BRPI0715117A2 - mÉtodo para a produÇço de ferro a partir de um material contendo àxido de ferro - Google Patents

Abstract

MÉTODO PARA A PRODUÇçO DE FERRO A PARTIR DE UM MATERIAL CONTENDO àXIDO DE FERRO. É descrito um método para a produção de ferro a partir de material contendo óxido de ferro, que inclui colocar um material contndo óxido de ferro com uma faixa de distribuição de tamanho de partículas <sym> ^90^ de menos de 2 mm em contato com um material contendo carbono com uma faixa de distribuição de tamanho de partícula <sym> ^90^ de menos de 6 mm, em um reator em escala comercial a uma temperatura entre 900<198>C e 1200 <198>C por um tempo de contato suficiente para reduzir o óxido de ferro a ferro,

Description

"MÉTODO PARA A PRODUÇÃO DE FERRO A PARTIR DE UM MATERIAL CONTENDO ÓXIDO DE FERRO"

Esta invenção diz respeito a um método para a produção comercial de ferro. Ela também diz respeito a um conjunto reator e a um veículo para uso na produção comercial de ferro.

Em tempos passados, o ferro era produzido pela redução de óxido de ferro com carvão. Neste processo, o carvão agia tanto como uma fonte de calor quanto como um agente redutor. O produto era uma liga consistindo em cerca de 96,5% de ferro e cerca de 3,5% de carbono. Carvão foi posteriormente suplantado pelo coque. Atualmente, ferro é produzido amplamente a partir de minérios de ferro de hematita (Fe2O3) e magnetita (Fe3O4) por redução carbotérmica em um alto-forno a temperaturas de cerca de 2000°C. Neste processo, o minério de ferro, carbono na forma de coque e um fundente tal como calcário SÃO alimentados no topo do forno e um jato de ar quente é forçado pela base do forno. No forno, o coque reage com oxigênio no sopro de ar para produzir monóxido de carbono, e o monóxido de carbono reduz o minério de ferro a ferro, tornando-se oxidado a dióxido de carbono no processo. 0 ferro produzido neste processo é denominado ferro gusa. Em decorrência disto da alta vazão de gás nos altos-fornos, óxido de ferro e coque têm que estar na forma particulada relativamente grosseira, preferivelmente, com tamanhos de partícula maiores que cerca de 6 mm. Se o tamanho de partícula for substancialmente menor que 6 mm, o estoque de alimentação simplesmente será soprado para fora do topo do alto-forno pela corrente de gás. Além do mais, existem problemas inerentes associados com a operação dos altos-fornos na prevenção da formação de zonas quentes e frias que podem resultar em contrarreações e reações concorrentes.

Na mineração, transporte e armazenamento de minério de ferro e carvão, grandes quantidades de finos de óxido de ferro e finos de carvão, normalmente referidos como pó de carvão, são produzidos. Óxido de ferro finamente dividido é também produzido como um subproduto, tanto na produção de cobre, por exemplo, no caso da Phalaborwa Mining Corporation na África do Sul quanto Freeport (Grasberg) na Indonésia, e da torrefação do FeS2 na produção de ácido sulfurico. Esses materiais finamente divididos poderiam prover uma fonte de matéria-prima para produção de ferro. Entretanto, pelos motivos apresentados anteriormente, a menos que esses materiais sejam primeiramente granulados, eles não podem ser usados em altos-fornos, mas a granulação não é economicamente viável. É um objetivo da invenção abordar este problema.

De acordo com um aspecto da invenção, é provido um método para a produção de ferro a partir de um material contendo óxido de ferro, o método incluindo colocar um material contento óxido de ferro com uma faixa de distribuição de tamanho de partículas em contato com um material contendo óxido de ferro com um õ90 de menos de 6 mm em um reator em escala comercial a uma temperatura entre 900°C e 1200°C por um tempo de contato suficiente para reduzir o óxido de ferro a ferro.

Preferivelmente, substancialmente todo o material contendo óxido de ferro é reduzido a ferro.

Como é bem conhecido pelos versados na técnica, õ90 significa que pelo menos 90% do material tem um tamanho de partícula menor que o especificado, isto é, o90 de 2 mm significa que pelo menos 90% do material particulado tem um tamanho de partícula de menos de 2 mm. õ90 é também em geral simplesmente escrito como d90.

"Reator em escala comercial" significa um reator capaz de produzir rotineiramente pelo menos 1000 kg/h de ferro.

O material contendo óxido de ferro pode ter um õ90 de menos de 1 mm. Preferivelmente, o material contendo óxido de ferro tem um õ90 de menos de 500 μιτι.

O material contendo carbono pode ter um õ90 de menos de 2 mm. Preferivelmente, o material contendo carbono tem um d90 de menos de 1 mm.

O tempo de contato pode ser entre 30 minutos e 360 minutos. O tempo de contato é preferivelmente entre cerca de 60 minutos e cerca de 180 minutos e mais preferivelmente cerca de 120 minutos.

O método pode incluir colocar o material contendo óxido de ferro em contato com o material contendo carbono na presença de um fundente tais como óxido de cálcio ou cal virgem.

O material contendo óxido de ferro pode ser óxido de ferro residual. Ele pode, em particular, ser o produto residual produzido na extração de minério de ferro, na produção de cobre ou na produção de ácido sulfurico. Este material tipicamente tem um tamanho de partícula com um õ90 de menos de 500 μηι e normalmente consiste em hematita ou magnetita. O material contendo carbono pode ser carvão residual ou finos de carvão, geralmente referidos como pó de carvão, que é produzido durante a mineração e transporte de carvão. Em vez disso, o material contendo carbono pode ser o material residual produzido na destilação ou desvolatilização de carvão.

O material contendo carbono é preferivelmente finos de carvão desvolatilizado. Este material tipicamente tem um tamanho de partícula com um õ90 de menos de cerca de 6 mm.

A temperatura no reator pode ser entre 1000oC e 1100 °C, por exemplo, cerca de 1050°C.

O método pode incluir aquecer o reator usando uma fonte de calor externa. Tipicamente, o reator é aquecido eletricamente.

Com a realização da redução a uma temperatura de cerca de 1.050 0C usando aquecimento elétrico externo, o método da invenção pode ser criteriosamente controlado. O equilíbrio entre CO e CO2 a diferentes temperaturas é estabelecido da seguinte maneira: CO CO2 450°C 2% 98%

750°C 76% 24%

1050°C 99,6% 0,4%

Assim, controlando-se a temperatura em aproximadamente 1050°C, o equilíbrio CO/CO2 fica quase completamente no lado do CO.

O método tradicional de fabricar ferro tal como realizado em altos-fornos exige o uso de fimdentes carbonáceos, tal como CaCO3 para aumentar a concentração de CO2 no interior do forno. Entretanto, isto não somente aumenta a velocidade do gás, mas a decomposição de CaCO3 é endotérmica e aumenta a demanda de energia. A decomposição de CaCO3 ocorre a cerca de 900°C.

CaCO3 = CaO + CO2 temperatura 500°C 600°C 700°C 800°C 900°C mm Hg 0,11 2,35 25,3 168 760

A formação de FeSiO3 e Fe2SiO4 ocorre acima de 700°C e CaO ativo é necessário para reagir com SiO2 antes que ele combine com o FeO.

Colocar o material contendo óxido de ferro em contato com o material contendo carbono pode incluir alimentar quantidades predeterminadas dos ditos materiais em um reator cilíndrico rotativo ou forno rotativo e ajustar a velocidade de rotação e o ângulo do reator de forma que o tempo de permanência do material no reator seja suficiente para reduzir substancialmente todo o óxido de ferro a ferro.

O método pode incluir impedir a entrada de ar no reator.

As taxas de alimentação do material contendo óxido de ferro e do material contendo carbono e a temperatura operacional do reator podem ser selecionadas de maneira que uma vazão de gás superficial no reator causada pela liberação de gases resultantes da redução seja baixa o bastante para impedir qualquer aprisionamento substancial e conseqüente perda do material contendo óxido de ferro e material contendo carbono finamente dividido do reator. Tipicamente, a vazão de gás superficial é menor que 2 ms" \ preferivelmente cerca de 1 ms"1.

O método pode incluir controlar a taxa de alimentação do material contendo óxido de ferro e do material contendo carbono, temperatura do reator e taxa de extração de gás do reator para atingir uma concentração em estado substancialmente estacionário de monóxido de carbono no reator.

O método pode incluir a etapa de recuperar o excesso de monóxido de carbono extraído do reator e usar o excesso de monóxido de carbono para produzir energia. A energia produzida pode ser usada para aquecer o reator.

O produto gerado de acordo com o método da invenção, pelo menos inicialmente, é um ferro granular com um tamanho de partícula similar ao tamanho de partícula do material contendo óxido de ferro.

O método pode incluir colocar material contendo óxido de ferro em contato com um ligeiro excesso do material contendo carbono (por exemplo, cerca de 5-30% em excesso), separar magneticamente ferro produto do material contendo carbono em excesso (por exemplo, carvão pó de carvão destilado) e fundir o produto ferro, produzindo aço doce com uma pureza superior a 99% em massa. A pureza do ferro produzido depois da remoção magnética de

carbono é assim tipicamente superior a 99%. Esta é a pureza do aço doce. Além do mais, com a adição de quantidades adequadas de cromo, níquel ou manganês, o produto gerado pode ser na forma de um aço inoxidável.

De acordo com um outro aspecto da invenção, é provido um método para a produção de ferro a partir de um material contendo óxido de ferro, o método incluindo reduzir o material contendo óxido de ferro com uma faixa de distribuição de tamanho de partícula com um d90 de menos de 2 mm, com um material contendo carbono com uma faixa de distribuição de tamanho de partícula com um a90 de menos de 6 mm, em um reator em escala comercial a uma elevada temperatura, a redução produzindo monóxido de carbono e o método incluindo adicionalmente alimentar os materiais no reator a uma taxa e a uma temperatura, e extrair monóxido de carbono do reator a uma taxa, selecionada de forma que um estado substancialmente estacionário de concentração de monóxido de carbono seja mantida no reator.

O material contendo óxido de ferro e o material contendo carbono podem ser da maneira anteriormente descrita.

O material contendo óxido de ferro e o material contendo carbono podem ser alimentados no reator a uma vazão que é selecionada de forma que o monóxido de carbono que é produzido no processo de redução escoe através do reator a uma vazão de gás superficial menor que cerca de 2 ms"1 e preferivelmente a cerca de 1 ms"1.

De acordo com ainda com um outro aspecto da invenção, é provido um método para a produção de ferro a partir de material contendo óxido de ferro, o método incluindo reduzir um material contendo óxido de ferro com uma faixa de distribuição de tamanho de partícula com um õ90 de menos de 2 mm com um material contendo carbono com uma faixa de distribuição de tamanho de partícula com um a90 de menos de 6 mm, em um reator em escala comercial, o método incluindo adicionalmente alimentar os materiais no reator a uma taxa, e operar o reator a uma elevada temperatura, de maneira tal que a vazão de gás superficial no reator causada pela liberação de gases resultantes da redução seja menor que 2 ms"1.

O material contendo óxido de ferro e o material contendo carbono podem ser da maneira anteriormente descrita.

Preferivelmente, a temperatura será entre cerca de IOOO0C e 1100°C, e mais preferivelmente cerca de 1050°C.

Preferivelmente, a vazão de gás superficial vai ser de cerca de

1 ms"1.

Preferivelmente, substancialmente todo o material contendo óxido de ferro é reduzido. De acordo com um aspecto adicional da invenção, é provido um conjunto de reator adequado para uso na produção comercial de ferro a partir de um material contendo óxido de ferro que tem uma faixa de distribuição de tamanho de partícula com um õ90 de menos que cerca de 2 mm colocando o material em contato com u material contendo carbono que tem uma faixa de distribuição de tamanho de partícula com um õ90 de menos de cerca de 6 mm a uma elevada temperatura, o conjunto do reator incluindo um reator no geral cilíndrico com uma entrada e uma saída montadas para rotação em torno de um eixo geométrico longitudinal do mesmo, dispositivo de aquecimento para aquecer o reator a uma temperatura entre cerca de 900°C e 1200°C e dispositivo de montagem para montar o conjunto em um veículo.

O dispositivo de aquecimento pode ser um dispositivo de aquecimento elétrico localizado externo ao reator. O conjunto pode incluir dispositivo de acionamento para girar o reator.

O método estende-se a um veículo com um conjunto de reator montado tal como reivindicado da maneira supradescrita.

A invenção é agora descrita, a título de exemplo, com referência aos exemplos e desenhos seguintes, em que:

A figura 1 mostra uma vista lateral esquemática de um reator para uso no método da invenção; e

A figura 2 mostra esquematicamente uma seção do reator da

figura 1.

Referindo-se agora aos desenhos, o número de referência 10 indica no geral um conjunto do reator na forma de um forno rotativo aquecido eletricamente para uso no método da invenção. O forno 10 inclui um tubo do reator cilíndrico 12 alojado em um revestimento externo 14. O revestimento 14 tem um perfil quadrado, conforme se pode ver na figura 2, com dimensões externas de cerca de 2 χ 2 m. O reator 12 é montado para rotação em uma armação de suporte, indicada no geral pelo número de referência 16. Um alimentador 18 alimenta matéria-prima na extremidade de entrada 20 do tubo do reator 12. O alimentador 18 é provido com uma vedação em labirinto (não mostrada) para impedir o fluxo de ar para o tubo do reator 12.

O tubo do reator 12 tem cerca de 6 m de comprimento com um diâmetro de cerca de 1 m e é eletricamente aquecido por elementos de aquecimento (não mostrados) no revestimento 14. O forno 10 inclina-se da esquerda para a direita, conforme se pode ver nos desenhos e a armação de suporte 16 é provida com um mecanismo de ajuste (não mostrado) para aumentar ou diminuir a inclinação ou o ângulo do tubo do reator 12 que, juntamente com a variação da velocidade de rotação, muda a taxa de passagem de matéria-prima através do tubo do reator 12. A extremidade de saída 22 do tubo do reator 12 é provida com uma vedação (não mostrada) para impedir contato de ar com o produto ferro granular à medida que ele escoa do tubo do reator 12. A armação 16 tem pernas de suporte 24 que podem ser montadas em um veículo (não mostrado) de forma que todo o conjunto do reator possa ser transportado para uma área na qual óxido de ferro residual e/ou carvão residual formaram pilhas de matéria-prima.

Exemplo 1

Magnetita da Phalaborwa Mining Company, África do Sul, com a composição e distribuição de tamanho de partícula seguinte foi usada neste exemplo:

Fe 66% Fe3O4 91,2% SiO2 0,52% Al2O3 1,08% Enxofre 0,11% Fósforo 0,04% a90 -250 μηι δ50 -106 μιη

Ô10 -15 μιη

700 kg de carvão (referir-se à tabela 1) foram desvolatilizados

para produzir 400 kg de carvão desvolatilizados como mostrado a seguir: (900°C)

700 kg -> 400 kg (sob condições redutoras)

Tabela 1

Carvão Carvão desvolatilizado Carbono fixo 49% 73% Voláteis 35% 1,7% Umidade 3% 1,5% Cinzas 13% 22% SiO2 - 10% Al2O3 - 4% Enxofre 1,5% 1,5% Fósforo 0,02% 0,02% CV (MJ/kg) 28 25 Tamanho de partícula ^ 1 O õ - 12 nm ô90 - 500 μιη õ - 3 mm δ™ - 75 μπι δ10 - 0,5 mm διυ-10μηι Nota: Depois das desvolatilização, o carvão foi moído com um britador de martelo

A fórmula seguinte representa a equação de redução para a

magnetita:

Fe3O4 + 4C = 3Fe + 4CO (g)

Com base em 1 mol de Fe3O4, os cálculos seguintes podem ser

feitos:

1 mol de Fe3O4 = 231,54 g, 91,2% de pureza = 253,88 g

4 mol C = 48 g, 73% de pureza = 65,75 g

+ 50% de carvão desvolatilizado em excesso = 98,625 g (para excluir ar no dispositivo rotativo).

Segue-se que, para reduzir 1 tonelada de magnetita no forno

rotativo, são necessários 388 kg de carvão desvolatilizado. 1 tonelada de magnetita contém 10,8 kg de Al2O3 e 5,2 kg de SiO2. 388 kg de carvão desvolatilizado contém 38,8 kg de SiO2 e 15,5 kg de Al2O3. SiO2 total = 44 kg = 0,733 kmol e Al2O3 total = 26,3 kg = 0,258 kmol. Observou-se que, se quantidades molares iguais de calcário forem adicionadas às quantidades molares de SiO2 e Al2O3, a sinterização durante a redução é bastante minimizada. O calcário total necessário = 0,991 kmol CaO = 55,5 kg, 89% pureza = 62,4 kg. O calcário é moído em -500 μπι, õ50 = 125 μηι.

A mistura da redução (com base em 1 tonelada de magnetita) é

assim:

1 tonelada de magnetita (91,2%) (seca a 3 00°C)

388 kg de carvão desvolatilizado (73%) 62 kg de calcário (89%)

1450 kg

Alimentou-se 2,9 toneladas da mistura da reação em um tubo de redução inclinado de 9,7 m de comprimento e 0,96 DI ou forno rotativo a uma taxa de alimentação de 300 kg/h. O tubo foi girado a 1,12 rpm e o material do tubo foi coletado em tambores. Após aproximadamente 2 h, o primeiro material foi coletado (referir-se à tabela 2 a seguir). O tubo tinha 3 zonas de aquecimento, a saber, zona 1 que é a zona de alimentação, zona 2 que é uma zona intermediária e zona 3 que é uma zona de descarga. A temperatura em cada zona foi medida e é indicada na tabela 2. Para evitar que o material aderisse nos lados, usou-se marteletes mecânicos, na extremidade de alimentação e na extremidade de descarga do tubo. O ângulo do tubo era equivalente a uma queda de 5 mm/Im em no comprimento do tubo.

Tabela 2

Tempo alimentação saída tambor temperatura zona 1 temperatura zona 2 temperatura zona 3 OhOO 300 kg - - 1064°C 1070°C 1071°C IhOO 300 kg - - 1042°C 1070°C 1069°C 2h00 300 kg 128 kg 1 1029°C 1070°C 10930C 3h00 300 kg 179 kg 2/3 1029°C 1070°C 1068°C 4h00 300 kg 193 kg 4/5 1028°C 1070°C 1071°C 5h00 300 kg 188 kg 6/7 1039°C 1071°C 1069°C 6h00 300 kg 198 kg 8/9 1039°C 1.069 0C 1072°C 7h00 300 kg 207 kg 10/11 1039°C 1.071°C 1071°C 8h00 300 kg 189 kg 12/13 1033°C 1.071°C 1071°C 9h00 200 kg 158 kg 14/15 1053°C 10710C 1071°C IOhOO - 74 kg 16 1055°C 1071°C 1071°C Depois de 10 horas, o forno foi desligado, e um CO de combustão de chama de CO2 (g) extraído do tubo ainda queimado por mais uma hora. Por toda a noite, outros 147 kg foram descarregados do dispositivo rotativo enquanto uma carga do leito de 179 kg permaneceu no dispositivo rotativo. Este material foi descarregado à medida que ele reoxidou por causa de falta de uma atmosfera de CO. O material nos tambores 1 e 16 foi também descartado.

De acordo com a equação de redução dada anteriormente, a redução completa de 253,9 g de alimentação de magnetita resultará em 112 g de CO (g) de perda. Portanto, a partir de uma mistura de redução de 1450 kg, 441 kg de CO (g) devem ser envolvidos. Isto é igual a uma perda de massa de 30,4%. Dependendo da eficiência de uma vedação rotativa usada para excluir ar do tubo de redução e assim do processo de redução, a perda de massa durante a fase de estado estacionário da redução é normalmente entre 34 - 37%. Deve-se tomar cuidado também para impedir que pó de ferro quente reoxide. Isto é normalmente conseguido por resfriamento com água de uma câmara onde o pó de ferro é alimentado.

Um bom pó de ferro reduzido (a partir de magnetita ou hematita), usando o método da invenção, tipicamente tem o seguinte padrão XRD:

CaO 2 - 5%

Hematita (Fe2O3) 1 - 2%

Ferro 85 - 89%

Magnetita (Fe3O4) 0 - 1 %

Carbono 2 - 6%

Wustita (FeO) 1 - 4%

Descobriu-se que um Fe de alta pureza (aço doce) poderia ser obtido se o pó reduzido fosse magneticamente separado do carvão em excesso e outras impurezas não magnéticas antes da fusão. A tabela a seguir mostra a diferença na qualidade do pó reduzido que foi fundido como tal em função da corrida da fração magnética de ferro reduzido.

Pó reduzido fundido Fração magnética fundida

Fe 96 - 97% > 99%

C 2-3% <0,25%

Si 1-2% <0,25%

S 0,2 - 0,5% aprox. 15% de redução em S

P 0,05 - 0,2% aprox. 30% de redução em P

O pó de ferro reduzido foi alimentado a 1 kg/minuto em um tambor magnético rotativo a 50 rpm com uma intensidade magnética de 1200 graus, enquanto a folga de coleta entre o material magnético e não magnético foi ajustada a 10 mm. A divisão entre material magnético e não magnético é tipicamente 82-85% de material magnético e 14-18% de material não magnético.

A fração magnética do pó de ferro reduzido pode ser fundida usando vários fornos, por exemplo, a arco, de indução ou de resistência.

Normalmente, a fração magnética contém entre 78 - 82% de metal, enquanto a perda de gás é entre 3 - 6%. Entre 5 - 10% de calcário são normalmente misturados com o pó de ferro magnético antes de ele ser alimentado no forno. Isto ajuda na fluidização da escória e a remoção de P e S do ferro. Fornos a arco e de indução normalmente operam sob condições oxidantes que ajudam na remoção de P do ferro para a escória. Normalmente, as condições oxidantes (alto teor de FeO) na escória impedem a remoção de S do ferro e isto é então feito na panela. Uma escória de panela típica para remover S do ferro é usada nesta relação para o ferro fundido:

2% CaC2 (moído)

1,5% CaF2 pó

3% Al2O3 pó

8,5%) calcário (moído)

0% Al granulado

Diferente de fornos a arco ou de indução, a atmosfera em fornos resistentes a carbono é redutora. Dependendo do teor de P no ferro, com a adição de calcário, algumas vezes é necessário misturar 2 - 5% de pó de Fe2O3 no pó de ferro magnético a fim de oxidar o P para que ele seja absorvido na escória básica. Neste caso, é possível extrair tanto o S quanto P do ferro ao mesmo tempo usando a mesma escória.

acordo com o método da invenção, separação magnética de pó de ferro, adição homogênea de aditivos no pó de ferro magnético antes da fusão, e fusão controlada do pó) a produção, diretamente a partir de finos de minério de ferro, de um lote principal de aço doce, sem passar por intermediários de ferro gusa, é possível.

plano), do qual o S e P <0,06% e C < 0,25%, pode ser usado para produzir vários tipos de aço inoxidável pela adição de várias ligas a ele, tais como FeCr, FeMn, FeSi, FeV, FeMo, FeC3, etc. Ainda mais, esses diferentes tipos de ligas podem ser misturados com pó de ferro magnético (e calcário) antes da fusão para obter o produto correto depois da dessulfuração e desfosforação.

Os cálculos seguintes ilustram considerações de energia para o processo da invenção:

Energia exigida para aquecer a mistura de redução:

Usando este processo (redução de finos em pó de ferro de

Este lote principal de aço doce limpo (vergalhão ou ferro

1 t de magnetita de 20°C a 1050, ΔΤ

CpMAT = 1 χ 1 tx 1030°C

388 kg devolv. carvão de 20°C a 1050 ΔΤ

CpMAT = 1,7 χ 0,388 t χ 1030°C

62 kg de calcário de 20°C a 1050°C, ΔΤ

CpMAT = 0,8 χ 0,062 t χ 1030°C

=1030°C -51,0 MJ 1760,4 MJ

= 679 MJ

- 1030°C

= 1030 MJ

=1030°C

Energia necessária para reduzir ferro a 1050°C Fe3O4 + 4C = 3Fe3 + 4CO (g) 2734 MJ Entretanto, a magnetita usada neste exemplo foi somente 91,2% pura = 2493,4 MJ são necessários. Tipicamente, a massa retida depois da redução é 66% (1450 kg) = 957 kg de pó reduzido.

Normalmente, aproximadamente 84% do pó reduzido são recuperados com a fração magnética = 804 kg.

A energia necessária para fundir este pó a 1535°C: 804 kg + 80 kg de aditivo = 884 kg são aquecidos de 20°C a 1535°C, ΔΤ = 1515°C

CpM ΔΤ = 0,6 χ 0,884 t χ 1515°C = 803,6 MJ Pelo menos 80% da fração magnética (804 kg) = 643 kg são recuperados como ferro. A energia necessária para converter Fe (s) em Fe (1) = 247 KJ/kg Fe, assim 159 MJ são necessários para 643 kg de ferro.

A energia total necessária = 5216,4 MJ para produzir 643 kg de ferro, ou 2,25 MWh por tonelada de ferro.

Uma tonelada de magnetita de Phalaborwa Mining Company contém 660 kg de ferro. Isto significa uma recuperação de 643 kg = 97,4% de eficiência.

Conforme mencionado anteriormente, uma tonelada de magnetita de Phalaborwa Mining Company libera 441 kg de CO (g) durante a redução. Quando um kg de CO(g) se queima no ar, 10,2 MJ de energia são liberados. Isto significa que 4498,2 MJ de energia são liberados quando 441 kg de CO(g) se queimam no ar.

Durante a desvolatilização do carvão, aproximadamente 700 kg de carvão são usados para produzir 400 kg de carvão desvolatilizado. A liberação de energia para obter 400 kg de carvão desvolatilizado: (700 kg χ 28) - (400 kg χ 25) = 19600- 10000 = 9600 MJ

Durante a redução de 1 tonelada de magnetita de Phalaborwa Mining Company, 388 kg de carvão desvolatilizado são usados, significando que 388 / 400 χ 9600 = 9312 MJ de energia são liberados durante a desvolatilização.

A liberação de energia total para reduzir 1 tonelada de magnetita de Phalabornwa Mining Company = 13810 MJ. Se 30% desta energia puderem ser retornados em energia elétrica por meio de geração de vapor, 4.143 MJ por 643 kg de Fe produzidos ou 1,79 MWh/tonelada de ferro poderiam ser recuperados. Isto significa que aproximadamente 75% da energia exigida para produzir 1 tonelada de ferro poderiam ser obtidos do processo.

Exemplo 2

Hematita da Sishen, África do Sul, com a seguinte composição e distribuição de tamanho foi usada neste exemplo:

Fe 63,1% Fe2O3 90,2% SiO2 5,6% Al2O3 1,98% S 0,03% P 0,14% δ90 -800 μηι δ50 -500 μηι δ]0 -200 μηι

A fórmula seguinte representa a equação de redução para a

hematita:

Fe2O3 + 3C = 2Fe + 3CO(g)

Com base em 1 mol de Fe2O3, os cálculos seguintes podem ser

feitos:

1 mol Fe2O3 = 159,7 g, 90,2% de pureza = 177 g 3 mol C = 36 g, 73% pureza = 49,32 g + 50% excesso de carvão desvolatilizado = 73,97 g (para excluir ar no dispositivo rotativo).

Depreende-se que, para reduzir 1 tonelada de hematita no forno rotativo, são necessários 418 kg de carvão desvolatilizado. 1 tonelada de hematita contém 19,8 kg de Al2O3 e 56 kg de SiO2. 418 kg de carvão desvolatilizado contém 41,8 kg de SiO2 e 16,7 kg de Al2O3. Total SiO2 = 97,8 kg = 1,63 kmol e total Al2O3 = 36,5 kg = 0,358 kmol. Total CaO necessário = 1988 kmol = 111,33 kg, 89% pureza = 125 kg.

A mistura da redução (com base em 1 tonelada de hematita) é

assim:

1 t hematita (90,2%) (seca a 300°C)

418 kg de carvão desvolatilizado (73%)

125 kg de calcário (89%)

1543 kg

Este material foi reduzido exatamente como a magnetita no exemplo 1, e resultados similares foram obtidos.

O diâmetro de tubo mínimo para uma velocidade de gás superficial < 1 m/s pode ser calculado da seguinte maneira (considerando que o índice de porosidade se aproxima de 1):

450 kg CO = 16 kmol de gás

At STP, 1 mol gás = 22,4 L (273 k)

Portanto, 16 kmol gás = 16000 χ 22,4 L

= 358,4 m3

A 1050°C (1323 k) = 1323 χ 358,4 m3

273

= 1736,86 m3

Se a reação de redução ocorrer em uma hora, a velocidade de gás superficial por segundo será 0,482 m3/s.

r 7Γ "7

Area do cilindro = — χ cr

4 volume / s = área χ velocidade

Portanto, 0,482 m3/s = - χ & χ ν

4

Se ν = 1 m/s, ο diâmetro do tubo é:

a 4x0,482 ft„„„ õ = J---= 0,783w

V 7Γ χ 1

Se um tubo com um diâmetro de 1 m e um comprimento de 6

m for usado, o volume do tubo seria 4700 L. Uma carga do leito de 15% seria 705 L. A densidade aparente da mistura de alimentação é aproximadamente 2 g/mL, portanto 705 L de carga terão uma massa de 1410 kg. Isto significa que, se 1450 kg de material misturado (exemplo 1) forem alimentados por hora a 105 0°C (temperatura de produto) em um forno rotativo com as dimensões citadas, a velocidade de gás superficial seria menor que 1 ms"1.

Se o método da invenção, conforme ilustrado, for comparado com o método do alto-forno tradicional de fabricação de ferro, as principais diferenças são as seguintes. Primeiramente, o alto-forno é substituído por um forno rotativo. O revestimento refratário do alto-forno não é necessário e o método da invenção é conduzido em um reator tubular de aço inoxidável. O material de alimentação usado no alto-forno geralmente tem um tamanho de partícula maior que 6 mm, ao passo que a alimentação usada no método da invenção é um material residual que tem um tamanho de partícula de menos que 0,5 mm. O aquecimento em um alto-forno é interno por meio de combustível fóssil e monóxido de carbono, ao passo que o aquecimento do forno rotativo é por meio de aquecimento elétrico externo. Além do mais, onde o alto-forno opera a velocidades de gás superiores a 10 ms-1, o método da invenção opera a baixas velocidades de gás superficiais, tipicamente menores que 2 ms"1 para evitar arraste dos reagentes finalmente pulverizados. Adicionalmente, onde o alto-forno opera a um gradiente de temperatura entre cerca de 200°C e 1600°C, no método da invenção, como ilustrado, todo o processo é realizado a uma temperatura constante de 1050°C. O produto do alto-forno tradicional é ferro líquido, ao passo que o produto do método da invenção é um pó de ferro granular fino. Adicionalmente, o subproduto de um alto-forno é dióxido de carbono, e a operação de um alto-forno exige um fimdente carbonáceo, ao passo que o subproduto do método da invenção é monóxido de carbono, que pode ser usado para gerar eletricidade, e o método da invenção exige fimdentes de óxido de metal. De importância econômica particular, onde um alto-forno tem uma localização fixa, o reator da invenção pode ser transportado para uma área na qual ele é necessário. Desta maneira, custos são substancialmente reduzidos em virtude de as matérias-primas não terem que ser transportadas para o reator.

É também uma vantagem da invenção ilustrada que o produto ferro granular é produzido com pouca ou nenhuma sujeira associada. É também uma vantagem da invenção ilustrada que a alta área superficial do óxido de ferro e carvão finalmente divididos aumenta a taxa de redução e reduz o tempo de retenção no forno rotativo. Isto, por sua vez, significa uma maior produção, comparada com um alto-forno. O requerente estima que o custo por tonelada de ferro produzida pelo método da invenção será aproximadamente a metade do custo por tonelada de ferro gusa produzido em um alto-forno convencional.

O padrão de pó XRD do material reduzido no exemplo 1 indica uma alta eficiência de redução (razão entre Fe e FeO). Esta aumenta em virtude do controle sobre o processo de redução que é possível pelo método da invenção. É uma vantagem adicional da invenção ilustrada que o produzo é um pó de ferro e não uma massa fundida. Isto permite a adição de aditivos no pó de ferro antes da sua fusão. A este respeito, é muito mais difícil adicionar aditivos e misturar tais aditivos homogeneamente em uma massa fundida. Isto, por sua vez, significa que o nível de carbono depois da redução pode ser controlado mais eficientemente misturando-se um agente oxidante tal como Fe2O3 com o pó de ferro antes da fusão. É também possível adicionar outros metais ou óxidos de metais ao pó de ferro antes da fusão. É uma vantagem particular da invenção que, removendo-se magneticamente o excesso de carvão do produto ferro antes da fusão, a qualidade do ferro é substancialmente melhorada até o ponto em que atende as especificações do aço doce. Isto resulta em um aumento substancial no valor do produto. Conforme mencionado antes, é também possível produzir um lingote de aço inoxidável em vez de um lingote de ferro gusa. Desta maneira, o valor do produto pode ser substancialmente aumentado ainda mais, em que um aço inoxidável pode ser produzido diretamente a partir de um processo de redução de óxido de ferro sem intermediários de processo de fusão adicionais. Isto representa uma melhoria bastante substancial em relação aos métodos existentes para produzir aço inoxidável. É uma vantagem adicional da invenção que, diferente dos métodos tradicionais, o método da invenção não usa o monóxido de carbono formado no processo de redução para gerar energia internamente pela reação com oxigênio. O método da invenção produz gás monóxido de carbono relativamente puro como um subproduto e este pode ser usado externamente como uma fonte de combustível para gerar eletricidade por meio de um gerador de vapor. A invenção, em particular, permite que milhares de toneladas de óxido de ferro residual e carvão residual que está disponível em muitas partes do mundo sejam lucrativamente convertidos em ferro.

Claims (10)

1. Método para a produção de ferro a partir de um material contendo óxido de ferro, o método caracterizado pelo fato de que inclui alimentar uma quantidade predeterminada de um material contendo óxido de ferro com uma faixa de distribuição de tamanho de partícula com um δ90 de menos de 2 mm e uma quantidade predeterminada de um excesso de 5-30% de material contendo carbono com uma faixa de distribuição de tamanho de partícula com um a90 de menos de 6 mm em um forno rotativo ou reator cilíndrico rotativo inclinado externamente aquecido eletricamente capaz de produzir rotineiramente pelo menos 1000 kg/h de ferro, contatar o material contendo óxido de ferro e o material contendo carbono no forno rotativo ou reator cilíndrico rotativo externamente aquecido eletricamente a uma temperatura de entre 900°C e 1200°C por um tempo de contato entre 30 minutos e 360 minutos para reduzir o óxido de ferro a pó de ferro, as taxas de alimentação do material contendo óxido de ferro e do material contendo carbono e a temperatura de operação do reator sendo selecionadas de modo que a vazão superficial de gás através do reator causada pelo desprendimento de gases resultantes da redução seja inferior a 2 ms"1, e separar magneticamente o pó de ferro produzido do material contendo carbono em excesso.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material contendo óxido de ferro tem um d90 de menos de 1 mm.

3. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o material contendo óxido de ferro tem um õ90 de menos de 500 μηι.

4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o material contendo carbono tem um Ô90 de menos de 2 mm.

5. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o material contendo carbono tem um õ90 de menos de 1 mm.

6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o material contendo carbono constitui-se de finos de carvão desvolatilizados.

7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a temperatura no reator fica entre IOOO0Ce IlOO0C.

8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que inclui impedir o ingresso de ar no reator.

9. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que inclui controlar a taxa de alimentação de material contendo óxido de ferro e material contendo carbono, temperatura do reator e taxa de extração de gás do reator para atingir uma concentração de estado substancialmente estacionário de monóxido de carbono no reator.

10. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que inclui a etapa de recuperar o monóxido de carbono em excesso retirado do reator, usar o monóxido de carbono em excesso para produzir energia e usar a energia produzida para aquecer o reator.