Processos de Fabricação de Aço A o através Siderurgia

Transcrição

1 Universidade do Estado de Santa Catarina UDESC Departamento Engenharia Produção e Sistemas DEPS Disciplina: Processos Mecânicos de Fabricação - PMF Processos de Fabricação de Aço A o através Siderurgia Prof.: MSc. Ricardo Kirchhof Unfer

2 História 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 meteóros e por isso o ferro era considerado uma dádiva dos Deuses.

3 História Aos poucos, o ferro passou a ser usado com mais freqüência, a partir do momento em que descobriu-se como extraí-lo de seu minério. A exploração regular de jazidas começou em torno de a.c., provavelmente no Oriente Médio, de onde o metal teria sido importado por assírios e fenícios. Do primeiro milênio da era cristã em diante, o ferro difundiuse por toda bacia do Mediterrâneo.

4 Siderurgia no Brasil Em 1554, o padre jesuíta José de Anchieta relatou, em um informe ao rei de Portugal, a existência de depósitos de prata e minério de ferro no interior da capitania de São Vicente (atual estado de São Paulo). Quem primeiro trabalhou na redução desse minério de ferro foi Afonso Sardinha.

5 Siderurgia no Brasil Em 1587, ele descobriu magnetita na atual região de Sorocaba, no interior de São Paulo, e iniciou a produção de ferro a partir da redução do minério. É a primeira fábrica de ferro que se tem notícia no Brasil. As forjas construídas por Sardinha operaram até a sua morte, em Após essa data, a siderurgia brasileira entrou em um período de estagnação que durou até o século seguinte.

6 Produção de Aço O aço é produzido, basicamente, a partir de minério de ferro, carvão e cal; A fabricação do aço pode ser dividida em quatro etapas: preparação da carga, redução, refino e laminação;

7 Fluxo de Produção.

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11 A obtenção de Ferro Gusa Consiste em fazer a redução do minério de ferro. O agente redutor utilizado é o carbono proveniente de coque de carvão mineral ou de carvão vegetal;

12 Matérias primas 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: Minério (Fe2O3); Coque (C); Substância Fundente (CaCO3);

13 Seção transversal de uma instalação de alto-forno, incluindo o equipamento auxiliar principal.

14 Uma tonelada de aço Para cada tonelada de ferro produzida, são usadas cerca de 2 t de minério, 0,5 t de calcário, 1 t de coque e 4 t de ar. E, como subprodutos, cerca de 0,5 t de escória e 6 t de gás.

15 Reações químicas: As temperaturas mais elevadas ocorrem nas proximidades das ventaneiras: da ordem de a 2000 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.

16 Reações químicas: 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 800ºC, 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.

17 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), iniciase 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.

18 Reações químicas de redução do minério de ferro: 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

19 Finalmente, as últimas reações fundamentais são representadas pelas equações: 3Fe + C Fe3C Reação 13 3Fe + 2CO Fe 3 C + CO2 Reação 14 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.

20 Finalmente, as últimas reações fundamentais são representadas pelas equações: 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.

21 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 ferro 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.

22 Produtos do alto-forno 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 fabricação do chamado cimento metalúrgico.

23 Produtos do alto-forno 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% N 2-57% Este gás é utilizado na própria usina siderúrgica nos regeneradores, fornos diversos de aquecimento, caldeiras etc...

24 Fabricação do aço ou Refino O ferro gusa é uma liga Fe-C com outro 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.

25 Fabricação do aço ou Refino Os agentes oxidantes, isto é, aqueles que iram oxidar o ferro gusa para baixar o teor dos elementos químicos, podem ser de natureza gasosa ( ar ou oxigênio) 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).

26 Processos Pneumáticos

27 Dessulfuração Dessulfuração é a retirada do enxofre utilizando óxido de cálcio (CaO) que reagem com o enxofre, formando sulfeto de cálcio (CaS). CaO + FeS CaS + FeO Após este processo será iniciado o Refino, ou seja, conversão do ferro gusa em aço.

28 MINÉRIO DE FERRO (Fe2O3 ferro) PELOTIZAÇÃO (homogeneização) CARVÃO MINERAL (Carbono- redutor) COQUERIA (produção Coque) CALCÁREO (CaO fluxante) Ar (O2) ALTO FORNO (redução do minério de ferro e fusão do metal) Escória FERRO GUSA LINGOTEAMENTO DESSULFURAÇÃO DESCARBONETAÇÃ O (Conversor) DESGASEIFICAÇÃO OU DESOXIDAÇÃO AÇO LÍQUIDO LINGOTEAMENTO LAMINAÇÃO

29 Referências: CAMPOS, Maurício Prates de; Introdução à Metalurgia Extrativa e Siderurgia. Rio de Janeiro: LTC/FUNCAMP, ARAÚJO, Luiz Antônio de; Siderurgia. São Paulo: FTA S.A., NETO, André Olah; Apostila:Processo de Fabricação dos Aços. UDESC-CCT, (Universidade Federal de Minas Gerais)