Escória e seu papel na fabricação de ferro de alto-forno

Escória e seu papel na fabricação de ferro de alto-forno

O alto-forno (BF) é o mais antigo (com mais de 700 anos) dos vários reatores que estão sendo usados ​​nas siderúrgicas. É usado para a produção de ferro líquido (metal quente). O alto-forno é um reator complexo de contracorrente de alta temperatura e tem a forma de um eixo no qual os materiais de suporte de ferro (minério, sinter/pellet) e coque são carregados alternadamente no topo juntamente com materiais de fluxo (calcário, dolomita etc.) para criar uma carga em camadas no forno. O ar pré-aquecido é soprado da parte inferior do forno através das ventaneiras. Este ar quente reage com o coque para produzir gases redutores. A carga de minério descendente (óxidos de ferro) é reduzida pelos gases redutores ascendentes e é derretida para produzir metal quente. Os materiais de ganga e cinzas de coque fundem para formar escória com os materiais fundentes. Os produtos líquidos (metal quente e escória) são drenados do forno em determinados intervalos através do orifício da torneira. A qualidade do gusa obtido depende da formação da escória e de suas transformações mineralógicas. Uma escória de boa qualidade é necessária para um metal quente de qualidade. A escória é uma mistura de compostos químicos de baixo ponto de fusão formados pela reação química da ganga da carga de ferro e cinzas de coque com os materiais de fluxo na carga. Todos os compostos não reduzidos, como silicatos, aluminossilicatos e aluminossilicatos de cálcio, etc. também se juntam à escória.

É bem conhecido que os componentes da escória, nomeadamente sílica (SiO2) e alumina (Al2O3) aumentam a viscosidade enquanto a presença de óxido de cálcio reduz a viscosidade. A zona de fusão da escória determina a zona coesiva do alto-forno e, portanto, a fluidez e as características de fusão da escória desempenham um papel importante na determinação da produtividade do alto-forno. Inicialmente, forma-se escória rica em ferro e, posteriormente, devido à assimilação de óxido de cálcio (CaO) e óxido de magnésio (MgO) de materiais fundentes, a composição da escória varia. À medida que a escória escorre, ela assimila SiO2 e Al2O3 das cinzas, geradas pela combustão do coque. O processo de gotejamento depende da fluidez (baixa viscosidade) da escória, que ainda é regida por sua composição e temperatura.





A escória deve ter afinidade para absorver impurezas, isto é, ganga da carga junto com outras impurezas deletérias que afetam a qualidade do metal quente. É essencial conhecer o comportamento da escória em termos de composição química, constituição mineralógica e sua capacidade de reagir e reter as impurezas menores. Além disso, a escória deve fluir livremente na temperatura de operação com alta separação escória-metal sem prender o metal. Assim, as várias propriedades do produto final são diretamente influenciadas pela composição da escória. Assim, as propriedades físico-químicas da escória desempenham um papel importante na operação do alto-forno.

A escória final de alto-forno produzida durante a produção de gusa é considerada principalmente uma mistura dos quatro óxidos a saber (i) SiO2, (ii) Al2O3, (iii) CaO e (iv) MgO. Os componentes menores da escória incluem (i) óxido ferroso (FeO), (ii) óxido de manganês (MnO), óxido de titânio (TiO2), álcalis (K2O e Na2O) e compostos contendo enxofre. Existem quatro tipos de escórias com composições distintas que são produzidas em diferentes regiões dentro do alto-forno. (Figura 1). Estas são (i) escória primária, (ii) escória de bosh, (iii) escória de tuyere e (iv) escória final. Esses quatro tipos de escórias são gerados respectivamente na (i) zona coesiva, (ii) zona de gotejamento, (iii) pista e (iv) lareira. É a escória final que é sangrada e, portanto, para uma boa sangria é necessário que ela tenha fluidez adequada (baixa temperatura liquidus e baixa viscosidade).

Fig 1 Tipos de escórias BF e regiões de sua geração

Para o bom funcionamento do alto-forno, a escória deve satisfazer as seguintes condições.

• O volume da escória deve ser o mais baixo possível.
• A escória deve ter capacidade de remoção dos álcalis,
• É para cumprir os requisitos para a dessulfuração.
• A composição da escória primária deve ser uniforme.
• A formação de escória deve ser confinada a uma altura limitada do alto-forno e a escória deve ser estável.
• A escória deve proporcionar boa permeabilidade na zona de formação da escória.
• O ponto de fusão da escória não deve ser nem muito alto nem muito baixo.
• A escória final deve ser fluida o suficiente para que seja possível drená-la pelo orifício da torneira,

As camadas de material de suporte de ferro começam a amolecer e fundir na zona coesiva sob a influência dos agentes fundentes na temperatura predominante, o que reduz muito a permeabilidade da camada que regula o fluxo de materiais (gás/sólido) no forno. É a zona no forno ligada pelo amolecimento dos materiais de suporte de ferro na parte superior e pela fusão e fluxo dos mesmos na parte inferior. Uma alta temperatura de amolecimento juntamente com uma temperatura de fluxo relativamente baixa formaria uma zona coesiva estreita mais abaixo no alto-forno. Isso diminuiria a distância percorrida pelo líquido no forno, diminuindo a captação de silício. Por outro lado, a escória final que escorre pela região bosh até a lareira do forno, deve ser uma escória curta que começa a fluir assim que amolece. Assim, o comportamento de fusão é um parâmetro importante para avaliar a eficácia da escória BF.

A fluidez da escória em um alto-forno afeta o comportamento de amolecimento-fusão na zona coesiva, a permeabilidade na parte inferior de um forno devido à retenção de líquido na zona de gotejamento, o fluxo de líquido na fornalha e a capacidade de drenagem de a escória através do furo da torneira. Também afeta sua capacidade de dessulfuração. A fluidez da escória é afetada pela temperatura e composição, sendo esta última influenciada pelos minerais de ganga do minério e materiais de cinzas do coque e do carvão pulverizado.

As escórias de alto forno pertencem principalmente a três sistemas de escória, a saber (i) sistema terciário de CaO– Al2O3–SiO2, (ii) sistema quaternário de CaO– Al2O3–SiO2– MgO, e (iii) sistema quinário de CaO– Al2O3–SiO2– MgO– TiO2. Geralmente, a principal região de operação da escória de alto-forno para boa fluidez no diagrama liquidus do sistema quinário (SiO2-Al2O3-CaO-MgO-TiO2) é a fase melilita (soluções sólidas de akermanita, Ca2MgSi2O7, e gelenita, Ca2Al2SiO7).

A composição da escória de alto-forno tem uma influência muito importante em suas características físico-químicas que afetam o grau de dessulfuração, suavidade de operação, manuseio da escória, consumo de coque, permeabilidade ao gás, transferência de calor, produtividade do metal quente e sua qualidade etc. As propriedades da escória que mais afetam são viscosidade, capacidade de sulfeto, capacidade alcalina e temperatura liquidus. Essas propriedades têm grande influência no processo geral do alto-forno. A viscosidade da escória é fortemente influenciada pela composição química, estrutura e temperatura.

A viscosidade da escória é uma propriedade de transporte que se relaciona com a cinética da reação e o grau de redução da escória final. A viscosidade da escória também determina a eficiência da separação escória-metal e, posteriormente, o rendimento do metal e a capacidade de remoção de impurezas. Em operação, a viscosidade da escória é indicativa da facilidade com que a escória pode ser extraída do forno e, portanto, está relacionada à necessidade de energia e lucratividade do processo.

Se os controles do forno têm a capacidade de prever a viscosidade da escória e a temperatura liquidus, então ele tem o potencial de otimizar a análise e o controle da tomada de decisão durante a operação do alto-forno. Nesse caso, substitui o uso de regras práticas referentes às composições de escória. Para isso, vários esforços foram feitos no passado para medir e modelar viscosidades para diferentes sistemas de escória.

A escória líquida pode ser classificada como um fluido newtoniano com a viscosidade de cisalhamento independente da taxa de cisalhamento e, portanto, denominada viscosidade dinâmica. A viscosidade é amplamente influenciada pela ligação e pelo grau de polimerização, com SiO2 e Al2O3 contribuindo para viscosidades mais altas com suas ligações altamente covalentes. Em contraste, monóxidos como CaO e MgO apresentam comportamento iônico, levando à destruição das cadeias de silicato e diminuição da viscosidade. Isso é verdade apenas para o sistema fase-escória líquida, e no sistema multifásico, um aumento nos monóxidos leva a maiores atividades das fases sólidas e possível precipitação de sólidos, o que aumenta a viscosidade efetiva (observada).

Em uma operação típica onde é possível alterar a composição da escória, as mudanças na composição costumam ter efeitos opostos. Por exemplo, a obtenção de viscosidade mais baixa em basicidades mais altas provavelmente estará associada ao efeito adverso do aumento da temperatura liquidus. Além dos efeitos nas propriedades físico-químicas, a basicidade da escória também influencia a capacidade de remoção de enxofre (e até certo ponto o fósforo) da escória e o teor de silício do metal quente. As basicidades mais altas levam a valores de enxofre mais altos na escória e valores de silício mais baixos no metal.

As escórias com baixo teor de Al2O3 geralmente têm baixa viscosidade, alta capacidade de sulfeto e baixa temperatura de liquidus, bem como menor volume de escória do que a escória de alto Al2O3 com Al2O3 normalmente mais de 15%. A escória de alto Al2O3 é encontrada principalmente em altos-fornos indianos devido à alta relação Al2O3/SiO2 no minério de ferro, bem como no sinter e alto teor de cinzas no coque. Estas escórias estão tendo altas viscosidades.

A viscosidade da escória líquida é determinada principalmente por sua temperatura e composição química. A dependência da viscosidade da temperatura em uma determinada faixa de temperatura é geralmente descrita pela equação de Arrhenius, conforme indicado abaixo.

N =A exp (E/RT)

Onde

N =viscosidade da escória

A =termo pré-exponencial

E =Energia de ativação do fluxo viscoso

R =constante do gás

T =Temperatura absoluta

As escórias de silicato são formadas por cátions Si4+ que são cercados por 4 ânions de oxigênio dispostos na forma de um tetraedro regular. Esses tetraedros de SiO4 4- são unidos em cadeias ou anéis por pontes de oxigênio. O fluxo viscoso na escória depende da mobilidade das espécies iônicas no sistema, que, por sua vez, depende da natureza da ligação química e da configuração das espécies iônicas. As forças interiônicas no caso de escórias dependem dos tamanhos e cargas dos íons envolvidos. Assim, é natural esperar que forças interiônicas mais fortes levem a um aumento nas viscosidades. No caso de fundidos de silicato com alto teor de sílica, os ânions poliméricos causam uma alta viscosidade. Com o aumento das concentrações de óxidos metálicos, as ligações Si-O se rompem progressivamente e o tamanho da rede diminui acompanhado pela diminuição da viscosidade das escórias. Foi demonstrado que a adição de óxidos alcalinos até 10-20% molar leva a uma queda drástica nas viscosidades devido à despolimerização.

No caso das escórias de alto forno, a alumina está sempre presente e os grupos AlO4 5- formam unidades poliméricas com SiO4 4-. Nas escórias contendo CaO-MgO-SiO2-Al2O3, a alumina aumenta a viscosidade como é feito pela sílica. Por outro lado, cal e magnésia, fornecedores de oxigênio, têm efeito oposto na viscosidade.

A viscosidade das escórias depende da composição e da temperatura. A baixa viscosidade não apenas ajuda a controlar as taxas de reação por seu efeito no transporte de íons na escória líquida de e para a interface de reação escória/metal. Também garante um bom funcionamento do alto-forno. Tanto o aumento dos óxidos básicos quanto o da temperatura acima da temperatura liquidus da escória diminuem a viscosidade. No caso do sistema CaO-MgO-SiO2-Al2O3, alumina e sílica não são equivalentes em base molar em seu efeito, embora ambos aumentem a viscosidade desses fundidos. O efeito da alumina na viscosidade depende do teor de cal da escória. Isso porque o Al3+ pode substituir o Si4+ na rede de silicatos somente se associado a 1/2 Ca2+ para preservar a neutralidade elétrica.

O comportamento de fusão da escória é descrito em termos de quatro temperaturas características, a saber (i) a temperatura de deformação inicial (IDT) simbolizando a aderência da superfície, importante para o movimento do material no estado sólido, (ii) o estado sólido (ST) simbolizando o plástico distorção, indicando o início da distorção plástica, (iii) a temperatura hemisférica (HT), que também é a temperatura de fusão ou liquidus, simbolizando o fluxo lento, desempenhando um papel significativo na aerodinâmica do forno e na transferência de calor e massa, e (iv) ) a temperatura de fluxo (FT) simbolizando a mobilidade do líquido.

A escória formada na zona coesiva é a escória primária que é formada com FeO como o principal constituinte fundente. A temperatura solidus, temperatura de fusão, intervalo solidus-fusão estão sendo significativamente afetadas pelo FeO. Esta escória é completamente diferente da escória final onde o fluxo é causado principalmente devido à presença de constituintes básicos como CaO ou MgO. Embora não seja possível obter escória primária de alto-forno, sempre é possível preparar em laboratório uma escória sintética semelhante à escória primária e estudar suas características de escoamento. A escória final é uma escória com uma pequena diferença entre o ST e o FT. Essa escória adquire mobilidade líquida e escorre pelo forno para longe do local onde começa a se distorcer plasticamente, o mais rápido possível. Essa ação expõe novos sítios para reações posteriores e é supostamente responsável pelo aumento das taxas de reação da escória-metal, influenciando as operações do alto-forno e a qualidade do metal.

A característica de escoamento das escórias de alto forno é fortemente influenciada pela extensão da redução do óxido de ferro a baixa temperatura (na zona granular), além de ser influenciada pela composição, qualidade e quantidade da ganga nos materiais ferrosos. A relação CaO/SiO2 e o teor de MgO da escória de alto-forno influenciam muito suas propriedades de amolecimento-fusão. A disponibilidade de MgO mais tarde no processo muitas vezes resulta em pequena faixa de temperatura da zona coesiva resultando em melhor permeabilidade do leito que por sua vez influencia o consumo de coque e a qualidade do gusa produzido.

O aumento de Al2O3 no minério de ferro não afeta apenas a resistência do sinter, mas também suas características em altas temperaturas na zona coesiva. A concentração de Al2O3 na escória é considerada um fator que degrada a fluidez da escória e aumenta a temperatura liquidus. Os efeitos da alta alumina na escória são os seguintes.

• A escória de alta alumina tem alta viscosidade para basicidade constante (CaO/SiO2). No entanto, com um aumento dos óxidos básicos e da temperatura acima da temperatura liquidus da escória, a viscosidade da escória de alta alumina diminui um pouco.
• Maior escória de alumina tem maior tendência à redução de silício e há tendência de aumento do nível de silício de metal quente.
• O teor de enxofre do gusa tende a aumentar com o aumento do teor de alumina da escória. Assim, a alta escória de alumina contribui para uma dessulfuração menos eficiente.
• A queda de pressão na zona de gotejamento aumenta à medida que a concentração de Al2O3 na escória aumenta. Mesmo que a relação CaO/SiO2 aumente, a queda de pressão na zona de gotejamento aumenta.

O efeito de deterioração da alta alumina na escória é compensado pelo aumento do teor de MgO. A concentração de alumina na escória é estabelecida semi-empiricamente em muitos países no limite superior de cerca de 16% para evitar o acúmulo de escória de ferro e a deterioração da permeabilidade na parte inferior do alto-forno.