Resumo A resistência mecânica do coque metalúrgico está intimamente relacionada com a sua microestrutura, de forma que a posse de uma ferramenta metodologica para realizar a caracterização microestrutural é de grande valia. Nesse trabalho foi desenvolvido um algoritmo de análise de imagem que possibilite a obtenção dos parâmetros microestruturais de interesse do coque. Devido a heterogeneidade microestrutural do coque as melhores condições de granulometria das partículas de coque, número de amostras analisadas (plugs) e área de campo analisada de cada plug foram definidas. Coques laboratoriais produzidos com carvões de propriedades distintas foram caracterizados a partir da metodologia desenvolvida nesse trabalho. As propriedades dos carvões foram relacionadas com a microestrutura dos coques.A metodologia desenvolvida nesse trabalho possibilita a obtenção de parâmetros que podem ser relacionados com a resistência mecânica do coque em ensaio de tambor, para coques com composição não saturados em materiais inertes. Palavras-chave:Coque metalúrgico; Microestrutura; Porosidade; Resistência mecânica.
ResumoA utilização de carvão vegetal em substituição a outros materiais de origem fóssil na produção de coque é uma das alternativas para mitigar as emissões de CO2 na siderurgia. Contudo, a inserção de carvão vegetal na coqueificação apresenta fortes limitações, as quais estão principalmente associadas à sua elevada reatividade ao CO2. Assim, o presente estudo visou investigar alternativas para diminuir a reatividade do carvão vegetal. Para isso foram investigados os efeitos da temperatura de pirólise, desmineralização e impregnação por alcatrão. Os resultados mostraram que o aumento da temperatura de pirólise diminui a reatividade do carvão vegetal. Essa mesma tendência foi também observada ao se remover os componentes inorgânicos do carvão vegetal e ao se impregnar a sua estrutura com alcatrão. A associação dos tratamentos térmico, de desmineralização e impregnação com alcatrão resultou em reduções de reatividade na ordem de até 6 vezes a do material inicial.
A resistência mecânica do coque metalúrgico está intimamente relacionada com sua microestrutura porosa, de forma que o conhecimento quantitativo dos parâmetros microestruturais formada pelos diferentes tipos de carvões pode ser de grande utilidade. Nesse trabalho foram produzidos coques laboratoriais a partir de carvões com diferentes propriedades. A caracterização microestrutural foi realizada a partir de uma metodologia proposta de microscopia ótica associada a análise de imagem. O estudo indica que o teor matéria volátil, fluidez e a composição maceral dos carvões são preponderantes na formação da microestrutura porosa dos coques. O carvão de alta matéria volátil e alta fluidez estudado deu origem a um coque com elevada porosidade e com poros grandes. O carvão ensaiado com elevada quantidade de macerais do grupo da inertinita gerou coque com microestrutura de baixa porosidade, no entanto com grande concentração de poros de baixa circularidade. O carvão e a mistura com conteúdo de matéria volátil e fluidez intermediários deram origem a coques com microestruturas porosas compostas por poros de pequenas dimensões e com formas mais adequadas.
A microestrutura porosa do coque pode ser definida como a relação espacial entre a matriz carbonosa e seus poros. A formação da microestrutura ocorre durante o processo de carbonização dos carvões coqueificáveis. Portanto, o conhecimento das propriedades que governam a formação da microestrutura torna-se atrativa como uma ferramenta na escolha estratégica de carvões na composição de misturas para produção de coque. Neste trabalho coques laboratoriais foram produzidos por carvões com diferentes propriedades, visando a formação de coques com microestrutura com propriedades microestruturais distintas. A caracterização microestrutural foi realizada a partir de uma ferramenta de microscopia ótica associada a análise de imagens. A partir dos parâmetros obtidos na análise, foi estudado a influência das propriedades dos carvões nos parâmetros analisados. Além disso a convergência com outros modelos (MOF e CBI) foi estudada. Os resultados obtidos mostraram que carvões com estágio plástico desenvolvido e elevado teor de matéria volátil geram coques de alta porosidade e com poros de tamanho excessivo. Carvões ricos em componentes inertes apresentam microestrutura de baixa porosidade, composta de poros pequenos, no entanto, com poros de baixa circularidade. Os carvões com as melhores propriedades (critérios dos modelos MOF e CBI) resultaram nos coques com as microestruturas mais regulares, de baixa porosidade, com pequenos poros e com formatos adequado.
Na literatura são descritos basicamente dois modelos de relações entre resistência mecânica e parâmetros microestruturais: (1) relações entre parâmetros microestruturais médios do coque e índices de ensaios mecânicos e (2) quantificação dos poros mais críticos a resistência mecânica, a partir de determinados critérios que levam em conta o tamanho e a forma dos poros. Nesse trabalho coques laboratoriais produzidos a partir de carvões com propriedades distintas foram caracterizados pela associação das técnicas de microscopia ótica e análise de imagens. Os principais modelos da literatura de relação entre resistência mecânica e parâmetros microestruturais foram avaliados. Foi demonstrado que nenhuma das relações estudadas conseguem descrever o comportamento mecânico de coques produzidos a partir de carvões de alto teor de componentes inertes (>40%). A partir desses resultados duas novas abordagens foram realizadas a fim de obter modelos que contemplem tais coques: (1) introdução de uma nova relação entre resistência mecânica e os parâmetros microestruturais e (2) um novo critério de classificação das regiões derivadas de componentes inertes como críticas a resistência mecânica.
Agradeço primeiramente ao professor Dr. Wagner Viana Bielefeldt pela orientação, confiança e contribuição na minha formação. Agradeço ao professor Dr. Ing. Antônio Vilela pela oportunidade de fazer parte do grupo de pesquisas do Laboratório de Siderurgia da UFRGS. Agradeço ao professor Dr. Eduardo Osório que me orientou durante parte do meu mestrado, sendo também importante na minha formação. Agradeço aos professores Dr. Afonso Reguly, Dr. Rafael Nunes e Dr. Jorge Braz pelas correções e sugestões que enriqueceram as discussões deste trabalho. Agradeço aos colaboradores, técnicos e engenheiros, da usina siderúrgica onde o estudo foi realizado pelas contribuições na realização de ensaios e discussões. Agradeço aos colegas de pós-graduação que integram o grupo de pesquisa do Laboratório de Siderurgia da UFRGS, em especial ao Dr. Bruno Deves Flores e ao MSc. Anderson Azevedo Agra, pela parceria, discussões e contribuições na minha formação. Agradeço a CAPES pela concessão de bolsa de estudo, viabilizando a realização deste trabalho. A todos que participaram de forma direta ou indireta na minha trajetória ao longo dos anos, meu sincero obrigado. "Vivemos em uma sociedade absolutamente dependente do conhecimento, na qual quase ninguém entende o que é ciência e tecnologia, o que é uma receita clara para o desastre."
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