FASTMET e FASTMELT: Tecnologias Avançadas de Redução de Ferro para Produção Eficiente de Metal

Processos FASTMET e FASTMELT de Redução de Ferro

O processo FASTMET é um processo de redução de ferro baseado em carvão. Ele permite a conversão de óxidos metálicos, provenientes de finos de minério de ferro ou resíduos metalúrgicos de usinas siderúrgicas, em ferro metalizado. O processo FASTMELT é o processo FASTMET com a adição de um "forno elétrico de fusão de ferro" (EIF) para produzir ferro líquido ou ferro-gusa. A Kobe Steel, em colaboração com a Midrex Technologies, Inc., subsidiária da Kobe Steel nos EUA, desenvolveu este processo. O FASTMET é um processo único que utiliza um forno de soleira rotativa (RHF) para reduzir aglomerados contendo carvão com alta taxa de redução e alta produtividade. A Figura 1 mostra a seção transversal simplificada e a vista em planta de um RHF.

O processo FASTMET converte alimentação de pelotas de minério de ferro, finos de minério de ferro e/ou resíduos metalúrgicos de usinas siderúrgicas em ferro reduzido direto (DRI) usando carvão não coque pulverizado como redutor. O produto final DRI pode ser briquetado a quente para produzir ferro briquetado a quente (HBI), ou descarregado como DRI quente em recipientes de transferência, ou resfriado se DRI frio for necessário. O DRI quente é descarregado diretamente do RHF para o EIF e fundido para produzir ferro-gusa. O ferro-gusa pode ser lingotado em ferro-gusa. O ferro reduzido/ferro-gusa pode ser alimentado em um forno de aciaria primária.

Além de facilitar a reciclagem de resíduos metalúrgicos para a alimentação do conversor de oxigênio básico / forno a arco elétrico, existem dois objetivos principais do processo. Um é a maior metalização dos óxidos de ferro, o que reduz a carga no processo de fusão. Outro é a alta taxa de remoção de zinco, que reduz a concentração de zinco dentro do ciclo de reciclagem. Para alimentação de alto-forno, alta resistência à compressão é necessária, o que também é alcançado ajustando o aglomerante e a proporção de mistura de matérias-primas com o processo FASTMET.

Desenvolvimento Histórico

A redução de minério de ferro em um RHF foi tentada pela primeira vez pela Midland Ross Co., precursora da Midrex Technologies, Inc. O processo, chamado "Heat Fast", era único pois envolvia pelotas compostas, consistindo de minério de ferro e material carbonáceo, que são pré-aquecidas em uma grelha, pré-reduzidas em um RHF e resfriadas em um resfriador de eixo. O processo "Heat Fast" foi testado com sucesso em uma planta piloto de 2 toneladas por hora (tph) em Cooley, Minnesota, de 1965 a 1966.

Simultaneamente ao desenvolvimento do "Heat Fast", o processo DRI Midrex baseado em gás natural, que oferecia um produto de maior qualidade que o "Heat Fast" e menores custos operacionais (o gás natural tinha preço muito baixo naquela época), também estava sendo desenvolvido. Devido aos então baixos custos operacionais do processo a gás natural, o trabalho do processo "Heat Fast" foi interrompido e o desenvolvimento comercial nunca foi realizado.

A Midrex reavivou seu interesse em usar o RHF para redução direta no início dos anos 1980. Vários estudos foram conduzidos, indicando que um processo baseado em RHF poderia ser desenvolvido para produzir ferro reduzido direto a um preço atraente. Nos anos 1990, o preço do gás natural subiu e então uma planta piloto FASTMET foi construída e comissionada no centro técnico da Midrex com um RHF de 2,75 m de diâmetro, com capacidade de produção de 160 quilogramas por hora. Mais de 100 campanhas foram executadas de 1992 a 1994.

A Kobe Steel e a Midrex Technologies, Inc. colaboraram para reiniciar o desenvolvimento de um processo baseado em carvão com RHF com a intenção de comercializar a tecnologia. Com base no trabalho da planta piloto "Heat Fast" datado dos anos 1960, melhorias foram feitas na tecnologia, resultando em maior produtividade, melhor qualidade do produto, maior flexibilidade do processo e maior eficiência do processo. O resultado final foi o desenvolvimento do processo FASTMET. A Kobe Steel e a Midrex levaram o processo FASTMET um passo adiante, desenvolvendo o processo FASTMELT, que necessita da descarga quente de DRI do RHF e carregamento por gravidade em um EIF, um forno de fusão especificamente projetado para fundir DRI quente do FASTMET para produzir ferro-gusa.

Uma planta piloto de demonstração foi construída em 1995 nas obras de Kakogawa da Kobe Steel Limited (KSL). A planta tinha RHF de 8,5 m de diâmetro e capacidade de produção de 2,5 tph. A planta esteve em operação contínua de 1995 a 1998. Através de várias operações de demonstração realizadas lá, a Kobe Steel e a Midrex Technologies, Inc. estabeleceram o processo FASTMET para comercialização. Em 2000, a primeira planta comercial FASTMET foi fornecida para as obras de Hirohata da Nippon Steel Company (NSC) para redução de 190.000 toneladas por ano (tpa) de resíduos de usina siderúrgica. O processo FASTMET foi reconhecido por sua capacidade de reciclar eficientemente poeira de usina siderúrgica. Os detalhes das primeiras cinco plantas comissionadas são dados na Tabela 1.

Tabela 1: Plantas comerciais FASTMET
	Unidade	NSC Hirohata nº 1	NSC Hirohata nº 2	NSC Hirohata nº 3	JFE Steel, Fukuyama	KSL Kakogawa
Taxa de alimentação do RHF	tpa	190.000	190.000	190.000	190.000	16.000
Matérias-primas		PO BOF	PO BOF	PO BOF	PO BF, PO BOF	PO BF, PO BOF, PO EAF
Aplicação do produto		Alimentação BOF, DRI	Alimentação BOF, DRI	Alimentação BOF, HBI	Alimentação BOF, DRI	Alimentação BF e BOF, DRI
Diâmetro externo do RHF	m	21,5	21,5	21,5	27	8,5
Data de comissionamento		Abril, 2000	Janeiro, 2005	Dezembro, 2008	Abril, 2009	Abril, 2001

Pode-se ver que este processo está sendo usado atualmente para a utilização de resíduos metalúrgicos da usina siderúrgica. Além de resíduos metalúrgicos, o processo também pode usar finos de minério de ferro com tamanho igual ao tamanho de alimentação de pelotas (menos de 45 micrômetros). Isso ocorre porque o processo possui etapas de aglomeração embutidas. O processo FASTMET/FASTMELT apresenta uma rota alternativa para a redução de ferro em capacidades variando de 100.000 tpa a 500.000 tpa. O processo FASTMELT oferece uma alternativa para a tecnologia de mini alto-forno (AF). Os refratários usados no RHF e EIF são de especificação padrão normalmente usada na redução de ferro. O design do EIF baseia-se em projetos comprovados de tecnologias EAF (forno a arco elétrico) e LF (forno de panela).

Características do Processo FASTMET

O processo FASTMET é claramente diferente do processo de redução baseado em gás usando gás reformado produzido a partir de gás natural, pois aquece e reduz aglomerados compostos, cada um consistindo de minério de ferro ou resíduos metalúrgicos de usinas siderúrgicas, e carvão. Este processo simples e único, envolvendo aquecimento rápido, realiza uma reação de redução rápida. Os aglomerados são colocados em uma ou duas camadas uniformes sobre a soleira e são aquecidos usando calor de radiação. Isso previne a oxidação dos aglomerados, apesar da condição interna do forno de gás de exaustão de combustão, que tem potencial de oxidação considerável.

O processo pode alcançar o aquecimento e a redução dos aglomerados simultânea e efetivamente em uma razão ar-gás ideal no RHF. Além disso, o gás combustível gerado a partir do carbono nos aglomerados queima em combustão secundária acima deles. Isso suprime consideravelmente a emissão de NOx, apesar do fato de que o RHF é um forno que tem um ambiente de alta temperatura. Esta é outra característica do processo FASTMET.

À medida que a soleira do RHF gira, as pelotas ou briquetes passam por três zonas e são rapidamente aquecidos. Cada zona tem três queimadores a gás, cuja razão ar/combustível pode ser ajustada para alcançar a combustão pobre ou rica desejada em cada zona. No final da zona 3, o material passa sob uma parede divisória que separa a zona final de queima da zona de descarga. Um parafuso helicoidal transporta o produto DRI quente para fora da soleira para uma calha de desvio e então por gravidade para um recipiente de produto DRI purgado com nitrogênio ou para um EIF.

Um trocador de calor instalado no equipamento de tratamento de gás de exaustão converte a energia contida no gás de exaustão de alta temperatura em energia para aquecer o ar usado para queima ou secagem das matérias-primas. Isso reduz o consumo geral de energia.

Matérias-primas como poeira de usina siderúrgica podem ocasionalmente gerar dioxina quando queimam. No processo FASTMET, no entanto, a temperatura do RHF é de 1.300 °C ou superior, o que é alto o suficiente para suprimir a geração de dioxina. O gás de exaustão do RHF é resfriado rapidamente através da região de temperatura na qual a dioxina pode recombinar, impedindo assim sua recomposição. A Figura 2 mostra um fluxograma típico do processo FASTMET/FASTMELT.

O gás quente de saída do RHF é resfriado por meio de um resfriador evaporativo antes de entrar em um trocador de calor. O calor sensível no gás de exaustão é usado para pré-aquecer o ar de combustão do RHF e o ar do secador de bolas verdes a cerca de 350 °C. O gás de exaustão que sai do pré-aquecedor é ainda mais resfriado por um segundo resfriador evaporativo antes de entrar em um filtro de mangas, onde o óxido de zinco é recuperado e enviado ao silo de poeira para armazenamento. Um ventilador de tiro induzido é posicionado na saída do filtro de mangas para alcançar a queda de pressão necessária para o sistema de gás de exaustão e controlar o RHF sob pressão ligeiramente negativa.

Utilidades necessárias são ar de planta, nitrogênio, vapor, ar de instrumento, água de reposição e gás natural liquefeito. A planta também precisa de um circuito de água de processo de recirculação aberta, bem como circuito de água de refrigeração de máquinas fechado.

O DRI quente, descarregado do RHF, tem três opções de descarga: (i) resfriado para produzir DRI frio, (ii) briquetado em uma máquina de briquetes para produzir HBI, (iii) fundido em um EIF para produzir ferro líquido. Este ferro líquido pode ser lingotado em uma lingoteira de porco para produzir ferro-gusa.

O DRI tem muitos poros deixados após o processo de redução. Se exposto ao ar por muito tempo, o ferro metálico reoxida em óxido de ferro, deteriorando sua qualidade. Se o DRI não for usado imediatamente como matéria-prima para um forno de fusão ou alto-forno, a compactação e densificação do DRI em ferro briquetado a quente (HBI) previne a reoxidação. Isso permite o armazenamento de ferro reduzido por um período prolongado sem degradação de qualidade. O HBI armazenado pode ser alimentado em um forno de aciaria primária ou em um alto-forno. Se o ferro reduzido produzido pelo processo FASTMET é usado como DRI na forma de pelotas/briquetes ou é formado em HBI usando equipamento HBI depende da aplicação do produto (fonte de ferro) e seu período de armazenamento.

O resíduo metalúrgico (poeira) gerado na usina siderúrgica foi convencionalmente pelotizado ou sinterizado internamente para reciclar a poeira como matéria-prima para os altos-fornos. A matéria-prima do alto-forno, no entanto, contém componentes voláteis, particularmente zinco, que vaporiza na zona de alta temperatura do alto-forno. No entanto, nem todo o vapor escapa do alto-forno. Alguma porção do vapor é resfriada e aprisionada por materiais recém-carregados, permanece no forno. Os componentes voláteis acumulados diminuem a permeabilidade do alto-forno e prejudicam consideravelmente sua produtividade.

O processo FASTMET vaporiza metais pesados como zinco e chumbo, que inibiam a reciclagem de sucata de ferro, e os converte em óxido de zinco bruto e similares. Isso permite a descarga destes elementos nas linhas de exaustão sem circulá-los no processo. As instalações de tratamento de gás de exaustão são equipadas com um sistema de resfriamento e coleta de poeira, que, combinado com resfriamento a ar e água, previne que os componentes voláteis adiram às paredes do equipamento. Isso permite operação estável e contínua por período prolongado e a coleta de óxido de zinco bruto e similares, usando um filtro de mangas. O óxido de zinco bruto coletado é um recurso valioso e é reciclado junto com o ferro reduzido.

O Processo e as Reações Principais

O processo FASTMET começa com a mistura de finos de minério de ferro ou resíduos metalúrgicos de usinas siderúrgicas (contendo alta porcentagem de óxido de ferro) com carvão pulverizado, aglomerando a mistura em pelotas ou briquetes usando um pelotizador ou briquetador, secando os aglomerados em um secador, e colocando os aglomerados sobre a soleira de um RHF em uma ou duas camadas uniformes.

As pelotas ou briquetes devem ser isolados do ar quando entram no forno. Sua taxa de alimentação é controlada precisamente ao mesmo tempo. O processo FASTMET contém um sistema de tubos de alimentação permitindo o ajuste do número de tubos de acordo com o tamanho do forno, alcançando assim simultaneamente o isolamento do ar e o controle de volume. Um sistema de nivelamento tipo parafuso é adotado para colocar os aglomerados em uma ou duas camadas uniformes.

À medida que a soleira gira, os briquetes são aquecidos por radiação das temperaturas das zonas do RHF de mais de 1.300 °C e os óxidos de ferro são reduzidos a ferro metálico. A redução do óxido de ferro é realizada principalmente por carbono elementar fixo reagindo com magnetita (Fe3O4) ou hematita (Fe2O3) para formar ferro metálico (Fe) e wüstita na forma sólida, enquanto evolui gás monóxido de carbono (CO) e dióxido de carbono (CO2). Parte do carbono entra em solução sólida com o ferro metálico para formar carboneto de ferro (Fe3C).

Óxido de zinco, óxido de chumbo e outros óxidos metálicos voláteis contidos na alimentação de resíduos metalúrgicos também são reduzidos à forma metálica e vaporizados. Estes vapores metálicos são reoxidados no gás de exaustão antes de deixar o forno através da saída.

Um método de aquecimento rápido, tecnologia proprietária da Kobe Steel, é adotado para aquecer as pelotas ou briquetes que são colocados sobre a soleira, atingindo rapidamente uma alta temperatura de 1.350 °C. Este aquecimento gera a reação de óxidos e carbono. Residindo por 8 a 16 minutos, os aglomerados são convertidos em DRI, que é descarregado do forno ou fornecido ao processo a jusante, a uma temperatura de 1.000 °C a 1.200 °C. Diferentes reações que ocorrem entre óxidos e carbono são: (i) Fe2O3 + 3C = 2Fe + 3CO, (ii) Fe3O4 + 4C = 3Fe + 4CO, (iii) Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2, (iv) Fe3O4 + 4CO = 3Fe + 4CO2, (v) FeO + CO = Fe + CO2, e (vi) ZnO + CO = Zn + CO2.

O gás de combustão (gás CO) emitido das pelotas/briquetes como resultado da reação de redução pode ser usado como combustível para o RHF, o que diminui consideravelmente a quantidade de combustível fornecida ao queimador.

A atmosfera no EIF do processo FASTMELT consiste essencialmente de gás CO e, portanto, altamente redutora. Esta atmosfera redutora promove a redução de silício e remoção de enxofre.

A descarga estável e contínua de DRI para fora do RHF a alta temperatura é alcançada por tal tecnologia proprietária da KSL como elevar a soleira de um forno de redução. Diferente de um alto-forno, o FASTMET pode iniciar e parar a operação com relativa facilidade, dependendo da quantidade de produção, o que permite produção em resposta à demanda.

Mecanismo de Redução

A cinética da reação de redução em um forno de redução direta é normalmente controlada pela difusão do gás redutor do exterior. No processo FASTMET, a reação de redução ocorre dentro das pelotas/briquetes compostos de carbono, compostos de finos de minério de ferro e carvão pulverizado. Uma vez que as pelotas/briquetes compostos de carbono são aquecidos, o gás CO dentro deles promove a redução do óxido de ferro. Portanto, a reação de redução prossegue mais rapidamente nas pelotas/briquetes compostos de carbono do que a reação de redução ocorrendo no processo de redução direta convencional. As reações básicas de redução consideradas como ocorrendo durante o processo FASTMET são: (i) FexOy + yC = xFe + yCO (reação endotérmica), (ii) CO2 + C = 2CO (reação endotérmica), e (iii) FexOy + yCO = xFe + yCO2 (reação exotérmica).

Em temperaturas abaixo do ponto de fusão do ferro, há praticamente nenhuma reação direta com o carbono sólido do carvão pulverizado e, portanto, a reação dada na equação (i) domina a cinética da reação. Em temperaturas mais altas de 1.000 °C ou mais, a reação de geração de gás CO por perda de solução de carbono conforme equação (ii) e a reação de óxido de ferro por gás CO conforme equação (iii) ocorrem em série dentro das pelotas/briquetes compostos de carbono. Nestes reações, a geração de gás CO controla a cinética da reação com sua natureza altamente endotérmica. Portanto, para promover a reação, é necessário fornecer o calor necessário para a reação ao interior da pelota/briquete composto de carbono na temperatura mais alta de 1.000 °C ou mais. Isso significa que o calor deve ser transferido eficientemente por radiação da atmosfera para a superfície da pelota/briquete, e por condução da superfície da pelota/briquete para seu interior. A Figura 3 mostra o mecanismo de redução de pelotas/briquetes compostos de carbono.

No RHF, as pelotas/briquetes são normalmente aquecidas com temperaturas de zona de mais de 1.300 °C e reduzidas a ferro metálico. O tempo de residência na soleira é tipicamente de 8 a 16 minutos. Isso varia dependendo do material sendo processado, tamanho das pelotas/briquetes e outros fatores. A taxa de redução rápida alcançada no processo FASTMET é devida à alta temperatura de redução, alta taxa de transferência de calor e contato íntimo do carbono contido dentro dos briquetes com o óxido de ferro. A transferência de calor e as diferentes reações de redução que ocorrem no RHF são mostradas esquematicamente na Figura 4.

Produto

O produto final do processo FASTMET/FASTMELT pode ser HBI, DRI quente descarregado diretamente em recipientes de transferência, DRI frio, ou ferro líquido (ferro-gusa). A metalização alcançada durante o processo é superior a 85%. A temperatura do ferro-gusa produzido pelo processo FASTMELT varia de 1.450 °C a 1.550 °C e tem a composição típica de carbono – 3% a 5%, silício – 0,3% a 0,6%, manganês – 0,6% a 1,2%, enxofre – menos que 0,05%, e fósforo – menos que 0,03%.

Tratamento de Gás de Exaustão e Controle Ambiental

O gás de exaustão que deixa o RHF é totalmente combusto, contendo cerca de 2% de oxigênio. Trocadores de calor usam a energia térmica no gás de exaustão para pré-aquecer o ar de combustão para os queimadores do RHF e secadores de preparação de matéria-prima. O gás de exaustão deixa o forno de soleira rotativa pelo teto e flui através de uma saída revestida de refratário para o duto de gás de exaustão. A localização adequada da saída de gás de exaustão relativa às zonas de combustão do RHF é determinada por análise dos materiais de alimentação, cinética de redução, e verificada por "Dinâmica de Fluidos Computacional". Ar de diluição é injetado no duto de gás de exaustão para fornecer resfriamento e queimar quaisquer combustíveis restantes (hidrogênio e CO) na corrente de gás de exaustão.

Água de pulverização é adicionada ao resfriador primário para resfriar o gás de mais de 1.400 °C para 1.000 °C para minimizar a formação de NOx e fornecer uma temperatura de entrada aceitável para o recuperador. Do resfriador primário, o gás de exaustão flui através do pré-aquecedor de ar de combustão e ar do secador, onde o calor do gás de exaustão é usado para aquecer o ar de combustão para os queimadores de soleira rotativa e o secador rotativo. O gás de exaustão sai do pré-aquecedor de combustão para o resfriador secundário. Água de pulverização é adicionada ao resfriador secundário para resfriar o gás de cerca de 800 °C para 120 °C para fornecer uma temperatura de entrada aceitável para o sistema de filtro de mangas. O gás de exaustão então flui para um filtro de mangas de tecido a jato, onde o óxido de zinco bruto é coletado e então para um ventilador ID onde é descarregado através de uma chaminé para a atmosfera.

O controle de SO2 normalmente não é necessário no processo FASTMET, pois a maior parte do SO2 reage e é absorvida pelos óxidos metálicos na corrente de gás de chaminé. Injeção de cal pode ser usada para controlar ainda mais o SO2. NOx é controlado pelo uso de queimadores de baixo NOx e controle operacional próximo da razão ar/combustível e temperaturas de combustão. Dioxinas e Furanos são destruídos pelas altas temperaturas e longo tempo de residência dentro do RHF. A taxa de resfriamento do gás de chaminé é controlada para minimizar a recomposição de Dioxinas e Furanos. Particulados são removidos do gás de chaminé por um sistema de filtro de mangas. Óxido de zinco bruto é coletado pelo sistema de filtro de mangas e armazenado em um silo.

O processo FASTMET é um processo ambientalmente amigável. A emissão de CO2 do processo FASTMELT é de cerca de 1,6 toneladas por tonelada de ferro-gusa (t/tHM) contra cerca de 2,1 t/tHM de emissão de CO2 no caso de mini alto-forno. A emissão de NOx está na faixa de 0,3 quilogramas por tonelada de ferro-gusa (kg/tHM) a 1,5 kg/tHM e a de emissão de SOx é de cerca de 2,4 kg/tHM.

Benefícios do Processo FASTMET

O processo FASTMET fornece outra opção para o manuseio de resíduos metalúrgicos de usinas siderúrgicas. Uma planta FASTMET localizada em uma usina siderúrgica pode processar a poeira e produzir dois produtos primários: DRI para realimentação no forno de aciaria primária, e óxido de zinco bruto para venda a processadores de zinco. Transforma um passivo em um ativo. O alto custo de disposição é eliminado e um suprimento barato de unidades de ferro torna-se disponível.

Os benefícios do processo incluem: (i) geração muito baixa de finos no processo resulta em alto teor de zinco e teor de ferro muito baixo da poeira secundária, (ii) alta metalização e alta remoção de zinco tornam o produto de ferro reduzido reciclável para o forno de aciaria primária, (iii) nenhum resíduo é gerado para disposição, (iv) tratamento em alta temperatura decompõe dioxinas, e (v) poeira de zinco pode ser tratada economicamente e torna-se um produto, não um resíduo.