais particulados nas briquetadeiras de rolos que também podem ser produzidos no formato de tiras ou barras contínuas. Quando os rolos possuem superfícies lisas, esse material passa a ter um formato tabular ou mesmo de uma barra, conhecida como tablete, fita, barra e outros. A vazão dos tabletes produzidos (m) é calculada por: m B x S x Vp da= Eq. 1 Em que: B – largura do rolo; Vp – velocidade periférica do rolo; S – espessura do tablete; da – densidade do aglomerado. Mas, se os rolos forem dotados de superfícies com cavidades ou moldes que possuem o mesmo formato e tamanho, o movimento de rotação dos rolos faz com que as cavidades se localizem em uma posição simétrica, e o material que passou pela aglomeração agora será conhecido como briquete. Já a vazão de briquetes (M) é determinada de acordo com: volume do briquete (Vb); número de moldes em uma coluna (Z) na circunferência do rolo, número de colunas ao longo da largura do rolo (R), da velocidade dos rolos (N -rpm) e densidade do briquete (db). M Vb x Z x R x N x db= Eq.2 Figura 16. Diferentes modos de aglomeração de partículas finas. Alimentação Alimentação Tabletes Briquetes Fonte: Luz et al. (2010). Tratamento térmico – com o objetivo de impedir que ocorram fraturas ocasionadas por choques térmicos e possibilitar o manuseio, os briquetes ou tabletes precisam ser aquecidos logo após a sua formação e depois arrefecidos vagarosamente, com uma velocidade controlada. 15 CAPÍTULO 3 TIPOS DE BRIQUETAGEM A briquetagem é um processo de aglomeração que pode ser realizado com ou sem ajuda de aglutinantes. Os materiais que serão aglomerados e não são resistentes à compressão e ao impacto, logo depois da compactação, precisam utilizar aglutinantes. Baptísta (2016) explica que os aglutinantes, também conhecidos como aglomerantes ou ligantes, são substâncias que têm como objetivo unir os grãos da matéria-prima por meios físicos e químicos, com o objetivo de conceder boas propriedades mecânicas, e são aplicados de 5 a 12% da carga principal. Os aglutinantes são responsáveis por realizar uma maior adesão das partículas finas e podem elevar ou reduzir as propriedades coqueificantes do material a ser briquetado. Os aglutinantes podem ser categorizados, conforme a sua mistura, como: » matriz – esses aglutinantes permitem que seja realizado um embutimento das partículas, e as propriedades dos briquetes são definidas a partir das características do aglutinante; » filme – função similar das colas adesivas; necessitam, especialmente, que ocorra a evaporação da água ou de algum solvente para atingir uma resistência mecânica; » aglutinantes químicos – podem ser aplicados como matriz ou como filme. As areias usadas no processo de fundição são um bom exemplo dessa categoria. Quadro 2. Exemplos de aglutinantes. Tipo Matriz Tipo filme Aglutinantes químicos Alcatrão Água Ca(OH)2 + molasses Asfalto de petróleo Silicato de sódio Silicato de sódio +CO2 Cimento Portland Lignosulfonatos Epóxies Fonte: Luz et al. (2010). Quadro 3. Aglutinantes na briquetagem de partículas finas. Material Aglutinante Minério de ferro Cal e melaço Cromita Cal e melaço Fluorita Cal, melaço ou silicato de sódio Bauxita Cimento Portland Fonte: adaptado de Luz et al. (2010). 16 UNIDADE II | PROCESSOS DE AGLOMERAÇÃO A produção de briquetes com aglomerantes geralmente ocorre em baixas pressões, de forma a impedir uma nova fragmentação das partículas. Se for preciso gerar briquetes sem aglutinantes, o êxito desse procedimento depende de como aconteceu a cominuição ou a deformação plástica das partículas. Essa dependência é decorrente da necessidade de essas partículas estarem mais próximas umas das outras, suprindo a falta da substância aglutinante. Diversos materiais orgânicos e inorgânicos podem passar pela briquetagem sem aglutinantes. Os cristais permanecerão unidos por forças que não são fortes nem específicas, precisando apenas que os cristais individuais estejam em estreito contato. Para produzir os briquetes sem aglutinantes, é preciso considerar algumas variáveis, tais como a umidade do material, capacidade de compressão das partículas, porosidade do briquete e o tratamento térmico aplicado após a briquetagem (LUZ et al., 2010). A briquetagem a quente é um processo de aglomeração normalmente usado quando o material tem alta resistência mecânica. Com o aumento da temperatura da mistura, é atingido o regime plástico do material e é possível aplicar pressões menores na compactação. Esse tipo de briquetagem é intensamente influenciado pelo tratamento térmico aplicado depois da compactação. Existem materiais que precisam de arrefecimento vagaroso, em tambores, com materiais arrefecidos de forma a recuperar uma parcela do calor sensível. Dessa maneira, essa técnica é aplicada para possibilitar a recristalização do briquete, conseguindo aliviar as tensões internas que são provocadas no decorrer da deformação plástica. A briquetagem a quente ainda permite realizar a reciclagem, de forma econômica, dos resíduos metálicos originários de tornos ou mesmo máquinas de furar. 17 PROCESSOS DE AGLOMERAÇÃO | UNIDADE II Figura 17. Resíduos metálicos e os seus respectivos briquetes. a) Latão b) Briquetes Latão d) Briquetes de alumínio c) Alumínio Fonte: Luz et al. (2010). Nesses casos, os resíduos são expostos a temperaturas em torno de 725°C e depois passam por uma prensa de rolo e são comprimidos a uma pressão de 3.000kg/cm2. Depois da compactação, os briquetes são instantaneamente arrefecidos em água. A maior parte do combustível necessário para realizar o aquecimento desses resíduos metálicos é conseguido por meio dos óleos existentes nesses resíduos. Assim, um dos benefícios elementares da briquetagem dos resíduos de metais é que o óleo não estará presente no briquete do metal e, portanto, evitará que se forme fumaça ao longo da queima nos fornos. Não é possível determinar ensaios padronizados para avaliaro poder do combustível dos briquetes. Mas, para analisar as propriedades físicas, muitos ensaios padronizados existem, e os mais aplicados são: avaliação da resistência dos briquetes à compressão, ao impacto, à abrasão, a penetração de água, e, em algumas situações, é realizada a avaliação de temperatura de choque. 18 REFERÊNCIAS AMARANTE, Sérgio Coutinho. Filtragem de minérios de ferro – comparação entre métodos de filtragem de laboratório: Testes de Folha e de Funil de Büchner. Dissertação (Mestrado Engenharia Metalúrgica e de Minas) – Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, 2002. AUGUSTO, Karen Soares. Identificação automática do grau de maturação de pelotas de minério de ferro. 2012. Dissertação (Mestrado Engenharia de Materiais e de Processos Químicos e Metalúrgicos) – Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2012. BAPTÍSTA, André Luís De Brito. 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UNIDADE II Processos de aglomeração Capítulo 1 Formação de Sínter Capítulo 2 Briquetagem Capítulo 3 Tipos de Briquetagem Referências
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