Microestrutura porosa do coque : dependência das propriedades dos carvões de origem e relação com a sua resistência mecânica

Abstract

A marcha do alto-forno a coque está intimamente relacionada com as propriedades do coque metalúrgico, principalmente a sua resistência mecânica. A resistência mecânica de um material frágil e poroso, como o coque, é governada especialmente pelas propriedades da matriz e pela distribuição espacial entre matriz carbonosa e os poros, definida como microestrutura. Dessa forma, a posse de uma ferramenta metodológica que permita a caracterização da microestrutura do coque é de grande valia para compreensão dos potenciais mecanismo de falhas frente a solicitações mecânicas e definir melhores estratégias de composição de misturas de carvões para produção de coque, visando atingir microestruturas adequadas. Nesse trabalho, foi desenvolvido uma metodologia de caracterização microestrutural de coque metalúrgico por microscopia ótica associada a análise de imagens. Devido à sua grande heterogeneidade microestrutural, 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 produzidos em escala laboratorial e piloto, com carvões de propriedades distintas, foram caracterizados a partir da metodologia desenvolvida. Foi identificado nesse trabalho que a microestrutura porosa dos coques é controlada majoritariamente pelas propriedades dos carvões, onde: carvões de alta plasticidade (>1000 ddpm), com alto conteúdo de matéria volátil (>30%) e com índice CBI menor que 1 (CBI < 1), geram coques de alta porosidade e com poros de tamanho excessivo; carvões de baixa fluidez (< 200 ddpm) e com alta concentração de inerte (R/I < 1,4 e CBI >1) dão origem a coques de baixa porosidade e com poros pequenos e aciculares; os carvões que produzem coques com as microestruturas mais adequadas possuem fluidez no intervalo de 200 a 1000 ddpm, com CBI próximo à unidade. Os coques gerados por esses carvões possuem baixa porosidade, poros pequenos e com formatos adequados. A descrição da resistência mecânica pelos parâmetros microestruturais dos coques, através das equações descritas na literatura, foi possível apenas para aqueles provenientes de carvões com concentração de inertes inferior a 40% (não saturados em inertes). Para a descrição do comportamento mecânico dos coques saturados em inertes, foi necessário a inclusão de parâmetros relativo as regiões derivadas dos componentes inertes. Correlações entre os índices dos ensaios de resistência mecânica e dos parâmetros microestruturais foram realizadas com sucesso por três abordagens: (1) modificações de equações da literatura, (2) regressões multivariadas e (3) relações com as áreas mais críticas da resistência mecânica dos coques. A partir dos resultados obtidos nesse trabalho demonstrou-se que a utilização da metodologia desenvolvida permite a caracterização representativa da microestrutural porosa dos coques e os parâmetros provenientes dessa análise podem ser relacionados com a resistência mecânica a frio desse material. Destaca-se ainda que essa dissertação está alinhada com as tendências dos trabalhos atuais de automatização, troca de dados e simulação, tipicamente classificados no conceito da indústria 4.0.

The appropriate performance of blast furnace is closely related to the coke quality, mainly its mechanical strength. The strength of a porous and brittle material like coke in turn is especial govern by the properties of the matrix and the spatial distribution of the coke carbonaceous matrix and its porosity, defined as coke microstructure. Due to its great microstructural heterogeneity, the best particle size conditions of the coke particles, the number of analyzed samples (plugs) and the field area analyzed of each plug were defined. Metallurgical cokes produced in laboratory scale and pilot – with parent coals of different properties – were characterized from the developed procedure. It was identified in this work that the porous microstructure of the cokes is controlled mainly by the properties of the coals, in which: coals with high plasticity (> 1000 ddpm), high volatile matter (> 30%) and CBI index less than 1 (CBI < 1), generate high porosity cokes and large pores size; coals with low plasticity (<200 ddpm) and high inert content (R / I <1.4 and CBI> 1) give rise to low porosity cokes, however with low roundness pores; coals that produce cokes with the most adequate microstructures, therefore, have fluidity in the range of 200 to 1000 ddpm, with CBI close to unity. Cokes produced from these coals present low porosity, small pores and adequate formats. The description of the mechanical strength by the microstructural parameters of the cokes, through the equations described in the literature, was only possible for those coming from coals with inert concentrations of less than 40% (no saturated in inerts). For the description of the mechanical behavior of the saturated cokes in inert, it was necessary to include parameters regarding the regions derived from the inert components. Correlations between the indexes of the mechanical strength tests and the microstructural parameters were successfully performed by three approaches: (1) modifications of the literature equations, (2) multivariate regressions and (3) relations with the most critical areas of mechanical strength of cokes. It is also worth noting that this dissertation is in line with current trends in automation, data exchange and simulation, typically classified in concept industry 4.0.