Avaliação da microestrutura do coque e sua correlação com a resistência mecânica

Abstract

Coques metalúrgicos devem possuir elevada resistência mecânica para exercer as funções requeridas nos altos-fornos. A resistência mecânica do coque é fortemente influenciada pela microestrutura porosa, que pode ser compreendida como a relação entre os poros e a matriz carbonosa do material. Neste trabalho buscou-se caracterizar coques laboratoriais através de uma metodologia de microscopia ótica associada à análise de imagem e avaliar as relações com a resistência mecânica dos coques em diferentes ensaios. Para atingir esses objetivos foram realizadas coqueificações em escala de laboratório a partir de 6 amostras, 4 de carvão e 2 misturas de carvões. Os carvões/misturas selecionados possuem propriedades distintas visando gerar coques com qualidades diversas. Os coques gerados foram caracterizados quanto à análise imediata, reatividade (CRI) e resistência mecânica (teste de queda, tamboramento, compressão e CSR). Em paralelo, amostras de coque foram preparadas visando utilização no microscópio ótico. A obtenção dos parâmetros microestruturais foi realizada através de uma metodologia desenvolvida pelo Laboratório de Siderurgia da UFRGS, no software de análise de imagem ImageJ. Os parâmetros microestruturais obtidos pela técnica são porosidade, diâmetro equivalente dos poros, circularidade e número de poros por área. Uma classificação quanto a qualidade dos poros foi sugerida, utilizando como critério o tamanho e a forma dos poros. Foi observado que as propriedades termoplásticas dos carvões governam a geração da microestrutura dos coques. Observou-se uma relação positiva entre essas propriedades dos carvões (matéria volátil e a fluidez) e a formação de grandes poros no coque, enquanto o conteúdo elevado de materiais inertes na composição maceral dos carvões contribui para a formação de poros de baixa circularidade. Foram testadas equações propostas na literatura que relacionam propriedades microestruturais com a resistência mecânica, além disso, foi verificada a relação com a resistência mecânica da classificação de poros críticos. É possível relacionar as propriedades microestruturais do coque e sua resistência mecânica de forma satisfatória para coques gerados a partir de carvões/misturas não saturados em inertes (< 30%). Os resultados apontam para a necessidade de um estudo aprofundado sobre a influência dos inertes na resistência mecânica dos coques.

Metallurgical coke must have high mechanical strength to perform the required functions in the blast furnace. The mechanical strength of the coke is strongly influenced by the porous microstructure, which can be understood as the relationship between the pores and the carbonaceous matrix of the material. The aim of this study was to characterize laboratorial cokes using an optical microscopy associated with image analysis methodology and to evaluate its relationships with coke mechanical strength evaluated by different tests. In order to achieve these objectives, laboratorial cokes were produced from 4 coals and 2 coal blends. The selected coals/blends have different properties in order to generate cokes with different quality. Coke characterization was carried out by proximate analysis, reactivity test and mechanical strength tests (shatter, tumbler, compression test and CSR). In parallel, coke samples were prepared for optical microscopy. The microstructural parameters were obtained through a methodology developed by the Ironmaking & Steelmaking Laboratory (LaSid) from UFRGS, which uses the ImageJ image analysis software. The microstructural parameters obtained by the technique are porosity, pore diameter, circularity and number of pores per area. A classification of pore quality was suggested, using pore size and shape as a criterion. It was observed that the thermoplastic properties of the coals rule the generation of the microstructure of the coke. It was observed a positive relationship of these coal properties (volatile matter and fluidity) and the formation of large pores on coke, while the high content of inert materials in the maceral composition of the coals contributes to the formation of pores of low circularity. Equations proposed in the literature that relate microstructural properties and coke mechanical strength were tested, in addition, it was verified the relationship of coke mechanical strength and a proposed classification of coke critical pores. It is possible to relate coke microstructural parameters and its mechanical strength satisfactorily for coke produced from coals/blends not saturated in inerts components (<30 %). The results point out to the need of a future study on the influence of inerts on coke mechanical strength.