+100# 7,8 10,5 -100+200# 16,8 8,0 -200+325# 12,2 5,0 -325# 63,2 76,5 -325+400# 8,2 2,5 -400# 55,0 74,0 TOTAL 100 100 UMIDADE 0,3 0,5 PESO ESPECÍFICO (g/cm³) 2,87 1,55
4.4.3 – Análise mineralógica das fases minerais no pellet feed
A mineralogia do pellet feed é dada através de análise microscópica da quantificação dos minerais existentes na amostra. Os constituintes mineralógicos que compõem o concentrado da Samarco são: hematita especular, hematita martítica, goethita, magnetita e quartzo. A análise mineralógica do pellet feed foi executada de acordo com o padrão Samarco e consistiu de pastilhas (com o minério de ferro) devidamente preparadas e polidas que foram levadas ao microscópio ótico e cerca de 500 partículas são analisadas, contabilizando o tipo mineral presente. O percentual volumétrico das mesmas é convertido em peso, utilizando as densidades teóricas de cada fase.
A Tabela 4.6 apresenta os resultados da análise mineralógica das amostras de pellet feed utilizadas no estudo.
Tabela 4.6 – Análise mineralógica das amostras de pellet feed utilizadas no estudo.
4.5 – Determinação da dosagem de insumos, umidade do pellet feed e carga circulante
As dosagens de insumos utilizadas foram baseadas na experiência operacional da Samarco visando reproduzir os resultados obtidos industrialmente. Como aglomerante, foi utilizado do tipo orgânico a base de carboximeticelulose em uma dosagem de 0.035% em massa de pellet feed. A dosagem de calcário foi variável objetivando um teor de CaO na pelota queimada de 0,80% em peso. O carvão antracítico foi utilizado visando a obtenção de um teor médio de carbono fixo total na mistura de 1,1% em peso.
DESCRIÇÃO PELLET FEED 39% HE
HEMATITA ESPECULAR (%) 38.50
HEMATITA MARTÍTICA (%) 40.07
GOETHITA (%) 18.42
MAGNETITA (%) 2.63
QUARTZO TOTAL (%) 0.38
PELLET FEED 51% HE PELLET FEED 28% HE
50.77 33.93 12.71 2.01 0.31 27.96 41.69 26.94 3.20 0.21
DESCRIÇÃO PELLET FEED 39% HE
HEMATITA ESPECULAR (%) 38.50
HEMATITA MARTÍTICA (%) 40.07
GOETHITA (%) 18.42
MAGNETITA (%) 2.63
QUARTZO TOTAL (%) 0.38
PELLET FEED 51% HE PELLET FEED 28% HE
50.77 33.93 12.71 2.01 0.31 27.96 41.69 26.94 3.20 0.21
O teor de umidade ideal para os três tipos de pellet feed e carga circulante foram baseados no conhecimento adquirido após a realização dos testes exploratórios. Os teores de umidade para os testes foram:
Alto teor de hematita especular – 9.0 % mistura e 8.7% carga circulante Médio teor de hematita especular – 9.8% mistura e 9.5% carga circulante Baixo teor de hematita especular – 10.6% mistura e 10.3% carga circulante
4.6 – Moagem de pellet feed
Todo o pellet feed utilizado foi prensado na planta piloto da empresa em uma única etapa de prensagem. De acordo com os testes exploratórios, o objetivo de área superficial específica foi de 2100 cm²/g para três pellet feeds utilizados. A pressão de óleo escolhida foi de 20bar.
4.7 – Preparação da mistura e desagregação da carga circulante
As misturas de pellet feed com os aditivos foram preparadas no misturador marca Eirich modelo R-08W, de propriedade da Samarco. A velocidade do misturador foi ajustada para evitar aglomeração durante sua operação e para não quebrar os aglomerados provenientes da carga circulante. A carga circulante foi produzida inicialmente no disco piloto e posteriormente foi desagregada em peneiras utilizando-se espátulas. Esta desagregação foi necessária, pois o formato dos aglomerados que compõem a carga circulante são irregulares. Para compor a granulometria da carga circulante foram escolhidas peneiras com aberturas de 6,3mm, 4,65mm e 3,15mm. A figura 4.3 apresenta o formato dos aglomerados desagregados nas peneiras.
Figura 4.3 – Material da carga circulante com formatos aleatórios.
4.8 – Ensaios de pelotamento e medição da qualidade física das pelotas cruas
Neste item serão mostradas as características principais dos ensaios de pelotamento e propriedades físicas das pelotas cruas (diâmetro médio, resistência a compressão a úmido e a seco e bulk density).
4.8.1 – Ensaios de pelotamento
Na avaliação da etapa de pelotamento em disco piloto, foram utilizados 280kg de cada amostra de pellet feed para composição da mistura a aglomerar, conforme o planejamento do projeto de experimentos. Para cada amostra gerada de pellet feed e carga circulante, produziram-se em um disco de pelotamento piloto, as pelotas cruas ou verdes. O disco piloto possui um diâmetro de 1m e a profundidade da panela de 20cm. A inclinação pode variar de 45 a 50° e a alimentação nominal é da ordem de 0,80t/hora. O mesmo possui 3 raspadores, sendo 2 de fundo e 1 lateral. A
rotação pode variar de 10 a 20rpm. O sistema de alimentação é móvel, permitindo alteração do ponto de alimentação do disco. A inclinação do disco foi mantida em 45°, a rotação do disco em 15rpm e alimentação em 0,74t/h/m² disco, o que corresponde a aproximadamente 0.58kg/hora.
4.8.2 – Propriedades físicas das pelotas cruas
As propriedades físicas das pelotas cruas são muito importantes porque delimitam a produtividade e a qualidade da pelota queimada. Quanto melhor a qualidade física da pelota crua melhor é a pelota queimada.
4.8.2.1 – Diâmetro médio das pelotas cruas
O diâmetro médio é um parâmetro muito importante para o controle de processo. Ele reproduz a produtividade do disco. Quanto maior o diâmetro médio maior é a taxa de crescimento (tempo constante) da pelota e, portanto maior é a produtividade do disco de pelotamento. Sendo a produtividade maior pode-se então trabalhar com o disco com cargas menores influenciando positivamente na qualidade física da pelota crua. O diâmetro médio é dado por:
retida
Dmédio % (4.1)
#superior#inferior 2
*100 (4.2)
onde:
Dmédio - diâmetro médio;
%Retida - porcentagem de pelotas retidas na peneira; # - malha da peneira.
4.8.2.2 – Resistência a compressão a úmido e a seco das pelotas cruas
Para a determinação da resistência à compressão das pelotas cruas foi utilizada uma prensa manual. As pelotas são individualmente submetidas à ação de uma força compressiva uniaxial, como mostrado na Figura 4.4. Este ensaio consiste em colocar uma pelota entre duas placas
paralelas e comprimi-la, até que ocorra a ruptura da mesma. Este procedimento é repetido em 20 pelotas selecionadas na amostra (pelotas sem trincas). Estudos conduzidos por Wynnyckyj (1993) mostraram que em muitos dos casos a carga suportada pela pelota crua é proporcional à tensão de tração verdadeira da matriz do aglomerado. Durante o ensaio, ao aplicarmos uma força de compressão na pelota estas resultam em forças de tração no sentido perpendicular à força aplicada. Estas forças, ao atingirem um valor crítico, levam ao aparecimento de trincas e a quebra da pelota. Existe uma correlação entre este valor crítico das forças de tração, denominado de tensão de ruptura, e o valor da resistência à compressão a frio da pelota, expresso em kgf/pelota.
A equação é dada por:
(4.3)
K é a constante de proporcionalidade, L é a carga aplicada, D é o diâmetro da esfera e T é a
tensão de ruptura. O valor de é característico para cada tipo de material empregado na aglomeração e tratando-se de pelotas de minério de ferro, cujo tipo de ligante utilizado e dosagens são as mesmas, podemos considerá-lo constante. Desta forma temos que:
(4.4) A resistência das pelotas varia de acordo com o tamanho. Quanto maior o diâmetro das pelotas, maior será a força necessária para sua ruptura destrutiva. Baseado nesta informação, para os testes físicos realizados nas pelotas cruas, utilizamos as pelotas cuja granulometria está concentrada na faixa entre 12,5 e 16,0mm.
Figura 4.4 – Conceito do fator de força (L) compressiva uniaxial para Esferas (WYNNYCKYJ, 1993). L L T
K
D
F
2L
TK
D
F
2L
O teste de compressão é realizado em pelotas cruas úmidas e secas. Em pelotas úmidas é denominado de resistência à compressão das pelotas cruas úmidas (CPCU). Este ensaio permite uma avaliação da resistência das pelotas cruas úmidas às etapas de transporte e pontos de transferências do disco de pelotamento até a alimentação na grelha. Em pelotas secas, é denominado de resistência à compressão das pelotas cruas secas (CPCS). Para este teste, as pelotas passam por uma etapa de secagem em uma estufa, a 100C, durante 2 horas. Este ensaio permite uma avaliação da resistência das pelotas cruas secas às pressões sofridas quando submetidas a elevadas pressões nas diversas etapas de endurecimento.
4.8.2.3 – Bulk Density das pelotas cruas
O bulk density é uma medida que indica qual a massa de pelotas por unidade de volume. As pelotas queimadas ou cruas são colocadas em um recipiente cujo volume é conhecido. Mede-se a massa de pelotas que ocupa o volume do recipiente. Esta medida é influenciada pela distribuição granulométrica e forma de empacotamento das pelotas. Nos estudos realizados foram utilizadas pelotas na faixa entre 10mm e 12,5mm.
4.9 – Ensaios de queima das pelotas cruas em pot grate
O pot grate é um equipamento piloto, planejado para simular o ciclo térmico utilizado industrialmente no processo de endurecimento ou queima das pelotas cruas. A Figura 4.5 ilustra o equipamento com seus principais componentes. Os principais componentes do pot grate são:
Câmara de combustão - onde o GLP (gás liquefeito de petróleo) é queimado para o aquecimento do ar de processo. O ar aquecido é direcionado à panela em fluxo ascendente ou descendente, dependendo da etapa do processo em simulação. Panela – é o recipiente onde as pelotas cruas são depositadas para a simulação da
queima. A mesma é revestida internamente por refratários, e a mesma possui 3 termopares em pontos diferente da camada de pelotas para a medição da temperatura durante o processo.
Caixa de vento – é a parte sob a panela, por onde passa o ar quente responsável pela secagem ascendente, o ar frio utilizado no resfriamento e os gases provenientes do processo de secagem descendente e da queima.
Coifa – é a parte sobre a panela e sua função é canalizar o ar aquecido sobre a camada de pelotas cruas durante as etapas de secagem descendente e queima, e o fluxo de ar ascendente das etapas de secagem e resfriamento para um sistema de exaustão e descarga para atmosfera.
Sistema de controle – programa computacional que permite a simulação do tempo de permanência das pelotas nas zonas de secagem, de queima e resfriamento, em função do ritmo de produção que se que estabelecer e do perfil de temperaturas em cada etapa, de forma a simular o processo industrial.
Sistema de medição de temperaturas - composto de um conjunto de termopares para medição de temperaturas em todas as regiões do forno. Os termopares T4, T5, T6, T7 e T8 medem a temperaturas da coifa, das camadas que compõem o leito de pelotas, e da caixa de vento respectivamente.
Válvulas de controle de fluxo – Controlam o fluxo de gases dentro da panela.
A preparação da panela do pot grate é uma importante etapa do processo, portanto a sua preparação consiste de:
A camada de fundo, com altura de 7cm, é preenchida com pelotas queimadas de 16 mm, simulando a camada de fundo da grelha móvel.
A camada lateral é preenchida com pellet screening (subproduto do peneiramento de pelotas queimadas) com granulometria entre 3,15e 8,0mm panela, simulando a camada lateral de um forno de grelha móvel.
Posteriormente a panela é preenchida com pelotas cruas com distribuição de 50% entre 16,0 e 12,5mm e 50% entre 12,5 e 9,0mm.
Após a preparação do leito de pelotas na panela do pot grate, as mesmas passarão pela etapa de endurecimento conforme programado. Neste estudo, a velocidade da grelha foi estipulada em 5,65m/min, o que fornece uma produção diária de 19.500tms ou 13.500.000tms anual. As condições de queima (temperaturas, pressões e tempo em cada etapa da queima) foram estabelecidas de acordo com a Tabela 4.9, em similaridade com as condições operacionais estabelecidas no processo industrial, mais precisamente da usina de pelotização 1 da empresa. Desta maneira buscou-se obter pelotas queimadas, em escala piloto, com grau de sinterização próximo aos obtidos em condições reais. As etapas de secagem, de queima e resfriamento foram subdivididas em grupos, permitindo um melhor controle de temperatura e pressão.
Nas etapas de secagem ascendente 01 e 02, as válvulas 17 e 06 foram mantidas abertas e as demais fechadas. Nas etapas com fluxo descendente, as válvulas 18 e 19 foram mantidas abertas e as demais fechadas. Na etapa de resfriamento, as válvulas 06 e 21 foram mantidas abertas e as demais fechadas.
O pot grate possui apenas um ventilador soprador, ao contrário da usina que possui sempre um ventilador soprando e outro fazendo a exaustão dos gases. Desta forma, trabalhamos com a diferença de pressão entre a caixa de vento e a coifa para controle de processo.
Os valores de temperaturas T0C e pressões P(mmH2O), estabelecidos para cada fase, foram
definidos cuidadosamente, para submeter as pelotas a um aporte térmico similar ao processo industrial. Os mesmos estão descritos na Tabela 4.7.
Tabela 4.7 – Parâmetros operacionais estabelecidos para controle de queima das pelotas em pot grate.
O perfil de temperatura para as camadas superior (termopar T5), intermediária (termopar T6), inferior (termopar T7) e para a caixa de vento (termopar T8) são monitoradas durante a queima. A Figura 4.6 ilustra um gráfico de acompanhamento das temperaturas durante a queima em pot grate, simulando o forno da Usina 01.
È notável a diferença de temperatura entre as camadas de pelotas da parte superior, intermediária e inferior do leito. A parte superior, além de apresentar a maior temperatura durante a queima, permanece um maior tempo nesta temperatura. Ao final da queima, a parte inferior do leito que apresenta a menor temperatura, recebe o ar frio para o resfriamento.
COMPRIM. ( m ) Tempo ( seg ) Tempo ( min ) Pressão Diferencial ( mmH2O ) Temperatura Pot ( ºC ) Temperatura Usina ( ºC ) Sensor Vazão de Oxigênio (Nm³/h) Tempo Acumulado ( seg ) 16 176 2.93 470 365 365 TE - 08 176 16 176 2.93 280 280 280 TE - 08 352 12 132 2.20 600 220 220 TE - 04 484 Pré Queima ( grupo 1 ) 8 88 1.47 600 570 570 TE - 04 80.00 572 Queima ( grupo 2 ) 10 110 1.83 600 1100 1150 TE - 04 80.00 682 Queima ( grupo 3 ) 8 88 1.47 565 1180 1280 TE - 04 80.00 770 Queima ( grupo 4 ) 8 88 1.47 565 1190 1300 TE - 04 80.00 858 Queima ( grupo 5 ) 8 88 1.47 565 1200 1320 TE - 04 80.00 946 Queima ( grupo 6 ) 8 88 1.47 565 1220 1350 TE - 04 80.00 1033 Queima ( grupo 7 ) 6 66 1.10 565 1220 1350 TE - 04 80.00 1099 Queima ( grupo 8 ) 6 66 1.10 565 1220 1350 TE - 04 80.00 1165 Queima ( grupo 9) 6 66 1.10 565 1220 1350 TE - 04 80.00 1231 Queima ( grupo 10 ) 4 44 0.73 565 1220 1350 TE - 04 80.00 1275 46 506 8.43 520 1781 14 154 2.57 520 1935 176 1935 32.25 5.46