Sinterização: Como Operações de Plantas de Sinter Moldam a Produção de Ferro

Entendendo Sinter e Operações de Plantas de Sinterização

A sinterização é processo de aglomeração de partículas minerais finas em massa porosa e granulada por fusão incipiente causada por calor produzido pela combustão de combustível sólido dentro da própria massa. É etapa de pré-tratamento na produção de ferro, onde finos de minérios e resíduos secundários de óxido de ferro (pós coletados, carepa de laminação etc.) junto com fundentes (cal, calcário, dolomita) são aglomerados por combustão. A aglomeração dos finos é necessária para permitir passagem de gases quentes durante operação do alto-forno.

A sinterização tem sido chamada de "arte de queimar combustível misturado com minério sob condições controladas". Envolve aquecimento de minério de ferro fino com fundente e finos de coque ou carvão para produzir massa semi-fundida que se solidifica em pedaços porosos de sinter com tamanho e resistência necessários para alimentação do alto-forno.

Tipos de Sinter

Existem basicamente três tipos:

• Sinter não fluxado ou ácido: nenhum fundente adicionado à mistura de sinter. Raramente produzidos atualmente.
• Sinter autofluxante ou básico: fundente suficiente adicionado para produzir escórias de basicidade desejada (CaO/SiO₂) no alto-forno, considerando óxidos ácidos na carga.
• Sinter superfluxante: fundente suficiente para basicidade desejada considerando também óxidos ácidos na cinza do coque, além dos da carga do alto-forno.

Sinteres fluxados têm propriedades superiores a altas temperaturas no alto-forno comparados a minério granulado e sinteres ácidos. Melhorias incluem temperaturas de amolecimento e fusão mais altas e maiores níveis de redutibilidade.

A flexibilidade do processo permite conversão de variedade de materiais: finos naturais de minério, finos de peneiramento, pós capturados, concentrados, finos de retorno não adequados para processamento posterior, outros materiais ferríferos de pequena partícula (lamas, carepa etc.), resíduos e peneirados de cal, calcário e dolomita em aglomerado tipo clínquer bem adequado para uso no alto-forno.

Plantas de sinterização proporcionaram aumento fenomenal na produtividade e economia de coque no alto-forno. Sinter fluxado representa material melhorado comparado a minério de ferro dimensionado. Melhorias obtidas incorporando fundente do alto-forno no sinter em vez de carregá-lo separadamente no topo do forno. Como regra prática: para cada 100 kg de calcário por tonelada líquida de metal quente removido da carga do alto-forno e carregado na sinterização para fazer sinter fluxado, economiza-se ~20–35 kg de coque metalúrgico por tonelada de metal quente e alcança-se ~3–5% de melhoria na produtividade do alto-forno. Economia de coque resulta principalmente da calcinação do calcário na grelha de sinterização em vez de no alto-forno.

Qualidade dos Sinteres

Duas propriedades importantes: basicidade (controlada pela quantidade de calcário/cal) e resistência (controlada pelo teor de coque).

O alto-forno demanda sinter com alta resistência a frio, baixo índice de degradação a redução (RDI) e alto índice de redutibilidade (RI), em banda estreita de variação química, com menor teor de finos possível e bom tamanho médio. Composição química e estrutural são muito importantes; sinter deve ser estável para que escórias primária e final possuam características adequadas de temperaturas de amolecimento/fusão, temperatura líquida e viscosidade para operação estável.

Importante: alto teor de Fe, baixo teor de ganga, basicidade de 1,6–2,1. Redutibilidade e qualidade melhoram com maior nível de hematita que magnetita; estrutura melhora com maior nível de hematita primária/residual e ferritos que hematita secundária/precipitada.

Teor de FeO é parâmetro de controle importante. Quando composição da mistura é fixa, FeO indica condições de sinterização, particularmente taxa de coque. Aumento de 2% no FeO melhora (diminui) RDI em 8 pontos. Porém, FeO mais alto afeta negativamente a redutibilidade. Importante encontrar FeO ótimo para melhorar RDI sem alterar outras propriedades.

Teor de alumina tem efeito mais prejudicial. Deteriora RDI do sinter, que aumenta com teor de alumina. Resistência e qualidade deterioram-se com aumento de alumina. Alumina promove formação de ferrito silicato de cálcio e alumínio (SFCA). Aumenta viscosidade do fundente primário formado durante sinterização, levando a estrutura mais fraca com poros interconectados irregulares.

Redutibilidade do sinter determinada por composição químico-mineralógica e estrutura de poros.

MgO proporciona condição ótima de escória do alto-forno em termos de boa fluidez e dessulfuração. Adição de MgO à mistura melhora RDI.

Substituir CaO por MgO na forma de dolomita para basicidades 1,6–1,9 leva a leve redução na resistência, redutibilidade e produtividade. CaO combina com óxidos de ferro formando compostos de baixo ponto de fusão que favorecem formação do fundente primário, mínimo necessário para sinter forte. Compostos: Fe₂O₃·CaO (1205 °C) e FeO·CaO (1120 °C).

Sílica (SiO₂) combina com FeO e CaO formando compostos de baixo ponto de fusão favorecendo fundente primário: FeO·SiO₂ (1180 °C), 2FeO·SiO₂ (1205 °C), FeO·SiO₂·CaO (1223 °C). Aumentar teor de sílica e basicidade dos finos aderentes faz temperatura de formação do fundente primário cair, favorável para reação de assimilação na interface líquido-sólido entre finos e partículas núcleo.

Após descarga das grelhas na máquina de sinterização, o bolo é britado e peneirado a quente. Distribuição granulométrica é parâmetro importante para qualidade. Fração 10–30 mm vai diretamente aos silos do alto-forno; fração maior britada para obter frações menores; fração <5 mm (finos de retorno) reciclada às tremonhas da sinterização. Para boa operação, importante manter equilíbrio entre geração e reciclagem de finos de retorno.

Redutibilidade mede capacidade de transferir oxigênio durante redução no alto-forno, indicando necessidades de consumo de combustível. Porosidade e estrutura dos sinteres e suas fases minerais intimamente relacionadas à redutibilidade. Estrutura heterogênea mais redutível que homogênea.

Degradação do sinter determinada por índice de degradação a baixa temperatura (LTDI) e RDI. Origina-se, em certa extensão, na transformação durante redução de hematita a magnetita, acompanhada de aumento de volume, gerando tensões estruturais. Degradação no alto-forno ocorre durante redução na zona de baixa temperatura, afetando resistência da carga, com perda de permeabilidade aos gases redutores e aumento de consumo de coque. Valores baixos de degradação durante redução a baixa temperatura são desejáveis.

RDI é parâmetro muito importante, referência em todos os trabalhos de sinterização, prevê comportamento de degradação na parte inferior da chaminé do alto-forno. Relação forte entre RDI e temperatura ambiente externa na planta de sinterização. RDI também fortemente dependente do teor de Ti no sinter, mesmo em quantidades muito pequenas. Sem relação com alumina, mas razão de coque na mistura é variável de controle mais importante para RDI.

Resistência a frio determinada pelo índice de tumbler; depende da resistência de cada componente de minério, da matriz de ligação e da composição do minério. Índice determina redução de tamanho por impacto e abrasão durante manuseio, transporte e no processo do alto-forno. Resistência mecânica a frio diretamente relacionada à tendência de formação de finos durante transporte e manuseio entre máquina de sinter e gargalo do alto-forno.

Porosidade do sinter é parâmetro importante que afeta significativamente suas propriedades, particularmente comportamento de redução. Diâmetro dos poros precisa ser >0,01 mícron para gases redutores terem acesso suficiente. Quando microporos coalescem a poros >1–5 mícron, área superficial específica diminui e a redução também. Eliminação da coalescência e aumento do número de poros pequenos permite aumentar área superficial e obter melhoria substancial na redutibilidade. Ferritos estabilizam microporos e levam a aumento de porosidade, alcançando maior redutibilidade.

Dada diversidade de componentes mineralógicos da mistura de sinter e heterogeneidade da mistura, estrutura do sinter é complexa, formada principalmente por grãos de óxido de ferro e ferritos de cálcio ligados por matriz de ganga. Ferritos, cuja quantidade aumenta com basicidade, são facilmente redutíveis e, ao aumentar tenacidade mecânica a certos níveis, são considerados componentes muito úteis. Ferritos são tipo SFCA, formados por reação sólido-líquido entre hematita e fundente Fe₂O₃·CaO, com posterior assimilação de SiO₂ e Al₂O₃ no fundente. Ganga composta por silicatos de cálcio, ferro e magnésio difíceis de reduzir, formando parte da escória no alto-forno.

Operações de Plantas de Sinterização

Planta típica consiste em unidades operacionais sequenciais com máquina de sinter no centro.

Produzir sinter de qualidade alvo requer carregamento preciso de matérias-primas (minérios, coque, aditivos). Para modificar receita da mistura, adição de coque, basicidade, análises de matérias-primas e influência nos parâmetros do sinter são considerados. Procedimento complexo. Objetivo do cálculo da mistura: estabelecer composição para atingir automaticamente valores alvo para adição de coque, basicidade, Fe total, balanço SiO₂, balanço alumina e balanço MgO.

Preparação da Mistura

Materiais (finos de minério, fundentes, resíduos da usina, combustível, finos de retorno) armazenados em silos. Misturados nas proporções corretas usando tremonhas pesadoras/alimentadores de disco, um por silo. Para finos de retorno, às vezes medidor de impacto usado. Pesagem contínua, como todo o processo. Materiais pesados passam por transportador ao tambor de mistura primário onde água é adicionada manualmente ou como porcentagem calculada do peso do material entrando no tambor.

Coque (breeze) precisa ser britado (normalmente em britador de quatro rolos) para tamanho correto (0,25 mm a <3 mm) para aumentar produtividade e redutibilidade. <0,25 mm afeta negativamente produtividade; frações –3,15 mm a +1,00 mm mostram melhores rendimentos.

Fundentes (calcário, dolomita) britados (normalmente em britadores de martelo) para obter mínimo 90% de <3 mm.

Mistura íntima dos materiais de alimentação é uma das mais importantes. Pré-mistura (base mix) de minérios de sinterização, óxidos de resíduos da usina, fundentes e combustíveis sólidos feita em tambor de mistura primário rotativo, transferida para pátio de homogeneização de base mix a céu aberto. Base mix homogeneizada suplementada por pequenas quantidades de ajuste (trim) de fundente e combustível. Mistura total de alimentação submetida a adição de água em dispositivo de mistura como tambor de esferoidamento ou disco. Operados para produzir nódulos/pelotas de pequeno tamanho que melhoram significativamente permeabilidade do leito de sinter. Tambor de esferoidamento também chamado de tambor de mistura secundária e nódulos.

Quantidade de água primária proporcional ao peso de base mix entrando no tambor. Adições de água nos misturadores de esferoidamento agora controladas automaticamente. Ponto de ajuste de água secundária frequentemente tomado como proporção do pesador de correia de base mix.

Processo Contínuo de Sinterização

Realizado em grelha móvel da máquina de sinterização que transporta leito de mistura preparada (sinter mix). Mistura cuidadosamente transportada para garantir permeabilidade. Na transferência do misturador para grelha, essencial alimentar cuidadosamente para fornecer leito uniforme, homogêneo e evitar compactação. Para evitar queda direta da alimentação na grelha, camada de base de ~25–50 mm de material grosso (já sinterizado) alimentada primeiro na grelha móvel. Dispositivos de alimentação tipicamente incluem alimentador de rolo com calhas que evitam compactação. Design de tremonhas e alimentadores para distribuir mistura preparada igualmente importante; se mistura compactada ou segregada durante manuseio/carregamento, vantagens da boa preparação podem ser perdidas. Após isso, sinter mix é nivelado.

Profundidade do leito definida e mantida constante ajustando placa de corte com sondas para detectar profundidade e variar automaticamente velocidade do alimentador de rolo. Quantidade de material na tremonha mantida constante por ajuste automático das taxas de alimentação dos silos individuais.

Uma vez carregada na grelha móvel, barras/ hastes metálicas inseridas longitudinalmente por ~2–4 m ajudam a soltar a mistura para aumentar permeabilidade.

Superfície do sinter mix ignitada próxima à extremidade de alimentação (cabeça) da grelha móvel usando gás misto (gás de coqueria e gás de alto-forno), ou apenas gás de coqueria ou apenas gás de alto-forno. Se apenas gás de alto-forno, geralmente pré-aquecido. Ignição adequada é importante. Ignição pobre resulta em queima irregular e pode deixar material não sinterizado sobre a superfície. Ignição muito intensa pode causar escoriamento sobre o leito e taxas reduzidas de sinterização. Forno de ignição por radiação (radiant hood) fornece boa ignição. Valor calorífico da mistura de gás e temperatura do capô controlados. Sistema de controle separado mantém pressão fixa do capô ajustando dampers das caixas de vento imediatamente sob o capô de ignição.

À medida que sinter mix avança na grelha móvel, ar sugado por ventilador de exaustão através da camada ignitada para queimar combustível por combustão descendente (downdraft). À medida que grelhas movem-se continuamente sobre caixas de vento em direção à extremidade de descarga, frente de combustão no leito move-se progressivamente para baixo. Cria calor e temperatura suficientes (~1300–1480 °C) para sinterizar partículas finas em clínqueres porosos. Circuito de gás deve ser totalmente estanque, não permitindo ar falso ser sugado. Isso economiza energia no circuito de gás residual.

Burn-through (Queima Total)

Parte importante do processo. Local ao longo da grelha onde frente de combustão toca o fundo do leito = ponto de burn-through. Deve idealmente ocorrer próximo ao final do leito. Controlado alterando velocidade da grelha. Variáveis afetam: profundidade do leito, teor de água, qualidade do sinter. Normalmente detectado por sondas de temperatura sob o leito. Burn-through deve ser alcançado, mas não muito cedo após capô de ignição. Exaustão na grelha mantida em valor pré-definido controlando venezianas do ventilador principal a partir de medições de pressão no coletor de vento. Isso governa ponto de burn-through.

Velocidade da grelha controlada manualmente ou medindo temperaturas de gás residual como indicação do ponto de burn-through. Se ocorre cedo, temperatura média de gás residual sobe. Se ocorre tarde, temperatura diminui e velocidade da grelha reduzida para compensar. Temperaturas das caixas de vento podem melhorar monitoramento.

Sucção do ventilador principal variada por venezianas próximas à entrada, controladas por controlador de sucção. Se temperatura de gás residual aumenta acima de limite seguro, seletor permite controlador de sobretemperatura posicionar venezianas.

Dependendo das características dos minérios e condições, taxa média diária de produção de 22,5–44 t/m²/dia de área de grelha esperada.

Após fim da grelha móvel, sinter passa por britador de rolos espinhosos e peneiras quentes ao resfriador. Vários ventiladores usados para resfriamento; velocidade do resfriador deve acompanhar demanda da grelha, determinada por velocidade e profundidade. Finos removidos pelas peneiras quentes transportados ao silo de finos de retorno.

Resfriamento do sinter abaixo de 150 °C para manuseio em transportadores é parte importante. Resfriadores podem ser rotativos ou lineares. Rotativos mais comuns. Desejável evitar resfriamento por água (quench) pois afeta adversamente propriedades do sinter. Ar de exaustão dos resfriadores usado para recuperação de calor em algumas plantas.

Após resfriamento, sinter passa ao bunker de descarga. Nível controlado variando taxa de saída (geralmente alimentadores vibratórios). Sinter segue para peneiramento a frio, onde passa por britadores e peneiras para separação de sinter produto, camada de base e finos de retorno. Finos de retorno, não adequados para processamento posterior, transportados a silo para reciclagem.

Uso de sinter dimensionado desejável para melhorar taxas de produção no alto-forno. Britar sinter a 30 mm na planta rende sinter mais estável porque frações menores são mais resistentes à degradação.

Estação supervisória controla todas etapas. Da sala de controle, operador tem controle total via terminais PC.

Outros artigos sobre sinteres e sinterização:

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