INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS. Prof. Carlos Falcão Jr.

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1 INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS Prof. Carlos Falcão Jr.

2 Etapas: INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS 1 - Preparação das matérias-primas (coqueificação e sinterização) 2 - Produção do ferro-gusa (alto-forno) 3 - Produção do aço líquido (aciaria) 4 - Solidificação do aço (lingotamento) 5 - Conformação mecânica

3 O carvão é aquecido a 1300ºC, durante, aproximadamente, 18 horas, na ausência de ar, com liberação de substâncias voláteis. INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS 1 - Preparação das matérias-primas a) Coqueificação Operação de eliminação das impurezas contidas no carvão mineral. Antecede a produção do ferro-gusa no altoforno. Ocorre na coqueria, local composto por fornos.

4 1 - Preparação das matérias-primas a) Coqueificação O produto resultante é chamado de coque metalúrgico. O coque é um resíduo poroso, composto basicamente de carbono, com altos ponto de fusão e resistência mecânica. A partir daí, o coque é encaminhado ao altoforno.

5 1 - Preparação das matérias-primas b) Sinterização Operação realizada com a finalidade de aglutinar os finos do minério de ferro. Teores elevados de finos obstruem a entrada de ar, diminuindo a velocidade de entrada do ar no alto-forno para ocorrer a combustão. Após a sinterização, o sínter pode apresentar teores de ferro entre 55 e 60%.

6 b.4) Sinterização: transformação da mistura em sínter 1 - Preparação das matérias-primas b) Sinterização Resumidamente, as etapas da sinterização são: b.1) Carregamento da matéria-prima b.2) Homogeneização: formação, umidificação e nodulização da mistura b.3) Carregamento da mistura na esteira de sinterização

7 b.9) Transporte do sínter aos silos de alimentação do alto-forno INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS 1 - Preparação das matérias-primas b) Sinterização Resumidamente, as etapas da sinterização são: b.5) Quebra do bolo de sínter b.6) Peneiramento a quente b.7) Resfriamento b.8) Peneiramento a frio

8 1 - Preparação das matérias-primas b) Sinterização b.1) Carregamento da matéria-prima Todos os componentes da mistura são carregados e transportados, de forma individual, por correias transportadoras para a unidade de armazenagem.

9 1 - Preparação das matérias-primas b) Sinterização b.1) Carregamento da matéria-prima A mistura é composta por minério de ferro, resíduos de produção (particulados recuperados do alto-forno e da aciaria), fundentes (cal, calcário, olivina e/ou dolomita), finos de retorno (pequenas partículas de minério recuperadas do próprio processo de sinterização) e combustível sólido (coque siderúrgico).

10 1 - Preparação das matérias-primas b) Sinterização b.2) Homogeneização As matérias-primas são introduzidas em um tambor rotatório ( tambor misturador ) Movimento de rotação Água é adicionada à mistura por causa da umidade necessária para facilitar a micropelotização.

11 1 - Preparação das matérias-primas b) Sinterização b.3) Carregamento da mistura na esteira de sinterização Sistema de transporte da mistura que termina na esteira de sinterização, onde é disposta uma camada composta por finos de retorno ( bedding ou falsa grelha ) O objetivo do bedding é filtrar parte dos gases inerentes ao processo, proteger as grelhas e evitar a aderência da mistura nestas.

12 1 - Preparação das matérias-primas b) Sinterização b.4) Sinterização transformação da mistura em sínter A transformação da mistura em sínter ocorre basicamente pela ação do calor presente no processo. Inicialmente, esse calor vem de uma fonte externa (fornalha de ignição) proporcionando a ignição espontânea do combustível sólido (coque) contido na mistura.

13 1 - Preparação das matérias-primas b) Sinterização b.4) Sinterização transformação da mistura em sínter Com a ignição do combustível, o calor gerado pela oxidação deste é suficiente para manter o processo de sinterização, sem fonte externa de calor. Outro pré-requisito, além do calor necessário à ignição, é o suprimento adequado de oxigênio.

14 1 - Preparação das matérias-primas b) Sinterização b.4) Sinterização transformação da mistura em sínter A qualidade do sínter, a taxa de sinterização e o consumo de coque podem atingir níveis melhores com uma ignição adequada. A ignição do combustível inicia-se na camada superior, sinterizando a mistura.

15 1 - Preparação das matérias-primas b) Sinterização b.4) Sinterização transformação da mistura em sínter Devido ao constante fluxo de ar de cima para baixo, as camadas inferiores também são sinterizadas até o final da esteira. A intensidade de ignição (Q/t) ideal é a que propicia somente a combustão necessária do coque da camada superficial da mistura, contribuindo para uma queima uniforme total.

16 melhorar a resistência da camada superficial INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS 1 - Preparação das matérias-primas b) Sinterização b.4) Sinterização transformação da mistura em sínter A ignição tem por objetivo: propagar a queima do coque de maneira uniforme, elevando a temperatura da camada superficial, permitindo sua combustão

17 1 - Preparação das matérias-primas b) Sinterização b.4) Sinterização transformação da mistura em sínter A ignição tem por objetivo: reduzir o consumo de combustível melhorar a permeabilidade da camada superficial

18 1 - Preparação das matérias-primas b) Sinterização b.5) Quebra do bolo de sínter O bolo de sínter, que está sobre a esteira, é despejado dentro de um triturador (quebrador de sínter). Este quebra o bolo de sínter em pedaços menores, que são encaminhados para um moedor ou britador de sínter. No moedor, os pedaços tornam-se ainda menores, estando prontos para ir ao alto-forno.

19 1 - Preparação das matérias-primas b) Sinterização b.6) Peneiramento a quente Os pedaços menores de sínter são transferidos, ainda quentes, até as peneiras vibratórias. Só passam pelas peneiras os pedaços entre 8 e 16 mm. Um sistema mecânico força os pedaços maiores contra a peneira, quebrando-os até que passem por ela.

20 1 - Preparação das matérias-primas b) Sinterização b.7) Resfriamento O sínter aquecido e peneirado é carregado através de uma calha até um resfriador circular. Neste, sofre resfriamento até uma temperatura de, aproximadamente, 80ºC.

21 Os finos retornam ao início do processo para serem utilizados como camada inferior nas esteiras de sinterização ( bedding ) ou à mistura inicial. INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS 1 - Preparação das matérias-primas b) Sinterização b.8) Peneiramento a frio O sínter é transportado por meio de correias até uma nova estação de peneiramento. Após o peneiramento, são retiradas amostras para ensaio.

22 1 - Preparação das matérias-primas b) Sinterização b.9) Transporte do sínter aos silos de alimentação no alto-forno O sínter é armazenado em novos silos. Daí, é transportado para o alto-forno, por meio de correias.

23 2 - Produção do ferro-gusa (alto-forno) Ferro-gusa é um produto primário no ciclo da produção do aço. Deriva-se da redução inicial do minério de ferro no alto-forno. Tal redução resulta da combinação do carbono do coque com o oxigênio do minério (reação exotérmica). No alto-forno são misturados: minério (na forma de sínter), coque (ou carvão) e fundente.

24 2 - Produção do ferro-gusa (alto-forno) Por ter baixo P.F., o fundente corresponde à fase líquida inicial da mistura. Sua função é tornar fluidas as impurezas, formando uma escória mais fusível. A queima contínua do coque ou do carvão vegetal, ativada pela insuflação de ar, disponibiliza o calor necessário à fusão do material. O ferro é gotejado no cadinho (parte inferior).

25 2 - Produção do ferro-gusa (alto-forno) A escória, como é menos densa que o ferro, flutua sobre o material líquido, sendo separada por orifícios presentes em certa altura do cadinho. A retirada do ferro se dá por aberturas no fundo do cadinho. O ferro gusa, então, esfria até se tornar sólido.

26 2 - Produção do ferro-gusa (alto-forno) O alto-forno opera em regime de contracorrente, ou seja, ocorrem 2 fluxos contínuos em sentidos contrários. De cima para baixo: desce a carga (minério de ferro, coque e fundentes). De baixo para cima: o ar pré-aquecido soprado pelas ventaneiras e os gases provenientes da combustão seguem em direção ao topo.

27 2 - Produção do ferro-gusa (alto-forno) 2.1 Operações no alto-forno Para se obter bons resultados na operação do alto-forno, 3 condições são importantes: Boa qualidade do coque e do minério de ferro utilizados na carga Bom controle do fluxo de gás Procedimentos adequados de operação

28 2 - Produção do ferro-gusa (alto-forno) 2.1 Operações no alto-forno * Vazamento O ferro-gusa e a escória são coletados na região interna do alto-forno, denominada de cadinho, localizada logo abaixo das ventaneiras. Devido às diferenças de densidade, ferrogusa (7,2 t/m 3 ) e escória (2,4 t/m 3 ) não se misturam.

29 2 - Produção do ferro-gusa (alto-forno) 2.1 Operações no alto-forno * Vazamento Então, a escória flutua sobre o ferro-gusa e os dois produtos formam camadas distintas, sem se misturar. O ferro-gusa é direcionado para um canal, onde é despejado em uma bica basculante, que funciona como panela de controle e transferência para os carros-torpedo.

30 2 - Produção do ferro-gusa (alto-forno) 2.1 Operações no alto-forno * Vazamento A escória é direcionada para um canal. Após, é levada para o granulador de escória ou despejada no solo em local adequado. Com o processo contínuo de formação e recolhimento de metal líquido no cadinho, novas quantidades de gusa caem sobre o banho já formado (gusa + escória).

31 2 - Produção do ferro-gusa (alto-forno) 2.1 Operações no alto-forno * Vazamento Sendo o gusa mais denso, este desce em forma de gotas, atravessando a camada superior de escória, aumentando assim a quantidade de gusa líquido localizada na parte inferior do banho.

32 2 - Produção do ferro-gusa (alto-forno) 2.1 Operações no alto-forno * Situações especiais na operação do alto-forno Após a entrada em operação, um alto-forno funciona de 10 a 15 anos. Este período é chamado de campanha.

33 2 - Produção do ferro-gusa (alto-forno) 2.1 Operações no alto-forno * Situações especiais na operação do alto-forno Campanha é o período de duração de um revestimento refratário, ou seja, o tempo desde o início das atividades do alto-forno até a necessidade de sua parada para a renovação deste revestimento e/ou modernização adicional.

34 A injeção de ar pelas ventaneiras é interrompida. Mesmo assim, as interações no processo continuam a ocorrer e a temperatura diminui com o passar do tempo. INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS 2 - Produção do ferro-gusa (alto-forno) 2.1 Operações no alto-forno * Situações especiais na operação do alto-forno Pequenas paradas ou interrupções na produção para efeito de manutenção são chamadas de blow-down (desobstruções no equipamento).

35 2 - Produção do ferro-gusa (alto-forno) 2.1 Operações no alto-forno * Situações especiais na operação do alto-forno As retomadas de produção após blow-down são chamadas de start-up. Quando a operação é reiniciada, recomeça o sopro de ar pré-aquecido pelas ventaneiras e a temperatura do forno volta a aumentar.

36 2 - Produção do ferro-gusa (alto-forno) 2.2 Casa de Corrida Área destinada às operações de vazamento de ferro-gusa e de escória. Na casa de corrida, estes são manuseados, transferidos e destinados às etapas posteriores do processo. A casa de corrida é composta das seguintes partes: PRÓXIMOS SLIDES

37 2 - Produção do ferro-gusa (alto-forno) 2.2 Casa de Corrida * Sistema de captação e tratamento de gases Capta os gases liberados do interior do altoforno durante o processo de vazamento do metal líquido, tratando-os de forma a tornar o ambiente seguro e recuperando parte desses gases para sua reutilização nos processos.

38 2 - Produção do ferro-gusa (alto-forno) 2.2 Casa de Corrida * Furo de vazamento ou furo de corrida É um bloco refratário, instalado na parte inferior do forno, dotado de um furo, que faz a ligação da parte interna do alto-forno com a parte externa da casa de corrida. Por este furo, são vazados o ferro-gusa e a escória.

39 2 - Produção do ferro-gusa (alto-forno) 2.2 Casa de Corrida * Calhas de vazamento Canais destinados à coleta e transferência do ferro-gusa e da escória. São revestidas de material refratário apropriado para a operação.

40 2 - Produção do ferro-gusa (alto-forno) 2.2 Casa de Corrida * Máquina perfuratriz Equipamento dotado de uma broca especial utilizado para abrir o furo de vazamento. A profundidade e a posição do furo devem ser reproduzidas a cada furo, de forma a evitar um desgaste prematuro do furo de corrida.

41 2 - Produção do ferro-gusa (alto-forno) 2.2 Casa de Corrida * Máquina de tamponamento Equipamento que promove o fechamento do furo de corrida do alto-forno. Esta máquina injeta massa refratária sob pressão no furo de corrida, visando fechá-lo, interrompendo dessa forma o vazamento do ferro-gusa.

42 3 - 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.

43 3 - 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.

44 3 - 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.

45 resistência à corrosão INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS 3 - Produção do aço líquido (aciaria) Dessulfuração Teores elevados de enxofre prejudicam algumas propriedades do aço como: ductilidade tenacidade conformabilidade soldabilidade

46 3 - 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).

47 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 3 - 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).

48 C passa a CO, que é eliminado sob forma gasosa. INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS 3 - 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.

49 Medição de temperatura e da composição química do aço INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS 3 - 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

50 3 - 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

51 3 - 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

52 3 - 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.

53 3 - 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.

54 4 - Solidificação do aço O aço líquido é escoado para um distribuidor. Neste, há vários furos na parte de baixo, por onde o aço líquido escoará. Abaixo de cada furo, há um molde de seção quadrada que recebe o aço líquido, que vai resfriando ao ar. As barras formadas no molde são cortadas em tamanho adequado para que seja feita a conformação do aço.

55 A técnica de lingotamento contínuo oferece possibilidades de automação, permitindo uma produção uniforme e controlada. INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS METALÚRGICOS 4 - Solidificação do aço Lingotamento contínuo O aço líquido é vazado continuamente em ambiente isento de ar. Portanto, o grau de pureza do aço é maior que no vazamento de blocos. A rápida solidificação fornece uma estrutura homogênea, com baixo índice de segregações.

56 Os vários jogos de rolos ou cilindros são os chamados trens de laminação, que comprimem a barra. 5 - Conformação Mecânica Laminação As barras vão para um forno de reaquecimento e são aquecidas até 1200ºC, adquirindo o aço coloração rubra. O aço, então, passa entre rolos (cilindros), sendo conformado mecanicamente. A distância entre os rolos é inferior à espessura inicial da placa.

57 5 - Conformação Mecânica Laminação Chegando ao acabamento final, o aço está em forma de barras cilíndricas com a marca do fabricante gravada. Apresenta as vantagens de proporcionar alta produtividade e controle dimensional do produto acabado bastante preciso. Ocorrem etapas de laminação a quente a frio.

58 5 - Conformação Mecânica Laminação Na laminação a quente, são produzidas chapas grossas ou tiras. Após esta etapa, o material é bobinado a quente, decapado e pode ser vendido ou ir para a laminação a frio. Na laminação a frio, das bobinas de aço decapadas são produzidas folhas e tiras de aço com bom acabamento superficial, com controle das suas dimensões e com maior resistência