Produção de Ferro e Aço
Pó de carvão como combustível
O ferro e o aço tornaram-se uma parte essencial das nossas vidas. De navios a carros e inúmeros utensílios domésticos, não há dúvida de que o ferro e o aço são vitais em nossas vidas cotidianas. Aproximadamente 64% do aço fabricado a nível mundial foi derivado do ferro produzido em altos-fornos que utilizam carvão como combustível primário. Em 2003, a quantidade de aço bruto produzida à escala mundial foi estimada em 965 milhões de toneladas, com cerca de 543 Mt utilizados no processo de fabrico.
As
matérias-primas utilizadas na produção
de ferro a partir de um alto-forno incluem minério de ferro, coque (feito de carvão de coque) e uma pequena quantidade de calcário. No entanto, alguns altos-fornos utilizam métodos de injeção de carvão pulverizado (PCI) de modo a poupar custos e obter um melhor desempenho. O método PCI foi desenvolvido inicialmente no século 19, mas foi apenas na década de 1970 que os fabricantes de ferro e aço adotaram amplamente essa técnica. Foi um aumento do custo do coque, devido ao aumento da procura global, para além do aumento da concorrência por este recurso, que levou os fabricantes a voltarem a sua atenção para este método.
A ideia por trás do método PCI é bastante simples. Envolve o ar primário, também referido como gás de transporte, transportando pó de carvão (carvão pulverizado) que é introduzido através de uma lança no tuyere (a entrada de fundo médio do alto-forno). Posteriormente, um tubo de sopro no tuyere fornece ar quente secundário (também chamado de explosão) e, em seguida, mistura-se com o ar primário que, como mencionado anteriormente, transporta pó de carvão de fundição. Esta mistura é canalizada para o forno, criando uma cavidade semelhante a um balão, também conhecida como pista de corrida. Esta pista propaga a combustão de coque e carvão, liquefazendo o minério de ferro sólido e liberando ferro fundido no processo.
Processo de moldagem de areia verde
Greensand descreve a moldagem de areia que não é cozida nem seca, mas possui uma umidade inerente. A areia crua em sua forma de minério é processada de tal forma que o tamanho do grão é distribuído uniformemente. As argilas orgânicas atuam como aglutinantes para esses grãos durante o processamento em areia de moldagem.
A adição de pó de carvão de fundição ajuda a garantir que a qualidade da fundição seja excelente à medida que a areia se expande quando o metal fundido quente é esvaziado no molde. O uso de outros aditivos, incluindo breu, celulose e sílica também são permitidos. A areia, juntamente com aditivos e água são misturados em um mullor, também conhecido como misturador. A areia é considerada pronta para fazer um molde quando se misturou com outras substâncias no mullor.
O derramamento de ferro fundido em um molde de areia verde contendo pó de carvão causará a liberação de gases redutores e compostos orgânicos voláteis após a aplicação de calor e, consequentemente, evitará a formação de óxido de ferro durante a fase intermediária da produção de burn-on. O burn-on é o óxido de ferro depositado e é evitado pela pirólise do pó de carvão.
Na fase final do processo de moldagem, o coque do pó de carvão começa na superfície do molde, levando ao seu amolecimento e expansão. A expansão crítica da areia de quartzo na areia de sílica base ocorre ao lado do amolecimento e coque do pó de carvão. Consequentemente, os grãos de areia são reajustados e a ocorrência de defeitos do tipo expansão é regulada.
O pó de carvão usado em fundições para fundição de ferro requer baixo pó de carvão cinza que deve possuir um teor mínimo de enxofre e cloreto, umidade inerente de cerca de 2-4% e teor volátil de 30% ou mais. Resumidamente, o pó de carvão de fundição diminui os defeitos associados à expansão e ao furo de hidrogênio. Uma melhoria na estabilidade dimensional dos moldes deve-se também à inclusão desta substância na areia verde.
A utilização em areias verdes fundidas de cinzas volantes - que são química e fisicamente semelhantes ao pó de carvão - demonstrou ser eficaz, especialmente para a fundição de metais não ferrosos(4). Além de oferecer um desempenho semelhante ao da areia verde, os autores observam que há benefícios econômicos em usar menos areia e mais cinzas, pois é mais barato; As propriedades físicas e mecânicas também são semelhantes. Além disso, o desempenho ambiental é aumentado. Tais lições podem ser aplicadas ao pó de carvão.
No geral, pode-se dizer que o uso de pó de carvão diminui os defeitos queimados, melhora o acabamento superficial e evita a penetração do metal.
Como um substituto ou suplemento na fundição de molde de sílica
Enquanto a areia verde é uma escolha popular, e a inclusão de pó de carvão e compostos semelhantes é um passo importante na redução de custos e modulação de defeitos e queima, a areia verde está longe de ser o método de fundição mais comum. A fundição de sílica é fundamentalmente a mesma, mas utiliza apenas areia de sílica de alta pureza como material de construção do molde.
Uma consideração importante ao substituir a areia de sílica por qualquer outro material, por exemplo, pó de carvão, é a umidade. A umidade residual presente no molde levará a defeitos de gás e erros no processo de fundição(5). Com esta e qualquer outra modificação no protocolo de fundição usual, a modelagem pode levar a melhores resultados(6).
Prevenção de umectação em peças fundidas
A prevenção de defeitos superficiais é um grande desafio no espaço de moldagem, onde materiais propensos a umectação são frequentemente usados. A umectação causa diretamente defeitos superficiais, e o uso de quantidades suficientes de pó de carvão na areia pode aliviar esses fenômenos.
Em condições de alta temperatura, o pó de carvão/antracite em pó irá pirólise e depositará uma fina película de carbono sólido na interface metal-areia líquida. Esta camada depositada impedirá a penetração de metal na areia e vice-versa. Trata-se, no entanto, de duas camadas. Um em cada areia e metal que garante um comportamento não umectante e a prevenção da formação de rebarbas que mais tarde teriam de ser maquinadas fora do produto fundido. O pó de carvão predominantemente antracite, com boa capacidade de coque, não tem mais de 30% de voláteis em peso, com menos de 0,8% em peso de enxofre e baixo teor de cinzas são preferidos(7).
Naturalmente, é de esperar um aumento de pressão devido à evolução dos gases provenientes da pirólise do pó de carvão, provocando um aumento moderado da pressão, para além da evaporação da água da areia. Tais aumentos de pressão estão bem dentro da tolerância de qualquer molde de fundição de areia. A única questão potencialmente ligeira é que o hidrogénio pode penetrar no metal, a temperaturas suficientemente elevadas, se estiver presente em quantidade suficiente, devido ao seu pequeno raio atómico(8).
Curiosamente, a umectação é uma consideração importante em um estudo que analisou o armazenamento de poeira de carvão. Como o pó de carvão é altamente inflamável, o seu armazenamento tem de ser levado a sério. Foi desenvolvido um spray à base de dodecil sulfato de sódio que previne a degradação e o fogo nas poeiras de carvão armazenadas(9).
Aplicações refratárias
Como mencionado anteriormente, a antracite tem um grau de refratariedade, particularmente quando foi calcinada.
Tijolos refratários
Os tijolos refratários
são capazes de suportar altas temperaturas e são caracterizados por uma baixa condutividade térmica que permite uma maior eficiência. Aplicações que exigem alto estresse térmico, químico ou mecânico exigem o uso de tijolos refratários densos. No entanto, o tijolo de forno – um tijolo refratário mais poroso – é mais adequado para situações menos severas. Os tijolos de forno são mais fracos do que os densos, mas são vantajosos no sentido em que são leves e isolantes melhores. O pó de carvão como aditivo na produção de tijolos refratários é utilizado há quase cem anos(10).
Uma das principais substâncias envolvidas na produção de tijolos refratários, também conhecidos como tijolos de fogo, é o pó de carvão. Fornos de lareira aberta, fornos de arco elétrico, fornos de metalurgia, fornos rotativos de cimento e fornos de vidro são construídos com tijolos de fogo feitos de pó de carvão refratário. Como aditivo, é necessário que o pó de carvão seja misturado com argila e água. Subsequentemente, a mistura é submetida a um processo de cozedura que envolve a secagem ao ar durante 120minutosa uma temperatura de 30 o C e passa por uma temperatura de 110oC. Na última fase de combustão, a amostra da mistura é introduzida num forno e aquecida a uma temperatura de 1050oC em 6 horas.
Para tijolos refratários contendo pó de carvão, verificou-se que, com uma moagem mais fina (ou seja, partículas menores), a resistência à compressão e os níveis de porosidade são aumentados, enquanto a condutividade térmica diminui. Naturalmente, o equilíbrio da condutividade térmica e a resistência à compressão são a chave para um tijolo de fogo bem-sucedido. Os investigadores concluíram que a condutividade térmica diminuiu enquanto a resistência à compressão e os níveis de porosidade aumentaram com um aumento global da percentagem de pó de carvão utilizado(11).
Especificamente, o pó de carvão fornece o isolamento térmico exigido pelos tijolos refratários para funcionar quando necessário. O pó de carvão refratário tem o seguinte efeito sobre o tijolo de fogo:
- Reduz a condutividade térmica
- Aumentar a resistência ao esmagamento e a porosidade do tijolo refratário
- Melhorar a capacidade do tijolo de fogo para resistir a fatores térmicos e corrosivos
- Promove a capacidade de resistir ao choque térmico.
A composição percentual em tijolos refratários ao pó de carvão padrão atribuída ao pó de carvão varia de 38 a 68%, com tamanhos de moagem variando de 20 a 500 μm. Tem sido afirmado que, com o aumento do teor de carvão, a resistência mecânica aumenta e a condutividade térmica diminui(12).
Como acontece com todos os refratários, o conceito de porosidade é crucial. Altos níveis de porosidade corroboram com maiores níveis de isolamento térmico devido à maior capacidade do ar, pois o ar é um condutor de temperatura ruim(13), mas deve-se notar que o excesso de porosidade pode ser uma coisa ruim. O excesso de porosidade está frequentemente associado a uma diminuição da resistência mecânica.
A permeabilidade é um dos principais fatores decisivos na longevidade de materiais refratários(14), sendo altamente influenciada pela porosidade. Os poros são criados depois que um material combustível dentro da mistura refratária geral queima durante a queima. A forma dos poros está relacionada com o material(15) e o processo global é conhecido como "burnout". Quando o pó de carvão queima, normalmente deixa um buraco esférico(16). Regra geral, quanto maior for o tamanho das partículas do aditivo, maior será o tamanho dos poros.
O pó de carvão também é usado como aditivo na fabricação de tijolos altamente estáveis termicamente a partir de lama de argila vermelha com alto teor de ferro em países em desenvolvimento(17). Estes tijolos são valorizados pela sua baixa retenção de água e longevidade.
Forros refratários
Como mencionado anteriormente em relação aos revestimentos de altos-fornos, o pó de carvão como antracite pode ser usado em revestimentos refratários, muitas vezes como parte de uma estrutura monolítica. A fundição de alumínio faz uso extensivo de revestimentos carbonáceos, utilizando antracite ao lado de coque e outros materiais à base de carbono. Os revestimentos monolíticos derivados da antracite são altamente valorizados devido ao seu baixo teor de cinzas e estabilidade a longo prazo. Os cátodos utilizados na fase de eletrólise da fundição de alumínio podem conter até 45% de antracite calcinada; Embora mantendo a estabilidade a altas temperaturas e sem perda de condutividade elétrica, isso se soma a cenários mais pot-lining ou tundish, onde a adição de pó de carvão ajuda a garantir que o metal fundido seja mantido a temperatura constante(18).
Outros usos refratários
Para unir outros refratários em revestimentos de fundição, pode-se utilizar uma pasta refratária altamente eficaz composta por antracite calcinada e breu resinoso(19). Quando essas resinas são ricas em antracite, seu desempenho é considerado superior em termos de resistência à compressão nas faixas de temperatura mais elevadas, quando comparadas às resinas do tipo asfalto(20). O pó de carvão tem sido usado em cimentos refratários e concreto já em 1910. Embora a adição de pó de carvão não contribua para a atividade pozolânica (cura) do concreto, a inclusão aumenta o desempenho térmico geral, tornando-o uma boa escolha para ambientes de alta temperatura.
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