Redução De Minérios De Ferro Em Altos-Fornos by Editora Blucher

O entendimento dos fenômenos que ocorrem no interior de um alto-forno pode ser alcançado pela aplicação de conceitos de termoquímica e de considerações relativas às interações térmica, mecânica e química entre gases e carga. Esta obra se divide em seções que abordam esses temas, evitando contudo as complexidades relativas a essas interações. O objetivo é tornar o texto acessível a alunos de graduação em metalurgia e materiais, a quem o livro é dedicado.

REDUÇÃO DE MINÉRIOS DE FERRO EM ALTOS-FORNOS

Certos metais são considerados críticos, pois sem eles a vida moderna seria bem diferente: cobalto, lítio, terras raras são exemplos. Outros metais, como cobre, alumínio e ferro, são muito importantes pela participação na construção de infraestruturas. O ferro é, entre todos, aquele com maior volume de produção. A redução de minérios de ferro em altos-fornos ocupa posição de destaque na indústria: é dominante e deve continuar assim a médio prazo, o que justifica a continuidade de esforços para o seu aprimoramento.

CONTEÚDO Prefácio

abm

CARLOS ANTÔNIO DA SILVA Engenheiro metalurgista, MSc e PhD, professor aposentado da Escola de Minas da Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP), tendo lecionado nas áreas de termodinâmica metalúrgica e fenômenos de transporte e orientado diversas teses e dissertações. É autor ou coautor de artigos publicados em revistas e em congressos especializados. É ainda coautor de publicações como Termodinâmica metalúrgica: balanços de energia, soluções e equilíbrio químico em sistemas metalúrgicos (Blucher, 2018); Fenômenos de transporte: fundamentos e aplicações nas Engenharias Metalúrgica e de Materiais (ABM, 2010); Introdução aos diagramas de fases de sistemas metalúrgicos (Osculante, 2016). CV pode ser encontrado em https:// lattes.cnpq.br/9071139796908984.

SILVA

COLEÇÃO DE LIVROS

CARLOS ANTÔNIO DA SILVA

REDUÇÃO DE MINÉRIOS DE FERRO EM ALTOS-FORNOS UMA INTRODUÇÃO

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Escopo Aparelho e insumos Termodinâmica da redução e escórias Estado interno do forno O consumo de carbono Trocas térmicas no alto-forno Interações químicas gás-metal-escória Fluxo de gases e líquidos

Anexos

Saiba mais sobre o livro

Capa ABM - SILVA - Redução de minérios.indd 3-5

13/08/2026 13:49

REDUÇÃO DE MINÉRIOS DE FERRO EM ALTOS-FORNOS

Coleção de Livros ABM em Metalurgia, Materiais e Mineração

Diretor de Operações Valdomiro Roman da Silva

Analista Editorial Luciane Genzano Cruz

Carlos Antônio da Silva

REDUÇÃO DE MINÉRIOS DE FERRO EM ALTOS-FORNOS

UMA INTRODUÇÃO

Redução de minérios de ferro em altos-fornos: uma introdução © 2026 Carlos Antônio da Silva Editora Edgard Blücher Ltda. Publisher Edgard Blücher Editor Eduardo Blücher Coordenador editorial Rafael Fulanetti Coordenadora de produção Ana Cristina Garcia Produção editorial Marcel Iha Preparação de texto Lígia Alves Revisão de texto Equipe editorial Diagramação Guilherme Salvador Capa Juliana Midori Horie Imagem de capa iStockphoto

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) Heytor Diniz Teixeira, CRB-8/10570

Rua Pedroso Alvarenga, 1245, 4o andar 04531-934 – São Paulo – SP – Brasil Tel.: 55 11 3078-5366 contato@blucher.com.br www.blucher.com.br

Silva, Carlos Antônio da Redução de minérios de ferro em altos-fornos : uma introdução / Carlos Antônio da Silva. – São Paulo : Blucher, 2026. 264 p. : il. – (Coleção de Livros ABM).

Segundo o Novo Acordo Ortográfico, conforme 6. ed. do Vocabulário Ortográfico da Língua Portuguesa, Academia Brasileira de Letras, julho de 2021.

Bibliografia ISBN 978-85-212-3320-6 (impresso) ISBN 978-85-212-3318-3 (eletrônico, ePub) ISBN 978-85-212-3316-9 (eletrônico, PDF) 1. Siderurgia. 2. Metalurgia. 3. Minério de ferro – Redução. 4. Alto-forno. I. Título.

CDU 669

Índice para catálogo sistemático: 1. Siderurgia 669

Apresentação da coleção de livros ABM

A Coleção de Livros ABM em Metalurgia, Materiais e Mineração, criada em 2005, tem por principais objetivos suprir lacunas de conhecimentos e estimular o desenvolvimento de pessoas. De forma a ter uma abordagem mais didática, a coleção foi segmentada em quatro séries: Livros de referência – apresentam-se como materiais para consulta rápida de informações úteis, gerais ou focalizadas em um determinado campo do conhecimento, abrangendo, normalmente, tabelas, estatísticas, definições, exemplos, históricos e outros tipos de conteúdo. Obras de difusão – têm o propósito de levar a notícia e o conhecimento até o leitor comum, familiarizando-o com a natureza do progresso científico e tecnológico, bem como apresentar implicações econômicas, sociais e políticas, em uma sociedade exposta a constantes mudanças. Livros de atualização – fornecem ao leitor mais experiente a abordagem de assuntos especializados que complementam o conhecimento técnico-científico, além de atualização sobre os progressos nas áreas de metalurgia, materiais e mineração. Livros-texto – destinam-se a leitores iniciantes ou que queiram se aprofundar no assunto, abordando temas de Fundamentos, Matérias-primas e Processos, Produtos e Aplicações e Gestão, seguindo uma sequência lógica de assunto e grau progressivo de dificuldade, compatíveis com a finalidade didática do livro.

Redução de minérios de ferro em altos-fornos: uma introdução

O livro Redução de minérios de ferro em altos-fornos: uma introdução é fruto de mais uma parceria entre ABM e Editora Blucher, e vem enriquecer a Coleção de Livros, contribuindo com a série Livros-texto. Valdomiro Roman da Silva Diretor de Operações

Conteúdo

PREFÁCIO.................................................................................................................................

ESCOPO............................................................................................................................

1.1

História.........................................................................................................................

1.2

Alguns dados sobre emissões de CO2 durante a fabricação de ferro e aço..............................................................................................................................

Referências............................................................................................................................

2. APARELHO E INSUMOS.................................................................................................

2.1

Aspectos gerais..........................................................................................................

2.2 Algumas matérias-primas.......................................................................................

2.2.1 Coque e carvão vegetal...............................................................................

2.2.2 Sínter................................................................................................................

2.2.3 Pelotas.............................................................................................................

2.2.4 Outras matérias-primas.............................................................................

2.3 Testes de qualidade..................................................................................................

2.3.1 Resistência ao impacto e abrasão...........................................................

2.3.2 Reatividade do coque..................................................................................

Redução de minérios de ferro em altos-fornos: uma introdução

2.3.3 Redutibilidade...............................................................................................

2.3.4 Degradação da carga metálica.................................................................

2.3.5 Amolecimento e fusão................................................................................

2.4 Descrição do aparelho.............................................................................................

2.5 Alguns termos mais comuns..................................................................................

Referências............................................................................................................................

3. TERMODINÂMICA DA REDUÇÃO E ESCÓRIAS.......................................................

3.1

A redução dos óxidos de ferro...............................................................................

3.2 Reserva química........................................................................................................

3.3 Redução direta e redução indireta.......................................................................

3.4 Escória de alto-forno................................................................................................

Referências............................................................................................................................

4. ESTADO INTERNO DO FORNO....................................................................................

4.1

Resultados de sondagem........................................................................................

4.2 A zona de combustão...............................................................................................

Referências............................................................................................................................

109

5. O CONSUMO DE CARBONO.........................................................................................

111

5.1

O papel do potencial de oxigênio..........................................................................

111

5.2 Balanço de energia estagiado e o consumo teórico de carbono.................

113

5.3 Redução direta e redução indireta na zona de elaboração...........................

125

5.4 Resposta aos estímulos...........................................................................................

134

5.5 Exemplo de cálculo automatizado.......................................................................

139

5.6 Estimativa do desvio de Rist...................................................................................

149

5.7 Temperatura adiabática de chama de um alto-forno.....................................

151

5.8 Injeção de combustíveis auxiliares pelas ventaneiras....................................

154

Referências............................................................................................................................

166

6. TROCAS TÉRMICAS NO ALTO - FORNO.....................................................................

169

6.1

Aquecimento de um leito de partículas por um gás, fluxo em contracorrente...........................................................................................................

169

6.2 Aquecimento de um leito misto por um gás, fluxo em contracorrente......

176

6.3 Influência de alguns parâmetros operacionais sobre o perfil térmico......

178

Conteúdo

6.4 O perfil térmico e a redução no forno..................................................................

180

6.5 Tempo de residência da carga no alto-forno.....................................................

187

Referências............................................................................................................................

189

7. INTERAÇÕES QUÍMICAS GÁS - METAL- ESCÓRIA...................................................

191

7.1

Incorporação de alguns elementos ao gusa; escória no alto-forno............

191

7.1.1

Fósforo.............................................................................................................

191

7.1.2

Nitrogênio.......................................................................................................

191

7.1.3

Manganês........................................................................................................

192

7.1.4

Enxofre.............................................................................................................

194

7.1.5

Silício................................................................................................................

199

Recirculação de álcalis e zinco..............................................................................

208

7.3 Temperatura de chama e produtividade............................................................

214

Referências............................................................................................................................

221

8. FLUXO DE GASES E LÍQUIDOS....................................................................................

223

7.2

8.1

Perda de carga no leito.............................................................................................

223

8.2 Arraste de pó no topo...............................................................................................

238

8.3 Permeabilidade do homem-morto......................................................................

240

8.4 Inundação (flooding)...............................................................................................

243

Referências............................................................................................................................

247

ANEXO A...................................................................................................................................

249

ANEXO B...................................................................................................................................

253

ANEXO C...................................................................................................................................

257

ANEXO D...................................................................................................................................

259

Prefácio

O ferro (acompanhado de suas ligas) é o metal mais consumido pela humanidade, em função de características únicas de propriedades e custo. Os óxidos de ferro formam a porção majoritária de seus minérios, o que torna inevitável o processo de redução. Embora, como qualquer outro processo industrial, esteja sujeito a escrutínio em razão de considerações ambientais, o alto-forno continua sendo, na maior parte dos países, mais competitivo. Quem se propõe a elaborar um texto sobre redução de minérios de ferro logo reconhece a necessidade de definir o enfoque, sob pena de tornar a obra extensa demais. Neste livro, dirigido a alunos de graduação em Metalurgia e Materiais, optou-se por concentrar a discussão nos fenômenos que ocorrem no interior do forno; mesmo assim, o leitor perceberá que lacunas importantes não foram preenchidas, como refratários e distribuição de carga. O Capítulo 1 apresenta uma breve contextualização histórica, além de considerações ambientais. No Capítulo 2 faz-se uma descrição sucinta do processo, abordando matérias-primas, testes de qualidade, o equipamento, suas instalações auxiliares e os principais índices técnicos utilizados. Aspectos termodinâmicos da redução e características das escórias de alto-forno são tratados no Capítulo 3. Experimentos de sondagem em diversos níveis da carga, bem como de dissecação de altos-fornos, permitiram conhecer melhor o estado da carga, líquidos e gases em diversas regiões do forno; alguns aspectos internos do forno em operação são

Redução de minérios de ferro em altos-fornos: uma introdução

abordados no Capítulo 4. O Capítulo 5 trata do consumo de combustível no alto-forno, métodos de cálculo e o papel de combustíveis auxiliares. Aspectos térmicos, principalmente os modos como afetam o perfil térmico e o processo de redução, são tratados no Capítulo 6. Várias reações químicas precisam ser controladas na produção de gusa de qualidade, e o Capítulo 7 aborda a incorporação, bem como a recirculação de vários elementos. Por fim, o Capítulo 8 discute a interação mecânica entre gases, líquidos e sólidos, frequentemente determinante para o bom funcionamento do alto-forno. Essa divisão de assuntos tem finalidade essencialmente didática. Na prática, os fenômenos que ocorrem no alto-forno estão fortemente inter-relacionados, e a compreensão de cada um deles depende da articulação de conceitos apresentados ao longo da obra. Espera-se que essa visão integrada seja construída progressivamente ao longo da leitura. Nas últimas décadas, processos metalúrgicos de elevada complexidade têm sido cada vez mais estudados por meio de códigos numéricos, frequentemente implementados com resultados instrutivos e a cores, o que os torna atrativos. Muitas vezes, ao tratar de um certo problema, diferentes pesquisadores podem propor diferentes suposições e condições de contorno, e mesmo assim obter resultados muito assemelhados. Isto não é característica única de códigos CFD acoplados a modelos de reações químicas; é comum, por exemplo, em tratamento de big data. Cabe, portanto, ao leitor avaliar criticamente a plausibilidade dessas hipóteses e das conclusões delas decorrentes. Por isso, este texto utiliza resultados de simulação numérica apenas para aspectos ilustrativos. Este texto é decididamente analógico.

CAPÍTULO 1

Escopo

Neste capítulo é apresentado um breve relato da evolução dos processos de fusão redutora dos minérios de ferro. Também são abordados alguns aspectos dos impactos ambientais devidos à fabricação de ferro e aço e à contribuição dos altos-fornos.

1.1 HISTÓRIA É bastante provável que o primeiro contato do homem com o ferro tenha sido por meio de ligas ferro-níquel, provenientes de meteoritos. A arte de produzir ferro a partir de seus óxidos se desenvolveu em várias regiões do mundo, em fornos de concepção diversa. Minério de ferro, carvão vegetal como termorredutor e calcário eram parte da carga com funções (hoje) óbvias. A Figura 1.1 mostra exemplos desses fornos.

Figura 1.1

Redução de minérios de ferro em altos-fornos: uma introdução

Exemplos de fornos “primitivos” para redução de ferro.

Fonte: Lankford (1984).

Nos primeiros fornos, o ar para combustão era direcionado ao forno seja por correntes de vento, seja pela formação de chaminé natural. As velocidades de reação eram relativamente baixas e, assim, as temperaturas também eram. A redução se fazia no estado sólido, com a formação de grânulos, que se moviam na direção do fundo do reator (ocupando os espaços deixados pelo carvão consumido), onde se aglomeravam formando uma massa de aspecto esponjoso. Ao final da batelada essa massa era retirada e martelada ainda quente, para expulsar a escória e outros materiais impregnados. Alguns artesãos conseguiam controlar a quantidade de carbono na liga controlando o tempo de contato do ferro produzido com o carvão. A Figura 1.2 apresenta um esquema da forja catalã, aperfeiçoada pelos mouros durante os séculos em que dominaram a península Ibérica: o produto era sólido ou semissólido, apto para forjamento.

Figura 1.2 Forja catalã. Fonte: Lankford (1984).

CAPÍTULO 2

Aparelho e insumos

Este capítulo faz uma breve descrição do processo de produção de gusa em altos-fornos, das matérias-primas mais comuns e de índices técnicos utilizados para fins de comparação.

2.1 ASPECTOS GERAIS O reator alto-forno funciona em regime de fluxo em contracorrente, de carga na direção vertical descendente e de gases no sentido ascendente. A carga é carregada no topo, em temperatura ambiente. Os gases que vão aquecer a carga, reduzir os óxidos e propiciar outras transformações são gerados na zona de combustão, em temperaturas da ordem de 2.200 °C. Resultam da reação entre os componentes de ar preaquecido, do coque/carvão vegetal carregado no topo e dos combustíveis auxiliares injetados nas ventaneiras. A Figura 2.1 mostra o fluxo de materiais para uma operação específica, a título de exemplo. A Figura 2.2 ilustra a disposição das matérias-primas no interior do forno, e o campo de temperaturas.

Figura 2.1

Redução de minérios de ferro em altos-fornos: uma introdução

Exemplo de fluxo de materiais em um alto-forno.

Fonte: elaborada pelo autor.

A carga contém o redutor, neste caso coque. Ferro está contido em minério cru, minério granulado (lumpy ore) que pode ser encontrado com diversos graus de pureza. É comum, como nesse caso, carregar aglomerados de minérios de ferro, pelotas (pellets) e/ou sínter (sinter). A composição de aglomerados pode ser escolhida, de forma que a ganga destes, após combinação com cinzas do redutor (e eventual combustível injetado nas ventaneiras), produza escória em volume e composição adequados. Se esse não for o caso, fundentes, como sílica, calcário, dolomita, podem ser adicionados no topo. Briquete é outro tipo de aglomerado que pode ser carregado no topo. A temperatura de carregamento é a temperatura ambiente. Pelas ventaneiras injeta-se ar, na maior parte dos casos enriquecido com oxigênio. A combinação de enriquecimento de oxigênio e temperaturas de sopro mais altas permite a injeção de combustível auxiliar pelas ventaneiras (neste caso óleo) e economia de redutor carregado no topo. A umidade do ar precisa ser controlada. Temperaturas de sopro são da ordem de 800 a 1.250 °C.

CAPÍTULO 3

Termodinâmica da redução e escórias

Dados termodinâmicos úteis ao entendimento da operação de redução de óxidos de ferro em altos-fornos estão disponíveis na literatura. Neste capítulo serão abordados alguns aspectos relativos à redução e às características das escórias.

3.1 A REDUÇÃO DOS ÓXIDOS DE FERRO Gases redutores, CO e H2, gerados na zona de combustão a partir da combustão / decomposição do redutor e combustíveis auxiliares e água, promovem a redução do ferro. Por exemplo, a redução indireta pelo carbono: 3 Fe O + CO = 2 Fe O + CO Fe OO + + CO CO = = 23 Fe FeOO++ COCO 3 Fe FeO + CO = Fe + CO Fe O3 Fe + CO FeO +Fe CO O + CO O = + 3CO =2 FeOFe + CO = CO Fe + O + = CO 3 FeO + CO

Fe =O Fe++HCO O Fe O + H E suas congêneres, pelo 3hidrogênio FeO=+2CO

O + +H H = = 23 Fe FeOO++ H HO O Fe O 3 Fe FeO + H = Fe + H O Fe O3 Fe + HO =+3HFeO +Fe H O =2 O +H O FeOFe +H O +H O O = + Fe H + = H3 FeO FeO + C = FeO Fe ++CO H = Fe + H O Como exemplo de redução direta pelo carbono, FeO + C = Fe + CO = 2FeCO(g) + CO (g)C = C(s) +FeO CO + (g) =e 2carvão C(s) + CO CO(g) vegetal, uma delas é a reatividade Entre as várias diferenças entre coque FeO +C(s) CO =+Fe CO = 2 CO(g) CO+(g) a um oxidante (no caso de um alto-forno, ao oxigênio, vapor-d’água, dióxido de FeO Fe=+2CO C(s)+ +CO CO =(g) CO(g) FeO + CO = Fe + CO C(s) + CO (g) = 2 CO(g) Fe O C(s)Fe O (g)Fe= 2 CO(g) + CO

FeO + CO = Fe + CO 3 Fe O + H = 2 Fe O + H O minérios H = 3deFeO + HdeOferro em altos-fornos: uma introdução Fe O +Redução FeO + H = Fe + H O

carbono). Mesmo em condições termodinâmicas FeO + C = Fe + CO favoráveis, a reação de Boudouard (ou de solution loss), de gaseificação do carbono, C(s) + CO (g) = 2 CO(g), 3 Fe O 3+ Fe =O 2+ FeCOO =+2CO FeCOO + CO Fe OFeO + COO =+ 3temperaturas FeO só ocorre em velocidade significativa em a um valor crítico. CO = Fe = ++CO Fe+ CO 3 CO FeO + superiores CO FeO +que CO = Fe + CO No caso do coque, considera-se este é quimicamente ativo acima de 950 ~ CO==2Fe + CO C(s) +FeO CO +(g) CO(g)

1.000 °C; portanto, basicamente o coque é inativo nas porções superiores do forno, H O =+2HFe =O 2+ 3 Fe O 3+ FeH OOdesta. +H O Fecarga onde age apenas como suporte da+ e permeador OH =Fe O + Fe 3 FeO H O + H O A reatividade do carvão Fe OFe Fe O + H = 3 FeO vegetal é maior e variável deFeO acordo com o suprimento; +H H Fe O + H O carvão vegetal começa a FeO=+FeH+= reagir em temperaturas marcantemente Feinferiores. O FeO Fe Fe O FeO + C = Fe + CO Decorre que a redução direta FeOsó + pode C = Feocorrer + CO em regiões em que o redutor é Fe , O quimicamente ativo; nas regiões inferiores do forno onde as temperaturas são altas. +FeO CO = 2(g) CO(g) ,(g) Além do mais, a reduçãoC(s) direta não tal C(s) +ocorre CO = 2como CO(g)escrito anteriormente. ocorre via solução gasosa em etapas: 1 + CO ( = )+ )Fe (CO +Fe = + CO = 280.821 + 85,187 FeO CO+= Redução indireta peloFeO CO: 2( ) 2 2 = 2(g) CO(g) Regeneração do gás: C(s) + CO C(s)(g) + CO = 2 CO(g) Algumas informações termodinâmicas relevantes de redução podem = 280.821 + 85,187 ao = processo 2,303 1/2 Fe O Fe Fe 2 ferro e de O O FeFe Opara Fe ser encontradas na literatura. Por exemplo, a formação de óxidos de 1 14.667 + 4, 449 = + 2 carbono, a Tabela 3.1 apresenta alguns dados. 2 2 Tabela 3.1 Id

Fe O Fe Fe O O FeFeO O

FeO , (g) FeO CO(g) = C(s) + 0,5 O 2 ( ) ,

CO2 (g) = C(s) + O2 (g)

c d e f

Fe FeO

Variação de energia livre de Gibbs de formação de alguns óxidos = 1,852 1= Fe OFe 2 O , Reação, ∆Go (J) 1

+2 2 ( )=

(g)

Turkdogan

395.157 + 0,544 T

Turkdogan

1 ( )++0,52 O(2(g)() +) = Fe0,947 O (s) = 0,947Fe(s) 2

) 263.591 – 64,319 T (2 ()+= 2( ) = 247.365 55,830 2,303 2 2

FeO (s) = Fe(s) + 0,5 O2 (g)

+14.667 4, 449 +=4, 449 2= + 2

1/2 2

Barin

Turkdogan

2 1/2 2

1 +2 2 2

247.365 + 55,830

280.821 + 85,187+ 85,187 =Turkdogan 280.821

269.542 – 62,52 T

3 Fe O12.919 + CO = 2 Fe O + CO 1 + 2,9158 =1.101.664 – 307,210 + T Fe3 O4 (s) = 3 Fe(s) +=2 O2 280.821 (g)Fe O ++ 85,187 CO = 3=FeO2,303 + =CO 2,303 2 = 280.821 + 85,187 CO Fe2 O3 (s) = 2 Fe(s) + 1,5 O2 (g) FeO + CO = Fe +2 813.733 – 250,544 T 2 = = 1,533 1 14.667

Fonte: Turkdogan (1980); Barin (1995).

Fonte

114.336 + 85,731 T

1/2 2Turkdogan

3 Fe O + H = 2 Fe O + H O = + diagrama = (1 + 1) ferro-oxigênio. 2 + (1 + 2) 2 2 + = 23+ 2+ A Figura 3.1 apresenta uma seção de equilíbrio São +H FeO H O Fe Odo = 1,852 1= = 1,852 1= H =2 Fe(H), ++H O2 (1 + 1)(M),2 wustita (W). mostradas as regiões de estabilidadeFeO de + hematita 2 magnetita 3=

(1 + 2) e 2 2 + 2em solução, 2 a omissão do Ferro, no estado sólido, admite 1 muito pouco oxigênio 1 )= ()+ (g) = 247.365 + 55,830+ 55,830 2 ( ) + 2FeO 2(Fe ( ) C = + CO + = (g) = 247.365 2 2 2 2 2 campo de estabilidade deste não prejudica a compreensão. (1 + 2) 3 2 = 2 (1 + 1) Nota-se que, em altas temperaturas, a magnetita não é estequiométrica. A redu= C(s) 247.365 + 55,830 2,303 (g) = 2=CO(g) =+ CO 247.365 + 55,830 = 2,303 1/2 /2 2 ção da magnetita em um alto-forno se dá em temperaturas da ordem de 11.000 °C e 2 12.919 + 3)(1 + 2) 2 = 3 (112.919 + 2) 2 + (1 + 2)1 2 = (1 1 + 2,9158 = + abaixo, de forma que essa característica não+é2,9158 importante. +2 2 FeO + CO = Fe + CO = 2 2 2 A wustita só é estável acima de 570 °C, o que sugere dois caminhos de redução 2 = = 1,533 (1 + 3)(1 + 2) C(s) + CO2 =(g) =222==1,533 CO(g) isotérmica dos óxidos de ferro. Abaixo de 5702 °C: 2 =

= 0,0718

+= (1 + = 1)(1 +2 +1) (1 + + 2)(1 2+ 2) Fe Fe 2 ++ Fe 2 +O 2 =+ 0,1100 2 =O 2 2 + 2 2 2 = 0,6375

+ 2 1) 2 + (1 + 1)(1 + = 1,1807= 2 = 3 = O2 + = FeO Fe = Fe 3O= 2 Fe 2 2 2 + (1 2+ 2)(1 2+ 2)

2 2

CAPÍTULO 4

Estado interno do forno

A partir dos anos 1970 do século passado, muito se avançou no sentido de compreender o funcionamento dos altos-fornos, com a melhoria da instrumentação, sondagens e dissecação desses reatores. Alguns resultados são discutidos neste capítulo.

4.1 RESULTADOS DE SONDAGEM A utilização de sondas verticais, seguindo a carga, sondas radiais de topo e na cuba, permitiu a coleta de informações sobre a temperatura e composição dos gases no interior de altos-fornos. A Figura 4.1 mostra um exemplo, para o caso de um alto-forno operando com marcha central (fluxo preferencial de gases no centro do forno, zona de amolecimento e fusão em forma de V invertido) proporcionada por menor razão minério/coque no centro do forno, que torna essa região mais permeável aos gases e logo região de fluxo preferencial. Observa-se menor utilização de gás de topo, por haver menos carga a ser reduzida nessa região. Como a amplitude da zona de preparação é menor na região central, os gases saem no topo a temperaturas maiores.

Redução de minérios de ferro em altos-fornos: uma introdução

1000

800

ηCO (%)

T (°C) 600

400

200

20 0

distância a partir da parede (m) Figura 4.1

Temperatura e grau de utilização de gás de topo, dados obtidos por sonda radial inserida na carga.

Fonte: Luckers (1992).

A descrição completa do processo requer tanto a distribuição radial como a distribuição longitudinal de matérias-primas e gases. A Figura 4.2 mostra um exemplo de sondagem vertical na cuba. Informação mais detalhada a respeito do estado da carga de altos-fornos em operação foi obtida em experimentos de dissecação. Nesses experimentos, o sopro de um alto-forno em operação normal foi interrompido, e o congelamento da carga no estado em que se encontrava no momento da interrupção foi obtido pela introdução de um refrigerante (nitrogênio, nitrogênio líquido, água) no topo do forno, o qual foi retirado pelas ventaneiras. Após resfriamento, a carga foi retirada progressivamente a partir do topo, camada por camada, e analisada para a determinação das fases presentes e de suas composições. Apesar do atraso inevitável em razão da inércia térmica, do prolongamento de algumas transformações e da compressão parcial da carga pela ausência da força de sustentação dos gases, uma descrição do estado da carga desde o topo até o cadinho foi realizada.

CAPÍTULO 5

O consumo de carbono

Com o lançamento das bases da termoquímica e a disponibilização de dados termodinâmicos das espécies químicas e de formações de soluções, o entendimento do processo de redução de ferro em altos-fornos evoluiu. Este capítulo trata da aplicação destes conceitos, para a determinação do consumo de combustível no alto-forno.

5.1 O PAPEL DO POTENCIAL DE OXIGÊNIO Goodeve (Hopkins, 1958) descreveu o processo de redução de óxidos de ferro em altos-fornos, empregando a evolução do potencial químico de oxigênio nos gases, desde o ponto de injeção nas ventaneiras até o topo do forno. De acordo com essa análise, Figura 5.1, oxigênio é injetado com o ar (~21% O2), em uma faixa de temperaturas da ordem de 800 a 1.200 °C; na figura o potencial de oxigênio nessa condição, ∆μO2 = RT ln(0,21 Psopro), é identificado pelo ponto 1. Na zona de combustão, o oxigênio é aquecido até temperaturas próximas da temperatura de chama e entra em contato com carbono do coque (ou carvão vegetal) em altas temperaturas: como resultado, o potencial de oxigênio é rebaixado a níveis próximos do equilíbrio C (s) + ½ O2 = CO, o que é identificado pelo ponto 2. Saindo da zona de combustão e enquanto o carbono estiver ativo quanto à reação com o oxigênio, o potencial de oxigênio oscila entre os valores referentes ao equilíbrio C (s) + ½ O2 = CO e ao

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Redução de minérios de ferro em altos-fornos: uma introdução

equilíbrio Fe + ½ O2 = FeO, em função do contato do gás ora com o óxido, ora com o redutor: ao mesmo tempo que a composição se altera, a temperatura do gás diminui, até ser alcançado o topo, ponto 3. Em um alto-forno o potencial de oxigênio é regulado pela temperatura e composição dos gases, pelas razões CO/CO2 e H2/H2O.

Figura 5.1

Diagrama de Goodeve e a redução de óxidos de ferro em altos-fornos.

Fonte: Hopkins (1958).

Hoje, à luz de melhor entendimento do funcionamento do alto-forno, dir-se-ia que a oscilação cessa ao redor de 950 °C (ou menos, para carvão vegetal), quando o carbono do coque deixa de reagir com o gás: nessa temperatura e abaixo dela o potencial químico segue uma linha definida pela redução indireta dos óxidos de ferro e diminuição de temperatura. Com um melhor entendimento do funcionamento dos altos-fornos, alcançados por sondagens radiais e longitudinais de carga e gases, e análise termodinâmica e cinética de alguns aspectos do processo, balanços de massa e energia passaram a ser empregados como ferramentas de controle.

CAPÍTULO 6

Trocas térmicas no alto-forno

Em um alto-forno, gases fluem na direção vertical ascendente, enquanto sólidos e líquidos fluem na vertical descendente. Nesse intercurso, gases, sólidos e líquidos trocam energias mecânica e térmica, além de passarem por transformações químicas. Neste capítulo, apresenta-se uma abordagem macroscópica das trocas térmicas entre carga (sólidos) e gases. Trabalho importante nesse sentido foi desenvolvido por Kitaev et al. (1967), ver Seshadri (2010), que incluiu as reações químicas nas equações de trocas térmicas por meio da consideração do calor específico efetivo. Basicamente, C = C

(

) ( )

onde ΔH é a variação de entalpia da reação e ΔT a faixa de temperatura onde presumivelmente ela ocorre. G

6.1 kgAQUECIMENTO J K . kg DE UM K LEITO DE PARTÍCULAS JPOR K . kgUM GÁS, K m s kg m s FLUXO EM CONTRACORRENTE Calor cedido pelo gás Calor absorvido pelas partículas Inicialmente se considera um leito de partículas em movimento, com vazão GS (kg/m² s) G C dT = G C dT , e, no sentido contrário, um fluxo gasoso com vazão GG (kg/m² s). Em uma fatia de leito, de espessura dz, são observadas as variações de temperatura do sólido e do gás, dTS e dTG, respectivamente (Figura 6.1). G C dT = = dT G C

170

Redução de minérios de ferro em altos-fornos: uma introdução

Figura 6.1

Esquema de trocas térmicas entre leito de partículas e gás.

Fonte: elaborada pelo autor.

Um equacionamento das trocas térmicas pode ser realizado se forem feitas suposições simplificadoras. Por exemplo, que não existem gradientes térmicos significativos no interior de cada partícula, o que equivale a dizer que a condutibilidade térmica do material da partícula é grande comparativamente ao coeficiente de película de transferência de calor. Objetivamente, o número de Biot deve atender à condição Bi = h (J/m².K .s) R(m)/(k (J/m.K .s) ≤ 0,1, onde h é o coeficiente de película, R é o raio da partícula e k a condutibilidade térmica da partícula. As capacidades caloríficas do solido, , e do gás, , variam pouco ao longo da coluna de carga, de forma que seus valores podem ser substituídos por valores médios representativos, o que não introduz erros significativos. Considera-se estado estacionário, o que significa que em cada ponto, temperatura, velocidade e propriedades de gás e sólido não variam com o tempo. Não ocorrem reações químicas (ou a entalpia delas pode ser artificialmente in( é adiabático ) corporada ao calor específico e o+sistema (o que exclui perdas C da = carga) C , . ( ) térmicas para as paredes do reator que comporta o leito). Assim sendo, o balanço de energia (de trocas( térmicas na fatia infinitesimal do ) C = C + , leito) se escreve (todas as variáveis em. módulo): ( ) = G dT dT C C J K . kg K J K . kg K kg m s kg m s Calor cedido pelo gás Calor absorvido pelas partículas = G G dT dT C C K K J K . kg J K . kg kg m s kg m s G C dT = G C dT , Calor cedido pelo gás Calor absorvido pelas partículas G

o que permite, convenientemente, G C definir dT = Ga função C dT , α, razão dos fluxos térmicos de sólidos e de gás, a qual reflete, comparativamente, as variações em temperatura de G C dT = = gás e de sólido: dT G C G C dT = = dT G C G C dT Calor cedido pelos gases G C dT

= =

h Coeficiente volumétrico de trocas térmicas h

dz Espessura da fatia de leito dz

T T Força motriz para trocas térmicas T T

CAPÍTULO 7

Interações químicas gás-metal-escória

As reações de redução podem ser consideradas as mais importantes em um alto-forno. No entanto, outras reações determinam a qualidade do metal (composição) e interferem na operação do reator. Algumas são abordadas neste capítulo, bem como alguns aspectos da chama na zona de combustão.

7.1 INCORPORAÇÃO DE ALGUNS ELEMENTOS AO GUSA; ESCÓRIA NO ALTO-FORNO São vários os elementos que podem se distribuir entre gusa e escória (e em menor grau aos gases do topo e poeiras): cromo, titânio, fósforo, enxofre, sódio, potássio, zinco etc.

7.1.1 Fósforo Para as condições predominantes em um alto-forno, pode-se considerar que todo o fósforo da carga vai para o gusa. Portanto, a alternativa única para controlar o fósforo do gusa é controlar a quantidade carregada.

7.1.2 Nitrogênio Nitrogênio é solúvel em ferro líquido, mas raramente contabilizado. Isso porque sua maior parte é extraída do banho durante estágios posteriores de refino, não

192

Redução de minérios de ferro em altos-fornos: uma introdução

representando um problema de qualidade. O teor de nitrogênio pode ser estimado, considerando conhecidas a temperatura, pressão parcial de nitrogênio e a presença de outros solutos no líquido. Por exemplo, para um gusa a 1.450 °C, contendo 0,8% silício, 4,5% carbono, sob pressão parcial de nitrogênio igual a 2 atm, pode-se escrever: 1/2N G = 3.600 + 23,90 T J 2(g) = N% 2 1/2N N% 2(g) = % G 1/2N G = = 3.600 3.600 + + 23,90 23,90 T T JJ 1/2N22(g) (g) = =N N% % G = 3.600 + 23,90 T J ee = 0; 0; eee = = 0,13; 0,13; eee = = 0,047 0,047 = ee = = 0; 0; e = = 0,13; 0,13; e = = 0,047 0,047

A constante de equilíbrio pode ser estimada como K= = ee K K K= = ee

/ // /

h h h = 0,044 = h/ = 0,044 = = 0,044 = P = 0,044 = P /// P P

ff %N %N ff %N = %N = // = = P / P / P P

Portanto,

onde logf logf logf logf

1 1 1 logK = logf + log%N 1 logP , logK = logf + log%N logP logK = logf + log%N logP 2 1/2N2(g) = N=% logf G =+3.600 + 23,90 T J ,,, logK log%N logP 2 2 2 e = 0; e = 0,13; e = 0,047 = ee %N = %N + + eee %C %C + + eee %Si %Si = =0 0 × × %N %N + + 0,13 0,13 × × 4,5 4,5 + + 0,047 0,047 × × 0,8, 0,8, = = ee %N %N + + e %C %C + + e %Si %Si = =0 0 × × %N %N + + 0,13 0,13 × × 4,5 4,5 + + 0,047 0,047 × × 0,8, 0,8,

o que resulta em

K=e

= 0,044 =

h /

f %N /

P P log 0,044 = (0 × %N + 0,13 × 4,5 + 0,047 × 0,8 + log%N log 0,044 = (0 × %N + 0,13 × 4,5 + 0,047 × 0,8 + log%N log 0,044 0,044 = = (0 (0 × × %N %N + + 0,13 0,13 × × 4,5 4,5 + + 0,047 0,047 × × 0,8 0,8 + + log%N log%N log

1 1 1 P 1 log log P log P 2 log P 2 2 2 1 1 1 log2 log0,044 = log2 log0,044 = (0 (0 × × %N %N + + 0,13 0,13 × × 4,5 4,5 + + 0,047 0,047 × × 0,8 0,8 + + log%N log%N 1 log2 log0,044 log0,044 = = (0 (0 × × %N %N + + 0,13 0,13 × × 4,5 4,5 + + 0,047 0,0471 × × 0,8 0,8 + + log%N log%N 2 log2 2 2 2 logK = logf + log%N logP , %N = 0,0148 ou 148 ppm de nitrogênio. 2nitrogênio. %N = 0,0148 ou 148 ppm de %N %N = = 0,0148 0,0148 ou ou 148 148 ppm ppm de de nitrogênio. nitrogênio.

7.1.3 Manganês logf = e %N + e %C + e %Si = 0 × %N + 0,13 × 4,5 + 0,047 × 0,8, O carbonatoMnO(s) de manganês é=facilmente decomposto na zona superior do alto-forno, + C(s) Mn(l) + CO(g) G = 173,22T G = 290.300 290.300 173,22T JJJ MnO(s) + C(s) = Mn(l) + CO(g) G 290.300 MnO(s) + C(s) = Mn(l) + CO(g) embora esseMnO(s) tipo de+composto só esteja presente material173,22T cru (fundentes e miG = =em 290.300 173,22T J C(s) = Mn(l) + CO(g) nério in natura). Em coque, carvão vegetal, sínter e pelota (os dois últimos as maio1 res fontes manganês), manganês está de0,8 óxidos, MnO, Mn logde 0,044 = (0 × %N + 0,13 × 4,5na + forma 0,047 × + log%N log O P e Mn2O3. 2 3 4 G = 38,10 T J = Mn Os óxidos superiores são Mn facilmente reduzidos a MnO nas condições prevalecentes (l) (l) = G 38,10 T J Mn Mn% % G = = Mn 1 (l) = = 38,10 38,10 T T JJ Mn (l) = Mn Mn% % 4,5 log0,044 = (0 × %N +de0,13 × + 0,047 × 0,8 + log%N log2 tempede temperatura e composição gases naGcuba. A redução do MnO requer 2 raturas mais altas e menor potencial de oxigênio, que só ocorrem na zona de elabo%N= = Mn 0,0148 ou 148 ppm de MnO(s) + C(s) + CO(g) G = nitrogênio. 290.300 211,32 T J = + G T % MnO(s) + C(s) = Mn Mn% + CO(g) CO(g) G = =a 290.300 290.300 211,32 T JJJ ração. CercaMnO(s) de 80%+ doC(s) manganês ao gusa, depender 211,32 das condições térmicas % passa MnO(s) + C(s) = Mn G = 290.300 211,32 T % + CO(g) na região inferior do forno. A distribuição de manganês entre escória e metal pode ser estimada considerando o equilíbrio MnO(s) + C(s) = Mn(l) + CO(g)

G = 290.300

173,22T J

CAPÍTULO 8

Fluxo de gases e líquidos

Vários aspectos da dinâmica de fluidos (gases, metal e escória) no alto-forno precisam ser tratados com consideração. Por exemplo, a interação entre gases ascendentes e a carga sólida na zona granular. Nessa região, partículas de maior tamanho são preferíveis por facilitar o fluxo de gases e garantir a produtividade (desde que não tão grandes a ponto de comprometer a redutibilidade) e a transferência de calor. Já na zona de elaboração, a velocidade excessiva dos gases e/ou grandes volumes de escória podem levar, em pontos localizados, a retenção do líquido e eventual inundação do leito, o que compromete o fluxo gasoso. Metal e escória, no seu caminho até o cadinho, precisam percolar o homem-morto.

8.1 PERDA DE CARGA NO LEITO Energia mecânica precisa ser empregada para forçar os gases através da coluna de carga. O resultado é uma perda de carga (queda de pressão) entre os extremos do leito. A queda de pressão em um leito, em regime isotérmico, sendo permeado por um fluido com densidade e viscosidade constantes, pode ser obtida pela equação de Ergun: (1 w) P = 150 L w

V + 1,75

(1 w) P = 1,75 V L w d

w) w

224

Redução de minérios de ferro em altos-fornos: uma introdução

Nessa equação, ∆P é a queda de pressão no leito; L é o comprimento do leito; d é o diâmetro das partículas; L é o fator forma da partícula; w é a fração de vazios do leito (ou porosidade do leito); η simboliza a viscosidade dinâmica do fluido; ρ é a massa específica do fluido; Vo é a velocidade em vazio do fluido (razão entre vazão e área de seção reta do reator). É fácil notar que, se dados típicos de operação de um alto-forno forem inseridos (1 w) (1 w) P a parcela na equação de Ergun, inercial V(contribuição turbulenta) é muito mais + 1,75 V = 150 w d w d L importante que a parcela devida à viscosidade. Daí a equação costuma ser empregada como (1 w) P = 1,75 V w d (1 w) (1 L w) P V + 1,75 V = 150 w d w d L (1 w) dP = ±1,75 V w d (1 w) (1dz w) P V + 1,75 V = 150 d(1 w) w d L Pw A última versão, forma diferencial, = 1,75 é empregadaV quando se quer levar em conta L w d fluidos de propriedades variáveis ao longo do leito e/ou leitos com variação espacial P (1 do w)(1 g de suas características (que LédP o=Pcaso alto-forno). (1 w) w) =±1,75 1,75 VV = L w d dz de pressão w De qualquer forma, a queda impõedum limite operacional ao forno:

para que a carga seja processada, é necessário que seu peso seja maior que a força (1 w) dP V relacionada à queda de pressão= e±1,75 empuxo. A situação-limite (a partir da qual o w d dz P leito pode alcançar fluidização, atingir engaiolamento fluidodinâmico) pode ser = (1 w)g = 1,75 w d gV L expressa como: 1 g P = (1 L G

1,75

w)w d 1,75 g = 1,75

( V) g

w d

g V

1 ( V) 1,75 w w) d G P g(1 = 1,75 V 1,75 wg d dw L w d G 1 1,75 ( V) g 1,75 w d d wG gG G (kg/(m²s) é a vazão mássica PG de gás (neste caso, a vazão que produz engaiola= 1,75 dprodutividade w mento, que está relacionada àLmáxima (1 w) GK1 do forno), sendo fortemente P 1,75 1,75(1 w) influenciável por parâmetros que do L estão “ao alcance” w d operador do alto-forno, como g

densidade do gás, tamanho das partículas e porosidade do leito. P Para se afastar de engaiolamento fluidodinâmico, G(1d ww) GG o forno deve ser operado com 1,75 d será maior e, por consequênPL K1 = médiaw alta pressão de topo (então a pressão forno = 1,75 (1no w) dw K1 L cia, a densidade do gás, ρ = PM/RT); as partículas devem ser do maior tamanho 1,75 (1 G w) G possível (desde que compatívelPcom os requisitos de permeabilidade e transferência = de calor). d(1 w w) K1 L dP = 1,75 1,75(1 d w V w) w d dz K1 = 1,75 (1 w)

REDUÇÃO DE MINÉRIOS DE FERRO EM ALTOS-FORNOS

CONTEÚDO Prefácio

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SILVA

COLEÇÃO DE LIVROS

CARLOS ANTÔNIO DA SILVA

REDUÇÃO DE MINÉRIOS DE FERRO EM ALTOS-FORNOS UMA INTRODUÇÃO

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

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