BR102023005164B1 - PROCESS FOR OBTAINING HIGH IRON CONTENT PRODUCTS FROM IRON ORE FINES AND BIOMASS, AND THEIR PRODUCTS - Google Patents
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Abstract
processo de obtenção de produtos de alto teor de ferro a partir de finos de minério de ferro e biomassa, e seus produtos. a presente invenção se refere a um processo para obtenção de produto de alto teor de ferro e alto desempenho físico e metalúrgico para utilização em fornos de redução (altos-fornos e redução direta) e fusão (smelters, melters e fornos elétricos), visando à produção sustentável de ferro e aço. o processo consiste em misturar finos de minério de ferro com biomassa, aglomerantes, nanomateriais, aditivos e catalisadores, e realizar etapas posteriores de cominuição, aglomeração, tratamento térmico, separação sólido-sólido e coating.process of obtaining high iron content products from iron ore fines and biomass, and their products. The present invention refers to a process for obtaining a product with a high iron content and high physical and metallurgical performance for use in reduction furnaces (blast furnaces and direct reduction) and fusion (smelters, melters and electric furnaces), aiming at sustainable production of iron and steel. the process consists of mixing iron ore fines with biomass, binders, nanomaterials, additives and catalysts, and carrying out subsequent steps of comminution, agglomeration, heat treatment, solid-solid separation and coating.
Description
[001] A presente invenção está inserida no campo das tecnologias mínero- metalúrgicas e se refere a um processo para obtenção de produtos de alto desempenho a partir de finos de minério de ferro e fonte de carbono renovável oriundo de biomassa. O processo permite a obtenção de produtos de alto teor de ferro, com elevado desempenho físico e metalúrgico para utilização em fornos de redução (altos-fornos e redução direta) e fusão (melters e fornos elétricos à arco), visando à produção sustentável de ferro e aço.[001] The present invention is inserted in the field of mining-metallurgical technologies and refers to a process for obtaining high-performance products from iron ore fines and a renewable carbon source from biomass. The process allows the obtaining of products with a high iron content, with high physical and metallurgical performance for use in reduction furnaces (blast furnaces and direct reduction) and fusion (melters and electric arc furnaces), aiming at the sustainable production of iron and steel.
[002] O desenvolvimento da tecnologia de aglomeração decorreu da necessidade de recuperar partículas finas, o que proporcionou o aproveitamento comercial dessas partículas, bem como minimizou o impacto ambiental causado pela produção de material fino ou particulado.[002] The development of agglomeration technology resulted from the need to recover fine particles, which provided the commercial use of these particles, as well as minimizing the environmental impact caused by the production of fine or particulate material.
[003] As aplicações mais frequentes dos processos de aglomeração são para o aproveitamento de: • minérios ou concentrados de granulação fina, sem causar prejuízos à permeabilidade da carga e às condições de reação gás-sólido em fornos metalúrgicos; • resíduos, ou subprodutos finos de outros processos mínero- metalúrgicos, para sua reutilização ou reciclagem, de forma adequada; e • resíduos metálicos (cobre, ferro, titânio) e outros materiais (papel, algodão, madeira) para transporte ou reciclagem.[003] The most frequent applications of agglomeration processes are for the use of: • fine-grained ores or concentrates, without causing damage to the permeability of the charge and the gas-solid reaction conditions in metallurgical furnaces; • waste, or fine by-products from other mining and metallurgical processes, for reuse or recycling, in an appropriate manner; and • metallic waste (copper, iron, titanium) and other materials (paper, cotton, wood) for transportation or recycling.
[004] As operações de aglomeração de minério de ferro, e de seus compostos reduzidos parcial ou totalmente, destinam-se a conferir às cargas a serem alimentadas nos reatores de redução e/ou derretedores, um formato adequado e resistência mecânica apropriada ao fluxo em contracorrente da carga sólida descendente e gases de aquecimento e/ou redutores ascendentes e, também, aos processos de transporte estocagem e ensilamento, antes do carregamento em, reatores de redução e derretedores para a produção de ferro gusa ou aço. Os processos mais comuns de aglomeração de minérios de ferro e de seus produtos reduzidos utilizados como carga em fornos de redução e derretedores na siderurgia são: sinterização e pelotização (para óxidos de ferro) e briquetagem (para óxidos de ferro e ferro metálico-DRI).[004] The agglomeration operations of iron ore, and its partially or totally reduced compounds, are intended to give the loads to be fed into the reduction reactors and/or melters, an adequate shape and appropriate mechanical resistance to the flow in countercurrent of the descending solid load and ascending heating and/or reducing gases, and also to the storage and ensiling transport processes, before loading into reduction reactors and melters for the production of pig iron or steel. The most common agglomeration processes for iron ores and their reduced products used as filler in reduction furnaces and melters in the steel industry are: sintering and pelletizing (for iron oxides) and briquetting (for iron oxides and metallic iron-DRI) .
[005] A pelotização é o processo mais recente de aglomeração e foi resultado da necessidade de utilização de concentrados finos de magnetita de certos minérios de ferro. As pelotas de minério de ferro são produzidas por aglomeração de partículas com tamanho inferior a 45μm formando pelotas de 8 a 16mm, em disco ou tambor rotatório. O material a ser aglomerado precisa ter uma superfície específica elevada (2.000 cm2/g), além de umidade constante. Essas pelotas normalmente são endurecidas por meio de tratamento térmico e usadas como alimentação em alto-forno ou em redução direta. Esse processo de endurecimento tem alto custo de capital, além de ser intensivo em gasto de energia.[005] Pelletization is the most recent agglomeration process and was the result of the need to use fine magnetite concentrates from certain iron ores. Iron ore pellets are produced by agglomerating particles less than 45μm in size, forming pellets measuring 8 to 16mm, on a rotating disc or drum. The material to be agglomerated needs to have a high specific surface area (2,000 cm2/g), in addition to constant humidity. These pellets are typically hardened through heat treatment and used as blast furnace feed or direct reduction. This hardening process has a high capital cost, in addition to being energy intensive.
[006] A briquetagem consiste na aglomeração de partículas finas por meio de compressão, auxiliada por aglomerantes, permitindo a obtenção de um produto compactado, com forma, tamanho e parâmetros mecânicos adequados. A mistura entre partículas finas e aglomerante é prensada, de modo a obter aglomerados denominados briquetes, que devem apresentar resistência adequada para empilhamento, tratamento posterior (cura, secagem ou queima), transporte, manuseio e utilização em reatores metalúrgicos. A redução de volume do material, além dos benefícios tecnológicos, permite que materiais finos possam ser transportados e armazenados de forma mais econômica.[006] Briquetting consists of the agglomeration of fine particles through compression, assisted by binders, allowing the obtaining of a compacted product, with appropriate shape, size and mechanical parameters. The mixture between fine particles and binder is pressed to obtain agglomerates called briquettes, which must have adequate resistance for stacking, subsequent treatment (curing, drying or burning), transportation, handling and use in metallurgical reactors. The reduction in material volume, in addition to the technological benefits, allows fine materials to be transported and stored more economically.
[007] A preocupação com as questões ambientais, resultando em leis mais rígidas, além da necessidade de aproveitar economicamente os resíduos e as partículas finas geradas no beneficiamento de minérios, tornaram a briquetagem uma importante alternativa para aglomerar materiais finos conferindo-lhes valor econômico.[007] Concern about environmental issues, resulting in stricter laws, in addition to the need to make economic use of waste and fine particles generated in the processing of ores, have made briquetting an important alternative for agglomerating fine materials, giving them economic value.
[008] A briquetagem é feita com aglomerantes quando o material a ser aglomerado não possui resistência à compressão e ao impacto, após ser compactado. As pressões empregadas são normalmente baixas para evitar uma nova fragmentação das partículas.[008] Briquetting is done with binders when the material to be agglomerated does not have resistance to compression and impact after being compacted. The pressures used are normally low to avoid further fragmentation of the particles.
[009] A presente invenção está relacionada a um processo para obtenção de produtos de alto desempenho físico e metalúrgico, que podem ser aglomerados ou não. Os produtos oriundos da presente invenção são produzidos a partir da mistura de finos de minério de ferro (inclusive rejeitos, pré-reduzidos e metalizados), biomassa, aglomerantes, nanomateriais, aditivos e catalisadores. Para o caso de os produtos serem aglomerados, o processo de aglomeração pode ocorrer por pelotamento em disco ou tambor de pelotização, por briquetagem ou por extrusão.[009] The present invention is related to a process for obtaining products with high physical and metallurgical performance, which can be agglomerated or not. The products arising from the present invention are produced from a mixture of iron ore fines (including waste, pre-reduced and metallized), biomass, binders, nanomaterials, additives and catalysts. If the products are agglomerated, the agglomeration process can occur by pelletizing on a disc or pelletizing drum, by briquetting or by extrusion.
[0010] O processo de redução carbotérmica, empregada na presente invenção, consiste no processamento químico de redução de óxidos com o emprego do gás CO (monóxido de carbono) que tem origem numa substância portadora do elemento carbono, tradicionalmente nas 'formas' de carvão mineral, coque ou carvão vegetal.[0010] The carbothermal reduction process, used in the present invention, consists of the chemical processing of oxide reduction using CO gas (carbon monoxide) which originates from a substance carrying the element carbon, traditionally in the 'forms' of coal mineral, coke or charcoal.
[0011] O estado da técnica apresenta diversas tecnologias de redução carbotérmica. Estas tecnologias são baseadas na redução carbotérmica de aglomerados de minério de ferro (pelotas, briquetes e extrudados) utilizando carvão mineral, carvão vegetal ou coque de carvão mineral, com elevada participação de ligantes orgânicos e inorgânicos (alcatrão, cimento, silicatos, betumem, amido, ente outros), visando conferir uma resistência física mínima para manuseio, normalmente em condições de intemperismo, e solicitações termoquímicas nos processos que são utilizados. Muitas destas tecnologias têm como objetivo a reciclagem de resíduos com elevados teores de ferro e/ou carbono (como carepas, finos de peneiramento, pós de exaustão dos processos, finos e lamas de espessadores coletados em sistemas de despoeiramento). Os aglomerados autorredutores são utilizados em fornos de redução convencionais como pequenos/médios altos fornos e reatores de redução-fusão (por exemplo Tecnored, ITmk3, Hi-sarna, Fastmet). O calor fornecido para que as reações de redução direta e gaseificação do carbono (Solution Loss em temperaturas >850°C) aconteçam é fornecido nos fornos convencionais pela queima de combustíveis sólidos (coques, carvões minerais e biomassas) e pela queima de gases (GLP, GN e Gases gerados nos processos siderúrgicos como Gás de Coqueria, Gás de Alto Forno e Gás de Aciaria).[0011] The state of the art presents several carbothermal reduction technologies. These technologies are based on the carbothermal reduction of iron ore agglomerates (pellets, briquettes and extrudates) using mineral coal, charcoal or coal coke, with a high proportion of organic and inorganic binders (tar, cement, silicates, bitumen, starch , among others), aiming to provide minimum physical resistance for handling, normally in weather conditions, and thermochemical stresses in the processes that are used. Many of these technologies aim to recycle waste with high iron and/or carbon contents (such as scale, screening fines, process exhaust dust, fines and thickener sludge collected in dust removal systems). Self-reducing agglomerates are used in conventional reduction furnaces such as small/medium blast furnaces and reduction-fusion reactors (e.g. Tecnored, ITmk3, Hi-sarna, Fastmet). The heat supplied for the direct reduction and carbon gasification reactions (Solution Loss at temperatures >850°C) to take place is supplied in conventional furnaces by burning solid fuels (cokes, mineral coals and biomass) and by burning gases (LPG , NG and Gases generated in steelmaking processes such as Coke Plant Gas, Blast Furnace Gas and Steelwork Gas).
[0012] A presente invenção minimiza alguns problemas por meio do uso de micro-ondas no lugar de fornos convencionais onde são usados combustíveis sólidos e gases que emitem GHG; necessidades de altas dosagens de aglomerantes; alto tempo para redução do produto, baixa resistência ao contato com água, alta geração de finos por transporte e manuseio, alta geração de finos por choque térmico e contaminações de elementos indesejáveis ao produto provenientes de determinados aglomerantes. A presente invenção apresenta um processo simplificado de operações unitárias que reduzem custos de CAPEX e OPEX.[0012] The present invention minimizes some problems through the use of microwaves instead of conventional ovens where solid fuels and gases that emit GHG are used; needs for high dosages of binders; long time for product reduction, low resistance to contact with water, high generation of fines due to transport and handling, high generation of fines due to thermal shock and contamination of undesirable elements in the product from certain binders. The present invention presents a simplified process of unit operations that reduce CAPEX and OPEX costs.
[0013] Particularmente, a presente invenção, em sua Rota 3, apresenta uma significativa vantagem em relação aos documentos do estado da técnica. Trata-se da não necessidade de aglomeração prévia de grandes volumes de mistura base, reduzindo significativamente os custos do processo (CAPEX e OPEX). Não existe no estado da técnica nenhuma tecnologia capaz de realizar industrialmente a redução carbotérmica sem contemplar a aglomeração prévia da mistura de finos de minério de ferro e biomassa. A presente invenção, portanto, se mostra significativamente inovadora, apresentando elevada eficiência de redução (Fe metálico > 50%, conforme apresentado na Figura 5).[0013] Particularly, the present invention, in its Route 3, presents a significant advantage in relation to prior art documents. This means there is no need for prior agglomeration of large volumes of base mix, significantly reducing process costs (CAPEX and OPEX). There is no technology in the state of the art capable of carrying out carbothermal reduction industrially without considering the prior agglomeration of the mixture of iron ore fines and biomass. The present invention, therefore, appears to be significantly innovative, presenting high reduction efficiency (metallic Fe > 50%, as shown in Figure 5).
[0014] A presente invenção apresenta diversas vantagens em comparação aos processos usualmente utilizados industrialmente, tais como: • a possibilidade de utilização de diferentes fontes de finos de minério de ferro (sínter feed, pellet feed e/ou rejeito ultrafino); • a possibilidade de utilização de diversos tipos de biomassa, inclusive pirolisada ou não; • ampla aplicabilidade em fornos de redução e fusão, devido às qualidades físicas e metalúrgicas do produto obtido; • importante alternativa tecnológica capaz de promover benefícios comerciais e estratégicos para a empresa e seus clientes; • maior flexibilidade de rota de processos proporcionando aos clientes siderúrgicos com rota AF (alto-forno) o prolongamento da vida útil de seus ativos, reduzindo CAPEX, sem comprometer o atingimento das metas de redução de emissões de CO2 de curto e médio prazos; • redução da emissão de gases do efeito estufa (GEE) na cadeia produtora do ferro e aço; • redução de custos devido à possibilidade de menor consumo de ligantes para sua aglomeração e a possibilidade de maior utilização de minérios mais pobres em ferro e com maior teor de sílica, os quais poderão ser concentrados, em uma etapa posterior, por separação magnética, já que os materiais resultantes da redução da hematita, são magnéticos ou fortemente paramagnéticos.[0014] The present invention presents several advantages compared to processes usually used industrially, such as: • the possibility of using different sources of iron ore fines (sinter feed, pellet feed and/or ultrafine waste); • the possibility of using different types of biomass, including pyrolyzed or not; • wide applicability in reduction and melting furnaces, due to the physical and metallurgical qualities of the product obtained; • important technological alternative capable of promoting commercial and strategic benefits for the company and its customers; • greater process route flexibility, providing steel customers with the AF (blast furnace) route to extend the useful life of their assets, reducing CAPEX, without compromising the achievement of short and medium-term CO2 emissions reduction targets; • reduction of greenhouse gas (GHG) emissions in the iron and steel production chain; • cost reduction due to the possibility of lower consumption of binders for their agglomeration and the possibility of greater use of ores that are poorer in iron and with a higher silica content, which can be concentrated, in a later stage, by magnetic separation, already that the materials resulting from the reduction of hematite are magnetic or strongly paramagnetic.
[0015] A presente invenção tem como objetivo geral proporcionar um novo processo de obtenção de produto de alto teor de ferro que apresente maior flexibilidade de rota de processos proporcionando aos clientes siderúrgicos o prolongamento da vida útil de seus ativos, reduzindo CAPEX, sem comprometer o atingimento das metas de redução de emissões de CO2.[0015] The present invention has the general objective of providing a new process for obtaining a high iron content product that presents greater process route flexibility, providing steelmaking customers with the extension of the useful life of their assets, reducing CAPEX, without compromising the achieving CO2 emissions reduction targets.
[0016] Outro objetivo da presente invenção consiste na obtenção de um produto a partir de finos de minério de ferro e biomassa, com excelente desempenho físico e metalúrgico, de ampla aplicabilidade em fornos de redução e fusão.[0016] Another objective of the present invention is to obtain a product from iron ore fines and biomass, with excellent physical and metallurgical performance, with wide applicability in reduction and melting furnaces.
[0017] Outro objetivo da presente invenção é reduzir o impacto ambiental gerado uma vez que permite a redução da emissão de gases do efeito estufa (GEE) na cadeia produtora do ferro e aço, devido a substituição de gás natural e carvão mineral, por biomassa para a redução dos óxidos de ferro, além de permitir o aproveitamento de rejeitos de minério de ferro, cuja fração ultrafina normalmente é disposta em barragens de rejeitos.[0017] Another objective of the present invention is to reduce the environmental impact generated as it allows the reduction of greenhouse gas (GHG) emissions in the iron and steel production chain, due to the replacement of natural gas and coal with biomass for the reduction of iron oxides, in addition to allowing the use of iron ore tailings, the ultrafine fraction of which is normally disposed of in tailings dams.
[0018] A presente invenção, conforme apresentado pela Figura 1, revela um processo para obtenção de produto de alto teor de ferro, a partir de finos de minério de ferro e fonte de carbono renovável oriundo de biomassa, compreendendo as seguintes etapas: a) misturar finos de minério de ferro, biomassa, aglomerantes, nanomateriais, aditivos e catalisadores em misturador intensivo; b) realizar pelo menos uma etapa selecionada do grupo que consiste em aglomeração e redução carbotérmica; c) realizar pelo menos uma etapa selecionada do grupo que consiste em separação sólido-sólido, redução carbotérmica e aglomeração.[0018] The present invention, as shown in Figure 1, discloses a process for obtaining a product with a high iron content, from iron ore fines and a renewable carbon source from biomass, comprising the following steps: a) mixing iron ore fines, biomass, binders, nanomaterials, additives and catalysts in an intensive mixer; b) carry out at least one step selected from the group consisting of agglomeration and carbothermal reduction; c) carry out at least one step selected from the group consisting of solid-solid separation, carbothermal reduction and agglomeration.
[0019] Ainda, a presente invenção, conforme apresentado pela Figura 1, pode compreender uma etapa adicional de: a) realizar pelo menos uma etapa selecionada do grupo que consiste em secagem/cura e aplicação de coating; b) realizar redução carbotérmica; c) realizar aplicação de coating.[0019] Furthermore, the present invention, as shown in Figure 1, may comprise an additional step of: a) carrying out at least one step selected from the group consisting of drying/curing and applying coating; b) carry out carbothermal reduction; c) apply coating.
[0020] A presente invenção é detalhadamente descrita com base nas respectivas figuras:[0020] The present invention is described in detail based on the respective figures:
[0021] A Figura 1 ilustra um fluxograma do processo de obtenção de produtos metalizados e pré-reduzidos de minério de ferro por redução carbotérmica em micro-ondas, bem como de briquetes de minério de ferro com biomassa, de acordo com a presente invenção.[0021] Figure 1 illustrates a flowchart of the process of obtaining metallized and pre-reduced iron ore products by carbothermal reduction in microwaves, as well as iron ore briquettes with biomass, according to the present invention.
[0022] A Figura 2 ilustra uma representação esquemática do forno de micro-ondas que foi utilizado durante a etapa de testes de redução carbotérmica (Rotas 2 e 3) em escala de bancada.[0022] Figure 2 illustrates a schematic representation of the microwave oven that was used during the carbothermal reduction test stage (Routes 2 and 3) on a bench scale.
[0023] A Figura 3 apresenta imagens de amostras de mistura base não aglomerada, antes e após a etapa de redução carbotérmica, a sua total magnetização e as morfologias do resíduo metálico obtido.[0023] Figure 3 shows images of samples of non-agglomerated base mixture, before and after the carbothermal reduction stage, their total magnetization and the morphologies of the metallic residue obtained.
[0024] A Figura 4 mostra a relação entre a massa residual após a redução e o teor de ferro metálico do resíduo da redução carbotérmica para as Rotas 2 e 3.[0024] Figure 4 shows the relationship between the residual mass after reduction and the metallic iron content of the carbothermal reduction residue for Routes 2 and 3.
[0025] A Figura 5 mostra o teor de ferro metálico obtido em relação ao tempo de incidência de micro-ondas (com potência de 1,0kW) e a quantidade de carbono contido na mistura base antes da redução carbotérmica.[0025] Figure 5 shows the metallic iron content obtained in relation to the microwave incidence time (with a power of 1.0kW) and the amount of carbon contained in the base mixture before carbothermal reduction.
[0026] A Figura 6 mostra o teor de ferro metálico obtido em relação a energia específica (Gj/t produto) e a quantidade de carbono contido na mistura base antes da redução carbotérmica no micro-ondas.[0026] Figure 6 shows the metallic iron content obtained in relation to specific energy (Gj/t product) and the amount of carbon contained in the base mixture before carbothermal reduction in the microwave.
[0027] A Figura 7 mostra os resultados de DRX dos resíduos obtidos após redução carbotérmica (Rotas 2 e 3) de formulações de mistura base aglomeradas e não aglomerada e a indicação do teor de Fe total do componente ferrífero da mistura base anteriormente a redução carbotérmica.[0027] Figure 7 shows the XRD results of the residues obtained after carbothermal reduction (Routes 2 and 3) of agglomerated and non-agglomerated base mixture formulations and the indication of the total Fe content of the iron component of the base mixture prior to carbothermal reduction .
[0028] A Figura 8 mostra os resultados de DRX dos resíduos obtidos após redução carbotérmica (Rota 3) de formulações de lamas residuais de concentração de minério de ferro não aglomerado e a indicação do teor de Fe total do componente ferrífero da mistura base anteriormente a redução carbotérmica.[0028] Figure 8 shows the XRD results of residues obtained after carbothermal reduction (Route 3) of waste sludge formulations of non-agglomerated iron ore concentration and the indication of the total Fe content of the iron component of the base mixture prior to carbothermic reduction.
[0029] A Figura 9 ilustra uma representação esquemática do forno de micro-ondas semi-industrial a ser utilizado durante a etapa de redução carbotérmica, neste caso usando mistura base como feed (Rota 3).[0029] Figure 9 illustrates a schematic representation of the semi-industrial microwave oven to be used during the carbothermal reduction stage, in this case using base mixture as feed (Route 3).
[0030] Embora a presente invenção possa ser suscetível a diferentes modalidades, são mostradas nos desenhos e na seguinte discussão detalhada, concretizações preferidas com o entendimento de que a presente descrição deve ser considerada uma exemplificação dos princípios da invenção e não pretende limitar a presente invenção ao que foi ilustrado e descrito aqui.[0030] Although the present invention may be susceptible to different embodiments, preferred embodiments are shown in the drawings and in the following detailed discussion, with the understanding that the present description should be considered an exemplification of the principles of the invention and is not intended to limit the present invention. to what has been illustrated and described here.
[0031] A matéria requerida na presente invenção será detalhada doravante, a título de exemplo e não limitativo, uma vez que os materiais e métodos aqui revelados podem compreender diferentes detalhes e procedimentos, sem fugir ao escopo da invenção. A menos que indicado ao contrário, todas as partes e porcentagens reveladas a seguir, são em peso.[0031] The matter required in the present invention will be detailed hereinafter, by way of example and not limitation, since the materials and methods disclosed herein may comprise different details and procedures, without departing from the scope of the invention. Unless otherwise indicated, all parts and percentages disclosed below are by weight.
[0032] A presente invenção está relacionada a um processo para obtenção de produto de alto teor de ferro, conforme representado pelo fluxograma da Figura 1, que se inicia preferencialmente com a mistura de pelo menos 60% em peso de finos de minério de ferro; até 30% em peso de biomassa; até 15% em peso de aglomerantes; até 15% em peso de nanomateriais; até 15% em peso de aditivos químicos e catalisadores. Mais especificamente, pode ser utilizado até 20% em peso de biomassa, preferencialmente pirolisada. Essa mistura base deve ser realizada em misturador intensivo.[0032] The present invention is related to a process for obtaining a product with a high iron content, as represented by the flowchart in Figure 1, which preferably starts with the mixture of at least 60% by weight of iron ore fines; up to 30% by weight of biomass; up to 15% by weight of binders; up to 15% by weight of nanomaterials; up to 15% by weight of chemical additives and catalysts. More specifically, up to 20% by weight of biomass, preferably pyrolyzed, can be used. This base mixture must be made in an intensive mixer.
[0033] As matérias-primas que podem ser utilizadas como fontes de finos de minério de ferro incluem sínter feed, pellet feed ou rejeito ultrafino de minério de ferro. A granulometria desse material deve ser menor que 10mm, com d90 entre 10 μm e 8mm e umidade máxima de 25%. A composição química deve possuir as seguintes características: 30 a 68% de ferro (Fe total), 0,5 a 15% de SiO2, 0,1 a 5,0% de Al2O3, 0,001 a 0,1% de P, 0,1 a 2% de Mn e 0,1 a 10% de perda por calcinação.[0033] Raw materials that can be used as sources of iron ore fines include sinter feed, pellet feed or ultrafine iron ore tailings. The particle size of this material must be less than 10mm, with d90 between 10 μm and 8mm and a maximum humidity of 25%. The chemical composition must have the following characteristics: 30 to 68% iron (total Fe), 0.5 to 15% SiO2, 0.1 to 5.0% Al2O3, 0.001 to 0.1% P, 0 .1 to 2% Mn and 0.1 to 10% calcination loss.
[0034] As biomassas utilizadas podem ser de diferentes fontes, tais como eucaliptos, capim elefante, resíduos tais como bagaço de cana de açúcar, dentre outras biomassas e resíduos. Preferencialmente a biomassa deve conter a seguinte composição química: 0,5 a 25,0% de cinzas; 1 a 80% de material volátil; < 1% de enxofre e 20 a 80% de carbono fixo. A biomassa também pode ser utilizada na forma pirolisada, também denominada biocarbono.[0034] The biomass used can be from different sources, such as eucalyptus, elephant grass, waste such as sugar cane bagasse, among other biomass and waste. Preferably, the biomass must contain the following chemical composition: 0.5 to 25.0% ash; 1 to 80% volatile material; < 1% sulfur and 20 to 80% fixed carbon. Biomass can also be used in pyrolyzed form, also called biocarbon.
[0035] Os aglomerantes a serem utilizados incluem o silicato de sódio (estado sólido e líquido), amido de mandioca ou milho pré-gelatinizado, resinas vegetais, polímeros, geopolímeros, dentre outros. Os aglomerantes são utilizados juntamente com os catalisadores químicos e nanomateriais, formando uma mistura aglomerante aditivada.[0035] The binders to be used include sodium silicate (solid and liquid state), pre-gelatinized cassava or corn starch, vegetable resins, polymers, geopolymers, among others. Binders are used together with chemical catalysts and nanomaterials, forming an additive binder mixture.
[0036] Os catalisadores químicos, tais como Ca, K, Na, Ni, Si e W podem ser utilizados para acelerar a taxa de redução carbotérmica e também garantir melhor homogeneidade no aquecimento do aglomerado por micro-ondas.[0036] Chemical catalysts such as Ca, K, Na, Ni, Si and W can be used to accelerate the carbothermal reduction rate and also ensure better homogeneity when heating the agglomerate by microwaves.
[0037] Os nanomateriais a serem utilizados podem ser selecionados do grupo consistindo de: nanotubo de carbono, grafita esfoliada, microssilicato funcionalizado, nanosílica tubular, haloisita tubular, nanofibra de carbono, grafeno, dentre outros.[0037] The nanomaterials to be used can be selected from the group consisting of: carbon nanotube, exfoliated graphite, functionalized microsilicate, tubular nanosilica, tubular halloysite, carbon nanofiber, graphene, among others.
[0038] Os aditivos químicos a serem utilizados no processo de coating podem ser à base de C, Al, Ni, caolinita ferruginosa, ou outro material com alto potencial de redução, tais como bauxita, alumina, polímeros, látex, entre outros. Ainda, se necessário, podem ser utilizados como matéria-prima na produção do briquete autorredutor (Rota 1), fluxantes a base de cálcio e dolomita como aditivos.[0038] The chemical additives to be used in the coating process can be based on C, Al, Ni, ferruginous kaolinite, or other material with high reduction potential, such as bauxite, alumina, polymers, latex, among others. Furthermore, if necessary, calcium and dolomite-based fluxes can be used as raw material in the production of self-reducing briquettes (Route 1).
[0039] Conforme representado pelo fluxograma da Figura 1, após a etapa de mistura intensiva, o material que seguirá a Rota 1, deve passar pela etapa de aglomeração. O material deve ser aglomerado por processos mecânicos (briquetagem, extrusão ou pelotamento), com o intuito de prover resistência a verde suficiente para manuseio, peneiramento e secagem/cura.[0039] As represented by the flowchart in Figure 1, after the intensive mixing stage, the material that will follow Route 1 must go through the agglomeration stage. The material must be agglomerated by mechanical processes (briquetting, extrusion or pelleting), in order to provide sufficient green resistance for handling, sieving and drying/curing.
[0040] Opcionalmente, a mistura base obtida no misturador intensivo poderá ser submetida a um processo de cominuição, com o objetivo de aumentar a superfície específica e aderência entre partículas. Preferencialmente, a cominuição deve ser realizada via prensagem por meio de prensa de rolos, roller crusher, ou outro dispositivo de cominuição em diferentes quantidades (parcial ou completa).[0040] Optionally, the base mixture obtained in the intensive mixer may be subjected to a comminution process, with the aim of increasing the specific surface and adhesion between particles. Preferably, comminution should be carried out via pressing using a roller press, roller crusher, or other comminution device in different quantities (partial or complete).
[0041] Após a etapa de aglomeração, o material deve passar por uma etapa de classificação granulométrica, preferencialmente peneiramento, de tal forma que o undersize (fração < 5mm) deve retornar ao misturador intensivo, e o oversize (fração > 5mm), deve seguir para a etapa de secagem/cura. Preferencialmente a secagem/cura deve ser realizada em um secador, em forno de micro-ondas ou forno convencional por queima de gases (inclusive queima de gás sintético gerado a partir da gaseificação de biomassa), em temperatura na faixa de 240 a 400°C, de tal forma a retirar o excesso de umidade e também realizar a cura do aglomerante contido, objetivando prover resistência suficiente para manuseio, estocagem, transporte e utilização com entrada pelo topo, em altos-fornos.[0041] After the agglomeration stage, the material must go through a granulometric classification stage, preferably sieving, in such a way that the undersize (fraction < 5mm) must return to the intensive mixer, and the oversize (fraction > 5mm) must proceed to the drying/curing stage. Preferably, drying/curing should be carried out in a dryer, microwave oven or conventional oven by burning gases (including burning synthetic gas generated from biomass gasification), at a temperature in the range of 240 to 400°C , in order to remove excess moisture and also cure the contained binder, aiming to provide sufficient resistance for handling, storage, transport and use with entry from the top, in blast furnaces.
[0042] O produto aglomerado obtido nessa rota é considerado um aglomerado autorredutor, e possui cerca de 6 a 20% de carbono, e 40 a 60% de ferro total.[0042] The agglomerated product obtained in this route is considered a self-reducing agglomerate, and has around 6 to 20% carbon, and 40 to 60% total iron.
[0043] Ainda conforme representado pelo fluxograma da Figura 1, após a etapa de mistura intensiva, o material que seguirá a Rota 2, também deve passar pela etapa de aglomeração. O material deve ser aglomerado por processos mecânicos (briquetagem, extrusão ou pelotamento).[0043] Still as represented by the flowchart in Figure 1, after the intensive mixing stage, the material that will follow Route 2 must also go through the agglomeration stage. The material must be agglomerated by mechanical processes (briquetting, extrusion or pelleting).
[0044] Opcionalmente, a mistura obtida no misturador intensivo poderá ser submetida a um processo de cominuição, com o objetivo de aumentar a superfície específica e aderência entre partículas. Preferencialmente, a cominuição deve ser realizada via prensagem por meio de prensa de rolos, roller crusher, ou outro dispositivo de cominuição em diferentes quantidades (parcial ou completa).[0044] Optionally, the mixture obtained in the intensive mixer may be subjected to a comminution process, with the aim of increasing the specific surface and adhesion between particles. Preferably, comminution should be carried out via pressing using a roller press, roller crusher, or other comminution device in different quantities (partial or complete).
[0045] Após a etapa de aglomeração, o material deve passar por uma etapa de redução carbotérmica em forno de micro-ondas ou outro tipo de forno, até atingir temperaturas entre 500°C e 950°C, dependendo do grau de redução que se objetiva, podendo ir da formação preponderante de magnetita e/ou maghemita, até a total, ou próxima da total, metalização dos óxidos de ferro presentes na mistura base. Opcionalmente, a redução carbotérmica pode ser realizada entre 500°C e 800°C.[0045] After the agglomeration stage, the material must go through a carbothermal reduction stage in a microwave oven or other type of oven, until it reaches temperatures between 500°C and 950°C, depending on the degree of reduction that takes place. objective, which can range from the preponderant formation of magnetite and/or maghemite, to the total, or close to total, metallization of the iron oxides present in the base mixture. Optionally, carbothermal reduction can be carried out between 500°C and 800°C.
[0046] A redução por micro-ondas pode ser realizada em um equipamento com potência na faixa de 0,6kW até 10kW para as frequências de 2450MHz, e potência de até 100kW na frequência de 915MHz, podendo ser múltiplos destas potências para escalas maiores. Pode ser utilizado um equipamento de microondas similar ao equipamento descrito nos documentos de patente BR102020012185-5 e BR102019023195-5, preferencialmente apresentando redução da câmara de redução carbotérmica para injeção de gás inerte, e sistema de confinamento do gás inerte, conforme demonstrado pela Figura 2. Preferencialmente, o gás inerte utilizado consiste no gás nitrogênio (N2).[0046] Microwave reduction can be carried out in equipment with power in the range of 0.6kW to 10kW for frequencies of 2450MHz, and power of up to 100kW at frequency of 915MHz, and may be multiples of these powers for larger scales. Microwave equipment similar to the equipment described in patent documents BR102020012185-5 and BR102019023195-5 can be used, preferably featuring a reduction in the carbothermal reduction chamber for inert gas injection, and an inert gas confinement system, as demonstrated in Figure 2 Preferably, the inert gas used consists of nitrogen gas (N2).
[0047] Após a etapa de redução carbotérmica, o material segue para a etapa de aplicação de coating, que possui o objetivo evitar reoxidação das camadas superficiais do aglomerado pelo oxigênio atmosférico, melhorar sua resistência física e também a intempéries.[0047] After the carbothermal reduction stage, the material goes to the coating application stage, which aims to prevent reoxidation of the surface layers of the agglomerate by atmospheric oxygen, improving its physical resistance and also weather resistance.
[0048] Opcionalmente, pode ser realizada uma etapa de aglomeração (briquetagem, extrusão ou pelotamento) previamente à etapa de coating. A referida etapa de briquetagem pode ser realizada à frio ou a morno e, caso necessário, pode ser utilizado aglomerante aditivado.[0048] Optionally, an agglomeration step (briquetting, extrusion or pelleting) can be carried out prior to the coating step. Said briquetting step can be carried out cold or warm and, if necessary, binder with additives can be used.
[0049] O produto aglomerado obtido por meio da Rota 2 da presente invenção apresenta-se como uma alternativa de alta qualidade química, física e metalúrgica para utilização em fornos de redução e fusão (Alto-Forno - AF e Melters como Forno Elétrico a Arco - FEA, por exemplo). Tais produtos aglomerados possuem diâmetro de 8 a 150mm, diferentes geometrias, teor de ferro total acima de 60% e teor de carbono abaixo de 5%. Caso o objetivo seja a obtenção de um aglomerado a ser utilizado em AF, são utilizados matérias-primas e parâmetros de processos de tal forma a se obter um aglomerado final contendo 60 a 95% de ferro total. Caso o objetivo seja a obtenção de um aglomerado a ser utilizado em FEA, são utilizados matérias-primas e parâmetros de processos de tal forma a se obter um aglomerado contendo acima de 85% de ferro metálico.[0049] The agglomerated product obtained through Route 2 of the present invention presents itself as an alternative of high chemical, physical and metallurgical quality for use in reduction and melting furnaces (Blast Furnace - AF and Melters such as Electric Arc Furnace - FEA, for example). Such agglomerated products have a diameter of 8 to 150mm, different geometries, total iron content above 60% and carbon content below 5%. If the objective is to obtain an agglomerate to be used in AF, raw materials and process parameters are used in such a way as to obtain a final agglomerate containing 60 to 95% of total iron. If the objective is to obtain an agglomerate to be used in FEA, raw materials and process parameters are used in such a way as to obtain an agglomerate containing above 85% metallic iron.
[0050] Ainda conforme representado pelo fluxograma da Figura 1, após a etapa de mistura intensiva, o material que seguirá a Rota 3, deve seguir diretamente para a etapa de redução carbotérmica em forno de micro-ondas. Assim como na Rota 2, a redução por micro-ondas pode ser realizada em um equipamento com potência na faixa de 0,6kW até 10kW para as frequências de 2450MHz, e potência de até 100kW na frequência de 915MHz, podendo ser múltiplos destas potências para escalas maiores.[0050] Still as represented by the flowchart in Figure 1, after the intensive mixing stage, the material that will follow Route 3 must go directly to the carbothermal reduction stage in a microwave oven. As in Route 2, microwave reduction can be carried out in equipment with power in the range of 0.6kW to 10kW for frequencies of 2450MHz, and power of up to 100kW in the frequency of 915MHz, which can be multiples of these powers for larger scales.
[0051] Opcionalmente, a mistura base poderá ser submetida a um processo de cominuição, preferencialmente realizada via prensagem por meio de prensa de rolos, roller crusher, ou outro dispositivo de cominuição em diferentes quantidades (parcial ou completa).[0051] Optionally, the base mixture may be subjected to a comminution process, preferably carried out via pressing using a roller press, roller crusher, or other comminution device in different quantities (partial or complete).
[0052] Após a etapa de redução carbotérmica, o material pode ser desagregado, ou não, dependendo das condições físicas em que o produto sair do forno de micro-ondas. A etapa subsequente consiste em uma etapa de separação sólido-sólido com o objetivo de aumentar a concentração de ferro, podendo consistir em uma separação magnética ou separação gravítica. O concentrado de baixo teor de ferro obtido deve retornar ao misturador intensivo, enquanto o concentrado rico em ferro segue para as etapas subsequentes do processo.[0052] After the carbothermal reduction step, the material may or may not be disaggregated, depending on the physical conditions in which the product leaves the microwave oven. The subsequent step consists of a solid-solid separation step with the aim of increasing the iron concentration, which may consist of a magnetic separation or gravitational separation. The low-iron concentrate obtained must return to the intensive mixer, while the iron-rich concentrate goes to subsequent stages of the process.
[0053] O concentrado, que se encontra na forma de pó, contendo alto teor de ferro já pode ser considerado um produto final a ser comercializado, por se tratar de um material de alta metalização (entre 60% e 85% de ferro total) que possui características ideais para o uso em smelters ou demais fornos derretedores.[0053] The concentrate, which is in powder form, containing a high iron content, can now be considered a final product to be commercialized, as it is a highly metallized material (between 60% and 85% total iron) which has ideal characteristics for use in smelters or other melting furnaces.
[0054] Opcionalmente, o concentrado contendo alto teor de ferro pode seguir para uma etapa de aglomeração, que pode ser realizada à frio ou a morno e, caso necessário, pode-se utilizar aglomerante aditivado. A aglomeração permite a obtenção de um produto com granulometria e formato de elevada densidade para transporte e manuseio, além de aumentar a proteção contra oxidação pela atmosfera ambiente.[0054] Optionally, the concentrate containing a high iron content can go to an agglomeration step, which can be carried out cold or warm and, if necessary, added binder can be used. Agglomeration allows obtaining a product with high density particle size and format for transport and handling, in addition to increasing protection against oxidation by the ambient atmosphere.
[0055] O aglomerado então segue para a etapa de aplicação de coating, assim como ocorre na Rota 2, de tal forma a evitar a reoxidação das camadas superficiais do aglomerado pelo oxigênio atmosférico e melhorar sua resistência física e também a intempéries.[0055] The agglomerate then proceeds to the coating application stage, as occurs in Route 2, in order to avoid reoxidation of the surface layers of the agglomerate by atmospheric oxygen and improve its physical and weather resistance.
[0056] Opcionalmente, o material que alimenta a etapa de aglomeração pode ser proveniente diretamente da redução carbotérmica, dependendo das características do material após redução em forno micro-ondas.[0056] Optionally, the material that feeds the agglomeration step can come directly from carbothermal reduction, depending on the characteristics of the material after reduction in a microwave oven.
[0057] Assim como ocorre na Rota 2, o aglomerado obtido por meio da Rota 3 da presente invenção apresenta-se como uma alternativa de alta qualidade química, física e metalúrgica para utilização em fornos de redução (Alto-Forno - AF e melters como o Forno Elétrico a Arco - FEA, por exemplo). Os aglomerados obtidos por meio da Rota 3 possuem acima de 60% de ferro total. Caso seja o objetivo a obtenção de um aglomerado a ser utilizado em AF, são utilizados matérias-primas e parâmetros de processos de tal forma a se obter um aglomerado final reduzido contendo 60 a 95% de ferro total. Caso seja o objetivo a obtenção de um aglomerado a ser utilizado em FEA, são utilizados matérias- primas e parâmetros de processos de tal forma a se obter um aglomerado final metalizado contendo acima de 85% de ferro metálico.[0057] As with Route 2, the agglomerate obtained through Route 3 of the present invention presents itself as an alternative of high chemical, physical and metallurgical quality for use in reduction furnaces (Blast Furnace - AF and melters such as the Electric Arc Furnace - FEA, for example). The agglomerates obtained through Route 3 have over 60% total iron. If the objective is to obtain an agglomerate to be used in AF, raw materials and process parameters are used in such a way as to obtain a reduced final agglomerate containing 60 to 95% of total iron. If the objective is to obtain an agglomerate to be used in FEA, raw materials and process parameters are used in such a way as to obtain a final metallized agglomerate containing above 85% metallic iron.
[0058] No que se refere ao atendimento às especificações de qualidade física, os aglomerados foram submetidos a ensaios de laboratório para avaliação de sua resistência mecânica. Os parâmetros avaliados foram resistência à abrasão, onde os produtos apresentaram resultado <25%, resistência ao tamboramento (> 75%), resistência ao impacto/quedas (> 75%) e resistência à compressão (a seco e após submetidas à exposição à água, > 150 daN). Em relação à qualidade química e metalúrgica foram realizados testes para avaliar o grau de metalização cujo nível depende do feed e do objetivo, se é metalização (> 50%) ou concentração (0 e 10%).[0058] Regarding compliance with physical quality specifications, the agglomerates were subjected to laboratory tests to evaluate their mechanical resistance. The parameters evaluated were abrasion resistance, where the products presented results <25%, resistance to tumbling (> 75%), resistance to impact/falls (> 75%) and resistance to compression (dry and after exposure to water , > 150 daN). Regarding chemical and metallurgical quality, tests were carried out to evaluate the degree of metallization, the level of which depends on the feed and the objective, whether it is metallization (> 50%) or concentration (0 and 10%).
[0059] A Figura 3 apresenta imagens de amostras antes e após a etapa de redução carbotérmica, obtidas conforme a Rota 3, mostrando a morfologia da formação do ferro metálico após a redução da mistura por micro-ondas. Os resultados obtidos, conforme as Figuras 5 e 6, indicaram um teor de Fe metálico do não aglomerado, e também do aglomerado (conforme Rota 2), na faixa de 50 a 80%, para misturas base com teor de carbono em torno de 20%.[0059] Figure 3 shows images of samples before and after the carbothermal reduction step, obtained according to Route 3, showing the morphology of the formation of metallic iron after reduction of the mixture by microwaves. The results obtained, as shown in Figures 5 and 6, indicated a metallic Fe content of the non-agglomerated material, and also of the agglomerated material (according to Route 2), in the range of 50 to 80%, for base mixtures with a carbon content of around 20 %.
[0060] EXEMPLO[0060] EXAMPLE
[0061] Com o objetivo de avaliar a qualidade e o desempenho dos produtos obtidos por meio da Rota 3 da presente invenção, foi realizado um experimento misturando 76% em massa de finos de minério de ferro (FeT > 64,5% e granulometria < 325#) e 24% em massa de carvão vegetal fino, oriundo da pirólise de eucalipto (Cfixo > 75%, granulometria < 1,0 mm), homogeneizada em misturador intensivo (Cfixo 20%). A redução carbotérmica foi realizada em um forno micro-ondas, conforme Figura 2, a 1000 W de potência e frequência 2,45 GHz. A redução ocorreu por 20 minutos, em atmosfera inertizada com N2.[0061] With the aim of evaluating the quality and performance of the products obtained through Route 3 of the present invention, an experiment was carried out mixing 76% by mass of iron ore fines (FeT > 64.5% and particle size < 325#) and 24% by mass of fine charcoal, originating from eucalyptus pyrolysis (Cfixed > 75%, particle size < 1.0 mm), homogenized in an intensive mixer (Cfixed 20%). The carbothermal reduction was carried out in a microwave oven, as shown in Figure 2, at 1000 W power and 2.45 GHz frequency. The reduction occurred for 20 minutes, in an inert atmosphere with N2.
[0062] O produto metalizado fino produzido, conforme Figura 3, apresentou teor de ferro metálico de 76,7% e ferro total de 89,9%, conforme apresentado no resultado de DRX mostrado no gráfico da Figura 7.[0062] The fine metallized product produced, as shown in Figure 3, had a metallic iron content of 76.7% and total iron of 89.9%, as shown in the XRD result shown in the graph in Figure 7.
[0063] Dessa forma, embora tenham sido mostradas apenas algumas modalidades da presente invenção, será entendido que várias omissões, substituições e alterações podem ser feitas por um técnico versado no assunto, sem se afastar do espírito e escopo da presente invenção. As modalidades descritas devem ser consideradas em todos os aspectos somente como ilustrativas e não restritivas.[0063] Therefore, although only some embodiments of the present invention have been shown, it will be understood that various omissions, substitutions and changes can be made by a person skilled in the art, without departing from the spirit and scope of the present invention. The described embodiments should be considered in all respects only as illustrative and not restrictive.
[0064] É expressamente previsto que todas as combinações dos elementos que desempenham a mesma função substancialmente da mesma forma para alcançar os mesmos resultados estão dentro do escopo da invenção. Substituições de elementos de uma modalidade descrita para outra são também totalmente pretendidas e contempladas.[0064] It is expressly provided that all combinations of elements that perform the same function in substantially the same way to achieve the same results are within the scope of the invention. Substitutions of elements from one described embodiment to another are also fully intended and contemplated.
Claims (28)
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BR102023005164-2A BR102023005164B1 (en) | 2023-03-20 | 2023-03-20 | PROCESS FOR OBTAINING HIGH IRON CONTENT PRODUCTS FROM IRON ORE FINES AND BIOMASS, AND THEIR PRODUCTS |
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| TW112112370A TW202403059A (en) | 2022-03-30 | 2023-03-30 | Process of obtaining high iron content products from fines of iron ore and biomass, and their products |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
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Publications (2)
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Family
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| BR102023005164-2A BR102023005164B1 (en) | 2022-03-30 | 2023-03-20 | PROCESS FOR OBTAINING HIGH IRON CONTENT PRODUCTS FROM IRON ORE FINES AND BIOMASS, AND THEIR PRODUCTS |
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2023
- 2023-03-20 BR BR102023005164-2A patent/BR102023005164B1/en active IP Right Grant
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| BR102023005164A2 (en) | 2023-05-23 |
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