Redução de minério de ferro em alto-forno
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- Laís Padilha Lagos
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1 Redução de minério de ferro em alto-forno Prof. Luiz T. F. Eleno Departamento de Engenharia de Materiais Escola de Engenharia de Lorena Universidade de São Paulo 2016 LOM3027 (EEL-USP) Alto-forno Prof. Luiz T. F. Eleno 1 / 28
2 Produção de aço visão geral LOM3027 (EEL-USP) Alto-forno Prof. Luiz T. F. Eleno 2 / 28
3 Alto-forno É o reator mais complexo da metalurgia centenas de reações acontecem no interior do forno Trabalha em contracorrente com gases os gases transportam calor e o agente redutor (CO) para a carga sólida a carga sólida rejeita oxigênio na forma de CO 2 para a fase gasosa tempos de residência: carga sólida: 6 8 horas gases: 6 8 segundos LOM3027 (EEL-USP) Alto-forno Prof. Luiz T. F. Eleno 3 / 28
4 Regiões do alto-forno nomenclatura LOM3027 (EEL-USP) Alto-forno Prof. Luiz T. F. Eleno 4 / 28
5 Zona granular Região próxima à goela (throat) do alto-forno Carregamento do forno: camadas alternadas de carga metálica (sínter, pelotas, fluxantes) e de coque para possibilitar o fluxo de gases quando a carga metálica começar a se reduzir e fundir Nesta região, acontece principalmente: o resfriamento do gás vindo da parte inferior do forno secagem, pré-aquecimento da carga sólida É importante controlar a distribuição de carga no alto-forno LOM3027 (EEL-USP) Alto-forno Prof. Luiz T. F. Eleno 5 / 28
6 Duplo cone invertido LOM3027 (EEL-USP) Alto-forno Prof. Luiz T. F. Eleno 6 / 28
7 Duplo cone invertido método mais antigo LOM3027 (EEL-USP) Alto-forno Prof. Luiz T. F. Eleno 6 / 28
8 Duplo cone invertido método mais antigo mais atual: calha rotativa LOM3027 (EEL-USP) Alto-forno Prof. Luiz T. F. Eleno 6 / 28
9 Regiões do alto-forno nomenclatura LOM3027 (EEL-USP) Alto-forno Prof. Luiz T. F. Eleno 7 / 28
10 Zona de combustão (raceways) ar em alta velocidade ( m/s) é soprado pelas ventaneiras queima do coque no alto forno para gerar uma mistura CO/CO 2 de alto poder redutor C + O 2 CO 2 H o = 94,1 kcal C + CO 2 2 CO H o = +41,2 kcal 2 C + O 2 2 CO H o = 52,9 kcal o gás gerado na zona de combustão é praticamente uma mistura de CO e N 2 (Em que proporção?). Temperatura de chama: Podem também ser injetados finos de carvão, óleo mineral, gás natural e hidrocarbonetos diminui o consumo de coque ar pode ser enriquecido com O 2 influencia no perfil térmico do forno ar pode ter grau variável de umidade controle da temperatura máxima na zona de combustão ( ) ar pode ser pré-aquecido antes de entrar no forno fornece mais energia para as reações endotérmicas LOM3027 (EEL-USP) Alto-forno Prof. Luiz T. F. Eleno 8 / 28
11 Regiões do alto-forno nomenclatura LOM3027 (EEL-USP) Alto-forno Prof. Luiz T. F. Eleno 9 / 28
12 Zona de preparação No nível superior do forno (parte de cima da cuba) o minério e o coque mantém a configuração a temperatura ainda é baixa para a reação de Boudouard (T 900 ) o coque não reage nesta região do forno, a zona de preparação acontece apenas a redução indireta do minério no estado sólido: hematita: 3 Fe 2 O 3 + CO 2 Fe 3 O 4 + CO 2 H1 o magnetita: Fe 3 O 4 + CO 3 FeO + CO 2 H2 o wustita: FeO + CO Fe + CO 2 H3 o = 10,3 kcal = +8,7 kcal = 3,9 kcal Importante: a redução da wustita não é completa nesta região! Ex. Determine o H o para a reação global de redução da hematita até o ferro metálico, por mol de hematita. LOM3027 (EEL-USP) Alto-forno Prof. Luiz T. F. Eleno 10 / 28
13 Perfil térmico A redução indireta é um processo fracamente exotérmico a temperatura varia pouco na zona de preparação, chamada por alguns de reserva térmica LOM3027 (EEL-USP) Alto-forno Prof. Luiz T. F. Eleno 11 / 28
14 Regiões do alto-forno nomenclatura LOM3027 (EEL-USP) Alto-forno Prof. Luiz T. F. Eleno 12 / 28
15 Zona coesiva Região limite entre a zona de preparação e a zona de elaboração Faixa de temperaturas entre o início do amolecimento e e fusão da carga metálica Nesta região, o gás só consegue fluir pelas camadas de coque LOM3027 (EEL-USP) Alto-forno Prof. Luiz T. F. Eleno 13 / 28
16 Zona de elaboração Nesta região, a temperatura já é alta o suficiente para ativar a cinética da reação de Boudouard C + CO 2 2 CO H o = +41,2 kcal é uma reação (1.) fortemente endotérmica, mas que (2.) enriquece o gás em agente redutor 1. aumenta o consumo de energia 2. diminui a necessidade de consumo de coque A reação de Boudouard acontece simultaneamente à redução com CO: FeO + CO Fe + CO 2 H o = 3,9 kcal C + CO 2 2 CO H o = +41,2 kcal FeO + C Fe + CO H o = +37,3 kcal Por este motivo, a redução global nesta parte do forno é chamada de redução direta a reação de Boudouard também é chamada de solution loss (perda de soluto) porque o carbono não queimado, que entraria em solução no gusa, é usado para regenerar o CO LOM3027 (EEL-USP) Alto-forno Prof. Luiz T. F. Eleno 14 / 28
17 Perfil térmico Pela forte endotermicidade da redução direta, há um forte gradiente de temperatura nesta região LOM3027 (EEL-USP) Alto-forno Prof. Luiz T. F. Eleno 15 / 28
18 Regiões do alto-forno nomenclatura LOM3027 (EEL-USP) Alto-forno Prof. Luiz T. F. Eleno 16 / 28
19 Zona de gotejamento e homem morto Na zona de gotejamento, praticamente todo o FeO termina de ser reduzido para Fe líquido e a escória líquida é formada. Nesta região, gotas de Fe e de escória percolam por entre as partículas de coque redução parcial dos óxidos de elementos de liga e impurezas o Fe começa a se enriquecer em elementos de liga (C, Si e Mn, principalmente). A região chamada de homem morto (deadman), é uma enorme massa de coque não queimado que se acumula no centro do forno na altura da rampa e do ventre do forno. gotas de Fe saturam-se de C forma-se o ferro gusa propriamente dito LOM3027 (EEL-USP) Alto-forno Prof. Luiz T. F. Eleno 17 / 28
20 10.18 The Iron Iron Carbide (Fe Fe Por que o gusa tem 4,0% C? 3C) Phase Diagram C 1493 C Composition (at% C) C + L L 2500 Temperature ( C) 1200, Austenite C 1147 C Fe 3 C 2000 Temperature ( F) C , Ferrite + Fe 3 C Cementite (Fe 3 C) (Fe) Composition (wt% C) FIGURE The iron iron carbide phase diagram. (Adapted from Binary Alloy Phase Diagrams, 2nd edition, Vol. 1, T. B. Massalski, Editor-in-Chief, Reprinted by permission of ASM International, Materials Park, OH.) LOM3027 (EEL-USP) Alto-forno Prof. Luiz T. F. Eleno 18 / 28
21 Regiões do alto-forno nomenclatura LOM3027 (EEL-USP) Alto-forno Prof. Luiz T. F. Eleno 19 / 28
22 Cadinho Região onde se armazena o gusa e a escória líquidos Por diferença de densidades, a escória se forma na superfície do banho metálico Dependendo da relação peso da carga / empuxo do gusa o homem morto pode ou não se apoiar no fundo do cadinho Furos periódicos são feitos na parede refratária do cadinho para o vazamento do gusa e da escória gusa é transportado em carros torpedos para etapas posteriores (refino, lingotamento,... ) escória é pulverizada por jato d agua para outras aplicações ( cimento metalúrgico ) LOM3027 (EEL-USP) Alto-forno Prof. Luiz T. F. Eleno 20 / 28
23 Furo para drenagem de gusa e escória (Drenagem do gusa) LOM3027 (EEL-USP) Alto-forno Prof. Luiz T. F. Eleno 21 / 28
24 Visão geral LOM3027 (EEL-USP) Alto-forno Prof. Luiz T. F. Eleno 22 / 28
25 Diagrama de Chaudron É um diagrama de Ellingham disfarçado sobreposto ao diagrama, está a composição do gás ao longo da cuba (shaft) do forno LOM3027 (EEL-USP) Alto-forno Prof. Luiz T. F. Eleno 23 / 28
26 Estequiometria do alto forno Balanço de massa do alto forno para um caso específico: Carga por mol de Fe 2 O 3 : 0,9 mols de SiO 2 0,2 mols de Al 2 O 3 1 mol de CaCO3 como fluxante Reações de redução: redução indireta: hematita magnetita wustita 50% da wustita é reduzida para Fe neste estágio relação CO 2/CO = 0,4 ao final da redução indireta do FeO para Fe (valor depende da reducibilidade do minério; por quê?) redução direta: redução do restante da wustita e de parte do SiO 2 Calcinação do calcário: Incorporação de elementos de liga: ,05 mol de SiO 2 é reduzido e 0,4 mol de C dissolve no Fe o gusa dissolve 1,2% Si e 4,1% C (confere?) Qual é a quantidade de carbono necessária por tonelada de Fe? E de ar? LOM3027 (EEL-USP) Alto-forno Prof. Luiz T. F. Eleno 24 / 28
27 Consumo de coque (fuel rate) Baixo consumo de coque depende de: 1. minério com reducibilidade elevada, gerando uma alta taxa CO 2 /CO na saída uso de pelotas ou sínter 2. carregamento de CaO ao invés de CaCO 3 carga auto-fluxante na pelotização/sinterização 3. alta porcentagem de redução direta depende do fornecimento da energia para a reação de Boudouard É preciso fazer um balanço de energia para verificar se há disponibilidade LOM3027 (EEL-USP) Alto-forno Prof. Luiz T. F. Eleno 25 / 28
28 Balanço térmico do alto forno Balanço de energia em MJ/ton de hot metal (HM, gusa) (Arcelor-Mittal) LOM3027 (EEL-USP) Alto-forno Prof. Luiz T. F. Eleno 26 / 28
29 Balanço térmico do alto forno Balanço de energia em MJ/ton de hot metal (HM, gusa) (Arcelor-Mittal) LOM3027 (EEL-USP) Alto-forno Prof. Luiz T. F. Eleno 26 / 28
30 Comportamento de impurezas durante a fabricação do gusa Componentes principais: no gusa: Fe, C, Si na escória: SiO 2, CaO, Al 2 O 3, MgO Outros elementos de liga e impurezas Mn, Ti, S, P, Zn, Pb, Cu óxidos de Mn e Si parcialmente reduzidos próximos ao cadinho e se distribuem entre metal e escória são reaçoes endotérmicas MnO é mais facilmente reduzido que SiO2 Si escória / Si metal 10 Mn escória / Mn metal 1 óxido de Ti Ti forma nitretos e carbonetos que prejudicam a fluidez da escória muito pouco Ti (<1%) entra no gusa LOM3027 (EEL-USP) Alto-forno Prof. Luiz T. F. Eleno 27 / 28
31 Enxofre e fósforo Enxofre Fósforo oriundo principalmente das cinzas do coque na cuba é dissolvido no ferro no cadinho boa parte vai para a escória: S + CaO + C CaS + CO reação fortemente endotérmica S escória / S gusa interação do S com o Si: 2 S + 2 CaO + Si 2 CaS + SiO 2 reação em condições de quasi-equilíbrio alto Si no gusa baixo S no gusa (e vice-versa) Origem: do próprio minério de ferro, que contém alguns fosfatos A redução para P é quase 100% completa nas condições redutoras do alto-forno P escória / P gusa 0,1 Nos dois casos, etapas posteriores de refino são necessárias LOM3027 (EEL-USP) Alto-forno Prof. Luiz T. F. Eleno 28 / 28
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