UFOP - CETEC - UEMG

REDEMATREDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS

UFOP – CETEC – UEMG

Odilon José da Silva

"Caracterização Tecnológica de Carvões para Coqueria"

Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa

de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais da

REDEMAT, como parte integrante dos requisitos

para a obtenção do título de Mestre em Engenharia

de Materiais.

Área de concentração: Materiais Metálicos

Orientador: Prof. Paulo Santos Assis

Ouro Preto, Setembro de 2008.

ii

Catalogação: sisbin@sisbin.ufop.br

S586c Silva, Odilon José da. Caracterização tecnológica de carvões para coqueria [manuscrito] / Odilon José da Silva. – 2008. xvi, 74 f.: il. color., grafs., tabs., mapas. Orientador: Prof. Dr. Paulo Santos Assis. Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Ouro Preto. Escola de Minas. Rede Temática em Engenharia de Materiais. Área de concentração: Processos de fabricação. Carvão - Minas e mineração - Teses. 2. Coque metalúrgico - Teses. 2.Tecnologia - Determinação mineralógica - Teses. I. Universidade Federal de Ouro Preto. II. Título.

CDU: 552.574

iii

iv

DEDICATÓRIA

Agradeço a Deus, por me dar a força e a determinação necessárias para conquistar meus

objetivos.

A minha esposa Margareth, pelo companheirismo e pela compreensão de sempre.

Aos meus pais, Sebastião (in memorian) e Sebastiana, que não mediram esforços para que eu

chegasse até aqui.

Muito obrigado!

v

AGRADECIMENTOS

• A ArcelorMittal, pela oportunidade para realização desta dissertação.

• Aos professores da REDEMAT, pelos ensinamentos e colaboração.

• Ao Prof. Dr. Paulo Santos Assis, pelo apoio e colaboração.

• A todos que de alguma forma colaboraram na realização deste trabalho, muito

obrigado a todos.

vi

Resumo

Uma marcha estável do alto-forno está bastante ligada à consistência das propriedades

químicas, físicas e metalúrgicas das suas matérias-primas, especialmente, do coque.

Consistência de propriedades corresponde a que o coque de alta qualidade carregado no alto-

forno apresente, portanto, ao longo do tempo, valores de umidade, cinza, enxofre, álcalis,

fósforo, tamanho, distribuição de tamanhos, resistência a frio e resistência após reação com

dispersão mínima em relação aos determinados como meta em termos de qualidade.

Este trabalho tem por objetivos comparar a qualidade do coque produzido industrialmente

entre os laboratórios do INCAR e ArcelorMittal Tubarão, correlacionar o coque produzido

industrialmente e em escala piloto e desenvolver modelos de previsão da qualidade do coque

baseados na caracterização tecnológica de carvões individuais e misturas industriais.

Sendo assim uma metodologia desenvolvida para caracterizar os carvões se torna uma

ferramenta importante na seleção de carvões e misturas de carvões para produção de coque

para alto-forno, visando estabilidade operacional com maior produtividade nos altos-fornos e

redução do custo do gusa, já que representa 30% do custo da placa ou 40% do gusa.

vii

Abstract

An stable operation of the blast furnace is strongly linked to the consistency of chemical,

physical and metallurgical properties of its raw-materials, specially of the coke. Properties

consistency means that the coke load to blast furnace presents, therefore, all the time, values

of moisture, ash, sulphur, alkalis, phosphorous, size, size distribution, cold strength and

strength after reaction with minimal dispersion in relation to the values determined as target in

terms of quality.

Our objectives is to compare the coke quality produced industrially in the laboratories of

INCAR (Instituto Nacional del Carbon-Oviedo/Spain) and ArcelorMittal Tubarão, correlating

the coke produced industrially and in pilot scale and to develop models to forecast the coke

quality based on the technological characterization of individual coals and industrial coal

blends.

So, a methodology developed to the characterization of the coals becomes an important tool in

coals selection and coal blends for the production of blast furnace coke, aiming to the

operational stability with higher productivity in the blast furnaces and the pig iron cost

reduction, since it represents 30% of the cost of the slab or 40% of the pig iron.

viii

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................1

2. OBJETIVOS.....................................................................................................................2

3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA.........................................................................................3

3.1. INTRODUÇÃO .............................................................................................................3

3.2. ORIGEM DO CARVÃO...............................................................................................7

3.3. CLASSIFICAÇÃO DOS CARVÕES ...........................................................................8

3.3.1. CONSTITUINTES PETROGRÁFICOS – NOMENCLATURA E

CARACTERÍSTICAS .......................................................................................................13

3.3.2. CONSTITUIÇÃO MACROSCÓPICA DOS CARVÕES. ......................................18

3.3.3. IMPORTÂNCIA DA PETROGRAFIA DOS CARVÕES ......................................20

3.3.4. COMPORTAMENTO DOS MACERAIS DURANTE A COQUEIFICAÇÃO.....22

3.3.5. A COQUEIFICAÇÃO..............................................................................................22

3.3.5.1. NOVAS TECNOLOGIAS DE FABRICAÇÃO DE COQUE ..............................27

3.3.6. MODELOS DE PREVISÃO DE RESISTÊNCIA DO COQUE .............................28

3.3.7 MODELOS DE PREVISÃO DE PROPRIEDADES A QUENTE DO COQUE.....30

4. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS .....................................................................36

4.1. DESCRIÇÃO DE EQUIPAMENTOS E PROCEDIMENTO EXPERIMENTAIS..36

4.1.1. ANÁLISES IMEDIATAS E ENXOFRE TOTAL..................................................37

ix

4.1.2. ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA ..................................................................38

4.1.3. ENSAIO DE FLUIDEZ GIESELER .......................................................................39

4.1.4. CARACTERIZAÇÃO PETROGRÁFICA.............................................................40

4.1.5. FORNO PILOTO DE PAREDE MÓVEL...............................................................40

4.1.6. ÍNDICE DE RESISTÊNCIA MECÂNICA A FRIO DO COQUE – DRUM

INDEX (DI) ........................................................................................................................43

4.1.7. ÍNDICE DE REATIVIDADE DO COQUE - COKE REACTIVITY INDEX (CRI)

.............................................................................................................................................45

5. RESULTADOS E DISCUSSÃO. ...................................................................................49

5.1. MODELO DE PREVISÃO DO ÍNDICE DE RESISTÊNCIA MECÂNICA A FRIO

(DI 15015 ) DO COQUE DE FORNO PILOTO...................................................................63

5.2. MODELO DE PREVISÃO DO ÍNDICE DE REATIVIDADE (CRI) DO COQUE

DE FORNO PILOTO.........................................................................................................65

6. CONCLUSÕES ..............................................................................................................67

7. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS..........................................................68

8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..........................................................................69

9. PUBLICAÇÕES .............................................................................................................72

ANEXO 1. MEDIDAS ESTATÍSTICAS...........................................................................73

x

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 3.1.1 RESERVAS MUNDIAIS DE CARVÃO MINERAL – SITUAÇÃO EM

2002. [5] ..................................................................................................................................4

FIGURA 3.3.1. PLASTÔMETRO DE GIESELER E CURVA DE VARIAÇÃO DA

FLUIDEZ COM A ELEVAÇÃO DA TEMPERATURA DA AMOSTRA DE

CARVÃO[8]...........................................................................................................................9

FIGURA 3.3.2 VARIAÇÃO DOS PARÂMETROS FÍSICOS E QUÍMICOS COM A

CLASSE DO CARVÃO. ....................................................................................................12

FIGURA 3.3.3 REFLETÂNCIA DOS CARVÕES COM O AUMENTO DOS RANK[9].

.............................................................................................................................................13

FIGURA 3.3.1.1 DIAGRAMA DE VAN KREVELEN MOSTRANDO O CAMINHO DE

COALIFICAÇÃO DA EXINITA, INERTINITA E VITRINITA. MODIFICADO DE

TISSOT E WELT (1987)....................................................................................................16

FIGURA 3.3.1.2 MODELO DE ASADA PARA DI15015 BASEADO NAS RELAÇÕES

ATÔMICAS DE HIDROGÊNIO E CARBONO E OXIGÊNIO E CARBONO[11]. ........17

FIGURA 3.3.2.1. MACERAIS E SUBMACERAIS DE CARVÃO. [CHAVE:

SUPERIOR ESQUERDO: VITRINITA; SUPERIOR DIREITO: ESPORINITA;

INTERMEDIÁRIO SUPERIOR ESQUERDO: CUTINITA; INTERMEDIÁRIO

SUPERIOR DIREITO: RESINITA; INTERMEDIÁRIO INFERIOR ESQUERDO:

SEMIFUSINITA; INTERMEDIÁRIO INFERIOR DIREITO: FUSINITA; INFERIOR

ESQUERDO: MICRINITA E INFERIOR DIREITO: ESCLEROTINITA[12]]..............20

FIGURA 3.3.5.1 VARIAÇÃO DA MÁXIMA FLUIDEZ PARA DIVERSAS MATÉRIAS

VOLÁTEIS DE CARVÕES...............................................................................................23

FIGURA 3.3.5.2. PROCESSO DE COQUEIFICAÇÃO[11]. .............................................24

xi

FIGURA 3.3.5.3. ISOTERMAS DE COQUEIFICAÇÃO[14], COM FOTO DE UM

FORNO COQUEIFICADO À DIREITA. .........................................................................26

FIGURA 3.3.5.4 VISTA SUPERIOR DAS BATERIAS DE FORNOS DE COQUE DA

ARCELORMITTAL TUBARÃO A ESQUERDA E DESENHO ESQUEMÁTICO DE

UMA BATERIA CONVENCIONAL A DIREITA...........................................................26

FIGURA 3.3.5.1.1 DESENHO ESQUEMÁTICO DE UMA COQUERIA HEAT

RECOVERY[15]. .................................................................................................................27

FIGURA 3.3.7.1 RELAÇÃO DA RESISTÊNCIA APÓS REAÇÃO (CSR) E TEOR DE

INERTE MACERAL. ........................................................................................................31

FIGURA 3.3.7.2 RELAÇÃO DA RESISTÊNCIA APÓS REAÇÃO (CSR) E A

RESISTÊNCIA MECÂNICA A FRIO (DI3015) . ...............................................................32

FIGURA 3.3.7.3 RELAÇÃO DA BASICIDADE DA CINZA DE CARVÕES

CANADENSES E CSR PARA UMA DADA REFLETÂNCIA........................................33

FIGURA 3.3.7.4 REPRODUÇÃO DO DIAGRAMA ORIGINAL DE MOF

MOSTRANDO A RELAÇÃO ENTRE FLUIDEZ E RANK (REFLECTÂNCIA) E A

JANELA ONDE PODEM SER OBTIDOS VALORES DE DI 3015 ENTRE 90 E 92%..34

FIGURA 4.1.1 FLUXOGRAMA GERAL.........................................................................37

FIGURA 4.1.1.1 LECO SC 132 UM INSTRUMENTO UTILIZADO PARA MEDIR O

TEOR DE ENXOFRE TOTAL DE AMOSTRAS SÓLIDAS E LÍQUIDAS...................38

FIGURA 4.1.2.1 VISTA FRONTAL DO EQUIPAMENTO TA INSTRUMENTS SDT

2960. ....................................................................................................................................39

FIGURA 4.1.3.1 VISTA FRONTAL DO PLASTÔMETRO GIESELER R. B.

AUTOMAZIONE MODELO PL2000...............................................................................40

xii

FIGURA 4.1.5.1 CURVAS CARACTERÍSTICAS DE UM GRÁFICO DE CONTROLE

DE UM ENSAIO EM FORNO PILOTO DE COQUEIFICAÇÃO DE UMA AMOSTRA

DE CARVÃO OU MISTURAS DE CARVÕES. ..............................................................41

FIGURA 4.1.5.2 FIGURA ESQUEMÁTICA DO FORNO PILOTO. .............................42

FIGURA 4.1.5.3 VISTA LATERAL DO FORNO PILOTO DE COQUEIFICAÇÃO. ..43

FIGURA 4.1.6.1 DETALHES DO TAMBOR USADO PARA DETERMINAÇÃO DA

RESISTÊNCIA MECÂNICA A FRIO (DI). .....................................................................44

FIGURA 4.1.6.2. VISTA FRONTAL DO TAMBOR PARA ENSAIO DI. ......................45

FIGURA 4.1.7.1 ESQUEMA SIMPLIFICADO DO EQUIPAMENTO UTILIZADO

PARA DETERMINAR A REATIVIDADE DO COQUE – CRI (ASTM D5341) ...........46

FIGURA 4.1.7.2 ESQUEMA SIMPLIFICADO DO EQUIPAMENTO UTILIZADO

PARA DETERMINAR A REATIVIDADE DO COQUE APÓS REAÇÃO (CSR). .......47

FIGURA 4.1.7.3 GRÁFICO DE CONTROLE DE TEMPERATURA DE UMA

AMOSTRA DE COQUE DURANTE ENSAIO DE REATIVIDADE – CRI (ASTM

D5341).................................................................................................................................48

FIGURA 5.1 COMPOSIÇÃO DAS MISTURAS DE “A” A “M” POR ORIGEM. ........51

FIGURA 5.2 COMPARATIVO ENTRE OS RESULTADOS DE DI15015 COQUE

PRODUZIDO INDUSTRIALMENTE NAS BATERIAS DE FORNOS DE COQUE DA

ARCELORMITTAL TUBARÃO E ANALISADO NO INCAR......................................53

FIGURA 5.3 COMPARATIVO ENTRE OS RESULTADOS DE CSR DO COQUE

ANALISADOS NA ARCELORMITTAL TUBARÃO E NO INCAR. ............................55

FIGURA 5.4 CORRELAÇÃO ENTRE O DI15015 DO COQUE PRODUZIDO

INDUSTRIALMENTE E ATRAVÉS DE FORNO PILOTO PARA AS MISTURAS DE

“A” A “O”. .........................................................................................................................57

xiii

FIGURA 5.5 CORRELAÇÃO ENTRE O CSR DO COQUE PRODUZIDO

INDUSTRIALMENTE E ATRAVÉS DE FORNO PILOTO PARA AS MISTURAS DE

“A” A “O”. .........................................................................................................................58

FIGURA 5.1.1 CORRELAÇÃO ENTRE O DI 15015 DO COQUE DE FORNO PILOTO

E A ESTIMATIVA PELO MODELO BASEADO EM MATÉRIA VOLÁTIL E

LOG(MF)............................................................................................................................64

FIGURA 5.2.1 CORRELAÇÃO ENTRE CSR PREVISTO A PARTIR DO CRI E O

CSR OBTIDO EM FORNO PILOTO...............................................................................65

FIGURA A 1 MEDIDAS ESTATÍSTICAS.......................................................................73

xiv

LISTA DE TABELAS

TABELA 3.1.1. DISTRIBUIÇÃO DAS RESERVAS MUNDIAIS RECUPERÁVEIS DE

CARVÃO MINERAL NO MUNDO EM 2006. [3]...............................................................3

TABELA 3.1.2. COMÉRCIO MUNDIAL DE CARVÃO COQUEIFICÁVEL DE 2005. [4]............................................................................................................................................4

TABELA 3.1.3 COMPOSIÇÃO QUÍMICA CARACTERÍSTICA DO CARVÃO

MINERAL NACIONAL. .....................................................................................................6

TABELA 3.1.4 RESERVAS, PRODUÇÃO E CONSUMO DE CARVÃO MINERAL

NO MUNDO EM 2002. [5].....................................................................................................7

3.2. ORIGEM DO CARVÃO...............................................................................................7

TABELA 3.2.1 COMPOSIÇÃO QUÍMICA DA MADEIRA E DOS COMBUSTÍVEIS

FÓSSEIS SÓLIDOS[2]..........................................................................................................8

3.3. CLASSIFICAÇÃO DOS CARVÕES ...........................................................................8

TABELA 3.3.1 CLASSIFICAÇÃO ASTM DOS CARVÕES POR CLASSE. [7].............11

TABELA 3.3.1.1 PRINCIPAIS GRUPOS MACERAIS. ..................................................15

TABELA 3.3.1.2 DISTRIBUIÇÃO MACERAL POR HEMISFÉRIO[9]. ........................15

TABELA 3.3.2.1 PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DOS LITOTIPOS.....................19

TABELA 3.3.5.1.1 COMPARATIVO ENTRE A QUALIDADE DO COQUE

PRODUZIDO PELO PROCESSO HEAT RECOVERY E COQUERIAS

CONVENCIONAIS............................................................................................................28

TABELA 3.3.6.1 MÉTODOS DE PREVISÃO DE RESISTÊNCIA DO COQUE[16]. .....29

xv

TABELA 3.3.6.2 TESTES DE TAMBORAMENTO.......................................................30

TABELA 5.1 ANÁLISES IMEDIATAS E ENXOFRE DOS CARVÕES INDIVIDUAIS.

.............................................................................................................................................50

TABELA 5.2 COMPOSIÇÃO DAS MISTURAS TESTADAS. .......................................51

TABELA 5.3 COMPARATIVO ENTRE OS RESULTADOS DE DI15015 COQUE

PRODUZIDO INDUSTRIALMENTE NAS BATERIAS DE FORNOS DE COQUE DA

ARCELORMITTAL TUBARÃO E ANALISADO NO INCAR......................................52

TABELA 5.4 COMPARATIVO ENTRE OS RESULTADOS DE CRI E CSR DO

COQUE ANALISADOS NA ARCELORMITTAL TUBARÃO E NO INCAR. .............54

TABELA 5.5 RESULTADOS DE DI15015, CRI E CSR DAS AMOSTRAS DE CARVÕES

INDIVIDUAIS E MISTURAS INDUSTRIAIS TESTADOS EM FORNO PILOTO DE

COQUEIFICAÇÃO. ..........................................................................................................56

TABELA 5.6 RESULTADOS DAS ANÁLISES IMEDIATAS E DE ENXOFRE DOS

CARVÕES INDIVIDUAIS E MISTURAS DE CARVÕES. ............................................60

TABELA 5.7 RESULTADOS DAS ANÁLISES DE PLASTICIDADE DOS CARVÕES

INDIVIDUAIS E MISTURAS DE CARVÕES. ................................................................61

TABELA 5.8 RESULTADOS DE BASICIDADE DA CINZA DOS CARVÕES

INDIVIDUAIS E MISTURAS DE CARVÕES. ................................................................62

TABELA 5.1.1 MEDIDAS ESTATÍSTICAS DO MODELO PARA DI 15015. ..................63

TABELA 5.1.2 MEDIDAS ESTATÍSTICAS DO MODELO PARA DI 15015

UTILIZANDO AS VARIÁVEIS MATÉRIA VOLÁTIL E LOG(MF)............................64

TABELA 5.2.1 MEDIDAS ESTATÍSTICAS DO MODELO PARA CSR PREVISTO A

PARTIR DO CRI. ..............................................................................................................65

xvi

TABELA 5.2.2 MEDIDAS ESTATÍSTICAS DO MODELO PARA CRI. ......................66

1

1. Introdução

O desafio da produção de coque está em projetar misturas de carvões que produzam coque a

custo baixo e com elevada qualidade, a ArcelorMital Tubarão mede a qualidade do coque

através de dois indicadores DI15015 e CSR, e que assegurem o prolongamento da vida útil das

coquerias até pelo menos 53 anos. As exigências de qualidade do coque são cada vez mais

rígidas, a ArcelorMital Tubarão visa trabalhar com DI15015 acima de 85% e CSR acima

65,50%, já que o objetivo é aumentar a produtividade dos altos-fornos reduzindo o consumo

de coque e aumentando a taxa injeção de carvão pulverizado.

A etapa mais importante na produção de coque esta ligada à seleção dos carvões a partir de

dados dos fornecedores, as qualidades de carvão são determinadas geralmente com várias

técnicas analíticas.

Espera-se identificar das características intrínsecas dos carvões, tais como análises do rank e

composição maceral às propriedades relacionadas à reatividade e a resistência mecânica a frio

e a quente do coque. Espera-se também desenvolver metodologia de avaliação dos mesmos,

visando à criação de modelo de previsão da qualidade do coque.

A ArceloMittal Tubarão atualizou em 2003 seu modelo de previsão da qualidade[1], todavia

diante da dinâmica do mercado de carvões, entre outros parâmetros, o projeto evoluiu no

sentido de se tentar desenvolver um modelo específico para atender a variabilidade atual, e

isolar o efeito do processo industrial através da realização de testes de carbonização em escala

piloto em um centro de pesquisas e de reconhecimento internacional dedicado a avaliação de

carvões o INCAR (Instituto Nacional del Carbon – Oviedo/Espanha).

Existem vários modelos na literatura, e devido as particularidades da formulação das misturas

de carvões, modelos de baterias de fornos de coque, sistema de aquecimento, praticas

operacionais, etc. Estes não podem ser simplesmente aplicados sem levar as limitações citadas

acima em consideração sendo assim os modelos são customizados para atender as

características de cada unidade produtora de coque, embora basicamente sejam baseados nas

mesmas características dos carvões, já citadas acima.

2

2. Objetivos

Comparar os resultados da qualidade do coque produzido industrialmente analisado no

INCAR e na ArcelorMittal Tubarão.

Correlacionar o coque produzido industrialmente e em escala piloto.

Desenvolver modelo de previsão da qualidade do coque baseado na caracterização

tecnológica dos carvões e misturas.

3

3. Revisão Bibliográfica

3.1. Introdução

O carvão é uma mistura complexa de substâncias orgânicas contendo carbono, hidrogênio e

oxigênio, além de teores mais baixos de nitrogênio, enxofre e outros elementos minoritários.

A presença de carvão na crosta terrestre é bastante freqüente e, embora não haja um

equilíbrio geográfico na distribuição de reservas pelo mundo, é encontrado em todos os

continentes e em mais de 70 países, e em 9 estão concentrados quase 90% das reservas

recuperáveis onde as maiores estão nos EUA, China, Rússia e Índia, como apresentado na

Tabela 3.1.1. [2]

Tabela 3.1.1. Distribuição das reservas mundiais recuperáveis de carvão mineral no mundo

em 2006. [3]

Países Reservas Mundiais

(Milhões de Toneladas)

EUA 246.643

Rússia 157.010

China 114.500

Índia 92.445

Austrália 78.500

África do Sul 48.750

Ucrânia 34.153

Cazaquistão 31.279

Brasil 10.113

Outros 95.671

Total 909.064

A Austrália, Canadá e Estados Unidos são os principais países exportadores de carvão

mineral para a fabricação de coque de alto-forno. A Tabela 3.1.2 mostra os 5 maiores

4

exportadores e importadores do mercado de carvão coqueificável, sendo que o volume

exportado pelos cinco maiores significou aproximadamente 99% das exportações de 2005.

Tabela 3.1.2. Comércio mundial de carvão coqueificável de 2005. [4]

Carvão Coqueificável

Exportação (Mt) Importação (Mt)

Austrália 125 Japão 63

Canadá 26 Coréia do Sul 21

EUA 26 Índia 20

Indonésia 19 Brasil 15

Rússia 12 China 7

A Figura 3.1.1 ilustra as reservas mundiais de carvão mineral no ano de 2002. No Brasil, as

principais reservas de carvão mineral estão localizadas no Sul do País, notadamente no Estado

do Rio Grande do Sul, que detém mais de 90% das reservas nacionais. No final de 2002, as

reservas nacionais de carvão giravam em torno de 12 bilhões de toneladas, o que corresponde

a mais de 50% das reservas sul-americanas e a 1,2% das reservas mundiais.

Figura 3.1.1 Reservas mundiais de carvão mineral – situação em 2002. [5]

No Brasil as reservas de carvão mineral estão divididas em 5 regiões[6]:

• Alto Solimões;

• Rio Fresco;

5

• Tocantins – Araguaia;

• Ocidental do Piauí;

• Meridional.

A produção de carvão brasileiro, minerado em 1999, atingiu 10,3 milhões de toneladas e 13,8

milhões no ano 2000, e o consumo concentrada na geração de termoeletricidade.

No ano de 1999 o Brasil importou 16,2 milhões de toneladas de carvão, destas 62% para uso

na siderurgia e 38,0% refere-se ao consumo de carvão energético para uso em usinas

termoelétricas e o restante para uso industrial, parte importada dos Estados Unidos (33%),

Austrália (31%), África do Sul (9%) e Canadá (8%), ao custo de US$ 600 milhões.

Atualmente, 85% do carvão utilizado no Brasil é consumido na produção de

termoeletricidade, 6% na indústria cimenteira, 4% na indústria de papel celulose e os

restantes 5% nas indústrias de cerâmica, de alimentos e secagem de grãos.

Dentro da diversidade que apresentam os carvões economicamente significativos do Sul do

Brasil, há algumas características comuns:

• As camadas de carvão estão intercaladas de estéril, o que obriga à lavra conjunta e

posterior beneficiamento;

• O teor de cinzas dos carvões “run-of-mine” é sempre elevado;

• As frações de carvão com teor de cinzas relativamente baixo são escassas e de difícil

separação ou beneficiamento.

No entanto, os carvões de Santa Catarina possuem uma fração com boas características para

Coqueificação, têm alto teor de cinzas, e possui enxofre apenas aceitável, conforme Tabela

3.1.3. Na década de 90 a política de liberação da siderurgia do uso de carvão nacional tornou

a competição com outros mercados fornecedores inviável economicamente.

6

Tabela 3.1.3 Composição química característica do carvão mineral nacional.

Composição (%)

Carbono 59,87

Hidrogênio 3,78

Oxigênio 7,01

Enxofre 2,51

Cinzas 26,83

Total 100

Os carvões do Paraná podem ser economicamente lavados até teores de cinzas inferiores a

10%, mas apresentam alto teor de enxofre, na faixa de 1,3%.

Os carvões do Rio Grande do Sul, mais diversificados entre si, têm pouco enxofre e alto teor

de cinzas; quanto às características plásticas, detectou-se apenas uma fração da mina do

Leão, com inchamento positivo.

Economicamente, e no atual estágio de conhecimento, só apresentam condições de lavra as

ocorrências da região Meridional, nos estados do Rio Grande do Sul, Santa Catarina e

Paraná. Em resumo, as reservas de carvão mineral do Brasil são de lavras subterrâneas de

difícil beneficiamento. Os carvões mesmo depois de lavados apresentam cinza e enxofre

altos. Tecnicamente estes carvões poderiam ser utilizados nas misturas de carvões, porém

economicamente tornaram-se inviáveis por causa de: baixo rendimento do carvão

coqueificável, elevados custos de extração, beneficiamento e transporte.

Apesar dos problemas energéticos e econômicos causados pelos choques do petróleo, as

minas sul-catarinenses atingiram, como produção máxima de carvão siderúrgico, 1,305

milhões de toneladas em 1980, correspondendo a 23,9% do consumo das coquerias. Com o

final da crise petrolífera e o aumento dos custos das minas causados pela exaustão dos trechos

geologicamente mais favoráveis, a produção nacional caiu gradualmente para cerca de 0,8Mt

no triênio 1987/89, representando bem menos de 10% do consumo das coquerias, que tinham

crescido do patamar de 5Mt (1978/82) para 10Mt (1987/93). Finalmente, em 1990, a

desregulamentação total das indústrias carbonífera e siderúrgica encerraram subitamente o

uso do carvão nacional na siderurgia. Pois o uso intensivo do carvão brasileiro esbarra em

7

suas limitações intrínsecas de qualidade e geologia das jazidas (baixos rank e grade, jazidas

pequenas, camadas finas e irregulares), com dificuldades sérias de obtenção de uma produção

em grande escala, a preços internacionalmente competitivos.

O carvão mineral é o mais abundante dos combustíveis fósseis, com reservas provadas da

ordem de 1 trilhão de toneladas, o suficiente para atender à demanda atual por mais de

duzentos anos, como indicado na Tabela 3.1.4, estimativa considerando o tempo que as

reservas durariam, sem novas descobertas e com o nível de produção de 2002.

Tabela 3.1.4 Reservas, produção e consumo de carvão mineral no mundo em 2002. [5]

Reservas (R) Produção (P) Consumo R/P Região

106t % 106t % 106t % Anos

America do Norte 257.783,0 26,2 1.072,2 22,2 591,5 24,7 240,4

America do Sul 21.752,0 2,2 53,8 1,1 17,8 0,7 404,3

Europa e antiga

URSS 355.370,1 36,1 1.161,0 24,0 506,1 21,1 306,1

Africa e Oriente

Médio 57.077,0 5,8 231,0 4,8 99,0 4,1 247,1

Asia (Pacifico) 292.471,0 29,7 2.314,7 47,9 1.183,5 49,4 126,4

Total 984.453,1 100 4.832,7 100,0 2.397,9 100,0 203,7

Brasil 11.929,0 1,2 5,80 0,1 12,0 0,5 > 500

3.2. Origem do Carvão

Origem e formação do carvão sempre foram temas de estudos científicos e, mesmo, para

especulações por parte de geólogos, químicos e, até, de engenheiros metalurgistas das

grandes siderúrgicas a coque em todo o mundo. O clima, o tipo de vegetação e a área de

desenvolvimento da matéria vegetal foram os fatores que deram origem as características dos

carvões. Estas características dependem também das condições de deposição e das condições

geológicas. A evolução do carvão a partir de matéria vegetal iniciou-se por degradação em

ambiente aquático de estruturas celulares de matéria orgânica e vegetal por ação de fungos e

bactérias. Embora não existam evidências concretas da conversão de um componente em

8

outro, visto que os processos que originaram os carvões duraram milhões de anos, considera-

se que os carvões pertencem a uma série de combustíveis fósseis sólidos, que começa na

turfa e termina no antracito conforme é mostrado na Tabela 3.2.1. Nesta tabela mostra-se a

composição elementar de cada combustível na sua evolução geológica.

Tabela 3.2.1 Composição química da madeira e dos combustíveis fósseis sólidos[2].

Madeira e Combustíveis Fosseis Composição

Madeira Turfa Linhito Carvão Antracito Grafite

Carbono 44-52 50-68 55-75 74-96 90-96 100

Oxigênio 43-42 35-28 26-19 20-3 3-0 0

Hidrogênio 5-6 7-5 6-9 5-1 3-1 0

Constata-se que partindo-se da madeira em direção ao antracito, há um aumento do teor de

carbono, o processo de enriquecimento em carbono é chamado de carbonificação, e

diminuição dos teores de oxigênio e hidrogênio. Para que essas transformações pudessem

ocorrer foram necessárias condições geológicas particulares (temperatura e pressão)

associados à deposição de sedimentos e fósseis orgânicos, temas de estudos que levaram às

muitas teorias existentes sobre formação do carvão.

3.3. Classificação dos Carvões

O carvão mineral é uma substancia complexa. Devido à complexidade de suas propriedades

físicas e químicas e suas várias formas de utilização, existe um grande número de maneiras

de classificar os carvões que datam desde 1931 e que utilizam uma variedade de parâmetros e

termos de referência. O método mais utilizado na siderurgia é o de rank, que é a

determinação do grau de carbonificação, e é utilizado para fins tecnológicos e de

classificação desse combustível fóssil, o qual se baseia no conteúdo de voláteis e no poder

calorífico e que aqui denominar-se-á de classe [3].

Já as propriedades coqueificantes dos carvões estão relacionadas com sua constituição

petrográfica e propriedades reológicas. Quanto à constituição petrográfica esta é determinada

9

com o uso de microscopia óptica, seleciona os carvões de conformidade com o seu teor em

macerais reativos e inertes, já a capacidade de aglutinação, reológica, é medida através de

equipamentos específicos como mostrado na Figura 3.3.1, estes visam determinar a

capacidade de aglutinação de partículas de carvão no estágio plástico.

Um dos testes da capacidade de aglutinação é o teste de fluidez ou Plastometria Gieseler, este

mede o número de voltas que uma haste (dial) com 100 divisões, submetida a um torque

constante de 300 rpm, realiza por minuto (ddpm) no seio de uma amostra de carvão aquecida

a uma taxa de 3°C/min entre 300 e 500°C. O dial passa por um máximo de rotação durante a

fase plástica do carvão, entre 430 e 480°C, até parar de girar, momento que a amostra deixa a

fase plástica e começa a solidificar novamente com temperatura ligeiramente inferior a

500°C. Carvões que apresentam fluidez entre 100 e 30.000ddpm possuem boa característica

aglutinante/coqueificante.

Figura 3.3.1. Plastômetro de Gieseler e curva de variação da fluidez com a elevação da

temperatura da amostra de carvão[8].

Os macerais dos grupos da vitrinita, reativos, tornam-se plásticos e atuam como material

ligante que envolve os constituintes inertes durante a carbonização. Os constituintes do grupo

da exinita tornam-se muito fluidos e se volatilizam mais que os constituintes dos outros

grupos. E, finalmente, os constituintes do grupo da inertita permanecem inalterados durante a

coqueificação exercendo um efeito depressivo sobre a fluidez, efeito este sendo mais

10

significativo quanto mais finamente estiverem britados. Se os grãos inertes se apresentarem

demasiadamente grossos, poderão causar centros de fissuração em função das diferentes

velocidades de contração que possuem em relação aos constituintes reativos. A fluidez o total

de inertes devem ser, portanto, bem dimensionados para cada índice de operação das baterias.

O carvão não é uma partícula uniforme, mas uma mistura de componentes uniformes

denominados macerais. Os macerais desempenham nos carvões papel similar aos minerais

nas rochas.

O sistema de classificação mais utilizado na siderurgia é o sistema padronizado pela ASTM.

A versão atual deste sistema é mostrado na Tabela 3.3.1. Como mencionado, o carvão é

classificado pelo seu teor de matéria volátil e poder calorífico normalizado para d.a.f (dry-

ash-free que significa seco e livre de cinzas), ou seja, o poder calorífico é calculado livre de

umidade e do conteúdo de cinzas do carvão.

11

Tabela 3.3.1 Classificação ASTM dos carvões por classe [7]

% d

o lim

ite d

e ca

rbon

o fix

o

(sec

o liv

re d

e ci

nzas

)

% d

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ia v

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Pode

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(Btu

/libr

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(sec

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e ci

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)

Classe Grupo

≥ < ≥ < ≥ < Car

acte

ríst

icas

agl

omer

ante

s

I-A

ntra

cito

1. meta antracito

2. antracito

3. semi-antracito

98

92

86

-

98

92

-

2

8

2

8

14

-

-

-

-

-

-

Não

aglo

mer

ante

II -

Car

vão

Bet

umin

oso 1. baixo volátil

2. médio volátil

3. alto volátil A

4. alto volátil B

5. alto volátil C

78

69

-

-

-

88

78

69

-

-

14

22

31

-

-

22

31

-

-

-

-

-

14.000

13.00

11.500

-

-

-

14.000

13.000

C

omum

ente

agl

omer

ante

III

– Su

b-

betu

min

os 1. carvão A

2. carvão B

3. carvão C

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

10.500

9.500

8.300

11.500

10.500

9.500

IV –

Lig

nita

1. lignita A

2. lignita B

-

-

-

-

-

-

-

-

8.300

-

8.300

6.300

Não

agl

omer

ante

A classe do carvão é determinada pela intensidade do metamorfismo que o carvão sofreu. Os

carvões de maior classe sofreram um metamorfismo maior, enquanto que os de baixa classe

sofreram menos. A Figura 3.3.1 mostra a variação destas duas propriedades com a classe do

carvão. O teor de matéria volátil por exemplo muda muito pouco para uma larga faixa de

carvões betuminosos, mas para a classe antracítica este efeito é mais pronunciado.

12

Figura 3.3.2 Variação dos parâmetros físicos e químicos com a classe do carvão.

Note as mudanças na matéria volátil e no poder calorífico e compare com a forma que elas

são utilizadas no estabelecimento do sistema de classificação da ASTM (Teichmuller, 1982).

O poder calorífico, o qual aumenta regularmente na parte inferior da tabela de classificação, e

atinge um patamar na classe de médio volátil, e logo após diminui ligeiramente.

Como uma regra geral, o conteúdo de voláteis diminui à medida que o nível na classe se

eleva. E por este motivo se tornou e ainda é um meio de classificação dos carvões apesar de

que melhores correlações entre as propriedades coqueificantes e os carvões podem ser

obtidas através da petrografia e plastometria. Como a maioria das propriedades dos carvões

não varia segundo as mesmas leis, para que possam ser obtidos valores comparáveis, o que se

faz é a determinação da classe do carvão sobre um mesmo maceral. E para o caso particular

do carvão, a classe é determinada sobre o maceral vitrinita, pelas seguintes razões: a vitrinita

é o maceral mais abundante e, em conseqüência, o mais representativo; suas propriedades

variam de modo contínuo durante a carbonificação, podendo ser observada ao microscópio

óptico em toda a escala de evolução. A Figura 3.3.2 mostra a faixa onde podem ser

encontrados os carvões para fabricação de coque para alto-forno, percebe-se também grande

correlação entre matéria volátil e reflectância para estes tipos de carvões.

13

Figura 3.3.3 Refletância dos carvões com o aumento dos rank[9].

De acordo com a Figura 3.3.2 os carvões coqueificáveis estão entre 0,7 a 1,6% de refletância

o que corresponde a voláteis entre 16 e 35% de voláteis.

3.3.1. Constituintes Petrográficos – Nomenclatura e Características

De forma sucinta, o carvão mineral pode ser definido como uma rocha sedimentar composta

principalmente de macerais, minerais e de água inclusa em poros. São originados de restos de

diferentes órgãos e tecidos de plantas e suas propriedades físicas e químicas variam conforme

a carbonização se processa. Os macerais se comportam de forma similar aos minerais nas

rochas inorgânicas. Os carvões contém, em diferentes proporções, matéria mineral e

macerais, os quais levam ao conceito de caracterização de carvões de acordo com os seus

tipos. A classe do carvão e o tipo de carvão podem ser considerados como componentes

independentes e fundamentais na classificação dos carvões [10].

Somente carvões que ocorrem em um particular rank pode produzir coque, como citado

14

acima. O maceral vitrinita apresenta grande quantidade de ligações de Van der Waals

Hidrogênio/Carbono que são mais fracas que as ligações oxigênio/carbono que ocorrem em

carvões de baixo rank. A esta característica está correlacionada a existência de

comportamento plástico sob aquecimento destes tipos de carvões.

O maceral mais comum é a vitrinita. É o grupo de macerais mais abundante, principalmente

nos carvões do hemisfério norte (aproximadamente 80 ± 10%). A caracterização do carvão de

acordo com seu conteúdo de macerais não vitriníticos e minerais então fornece uma visão

interior dos desvios das propriedades da massa bruta de carvão das propriedades da vitrinita

daquela classe. Portanto, para se comparar carvões, deve-se reconhecer opticamente tanto a

classe, que reflete o estágio de alteração metamórfica, e o tipo de carvão que reflete a

heterogeneidade química inerente dos diversos materiais dos quais o carvão se formou.

Os vários tipos de macerais são frequentemente combinados em três grandes grupos em

função de suas propriedades ópticas, físico-químicas e tecnológicas:

Exinita – também conhecida como liptinita. É formada principalmente pela exina dos esporos

e polens que é a membrana protetora, mecânica e quimicamente muito resistente, protegendo

as células germinais dos vegetais. É o maceral que possui os maiores teores de hidrogênio

alifático, de matéria volátil e poder calorífico. A exinita tem menor densidade e grau de

aromaticidade. Ela mostra a maior intensidade de inchamento e produz os carvões

devolatilizados mais porosos. Formam esse grupo de macerais: a Esporinita, a Cutinita, a

Alginita, a Resinita e a Liptodetrinita. Esses compostos são identificados pela forma e cor.

Em luz refletida, a Exinita, em geral, tende para a tonalidade preta, podendo apresentar

variantes de marrom, castanho escuro, castanho avermelhado, conforme a natureza do carvão

a que pertence.

Inertinita – esse grupo é principalmente o dos tecidos fusinizados em lentes ou em

fragmentos, e seu nome provém das propriedades quase nulas de fusibilidade por ocasião da

coqueificação. Formam esse grupo de macerais: a Fusinita, a Semifusinita, a Inertodetrinita, a

Micrinita, a Micrinita e a Esclerotinita, cada um deles podendo ser identificado por

características de cor e forma. Suas cores características são variantes de tonalidades de

branco. Contem a maior proporção de hidrogênio aromático e, normalmente, contem a menor

proporção de hidrogênio alifático. Ela possui a maior densidade e o menor poder calorífico.

15

Vitrinita – também conhecida como humenita, é de longe o mais abundante dos três

macerais. Ela mostra propriedades intermediárias entre os outros dois tipos de macerais

acima. Esse grupo de maceral é formado pela Telinita, Colinita e Vitrodetrinita que são

caracterizadas por sua estrutura, conforme a tonalidade da cor cinza.

A Tabela 3.3.1.1 resume as principais características do principal grupo maceral.

Tabela 3.3.1.1 Principais grupos macerais.

Vitrinita Exinita Inertinita

- fusibilidade;

- alto poder coqueificante.

- rico em matérias voláteis;

- pior moabilidade.

- pobre em matérias voláteis;

- alto teor de carbono e baixo

teor de hidrogênio;

- não tem poder coqueificante.

A Tabela 3.3.1.2 mostra as principais diferenças em termos de participação de macerais nos

hemisférios sul e norte. Isto demonstra as diferenças que ao longo dos períodos geológicos

foram submetidos a inúmeras influências biológicas, químicas durante sua formação.

Tabela 3.3.1.2 Distribuição maceral por hemisfério[9].

Macerais Hemisfério Norte Hemisfério Sul

Vitrinita 80 ± 10% 40 ± 10%

Exinita 10 ± 5% 10 ± 5%

Inertinita 10 ± 5% 50 ± 10%

Á medida em que o carvão vai se formando, os três tipos de macerais se tornam mais ricos

em carbono. A Figura 3.3.1.1 mostra o caminho de coalificação das exinitas, vitrinitas,

inertinitas e suas derivativas em termos das relações hidrogenio/carbono e oxigênio/carbono.

16

Figura 3.3.1.1 Diagrama de Van Krevelen mostrando o caminho de coalificação da exinita,

inertinita e vitrinita. Modificado de Tissot e Welt (1987).

Durante este processo, as propriedades químicas da vitrinita se alteram uniformemente. O

conteúdo de oxigênio e de voláteis diminuem, enquanto que o teor de carbono aumenta. A

fração do hidrogênio que está na forma aromática se eleva de forma progressiva, enquanto

que a fração ligada aos grupos alifáticos diminui.

Entretanto, as mudanças nas propriedades físicas e químicas da vitrinita não são

completamente uniformes, e ocorrem em quatro estágios descontínuos. O primeiro se inicia

na classe de carvão betuminoso alto volátil, onde o carvão contém aproximadamente 80% de

carbono. O segundo estágio se inicia na classe de carvão betuminoso médio volátil, onde o

carvão contém aproximadamente 87% de carbono, e é caracterizado pela marcante redução

de oxigênio e o inicio da geração de metano (CH4). O terceiro estágio se inicia nos limites

entre as classes de semi-antracito e antracito, onde o carvão tem aproximadamente 91% de

17

carbono. Neste momento, grande quantidade de hidrogênio é liberada como metano,

enquanto que os hidrocarbonetos aromáticos são formados. A exinita não se modifica

significativamente até a condição de sub-betuminoso. Nos limites de carvão sub-betuminoso

a exinita entra em outro estagio marcado pela redução nos voláteis e aumento no teor de

carbono. Na classe de carvão betuminoso médio volátil, a exinita entra em um terceiro

estagio marcado pela redução do hidrogênio e dos voláteis. Na classe de carvão baixo volátil

a exinita assume as propriedades ópticas e químicas da vitrinita. A inertinita não sofre

modificação significativa neste processo. Ela é rica em carbono e contem uma elevada

proporção de hidrocarbonetos aromáticos e portanto sofre muito pouca alteração. À medida

que a coalificação continua, o oxigênio e o hidrogênio remanescentes são eliminados e o teor

de carbono se eleva.

A Figura 3.3.1.2 mostra o as regiões de otimização da resistência do coque, DI15015,

baseados nas relação entre hidrogenio e carbono e oxigênio e carbono dos componentes

reativos dos carvões.

Figura 3.3.1.2 Modelo de Asada para DI15015 baseado nas relações atômicas de hidrogênio e

carbono e oxigênio e carbono[11].

18

3.3.2. Constituição Macroscópica dos Carvões.

O macerais são os componentes básicos dos carvões. Entretanto, eles não ocorrem

isoladamente, apresentando-se associados uns aos outros e com quantidades variáveis de

matéria mineral. Essas associações são quase sempre distinguíveis a olho nu e são

responsáveis pela estrutura estriada dos carvões. São denominadas, de modo genérico, de

litotipos e microlitotipos conforme possam ou não ser distinguidos a olho nu e são utilizadas,

frequentemente, na descrição do comportamento de carvões do ponto de vista físico,

associada ao seu comportamento no tratamento mecânico, concentração, exploração.

Os quatro litotipos mais comuns são:

Vitrênio – constituído de faixas ou leitos brilhantes, contínuos, com terminações lenticulares,

na maioria das vezes com alguns milímetros de espessura (3 a 5mm). Quebra-se cubicamente

e é bastante friável. O exame ao microscópio revela que o vitrênio é constituído por

associações de macerais muito ricos em vitrinita.

Durênio – designa os leitos caracterizados pelo brilho fosco e pela cor que varia de cinza a

marrom escura. E muito duro e seus leitos são particularmente coerentes e as fissuras que o

percorrem são muito finas e bastante raras. O exame microscópico revela que é constituído

por associações de macerais ricas em exinita e em inertinita.

Clarênio – designa todos os leitos que apresentam aspecto entre o do vitrênio e o durênio. É

constituído por bandas brilhantes e foscas, finamente estratificadas e de espessura inferior a

3mm. É o componente mais freqüente, e o exame microscópico revela que é, constituído por

proporções variáveis de macerais dos grupos da vitrinita, exinita e inertinita.

Fusênio – é o único perfeitamente definido. É facilmente reconhecido macroscopicamente

pela sua cor e pelo brilho sedoso. É caracterizado por outro, pela sua estrutura fibrosa e

grande friabilidade. Ele pode incluir uma grande proporção de substâncias minerais que o

consolidam, a ponto de às vezes perder sua friabilidade.

A Tabela 3.3.2.1 mostra as principais características dos litotipos.

19

Tabela 3.3.2.1 Principais características dos litotipos.

Litotipos Características

Vitrênio - espessura 3 a 5mm;

- friável;

- macerais muito ricos em vitrinita;

Durênio - cor que varia de cinza a marrom escura;

- muito duro;

- macerais ricos em exinita e em inertinita;

Clarênio - aspecto entre o do vitrênio e o durênio;

- espessura inferior a 3mm;

- constituído por proporções variáveis de vitrinita, exinita e inertinita;

Fusênio - grande friabilidade;

- grande quantidade de substâncias minerais.

Figura 3.3.2.1 mostra uma seqüência de fotomicrografias dos principais grupos de macerais

e submacerais encontrados o carvão.

Além dos componentes orgânicos, os carvões apresentam também associados ou não aos

primeiros, quantidade variável de matéria mineral. Ela pode ocorrer finamente disseminada

na massa de carvão ou em partes discretas, algumas identificáveis a olho nu. Entretanto para

o caso da siderurgia interessa apenas aquelas disseminadas microscopicamente e que não são

removidas no beneficiamento do carvão minerado e irão constituir as cinzas do carvão

comercializado.

20

Figura 3.3.2.1. Macerais e submacerais de carvão. [Chave: superior esquerdo: vitrinita;

superior direito: esporinita; intermediário superior esquerdo: cutinita; intermediário superior

direito: resinita; intermediário inferior esquerdo: semifusinita; intermediário inferior direito:

fusinita; inferior esquerdo: micrinita e inferior direito: esclerotinita[12]]

3.3.3. Importância da Petrografia dos Carvões.

Há uma ligação importante entre a estrutura microscópica dos carvões betuminosos e certas

propriedades físicas e químicas desse combustível fóssil, dai as possibilidades de aplicação

prática da petrografia do carvão nos ramos da produção de coque, da mineração, da

lavabilidade e da combustão.

A vitrinita, geralmente contribui mais significativamente para a fusibilidade do carvão durante

a transformação de carvão em coque. Dos carvões fusíveis tendo matérias voláteis entre 18%

e 35%, possuem poder coqueificante muito elevado ligado ao seu poder de inchamento e a sua

21

forte plasticidade, resultado da grande quantidade de ligações de Van der Walls relativamente

fracas entre hidrogênio e oxigênio existentes neste grupo de maceral.

A exinita, é o material mais rico em matérias voláteis, o de maior poder de inchamento, de

pior moabilidade o mais rico em alcatrões e hidrogênio. Intervém na coqueificação dos

carvões de mais de 25% de matérias voláteis, como o elemento mais rico em subprodutos e na

gaseificação.

A inertinita é a fração mais densa e a menos rica em matérias voláteis, tem alto valor de

carbono e baixo teor de hidrogênio. Não tem poder coqueificante, mas na fabricação do coque

desempenha papel importante para controlar, nas misturas a coqueificar, pois existe uma forte

percepção que, para uma dada classe de carvão, tem uma relação ótima de componentes

fusíveis e infusíveis para se obter a maximização da resistência do coque.

Certamente que a aplicação prática mais desenvolvida da petrografia dos carvões está na

previsão das propriedades coqueificantes de misturas de carvões.

A determinação do poder refletor associada à análise quantitativa dos macerais, qualificados

em reativos e inertes, permite ao fabricante de coque conhecer com exatidão a composição

maceral dos carvões de que ele dispõe para enfornamento, podendo corrigir suas misturas em

função dessa composição, a fim de obter, em todos os casos, o melhor coque siderúrgico

possível.

Conforme explanado anteriormente, os macerais do carvão têm propriedades físicas e

químicas, extremamente diferentes. O teor em matérias voláteis, em hidrogênio, a densidade

e o inchamento variam de um grupo de macerais a outro. A estrutura dos coques

correspondentes é reflexo dessas propriedades; o coque tem cavidades tanto maiores e mais

abertas quanto mais elevado é o teor em vitrinita e em exinita. Essa estrutura particular

corresponde a um forte desprendimento de gás (matérias voláteis) durante a zona de fusão ou

fase plástica. A fusão não é suficiente para provocar o inchamento e se a matéria fundida é

muito fluida e muito pouco aglutinante os gases se escapam sem produzir inchamento, e este

é fator indispensável na obtenção do coque.

22

3.3.4. Comportamento dos Macerais durante a Coqueificação

Os resultados de diferentes estudos ao longo da evolução da petrografia permitiram a divisão

dos macerais do carvão, em termos de seus comportamentos durante a coqueificação, em

dois grupos: o dos reativos, englobando os macerais que sofrem fusão e posterior

ressolidificação, e funcionam como ligantes, e inertes, que incluem os macerais que não

sofrem fusão e permanecem, praticamente, inalterados durante a carbonização e têm de ser

aglomerados durante o processo.

Os macerais reativos são a vitrinita, a exinita e quantidades variáveis de constituintes do

grupo da inertinita (principalmente, a semifusinita) e os inertes são a semifusinita, fusinita,

micrinita, inertodetrinita, esclerotinita, matéria mineral e quantidades variáveis de vitrinita

(geralmente baixas quantidades nos carvões usados na siderurgia a coque). A distribuição

dos macerais em reativos ou inertes não segue, portanto, uma regra absoluta já que, alguns

macerais reativos poderão apresentar caráter inerte ou vice-versa. Assim é que,

principalmente, dependendo da origem, da classe e do grau de oxidação de um carvão, alguns

dos macerais reativos poderão ser inseridos no grupo dos inertes.

3.3.5. A Coqueificação

A coqueificação em coquerias convencionais é o fenômeno que ocorre quando o carvão é

submetido a temperaturas elevadas, em ausência de oxigênio, provocando a liberação de

gases e o aparecimento de um resíduo sólido, poroso, que é o coque.

Uma coqueria convencional, com recuperação de subprodutos, é constituída de fornos

verticais geralmente de 11 a 15m de comprimento, de 3 a 7m de altura e de 300 a 550mm de

largura média. O número de fornos de uma bateria de fornos de coque é bastante variado

podendo ser entre 12 e 60 fornos.

Neste processo o carvão atinge o estado plástico e dilata para finalmente solidificar-se, sendo

que este mecanismo não é ainda completamente conhecido, portanto sendo campo aberto às

pesquisas.

23

O estado plástico do carvão segundo alguns autores é um processo puramente físico,

correspondendo a fusão de um material termoplástico, e, portanto independente da pirólise.

Este fato foi comprovado experimentalmente, verificando-se a reversibilidade do processo

neste estágio.

O estado plástico depende quase que inteiramente da composição petrográfica, sendo tanto

menor quanto maior a porcentagem de vitrinita do carvão, Figura 3.3.5.1 mostra curvas de

fluidez e matéria volátil para vários carvões. A temperatura de amolecimento seria então

independente da temperatura de inicio da decomposição térmica (Habermehl et al, 1963).

Figura 3.3.5.1 Variação da máxima fluidez para diversas matérias voláteis de carvões.

24

Já a dilatação é causada principalmente pela resistência oferecida à liberação dos gases, a

ressolidificação é a conseqüência da volatilização e decomposição dos produtos fluídos.

Após a ressolidificação, a massa residual sofre ainda uma perda em peso e aumento na

densidade o que provoca sua contração.

O carvão é aquecido em coquerias convencionais a temperaturas entre 1100 a 1350°C em

ausência de oxigênio e decompõe-se formando:

a) Alcatrão, óleos leves e gás de coqueria.

b) Coque, que é o resíduo resultante, sólido, poroso, formado essencialmente de carbono,

cujas propriedades devem ser compatíveis com as exigências de qualidade impostas pelo alto-

forno, disponibilidade de carvões e metodologia de produção da coqueria.

Em função das temperaturas caracterizadas pelas propriedades plásticas dos carvões, o

processo de coqueificação pode ser assim esquematizado como mostrado na Figura 3.3.5.2,

logo após o enfornamento inicia-se a fase de secagem do carvão e ao final da coqueificação

ultrapassar a temperatura de 900°C tem-se o semicoque.

Figura 3.3.5.2. Processo de Coqueificação[11].

Onde:

• Ta – temperatura de inicio de amolecimento;

• Ti - temperatura de inicio de inchamento;

• Tm - temperatura de máxima fluidez;

Ta Ti Tm Tv Tr

Carvão Estado plástico Semicoque

25

• Tv - temperatura de desvolatização máxima;

• Tr – temperatura de ressolidificação.

A transformação do carvão em coque é realmente iniciada no ponto “Ta” sendo a soma de

dois fenômenos distintos que se realizam parcialmente:

a) Primeiro estágio da coqueificação - ocorre entre as temperaturas “Ta” e “Tr”, ou seja,

aproximadamente entre 350 e 550°C com desprendimento, sobretudo de hidrocarbonetos e

todo o alcatrão. Nesta fase, o inchamento do carvão ocorre praticamente entre as

temperaturas “Ti” e “Tm”, sendo que esta última quase se confunde com “Tv”.

b) Segundo estágio de coqueificação - ocorre acima da temperatura “Tr”, ou seja,

aproximadamente entre 550 e 900°C não havendo mais desprendimento de alcatrão e o gás

contendo muito hidrogênio. Esta é a fase de transformação do semicoque em coque.

Na prática, o carvão carregado em uma célula de uma bateria de fornos de coque entra em

contacto com as duas paredes aquecidas e o calor é transmitido, por condução, para o centro

da carga, conforme mostrado na Figura 3.3.5.3 onde se pode ver na foto do forno

coqueificado a linha central do encontro das isotermas. De cada parede surgem duas

superfícies planas isotérmicas que caminham para o centro da carga, a primeira delas

representada pela temperatura “Ta” e a outra, mais próxima da parede, pela temperatura "Tr".

O material situado entre as isotermas formam uma camada de aproximadamente 15mm de

espessura constituindo o "envelope plástico", ocorrendo aí o primeiro estágio da

coqueificação. A seguir o processamento das reações finais de condensação e

desidrogenação, características do segundo estágio da coqueificação, transformam o

semicoque em coque.

26

Figura 3.3.5.3. Isotermas de coqueificação[14], com foto de um forno coqueificado à direita.

A velocidade de avanço das isotermas, no seu caminho desde a parede dos fornos até o centro

da carga constitui o "coking-rate" e a coqueificação está terminada com o encontro destas

duas frentes plásticas. O tempo total para a coqueificação de uma carga nos fornos industriais

varia de 13 a 24 horas sendo função essencialmente da largura do forno, temperatura de

operação e densidade da carga de carvão.

A Figura 3.3.5.4. mostra a foto de uma coqueria de grande porte.

Figura 3.3.5.4 Vista superior das Baterias de fornos de coque da ArcelorMittal Tubarão a

esquerda e desenho esquemático de uma bateria convencional a direita.

27

3.3.5.1. Novas Tecnologias de Fabricação de Coque

No mundo, a produção de coque metalúrgico ainda vem principalmente a partir de coquerias

convencionais do tipo by-products, conforme mostrado na Figura 3.3.5.4. O segundo método

de produção de coque metalúrgico é o Heat Recovery/Non Recovery, a Figura 3.3.5.1.1

mostra o desenho esquemático de uma coqueria heat recovery. A produção deste coque no

mundo pode ser encontrada nos seguintes países: 1) E.U.A., 2) China, 3) Austrália, 4) Brasil,

5) Columbia, 6) Peru . Estes centros de Heat Recovery/Non Recovery de produção de coque

têm a concepção básica composta de um leito aquecido de carvão dentro de uma câmara de

combustão. O gás gerado é oxidado diretamente acima do carvão/coque que fornece e

consome a energia necessária para a coqueificação. No processo Heat recovery o calor dos

gases exaustos é utilizado em caldeiras para a geração de energia elétrica, já no processo Non

Recovery não há a recuperação do calor dos gases[15].

Figura 3.3.5.1.1 Desenho esquemático de uma coqueria heat recovery[15].

Segundo Valia, como mostrado na Tabela 3.3.5.1.1, geralmente a qualidade do coque

produzindo em uma coqueria do tipo heat recovery será superior ao coque produzido por uma

mesma mistura de carvões em uma bateria convencional. Diferença esta explicada pelo maior

tempo de Coqueificação, 48 horas contra 16 horas em coquerias convencionais (menor

velocidade de coqueificação), maiores temperaturas dos fornos 1450°C contra 1350°C em

baterias convencionais e elevando tempo de super-coqueificação (2 horas contra 1 hora em

coquerias convencionais).

28

Tabela 3.3.5.1.1 Comparativo entre a qualidade do coque produzido pelo processo heat

recovery e coquerias convencionais.

Qualidade do Coque Heat Recovery Convencional

CSR (%) 70 62

M40 (%) 86 84

3.3.6. Modelos de Previsão de Resistência do Coque

Diversos métodos foram desenvolvidos na Rússia, EUA, Europa e Japão para previsão de

índices de resistência mecânica baseando-se nos resultados de: análise petrográfica, análises

estatísticas de dados industriais e/ou coqueificação em escala piloto, alguns são apresentados

na Tabela 3.3.6.1. Os métodos inicialmente propostos foram desenvolvidos para carvões do

hemisfério norte e não podem ser aplicados com suficiente precisão para carvões do

hemisfério sul, particularmente, de altos teores de inertes. Os métodos de previsão de

resistência podem ser divididos em dois grandes grupos: um com métodos em que se faz a

previsão do valor de um índice de resistência e outro com métodos que definem uma "janela

de propriedades aglutinantes" para as misturas que originam índices de resistência iguais ou

superiores ao mínimo exigido.

29

Tabela 3.3.6.1 Métodos de previsão de resistência do coque[16].

Autor Parâmetros Parâmetro Previsto

Simonis Fator G (resultados dilatométricos), largura do

forno densidade de carga e tempo de coqueificação

M40

Radek Fator E (resultados dilatométricos e FSI), fator Z

(distribuição granulométrica) e matéria volátil

M40, M10

Ammosov Índice de “Leanness” (análise maceral) capacidade

de coqueificação (Rmáx. e análise maceral)

Índice Sundgren

(Resíduo de Tambor)

Schapiro e Gray Índice de inertes (análise maceral), índice de

resistência, (Rmáx, histograma de refletância e

análise maceral)

Estabilidade ASTM

Thompson e Benedict Modificação do método Schapiro/Gray Estabilidade ASTM

Koba Matéria Volátil, carbono, hidrogênio, oxigênio,

Rmáx., teor de inertes, dilatação total e fluidez

máxima

DI 150-15

USBM Matéria Volátil, cinza, carbono, taxa de

Coqueificação, expansão/contração, densidade de

carga e preparação da carga (umidade e % de

partículas menores que 6mesh)

Estabilidade e dureza ASTM

MOF (Miyazu et all) Diagrama MOF (Rmáx.fluidez máxima) Garantia de resistência

A maioria destes modelos foi criada entre 1950 e 1970, para as condições especificas do

mercado de carvão existente, período em que o maior exportador era o Americano, atualmente

o maior exportador mundial de carvões coquei ficáveis é a Austrália. Na Europa, exceto na

Rússia e os países do Leste Europeu não existem minas em condições econômicas de

exploração, mesmo assim as condições de extração no Leste Europeu são cada vez mais caras

devido a baixa disponibilidade de carvões de boa qualidade e a profundidade das minas. Com

isto, apenas as siderúrgicas americanas, que recebem incentivos para utilizar 100% de carvões

locais, segue os modelos de previsão de resistência mecânica ASTM. Mesmo assim pode-se

ver que existem diferentes métodos para prever o mesmo parâmetro de qualidade do coque a

partir das mesmas características dos carvões, isto porque fatores como a preparação da

mistura e peculiaridades das baterias também interferem no resultado da qualidade do coque

produzido. Para os demais paises, apenas MOF é ainda utilizado como referência, já que este

não se baseia em indicadores de qualidade dos carvões, mas em uma janela de Coqueificação

limitada por uma faixa da refletância da vitrinita e fluidez máxima dos carvões individuais.

30

A resistência mecânica do coque a frio é definida como sendo a sua capacidade em resistir à

fragmentação por solicitações mecânicas, impacto e/ou abrasão, em um tambor rotativo.

Determina-se a extensão de sua redução granulométrica após ser submetido a um número fixo

de revoluções em tambor de características padronizadas.

A Tabela 3.3.6.2 apresenta os principais testes de tamboramento utilizados para medir a

resistência a frio do coque de alto-forno ao impacto, compressão e abrasão, simulando

parcialmente o efeito das cargas suportadas pelo coque na zona de preparação do alto-forno.

Tabela 3.3.6.2 Testes de tamboramento.

Tambor MICUM IRSID JIS ASTM

Norma MO3-046 MO3-046 K2151 D294-64

Granulometria do Coque (mm) +60 +20 +25 51-76

Peso da Amostra (kg) 50 50 10 10

Dimensões do Tambor (m) 1,0 x 1,0 1,0 x 1,0 1,5 x 1,5 0,914 x 0,457

Velocidade de rotação (rpm) 25 25 15 24

Total de Revoluções 100 500 30 ou 150 1400

Peneiras (mm) 60,40 e 10 40,20 e 10 50, 25 e 15 25 e 6

Furo das Peneiras Redondo Redondo Quadrado Quadrado

Símbolo dos índices M40

M10

I40

I20 e I10

DI 3015

DI 15015

Estabilidade (+25mm)

Dureza (+6mm)

Os resultados dos testes de tamboramento podem ser expressos de duas formas: um que

considera a quantidade de finos produzidos e que corresponde a resistência a abrasão

representados pelos símbolos M10, I20 e I10 e o outro expressando a quantidade de coque

graúdo remanescente do tamboramento, indicando a resistência ao impacto e abrasão

representados pelos símbolos M40, I40, DI 3015, DI 15015 e Estabilidade ASTM.

3.3.7 Modelos de Previsão de Propriedades a Quente do Coque

A importância da caracterização da resistência do coque a altas temperaturas, principalmente,

a determinação da resistência do coque após reação com C02 (CSR), foi revelada em

pesquisas básicas e nas dissecações de altos-fornos realizadas no Japão. A prática operacional

31

mostrou que o CSR apresentava alguma influência no desempenho do alto-forno (a

permeabilidade da carga é melhorada com o aumento do CSR). Kojima e Sakurai mostraram

que não apenas a resistência a frio do coque podia ser prevista a partir da petrografia de

carvão, mas também o CSR a partir do volume de inertes e da refletância média (Ro). A

Figura 3.3.7.1 mostra as curvas usadas por Kojima para a previsão de CSR.

Figura 3.3.7.1 Relação da resistência após reação (CSR) e teor de inerte maceral.

Como pode ser observado no gráfico, a faixa ótima de inertes macerais dos carvões está entre

20 e 30%, e reflectância média entre 1,1 a 1,4%. Com isto limita-se a utilização de carvões do

hemisfério sul e carvões alto voláteis com reflectância media abaixo de 1% e baixo voláteis

com reflectância acima 1,4%. A maioria dos primeiros modelos formulados estão mais

32

ligados a origem dos carvões e ao seu nível de exportação e consumo destes materiais, que

basicamente na década de 60 eram americanos ou europeus. Após estudos de Canadenses e

Australianos, estes verificaram que a composição química da cinza pode ser mais importante

no controle de CRI que o rank, acelerando a taxa de reação de diferentes rank de carvões em

presença de CO2, Price et Al sugerem o diagrama mostrado na Figura 3.3.7.3. A Figura

3.3.7.2 mostra que para carvões Australianos, embora estes apresentem mais inertes macerais

possuem CSR mais elevados que os carvões Americanos.

Figura 3.3.7.2 Relação da resistência após reação (CSR) e a resistência mecânica a frio

(DI3015) .

33

Figura 3.3.7.3 Relação da basicidade da cinza de carvões Canadenses e CSR para uma dada

refletância.

Pearson, afirma que os testes de CSR (norma ASTM) e DI (norma JIS) tem comportamento

similar com referencia a petrografia e rank. E observando a Figura 3.3.7.2 pode ser visto que

estes não tem correlação entre si. E também pode ser notado que para carvões coquei ficáveis

(hard coking coals) os carvões Canadenses e Australianos tem melhores valores de CSR[17].

Miyazu, Okuyama e Fukuyama (MOF) apresentaram um modelo que determinava o intervalo

permitido para fluidez e refletância para que se produza um coque com resistência mecânica a

frio compatíveis ao uso de altos-fornos[18]. O diagrama também delimita o intervalo plástico

para as misturas que deve estar entre 60 e 1000dpm. A Figura 3.3.7.4 mostra o diagrama de

MOF. Pode ser observado que o rank parece correlacionar-se com fluidez e refletância

somente para carvões americanos, e que o intervalo para se produzir um coque com boa

resistência mecânica deve-se trabalhar no intervalo de rank entre 1,2 e 1,3% de refletância, o

que confirma as afirmações de Pearson.

34

Figura 3.3.7.4 Reprodução do diagrama original de MOF mostrando a relação entre fluidez e

rank (reflectância) e a janela onde podem ser obtidos valores de DI 3015 entre 90 e 92%.

Os modelos tão diferentes embora tenham características em comum so podem ser explicados

pela origem, os carvões do Canada são do período Cretácio, são carvões de água doce e

formados pela pressão de depósitos de água doce que tinham volumes e pressão menores do

que os dos oceanos. São mais novos 150 milhões de anos que os carvões Americanos. Dessa

forma, o comportamento desses carvões é completamente diferente dos carvões americanos.

Os carvões americanos são carvões de água salgada. Formados pela pressão dos oceanos há

350 milhões de anos e foram muito mais pressionados e compactados pelos oceanos e muito

mais velhos em sua idade geológica que os demais. Os carvões do Canadá não respondem da

mesma maneira aos requerimentos da coqueificação como os carvões Americanos que são

muito mais antigos. Os carvões do Canadá tem que ser trabalhados com outros carvões de

maior poder coqueificante, como o fazem para os carvões Australianos. Os carvões

Australianos e Europeus (Polônia) são do Período Pretácio e foram formados há 280 milhões

de anos.

35

As usinas brasileiras, evitaram por anos comprar carvão do Canadá por serem muito

diferentes dos carvões Americanos. É bom lembrar que há 40 anos atrás o mundo só

consumia o carvão Norte-Americano e mesmo os carvões Australianos foram submetidos a

estudos por anos e anos até serem aprovados na produção de coque para altos-fornos.

36

4. Procedimentos Experimentais

No período de janeiro de 2006 à abril de 2008 se estudaram 21 carvões individuais,

compostos por 5 carvões Americanos, 11 Australianos, 2 Canadenses, 2 Colombianos e 1

Polonês, 1 mistura preparada em laboratório e 15 misturas industriais com seus

correspondentes coques.

As amostras de carvões individuais e as amostras de misturas industriais e seus respectivos

coques foram caracterizados tecnologicamente de forma convencional no INCAR (Instituto

Nacional del Carbon – Oviedo/Espanha) e seus resultados serão apresentados no capítulo 5.

Também foram enviadas ao INCAR, para análises, amostras de coques industriais que foram

analisadas pelo Laboratório da Coqueria da ArcelorMittal Tubarão e seus resultados serão

comparados no capítulo 5. As análises das amostras de carvões, misturas de carvões e coque

foram realizadas conforme as normas descritas a seguir.

4.1. Descrição de Equipamentos e Procedimento Experimentais

As amostras dos carvões individuais foram coletadas através do amostrador automático do

sistema de recebimento de carvões antes do empilhamento no pátio de carvões. As misturas

industriais foram coletadas na saída do sistema de preparação de carvões após a dosagem e

britagem da mistura e o coque industrial após o peneiramento na malha de 25mm do sistema

de tratamento de coque.

Para realizar a caracterização dos carvões individuais e das misturas de carvões se tomaram

amostras representativas de aproximadamente 1.000kg, que são subdivididas em diferentes

subamostras. Uma das subamostras de aproximadamente 2kg está dividida em duas partes,

uma para a determinação da umidade e granulometria. A outra parte de tamanho adequado

para realizar análise imediata (tamanho da partícula

37

A Figura 4.1 mostra o fluxograma dos procedimentos experimentais.

Figura 4.1.1 Fluxograma Geral.

4.1.1. Análises Imediatas e Enxofre Total

Nas análises imediatas incluem a determinação da umidade, cinza e matéria volátil. Os

procedimentos normalizados para análise de carvão e coque utilizados foram: umidade -

norma ISO589; cinzas - norma ISO1171; matéria volátil – norma ISO562. A partir da cinza

foram determinadas a composição química através da norma ASTM D6349.

Para determinação do enxofre total realizaram-se no equipamento automático LECO SC-132,

conforme Figura 4.1.1.1.

38

Figura 4.1.1.1 LECO SC 132 um instrumento utilizado para medir o teor de enxofre total de

amostras sólidas e líquidas.

4.1.2. Análise Termogravimétrica

As análises termogravimétricas das amostras se realizaram em um analisador simultâneo TA

Instruments SDT 2960 de desenho horizontal, como mostrado na Figura 4.1.2.1, obtendo-se

tanto as curvas de perda de peso (TG) com as suas correspondentes primeira derivada com

relação ao tempo (DTG). A partir das curvas se determina a temperatura de máxima perda de

voláteis e a velocidade de perda de matéria volátil, assim com a quantidade de mátria volátil

desprendida em intervalos de temperatura específicos e o rendimento em resíduo à

temperatura final de pirólise.

Aproximadamente 20mg de amostra de tamanho de partícula

39

Figura 4.1.2.1 Vista Frontal do equipamento TA Instruments SDT 2960.

4.1.3. Ensaio de Fluidez Gieseler

Este ensaio foi realizado em um Plastômetro Gieseler, R. B. Automazione modelo PL2000,

conforme Figura 4.1.3.1, de acordo com o procedimento descrito pela norma ASTM D2639-

74. Os valores de fluidez se registram automaticamente em intervalos de tempo prefixados (1

minuto) como uma média ponderada dos valores obtidos durante um intervalo de tempo. As

unidades em que se especificam os valores são divisões do dial por minuto (ddpm).

Os seguintes parâmetros são definidos neste ensaio:

• Tr: temperatura de amolecimento, que é aquela registrada quando o carvão começa a

fundir-se e o equipamento registra 1ddpm.

• Tf: temperatura de máxima fluidez, que é aquela onde o equipamento registra a

máxima velocidade de giro do bastão.

• Ts: temperatura de resolidificação, que é aquela a qual cessa o torque do movimento

de rotação (0ddpm), ou seja, toda massa fundida se transformou em semi-coque.

• MF: fluidez máxima é a fluidez registrada no equipamento quando se atingiu a

máxima velocidade de giro do bastão.

40

• ? T: range plástico ou intervalo de fluidez, que é definido como a diferença entre a

temperatura de resolidificação e a temperatura de amolecimento (Ts-Tr).

Figura 4.1.3.1 Vista frontal do plastômetro Gieseler R. B. Automazione modelo PL2000

4.1.4. Caracterização Petrográfica

As caracterizações petrográficas foram realizadas conforme norma ISO7404/2. O

procedimento é descrito simplificadamente como a seguir: a) a amostra de carvão é moída até

que toda a amostra esteja abaixo de 1mm; b) uma amostra de cinco gramas de carvão moído e

embebida em uma resina de poliéster utilizando um molde cilíndrico de 2cm de altura por

2cm de diâmetro; c) depois de endurecido se corta longitudinalmente o molde, com o

objetivo de assegurar que a superfície a analisar contenha todas as informações dos macerais

sem efeito de segregação; d) finalmente o corpo de prova esta pronto para o polimento.

4.1.5. Forno Piloto de Parede Móvel

41

Os ensaios de carbonização foram realizados em um forno de parede móvel de 250kg de carga

marca Carbolite.

Este forno possui uma ampla câmara regulável entre 205 e 560mm, de forma que é possível

variar o volume e o peso nominal da carga em função da largura utilizada, enquanto as outras

dimensões são fixas. A largura utilizada nos ensaios de carbonização foram de 469mm. As

dimensões do forno são: comprimento entre portas 935mm, altura no ponto de nivelamento a

840mm e altura da abóbada a 1015mm.

Para cada ensaio de carbonização foram utilizados cerca de 300kg de amostra. A temperatura

no momento do enfornamento é de 880°C. A partir daí o aquecimento prossegue a taxa de

14°C/h até atingir a temperatura máxima de 1200°C entre 18 e 19h após o enfornamento,

momento em que a temperatura do centro da carga atinge aproximadamente 1000°C, como

mostrado na Figura 4.1.5.1.

Figura 4.1.5.1 Curvas características de um gráfico de controle de um ensaio em forno piloto

de coqueificação de uma amostra de carvão ou misturas de carvões.

42

A força exercida pela carga durante a coqueificação é registrada pelo movimento da parede

móvel sobre um transdutor de pressão. Geralmente, não se expressa como força, mas como

pressão média exercida sobre a parede do forno. O forno também possui sistema para detectar

a alteração do nível de carga e registradores gráficos para acompanhar a evolução da

temperatura, pressão e deslocamento da parede móvel. A Figura 4.1.5.2 mostra o esquema

simplificado do forno piloto.

Figura 4.1.5.2 Figura esquemática do forno piloto.

A Figura 4.1.5.3 mostra a vista lateral do forno onde foram carbonizadas todas as amostras

de carvões individuais e misturas de carvões.

43

Figura 4.1.5.3 Vista lateral do forno piloto de coqueificação.

4.1.6. Índice de Resistência Mecânica a Frio do Coque – Drum Index (DI)

Para a realização este estudo foi construído e posto em operação um equipamento para

determinação da resistência mecânica a frio de acordo com a norma JIS-2151.

O tambor de DI (norma JIS), é feito em chapa de aço com espessura entre 6 e 9mm, diâmetro

interno de 1500mm, largura de 1500mm cilíndrico com 6 aletas de 250mm de largura, e 9mm

de espessura, como mostrado na Figura 4.1.6.1. O tambor é acionado por conjunto moto-

redutor de velocidade fixa, de forma a se obter 15 rpm e dispõe de um contador de giros, que

desliga o equipamento ao serem concluídos os 150 giros, durante 10 minutos. O tambor de

DI fica enclausurado para abafamento de ruídos durante a operação, como mostra a Figura

44

4.1.6.2.

Figura 4.1.6.1 Detalhes do tambor usado para determinação da resistência mecânica a frio

(DI).

No tambor é carregado 10±0,2kg de coque de tamanho maior que 20mm e se submetem a

tratamento de 150 voltas a uma velocidade de giro e 15 revoluções por minuto. O índice

DI15015 é definido como o percentual em peso de coque com tamanho maior que 15mm após

o tratamento mecânico sob estas condições.

45

Figura 4.1.6.2. Vista frontal do tambor para ensaio DI.

4.1.7. Índice de Reatividade do Coque - Coke Reactivity Index (CRI)

Neste ensaio obtém-se o índice de reatividade CRI (Coke Reactivity Index) e outro que reflete

a resistência mecânica do coque após reação CSR (Coke Strength after Reaction). O

equipamento utilizado para determinação do CRI constitui-se de um forno elétrico, quadro de

controle e computador, conforme mostrado na Figura 4.1.7.1.

Para a determinação do CSR precisa-se de um tambor de dimensões definidas, conforme

mostrado na Figura 4.1.7.2, os testes fora realizados conforme estabelecido na norma ASTM

D5341.

Para a determinação da reatividade ao CO2 (CRI) se utiliza uma amostra de coque de 200±1g,

previamente secada a 150°C durante 2 horas, com tamanho entre 19 e 22,4mm. Antes de

46

iniciar o ensaio, passa-se uma corrente de N2 a vazão de 5l/min durante 5 minutos no interior

do cadinho. Sem interromper o fluxo de N2 carrega-se o cadinho com a amostra de coque.

Figura 4.1.7.1 Esquema simplificado do equipamento utilizado para determinar a reatividade

do coque – CRI (ASTM D5341)

Após 25 minutos de aquecimento o coque alcança a temperatura de pré-aquecimento entre

1110 e 1115°C, quando é feita a troca de fluxo de N2 por CO2 mantendo-se a vazão em 5

l/min. Após a troca de N2 por CO2 a temperatura na amostra é mantida em 1100°C por duas

horas. Como a reação é endotérmica, poucos minutos após trocar o fluxo de gases de N2 por

CO2 é percebida uma redução de temperatura na amostra entre 10 a 20°C, dependendo da

menor ou maior reatividade do coque amostrado. Esta é a razão pela qual o ensaio começa a

uma temperatura de pré-aquecimento determinada. A Figura 4.1.7.3 mostra o gráfico de

controle de uma temperatura de uma das amostras analisadas.

47

Figura 4.1.7.2 Esquema simplificado do equipamento utilizado para determinar a reatividade

do coque após reação (CSR).

O índice de reatividade CRI é definido como o percentual de massa perdida durante o ensaio

por adição de CO2 nas condições estabelecidas.

Para determinação do CSR, a amostra de coque procedente do ensaio de reatividade é

submetida a um tratamento mecânico em um tambor tipo “I” de aço inoxidável com um

comprimento de interno de 700mm e diâmetro interno de 130mm. As espessuras da tampa e

do fundo do tambor são de 10mm. O tambor gira mediante um motor elétrico a uma

velocidade de 20rpm durante 30 minutos, realizando 600 revoluções. Após este número

determinado de revoluções, o coque é passado por uma peneira de malha quadrada de

9,52mm. O CSR é definido como a quantidade de coque retida na malha de 9,52mm (dado em

percentual peso).

48

Figura 4.1.7.3 Gráfico de controle de temperatura de uma amostra de coque durante ensaio de

reatividad