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3 Pelotas de Minrio de Ferro
As pelotas so aglomerados de finos de minrio de ferro pellet feed
gerados na lavra. Junto com o snter e o minrio granulado, as pelotas so as
principais cargas de alimentao dos fornos de reduo para a obteno do ferro
primrio.
As usinas de pelotizao produzem diversos tipos de pelotas de minrio de
ferro, as quais devem atender s diferentes especificaes exigidas pelos clientes.
Muitos fatores podem favorecer a degradao das pelotas, tais como a longa
distncia entre as usinas e as movimentaes entre os ptios de estocagem para o
carregamento e descarregamento dos navios. Por isso, a qualidade da pelota
produzida deve ser superior da pelota embarcada (Silva, 2010).
Dependendo da composio qumica, das propriedades fsicas e das
caractersticas metalrgicas, as pelotas podem ser de dois tipos:
Pelotas de alto-forno, utilizadas na produo do ferro gusa;
Pelotas de reduo direta, utilizadas na produo do ferro esponja.
As pelotas de minrio de ferro que alimentam os reatores de reduo direta
tm composio diferente das que alimentam os altos-fornos, principalmente o
teor de slica (SiO2). As pelotas de alto-forno apresentam propriedades bsicas
isto , maior basicidade binria, que dada pela relao CaO/SiO2, e as pelotas de
reduo direta apresentam propriedades cidas (menor basicidade binria). A
Tabela 1 mostra a composio tpica das pelotas de alto-forno e de forno de
reduo direta produzidas pela Vale.
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Tabela 1 Composio qumica de pelotas da Vale (Tubaro)
Substncia
Pelota de Reduo
Direta
(Tubaro)
Pelota de Alto-Forno
(Tubaro)
Fe 67,80% 65,70% SiO2 1,25% 2,45% Al2O3 0,55% 0,65% CaO 0,65% 2,64% P 0,028% 0,030%
Fonte: . Acesso em: 15 set. 2011)
Em geral, os dois tipos de pelotas devem apresentar as seguintes
propriedades:
Distribuio uniforme de tamanho (na faixa de 10 a 15 mm de dimetro)
para que os gases possam fluir em contra-corrente com o leito formado,
pois materiais muito finos podem prejudicar a permeabilidade,
impedindo a passagem dos gases e, consequentemente, gerando
caminhos preferenciais dentro do forno.
Grande concentrao de ferro (maior que 63%);
Composio mineralgica uniforme (hematita ou magnetita);
Porosidade na faixa de 22 a 30%;
Baixa sensibilidade abraso;
Resistncia mecnica adequada;
Baixa susceptibilidade ao inchamento;
Manuteno das caractersticas mecnicas mesmo em atmosferas
fortemente redutoras.
Tendo em vista sua importncia no processo siderrgico, a caracterizao
microestrutural das pelotas pode contribuir para a compreenso do seu
comportamento nos processos de reduo (Wagner et al., 2009), possibilitando a
melhoria da qualidade do material e, consequentemente, da eficincia do processo.
Para isso, torna-se necessrio o estudo de sua composio mineralgica, do seu
processo de formao e o entendimento das etapas de preparao a fim de adequ-
las s caractersticas necessrias para a exportao e fornos de reduo.
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3.1. Processo de Pelotizao
A pelotizao um processo de aglomerao com o objetivo de agregar a
parcela de finos de minrio (tamanho inferior a 0,15 mm) em esferas com
granulometria e qualidade adequadas as pelotas para sua utilizao direta no
processo siderrgico.
Para que sejam produzidas pelotas uniformes e de boa qualidade,
necessrio levar em considerao a grande variedade de propriedades dos
minrios, tais como a sua mineralogia, tamanho e forma das partculas, hbito
cristalino e composio qumica. Embora, atualmente, as diferentes propriedades
dos minrios possam ser compensadas, os parmetros do processo de pelotizao
devem ser variados e selecionados de acordo com o tipo de minrio envolvido.
Neste captulo, sero discutidas as caractersticas finais que as pelotas
devem apresentar; o preparo do minrio e das demais matrias-primas requeridas
para o processo de pelotizao; os equipamentos utilizados para a formao das
pelotas cruas; e, por fim, os processos finais para a obteno das propriedades
essenciais para o seu manuseio e transporte e para o seu bom comportamento
durante a reduo.
O processo de pelotizao pode ser entendido atravs do fluxograma da
Figura 5.
Figura 5 Fluxograma do Processo de Pelotizao (Costa, 2008)
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Como em qualquer processo de produo, a qualidade do produto final
depende do sucesso em cada uma das etapas. Por exemplo, no possvel obter
pelotas com boa resistncia na etapa de endurecimento se elas tiverem sido mal
formadas nas etapas anteriores.
3.1.1. Preparao das Matrias-Primas
Conforme as funes desempenhadas no processo de pelotizao e na
composio qumica do produto final, as matrias-primas utilizadas podem ser
divididas em dois grupos:
materiais ferrferos, representando a matriz da pelota; e
materiais livres de ferro, tais como aglomerantes e aditivos. Os
aglomerantes e aditivos exercem as funes de facilitar a fabricao das
pelotas (aglomerantes), de fornecer boa qualidade fsica e mecnica
(aglomerantes e aditivos) e a de modificar as propriedades metalrgicas
das pelotas (aditivos) (Meyer, 1980).
O processo de formao de pelotas inicia-se na preparao de sua matria-
prima principal, o pellet feed. A parcela fina do minrio de ferro, gerada nas
etapas de britagem e de classificao, processada visando o aumento do teor de
ferro atravs de flotao e separao magntica, por exemplo (ver Figura 1). O
objetivo reduzir componentes indesejveis, como a slica e a alumina (Borim,
2000). Este concentrado modo e filtrado, onde se obtm pouco mais de 80% do
pellet feed com granulometria abaixo de 45 m, pois quanto maior a superfcie
especfica do material, mais a aglomerao facilitada. Alm disso, o material
filtrado deve conter um teor de gua de aproximadamente 9%, que o
considerado adequado para o preparo posterior (Silva, 2010).
A partir da, o pellet feed est pronto para seguir no processo de
pelotamento, cujas etapas consistem na mistura de aditivos e aglomerantes (ainda
na etapa de preparao das matrias-primas), formao de pelotas cruas (tambm
denominadas pelotas verdes) e endurecimento das pelotas.
Os aglomerantes servem para melhorar a formao das pelotas,
proporcionando plasticidade ao material e tambm maior rigidez mecnica. Ao
longo do tempo, uma grande quantidade de substncias orgnicas foi testada para
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este fim. Porm, atualmente, apenas a bentonita (mistura de argilas), a cal
hidratada (Ca(OH)2), o calcrio (rochas sedimentares com mais de 30% de
carbonato de clcio) e a dolomita (mineral de carbonato de clcio e magnsio -
CaMg(CO3)2) so usados no processo de pelotizao. Alguns desses
aglomerantes, como a dolomita, a cal hidratada e o calcrio, podem ser usados
simultaneamente como aditivos.
Os aditivos so usados para modificar a composio qumica das pelotas,
servindo especialmente para corrigir a basicidade. Tambm podem ser
adicionados finos de coque ou antracito, com a finalidade de reduzir o consumo
de combustvel requerido para que ocorra a combusto interna da pelota.
Como uma alternativa de reduo no custo de produo, pode-se adicionar
alguns desses aglomerantes e/ou aditivos na etapa de moagem do concentrado de
minrio de ferro, possibilitando a utilizao desses compostos com maior
granulometria (Borim, 2000).
Alm destes insumos citados, adicionada gua ao processo, para atuar
como agente de ligao entre as partculas. Isso ser mais bem discutido no
captulo a seguir.
3.1.2. Formao das Pelotas Cruas
As pelotas formadas nesta etapa devem apresentar resistncia mnima para
manuseio local (Mouro et al., 2007).
Por ser uma etapa crtica, muitos estudos vem sendo feitos acerca deste
assunto. necessrio conhecer as teorias e os mecanismos de aglomerao de
finos para compreender o processo de formao de pelotas cruas.
Os fatores mais importantes na formao e nas propriedades das pelotas
cruas so:
Foras fsicas, tais como as foras de Van der Waals, magnticas ou
eletrostticas;
Fatores dependentes das partculas, tais como rea superficial, forma,
estrutura cristalina e distribuio granulomtrica;
Foras capilares e tenses superficiais geradas pela adio de gua ao
processo.
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As variveis de processo que influenciam diretamente nestes fatores so:
quantidade de gua adicionada; tamanho e forma das partculas; e as foras
executadas pelo tipo de equipamento utilizado.
O processo de aglomerao na formao da pelota pode ser visualizado na
Figura 6. Quando uma partcula umedecida, um filme fino de gua formado na
sua superfcie (Figura 6-a). Ao entrar em contato com outra partcula mida,
ocorre uma ligao entre estes filmes. As partculas inicialmente unidas por esta
ligao so o ncleo, no qual ocorrer todo o crescimento da pelota (Figura 6-b).
Os ncleos formados vo sendo rotacionados e mais partculas vo sendo aderidas
a eles (Figura 6-c e Figura 6-d), gerando bolas (Srb & Ruzickov, 1988). Em
outras palavras, o processo realizado similar ao de uma bola de neve rolando
numa ladeira ngreme, o que resulta num corpo redondo.
No entanto, uma grande quantidade de ar ainda fica presente no interior da
pelota, o que prejudicaria sua resistncia mecnica. Todavia, medida que as
partculas vo se chocando entre si e com as paredes do equipamento, o ar recluso
vai sendo expelido e as foras de ligao vo sendo intensificadas (Figura 6-e).
Esse processo ocorre at as foras de ligao estarem desenvolvidas e as pelotas
prontas para seguir nas etapas posteriores (Figura 6-f).
As partculas se mantm aglomeradas atravs da fora de capilaridade
causada pela tenso superficial. A tenso superficial gerada pela coeso entre as
molculas do lquido e pela adeso entre o lquido e a superfcie do material.
Figura 6 Mecanismo de formao da pelota
Como no h garantia de as partculas serem umedecidas uniformemente, o
processo de iniciao dos ncleos pode ocorrer de diferentes formas. A formao
do ncleo depende do grau de umidade das partculas que, por sua vez, depende
da gota de lquido atingir uma partcula. O excesso de gua ou a forma desigual
(a) (b) (c) (d) (e) (f)
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das partculas serem umedecidas tendem a gerar pequenos grupos, fazendo com
que as pelotas cresam de forma irregular e maiores do que deveriam ser (Figura
7) (Srb & Ruzickov, 1988).
Figura 7 Crescimento das pelotas: (a) arredondada; e (b) irregular (Srb & Ruzickov,
1988)
A operao de formao de pelotas cruas um processo contnuo e pode ser
feito por dois tipos de equipamentos: disco de pelotizao e tambor rotativo.
Os discos de pelotizao so atualmente os equipamentos mais utilizados.
As principais funes que podem variar no disco so:
Velocidade de rotao;
ngulo de inclinao.
O mecanismo de formao da pelota crua, do crescimento e da descarga do
produto num disco pelotizador se encontra na Figura 8.
Figura 8 Princpio de funcionamento do disco de pelotizao: (a) Vista lateral do disco
de pelotamento e a formao de diferentes camadas. (b) Vista frontal do disco de
pelotamento e a movimentao das pelotas cruas em vrias etapas de crescimento.
(Matos, 2007)
(a) (b)
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O tambor rotativo consiste num cilindro com movimentos rotativos aberto
em ambas as extremidades (Figura 9). As principais variveis de processo so:
ngulo de inclinao do eixo horizontal;
Nmero de voltas por unidade de tempo.
Figura 9 Princpio de funcionamento dos tambores rotativos (Srb & Ruzickov, 1988)
3.1.3. Endurecimento das Pelotas Cruas
Em virtude da resistncia mecnica requerida para que as pelotas possam
suportar o transporte e os esforos durante os processos metalrgicos, as pelotas
cruas ou verdes precisam passar por um processo de endurecimento. O processo
de endurecimento consiste num tratamento trmico em uma atmosfera controlada,
que pode ser dividido nas seguintes etapas:
Secagem;
Pr-queima;
Queima;
Ps-queima;
Resfriamento.
Na secagem, ocorre a evaporao de toda a umidade existente nas pelotas. A
gua pode estar contida nas pelotas de diversas formas:
Nos interstcios entre as partculas;
Dentro de poros dos gros de minrio, caso este seja poroso;
Quimicamente combinada, como em goethita e limonitas;
Incorporada dentro dos aglomerantes como a bentonita;
Como hidrato nos aglomerantes que tendem para a formao de
hidratos, como, por exemplo, Ca(OH)2 ou Mg(OH)2;
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Presente em sais adicionais.
Somente uma parte desta gua evapora a 100C. Outros compostos que
contm gua, como sais e hidratos, s perdem sua gua em altas temperaturas.
Para evitar que ocorram rachaduras ou fragmentaes nas pelotas, a
velocidade de secagem deve ser ajustada para diferentes combinaes (Meyer,
1980). Nesta etapa, as pelotas devem resistir s tenses internas que surgem em
funo da evaporao de gua contida nos poros.
A secagem ocorre em 2 estgios: inicialmente a secagem ascendente e, em
seguida, a secagem descendente. Esses estgios diferem na velocidade com que
ocorre o processo de secagem.
A secagem engloba a converso da umidade em gs, a retirada do vapor
formado na superfcie da pelota e a descarga destes gases em ambientes prprios
(Srb & Ruzickov, 1988).
Aps a secagem feita a pr-queima (ou pr-aquecimento), na qual ocorre
um crescimento do perfil de temperatura das pelotas (a temperatura elevada de
300-350C para 1250-1340C). Nesta etapa, acontece a decomposio de hidratos,
carbonatos e sulfatos, a queima do enxofre de compostos sulfurados e a converso
de xidos de ferro, tais como a magnetita e a limonita, em hematita o estado
mais oxidado (Meyer, 1980 apud Borim, 2000).
A queima das pelotas, em geral, ocorre numa temperatura de
aproximadamente 1300C que permanece constante durante cerca de 10 min.
Porm, esta temperatura e perodo de permanncia podem variar de acordo com o
tipo de minrio. nesta etapa que as pelotas adquirem as caractersticas
fundamentais para o transporte e para o processamento metalrgico. A resistncia
mecnica adquirida est diretamente relacionada ao tamanho dos cristais obtidos
nesta etapa, que, por sua vez, dependem da temperatura e do tempo aos quais as
pelotas so submetidas.
A qualidade das pelotas queimadas pode ser avaliada atravs dos seguintes
fatores:
Mudana da estrutura cristalina devido oxidao da magnetita para a
hematita ou ao crescimento dos cristais de hematita (Meyer, 1980);
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Formao de uma escria vitrificada entre as partculas de minrio
devido fuso de componentes, tais como slica, alumina, calcrio, cal e
dolomita (Nunes, 2004).
A temperatura de queima, portanto, deve estar abaixo da temperatura de
fuso, mas dentro da faixa de temperatura de reatividade dos componentes da
ganga e dos aditivos, para que as primeiras pontes cristalinas comecem a ser
formadas. Temperaturas maiores do que esta resultariam em um maior
crescimento e arredondamento dos cristais, porm, dependendo das condies,
poderia ocasionar a dissociao da hematita em magnetita e oxignio, diminuindo
a resistncia das pelotas.
A ps-queima consiste numa etapa de curta durao, em que a temperatura
vai sendo reduzida e o calor vai sendo transferido ao longo do leito, de forma que
todas as pelotas fiquem com a mesma temperatura.
O resfriamento a ltima etapa do ciclo trmico das pelotas e, caso seja
feito de forma muito rpida, pode gerar trincas na estrutura, degradando a
qualidade das pelotas (Borim, 2000). Alm disso, nesta etapa, recupera-se o calor
absorvido pelas pelotas durante o tratamento trmico. O calor recuperado e
reutilizado nas etapas de secagem, pr-queima e queima (Silva, 2010).
O endurecimento das pelotas cruas pode ser feito em trs tipos de fornos, a
saber:
Forno Vertical (Shaft Furnace);
Forno Rotativo (Rotary Kiln);
Forno de Grelha Mvel (Travelling Grate).
A escolha do tipo de tecnologia feita em funo de diversos fatores, desde
a capacidade da usina de pelotizao at as caractersticas do minrio de ferro
utilizado (Mendes, 2009).
O grfico da Figura 10 apresenta a capacidade dos fornos para a pelotizao
utilizados em alguns pases. O forno mais utilizado para o processamento trmico
das pelotas o de grelha mvel (Figura 11), configurando cerca de 60% de toda a
produo mundial de pelotas.
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Figura 10 Tipos e capacidade de fornos utilizados para a pelotizao em alguns pases
(VALE, 2010)
Figura 11 Forno de Grelha Mvel (VALE, 2010)
O perfil de temperatura tpico de um forno de grelha mvel pode ser
observado na Figura 12.
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Figura 12 Perfil trmico de um forno tipo Grelha Mvel (Costa, 2008)
3.2. Grau de Maturao
A consolidao das pelotas se d na etapa de queima e causada pela
recristalizao e crescimento dos cristais associado s reaes de sinterizao.
Quando os aglomerados so expostos a altas temperaturas, prximas ao
ponto de fuso, os tomos difundem de uma partcula para outra para formar as
primeiras pontes cristalinas. Isto acontece porque a energia da superfcie maior
do que a da partcula, fazendo com que a difuso da partcula para a ponte seja
maior e aumente seu tamanho (Julien, 2007 apud Costa, 2008). A Figura 13
mostra um desenho esquemtico do fenmeno de sinterizao.
Figura 13 Desenho esquemtico do fenmeno de sinterizao (Julien, 2007 apud
Costa, 2008)
Tendendo para um equilbrio termodinmico, as partculas muito finas, que
possuem maior energia de interface, se aglomeram em partculas grandes, fazendo
com que a energia livre diminua. Com um tempo de reao suficiente e
temperatura adequada no processo, as partculas vo se aproximando da forma
esfrica.
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Uma parcela obtida pela agregao de vrias partculas adquire a mesma
orientao cristalogrfica, consistindo, assim, de um nico cristal, embora com
superfcie irregular e englobando muitos poros.
No entanto, em temperaturas acima de 1350C, em determinadas condies,
a hematita se dissocia em magnetita e oxignio, o que resulta numa diminuio da
resistncia das pelotas.
A presena de aditivos contribui para acelerar o crescimento dos cristais em
temperaturas menores. Alm disso, SiO2 na forma de reativos se combina com os
gros de minrio, formando pontes de silicato entre eles (Meyer, 1980).
A Figura 14 apresenta as micrografias, obtidas por microscopia tica, de
uma pelota crua, antes do processo de queima, e de uma pelota queimada. A
matriz, inicialmente constituda por muitas partculas dispersas, torna-se uma rede
slida contnua rodeada por poros.
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(a)
(b)
Figura 14 (a) Micrografia de uma pelota crua; (b) Micrografia de uma pelota queimada
(sinterizada)
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Na presente dissertao, a evoluo da microestrutura das pelotas dividida
em quatro classes denominadas Graus de Maturao, a saber: A, B, C e D. A
seguir sero descritas as caractersticas de cada classe.
Grau A:
As partculas hematticas ainda so bastante angulosas e a coeso entre as
partculas baixa, pois somente as mais finas comeam a ser modificadas pelo
processo de coalescncia (Figura 15). Essas caractersticas configuram uma pelota
de baixa resistncia fsica.
Figura 15 Imagem tpica de uma pelota com grau de maturao A.
Grau B:
o incio do estgio de assimilao das partculas e o estgio inicial do
ajuste morfolgico, porm a coeso entre as partculas ainda baixa. A coeso se
d, principalmente, pelo ajuste de interfaces entre as partculas de hematita mais
prximas. Nesta classe, nota-se o aparecimento de ferrito de clcio e aparecimento
de poros, causado pela desintegrao do calcrio e do carvo. A resistncia ainda
no suficiente para que a pelota siga no processo metalrgico.
A Figura 16 uma micrografia tpica de uma pelota de grau de maturao
B.
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Figura 16 Imagem tpica de uma pelota com grau de maturao B.
Grau C:
O ajuste morfolgico intenso e a estrutura torna-se mais compacta,
propiciada pelo maior ajuste entre as partculas de hematita (eliminao das
arestas) e pela assimilao dos demais xidos (silicatos) devido liquefao do
ferrito de clcio.
Pode-se observar na Figura 17 as partculas arredondadas e as pontes de
escria lquida existentes entre os gros, caractersticas de uma pelota com grau de
maturao C.
Com esta microestrutura, a pelota possui a resistncia adequada para ser
transportada e alimentar os fornos de reduo. Pode-se considerar que as
condies de processo que acarretam este tipo de microestrutura so as ideais.
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Figura 17 Imagem tpica de uma pelota com grau de maturao C.
Grau D:
O ajuste morfolgico praticamente completo (Figura 18). As partculas
apresentam formas irregulares, compostas por pequenos poros, os quais foram
envoltos pela coalescncia das partculas. Pode-se encontrar nesta microestrutura
alguma magnetita que no se reoxidou durante o resfriamento. Apesar da estrutura
relativamente mais compacta, as pelotas desta classe comeam a perder
resistncia.
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Figura 18 Imagem tpica de uma pelota com grau de maturao D.
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