ITMK 3: Processo Ecológico da Kobe Steel para Produção de Pepitas de Ferro

Processo ITmk3 de Fabricação de Pepitas de Ferro

O processo ITmk3, também conhecido como Tecnologias de Fabricação de Ferro (IT) marca 3, é uma das tecnologias de redução a carvão. IT marca 1 é o processo de fabricação de ferro por alto-forno (BF) enquanto IT marca 2 é a redução direta principalmente por processos baseados em gás (Fig 1). Este processo foi desenvolvido pela Kobe Steel e é ambientalmente amigável.

Fig 1 Tecnologias de fabricação de ferro

Histórico de Desenvolvimento

Testes em laboratório foram realizados de 1996 a 1998. No período 1999-2000, uma pequena planta piloto de 3.000 t/dia foi construída e operada nas Obras de Kakogawa da Kobe Steel, Japão. Nos anos 2002-2004, uma planta piloto de demonstração de 25.000 t/ano foi construída e operada em Minnesota, EUA. A construção da primeira planta comercial de 500.000 t/ano iniciou em Hoyt Lakes, Minnesota em 2007 e a operação iniciou em janeiro de 2010.

Processo ITmk3

O processo ITmk3 é um processo rápido de fabricação de ferro que inclui redução de minério, carbonetação e fusão do ferro e separação de escória, tudo a temperaturas relativamente baixas. O processo de quatro etapas consiste em: (i) aglomeração de minério de ferro e carvão, (ii) redução e fusão dos aglomerados, (iii) separação de ferro metálico da escória, e (iv) tratamento de gases de escape e recuperação de calor.

Neste processo, concentrado de minério de ferro e carvão não-coqueável (redutor), calcário (fundente) e bentonita (aglutinante) são misturados e aglomerados em pelotas verdes auto-redutoras. Estas pelotas são alimentadas em forno de leito rotativo (RHF) onde bolas verdes secas auto-redutoras e fundentes são reduzidas, carbonetadas e fundidas. O produto é ferro granular chamado pepitas de ferro. O processo no diagrama de fases ferro-carbono (Fe-C) é mostrado na Fig 2.

Fig 2 – Processo ITmk3 no diagrama de fases ferro-carbono

O processo ITmk3 produz ferro granular de alta pureza (pepitas de ferro) usando finos de minério de ferro e carvão não-coqueável. O processo é distinto com redução, carbonetação, fusão e separação de escória (Fig 3). Ocorre a temperaturas mais baixas (cerca de 1.350°C) e portanto difere da fabricação convencional por alto-forno. No ITmk3, a reação de redução ocorre em 10 minutos, diferente de 8 horas no BF e 6 horas nos processos de redução direta baseados em gás.

Durante o processo, a redução do minério ocorre em várias etapas mostradas na Fig 3.

Fig 3 – Etapas do processo durante redução no ITmk3

Principais Características

• Utiliza finos de minério de ferro de baixo grau moídos em partículas finas e beneficiados para produzir concentrado de alto teor. Este concentrado é convertido em pelotas verdes.
• Carvão não-coqueável usado como redutor.
• Pelotas carregadas em forno de leito rotativo (RHF), aquecidas a 1.350°C, reduzidas, fundidas e separadas em metal e escória.
• Ferro fundido solidificado em pepitas dentro do forno, descarregado após resfriamento e separado da escória.
• Processo simples usando equipamentos convencionais. Pequeno tempo de retenção também facilita partida e parada da planta. Finos de minério e carvão pulverizado aglomerados em pelotas compostas.

O fluxograma do processo ITmk3 é mostrado na Fig 4.

Fig 4 – Fluxograma do processo ITmk3

Reações

As reações entre minério de ferro e carvão permanecem as mesmas do processo geral de fabricação de ferro:

FexOy + yCO = xFe + yCO2
CO2 + C = 2CO
C(s) = C (carbonetado)
Fe(s) = Fe(l) (fusão)

As duas últimas reações são adicionais no ITmk3 para separação do ferro metálico da escória.

Produto do Processo ITmk3

O ITmk3 produz pepitas de ferro livres de escória (Fig 5) com propriedades químicas e físicas similares ao ferro gusa. Tem teor de ferro metálico de 96-97%, teor de C de 1,7-3,5%. Teor de enxofre ~0,5%. Densidade de 6,5-7,0 g/cm³. Pepitas têm melhor fusibilidade que ferro gusa de HM de BF por ter ponto de fusão mais baixo e maior condutividade térmica. Tamanho das pepitas facilita transporte e manuseio. Não reoxidam e não geram finos durante manuseio. Outra vantagem: podem ser carregadas continuamente no forno a arco elétrico (EAF) similar ao carregamento de DRI ou HBI (ferro briquetado a quente).

Fig 5 – Pepitas de ferro

Consumo Específico do Processo ITmk3

Consumo específico de materiais e utilidades por tonelada de pepitas: (i) finos de minério – 1,5 t, (ii) carvão não-coqueável – 0,5 t, (iii) gás combustível – 1,1 Gcal, (iv) energia elétrica – 200 kWh, (v) água – 2 m³, (vi) ar comprimido – 85 m³, (vii) nitrogênio – 12 m³.

Controle Ambiental

A rota ITmk3 – EAF produz menos poluentes relativa à rota BF – BOF. Redução percentual na rota ITmk3-EAF comparada a BF-BOF: (i) monóxido de carbono (CO) – 96%, (ii) óxidos de nitrogênio (NOx) – 65%, (iii) dióxido de enxofre (SO2) – 77,7%, (iv) compostos orgânicos voláteis (VOC) – 86,5%, (v) dióxido de carbono (CO2) – 41,1%, (vi) mercúrio (Hg) – 58,0%.

Layout Típico do Processo ITmk3

Layout típico com requerimento de área mostrado na Fig 6.

Fig 6 – Layout típico de planta para processo ITmk3

Vantagens do Processo ITmk3

O processo ITmk3 tem várias vantagens sobre outros processos de fabricação de ferro:

• Processo simples;
• Permite redução direta de finos de minério com carvões não-coqueáveis;
• Energeticamente eficiente: consome ~30% menos energia que fabricação por BF;
• Menores emissões de CO2;
• Baixo investimento de capital: elimina planta de sinter/pelotas e bateria de fornos de coque;
• Usa matérias-primas mais baratas: finos de minério e carvões não-coqueáveis;
• Produz pepitas de ferro de alto grau com melhor fusibilidade que ferro gusa na etapa de fabricação de aço;
• Elimina necessidade de manuseio de ferro líquido;
• Pepitas são livres de escória, elementos parasitários, reoxidação e não geram finos – fáceis de transportar;
• Operação e ajuste simples; facilita ajuste de produção por partida e parada;
• Equipamentos simples e com confiabilidade comprovada.