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Avaliação técnica de minérios de ferro para sinterização nas siderúrgicas e minerações brasileiras: uma análise crítica

Resumos

Esse artigo apresenta uma análise crítica da metodologia empregada para avaliação técnica rotineira de finos de minérios de ferro para sinterização, tanto por parte das siderúrgicas, quanto pelas minerações brasileiras, com base apenas no controle granulométrico e químico. Sugere-se a realização da caracterização mineralógica das partículas nucleantes, intermediárias e aderentes do sinter feed, visando à otimização do processo e à melhoria da qualidade intrínseca do produto, destacando os principais atributos que devem constituir a sua identidade microestrutural. Vislumbra-se, para os próximos anos, uma verdadeira revolução nos critérios que norteiam a análise técnica de minérios para os processos industriais de aglomeração.

processo de sinterização; minério de ferro; caracterização mineralógica


This paper provides a critical analysis of the methodology used in Brazil for routine technical evaluation of iron ore fines used in the sintering process based uniquely on chemical and granulometric parameters. The mineralogical characterization of adherents, intermediates and nucleantes particles of sinter feed and the main attributes that should constitute its microstrutural identity have been highlighted. It should contribute a great deal to optimize the process parameters during the various stages of the sintering process as well as promote better intrinsic sinter quality. Based on these concepts, it is expected that in future years, significant criterias will be developed for technical analysis of iron ores fines used in agglomeration industry.

sintering process; iron ore; mineralogical characterization


METALURGIA & MATERIAIS

Avaliação técnica de minérios de ferro para sinterização nas siderúrgicas e minerações brasileiras: uma análise crítica

Cláudio Batista VieiraI; Carlos Alberto RosièreII; Eloisio Queiroz PenaIII; Varadarajan SeshadriIV; Paulo Santos AssisV

IDr.Sc., Prof. da REDEMAT (UFOP/UEMG/CETEC) e do Departamento de Eng. Metalúrgica e de Materiais da Escola de Minas da UFOP, E-mail: ufop@terra.com.br

IIDr. rer. nat., Prof. do Departamento de Geologia do IGC da UFMG, E-mail: crosiere@dedalus.lcc.ufmg.br

IIIM.Sc., Prof. do Departamento de Eng. Metalúrgica e de Materiais da Escola de Minas da UFOP, E-mail: eloisio@em.ufop.br

IVDr. Ing., Prof. do Departamento de Eng. Metalúrgica e de Materiais da UFMG, E-mail: seshadri@demet.ufmg.br

VDr. Ing, Prof. da REDEMAT (UFOP/UEMG/CETEC) e do Departamento de Eng. Metalúrgica e de Materiais da Escola de Minas da UFOP, E-mail: assis@em.ufop.br

RESUMO

Esse artigo apresenta uma análise crítica da metodologia empregada para avaliação técnica rotineira de finos de minérios de ferro para sinterização, tanto por parte das siderúrgicas, quanto pelas minerações brasileiras, com base apenas no controle granulométrico e químico. Sugere-se a realização da caracterização mineralógica das partículas nucleantes, intermediárias e aderentes do sinter feed, visando à otimização do processo e à melhoria da qualidade intrínseca do produto, destacando os principais atributos que devem constituir a sua identidade microestrutural. Vislumbra-se, para os próximos anos, uma verdadeira revolução nos critérios que norteiam a análise técnica de minérios para os processos industriais de aglomeração.

Palavras-chave: processo de sinterização, minério de ferro, caracterização mineralógica.

ABSTRACT

This paper provides a critical analysis of the methodology used in Brazil for routine technical evaluation of iron ore fines used in the sintering process based uniquely on chemical and granulometric parameters. The mineralogical characterization of adherents, intermediates and nucleantes particles of sinter feed and the main attributes that should constitute its microstrutural identity have been highlighted. It should contribute a great deal to optimize the process parameters during the various stages of the sintering process as well as promote better intrinsic sinter quality. Based on these concepts, it is expected that in future years, significant criterias will be developed for technical analysis of iron ores fines used in agglomeration industry.

Keywords: sintering process, iron ore, mineralogical characterization.

1. Introdução

A produção de sínteres com qualidade química, mecânica e metalúrgica elevada, associada a uma alta taxa de produtividade e baixo consumo de energia, está relacionada, entre outros fatores, com a qualidade intrínseca dos minérios de ferro empregados na mistura a sinterizar. Na maior parte das usinas siderúrgicas brasileiras, o sínter é produzido a partir de uma mistura composta por vários minérios, sendo que em alguns casos são empregadas dezenas de tipos diferentes. Critérios técnicos e econômicos são sempre usados para se estabelecer uma situação ideal.

Um dos pontos-chave do processo de sinterização é o emprego de uma metodologia consistente para avaliação da qualidade intrínseca dos minérios e otimização dessa mistura de modo a se obter uma melhor performance desse processo nas etapas de aglomeração a quente e a frio, além de se buscar uma maior adequação do comportamento do sínter no interior do alto-forno.

Os minérios brasileiros apresentam estruturas internas muito variadas, devido às diferentes condições de metamorfismo, tectonismo e intemperismo a que foram sujeitas, ou, mesmo, em virtude de sua gênese. Dessa forma, originaram-se minérios com diferentes constituintes mineralógicos, trama, tamanho e morfologia dos cristais, tamanho e morfologia dos poros, porosidade, forma e superfícies das partículas, etc. (Rosière, 1996; Vieira,1996; Rosière et alii, 1997).

Apesar disso, as características estruturais têm sido negligenciadas no controle do processo de sinterização. A avaliação técnica de finos de minérios de ferro brasileiros, tanto por parte das minerações, quanto das siderúrgicas, tem sido rotineiramente baseada apenas na caracterização granulométrica e química dos componentes da mistura. Em função dessa lacuna existente, apresenta-se, nesse trabalho, uma análise crítica a respeito do tema em questão.

2. Minérios de ferro brasileiros

Os minérios brasileiros são praticamente todos do tipo hematítico e podem ser divididos em diferentes categorias tipológicas apresentadas na Tabela 1 (Rosière et alii, 1997; Vieira et alii, 1999). Em sua maioria são anidros e possuem alto teor de ferro e, quando comparados com os minérios australianos, apresentam baixo teor de alumina. Os valores de perda ao fogo e de Fe2+ são geralmente baixos (Caporali et alii, 1998). Diferentes tipos de cristais de hematita (especular, martita, granular, microgranular, etc.), com tamanhos de cristais variando de 1mm até 1000 mm, são encontrados nos tipos de sinter feed existentes. Além disso, existem diferentes tipos de trama dos cristais, tais como granoblástica, lepidoblástica, granolepidoblástica, etc. (Rosière, 1996; Rosière et alii, 1997). Ademais, os minérios podem conter diferentes constituintes mineralógicos acessórios, tais como quartzo, caulinita, gibbsita, etc., contendo, ainda, diferentes valores de porosidades e de diâmetro dos poros (micro, meso e macro), que têm forte influência nas etapas de aglomeração a frio e a quente de finos minérios de ferro.

Tabela 1 - Descrição geral dos tipos e das características intrínsicas de partículas do sinter feed de minérios de ferro brasileiros e da estrutura ideal do microaglomerado produzido na etapa de aglomeração a frio (Ishikawa et alii, 1982; Araújo Filho et alii, 1986; Rosière, 1996; Vieira et alii, 1999).

3. Classificação das partículas de minérios quanto à capacidade de microaglomeração

A mistura de sinterização, constituída por diversas matérias-primas e combustível, apresenta uma ampla faixa granulométrica, desde partículas mais finas até as mais grosseiras.

Essas partículas, antes de serem carregadas na máquina de sinterizar, são submetidas a uma etapa industrial muito importante, denominada de etapa de microaglomeração, onde são misturadas em um tambor em condições controladas de velocidade de rotação, tipos de revestimento, adição de água e fator de ocupação da mistura. O ajuste dessas variáveis permite controlar o movimento das partículas (regime cascata), de modo que, após um determinado tempo de residência, tem-se a produção de microaglomerados, que irão constituir o leito da máquina de sinterizar. Esses microaglomerados são formados por um núcleo, que são preferencialmente de partículas grossas de minérios ou de sinter retorno, cobertas por uma camada aderente de partículas finas de minérios, combustíveis e fundentes. Em função da eficiência dessa etapa de microaglomeração, as partículas da mistura de minérios podem ser classificadas em nucleantes, intermediárias e aderentes.

Na Tabela 1, é apresentada uma ilustração da classificação adotada pela Nippon Steel (Ishikawa et alii, 1982) que estabelece que as partículas do sinter feed com tamanho acima de 0,7mm são consideradas como nucleantes, abaixo de 0,7mm e acima de 0,2mm, como intermediárias e abaixo de 0,2mm, como aderentes. De acordo com esse trabalho e de diversos outros da literatura, que propõem outras classificações diferentes, a mistura deve conter a menor quantidade possível de partículas intermediárias e uma relação nucleantes/aderentes adequada de modo a propiciar uma boa permeabilidade de carga durante a sinterização (Araújo Filho et alii, 1986; Nogueira, 1987; Caporali et alii, 1998).

4. Qualidade de minérios de ferro para sinterização

A composição química da mistura de minérios de ferro para o processo de sinterização é estabelecida em função das especificações da composição química do sínter para uso nos altos-fornos. Ademais, existem outras exigências quanto aos teores de certos constituintes que prejudicam a qualidade metalúrgica e/ou mecânica do sínter e dos produtos subseqüentes, tais como o ferro-gusa e aço.

De um modo geral, tem-se o controle dos teores de FeTotal, SiO2, Al2O3, P, Mn, K2O, Na2O e PPC dos minérios da mistura, cujos limites de especificação variam para cada empresa. Nos processos siderúrgicos, objetiva-se o emprego de finos de minérios com altos teores de ferro e baixos teores de ganga e de impurezas.

Sabe-se que a distribuição granulométrica dos minérios afeta, de forma acentuada, as etapas de aglomeração a frio e a quente do processo de sinterização. Por isso, torna-se importante controlar as porcentagens das partículas supergrossas, nucleantes, aderentes, intermediárias e superfinas da mistura a sinterizar.

A moderna tecnologia de sinterização, visando a otimizar produtividade e baixo consumo de energia no processo, tem como diretriz a produção de sínteres constituídos por uma parte fundida e outra não fundida. Em contraste com os sínteres produzidos em décadas passadas, chamados de sínteres homogêneos, onde se tinha praticamente todo material fundido, tem-se atualmente explorado a produção de sínteres heterogêneos, onde a parte não fundida aumentou significativamente, atingindo patamares de 30% a 40%, ou mais, da área da seção do aglomerado (Nogueira, 1987). Nesse sentido, procura-se preservar os núcleos dos microaglomerados durante o processamento térmico na máquina de sinterizar e permitir a fusão somente das partículas aderentes com o menor aporte térmico possível. Os fundentes devem ser empregados como partículas aderentes, para que, após a queima da mistura, venha compor a parte fundida do sínter com características mais homogêneas possíveis.

Um ciclo térmico apropriado deve ser empregado, a fim de obter-se um sínter com uma microestrutura ideal, mostrada na Figura 1, capaz de garantir um excelente comportamento no interior do alto-forno, devido às suas excepcionais propriedades mecânicas, químicas e metalúrgicas. Deve-se controlar a temperatura máxima de sinterização de modo a evitar que o sínter produzido tenha uma microestrutura rica em hematita secundária romboédrica esqueletiforme e ferritos de cálcio colunar (Ishikawa et alii, 1982; Ishikawa et alii, 1983; Dawson, 1993; Pimenta e Seshadri, 2002 a).


Figura 1 - Microestrutura ideal do sínter de minério de ferro (modificada de Ishikawa et alli, 1982; Ishikawa et alli, 1983; Dawson,1993; Pimenta e Seshadri, 2002 a, b).

A concepção de produzir sínteres com microestrutura desejada para os altos-fornos aliada a uma alta produtividade e baixo consumo de energia na máquina de sinterizar é fortemente dependente de diversas variáveis de processo, assim como do conhecimento dos atributos microestruturais dos minérios de ferro em conjugação com suas características granuloquímicas.

Diversos estudos na literatura têm discutido a importância e a relação existente entre as características microestruturais dos finos de minérios e a eficiência das etapas de aglomeração a frio e a quente no processo de sinterização e na qualidade final dos sínteres. A seguir, são apresentadas algumas conclusões apresentadas nesses estudos.

  • A presença de finos de minérios limoníticos influencia a temperatura de fusão das partículas aderentes (Sato et alii, 1986).

  • O tamanho, a forma e a distribuição dos cristais e poros das partículas nucleantes do sinter feed, entre outros fatores, influenciam a redutibilidade dos sínteres (Goldring & Fray, 1989).

  • O uso de minérios hidratados afeta a reação entre a fase líquida e o núcleo durante o processo de sinterização (Pereira, 1992).

  • Os fatores de tamanho de cristal e proporção de minérios hidratados, juntamente com minérios hematíticos compactos na mistura de sinterização, contribuem para melhorar a redutibilidade do sínter (Pacheco et alii, 1997).

  • Minérios goethíticos têm um efeito marcante na estrutura da parte fundida do sínter, influenciando na formação de ferritos de cálcio, escória vítrea e porosidade, fatores que, por sua vez, controlam os parâmetros metalúrgicos e mecânicos do sínter, tais como redutibilidade, resistência, RDI (Reduction Degradation Index), etc. (Hsieh & Whiteman, 1993).

  • A intensidade de degradação granulométrica dos sínteres, durante redução em baixas temperaturas, é fortemente influenciada pelos seus tipos de constituintes microestruturais e pela presença de Al2O3 e TiO2 na rede cristalina das hematitas secundárias (Pimenta & Seshadri, 2002 a,b).

Dentro desse contexto, a Tabela 2 apresenta um roteiro dos principais parâmetros mineralógicos, microestruturais e granulométricos que devem constituir a identidade estrutural do sinter feed. Esses atributos devem ser avaliados juntamente com as suas características químicas. O desconhecimento desses atributos, assim como os da mistura a sinterizar, dificulta substancialmente a otimização dos fatores produtividade, qualidade e custo, que constituem o alicerce da sobrevivência desse processo de aglomeração.

Tabela 2 - Principais atributos que deverão constituir a identidade estrutural de finos de minério de ferro para uso em sinterização (Vieira et alli, 1999).

5. Cenários futuros da comercialização de minérios de ferro

São previstas mudanças significativas nas relações entre fornecedores e consumidores de finos de minérios para sinterização no mercado brasileiro e internacional. Numa primeira fase, as minerações estarão fornecendo aos seus clientes, além da análise granuloquímica, a constituição mineralógica dos minérios.

Nesse sentido, muitas empresas investirão ou já estão investindo na elaboração de modelos tridimensionais geológicos-tipológicos de suas jazidas, permitindo ao planejamento de lavra incorporar critérios mineralógicos na composição dos "blends" de minérios. De forma ilustrativa, pode-se citar que essa situação já é uma realidade na empresa Samarco Mineração S.A., onde o concentrado produzido na usina de beneficiamento (Unidade de Germano, município de Mariana/MG) é fornecido para a unidade de pelotização (Unidade de Ponta Ubu, município de Anchieta/ES), obedecendo a critérios rigorosos de controle de qualidade sob o aspecto de composição mineralógica (Costa et alii, 1998).

Numa segunda fase, informações complementares a respeito da estrutura desses "blends" também serão fornecidas aos consumidores, tais como ordem de grandeza do tamanho do cristal (moda), tipo de trama, etc. Entretanto, é necessário que os envolvidos na sinterização tenham um maior domínio de conhecimento a respeito dos atributos estruturais do minério, e da mistura a sinterizar, que realmente interferem no trinômio produtividade, qualidade e custo. Muitos estudos de modelagem matemática e trabalhos de pesquisa ainda precisam de ser efetuados nessa área para consolidação de uma moderna tecnologia de produção de sínter.

6. Considerações finais

Em função da operacionalidade de geração e da capacidade de interpretação dessas diversas informações inerentes ao minério, empregando recursos mais avançados (como, por exemplo, o analisador de imagem acoplado ao microscópio ótico de luz refletida e o desenvolvimento de softwares aplicativos para minérios de ferro), é possível vislumbrar, para os próximos anos, uma verdadeira revolução nos critérios que norteiam a análise técnica de minérios para os processos de aglomeração no mercado nacional e internacional.

Artigo recebido em 19/12/2002 e aprovado em 13/05/2003.

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Datas de Publicação

  • Publicação nesta coleção
    13 Out 2003
  • Data do Fascículo
    Jun 2003

Histórico

  • Aceito
    13 Maio 2003
  • Recebido
    19 Dez 2002
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