Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/31026
Type: Tese
Title: Comportamento de amolecimento e fusão de cargas ferrosas através de abordagem experimental e modelo termodinâmico
Other Titles: Iron-bearing materials softening and melting behavior through experimental approach and thermodynamic modeling
Authors: Ismael Vemdrame Flores
First Advisor: Maurício Covcevich Bagatini
metadata.dc.contributor.advisor2: Aline Lima da Silva
First Referee: Roberto Parreiras Tavares
Second Referee: Leandro Rocha Lemos
Third Referee: Cláudio Batista Vieira
metadata.dc.contributor.referee4: Guilherme Liziero Ruggio da Silva
Abstract: As propriedades de amolecimento e fusão das cargas ferrosas possuem papel fundamental na formação da zona coesiva. A posição e a espessura dessa região afetam fortemente a distribuição do fluxo gasoso e a eficiência da transferência de calor do alto-forno, os quais influenciam na permeabilidade e produtividade do reator. Durante a redução, amolecimento e a fusão das cargas ferrosas, importantes alterações de microestrutura ocorrem. O entendimento dessas mudanças em relação com os fenômenos de amolecimento e fusão é essencial para o desenvolvimento de novas matérias-primas, processos e modelos. Nesse contexto, o presente trabalho teve como objetivo investigar os fenômenos de amolecimento e fusão para três cargas ferrosas através de testes de amolecimento e fusão sob carga, e desenvolver um modelo termodinâmico capaz de abordar a evolução das fases ao longo dos diferentes estágios de redução, amolecimento e fusão. A parte experimental deste trabalho caracterizou as propriedades de amolecimento e fusão de um minério granulado, uma pelota ácida e um sínter através de testes de amolecimento e fusão convencionais. Além disso, testes interrompidos foram realizados, determinados em diferentes níveis de contração e perda de pressão, para obter amostras em diversos estágios do processo de amolecimento e fusão. Os produtos obtidos e as amostras como recebidas, foram caracterizadas por testes de densidade aparente e real (para calcular as porosidades aberta, fechada e total), difração de raios X, microscopia de luz refletida e microscopia eletrônica de varredura (com espectroscopia de energia dispersiva). Ademais, um modelo termodinâmico foi proposto utilizando o software FactSage e macroprocessamento. O modelo foi construído utilizando uma série de estágios de equilíbrio e operadores matemáticos (splitters) para realizar o controle do fluxo de matéria e para considerar a cinética de redução envolvida. A partir dos resultados experimentais, três regiões de redução principais foram caracterizadas: redução gás/sólido, retardo de redução e redução no estado líquido. Na primeira região de redução, a redução ocorreu de acordo com o modelo de núcleo não reagido, onde observou-se um aumento da porosidade aberta das amostras. Durante a região de retardo de redução, um acentuado decréscimo de porosidade aberta foi identificado, o que levou a uma diminuição significativa da taxa de redução indireta. Na região de redução no estado líquido, a escória (rica em FeO) inicialmente presente no núcleo das partículas exsudou para o leito, levando a um acentuado aumento da taxa de redução devido ao contato da escória com os gases redutores e o coque. No início do amolecimento, as microestruturas dos materiais constituíram de wüstita pseudoglobular por pontos de escória. Com o andamento do aquecimento e da contração do leito, essa estrutura coalesceu, formando wüstita com formato globular em uma matriz de escória líquida. Em relação ao modelo termodinâmico, baseado em dados da literatura, a metodologia aplicada foi capaz de obter curvas de redução de acordo com os dados experimentais utilizados. Os operadores (splitters) usados para parcialmente considerar inibições cinéticas mostraram uma relação próxima a taxa de redução dos materiais. Além disso, os perfis calculados para a quantidade de líquido apresentaram uma boa relação com o comportamento experimental de amolecimento e fusão obtido da literatura. As temperaturas calculadas para a formação do primeiro líquido foram similares ao momento onde a contração de 10% dos leitos foi atingida, embora o nível de similaridade tenha dependido da heterogeneidade das amostras. Além disso, com o aumento da temperatura e consequentemente da quantidade de líquido, os resultados experimentais se aproximaram das condições de equilíbrio. Em especial, as frações de líquido calculadas foram similares aos perfis de perda de pressão experimentais, os quais qualitativamente determinam as características mais importantes da zona coesiva.
Abstract: The softening and melting properties of the iron-bearing materials play a decisive role in the formation of the cohesive zone. The position and thickness of this region greatly affect blast furnace gas flow distribution and heat-transfer efficiency, which influences furnace permeability and productivity. During the reduction, softening and melting of the iron-bearing materials, major microstructure changes occur. The understanding of such transformations and its relation with the softening and melting phenomena is essential to the development of new raw materials, technologies, and models. In this context, the present work sought to investigate the phenomena of the softening and melting process for three iron-bearing materials through softening and melting under load tests, and to develop a thermodynamic model to approach the phase evolution of the materials throughout its reduction, softening and melting. The experimental part of this work characterized the softening and melting properties of samples of lump ore, acid pellet, and sinter through conventional softening and melting under load experiments. Moreover, interrupted experiments were carried out, based on contraction and pressure drop levels, to obtain samples in specific moments of the softening and melting process. The products obtained and the samples as received were characterized by apparent and true density (used to calculate the open, closed and total porosity), X-ray diffraction, reflected light microscopy and scanning electron microscopy (with energy dispersed spectroscopy). Furthermore, a thermodynamic model was developed using FactSage thermodynamic software and macro-processing. The model was constructed using a series of equilibrium stages and mathematical operators (splitters) to determine flow directions of streams and to consider kinetic inhibitions. From the experimental results, three main regions of reduction were characterized, namely: solid/gas reduction, reduction retardation, and melting reduction. In the first reduction region, reduction occurred following the shrinking core model with the increasing of samples open porosity. On the reduction retardation region, a sharp decrease in open porosity was identified, which reflected on the diminishing of rate of indirect reduction. At the region of melting reduction, the slag (rich in FeO) initially present in the particles’ core exuded to the bed, leading to a sharp increase in reduction rate due to slag contact with the reducing gas and coke. At the beginning of softening, the microstructure of the material was comprised of pseudo-globular wüstite interspersed with slag. As heating progressed and bed contraction increased, that structure coalesced to form a globular shape wüstite in a well-connected liquid slag matrix. Regarding the thermodynamic model, based on literature data, the methodology applied was capable of obtaining iron-bearing materials reduction degrees in very good agreement to the experimental data used. The splitters used to partly consider kinetic inhibitions showed a close relation with the rate of reduction. Moreover, the calculated profiles of slag quantity showed a close relationship with the softening and melting behaviors evaluated from softening and melting experiments. The calculated first liquid formation temperature was similar to that of when the sample beds attained 10% contraction, although the level of similarity between those parameters depended on the level of heterogeneity of each raw material. In addition, as temperature and consequently the amount of liquid increased, samples appeared to get closer to equilibrium conditions. In especial, the liquid fractions were quite similar to the experimental profiles of pressure drop, which qualitatively determine the most important characteristics of the cohesive zone.
Subject: Engenharia metalúrgica Metalurgia extrativa
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA METALÚRGICA
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica, Materiais e de Minas
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/31026
Issue Date: 5-Nov-2019
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