Otimizando a Qualidade do Sinter: Processos-Chave para Sinterização de Minérios de Ferro

Qualidade do Sinter e Processo de Sinterização de Minérios de Ferro

O sinter é normalmente o componente principal da carga do alto-forno (AF). O sinter consiste em muitas fases minerais produzidas durante o processo de sinterização de minérios de ferro. A qualidade e propriedades do sinter dependem da estrutura mineral do sinter. No entanto, como as condições de sinterização geralmente não são uniformes em todo o leito de sinter, a composição de fase, e portanto a qualidade do sinter, varia no leito de sinter.

A estrutura do sinter não é uniforme. Consiste em poros (de tamanhos variados) e um agregado complexo de fases minerais, cada uma com propriedades diferentes. É a combinação destes poros e fases minerais, e a interação entre eles que determina a qualidade do sinter, mas também torna a previsão das propriedades do sinter muito difícil. Embora um grande número de investigações tenha sido realizado sobre sinter, ainda a correlação entre a composição química e mineralogia do sinter com suas propriedades e comportamento ainda não é claramente compreendida.

Esquemáticos da mistura de sinter e do sinter produto estão na Fig. 1.

Fig. 1 Esquemáticos da mistura de sinter e sinter produto

O processo de sinterização é um termo genérico usado para descrever o processo de aglomeração de uma mistura verde de minérios de ferro, fundentes e coque e resíduos sólidos da planta com tamanho de partícula de -10 mm de forma a produzir sinter que possa suportar condições de pressão e temperatura operacionais existentes em um AF. Resíduos sólidos como poeiras, lodos, escórias e carepas de laminação, etc., são usados para sua utilização na mistura de sinter devido à estrutura química complexa e componentes minerais destes materiais. O processo de sinterização é descrito em detalhes em um artigo separado disponível sob o link https://www.ispatguru.com/the-sintering-process-of-iron-ore-fines-2/.

Durante o processo de sinterização, à medida que a combustão de partículas finas de coque começa a temperaturas entre 700 °C a 800 °C, resulta na formação de gás CO (monóxido de carbono). A superfície do núcleo de minério de ferro e seus finos aderidos são reduzidos a magnetita. À medida que a temperatura sobe para 1100 °C, fases de baixo ponto de fusão como Fe2O3·CaO, FeO·CaO e FeO·SiO2 são formadas por reações sólido-sólido. A fase denominada SFCA (silicato-ferrita de cálcio e alumínio) forma-se neste estágio. SFCA é identificado como uma solução sólida de CaO·2Fe2O3 com pequenas quantidades de Al2O3 e SiO2 dissolvidos. Esta fase é considerada uma fase quaternária complexa.

Durante o processo de sinterização, relações de fase de equilíbrio normalmente não são atingidas devido à frente de chama que passa rapidamente através do leito de sinter. Isso resulta no alto grau de heterogeneidade do sinter, e na formação de fases de não-equilíbrio que não são esperadas de considerações termodinâmicas. A composição do sinter, portanto, varia de lugar para lugar no material a granel, dependendo da natureza das partículas individuais de minério e fundente e da extensão das reações entre eles.

Macroscopicamente, o sinter tem estrutura não uniforme com poros grandes irregulares. Microscopicamente, consiste em fases de ligação, partículas de minério remanescentes, fases vítreas remanescentes e poros e trincas muito pequenos não uniformes. Dependendo de diferentes parâmetros como temperatura, composição, pressão parcial de oxigênio, tempo e atmosfera, diferentes fases se formam em diferentes proporções, enquanto diferentes morfologias se desenvolvem. A morfologia essencialmente reflete o modo de formação e está relacionada a uma composição química particular, taxa de aquecimento e resfriamento do sinter.

SFCA acicular começa a se formar abaixo de 1185 °C; quando a temperatura subiu para 1245 °C, a hematita não reagida desaparece e o tamanho do cristal SFCA aumenta. O SFCA começa a se decompor quando a temperatura excede 1300 °C, formando hematita se a pressão parcial de oxigênio é alta e a temperatura é menor que 1350 °C, e magnetita quando a pressão parcial de oxigênio é baixa e a temperatura é maior que 1350 °C, com os componentes de escória redistribuídos no fundido. A decomposição do SFCA é aumentada por tempo estendido acima da temperatura de decomposição, e temperatura máxima aumentada.

No processo de sinterização, as reações químicas acima ocorrem a altas temperaturas, resultando na formação de uma fase de fusão que é usada durante reações sólido-líquido para assimilação e combinação de finos de minério de ferro e fundentes. Durante o processo, a formação de fundido ocorre na frente de chama onde a temperatura é acima de 1100 °C. Este fundido solidifica para se tornar as fases de ligação que compõem a maioria das outras fases dentro de um sinter. A principal fase de ligação é normalmente composta de SFCA.

O volume da fase de fusão desempenha papel significativo no processo de sinterização. Fusão excessiva resulta em estrutura vítrea homogênea, que tem baixa redutibilidade, enquanto concentração muito baixa de fusão causa resistência insuficiente, resultando em alta quantidade de finos de retorno.

Reações químicas durante a sinterização resultam na formação de bolo de sinter, que é um material multifásico com microestrutura heterogênea. É composto de várias fases minerais, das quais as principais são hematita, magnetita, minério de ferro, SFCA, silicato de cálcio e uma fase vítrea. A distribuição mineralógica de diferentes fases determina a microestrutura do sinter que imprime a qualidade do sinter, como resistência mecânica e seu comportamento durante redução no AF. SFCA é considerado o componente mais importante da fase de ligação devido à sua abundância no sinter e sua influência significativa na qualidade do sinter.

Do mecanismo de sinterização, fica claro que as fases do sinter são formadas principalmente durante o processo de sinter a temperaturas acima de 1100 °C. Portanto, as características temperatura-tempo do processo de sinter contribuem fortemente para a microestrutura e composição de fase do sinter.

O perfil de temperatura no leito de sinter é caracterizado por um aumento íngreme até uma temperatura máxima durante o ciclo de aquecimento. A temperatura máxima atingida é geralmente superior a 1300 °C e pode ser tão alta quanto 1350 °C. Uma inclinação suave após atingir a temperatura máxima indica o resfriamento relativamente lento do sinter acabado durante o ciclo de resfriamento.

Devido a mudanças na permeabilidade do leito durante o processo de sinterização, diferentes perfis de temperatura são obtidos de topo a fundo no leito de sinter. Portanto, a taxa de aquecimento, temperatura máxima atingida, tempo em temperaturas superiores a 1100 °C e a taxa de resfriamento normalmente diferem nas camadas superior, média e inferior do leito de sinter. Devido às diferentes características temperatura-tempo, há variação na composição de fase através do leito de sinter. Por causa destas diferenças, o sinter pode ser classificado como segue.

• Sinter superior – Geralmente é fraco e friável, dando baixo rendimento de sinter com granulometria aceitável. Este sinter é fundido a alta temperatura e resfriado imediatamente depois. O sinter é descarregado frio da correia de sinter.
• Sinter médio – Este sinter é formado sob condições ótimas para fusão e recozimento e dá o máximo rendimento de sinter com granulometria aceitável. O sinter é descarregado frio da correia de sinter.
• Sinter inferior – Este sinter é descarregado quente e resfriado severamente ao passar pelo quebrador de sinter quente e sobre a tela de descarga para o resfriador de sinter. Isso resulta em propriedades físicas pobres, dando menor rendimento de sinter com granulometria aceitável. Se resfriamento na correia for aplicado, o sinter tem quase as mesmas propriedades do sinter na camada média.

Normalmente, o sinter é composto por volume 40% a 70% de óxidos de ferro, 20% a 50% de ferritas, principalmente SFCA, cerca de 10% de silicato de cálcio, e cerca de 10% de fase vítrea. Também pode conter sulfetos (FeS), piroxenos [(Mg,Fe)SiO3], quartzo e cal em pequena proporção. Reações de sinterização regulam a fração de volume de cada fase mineral e controlam especialmente a concentração e microestrutura da fase SFCA. Isso, por sua vez, controla e melhora as características do sinter.

A qualidade do sinter refere-se às propriedades físicas e metalúrgicas do sinter. A qualidade do sinter é geralmente definida em termos do seguinte.

• A resistência física ou resistência a frio do sinter à temperatura ambiente, medida pelo teste de quebra ou tumbler
• O valor do índice de degradação por redução (RDI), que é a quebra do sinter após redução a baixas temperaturas (550 °C), determinado pelo teste de degradação por redução.
• O índice de redutibilidade (RI), que determina a redutibilidade do sinter, determinado pelo teste de redutibilidade a 900 °C
• As propriedades de amolecimento e fusão a alta temperatura do sinter, relacionadas às temperaturas nas quais o sinter começa a amolecer, fundir e gotejar durante redução a temperaturas acima de 1150 °C.
• Todas estas propriedades são governadas pela microestrutura do sinter, em particular as fases de ligação, notavelmente SFCA, que compõem a maioria das fases dentro do sinter (até 80%)

Todas as propriedades acima, que são normalmente avaliadas de acordo com testes padronizados, estão fortemente relacionadas à mineralogia, estrutura microscópica e macroscópica do sinter. A reprodutibilidade destes testes realizados em partículas de sinter para avaliar sua qualidade é, portanto, baixa devido ao alto grau de variabilidade na composição de fase entre partículas de sinter, mesmo quando estas partículas de sinter são obtidas do mesmo material a granel.

O tamanho de partícula do minério desempenha papel importante. A capacidade de assimilação de minérios finos é maior que a de partículas grossas. A área de superfície de reação de finos de minério de ferro é alta, o que resulta em maiores taxas de reação. Mas, a formação de concentrações mais altas de fundido resulta em diminuição da fluidez do fundido. Portanto, há necessidade de inclusão de partículas grossas na mistura de sinter para melhorar a permeabilidade do leito de sinter, já que está associada a aumento em movimentos em larga escala entre o fundido e partículas sólidas.

A sinterabilidade do leito de sinter no qual partículas maiores foram incorporadas melhora devido à permeabilidade melhorada do leito de sinter, bem como reações de sinter melhoradas durante o processo. Quando partículas maiores estão disponíveis no leito de sinter, áreas de baixa densidade são formadas ao redor das partículas, o que melhora a permeabilidade do leito de sinter. Devido ao aumento na permeabilidade do leito de sinter, a taxa de fluxo de gás, bem como a velocidade da frente de chama, é maior ao redor das partículas maiores que as partículas finas. A reação de fundido e a assimilação, portanto, ocorrem rapidamente ao redor das partículas grandes devido à alta fluidez do fundido.

Características Importantes Relacionadas à Qualidade do Sinter

As seguintes são as características importantes relacionadas à qualidade do sinter.

• A estrutura do sinter inclui a presença de ferritas com propriedades benéficas para resistência e redutibilidade do sinter. A estrutura ótima é normalmente formada por um núcleo de hematita cercado por uma rede de ferrita acicular. Esta estrutura é favorecida quando se trabalha com basicidade de sinter mais alta.
• O tamanho do minério de ferro afeta as propriedades de sinterização. Um aumento no tamanho do minério de ferro promove a produtividade do sinter, mas pode reduzir ligeiramente a resistência do tumbler e economizar um pouco de coque.
• A mineralogia do sinter pode ser mais facilmente prevista a partir de sua composição química do que suas propriedades físicas e químicas.
• O aumento das concentrações de MgO no sinter aumenta as quantidades de espinélio (óxidos de magnésio e alumínio) e fases vítreas. A presença de MgO no sinter melhora o RDI, porque MgO estabiliza a magnetita e assim diminui o teor de hematita, causando menor tensão no sinter durante a redução de hematita para magnetita no
• O aumento das concentrações de SiO2 no sinter aumenta a quantidade total de SFCA, diminui a razão SFCA acicular/colunar e o teor de fase vítrea.
• O aumento dos teores de Al2O3 no sinter resulta em deterioração drástica em suas propriedades químicas e físicas, embora a concentração da fase SFCA tenha aumentado. Com o aumento do teor de alumina, a quantidade de SFCA acicular, colunar e em bloco aumenta significativamente junto com uma redução substancial na quantidade de SFCA dendrítica e eutética.
• Os teores de MgO e SiO2 do sinter de ferro parecem ter um efeito inter-relacionado em suas propriedades físicas e químicas. Prever o efeito que quantidades variáveis de MgO e SiO2 teriam nas propriedades do sinter é, portanto, complexo. As únicas tendências claras são o IA (índice de abrasão) que aumenta com o aumento do teor de MgO, e o RI e IA do sinter que diminuem com o aumento do teor de SiO2 do sinter.
• O sinter com baixo teor de FeO (< 8%) favorece melhor redutibilidade. Quando a composição química de uma mistura de minérios é fixa, o FeO pode fornecer indicação das condições de sinterização, em particular a taxa de coque. O aumento do teor de FeO no sinter diminui (melhora) o índice RDI. No entanto, quando o teor de FeO aumenta, a redutibilidade diminui. É importante encontrar um teor ótimo de FeO para melhorar o RDI sem alterar outras propriedades do sinter.
• A forma mineral na qual os fundentes são adicionados à mistura bruta de sinter (ex: óxido vs. carbonato) tem efeito pronunciado na mineralogia e propriedades do sinter produzido.
• Devido a várias composições químicas e distribuições heterogêneas de tamanho de partícula nas matérias-primas, as reações durante o processo de sinterização são heterogêneas e produzem sinter com estrutura heterogênea.