SIDERURGIA Processos de Produção de Ferro Gusa e Aço

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1 CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA CEFET-MG CAMPUS V CONTEXTO SOCIAL E PROFISSIONAL ENGENHARIA MECATRÔNICA 1 PERIODO PROF.: RENATO SIDERURGIA Processos de Produção de Ferro Gusa e Aço DANIEL LACERDA PORTES FRANCISCO LACERDA MONTEIRO JOAO PAULO MIRANDA MAYCON OLIVEIRA FERNANDES Divinópolis, 22 de Maio de 2009

2 Sumário 1 Resumo Introdução Produção de Ferro e Aço Fornos Primitivos Desenvolvimento dos altos-fornos Matérias-primas da indústria siderúrgica Minério de Ferro Beneficiamento do minério de ferro Carvão Fundente Outras matérias-primas da indústria siderúrgica Produção do ferro gusa: Alto-forno Operação do auto-forno Produtos do auto-forno Fabricação do Aço Processos pneumáticos Processos elétricos Processos de redução direta Conclusão Referências Bibliográficas Anexo

3 1. Resumo Quando se trata de siderurgia, o processo produtivo é constituido de três etapas fundamentais: chegada, descarregamento e normalização da matéria-prima; carregamento do auto-forno; vazamento do ferro gusa líquido, lingotamento e expedição do produto final (gusa sólido). Em alguns dos processos acima referidos nota-se uma certa insalubridade, pois, a siderurgia se caracteriza como uma indústria pesada. Devido a isso, o Engenheiro Mecatrônico tem papel importante na criação e implantação de projetos automatizados que reduzam ao máximo as condições de riscos na mão-de-obra industrial. 2

4 2. Introdução: Quando o homem conseguiu a quantidade necessária de calor para fundir o minério de ferro, encerrou a Idade do Bronze e deu início à Idade do Ferro. O fator custo teve importante papel nesta mudança. [2] A fronteira entre o ferro e o aço foi definida na Revolução Industrial, com a invenção de fornos que permitiam não só corrigir as impurezas do ferro, como adicionarlhes propriedades como resistência ao desgaste, ao impacto, à corrosão, etc. Por causa dessas propriedades e do seu baixo custo o aço passou a representar cerca de 90% de todos os metais consumidos pela civilização industrial. [2] A partir da demanda de conhecer sistematicamente os processos que envolvem a fabricação de ferro, fizemos uma visita técnica à SIDERÚRGICA GAFANHOTO (SIGA), localizada na cidade de Nova Serrana/MG. Nesta visita presenciamos todo o processo de produção do ferro gusa, desde o descarregamento das matérias-primas (carvão, calcário e minério de ferro) até a obtenção do produto final (ferro gusa sólido). No decorrer deste trabalho tentaremos explicitar o processo em questão. 3

5 3. Produção de ferro e aço: História da utilização: Cometas Grandes concentrações de minério de ferro. Povos antigos Babilônia, Egito, Pérsia, China, Índia e depois Gregos e Romanos fabricavam armas e inúmeros utensílios de ferro e aço. 3.1 Fornos Primitivos - Tipo poço fechado - Tipo de forja catalã Ambos usando carvão vegetal como combustível. Figura 1 Fornos primitivos usados na redução do minério de ferro, pelo emprego de carvão vegetal como combustível. Estes dois tipos de fornos usavam o processo de redução direta (ferro não era obtido no estado líquido): C + O 2 CO 2 CO 2 + C 2CO YCO + Fe X O Y XFe + YCO 2 Obs.: O ferro era obtido no estado pastoso (líquido de alta viscosidade), misturado com as impurezas do minério. 4

6 O ferro assim obtido apresentava-se em geral relativamente dúctil, mole, maleável e podia ser trabalhado por martelamento a temperaturas relativamente elevadas. Após ser retirado do forno (uma bola de ferro), o ferro era martelado para a remoção das impurezas. O resultado final era uma barra ou lupa, posteriormente reaquecida e trabalhada por martelamento (ferro pudlado). Fornos primitivos Possibilitavam a absorção de uma certa quantidade de carbono (até 1%), o que por rápido resfriamento poderia elevar drasticamente a dureza do material (têmpera). 3.2 Desenvolvimento dos altos-fornos Começou-se a aumentar, paulatinamente, a altura dos fornos primitivos. (fornos de cuba ou fornos chaminé). Fornos chaminé: Carga introduzida pelo topo Ar soprado pela parte inferior 1500 Inglaterra Alto-forno mais próximo aos modernos 1619 Inglaterra Introdução do coque 1800 Inglaterra Aquecimento do ar 4. Matérias-primas da indústria siderúrgica As matérias-primas básicas da indústria siderúrgica são as seguintes: - Minério de ferro - Carvão - Calcário 4.1 Minério de ferro É a principal matéria-prima do alto-forno, pois é dele que se extrai o ferro. Os minerais que contêm ferro em quantidade apreciável são os óxidos, carbonatos, sulfetos e silicatos. Os mais importantes para a indústria siderúrgica são os óxidos, sendo eles: - Magnetita (óxido ferroso-férrico) Fe 3 O 4 (72,4% Fe). - Hematita (óxido férrico) Fe 2 O 3 (69,9% Fe). - Limonita (óxido hidratado de ferro) 2FeO 3.3H 2 O (48,3% Fe). Obs.: O Brasil possui grandes reservas de minério de ferro de alta qualidade (alto teor de ferro). O minério de ferro é composto por três partes a saber: - Útil parte que contém o ferro 5

7 - Ganga impurezas sem valor direto - Estéril parte da rocha em que há minério, mas não nas características e/ou quantidade necessárias para utilização na indústria. O minério de ferro pode ser classificado como: - Rico 60 a 70% de Fe - Médio 50-60% de Fe - Pobre <50% Beneficiamento do minério de ferro O termo genérico beneficiamento compreende uma série de operações que têm como objetivo tornar o minério mais adequado para a utilização nos altos-fornos. Estas operações são britamento, peneiramento, mistura, moagem, concentração, classificação e aglomeração (principal). A aglomeração visa melhorar a permeabilidade da carga do altoforno, reduzir o consumo de carvão e acelerar o processo de redução. Os processos mais importantes de aglomeração são a sinterização e a pelotização. Sinterização: Consiste em aglomerar-se finos de minério de ferro numa mistura com aproximadamente 5% de um carvão finamente dividido ou coque. A carga é aquecida por intermédio de queimadores e com o auxílio de fluxo de ar. A temperatura que se desenvolve durante o processo atinge a o C, suficiente para promover a ligação das partículas finas do minério, resultando num produto uniforme e poroso, chamado sínter. Pelotização: Este é o mais novo processo de aglomeração e talvez o de maior êxito. Neste processo, produzem-se inicialmente bolas ou pelotas cruas de finos de minério de alto teor ou de minério concentrado. Adiciona-se cerca de 10% de água e, geralmente, um aglomerante de natureza inorgânica. Uma vez obtidas as pelotas cruas, estas são secas, pré-aquecidas e então queimadas. 4.2 Carvão O combustível utilizado no alto-forno é o carvão, coque ou de madeira, cuja ação se faz sentir em três sentidos: - fornecedor de calor para a combustão; - fornecedor do carbono para a redução de óxido de ferro; 6

8 - indiretamente, fornecedor de carbono como principal elemento de liga do ferro gusa. Carvão coque: O coque é obtido pelo processo de coqueificação, que consiste, em princípio, no aquecimento a altas temperaturas, em câmaras hermeticamente (exceto para saída de gases) fechadas, do carvão mineral. No aquecimento às temperaturas de coqueificação e na ausência de ar, as moléculas orgânicas complexas que constituem o carvão mineral se dividem, produzindo gases e compostos orgânicos sólidos e líquidos de baixo peso molecular e um resíduo carbonáceo relativamente não volátil. Este resíduo resultante é o coque, que se apresenta como uma substância porosa, celular, heterogênea, sob os pontos de vista químico e físico. A qualidade do coque depende muito do carvão mineral do qual se origina, principalmente do seu teor de impurezas. Carvão vegetal: O carvão vegetal ou de madeira é fabricado mediante pirólise da madeira, isto é, quebra das moléculas complexas que constituem a madeira, em moléculas mais simples, mediante calor. O aquecimento para a carbonização da madeira é feito em fornos de certo modo rudimentares e pouco eficientes, sobretudo no Brasil, pois os subprodutos gasosos e líquidos são perdidos durante o processo. O calor é aplicado à madeira, com ausência de oxigênio, resultando em gases (CO 2, CO, H 2, etc...), líquidos (alcatrões, ácido acético, álcool metílico) e o resíduo sólido que é o carvão vegetal. 4.3 Fundente A função do fundente é combinar-se com as impurezas (ganga) do minério e com as cinzas do carvão, formando as chamadas escórias. O principal fundente é o calcário, de fórmula CaCO Outras matérias-primas da indústria siderúrgica Entre elas, a mais importante é o minério de manganês. Outras matérias-primas incluem as ferro-ligas de silício, cromo, vanádio, molibdênio, níquel, tungstênio, titânio, etc...finalmente, deve-se ainda mencionar como importante matéria-prima a sucata de aço, ou seja, subprodutos da fabricação de aço e itens ou componentes de aço desgastados, quebrados ou descartados. 7

9 5. Produção do ferro Gusa: Alto-forno O alto-forno constitui ainda o principal aparelho utilizado na metalurgia do ferro. A metalurgia do ferro consiste, essencialmente, na redução dos óxidos dos minérios de ferro, mediante o emprego de um redutor, que é um material a base de carbono (carvão). A Figura 2 mostra a seção transversal de uma instalação de alto-forno, incluindo todo o equipamento acessório e auxiliar. Como se vê, trata-se de uma estrutura cilíndrica, de grande altura, que compreende essencialmente uma fundação e o forno propriamente dito. Este, por sua vez, é constituído de três partes essenciais: cadinho, rampa e cuba (ver Figura 3). O equipamento acessório e auxiliar do tem como objetivo limpar os gases que saem do alto-forno, bem como pré-aquecer o ar que é introduzido no forno através das ventaneiras. Figura 2 Seção transversal de uma instalação de alto-forno, incluindo o equipamento auxiliar principal. 8

10 Figura 3 Seção transversal de um alto-forno moderno. 5.1 Operação do alto-forno Num alto-forno, existem duas correntes de materiais responsáveis pelas reações que se verificam, isto é, uma corrente sólida, representada pela carga que desce paulatinamente e uma corrente gasosa que se origina pela reação do carbono do carvão com o oxigênio do ar soprado pelas ventaneiras, que sobe em contracorrente. Reações químicas: As temperaturas mais elevadas ocorrem nas proximidades das ventaneiras: da ordem de a o C. Nesta região, verifica-se a reação: C + O 2 CO 2 Reação 1 Originando-se grande quantidade de calor. Este CO 2, ao entrar em contato com o coque incandescente, decompõe-se: CO 2 + C 2CO Reação 2 O CO originado é o agente redutor. 9

11 A carga introduzida pelo topo, ao entrar em contato com a corrente gasosa ascendente sofre uma secagem. A decomposição dos carbonatos, contidos no calcário dá-se a aproximadamente 800 o C, conforme as seguintes reações: CaCO 3 CaO + CO 2 Reação 3 MgCO 3 MgO + CO 2 Reação 4 Além do CO como agente redutor, o próprio carbono do carvão atua nesse sentido. Reações químicas de redução do minério de ferro: 3Fe 2 O 3 + CO 2Fe 3 O 4 + CO 2 Reação 5 Fe 3 O 4 + CO 3FeO + CO 2 Reação 6 ou Fe 2 O 3 + 3C 2Fe + 3CO Reação 7 Na região que corresponde ao topo da rampa (região acima do cadinho onde o ferro líquido e a escória são depositados), inicia-se a formação da escória, pela combinação da cal (CaO) com a ganga (impurezas do minério de ferro) e uma certa quantidade de óxido de ferro e manganês. Essa escória formada, juntamente com o ferro, começa a gotejar através dos interstícios (espaços vazios) da carga ainda sólida, para depositar-se no cadinho. Outras reações: Mn 3 O 4 + C 3MnO + CO Reação 8 MnO + C Mn + CO Reação 9 SiO 2 + 2C Si + 2CO Reação 10 P 2 O 5 + 5C 2P + 5CO Reação 11 FeS + CaO + C CaS + Fe + CO Reação 12 Finalmente, as últimas reações fundamentais são representadas pelas equações: 3Fe + C Fe 3 C Reação 13 3Fe + 2CO Fe 3 C + CO 2 Reação 14 10

12 Todas estas reações produzem, então, o ferro gusa, que além de ferro e carbono também incorpora os elementos manganês (Mn), silício (Si), fósforo (P) e enxofre (S). A formação da escória compreende reações bem mais complexas. Essa escória resulta da combinação do CaO e do MgO do calcário (fundente) com a ganga (impurezas) do minério e as cinzas do carvão. A escória caracteriza-se por sua grande fluidez e seu baixo peso específico. Assim, no cadinho (reservatório), a escória e o gusa líquido separam-se por gravidade, formando duas camadas, isto é, a inferior (metálica) e a superior (escória), facilitando o vazamento de ambos os produtos. 5.2 Produtos do alto-forno O principal produto do alto-forno é o ferro gusa. O ferro gusa é uma liga ferro-carbono de alto teor de carbono e teores variáveis de silício, manganês, fósforo e enxofre. De um modo geral, a maioria dos ferros gusas possíveis de serem obtidos em alto-forno está compreendida na seguinte faixa de composições: Carbono - 3 a 4,4% Silício - 0,5 a 4,0% Manganês - 0,5 a 2,5% Fósforo - 0,05 a 2,0% Enxofre - 0,20% máx. Um outro produto do alto-forno é a escória, cuja composição varia igualmente dentro de largos limites, isto é: SiO 2-29 a 38% Al 2 O 3-10 a 22% CaO + MgO - 44 a 48% FeO + MnO - 1 a 3% CaS - 3 a 4% Este material depois de solidificado pode ser utilizado como lastro de ferrovias, material isolante, etc. Sua mais importante aplicação dá-se na fabircação do chamado cimento metalúrgico. Finalmente, o gás de alto-forno é um subproduto muito importante devido ao seu alto poder calorífico. Sua composição é a seguinte: CO 2-13% CO - 27% H 2-3% 11

13 N 2-57% Este gás é utilizado na própria usina siderúrgica nos regeneradores, fornos diversos de aquecimento, caldeiras etc. 6. Fabricação do aço O ferro gusa é uma liga Fe-C com outros elementos resultantes do processo de fabricação. Estes outros elementos são o Si, Mn, P e S. Para a fabricação do aço, estes outros elementos, inclusive o carbono, devem ter seus teores reduzidos. Esta redução da concentração destes elementos químicos ocorre por oxidação. Os agentes oxidantes, isto é, aqueles que irão oxidar o ferro gusa para baixar o teor dos elementos químicos, podem ser de natureza gasosa ou sólida (minério de ferro). - Processos pneumáticos agente oxidante ar ou oxigênio - Processo Siemens-Martin ou elétrico agente oxidante substâncias sólidas contendo óxidos (minério de ferro por exemplo). 6.1 Processos pneumáticos Os vários tipos estão representados na Figura 4. Como se vê na figura, o princípio básico de qualquer dos processos é introduzir ar ou oxigênio, pelo fundo, lateralmente ou pelo topo, através de uma lança. Estes diferentes tipos de equipamentos são chamados de conversores pneumáticos. Sendo as reações de oxidação dos elementos contidos no ferro gusa líquido fortemente exotérmicas, principalmente a do silício, não há necessidade de aquecimento da carga metálica do conversor, eliminando-se, assim, a utilização de qualquer combustível. 12

14 Figura 4 Processos pneumáticos para produção de aço, a partir de ferro gusa. Reações químicas de oxidação do ferro gusa: As primeiras reações de oxidação do gusa são as seguintes: 2Fe + O 2 2FeO Reação 15 2FeO + Si SiO 2 + 2Fe Reação 16 FeO + Mn MnO + Fe Reação 17 O resultado da oxidação é a formação de sílica SiO 2, que, juntamente com os óxidos de ferro e manganês que igualmente se formam durante o sopro, originam uma escória de baixo ponto de fusão, a base de silicatos de Fe e Mn. A medida que o sopro continua, inicia-se a oxidação do carbono: FeO + C Fe + CO Reação 18 Após este primeiro estágio de oxidação, o metal está pronto para ser vazado na panela onde são, então, adicionadas as ligas Fe-Mn ou alumínio para desoxidar e dessulfurar o metal, segundo as seguintes reações: FeO + Mn MnO + Fe Reação 19 FeS + Mn MnS + Fe Reação 20 13

15 ou 3FeO + 2Al Al 2 O 3 + 3Fe Reação 21 Existem alguns problemas operacionais no processo de oxidação do ferro gusa. Os mais importantes são de controle do final da oxidação, da temperatura e da composição química do banho metálico. Os conversores mais conhecidos são o Bressemer, Thomas, de sopro lateral e de sopro pelo topo (conversor L-D). 6.2 Processos elétricos Nos fornos pneumáticos, o ferro gusa era transportado ainda líquido, para dentro dos conversores e, o próprio calor gerado pela oxidação dos elementos químicos era suficiente para manter a temperatura do forno, sem precisar-se de nenhuma fonte auxiliar de energia. Os fornos pneumáticos era utilizados, basicamente, em usinas integradas (nestas usinas, a redução do minério de ferro, bem como a fabricação do aço são realizados no mesmo local), de forma que o ferro gusa pode ser transportado, ainda líquido do alto-forno para os conversores. Na maioria dos casos, contudo, as empresas compram o gusa sólido e, juntamente com sucata de aço, forma-se a carga para alimentar os fornos elétricos de produção de aço. Nestes fornos, a fusão da mistura de sucata de aço e ferro gusa ocorre devido ao calor gerado por um arco voltáico que se forma entre três eletrodos de grafite e a carga metálica. Após a fusão da carga, oxigênio é injetado por uma lança diretamente no banho líquido. A redução dos teores dos elementos de liga ocorre, então, por oxidação, sendo que as reações são as mesma já descritas para os fornos pneumáticos. A fabricação do aço, também conhecido como refino do aço, incorpora duas etapas a saber, isto é, o refino primário e o refino secundário. No refino primário, são reduzidos os teores de carbono, manganês, silício e fósforo. O calor liberado pela oxidação destes elementos químicos reduz o consumo de energia elétrica do forno. Durante o processo de oxidação, a composição química do banho líquido é monitorada por coleta de amostras e análise por espectrometria de emissão ótica. Quando o banho líquido atinge a composição química ideal, este é transportado para um outro forno e a composição química final do aço é acertada (refino secundário). Neste segundo forno (forno panela), as ferro-ligas (Fe-Mn ou Fe-Si) são adicionadas. Estas ligas funcionam como dessulfurantes e desoxidantes, isto é, reduzem os teores de enxofre e oxigênio do aço. A dessulfurização é realizada de acordo com a seguinte reação: 14

16 Mn + S MnS Reação 22 O enxofre é então reduzido pela formação do sulfeto de manganês (MnS) que vai para a escória. Já quanto à desoxidação, é inevitável que parte do ferro, durante o refino primário, sofra oxidação, de acordo com a seguinte reação: Fe + O FeO Reação 23 Então, na desoxidação, ocorre a seguinte reação e o óxido de manganês vai compor a escória. FeO + Mn Fe + MnO Reação 24 Contudo, é interessante comentar que nem todo o sulfeto de manganês (MnS) e o MnO vão para a escória. Parte destes compostos, bem como o próprio FeO permanecerão no aço como impurezas, chamadas de inclusões não metálicas, as quais devem ser criteriosamente controladas pois afetam diretamente as propriedades dos aços produzidos. 7. Processos de redução direta O princípio da redução direta consiste em tratar-se óxidos de ferro praticamente puros (Fe 2 O 3 ou Fe 3 O 4 ) a temperaturas usualmente entre 950 e 1050 o C, na presença de uma substância redutora, resultando, freqüentemente uma massa escura e porosa, conhecida como ferro esponja. A redução é realizada no estado sólido e os processos correspondentes têm por objetivo eliminar o alto-forno, produzindo-se o aço diretamente do minério ou produzindose um material intermediário, a ser empregado como sucata sintética nos fornos de aço. Os processos de redução direta seriam aconselhados, pelo menos teoricamente, para países que não dispõem do melhor carvão de pedra coqueificável ou que não possuam minérios de alto teor em ferro. Basicamente, todos os processos de redução direta podem ser agrupados em duas classes: - processos que utilizam redutores sólidos; - processos que utilizam redutores gasosos. A Figura 5 representa, esquematicamente, o processo conhecido pelo nome de SL/RN. A carga consiste de concentrados de minério de ferro, na forma moída ou na forma de pelotas, coque e calcário moídos. 15

17 Figura 5 Representação esquemática do processo SL/RN de redução direta. A carga é levada a um forno rotativo, onde a temperatura é mantida na faixa de a o C. O produto sólido resultante é resfriado e o ferro é separado mediante separador magnético. O coque não utilizado é removido e reutilizado. O processo permite produzir material contendo enxofre entre 0,02 e 0,05% apenas, o que o torna adequado para a utilização em fornos de aço. 16

18 8. Conclusão: Proposta de Automatização v Vazagem do gusa líquido: No processo em questão, no momento em que é feita a furagem do auto-forno para o vazamento do gusa na panela, notamos um processo insalubre. Os operários usam para furar o auto-forno uma ponteira e uma marreta, e precisam ficar muito próximos do local de fluxo do gusa, correndo riscos devido à instabilidade do metal líquido em questão. Nossa proposta para a solução do problema citado seria a implantação de um braço eletropneumatico (canhão), que iria perfurar a chamada bica de vazão do auto-forno nas dimensões pré-definidas. Este braço seria acionado por uma Botoeira N/A, que dá origem ao movimento rotacional do braço em direção ao local desejado. Ao final do processo de vazagem do gusa, deve ser feita a vedação da bica. No braço mecânico utilizado para a furagem seria utilizado em seu cabeçote uma ponteira, já para a vedação, inverteríamos o cabeçote que com uma massa tamponante e um golpe do braço vedaria a bica. 17

19 9. Referências Bibliográficas: 1) TELECURSO 2000 PROFISSIONALIZANTE. Mecânica Materiais. São Paulo, ) SIDERURGICA GAFANHOTO. Projeto de Implantação do sistema de qualidade. Minas Gerais, ) COUTINHO, C. Bottrel. Materiais Metálicos para engenharia. Belo Horizonte,

20 10. Anexo: Fluxograma do Processo SIGA Figura 6 Representação esquemática dos processos de produção SIGA. 19