Contribuição para o estudo de utilização de titanomagnetite de Tete: dimensionamento de reactor de pré redução

Abstract

A titanomagnetite, minério formado por óxidos de ferro (Fe) e titânio (Ti), tem como minerais úteis ilmenite, magnetite e hematite, e pode ser utilizada para produção de gusa, escórias titaníferas e, quando o teor e/ou preço de vanádio (V) o justificarem, de escórias vanadíferas. O processamento metalúrgico é feito em fornos eléctricos de redução. O consumo de energia pode ser parcialmente diminuído pré-reduzindo o minério em forno rotativo. Se o minério for fino, pode convir peletizá-lo antes da pré redução. No Complexo Gabro Anortosítico de Tete, Moçambique, há muitos afloramentos deste minério, em geral pequenos, formados por um corpo de minério maciço rodeado de auréola de minério eluvionar. O teor de Vanádio, sem ser elevado, pode interessar num sub produto, em particular se acumulado para eventuais anos de alta de preços. Os estudos para a sua utilização diferem nas conclusões, devido à complexidade resultante da dispersão de ocorrências e da variação de qualidade entre elas. Sendo um minério triplo (gusa, escória de Ti e escória de V), o projecto insere-se em mercados diferentes e, no caso do Vanádio, com grandes variações de preço. O actual trabalho pretende contribuir para o seu estudo, no que respeita à pré-redução no forno rotativo. Não havendo peletes industriais destes concentrados, foi necessário estudar a beneficiação (preparação de concentrados) e peletização (aglomeração dos mesmos), de modo a partir de materiais que correspondam aos que seriam obtidos industrialmente. Na beneficiação estudou-se ainda como estimar o valor dos concentrados pelo preço retrocalculado, em função da sua composição, e obteve-se um concentrado ilmenítico, com 31% TiO2, 46% Fet e 6%Ganga (o que permite obter gusa e escória com pelo menos 82%TiO2). O concentrado magnetítico tem 13%TiO2, 58% Fet e 5%Ganga. Na peletização definiu-se um procedimento de preparação de peletes à escala de bancada, seleccionando condições a usar com base num estudo de factores. Compararam-se peletes de ilmenite pura obtidos por este procedimento com peletes industriais, nomeadamente no que respeita à resistência mecânica. O estudo de redução utilizou peletes preparados conforme este procedimento. O aspecto central focado, após caracterização e descrição das reacções presentes, foi o dimensionamento do forno rotativo de modo sensível à variação de qualidade do concentrado, para teores até ca 55% TiO2, Não se encontrando modelos para traduzir essa influência a nível de projecto, ou mesmo simulação de operação, foi desenvolvido um procedimento, exemplificado com o concentrado ilmenítico. Experimentalmente verificou-se poderem as reacções ser descritas pelo sistema Fe-Ti-O. Embora as reacções ocorram entre soluções sólidas, podem ser descritas por fases puras, sendo o equilíbrio estimado nesta base compatível com dados experimentais. Foi modelada a cinética das reacções no interior do leito do forno (5 de redução nos peletes e a de gaseificação do redutor sólido). Nas reacções, não necessariamente sequenciais, ocorrem soluções sólidas, e duas têm tempo de indução. Os modelos cinéticos foram obtidos por regressão, para as reduções de Fe(III) (determinadas conjuntamente), wustite, e ilmenite, e a gaseificação de carvão vegetal comercial. Usaram dados de ensaios experimentais a 900, 950 e 1000 ºC, em reactor vertical, obtidos por uma balança digital em condições adaptadas, para um único pelete, do ensaio ISO 4695 de reducibilidade, e dum ensaio industrial de reactividade de coque. Com estes parâmetros, se conhecida a temperatura do leito, podem-se modelar as reacções no seu interior e estimar o tempo de residência requerido por dada metalização. Dimensionar um forno rotativo que concretize este tempo de residência, implica outros aspectos, que impõem restrições ao projecto. O movimento de sólidos no forno tem de ocorrer em simultâneo com as reacções. A transferência de calor deve garantir a temperatura do leito, avaliar os diversos fluxos térmicos, e a distribuição de temperaturas, mantendo a temperatura de parede abaixo dum valor crítico para a formação de anéis de incrustações. O arraste de poeiras pelos gases deve ser mantido a um nível satisfatório. O dimensionamento é a busca directa do projecto óptimo dentro destas restrições. O procedimento de dimensionamento proposto, na ausência dum método de projecto e de instalações para o aferir, apenas pode ser comparado com alguns casos mais bem documentados em pesquisa bibliográfica. A discussão efectuada permitiu detectar limitações nos modelos utilizados, com base no que foram propostos critérios para delimitar a validade de alguns modelos. O trabalho efectuado aponta questões que podem ser estudadas ou melhoradas, aos vários níveis estudados, assim como pontos fracos do próprio modelo, que poderão requerer trabalhos futuros.

Titanomagnetite, an ore formed by iron(Fe) and titanium(Ti) oxides, has ilmenite, magnetite and hematite as useful minerals. It can be processed to produce pig iron, titanium slag and, whenever the vanadium(V) contents and price are high enough, vanadium slag. Metallurgical processing is carried out in submerged arc furnaces. The electric energy consumption is significantly decreased by pre-reducing the ore in a rotary kiln. If the ore is fine-sized, it may be convenient to have it pelletised before pre-reduction. The gabbro-anorthosite complex of Tete, Mozambique, has many outcrops of this ore, generally small and formed by one ore body surrounded by an aureole of elluvium. The vanadium contents is not high, but may be an interesting byproduct, particularly if intended to be sold only when the market reaches high prices. Past studies of its processing have lead to different conclusions, due to the complexity resulting from the scattering of the outcrops and the grade variation between them. Being a triple ore (pig iron, Ti and V-Slags), the project is also linked to different markets and, particularly in the case of vanadium, with large price fluctuations. The present work intends to contribute to its study, in what concerns the pre-reduction in the rotary kiln. Without industrial pellets of such concentrates, the scope of the study had to include its beneficiation (concentrates preparation) and pelletising, in order to get materials corresponding to industrially obtained materials. In beneficiation it was also studied how to estimate the concentrates value dependence on composition by their back calculated price, and an ilmenitic concentrate was obtained, with 31% TiO2, 46% Fet and 6% gangue (from which pig iron and a Ti-slag, at least 82% TiO2 can be obtained). The magnetitic concentrate has 13% TiO2, 58% Fet and 5% gangue. In pelletising, a procedure for bench-scale pellets preparation was defined, to select preparing conditions after a set of factorial designed experiments. Pure ilmenite pellets prepared by this procedure were compared with industrial pellets, regarding namely their compression strength. The reduction study used pellets prepared by this procedure. The main issue considered, after characterizing and describing the reactions taking place, was the design of a rotary kiln allowing for variation of the concentrade grade up to 55% in TiO2 contents. Models to describe this influence at design or even simulation level were not found, and thus a procedure was developed for this, using ilmenitic titanomagnetite concentrate as example. Experiments confirmed that reactions taking place can be described within the system Fe-Ti-O. Although reactions take place involving solid solutions, they can be described by pure phases, equilibrium conditions estimated on this assumption being coeherent with experimental data published. The kinetics of the reactions in the kiln solids bed was modeled (6 reactions in pellets and the solid reducer gasification reaction). The reduction reactions occur with solid solutions, some are simulataneous, and two of them have an induction period. Kinetic models were obtained by regression, for the reduction of Fe(III) (determined globally), wustite and ilmenite, and commercial charcoal gasification. Data used was taken from test runs in a vertical tube reactor, at 900, 950 and 1000 ºC, using a digital balance, in conditions similar to the ISO 4695 reducibility test and to an industrial test for coke reactivity, adapted in both cases for single pellet/particle. Known these parameters, at given bed temperature, the reactions inside it can be modelled estimating the residence time required to achieve the wanted metallization. To size a rotary kiln with the same residence time other aspects must be considered, that set design constraints. The solids movement along the kiln is simultaneous to the reactions. Heat transfer ensures the bed temperature, evaluates several heat fluxes and the temperatures longitudinal distribution, while keeping the wall temoperature below a critical value at which ring formation occurs. Solids elutriation by gases must be kept at an acceptable level. The kiln design is carried by a direct search of the optimum design within these constraints The proposed design procedure, in absence of a design method and of experimental or industrial installations used for its validation, can only be compared with a few cases better described in literature Its discussion allowed to find bottlenecks and limitations in the proposed models, and criteria to set limits to the application of one of them were proposed. The work carried out points out issues to be further studied and improved, in different areas covered, as well as weak points of the model itself which may require future work.