PIROMETALURGIA. Prof. Carlos Falcão Jr.

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1 PIROMETALURGIA Prof. Carlos Falcão Jr.

2 PIROMETALURGIA 3 Processos de Redução Direta Processo de obtenção do ferro redução dos seus óxidos por meio de um combustível carbonoso redutor, em geral, coque, carvão vegetal ou mineral. Para que as reações de redução dos óxidos de ferro ocorram rapidamente, são necessárias temperaturas acima de 1000 C, onde o ferro é obtido por redução indireta ou por redução direta.

3 PIROMETALURGIA 3 Processos de Redução Direta Processos de redução direta são aqueles nos quais a redução do minério de ferro a ferro metálico é efetuada sem que ocorra, em nenhuma etapa do processo, a fusão da carga no reator. A redução no estado sólido de minério de ferro por carvão é praticada desde a antigüidade, tendo sido o principal processo de obtenção de ferro até o desenvolvimento dos altos fornos.

4 PIROMETALURGIA 3 Processos de Redução Direta Assim, o produto metálico é obtido na fase sólida, sendo chamado de ferro esponja. Ferro esponja produto metálico com 85-95% de ferro e de 0,1-1,0% de C (podendo chegar a 2,0%). Tem aspecto esponjoso Obtido no estado sólido à temperatura em torno de 1100 C, a preços relativamente reduzidos se comparado a grandes siderúrgicas.

5 PIROMETALURGIA 3 Processos de Redução Direta Em geral, o ferro esponja é utilizado em fornos elétricos a arco em substituição à sucata para obtenção do aço. Vantagem superioridade em relação à sucata em termos de pureza (elementos de liga contidos na sucata podem dificultar o atendimento à especificação do aço a ser produzido).

6 PIROMETALURGIA 3 Processos de Redução Direta Estes processos podem ser divididos em 2 classes, conforme o tipo de redutor: redutor sólido (carvão ou coque) redutor gasoso (gás natural-ch 4 e/ou gases redutores como CO, H 2 ).

7 PIROMETALURGIA 3 Processos de Redução Direta Reações de redução do minério de ferro no reator de redução: 3Fe 2 O 3 + CO 2Fe 3 O 4 + CO 2 3Fe 2 O 3 + H 2 2Fe 3 O 4 +H 2 O Fe 3 O 4 + CO 3FeO + CO 2 Fe 3 O 4 + H 2 3FeO + H 2 O FeO + CO Fe + CO 2 FeO + H 2 Fe + H 2 O

8 PIROMETALURGIA 3 Processos de Redução Direta Portanto, as reações de redução no estado sólido (temperaturas entre 1000 a 1200 C) normalmente envolvem os gases redutores CO e H 2.

9 PIROMETALURGIA 3 Processos de Redução Direta O processo de redução direta é um processo altamente viável em países pouco industrializados, com minérios de alta qualidade, com escassez de sucata e com gás natural em abundância, reduzindo, consequentemente, o emprego do coque que é necessário nos altos fornos, pois este redutor necessita de carvão mineral coqueificável, cujas reservas estão cada vez mais escassas.

10 PIROMETALURGIA 3 Processos de Redução Direta Principais processos de fabricação de ferro esponja: Processos utilizando retorta: HYLHOGANNAS Processos com fornos rotativos: KRUPP- RENNSL/RNSTEICO-LURGIDORED Processos com leitos fluidizados: FERRO.HESSO-LITTLENU-IRONHIB- NOVALFER Processos com fornos de cuba: WIBERG- MIDREX-PUROFER-ARMCO

11 4 - Produção do aço líquido (aciaria) Aciaria é a unidade de uma usina siderúrgica, onde existem máquinas e equipamentos voltados para o processo de transformação do ferro-gusa em diferentes tipos de aço. Dentre estes equipamentos, o principal é o convertedor, que é um tipo de forno, revestido com tijolos refratários. Este transforma o ferrogusa e a sucata em aço.

12 4 - Produção do aço líquido (aciaria) Na aciaria, ocorrem as etapas de Dessulfuração, Refino Primário e Refino Secundário. Além do ferro-gusa, outras matérias-primas, como sucata de processo, fundentes e elementos de liga, fazem parte do refino primário.

13 4 - Produção do aço líquido (aciaria) Dessulfuração Nesta etapa, reduz-se o teor de enxofre (S) presente no ferro-gusa líquido a um nível adequado, até mesmo, igual a 0,002%. No aço solidificado, o enxofre está presente na forma de inclusões de MnS, que são mais plásticas que o aço. Estas inclusões atuam como sítios de nucleação de trincas e zonas de fragilidade.

14 resistência à corrosão INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS 4 - Produção do aço líquido (aciaria) Dessulfuração Teores elevados de enxofre prejudicam algumas propriedades do aço como: ductilidade tenacidade conformabilidade soldabilidade

15 4 - Produção do aço líquido (aciaria) Dessulfuração Na dessulfuração, ocorre formação de escória sobre o banho de ferro-gusa líquido. Essa escória contém, além do enxofre, várias impurezas presentes no banho. Portanto, sua retirada é de extrema importância para a etapa seguinte (refino primário).

16 Em ambos os métodos, o enxofre forma compostos através do recebimento de 2 elétrons, que podem ser doados pelo metal ou pelo O 2- da escória. INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS 4 - Produção do aço líquido (aciaria) Dessulfuração Existem 2 métodos viáveis economicamente de dessulfuração: adição de metais (Mg e Ca) com elevada afinidade por S e adição de escória - principal constituinte é a cal - (reação metal-escória).

17 C passa a CO, que é eliminado sob forma gasosa. INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS 4 - Produção do aço líquido (aciaria) Refino primário Quantidades de sucatas de ferro e aço (20%) e de ferro-gusa líquido (80%) são carregadas em um reator chamado convertedor LD. A transformação fundamental consiste na diminuição do teor de C, de 4,5% para 0,05%, e no aumento da temperatura do gusa, de 1350ºC para 1650ºC do aço.

18 Medição de temperatura e da composição química do aço INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS 4 - Produção do aço líquido (aciaria) Refino primário As etapas do processo de refino primário são: Carregamento da sucata (1 leve; 2 pesada; 3 de ferro-gusa) no convertedor Carregamento do ferro-gusa líquido Sopro de oxigênio

19 4 - Produção do aço líquido (aciaria) Refino primário As etapas do processo de refino primário são: Vazamento do aço líquido na panela com adição de ferro-ligas (composição química desejada) e desoxidantes (remoção do oxigênio da solução) Vazamento da escória remanescente

20 4 - Produção do aço líquido (aciaria) Refino secundário O objetivo dessa etapa é promover o ajuste fino da composição química e da temperatura, complementando assim o refino primário. Suas principais funções são: Descarburação Remoção dos gases dissolvidos, principalmente hidrogênio Adição de ferro-ligas

21 4 - Produção do aço líquido (aciaria) Refino secundário A descarburação dos aços se dá pela reação do C com o O 2 dissolvido no aço, com retirada dos gases CO e CO 2. Quando necessário, sopra-se O 2 para aumentar seu teor no aço, acelerando assim a taxa de descarburação.

22 4 - Produção do aço líquido (aciaria) Refino secundário A redução do hidrogênio ocorre pela redução da pressão parcial dos gases na câmara de vácuo. O ajuste da composição química é realizado através da adição de ferro-ligas.

23 5 Conversores a Oxigênio O Conversor a Oxigênio ou Processo Linz-Donawitz ou LD é o processo mais comum para a produção de aço. Nos conversores a oxigênio são fabricados mais de 50% da produção mundial de aço. No Brasil, eles também são amplamente utilizados.

24 5 Conversores a Oxigênio A carga desse conversor é constituída de ferro gusa líquido, sucata de ferro e aditivos (fundentes). Com uma lança refrigerada com água, injeta-se oxigênio puro a uma pressão de 4-12bar no conversor.

25 5 Conversores a Oxigênio Para oxidar o carbono presente no metal liquido, que é carregado dentro do conversor LD, é necessária grande quantidade de energia, pois essa reação é extremamente endotérmica. Para compensar isso um dos principais elementos presentes no ferro gusa que também é oxidado é o Sílicio formando uma reação extremamente exotérmica (Si + O 2 SiO 2 ). Para neutralizar essa elevada temperatura que prejudicaria o refratário, adiciona-se sucata por exemplo.

26 5 Conversores a Oxigênio Pela adição de fundentes como a cal, os acompanhantes do ferro como o manganês, silício, fósforo e enxofre unem-se formando a escória. Para aumentar a qualidade do aço, adicionamse os elementos de liga no final do processo ou quando o aço está sendo vertido na panela, já pronto.

27 5 Conversores a Oxigênio Os aços produzidos no LD não contem nitrogênio pois não se injeta ar, daí a alta qualidade obtida. Esse conversor oferece vantagens econômicas sobre os conversores do processo de Bessemer e Siemens-Martin.

28 5 Conversores a Oxigênio Produtos do conversor a oxigênio (LD): Aços não-ligados Aços para cementação Aços de baixa liga

29 5 Conversores a Oxigênio O forno Siemens-Martin é um forno de câmara fixo. A carga do forno pode ser constituída de 70% de sucata e o resto de ferro gusa e fundentes (cal). A temperatura de fusão é de 1800 C, que se consegue pela queima de gás ou óleo.

30 5 Conversores a Oxigênio Os gases produzidos pela combustão saem do forno e passam, através de um empilhamento de tijolos, pela parte inferior do forno (recuperador) onde cedem calor dirigindo-se depois para a chaminé. A cada +/-20min, o sentido dos gases é invertido de modo que o ar passe pelo recuperador que está aquecido.

31 5 Conversores a Oxigênio Produtos do conversor Siemens-Martin: Aços carbono não-ligados Aços de baixa liga Aços-ferramenta que não exigem alta qualidade

32 Nesse forno, o aço é purificado e adicionam-se os elementos de liga desejados. Como a geração de calor se dá por uma corrente elétrica, nenhuma chama de gás desprende enxofre. INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS 6 Fornos Elétricos Os aços finos, em particular os altamente ligados, são obtidos em fornos elétricos. Com o aço vindo do conversor a oxigênio ou Siemens- Martin + sucata selecionada o forno elétrico é alimentado.

33 6 Fornos Elétricos Existem 2 tipos de fornos elétricos para a produção de aço: Forno de arco voltaico Forno de indução

34 6 Fornos Elétricos Forno de arco voltaico Constituído de uma carcaça de aço feita de chapas grossas soldadas ou rebitadas, de modo a formar um recipiente cilíndrico com fundo abaulado.

35 6 Fornos Elétricos Forno de arco voltaico Essa carcaça é revestida na parte inferior (chamada soleira) por materiais refratários, de natureza básica (dolomita ou magnesita) ou ácida (sílica), dependendo da carga que o forno vai processar. O restante do forno é revestido com tijolos refratários silicosos.

36 6 Fornos Elétricos Forno de arco voltaico Tem dois ou três eletrodos de carvão. Os eletrodos responsáveis, juntamente com a carga metálica, pela formação do arco elétrico estão colocados na abóbada (parte superior) do forno.

37 6 Fornos Elétricos Forno de arco voltaico A carga de um forno a arco é constituída, basicamente, de sucata e fundente (cal). Nos fornos de revestimento ácido, a carga deve ter mínimas quantidades de fósforo e enxofre. Nos fornos de revestimento básico, a carga deve ter quantidades bem pequenas de silício.

38 6 Fornos Elétricos Forno de arco voltaico Ao ligá-lo, a corrente elétrica salta em arco voltaico das barras de carvão passando pelo material a fundir. A temperatura obtida neste processo é da ordem de 3600 C, o que torna possível fundir elementos de liga como o tungstênio (PF = 3370 C) ou molibdênio (PF = 2600 C).

39 Durante o processo, algumas reações químicas acontecem: a oxidação, na qual oxidam-se as impurezas e o carbono, a desoxidação, ou retirada dos óxidos com a ajuda de agentes desoxidantes, e a dessulfuração, quando o enxofre é retirado. Processo que permite o controle preciso das quantidades de carbono presentes no aço. INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS 6 Fornos Elétricos Forno de arco voltaico

40 6 Fornos Elétricos Forno de indução Usa a energia elétrica para a produção do aço. Também processa sucata. O conjunto que compõe esse forno é formado de um gerador com motor de acionamento, uma bateria de condensadores e uma câmara de aquecimento.

41 6 Fornos Elétricos Forno de indução Essa câmara é basculante e tem, na parte externa, a bobina de indução. O cadinho é feito de massa refratária socada dentro dessa câmara, onde a sucata se funde por meio de calor produzido dentro da própria carga.

42 A corrente alternada passa por uma bobina situada ao redor de um cadinho, então são induzidas correntes parasitas no material a fundir que aquecem o banho. Para a produção do aço, liga-se o forno, e os pedaços de sucata que devem ser de boa qualidade são colocados dentro do forno, à medida que a carga vai sendo fundida. INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS 6 Fornos Elétricos Forno de indução

43 Depois que a fusão se completa e que a temperatura desejada é atingida, adiciona-se cálcio, silício ou alumínio, que são elementos desoxidantes e têm a função de retirar os óxidos do metal. Esse forno é empregado para fabricação de aços altamente ligados e de ferro fundido nodular. INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS 6 Fornos Elétricos Forno de indução

44 6 Fornos Elétricos Principais vantagens: maior flexibilidade de operação; temperaturas mais altas; controle mais rigoroso da composição química do aço; melhor aproveitamento térmico; ausência de problemas de combustão, por não existir chama oxidante; e processamento de sucata. Principais desvantagens: custo operacional (custo da energia elétrica) e baixa capacidade de produção dos fornos.

45 Resumo INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS