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AGLOMERAÇÃO, DESAGUAMENTO E TRATAMENTO UNIDADE I AGLOMERAÇÃO Elaboração Cristiane Oliveira de Carvalho Produção Equipe Técnica de Avaliação, Revisão Linguística e Editoração SUMÁRIO UNIDADE I AGLOMERAÇÃO ....................................................................................................................................................................................5 CAPÍTULO 1 PELOTIZAÇÃO ................................................................................................................................................................................ 6 CAPÍTULO 2 FORMAÇÃO DE PELOTAS ........................................................................................................................................................ 12 CAPÍTULO 3 SINTERIZAÇÃO ............................................................................................................................................................................ 16 REFERÊNCIAS ...............................................................................................................................................19 4 5 UNIDADE IAGLOMERAÇÃO A referente Unidade apresenta um pouco sobre o processo de aglomeração. No primeiro capítulo, será abordada a aglomeração por pelotização, como surgiu e o mecanismo de produção do produto dessa técnica, a pelota. O Capítulo 2 segue explicando como ocorre a formação da pelota e quais são as principais etapas de uma planta de pelotização e constituintes para conseguir produzir as pelotas. Nesse capítulo, ainda são apresentados os dois principais equipamentos de pelotização: tambores e discos de formação de pelotas. O terceiro capítulo começa a descrever outro processo de aglomeração, conhecido como sinterização, que tem como produto o sínter. Nesse capítulo, é possível estudar como acontece o processo de sinterização, as etapas e algumas variáveis do processo. Objetivo da Unidade » Estudar o processo de pelotização. » Entender o mecanismo de produção de pelotas. » Compreender o funcionamento dos principais equipamentos de pelotização. » Conhecer os estágios da pelotização. » Aprender como ocorre a aglomeração por sinterização. Bons estudos! Você sabia que a Companhia Vale foi a primeira a implantar usinas de Pelotização no Brasil? Segundo o site da Vale, no Brasil, a usina de Pelotização foi inaugurada no Espírito Santo em 1969, com capacidade para 2 milhões de toneladas, ajudando no crescimento da Região. A inserção da Vale no mercado da produção e comercialização de pelotas significou uma relevante inovação tecnológica, e a empresa começou a reutilizar o minério ultrafino (pellet feed), que é tido como rejeito nas minas e transformando em pelotas utilizadas na indústria siderúrgica, elevando os benefícios ambientais e econômicos. 6 UNIDADE I | AGLOMERAÇÃO Fundamentadas em alguns estudos que direcionavam para o desenvolvimento da demanda mundial por pelotas, a Vale, em 1973, começou a construir outra usina de Pelotização no Complexo, sendo dimensionada para uma capacidade de 3 milhões de toneladas por ano. . Fonte: http://www.vale.com/brasil/PT/aboutvale/news/Paginas/primeira-usina-pelotizacao-brasil-vale-ponta-tubarao.aspx. CAPÍTULO 1 PELOTIZAÇÃO Aglomeração consiste no conjunto de operações executadas para transformar materiais de granulometria fina em corpos ou fragmentos coesos por meio de ligação rígida e consolidação de suas partículas, entre si. A ligação e consolidação podem ser realizadas por meio de mecanismos físicos e/ou químicos, atribuindo-lhes tamanho e formas indicadas para a utilização. Determinar a granulometria fina na indústria mineral varia conforme o minério que está sendo utilizado no processo. Por exemplo, se for realizado o tratamento convencional de carvão, as partículas minerais são consideradas finas com o tamanho menor que 0,6mm. No entanto, se o tratamento for realizado no minério de ferro, a parcela fina não utilizada na concentração pode ser inferior a 20µm. Portanto, não é fácil realizar uma generalização para a fração fina (LUZ et al., 2010). Esse processo é muito utilizado para aproveitar: (i) minérios ou concentrados de granulação fina, sem causar prejuízos à permeabilidade da carga e às condições de reação gás-sólido nos fornos metalúrgicos, especialmente nos fornos verticais; (ii) resíduos, ou subprodutos finos de outros processos mineiros e http://www.vale.com/brasil/PT/aboutvale/news/Paginas/primeira-usina-pelotizacao-brasil-vale-ponta-tubarao.aspx 7 AGLOMERAÇÃO | UNIDADE I metalúrgicos, para sua reutilização, ou reciclagem, de forma adequada, interna e/ou externamente; (iii) resíduos metálicos (cobre, ferro, titânio, etc.) e outros materiais (papel, algodão, madeira e outros) para transporte e/ou reciclagem. (LUZ et. al., 2010, p. 685). Os processos de aglomeração finos utilizados na indústria minerometalúrgica são: » pelotização – produto do processo é a pelota “pellet”; » sinterização – produto do processo é o sínter; » briquetagem – produto gerado o briquete. Quadro 1. Características dos processos de aglomeração. Parâmetros Uso direto na sinterização Briquetagem Pelotização Processo Adição à mistura Compressão ou extrusão Pelotamento e queima Controle de operação Médio Muito fácil Relativamente simples Ligantes Nenhum Usa Vários tipos Distribuição granulométrica 0,1 a 5mm Heterogênea Fina (>900cm2/g) Produtividade Sem efeito Alta Média Volume da escória Médio Baixo Médio Contaminantes Zn, Álcalis Depende do ligante Depende do resíduo e do ligante Custos Alto Baixo Alto Fonte: adaptado de Vargas (2007) apud Baptísta (2016). Esses processos podem ser aplicados, por exemplo: a pelotização de finos de minérios e/ou concentrados de ferro, a sinterização em usinas siderúrgicas integradas e a briquetagem em finos de carvão mineral. A utilização de cada um dos processos citados acima depende da avaliação minuciosa e melindrosa, levando em consideração diferentes parâmetros que determinam as características físico-químicas do material, o volume de material produzido por ano, o investimento, os dispêndios operacionais etc. Pelotização O processo de aglomeração mais atual é a pelotização e é advindo da necessidade de uso de concentrados finos de magnetita, alcançados no processamento de minérios de 8 UNIDADE I | AGLOMERAÇÃO ferro nos Estados Unidos da América. A aglomeração de um material fino deve possuir um alto índice de pulverização, isto é, uma superfície específica alta com valor em 2.000 cm2/g e umidade constante (LUZ et al., 2010). Durante muitos anos, os minérios utilizados nos altos-fornos passavam pelo processo de britagem e posteriormente sofriam classificação na mina ou nas usinas siderúrgicas. Então, a fração grosseira era usada, enquanto a fração fina se acumulava em pilhas e bacias sem aplicação econômica. A procura por técnicas para conseguir realizar o aproveitamento da fração fina do minério foi o que possibilitou o surgimento dos processos de aglomeração utilizados atualmente. Januzzi (2008) explica que foi um processo desenvolvido no ano de 1912 por A. G. Anderson e C. A. Brackelsberg, mas apenas a indústria de minério de ferro abraçou esse processo por meio da implantação de uma planta piloto com capacidade para 120t/dia de pellets na Alemanha em 1926. Barros (2016), em consonância com autor acima, ressalta que a pelotização de minério de ferro foi inventada no início do século XX a fim de utilizar os finos de minério de ferro provenientes da lavra e beneficiamento que não conseguiam ser aproveitados nos processos de redução. Esse impedimento está relacionado aos empecilhos de manuseio e transporte, e especialmente pela redução de permeabilidade dos gases redutores dentro dos altos- fornos, ou ainda pela emissão de poeira na atmosfera pelo carreamento dos finos pelos fluxos de gases ao longo do processo de redução. Nunes (2004) explica que o propósito da formaçãodas pelotas é conseguir o tamanho desejado e as características mecânicas adequadas que possibilitem o transporte com segurança do equipamento de formação para o equipamento em que é realizado o endurecimento. Mecanismo para formar as pelotas cruas Juntamente com a fase sólida (finos de minérios, aditivo e aglomerantes), é preciso que a fase líquida (água) esteja presente na formação de pelotas cruas. Na interface sólido/ líquido existem forças que proporcionam um efeito coesivo sobre o sistema sólido/ líquido/ar. Essas forças presentes nas interfaces nada mais são que a tensão superficial da água e as forças capilares que agem nas pontes líquidas que são formadas entre as partículas 9 AGLOMERAÇÃO | UNIDADE I de minério. Essas pontes líquidas possuem uma superfície côncava. Logo, nessas circunstâncias, há uma resistência à tensão. O mecanismo de formação dessas pelotas é fortemente influenciado pela capilaridade. Os vazios intersticiais que existem entre as partículas sólidas são preenchidos pela água, e, assim, ocorre a formação de um sistema capilar com diversas subdivisões. Nos casos em que os limites dos capilares alcançam a superfície externa da pelota, compondo poros externos, a sucção capilar gerada na interface ar/água ocasiona uma reação de mesma intensidade sobre os grãos, e assim as partículas permanecem ligadas, efeitos esses que são apresentados na figura abaixo. Figura 1. Influência das forças capilares no mecanismo de aglomeração de finos. Tensão capilar e resistência à compressão de pelotas cruas Tensão compressão partícula água água Tensão capilar e forças de compressão entre duas partículas partícula Fonte: Luz et al. (2010). As partículas possuem movimentos relativos que auxiliam a adesão entre elas, e isso ocorre devido ao aparecimento de diferentes pontos de contato que existem entre os grãos e superfícies, em que a maior quantidade possível de capilares deve ser formada. A figura abaixo apresenta as partículas da mistura para a técnica de pelotização. A letra A na figura 2 apresenta uma partícula envolta por uma película de água em contato umas com as outras. Por causa da tensão superficial da película de água, são formadas pontes de líquido, como mostra a figura 2 B, e, como consequência do movimento das partículas no interior do disco de pelotamento e da união individualizada das gotas de água, forma-se uma aglomeração com muitas partículas (figura 2 C). Na parte interna desse aglomerado não compactado, as pontes líquidas primas surgem entre a grande quantidade de sítios vazios que continuam a existir. Essas pontes são 10 UNIDADE I | AGLOMERAÇÃO responsáveis por manter as partículas conectadas como em uma rede, produzindo pelotas sem a necessidade de compactação. Acrescentando mais água, esses aglomerados condensam-se. Depositando mais e mais água na parte interna do aglomerado, estes ficam mais densos (figura 2D). Nessa etapa, as forças capilares das pontes líquidas estão especialmente ativas. Nesse estágio, o ponto ótimo de formação da pelota é atingido quando não existe mais nenhum poro dentro delas que não esteja preenchido com líquido. No entanto, não há o revestimento total do aglomerado (figura 2E). Nessa etapa, as forças capilares agem fortemente. Na etapa que finda a formação da pelota, as partículas sólidas são totalmente revestidas pela película de água. Nesse momento, as partículas sólidas são mantidas pela tensão superficial que se torna completamente ativa (figura 2F), e a há redução vigorosa do efeito das forças capilares. A – Partícula sólida coberta por um filme de água; B – Início da formação das pontes líquidas; C – formação do aglomerado; D – densificação do aglomerado; E e F – formação de pelota crua. É importante ressaltar que o teor de água adicionado na pelotização varia conforme o material que está sendo processado e é um fator consideravelmente significativo no processo por interferir diretamente na boa formação de pelotas cruas. Figura 2. Etapas da formação de uma pelota. Partícula D E F Água A B C Fonte: Oliveira (2003) apud Barros (2016). 11 AGLOMERAÇÃO | UNIDADE I Figura 3. Estágio final de formação de pelotas e diversas pelotas formadas, respectivamente. Fonte: Adaptado de Nunes (2004) e http://www.vale.com/brasil/PT/aboutvale/news/Paginas/voce-sabe-o- que-e-pelotizacao.aspx. Os seguintes fatores são importantes para a formação de pelotas verdes (NUNES, 2004): » as forças físicas; » área superficial; » forças capilares e tensões superficiais com o acréscimo de aderentes como a água. A produção de pelotas uniformes e de boa qualidade depende das diferentes propriedades dos minérios: mineralogia, tamanho e forma das partículas, hábito cristalino e composição química. Ainda que, nos dias atuais, as diversas propriedades dos minérios possam ser compensadas, é preciso que os parâmetros do processo de pelotização sejam escolhidos conforme a natureza do minério que está sendo utilizado no processo (AUGUSTO, 2012). http://www.vale.com/brasil/PT/aboutvale/news/Paginas/voce-sabe-o-que-e-pelotizacao.aspx http://www.vale.com/brasil/PT/aboutvale/news/Paginas/voce-sabe-o-que-e-pelotizacao.aspx 12 CAPÍTULO 2 FORMAÇÃO DE PELOTAS O processo de pelotização consiste na compressão ou moldagem de certo material com o objetivo de conseguir pelotas no formato de esfera e pode ser executado em três diferentes etapas (AUGUSTO, 2012; CARDOSO, 2016; Luz et al., 2010): preparação de matérias-primas, formação das pelotas cruas, processamento térmico. Costa (2008) apresenta um fluxograma explicando os estágios de uma planta de pelotização. Fluxograma 1. Estágios de uma planta de pelotização. Secagem Pré-Queima Queima Resfriamento Pelotas Pelotamento Mistura Aditivos Filtragem Secagem Moagem Finos naturais Concentrado Etapa Fluxograma do Processo de pelotização Preparação das Matérias- Primas e aditivos para formação da Pelota crua Ciclo térmico no forno de pelotização para produção da Pelota queimada Fonte: Costa (2008). Costa (2008) resume o fluxograma acima explicando que o primeiro estágio consiste na formação das pelotas cruas ou pelotas verdes em equipamentos conhecidos como discos ou tambores, onde o minério fragmentado em partículas demasiadamente finas com distribuição granulométrica correta, logo após a mistura dos aditivos, é pelotizado com o acréscimo ou não de água complementar. Nessa fase, os aditivos são responsáveis por retificar as características químicas e aglomerabilidade do minério, buscando atender às fases seguintes. É importante salientar que essa correção da composição química tem como objetivo atender as especificações 13 AGLOMERAÇÃO | UNIDADE I de qualidades requeridas pelos clientes e intervir de forma positiva nas características físicas e metalúrgicas do produto queimado. Para o minério de ferro, principal minério que utiliza esse processo, os aditivos relevantes são: calcário, a magnesita, o carvão e aglomerante. No estágio posterior, as pelotas verdes passam por tratamento térmico: secar, pré-aquecer, queimar e resfriar, por meio de ciclos térmicos predefinidos, buscando formar as pelotas queimadas. Em consonância com Costa (2008), Augusto (2012) e Luz et al. (2010), a pelotização é contínua e pode ser realizada por meio de discos de pelotização e tambor rotativo. O mais utilizado atualmente é o disco de pelotização, e as variáveis básicas para esse disco são a velocidade de rotação e o ângulo de inclinação (AUGUST0, 2012). Além dessas duas variáveis citadas acima, Luz et al. (2010) cita: taxa de alimentação; profundidade útil; posição dos raspadores; espessura da camada de fundo; posição do ponto de alimentação. Todas essas variáveis operacionais interferem diretamente no tempo de residência em que o material permanece dentro do prato pelotizador. A figura 4 mostra um disco de pelotização. Figura 4. Disco de pelotização.Mistura Suporte dos raspadores Desagregador Disco ou prato pelotizador Redutor Motor Carga circundante Fonte: adaptado de Cardoso (2016) e http://www.vale.com/brasil/PT/aboutvale/news/Paginas/voce-sabe-o- que-e-pelotizacao.aspx. No disco de pelotização, a carga é alimentada em certa posição do disco, e as pelotas rolam continuamente sobre as partículas finas que são alimentadas, promovendo um aumento progressivo do diâmetro das pelotas. Os raspadores presentes no disco são responsáveis por direcionar o fluxo e, como consequência, conduzem a trajetória dos aglomerados com diversas dimensões até a sua descarga, que está localizada em sentido oposto ao da alimentação. http://www.vale.com/brasil/PT/aboutvale/news/Paginas/voce-sabe-o-que-e-pelotizacao.aspx http://www.vale.com/brasil/PT/aboutvale/news/Paginas/voce-sabe-o-que-e-pelotizacao.aspx 14 UNIDADE I | AGLOMERAÇÃO A figura 5 apresenta o funcionamento do disco de pelotização. A figura 5a representa a vista lateral desse equipamento, assim como as diversas camadas formadas. A figura 5b apresenta a vista frontal do disco e como é realizado o movimento de pelotas cruas nos diferentes estágios de crescimento. Figura 5. Funcionamento de um disco de pelotização. Descarga Ponto de Alimentação 6 9 3 12 Fonte: Augusto (2012). Um tambor rotativo é constituído de um cilindro dotado de movimentos rotativos, e suas extremidades não são fechadas. Na parte interna desse equipamento existe um rolo raspador rotativo, que possui uma posição fixa e paralela em relação ao tambor e tem como principal objetivo restringir a altura da camada interna do material utilizado. No caso dos tambores de formação de pelotas, a descarga do minério é realizada na parte superior, e só então acontece a dispersão de água no interior do equipamento, de modo que a formação da pelota seja realizada de maneira eficiente. Durante o processo, o minério rola em aspirais para a saída. Após serem descarregadas, as pelotas são peneiradas e segregadas de acordo com a dimensão requerida. Elas são produzidas conforme o comprimento, a inclinação, velocidade angular e o grau de alimentação. A figura abaixo mostra as principais dimensões de um tambor formador de pelotas. Figura 6. Tambor de formação de pelotas. L= 9 a 11m 6- 10° D=3-3,6m R as pa do r Fonte: Nunes (2004). 15 AGLOMERAÇÃO | UNIDADE I As variáveis mais importantes do processo utilizando um tambor são ângulo de inclinação do eixo horizontal e número de voltas por unidade de tempo. Figura 7. Princípio dos tambores rotativos. Fonte: Augusto (2012). Nunes (2004) ressalta que, além da formação de pelotas em tambores e discos, em que a mistura de minério e água rolam no equipamento, as pelotas podem ser obtidas pela agregação das partículas sólidas dentro de um misturador. Nesse caso, as partículas são ligadas conforme a posição mais oportuna, uma em relação às outras, e sofrem compactação pelo movimento gerado pelo misturador. 16 CAPÍTULO 3 SINTERIZAÇÃO Historicamente, a sinterização é uma operação que ganhou grande notoriedade após a década de 1930, quando estreou na ustulação e aglomeração de minérios sulfetados e na aglomeração básica de oxidados de ferro (Luz et al., 2010). A sinterização tem como objetivo transformar os finos provenientes de matéria-prima em aglomerados, conseguindo assim um grande aproveitamento e possibilitando uma manipulação mais correta do material, sem a gerar tanta poeira. Esses finos podem ser gerados de modo natural, proveniente do jazimento do minério, ou ainda produzidos pela fragmentação para seguir para o processo de aglomeração (RIBEIRO, 2010). Essa referência ainda afirma que a elevada eficiência dos minérios aglomerados na siderurgia torna comum o processo de fragmentação, seguido de aglomeração. O processo de sinterização consiste na fusão inicial dos elementos formantes de uma mistura, cuja composição se baseia em um constituinte primário e na adição de fundentes, provocando uma ligação rígida entre as partículas, que é oriunda da solidificação da fase líquida. Esse processo se limita a situações em que não há modificação da composição química do material quando submetido ao calor (LUZ et al., 2010). Cardoso (2016) explica que, nesse método, uma grande quantidade de coprodutos que possuem granulação fina passa por um processo de compactação, e se transformam os corpos coesos por meio de mecanismos físico-químicos, quando são expostos a altas temperaturas. No entanto, essas temperaturas não podem ultrapassar a temperatura de fusão do material. Essa operação ocorre por causa dos movimentos atômicos que são produzidos com o objetivo de reduzir a energia superficial associada ao material em pó que ainda não foi sinterizado. “A energia superficial por unidade de volume é inversamente proporcional ao diâmetro das partículas. Assim, partículas menores possuem mais energia e sinterizam mais rapidamente que as partículas maiores” (CARDOSO, 2004, p. 34). Esse processo visa à produção de matéria-prima aglomerada, conhecida como sínter, dotada de tamanho e formato adequados. A figura 8 mostra como acontece o processo de sinterização. 17 AGLOMERAÇÃO | UNIDADE I Figura 8. Processo de sinterização. Fundente Coque Minério Quasi- partícula Poro Minério Não fundido Cálcio Magnetita Silicato Sínter Fonte: Cardoso (2016). Algumas características técnicas do material submetido à sinterização precisam ser avaliadas por meio de análises físico-químicas no coproduto, assim como as condições técnicas para realizar o processo para estabelecer a resistência do sínter que é preciso para seu uso. Entre elas, é possível citar: » temperatura de sinterização; » velocidade e taxa de resfriamento; » utilização de aglutinante; » umidade da mistura; » forma e tamanho do sínter. Considerada uma das variáveis mais importantes no processo de sinterização, a temperatura de operação é definida de forma experimental, de acordo com as características do coproduto: forma e dimensão das partículas. Assim, é possível determinar o tempo de residência em que o material ficará submetido ao processo. Barros (2016) ressalta que esse processo é termicamente ativado e possibilita que um grupo de partículas de certo material em contato a princípio consiga atingir uma resistência mecânica. Ao longo da execução dessa técnica, a porosidade existente na estrutura é fechada. Para que a porosidade seja fechada, é preciso que o material seja deslocado para que os espaços vazios sejam preenchidos. O modo como isso acontece é que define os mecanismos para estimular a sinterização, que são: a sinterização por fase sólida, fase líquida, sinterização ativada, sinterização reativa. 18 UNIDADE I | AGLOMERAÇÃO O mecanismo principal na sinterização pode ser deslocado por variação no tamanho da partícula, na temperatura ou no tempo. Isso só é possível porque os parâmetros de processo têm diferentes sensibilidades. A figura abaixo mostra os estágios da ligação entre as partículas em que a microestrutura sofre transformações ao longo da sinterização. Figura 9. Estágios da sinterização. (a) Partículas livres (início do crescimento das ligações) (b) Estágio inicial (Há uma contração do volume de poros) (c) Estágio intermediário (formação dos contornos de grão nos contatos) (d) Estágio final Fonte: Fonseca (2004). Fonseca (2004) explica que, além de melhorar a resistência mecânica do aglomerado, a sinterização ajuda a aprimorar propriedades como dureza, transparência, condutividade elétrica, expansão térmica, saturação magnética e resistência à corrosão. 19 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. Identificaçãoautomática do grau de maturação de pelotas de minério de ferro. 2012. 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Figura 25 Fonte: http://www.enobrasil.com.br/br/equipamento/11-5-1-filtro-rotativo-a-vacuo-sv. Figura 28 Fonte: http://www.mausa.com.br/?pagina=produtos-detalhes&id=16. http://www.vale.com/brasil/PT/aboutvale/news/Paginas/voce-sabe-o-que-e-pelotizacao.aspx http://www.vale.com/brasil/PT/aboutvale/news/Paginas/voce-sabe-o-que-e-pelotizacao.aspx http://www.enobrasil.com.br/br/equipamento/11-5-1-filtro-rotativo-a-vacuo-sv http://www.mausa.com.br/?pagina=produtos-detalhes&id=16 UNIDADE I AGLOMERAÇÃO Capítulo 1 Pelotização Capítulo 2 Formação de Pelotas Capítulo 3 Sinterização Referências
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