Otimização de Operações de Alto-Forno com Pelotas de Minério de Ferro

Pelotização é um processo que envolve mistura de partículas muito finamente moídas de finos de minério de ferro de tamanho menor que 200 mesh com aditivos como bentonita e, em seguida, moldá-las em grumos ovais/esféricos de 8-20 mm de diâmetro por um pelotizador e endurecer as bolas por queima com combustível. É o processo de conversão de finos de minério de ferro em "pelotas de minério de ferro de tamanho uniforme" que podem ser carregadas diretamente em um alto-forno. A Figura 1 mostra pelotas de minério de ferro.

Existem vários processos/tecnologias de pelotização de minério de ferro disponíveis. No entanto, atualmente, o processo de grelha viajante reta (STG - straight traveling grate) e o processo grelha-forno (GK - grate kiln) são processos mais populares.

Propriedades Físicas das Pelotas de Minério de Ferro

• Tamanho — 8-20 mm
• pH (40 g/L, 20 °C; suspensão em água) — 5,0-8,0
• Ponto de fusão — 1500-1600 °C
• Densidade aparente — 2,0-2,2 t/m³
• Índice de tumbler (+6,3 mm) — 93-94%
• Índice de abrasão (-0,5 mm) — 5-6%
• Resistência à compressão (daN/p) — Cerca de 250
• Porosidade — > 18%

Análise Química das Pelotas de Minério de Ferro

Componente	Grau AF (BF grade)	Grau FRD (DRI grade)
Fe %	63-65,5	65-67,8
SiO2 + Al2O3 %	< 5	< 5
CaO + MgO %	Até 3	Até 0,10
P, máx %	0,05	0,05
S, máx %	0,01	0,01
Basicidade, mín %	0,5	—
Desintegração (-3,15 mm) %	2	—
Índice de inchamento %	13-18	—
Redutibilidade %	65	—

Testes ISO Padrão para Pelotas

Diferentes testes padrão ISO para pelotas são dados na Tabela 1.

Teste Padrão ISO	Valores de Medição	Finalidade
ISO 4700 / Resistência à compressão	daN	Resistência a frio da pelota
ISO 3271 / Resistência ao tumble	Frações +6,3 mm e -0,5 mm	Tendência à abrasão
ISO 13930 / Desintegração por redução a baixa temperatura	Frações +6,3, -3,15 e -0,5 mm	Tendência à degradação a baixa temperatura
ISO 4698 / Inchamento livre	Volume %	Tendência ao inchamento
ISO 4695 / Redutibilidade	Taxa de redução a 40% reduzido	Redutibilidade
ISO 7992 / Redução sob carga	1. Taxa de redução a 40% reduzido	Redutibilidade, comportamento de amolecimento/fusão
	2. Queda de pressão a 80% reduzido
	3. Retração do leito a 80% reduzido

A qualidade das pelotas é influenciada pela natureza do minério ou concentrado, ganga associada, tipo e quantidade de fundentes adicionados. Estes fatores, por sua vez, resultam na variação das propriedades físico-químicas das fases coexistentes e sua distribuição durante a induração da pelota. Portanto, as propriedades das pelotas são amplamente governadas pela forma e grau de ligação alcançado entre as partículas de minério e a estabilidade destas fases de ligação durante a redução dos óxidos de ferro no alto-forno. Como a formação de fases e microestrutura durante a induração depende do tipo e quantidade de fundentes adicionados, há efeito de agentes fundentes em termos de razão CaO/SiO2 e teor de MgO na qualidade da pelota.

Histórico do Uso de Pelotas de Minério de Ferro em Alto-Forno

A história das pelotas começou em 1912 quando A.G. Andersson, um sueco, inventou um método de pelotização.

O uso comercial de pelotas, no entanto, começou nos EUA após a Segunda Guerra Mundial. Vários estudos foram conduzidos com o objetivo de desenvolver as vastas reservas de taconita na área ao redor dos Grandes Lagos. Em 1943, Dr. Davis, professor da Universidade de Minnesota, Estação de Experimentos de Minas, inventou um método para processar taconita contendo minério de ferro de baixo teor. Seu processo envolvia moagem da taconita para remover gangas e melhorar o minério de ferro (ou seja, um processo de beneficiamento de minério). O minério de alto teor resultante está na forma de partículas finas, tão pequenas quanto 0,1 mm ou menos, que não são adequadas para sinterização. Esta questão levou ao desenvolvimento de pelotização destas partículas finas. Usinas de pelotização hoje desempenham papel importante em uma era em que a reserva global de minério de alto teor em bloco (lump ore) está diminuindo. As usinas promovem a concentração de minério de baixo teor em pelotas melhoradas, que são cada vez mais usadas por altos-fornos e fornos de redução direta.

A produção de ferro nos EUA historicamente baseou-se em grande parte em pelotas, principalmente porque todos os minérios de ferro locais precisavam de beneficiamento (melhoria) por moagem a partículas finas (< 0,1 mm) e aglomeração destes finos em pelotas, mas também porque usinas de sinterização não são usadas por razões ambientais.

Pelotas de minério de ferro são agora a maior fonte única de ferro para altos-fornos norte-americanos. Pelotas constituem cerca de 70% da carga do alto-forno. Inicialmente, pelotas ácidas (graus FRD) foram produzidas e usadas em altos-fornos.

Em meados da década de 1980, vários testes de pelotização e alto-forno foram conduzidos para avaliar os benefícios de pelotas fundidas com calcário e dolomita. No final da década, pelotas fundidas haviam sido firmemente estabelecidas como produto principal, respondendo por cerca de 30% da produção de pelotas da América do Norte.

A transição para pelotas fundidas envolveu muitas mudanças em equipamentos da usina (ex: moinhos de moagem de fundente, queimadores de pré-aquecimento) e práticas. Cada usina de pelotização personalizou a química da pelota fundida para atender à operação do alto-forno de seu cliente. Como resultado, existem usinas de pelotização produzindo até quatro graus de pelotas. Na América do Norte, as pelotas mudaram de commodity no início dos anos 1970 para produto customizado, atendendo às especificações mais exigentes específicas do cliente nos anos 1990. Pelotas fundidas norte-americanas são agora equivalentes ao melhor sinter em termos de redutibilidade e propriedades de amolecimento/fusão e são superiores em termos de resistência e quebra a baixa temperatura (LTD/RDI).

Vantagens das Pelotas

Pelotas de minério de ferro podem ser usadas como substituto de sinter e minério de ferro calibrado na carga do alto-forno devido às seguintes propriedades:

• Forma esférica e poros abertos das pelotas dão melhor e mais uniforme permeabilidade, resultando em operação mais suave do forno. Pelotas têm faixa de tamanho uniforme geralmente dentro de 8-20 mm.
• Pelotas têm resistência à compressão a frio muito alta, resultando em geração insignificante de finos no silo de carga.
• Alta porosidade (maior que 18%) leva a redução mais rápida.
• Alta resistência da pelota (cerca de 250 daN/p) fornece boa resistência à desintegração durante a descida da carga. Tem melhor índice de tumbler comparado com minério de ferro calibrado.
• Composição química uniforme comparada ao minério de ferro calibrado. Ausência de LOI (perda ao fogo) é outra vantagem das pelotas.

O índice de inchamento das pelotas é uma propriedade metalúrgica importante. O inchamento indica mudança de volume das pelotas durante a redução. A expansão de volume das pelotas durante a redução resulta em menor resistência à compressão das pelotas. Alto inchamento dentro do forno causa aumento no volume da pelota, que por sua vez diminui vazios na carga. Isso impede o fluxo de gás no forno e resulta em queda de pressão. Isso por sua vez causa hanging (pendência) e slipping (escorregamento) da carga dentro do alto-forno. A adição de dolomita é favorável para a melhoria na propriedade de inchamento das pelotas. O inchamento máximo permitido das pelotas para o alto-forno varia de 16% a 18%. Pelotas ácidas (pelotas FRD) e pelotas livres de MgO exibem maior inchamento.

Pelotas fundidas podem ser produzidas como equivalentes ao melhor sinter em termos de redutibilidade e propriedades de amolecimento/fusão e são superiores em termos de resistência e quebra a baixa temperatura (LTD/RDI). Pelotas fundidas exibem boa resistência, redutibilidade melhorada, inchamento e características de amolecimento/fusão. Por causa destas propriedades, pelotas fundidas dão melhor desempenho no alto-forno.

Metálicos na Carga do AF

Sinter, pelota e minérios calibrados são os três materiais metálicos portadores de ferro normalmente usados na carga do alto-forno. O uso dos três metálicos na carga do alto-forno pode variar de zero a cem por cento com ajuste dos parâmetros do forno. Estes três metálicos podem ser usados em qualquer combinação de dois ou três metálicos. Não há fórmula padrão para a escolha dos metálicos. A escolha dos metálicos depende de vários fatores variando de usina para usina. Alguns dos fatores que influenciam a escolha dos metálicos são:

• Disponibilidade do material metálico de especificação correta
• Propriedades metalúrgicas dos materiais metálicos, como redutibilidade, propriedades de decrepitação térmica e propriedades de amolecimento
• Custo relativo do material metálico
• Efeito do uso do metálico no custo geral de produção do ferro gusa
• Possibilidade de ajuste de vários parâmetros do forno, como padrão de distribuição, taxa de combustível, etc.
• Possibilidade de ajuste em parâmetros de controle de processo
• Instalações disponíveis no silo de carga do forno
• Disponibilidade de usina de sinterização cativa
• Tipo de minério de ferro disponível na mina cativa ou área próxima ao alto-forno
• Questões relacionadas com operação suave do AF sem hanging e slipping
• Questões relacionadas a meio ambiente

Pelotas no alto-forno podem ser usadas de 0% a 100%. Não há solução padrão para aumentar o teor de pelotas na carga do alto-forno. Cada local e cada forno terão diferentes questões que precisam ser identificadas, analisadas e soluções encontradas para chegar à quantidade máxima de teor de pelotas que pode ser usada na carga do AF. O objetivo deve ser sempre ter operação de alto-forno livre de problemas ao menor custo possível de produção do ferro gusa.