Determinação de parâmetros cinéticos que influenciam na taxa de redução do óxido de ferro em pelotas

A rota convencional, alto-forno e aciaria a oxigênio, corresponde a aproximadamente 70% da produção de aço do mundo. O alto-forno é um reator termoquímico de produção de gusa a partir da redução do óxido de ferro. A carga metálica deste reator é composta por sínter, pelota e granulado, e a qualidade desta impacta sobre a eficiência do processo. A pelota, foco do estudo deste projeto, é avaliada quanto às características físicas e metalúrgicas, dentre as quais está a redutibilidade. A redutibilidade está relacionada com a velocidade com que a pelota reduz, e pode ser medida pelo grau de redução. Ela impacta diretamente sobre o processo do alto-forno: quanto mais rápida é a redução da carga metálica, menor é o consumo de combustível. O modelo cinético mais aceito para descrever a redução da pelota é o modelo topoquímico. Segundo este, a redução ocorre da superfície mais externa para o núcleo da pelota, e são formadas camadas dos diferentes óxidos de ferro: hematita, magnetita e wustita, e por último, próximo à superfície, o ferro metálico. A velocidade de redução em cada camada depende das propriedades da fase e esta relacionada com a constante cinética (k) das interfaces e o coeficiente de difusão (D) da cada camada. A metodologia proposta neste estudo combinou simulação física e numérica para determinar os parâmetros k e D de pelotas com redutibilidades diferentes. Foram avaliadas duas pelotas em três temperaturas: 700, 800 e 900°C sob a redução por monóxido de carbono e hidrogênio. A partir dos resultados foram determinadas equações de Arrhenius para cada parâmetro. Os resultados obtidos foram sensíveis às variações de temperatura e às diferenças de redutibilidade entre os produtos avaliados. Para uma mesma pelota, quanto maior a temperatura, maiores foram os valores obtidos de k e D. Comparando entre as pelotas, para a com maior grau de redução, foram obtidos maiores valores de constante cinética, provavelmente devido às fases de ferrita altamente redutíveis ou a algum possível efeito de catálise do MgO. Ela também apresentou valores maiores de coeficiente de difusão, resultado da distribuição de poros mais homogênea.The usual route of producing steel is blast furnace and oxygen steelmaking and it represents 70% of steel production in the world. Blast furnace is a thermochemical reactor for producing pig iron by reducing iron oxides. Its metallic burden is composed by lump, sinter and pellet and its quality impacts on process efficiency. Pellet, that will be studied in this project, is evaluated due its physical and metallurgical properties among which is reducibility. Reducibility is related to the velocity that pellet reduces, and can be estimated by Reduction Degree index. It impacts directly on fuel consumption of blast furnace. Coke consumption is lower when metallic burden reduction is easier. The kinetic model more accepted to describe pellet reduction is the topochemical one. According to this, reduction happens from the outer layer of the pellet particle to its core, and layers of different phases: hematite, magnetite and wustite are formed. The velocity depends on phases properties and is related to kinetic constant (k) and diffusion coefficient (D). The methodology proposed in this study combined physical and numerical simulation, to estimate kinetics k and D for pellets with different reducibilities. It were evaluated two pellets in three temperatures: 700, 800 e 900°C under reduction by carbon monoxide and hydrogen. From the results were determined Arrhenius equations for each one of the kinetic parameters. The results were sensitive to temperature variations and different product's properties. For the same pellet, higher temperature, higher were the values for k and D. Comparing both pellets, for the one with higher reduction it was obtained higher values for k. This is due the high reducibility ferrite composts and a catalyst effect of MgO on iron oxide reduction. This pellet has higher values for diffusion coefficient too because its homogeneous distribution of pores. The estimation of those parameters will help to understand in future studies what is the impact of high reducibility pellets on blast furnace process