BRPI0804694B1 - processo de produção de pelotas de manganês a partir de minério de manganês sem calcinação e pelota de manganês obtida por tal processo - Google Patents
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Abstract
descreve-se um processo de produção de pelotas de manganês a partir de minério de manganês não calcinado compreendendo as etapas de: (a) preparação granulométrica do minério através da classificação e do minério em função do tamanho de suas partículas, sendo mantidas no as partículas de tamanho menor ou igual a 1 mm, do processamento de fração de partículas de minério de modo a apresentar tamanho menor ou igual a 1 mm e da cominuição destas partículas; (b) adição de fundente; (c) adição de aglomerante; (d) pelotização resultando em pelotas cruas; e (e) processamento térmico através da secagem, pré-aquecimento e aquecimento das pelotas cruas.
Description
(54) Título: PROCESSO DE PRODUÇÃO DE PELOTAS DE MANGANÊS A PARTIR DE MINÉRIO DE MANGANÊS SEM CALCINAÇÃO E PELOTA DE MANGANÊS OBTIDA POR TAL PROCESSO (73) Titular: VALE S.A.. Endereço: AVENIDA GRAÇA ARANHA, 26, CENTRO, RIO DE JANEIRO, RJ, BRASIL(BR), 20003-000 (72) Inventor: WASHINGTON LUIZ MAFRA; JOÃO BATISTA CONTI DE SOUZA.
Prazo de Validade: 10 (dez) anos contados a partir de 21/11/2018, observadas as condições legais
Expedida em: 21/11/2018
Assinado digitalmente por:
Alexandre Gomes Ciancio
Diretor Substituto de Patentes, Programas de Computador e Topografias de Circuitos Integrados
1/20 “PROCESSO DE PRODUÇÃO DE PELOTAS DE MANGANÊS A PARTIR DE MINÉRIO DE MANGANÊS SEM CALCINAÇÃO E PELOTA DE MANGANÊS OBTIDA POR TAL PROCESSO.
Campo de aplicação [001] Trata de um processo para produção de pelotas de manganês a partir de minério de manganês não calcinado, onde o produto obtido pela invenção, pelotas de minérios de manganês, tem aplicação na fabricação de ferro - ligas (Fe - Mn, Fe - Si - Mn) em fornos elétricos, de gusa com alto teor de manganês em Altos Fornos e/ou como elemento de liga na fabricação de aços especiais.
Estado da Técnica [002] O minério de manganês é de grande importância para a siderurgia, pois aproximadamente 90% da produção mundial deste mineral se destinam aos processos siderúrgicos sob a forma de ferro - ligas.
[003] O Brasil possui reservas de minérios de manganês nos estados do Pará, Mato Grosso e Minas Gerais e estes minérios se diferem por sua formação geológica.
[004] Durante o processo de extração nas minas e nas estações de beneficiamento do minério de manganês, é gerada uma grande quantidade de finos. Esse material, devido a sua granulometria, não tem utilização direta nos fornos elétricos de fabricação de ferro - ligas, nem nos demais fornos, por prejudicarem a permeabilidade do leito, reduzindo a produtividade das plantas e aumentando os consumos energéticos, além de problemas ambientais.
[005] Os produtores de minérios de manganês, principalmente aqueles com elevada geração de finos, vem continuamente buscando alternativas para aumentar a utilização destes minérios. Entre estas alternativas tecnológicas consideradas estão a aglomeração dos finos via sinterização, pelotização e briquetagem.
[006] A linha de sinterização do minério do manganês está bem estabelecida. O minério tem comportamento adequado na sinterização e produz um sínter apropriado para uso em fornos elétricos de redução, principalmente para uso local, em função do sínter não possuir resistência mecânica suficiente para suportar excessivo manuseio e o transporte a longas distâncias.
[007] Na linha de aglomeração a frio por briquetagem e pelotização, alguns estudos foram desenvolvidos no passado, mas sem sucesso em face aos sérios problemas de qualidade física e metalúrgica dos aglomerados produzidos.
Petição 870180064870, de 27/07/2018, pág. 9/12
2/20 [008] A fabricação de pelotas de minérios de manganês a quente foi estudada no passado por empresas e centros de pesquisa. Nos estudos, verificou-se que as pelotas após a queima apresentaram-se muito frágeis devido à intensa geração de trincas, provavelmente devido à elevada perda ao fogo do minério e a transformações da fase óxido do manganês. Estes fatos motivaram a inclusão de etapas preliminares de processamento térmico do minério na cadeia produtiva objetivando viabilizar a produção de pelotas de Mn de boa qualidade física.
[009] O processo mais comum de produção de pelotas de manganês utiliza minérios de manganês após prévia calcinação, em atmosfera redutora em forno de leito fluidizado. Este processo envolve tratamento térmico do minério de manganês antes de sua pelotização e queima das pelotas cruas. Este tratamento térmico também chamado de calcinação redutora tem como objetivo principal gerar magnetita e facilitar a eliminação do ferro por separação magnética, com consequente enriquecimento do minério. O efeito colateral deste tratamento térmico é a decomposição de óxidos superiores de manganés que dificultam a queima de pelotas de manganês nos processos tradicionais de produção (Grate Kiln e Traveling Grate). Assim, a rota convencional de produção de pelotas de manganês inclui, além da etapa de calcinação prévia em atmosfera redutora em forno fluidizado, as etapas de moagem, filtragem, separação magnética, pelotização e queima em fornos do tipo Traveling Grate.
[010] O grande desafio da técnica é a dificuldade de obtenção de pelotas de manganês de qualidade física adequada, quando produzidas a partir de minério não calcinado previamente, pois durante o processo de queima das pelotas cruas de manganês obtidas a partir de minério não calcinado ocorre geração de inúmeros defeitos na estrutura da pelota, como trincas que reduzem acentuadamente a sua resistência à compressão e que no extremo, podem levar a deterioração completa da estrutura da pelota (“spalling). Este fenômeno ocorre em consequência à geração excessiva de vapor nas etapas de secagem e pré-aquecimento, devido à evaporação de água e decomposição de óxidos superiores de manganês. Nos casos onde as pelotas não apresentam porosidade adequada, a fase vapor gerada cria tensões internas na estrutura da pelota suficientes para fragilizá-la ou até destruí-las. Uma pelota com qualidade física inadequada pode acarretar geração excessiva de finos no seu manuseio, no transporte e/ou durante a sua redução no forno. Esta geração de finos pode acarretar em perdas de produto, quando existe peneiramento antes do seu enfornamento, ou no pior desempenho do material na etapa de redução, por causa de perda de permeabilidade do leito.
3/20 [011] Apesar de sua importância para a indústria siderúrgica, a produção de pelotas de minério de manganês tem sido pouco estudada até o momento, sendo pequena a quantidade de trabalhos publicados sobre o assunto.
[012] O documento JP 001040426 trata de processo de obtenção de pelotas a partir de minério de manganês pré-reduzido.
[013] O documento UA 16847U trata de processo de obtenção de ferro-manganês a partir de minérios de manganês de baixa qualidade.
[014] O documento US4273575 trata de processo que parte de finos de ferro ou manganês apresentando partículas de tamanho abaixo de 150 mícrons, e que são convertidos em esferas de tamanho máximo correspondendo a 6,0 mm, através da adição de aglomerantes, subsequente pelotamento e tratamento térmico a temperatura de 300 °C.
[015] O documento JP 57085939 trata de matéria-prima para a produção de ferro manganês consistindo de finos de minério de manganês que sofrem adição de 7,0 % de aglomerante tipo cimento Portland, podendo sofrer adição de 7,0 % a 10,0 % de água. As pelotas são então curadas por um intervalo de tempo que pode variar de 3 dias até uma semana.
[016] A ICOMI, Indústria e Comércio de Minérios do Amapá, construiu e operou uma planta de pelotização que tinha como objetivo a utilização de minério manganês de mina própria. A planta foi desenvolvida pela Bethlehem Steel Corporation (BSC) dos EUA.
[017] A capacidade de produção da planta era de 20.000 toneladas por mês.
[018] As propriedades físicas das pelotas de manganês podiam ser comparadas com as obtidas/conhecidas nas pelotas de minérios de ferro.
[019] O gerenciamento e a operação da planta ficavam a cargo da ICOMI e a assistência técnica feita pela BSC.
[020] O minério da Mina da Serra do Navio (SNV) era um mineral de óxido de manganês (65% em peso) com a seguinte formação:
| Cryptomelano | ΚΜη8θΐ6·Η2θ | Componente predominante |
| Hausmanita | Mn3O4 | Em menor proporção |
| Alumina | Silicato de alumínio | 20% |
| Mineral de óxido de ferro | FeO(OH) Goethita | 15% |
4/20 [021] A FIGURA 1 mostra o fluxo do processo de tratamento de minério para a alimentação da fase de calcinação redutora (Roaster) utilizado pela ICOMI Os produtos da planta de beneficiamento da ICOMI apresentavam as seguintes características:
| Grosso | 75-13 mm | lavado e peneirado | 48,5% Mn |
| Bitolado | 13-8 mm | lavado e peneirado | 48% Mn |
| Miúdo | 8 mm - 20 Mesh | classificador tipo Rake | 43% Mn |
| Fino | 20-100 Mesh | underflow do hidrociclone | 31% Mn |
| Slimes | <100 Mesh | overflow do hidrociclone | 16% Mn |
[022] Para a produção de pelotas na ICOMI, na classificação granulométrica desejada, o sistema formava uma mistura composta por 75t de Miúdo e 50t Fino, ou 60 e 40% respectivamente. Esta mistura, na faixa granulométrica de 8 mm a 150 Mesh era, então, alimentada no forno de leito fluidizado (Roaster), equipamento utilizado para realizar uma calcinação em atmosfera redutora. O objetivo principal desta etapa do processo era transformar o conteúdo de minério de ferro da fase Hematita para Magnetita, o que possibilitava a remoção da Magnetita pelo processo de separação magnética, aumentando assim a relação manganês / ferro, isto é, enriquecendo o minério de manganês. Além disto, tinha o efeito colateral de calcinar o minério, o que garantia que a decomposição de óxidos superiores de Μ n não ocorresse durante o processo de queima da pelota.
[023] Para a pelotização do minério Mn, concentrado e calcinado, a ICOMI utilizava a bentonita como aglomerante, com adições da ordem de 20 quilos por tonelada de minério (2,0%). A resistência à compressão das pelotas produzidas era da ordem de 250 kgf por pelota. [024] A FIGURA 2 ilustra o processamento do minério da etapa de calcinação redutora até o pelotamento.
[025] O disco de pelotamento foi confeccionado com patamares formando degraus que tinham como finalidade aumentar o tempo de residência do material no disco proporcionando melhor formação e acabamento das pelotas cruas produzidas.
[026] A FIGURA 3 mostra o fluxo esquemático da etapa de secagem, pelotamento e peneiramento das pelotas cruas.
[027] Na etapa de queima a ICOMI utilizava um forno do tipo “Traveling Grate, conforme desenho esquemático mostrado na FIGURA 4, que representa desenho esquemático do forno de queima de pelotização. Na TABELA 1 abaixo está representada a legenda da FIGURA 4:
5/20
| Descrição | Legenda |
| Pelotas cruas | (1) |
| Secagem ascendente | (2) |
| Secagem descendente | (3) |
| Pré-queima | (4) |
| Queima | (5) |
| Pós-Queima | (6) |
| Resfriamento | (7) |
| PE | (8) |
| Pelotas queimadas | (9) |
TABELA 1- Legenda da Figura 4 [028] A TABELA 2, a seguir, indica a especificação dos produtos ICOMI:
| Produto | Tamanho | Composição Química (% peso) | %< 6mm | ||||||
| (mm) | Mn | Fe | SiO2 | AI2O3 | Mn/Fe | K2O+Na2O | P | ||
| Grosso | 75-13 | 48,5 | 5,8 | 2,5 | 5,2 | 8/1 | 2,0 | 0,09 | 15 |
| Bitolado | 13-8 | 48,0 | 6,0 | 2,0 | 5,0 | 8/1 | - | - | - |
| Miudo | 8-20# | 43,0 | 8,0 | 5,0 | 7,0 | 5/1 | 1,5 | 0,10 | 100 |
| Fino | 20#- 100# | 31,0 | 10,0 | 14,0 | 12,0 | 3/1 | - | - | - |
| Slimes | <100# | 16,0 | 14,0 | 25,0 | 30,0 | 1/1 | - | - | - |
| Pelota | 20-6 | 55,1 | 6,1 | 5,2 | 7,2 | 9/1 | 1,1 | 0,09 | 10 |
TABELA 2 - Especificações dos Produtos da ICOMI [029] Em resumo, o processo de pelotização da ICOM| exigia as etapas de calcinação redutora seguida de separação magnética como alternativa para aumentar a relação Mn/Fe no minério e possibilitar a redução do efeito da degradação devido o tratamento térmico nas pelotas. Após essa etapa o minério era submetido aos processos de moagem a úmido, classificação por hidrociclones, espessamento, homogeneização, filtragem e secagem do minério antes da etapa de pelotamento.
Objetivos da invenção [030] A presente invenção tem por objetivo a produção de pelotas com finos de minérios de manganês, com da eliminação da etapa de calcinação prévia dos minérios e a substituição das etapas de moagem, espessamento, homogeneização, filtragem e secagem pelo processo de cominuição em prensa de rolos dos minérios ao natural.
[031] O produto obtido apresenta uma composição guímica pré-definida e gualidades físicas, como elevada resistência à compressão e ao desgaste (abrasão), para suportar os
6/20 efeitos de manuseios (carga e descarga), transporte à longa distância e processamento em fornos siderúrgicos.
[032] A invenção permite amenizar o efeito catastrófico de degradação das pelotas através de:
• controle adequado da distribuição granulométrica do minério;
• conhecimento dos mecanismos de transformações de fases com o aumento da temperatura a que está sujeito o minério (ver Tabela 3);
• elaboração de um ciclo térmico adequado para controle da etapa de queima.
| TEMPERATURAS | REAÇÕES |
| 560-630 °C | 4 MnO2 ( c ) à 2 Μη2θ3 ( c ) + 02 Reação da Pirolusita Criptomelana estável |
| 840 - 900 ° C | 2 ΚΜΠ8Ο16 ( c) à 6 ΜΠ2Ο3 ( c ) + 3 02 + Κ2Μη4θ8 ( c ) Criptomelana Partridgeita Permanganato de Potássio |
| 900-1020 °C | 3 Μη2θ3 (C) à 2 MnO. Μη2θ3 (c) + % 02 Partridgeita Hausmanita 2 Κ2ΜΠ4Ο8 ( c ) à 4 Μη2θ3 ( c ) + O2 + 2K2O (|jq ) Permanganato de Potássio 2 K2O (liq ) + AI2O3 ( c ) + 2 SiO2 ( c ) à 2 KAIS1O4 ( c ) + 2 O2 |
TABELA 3 - Reações do minério de manganês em função da temperatura [033] Vantagens da invenção [034] Foi desenvolvido novo processo de obtenção de pelotas de manganês a partir de minério não calcinado previamente que apresenta algumas vantagens como:
- permitir a obtenção de produto com composições químicas pré - estabelecidas/ conhecidas; maior precisão no balanço de massa;
- permitir a redução/eliminação dos elementos pesados pela recuperação dos mesmos através de sistema de tratamento dos gases;
- permitir a obtenção de pelotas de manganês com resistência mecânica adequada para suportar o transporte a longas distâncias, o manuseio e a degradação durante a sua utilização em reatores metalúrgicos, com menor geração de finos em todas essas etapas;
- custo operacional significativamente mais reduzido que o custo do processo conven cional;
7/20
- permitir a melhoria da performance dos reatores metalúrgicos. Aumento da produtividade dos fornos de produção de ferro-liga em função de tamanho de partícula mais homogêneo e melhor permeabilidade da carga;
- permitir a obtenção de produto com os componentes e composição química, qualidades físicas e metalúrgicas mais homogêneas - produção de carga elaborada para fabricação de ferros-ligas, gusa ou como elemento de adição na fabricação de aços especiais;
- permitir o reaproveitamento dos finos gerados na extração no manuseio/ beneficiamento e no transporte - maximização das reservas;
- permitir a redução dos passivos ambientais;
- permitir a recuperação dos materiais de barragens - reutilização dos tailings.
Transformar os minérios finos, hoje considerados rejeitos, em reservas;
- permitir o tratamento de resíduos na própria fonte geradora, reduzindo assim o passivo ambiental, e também a redução no custo de fabricação decorrente do menor custo da matéria prima, resultante do menor valor destes e das taxas de substituição obtidas;
- permitir a antecipação de solução para o caso de restrições ambientais mais rigorosas na Europa;
- permitir a obtenção de produto com baixo teor de umidade, indicando ganho no frete por transportar um produto de maior conteúdo metálico;
- permitir a introdução de um novo produto no mercado de maior valor agregado;
Descrição resumida da invenção [035] Foram desenvolvidos aglomerados de manganês apresentando propriedades de resistência mecânica melhorada, assim como seus respectivos processos de obtenção através da aglomeração de minério de manganês cominuido, sem calcinação prévia empregando pelotização a quente, compreendendo as etapas indicadas abaixo:
(a) preparação granulométrica do minério através da classificação e do minério em função do tamanho de suas partículas, sendo mantidas no as partículas de tamanho menor ou igual a 1 mm, do processamento de fração de partículas de minério de modo a apresentar tamanho menor ou igual a 1 mm e da cominuição destas partículas;
8/20 (b) adição de fundente, o dito fundente sendo selecionado a partir do grupo consistindo de calcário calcítico, ou domilítico, ou limonítico, ou suas misturas ou outras fontes de MgO;
(c) adição de aglomerante, o dito aglomerante sendo selecionado a partir do grupo consistindo de bentonita, cal hidratada, carboximetilcelulose (CMC), ou suas misturas, em que pode ser empregado de 0,5 a 2% em massa de bentonita em relação à massa total, de 2 a 3% em massa de cal hidratada em relação à massa total e de 0,05 a 0,10% em massa de carboximetilcelulose (CMC) em relação à massa total;
(d) pelotização resultando em pelotas cruas, as ditas pelotas com resistência de no mínimo 1 e 2 kg/pelota, respectivamente, e resiliência de pelo menos 5 quedas;
(e) processamento térmico através de secagem, pré-aquecimento e aquecimento das pelotas cruas, em que o processamento térmico ocorre em forno tipo “traveling gate”, ou “gate kiln” ou “steel belt”, em temperatura máxima na faixa de 1280 a 1340 °C e com tempo total na faixa de 34 a 42 minutos.
[036] Em outro aspecto, a presente invenção se refere à pelota de manganês obtida pelo processo conforme definido na presente invenção.
Descrição resumida dos desenhos [037] A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base em um exemplo de execução representado nos desenhos. As figuras e fotos mostram:
[038] FIGURA 1 - ilustra o fluxagrama do processo de tratamento de minério para a alimentação da fase de calcinação redutora (Roaster) usado no estado da técnica;
[039] FIGURA 2 - ilustra o processamento do minério da etapa de calcinação redutora até o pelotamento conhecido do estado da técnica;
[040] FIGURA 3 - ilustra o fluxograma esquemático da etapa de secagem, pelotamento e peneiramento das pelotas cruas do estado da técnica;
[041] FIGURA 4 - ilustra um forno do tipo Straight - Grate Induration M achine conhecido do estado da técnica, [042] FIGURA 5 - ilustra um fluxograma contendo a composição da mistura para pelotização e a rota de preparação do minério do processo objeto desta invenção;
[043] FIGURA 6 - ilustra um desenho esquemático do forno de queima Pot-Grate utilizando na simulação do processo do tipo traveling grate.
[044] FIGURA 7 - ilustra um forno de indução utilizado na simulação do processo “steel
9/20 [045] belt.
[046] FIGURA 8 - ilustra um gráfico contendo as temperaturas registradas durante os testes de sinterização no forno de indução ilustrado na FIGURA 7;
[047] FOTOS 1AE1B - ilustram os equipamentos de cominuição utilizados no processo objeto desta invenção;
[048] FOTO 2 - ilustra um disco de pelotamento usado na simulação do processo traveling grate;
[049] FOTO 3 — ilustra pelotas cruas usadas na simulação do processo “traveling grate;
[050] FOTO 4 - ilustra o forno de queima pot-Grate usado na simulação do processo traveling grate;
[051] FOTO 5 - ilustra um disco de laboratório com um diâmetro de 400 mm usado no teste de pelotização usado na simulação do processo steel belt;
[052] FOTOS 6A e 6B - ilustram pelotas úmidas e secas usadas na simulação do processo steel belt;
[053] FOTO 7 - ilustra as pelotas sinterizadas a 1300°C obtidas na simulação do processo “steel belt;
[054] FOTO 8 - ilustra um disco de pelotamento usado na fabricação das pelotas cruas na simulação do processo grate kiln.
[055] FOTO 9 - ilustra o forno de queima usado para simular o processo “grate kiln”.
Descrição detalhada da invenção [056] A pelotização é um processo de aglomeração que, através de um tratamento mecânico e térmico, converte a fração ultrafina do minério em esferas de tamanhos na faixa de 8 a 18 mm, possuindo características apropriadas para alimentação dos fornos de redução.
[057] A invenção proposta permite produzir pelotas a partir de minérios de manganês, sem a calcinação prévia, com uma granulação na faixa de 40 a 60% passante na malha de 0,044 mm (material mais grosso).
[058] Para a produção das pelotas de minérios de manganês pelo processo da presente invenção são obedecidas as seguintes etapas:
1) Secagem do minério de manganês;
2) Preparação granulométrica do minério através do processo de cominuição;
10/20
3) Adição de fundentes (o dito fundente sendo selecionado a partir de calcário calcítico, ou dolomítico ou outras fontes de MgO, como serpentinito, olivina e etc) ao minério de manganês;
4) Adição de aglomerante à mistura de minério de manganês e fundentes;
5) Mistura do material resultante da etapa anterior;
6) Pelotamento da mistura final para a produção de pelotas cruas de minérios de manganês;
7) Peneiramento de pelotas cruas;
8) Queima de pelotas de minérios de manganês;
9) Peneiramento de pelotas queimadas; e
10) Estocagem e embarque das pelotas de minérios de manganês.
[059] O processo se aplica a qualquer minério de manganês mais oxidado e minérios de outros metais de mesmo tipo com distribuição granulométrica específica, superfície específica variando entre 800 a 2000 cm2/g e porcentagem menor que 0,044 mm de 40 a 60%. O minério deve ser preparado de maneira a evitar a geração de materiais ultrafinos.
[060] Para o processo de preparação do minério, a escolha do equipamento de cominuição dependerá da granulometria inicial do minério. Nesta etapa, deve-se evitar a utilização de moinhos de bolas como equipamento para redução dos tamanhos das partículas do material. Os equipamentos mais indicados para o processo de cominuição são: o britador e prensa de rolos em linha ou somente a prensa de rolos com e sem recirculação. Para minérios que estejam na fração superior a malha de 0,5 ou 1,0 mm é necessária a redução prévia do tamanho das partículas de modo a se obter 100% do material passante nesta malha, e daí seu processamento em prensa de rolos com e sem recirculação. Já os materiais que se encontram na fração abaixo de 0,5 ou 1,0 mm poderão ser processados diretamente em prensa de rolos com e sem recirculação. A prensagem deverá ser realizada em quantidade necessária até que se atinja superfície específica na faixa de 800 a 2000 cmh/g e/ou granulometria na faixa de 40 a 60% do material passante na malha de 0,044 mm. Para os minérios que se encontram com granulometria mais fina, isto é, na faixa da superfície específica e com percentual passante na malha de 0,044 mm na faixa ou superior a 40% as etapas de britagem e prensagem deverão ser dispensadas.
[061] As etapas de britagem e/ou prensa de rolos deve ser realizada em circuito fechado com peneira para garantir a granulometria desejada no produto destas operações.
11/20 [062] O uso de prensa de rolos com e sem recirculação exige secagem prévia do minério, cuja umidade inicial está em torno 12 a 15% para uma umidade final de 9 a 10%. A secagem deve ser feita preferencialmente em secador rotativo que utilize combustível sólido ou líquido para geração de energia. Preferivelmente, antes da etapa de preparação granulométrica do minério ocorre a etapa de secagem do minério de modo que a umidade seja de no máximo 9%.
[063] Seguindo o fluxo do processo de pelotização, após a etapa de preparação granulométrica do minério de manganês, o material cominuido será misturado com fundente, que poderá ser calcário calcítico, ou dolomítico ou outras fontes de MgO, como serpentinito, olivina e etc. na etapa de preparação granulométrica do minério, uma fração de minério de manganês com tamanho de partícula maior ou igual a 1,0 mm é tratada em prensa de rolos.
[064] A dosagem do fundente poderá variar de 0,1 a 2,0% em função da composição química desejada para a pelota. A mistura será encaminhada para receber a dosagem de aglomerante. Este poderá ser bentonita (de 0,5 a 2,0%), cal hidratada (2,0 a 3,0%), ou aglomerante sintético do tipo CMC, Carboxi-metilcelulose (de 0,05 a 0,10%). As quantidades deverão ser adequadas para a formação de pelotas cruas com resistência suficiente para suportar o transporte até o forno e aos choques térmicos a que são submetidas na etapa de secagem, pré-queima e queima. A resistência das pelotas úmidas e secas deve ser no mínimo de 1,0 e 2,0 kg/pelota, respectivamente, e um valor mínimo de resiliência, ou seja, número de quedas de 5 (cinco).
[065] Na etapa de pelotamento, em disco ou tambor, é feita a dosagem de água. A adição deverá ser realizada em função da umidade inicial da mistura a ser pelotizada e em quantidades suficientes para a formação da pelota crua com boa qualidade física. Dependendo da granulometria e da adição de aglomerante, a umidade poderá variar de 14 a 18%.
[066] As pelotas cruas deverão ser processadas termicamente em forno do tipo “traveling grate”, “grate kiln ou steel belt, dependendo, principalmente do volume de produção que se deseja. Deve ser dada especial atenção às etapas de secagem e pré-queima da pelota que devem ser feitas visando evitar geração de trincas na pelota devido ao choque térmico. A taxa de aquecimento deve variar de 50 a 150°C/minuto. A temperatura máxima e tempo total de queima devem ser suficientes para garantir a qualidade do produto final em termos de resistência física, principalmente, a resistência à compressão. A temperatura de topo máxima pode variar de 1280 a 1340°C e o tempo total de 34 a 42 minutos. A resistência à compressão da pelota deve ser de no mínimo 250 daN/pelota. A pelota de manganês deve apresentar um diâmetro médio entre 8 e 18 mm.
12/20 [067] Seguem exemplos de pelotamento e queima da invenção com o objetivo de melhor elucidá-la, não devendo os mesmos ser tomados para efeitos limitativos da invenção. Em todos os exemplos a composição da mistura para pelotização e a rota de preparação do minério são apresentados na FIGURA 5.
[068] O calcário calcítico foi adicionado como fundente e fonte de CaO para formação e ajuste de composição de escória no forno elétrico (FEA). Be foi preparado de maneira a ter 70% do material passante na malha de 325 mesh.
[069] A bentonita foi adicionada como aglomerante e fundente para o processo de pelotização. O elemento manganês e a SO2 formam um composto cujo ponto de fusão é da ordem de 1.274 °C.
[070] As FOTOS 1A e 1B apresentam os equipamentos de cominuição utilizados segundo a invenção: moinho (A) e prensa de rolos bancada/piloto (B), utilizados para cominuição de minérios e fundentes.
[071] Exemplo 1 - Pelotamento e queima de minérios de manganês em escala piloto Processo “Traveling Grate [072] As matérias-primas usadas no estudo foram o minério de manganês denominado de MF15 da mina do Azul (Carajás/PA), calcário calcítico do Norte e bentonita da Índia. A TABELA 3 a seguir apresenta as análises químicas dos materiais utilizados:
| M ateriais | Fe | Mn | SiO2 | AI2O3 | CaO | MgO | P | PPC |
| SFMn - MF15 | 4,74 | 44,20 | 3,72 | 8,12 | 0, 18 | 0,23 | 0,080 | 15,36 |
| Calcário Calcítico | ND | 0,020 | 2,15 | 0,89 | 51,93 | 1,25 | 0,068 | 42,22 |
| Bentonita Ashapura | ND | ND | 63,50 | 16,12 | 1,30 | 2,98 | 0,020 | 6,50 |
TABELA 4 - Análises químicas das matérias primas [073] Na etapa de produção de pelotas cruas foi utilizado um alimentador de correia de velocidade regulável, um disco de pelotamento com 01 (um) metro de diâmetro, inclinação de 45°, velocidade de 19 rpm e com um sistema de dosagem de água por spray (FOTO 2).
13/20 [074] A inclinação do disco foi alterada algumas vezes (de 45° para 43°) para que as pelotas produzidas atingissem diâmetros na faixa de 10 a 20 mm em função do maior tempo de residência. Esta atividade teve como finalidade garantir que as pelotas, após a etapa de queima, se mantivessem na faixa entre 8 e 18 mm em função da contração do minério por desidratação, observada em teste de bancada, nas etapas de secagem e calcinação das pelotas cruas.
[075] Para a caracterização das pelotas cruas, representadas na FOTO 3, foram realizados os ensaios de resistência à compressão das pelotas cruas úmidas e secas e número de quedas (resiliência), ensaios utilizados para avaliar a performance das pelotas cruas ao simular as etapas de manuseio na classificação (peneiramento de pelotas cruas), transporte e transferências até o forno de queima. Os resultados são apresentados na TABELA 4 a seguir:
| Resistências à compressão (kg/p) | Número de quedas | |
| Úmida | Seca | |
| 1,15 | 8,49 | 90,73 |
TABELA 5 = Qualidade física da pelota crua.
[076] Após a produção das pelotas cruas, as mesmas passaram por um peneiramento nas malhasde 8, 10, 12.5, 16, 18, e 20 mm para avaliação da distribuição granulométrica.
[077] Os materiais passantes na malha de 10 mm e os retidos na malha de 20 mm foram descartados e o da faixa entre 10 e 20 mm, foram misturados para formação [078] da carga de pelotas cruas a ser processadas termicamente em forno piloto de queima do tipo Pot Grate.
[079] A FIGURA 6 e a FOTO 4 representam um desenho esquemático, onde os números remissivos representam, respectivamente: (3) topo; (4) meio; (5) fundo; (6) forramento e os números indicam (1) Camada de forramento (10 cm) e (2) Camada lateral (2 cm) e foto do forno de queima das pelotas. Dados relativos a este equipamento são apresentados abaixo:
14/20
Forno de queima Pot-Grate:
Diâmetro interno
Diâmetro externo
Altura
Revestimento de refratário
Altura de camada de forramento
Pressão do ar
Vazão de ar
Faixa de temperatura cm cm cm placas de material sílico-aluminoso cm variável variável
0°Ca 1.350° C [080] Na montagem do Pot Grate utilizou-se como camada de forramento pelotas queimadas de minérios protegidas com um grelha/tela de aço e para a camada lateral foram utilizadas esferas de porcelana de 6 mm.
[081] As pelotas cruas foram carregadas no forno, o qual foi fechado, e foi feita a conexão dostermopares. Durante o carregamento do forno foi elaborado o programa de queima, onde é determinado o perfil térmico a ser executado para que as pelotas cruas possam passar pelas etapas de secagem ascendente, secagem descendente, pré-queima, queima, pós-queima e resfriamento sem que ocorra a geração de trincas que provoca a degradação das pelotas.
[082] Ao término da fase de resfriamento as pelotas queimadas produzidas foram descarregadas, separadas das esferas de porcelanas, homogeneizadas, quarteadas e, encaminhadas para os ensaios físicos de resistência a compressão e abrasão, e análise química. [083] Foram realizadas, em laboratórios, análises químicas das pelotas queimadas produzidas, mostradas na TABELA 6 a seguir:
| Mn | SÍO2 | CaO | Fe | AI2O3 | R. Comp | R. Abrasão |
| 41,00 | 5,92 | 2,43 | 5,71 | 9,26 | 250 daN/pelota | 3,0 % <0,5mm Max |
TABELA 6 — Composição química da pelota queimada.
[084] Os parâmetros de qualidade física da pelota queimada avaliados foram a Resistência à Compressão (RC), atingindo o valor de 269 daN/pelota, e o índice de Abrasão (IA), com 1,4% passante na malha de 0,5 mm.
[085] Para a realização dos ensaios de avaliação da qualidade das pelotas de minérios de manganês foram utilizadas normas e metodologias ISO (International Standardization for Organization) para minérios de ferro.
15/20 [086] Exemplo 2 - Pelotamento e queima de minérios de manganês em escala de bancada Processo “Steel Belt [087] As análises químicas dos finos de minério de manganês foram realizadas principalmente pelos métodos químicos a úmido, FAAS(absorção atômica), ICP (plasma) e um analisador Leco enxofre-carbono. A perda ao fogo foi medida em uma atmosfera N2 a 1100 °C.
[088] A análise química está apresentada na TABELA 6.
| Componente | Mn | Fe | SiO2 | CaO | MgO | AI2O3 | K | Na | S | C | L.O.I ' | H2O |
| % | 43.1 | 6.1 | 4.5 | 0.27 | 0.36 | 9.0 | 0.89 | <0.04 | 0.12 | 0.17 | 16.5 | 8.2 |
1) Perda ao fogo
TABELA 7 - Composição química do minério de Mn.
[089] A calcita foi utilizada nos testes como fundente. A composição da calcita era como segue: 49.6 % CaO e 43.0 % perda ao fogo.
[090] O teste de pelotização foi realizado em um disco de laboratório com um diâmetro de 400 mm (FOTO 5). A mistura para a pelotização consistiu de finos de minério de manganês, calcita e bentonita, os quais foram inicialmente misturados manualmente e posteriormente em um misturador-V (V mixer) de laboratório por 60 minutos. A porção misturada foi alimentada manualmente no disco. Durante a alimentação da mistura no disco, água é alimentada por spray de forma controlada para a formação das pelotas. O diâmetro médio desejado de pelota era de 12 mm. Após o teste de pelotização, foram medidos os diâmetros e a resistência à compressão das pelotas úmidas e secas. A umidade das pelotas úmidas foi então calculada.
[091] Os testes de sinterização foram realizados em um forno de indução (FIGURA 7). As pelotas foram carregadas em um cadinho de alumina de 110 ml. O cadinho de alumina foi colocado no interior de um cadinho maior de grafita, e esse conjunto foi colocado no interior de um forno de indução. O cadinho de grafita foi coberto previamente com uma tampa. Ar foi injetado dentro do cadinho de teste e a temperatura do sistema continuamente medida. As pelotas foram aquecidas em escala de laboratório de acordo com o perfil desejado de temperatura. A meta para resistência à compressão era de 200 kg/pelota (adequado para um tamanho de 12 mm). As temperaturas registradas estão apresentadas na FIGURA 8.
[092] Os resultados dos testes de pelotização estão apresentados na TABELA 7.
[093] Fotografias das pelotas úmidas e secas estão apresentadas nas FOTOS6A e 6B.
16/20
| Umidade (%) | Resistência (kg/pelota) | |
| Úmida | Seca | |
| 14,8 | 1,46 | 7,78 |
TABELA 8 - Qualidade física da pelota crua.
[094] No teste de sinterização, as pelotas foram aquecidas de acordo com perfis definidos de temperatura, os quais descrevem em escala de laboratório a sinterização no transportador metálico. As condições reais de sinterização serão pesquisadas em testes por batelada em escala piloto em uma próxima etapa. A meta de resistência à compressão de 200 kg/pelota (pelota com 12 mm de diâmetro) foi alcançada a 1.300°C. A resistência à compressão chegou a 300 kg/pelota a 1350°C. Fotos das pelotas sinterizadas a 1300°C estão apresentadas na FOTO 7.
[095] Exemplo 3 - Pelotamento e queima de minérios de manganês em escala de bancada Processo “Grate Kiln” [096] As composições químicas do minério de manganês e insumos usados neste estudo são apresentadas nas TABELAS9 a 11,
| Elemento | Fetotal | FeO | F62O3 | Mntotai | MnO | MnO2 | SÍO2 |
| % | 6.49 | 1.87 | 7.21 | 42.73 | 1.52 | 65.75 | 5.79 |
| AI2O3 | CaO | MgO | K2O | Na2O | P | S | LOI |
| 7.24 | 1.12 | 0.26 | 1.19 | 0.042 | 0.093 | 0.035 | 6.82 |
TABELA 9 - Qualidade química do minério de M n.
| Element 0 | F ©total | F62O3 | SiO2 | AI2O3 | CaO | MgO | K2O | Na2O | P | S | LOI |
| % | 9.10 | 13.01 | 50.97 | 17.32 | 2.89 | 0.26 | 0.16 | 2.52 | 0.053 | 0.0 35 | 11. 91 |
TABELA 10 - Qualidade química da bentonita.
| Element 0 | Fetotal | Fe2O3 | SiO2 | AI2O3 | CaO | MgO | K2O | Na2O | P | S | LOI |
| % | 9.10 | 13.01 | 50.97 | 17.32 | 2.89 | 0.26 | 0.16 | 2.52 | 0.053 | 0.0 35 | 11. 91 |
TABELA 11 - Qualidade química do calcário calcítico [097] As pelotas cruas foram fabricadas em disco de pelotamento (FOTO 8) à partir de misturas de minério de manganês, calcário e bentonita, e o efeito de diversos parâmetros sobre a qualidade da pelota crua foram avaliados. A seguir são apresentados os parâmetros de processo considerados nessa etapa da avaliação:
17/20
- Condições de pelotamento: tempo de pelotamento e compactação;
- Dosagem de bentonita;
- Granulometria do calcário;
- Dosagem de carvão.
[098] Os resultados destas avaliações são mostrados nas TABELAS 12 a 14:
| Condições de pelotamento | Bentonita/% | Número de Quedas | Resistência Compressão Úmida /N/pelota | Temp. Choque térmico .rc | Umidade /% | |
| Tempo Pelotamento /min | Tempo de compactação /min | |||||
| 12 | 2 | 1.5 | 59.9 | 13.74 | 540 | 15.72 |
| 12 | 0 | 1.5 | 51.1 | 10.01 | 520 | 15.80 |
| 7 | 2 | 1.5 | 9.7 | 9.50 | 449 | 16.61 |
TABELA 12 - Efeitos de tempo de pelotamento e compactação e dosagem de bentonita sobre a qualidade da pelota crua.
| Basicidade/CaO/SiO2 | Número de Quedas | Resist. Compressão Úmida /N/pelota | Temp. Choque Térmico/°C |
| 0.18 (nature basicity) | 9.7 | 9.50 | 449 |
| 0.30 | 10.9 | 13.48 | 270 |
| 0.50 | 9.1 | 14.03 | 261 |
| 0.70 | 13.6 | 16.39 | 260 |
| 0.90 | 13.8 | 12.14 | 225 |
| 1.10 | 19.6 | 14.85 | 206 |
TABELA 13 - Efeitos da basicidade sobre a qualidade da pelota crua.
| Adição de carvão % | Número de Quedas | Resist. Compressão Úmida /N/pelota | Temp. Choque Térmico/°C |
| 0 | 13.8 | 12.14 | 225 |
| 0.5 | 13.0 | 10.29 | 368 |
| 1.0 | 11.2 | 8.60 | 345 |
TABELA 14 - Efeito da adição de carvão sobre a qualidade da pelota crua.
18/20 [099] A partir destes resultados pode-se concluir que:
- Os parâmetros de pelotamento mais adequados seriam adições de bentonita entre 1,4 e 1,5%, umidade entre 14 e 15% e tempo de pelotamento da ordem de 12 minutos. Nestas condições, o número de quedas foi de 50, a temperatura de choque térmico foi maior do que 400°Ce a resistência à compressão da pelota crua úmida foi maior do que 10 N/pelota;
- O aumento da basicidade implicou em aumento do número de quedas e da resistência à compressão da pelota crua úmida, no entanto houve também queda acentuada na temperatura de choque térmico. Por outro lado, o aumento da adição de carvão afetou de maneira significativa a resistência à compressão da pelota crua úmida.
[100] As pelotas cruas foram queimadas em forno vertical (FOTO 9) e nesta etapa foram avaliados os efeitos dos seguintes parâmetros sobre a resistência à compressão da pelota queimada:
- Condições de pré-queima, tempo e temperatura;
- Condições de queima, tempo e temperatura;
- Basicidade binária;
- Adição de carvão.
[101] Os resultados destas avaliações são mostrados nas TABELAS 15 a 18:
| Temperatura fC) | Tempo (mm) | Resrsténc a â cem pressão (NJ | |
| 1 | 2 | ||
| 1<JW | 8 | 452 | 542 |
| 101O | 10 | 577 | 504 |
| 10110 | 12 | 544 | 551 |
| 10110 | 15 | 1 | 549 |
Tenve d* pMeunwflia ecempacteçto da '2 · 2™í. rvtpodrvamant», * taxa de «qoecanente normal
Tãrnpo da paíotarrwnio a «fnpoctaçfc da T * 2 retpeanramonH. o taxa de Mmacxnertobaaa
- % < 0.Q44 mm «0%
TABELA 15 - Efeitos da temperatura e tempo de pré-queima sobre a qualidade da 5 pelota queimada
19/20
| Temperatura (°C) | Tempo (min) | Resistência à compressão (N) | ||
| 1 | 2 | 3 | ||
| 1250 | 15 | / | 1140 | 1232 |
| 1280 | 15 | 1493 | / | / |
| 1300 | 15 | / | 1437 | 1190 |
| 1316 | 15 | 1513 | 1881 | 2088 |
| 1330 | 15 | / | / | / |
| 1337 | 15 | 2433 | 2567 | 2241 |
- Tempo de pelotamento e compactação de 12 e 2min, respectivamente, e taxa de aquecimento baixa.
- Tempo de pelotamento e compactação de 7 e 2 min, respectivamente, e taxa de aquecimento baixa.
- Tempo de pelotamento e compactação de 7 min e taxa de aquecimento baixa.
- % < 0,044 mm = 60%.
TABELA 16 — Efeito da temperatura de queima sobre a qualidade da pelota queimada
| Temperatura (°C) | Tempo (min) | Resistência à compressão (N) | |
| 1 | 2 | ||
| 1337 | 12 | / | 1861 |
| 1337 | 15 | 2433 | 2567 |
| 1337 | 18 | / | 2530 |
| 1337 | 20 | 2338 | / |
- Tempo de pelotamento e compactação de 12 e 2min, respectivamente, e taxa de aquecimento baixa.
- Tempo de pelotamento e compactação de 7 e 2 min, respectivamente, e taxa de aquecimento baixa.
- % < 0,044 mm = 60%.
TABELA 17 - Efeito do tempo de queima sobre a qualidade da pelota queimada
| Temperatura (°C) | Tempo (min) | Resistência à compressão (N) | ||||
| R0.3 | R0.5 | R0.7 | R0.9 | R1.1 | ||
| 1300 | 15 | 1120 | 1400 | 1438 | 1478 | / |
| 1320 | 15 | / | 1822 | 1853 | 2137 | 2235 |
| 1330 | 15 | / | / | / | 2167 | 2242 |
| 1337 | 15 | 2554 | 2799 | 2817 | 3136 | 3229 |
| 1337 | 12 | / | / | / | / | 2255 |
TABELA 18 - Efeito da basicidade sobre a qualidade da pelota queimada
20/20
| Carvão (%) | Temperatura de préqueima (°C) | Tempo de préqueima (min) | Resistência à compressão (N) |
| 0 | 1010 | 10 | 594 |
| 0.5 | 1000 | 10 | 241 |
| 0.5 | 1050 | 10 | 221 |
| 0.5 | 1100 | 10 | 260 |
| 1.0 | 1000 | 10 | 203 |
| 1.0 | 1050 | 10 | 178 |
| 1.0 | 1100 | 10 | 196 |
TABELA 19 - Efeito da adição de carvão e temperatura de pré-queima sobre a qualidade da pelota queimada.
[102] A partir destes resultados pode-se concluir que:
(1) As condições de pré-aquecimento da pelota crua são muito importantes para se obter pelotas pré-queimadas de boa qualidade. Quando as pelotas cruas foram produzidas com minério com 60% menor que 0,044 mm, 1,5% de bentonita, tempo de pelotamento de 7 min e de compactação de 2 min. e temperatura e tempo de pré-queima foram de 1010 °C e 10 min, respectivamente, foi possível 10 produzir pelotas pré-queimadas com resistência à compressão da ordem de 600N;
(2) A resistência à compressão da pelota queimada atingiu cerca de 600N na pré-queima e 2600N na queima, quando a temperatura e tempo de processamento foram de 1010 °C e 1 0 min, na pré-queima, e de 1337 °Ce 15 min, na queima 15 respectivamente;
(3) A resistência à compressão da pelota queimada pode ser melhorada drasticamente com adição de calcário calcítico e basicidade variando de 0,3 a 1,1 nas condições de queima citadas no item 2;
(4) A adição de carvão afeta de maneira negativa a resistência à compressão da 20 pelota queimada.
1/2
Claims (3)
- REIVINDICAÇÕES1. PROCESSO DE PRODUÇÃO DE PELOTAS DE MANGANÊS A PARTIR DE MANGANÊS SEM CALCINAÇÃO que compreende as etapas de:(a) preparação granulométrica do minério de manganês por cominuição, com teor de umidade inicial de 12% a 15% e umidade final de 9% a 10%, através da classificação e do tamanho de suas partículas, sendo mantidas as partículas de tamanho menor ou igual a 1 mm e superfície específica variando entre 800 e 2000 cm2/g e porcentagem menor que 0,044 mm de 40% a 60%;(b) adição de fundentes, como calcário calcítico com 70% de material passante na malha de 325 mesh, ou domilítico, ou limonítico, ou outras fontes de MgO como serpentinito e olivina, ao minério de manganês;(c) adição de aglomerante, selecionado do grupo consistindo de bentonita, cal hidratada, carboximetilcelulose (CMC), ao minério de manganês e seus fundentes;(d) mistura do material resultante da etapa anterior;caracterizado pelo fato de que os aglomerantes da etapa (c) são empregados de 0,5 a 2% em massa de bentonita, em relação à massa total, de 2% a 3% em massa de cal hidratada em relação à massa total ou de 0,05% a 0,10% em massa de carboximetilcelulose (CMC) em relação à massa total;(e) pelotização com disco de pelotamento com inclinação de 43° a 45°, resultando em pelotas cruas com diâmetro de 10 mm a 20 mm com umidade de 14% a 18%, as ditas pelotas com resistência de no mínimo 1 e 2 kg/pelota, e resiliência de pelo menos 5 quedas;(f) queima das pelotas de minério de manganês da etapa (e) através de secagem, préaquecimento e aquecimento das pelotas cruas, em que o processamento térmico é conduzido em temperatura máxima na faixa de 1280°C a 1340°C, com tempo total na faixa de 34 a 42 minutos e taxa de aquecimento de 50 °C/min a 150°C/min; e (g) obtenção de pelotas, após a etapa de queima, com diâmetro entre 8 a 18 mm.Petição 870180064870, de 27/07/2018, pág. 10/12
- 2/22. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o processamento térmico da etapa (f) é realizado em forno tipo grelha móvel, ou forno grelha móvel/forno rotativo ou forno esteira de aço.
- 3. PELOTA DE MANGANÊS, obtida pelo processo da reivindicação 1, caracterizada por apresentar resistência à compressão da pelota de no mínimo 250 da N/pelota.Petição 870180064870, de 27/07/2018, pág. 11/12 « t '1/8MagnéticosConcentrado de magnetitaProd. MagnéticoMn= 20, Fe = 40, Mn/Fe= 0,5/1Prod. Não-MagnéticoMn= 54, Fe = 6, Mn/Fe= 9/1
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