Mechanism Analysis of Ring Formation on Aluminum Phosphate Refractory Bricks During Treatment of Iron-Bearing Waste in a Coal-Fired Rotary Kiln

Resumo Técnico: Análise do Mecanismo de Formação de Anéis em Tijolos Refratários de Fosfato de Alumínio Durante o Tratamento de Resíduos Contendo Ferro em um Forno Rotativo Alimentado a Carvão

Definição do Problema
A indústria siderúrgica enfrenta uma pressão ambiental significativa devido à geração de poeira metalúrgica e lodo, que contêm substâncias perigosas como metais alcalinos e cloretos, bem como metais valiosos como ferro e zinco. Embora os processos pirometalúrgicos, especificamente os fornos rotativos, ofereçam um método viável para a reciclagem de resíduos contendo zinco, sua operação eficiente é frequentemente prejudicada pelo "anelamento" (a formação de acréscimos no revestimento do forno). O anelamento leva ao declínio na qualidade dos pellets, redução da eficiência de produção e aumento de custos. Embora estudos anteriores tenham examinado a formação de anéis usando minério de ferro ou lodo oleoso, a composição complexa e flutuante da poeira e do lodo metalúrgico apresenta desafios únicos. Há uma carência de pesquisas detalhadas sobre os mecanismos de corrosão específicos dos tijolos refratários e a subsequente formação de anéis ao tratar esses resíduos específicos contendo ferro.

Metodologia
Este estudo investiga o comportamento de corrosão de tijolos refratários de fosfato de alumínio e os mecanismos de formação de anéis durante a calcinação de poeira e lodo contendo zinco e ferro.

• Materiais: Amostras de resíduos contendo ferro, incluindo Poeira de Alto-Forno (BFD) e Lodo de Conversor de Oxigênio (OGs), foram obtidas da Maanshan Iron and Steel Company. Os materiais foram misturados em uma proporção de massa de 1:1.
• Configuração Experimental: Simulações laboratoriais foram conduzidas utilizando um forno mufla. Pellets prensados e misturas de pó solto foram colocados sobre tijolos retangulares de refratário de fosfato de alumínio (cortados de tijolos recuperados em campo) e aquecidos de 1000 °C a 1250 °C em incrementos de 50 °C por 80 minutos cada.
• Análise: O estudo utilizou fluorescência de raios X (XRF) para composição química, difração de raios X (XRD) para identificação de fases e Microscopia Eletrônica de Varredura com Espectroscopia de Energia Dispersiva (SEM-EDS) para observar microestruturas e distribuição de elementos.
• Modelagem Termodinâmica: O software FactSage 8.4 foi empregado para calcular diagramas de fase para os sistemas CaO-SiO2-FeO-Al2O3 e CaO-SiO2-FeO-Al2O3-MgO para elucidar o comportamento de fusão e os mecanismos de reação.
• Validação de Campo: Amostras de anéis foram coletadas de zonas específicas (8 m, 22 m e 27 m da cabeça do forno) de um forno rotativo industrial para correlacionar os achados laboratoriais com as condições reais de produção.

Principais Resultados

1. Temperatura e Aglomeração: A aglomeração nos tijolos refratários foi negligenciável abaixo de 1100 °C. Entre 1100 °C e 1200 °C, os aderentes começaram a se formar, com as misturas de pó apresentando aglomeração mais severa do que as misturas pelotizadas. A 1250 °C, a mistura aderiu completamente aos tijolos, formando uma camada de corrosão sólida que não pode ser removida mecanicamente.
2. Mecanismo de Corrosão:
   • Estágio Inicial: Durante a redução, o Fe2O3 é reduzido a FeO. O FeO acumula-se na superfície do refratário e reage com o Al2O3 para formar fases líquidas de baixo ponto de fusão. Cálculos termodinâmicos indicam que o sistema FeO-Al2O3 possui o menor ponto de fusão entre os óxidos binários envolvidos.
   • Estágio Secundário: À medida que a fase líquida se forma, o CaO do resíduo reage com o Al2O3, e o SiO2 reage com o FeO (formando Fe2SiO4). Essas reações reduzem ainda mais o ponto de fusão da escória, facilitando a penetração do líquido no interior do tijolo refratário.
   • Solidificação e Formação de Anel: O MgO, inicialmente presente no resíduo, difunde-se na camada erodida em um estágio posterior. A reação do MgO com SiO2 e CaO forma compostos de alto ponto de fusão, especificamente Ca3MgSi2O8. Esta reação eleva a temperatura de liquidus da escória. À medida que o conteúdo de FeO diminui (devido à redução para ferro metálico) e o MgO se acumula, a escória líquida solidifica-se, formando uma camada de corrosão dura e acréscimos em forma de anel.
3. Composição do Anel: As amostras de anéis industriais continham ferro metálico (MFe), cementita (Fe3C) e fases de escória. A presença de Fe3C, formado pela carburação do MFe, reduziu significamente o ponto de fusão da fase de ferro, contribuindo para a força de ligação e dificuldade de remoção dos anéis.
4. Remoção de Zinco: A taxa de remoção de zinco aumentou com a temperatura, excedendo 75% a 1100 °C e ultrapassando 90% a 1200 °C. No entanto, temperaturas mais altas também promovem a formação de anéis.

Significância e Alegações
O artigo alega elucidar os mecanismos específicos de corrosão e aglomeração de tijolos refratários de fosfato de alumínio no contexto do tratamento de resíduos contendo ferro. O estudo identifica que a formação de anéis é um processo de múltiplos estágios iniciado pela corrosão induzida por FeO, seguida pela incorporação de CaO e SiO2, e finalizada pela solidificação da escória devido à participação do MgO e redução do FeO.

Os autores afirmam que estas descobertas fornecem referências práticas para otimizar as condições operacionais, sugerindo especificamente que o controle da basicidade (razão CaO/SiO2) e da composição da mistura (particularmente o conteúdo de MgO e CaO) pode reduzir a formação de escória líquida e mitigar a formação de anéis. A pesquisa visa facilitar a aplicação de fornos rotativos para a reciclagem de resíduos sólidos, abordando o principal desafio operacional do anelamento, apoiando assim o objetivo da indústria de reduzir a pressão ambiental através do tratamento eficaz de resíduos.