Briquetes (por exemplo, HBI, finos de minério): Papel Fundamental nos Processos de Produção de Aço

Definição e Conceito Básico

Briquetes na indústria do aço referem-se a formas compactadas e sólidas de matérias-primas finas ou em pó, incluindo principalmente Ferro Briquetado a Quente (HBI), ferro reduzido diretamente (DRI) e finos de minério. Esses briquetes são produzidos pela aglomeração de partículas metálicas ou minerais finos em unidades densas e manejáveis que facilitam o manuseio, transporte e alimentação em processos subsequentes.

O propósito fundamental da briquetagem é converter materiais soltos e finos em uma forma estável e de alta densidade que minimize a poeira, reduza os riscos de manuseio e melhore a eficiência do processo. Eles servem como um produto intermediário que garante qualidade consistente da matéria-prima para altos-fornos, fornos de arco elétrico ou processos de redução direta.

Dentro da cadeia geral de fabricação de aço, os briquetes ocupam uma posição crítica na etapa de preparação da matéria-prima. Eles são tipicamente produzidos após etapas de beneficiamento ou redução e, em seguida, são alimentados em unidades de fusão primária, como altos-fornos ou EAFs, como parte do fluxo de entrada de matéria-prima. Essa transformação melhora o controle do fluxo de material, reduz as emissões ambientais e otimiza a utilização de recursos.

Design Técnico e Operação

Tecnologia Central

A tecnologia de briquetagem é baseada em princípios de compactação mecânica, onde partículas finas são submetidas a alta pressão para formar unidades densas e coesas. A engenharia central envolve a aplicação de prensas hidráulicas ou mecânicas que exercem força suficiente para deformar partículas e eliminar vazios, resultando em um briquete sólido.

Os principais componentes tecnológicos incluem:

• Sistemas de alimentação: Conduzem finos ou pós crus para a prensa de briquetagem, frequentemente através de alimentadores de parafuso ou funis vibratórios.
• Prensa de briquetagem: Prensas hidráulicas ou mecânicas equipadas com moldes ou matrizes que moldam e comprimem o material.
• Sistemas de aglutinantes: Às vezes, pequenas quantidades de aglutinantes (por exemplo, melaço, alcatrão de carvão ou aglutinantes orgânicos) são adicionadas para melhorar a coesão.
• Sistemas de resfriamento e manuseio: Câmaras de resfriamento ou transportadores pós-prensa facilitam a estabilização e o transporte dos briquetes.

Os principais mecanismos operacionais envolvem a aplicação de força compressiva através de cilindros hidráulicos ou êmbolos mecânicos, que deformam as partículas e promovem a ligação entre elas. O fluxo de material é direcionado para moldes, onde a pressão consolida o material em briquetes de dimensões especificadas.

Parâmetros do Processo

As variáveis críticas do processo incluem:

• Pressão: Geralmente varia de 100 a 300 MPa, dependendo do tipo de material e da densidade desejada.
• Temperatura: Alguns processos operam em temperaturas elevadas (até 300°C) para melhorar a plasticidade e a ligação.
• Adição de aglutinante: Normalmente de 0,5-3% em peso, influenciando a resistência e a redutibilidade.
• Tempo de permanência: A duração da compressão, frequentemente entre 10-30 segundos, afeta a densidade e a integridade mecânica.
• Teor de umidade: Mantido em níveis baixos (abaixo de 2%) para evitar a formação de vapor e garantir a compactação uniforme.

Esses parâmetros influenciam a densidade, resistência, redutibilidade e porosidade do briquete. Por exemplo, pressões mais altas resultam em briquetes mais densos com resistência mecânica aprimorada, mas podem aumentar o consumo de energia.

Sistemas de controle empregam sensores e automação para monitorar parâmetros como pressão, temperatura e umidade, permitindo ajustes em tempo real. Sistemas de aquisição de dados facilitam a otimização do processo e a garantia de qualidade.

Configuração do Equipamento

Plantas de briquetagem típicas apresentam:

• Unidades de alimentação: Alimentadores vibratórios ou transportadores de parafuso que entregam finos crus à prensa.
• Prensa de briquetagem: Prensas hidráulicas ou mecânicas com tamanhos de molde variando de 50 mm a 150 mm de diâmetro, dependendo da capacidade.
• Resfriamento e manuseio: Câmaras de resfriamento ou transportadores que estabilizam os briquetes antes da empilhagem ou armazenamento.
• Sistemas auxiliares: Extração de poeira, unidades de mistura de aglutinantes e estações de inspeção de qualidade.

As variações de design incluem prensas hidráulicas de alta capacidade para operações em grande escala e sistemas modulares para flexibilidade. Com o tempo, o equipamento evoluiu em direção a maior automação, eficiência energética aprimorada e melhor controle sobre as variáveis do processo.

Sistemas auxiliares, como coleta de poeira e controle de emissões, são integrais para manter padrões ambientais e garantir a segurança do operador.

Química do Processo e Metalurgia

Reações Químicas

Durante a briquetagem, as reações químicas são geralmente mínimas, uma vez que o processo envolve principalmente a compactação física. No entanto, em casos onde aglutinantes ou aditivos são utilizados, podem ocorrer interações químicas menores, como:

• Cura de aglutinantes: Aglutinantes orgânicos podem passar por polimerização ou entrelaçamento ao serem aquecidos.
• Oxidação: A exposição ao ar pode causar oxidação superficial de partículas metálicas, formando óxidos de ferro.
• Reações de redução: Em alguns casos, óxidos residuais podem ser parcialmente reduzidos durante o aquecimento subsequente no forno.

Princípios termodinâmicos ditam que a pressão e a temperatura aplicadas influenciam a cinética das reações, mas na maioria dos processos de briquetagem, o foco permanece na ligação física em vez da transformação química.

Os subprodutos das reações são tipicamente limitados a óxidos superficiais ou gases menores de decomposição de aglutinantes, que são gerenciados através de controles de emissões.

Transformações Metalúrgicas

A principal mudança metalúrgica durante a briquetagem é a densificação das partículas metálicas, que melhora a resistência mecânica e reduz a porosidade. Os desenvolvimentos microestruturais incluem:

• Deformação de partículas: Partículas metálicas sofrem deformação plástica sob pressão, levando à ligação metalúrgica.
• Formação de ligações: Entrelaçamento mecânico e ligação por difusão nas interfaces das partículas melhoram a coesão.
• Tensões residuais: A compressão induz tensões internas que podem influenciar tratamentos térmicos subsequentes.

Essas transformações afetam propriedades como redutibilidade, comportamento de fusão e resistência mecânica. A briquetagem adequada garante que os briquetes possam suportar o manuseio e a alimentação nos fornos sem desintegração.

Interações de Materiais

Interações entre o metal, escória, refratários e atmosfera são críticas para a estabilidade do processo. Por exemplo:

• Interações metal-escória: Durante o aquecimento, alguns componentes metálicos podem reagir com constituintes da escória, afetando a pureza.
• Desgaste refratário: Briquetes em alta temperatura podem causar degradação do refratário se não forem projetados adequadamente.
• Efeitos atmosféricos: Oxidação ou carbonização podem ocorrer se os briquetes forem expostos a gases reativos.

Controlar essas interações envolve selecionar materiais apropriados, otimizar atmosferas de processo (por exemplo, ambientes inertes ou redutores) e aplicar revestimentos ou aditivos protetores para minimizar contaminação e degradação.

Fluxo do Processo e Integração

Materiais de Entrada

Os materiais de entrada incluem:

• Finos de minério: Minério de ferro finamente moído com tamanhos de