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A crepitação de minérios de ferro, hoje, é uma característica metalúrgica frequentemente considerada para fins de controle de qualidade de cargas de altos- fornos, visto que a degradação granulométrica é indesejável nos processos de redução. O fenômeno se apresenta como uma fonte geradora de finos, que em excesso prejudica a permeabilidade da carga, diminuindo o rendimento da produção. Uma conseqüência econômica é a baixa cotação dos minérios altamente crepitáveis no mercado nacional e internacional.

É importante ressaltar que o fenômeno de crepitação ocorre uma única vez em cada partícula de minério de ferro, de forma que, uma vez submetida a um choque térmico, caso experimente outros, não será verificada uma nova degradação granulométrica.

Um aspecto característico da crepitação é que em uma amostra composta por minério de ferro altamente crepitável, apenas uma porção das partículas apresenta o fenômeno, enquanto outras se mantêm intactas [CARDOSO, 1981].

Outro ponto marcante é que este fenômeno ocorre somente em minérios de ferro naturais e não em materiais que foram processados termicamente, tais como pelotas e

sinteres [VIEIRA, 1996].

A partir da década de 60, no cenário internacional, a crepitação em minérios de ferro, até hoje uma das mais estudados no mundo, passou a ganhar uma abordagem científica. [VIEIRA, 1994]. A literatura nos fornece inúmeros estudos a respeito da crepitação em diversas tipologias de minério de ferro ao redor do mundo. Foram explorados diversos parâmetros de ensaio, até a formulação ISO, que os padronizou, e é hoje a mais utilizada pela comunidade científica e industrial.

A crepitação em minério de ferro foi e é muito estudada devido a sua grande influência nos processos siderúrgicos, porém ainda existem algumas controvérsias quanto às suas causas.

Os primeiros a estudar este fenômeno foram BIRNBAUM e BOGDANDY, na década de 60. Uma das primeiras hipóteses é que a crepitação está associada à vaporização brusca de água contida nos poros dos minérios. Segundo os autores, a degradação granulométrica só ocorreria em amostras úmidas, apesar do fato de existirem minérios que mesmo úmidos não apresentam o fenômeno. [BIRNBAUM, 1960].

A figura 3.5.1 mostra a influência da umidade de dois minérios de ferro, em faixas granulométricas distintas, em seus índices de crepitação, medidos em porcentagem em massa de material abaixo 0,5mm.

Figura 3.5.1 – Influência da umidade na crepitação de minérios de ferro [Adaptado de BIRNBAUM, 1960].

KUNII et al investigaram a crepitação em diversos minérios de ferro. A hipótese argumentada em seus trabalhos é de que a água de cristalização foi o fator responsável

Minério de 20-40mm 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Umidade (%) 16 12 8 4 Minério de 50-80mm Temperatura do gás: 400oC % < 0 ,5 m m

pela crepitação de alguns dos minérios utilizados. A pressão de vapor, resultante da decomposição de fases minerais hidratadas, principalmente da goethita, gera tensões suficientemente grandes para romper o minério, a depender dos tipos de poros. [KUNII, 1966].

KUNII estudou três variedades de minérios de ferro, o Temangan que é hidratado e apresenta elevado índice de crepitação. O Cotabato que também é hidratado, porém com pouca crepitação. Finalmente, o minério brasileiro hematítico, com elevado índice de crepitação. Segundo o autor, o minério Temangan crepita tendo como principal força motriz a pressão de vapor resultante da fase mineral hidratada. O Cotabato teria estas tensões aliviadas por sua elevada porosidade, portanto apresentando pouca crepitação.

O minério brasileiro, apesar de não ser hidratado apresentou elevados índices de crepitação. O autor atribuiu o fato a uma orientação preferencial dos cristais de hematita em uma mesma direção, aliada à grande diferença de tamanho entre os maiores e menores grãos. [KUNII, 1966].

Outro estudo realizado foi o de ISHIZUKA em 1967, onde foram estudados alguns minérios hidratados e um brasileiro hematítico. O autor cita KUNII em seu trabalho, porém não conclui a respeito da crepitação nos minérios hidratados, e afirma que a orientação dos cristais de hematita é a causa da crepitação nos minérios brasileiros. Segundo ele ocorre um esfoliamento da estrutura morfológica do minério [ISHIZUCA, 1967]. É importante ressaltar que o autor não apresenta provas que sustentem sua hipótese.

ISHIZUCA também estudou a influência da velocidade de aquecimento dos minérios em seus índices de crepitação. A figura 3.5.2 mostra os resultados obtidos por ele.

Figura 3.5.2 – Influência da taxa de aquecimento na crepitação de minérios de ferro [Adaptado de ISHIZUCA, 1967].

A figura 3.5.2 apresenta os resultados para os minérios Kiriburu compacto, Rompin compacto e brasileiro laminado. ISHIZUCA afirma que a crepitação ocorre com maior facilidade para velocidades elevadas de aquecimento. É importante deixar claro que o eixo das ordenadas caracteriza a porcentagem de finos gerada, de forma que o ponto inicial seja zero para cada uma das curvas.

Em 1968 WATANABE [WATANABE, 1968] apresentou um estudo detalhado a respeito da crepitação em minérios australianos, indianos e brasileiros. Ele explorou diversas metodologias para caracterizar a crepitação em minérios de ferro e chegou a conclusões semelhantes às de KUNII e ISHIZUKA.

Segundo WATANABE, a principal causa da crepitação em minérios hidratados é a pressão de vapor gerada na decomposição das fases minerais hidratadas. A quantidade desta fase influencia fortemente o fenômeno. O autor afirma que, por exemplo, a quantidade de goethita no minério afeta a distribuição de poros e por

100 200 300 400 500 600 Temperatura (oC) xxxxxx – Intervalo de Crepitação Kiriburu compacto Rompin comp. Brasil Velocidade de aquecimento (1) 20o_C/min (2) 15oC/min (3) 10oC/min (1) (2) (3) (1)

conseqüência a pressão de vapor nas partículas. Segundo ele, grandes quantidades de goethita facilitam o fluxo de vapor por meio dos poros, diminuindo a crepitação do material. Quanto aos minérios pouco ou não hidratados, a causa apontada por WATANABE é a presença de cristais alongados em uma estrutura tendenciosamente linear, que quando submetidos a um aquecimento brusco tendem a se dilatar anisotropicamente, causando rompimentos catastróficos das partículas de minério.

PROCTER, em 1973, também fez um amplo estudo a respeito da crepitação em minérios de ferro, dando ênfase a investigação da influência dos parâmetros de ensaio sobre o fenômeno da crepitação. Segundo o autor o sistema de amostragem e a quantidade de amostra utilizada são de fundamental importância devido à heterogeneidade do minério de ferro, em geral. [PROCTER, 1973].

PROCTER observou ainda que os fragmentos provenientes da crepitação apresentavam algumas características em comum. Em geral, eram partículas de elevada densidade e textura compacta. Quando o material se apresentava bandeado, as fraturas ocorriam preferencialmente entre as bandas. Caso a textura fosse uniforme os fragmentos eram lineares, aspecto escamoso. As peças que não crepitavam também apresentavam características em comum, como baixa densidade e porosidade elevada. [PROCTER, 1973].

Um ponto de ataque de PROCTER foi verificar a hipótese da dilatação anisotrópica como causa da crepitação nos minérios brasileiros, proposta por WATANABE (1968). PROCTER estudou minérios australianos com características semelhantes aos brasileiros e verificou que eles tinham uma tendência mínima à crepitação, de forma que grande parte dos fragmentos obtidos após ensaios eram provenientes de fragilizações ocorridas no ato do desmonte, ainda na mina.

A partir de então, surgem os primeiros indícios de que os minérios submetidos a algum tratamento ou processamento mecânico apresentam tensões residuais em sua estrutura, o que os fragiliza, gerando uma forte tendência à crepitação.

Em 1981, CARDOSO desenvolveu uma análise a respeito da crepitação em seis tipos de minérios de ferro brasileiros. Seu principal objetivo era verificar se a crepitação de minérios de ferro poderia ser associada a transformações de fase durante aquecimento, principalmente à decomposição da goethita. O autor mostrou que os minérios brasileiros hematíticos apresentam fases hidratadas, principalmente goethita.

Usando teoria da mecânica da fratura, ele observou que no caso da pressão de vapor resultante da decomposição de fases hidratadas ser regida pelo equilíbrio líquido-gás, esta é suficiente para provocar a crepitação em minérios hematíticos. Segundo CARDOSO, a pressão de vapor na faixa de temperatura onde se verifica a crepitação é suficiente para provocar a propagação de trincas, mesmo para pequenas frações de fases hidratadas. [CARDOSO, 1981].

Os resultados de CARDOSO condizem com o afirmado por WATANABE em 1968. CARDOSO observou que os minérios menos hidratados são os mais susceptíveis à crepitação, ao passo que, os minérios hidratados estudados eram caracterizados por alta porosidade, e apresentavam baixos índices de crepitação.

FONTELLA [apud XAVIER, 1994] estudou minérios de ferro brasileiros e mostrou que a crepitação era fortemente afetada pelas condições de intempéries a que os minérios são submetidos. A umidade, assim como o tempo de secagem do minério são fatores influentes apontados pelo autor. Segundo ele, o aumento do tempo de secagem implica em diminuição dos índices de crepitação.

Esta questão é atualmente investigada por diversos autores. A influência da temperatura e tempo de secagem, assim como seus efeitos sobre o minério é uma questão de extrema importância, uma vez que minimizar a crepitação é desejável e economicamente interessante.

XAVIER, em 1994, estudou a crepitação de minérios de ferro provenientes da mina da Mutuca. Ele os classificou de acordo com suas texturas, compactos, porosos, brechados e xistosos. Os índices de crepitação obtidos para estes minérios foram 2,2%, 10,3%, 12,6% e 1,3% respectivamente. Segundo XAVIER, o minério brechado, por apresentar grande variedade textural e mineralógica, quando aquecido, tem seus cristais dilatados anisotropicamente, causando sua fratura. Os porosos apresentam elevados índices de crepitação devido à presença de fases hidratadas. [XAVIER, 1994]. Em 1996, VIEIRA, em um estudo completo a respeito da qualidade intrínseca de minérios de ferro utilizados em alto-fornos, investigou a crepitação em minérios brasileiros. Segundo o autor estes minérios apresentam diferentes índices de crepitação. Os minérios compactos/tectônicos apresentam elevados índices, tendo como principal causa dilatações anisotrópicas quando submetidos a elevadas temperaturas. Os minérios compactos martíticos anidros apresentam baixos valores de

crepitação, pois são materiais ricos em hematitas martíticas, pouco hidratados apresentando baixa anisotropia cristalina. [VIEIRA, 1996].

Um importante ponto abordado por VIEIRA foi a influência de tratamentos térmicos, prévios aos choques térmicos, no índice de crepitação. Segundo ele, com aplicação de tratamento térmico, tem-se um alívio de tensões internas nas partículas, e por conseqüência uma diminuição drástica da intensidade de crepitação em todas as tipologias de minério de ferro brasileiro testadas em seu trabalho.

As observações de VIEIRA resultaram em outros estudos a respeito de tratamentos térmicos nos índices de crepitação em diversas tipologias de minério de ferro.

VIEIRA, em 2007, descreveu, em um de seus trabalhos, a importância da secagem e tratamento térmico de granulados de minério de ferro para uso em reatores de redução. O autor descreveu a tecnologia JB de secagem e tratamento térmico de granulados, já empregadas em algumas usinas brasileiras. A concepção básica consiste em empregar o silo de estocagem de matérias-prima como reator metalúrgico vertical em contracorrente, com a carga sólida no sentido descendente e gases quentes, gerados pela planta, no sentido ascendente. [VIEIRA, 2007].

Segundo VIEIRA, esta tecnologia minimiza dois problemas. Primeiramente, os gases quentes secam o minério, aumentando de forma acentuada a eficiência do peneiramento e a distribuição de carga no interior do reator. Isto, a depender da temperatura dos gases e do tempo de residência do minério no silo, está associado a diminuição drástica da intensidade de crepitação em diversas tipologias de minérios de ferro brasileiros.

Também em 2007, CORRÊA et al estudaram a influência do tratamento térmico na intensidade de crepitação de minérios de ferro da província de Corumbá. A tabela 3.5.1 apresenta as características mineralógicas e microestruturais dos minérios estudados por CORRÊA.

Tabela 3.5.1 – Características mineralógicas e microestruturais avaliadas via microscopia óptica de luz refletida, das amostras do minério A (Produto) e do minério B (ROM e Produto) [CORRÊA et

al, 2007]. COMPOSIÇÃO MINERALÓGICA (% em Peso) e CARACTERÍSTICAS MICROESTRUTURAIS MINÉRIOS ESTUDADOS

B ROM B Produto A Produto

Classificação Mineralógica

Hematítico Lobular Microcristalino com Sílica

Hematítico Lobular Microcristalino Hematítico Microcristalino Lobular com Sílica Hematita Tabular (%) 2,5 3,9 5 Hematita Microcristalina (%) 36,7 36,4 69,4 Hematita Lobular (%) 43,1 53,8 14,9 Hematita Martítica (%) 0,1 0 0 Magnetita (%) 0,4 0,2 0 Goethita (%) 4,3 0,1 0,8 Agregado Terroso (%) 4,6 0,2 0,6 Quartzo (%) 0,2 2,1 5,5 Silex (%) 8 3,2 3,6 Outros (%) 0,1 0 0,2

Tamanho médio dos

monocristais ( m) 9 10 5

Porosidade (%) 8,8 5,7 13,2

Diâmetro médio dos

poros ( m) 8 7 5

CORRÊA observou que o minério A tem índices de crepitação muito menores do que o minério B. O autor trabalhou com três índices. O primeiro relacionado com a fração de finos menor que 6,35mm, o segundo para a fração menor que 3,3mm e o terceiro para a faixa menor que 0,6mm. A tabela 3.5.2 apresenta os resultados encontrados pelo autor.

Tabela 3.5.2 – Resultados dos ensaios de crepitação das amostras de minério de ferro A e B [CORRÊA, 2007]. B ROM 20 – 25mm B ROM 6,35 – 16mm B Produto 6,35 – 16mm A Produto 20 – 25mm IC-6,35 17,2% 19,6% 17,8% 6,6% IC-3,3 10,8% 9,5% 9,8% 3,4%% IC-0,6 1,7% 1,4% 1,2% 0,5%

O Índice em 3,35mm é geralmente o mais usado para mensurar intensidade de crepitação de minérios usados em pequenos altos-fornos brasileiros a carvão vegetal. Observa-se que, para as amostras do minério B, esses Índices foram altos, da ordem de 10%, enquanto que o do minério A foi de 3,4%, valor considerado bom. Observa-se que os Índices em 0,6mm variaram muito pouco e sempre com valores baixos. Percebe-se, assim, que na crepitação a geração de finos nessa faixa é geralmente muito baixa, não sendo um bom parâmetro para avaliar a crepitação dos minérios em questão [CORRÊA, 2007].

CORRÊA britou as amostras de minérios estudadas por ele, e as submeteram a ensaios de crepitação. A tabela 3.5.3 traz os resultados do autor.

Tabela 3.5.3 – Índices de crepitação dos minérios B ROM (20mm a 25mm), B ROM (6,35mm a 16mm) naturais e britados [CORRÊA, 2007].

B ROM 20 – 25mm Natural B ROM 20 – 25mm Britado B ROM 6,35 – 16mm Natural B ROM 6,35 – 16mm Britado IC-6,35 17,2% 21,8% 19,6% 19,8% IC-3,3 10,8% 12,1% 9,5% 9,6% IC-0,6 1,7% 1,7% 1,4% 1,3%

Pôde-se observar que para os minérios ensaiados na faixa de 20 a 25mm, houve um aumento dos Índices de Crepitação em 6,35 e 3,3mm, ao passo que para os ensaiados na faixa de 6 a 16mm não houve diferença entre os Índices. O aumento dos Índices na faixa de 20 a 25mm sugere que minérios britados tendem a crepitar mais do que os não britados. Todavia, o autor deixa claro que estudos adicionais devem ser feitos para confirmar esse comportamento, uma vez que na faixa de 6 a 16mm não houve diferença.

CORRÊA tratou termicamente as amostras e mostrou que este procedimento propicia uma drástica diminuição da crepitação dos minérios da província de Corumbá.

Paralelamente, SILVA e MUNIZ (2007), estudando alguns minérios da MCR, investigaram a influência do tratamento térmico para redução direta. Inicialmente os autores investigaram as causas da crepitação nos minérios de Corumbá, e afirmaram ser a água estrutural.

SILVA e MUNIZ investigaram a crepitação nas temperaturas de 1000, 900, 800 e 700ºC. As amostras foram ensaiadas com umidade natural e posteriormente secas a 105ºC por sete horas. Para as amostras com umidade natural, o índice de crepitação variou de 9,9 a 24%. Para as amostras secas, o índice variou de 1,1 a 15%. Segundo o autor, estes resultados permitem afirmar que o procedimento de secagem do minério tem forte influência na diminuição da quantidade de finos provenientes do choque térmico.

mais apontadas como causas da crepitação de minério de ferro são, em minérios hidratados, a pressão de vapor proveniente da decomposição térmica das fases minerais hidratadas. No caso de minérios pouco ou não hidratados, a anisotropia de dilatação, de forma que esta ultima é abordada apenas como hipótese, não tendo sido comprovada experimentalmente. Como citado anteriormente, PROCTER, ao estudar minérios australianos, pôs em duvida as idéias de WATANABE, uma vez que estes minérios, muito semelhantes aos brasileiros, apresentam baixo índice de crepitação.

Afirma-se também que alguns fatores exercem forte influência sobre a crepitação, como tempo de secagem, tempo e condições de estocagem, umidade, tensões residuais provenientes de processos mecânicos, assim como algumas características intrínsecas do minério, como mineralogia e morfologia.

É também consenso entre os pesquisadores que, se tratando de minérios goethíticos, a sua porosidade atua como moderadora da crepitação.

Pode-se verificar que, atualmente, as frentes de pesquisa, no que diz respeito à crepitação, estão direcionadas a uma caracterização tecnológica, com ênfase ao estudo da influência de tratamentos térmicos nos índices de crepitação.