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Type: Tese
Title: O processo de redução direta no contexto da descarbonização da siderurgia e a busca por soluções tecnológicas de agentes de recobrimento para pelotas de minério de ferro
Authors: Jean Philippe Santos Gherardi de Alencar
First Advisor: Wander Luiz Vasconcelos
First Co-advisor: Valdirene Gonzaga de Resende
First Referee: Maurício Covcevich Bagatini
Second Referee: Bruno Amaral Pereira
Third Referee: Jéssica de Oliveira Notório Ribeiro
metadata.dc.contributor.referee4: Fabrício Parreira
Abstract: A siderurgia mundial está diante de um desafio de descarbonização jamais visto antes, que implica em necessidades de desenvolvimento técnico e vultuosos dispêndios financeiros. Uma pesquisa de dados feita na primeira etapa deste trabalho mostrou que, algumas das principais usinas siderúrgicas da Europa, já sofrem com um déficit significativo entre as permissões e emissões verificadas de CO2. Dentre as iniciativas que visam evitar tais emissões, foi notório o destaque para o maior uso da rota de Redução Direta como por exemplo nos projetos HYBRIT e SALCOS. Contudo, um aspecto importante para uso dessa rota é a susceptibilidade ao fenômeno da colagem que pelotas de minério de ferro apresentam, sendo que as pelotas são a principal carga metálica usada nos reatores. Com isso, na segunda e terceira etapa do estudo o foco foi discorrer sobre esse fenômeno que é crítico para a operacionalização técnica do processo de Redução Direta: o controle da colagem de pelotas. A fim de quantificar os impactos que a colagem causa a operação do reator, a segunda parte do trabalho foi dedicada à adaptação de um modelo numérico que representasse um forno do tipo cuba e todas as equações de conservação de massa, energia e momentum pertinentes ao processo. O diferencial desse estudo foi que ele levou em consideração outros estudos de simulação física a fim de promover equações e parametrizações que tornassem o modelo apto a simular essa queda de pressão em função da formação dos cachos. A seleção da melhor equação e parametrização foi tomada com base numa referência de impacto industrial cuja carga e Índice de Colagem eram conhecidos. Por sua vez, a terceira etapa do estudo contemplou um plano de trabalho laboratorial que visou identificar quais materiais e processos de aplicação de recobrimento para pelotas seriam mais efetivos no combate à colagem. Foi possível perceber que o uso da Bentonita combinado com materiais refratários propiciou melhor dispersão nas polpas e menor Índice de Colagem. Adicionalmente, constatou-se que o método de aplicação a seco na pelota crua foi pouco eficaz e isso pode ser explicado pela baixa quantidade de material na superfície da pelota após a queima. Dentre todos os parâmetros e testes realizados, obteve-se que o Índice de Adesão e a soma dos teores de SiO2, Al2O3, CaO e MgO foram os mais influentes na variável resposta de Índice de Colagem. O Índice de Adesão foi também avaliado como variável dependente e observou-se que há uma relação forte entre os seus resultados e o da área superficial específica medida por adsorção de N2 (método BET). A Bauxita foi o material que teve melhor desempenho nesse estudo e suas vantagens foram o alto teor de Al2O3 que lhe conferiu ótimas propriedades refratárias, confirmadas pelo teste de fusibilidade e a elevada superfície específica. Por fim, uma etapa complementar de testes foi realizada a fim de otimizar os resultados da terceira etapa e conectá-los com a aplicação do modelo da segunda etapa. Percebeu-se que a aplicação de duas camadas de recobrimento, uma na pelota crua e outra na pelota queimada, seguida de tratamento térmico à 400 °C, propiciou um melhor resultado de Índice de Colagem. Contudo, os valores obtidos nessas otimizações não foram tão melhores que o valor de referência de uma aplicação simples de Bauxita numa pelota queimada. Ao se comparar o impacto dessas duas situações no modelo, uma com aplicação de Bauxita simples e a outra com aplicação dupla e tratamento térmico, o ganho de produção seria de apenas 0,3 t/h.
Abstract: The world steel industry is facing a decarbonization challenge never seen before, which requires technical development and substantial financial expenses. A data survey carried out in the first stage of this work showed that some of the main steel mills in Europe already suffer from a significant deficit between the allowances and verified CO2 emissions. The greater use of the Direct Reduction route like in the HYBRIT and SALCOS projects are some of the highlighted initiatives aiming to avoid such emissions. However, an important aspect for the use of this route is the susceptibility to the clustering that iron ore pellets, which are the main metallic charge used in the reactors, can present. Thus, in the second and third stages of the study, the focus was to discuss this phenomenon that is critical for the Direct Reduction technical operationalization process: the control of pellet clustering. In order to quantify the impacts caused by sticking on the reactor operation, the second part of the work was dedicated to the adaptation of a numerical model that represented a shaft furnace and all the equations of mass, energy and momentum conservation relevant to the process. The peculiarity of this study was that it took into account other physical simulation studies in order to promote equations and parameterizations that would make the model able to simulate this pressure drop due to the cluster’s formation. The selection of the best equation and parameterization was based on an industrial reference value whose burden and Clustering Index were known. Then, the third stage of the study included a large laboratory work plan that aimed to identify which materials and application processes for coating pellets would be more effective in preventing the sticking phenomenon. It was possible to see that the use of Bentonite combined with other refractory materials provided a better Dispersion Degree in the pulps and a lower Clustering Index. Additionally, it was found that the dry application method on the green pellet was ineffective, and this can be explained by the low amount of material on the pellet surface after firing. Among all parameters and tests performed, it was found that the Adhesion Index and the sum of the SiO2, Al2O3, CaO and MgO contents were the most influential in the Clustering Index response variable. The Adhesion Index was also evaluated as a dependent variable, and it was observed that there is a strong relationship between its results and the superficial area measured by N2 adsorption (BET method). Bauxite was the material that performed best in this study, and it can be said that its advantages were the high content of Al2O3 that gave it excellent refractory properties, confirmed by the fusibility test and the high superficial area. Finally, a complementary test step was carried out in order to seek an optimization of the results of the third step and connect these results with the application of the second step model. It was noticed that the application of two coating layers, one in the green pellet and the other in the fired pellet, provided a better Clustering Index results in the two cases evaluated. Furthermore, the use of a thermal treatment technique at 400 °C after the second layer was also beneficial to reduce the Clustering Index. However, the values obtained in these optimizations, although better, were not significantly lower than the reference value of a simple application of Bauxite in a fired pellet. When comparing the impact of these two situations on the numerical model, one with simple Bauxite application and the other with double application and heat treatment, the production gain would be only 0.3 t/h
Subject: Materiais
Ciência dos materiais
Pelotização (Beneficiamento de minério)
Redução de minérios
Siderurgia
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/1843/44209
Issue Date: 17-Dec-2021
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