Briquete autorredutor de concentrado de minério de ferro e coque de petróleo para maior eficiência de redução em alto-forno

Abstract

A utilização de aglomerados autorredutores como carga complementar no alto-forno representa uma alternativa sustentável para reduzir o consumo de combustível e aumentar a produtividade na siderurgia. Diante da queda na qualidade das matériasprimas e da crescente demanda por maior eficiência energética, o uso da briquetagem vem sendo alavancado como possibilidade para aglomeração de minério de ferro. Neste contexto, esta Tese teve como objetivo avaliar o coque de petróleo (petcoke: PC) e o carvão mineral não coqueificável (non-coking coal: NCC) como potenciais agentes redutores em briquetes. Foram investigadas misturas com diferentes proporções de carbono (0 a 25% em massa de redutor), bem como a resistência mecânica e metalúrgica dos briquetes, o efeito da atmosfera de redução e o comportamento em amolecimento e fusão sob condições similares àquelas de operação dos altos-fornos. Inicialmente, análises termogravimétricas em regime não isotérmico com atmosferas inertes indicaram que a razão molar C:O de 0,75, correspondente em massa a 20% de NCC e 15% de PC, apresentou a maior fração reagida. A presença de PC favoreceu a formação de ferro metálico mesmo em menores proporções, evidenciando desempenho superior ao NCC. Com base nesses resultados, foram produzidos briquetes em planta piloto com teores de PC variando de 0 a 15%. Os ensaios mecânicos demonstraram que briquetes com até 10% de PC possuem resistência adequada para uso em altos-fornos de pequeno porte (volume interno menor que 1000 m3). Além disso, a adição de PC promoveu uma distribuição de poros favorável à redução e à difusão gasosa. Na etapa seguinte, avaliouse o efeito da atmosfera (inerte e redutora) sobre briquetes com 10% de PC. Ensaios interrompidos entre 600 e 900°C revelaram que a adição de PC ao briquete promove maior grau de metalização e distribuição uniforme dos óxidos reduzidos, sugerindo um modelo de redução distinto do núcleo não reagido, mesmo sem participação direta na reação. Por fim, observou-se que o aumento de PC nos briquetes propiciou redução na temperatura de amolecimento e aumento da espessura da zona coesiva. Contudo, foi evidenciado aumento da eficiência da redução indireta e consequente diminuição do consumo de carbono. Ensaios com carga mista (30% briquetes com 10% de PC e 70% sínter) apresentaram melhor permeabilidade ao gás e maior eficiência de redução na zona coesiva quando comparados ao sínter. Os resultados alcançados indicaram que a integração de briquetes autorredutores na carga ferrosa do alto-forno mostrou-se viável do ponto de vista metalúrgico, especialmente quando utilizados em combinação com sínter e produzidos próximos ao reator, com potencial para reduzir o consumo de coque e contribuir para a sustentabilidade do processo siderúrgico.

The use of self-reducing agglomerates as a complementary burden in the blast furnace represents a sustainable alternative to reduce fuel consumption and enhance productivity. Considering the declining quality of raw materials and higher energy efficiency demand, briquetting has emerged as a promising method for iron ore agglomeration. In this context, this Thesis aimed to evaluate petcoke (PC) and non-coking coal (NCC) as potential reducing agents in self-reducing briquettes. Mixtures with varying carbon proportions (0 to 25 wt.% of reducing agent) were investigated, along with the mechanical and metallurgical strength of the briquettes, the effect of the reduction atmosphere, and the softening and melting behavior under conditions similar to those in blast furnace operations. Primary, non-isothermal thermogravimetric analyses under inert atmospheres indicated that a C:O molar ratio of 0.75, corresponding to 20 wt.% NCC and 15 wt.% PC, resulted in the highest reacted fraction. The presence of PC favored the formation of metallic iron even at lower reductant contents, demonstrating superior performance compared to NCC. Based on these findings, pilot-scale briquettes were produced with PC contents ranging from 0 to 15 wt.%. Mechanical testing showed that briquettes containing up to 10 wt.% PC exhibited adequate strength for use in small-scale blast furnaces (inner volume less than 1000 m3). Furthermore, the addition of PC promoted a pore structure favorable to reduction and gas diffusion. Subsequently, the effect of the atmosphere (inert and reducing) was evaluated for briquettes containing 10 wt.% PC. Interrupted reduction tests conducted between 600 and 900°C revealed that PC promoted a higher degree of metallization and a more uniform distribution of reduced oxides, suggesting a reduction model distinct from the classical shrinking core model, even without direct participation in the reduction reaction. Finally, it was observed that increasing PC content in the briquettes led to a decrease in softening temperature and an increase in cohesive zone thickness. Nevertheless, an improvement in indirect reduction efficiency and a consequent reduction in carbon consumption were evidenced. Mixed burden tests (30% briquettes with 10 wt.% PC and 70% sinter) showed improved gas permeability and higher reduction efficiency in the cohesive zone compared to sinter alone. The results indicate that the integration of self-reducing briquettes into the blast furnace burden is metallurgically feasible, particularly when used in combination with sinter and produced near the reactor, with the potential to reduce coke consumption and contribute to the sustainability of the steelmaking process.