BRPI0514874B1 - Method for foaming scoria formed in an electric bow - Google Patents

Abstract

produção de ligas de ferro a presente invenção se refere a um método para produzir ligas de ferro em um forno de arco elétrico, o método compreende a etapa de carregar o forno com um polímero contendo carbono não-aglomerado de nodo que o polímero funcione como um agente de espumação de escória.

Description

MÉTODO PARA ESPUMAR ESCÓRIA FORMADA EM UM FORNO DE

ARCO ELÉTRICO

Campo Técnico [001] É divulgado um método para produzir ligas de ferro (como o aço) num fomo de arco elétrico (EAF) empregando um novo aditivo. Em sua função primária o novo aditivo funciona como um agente de espumação de escória, como um agente redutor. Entretanto, o aditivo pode agir adicionalmente como um combustível e/ou um recarburizador.

Antecedentes [002] Nos últimos cinqüenta anos, a indústria de plásticos teve um enorme crescimento tanto que os materiais e produtos plásticos são agora essenciais à sociedade. A produção de plástico em países como o Japão alcançou cerca de 15 milhões de toneladas por ano, e isso resulta em cerca de 9 milhões de toneladas de resíduos relacionados, 50% dos quais estão associados com resíduos sólidos municipais.

[003] Existem problemas crescentes com o desfazimento de plásticos, e internacionalmente a reciclagem de plásticos corresponde a uma pequena proporção do recolhimento de matéria, com o resto sendo descartado ou através de aterros ou de queima em incineradores. Os materiais plásticos não se degradam rapidamente e podem fazer penetrar elementos tóxicos em aterros, enquanto que a queimada convencional muitas vezes gera emissões perigosas tais como dioxinas.

[004] Por todo o mundo a indústria do aço está enfrentando pressões para minimizar o seu impacto no meio ambiente melhorando a eficiência da utilização de energia e recursos. Por exemplo, tem sido feito esforços em particular para reduzir a intensidade de carbono de um alto-fomo. Uma estratégia de administração de energia de um alto-forno envolve a redução no consumo de combustível ou coque. Como combustível substituto, foi proposta a injeção de plástico nos alcaravizes de um alto-forno para reduzir as emissões de C02, pois os plásticos possuem uma energia de combustão que é pelo menos tão alta quanto o carvão pulverizado normalmente injetado, e possuem uma taxa mais alta de hidrogênio para carbono, resultando em menos C02, produzido como um produto de combustão.

[005] A adição de plástico a outros tipos de fornos siderúrgicos é conhecida, incluindo os fornos de arco elétricos (EAF). Por exemplo, US 5.554.27 divulga um processo no qual o resíduo de pó do EAF é combinado com resíduo plástico para formar um sólido, que é então adicionado ao EAF. Similarmente, JP2004-052002 divulga um processo no qual resíduos plásticos são misturados com pó de aço para formar um sólido flexível que é adicionado ao EAF. Nenhum documento está relacionado com a adição de um aditivo para promover espumação de escória.

Sumário [006] Num primeiro aspecto é fornecido, num método para produzir uma liga de ferro num forno de arco elétrico, o passo de carregar o forno com um polímero contendo carbono não-aglomerado de modo que o polímero funcione como um agente de espumação de escória.

[007] A terminologia “polímero contendo carbono não-aglomerado” inclui polímeros particulados e granulados refinados e não-refinados e pretende excluir os polímeros formados juntamente com resíduos de pó de EAF ou pó de aço. Esses sólidos aglomerados não funcionam como um agente de espumação de escória.

[008] Ainda não foi anteriormente observado, num forno de arco elétrico, que um polímero contendo carbono não-aglomerado poderia ser usado pra causar espumação de escória. Num forno de arco elétrico a maior espumação de escória abafa melhor o metal derretido igualmente e melhor mantém o calor (i.e. isola), e isso leva a um consumo de eletricidade consideravelmente reduzido no EAF.

[009] O polímero contendo carbono não-aglomerado pode funcionar adicionalmente como um agente redutor, como um combustível e/ou um recarburizador no método para produzir a liga de ferro. O polímero poderia então causar uma redução dos óxidos de metal presentes na alimentação de fornos e/ou gerados durante o processamento do metal; e/ou atuar como uma fonte de combustível; e/ou atuar como um recarburizador para aumentar a quantidade de carbono presente com ferro na liga de ferro final produzida. Por exemplo, em fornos de arco elétricos, a fonte de combustível primária tem sido a eletricidade.

[010] O plástico de reciclagem pode então aumentar a eficiência de energia (i.e. pelo uso de menos eletricidade), e pode reduzir o consumo (e, por conseguinte, o custo) de fontes tradicionais de carbono como o coque e o carvão. O plástico de reciclagem também pode substituir ou reduzir o uso de recarburizadores dispendiosos como o carvão antracito e a grafite.

[011] Quando o termo “liga de ferro” for usado daqui por diante pretenderá incluir uma ampla gama de ligas de ferro-carbono (incluindo aços) e outras ligas de ferro-carbono e com ferro como base, incluindo ferrocromo, ferrocromo silício, ferromanganês, ferrosilíciomanganês, ferrosilício, magnésio ferrosilício, ferromolibdênio, ferroníquel, ferrotitânio, ferrofósforo, ferrotungstênio, ferrovanádio, ferrozircônio, etc.

[012] Tipicamente o polímero contendo carbono não-aglomerado é carregado no forno de modo que pelo menos combusta parcialmente e produza um resíduo carbonado. Quando combusta o polímero age como um combustível. O resíduo pode então oxidar para causar espumação de escória. O resíduo pode adicionalmente funcionar como um agente redutor ou recarburizador. Dessa forma, tipicamente, o polímero contendo carbono não-aglomerado carregado no forno funciona como um precursor de espumação de escória. Também pode funcionar como um precursor de recarburizador ou precursor de agente redutor.

[013] Enquanto um polímero contendo carbono não-aglomerado pode compreender o único aditivo carregado no forno, numa representação típica o polímero contendo carbono não-aglomerado é carregado no forno com outra fonte de carbono. Essa outra fonte de carbono pode combustar para atuar como um combustível. Também pode contribuir para a espumação de escória, e pode funcionar como um agente redutor ou recarburizador. A outra fonte de carbono pode ser carvão, coque, carbono puro, carbono vegetal ou grafite.

[014] Como exemplo, o polímero contendo carbono não-aglomerado e outra fonte de carbono pode ser carregado no forno aproximadamente num índice de peso de 1:1, embora esse índice possa variar de forno para forno.

[015] Numa típica adaptação do método, o polímero contendo carbono é um plástico de reciclagem. O carregamento de um plástico de reciclagem no forno fornece um meio efetivo de desfazimento do plástico de reciclagem, que de outra forma causa perigo ao meio ambiente.

[016] Tipicamente o polímero contendo carbono compreende o átomo C, H e opcionalmente O apenas. Ao mesmo tempo em que outros elementos podem estar presentes no polímero (eg. N, S, P, Si, halogênios, etc.) esses outros elementos podem interferir com a produção de ligas de ferro e/ou produzir contaminantes, poluentes, gases nocivos etc. Assim, selecionando-se judiciosamente o polímero contendo carbono, a formação de gases nocivos e outros produtos prejudiciais ou danosos pode ser evitada. Um plástico adequado é o polietileno, mas outros plásticos como o polipropileno, poliestireno, polibutadieno estireno, ABS, etc. e até mesmo plásticos difíceis de serem re-processados como baquelita, etc. podem ser empregados.

[017] Tipicamente o polímero contendo carbono não-aglomerado é carregado no forno na forma de partículas de polímero, tipicamente com um tamanho de partícula de 100 pm ou menos.

[018] Enquanto que uma típica liga de ferro produzida é o aço, a produção de outras ligas de ferro (como descrito acima) pode empregar o carregamento de um polímero contendo carbono não-aglomerado.

[019] Num segundo aspecto é fornecida a utilização de um polímero contendo carbono não-aglomerado como um agente de espumação de escória na produção de uma liga de ferro num forno de arco elétrico.

[020] Tipicamente a utilização de um polímero contendo carbono não-aglomerado está na produção de uma liga de ferro alcançada pelo método do primeiro aspecto.

[021] Num terceiro aspecto é fornecido um método para produzir uma liga de ferro num forno de arco elétrico, método esse compreendendo os passos de: - carregar o forno com abastecimento para a liga de ferro. - aquecer o abastecimento no forno até um estado derretido e para formar uma escória numa superfície derretida da liga/abastecimento; e - carregar o forno com um polímero contendo carbono não-aglomerado que funcione como um agente de espumação de escória.

[022] Tipicamente o polímero contendo carbono não-aglomerado é carregado de modo a combustar no forno e liberar energia calorífica para a liga/abastecimento derretida e para gerar uma substancia que espume a escória.

[023] Opcionalmente a substancia pode além de espumara escória: - causar uma redução química de cada óxido de metal na escória para produzir a liga de ferro; - recarburizar uma liga resultante de ferro e carbono.

[024] O polímero contendo carbono não-aglomerado pode ser carregado com um agente adicional. O agente adicional pode ser a outra fonte de carbono como definido no primeiro aspecto.

[025] O polímero contendo carbono não-aglomerado pode também ser carregado com o abastecimento para o forno. Por exemplo, o forno pode já estar aquecido quando o abastecimento e o polímero contendo carbono forem carregados nele (i.e. num modo de operação de forno contínuo).

[026] Tipicamente o método d terceiro aspecto é de outro modo como definido no primeiro aspecto.

[027] Os inventores também presumiram que o polímero contendo carbono não-aglomerado pode geralmente ser empregado como um combustível num forno de aquecimento.

[028] Desta maneira, num quarto aspecto é fornecido, num método de operar um forno de aquecimento, o passo de carregar o forno com um polímero contendo carbono não-aglomerado para atuar como um combustível.

[029] Tipicamente o forno de aquecimento opera a uma temperatura suficiente para combustar o polímero contendo carbono, tipicamente uma temperatura que é maior do que 1000° C.

[030] Além disso, o polímero contendo carbono não-aglomerado pode ser carregado no forno numa forma particulada e opcionalmente com outro combustível, como o gás natural.

[031] Num quinto aspecto é fornecido um sistema para determinar a reciclabilidade de um polímero contendo carbono num forno para produção de liga de ferro que emprega um abastecimento contendo carbono. O sistema compreende os passos de: - derivar um valor de um parâmetro de um dado polímero que reflete a capacidade de espumação de escória que tem o polímero; - comparar esse parâmetro com um ou mais valores de parâmetro derivados de um ou mais outros polímeros; - desenvolver uma gama ou escala a partir desses valores de parâmetros.

[032] O parâmetro pode ser a altura da escória de espuma e/ou o tempo de duração da escória de espuma.

Breve Descrição dos Desenhos [033] Não obstante outras representações que possam se encaixar no método para produzir uma liga de ferro como definido no Sumário, representações específicas do método serão agora descritas, a titulo de exemplo apenas, com referencia aos desenhos que acompanham, nos quais: [034] Figura 1 mostra um diagrama esquemático de um forno de resistência de tubo horizontal fixado para uma tentativa de gota séssil, como descrito no Exemplo 1;

[035] Figuras de 2A a 2F descrevem cada, uma gota de escória e mostram em sequência uma espumação de escória para um sistema grafite/escória como uma função de tempo, utilizando a instalação do forno de resistência de tubo horizontal da Figura 1;

[036] Figuras de 3A a 3F descrevem cada, uma gota de escória e mostram em seqüência uma espumação de escória para um sistema coque/escória como uma função de tempo, utilizando a instalação do forno de resistência de tubo horizontal da Figura 1.

[037] Figuras 4A a 4C descrevem respectivamente uma gota de escória para grafite, grafite/plástico e coque, cada um com um sistema de escória, e utilizando a instalação do forno de resistência de tubo horizontal da Figura 1;

[038] Figura 5 mostra um diagrama esquemático de uma instalação de forno de tubo vertical, como descrito no Exemplo 4;

[039] A Figura 6 mostra o espectro XRD de um resíduo carbonáceo de uma mistura de 50% plástico e 50% grafite após ser reagida numa instalação de forno de tubo vertical, como descrito no Exemplo 5;

[040] Figura 7 mostra imagens CCD de espumação de escória causada por vários materiais carbonáceos, como descrito no Exemplo 5;

[041] Figura 8 mostra os resultados IR para uma reação entre um substrato de grafite e uma escória industrial, como descrito no Exemplo 5;

[042] Figura 9 mostra os resultados IR para uma reação entre um substrato de 50% plástico e 50% grafite e escória industrial, como descrito no Exemplo 5;

[043] Figura 10 mostra os resultados IR para uma reação entre um substrato de coque e uma escória industrial, como descrito no Exemplo 5;

[044] Figura 11 mostra um diagrama esquemático de um forno de indução {dissolução de carbono), como descrito no Exemplo 7;

[045] Figura 12 representa a % de dissolução de carbono numa liga de ferro derretida contra o tempo para o forno de indução da Figura 11, e como descrito no Exemplo 7;

[046] Figuras 13 A&B descrevem uma gota de coque/escória (fileira superior) e coque/HDPE plástico/escória {fileira inferior) através do tempo, utilizando a instalação do forno de resistência de tubo horizontal da Figura 1;

[047] Figura 14 representa a eficiência de combustão, η, de coque e misturas de coque com plásticos a 1200°C, como descrito no Exemplo 9;

[048] Figura 15 mostra imagens CCD de espumação de escoria como uma função de tempo para um sistema a 1550°C de resíduo/escória de 70% coque-30%plástico, como descrito no Exemplo 10;

[049] Figura 16 representa a geração de gás CO e CO2 como uma função de tempo, como descrito no Exemplo 10;

[050] Figura 17 representa o número de moles de oxigênio removidos durante interações de escória com coque e com uma mistura de 30% plástico + 70% coque, como descrito no Exemplo 10; e [051] Figura 18 mostra as representações WVe para coque e misturas de 30% plástico + 70%coque a 1550°C, como descrito no Exemplo 10, Descrição Detalhada das Representações Específicas [052] Durante amplos estudos de produção de aço EAF, percebeu-se que as reações químicas entre carbono soluto/carbono sólido e escória deram origem ao processo de espumação de escória. A espumação de escória ocorreu devido à geração de gás CO como resultado da redução de óxido de ferro na escória pelo carbono, e também devido à oxidação do carbono. Percebeu-se que a espumação de escória é fortemente dependente da natureza do material de alimentação de carbono, com propriedades do material a altas temperaturas governando o fenômeno de espumação de escória.

[053] Percebeu-se ainda que, assim como protegia o arco elétrico, uma escória espumosa cobria o banho de metal e mantinha aquecido, levando a uma considerável economia de energia (i.e. consumo reduzido de eletricidade). Percebeu-se que um nível sustentável de espumação de escória era essencial para uma eficiente produção de ao EAF.

[054] Num desenvolvimento surpreendente, postulou-se que um polímero contendo carbono não-aglomerado (ex. plástico de reciclagem, tipicamente em forma particulada) poderia ser introduzido na produção de aço EAF. Foi suposto que, nas altas temperaturas empregadas na produção de aço EAF, o plástico de reciclagem iria, uma vez introduzido no fomo, queimar (atuando assim como combustível) e produzir um produto residual carbonáceo. Subseqüentemente, postulou-se que um polímero contendo carbono também poderia ser introduzido na produção de outras ligas de ferro e novamente produzir um produto residual carbonáceo.

[055] Foi observado que o produto residual carbonáceo poderia então causar espumação de escória na produção de aço EAF, e poderia opcionalmente funcionar como um agente redutor (ex. na produção de outras ligas de ferro), e opcionalmente também funcionar como um recarburizador.

[056] Durante testes, surgiu a hipótese de que a composição química, estrutura e rede de ligação no plástico original, determinava as propriedades do resíduo carbonáceo. Além disso, notou-se que a cinética da dissolução de carbono de um dado plástico dependia do índice no qual o resíduo carbonáceo se dissolvia no aço líquido. Postulou-se que a natureza relativamente altamente ordenada do carbono no plástico (ex. comparado com carbono em coque) podería resultar numa melhor dissolução do carbono em aço líquido.

[057] A caracterização estrutural dos resíduos carbonáceos foi conduzida a partir de uma mistura plástico-grafite, introduzida num forno de tubo vertical (simulando condições operacionais que poderíam ser experimentadas num EAF) para observar aqueles resíduos carbonáceos que levariam, subseqüentemente, à espumação de escória líquida num EAF, e para verificar aqueles resíduos carbonáceos que poderíam ter uma capacidade reduzida e/ou aumentada de dissolução de carbono em uma liga de ferro derretida. Os resultados da caracterização estrutural estão apresentados abaixo no Exemplo 5.

[058] Na produção de outras ligas de ferro notou-se que uma variedade de materiais de redução carbonáceos estava sendo utilizada. Materiais redutores conhecidos incluíam carbonos como o coque, carvão e carbono puro, e bio-carbonos na forma de carbono vegetal produzido a partir de diferentes tipos de madeira. Novamente, notou-se que as propriedades materiais e as reações desses materiais carbonáceos desempenhavam um papel significativo no desempenho dos redutores prescritos.

[059] Dessa forma as principais considerações experimentais incluíam também, entre outras, investigações sobre a gaseificação do redutor, dissolução do carbono no metal derretido, e redução direta da escória pelo carbono sólido.

[060] Percebeu-se ainda que a formação de escória era típica na produção de outras ligas de ferro além do aço. O manganês e o cromo foram ambos reduzidos aos estados sólido e liquido. A dissolução de MnO na escória seguido pela redução da escoria por carbono sólido ou carbono dissolvido em metal liquido foi considerada como o principal mecanismo de redução de MnO.

Similarmente, notou-se que a redução de cromita em escória liquida por carbono dissolvido em dissoluções de Fe-Cr era importante para a produção de ferrocromo. As reações entre o carbono e a escória líquida contendo minério dissolvido (cromo, óxidos de manganês) desempenharam um papel vital no processo de redução. Conseqüentemente postulou-se que resíduos carbonáceos de plásticos de reciclagem também eram capazes de serem utilizados como redutor (e, se necessário, agente de espumação de escória) na produção de outras ligas de ferro.

Exemplos [061] Serão fornecidos agora exemplos não-limitadores de métodos para produzir uma liga de ferro.

Exemplo 1 [062] Para investigar a espumação de escória, as interações escória/carbono foram primeiramente investigadas numa balança de laboratório, o fomo de resistência de tubo horizontal utilizando a tentativa de gota séssil. Um diagrama esquemático da estrutura experimental é mostrado na Figura 1. O peso da escória utilizada foi de -0.20g. Inicialmente, a amostra foi colocada num gancho para amostras, que podia ser empurrado para o centro da zona quente do forno com a ajuda de uma vareta de aço inoxidável.

[063] O conjunto escória/carbono foi mantido na zona fria do fomo até que a temperatura desejada (1550°C) fosse obtida e equilibrada na zona quente do forno. O conjunto foi inserido na zona quente na temperatura desejada de estudo. Isso eliminou qualquer reação que pudesse ocorrer a temperaturas mais baixas e possivelmente influenciar para que os fenômenos fossem estudados à temperatura de interesse. O tubo do forno foi purgado com argônio por toda a duração do experimento. O índice de argônio foi controlado por um medidor de corrente.

[064] O comportamento da espumação do sistema escória/carbono foi investigado utilizando-se uma técnica de gota séssil cuidadosamente controlada e monitorada ví suai mente. Um dispositivo de câmera de conexão de carga de alta qualidade e alta resolução (CCD) provido de uma lente IRIS foi utilizado para capturar os fenômenos in situ ao vivo no forno. As imagens da câmera foram canalizadas para um gravador de vídeo (VCR) e um monitor de televisão (TV) para gravar todo o processo como uma função de tempo. Isso permitiu imagens especificas, revelando o contacto entre a escória e o material carbonáceo, para ser capturado como uma função de tempo, do videoteipe para um computador utilizando um dispositivo que capta uma única imagem de TV (quadro) separando-as das outras transmitidas e depois a envia repetidamente ao transmissor para que o espectador receba a imagem como se fosse fixa. Um gerador de tempo-data foi utilizado no sistema para mostrar a duração do processo. Um programa de computador especialmente criado foi utilizado para determinar o volume das imagens capturadas, fundamentado num exercício de ajuste de curva. Para uma melhor compreensão da dinâmica da reação, as imagens foram gravadas por até duas horas na maioria dos casos.

[065] A composição de escória foi a seguinte: CaO 30,48%, MgO 11,72%, S1O2 13,34%, AI2G3 5,24%, Fe2C>3 33,33%, MnO 5,24%.

[066] As investigações sobre espumação de escória foram primeiramente efetuadas em grafite e coque. As investigações sobre espumação de escória foram posteriormente efetuadas em plástico.

Resultados & Discussão [067] Sistema qrafite/escória; Os resultados preliminares sobre espumação de escória num sistema grafíte/escóría são mostrados como uma função de tempo nas Figuras 2A a 2F.

[068] A grafite mostrou boas características de espumação com uma escória de produção de aço. Na Figura 2A em T= 13 seg, 0 pó de escória é mostrado como começando a derreter. Na Figura 2B a gota de líquido é mostrada tomando forma em T= 47 seg e na Figura 2C é mostrada completamente formada em T= 57 seg. A gotícula começa então a crescer de tamanho, com gotas progressivamente maiores sendo observadas na Figura 2D em T= 1 min 7 seg, e na Figura 2E e em T= 1 min 22 seg, indicando que a espumação de escória está ocorrendo. Na Figura 2F em T= 1 min 57 seg, a gotícula contraiu-se ligeiramente indicando o escape parcial de alguns produtos gasosos. Dessa forma, descobriu-se que a espumação de escória num sistema grafite/escória é bastante rápido e extenso.

[069] Sistema coaue/escória: Os resultados preliminares sobre espumação de escória num sistema coque/escória são mostrados como uma função de tempo nas Figuras 3A a 3F.

[070] O coque mostrou características de espumação menos confiáveis com uma escória de produção de aço. Na Figura 3A em T= 9 seg, o pó de escória é mostrado como começando a derreter. Na Figura 3B a gota de líquido está tomando forma em T= 1 min 20 seg. Nas Figuras 3C a 3F, são mostradas imagens que abrangem de T= 2 min 15 seg a T= 21 min 37 seg. Durante esse período de tempo a gota de liquido é completamente formada. As quatro gotas mostram flutuações menores em tamanho e volume, indicando um nível bem menor de espumação de escória no sistema coque/escória. O índice de espumação de escória no sistema coque/escória foi assim mais lento do que no sistema grafite/escória.

[071] Estudos sobre dissolução de carbono revelaram que a constante do índice de dissolução para coque era menor do que para a grafite. O comportamento da espumação de escória desses dois tipos de carbono foi bem diferente, com o índice e a dimensão da espumação de escória no sistema grafite/escória sendo muito maior do que no sistema coque/escória. Conseqüentemente, foi postulada uma relação entre o índice de dissolução de carbono e a espumação de escória.

Exemplo 2 [072] Uma análise de dados operacionais industriais de um EAF em funcionamento mostrou que níveis crescentes de injeção de coque resultaram num crescente consumo de oxigênio, embora eles não apresentassem nenhum padrão bem definido de consumo de energia por tonelada de aço carregado.

[073] O EAF em funcionamento utilizou duas diferentes formas de carbono em sua operação. Juntamente com coque contendo - 90% C, ele utilizou algumas toneladas de barras de ferro contendo 4% C. O carbono presente na barra de ferro já estava dissolvido quando a barra de ferro derreteu, enquanto que o carbono presente no coque estava presente num estado sólido.

[074] Observou-se que a forma do carbono (carbono soluto ou sólido) possuía um efeito significativo na média de energia consumida/ton de aço. Com uma maior quantidade de barras de ferro carregadas (equivalente a níveis maiores de carbono soluto) houve uma redução significativa no consumo de energia. Essa tendência foi interpretada em termos do papel desempenhado pelo material carbonáceo e indicou que um aumento na espumação de escória leva a um decréscimo no consumo de energia, por tonelada de aço carregado. Descobriu-se assim que a eficiência do carbono da barra de ferro na produção de ferro em EAF era maior do que a eficiência correspondente para o coque.

[075] Os inventores notaram que: 1. A cinética da dissolução de carbono em ferro liquido dependia fortemente da natureza do material carbonáceo. Por exemplo, a constante do índice de dissolução para o coque era menor do que para a grafite. 2. Os resultados dos sistemas grafite/escória e coque/escória do Exemplo 1 mostraram que o índice e a dimensão da espumação de escória com grafite eram muito maiores do que com o coque. 3. Espera-se que a cinética das interações carbono/escória sejam bastante diferentes para carbono soluto e para coque, o que resultou em amplas variações em seu comportamento de espumação de escória.

[076] Esses resultados indicaram que uma escolha apropriada do material carbonáceo poderia desempenhar um importante papel na espumação de escória e conseqüentemente na eficiência de energia do funcionamento do EAF. Os resultados também levaram os inventores a supor que um polímero contendo carbono poderia ser adicionado a um EAF e parcialmente combustar como um combustível e produzir resíduos de material carbonado, o que poderia ocasionar a espumação de escória e/ou redução de óxido e/ou recarburização.

Exemplo 3 [077] Os inventores testaram então a adição de plástico de reciclagem num processo de EAF no lugar de pelo menos algumas das tradicionais fontes de carbono (ex. coque). As seguintes matérias primas foram reunidas para simular as matérias primas alimentadas a um EAF.

Matérias primas [078] Os seguintes materiais carbonáceos, plásticos e escória foram empregados para conduzir experimentos comparativos de espumação de escória.

Materiais carbonáceos: grafite; coque; resíduo gerado de uma mistura (1:1) de grafite e plástico (o espectro XRD desse resíduo é fornecido na Figura 6). O índice de 1:1 pode variar de forno para forno.

Material plástico: Polietileno Linear de Baixa Densidade (LLDPE) foi obtido para representar o principal constituinte de plástico reciclado. Os tamanhos das partículas das amostras de polietileno utilizadas eram de menos de 100 micrometros.

Escória: A seguinte composição de escória foi preparada: 30,48% CaO; 11,72% MgO; 13,34% Si02; 5,24% AI2O3; 33,33% Fe203; 5,24% MnO.

[079] Um substrato de pós de material carbonáceo foi preparado por compressão hidráulica sob uma pressão de 2,2x108 Pa. Os pós de grafite e coque foram utilizados como fornecimento. O processo de preparação da grafite e da mistura de plástico está descrito no Exemplo 4.

[080] A escória foi preparada pelo aquecimento da mistura homogênea de ingredientes óxídos no índice de mixagem mostrado acima até 1650Χ, e então lançando-se o material derretido numa forma de cobre depois de cerca de 30 minutos do completo derretimento.

Aparelhagem [081] O forno horizontal da Figura 1 foi utilizado para levar a cabo experimentos de gota séssil. A dimensão do tubo do forno de cerâmica era de Θ50 mm de diâmetro interno e 1000 mm de comprimento. Um pegador de amostras feito de alumina ou grafite foi inserido no tubo através de uma tampa do forno. A aparelhagem permitiu que a amostra fosse segura na zona fria do forno antes que o forno fosse aquecido até a temperatura desejada, tipicamente 1550°C nesse Exemplo.

Procedimento experimental [082] Para investigar a espumação de escória, primeiramente foram investigadas as interações escória/carbono no forno de resistência de tubo horizontal. O conjunto escória/carbono foi seguro na zona fria do forno até a temperatura desejada (1550°C) fosse atingida e equilibrada na zona quente do forno. O conjunto foi então inserido na zona quente à temperatura desejada. Esse procedimento eliminou qualquer reação que pudesse ocorrer a temperaturas mais baixas e possivelmente influenciar os fenômenos a serem estudados à temperatura de interesse. O tubo do forno foi purgado com argônio durante todo o tempo de duração do experimento.

[083] O comportamento de espumação do sistema escória/carbono foi novamente investigado utilizando-se uma técnica de gota séssil cuidadosamente controlada e visualmente monitorada. Novamente a câmera CCD equipada com uma lente IRIS foi utilizada para capturar os fenômenos ao vivo no forno. Nova mente as imagens da câmera foram canalizadas para um VCR e monitor de TV para gravar todo o processo como uma função de tempo. As imagens exibindo o contato entre a escória e o material carbonáceo foram capturadas durante todo o tempo, do video tape e para um computador, utilizando um dispositivo que capta uma única imagem de TV como se fosse um quadro. Nova mente o gerador de tempo-data foi utilizado para mostrar a duração do processo. Um programa de computador determinou o volume a partir das imagens capturadas, com base num exercício de ajuste de curva.

[084] Pó de escória (aproximadamente 0,20g) foi colocado no substrato de materiais carbonáceos, que foi seguro pelo segurador de amostras, Uma vez que a temperatura desejada do forno foi atingida o segurador de amostras foi empurrado da zona fria para a zona quente do forno para iniciar o experimento, Todo o processo de reação foi monitorado pela câmera CCD e gravado utilizando vídeo tape. As imagens foram posteriormente analisadas para calcular o volume da amostra. Durante todo o experimento, gás inerte de argõnio foi afluído a um índice de escoamento de 1 1/min. O gás de saída foi passado por um analisador IR de modo a se obter o conteúdo CO e CO2, que pode ser utilizado para avaliar 0 índice de reação.

Resultados experimentais [085] Os experimentos foram conduzidos para investigar o comportamento da espumação de escória causado pela reação entre óxido de ferro em escória e os materiais carbonáceos: grafite, mistura de grafite/resíduo plástico, e coque. Imagens típicas são mostradas nas Figuras 4A a 4C.

[086] A reação entre a grafite e a escória foi observada para produzir a mais vigorosa espumação de escória. O volume da gota da escória espumada foi o maior como é cia ram ente mostrado na Figura 4A.

[087] Durante a reação da mistura 50% grafite/50% plástico, surgiram bolhas da gotfcula de escória. A ocorrência do fenômeno de espumação de escória no caso da mistura grafite/plástico foi estabelecida com base numa imagem de visualização de alta temperatura como mostrado na Figura 4B e também com base na geração de CO no gás de saída, indicando uma redução de oxido de ferro. Isso indicou que plástico pode ria ser adicionado a um EAF, queimar como um combustível, e os resíduos carbonâceos poderíam produzir espumação de escória e/ou redução de óxído de metal e/ou efeitos de recarburização.

Exemplo 4 Processo de preparação da mistura qrafite/plástico [088] Uma reação gasosa de alta temperatura de uma mistura plástico-grafite foi realizada utilizando um forno de tubo vertical (DTF). O forno de tubo vertical é mostrado esquematicamente na Figura 5.

[089] Cada tentativa conduzida no DTF foi completada a 1200°C e, uma vez que o forno atingiu essa temperatura operacional, gases de oxigênio e nitrogênio foram introduzidos no forno em índices de fluxo desejáveis. Os índices de fluxo de gás e composições foram controlados durante esses experimentos utilizando um controlador de fluxo automatizado. Foi feita a circulação de água de refrigeração através do injetor do forno durante cada teste de modo a evitar superaquecimento e a ocorrência de reações antes da interação de oxigênio e dos materiais de combustível injetados na zona de reação do forno. O coletor também serviu ao propósito de reter carbono puro não queimado gerado durante cada experimento.

[090] Uma mistura de plástico-grafite foi introduzida no reator experimental utilizando um alimentador de material seco através de uma sonda de alimentação refrigerada a água. Uma mistura de gás de oxigênio e nitrogênio foi utilizada para levar os reagentes sólidos de plástico e grafite para a zona de reação. Os detalhes experimentais foram os seguintes: [091] Esse experimento indicou que, sob condições operacionais que podem simular aquelas num EAF, o plástico podería ser carregado num EAF, combustar como um combustível, e formar resíduos carbonáceos úteis para causar espumação de escória, redução de óxido de metal e na recarburização de ferro derretido.

Exemplo 5 O fenômeno de espumacáo de escória no EAF associado à reação entre escória e materiais carbonáceos [092] Foram efetuados experimentos para estudar uma real amostra de escória de EAF, mais particularmente, os fenômenos de espumação de escória durante a reação entre a escória e os substratos carbonáceos sob uma atmosfera de argônio inerte, A composição da escória foi de 27,0% CaO; 40,3% FeO; 7,9% AI2O3; 8,8% MgO; 10,9% Si02; e 4,8% MnO. A basicidade da escória foi de 2,5 {%Ca0/%SíO2), Três materiais carbonáceos foram escolhidos para os experimentos. Eles eram grafite pura; um resíduo carbonáceo de uma mistura de grafite e plástico com um índice de mixagem de 1:1; e coque industrial. O índice de 1:1 pode variar para diferentes EAFs. Foi utilizado cerca de 0,G75g de escória para cada seqüência. A temperatura foi estabelecida em 1550°C.

[093] A Figura 6 mostra 0 espectro XRD do resíduo gerado da mistura de 50% de plástico e 50% grafite após ter reagido num forno de tubo vertical (DTF). Os picos de plástico e grafite podem ser vistos claramente.

[094] O fenômeno de espumação escória/carbono foi gravado com a utilização de uma câmera CCD. A Figura 7 mostra as imagens típicas de gotas de escória espumada reagindo com vários substratos carbonáceos ao tempo de aproximadamente 200 segs. A espumação de escória foi mais vigorosa no caso da reação com substrato de grafite. Apesar da reação entre escória e coque e uma mistura de plástico e grafite não ser tão vigorosa, os resultados indicaram que o plástico podia atuar tanto como agente de espumação de escória quanto como redutor com escória de EAF.

[095] Os conteúdos de CO e CO2 em gás de saída DTF foram analisados utilizando-se um analisador IR. Os resultados são mostrados nas Figuras seguintes 8, 9 e 10. No caso de um substrato de grafite, os conteúdos de gás CO e CO2 de saída foram apenas ligeiramente maiores do que nos outros casos. Isso fez supor que a evolução do gás devido a uma redução de óxido de ferro estava ocorrendo com todos os três materiais carbonáceos e todos os três estavam contribuindo para a espumação de escória.

[096] Além disso, os resultados do Exemplo 5 estão de acordo com os resultados dos Exemplos anteriores, não obstante a diferença em composição entre a escória industrial e as escórias preparadas em laboratório.

Exemplo 6 [097] A eficiência de combustão de plásticos de reciclagem foi investigada para testar a conveniência do plástico de reciclagem como combustível em um forno EAF ou outro tipo de forno que não 0 forno de fundição. A eficiência de combustão foi avaliada utilizando o forno de tubo vertical (DTF) da Figura 5 utilizando as mesmas condições como no Exemplo 4. O % de C nas amostras foi determinado antes e após cada seqüência de testes (/'.e. depois que cada amostra passou através do DTF). Um analisador de conteúdo de carbono LECO foi utilizado para a determinação do conteúdo de carbono.

[098] Cada amostra compreendeu níveis variáveis de plástico de reciclagem em pó misturado com coque em pó, começando com 0 % em peso de plástico e indo até 50 % em peso de plástico. Os resultados são apresentados na tabela seguinte: [099] A tabela lista a eficiência de combustão resultante {última coluna), e também lista uma análise de % em peso de C simples. O decréscimo em % em peso de C é como um resultado do carbono reagindo (queimando) para produzir monóxido de carbono e gás dióxido.

[100] Os resultados mostram que a eficiência de combustão do coque é muito pobre, mas quando plásticos de reciclagem são misturados ao coque a eficiência de combustão é aumentada. Além disso, o resíduo que é deixado após a combustão participa então em outras reações no EAF ou em outro tipo de forno que não o de fundição.

Exemplo 7 [101] Para investigar a função do plástico de reciclagem como um recarburizador na produção de ligas de ferro, a dissolução de carbono de um resíduo carbonâceo foi investigada num forno de indução de escala laboratorial como esquematicamente descrito na Figura 11.

[102] A temperatura do forno foi controlada para atingir uma temperatura de banho de ferro em fusão de 1550°C (para simular uma temperatura de EAF em funcionamento). Nesse aspecto, água de refrigeração foi circulada através de uma configuração de “camisa” de permutador de calor circundando o forno durante o procedimento de modo a evitar o superaquecimento e manter uma temperatura de banho geralmente constante. Uma atmosfera de nitrogênio foi criada acima do banho de fusão através da entrada de gás N2.

[103] Um pó de plástico reciclado foi alimentado diretamente no fomo, o pó alimentando o banho de ferro em fusão. Esse plástico combustou para produzir um resíduo carbonáceo, resíduo esse que poderia funcionar como um recarburizador. Como alternativa, plástico reciclado, por exemplo do forno de tubo vertical da Figura 5, poderia ser introduzido no banho de ferro em fusão.

[104] O método de cobertura do carburizador foi a abordagem padrão utilizada para estudar a dissolução do carbono. Nesse aspecto, o material carbonáceo na verdade assentou sobre 0 banho de metal e formou uma cobertura de carburizador. Isso porque, no procedimento experimental, o material de plástico reciclado é alimentado por sobre o banho de metal. Um elemento térmico para medir a temperatura do banho juntamente com um tubo de amostras de quartzo para a remoção de amostras de metal para medir progressivamente a dissolução do carbono durante o tempo, se estendeu através da cobertura do carburizador. O analisador de conteúdo de carbono LECO foi então utilizado para analisar o conteúdo de carbono das amostras de metal extraídas.

[105] Os resultados da dissolução de carbono são apresentados na Figura 12. Na Figura 12 pode-se ver que inicialmente (Tempo = 0) o banho teve um conteúdo de carbono dissolvido pesando 1.67%. Resíduo de plástico foi então adicionado e o conteúdo de carbono aumentou para 2,97%, e então nivelado em torno do nível de 3%. No Tempo = 25 minutos, mais resíduo de plástico foi adicionado ao banho e o conteúdo do carbono dissolvido aumentou para 3,89% em T = 30 minutos.

[106] Esse experimento demonstrou que o resíduo de plástico podería ser utilizado como um efetivo recarburizador, e que níveis progressivamente elevados de carbono dissolvido poderíam ser alcançados com a introdução progressiva de resíduo de plástico. Em um fomo EAF ou num outro tipo de forno que não o de fundição, o resíduo para recarburização seria gerado tipicamente pela introdução do próprio plástico de reciclagem no forno, permitindo a ele combustar para produzir um resíduo carbonáceo, e então facilitando a sua mixagem ao banho de metal em fusão e lhe dando tempo para aumentar o conteúdo de carbono até um nível desejado. O plástico de reciclagem pode substituir recarburizadores mais dispendiosos como o carvão antracito e a grafite.

Exemplo 9 Eficiência de combustão das misturas de coaue/plástico [107] O coque e suas misturas com plástico (até 50 % em peso) foram queimados no DTF a 1200° C numa atmosfera desoxidante contendo 20% O2. A taxa de alimentação foi de cerca de 0,0278 g/s. Resíduos carbonáceos foram coletados e seu conteúdo de carbono foi medido. Presumindo uma perda insignificante de cinzas durante a combustão em DTF, a eficiência de combustão, η, foi calculado como: onde Ao e A, eram 0 conteúdo de cinzas antes e após a combustão, Co e Ci respectiva mente representavam o conteúdo de carbono antes e após a combustão em DTF, respectiva mente. Os resultados experimentais sobre a eficiência de combustão das misturas de coque/plástico são mostrados na Figura 14. Uma escala logarítmica foi utilizada ao longo do eixo-y devido às grandes variações na eficiência de combustão.

[108] Nesse exemplo observou-se que a eficiência de combustão total das misturas de coque/plástico era de quase quarenta vezes a eficiência do coque sozinho, í.e. -10 para as misturas de coque/plástico contra 0,25 para o coque. A maior eficiência de combustão das misturas de coque/plástico podería ser, até certo ponto, atribuída a uma grande liberação de voláteis durante a combustão do plástico. Enquanto as misturas de coque e plástico geralmente possuíam uma eficiência de combustão muito maior do que o coque, nenhuma tendência bem definida foi observada no efeito do índice de mixagem. Entretanto, nenhuma degradação na eficiência de combustão foi observada com o aumento do componente plástico.

Exemplo 10 Espumação de escória em resíduos carbonáceos [109] Os resíduos carbonáceos de misturas de coque e plástico depois de queimados no DTF foram prensados numa matriz sob uma carga de 9 toneladas/cm2 e foram utilizados como um substrato para experimentos de espumação de escória. Após alcançar as temperaturas desejadas, a escória começou a derreter e o óxido de ferro presente na escória começou a reagir com o substrato carbonáceo para liberar gases CO e CO2 e ferro metálico. A evolução dos gases CO e CO2 através da fase de escória levou à espumação de escória. O processo de reação foi monitorado utilizando uma câmera CCD e gravado num disco de DVD para uma posterior análise de imagem. A Figura 15 mostra as imagens típicas de uma reação entre uma escória e uma mistura de 30% plástico + 70% coque. Depois que a escória derreteu, observou-se que as bolhas de gás evoluíam através da fase de escória imediatamente. A gotícula de escória rolou sobre o substrato vigorosamente devido à geração e ruptura das bolhas de gás. Após cerca de 600 segs, a gotícula de escória se acalmou gradualmente com uma considerável redução na geração de gás.

[110] Além disso, durante a reação entre a escória e o substrato coque/plástico, FeO na escória e C no substrato reagiram para gerar gás CO e C02. As concentrações desses gases são medidas na mistura de gás de saída utilizando um espectômetro IR.

[111] Os típicos conteúdos de gás CO e CO2 resultantes são mostrados na Figura 16. Pode-se ver que tanto os conteúdos de gás CO como CO2 aumentaram vivamente até os valores máximos, estabilizaram por quase 300 segundos e então diminuíram com o tempo de reação. Foi detectado muito menos gás CO2 no gás de saída do que CO. O volume de CO e CO2 emitido obtido a partir da análise de gás de saída foi então convertido no número de moles utilizando a equação de gás padrão. O número de moles de oxigênio removidos refletiu a cinética de reações de redução entre escória e material carbonáceo, como mostrado na Figura 17.

[112] Os resultados indicaram que as reações de redução da escória com coque eram muito mais rápidas do que as reações correspondentes com a mistura plástico-coque, resultando num maior volume de gases emitidos. Esses gases deram origem a espumação de escória e causaram mudanças no volume da gotícula de escória.

[113] O volume de gás na gotícula de escória foi então medido em termos de Vt/Vo, onde Vt é o volume da gotícula de escória no tempo t e Vo é o volume inicial. A Figura 18 traça Vt/Vo como uma função de tempo para o coque e a mistura 30% plástico + 70% coque. Os resultados mostraram que níveis muito mais elevados de espumação de escória foram observados em relação às misturas de 30% plástico + 70% coque se comparado ao coque. A gotícula aumentou muito mais de tamanho no caso da mistura coque/plástico e o seu aumento de tamanho se sustentou por um período muito mais longo em relação à mistura de plástico se comparado ao coque. Em grande parte, isso poderia ser devido a um índice bastante baixo de reações entre a mistura de plástico e a escória (Figura 17), resultando num baixo índice de emissão de gás, dessa forma resultando em bolhas menores e uma espuma sustentada por períodos mais longos. No caso do coque, o crescimento da bolha foi rápido com altos níveis de gás escapando da gotícula de escória.

[114] As investigações dos Exemplos 9 e 10 sobre o coque e uma gama de misturas de coque/plástico demonstraram posteriormente a possibilidade da utilização de plásticos de reciclagem na produção de aço em EAF. As misturas de coque/plástico mostraram uma combustão muito melhor do que o coque puro. Descobriu-se que as características de espumação de escória das misturas de coque/plásticos eram melhores do que do coque puro. A gotícula de escória mostrou um aumento muito maior em volume, e a mudança de volume foi sustentada por um período maior de tempo. Os resultados também indicaram que a substituição parcial do coque por misturas de coque/plástico poderia melhorar a combustão de carbono.

Exemplo 11 [115] Num procedimento experimental similar àquele descrito no Exemplo 3 e conforme descrição na Figura 4, as características de espumação de um sistema coque/escória e um sistema 50% coque 50% plástico/escória foram investigadas. Nesse caso, o plástico foi um Polietileno de Alta Densidade (HDPE), com um tamanho de partícula de menos de 100 micrômetros. A escória era similar à do Exemplo 5 e 0,078 gramas e 0,092 gramas de escória foram respectivamente empregadas para os dois sistemas. As seqüências foram conduzidas em diferentes tempos, assim os pesos da escória não eram exatamente os mesmos. Entretanto, essa diferença de peso não afeta o resultado do experimento.

[116] As Figuras 13A e 13B descrevem numa comparação lado a lado os comportamentos de espumação em gota dos dois sistemas nos intervalos de tempo de 0, 30, 45, 60, 90, 150, 210 e 300 segundos. Pode-se ver que o sistema coque/plástico/escória teve uma característica de espumação relativamente mais rápida do que a do sistema coque/escória.

[117] Em outras palavras, plásticos como o HDPE também podem oferecer uma característica de espumação de escória melhor com relação a um EAF ou outro tipo de forno que não o de fundição, indicando que muitos outros plásticos podem oferecer um similar melhor desempenho.

Exemplo 12 [118] O inventor concebeu e propôs um índice para indicar a adequabilidade de um plástico para a sua re-utilização na produção de ligas de ferro e como um combustível em fornos de outros tipos que não os de fundição. O índice foi denominado de Guia Verde de Plásticos (ou índice GIP). O inventor imaginou que o índice também podería ser utilizado de um modo geral em relação à reciclabilidade do plástico, e ainda assim ser conhecido como índice GIP.

[119] Desse modo, podería ser estabelecido um mecanismo através do qual o público em geral pudesse reconhecer a capacidade de um plástico ser reciclado, por exemplo na produção de ligas de ferro como a siderurgia. O inventor notou que o atual sistema utilizado para a identificação dos tipos de plásticos não fornecia qualquer informação com relação à reciclabilidade do plástico. O atual sistema apenas fornece informações relativas ao tipo de plástico (ex. o numeral 1 para PET etc.).

[120] Finalmente o inventor presumiu que o índice GIP podería ser construído com o desenvolvimento de um índice GIPS correlato, onde o S significa a adequabilidade do plástico para a utilização na siderurgia.

[121] De maneira geral, os experimentos também indicaram que para produção de outras ligas de ferro que não o aço, e utilizando um EAF, o plástico não aglomerado podería ser carregado no forno, podería queima como um combustível, e podería formar resíduos carbonáceos úteis para espumação de escória, e causar a redução do óxido de metal, e recarburização do metal fundido (ex. ferro).

[122] Além disso, os experimentos também indicaram que para reaquecer fornos e outros mais, o plástico não aglomerado poderia ser carregado no forno, por exemplo como um suplemento para outros combustíveis tais como o gás natural, e ainda assim combustar como um combustível. Isso se dá especialmente em temperaturas mais altas (acima de 1000°C) utilizadas em fornos tais como os fornos de reaquecimento nas operações de modelagem de aço.

[123] Sendo assim, é fornecido um meio efetivo para a utilização e consumo das vastas quantidades de plásticos de reciclagem na sociedade.

[124] Ao mesmo tempo em que várias representações específicas foram descritas, deve-se levar em conta que o método para produzir uma liga de ferro pode ser representado de muitas outras formas.

REIVINDICAÇÕES

Claims (10)

1. Método para espumar escória formada em um forno de arco elétrico durante a produção de liga de ferro, caracterizado por o método compreender a etapa de carregar o forno pela injeção de um polímero contendo carbono não-aglomerado na escória de liga de ferro localizada em uma zona quente do forno, tal que o polímero funciona como um precursor de espumação de escória pela geração de gás CO através da redução de óxido de ferro na escória pelo carbono, e a oxidação de carbono a partir do polímero contendo carbono.

2. Método de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por o polímero contendo carbono não-aglomerado ser injetado de maneira a queimar no forno e liberar energia calorífica para a liga fundida/carga de alimentação e gerar um agente que espuma a escória.

3. Método de acordo com a reivindicação 2 caracterizado por em adição à espumação da escória, o polímero contendo carbono não-aglomerado fazer uma redução química de cada óxido de metal na escória para produzir a liga de ferro; e/ou recarburizar uma liga resultante de ferro e carbono.

4. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes caracterizado por compreender injetar uma fonte adicional de carbono no forno.

5. Método de acordo com a reivindicação 4 caracterizado por a fonte adicional de carbono ser carbono, coque, carbono puro, carvão vegetal e/ou grafite.

6. Método de acordo com a reivindicação 4 ou 5 caracterizado por o polímero contendo carbono não-aglomerado e a fonte adicional de carbono serem carregados no interior do forno aproximadamente em uma proporção em peso de 1:1.

7. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes caracterizado por o polímero contendo carbono não-aglomerado ser um plástico de reciclagem.

8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes caracterizado por o polímero contendo carbono não-aglomerado consistir essencialmente de átomos de C, H e opcionalmente O.

9. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes caracterizado por o polímero contendo carbono não-aglomerado ser carregado no interior do forno na forma de partículas de polímero.

10. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes caracterizado por a liga de ferro produzida ser aço.