Estudo do comportamento termoplástico do carvão da camada Barro Branco (Santa Catarina - Brasil) e sua influência no processo de coqueificação

Abstract

O setor siderúrgico brasileiro é o maior consumidor de carvão mineral no país, o qual é majoritariamente utilizado pela indústria como matéria-prima da produção de ferro-gusa nos altos-fornos. Atualmente, o Brasil importa 100% de sua demanda de carvões metalúrgicos, uma contradição em relação a vasta reserva de carvão mineral nacional. Assim, a presente proposta de tese visou avaliar e justificar o comportamento termoplástico do carvão da camada Barro Branco (Santa Catarina – Brasil), bem como investigar sua influência na qualidade de coque metalúrgico, de modo a dar suporte técnico/científico a inserção de carvão nacional na siderurgia brasileira. Para isso o carvão da camada Barro Branco e três carvões coqueificáveis importados foram individualmente caracterizados e comparados a partir de análises químicas, petrográficas e termoplásticas. Foram realizados também estudos de plastometria com misturas de carvões (misturas binárias e industriais) de modo a avaliar a sinergia entre o carvão nacional e os demais carvões durante a etapa termoplástica da coqueificação. Coques foram produzidos em escala laboratorial a partir de carvões individuais e de misturas industriais para investigar a influência do carvão nacional. Nessas misturas o carvão Barro Branco foi utilizado para substituir de forma parcial ou total um carvão coqueificável de alto volátil americano. Além disso, as misturas foram elaboradas com variados teores de adição de coque verde de petróleo. Os coques produzidos foram caracterizados a partir de análises químicas, microestrutura porosa, microtextura ótica e testes de queda, tamboramento antes e após reação e reatividade ao CO2. Os resultados obtidos revelaram que o carvão da camada Barro Branco apresenta propriedades termoplásticas anômalas, caracterizadas pela elevada formação de fase plástica com baixa viscosidade. Essas características são oriundas da impregnação por compostos lipídicos de componentes petrográficos do grupo da vitrinita, resultando em elevado teor de hidrogênio, alta intensidade de fluorescência e maior rendimento de extração. Os estudos de interação revelaram que o carvão da camada Barro Branco promove aumento de plasticidade em misturas acima do previsto por modelos aditivos, evidenciando a elevada sinergia entre os carvões. Esses resultados foram atrelados a transferência de certa quantidade de material plastificante sob a forma líquida ou volátil entre o carvão Barro Branco e os demais carvões. Os coques produzidos com carvão Barro Branco apresentaram qualidade inferior (menor resistência a frio e a quente e maior reatividade) à coques gerados apenas com carvões importados. A perda de resistência mecânica a frio foi majoritariamente associada a estrutura porosa dos coques produzidos com carvão nacional, a qual é caracterizada por elevada quantidade de poros grandes e com forma irregular (baixa circularidade). A matriz carbonosa de coques gerados com carvão nacional apresenta domínios anisotrópicos mais desenvolvidos 8 em relação aos coques produzidos apenas com carvões importados. Todavia, observou-se aumento de reatividade do coque com o uso de carvão Barro Branco, fato que foi atrelado a possível presença de maiores quantidades de fases minerais catalíticas nesse carvão. Ainda assim, a inserção de carvão Barro Branco na produção de coques com elevado teor de coque verde de petróleo (30%) apresenta alta viabilidade técnica, uma vez que esse carvão reduz problemas de aglutinação das partículas inertes, gerando coque com qualidade similar ao produzido com carvões importados.

Brazilian steel sector is the largest coal consumer in the country, which is mostly used by the industry as raw material for the production of pig iron in the blast furnaces. Currently, Brazil imports 100% of its demand for metallurgical coals, a contradiction in relation to the vast Brazilian coal reserve. Thus, the present thesis aimed to evaluate and justify the thermoplastic behavior of the Barro Branco coal seam (Santa Catarina - Brazil), as well as to investigate its influence on the quality of metallurgical coke, so as to provide technical/scientific support for the introduction of Brazilian coal in the steel industry. For this, Barro Branco coal and three imported coking coals were individually characterized and compared based on chemical, petrographic and thermoplastic analyzes. Coal interaction studies via plastometry were also carried out with coal blends (binary and industrial blends) in order to evaluate the synergy between the Brazilian coal and the other coals during the thermoplastic stage. Coke was produced on laboratorial scale from individual coals and industrial coal blends to investigate the influence of Barro Branco coal on coke quality. In the industrial coal blends a high volatile American coking coal was partially or totally replace by the Brazilian coal. In addition, varying amounts of green petroleum coke (PET) were added to these blends. Coke was characterized by chemical, microstructural, microtextural analysis, drop test, tumbler test (before and after reaction) and coke reactivity to CO2. The results showed that the Barro Branco presents anomalous thermoplastic properties, characterized by the formation of high quantities of plastic phase with low viscosity. This behavior arises from the impregnation by lipid compounds of petrographic components of the vitrinite group of Barro Branco coal, resulting in high hydrogen content, high fluorescence intensity and higher extraction yield when compared to other coals. The studies of coal interaction revealed that the Brazilian coal has a positive synergy in terms of plasticity with other coals. These results were linked to the transfer of a certain amount of liquid or volatile plasticizing material from Barro Branco coal to other coals. Cokes produced with Barro Branco coal presented lower quality (lower cold and hot mechanical strength and higher reactivity) when compared to cokes made with imported coals. The lower mechanical strength of such cokes was mostly associated with the porous structure formed by Barro Branco carbonization, which is characterized by large pores with low circularity. The carbonaceous matrix of cokes produced with Brazilian coal presents more developed anisotropic domains in relation to cokes produced only with imported coals. However, Barro Branco caused an increase on coke reactivity, which was related to the possible presence of larger amounts of catalytic mineral phases in this coal. Even though, the utilization of Barro Branco coal in the production of cokes with high PET content (30%) presents high technical feasibility, since the Brazilian 10 coal reduces problems of inert particles agglutination, generating cokes with quality similar to that produced with imported coals.