SIDERURGIA 1 INTRODUÇÃO A siderurgia está dentro da ciência e tecologia denominada de metalurgia. A metalurgia é a arte e a ciência da produção de

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1 SIDERURGIA 1 INTRODUÇÃO A siderurgia está dentro da ciência e tecologia denominada de metalurgia. A metalurgia é a arte e a ciência da produção de metais e ligas metálicas com a forma e com as propriedades convenientes a sua utilização prática. Na história Antiga encontramos a importância dessa arte-ciência, pois encontramos a denominação do desenvolvimento cronológico da sociedade de acordo com os descobrimentos relacionados à metalurgia: Idade da Pedra Idade do Bronze Idade do Ferro A moderna metalurgia é uma ciência aplicada e coerente baseada na clara compreensão da estrutura e das propriedades dos metais e ligas. O desenvolvimento dessa ciência propiciou a produção de novos metais e ligas para motores a jato, reatores nucleares, circuitos eletrônicos, equipamentos sofisticados, próteses humanas. A metalurgia pode ser dividida de acordo com o enfoque de estudo: a) Metalurgia Mecânica: está relacionada aos estudos de resistência, plasticidade, tenacidade com relação a trabalhos mecânicos de prensagem, estampagem, laminação e forjagem sobre o material metálico. b) Metalurgia Física: está relacionada com os estudos envolvendo a microestrutura (deslocamentos, defeitos, recristalização). c) Metalurgia Química: estuda as propriedades químicas dos metais incluindo a combinação de diferentes metais na formação de ligas. Ela se ocupa das transformações químicas de oxidação e redução e está fundamentada na termodinâmica. A metalurgia extrativa é um processo de redução química. Esse processo é termodinamicamente não espontâneo, uma vez que as formas mais estáveis de se encontrar os metais na natureza são como óxidos, sulfetos e carbonatos. Há mais de 5000 anos o processo era a denominada fusão redutora. O bronze (cobre e estanho) e o latão (cobre e zinco) eram obtidos por esse processo. Muitos defendem a hipótese de que o homem descobriu o ferro no Período Neolítico (Idade da Pedra Polida), por volta de a anos a.c. Ele teria surgido por acaso, quando pedras de minério de ferro usadas para proteger uma fogueira, após aquecidas, se transformaram em bolinhas brilhantes. O fenômeno, hoje, é facilmente explicável: o calor da fogueira havia derretido e quebrado as pedras. No início era extraído dos meteoros e por isso o ferro era considerado uma dádiva dos Deuses. Aos poucos, o ferro passou a ser usado com mais freqüência, a partir do momento em que se descobriu como o extrair de seu minério. A exploração regular de jazidas começou em torno de a.c., provavelmente no Oriente 1

2 Médio, de onde o metal teria sido importado por assírios e fenícios. Do primeiro milênio da era cristã em diante, o ferro difundiu-se por toda bacia do Mediterrâneo. Os minérios de ferro são fáceis de reduzir, mas o seu elevado ponto de fusão impedia de obtê-lo no estado líquido. Eles obtinham uma massa porosa e pastosa de ferro misturada com escória (óxidos de silicatos não reduzidos, vidros). Essa massa era compactada sendo batida ou forjada (ferro forjado). FIGURA 1: Fornos primitivos usados na redução do minério de ferro, pelo emprego de carvão vegetal como combustível. Nesses fornos, o processo era de redução direta: C + O 2 CO 2 CO 2 + C CO CO + Fe X O Y Fe + CO 2 O formo original evoluiu para o alto-forno onde um jato de ar era dirigido para a zona de altas temperaturas situada acima da soleira, ao mesmo tempo que o minério e o carvão de madeira desciam por uma longa cuba localizada na parte superior da instalação. No século XIV conseguiram temperaturas suficientemente elevadas para obter ferro líquido. A gusa líquida obtida continha aproximadamente 4 % de carbono dissolvido. A presença do carbono diminui o ponto de fuso ferro e era possível a sua fundição em moldes. O ferro fundido era frágil devido à presença do carbono e de outras impurezas, isso impedia o seu uso para os mesmos fins do ferro forjado. 2

3 No século XVIII, Cort resolveu o problema tornando a gusa mais dúctil pelo processo denominado pudelagem. Esse processo foi desenvolvido na Inglaterra onde havia muita hulha (carvão mineral), que primeiro era transformada em coque. Nessa técnica, o ferro fundido é primeiro levado ao estado líquido, sem estar em contacto com a hulha cuja combustão fornece o calor necessário. O ferro líquido (fundido) é oxidado por uma escória ferruginosa, que, queimando as impurezas, dá ao ferro um aspecto pastoso. Aço ferramenta com teor de carbono em torno de 1%, também foi obtido muito cedo pelo processo de cementação (processo em que o ferro esponjoso forjado é aquecido em carvão) e podia ser endurecido por têmpera (aquecimento ao rubro e água fria). Porém, somente no século XIX foi obtido o aço macio (com ~ 0,25 % de carbono) por um custo que permitia o uso em construções. O processo é denominado de convertedor e foi desenvolvido por Bessemer. Mais tarde surgiu o processo Siemens-Martin de elaboração do aço. A eletricidade desempenha um papel importante em muitos processos modernos de extração. Em 1886, o processo Hall-Héroult usado para a produção comercial do alumínio teve um impacto importante na metalurgia. Esse é um processo elétrico de refinação da bauxita (minério de alumínio). Outros metais que são produzidos pelo emprego da eletricidade são magnésio, sódio e cálcio, sendo esses utilizados na produção de titânio, zircônio, urânio e nióbio, os ditos metais modernos. 2 OBTENÇÃO DO FERRO E DO AÇO Os diversos ferros e aços são formas de ferro metálico que diferem entre si pelos seus teores de carbono e outros elementos de liga e também pelo modo como são fabricados. O carbono é o componente de liga mais importante porque é o principal responsável pela imensa gama de resistências e de outras propriedades úteis nos aços. O aço é produzido, basicamente, a partir de minério de ferro, carvão (transformado em coque) e carbonato de cálcio (fundente). A fabricação do aço pode ser dividida em quatro etapas: preparação da carga, redução, refino e laminação. A produção do ferro gusa a partir do minério se dá pela redução química do óxido nele contido com o carbono. O equipamento usado é um forno de formato cilíndrico vertical e de grande altura, por isso chamado de alto forno. O alto forno é inicialmente carregado com o coque e depois aceso. Depois de Aproximadamente 24 horas estará quente suficiente para receber camadas sucessivas de: 3

4 Minério ; Coque (C); Substância Fundente (CaCO 3 ) FIGURA 2: Esquema da produção de ferro gusa. O equipamento acessório e auxiliar do tem como objetivo limpar os gases que saem do altoforno, bem como pré-aquecer o ar que é introduzido no forno através das ventaneiras. 2.1 Processamento do minério para o alto-forno Os principais minérios de ferro são: - hematita, Fe 2 O 3, com 69,9% Fe. - magnetita, Fe 3 O 4, com 72,4% Fe. - limonita (hematita hidratada) 2FeO 3.3H 2 O, com 48,3% Fe. - siderita (FeCO 3 ) 4

5 O minério de ferro é composto principalmente por ferro e ganga, que são impurezas. Ele é classificado de acordo com o seu teor de ferro em: Rico 60 a 70% de Fe Médio 50-60% de Fe Pobre <50% O minério de ferro deve passar por uma série de operações para adequa-lo a utilização nos altos-fornos. Aoperações compreendem: britamento, peneiramento, mistura, moagem, concentração, classificação e aglomeração. A aglomeração tem o objetivo de melhorar a permebilidade da carga no alto-forno, reduzir o consumo de carvão e acelerar o processo de redução. Dentre os processos de aglomeração estão a: a) Sinterização: Consiste em aglomerar 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 1500 o C, promovendo a ligação das partículas finas do minério, resultando num produto uniforme e poroso chamado sínter. b) Pelotização: Neste processo é produzido 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. 2.2 Uso do carvão O material combustível que apresenta melhor desempenho é o coque. O coque é mecanicamente resistente, leve e poroso. Ele apresenta vantagens econômicas com relação a sua obtenção e vantagens em termos de meio ambiente, ambas em relação ao carvão de madeira. A hulha apresenta a desvantagem de contaminar o ferro com enxofre (elemento presente na sua composição) que torna o material frágil. Coqueria O coque é o produto sólido da destilação de uma mistura de carvões realizada em torno de 1100ºC em fornos denominados de coqueria. A destilação dá origem aos produtos carboquímicos (gases, vapores condensáveis, benzeno, alcatrão, etc.) que são comercializados pelas siderúrgicas. O gás de coqueria é um importante insumo para a própria usina. O processo 5

6 de coqueificação consiste no aquecimento do carvão na ausência de ar, levando à redução do carbono. Carvão (material orgânico) C + gases + benzeno + alcatrão + outros Função do coque no alto-forno: - Fornecer calor necessário às necessidades técnicas do processo; - Produzir os gases redutores; - Carburar o ferro gusa. 2.3 Fundente e outras matérias-primas O principal fundente é o carbonato de cálcio, CaCO 3. A função do fundente é combinarse com as impurezas (ganga) do minério e com as cinzas do carvão, formando as chamadas escórias. Na indústria siderúrgica também é utilizada a sucata de aço, o minério de manganês as ferro-ligas de silício, cromo, vanádio, molibdênio, níquel, tungstênio, titânio, etc. 2.4 Reações no alto-forno As temperaturas mais elevadas ocorrem nas proximidades das ventaneiras: da ordem de a 2000 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. 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. 6

7 Minério Coque Granular de Amolecimento e Fusão de Coque Estagnado de Coque Ativa Camada em Amolecimento e Fusão de Combustão Cadinho de Gotejamento FIGURA 2: Seção transversal de um alto-forno mostrando as reações químicas em cada região (à esquerda) e as principais zonas (à direita). 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 7

8 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 As últimas reações são representadas pelas equações: 3Fe + C Fe 3 C Reação 13 3Fe + 2CO Fe 3 C + CO 2 Reação 14 A escória e o gusa líquido separam-se por gravidade no cadinho (reservatório na parte inferior), formando duas camadas, isto é, a inferior metálica e a superior de escória. Os dois produtos são escoados do cadinho em níveis diferentes, ver a Figura 3. O ferro fundido ou Ferro gusa que sai do forno é recolhido em moldes, e parte para a próxima fase do processo ou é solidificado. O Ferro Gusa contém aproximadamente de 2% a 5% de C, 2% de Si, e em menor proporção, fósforo e enxofre proveniente do Coque. A escória tem a seguinte composição aproximada: 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% A escória pode ser aproveitada de diversas maneiras. Um dos principais usos é na indústria de cimento. O gás de alto-forno é outro subproduto importante devido ao seu alto poder calorífico. Ele é utilizado na própria usina siderúrgica. A sua composição aproximada é: CO 2-13% CO - 27% H 2-3% N 2-57% 8

9 Referências Bibliográficas CARVALHO, Geraldo C de; SOUZA, Celso L de.química. Volume Único. Ed. Scipione,2005. COTTRELL, A.H, Introdução à Metalurgia. 3ª Ed. Fund. Calouste:Lisboa,1976. Manual de Siderurgia ecen.com/eee20/emiscar2.htm. 9