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Numerical evaluation of the effects of soft-melting properties on the kinetic of (Ca[Fe.sub.2][O.sub.4]-[Ca.sub.2][Fe.sub.2][O.sub.5]) formation in the iron ore sintering process/Estudo numerico da influencia de propriedades de amolecimento e fusao na cinetica de formacao de (Ca[Fe.sub.2][O.sub.4]-[Ca.sub.2][Fe.sub.2][O.sub.5]) na sinterizacao de minerio de ferro.

1 INTRODUCAO

O processo de sinterizacao de minerio de ferro e responsavel pelo fornecimento de materia prima para o processo subsequente de reducao no alto forno de usinas siderurgicas integradas visando produzir o gusa liquido. Do ponto de vista fenomenologico, o processo e complexo e envolve varios fenomenos fisicos e quimicos, tais como transferencia de calor, massa e Momentum de forma acoplada as reacoes quimicas que aumentam consideravelmente a complexidade da analise e previsibilidade do processo. (1-5) As materias primas utilizadas no processo de sinterizacao de minerio de ferro sao proveniente de varias fontes, sendo a principal os finos de minerio (< 7 mm > 0,1 mm). Entretanto, devido a necessidade de se reciclar finos gerados no interior das usinas, atualmente as sinterizacoes trabalham com altas taxas de materiais recirculados internamente, desde pos de aciaria, alto forno e sinter de retorno ate materiais carbonaceos utilizados com o objetivo de incinerar e fornecer calor ao processo. (6,7) Alguns materiais sao adicionados visando acertar a composicao quimica e conferir propriedades fisicas e metalurgicas adequadas ao alto forno. Neste sentido, o processo de sinterizacao tem mostrado significativa evolucao e atualmente pode trabalhar com uma flexibilidade alta de materias primas. Na operacao convencional da sinterizacao, a combustao dos combustiveis solidos (finos de coque ou antracito) comeca na parte superior da camada, induzida por um forno de ignicao e, com o movimento da esteira, e formada uma frente de combustao gerando uma banda estreita de sinterizacao atraves do leito. A Figura 1 mostra um desenho esquematico das zonas no interior da esteira de sinterizacao onde se identificam a frente de combustao, as zonas de aquecimento e de resfriamento. As caracteristicas da frente de sinterizacao dependem fortemente das materias primas escolhidas e da velocidade de movimento da esteira e da succao dos gases. A qualidade final do sinter produzido vai depender do historico das materias primas na zona de sinterizacao e das fases formadas. As fases e microestruturas formadas dependerao da cinetica das diversas reacoes quimicas, da transferencia de calor e da composicao local dos gases.

[FIGURA 1 OMITTED]

A reatividade do combustivel utilizado e as propriedades de amolecimento e fusao desempenham papel fundamental para promover o fornecimento de calor, ao mesmo tempo que propiciam a permeabilidade do leito para passagem do gas responsavel pelo fornecimento de oxigenio, aquecimento na regiao a frente da zona de combustao e resfriamento na regiao de saida da maquina. O inicio de amolecimento acontece quando a temperatura de inicio de fusao do solido e alcancada para uma dada composicao do solido local; a continuidade da fusao acontece quando calor suficiente e fornecido para continuar a fusao e as transformacoes de fases que sao, na sua maioria, endotermicas. Na zona de resfriamento, a solidificacao ocorre controlada pela taxa de solidificacao e ocorre a agregacao de solutos, formando estruturas tipicas de solidificacao tais como dendritas primarias, secundarias e terciarias com composicoes quimicas bastante heterogeneas. A Figura 2 apresenta a evolucao do fenomeno de sinterizacao e exemplos de estruturas encontradas no sinter final. Conforme observado inicialmente, o leito apresenta maior permeabilidade (Figura 2a), e com o avanco da sinterizacao, as pequenas particulas e fundentes se liquefazem e obstruem a passagem do gas e diminui de forma consideravel a troca de calor entre o gas e o leito e aumenta a pressao necessaria para a succao (Figura 2b). Nesta fase do processo a conducao de calor do liquido para as particulas desempenha papel importante. Na fase seguinte sao os fenomenos de solidificacao que desempenham papel importante rejeitando calor para o leito e, novamente, a troca de calor entre o gas e o leito controla a velocidade de solidificacao da massa de sinter. Apos a formacao do sinter sao formadas grandes fissuras pela acao do resfriamento rapido e movimento da esteira, aumentando a permeabilidade do leito ate o descarregamento onde se encontra um sistema para realizar a quebra dos grandes blocos e seguir ao resfriador final, conforme mostrado na Figura 1. As micrografias apresentadas na Figura 2c-d foram obtidas pela tecnica de microscopia eletronica de varredura (MEV) de um sinter produzido em escala piloto.

[FIGURA 2 OMITTED]

O tamanho e a fracao volumetrica das fases formadas dependem da fracao de liquido formada, que por sua vez depende da transferencia de calor local e evolucao da composicao dos constituintes na mistura. Devido a sua complexidade e vasta possibilidade de condicoes de processamento, a previsao dos fenomenos que ocorrem no interior do leito de sinterizacao tem sido abordada por meio de formulacao e implementacao de modelos matematicos com diversos niveis de detalhamento e complexidade.

Dentre estes modelos desenvolvidos para simular o processo de sinterizacao em esteira movel de minerio de ferro destacam-se Cumming e Thurlby, (1) Nath, Silva e Chakraborti, (2) Yamaoka e Kawaguchi, (3) Castro et al. (4) e Mitterlehner et al., (5) que tratam o leito de sinterizacao como um meio poroso e consideram as diversas reacoes quimicas, transferencia de calor e transformacoes de fases acopladas ao escoamento gasoso e de solidos na esteira de sinterizacao. Embora alguns modelos tenham tratado de forma detalhada os fenomenos de sinterizacao no interior da esteira movel, alguns fenomenos importantes ainda precisam ser considerados e fases importantes precisam ser quantificadas visando aprimorar as previsoes e, consequentemente, desenvolver ferramentas mais precisas para estudar novas possibilidades de operacao. No tocante a novas materias primas, um topico cada vez mais atual e a reciclagem de residuos siderurgicos ou industriais nas plantas de sinterizacao sem comprometer seu desempenho e qualidade final do sinter. Neste contexto, o presente trabalho visa apresentar uma implementacao da cinetica de previsao dos constituintes calcio ferrita (Ca[Fe.sub.2][O.sub.4]) e dicalcio ferrita ([Ca.sub.2][Fe.sub.2][O.sub.5]) no modelo de sinterizacao desenvolvido por Castro et al. (4) e aplica-lo na previsao dos efeitos de propriedades de amolecimento e fusao de misturas de sinterizacao. Sao considerados quatro casos de estudo correspondendo as propriedades de minerios de sinterizacao disponiveis atualmente para a siderurgia e num futuro proximo. Estes casos sao confrontados com um cenario de operacao praticado numa planta de sinterizacao de grande porte que opera com elevada produtividade.

2 METODOLOGIA

2.1 Descricao do Modelo

O modelo baseia-se em equacoes de transporte de momentum, energia e especies quimicas para cada fase considerada. Neste estudo considera-se a fase gasosa, os solidos da carga (mistura de minerios, combustivel solido, finos de reciclagem, fundentes, aditivos e sinter de retorno), a fase liquida formada durante a sinterizacao e a fase solidificada durante o resfriamento. Para cada uma dessas fases considera-se um conjunto de especies quimicas ou constituintes que podem sofrer transformacoes ou reacoes quimicas durante o processo de sinterizacao. Algumas dessas reacoes sao exotermicas e sao responsaveis pelo aporte termico ao processo e outras sao endotermicas e consomem energia. Do ponto de vista energetico as reacoes de combustao sao as principais fornecedoras de energia, enquanto as reacoes de vaporizacao da umidade e desidratacao, calcinacao e fusao sao as mais importantes consumidoras de energia pela extensao que ocorrem e as entalpias envolvidas. A Tabela 1 apresenta as fases e especies quimicas ou constituintes consideradas neste modelo. A Tabela 2 resume as principais reacoes quimicas e as transformacoes de fases implementadas no modelo. As equacoes de transporte que governam os fenomenos de transferencia de momentum, energia e especies sao formuladas para o dominio computacional apresentado na Figura 3, com a identificacao das principais zonas de reacoes no interior do leito de sinterizacao. As zonas sao indicadas apenas para fins didaticos, ja que o processo nao apresenta esta divisao nitida de subdominios. Na realidade o modelo reproduz a transicao que ocorre entre as zonas de forma natural atraves de formulacao continua para um volume de controle representativo. As equacoes de transporte que representam os fenomenos no interior do leito de sinterizacao sao representadas pelas Equacoes 1-9.

As Equacoes 1-4 representam balancos de momentum, massa e energia acoplados a cinetica de reacoes e transformacao de fases. Nestas equacoes aparecem os termos de acumulacao (transitorios), convectivos, difusivos e os chamados termos fontes, que representam as forcas externas, geracao de massa acompanhada de geracao ou absorcao de calor de transformacao e trocas termicas entre as fases. As Equacoes 5 e 6 representam as interacoes de momentum e transferencia de calor entre as fases, enquanto as Equacoes 7 a 9 representam os efeitos de contracao, geracao de liquidos e ligacoes entre as particulas no leito de sinterizacao. Estas equacoes representam, portanto, os principais efeitos da qualidade das materias primas no tocante a propriedades de amolecimento e fusao no modelo, adicionalmente aos efeitos devido a sua composicao quimica.

[FIGURA 3 OMITTED]

Momentum:

[EXPRESION MATEMATICA IRREPRODUCIBLE EN ASCII] (1)

Continuidade:

[[derivada parcial]([[rho].sub.i][[epsilon].sub.i])/[derivada parcial]t] + [[derivada parcial]([[rho].sub.i][[epsilon].sub.i][u.sub.i,k]/[derivada parcial][x.sub.k]] = [suma][M.sub.n][r.sub.m] (2)

Energia:

[EXPRESION MATEMATICA IRREPRODUCIBLE EN ASCII] (3)

Especies quimicas ou constituintes:

[EXPRESION MATEMATICA IRREPRODUCIBLE EN ASCII] (4)

Interacoes de momentum entre as fases, dada pela equacao de Ergun modificada: (1-12)

[EXPRESION MATEMATICA IRREPRODUCIBLE EN ASCII] (5)

Trocas termicas entre as fases:

[E.sup.i-1] = [[[epsilon].sub.eff]/[d.sub.eff][[fi].sub.eff]][[k.sub.i]/([d.sub.eff][[fi].sub.eff])][2 + 0.39[([Re.sub.i-l]).sup.1/2][(Pr).sup.1/3]]([T.sub.i] - [T.sub.1]) (6)

Fracao volumetrica de solidos no leito poroso: (4-9)

[[epsilon].sub.m] = 1 - (0.403[[100[d.sub.m]].sup.0.14])

(1 - MAX(0,MIN(1,([[T.sub.l] - [T.sub.m]]/[DELTA][T.sub.m])))[S.sub.m]/100) (7)

Fracao efetiva de volume ocupada pelo solido e fases formadas:

[[epsilon].sub.eff] = [suma][[epsilon].sub.m] + [[epsilon].sub.l] + [[epsilon].sub.ls] (8)

Diametro efetivo de particula no leito de sinterizacao utilizado nas Equacoes 5 e 6:

[d.sub.eff][[fi].sub.eff] = [d.sub.inicial][[fi].sub.inicial] + ([d.sub.final][[fi].sub.final] - [d.sub.inicial][[fi].sub.inicial])([[[epsilon].sub.l] + [[epsilon].sub.ls]]/[[epsilon].sub.eff]) (9)

As propriedades termofisicas de cada fase sao calculadas em funcao da temperatura e composicao local da fase. Os parametros [[epsilon].sub.eff][d.sub.eff][[fi].sub.eff] sao dependentes da temperatura e representam a fracao volumetrica local de material no leito, diametro efetivo de particula e fator de forma, respectivamente. Estes parametros sao utilizados nas Equacoes 5 e 6, visando considerar os efeitos de amolecimento e fusao do leito, com formacao de fase liquida e solidificada, formacao de porosidade e ruptura do material devido a fortes gradientes termicos, forca de succao do gas e movimento da esteira. (3,9-11) O diametro e o fator de forma medios dos solidos carregados ([d.sub.inicial][[fi].sub.inicial]) sao calculados pela media ponderada da distribuicao granulometrica do material que sai do pelotizador-homogeneizador. Os parametros relativos as propriedades de amolecimento e fusao da mistura ([T.sub.m], [DELTA][T.sub.m] and [S.sub.m]) sao obtidos por ensaios de amolecimento e fusao padronizados em um forno de leito fixo com temperatura e composicao do gas controladas. (13-18)

Total de 118 equacoes diferenciais parciais que sao numericamente resolvidas aplicando-se a tecnica de volumes finitos.

2.2 Cinetica de Formacao de Ca[Fe.sub.2][O.sub.4]-[Ca.sub.2][Fe.sub.2][O.sub.5]

Em condicoes normais de sinterizacao tem sido observada a formacao principalmente dos constituintes [Ca.sub.2][Fe.sub.2][O.sub.5], Ca[Fe.sub.2][O.sub.4] e Ca[Fe.sub.4][O.sub.7], tanto no estado solido quanto no estado liquido. Entretanto, observacoes experimentais indicam que nos tempos normais de processamento do processo industrial, a maior contribuicao e devida a formacao no estado liquido dos constituintes Ca[Fe.sub.2][O.sub.4] e [Ca.sub.2][Fe.sub.2][O.sub.5]. A cinetica de formacao destes constituintes depende fortemente da temperatura e da disponibilidade de reagentes na fase liquida. Nesse modelo os mecanismos e correspondentes taxas representados pelas Equacoes 10-15 sao considerados ocorrendo de forma simultanea e competitiva pelos reagentes em solucao no liquido. As constantes cineticas utilizadas nesse modelo sao obtidas por ajuste de dados experimentais de sinter obtido em escala piloto: (17)

CaO(l) + [Fe.sub.2][O.sub.3](l) [flecha diestra] Ca[Fe.sub.2][O.sub.4](l) [flecha diestra] Ca[Fe.sub.2][O.sub.4](ls) (10)

d(Ca[Fe.sub.2][O.sub.4](ls))/dt = [k.sub.1](T)[CaO(l)][[Fe.sub.2][O.sub.3](l)] (11)

[k.sub.l](T) = EXP(9,8 - [11.517/T]) (12)

2CaO(l) + [Fe.sub.2][O.sub.3](l) [flecha diestra] [Ca.sub.2][Fe.sub.2][O.sub.5](l) [flecha diestra] [Ca.sub.2][Fe.sub.2][O.sub.5](ls) (13)

d([Ca.sub.2][Fe.sub.2][O.sub.5](ls))/dt = [k.sub.2](T)[CaO(l)][[Fe.sub.2][O.sub.3](l)] (14)

[k.sub.2](T) = EXP(17,4 - [20.731/T]) (15)

As equacoes de taxas sao implementadas no modelo com o objetivo de analisar a influencia das variaveis de processamento na formacao de calcio ferita (Ca[Fe.sub.2][O.sub.4]) e dicalcio ferrita ([Ca.sub.2][Fe.sub.2][O.sub.5]) no sinter produzido. Conforme pode ser observado na formulacao apresentada nas Equacoes 10-15, que resolvidas simultaneamente com as equacoes de conservacao de massa, momentum e energia--Equacoes 1-4--, conjuntamente as Equacoes 6-9, fornecem o completo acoplamento dos efeitos devidos as propriedades de amolecimento e fusao na formacao destes constituintes do sinter final.

2.3 Condicoes Iniciais, de Contorno e Solucao Numerica

Para que o sistema de equacoes diferenciais que compoem o modelo possa ser resolvido faz-se necessaria a imposicao de condicoes de contorno e condicoes iniciais. As condicoes de contorno sao dadas pelos dados operacionais de velocidade de esteira, vazao de succao, composicao inicial da carga e temperatura de ignicao do forno. As demais condicoes de fronteiras sao consideradas de gradientes nulos, ou completamente desenvolvidos. Para a transferencia de calor dos materiais na esteira com o ambiente sao considerados coeficientes de transferencia de calor de conveccao e por radiacao efetivos. Em todos os calculos executados neste estudo adota-se coeficiente de conveccao efetivo de 50 W/[m.sup.2] K e emissividade 0,8 para todas as superficies. As condicoes de saida da esteira e de succao sao consideradas como de escoamento completamente desenvolvido ajustando-se o balanco integral de massa. A pressao de entrada dos gases no leito e considerada atmosferica, enquanto a pressao de saida e calculada pelo modelo. A solucao numerica do escoamento das fases no interior do leito e calculada aplicando-se a tecnica de volumes finitos com o algoritmo SIMPLE e o esquema da lei de potencia. (19) A solucao do sistema algebrico resultante e obtida utilizando-se o metodo iterativo linha por linha conjugado com o algoritmo de solucao do sistema tridiagonal.(18) Detalhes da implementacao destes algoritmos sao facilmente encontrados na literatura. (8,19) A malha adotada neste estudo (12 x 120 x 15) e obtida por continuo refinamento com erro menor que 1%, ao passo que e adotado o criterio de convergencia para os campos de velocidade, e temperatura em [10.sup.-4] e o fechamento global de todas as especies quimicas menor que 1%.

2.4 Condicoes de Simulacao

Objetivando estabelecer uma base de calculo para comparacao inicialmente e escolhida uma condicao comum de operacao da planta de sinterizacao. Os dados de processo sao monitorados com relacao a qualidade de materias primas, balanco de massa, produtividade, consumo de combustiveis e qualidade final do sinter. Para se estabelecer esta base de calculo a planta foi monitorada por um turno de trabalho completo correspondendo a 6 h de operacao ininterrupta com baixa variacao dos parametros operacionais. Adicionalmente as temperaturas das caixas de vento e composicao dos gases foram medidas a cada hora. Assim, obtem-se um conjunto de seis medicoes no intervalo de 6 h na planta. Os resultados globais coletados neste turno foram comparados com os dados historicos da planta visando observar discrepancias e consistencia dos dados coletados. Para comparacao e entrada de dados do modelo foram utilizados os valores medios do turno. O modelo assim ajustado foi entao utilizado para prever os efeitos de variacao de propriedades de amolecimento e fusao. Para esta etapa foram selecionadas quatro misturas com propriedades distintas de amolecimento e fusao. A composicao quimica dessas misturas e propriedades de amolecimento e fusao dos casos estudados sao apresentadas na Tabela 3.

3 RESULTADOS E DISCUSSAO

3.1 Validacao do Modelo

O modelo e validado utilizando-se dados de uma planta industrial de grande porte (482 [m.sup.2] de esteira e forno de ignicao de 22 [m.sup.2], vazao de succao dos sopradores maxima de 25.000 N[m.sup.3]/min). Para simulacao de um caso base foi escolhido um turno de trabalho de 6 h que apresentou pequena variacao nas condicoes operacionais e de materias primas. A Figura 4 apresenta a distribuicao de temperaturas e os vetores de velocidade do gas para o plano vertical central da esteira evidenciando a propagacao da frente de queima e variacao da permeabilidade do leito ao longo da esteira. Observa-se que, embora seja desejavel uma queima uniforme, a mesma nao acontece ao longo de toda a esteira devido a menor fracao de oxigenio para o leito na zona de ignicao. (6,7)

Na Figura 5 apresenta-se uma comparacao de valores de temperatura medidos nas caixas de vento com os valores calculados pelo modelo na saida do leito. E observada uma excelente concordancia com os resultados medidos. Os valores calculados sao sistematicamente superiores aos valores medidos e podem ser explicados pela condensacao de vapor e perdas na entrada das caixas de vento. Esta excelente concordancia pode ser confirmada com a comparacao dos valores medidos e calculados para a composicao dos gases de saida com os valores das caixas de vento, conforme apresentados na Figura 6. De uma forma geral, todos os parametros globais, tais como produtividade, pressao de succao (depressao), temperatura de final de queima, consumo de combustiveis e tamanho final do sinter sao comparados com erro menor que 2%, o que valida o modelo proposto dentro de uma margem de erro aceitavel, levando-se em consideracao a complexidade do processo e da modelagem, que envolve varios submodelos de alta sensibilidade as variacoes de temperatura, velocidade local do gas e composicao quimica, principalmente aqueles relacionados as taxas de reacoes e transferencia de calor.

[FIGURA 4 OMITTED]

[FIGURA 5 OMITTED]

[FIGURA 6 OMITTED]

3.2 Influencia das Propriedades de Amolecimento e Fusao

O modelo com as novas implementacoes de cinetica apresentadas nas Equacoes 10-14 e utilizado para prever a formacao de calcio ferrita (Ca[Fe.sub.2][O.sub.4]) e dicalcio ferrita ([Ca.sub.2][Fe.sub.2][O.sub.5]). Conforme enfatizado na formulacao, a formacao desses constituintes depende fortemente do ciclo termico e da composicao da fase liquida da formada. Na Figura 7 sao mostrados os campos de temperaturas calculados pelo modelo para comparacao com o caso base. O caso 1 mostra-se similar ao caso base com um ligeiro afinamiento da zona de sinterizacao, porem com distribuicao muito proxima ao caso base indicando que o efeito devido a temperatura de inicio menor foi neutralizado pelo maior intervalo de temperatura de fusao e maior grau de contracao volumetrica, conforme apresentado na Tabela 3. No caso 2 o efeito e mais pronunciado com uma temperatura de inicio de amolecimento maior, intervalo de fusao menor e contracao volumetrica menor levando a diminuicao da zona de sinterizacao e consequente menor formacao de fase liquida. O caso 3 mostra os efeitos de uma mistura de alto ponto de amolecimento, largo intervalo de temperatura e alta contracao volumetrica. Conforme observado, a regiao de alta temperatura aumenta.

No caso 4 (Tabela 3) busca-se uma mistura que combine os efeitos de baixa temperatura de amolecimento, largo intervalo de temperatura e baixa contracao volumetrica. A Figura 8 apresenta os resultados para a distribuicao de temperaturas e os vetores de velocidade do gas. Conforme observado, as condicoes do leito de sinterizacao sao restauradas comparativamente ao caso base. As Figuras 9a, b mostram as fracoes de calcio ferritas formadas e liquido na zona de sinterizacao, respectivamente. Confirmando os resultados esperados devido aos campos de temperaturas apresentados nas Figuras 7-8, a formacao de calcio e dicalcio ferritas diminuiram consideravelmente para os casos 2 e 3 com correspondente diminuicao da fase liquida. Os resultados apresentados confirmam a forte dependencia da combinacao das propriedades de amolecimento e fusao das misturas e condicoes de processamento na formacao de constituintes importantes do sinter que conferem propriedades de redutibilidade e resistencia mecanica. (13-18) Deve-se ressaltar que tais propriedades estao tambem relacionadas com a morfologia e distribuicao desses constituintes na massa sinterizada. A previsao da morfologia desses constituintes nao e foco do presente estudo. Entretanto, para uma analise comparativa, ja que o caso base apresenta comprovadamente sinter de propriedades adequadas, considera-se que os resultados obtidos neste estudo sejam compativeis com as morfologias adequadas para o sinter.

[FIGURA 7 OMITTED]

[FIGURA 8 OMITTED]

[FIGURA 9 OMITTED]

4 CONCLUSOES

Neste estudo e discutido um modelo matematico capaz de prever os principais fenomenos que ocorrem no interior do leito de sinterizacao de forma detalhada. O modelo leva em consideracao transporte de momentum, massa e energia de forma simultanea e acoplada a cinetica de reacoes e transformacao de fases. Resultados do modelo, quando confrontados com dados operacionais de planta de sinterizacao em escala industrial, apresentam excelente concordancia (erro global relativo menor que 2% para todos os parametros). O modelo e utilizado para previsao dos efeitos de propriedades de amolecimento e fusao de misturas de sinterizacao de minerio de ferro.

Podem ser formuladas as seguintes conclusoes:

* Os casos 1 e 4 apresentam comportamento similar a pratica operacional e, com base nos resultados de simulacao, pode-se recomendar sua utilizacao como mistura de sinterizacao na planta industrial; e

* Os casos 2 e 3 mostram decrescimo de fase liquida formada com consequente diminuicao de constituintes Ca[Fe.sub.2][O.sub.4] e [Ca.sub.2][Fe.sub.2][O.sub.5], o que indicaria uma piora nas propriedades de redutibilidade e, possivelmente, aumento do sinter de retorno, tornando o processo menos eficiente do ponto de vista energetico e diminuindo sua produtividade. Recomenda-se, portanto cautela na utilizacao dessas misturas.

http://dx.doi.org/10.4322/tmm.2013.003

REFERENCIAS

(1) CUMMING, M. J.; THURLBY, J. A. Developments in modeling and simulation of iron ore sintering. Ironmaking and Steelmaking, v. 17, n. 4, p. 245-254, April 1990.

(2) NATH, N. K.; SILVA, A. J.; CHAKRABORTI, N. Dynamic process modeling of iron ore sintering. Steel Research, v. 68, n. 7, p. 285-292, July 1997.

(3) YAMAOKA, H.; KAWAGUCHI, T. Development of a 3-D sinter process mathematical simulation model. ISIJ International, v. 45, n. 4, p.522-531, Mar. 2005. http://dx.doi.org/10.2355/isijinternational.45.522

(4) CASTRO, J. A. et al. Modelo matematico tridimensional multifasico da geracao de dioxinas no leito de sinterizacao. Tecnologia em Metalurgia e Materiais, v. 2, n. 2, p. 45-49, jul.-set. 2005. http://dx.doi.org/10.4322/tmm.00202009

(5) MITTERLEHNER, J. et al. Modeling and simulation of heat front propagation in the iron ore sintering process. ISIJ International, v. 44, n. 1, p. 11-20, Jan. 2004. http://dx.doi.org/10.2355/isijinternational.44.11

(6) OYAMA, N. et al. Development of secondary-fuel injection technology for energy reduction in the iron ore sintering process. ISIJ International, v. 51, n. 7, p. 913-921, Jul. 2011. http://dx.doi.org/10.2355/isijinternational.51.913

(7) KANG, H. et al. Influence of oxygen suply in iron ore sintering process. ISIJ International, v. 51, n. 7, p. 1065- 1071, Jul. 2011. http://dx.doi.org/10.2355/isijinternational.51.1065

(8) CASTRO, J. A.; NOGAMI, H.; YAGI J.Three dimensional multiphase mathematical modeling of the blast furnace based on multifluid theory. ISIJ International, v. 42, n. 1, p. 44-52, Jan. 2002. http://dx.doi.org/10.2355/ isijinternational.42.44

(9) AUSTIN, P R.; NOGAMI, H.; YAGI J. A Mathematical model for blast furnace reaction analysis based on the four fluid model. ISIJ International, v. 37, n. 8, p. 748-755, Aug. 1997. http://dx.doi.org/10.2355/isijinternational.37.748

(10) OMORI, Y. The blast furnace phenomena and modeling. London: Elsevier Applied Science, 1987.

(11) HOU, P et al. Aplication of intraparticle combustion model for iron ore sinter bed. Materials Science and Applications, v. 2, n. 4, p. 370-380, April 2011. http://dx.doi.org/10.4236/msa.2011.25048

(12) CASTRO, J. A. et al. A six-phases 3-D model to study simultaneous injection of high rates of pulverized coal and charcoal into the blast furnace with oxygen enrichment. ISIJ International, v. 51, n. 5, p. 748-758, May 2011. http:// dx.doi.org/10.2355/isijinternational.51.748

(13) NOGUEIRA, P F.; FRUEHAN, R. J. Blast furnace burden softening and melting phenomena. Part III: melt onset and initial microstructural transformations in pellets. Metallurgical and Materials Transactions B, v. 37, n. 8, p. 551- 558, Aug. 2006.

(14) NOGUEIRA, P F.; CASTRO, A. A.; PIMENTA, H. P High temperature properties of sinters and pellets produced with brazilian ores. In: INTERNATIONAL CONGRESS ON THE SCIENCE AND TECHNOLOGY OF IRONMAKING, 4., 2006, Osaka. Proceedings ... Osaka: Iron and Steel Institute of Japan, 2006. v. 1, p. 671-674.

(15) NANDY, S. et al.Assessment of blast furnace behaviour through softening-melting test. Ironmaking and Steelmaking, v. 33, n. 2, p. 111-119, Feb. 2006. http://dx.doi.org/10.1179/174328106X94744

(16) UMADEVI, T. et al. Influence of iron fines feed size on microstructure, productivity and quality of iron ore sinter. ISIJ International, v. 51, n. 6,, p. 922-929, Jun. 2011. http://dx.doi.org/10.2355/isijinternational.51.922

(17) LV, X. et al. Behavior of liquid phase formation during iron ores sintering. ISIJ International, v. 51, n. 5, p. 722-727, May 2011. http://dx.doi.org/10.2355/isijinternational.51.722

(18) YGUCHI, K. TANAKA, T. and SATO, T.Reaction Behavior of Dolomite Accompained with Formation of Magnetite Solid Solution in Iron Ore sintering Process, ISIJ International, v. 47, n. 5, p. 669-678, May 2007. http://dx.doi. org/10.2355/isijinternational.47.669

(19) MELAEN, M. C. Calculation of fluid flows with staggered and nonstaggered curvelinear nonorthogonal grids--the theory. Numerical Heat Transfer B, v. 21, n. 1, p. 1-19, Jan. 1992. http://dx.doi.org/10.1080/10407799208944919

Recebido em: 05/11/2012

Aceito em: 10/12/2012

Jose Adilson de Castro [1]

Alexandre Boscaro Franca [2]

Vagner Silva Guilherme [3]

Yasushi Sazaki [4]

[1] Ph.D. Programa de Pos-graduacao em Engenharia Metalurgica, Escola de Egenharia Industrial Metalurgica de Volta Redonda--EEIMVR, Universidade Federal Fluminense--UFF, Vila Santa Cecilia, Cep 27255-125, Volta Redonda, RJ, Brasil. E-mail: jose.adilson@pq.cnpq.br

[2] M.Sc. Programa de Pos-graduacao em Engenharia Metalurgica, Escola de Engenharia Industrial Metalurgica de Volta Redonda--EEIMVR, Universidade Federal Fluminense--UFF, Vila Santa Cecilia, Cep 27255-125, Volta Redonda, RJ, Brasil. e Departamento de Quimica, Instituto de Ciencias Exatas--IcEX, Polo Universitario de Volta Redonda--PUVR, Universidade Federal Fluminense--UFF, Campus Aterrado, Cep 27213-415, Volta Redonda, RJ, Brasil. E-mail: alexandre.boscaro@ig.com.br

[3] M.Sc. Programa de Pos-graduacao em Engenharia Metalurgica, Ecola de Egenharia Industrial Metalurgica de Volta Redonda--EEIMVR, Universidade Federal Fluminense--UFF, Vila Santa Cecilia, Cep 27255-125, Volta Redonda, RJ, Brasil. E-mail: vsguilherme@bol.com.br

[4] Environmetal Metallurgy Laboratory--GIFT/POSTECH, San 31 Hyojay-Dong, Nam-Gu, Pohang, 790-784, Coreia do Sul. E- mail: yassk@postech.ac.kr
Tabela 1. Fases e especies quimicas ou constituintes
consideradas no modelo

Variaveis

Gas         Momentum                     [U.sub.1,g], [U.sub.2,g],
                                          [U.sub.3,g], [P.sub.g],
                                             [[epsilon].sub.g]

            Energia                              [h.sub.g]

            Especie                        [N.sub.2], [O.sub.2],
            quimica                     CO,C[O.sub.2], [H.sub.2]O,
                                        [H.sub.2], SiO, S[O.sub.2]
                                                C[H.sub.4]

Variaveis

            Momentum                  [U.sub.1,s], [U.sub.2,s],
                                      [U.sub.3,s], [P.sub.s],
                                      [[epsilon].sub.s]

            Energia                   [h.sub.s]

                       Combustivel    C, Volateis, [H.sub.2]O,
                                      [Al.sub.2][O.sub.3],
                                      Si[O.sub.2], MnO, MgO,
                                      CaO, FeS,
                                      [P.sub.2][O.sub.5],
                                      [K.sub.2]O, [Na.sub.2]O,
                                      [S.sub.2]

                       Mistura de     [Fe.sub.2][O.sub.3],
                       minerios       [Fe.sub.3][O.sub.4], FeO,
                                      Fe, [H.sub.2]O,
                                      [Al.sub.2][O.sub.3],
                                      Si[O.sub.2], MnO, MgO,
                                      CaO, FeS,
                                      [P.sub.2][O.sub.5],
                                      [K.sub.2]O, [Na.sub.2]O

Solido      Especie    Sinter de      [Fe.sub.2][O.sub.3],
            quimica    retorno        [Fe.sub.3][O.sub.4], FeO,
                                      Fe, [H.sub.2]O,
                                      [Al.sub.2][O.sub.3],
                                      Si[O.sub.2], MnO, MgO,
                                      CaO, FeS,
                                      [P.sub.2][O.sub.5],
                                      [K.sub.2]O, [Na.sub.2]O

                       Material       [Fe.sub.2][O.sub.3],
                       solidificado   [Fe.sub.3][O.sub.4], FeO,
                                      Fe, [H.sub.2]O,
                                      [Al.sub.2][O.sub.3],
                                      Si[O.sub.2], MnO, MgO,
                                      CaO, FeS,
                                      [P.sub.2][O.sub.5],
                                      [K.sub.2]O, [Na.sub.2]O,
                                      [Ca.sub.2][Fe.sub.3][O.sub.5],
                                      [Al.sub.2]Mg[O.sub.4]

                       Fluxante       (MgOCaO)C[O.sub.3], CaO,
                       (calcario)     [H.sub.2]O,
                                      [Al.sub.2][O.sub.3],
                                      Si[O.sub.2], MnO, MgO,
                                      Ti[O.sub.2]

                       Sinter         [Fe.sub.2][O.sub.3],
                                      [Fe.sub.3][O.sub.4], FeO,
                                      Fe, [H.sub.2]O,
                                      [Al.sub.2][O.sub.3],
                                      Si[O.sub.2], MnO, MgO,
                                      CaO, FeS,
                                      [P.sub.2][O.sub.5],
                                      [K.sub.2]O, [Na.sub.2]O,
                                      [Ca.sub.2][Fe.sub.3][O.sub.5],
                                      [Al.sub.2]Mg[O.sub.4]

Liquido     Especie    Liquido        [Fe.sub.2][O.sub.3],
            quimica    intersticial   [Fe.sub.3][O.sub.4], FeO,
                                      Fe, [H.sub.2]O,
                                      [Al.sub.2][O.sub.3],
                                      Si[O.sub.2], MnO, MgO,
                                      CaO, FeS,
                                      [P.sub.2][O.sub.5],
                                      [K.sub.2]O, [Na.sub.2]O,
                                      [Ca.sub.2][Fe.sub.3][O.sub.5],
                                      [Al.sub.2]Mg[O.sub.4]

Tabela 2. Reacoes quimicas consideradas no modelo

Combustivel solido (8-13)

C(i) + [O.sub.2](g)            C(i) + 1/2 [O.sub.2](g)
  [flecha diestra]             [flecha diestra] CO(g)
  C[O.sub.2](g)

(Combustao completa)            (Combustao parcial)

C(i) + C[O.sub.2](g)           C(i) + [H.sub.2]O(g)
  [flecha diestra]               [flecha diestra]
  2CO(g)                           CO(g) + H(g)

volateis (i) + [[alfa].sub.1][O.sub.2] [flecha diestra]
  [[alfa].sub.2]C[O.sub.2](g) + [[alfa].sub.3][H.sub.2]O(g)
  + [[alfa].sub.4][N.sub.2](g)

volateis (i) + [[alfa].sub.5]C[O.sub.2] [flecha diestra]
  [[alfa].sub.6]CO(g) + [[alfa].sub.7][H.sub.2](g) +
  [[alfa].sub.8][N.sub.2](g) - (i = finos de coque, antracito
  ou carepa)

Nota: Os coeficientes estequiometricos sao calculados pela
analise elementar do combustivel

Decomposicao de carbonatos (10)

CaC[O.sub.3] [flecha           MgC[O.sub.3]  MgO + C[O.sub.2](g)
  diestra] CaO +
  C[O.sub.2](g)

Reducao/Reoxidacao dos oxidos de ferro (10)

[Fe.sub.2][O.sub.3](i)         (i = minerio, sinter de retorno
  + CO/[H.sub.2](g)            e carepa)
  [flecha diestra]
  [Fe.sub.3][O.sub.4](i)
  + C[O.sub.2]/
  [H.sub.2]O(g)

w/4w-3                         (i = minerio, sinter de retorno
  [Fe.sub.3][O.sub.4](i)       e carepa)
  + CO/[H.sub.2](g)
  [flecha diestra]
  3/4w-3
  [Fe.sub.w]O(i) +
  C[O.sub.2]/
  [H.sub.2]O(g)

[Fe.sub.w]O(i) +               (i = minerio, sinter de retorno
  CO/[H.sub.2](g)              e carepa)
  [flecha diestra]
  wFe(i) C[O.sub.2]/
  [H.sub.2]o(G)

wFe(i) + 1/2                   (i = minerio, sinter de retorno
  [O.sub.2](g) [flecha         e carepa)
  diestra]
  [Fe.sub.w]O(i)

3/4w-3                         (i = minerio, sinter de retorno
  [Fe.sub.w]O(i) + 1/2         e carepa)
  [O.sub.2](g) [flecha
  diestra] w/4w-3
  [Fe.sub.3][O.sub.4](i)

2[Fe.sub.3][O.sub.4](i)        (i = minerio, sinter de retorno
  + 1/2 [O.sub.2] (g)          e carepa)
  [flecha diestra] 3
  [Fe.sub.2][O.sub.3](i)

Vaporizacao de umidade/condensacao/equilibrio
gasoso/pos combustao (9,10)

[H.sub.2]O(i)                (i = finos de coque, antracito, minerio,
  [flecha diestra                sinter de retorno e carepa)
  y siniestra]
  [H.sub.2]O(g)

C[O.sub.2](g) +                CO + 1/2 [O.sub.2]     [H.sub.2] + 1/2
  [H.sub.2](g)                  [flecha diestra]         [O.sub.2]
  [flecha diestra                  C[O.sub.2]            [flecha
  y siniestra]                                           diestra]
  CO(g) + [H.sub.2]O(g)                                 [H.sub.2]O
  (equilibrio)

Tabela 3. Composicao quimica e propriedades de amolecimento e
fusao das materias primas utilizadas neste estudo com dados
de entrada para o modelo

                           Base    Caso 1   Caso 2   Caso 3   Caso 4

Produtividade              41,3     41,3     41,2     41,3     41,3
  (tsinter/m2/dia)
Consumo de combustivel     46,5     46,5     46,6     46,6     46,5
  (kg/tsinter)
Pressao de succao (kPa)    15,2     16,1     13,2     23,6     11,6
Volume de gas (Nm3/min)   13.288   13.286   13.308   13.289   13.288
Velocidade esteira         3,2      3,2      3,2      3,2      3,2
  (m/min)
Tamanho inicial            7,5      7,5      7,5      7,5      7,5
  (dinicial) Equacao 9

                          Composicao da mistura (% massa)

Fe2O3                      63,6     64,5     63,1     61,6     64,3
Fe3O4                      1,3      1,1      0,2      0,8      2,6
CaO                        3,2      3,1      3,8      3,8      3,6
CaCO3                      9,4      9,6      9,2      9,8      9,8
MgCO3                      2,4      2,6      2,8      2,1      1,2
Al2O3                               1,4      1,8      2,6      1,3
MnO                        2,2      2,6      2,4      2,5      1,1
MgO                                          1,8      1,1      2,4
SiO2                       3,2      3,2      3,2      3,8      3,1
P2O5                      0,0022   0.0005   0.0035   0,0015   0,0018
FeS                       0,001    0.002    0.001    0,003    0,002
TiO2                       0,01     0,01     0,01     0,01     0,01
H2O(hidratacao)            1,2      0,4      1,7      1,6      0,2
C                          3,5      3,4      3,7      3,6      3,5
Volateis                   0,2      0,3      0,1      0,2      0,4
Umidade                    6,5      6,5      6,5      6,5      6,5

                          Amolec1mento e fusao--Equacao 7

Tm([grados]C)             1.085    1.048    1.178    1.235     1.05
[DELTA]Tm([grados]C)       225      265      105      205      225
Sm(%)                       50       70       40       60       25
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Title Annotation:articulo en portugues
Author:de Castro, Jose Adilson; Franca, Alexandre Boscaro; Guilherme, Vagner Silva; Sazaki, Yasushi
Publication:Tecnologia em Metalurgia e Materiais
Date:Jan 1, 2013
Words:5805
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